KR20200006634A - 광합성 생물 배양 및/또는 증식 방법 및 재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광합성 생물 배양 및/또는 증식을 위한 방법 및 재료를 제공한다. 이러한 방법들은 램프 조립체를 이용하고, 램프조립체는 다수의 회로기판들; 및 실질적으로 구 형상을 형성하는 다수의 회로기판들을 둘러싸는 배리어로 구성되고, 상기 회로기판 각각은 적어도 3개의 모서리들을 포함하고, 내부 램프 조립체 용적을 형성하는 실질적으로 구 형상으로 배열되고, 다수의 회로기판들은 내부 램프 조립체 용적과 접하는 제1 평탄면 및 발광다이오드 (LED)를 포함하는 반대측 제2 평탄면으로 구성된다.

Description

광합성 생물 배양 및/또는 증식 방법 및 재료{METHODS AND MATERIALS FOR CULTIVATION AND/OR PROPAGATION OF A PHOTOSYNTHETIC ORGANISM}
일반적으로 얕은 석호를 이용하여 하나 이상의 외차로 교반되는 조류 배양용 광생물반응기가 알려져 있다.
이러한 생물반응기는 계절 및 일일 기후변화 및 오염으로 인한 조류 생산 불량을 포함한 문제점들이 있다.
이러한 생물반응기가 일반적으로 일광을 수용하도록 제작된다면, 무엇보다도 광주기 및 계절에 따라 변하는 태양 강도에 따라 생산성이 제한된다.
예를들면, 광합성 생물 증식을 포함한 배양을 위한 방법 및 재료가 제공된다.
본원에 개시된 방법은 가시광선 스펙트럼의 전자기원을 이용하는 광생물반응기를 활용한다. 하나의 실시태양에서, 전자기원은 다수의 회로기판들로 구성된다. 다른 실시태양에서, 각각의 회로기판은 적어도 3개의 모서리들을 포함하고, 내부 램프 조립체 용적을 형성하는 실질적으로 구 형상으로 배열된다. 다른 실시태양에서, 실질적으로 구 형상으로 배열되는 다수의 회로기판들은 내부 램프 조립체 용적과 접하는 제1 평탄면 및 예를들면, 발광다이오드 (LED)를 포함한 고강도 램프들로 구성되는 반대측 제2 평탄면을 가진다. 다른 실시태양에서, 광생물반응기는 다수의 회로기판들을 둘러싸는 배리어를 포함하고, 상기 배리어는 실질적으로 구형, 타원형, 난형, 원통형, 사각 프리즘 또는 기타 유사 형상을 가진다. 이러한 방법으로 예를들면, 지방산, 피코빌리단백질 예컨대 C-피코시아닌, 알로피코시아닌, 피코에리트린, 바이오 연료 예컨대 피톨, 및 기타 다양한 페트로 연료 대체물을 포함한 화합물 (예를들면, 생물분자)을 생성한다.
또한 본 발명은 광합성 생물 배양 및/또는 증식용 광생물반응기를 제공한다. 하나의 실시태양에서, 광생물반응기는 가시광선 스펙트럼의 전자기원을 포함한다. 다른 실시태양에서, 광생물반응기는 내부 용기 용적을 형성하는 벽을 가지는 용기를 포함한다. 하나의 실시태양에서, 용기는 실질적으로 원통형, 구형, 사각형 프리즘 또는 타원형이다. 다른 실시태양에서, 광생물반응기는 내부 용기 용적 내부에 배치되는 램프 조립체를 포함하고, 상기 램프 조립체는 선택적으로 다수의 회로기판들을 포함하고, 각각은 선택적으로 적어도 3개의 모서리들을 가지고, 내부 램프 조립체 용적을 형성하는 실질적으로 구형 또는 타원형 형상으로 배열된다. 하나의 실시태양에서, 다수의 회로기판들 각각은 내부 램프 조립체 용적과 접하는 제1 평탄면 및 발광다이오드 (LED)를 포함하는 반대측 제2 평탄면으로 구성된다. 하나의 실시태양에서, 광생물반응기는 다수의 회로기판들을 둘러싸는 배리어를 포함한다. 하나의 실시태양에서, 배리어는 실질적으로 원통형, 구형, 사각형 프리즘 또는 타원형이다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 배리어는 원통형이고, 내부 탱크 용적을 형성하는 원통벽, 상벽, 및 하벽을 포함한다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 용기는 실질적으로 구형 또는 타원형이다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 용기는 기체 입구용 개구를 가진다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 용기는 기체 출구용 개구를 가진다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 용기는 광원 연결용 개구를 가진다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 램프 조립체는 실질적으로 용기 중앙에 배치된다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 2 이상의 램프 조립체들이 용기에 배치된다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 2 이상의 램프 조립체들이 용기에서 다른 높이에 배치된다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 3 이상의 램프 조립체들이 용기에 배치된다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 3 이상의 램프 조립체들이 용기에서 다른 높이에 배치된다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 3 이상의 램프 조립체들이 용기에서 나선 배열로 배치된다.
또한 본 발명은 광합성 생물 배양 및/또는 증식용 광원을 제공한다. 하나의 실시태양에서, 광원은: 다수의 회로기판들 및 실질적으로 구 형상을 형성하는 다수의 회로기판들을 포위하는 배리어로 구성되고, 각각의 기판은 적어도 3개의 모서리들을 가진다. 하나의 실시태양에서, 회로기판들은 내부 램프 조립체 용적을 형성하는 실질적으로 구의 형상으로 배열되고, 상기 다수의 회로기판들은 내부 램프 조립체 용적과 접하는 제1 평탄면 및 발광다이오드 (LED)를 포함하는 반대측 제2 평탄면으로 구성된다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 평탄 회로기판들의 실질적으로 구 형상의 배열은 전기적 연결이 가능하도록 적어도 하나의 회로기판이 결여된 면 (side)을 가진다. 대안으로 평탄 회로기판들의 구 형상의 배열은 전기적 연결이 가능하도록 구멍을 가진다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 회로기판들은 둘레 주위로 2 이상의 탭들을 포함하여 회로기판들을 상호 체결할 수 있는 하나 이상의 노치들을 형성한다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 회로기판들은 5각형이다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 11개의 5각형들이 연결되어 하나의 면이 결여된 12면체를 형성한다. 다른 실시태양에서, 12개의 5각형이 함께 연결되어 하나 이상의 5각형에 구멍이 있는 12면체를 형성한다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 회로기판들은 3각형이다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 20개의 삼각형들이 연결되어 하나의 면이 결여된 20면체를 형성한다. 또 다른 실시태양에서, 21개의 삼각형들이 연결되어 하나 이상의 삼각형들에 구멍이 있는 20면체를 형성한다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 회로기판들은 적색, 백색 및 청색 LED를 포함한다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 적색, 백색 및 청색 LED는 반대 색상의 LED에 인접하게 배치된다. 임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, LED는 펄스 폭 변조된다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 배리어는 플라스틱이다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 배리어는 실질적으로 구형 또는 타원형이다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 플라스틱은 광을 투과시킨다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 배리어는 전기적 연결이 가능하도록 개구를 가진다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 배리어 및 회로기판들 사이 간격 (void)에는 방열용 유체가 포함된다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 유체는 미네랄 오일이다.
또한 본 발명은 도코사헥사엔산 (DHA) 생성 방법을 제공하며: DHA 생성용 효소를 포함한 하나 이상의 광합성 생물 제공단계; 광합성 생물을 액체 성장 배지를 포함한 예를들면 상기된 생물반응기의 용기에 첨가하는 단계; 하나 이상의 광합성 생물과 램프 조립체로부터 방출되는 광을 접촉시키는 단계로 구성된다. 하나의 실시태양에서, 램프 조립체는 다수의 회로기판들을 포함한다. 다른 실시태양에서, 각각의 회로기판들은 내부 램프 조립체 용적을 형성하는 실질적으로 구 형상으로 배열되고, 상기 다수의 회로기판들은 내부 램프 조립체 용적과 접하는 제1 평탄면 및 발광다이오드 (LED)를 포함하는 반대측 제2 평탄면을 포함한다. 하나의 실시태양에서, 램프 조립체는 실질적으로 구형 또는 타원형 형상을 형성하는 다수의 회로기판들을 둘러싸는 배리어를 포함한다. 기타 실시태양들에서, 다수의 회로기판들은 임의의 4-, 6- 또는 8-면의 3각 평탄 기하 형상 예컨대 4면체, 2-적재형 4면체들, 8면체, 또는 20 면의 (sided) 평탄 기하 형상, 예컨대 20면체로 배열된다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 하나 이상의 광합성 생물은 조류 및/또는 증식 조류 배양체 (culture)를 포함한다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 염도에서 유사하고 온도에서 비유사한 천연 환경을 가지는 2 이상의 조류가 제공된다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 조류는 천연 또는 유전자 변형/재조합의 아이소크라이시스 갈바나 (Isochrysis aff. Galbana), 파블로바 루테리 (pavlova lutheri), 아르트로스피라 플라텐시스 (arthrospira platensis), 클로렐라 피렌노이도사 (chlorella pyrenoidosa), 시네코코커스 엘론게이트 (synechococcus elongates)로 이루어진 군에서 선택된다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 상기 방법은 성장 배지체로부터 DHA를 분리하는 단계를 더욱 포함한다.
또한 본 발명은 광에너지 저장방법을 제공하며: 광에너지로부터 하나 이상의 화합물을 생성하는 효소를 포함한 하나 이상의 광합성 생물 제공단계; 하나 이상의 광합성 생물을 액체 성장 배지를 포함한 생물반응기 탱크에 첨가하는 단계; 하나 이상의 광합성 생물과 예를들면 상기의 램프 조립체로부터 방출되는 빛과 접촉하는 단계, 및 광에너지로부터 하나 이상의 화합물을 생성하는 단계로 구성된다. 하나의 실시태양에서, 램프 조립체는: 다수의 회로기판들 및 실질적으로 구 형상을 형성하는 다수의 회로기판들을 둘러싸는 배리어를 포함하고, 각각의 기판은 적어도 3개의 모서리들을 포함하고, 기판들은 내부 램프 조립체 용적을 형성하는 실질적으로 구 형상으로 배열되고, 다수의 회로기판들은 내부 램프 조립체 용적과 접하는 제1 평탄면 및 발광다이오드 (LED)를 포함하는 반대측 제2 평탄면을 포함한다.
임의의 상기 또는 하기 실시태양들과 조합되는 일부 실시태양들에서, 에너지는 이후 하나 이상의 화합물로부터 방출된다.
도면들을 참조하여 독해될 때 상기 요약 및 하기 발명의 상세한 설명은 더욱 양호하게 이해될 것이다. 본 발명은 도시된 것과 정확한 구성, 실시예 및 구현들에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다.
도 1은 본원에 개시되는 예시적 구형-형상d 광생물반응기의 개략도이다.
도 2는 5각형의 회로기판들 (A)로 구성되는 예시적 12면체 형상의 광원, 3각형상의 회로기판들 (B)로 구성되는 예시적 20면체 형상의 광원의 개략도이다.
도 3은 5각형의 회로기판들 (A)로 구성되는 광원을 포함한 예시적 램프 조립체, 3각형의 회로기판들 (B)로 구성되는 광원을 포함한 예시적 램프 조립체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본원에 개시되는 예시적 직립 배럴 (barrel)-형상의 광생물반응기의 내부 개략도이다.
도 5는 본원에 개시되는 예시적 직립 배럴-형상의 광생물반응기의 개략도이다.
도 6은 본원에 개시되는 수평 배럴 형상의 광생물반응기 내부의 램프 조립체들에 대한 다양한 위치들을 도시한 것이다.
