JP7018392B2 - フォトバイオリアクターデバイス及び方法 - Google Patents
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Description
(i)第1膜層及び第2膜層を含むフォトバイオリアクターユニットを備え、2つの膜層は、第1膜層の少なくとも一部が第2膜層の少なくとも一部に直接固着されて画成境界を第1及び第2膜層の非固着部分の周りに形成することにより、流体を収納することができるフォトバイオリアクターユニットを画成するように配置され、
第1及び第2層のうち少なくとも一方は半透明であり、
第1及び第2膜層の少なくとも一部は、ガスを透過させることができ、酸素が第1膜層及び/又は第2膜層内を透過する酸素透過係数は、適切には約100バーラー(Barrer)以上であり、代表的には約300バーラー以上であり、適切には約400バーラー以上であり、フォトバイオリアクターデバイスは更に、
(ii)流体を、前記ユニット内を循環させることができる入口ポート及び出口ポートを備える。
(a)第1膜層及び第2膜層を含む少なくとも1つのフォトバイオリアクターユニットを備え、2つの膜層は、第1膜層の少なくとも一部が第2膜層の少なくとも一部に直接固着されて画成境界を第1及び第2膜層の非固着部分の周りに形成することにより、流体を収納することができるフォトバイオリアクターユニットを画成するように配置され、
第1及び第2層のうち少なくとも一方は半透明であり、
第1及び第2膜層の少なくとも一部は、ガスを透過させることができ、酸素が第1膜層及び/又は第2膜層内を透過する酸素透過係数は、適切には約100バーラー(Barrer)以上であり、代表的には約300バーラー以上であり、適切には約400バーラー以上であり、フォトバイオリアクターシステムは更に、
流体を、前記ユニット内を循環させることができる入口ポート及び出口ポートと、
(b)少なくとも1つのフォトバイオリアクターユニットの入口ポート及び出口ポートと流体連通する流体容器と、
(c)流体循環をシステム全体で維持するポンプと、
(d)バイオマス回収装置と、を備える。
(I)第1膜層及び第2膜層を含むフォトバイオリアクターユニットを備え、2つの膜層は、第1膜層の少なくとも一部が第2膜層の少なくとも一部に直接固着されて画成境界を第1及び第2膜層の非固着部分の周りに形成することにより、流体を収納することができるフォトバイオリアクターユニットを画成するように配置され、
第1及び第2層のうち少なくとも一方は半透明であり、
第1及び第2膜層の少なくとも一部は、ポリシロキサンを含み、当該フォトバイオリアクターデバイスは更に、
(II)流体を、前記ユニット内を循環させることができる入口ポート及び出口ポートを備える。
(i)第1膜層及び第2膜層を含むフォトバイオリアクターユニットを備え、2つの膜層は、第1膜層の少なくとも一部が第2膜層の少なくとも一部に直接固着されて画成境界を第1及び第2膜層の非固着部分の周りに形成することにより、流体を収納することができるフォトバイオリアクターユニットを画成するように配置され、
第1及び第2層のうち少なくとも一方は半透明であり、
第1及び第2膜層の少なくとも一部は、ガスを透過させることができ、二酸化炭素が第1膜層及び/又は第2膜層内を透過する二酸化炭素透過係数は:少なくとも1000バーラー以上、少なくとも2000バーラー以上、少なくとも2200バーラー以上、少なくとも2500バーラー以上、少なくとも2800バーラー以上、少なくとも2900バーラー以上、少なくとも3000バーラー以上、少なくとも3100バーラー以上、少なくとも3200バーラー以上、少なくとも3300バーラー以上、少なくとも3400バーラー以上、少なくとも3500バーラー以上、少なくとも3600バーラー以上、少なくとも3700バーラー以上、少なくとも3800バーラー以上、適切には少なくとも3820バーラー以上から選択され、当該フォトバイオリアクターデバイスは更に、
(ii)流体を、前記ユニット内を循環させることができる入口ポート及び出口ポートを備える。
