JPH05502158A - 閉鎖系光バイオリアクター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 閉鎖系光バイオリアクター 主尻旦實見 発明の概要 本発明は、反応ガスが藻類培養物中を循環するようにした実質的に密閉された環 境内に光合成培養物を含む閉鎖系光バイオリアクターにおける光合成による微生 物生成物の制御に関するものである。

従来技術 藻類は動物用およびヒト用食物生産、汚水や下水の処理、放射性廃棄物の蓄積な ど多様な目的で培養されてきた。最近、藻類の培養は工業用または研究用の用途 を有する酵素の生産、油や栄養価を有するその他の原料の生産に使用されてきた 。現代のバイオテクノロジーは藻類の遺伝形質変更の可能性を提供し、有用な原 材料の広範囲な生産能力を有する培養を実現している。

Ｎ’Ｈの人工培養には各種の方法および機材が使用された。おそらく最も単純な 手順は太陽光に曝された浅い天然の湖沼の利用によるものである。このような湖 沼は塵埃、他の微生物、昆虫、環境汚染因子によって汚染されることがあり、露 光量、温度、呼吸、その他の重要な因子を制御する最小限の能力しか提供されな い。より洗練された手段としては電気動力のポツプおよび攪拌装置を任意で有す る。プラスチックで被覆した渠または湖沼内で’ＪＡＮの成長培養を行なうもの だった。このような方式では培養汚染される機会は減少し、温度、呼吸、その他 の因子のより正確な制御が行なえるようになる。

現在の光バイオリアクターの構造は、藻類培養中のセルを最適量の可視光線に均 一に露光するための手段を提供することによって、光合成の過程を最適化するよ うに設計されている。これを実現するため、従来の光バイオリアクターは藻類培 養液中に浸漬するように光バイオリアクター内に装架した蛍光管や発光体などの 光源を含めて建設された。細胞密度や光路長などの特性を考慮して、光源は光バ イオリアクター内に位置している。

光合成の過程で藻類培養に必要とされる主要な養分は無機炭素である。既知の光 バイオリアクター系において、培養藻類は培養液中でしばしば気泡となる二酸化 炭素から炭素を獲得している。二酸化炭素は光ノ箇オリアクター底部近くに位置 した曝気チューブまたはその他の適切な手段によって培養液中へ導入されること が多い。二酸化炭素の気泡を発生させることは、しばしば藻類培養液の循環の補 助としての二重の機能を有する。

現在周知の光バイオリアクターは開放ループモードと称しうるモードで動作する 。これは、大気と光バイオリアクター内部の間で自由なガス交換がなされるもの である。このような光バイオリアクターは開放した上部または藻類培養液を含む タンクを密閉しないような上部を有する点を特徴となしている。光合成の過程が 進行するにつれ、酸素を生化学的転換の主要副産物とする産生ガスは光バイオリ アクターから大気中へ放出される。

このような開放ループモードにある光バイオリアクターの運転でしばしば充分と されるのは、大気中へ散逸する物質、すなわち二酸化炭素、培養液を含む蒸散水 は比較的安価で、環境への悪影響がないためである。さらに、光合成反応で産生 され、含まれていると圧力過剰を招来しかねない酸素は自由に放出される。しか し、非常に高価な反応ガス、たとえば炭素アイソトープである”ｃｏｚまたは１ ４ＣＯ□がこのようなシステムで使用される場合、これらの希少アイソトープを 自由に放出させていると経済的に引き合わない損失を招来することになる。さら に、培養液に重水を用いている場合、この高価な物質の過剰な蒸散損失も同様に 発生する可能性がある。

発明の要約 本発明は上述の問題点を解決し、また本システム内での高価な反応ガスおよびそ の他の反応物質の使用を可能としながら、効果的かつ経済的な運転を提供する新 型光バイオリアクターシステムを提供する。実施例の一つにおいて、本発明の新 型光バイオリアクターシステムは閉鎖ループモードで運転しており、ここにおい て反応ガスは光合成培養に伴う光合成反応用培養液中に導入・され、実質的に密 閉された環境中の培養で循環している。閉鎖系光バイオリアクターシステムはさ らに光合成反応によって生成される酸素分子を反応ガスの実質的漏洩なしで除去 する手段を含む。

