JP6214740B2 - 光バイオリアクター - Google Patents
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Description
藻類培養物は光バイオリアクターにおける培養液に留まる。培養液は、藻類がバイオマスまたは特異的な分子を製造することができるように異なる塩類およびその他の栄養素(例えばCO2のような炭素源、グルコースまたはコハク酸塩)を含む水溶液である。培養液の特異的な栄養分は、光バイオリアクターにて培養される藻類のタイプ、または藻類培養物が製造すると思われる種々の分子に依存して変えてよい。光バイオリアクターにおける培養液は、任意の流速で光バイオリアクターを通して新鮮な培養液をポンプで汲み出すことで取り替えてよく、それにより、藻類培養物には新鮮な栄養素が提供される。培養液が光バイオリアクターを通ってポンプで汲み出される場合、好ましくは、培養液がポンプで汲み出される流速は光バイオリアクターからの藻類のいかなる損失も最小化するように調節される。光バイオリアクターおよび周辺水における培養液の温度は連続的に測定される。測定された温度は前もって定義した温度値と比較され、当該定義した温度値は藻類培養物のための条件が最適である温度範囲内(例えば、藻類培養物の最も高い成長率または特異的な分子の最も高い生産速度を促進する温度範囲)の温度であってよい。
藻類は増殖のために大量のCO2を必要とする。これは、藻類が炭素の重要な供給源としてこれを使用するためである。その上、光合成の過程で、酸素が製造され、それは藻類に有毒である場合がある。それ故、液体−ガスの障壁を介するこれらのガスの物質移動が高い生産力のために重要である。藻類培養物にCO2を供給する可能性のある多数の方法および藻類培養物から生成された酸素を除去するための多数の方法が以下に記述されるだろう。ここに記述される方法は、本発明を限定するものとして解釈すべきでない。本開示に照らして当業者にとってさらに明白であるその他の方法も、本発明の範囲内であると考えられる。
a)そのような膜は一方向弁として働く。これは、膜が、培養培地へのCO2の侵入を許すが、CO2供給システムへの水の侵入を抑制するということ、すなわち、膜はCO2に対して浸透性である一方、水には浸透性でないことを意味する。
b)より低いエネルギー消費。泡の生成が必要ではないため、膜による方法は、泡の生成プロセスと比較して低いエネルギー消費でCO2を供給できる。
c)低い剪断応力。泡立たないようにすることによって、藻類細胞における剪断応力が低減される。藻類上のより小さな剪断応力は藻類培養培地にて死亡する藻類細胞の量を減らし、それゆえ、光バイオリアクターの効率を低減する可能性のある分解しやすい有機物質の量が低減される。その上、有機栄養生物による汚染のリスクを著しく減らすだろう。
d)物質移動速度の増大。膜の使用によって、上述される受動拡散を使用する実施形態よりも高いCO2圧力が可能となる。なぜなら、膜に対するCO2圧力は周囲の大気圧に制限されないためである。このことは、受動拡散の場合に問題となる。その上、膜は、膜と同様なサイズを有する平らな表面(例えば培養培地の表面)よりも大きい表面積を有してよい。
「閉鎖型水塊」という用語は、例えば量またはそこに含まれる淡水、汽水もしくは塩水といった種類の制御を可能にする、十分に定義された水のシステムである。閉鎖型水塊の例は天然もしくは人工の池またはプールである。
「開放型水」という用語は、水の化学的または物理的性質の有効な制御が困難または不可能である天然の水塊、例えば湖、川または海を意味する。
一実施形態において、培養液の塩分が多目的システムによって調節され、それによって光バイオリアクターの位置が間接的に調節される。このシステムは、光バイオリアクターの全重量および密度並びに光バイオリアクターに含まれる培養液およびバイオマスの量といった光バイオリアクターに関する情報とともにプログラムされる。さらに、システムは、培養液の温度、塩分、密度および周辺水の密度を連続的に測定し、それによって光バイオリアクターと周辺水との間の密度差を連続的に決定する。システムは、さらに、塩分濃度といった培養液の種々の成分の濃度を制御する。さらに、システムは培養液の温度における変化に応答して、周辺水における光バイオリアクターの位置を自動的に調節し、藻類培養物を一定温度で維持してもよい。システムは、したがって、既知の制御回路またはアルゴリズム、例えばフィードバック機構を有する制御アルゴリズムを備えてよく、光バイオリアクターの位置を調節する場合に最適な安定を可能にする。