本発明の1つの実施形態によれば、膜層である外側層を含むユニットを備えるデバイスが提供される。一方の膜層は、可撓性とすることができるが、代表的な実施形態によれば、両方の膜層が可撓性である。これらの膜層の一方の膜層の少なくとも一部、及び任意であるが、第1膜層及び第2膜層の両方の膜層は、ガスが膜を横切って透過する高い透過性を示す。酸素が膜内を透過する透過係数は、約100バーラー(1barrer(バーラー)=1×10-10cm3(標準状態)・cm・cm-2・s-1・cmHg-1を表す)以上であり、代表的には約300バーラーであり、適切には約400バーラーである。本発明の特定の実施形態では、酸素が膜内を透過する酸素透過係数は、約500バーラー以上であり、場合によっては、約500バーラーよりも高い。二酸化炭素が膜内を透過する二酸化炭素透過係数は、約1000バーラー以上であり、適切には約2500バーラーであり、代表的には約3000バーラーである。本発明の特定の実施形態では、二酸化炭素が膜内を透過する二酸化炭素透過係数は、約3200バーラー以上である。この文脈において使用されるように、「at least a part(少なくとも一部)」という語句は、層のうち、ガスを、ユニットの外側膜内を通過させることができる十分大きなサイズの領域を意味する。ガスは通常、酸素及び二酸化炭素であるが、これらには限定されず、窒素、窒素酸化物、硫黄酸化物、及び/又はメタンを含むことができる。
幾つかの実施形態では、本発明のデバイスは、ポケットまたはユニット内に配置される追加構成部材(例えば、14,16など)を備える。この構成部材の主たる目的は、微生物が付着する表面を提供することによりバイオフィルムを形成することにある。
1つの実施形態では、本発明のデバイスは更に、第1層及び第2層により形成されるポケット内に配置される生体支持部材を備える。生体支持部材は、光合成微生物が付着する物理的構造または化学的界面となる材料である。生体支持部材を修飾して微生物を付着させるようにしてもよい。
デバイスのユニット内に収納される微生物は光合成を行なうことができる。光合成を行なうことができるいずれの微生物も、光合成微生物と表記される。適切な実施形態では、光合成微生物は、微細藻類(緑色藻類、青緑色藻類、黄金色藻類、及び赤色藻類のような)、植物プランクトン、渦鞭毛藻類、珪藻、バクテリア、更にはスピルリナ(Spirulina sp.)のようなシアノバクテリアから選択される。微生物は、野生型株または遺伝的改変株とすることができる。本発明の実施形態による単一デバイスは、異なる1種類以上の微生物を含むことができる。
微生物が付着して増殖する状態を制御してバイオフィルムをデバイス内に形成するために、及び微生物が増殖しない状態を制御するために、本明細書において説明されるデバイスの全ての構成部材を、またはデバイスの所定の構成部材を疎水性コーティング、親水性コーティング、または抗菌性コーティングで被覆することにより、もしくは加工する、またはその他には、物理的もしくは化学的に変性させることにより、疎水性、親水性、または抗菌性を持たせることができる。本文脈において使用されるように、「portion(部分)」という用語は、構成要素の量が、前記構成要素に疎水性、親水性、または抗菌性を付与するために十分な量であることを意味している。
液体培地及び水を誘導する流路として適切であり、かつ入口(1)及び出口(2)を有する1つ以上の流体導管は、ユニット内に配置されてユニット内を流れる流体流量を最適化する。特定の実施形態では、流体導管は液体培地導管を含むことができる。適切には、これに限定されないが、流体流速は、約1ml/分以上であり、代表的には50ml/分であり、任意には200ml/分である。システムの規模、及び構成によって異なるが、最大30L/分の流量、適切には10L/分の流量、及び約1L/分の流量も可能である。流体流速は、所定時刻にデバイス内に収納されている光合成微生物の光合成作用に応じて変えることができるが、光合成作用は、温度及び光強度のような外部ファクタによって異なる。
本発明のデバイスは、光を外部自然光源または人工光源から受光することができる。別の構成として、ポケット内に収納される光合成微生物に十分に光合成を行わせることが可能な光量を増やすために、人工光源をデバイス内に配置することができる。
以下の特徴は、本発明の実施形態による単一ユニットを備えるデバイスに、または他の実施形態による複数のユニットを備えるモジュールに適用することができる。
