JP7102339B2 - 発光ダイオード光バイオリアクタ及び使用方法 - Google Patents
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Description
本特許出願は2015年7月29日に出願された米国仮特許出願第62/198,652号の優先権を請求するものであり、その内容の全体は参照により全て具体的に本願に援用される。
[従来技術の説明]
1.バイオリアクタは大規模な商業規模でバイオマスを生産可能でなければならない、
2.バイオリアクタは小さな設置面積を有していなければならず、それゆえ閉鎖系バイオリアクタの管類及び袋のネットワークである大きな開けた貯水所の使用を排除しなければならない、
3.バイオリアクタは気候及び地形とは無関係に使用できなければいけない、
4.バイオリアクタは、今日受け入れられている業界標準(0.5~1.0g/lの乾燥重量(DW))と同等又はより大きい、非常に大きな藻類バイオマス密度を実現しなければいけない、
5.バイオリアクタは、非常に効率的に空間を使って微細藻類の最適な生育を促進し、かつ商業的に実行可能でなければならない、
6.バイオリアクタは、制御された半連続的なバイオマスの収穫が可能であるべきである、
7.バイオリアクタは、バイオマスの生育を妨げる、又は遅らせる、不純物及び汚染物質の能力を著しく弱める/除去しなければならない、
8.バイオリアクタは、バイオマスの収穫プロセスを妨げる、不純物及び汚染物質の能力を著しく弱めなければならない、そして
9.バイオリアクタは、微細藻類を問わず、微細藻類又は光依存性微生物のあらゆる種に適応できなければいけない。
1)藻類に光を当てる、
2)藻類及び光に水をかける、
3)高度に制御可能で複製可能な生育環境を与える、
4)高水準の制御を与える、
5)コスト効率の良い大量製造向けに設計する、
6)半連続的な及び/又は定常状態の生産向けに設計する、
7)技術を生物学的に行われるように適応させる、
8)任意の環境へのシステムの配備のために設計する、
9)システムがコアプラットフォーム技術として動作するように設計する、そして
10)独自の協調的ビジネスモデルを開発する、
というコンセプトがある。
1.適切な混合ができるようにすることで、サイクルの照明を当てている部分の間に適切な瞬間的な明暗サイクルを細胞へ与え、勾配や生物付着を防ぐこと、
2.高い物質移動能力を与えて、CO2を効率的に供給し、O2の増加を防ぐこと、
3.高い表面積対体積率(S/V)の光を与え、細胞濃度及び容積生産性を向上させること、
4.培養生物に最適な温度又はその近傍で温度を制御できるようにすること、
5.栄養素及び環境要因、すなわち光強度、温度、pH、CO2、並びにカルシウム、マグネシウム、リン、窒素、鉄及び微量栄養素などの栄養素を正確に制御すること、
6.制御可能で予測可能な収穫法を可能とし、培養生物にとって最適な個体数密度を維持すること、
7.適切な光管理を可能とすることで光阻害を減少させ、光合成効率を最大化し、光の制約を減少させること、
8.外的要因、汚染物質及び不純物が培養生物の生育を妨げる、又は減少させる能力を著しく弱めること。
1.容器のハニカム配置
2.垂直棚置きシステム、又は
3.連続流タンク貯蔵システム。
各種のバイオリアクタ、藻類株、及び藻類の最終的な利用法は、特定の方法と標準的な動作プロトコルの調整、最適化を必要とする。以下のプロトコルは、プロセスの全般的な理解と、本発明に係るタンクベースの光バイオリアクタを運営するのに必要な重要な手順を提供することを意図している。
オペレータが仕事に就く際の朝の設定:
ファイアウォールタンクはすでに、夜通し混合されていた水及び栄養素(4°Cで貯蔵された、加圧滅菌された微量栄養素を除く)で前日から充填されている(下表を参照)。これはまた、タンクの温度が平衡状態になることを可能にする。
プロセス:
1.前夜に、ファイアウォールタンクに接続された送水ポンプ/ベンチュリ注入器/オゾン発生システムの電源が入れられる。ファイアウォールタンクは、ORP値で900以上を5分間持続するまでオゾン処理される。20PSIで毎分4~5リットルのオゾン流が、毎時約30グラム(アトラス30オゾン発生器)の割合のオゾンで使用される。レベル及び持続時間で正しいORP値が実現されるとオゾンのスイッチが切られ、オゾンはいったん発生すると急激に減少する(水中で15~30分の半減期)ため、ファイアウォールタンクが残留オゾンを夜通し排出できるようにする。
2.無菌微量栄養素がファイアウォールタンクへ加えられ、5分間混合される。
3.その間、生育タンクは順次、20-25%が収穫タンクへ収穫される。
4.1で使われた送水ポンプを使うか、又は重力のみにより、バイオマスの量を回復するため、栄養に富んだ水が各生育タンクへ移される。前日にオゾンプロセスで滅菌された培地を含むすべての管。