本発明はさらにｐＨ感度装置を用いて、培養液のアルカリ化に応じてＮ類培養内 の反応ガス濃度を制御するための手段も提供する。これは培養のｐＨが所定の基 準値を超過した際に反応ガスを培養に導入するため培養のｐＨを監視し、また制 御手段を作動させることで実現される。

よって、培養液中に用いられる反応ガスおよびほかの物質が実質的にシステム内 に包含されており、そのため大気中へ散逸しないことから、本発明は光バイオリ アクターの大幅に経済的で効果的な運転を可能にする。さらに藻類培養のｐＨに 応じて反応ガス濃度を制御することで反応ガスを効果的に使用でき、また閉鎖系 光バイオリアクターシステム内で使用した場合の圧力過剰を防止するものである 。

図面の簡単な説明 図１は本発明の閉鎖系光バイオリアクターシステムの実施例の略図である。

図２は本発明の閉鎖系光バイオリアクターシステムの別の実施例の略図である。

図３は本発明の別の実施例の開放系光バイオリアクターシステムの斜視図である 。

図４は金属と酸素を反応させて金属酸化物を生成させうる除去手段内において反 応ガスから光合成によって生成された酸素の除去を示す。

図５は光合成によって生成された酸素の化学的吸着材による除去を示す。

図６は光合成によって生成された酸素を酸素除去装置により反応ガスから除去す ることを示す。

発明の詳細な説明 図面を参照すると、図１は光合成反応によって生成される酸素分子を除去する手 段と光バイオリアクターへの反応ガスの追加を制御する手段を含む閉鎖系光ノ＼ イオリアクターシステム１０の略図を示す。

図１に図示しであるように、閉鎖系光ノ＼イオリアクターシステム１０は実質的 密閉環境内に光合成培養液１４を格納するためのタンク１１を含む。タンクの上 部１８は酸素分子などの光合成反応で生成されるガスや培養液からの蒸散が実質 的にシステム内部に密閉され、大気中へ散逸しないように、タンクと密閉される 構造になっている。光源管１２はたとえば蛍光管などが可能で、藻類培養内に位 置して光合成反応に光を提供する。光源管は光合成反応に効果があるように藻類 培養の内部または上部または当業者には既知のあらゆる方法で装置されうる。

たとえば、本出願の譲受人に譲受され本出願においても参照している米国特許出 願第０７／１６３．８００号シこ開示したように、光源管１２は光ノ＼イオリア クター内に配置できる。

反応ガスはタンク１１底部近くに位置した曝気チューブ１３経由で藻類培養へ導 入される。培養液を通して反応ガスを曝気させることは図１内の矢印で示したよ うに藻類培養を攪拌また循環させるためにも用いる。たとえば１３ＣＯ□アイソ トープなどの反応ガスはタンク２１内に貯蔵され、図１に示したように本発明の 実施例で使用される反応ガスである。この希少な炭素同位体を用い光合成生産を 行なう微生物は世界的にバイオマスと称するものを生成し、これは非侵馨的診断 など多くの重要な用途を有している。たとえば、核磁気共鳴スペクトル盪影装置 は体内に貯蔵された糖の１３Ｃを検出可能で、体内の生化学的各種機能に関連す る有機炭素化合物を検出できる。

目ＣＯ□またはＣＯ□など他の適切な反応ガスを用いて培養の炭素要求を充足さ せることも可能である。

図１の光バイオリアクターシステムは実質的に密閉された環境で運転し、光合成 反応で生成される酸素分子を除去する手段を含む。酸素除去は好適実施例におい て触媒変換器１５の手段で示したように実現され、ここでは制御された方法で水 素が導入されて触媒存在下に酸素分子と反応する。燃焼反応によって生成した水 蒸気は凝縮器２６で凝縮され、水の形状で最小限の体積を占有する。

本発明で使用した触媒変換器はどこででも入手可能な基本的触媒変換器でよい。

燃焼反応において生成された水は集められて、ドレン２６ａを介するなど、通常 のなんらかの既知の方法によってシステムから除去される。

図１に示したように、触媒変換器１５への水素導入は継電器２０で動作する制御 弁２７によって制御する。制御弁２７は所望する量のガスの通過を制御可能な電 磁弁または当業者には既知の何らかの弁とすることができる。