도 7은 본원에 개시되는 수평 배럴 형상의 광생물반응기들의 예시적 선반 (rack) 구성을 도시한 것이다.
도 8은 본원에 개시되는 수평 배럴 형상의 광생물반응기들 A 및 B에 대한 예시적 선반 연결 구성을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 배양체 성장 관리용 예시적 제어시스템의 블록도를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 배양체 성장 조절 절차를 예시한 흐름도이다.
도 11은 예시적 용기 뚜껑 (A) 및 예시적 페블 (pebble) 구성 (B)을 도시한 것이다.
도 12 내지 28은 본원에 개시된 램프 조립체의 실시태양들을 도시한 것이다.
본 발명은 광생물반응기를 이용한 광합성 생물 예컨대 조류의 배양 및/또는 증식 방법 및 재료를 제공한다. 본원에 제공되는 광생물반응기는 액체 배지 및 광합성 생물을 포함하는 광생물반응기의 용기에 배치되는 실질적으로 구형 광원으로 구성되는 램프 조립체를 포함한다. 이러한 광생물반응기를 이용하면 예상치 못하게 광합성 생물의 고도 성장 및 밀도가 가능하여 광합성 생물로부터의 생물전환 효율 및 생산 수율을 최대화할 수 있다. 본원에 제공되는 방법은 광합성 생물로부터 제한되지는 않지만 지방산 예컨대 도코사헥사엔산 (DHA), 도코사펜타엔산 (DP A), 에이코사펜타엔산 (EPA) 또는 기타 지방산 또는 기타 화합물 예컨대 피코빌리단백질 (예를들면 C-피코시아닌, 알로피코시아닌, 피코에리트린, 등), 및 바이오 연료 예컨대 피톨 및 기타 다양한 페트로 연료 대체물)을 포함한 하나 이상의 화합물 (예를들면, 생물분자) 을 생산하기 위하여 적용된다. 추가로 또는 대안으로, 본원에 개시된 이러한 방법은 광에너지 저장을 위하여 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 광 본 발명의 실시태양에 의한 생물반응기가 도시된다. 광생물반응기 (101)는 광합성 생물 배양 및/또는 증식용 액체 배양 배지 (103)를 포함한 용기 (102) (예를들면, 탱크)로 구성된다.
본 발명의 광생물반응기 (101)는 임의의 유형의 광합성 미생물, 예컨대 빛을 필요로 하는 식물세포 및 단세포 또는 다세포 미생물의 배양에 적합하다. 본원에서 사용되는, 용어 "광합성 미생물"은 당업자에게 잘 알려진 방법으로 유전자 변형된 생물을 더욱 포함한다.
액체 배양배지는 때로 본원에서 "조류" 배양체로 언급되지만, 광생물반응기는 임의의 유형의 광합성 미생물 배양에 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
용기 (102)는 뚜껑 (104)으로 덮여있다. 하나의 실시태양에서, 뚜껑 (104)은, 예를들면, 플라스틱 예컨대 폴리염화비닐, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌을 포함한 불활성 재료로 제작된다. 용기 (102) 최상부 가장자리는 립으로 형성되어 용기 (102) 최상부에 뚜껑 (104)이 고정될 수 있다 (예를들면, 볼트 또는 클램프 체결). 또한, 용기 최상부 가장자리에는 개스켓 재료가 끼워져 뚜껑 (104)에 액밀성 및 기밀성을 제공한다. 실시태양에서, 뚜껑 (104)은 반사성 재료로 라이닝 처리된다. 실시태양에서, 강성의 프레임 (예를들면, 금속 프레임)이 더해져 용기를 단단하게 한다.
용기 (102)는 기체 입구용 홀 (105)을 포함한다. 실시태양에서, 용기 내부의 기체 입구 부분은 에어스톤 또는 메탈폼 (107)으로 씌워진다. 추가로, 용기 (102)는 용기로부터 기체를 방출시키는 기체 벤트 (106)를 포함한다.
용기 (102)는 임의의 편의 형상, 예를들면 실질적으로 구형 또는 원통형일 수 있다. 용기 (102)는 흡수성 (leech)이 아니고 내부식성인 식품 등급 또는 고도 불활성 재료, 예를들면, 플라스틱 예컨대 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 제작된다. 대안으로, 용기 (102)는 스테인리스 스틸, 유리 및 기타 등으로 제작된다. 용기는 내열성 재료 및/또는 광 가압 저항 재료로 제작되는 것이 바람직하다.
광원 (109), 배리어 (110), 및 전기 커넥터 (111)를 포함하는 램프 조립체 (108) (예를들면 페블)가 내부 용기 용적 (112)에 매달린다. 실시태양에서, 용기 내부에 있는 전기 커넥터 (111) 일부는 방수 처리된다. 하나의 실시태양에서, 광원은 다수의 회로기판들 (113)로 구성되고, 각각은 적어도 3개의 모서리들, 적어도 4개의 모서리들 또는 적어도 5개의 모서리들을 포함하고, 이들은 내부 광원 용적 (114)을 형성하는 실질적으로 구 형상으로 배열되고, 상기 다수의 회로기판들은 내부 광원 용적과 접하는 제1 평탄면 (115) 및 광합성 생물 성장에 적합한 방출 스펙트럼을 가지는 고강도 램프들 예컨대 발광다이오드 (LED) (117)를 포함하는 반대측 제2 평탄면 (116)으로 구성되고; 배리어 (110)는 실질적으로 구 형상을 형성하는 다수의 회로기판들을 둘러싼다. 대안으로, 단일 회로기판 (예를들면, 유연성 기판)이 실질적으로 구 형상으로 성형되고 광 조립체에 사용될 수 있다.
회로기판들 (116)은 적색, 백색 및 청색 LED를 포함한다. 이러한 LED는 2 이상의 다른 색상의 LED에 인접하게 배치되는 동일 색상의 2 이상의 LED 군에 배치된다. 대안으로, 예를들면, 적색, 백색 및 청색 LED를 포함한 LED는, 반대 색상의 LED에 인접하게 배치된다. 일부 실시태양들에서, LED는 열로 배치되어 단일 LED는 4 또는 6개의 LED에 인접한다. LED는 균일 또는 가변 강도의 빛을 방출한다.
평탄 회로기판들의 실질적으로 구 형상 배열 구성은 전기적 연결을 위한 개구 또는 적어도 하나의 회로기판이 결여된 면 (side)을 가진다.
회로기판은 임의의 다각 형상일 수 있다. 하나의 실시태양에서, 다각 형상으로 인하여 여러 회로기판들이 연결되어 내부 용적을 가지는 실질적으로 구 형상을 형성할 수 있다. 일부 실시태양들에서, 회로기판들은 5각형이다. 추가 실시태양에서, 11개의 5각형들이 연결되어 하나의 면이 결여된 12면체를 형성한다 (도 2A). 대안으로, 일부 실시태양들에서, 회로기판들은 3각형일 수 있다. 추가 실시태양에서, 20개의 삼각형들이 결합되어 하나의 면이 결여된 20면체를 형성한다 (도 2B). 다른 실시태양에서, 5개의 삼각형들이 연결되어 3각형 베이스의 이중 피라미드를 형성한다 (도 2C). 다른 실시태양에서, 8개의 삼각형들이 연결되어 정사각형 베이스의 이중 피라미드를 형성한다 (도 2D).
회로기판들은 램프들 (예를들면, LED)의 열 또는 신호를 발산시키기 위하여 내부 용적과 대향하는 구리 또는 기타 금속층을 더욱 포함한다.
일부 실시태양들에서, 회로기판들은 회로기판들을 서로 체결할 수 있는 하나 이상의 노치들을 형성하도록 둘레 주위로 2 이상의 탭들을 가진다 (예를들면 도 3A (3각형) 및 도 3B (5각형) 참고).
실질적으로 구 형상을 형성하는 다수의 회로기판들을 둘러싸는 배리어 (110)는, 예컨대 다양한 플라스틱 재료, 예를들면, 투명 플라스틱 및/또는 극한 온도에 견디는 플라스틱을 포함한 다양한 불활성 재료로 제작된다. 배리어는 다수의 회로기판들 주위로 수밀성을 제공하여 내부 용기 용적 (112)에 있는 배양배지가 다수의 회로기판들 (116)과 접촉되지 않도록 한다. 일부 실시태양들에서, 다수의 회로기판들을 둘러싸는 배리어 (110)는 회로기판들 주위로 실질적으로 원통형 (도 3A) 또는 구형 (도 3B)인 컨테이너 (예를들면, 병 (jar))을 형성한다. 일부 실시태양들에서, 배리어에 의해 형성된 컨테이너는 광원 부력을 감소시킬 수 있는 하나 이상의 물체들을 유지한다 (예를들면, 불활성 비드들 예컨대 유리 비드들 (119)).
회로기판에는 광합성 특정 균주에 극대화되거나 또는 비정상적인 성장을 위한 특정 특징부 발현을 위한 하나 이상의 파장들의 빛을 방출하는 LED가 집중된다. 일부 실시태양들에서, 회로기판들은 가시 스펙트럼 밖의 예를들면, UV 및/또는 IR 광의 전자기 복사를 방출하는 램프들로 집중된다. 이러한 램프들은 용기 내의 액체 배지 멸균화에 사용되고 (예를들면, UV 광 방출 램프들) 및/또는 용기 내의 액체 배지 가열에 사용된다 (예를들면, IR 광 방출 램프들). 일부 실시태양들에서, LED는 펄스 폭 변조된다. 하나의 실시태양에서, 펄스 폭 변조는 광생물반응기 내의 특정 미생물 성장을 최대화 하도록 최적화된다. 다른 실시태양에서, 사용률은 적어도 50%, 적어도 55%, 적어도 50%, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 또는 적어도 95%이다.
회로기판은 용기 내부로부터 데이터 예를들면, 광학 밀도, pH, 및/또는 전도도를 수집하기 위한 센서들을 포함한다. 예를들면, 센서들은 배양배지에 대한 데이터를 수집하도록 구성된다.
내부 용적을 가지고 실질적으로 구 형상을 형성하는 다수의 회로기판들은 내부 용적에 개별 LED 제어 또는 LED들 뱅크 (예를들면, 2 이상의 LED) 제어 및/또는 피드백 모니터링을 위한 하나 이상의 마이크로프로세서들을 포함한다.
용기 (102)는 램프 조립체 (108)와의 전기적 연결을 제공하는 하나 이상의 홀들 또는 접근 포트들을 포함한다.
하나 이상의 램프 조립체 (108)는 내부 용기 용적 (112) 전체에 분포된다. 단일 광원이 내부 용기 용적 중심에 매달릴 수 있다. 대안으로, 2 이상의 램프 조립체들이 광생물반응기에 사용되는 경우, 램프 조립체들은 동일하거나 또는 다른 높이에 매달릴 수 있다 내부 용기 용적 내에서 (도 1 및 4 참고). 대안으로, 3 이상의 램프 조립체들이 사용되는 경우, 램프 조립체들은 임의의 기하 배열 예컨대 나선 또는 이중 나선 배열로 매달릴 수 있다.