本発明による光バイオリアクターの垂直位置および/または形状は、培養液とリアクターが配置される周辺水との間の適切な密度差を提供することによって制御してよい。しかしながら、光バイオリアクターの位置および/または形状を制御するための付加的な手段がしばしば有用かもしれない。これは、例えば光バイオリアクターを迅速に沈める必要がある場合に該当する可能性がある。そのような手段は、光バイオリアクターの水没または浮揚の支援のために高いまたは低い密度の培地を充填することができる付加的なコンパートメントまたはチューブ、光バイオリアクターの水没または浮揚を支援するための機械的手段およびリアクターが沈められる場合にその形状を制御するための光バイオリアクターの藻類コンパートメント内のサブコンパートメントを含んでよい。これらの3種の手段は以下に詳細に議論されるだろう。
一実施形態において、光バイオリアクターは、光バイオリアクターの位置を変更する速度を増大するための手段を提供する付加的なコンパートメントまたはチューブを備える。コンパートメントまたはチューブは、ガス、水またはその他の液体を含んでよい。光バイオリアクターが水面に配置される場合、コンパートメントまたはチューブは単にガスを含んでよい。光バイオリアクターの位置を低下させる必要がある場合、コンパートメントまたはチューブは、水または高密度の液体で満たされ、これによって、光バイオリアクターの総合密度を増大させる。光バイオリアクターが水の表面より下にあり、光バイオリアクターの位置を上げる必要がある場合、コンパートメントまたはチューブにおける水または高密度の液体が押し込まれ、ガスと置換され、これによって、光バイオリアクターの総合密度が減少する。したがって、付加的なコンパートメントまたはチューブは、光バイオリアクターと周辺水との間の密度差の調整速度を増大させる。それ故、培養液の温度の短期的な変化に応じる場合といった、光バイオリアクターの位置を迅速に適応させる必要がある場合に、付加的なコンパートメントまたはチューブを使用してよい。「短期的な変化」とは分または時間のスケールでの変化を意味する。付加的なコンパートメントまたはチューブは、光バイオリアクターのあらゆる位置に配置できる。付加的なコンパートメントまたはチューブは、光バイオリアクターの他の部分と同様の材料であってよく、またはより強固で可能性としてさらに丈夫な異なる材料であってよい。付加的なコンパートメントまたはチューブは、互いに液体がつながった複数のチューブのシステムを含んでよく、構造的な安定を提供するための内部の固着点もしくは溶接点または同様の技術によって行われる接続を有する広いコンパートメントを含んでよい。
藻類の増殖条件(例えば温度)を最適化するためにまたは強風といった天候に関する条件のために、光バイオリアクターの位置を迅速に適応させる必要がある場合、光バイオリアクターは水没または浮揚の促進のための機械的手段を備えてよい。そのような機械的手段は、例えば、光バイオリアクター上に伸び、下降または上昇のために配置され、光バイオリアクターの水没または浮揚を支援する、ネットまたは少なくとも1つの細長い部材(例えばロープ、ケーブルまたはロッド)を含んでよい。一般に、平行に配置され、光バイオリアクターの長さに渡って適切な距離で分散された、2つ以上の細長い部材を有していることが有用であるだろう。例えば光バイオリアクター全体が同時に沈められるように、またはリアクターの一側面が最初に水没し、リアクターの反対の側面がその後沈められるように、細長い部材は同時にまたは順に下降または上昇されてよい。
本発明の光バイオリアクターは非常に柔軟であるため、リアクターの形状は、内部および外部の衝撃および不均質性によって影響を受ける可能性がある。従って、光バイオリアクターの形状および最適な機能の保持のために、そのような衝撃および不均質性の制御が重要となる可能性がある。それ故、本発明の光バイオリアクターの操作の種々の側面に関する本発明の多数の実施形態が以下に記述される。
本発明のさらなる実施形態が、以下の番号が付けられた項目のリストに開示される。