継電器２０は酸素センサー３０と酸素反応電極２３からの酸素濃度に対応する信 号を受信する。酸素電極２３が気相酸素に応答するようになしであるから、１ｉ ｔＦｉは光合成培養の上部領域に配置してここでガス内の酸素濃度を測定するよ うにしなければならない。酸素電極２３が溶存酸素に応答するようになしである なら、電極は培養内のどこに水没させてよい。酸素電極２３は測定した酸素量に 対応する信号を生成する酸素センサー３０と電気的に接続しである。酸素電極２ ３で測定された所定の酸素量（気相または液相で）を超過した場合、継電器２０ が制御弁２７を開放し、タンク２２内に貯蔵された水素が触媒変換器１５へ流さ れる。

過剰量の水素を触媒変換器へ導入する可能性を回避するため、センサーおよび警 報手段１５ｂを提供して、触媒変換器から流出する水素濃度を測′定し、異常量 の存在を警告することができる。理想的には水素が光合成で生成される酸素分子 全てと反応するのに充分な率で付加される。過剰量の水素は爆発または藻類培養 内への水素の導入を引き起こすことがある。よって、水素の付加は、わずかに酸 素過剰側で厳密に燃焼が平衡するように制御されるのが好ましい。

上述のように、水素が制御された方法で酸素分子と反応して、光合成によって生 成された酸素はこれによってタンク１４内で循環するガスから効率的に除去され る。

図１でさらに図示しであるように、酸素除去後に残存するガスは主として反応ガ スを含むことになり、ホンブ２８によって藻類培養へ還流される。

本発明のさらなる特徴は閉鎖系光バイオリアクター内の藻類培養へＣＯ２、ｌ： １ｃｏ２．１４ＣＯ□などの反応ガスの追加制御に関している。上述のように、 藻類培養はＧＯ□などの藻類培養液中に気泡とされるガス由来の炭素を獲得する のが常で、次のような等価式を構成する。

ＣＯ２＋ＨｚＯ＜＝＝＞Ｈ，ＣＯｉ＜；＝＞Ｈ”＋ＨＣＯ，＜＝＝＞Ｈ”＋Ｃ０ ｆｆ−”光合成藻類培養は培養液からのＣＯ□を消費し、溶液のアルカリ化を増 大させる。

本発明では図１でｐＨ調整制御弁２９の形態で示したｐ）！反応手段を用いて培 養液のアルカリ濃度に敏感な藻類培養へ反応ガスを供給している。制御弁２９は ｐＨセンサー１７からｐＨ電極２４経由で藻類培養のｐｌ＋を示す信号を受信す る継電器１９によって制御される。測定したｐＨ（＋！が所定の基準値を超過し た場合、継電器１９が制御弁２９を開放してコンテナ２１から培養へ反応ガスを 供給する。

培養液のｐＨが所定の基準値以下に下降した場合、バルブは閉鎖されて反応ガス の流入は遮断される。

本発明のこのＢ様は光合成藻類の培養において複数の有用な用途を有している＝ 　（１）本システムは藻類培養のｐＨを調整可能で、（２）本システムはガス流 が培養内を循環する閉鎖系光バイオリアクターの統合部材でありうる。さらに、 反応ガスの流入が光バイオリアクターの圧力過剰を惹起しないように制御されて いることが重要である。培養のｐＨ変化にのみ応じた反応ガスの補充は圧力過剰 の危険性を大幅に払拭している。さらに、本システムは光バイオリアクターが高 価な炭素同位体（すなわち＋３ｃｏ２または＋４ＣＯ□）を用いて運転される場 合、同位体が藻類による消費に応じて培養へ補充されるだけなので特に有用であ る。

図２に図示したように本発明の別の実施例において、酸素分子除去は酸素分子と 化学的に反応させて少なくとも追加−分子を含む安定な化合物をこれから生成す るための反応手段５０によって実現できる。図示した好適実施例において、反応 手段５０は燃料セル５０ａを含み、チャンバー５１からの水素をイオン交換膜５ ２を介して制御された方法で酸素分子と反応させる。イオン交換膜はイオン交換 と酸素分子と水素の反応を容易にするような水和４６２０３膜または何らかの適 切な膜であることができる。図示した燃料セル５０ａは水素−酸素反応型で通常 は反応を補助するためのプラチナなどの触媒を含む。