용기 온도 조절용 냉각장치가 제공된다. 이러한 냉각장치는 용기 (102) 벽 부분을 둘러싸는 냉각 재킷 형태이다. 이러한 냉각 재킷은 용기 (102) 벽을 거치도록 순환 냉각수 또는 기타 유체를 제공하여 열을 흡수하고 용기에 담긴 배양 배지 (103)의 온도 제어에 조력한다. 냉각수는 입구 튜브를 통해 재킷으로 진입하고 출구 튜브를 통해 유출된다. 냉각 재킷 치수는 복수의 인자들, 예컨대 램프 조립체들 (108)에 의해 용기 (102)에 담긴 액체 배양배지로 전달되는 열량, 배양배지의 소망 온도, 냉각수 온도 및 유속, 및 기타 등에 따라 달라진다. 대안으로, 용기의 온도는 예를들면 LED 또는 램프 조립체가 담긴 오일의 순환 및/또는 온도 제어에 의한 램프 조립체들 또는 LED의 온도 조절을 통해 조절될 수 있다.
용기 (102)는 일반적으로 액체 배양체 표면 및 뚜껑 사이에 두부간격 (head space)이 확보되도록 설계된다. 두부간격은 생물학적 배양배지에서 흔히 발생되는 거품을 위하여 것이다.
용기 (102)에는 기체 입구 튜브 (105)가 장착되어 조류 배양의 광합성 요건에 필요한 가압 기체 (예를들면, 이산화탄소 또는 이산화탄소-풍부 에어)가 제공된다. 튜브 (105)는 용기 (102) 벽을 통과한다. 기체 거품들은 용기 (102)에 담긴 액체 조류 배양배지를 통과하여 상승하고 사용된 기체들은 바람직하게는 배양배지 표면 높이보다 상부에 있는 용기 벽 또는 뚜껑에 배치되는 기체 벤트 (106)를 통해 방출된다.
더욱 격렬한 혼합이 요구되는 경우, 에어 펌프 (118) 또는 예를들면 모터로 가동되는 기타 교반 기구 (mechanism)가 사용되어, 배양배지를 교반한다.
광생물반응기 (101)는 내부 용기 용적 내부 또는 램프 조립체 (108) 외면에 장착되어 램프 조립체 외면을 세척하는 세척 유닛, 및 세척 유닛 가동용 세척 유닛 구동기를 더욱 포함한다. 이러한 세척 유닛은 램프 조립체 외면에 부착되어 광원을 방해할 수 있는 배양 및/또는 증식 광합성 생물을 제거한다. 일부 실시태양들에서, 용기는 초소수성, 친수성, 및/또는 소유성 물질로 구성되거나 도포된다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 의한 또 다른 광생물반응기 실시태양이 도시된다. 이러한 광생물반응기는 원통형 형상의 용기 (501) (예를들면, 배럴 형상의 용기)를 포함하여 2 이상의 용기들을 직립 또는 수평하게 적재하거나 쌓을 수 있다. 이들의 일반적 입수 가능성, 비용, 및 보관 용이성 (예를들면, 적재능력)으로 인하여, 55 갤런 플라스틱 드럼이 본원에 개시된 방법에 적용될 수 있다. 실시태양에서, 용기 (501)에는 반사성 재료로 라이닝 처리된다. 실시태양에서, 용기는 기체 배기 피팅 (503), CO2 주입 라인 (504), 및 전기 인입 피팅 (505)을 가지는 뚜껑 (502)을 포함한다. 실시태양에서, 뚜껑은 부착 기구 예컨대 클램프 (506)에 의해 용기에 부착된다. 전기 인입 피팅 (505)은 전원 (508)과 연결된 방수 처리 전기선 (507)을 수용한다. 일부 실시태양들에서, 용기는 에어 라인 격벽 피팅 (509) 및 수 (water) 라인 격벽 피팅 (510)을 포함한다.
도 5에 도시된 실시태양은 직립 구조로 도시되지만, 본 발명에 의한 광생물반응기는 수평 구조로도 배열될 수 있다. 이러한 광생물반응기는 2 이상의 용기들이 수평으로 적재되거나 쌓아지는 원통형상의 용기 (예를들면, 배럴 형상의 용기)를 포함한다. 하나의 실시태양에서, 용기는 배지 도입 또는 배양체 제거용 뚜껑 및 배지 도입 또는 배양체 제거용 드레인을 포함한다. 다른 실시태양에서, 광생물반응기는 광생물반응기 바닥에 배치되는 기체 입구를 포함한다. 하나의 실시태양에서, 이러한 기체 입구는 CO2 입구이다. 다른 실시태양에서, 광생물반응기는 하나 내지 다수의 (예를들면 1 내지 약 50, 2 내지 약 30, 3 내지 약 20 또는 약 6, 8, 10 또는 12) 바닥 기체 피팅 및 하나 내지 다수의 (예를들면 1 내지 약 50, 2 내지 약 30, 3 내지 약 20 또는 약 6, 8, 10 또는 12) 최상부 기체 피팅을 포함한다. 하나의 실시태양에서, 바닥에 드레인을 가지는 용기 베이스 단에서 관찰될 때, 바닥 기체 피팅은 실질적으로 약 3- 내지 약 6-시 방향, 예를들면 약 3-, 약 3:30-, 약 4-, 약 4:30-, 약 5-, 약 5:30- 또는 약 6-시 방향에 배치된다. 하나의 실시태양에서, 바닥에 드레인을 가지는 용기 베이스 단에서 관찰될 때, 최상부 기체 피팅은 실질적으로 약 9- 및 12-시 방향, 예를들면 약 9-, 약 9:30-, 약 10-, 약 10:30-, 약 11-, 약 11:30- 또는 약 12-시 방향에 배치된다. 하나의 실시태양에서, 에어는 바닥 기체 피팅 및 최상부 기체 피팅을 통해 용기에 유입되고 유출된다. 하나의 실시태양에서, 기체는 바닥 기체 피팅을 통해 용기에 유입되고 기체 피팅을 통해 용기에서 유출된다. 하나의 실시태양에서, 용기는 용적 표시자, 예를들면 갤런 표시자를 가진다.
광생물반응기는 액체 배지, 영양분 및/또는 항생제를 내부 용기 용적으로 이송하기 위한 이송 기구를 더욱 포함한다. 영양분은 합성 및/또는 유기 영양분을 포함한다. 일부 실시태양들에서, 항생제 (예를들면, 세제)가 액체 배지에 첨가되어 용기 내에서 전염균 (contagens) (예를들면, 용기에 의도적으로 첨가되는 광합성 미생물 외에 임의의 생물) 성장을 늦추거나 억제한다. 영양분 및/또는 항생제는 당업자에게 알려진 임의의 방법, 예를들면, 자동 점적 시스템에 의해 용기에 첨가될 수 있다. 실시태양에서, 자동 점적 시스템은 용기 내의 영양분 수준을 감시하는 모니터링 시스템에 연결된다(예를들면, 유선 또는 무선 연결). 이러한 모니터링 시스템은 일정하게 또는 주기적으로 용기 내의 영양분 수준을 감시하고 영양분 수준이 예정 한계 아래로 떨어지면 용기에 영양분을 방출하도록 자동 점적 시스템을 지시한다. 반대로, 영양분 수준이 예정 한계를 초과하면 모니터링 시스템은 용기 내로 영양분 방출을 중지하도록 자동 점적 시스템을 지시한다. 일부 실시태양들에서, 기타 미량의 화학 물질들 (예를들면, 시트르산)이 용기에 투입되어 광합성 미생물 성장의 환경 조건을 최적화시킨다.
도 6A 내지 6F는 용기 (102) 내의 램프 조립체들 (108)에 대한 실시태양들을 보인다. 각각의 실시태양에서, 램프 조립체들 (108)은 하나 이상의 연결 라인들 (602)을 따라 직렬로 상호 연결되도록 구성된다. 이러한 연결 구조로 용기 내의 하나 이상의 램프 조립체 (108)에 전원 공급이 가능하다. 용기 (102) 내의 램프 조립체들 (108) 구성은 관심 균주 및 목표 산물에 따라 달라질 수 있다. 예를들면, 소정의 균주는 단 하나의 연결 라인 (602)이 용기에 배치될 때 더욱 양호한 성장 속도를 보지만 다른 균주들은 하나 이상의 연결 라인이 용기에 배치될 때 더욱 양호한 성장 속도를 보인다.
도 6A 내지 6F는 직렬 연결을 도시한 것이지만, 램프 조립체들 (108)은 병렬적 전기 연결을 포함하여 하나의 램프 조립체 고장은 다른 상호 연결된 램프 조립체들의 작동에 영향을 주지 않을 수 있다. 또한, 연결 라인들 (602)은 용기 (102) 내에서 실질적으로 직선형으로 도시되지만, 기타 실시태양들에서, 연결 라인들 (602)은 하나 이상의 각도를 가지고 형성될 수 있다 (예를들면, 램프 조립체들 (108)은 90도 각도로 연결될 수 있다).
예시적 연결 라인 (602)은 적어도 하나의 전력 및 담지 (immersion) 오일을 각각의 램프 조립체 (108)에 제공하도록 구성된다. 예를들면, 도 6A에서 용기 (102a)는 연결 라인 (602a)을 포함하고, 이는 포트들 (604a, 604b)을 포함한다. 담지 오일은 포트 (604a)를 통해 연결 라인 (602a)으로 유입되고 포트 (604b)에서 유출된다. 이러한 방식으로, 조작자는 연결 라인 (602a)에 연결된 램프 조립체들 (108)를 통해 담지 오일을 순환시켜 온도를 제어할 수 있다. 또한, 전기 커넥터 (111)는 포트 (604a)를 통해 각각의 램프 조립체 (108)에 제공된다. 램프 조립체들 (108)에 대한 전력 및 오일 제어는 도 9 및 10과 관련하여 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 6C는 서로 연결된 연결 라인들 (602)을 보인다. 이러한 상호연결로 인하여 용기 (102) 내의 담지 오일 유동을 가능하게 한다. 추가로 또는 대안으로, 상호연결로 인하여 교차점들에 있는 램프 조립체들 (108)은 교차 전기 커넥터들 (111)에서의 제어신호들 중 하나로 제어될 수 있다. 예시로써, 램프 조립체 (108c)는 각각의 포트들 (604c, 604d, 604e)에 배치된 전기 커넥터들 (111)에 연결된다. 그 결과, 램프 조립체 (108c)는 전기 커넥터들 (111) 중 임의의 하나에 제공되는 제어신호로 제어될 수 있다.
도 6D은 LED를 가지는 20개의 회로기판들을 포함한 램프 조립체 (108)에 대한 연결 라인 (602)을 도시한 것이다. 본 실시태양에서, 담지 오일은 램프 조립체 (108)를 순환하여 온도를 제어한다. 또한, 20개의 회로기판들 구성으로 인하여 용기 (102) 내의 실질적으로 모든 위치로 빛이 지향된다. 이는 상대적으로 더 적은 회로기판들을 가지는 도 6A, 6B, 6C, 6E, 및 6F의 램프 조립체들 (108)과 대비된다. 따라서 이러한 도면들은 더 작은 LED를 가지는 각각의 광 조립체를 보상하기 위하여 더 많은 광 조립체들을 사용한다.
본 발명에 의해 대규모 광생물반응기 역시 고려될 수 있다. 이러한 생물반응기는 하나 이상의 용기들 및 하나 이상의 램프 조립체들을 포함한다. 용기들은 균일 용적 및 치수를 가질 수 있거나 다른 용적 및 치수를 가질 수 있다. 예를들면, 55 갤런 또는 이상의 용기들, 또는 3,000 갤런 또는 이상의 용기들이, 본원에 개시된 대규모 광생물반응기에 사용될 수 있다. 실시태양에서, 용기들 사이에는 하나의 용기를 또 다른 용기와 연결하기 위한 영역이 제공된다. 다른 실시태양에서, 용기는 광 분산 및/또는 전기적 연결을 위한 중앙 칼럼 (column)을 가질 수 있다.