a)前記光バイオリアクターは、非チューブ状ユニットから成り、閉鎖型システムを表わし、且つ外部的に部分的に水に囲まれ、光バイオリアクターは、水塊(例えば、人工池、川、湖、海または水で満たされたくぼみ)に浮遊し、水に浮留し、または水塊の地面に位置する;
b)屈光性の生物のバイオマスが製造され、それは、あらゆる種類の生物燃料、飼料、タンパク質、アミノ酸、基本的な人間栄養のための成分(例えばタンパク質、オイル)の製造に有用であるが、栄養剤として使用されない(例えばビタミンまたはオメガ−3−脂肪酸)。
a)光バイオリアクターは非チューブ状ユニットから成り、閉鎖型システムを表わし、且つ外部的に部分的に水に囲まれ、光バイオリアクターは、水塊(例えば、人工池、川、湖、海または水で満たされたくぼみ)に浮遊し、水に浮留し、または水塊の地面に位置する;
b)屈光性の生物のバイオマスが製造され、それは、ファインケミカルス、栄養剤、ビタミン、オメガ−3−脂肪酸、酸化防止剤(例えばカロテノイド)医薬的活性物質または栄養上の補給のための乾燥バイオマスの生産のために使用される。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]
光合成微生物の培養のための閉鎖型光バイオリアクターの操作方法であって、前記光バイオリアクターは培養液を含み、前記光バイオリアクターは水塊の水に部分的にまたは完全に囲まれ、前記光バイオリアクターの水塊における位置を制御するように前記培養液と周辺水との間の密度差が提供される方法。
[2]
培養液を含むのに適した前記光バイオリアクターの壁が、防水且つ柔軟な材料を含む、[1]に記載の方法。
[3]
前記防水且つ柔軟な材料がポリマーに基づく材料の薄膜である、[2]に記載の方法。[4]
前記密度差が、前記培養液と前記周辺水との間の塩分の差の供給によって提供される、上記の何れか1に記載の方法。
[5]
前記密度差が、前記培養液と前記周辺水との間の温度差の供給によって提供される、上記の何れか1に記載の方法。
[6]
前記密度差が、前記培養液のガス圧力の増加または減少によって提供される、上記の何れか1に記載の方法。
[7]
前記培養液の密度を増大させてまたは前記周辺水の密度を減少させて、前記水塊における前記光バイオリアクターの位置が低下するように、前記密度差が提供される、上記の何れか1に記載の方法。
[8]
前記培養液の密度を減少させてまたは前記周辺水の密度を増大させて、前記水塊における前記光バイオリアクターの位置が上昇するように、前記密度差が提供される、[1]から[6]の何れか1に記載の方法。
[9]
前記水塊における前記光バイオリアクターの位置が維持されるように前記密度差が提供される、[1]から[6]の何れか1に記載の方法。
[10]
前記光バイオリアクターは、前記光バイオリアクターの垂直位置および/または形状をさらに制御するのに適した1以上のコンパートメントまたはチューブを備えた、上記の何れか1に記載の方法。
[11]
前記光バイオリアクターは、前記光バイオリアクターの垂直位置および/または形状をさらに制御するのに適した機械的手段を備えた、上記の何れか1に記載の方法。
[12]
前記光バイオリアクターはフラットパネル形状を有する、上記の何れか1に記載の方法。
[13]
前記光バイオリアクターは前記培養液を含むのに適した2以上のサブコンパートメントを含む、上記の何れか1に記載の方法。
[14]
前記サブコンパートメントは互いに封着された[13]に記載の方法。
[15]
前記サブコンパートメントは、前記サブコンパートメント間の限定的な液体および/またはガスの移動が可能なように接続された、[13]に記載の方法。
[16]
前記光バイオリアクターは前記光バイオリアクターを2以上のサブコンパートメントに一時的に分割する手段を含む、上記の何れか1に記載の方法。
[17]
前記光バイオリアクターを2以上のサブコンパートメントに一時的に分割する前記手段は、前記光バイオリアクターの上部シートを前記光バイオリアクターの下部シートに押し付けて、それぞれの側のくぼみにおいて、前記光バイオリアクター内にサブコンパートメントを形成する手段を含む、[16]に記載の方法。
[18]