このような燃料セルは従来技術で周知である。この反応で生成される少量の電気 玉名ルギーが線５３経由で担送され、抵抗器５４で熱に変換される。図１のそれ と同一の参照番号を有する図２の素子は同一のもので、図１に関連してすでに詳 述したのと同一の機能を実行する。

図２に図示したように、タンク２２に貯蔵された水素は図１にある閉鎖系光バイ オリアクターを参照して記載したのと同一の制御方法によってチャンバー５１へ 供給される。制御弁２７は、酸素電極２３で測定された所定の酸素濃度に達した 場合継電器２０によって作動する。

また、酸素濃度が所定濃度以下に下降した場合、タンク２２からの水素の流出が 遮断される。所定酸素濃度は約２０％または大気中の濃度に設定されるべきだが 、または他の所望する濃度を維持してもよい。酸素除去手段５゜はまたチャンバ ー５１内に水素濃度を検出する手段を有し、濃度が所定の限界を超過した場合警 報を起動する。

さらに、ＣＯ２に対する０２の拡散を選択的に許容する何らかの膜システムも使 用することができる。

本発明の閉鎖系光バイオリアクターのさらなる実施例において、図４は除去手段 ４５内で金属酸化物を生成する金属と酸素を反応させられるようにすることで反 応ガスからの光合成で生成された酸素の除去を示している。

反応ガスと光合成で生成された酸素は金属屑床（または金ｉｒウール」）４１を 含む除去手段４５内に導入され、金属屑床は実質的に全ての光合成で生成された 酸素と反応して金属酸化物を生成する。こうして酸素がガス流から除去されるこ とになる。約５００℃に加熱した銅屑または酸素の存在下で金属酸化物を容易に 形成しうる当業者に既知の何らかの金属を用いることができる。

本発明の閉鎖系光バイオリアクターのさらに別の実施例において、図５は化学的 吸着材による光合成で生成された酸素の除去を示している。化学的吸着では、分 子が化学的また一般的には共有結合の結果として金属表面に固着する。図５に示 したように、反応ガスと光合成によって生成された酸素は装置Ｅ７０へ導入され 、ここで固体の活性金属が化学的吸着によって酸素を除去する。この形式の装置 にはＡｎａｌａｌａｂｓ社製の０ｘｉｓｏｒｂがある。

本発明のさらに別の実施例において、図６は酸素除去装置による反応ガスから光 合成で産生された酸素の除去を図示している。酸素除去装置３６はｒ　ＢＴＳ方 式触媒Ｊを使用しており、Ｈ２またはＣＯを用いて酸素を減少させてからガス流 を流すことにより酸素除去を効率よく行なっている。また活性粒状反応剤ｒＲｉ ｄｏｘ　Ｊを酸素除去装置３６内に用いて酸素を除去させることもできる。

閉鎖系光バイオリアクター４０は図１に示した光バイオリアクターと実質的に同 等の方法で運転する。継電器２０が酸素センサー３０および酸素反応電極２３か らの酸素濃度に対応した信号を受信する。所定の酸素濃度を超過した場合継電器 か制御弁４４を開放することで反応ガスと光合成により生成された酸素を酸素除 去装置３６へ導入する。酸素濃度が所定の値以下になった場合、反応ガスは制御 弁４４からバイパスｍ４６に沿って流れ、酸素除去装置３６をバイパスする。ど ちらの場合にも、反応ガスは図１を参照して説明したように光合成培養中を循環 している。さらに、追加の反応ガス（Ｃｏ、、Ｉｊｃｏ２または”Ｃ０２）を図 １に示したように培養へ供給できる。

上述のような固体酸素除去装置に加え、液体除去装置も反応ガスから光合成によ って生成された酸素を除去するために使用可能である。本実施例において、ガス 流は酸素と対応する薬品を含有する液体中に気泡として放出されて、ガス流から 酸素を効果的に除去するものである。