본 발명의 광생물반응기는 다양한 크기로 제작될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 여러 광생물반응기들이 함께 군을 이루어 예를들면 도 7 및 8에 도시된 바와 같이 대규모 광생물반응기를 형성할 수 있다. 단순화 시키기 위하여, 도 1에는 하나의 광 조립체를 이용하는 단일 광생물반응기가 도시되었지만, 전형적인 산업 규모 광생물반응기에서, 각각 하나 이상의 램프 조립체들을 포함하는 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100개 또는 그 이상의 광생물반응기들이 사용될 수 있다.
2 이상의 용기들을 가지는 광생물반응기는 용기에 연결된 에어 및 수라인들이 하나 이상의 인접 용기들에 연결될 수 있다. 에어 및 수라인들은 에어 및/또는 물을 예정 방식으로 유동시킬 수 있는 밸브들을 포함한다. 선택적으로, 밸브들은 유지 및/또는 관찰을 위하여 용기로의 연결을 신속하게 해제할 수 있다. 도 7 및 8은 다중 상호연결 용기들을 포함한 광생물반응기 실시태양들을 도시한 것이다. 특히, 도 7은 다중 칼럼의 용기들을 가지는 광생물반응기 실시태양을 도시한 것이고, 여기에서 각각의 용기들 칼럼은 또 다른 용기들 칼럼과 서로 연결된다. 도 8은 단일 칼럼의 다중 용기들이 상호연결된 광생물반응기 실시태양을 보인다.
도 7 및 8에서 도시된 실시태양에서, 에어는 배럴의 7:30 및 4:30 방향에 있는 12개의 기체 입구들을 통해 유입되고, 흐름은 2 미크론의 거품들에서 끊어져, 배양배지와 혼합되어, 순환 및 필요한 기체가 첨가된다. 낮은 기체 요구량의 균주에 대하여는, 기체 입구들을 세분하여 기체 입구들 일부를 이용하고 나머지 입구들을 미사용 상태로 남기거나 또는 물 재순환 펌프와 연결할 수 있다. 이러한 실시태양에서, 기체가 11:30 및 12:30 방향의 기체 출구에 도달될 때까지 기체 거품은 하부 배럴들의 최상부에 형성된다. 이 지점에서, 거품 압력으로 인하여 기체가 칼럼의 최상부에 이를 때까지 상부 배럴에서 동일 과정이 유도된다. 또한 각각의 칼럼의 바닥 배럴은 총체적 보충 (gross supplementation)용 더욱 이질적 기체 (즉 CO2, 기체 암모니아, 등)을 이용할 수 있도록 0.5 미크론 확산기 (diffuser)와 연결된 2 내지 4개의 추가 기체 입구들이 포함된다는 것도 이해하여야 한다.
일부 실시태양들에서, 대규모 광생물반응기는 에어 및/또는 영양분을 위한 단일 주입 지점을 포함하여 다른 용기들과 작동적으로 연결되는 제1 용기로 에어 (예를들면, CO2) 및/또는 영양분을 도입하면 에어 및/또는 영양분은 제1 용기에서 다른 용기들로 이동될 수 있다.
대규모 광생물반응기의 용기들은 제어 유닛 (예를들면, 제어기 또는 서버) 및/또는 센서 모니터링 유닛과 작동적으로 연결될 수 있다. 일부 실시태양들에서, 제어 유닛은 조작자가 각각의 용기에 있는 램프 조립체를 제어 (예를들면, 램프 조립체 온 또는 오프, 또는 램프들 강도 조절)하도록 구성된다. 일부 실시태양들에서, 센서 유닛은 용기 오염을 감지하면 광생물반응기에서 그 용기와 다른 용기들과의 연결을 해제하도록 구성된다.
예시적 제어시스템 (900)의 고차 블록도가 도 9에 도시된다. 예시적 제어시스템 (900)은 워크스테이션 (902), 제어기 (904) (예를들면, 제어 유닛), 용기 (102), 펌프들 (906), 및 담지 오일 컨테이너 (908)를 포함한다. 도 9는 용기 (102)만을 제어하는 제어기 (904)를 도시하지만, 기타 실시태양들에서 제어기 (904)는 2 이상의 용기들에 통신적으로 연결될 수 있다. 또한, 워크스테이션 (902)은 하나 이상의 제어기와 통신적으로 연결될 수 있다.
예시적 워크스테이션 (902)은 제어기 (904)에 명령을 제공하고, 프로세스를 제어하고, 시스템 프로세스 데이터를 표시하는 조작자 인터페이스를 제공한다. 예시적 제어기 (904)는 램프 조립체들 (108) 제어 및 담지 오일 유동을 관리한다. 다른 예시에서, 제어기 (904)는 용기 (102) 내의 액체 배양 배지 (103) 제어를 관리하도록 구성된다. 예시로써, 제어기 (904)는 기체 입구 밸브들, 기체 벤트들, 유체 입구 밸브들, 및/또는 추가 밸브들을 제어하도록 구성된다.
예시적 워크스테이션 (902)은 제어기 (904)와 연동되어 조작자에게 제어 및 시스템 피드백을 제공한다. 워크스테이션 (902)은, 예를들면, 개인용 컴퓨터, 랩톱, 서버, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터 기타 등을 포함한 임의의 유형의 프로세서를 포함한다. 제어기 (904)는 조명 및 오일 유동을 제어하기 위하여 센서들로부터 입력을 이용한 개방 또는 폐쇄 루프 시스템 제어를 제공하도록 구성되는 임의의 유형의 제어시스템 (예를들면, Arduino™ 마이크로프로세서 또는 응용 주문형 집적회로 ("ASIC"))을 포함한다.
본 실시예에서, 제어기 (904)는 전기 커넥터 (111a, 111b) 각각을 통해 램프 조립체들 (108a-d)과 별도로 전기적 연결된다. 전기 커넥터들 (111)은 각자의 연결 라인들 (602a, 602b) 내에 배치된다. 제어기 (904)는 별도의 연결 라인들 (602)을 이용하여 각자의 연결 라인들 (602) 내의 램프 조립체들 (108)를 개별적으로 제어한다. 예를들면, 제어기 (904)는 램프 조립체들 (108a, 108b)에 전원을 공급하지만 램프 조립체들 (108c, 108d)을 오프 상태로 유지할 수 있다.
예시적 제어기 (904)는 펌프들 (906)과 통신적으로 연결된다. 제어기 (904)는 디지털 명령 또는 아날로그 PWM 전압을 제공하여 펌프들 (906)을 작동시킨다. 본 실시예에서, 시스템 (900)은 각각의 연결 라인들 (602)에 대한 개별 펌프 (906)를 포함하여 제어기 (904)는 각자의 램프 조립체들 (108)로의 담지 오일 흐름을 독립적으로 제어한다. 기타 실시태양들에서, 하나 이상의 연결 라인들 (602)로 오일을 제공하기 위하여 단일 펌프 (906)가 사용될 수 있다.
예시적 펌프들 (906)은 담지 오일을 연결 라인들 (602)로 제공하기 위한 임의의 유형의 요소를 포함한다. 예를들면, 펌프들 (906)은 용적형 펌프, 기어 펌프, 나사펌프, 루츠타입펌프, 연동펌프, 플런저펌프, 유압펌프, 속도펌프 등을 포함한다. 제어기 (904)로부터 수신되는 제어 신호 (예를들면, 전압)에 대한 응답으로, 펌프들 (906)는 컨테이너 (908)로부터 담지 오일을 각자의 연결 라인들 (602)로 이송한다. 펌프들 (906)은 가변 속도로 오일을 이송하도록 구성된다. 대안으로, 펌프들 (906)은 2진 상태 (예를들면, 온/오프)로 작동되도록 구성된다. 펌프들 (906)이 연결 라인들 (602) 입구에 배치되는 것으로 도시되지만, 기타 실시태양들에서 펌프들 (906)은 연결 라인들 (602) 출구에 위치할 수 있다. 이러한 기타 실시태양들에서, 펌프들 (906)은 연결 라인들 (602)을 통해 담지 오일을 끌어 당기도록 구성된다.
예시적 담지 오일 컨테이너 (908)는 담지 오일을 보관할 수 있는 임의의 유형의 탱크이다. 일부 실시예들에서, 컨테이너 (908)는 용기 (102) 일부를 따라 배치되는 재킷을 포함한다. 또한, 오일 컨테이너 (908)는 능동 냉각 또는 가열을 제공하는 요소를 포함한다.
도 9에 도시된 실시예에서, 제어기 (904)는 램프 조립체들 (108)에 인가되는 전력의 전압, 주파수, 및 PWM (예를들면, 사용률)을 제어하도록 구성된다. 예를들면, 제어기 (904)는 8.8 내지 12 볼트의 전압을 각각의 램프 조립체 (108)에 제공한다. 다른 실시예들에서, 제어기 (904)는 0 내지 24 볼트의 전압을 램프 조립체들 (108)에 제공하도록 구성된다. 인가된 전압은 램프 조립체들 (108)로부터 전달되는 광의 강도를 제어하기 위하여 사용된다. LED (또는 기타 광원)가 인가 전압에 비례하여 빛을 방출하는 예시들에서, 제어기 (904)는 LED가 현재 배양체 성장을 극대화할 수 있는 빛의 세기로 빛을 방출하도록 전압을 제공한다.
LED에 의해 방출되는 빛의 주파수는 390 내지 700 nm이다. 빛의 주파수는 광원 유형에 따라 달라진다. 일부 실시예들에서, 제어기 (904)는 원하는 빛의 주파수를 얻도록 활성화되는 LED를 선택하도록 구성된다. 예시로써, 각각의 램프 조립체들 (108)은 적색, 녹색 및 청색 LED들을 포함할 수 있다. 램프 조립체들 (108)은 LED에서 전달되는 빛을 조합하기 위한 하나 이상의 미러들을 더욱 포함할 수 있다. 제어기 (904)는 목표 배양체에 최적인 빛 주파수가 달성될 수 있도록 상이한 색상의 LED들의 펄스 간격을 조정하도록 구성된다. 대안으로, 램프 조립체들 (108)에 광 필터들을 이용하여 원하는 빛 주파수를 달성할 수 있다.
전압 제어와 더불어, 제어기 (904)는 특정 PWM으로 전압을 인가하도록 구성된다. 예를들면, 제어기 (904)는 LED들이 시간의 75% 동안 온 상태이고 (예를들면, 75 ms) 시간의 25% 동안 오프 상태가 되도록 100 밀리초 (ms) 시간 주기에 걸쳐 램프 조립체들 (108)를 전환할 수 있다. 따라서 제어기 (904)는 사용률 및 시간 주기에 대하여 프로그램 가능하다 (또는 명령을 제공). 75% 사용률 및 100 ms 시간 주기가 예시적으로 사용되지만, 제어기 (904)는 임의의 사용률 및 시간 주기로 램프 조립체들 (108)를 작동하도록 프로그램 가능하다.
또한 제어기 (904)는 용기 (102) 내의 온도를 조절하기 위하여 램프 조립체들 (108)를 통해 담지 오일의 유동을 제어하도록 구성된다. 제어기 (904)는 워크스테이션 (902)으로부터 제공되는 명령을 이용하여 전력 및 오일 유동 제어 방법을 결정한다. 상이한 유형의 배양체는 최적 성장 설정을 가지고 따라서 제어기 (904)는 용기 (102) 내에서 성장되는 배양체에 기초하여 프로그램 가능하다는 것을 이해하여야 한다.