前記光バイオリアクターを2以上のサブコンパートメントに一時的に分割する前記手段は、少なくとも1つの細長い部材を含み、前記部材は、前記光バイオリアクター上に伸び、前記光バイオリアクターの上部シートを前記光バイオリアクターの下部シートに向けて押し付けるように下がり、前記少なくとも1つの細長い部材のそれぞれの側で、前記光バイオリアクターの内部にサブコンパートメントが形成されるように配置される、[16]または[17]に記載の方法。
[19]
前記光バイオリアクターを2以上のサブコンパートメントに一時的に分割する前記手段は、前記光バイオリアクターの上部シートに接して配置され且つ前記培養液よりも高い密度を有する液体で満たされるのに適した少なくとも1つのコンパートメントを含み、前記コンパートメントが高密度の液体で満たされる場合、充填されたコンパートメントは前記光バイオリアクターの前記上部シートを前記光バイオリアクターの下部シートに押し付けることが可能であり、サブコンパートメントは前記充填されたコンパートメントの各々の側において前記光バイオリアクターの内部に形成される、[16]から[18]の何れか1に記載の方法。
[20]
光合成微生物の培養のための閉鎖型光バイオリアクターであって、前記光バイオリアクターは培養液を含むのに適し、前記光バイオリアクターは水塊の水に部分的にまたは完全に囲まれるのに適し、前記光バイオリアクターは前記培養液と周辺水との間の密度差を決定する手段を含む閉鎖型光バイオリアクター。
[21]
培養液を含むのに適した前記光バイオリアクターの壁は、防水且つ柔軟な材料を含む、[20]に記載の光バイオリアクター。
[22]
前記防水且つ柔軟な材料がポリマーに基づく材料の薄膜である、[21]に記載の光バイオリアクター。
[23]
前記密度差を決定する前記手段は、前記培養液の塩および/または温度を決定する手段を含む、[20]から[22]の何れか1に記載の光バイオリアクター。
[24]
前記密度差を決定する前記手段は、前記周辺水の塩および/または温度を決定する手段を含む、[20]から[23]の何れか1に記載の光バイオリアクター。
[25]
前記光バイオリアクターは、前記光バイオリアクターの垂直位置および/または形状をさらに制御するように適応された1以上のコンパートメントまたはチューブを備えた、[20]から[24]の何れか1に記載の光バイオリアクター。
[26]
前記光バイオリアクターは、前記光バイオリアクターの垂直位置および/または形状をさらに制御するように適応された機械的手段を備えた、[20]から[25]の何れか1に記載の光バイオリアクター。
[27]
前記光バイオリアクターはフラットパネル形状を有する、[20]から[26]の何れか1に記載の光バイオリアクター。
[28]
前記光バイオリアクターは前記培養液を含むのに適した2以上のサブコンパートメントを含む、[20]から[27]の何れか1に記載の光バイオリアクター。
[29]
前記サブコンパートメントは互いに封着された、[28]に記載の光バイオリアクター。
[30]
前記サブコンパートメントは、前記サブコンパートメント間の限定的な液体および/またはガスの移動が可能なように接続された、[28]に記載の光バイオリアクター。
[31]
前記光バイオリアクターは、前記光バイオリアクターを2以上のサブコンパートメントに一時的に分割する手段を含む、[20]から[30]の何れか1に記載の光バイオリアクター。
[32]
前記光バイオリアクターを2以上のサブコンパートメントに一時的に分割する前記手段は、前記光バイオリアクターの上部シートを前記光バイオリアクターの下部シートに押し付けて、それぞれの側のくぼみにおいて、前記光バイオリアクター内にサブコンパートメントを形成する手段を含む、[31]に記載の光バイオリアクター。
[33]
前記光バイオリアクターを2以上のサブコンパートメントに一時的に分割する前記手段は、少なくとも1つの細長い部材を含み、前記部材は、前記光バイオリアクター上に伸び、前記光バイオリアクターの上部シートを前記光バイオリアクターの下部シートに向けて押し付けるように下がり、前記少なくとも1つの細長い部材のそれぞれの側で、前記光バイオリアクターの内部にサブコンパートメントが形成されるように配置される、[31]または[32]に記載の光バイオリアクター。
[34]