好適実施例において、本液体は０．４モルのクロム（ＣｒＬ）を合金化した亜鉛 とともに塩酸中に含むが、当業者に周知の同様な液体であればどのようなもので も使用してよい。

本発明のさらなる実施例では、図３は開放系光バイオリアクター６０の藻類培養 中へ二酸化炭素などｐＨ調整済みの反応ガスの追加を図示したものである。制御 弁２９は図１を参照して説明したのと実質的に同様の方法で培養のアルカリ化に 応じて藻類培養中へのＣＯ２の導入を制御している。しかし、ここで反応容器は タンク６１の形状をなし、大気に開放されているので、高価ではないガスは自由 に逸脱できる。　ｐＨ調整済み反応ガスの藻類培養への追加分は、システムが培 養のｐＨを＊ｉｍ＋できるため利点となり、藻類による反応ガス消費に応じて、 培養内の反応率を充足するために必要とされる分を補充した場合、反応ガスは有 効に使用される。

図示し、また詳述した好適実施例が多くの利点を提供することは明白であるが、 実施例は完全で明確、かつ詳細な開示を行なう目的で提示したものであり、本発 明の利点は他の構造においても実現可能であることは理解されるべきことである 。また、すべからく本請求の趣旨と請求範囲内に含まれるものとして多くの変更 、変化および追加を行ないうろことは理解されよう。