5.空のファイアウォールタンクのすすぎが行われ、ファイアウォールタンクはすぐに次のサイクル(次の24~48時間)で使用予定の量に相当する量まで真水で充填されて、栄養素(微量栄養素を除く)が加えられて混合される。タンクは、不要な生物の増殖を制限するため、この時点で1で説明したようにオゾン滅菌される。
藻類の最終的な利用法に応じて使われる多くの収穫方法がある。藻類は生育タンクとは別に置かれているので、ろ過、凝集、遠心分離、又はその他の収穫システムは、半連続的に生育している藻類に影響を与えたり危険にさらしたりすることがまったくないように安全に使用することができる。
・ロータ速度: 10,000rpm
・12分ごとに排出
・25リットル/分の吸入バイオマス流
結果
0.9lボトルでの基準値
12:12明暗サイクル
660nmで5Wの照明、1mlあたり500×106の細胞、1リットルあたり5.55W相当
9:3明暗サイクル
660nmで5Wの照明、1mlあたり150×106の細胞、1リットルあたり5.55W相当
250リットルのタンク
12:12 明暗サイクル
660nmで60Wの照明、1mlあたり150×106の細胞、1リットルあたり0.24W相当
・1リットルのバイオマスあたり23倍少ない光で、3.3倍だけ少ないバイオマスとなり、基準値に対し7倍効率が高くなる。
660nmで130Wの照明、1mlあたり250×106の細胞、1リットルあたり0.52W相当
・1リットルのバイオマスあたり11.5倍少ない光で、2倍だけ少ないバイオマスとなり、基準値に対し6倍効率が高くなる。
9:3明暗サイクル
660nmで90Wの照明、1mlあたり200×106の細胞、1リットルあたり0.36W相当
・1リットルのバイオマスあたり15倍少ない光で、1.3倍だけ多いバイオマスとなり、基準値に対し20倍効率が高くなる。
これは、「川」型のタンク貯蔵を運営するのに使われる可能性のあるプロトコルとなるであろう。このシナリオでは、キューブ内で静止した状態で実現される明暗サイクルを再現するために平らなパネルを使って照らされた、又は暗い水路からなるタンク内で、生育段階が行われる。ファイアウォールタンク及び収穫タンクといった上流・下流の周辺要素については、キューブベースのシステムのときとまったく同様のままである。本明細書に記述されるシステムは仮想的な5m3の川であるが、より大きなシステムが若干の適合をすることで実質的に同一の方法を使っている。このシナリオは、川の20%が収穫され、20%が無菌で栄養に富んだ水で置き換えられるサイクルごとに、設定された量のバイオマスを作るために使われる川について記述している。
川ベースのタンクへ播種するのに先立ち、タンクは広範囲にわたって洗浄、滅菌される必要がある。すべての護岸堤防及び通気要素は、生体適合性の洗浄剤、漂白剤、及び70%エタノールを使って消毒される。多量の水がタンク及び内部にある要素をすすぐのに使われて、川全体に水を満たす前に乾燥される。念のため、タンクは空中の汚染物を制限するためにHEPA濾過が使われる筺体内に置かれている。
川が一杯になると、バイオマスが連続して収穫される。この場合、毎日20%とは、1日あたり1m3すなわち1時間当たり41.67lに相当する。ここで、2台の蠕動ポンプが稼働している。一方の2つのヘッドを備えたものは、川の終端部で695ml/minを収穫タンクへ収穫しており、川の先頭部では藻類バイオマスをファイアウォールタンクから供給された695ml/minの無菌の栄養に富んだ水で置き換えている。同時に、二つ目の蠕動ポンプは、2.78l/minの藻類バイオマスを川の終端部から川の先頭部へと移送している。実際、川は閉ループではなく、むしろ制御された入口と出口を有する、U字型のタンク貯蔵システムである。
タンクシステムと川型システムは、藻類へ光をもたらすという同じ基本コンセプトを有するが、重要な違いはバイオマスの連続した流れである。後者では、藻類バイオマスが、次の収穫、再投与まで周期的で、1日の任意の時間に常に変化する条件(細胞の数の増加、栄養素の消費、及び光のオン/オフ)であるキューブのような静的なシステムではなく、川は、任意の地点での条件が常に一定である、事実上定常状態のプロセスである。
藻類生育の2つの段階
Claims (15)
- 光合成生物の培養及び収穫のための光バイオリアクタであって、
複数のリアクタ容器を含むバイオリアクタシステムを備え、
前記複数のリアクタ容器に含まれる1つ以上のファイアウォールタンク容器であって、その中に滅菌された水および栄養素を含有するように構成されている前記1つ以上のファイアウォールタンク容器と、
当該ファイアウォールタンク容器と流体連結する滅菌手段のソースと、