前記光バイオリアクターを2以上のサブコンパートメントに一時的に分割する前記手段は、前記光バイオリアクターの上部シートに接して配置され且つ前記培養液よりも高い密度を有する液体で満たされるのに適した少なくとも1つのコンパートメントを含み、前記コンパートメントが高密度の液体で満たされる場合、充填されたコンパートメントは、前記光バイオリアクターの前記上部シートを前記光バイオリアクターの下部シートに押し付けることが可能であり、サブコンパートメントは、前記充填されたコンパートメントの各々の側において前記光バイオリアクターの内部に形成される、[31]または[32]に記載の光バイオリアクター。
Claims (15)
- −光合成微生物の培養のための閉鎖型、非チューブ状でかつ柔軟性の光バイオリアクターであって、該光バイオリアクターは間に培養液を維持するための上部シートおよび下部シートからなり、該光バイオリアクターは、水塊上に浮かぶように適合されており、該上部シートおよび下部シートは防水であり、該光バイオリアクターは、該培養液と該水塊との間の密度差を維持することができる、光バイオリアクター;および
−該光バイオリアクターの上部シートと接するように配置され、さらに該光バイオリアクターの垂直位置および/または形状を制御するように適合された1以上のコンパートメントまたはチューブ
を含むシステム。 - 前記光バイオリアクターにおける前記培養液の厚さが、均質に分布される、請求項1に記載のシステム。
- 前記光バイオリアクターにおける前記培養液の厚さが1〜30cmである、請求項1〜2のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記光バイオリアクターがフラットパネル形状を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のシステム。
- 培養液を含むように適合された前記光バイオリアクターの壁が、10〜1000μmの厚さを有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記光バイオリアクターが、前記培養液を含むように適合された2つ以上のサブコンパートメントを含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記サブコンパートメントが互いに密閉される、請求項6に記載のシステム。
- 前記サブコンパートメントが、該サブコンパートメント間で限られた液体および/またはガスの輸送を可能にするように接続される、請求項6に記載のシステム。
- 前記1以上のコンパートメントまたはチューブが、該光バイオリアクターを2つ以上のサブコンパートメントに一時的に分離するようにさらに適合される、請求項1〜8のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記上部シートおよび前記下部シートがポリエチレンからなる、請求項1〜9のいずれか一項に記載のシステム。
- ファインケミカルスおよび製薬の生産のための方法であって、該方法は、
i.請求項1〜10のいずれか一項に記載のシステムを提供する工程;
ii.光合成微生物を提供し、該光合成微生物を該培養液に導入する工程;
iii.該培養液中で該光合成微生物を培養する工程
を含む、方法。 - 前記光合成微生物を回収する工程をさらに含む、請求項11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記光バイオリアクターを2つ以上のサブコンパートメントに一時的に分離する工程をさらに含む、請求項11〜12のいずれか一項の記載の方法。
- 前記ファインケミカルスまたは製薬を回収および/または精製する工程をさらに含む、請求項11〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 生物燃料、飼料、タンパク質、アミノ酸または基本的な人間栄養のための成分の生産のための方法であって、該方法は、
i.請求項1〜10のいずれか一項に記載のシステムにおいて光合成微生物を培養する工程;
ii.製造されたバイオマスを回収する工程;
iii.該製造されたバイオマスを生物燃料、飼料、タンパク質、アミノ酸、または、基本的な人間栄養のための成分に変換する工程
を含む、方法。
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