또한 예시적 제어기 (904)는 용기 (102) 내의 조건들을 감시하고 이러한 조건들을 워크스테이션 (902)으로 보고하도록 구성된다. 이러한 실시태양에서, 용기 (102)는 제어기 (904)에 통신적으로 연결되는 온도 센서들 (912)을 포함한다. 제어기 (904)는 센서들 (912)에 의해 제공되는 온도 데이터를 기록하고 주기적으로 온도들을 워크스테이션 (902)으로 전달한다. 또한 제어기 (904)는, 예를들면, 각각의 램프 조립체에 인가되는 전압, 주파수, 및 PWM, 작동 지속시간을 포함한 현재의 작동 조건들, 및/또는 시스템 (900) 내의 검출된 진단적 오류 (예를들면, 파손 램프 조립체 또는 연결 라인 (602) 내의 장애), 워크스테이션 (902)과의 통신 인터페이스, 기타 등을 보고하도록 구성된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 도 9의 용기 (102) 내에서 배양체 성장을 관리하기 위한 예시적 절차 (1000, 1050)에 대한 흐름도이다. 예시적 절차 (1000, 1050)는, 예를들면, 도 9와 관련하여 설명된 워크스테이션 (902), 제어기 (904), 펌프들 (906), 및/또는 램프 조립체들 (108)에 의해 수행된다. 절차 (1000, 1050)는 도 10에 도시된 흐름도 기준으로 설명되지만, 절차 (1000, 1050)와 관련된 작용을 구현하는 많은 다른 방법들이 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를들면, 많은 블록들의 순서가 변경될 수 있고, 소정의 블록들은 다른 블록들과 조합될 수 있고, 많은 블록들은 선택적일 수 있다.
본원에 개시된 모든 절차들은 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들 또는 요소들을 이용하여 구현될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 요소들은 RAM, ROM, 플래시 메모리, 자기적 또는 광학적 디스크, 광학 메모리, 또는 기타 저장 매체를 포함한 임의의 통상적인 컴퓨터-판독 가능한 매체에서 일련의 컴퓨터 명령으로 제공될 수 있다. 일련의 컴퓨터 명령이 개시된 모든 또는 일부 방법 및 절차를 수행하거나 수행을 가능하게 할 때 명령들은 프로세서 (예를들면, 워크스테이션 (902) 및/또는 제어기 (904))에 의해 실행되도록 구성된다.
조작자가 워크스테이션 (902)을 이용하여 새로운 배양체 (예를들면, 광합성 조류 배양체)를 성장시키기 위한 세션 (session)에 필요한 루틴을 프로그램 하는 단계 (블록 1002)에서 예시적 절차 (1000)가 시작된다. 조작자는 시간 주기 50 ms 및 사용률 55%를 특정한다. 또한 원하는 빛의 세기를 발생시키도록 조작자는 LED 인가 전압을 10.75 볼트로 특정한다. 또한 조작자는 배양 일수 2일 및 105° C를 초과하지 않는 배지 (103) 온도를 특정한다. 또한 조작자는 임의의 램프 조립체들 (108)에 어떠한 문제가 발생될 때 경보를 받고 시간에 따른 용기 (102)의 온도 그래프에 대한 보고를 받도록 선택한다.
루틴 프로그램 후, 조작자는 워크스테이션 (902)에 명령 (1003) (예를들면, 매개변수들)을 제어기 (904)로 전달하도록 지시한다 (블록 1004). 명령 (1003)은 프로그램화 루틴을 포함하고 제어기 (904)와 호환될 수 있는 프로그램 언어로 포맷된다. 이후 워크스테이션 (902) 제어기 (904)로부터 처리 데이터 (1005)를 수신하고 저장한다 (블록 1006). 처리 데이터 (1005)는 용기 (102)에서의 프로세스 관련 작동 및 진단 정보를 포함한다. 워크스테이션 (902)은 제어기 (904)에 의해 데이터가 처리되고 전달될 때 상대적으로 일정하게 처리 데이터 (1005) 흐름을 수신한다. 대안으로, 워크스테이션 (902)은 주기적으로 제어기 (904)로부터 처리 데이터 (1005)를 수신한다.
워크스테이션 (902)은 임의의 경보에 대하여 처리 데이터 (1005)를 분석한다 (블록 1008). 추가로 또는 대안으로, 워크스테이션 (902)은 제어기 (904)로부터 경보 메시지 (1007)가 수신되었는지를 판단한다. 경보가 수신되면, 워크스테이션 (902)은 조작자에게 경보를 통지한다 (블록 1010). 통지에는, 예를들면, 경보 내용을 표시한 문자 메시지, 이메일, 음성 메시지, 기타 등을 포함한다. 도시된 실시예에서, 경보는 용기 (102) 온도가 105° C 한계 이상이라는 표기를 포함한다. 대안으로, 경보는 하나 이상의 램프 조립체들이 작동되는 않는다는 것을 표시한 정보를 포함한다. 또한, 경보는 펌프들 (906) 중 하나가 예상대로 작동하지 않는다는 것을 표시한 정보를 포함한다.
도 10의 도시된 실시예에서, 워크스테이션 (902)은 조작자에게 경보 제공 후 세션이 종료되었는지를 판단한다 (블록 1012). 기타 실시태양들에서, 워크스테이션 (902)은 제어기 (904)에게 조작자가 경보에 응답할 때까지 처리 중지를 지시한다. 또 다른 실시태양들에서, 워크스테이션 (902)은 경보에 응답하기 위한 명령을 제어기 (904)로 제공한다. 예시로써, 램프 조립체 (108b)가 작동되지 않는 것이 감지된 후, 워크스테이션 (902)은 빛의 손실을 보상하도록 다른 램프 조립체들 (108a, 108c, 108d)에 대한 사용률, 시간 주기, 및 전압 변경 명령을 제어기 (904)에 제공한다.
경보를 받지 않은 응답으로, 워크스테이션 (902)은 세션이 종료 (예를들면, 프로그램화 2일 작동 시간)되었는지를 판단한다 (블록 1012). 세션 종결 판단에 대한 응답으로, 워크스테이션 (902)은 2일 동안 감시된 용기 (102) 온도를 포함한 보고서 (1013)를 수신한다 (블록 1014). 이후 예시적 절차 (1000)가 종료된다. 대안으로, 예시적 절차 (1000)는 블록 (1002)로 복귀되어 다음 세션이 진행된다. 그러나, 워크스테이션 (902)이 세션이 종료되지 않았다고 판단하면 (블록 1012), 워크스테이션 (902)은 제어기로부터 처리 데이터 (1005) 수신 단계로 복귀한다 (블록 1006). 이후 예시적 절차 (1000)는 세션이 종료될 때가지 계속된다.
제어기 (904)가 워크스테이션 (902)으로부터 작동 명령 (1003)을 수신할 때 (블록 1052) 예시적 절차 (1050)가 시작된다. 이후 예시적 제어기 (904)는 명령 (1003)에 기초하여 램프 조립체들 (108)에 전력을 제공하도록 구성된다 (블록 1054). 구성에는 램프 조립체들 (108)에 50 ms 시간 주기에 55% 사용률로 10.75 볼트가 인가되는 출력 구동을 위한 매개변수들 설정을 포함한다. 또한 예시적 제어기 (904)는 펌프들 (906)과의 연결을 구성한다. 구성은 램프 조립체들 (108) 내부에 담지 오일이 충분하도록 펌프들 (906) 작동을 포함한다.
또한 예시적 제어기 (904)는, 예를들면, 용기 (102)의 허용 가능한 온도 범위, 용기 (102)의 경보 한계 온도, 진단적 설정 등을 포함한 작동 조건들을 구성한다 (블록 1056). 또한 제어기 (904)는 어떠한 처리 데이터가 워크스테이션 (902)으로 전달되고 어떠한 데이터가 보고서에 포함되는지를 판단한다. 구성은 온도 센서들 (912) 및/또는 램프 조립체들 (108) 교정을 더욱 포함한다.
상기 구성 후, 제어기 (904)는 특정 전압 및 사용률에서 램프 조립체들을 작동시킨다 (블록 1058). 또한 예시적 제어기 (904)는 온도 센서들 (912)으로부터 출력을 수신하기 시작한다. 예시로써, 온도 센서 (912a)는 액체 배지 배양체 (103) 온도를 보고하고, 온도 센서 (912b)는 램프 조립체 (108a)의 온도를 보고하고, 온도 센서 (912c)는 연결 라인 (602b)의 온도를 보고한다. 다른 실시예들에서, 단지 하나의 온도 센서 (912)가 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한 다른 실시예들에서, 제어기 (904)는 다른 유형의 센서들 (예를들면, pH 센서들, 염도 센서들, 빛 센서들, 화학 센서들 등으로부터 출력을 수신하도록 구성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 실시예에서, 제어기 (904)는 처리 데이터 (예를들면, 작동 데이터) (1005)로서 온도 데이터를 전송한다 (블록 1060). 처리 데이터 (1005)는 용기 (102) 및/또는 제어기 (904) 내에서 검출되는 임의의 오류들을 더욱 포함한다. 처리 데이터 (1005)는 램프 조립체들 (108)에 적용되는 전압 및 사용률 및 펌프들 (906)의 작동 여부를 더욱 포함한다.
이후 예시적 제어기 (904)는 세션 종료 여부를 판단한다 (예를들면, 2일 주기) (블록 1062). 세션 종료 판단에 대한 응답으로, 예시적 제어기 (904)는 수집 데이터를 편집하고, 보고서를 작성하고, 보고서 (1013)를 워크스테이션 (902)으로 전달한다 (블록 1064). 기타 실시태양들에서, 예시적 제어기 (904)는 세션을 종료하고 워크스테이션 (902)에게 보고서 없이 세션이 종료되었다는 것을 통지한다. 이러한 기타 실시태양들에서, 제어기 (904)는 보고서 생성 성능을 가지지 않을 수 있다. 대신, 제어기 (904)는 세션 종료 시에 수집 데이터의 로그 또는 데이터 구조를 제공할 수 있다. 세션 종료 시에, 예시적 절차 (1050)가 종료된다. 대안으로, 예시적 절차 (1050)는 블록 (1052)으로 복귀하여 또 다른 배양체를 위한 세션을 시작한다.
블록 (1062)로 돌아가, 세션이 종료되지 않은 경우 제어기 (904)는 센서들 (912) 온도 출력을 예정 온도와 비교한다 (블록 1066). 제어기 (904)는 이러한 비교를 통하여 용기 (102) 온도를 능동적으로 변경시키기 위한 작용이 필요한지를 판단한다. 예를들면, 온도가 특정 허용 범위를 벗어나면, 제어기 (904)는 펌프들 (906)을 작동시켜 더욱 냉각된 (또는 더욱 가열된) 오일을 용기 (102)로 순환시킨다 (블록 1068). 온도가 허용 범위에 들어올 때까지 제어기 (904)는 계속하여 펌프들 (906)을 작동시킨다. 추가로 또는 대안으로, 또한 제어기 (904)는 램프 조립체들 (108) 강도 및/또는 사용률을 변경시켜 온도를 변경시킬 수 있다. 예시로써, 램프 조립체들 (108)에 인가되는 전압을 낮추어 용기 (102)로 전달되는 열량을 감소시킨다. 또한, 더 많은 오프 상태를 가지도록 사용률을 변경시켜 용기 (102)로 전달되는 열량을 감소시킨다.
또한 예시적 제어기 (904)는 용기 (102) 온도가 한계를 초과하였는지를 판단한다 (블록 1070). 온도가 한계를 초과한 것으로 판단한 것에 대한 응답으로, 제어기 (904)는 경보 메시지 (1007)를 워크스테이션 (902)으로 전달한다 (블록 1072). 워크스테이션 (902)에 의한 추가 명령이 제공되거나 또는 세션이 종료될 때까지 제어기 (904)는 계속하여 램프 조립체들 (108)을 작동시킨다.