前記複数のリアクタ容器に含まれる1つ以上の生育タンク容器であって、混合・滅菌を行う当該1つ以上のファイアウォールタンク容器と流体連結することが可能であり、前記光合成生物の培養のために構築、配置されている、前記1つ以上の生育タンク容器と、
前記1つ以上の生育タンク容器内で、その内部の流体が循環するように、前記1つ以上の生育タンク容器の中に気流を供給するように構成された1つ以上のバブラーと、
前記1つ以上の生育タンク容器内に浸漬される光パネルアセンブリであって、
略平面の導光板と、該略平面の導光板を動作させる発光ダイオード(LED)とを含む、当該光パネルアセンブリと、
前記1つ以上の生育タンク容器と流体連結された1つ以上の収穫容器であって、前記1つ以上の生育タンク容器で作られるバイオマスを受けるように構築、配置された前記1つ以上の収穫容器と、
流体経路であって、(i)前記ファイアウォールタンク容器から生じる流体が、前記1つ以上の生育タンク容器と流体連結するようになされる第1の状態と(ii)前記ファイアウォールタンク容器が、前記1つ以上の生育タンク容器から流体的に分離するようになされる第2の状態との間を切り替え可能である流体経路と
を含む前記バイオリアクタシステムを備える、光バイオリアクタ。 - 前記光パネルアセンブリが、複数の導光板を備えるものであって、当該導光板は発光ダイオード(LED)で動作する、請求項1に記載の光バイオリアクタ。
- 前記1つ以上の生育タンク容器内のpHレベルを制御するための加圧CO2源と流体連結されたCO2ディフューザをさらに含む、請求項1に記載の光バイオリアクタ。
- 1つ以上の冷却コイルをさらに含むものであって、
前記1つ以上の冷却コイルは、1つ以上の生育タンク容器の中に配置されて、また前記1つ以上の冷却コイルは、熱的条件を維持して前記光合成生物の生育を支持するため、冷却・加熱培地をその中を通して循環させるように構築、配置された、請求項2に記載の光バイオリアクタ。 - 前記光合成生物が微細藻類である、請求項1に記載の光バイオリアクタ。
- 前記1つ以上の生育タンク容器と流体連通することができる1つ以上のストレスタンク容器をさらに備えるものであって、該1つ以上のストレスタンク容器は、その中の光合成生物を、栄養素の枯渇、照明またはその両方に曝すように構成される、請求項1に記載の光バイオリアクタ。
- 前記1つ以上の生育タンク容器が、当該生育タンク容器内で、稼動中に、陽圧環境を維持するように構築、配置された蓋をさらに含む、請求項1に記載の光バイオリアクタ。
- 光バイオリアクタにおける光合成生物の培養方法であって、
請求項1に記載の光バイオリアクタを与えることと、
前記1つ以上の生育タンク容器に対して、光合成生物を供給することと、
前記1つ以上の生育タンク容器に対して、滅菌された水および栄養素源を与えることと、
前記光パネルアセンブリを用いて、前記1つ以上の生育タンク容器の中の光合成生物に照明することと、
前記1つ以上の生育タンク容器から前記光合成生物を収穫することとを含む、方法。 - 前記光合成生物が藻類バイオマスである、請求項8に記載の方法。
- 複数の前記生育タンク容器から、連続的に光合成生物を収穫することをさらに含む、請求項8に記載の方法。
- 2つ以上のバブラーであって、前記1つ以上の生育タンク容器内で、その内部の流体の交互循環が発生するように構築、配置された前記2つ以上のバブラーをさらに備える、請求項1に記載の光バイオリアクタ。
- 前記1つ以上の生育タンク容器は、当該生育タンク容器内に陽圧環境を維持するように構築、配置された蓋を備える、請求項6に記載の光バイオリアクタ。
- 生育段階の前記1つ以上の生育タンク容器から1つ以上の前記ストレスタンク容器への選択的流体連結を可能とするように構築、配置された1つ以上の流体経路をさらに備える、請求項12に記載の光バイオリアクタ。
- 前記1つ以上の生育タンク容器が、1つ以上のエッジ入射型両面導光板、1つ以上の発光ダイオード(LED)ストリップ、および1つ以上のヒートシンクを含む1つ以上のエッジ入射型導光板アセンブリを備える光パネルアセンブリを1つ以上備え、前記1つ以上のエッジ入射型両面導光板と前記1つ以上のLEDストリップの相対的位置が前記ヒートシンクにより維持され、前記1つ以上のLEDストリップから放射される光が当該エッジ入射型両面導光板へ注入されて前記エッジ入射型両面導光板の両面から均等に分散される、請求項6に記載の光バイオリアクタ。
- 前記1つ以上の生育タンク容器が前記ファイアウォールタンク容器からの流体を受けるように、生育段階の前記1つ以上の生育タンク容器と前記ファイアウォールタンク容器とが流体連結されている、請求項1に記載の光バイオリアクタ。
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