ユニットの膜層があるために、ガス交換がユニット内に含まれる液体培地とユニットの外部の大気との間の膜内を通過している間に行なわれる。図34に示すように、透過性ガスのいずれの化学種の交換も、膜内をいずれかの方向に通過して行なうことができる、すなわちガスは、液体培地から外気(5)に透過する、または外気から液体培地(6)に透過することができる。ガス透過率は、ユニットの内部とユニットの外部との間の透過ガスの分圧差に応じて変化する。本発明の適切な実施形態では、二酸化炭素は、デバイスの内部の液体培地中の微生物により消費されることにより、液体培地中の二酸化炭素濃度が低下する。結果的に圧力差がデバイスの内部と外部との間に生じるので、新たな二酸化炭素が膜内を、外気からデバイスの内部に透過する。更に、代表的な実施形態では、微生物により生成される酸素が膜内を、デバイスの内部の液体培地からデバイスの外部に透過する。
デバイスは、付属システムに接続することができる。デバイスの用途によって異なるが、付属システムは、任意の程度の複雑さを有することができ、任意の種類の付属構成部材により構成することができる。
本発明のデバイスまたはデバイス群は、デバイスの所望の用途に合わせて、及び/又はデバイスの取り付け位置の環境特性に合わせて、あらゆる方位に、及び/又はあらゆる位置に取り付けることができる。デバイスのユニットは、本明細書において定義されるシール及びポケットに隣接配置される、適切には、外部固着領域に配置される補強境界部を有することができる。補強パネルは、外部取り付け構造に固定するために適している。好適な実施形態では、ユニットの境界部は、フレームまたは支持部材のような外部取り付け構造への取り付けを可能にする複数の固定部により補強される。補強境界部は、ユニットの構造を強化し、ユニット内の液体培地により膨張すると、ユニットの厚さ、及び/又は容積を制御することができるように機能することもできる。
本発明の別の実施形態では、図5~図9に示すように、追加構成部材(15,16)をユニットの内部に、外側膜層のうち1つ以上の外側膜層に接触するように配置することができる、または追加構成部材(15,16)は、第3層(87)の形態とすることができ、第3層(87)は、図33a及び図33bに示すように、第3層を、界面接着材(82)を介して2つの外側膜層に固着させることにより所定位置に固定することができる。任意であるが、構造構成部材(83)は、図33bに示すように、更に別の構成層と外側膜層との間に固着させることができる。更に別の構成層(87)は、単一の流体導管を2つの導管に分割し、かつ上に説明した制御構造(27,37,47)により形成される方位とは異なる方位に分割することができる。
1つの実施形態では、ユニットは、単一のガス透過膜シートをチューブ状に押し出し成形することにより形成することができる(図38)。この実施形態により、両側端部を固着させる必要を取り除くことができるが、その理由は、ガス透過膜シートが2つの側端面で既に閉鎖されていてポケットを画成しているからである。上に説明したように、同じ押出成形層の2つの側端面の間の固着を行なって制御構造を形成することができる。任意であるが、端面(86)は、取り付け構造への固定部として機能することができ、折り返し端面は、クランプするか、または補強することができる。
本発明の別の実施形態(図39)では、ユニットの外側膜は、1つの膜層(11)と、1つの非被膜層(18)と、を備える。非被膜層(18)は、いずれかの材料、適切には可撓性半透明材料または非可撓性半透明材料、任意には、ガラスのような透明材料もしくは光学透明材料により形成することができる。非被膜層(18)は、ガスが膜層(11)を透過するガス透過性が、理想的なガス移送が液体培地とユニット(10)の外部の大気との間で行なわれるために十分高い場合に導入される。この実施形態は、上に説明した他の実施形態のいずれか1つの他の実施形態において説明されるように、追加構成部材及び構成を含むことができる。
本発明のデバイスは、多くの用途に利用することができる。これらの用途は、バイオマス生産、二酸化炭素隔離、酸素生成、窒素酸化物または他のガスの隔離が必要ないずれかの種類の用途、または廃水処理が必要ないずれかの種類の用途とすることができる、もしくは美容用途とすることもできる。デバイスは、屋内及び/又は屋外で使用することができる。
本発明の幾つかの実施形態の利点は、バイオマスをユニット内で継続的に生産することができ、かつ継続的に収穫できることである。