광합성 미생물 예컨대 조류는 본원에 개시된 광생물반응기로 배양 및/또는 증식될 수 있다. 일반적으로, 광생물반응기의 용기 내부 용적에 배양배지를 채우기 전에, 광생물반응기 내부를 멸균화 가스, 차아염소산 용액 또는 기타 등에 노출시켜 살균 처리한다. 살균 처리에 이어, 가압 수 (water) 라인을 통해 용기로 물을 투입한다. 용기에 물을 예정 깊이로 채운다. 일부 실시태양들에서, 배양배지 표면이 출구 포트 아래에 있도록 용기를 채운다. 영양분 및 접종원 (예를들면, 하나 이상의 광합성 생물 예컨대 조류)를 뚜껑을 열어 용기에 도입하거나 또는 용기 또는 뚜껑의 접근 포트로 투입한다. 광생물반응 중 배지의 pH 및 온도를 온도 프로브 및 pH 프로브로 감시한다. 전력을 램프 조립체에 공급하고 선택적으로 입구 튜브를 통하여 적당한 기체 혼합물 살포를 개시함으로써 광생물반응이 개시된다. 광생물반응 과정은 교정 밀도 검출기로 감시된다. 배양배지의 pH 또는 조성은 뚜껑 또는 용기 또는 뚜껑의 접근 포트를 통해 물질을 주입함으로써 조절될 수 있다.
일부 실시태양들에서, 용기에 첨가되는 각각의 광합성 미생물의 종균 배양체를 성장시킨다. 종균 배양체가 최적 밀도에 도달한 후, 배양체 일부를 용기에 접종한다. 2 이상의 유형의 미생물 (예를들면, 종 또는 균주)을 용기에 첨가하는 일부 실시태양들에서, 동수의 각 광합성 미생물이 용기에 첨가될 수 있다. 대안으로, 동수가 아닌 각 광합성 미생물 균주가 용기에 첨가될 수 있다.
광합성 미생물을 수확할 때, 광원 및 선택적인 살포 기체를 끄고 광합성 미생물을 함유한 배지체를 회수한다. 실시태양에서, 배지 및 광합성 미생물은 용기 벽에 배치된 선택적인 밸브의 개구를 통해 회수된다. 추가 실시태양에서, 펌프를 이용하여 배지 및 광합성 미생물을 용기로부터 분출시킨다. 대안으로, 용기가 기체 입구 (예를들면, CO2 주입용)를 가지는 실시태양들에서, 기체 입구를 역전시켜 가압을 형성시키고 다른 라인을 통해 배지를 밀어낸다. 대안으로, 광합성 미생물은 응집되고 용기로부터 (예를들면, 과다 에어 유량으로) 떨어지도록 외부 표면으로 분출시킨다. 기타 실시태양들에서, 초음파 변환기를 이용하여 용기에서 배지를 증발시키고 광합성 미생물 덩어리를 변환기 주위로 회수하여 이로부터 수확할 수 있다. 선택적으로, 증발된 배지는 회수되고 광생물반응기에서 사용되도록 재순환될 수 있다. 이후 본 분야에서 알려진 임의의 방법으로 미생물이 수확되거나 및/또는 탈수된다.
광생물반응기는 광합성 미생물을 포함한 제거 배지 일부를 액상 및 고상 (미생물 함유)으로 분리하기 위한 분리장치를 더욱 포함한다. 분리장치는 aff. 바람직하게는 여과기이지만 미생물 유형에 따라, 당업자에게 알려진 기타 분리수단이 사용될 수 있다.
예시적 방법에서, 본원에 개시된 광생물반응기는 생물분자 예컨대 지방산, 피코빌리단백질 예컨대 C-피코시아닌, 알로피코시아닌, 피코에리트린, 바이오 연료 예컨대 피톨, 및 기타 다양한 페트로 연료 대체물을 생산하는 하나 이상의 광합성 미생물 (예를들면, 다중배양체) 예컨대 조류 증식에 사용된다. 하나의 실시태양에서, 예컨대 천연 또는 유전자 변형/재조합의 아이소크라이시스 갈바나, 파블로바 루테리, 아르트로스피라 플라텐시스, 클로렐라 피렌노이도사, 시네코코커스 엘론게이트로 이루어진 군에서 선택되는 천연 환경에서 염도가 유사하고 온도가 유사하지 않은 2 이상의 조류가 함께 증식될 수 있다.
이러한 조류의 조합으로, 용기 내의 액체 배지 온도가 변경되는 동안, 전형적으로 저온에서 증식되는 적어도 하나의 조류 및 더욱 고온에서 증식되는 적어도 하나의 조류가 존재하는 이익을 제공한다. 이후 조류들은 본원에 제공되는 광생물반응기에서 증식되고 조류가 원하는 밀도에 도달된 후 궁극적으로 성장 배지에서 분리된다. 성장 배지에서 조류 분리 후, 조류로부터 DHA가 획득되고 선택적으로 정제된다.
추가 설명 없이도, 당업자는 상기 설명 및 하기 실시예들을 이용하여 본 발명의 재료를 실현하고 활용할 수 있고 청구된 방법들을 구현할 수 있다고 판단된다. 하기 실제 실시예들은 본 발명을 용이하게 구현하도록 제공되며 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 아니된다.
실시예들
실시예 1: 페블 제작
본원에 제공되는 방법을 구현하기 위하여 본 분야에서 공지된 임의의 방법 및 재료를 이용하여 광원 및 광원을 둘러싸는 배리어로 구성되는 페블 (램프 조립체라고도 칭함)을 제작할 수 있다.
A. 페블 조립체
LED 어레이가 사전-장착된 회로 패널 (예를들면, 5각형의 패널)로 페블을 제작할 수 있다. 각각을 내부 모서리들을 따라 액상 시아노아크릴레이트로 결합하되 (1개의 3-패널 섹션, 2개의 4-패널 세션들), 하나의 섹션을 다른 것에 연결하지 않고 페블 섹션 (section) {예를들면, 2 이상의 부착 5각형의 회로기판들)을 준비한다. 시아노아크릴레이트를 대략 3 시간 건조시킨다 건조 후, 12면체 형상으로 3개의 섹션들을 함께 가압하여 끼워 맞추되, 12면체의 하나의 면은 연결 목적 {예를들면, 유선 접근)으로 개방시키고, 건조시키고 밤새 형상을 안정화시킨다. 다음, 3개의 주요 섹션들을 분해한다. 2개의 4-면 페블 섹션들 각각에, 무연납땜만을 이용하여, 28 게이지 와이어로 중앙 패널에 접지 연결한다. 12-볼트 연결에 대하여도 반복하여, 주요 연결 패널로서 임의의 3 면들을 이용하여 3-면 부분으로 동일한 중앙 패널에 접지 연결한다. 3-패널 섹션에서 주요 패널로부터의 접지 연결은 28 게이지 와이어 및 무연납땜으로 4-패널 섹션들 중 하나의 주요 패널로 연결된다. 제2의 4-패널 섹션의 주요 패널을 주요 패널에 인접한 섹션에서 떨어진 단부에서 제1의 4-패널 섹션에 연결한다 (주요 패널과 면을 공유, 단지 하나의 다른 면이 패널에 결합). 마지막 패널에, 하나의 회로에서 모든 접지 연결 및 또 다른 회로에서 모든 12V 연결하고, 22-게이지 와이어를 각각의 회로에 납땜한다 (배럴 전체에 걸쳐 균일한 페블 분포로 길이 결정 (대략 10"-40")). 다음, 패널들을 함께 가압 끼워 맞추고, 조심스럽게 내부 배선을 정리한다. 이후 페블들에 중량을 위하여 10-12개의 유리 비드들을 채운다.
B. 페블 케이스 조립체
페블 둘레 전체를 수용할 수 있는 치수의 폴리에틸렌 (Nalgene) 병으로 페블용 케이스를 준비한다. 병 뚜껑 중앙에 1/4" 홀을 천공한다. 다음, 실리콘 개스켓을 뚜껑 벽을 통해 1/4" 삽입한다. 1/4" 황동 벽-관통 가시 수 (male) 피팅을 뚜껑 아래 측으로부터 조이고 뚜껑 상부의 1/4" 실리콘 개스켓에 부착한다. 1/4" 황동 암 피팅을 뚜껑 상부로부터 수 파팅과 나사 결합한다. 다음, 1/4" 내경의 1 1/2" 유연성 실리콘 튜브를 결합제로서 시아노아크릴레이트를 이용하여 뚜껑 개스켓에 부착한다. 1/4" OD 강성 LLDPE 백색 튜브 (길이는 배럴 내 페블 최적 분포에 의해 결정)를 결합제로서 시아노아크릴레이트를 이용하여 연결 튜브에 부착한다. 병 바닥 (base)을 중량 및 빛 분산용으로 복수의 투명 유리 비드들 (예를들면, 14개)로 채운다. 조립된 페블을 병에 넣고 유리 비드들에 안착시킨다. 22 게이지 와이어를 개스켓 및 튜브를 통해 끼운다. 이어, 병에 백색 미네랄 오일을 최대로 충전하고 뚜껑을 단단히 조여서 가능한 다량의 에어를 배출시킨다. 병 외면에 들러붙은 과량의 오일을 제거하고 병을 역삼투수로 세척한다.
C. 페블 케이스 실시태양들
도 12 내지 35는 램프 조립체들의 실시태양들을 도시한 것이다. 각각의 실시태양에서, 램프 조립체들 (108)은 케이싱 치수에 따라 특정 기하 구조로 함께 결합되는 회로기판들 (113)을 포함한다. 각각의 램프 조립체는 담지 오일이 유동할 수 있는 입구 및 출구를 포함한다. 입구 및 출구는 연결 라인들 (602)과 기구적으로 연결될 수 있는 치수를 가진다. 또한, 입구에는 전기 커넥터들 (111) (미도시)이 포함된다.
예를들면, 도 12 및 13은 이중 -피라미드로 형성되는 서로 결합된 6개의 회로기판들 (113)을 포함한 램프 조립체 (108)를 도시한 것이다. 램프 조립체 (108)는 6개의 회로기판들을 수용할 수 있는 치수의 케이싱 (1202)을 포함한다. 특히, 케이싱 (1202)은 벌브-형상으로, 주변 액체 배양배지에 효율적으로 빛을 전파할 수 있다. 램프 조립체 (108)는 입구 (1204)를 통해 담지 오일을 수용한다. 담지 오일은 출구 (1206)를 통해 램프 조립체 (108)를 빠져나간다. 또한, 전기 커넥터들 (111)은 입구를 통해 회로기판들로 연결된다 (113) (미도시). 일부 실시예들에서, 전기 커넥터들 (111)은 제1 회로기판과 접속된다. 전기 통로를 이용하여 기타 회로기판들을 제1 회로기판과 전기 접속시킨다. 다른 실시예들에서, 각각의 회로기판 (113)을 전기 커넥터들 (111)에 연결시킨다.
도 14 내지 16은 도 12 및 13의 램프 조립체 (108)의 개략도이다. 특히, 도 14는 램프 조립체의 평면도이고 도 16은 도 15에 도시된 케이싱 (1502)의 케이스 연결부 (1504) 확대도이다. 본 실시태양에서, 케이싱 (1502)은 조인트 (1600)에서 서로 결합되는 2개의 별도 반쪽들로 형성된다. 케이싱 (1502)이 별도의 반쪽들로 형성됨으로써 회로기판들은 케이싱 (1502) 내부에 설치될 수 있다. 도 15 및 16에 도시된 바와 같이, 조인트 (1600)는 각각의 케이싱 (1502) 반쪽들의 치수를 맞추어 기구적으로 밀봉된다. 대안으로, 조인트 (1600)는 (실질적으로 투명) 접착제를 사용하여 화학적으로 밀봉될 수 있다.