ＦＩＧ、３ ↑ １３ＣＯ２＋Ｏｚ ＦＩＧ、５ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　（ａ）実質的密閉環境に光合成培養を収容するための手段と、 （ｂ）上記培養中へ光を導入するための手段と、（ｃ）光の存在下で上記培養と 光合成反応をなすために上記培養中へ反応ガスを導入し、上記反応が副産物とし て上記反応ガス中へ酸素分子を生成するようにした手段と、 （ｄ）上記酸素分子を上記反応ガスの実質的漏洩なしに上記反応ガスから除去す るための手段と、（ｅ）追加の反応ガスを導入して備蓄量を補充するための手段 と、 （ｆ）上記実質的密閉環境中にある上記藻類培養を通して上記反応ガスを再循環 させるための手段を含むことを特徴とする閉鎖系光バイオリアクター装置。 ２　上記光バイオリアクター内の酸素濃度を検出するための手段をさらに含むこ とを特徴とする請求の範囲第１項に記載の閉鎖系光バイオリアクター装置。 ３　上記酸素分子を除去するための手段は、酸素と化学的に反応することでこれ の安定な化合物を少なくとも一つの添加分子との間で形成するための手段を含む ことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の閉鎖系光バイオリアクター装置。 ４　上記酸素分子を除去するための手段は、酸素と少なくとも他の一つの分子と の燃焼反応を起こすことによりこれの安定な化合物を上記少なくとも他の一つの 分子との間で形成させることができる手段を含むことを特徴とする請求の範囲第 ２項に記載の装置。 ５　上記燃焼反応を起こさせるための手段が触媒変換器を含むことを特徴とする 請求の範囲第４項に記載の閉鎖系光バイオリアクター装置。 ６　上記酸素分子を除去するための手段は上記酸素分子を含む第一のチャンバー と、水素を含む第二のチャンバーと、上記第一と第二のチャンバーを隔離するイ オン交換膜とからなり、上記水素が上記酸素と反応できるようにしたことを特徴 とする請求の範囲第３項に記載の閉鎖系光バイオリアクター装置。 ７　上記イオン交換膜はＡｌ２Ｏ３からなることを特徴とする請求の範囲第６項 に記載の閉鎖系光バイオリアクター装置。 ８　上記水素を上記第二のチャンバーへ導入するための手段をさらに含むことを 特徴とする請求の範囲第６項に記載の閉鎖系光バイオリアクター装置。 ９　上記水素を上記触媒変換器内（導入するための手段をさらに含むことを特徴 とする請求の範囲第５項に記載の閉鎖系光バイオリアクター装置。 １０　上記水素を導入するための手段は上記酸素濃度を検出するための手段に応 じて作動する弁手段を含むことを特徴とする請求の範囲第８項または第９項に記 載の閉鎖系光バイオリアクター装置。 １１　上記反応ガスの上記培養内への追加量を上記培養のｐＨに応じて制御する ための手段をさらに含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の閉鎖系光バ イオリアクター装置。 １２　上記反応ガスの追加を制御する手段は上記藻類培養のｐＨが所定の値を超 過することに応じて上記反応ガスを補充するためのｐＨ制御弁手段を含むことを 特徴とする請求の範囲第１１項に記載の閉鎖系光バイオリアクター装置。 １３　上記反応ガスが二酸化炭素であることを特徴とする請求の範囲第１項に記 載の閉鎖系光バイオリアクター装置。 １４　上記反応ガスが１３ＣＯ２または１４ＣＯ２であることを特徴とする請求 の範囲第１項に記載の閉鎖系光バイオリアクター装置。 １５　連続的光合成反応の過程を実行する方法であって、（ａ）実質的密閉環境 中で光合成培養を維持することと、 （ｂ）上記培養中を光の存在下に反応ガスを循環させ、上記ガスを上記培養と光 合成反応させることによって上記反応ガス中に酸素分子を副産物として生成させ ることと、 （ｃ）上記酸素を少なくとも追加分子の一つと反応させてこれによる安定な化合 物を形成させることによって上記反応ガスから上記酸素分子を除去することと、 （ｄ）上記実質的密閉環境中の上記藻類培養内へ上記反応ガスを再循環させるこ とを含むことを特徴とする方法。 １６　上記酸素分子を除去する手段は第一のチャンバー内へ上記酸素分子を導入 することと、第二のチャンバー内へ水素を導入することと、上記第一と第二のチ ャンバーを隔離するイオン交換膜を介して上記酸素分子を上記水素と反応させ少 なくとも副産物の一つとして水を形成させることを含むことを特徴とする請求の 範囲第１５項に記載の連続的光合成反応の過程を実行する方法。 １７　上記酸素分子を除去することは上記酸素分子を上記水素と触媒変換器内で 反応させて少なくとも副産物の一つとして水を形成させることを含むことを特徴 とする請求の範囲第１５項に記載の連続的光合成反応の過程を実行する方法。 １８　上記第二のチャンバー内への水素補充を制御する段階をさらに含むことを 特徴とする請求の範囲第１６項に記載の連続的光合成反応の過程を実行する方法 。 １９　上記触媒変換器内への水素補充を制御する段階をさらに含むことを特徴と する請求の範囲第１７項に記載の連続的光合成反応の過程を実行する方法。 ２０　上記反応ガス中の酸素濃度値を検出することをさらに含むことを特徴とす る請求の範囲第１８項に記載の連続的光合成反応の過程を実行する方法。 ２１　上記反応ガス中の酸素濃度値を検出することをさらに含むことを特徴とす る請求の範囲第１９項に記載の連続的光合成反応の過程を実行する方法。 ２２　上記水素補充を制御する段階は、所定の酸素濃度値が超過した場合、上記 酸素濃度値を検出することに応じて弁手段を作動させることを含むことを特徴と する請求の範囲第２０項または第２１項に記載の連続的光合成反応の過程を実行 する方法。 ２３　上記培養内に反応ガスを導入することはＣＯ２または１３ＣＯ２または１ ４ＣＯ２を導入することを含むことを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の連 続的光合成反応の過程を実行する方法。 ２４　光バイオリアクター内の光合成培養中へ反応ガスの補充を制御するための 方法であって、（ａ）上記培養のｐＨ値を連続的に監視することと、（ｂ）上記 培養のｐＨ値が所定の値を超過した場合上記培養内へ上記反応ガスを導入するこ とと、（ｃ）上記培養のｐＨ値が所定の値以下に下降した場合上記培養内への上 記反応ガスの導入を遮断することを含むことを特徴とする方法。 ２５　上記反応ガスを導入することは上記培養のｐＨが上記所定の値を超過した 場合上記監視することに応じて弁手段を作動させることを含むことを特徴とする 請求の範囲第２４項に記載の反応ガスの補充を制御する方法。 ２６　上記反応ガスを導入することは二酸化炭素を導入することを含むことを特 徴とする請求の範囲第２４項に記載の反応ガスの補充を制御する方法。