別の構成として、バイオマスは、バッチで間欠的に収穫することができる。例えば、バイオマスは、デバイスから毎時間、毎日、または毎週、頻繁に収穫することができる。
本発明の実施形態及び又は付属システムは、埋め込みセンサを含むことができ、埋め込みセンサを使用して、例えば液中及び/又はガス中の二酸化炭素濃度及び/又は酸素濃度のような化学濃度を監視することができる;及び/又は温度及び毒性レベルのような他の環境パラメータ及び生物学的パラメータを監視することができる;及び/又は液体培地中のバイオマス濃度を監視することができる。
本発明の特定の実施形態によるデバイスを図1に示す。デバイスは、2つの膜層(11,12)と、これらの膜層により画成される内側空間(13)と、入口(1)及び出口(2)と、を有するユニット(10)を備える。2つの膜層(11,12)は、同じ組成、または異なる組成を有することができる。微生物増殖は、これらの膜の一方の膜、両方の膜の内側で起こり得る、もしくはこれらの膜のいずれの膜の内側でも起こり得ない。
本発明の幾つかの実施形態によるユニット(10)を備えるデバイスは、上に説明したように、1つの膜層(11)と、1つの非被膜層(18)と、を有することができる。このような実施形態は、図39に図示されている。この実施形態では、非被膜層を修飾するか、または処理することにより粗表面を形成して、微生物の付着、及びバイオフィルムの形成を促進することができる。
対向側に配置される入口(1)及び出口(2)を備える1つの流体導管を有する本発明の単純な流線形の実施形態を図10に示す。デバイス(20)のこの正面表示図では、液体培地は、入口(1)を介して上部に流入し、ポケット(23)内の空間中を流れて、出口(2)を介してデバイスの下部から流出する。
図36は、バイオマスを、本発明のデバイスを使用して生産し、収穫する(継続的に、またはバッチで)適切なプロセスサイクル(150)を示している。(A)は、デバイスが取り付けられ、空になっている初期状態を示している。(B)は、デバイスに光合成微生物を含有する液体培地を充填する初期フェーズを示している。この段階では、バイオマスはデバイス内で、バイオマスが、段階(C)で表わされる液体培地中の所望のバイオマス密度に達するまで生産される。本発明の更に好適な実施形態では、このシステムサイクルは、継続的なシステムサイクルであり、段階(C)の後、液体培地をシステムのユニット内で継続的に循環させる。システム中のバイオマスは、段階(C)で表わされるように、定期的及び/又は継続的に収穫され、バイオマス収容体に誘導される、またはバイオマスは、システムサイクルを(B)に結び付ける矢印で表わされるように、「新たなシステムサイクル」に送給することができる、及び/又は新規ユニットに送給することができる。当業者であれば、バイオマスを抽出する最適なタイミングを見つけ出すことができ、最適なタイミングは、殆どの場合、微生物の代謝速度及び/又は増殖速度によって異なる。段階(D)においてシステムから失われたバイオマスは、システム中に残留している微生物の光合成作用により再生産することができる。この継続的なシステムサイクルは、バッチシステムサイクルの途中で適宜行なうことができ、液体培地は、システム内で継続的に循環することがなく、バイオマスがシステムから殆ど収穫され、最終的に、増殖フェーズが、システム内に残留している微生物により再開される前に、所定の時間長さ(増殖フェーズ)に亘って静止状態が保たれる。
実験装置を製作して、本発明の1つの実施形態によるシステムを検証した。具体的には、装置は、酸素及び二酸化炭素の移送が、液体培地及び光合成微生物で満たされているバイオリアクターユニットの膜層内を通過している間に行なわれることを明らかにしている。
実験A
種類 開始 終了
O2 8.69 7.69 mg/l(11.50%低下)
pH 10.37 10.16 (2.02%低下)
時間 0 30 分
平均温度 28.4℃±2℃
実験B
種類 開始 終了
O2 8.63 7.31 mg/l(15.29%低下)
pH 10.32 10.06 (2.51%低下)
時間 0 45 分
平均温度 29.5℃±2℃
Claims (16)
- 光合成微生物を培養し、液体培地を含む内部の流体と外部の大気との間でのガスの移送を容易にするフォトバイオリアクターデバイスであって:
(i)第1膜層及び第2膜層を含む1つ以上のフォトバイオリアクターユニットのそれぞれであって、前記第1膜層及び前記第2膜層は、前記第1膜層の少なくとも一部が前記第2膜層の少なくとも一部に直接固着されて画成境界を前記第1膜層及び前記第2膜層の非固着部分の周りに形成することにより、流体を収納することができる前記フォトバイオリアクターユニットを画成するように配置され、
前記フォトバイオリアクターユニットは、前記液体培地の圧力によって膨張したときに10mm以上の全厚を有し、
前記第1膜層及び前記第2膜層のうち少なくとも一方は半透明であり、
前記第1膜層及び前記第2膜層の少なくとも一部は、ガスを透過させることができ、酸素が前記第1膜層及び/又は前記第2膜層内を透過する酸素透過係数は、少なくとも100バーラーであり、二酸化炭素が前記第1膜層及び/又は前記第2膜層内を透過する二酸化炭素透過係数は、少なくとも1000バーラー以上である、各フォトバイオリアクターユニットと、
(ii)前記流体を、前記ユニット内を循環させることができる入口ポート及び出口ポートと、を備えるフォトバイオリアクターデバイス。 - (I)前記第1膜層の実質的に全体が、ガスを透過させることができる、(II)前記第2膜層の実質的に全体が、ガスを透過させることができる、又は、(III)前記第1膜層及び前記第2膜層の両方の膜層の実質的に全体が、ガスを透過させることができる、請求項1に記載のフォトバイオリアクターデバイス。
- 前記第1及び第2膜層の少なくとも一部は、酸素を透過させることができ、酸素が前記第1膜層及び/又は前記第2膜層内を透過する酸素透過係数は、約300バーラー以上であり、適切には約400バーラー以上である、請求項1に記載のフォトバイオリアクターデバイス。
- 酸素が前記第1膜層及び/又は前記第2膜層内を透過する酸素透過係数は、適切には少なくとも約500バーラー以上、少なくとも650バーラー以上、少なくとも750バーラー以上、適切には少なくとも820バーラー以上である請求項3に記載のフォトバイオリアクターデバイス。
- 前記第1膜層及び前記第2膜層の少なくとも一部は、二酸化炭素を透過させることができ、二酸化炭素が透過する二酸化炭素透過係数は:少なくとも2000バーラー以上、少なくとも2200バーラー以上、少なくとも2500バーラー以上、少なくとも2800バーラー以上、少なくとも2900バーラー以上、少なくとも3000バーラー以上、少なくとも3100バーラー以上、少なくとも3200バーラー以上、少なくとも3300バーラー以上、少なくとも3400バーラー以上、少なくとも3500バーラー以上、少なくとも3600バーラー以上、少なくとも3700バーラー以上、少なくとも3800バーラー以上、適切には少なくとも3820バーラー以上から選択される請求項1~4のいずれか一項に記載のフォトバイオリアクターデバイス。
- 前記第1膜層及び前記第2膜層のうち少なくとも一方は:シリコーン、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、フルオロシリコーン、及び有機シリコーンのうち1つから選択される材料を含み、
好適には、前記材料は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)またはそのエラストマーを含む、請求項1~5のいずれか一項に記載のフォトバイオリアクターデバイス。 - 少なくとも1種類の光合成微生物が、前記ユニット内に含まれる請求項1~6のいずれか一項に記載のフォトバイオリアクターデバイス。
- 前記光合成微生物は:ヘマトコッカス属(Haematococcus sp.)、ヘマトコッカスプルビアリス(Haematococcus pluvialis)、クロレラ属(Chlorella sp.)、クロレラオウトトロヒカ(Chlorella autotraphica)、クロレラヴァガリス(Chlorella vulgaris)、セネデスムス属 (Scenedesmus sp.)、シネココックス属(Synechococcus sp.)、シネココックスエロンガツス(Synechococcus elongatus)、シネコシスティス属(Synechocystissp.)、アルスロスピラ属(Arthrospira sp.)