도 17 내지 22는 램프 조립체 (108)의 또 다른 실시태양을 도시한 것이다. 본 실시태양에서, 케이싱 (1702)은 케이싱 (1502)보다 더욱 구형이다. 또한, 도 19 내지 22는 탭들 (1902)을 이용하여 서로 결합되는 2개의 반쪽들로 형성되는 케이싱 (1702)을 보인다. 특히, 도 21 및 22는 케이싱 (1702) 반쪽들이 해당 수용 영역에 접촉되는 각각의 탭으로 기구적으로 결합되는 방식을 보인다.
도 23 내지 28은 램프 조립체들 내부의 다른 회로기판들 실시태양들을 보인다. 특히, 도 23은 도 24에 도시된 램프 조립체 (108)의 평면도를 도시한 것이다. 램프 조립체 (108)는 서로 결합되어 입방체 (cube)를 형성하는 3각형 매트릭스의 회로기판들 (113)을 포함한다. 회로기판들 (113)을 연결함으로써 배양체 성장에 최적으로 실질적으로 모든 방향으로 빛이 전달될 수 있다.
도 25는 3각형 회로기판들 (113)로 형성되는 8-면 입방체를 도시한 것이다. 도 26은 3각형 회로기판들 (113)로 형성되는 3-면 입방체를 도시한 것이다. 도 27은 3각형 회로기판들 (113)로 형성되는 6-면 이중 피라미드를 도시한 것이다. 도 28은 3각형 회로기판들 (113)로 형성되는 6-면 입방체를 도시한 것이다. 기타 실시태양들은 실질적으로 구형인 구조체를 형성하기 위하여 더 많은 수의 면들을 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
실시예 2: 광생물반응기 제작
본원에 제공되는 방법 구현을 위한 광생물반응기는 배럴 (barrel), 뚜껑, 및 CO2 스톤 (본원에서 램프 조립체로도 칭함)을 조립하여 본 분야에서 알려진 임의의 방법 및 재료로 제작된다.
A. 배럴 조립체
예시적 방법에서, 표준 60 갤런 폴리프로필렌 배럴 (개방 헤드)을 이용하여, 배럴 바닥으로부터 4 1/2"에 동일 간격의 8개의 ½" 홀들을 천공하여 배럴을 준비한다. 2개의 인접 홀들 사이 동일 간격에, 정밀 날을 이용하여 배럴 바닥에서 2 1/2"에 다음 9번째 1/2" 홀을 천공한다. 다음, 깎인 플라스틱을 제거하고 천공 홀 모서리들을 연마한다.
배럴 내측으로부터, 렌치를 이용하여, 1/4" 가시 (barbed) 나일론 수 피팅을 각각의 천공 홀을 통해 조인다. 다음, 배럴 외부로부터, 1/2" 실리콘 와셔 피팅을 가시 수 피팅에 부착시킨 후 1/4" 나일론 가시 암 피팅에 나사 결합하고 조인다. 이후 1 3/4" 길이의 강성 (두꺼운 벽) 1/4" 타이곤 튜브를 배럴 외측에 있는 수 피팅에 부착시킨다. 이어, 1/2" 길이의 블랙 1/2" 블랙 실리콘 튜브를 대형 에어스톤의 가시 피팅에 넣는다. 이후 에어스톤 어셈블리를 타이곤 튜브 내로 삽입하고 이러한 과정을 4 1/2" 높이에 있는 모든 1/2" 피팅에 대하여 반복한다. 이후 3" 길이의 강성 타이곤 튜브 (두꺼운 벽)를 외부, 가시 암 피팅에 부착시킨다. 이러한 과정을 모든 9개의 피팅들에 대하여 반복한다. 다음, 130" 강성 백색 LLPDE 튜브를 4 1/2" 높이에 있는 모든 8개의 피팅들에 부착한다. 푸쉬 투 커넥트 어댑터 피팅i 및 푸쉬 투 커넥트 볼 밸브들을 9번째 (2 1/2" 높이) 피팅에 부착한다. 이어, 2" 투명 1/4" 타이곤 튜브 (얇은 벽)를 각각의 130" 백색 강성 LLDPE 튜브에 부착한다. 8 1/2" 길이의 1/2" 블랙 실리콘 튜브를 8-웨이 폴리프로필렌 매니폴드의 가시 피팅에 연결한다. 각각의 강성 LLPDE 130" 튜브를 2" 길이의 투명 타이곤 튜브 커넥터 (얇은 벽)에 연결한 후, 이것을 매니폴드에 연결한다.
B. 뚜껑 조립체
예시적 방법에서, 1/2" 플라스틱 드릴 비트를 이용하여 블랙 폴리프로필렌 뚜껑에 도 11 A에 도시된 바와 같이 7개의 홀들을 천공한다.
천공 모서리들로부터 임의의 깎인 플라스틱을 제거하고 정밀 날로 연마한다. 뚜껑 아래로부터, 1/4" 가시 나일론 수 피팅을 홀들에 놓고 뚜껑 상부로부터 1/4" 가시 나일론 암 피팅과 나사 결합한다. 실리콘 와셔들을 암 피팅 및 뚜껑 상면 사이에 배치한다. 의도된 배양 균주(들)에 따라 다른 피팅들을 이용하여 빛 분포를 결정한다. 다음, 2" 길이의 강성 타이곤 튜브 (두꺼운 벽)를 뚜껑에 있는 각각의 나일론 1/4" 수 피팅에 부착한다. 강성 LLPDE 튜브를 도 11B에 도시된 바와 같이 각각의 연결부에 중앙 지점을 제외하고 부착한다, (길이는 배럴들에 균등하게 분포되는 페블들로 결정).
이어, 2" 강성 타이곤 커넥터 튜브를 강성 LLPDE 튜브 단부에 연결한다. 페블 배선을 강성 LLPDE 튜브를 통과시켜 뚜껑 상부에 있는 가시 피팅에서 뽑는다. 이후 결합제로서 액체 시아노아크릴레이트를 이용하여 커넥터 튜브를 페블의 황동 피팅 베이스에 부착한다. 이러한 과정을 필요한 페블 분포에 대하여 반복한다. 염 오염 방지를 위하여, 유연성 라텍스 튜브를 뚜껑 피팅의 암 최상 단부 및 염수 분무에 따라 필요한 정도로 모든 와이어 주위에 부착한다.
C. CO2 스톤 조립체
예시적 방법에서, 30" 길이의 강성 백색 LLDPE 튜브를 커넥터 튜브가 있는 중앙 피팅에 부착한다. 다음, 돔 정점 (dome apex)을 2 부 (part) 100 mm 투명 아크릴 구체의 암 반구 (hemisphere)에 표기한다. 면이 대략 2" 길이인 정삼각형 코너들이, 수 반구 외부에 표기되고 돔 정점에서 중앙에 배치한다 (centered). 1/4" 회전형 절단 비트를 이용하여 각각의 표기에 대한 예비 안내 홀들을 만든다. 다음, 1/2" 고무 절삭 비트를 이용하여 안내 홀들 중앙에 배치되는 최종 홀들을 만든다. 드릴 작업에서 깎인 플라스틱을 클리퍼로 홀들에서 제거하고 정밀 날로 홀들을 연마한다. 이후 1/2" 벽-관통 고무 개스켓을 각각의 홀에 부착한다. 다음, 1/2" 황동 벽-관통 가시 피팅을 개스켓이 있는 암 반구의 중앙 홀에 부착한다. 이후 수 반구를 450 그램의 투명 유리 비드들로 채운다. 이어, 시아노아크릴 결합제를 바닥 수 반구에 도포하고 수 및 암 반구들을 서로 가압하여 끼워 맞춘다. 시아노아크릴 결합제를 대략 1시간 건조시킨다. 다음, 2" 길이의 강성 타이곤을 시아노아크릴 결합제를 이용하여 황동 가시 피팅에 부착시킨다. 재차, 시아노아크릴 결합제를 대략 1 시간 건조시킨다. 이후 조립된 구체 및 커넥터 튜브를 중앙 뚜껑 피팅에 부착된 강성 백색 튜브로 연결한다.
실시예 3: 광합성 미생물 성장용 광생물반응기 이용
하나 이상의 광합성 미생물 성장 방법에 있어 본원에 제공되는 광생물반응기를 이용할 수 있다. 이러한 방법은 다음 단계 과정을 적용한다: 1.) 최적 환경 조건들 (OEC) 결정; 2.) 생산 환경 스테이징 (staging) 및 접종; 3.) 추출 가능한 분량으로 광합성 미생물 성장; 및 4.) 성숙세포들에 대한 선택적 추출.
A. 최적 환경 조건들 (OEC) 결정
새로운 또는 미지의 균주로 시작하는 경우 다음을 포함한 모든 성장 변수들에 대한 최적 값들을 결정하는 것이 필요하다: 염도, 영양분 농도, EM 주파수 (RWB 비), EM 사이클, 및 에어 유속. OEC는 시작점으로서 천연 환경 조건들 (NEC)을 근사하여 결정된다. 각각의 피험 변수에 대하여 3개의 Generation 4 반응기 챔버들 (2 리터 용량)로 개시하여, 배제 과정을 통해 선택들을 줄인다. 예를들면, 챔버 1은 NEC보다 농도가 60% 이상인 실험 변수로 구성되고, 챔버 2는 NEC의 실험 변수로 구성되고, 챔버 3은 NEC보다 농도가 60% 이하인 실험 변수로 구성된다. 균주 성장 속도는 확산 광학 밀도 (DOD) 변화 속도로 결정된다. DOD에 있어서:
C1>C2>C3이면, 라운드 2 기준선 = +/- 15% 편차를 가지는 C1;
C2>C 1 ＆C3이면, 라운드 2 기준선 = +/- 15% 편차를 가지는 C2;
C3>C2>C1이면, 라운드 2 기준선 = +/- 15% 편차를 가지는 C3.
이러한 과정은 4 라운드까지 계속되고 각각의 실험 변수에 대하여 반복되어 새로운 균주의 OEC 값들을 결정한다.
B. 생산 환경 스테이징 및 접종
상기에서 결정된 OEC 값들을 이용하여, Generation 5 반응기 (30 리터 용량)를 상기 A에서 결정된 수준들로 맞춘다. 이러한 예정 수준에 따라 염도 수준이 설정되고, 펌프들이 작동되고, 영양분이 반응기에 첨가된다. 영양분은 대략 2 시간 동안 빛 없이 혼합된다. 영양분 혼합 후, 반응기에 적어도 10% 생 배양체를 접종한다. 계속하여 수 (water) 영양분 수준을 시험하여, 균주 성장 속도에 따라 배양체를 다음 3-10 일 동안 필요한 정도로 공급한다. 개별 LED가 더 이상 보이지 않는 수준까지 DOD가 도달되면, Generation 5 반응기의 배양체의 90%를 Generation 7 반응기에 접종하여 상기와 동일 방법을 이용하여 Generation 7 반응기를 준비한다.