、アルスロスピラプラテンシス(Arthrospira platensis)、アルスロスピラマキシマ(Arthrospira maxima)、スピルリナ属(Spirulina sp.)、クラモドモナス属(Chlamydomonas sp.)、コナミドリムシ(Chlamydomonas reinhardtii)、ガイトレリネマ属(Geitlerinema sp.)、リングビア属(Lyngbya sp.)、クロオコッキディオプシス属(Chroococcidiopsis sp.)、カロトリクス属(Calothrix sp.)、シアノセイス属(Cyanothece sp.)、オスキラトリア属(Oscillatoria sp.)、グレオシィス属(Gloeothece sp.)、ミクロコレアス属(Microcoleus sp.)、ミクロキスティス属(Microcystis sp.)、ノストック属(Nostoc sp.)、及びアナベナ属(Anabaena sp.)から選択される請求項7に記載のフォトバイオリアクターデバイス。
- 前記光合成微生物は、ドナリエラサリナ(Dunaliella salina)及びシネココッカスマリウス(Synechococcus marinus)から選択される請求項7に記載のフォトバイオリアクターデバイス。
- 前記フォトバイオリアクターユニットは、少なくとも1つのフロー制御構造、及び/又は、少なくとも1つの生体支持部材を更に備える請求項1~9のいずれか一項に記載のフォトバイオリアクターデバイス。
- 前記フォトバイオリアクターユニットと流体連通する付属システムを更に備え、
好適には、前記付属システムは:導管;容器;ポンプ;バルブ;バイオマス分離装置;照明システム;温度制御システム;センサ;及びコンピュータ/CPUコントローラからなるグループの少なくとも1つを含む、請求項1~10のいずれか一項に記載のフォトバイオリアクターデバイス。 - 前記少なくとも1つのフォトバイオリアクターユニットの前記入口ポート及び出口ポートと流体連通する流体容器と、
システム全体の流体循環を維持するポンプと、
選択的にバイオマス回収装置と、を備える、請求項1~11のいずれか一項に記載のフォトバイオリアクターデバイス。 - 光合成微生物を、請求項1~12のいずれか一項に記載のフォトバイオリアクターデバイス内で培養し、バイオマスを前記フォトバイオリアクターデバイスから収穫することを含む、バイオマスを製造する方法。
- 光合成微生物を、請求項1~12のいずれか一項に記載のフォトバイオリアクターデバイス内で培養し、前記フォトバイオリアクターデバイス内の前記光合成微生物が毒性を廃水から除去する、または毒性を前記廃水から消失させるように、前記廃水を前記フォトバイオリアクターデバイス内で流すことを含む、廃水を処理する方法。
- 光合成微生物を、請求項1~12のいずれか一項に記載のフォトバイオリアクターデバイス内で培養し、前記フォトバイオリアクターデバイス内の前記光合成微生物が、汚染物質を大気から除去する、または前記汚染物質を前記大気から消失させるように、前記フォトバイオリアクターデバイスを前記汚染物質を含む前記大気に曝すことを含む、大気汚染物質を除去する方法。
- 光合成微生物を培養し、液体培地を含む内部の流体と外部の大気との間でのガスの移送を容易にするフォトバイオリアクターデバイスであって:
(i)チューブ状に配置された少なくとも1つの膜層を含む1以上のフォトバイオリアクターユニットのそれぞれであって、流体を収納することができる前記フォトバイオリアクターユニットを画成するように配置され、
前記フォトバイオリアクターユニットは、前記液体培地の圧力によって膨張したときに10mm以上の全厚を有し、
前記少なくとも1つの膜層は半透明であり、
前記少なくとも1つの膜層の少なくとも一部は、ガスを透過させることができ、酸素が前記少なくとも1つの膜層内を透過する酸素透過係数は、少なくとも100バーラーであり、二酸化炭素が前記少なくとも1つの膜層内を透過する二酸化炭素透過係数は、少なくとも1000バーラー以上である、各フォトバイオリアクターユニットと、
(ii)前記流体を、前記ユニット内を循環させることができる入口ポート及び出口ポートと、を備えるフォトバイオリアクターデバイス。
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