C. 추출 가능한 분량으로 성장
Generation 7 반응기에서 성장이 확립되면, 다음 조건들을 계속하여 감시한다: pH, 암모니아, 질산염, 아질산염, 인산염, 용존 CO2, 용존 O2, 시스템 에어 유량, 시스템 압력, 및 확산 광학 밀도. 이러한 조건들은 미생물 성장에 따라 OEC로부터 달라지므로 이러한 매개변수들에 있어서 OEC를 유지하여야 한다. 예를들면, Gen 7 시아노박테리아 배양체가 48 시간 주기에 걸쳐 밀도가 3배 증식되고 (DOD 및 탁도 증가로 관찰) 암모니아는 0 ppm으로 감소된다면 농축비료 희석용액을 첨가하여 암모니아를 OEC로 복귀시켜야 한다. 추가로, 예를들면, Gen 7 배양이 3 개월 동안 계속하여 진행되고 다중 공급에 응답하여 소화 폐기물 pH가 OEC에서 벗어나 8.4로 증가되면 유기산 (예를들면 시트르산) 희석 용액이 첨가되어 pH를 배양체 OEC의 pH로 복귀시켜야 한다.
광합성 미생물은 기하급수적으로 성장하므로, DOD는 배양체 밀도에 비례하여 계속 증가한다. 배양체 밀도가 10% 접종 시점에서부터 3차에 걸쳐 두 배 증가되면 다른 반응기들에 접종하기에 이상적인 시점이다. 10% 접종 수준에서, 배양체는 자체 재개시 자가-접종에 충분한 분량을 남기고 9개의 다른 동등 크기의 반응기들을 접종하기 위하여 사용될 수 있다. 반응기 주요 유체가 더 이상 현탁 배양체를 유지하지 않는 배양체 밀도 수준에 도달한다. 이러한 시점은 OEC 존재에서 반응기 바닥 및 측면들을 따라 낮은 유동 지점에서 축적/응집 수준이 증가된 것으로 확인된다. 시스템이 이러한 조건으로 기우는 시점을 피크 현탁 분량 (Peak Suspended Mass) (PSM)이라 칭한다. PSM이 달성될 때 배양체는 선택적 추출, 종합 추출을 거치거나 성장 속도를 유지하려면 다른 반응기들을 접종시키는데 사용되어야 한다. PSM까지의 시간 및 PSM에서의 배양체 밀도는 균주 및 OEM에 따라 크게 달라진다.
D. 성숙세포들의 선택적 추출
PSM이 달성되는 시점 전에, 두 추출방법 중 하나가 확립되어야 한다: 1.) Gen 7 출구 밸브 => 펌프 => 여과기 => Gen 7 리턴; 또는 2.) Gen 7 출구 밸브 => 여과기 => 펌프 => Gen 7 리턴. 구성은 여과되는 균주 특성에 따라 결정된다. 선택적 여과 효율은 균주(들)에서 성숙세포들 및 미성숙세포들의 크기 차이 및 여과 매체의 적합한 공극직경 선택에 따라 달라진다. 여과 공극직경은 미성숙세포들 직경보다는 크고 성숙세포들 직경보다는 바람직한 범위로는 >25%로 작아야 한다. 상기 구성들 중 하나가 설정되고 PSM이 달성되면 다음 단계들이 취해진다: a.) Gen 7 출구 밸브는 닫힘에서 열림으로 전환; b.) 펌프가 준비되면, 펌프는 오프에서 온으로 전환; c.) 여과기 백이 충만되고 에어 압력이 여과기 백에 걸쳐 균등하면, 여과기 캡은 닫힘에서 열림으로 전환; d.) 선택적으로: 여과기가 리턴 라인에 장착된 출구 밸브를 가지면 펌프 및 여과기가 체결 구성으로 전환되기 전에 밸브는 닫힘에서 열림으로 전환되어야 한다. 어떠한 시점에서도 여과기 압력은 15 psi, 더 작은 직경의 백 (bag) (< 5 미크론)에 대하여 10 psi를 초과하여서는 아니된다. 균주에 따라 여과 시간이 달라지므로 새로운 균주에 대하여 주의 깊게 여과 과정이 감시되어야 한다.
달리 명시되지 않는 한, 명세서 및 청구범위에 사용되는 성분 함량, 특성 예컨대 분자량, 반응조건들, 및 기타 등을 나타내는 모든 수치들은 용어 "약"에 의해 모든 경우들에서 변경 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 명기되지 않는 한, 명세서 및 첨부된 청구범위에 제시된 수치적 매개변수들은 본 발명에 의해 획득되는 원하는 특성들에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 적어도 청구범위에 대한 균등론을 제한할 의도는 아니되, 적어도 각각의 수치적 매개변수는 보고된 유효자리 및 통상적인 올림 기법으로 해석되어야 한다.
본 발명의 넓은 범위에서 제시되는 수치적 범위 및 매개변수들은 근사치이지만, 특정 실시예들에서 제시되는 수치들은 가능한 정확히 보고된다. 그러나, 임의의 수치들은 본질적으로 측정 시험에서 발견되는 불가항적 표준편차의 오류를 가진다.
본 발명을 기술함에 (특히 청구범위에서) 사용되는 용어들 "a" "an" "the" 및 유사한 지시어들은 본원에서 달리 명시되지 않는 한 또는 반대로 명기되지 않는 한. 단수 및 복수 모두를 포괄하는 것으로 해석되어야 한다. 본원에서 값의 범위를 언급하는 것은 단지 범위에 속하는 각각의 개별 값을 별도로 언급하는 간단한 방법이다. 본원에서 달리 명시되지 않는 한, 각각의 개별 값은 개별적으로 본원에 인용되는 것과 같이 명세서에 통합된다. 본원에 개시된 모든 방법은 본원에서 달리 명시되지 않는 한 또는 달리 반대로 명기되지 않는 한, 임의의 적합한 순서대로 수행된다. 본원에 제공되는 임의의 및 모든 예시들 또는 예시적 언어 (예를들면, "예컨대")를 사용하는 것은 단지 본 발명을 더욱 양호하게 설명하고자 하는 것이고 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 명세서에서 어떠한 언어도 발명의 구현에 있어 임의의 비-청구 핵심 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본원에 개시된 발명의 대안적 요소들 또는 실시태양들의 군은 제한적으로 해석되어서는 아니된다. 각각의 군 멤버들은 개별적으로 또는 군의 다른 멤버들 또는 본원의 다른 요소들과 임의의 조합으로 인용될 수 있다. 군의 하나 이상의 멤버들은 편의성 및/또는 가능성 관점에서 군에 속하거나 생략될 수 있다. 임의의 이러한 포함 또는 생략이 있는 경우, 명세서는 청구범위에서 사용되는 모든 마쿠쉬 군들의 서술적 기재를 충족하는 변형된 군을 포함하는 것으로 간주된다.
본 발명의 소정의 실시태양들이 본원에 개시되고, 본 발명을 구현함에 발명자들에게 알려진 최선의 방식이 포함된다. 물론, 이러한 기재된 실시태양들에 대한 변형은 상기 설명을 독취한 당업자들에게 명백할 것이다. 본 발명자는 본 분야의 기술자가 적당하게 이러한 변형을 이용할 수 있다는 것을 예상하고, 본 발명자는 본원에 특히 개시된 것과는 달리 본 발명이 구현될 있다고 이해한다. 따라서, 본 발명은 적용 법률이 허용하는 한 본원의 청구범위에서 언급된 주제의 모든 변형 및 균등을 포함한다. 또한 본원에서 달리 명시되지 않는 한 또는 달리 반대로 명기되지 않는 한 이러한 잠재적 변형에서 상기 언급된 요소들의 임의의 조합이 포괄된다.
본원에 개시된 특정 실시태양들은 이루어지는, 또는 실질적으로 이루어지는 이라는 용어를 이용하여 청구범위에서 더욱 제한된다. 출원된 대로 또는 보정 된 상태이든지 청구범위에서 "이루어진"이라는 이행어는 청구항들에서 특정되지 않은 임의의 요소, 단계 또는 성분을 배제한다. 이행어 "실질적으로 이루어진"이란 청구범위를 특정 재료 또는 단계 및 기본적이고 새로운 특성(들)에 실질적으로 영향을 주지 않는 것들로 제한한다. 청구된 본 발명의 실시태양들은 본질적이고 명시적으로 기술되고 본원에서 구현된다.
본원에 개시된 본 발명의 실시태양들은 본 발명의 원리에 대한 예시로는 것을 이해하여야 한다. 기타 적용 가능한 변형들이 본 발명의 범위에 있다. 따라서, 예를들면, 제한적이지 않지만, 본 발명의 대안적 구성들은 본원의 교시에 따라 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 정확하게 도시되고 기술된 것에 한정되지 않는다.
본 발명은 다양한 특정 재료들, 절차들 및 실시예들을 참조하여 본원에서 설명되고 도시되었지만, 본 발명은 이러한 목적으로 선택되는 재료들 및 절차들의 특정 조합들에 국한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 당업자에 의해 예상될 수 있는 바와 같이 이러한 상세들에 대한 다양한 변형들이 의도된다. 명세서 및 실시예들은 예시적으로만 고려되고 본 발명의 진정한 범위 및 사상은 청구범위로 나타낸다는 것을 이해하여야 한다. 본원에서 인용된 모든 참고문헌, 특허 및 특허출원들은 전체가 참고문헌으로 본원에 통합된다.

Claims (11)

  1. 광합성 생물 배양 및/또는 증식용 광생물반응기에 있어서,
    a.) 내부 용기 용적을 형성하는 벽을 가지는 용기;
    b.) 상기 내부 용기 용적 내에 배치되는 램프 조립체 - 상기 램프 조립체는:
    광원;
    다수의 회로기판들; 및
    상기 다수의 회로기판들을 둘러싸는, 입구 및 출구를 갖는 배리어
    를 포함함 -; 및
    c.) 상기 입구 및 출구에 의해 상기 배리어와 상기 다수의 회로기판들 사이의 간격 안팎으로 방열용 유체를 순환시키기 위한 펌프
    를 포함하는, 광생물반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 회로기판들 각각은 내부 램프 조립체 용적을 형성하는 실질적으로 구 형상으로 배열되는 적어도 3개의 모서리들을 포함하고, 상기 다수의 회로기판들은 상기 내부 램프 조립체 용적과 접하는 제1 평탄면 및 상기 광원을 포함하는 반대측 제2 평탄면을 포함하는, 광생물반응기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 평탄면 및 상기 제2 평탄면은 독립적으로 평면, 곡면, 강성, 또는 유연성인, 광생물반응기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 방열용 유체의 흐름을 제어하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 광생물반응기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 입구는 상기 광생물반응기와 실질적으로 동일한 구성을 갖는 제2 광생물반응기 상의 제2 출구와 작동적으로 연결되고, 상기 제2 출구는 방열용 유체를 상기 제2 광생물반응기 상의 다수의 회로기판들과 배리어 사이의 간격 밖으로 이동시키도록 구성되는, 광생물반응기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 출구는 상기 제2 광생물반응기와 실질적으로 동일한 구성을 갖는 제3 광생물반응기 상의 제2 입구와 작동적으로 연결되고, 상기 제2 입구는 방열용 유체를 상기 제3 광생물반응기 상의 다수의 회로기판들과 배리어 사이의 간격 안으로 이동시키도록 구성되는, 광생물반응기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 램프 조립체는 상기 램프 조립체를 상기 용기 외부에 있는 전원에 접속시키기 위한 전기 커넥터를 더 포함하고, 상기 전기 커넥터는 상기 전기 커넥터와 상기 용기 내에 있는 물(water)과의 접촉을 방지하기 위해 방수처리된, 광생물반응기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광원은 전자기 복사를 방출하는, 광생물반응기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전자기 복사는 가시 스펙트럼 밖에 있는, 광생물반응기.
  10. 제8항에 있어서, 상기 전자기 복사는 UV 및/또는 IR 광인, 광생물반응기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 광원은 비 LED(non-LED) 광원인, 광생물반응기.
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