(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
管式フォトバイオリアクター（１）中の生物の培養方法であって、管式フォトバイオリアクター（１）は、少なくとも１個の管（２）、循環槽（３）及び気体供給手段（５、６）を含み、少なくとも１個の管（２）は、少なくとも１００メートルの長さを有するループとして循環槽（３）に接続されており、気体供給手段（５）は少なくとも１個の管（２）に接続されており、
当該方法は、
（ａ）フォトバイオリアクター（１）中に生物を含有する液体培養培地（８）を準備する工程と、
（ｂ）フォトバイオリアクター（１）中で生物を培養する工程と、
を含み、前記液体培養培地（８）が、重炭酸イオン及び／又は炭酸イオンを少なくとも３ｍＭ（重炭酸イオン及び炭酸イオンの合計を指す）の量で含有する重炭酸緩衝剤系を含有し、またここで、少なくとも工程（ｂ）の時間区分中に液体培養培地（８）を移動させる前記培養方法において、
少なくとも工程（ｂ）の時間区分中に、少なくとも０．２体積％のＣＯ２を含有する気相を、気体供給手段（５）によって、少なくとも１個の管（２）の内で培養培地中にスラグ流（９）又はプラグ流として導入するものであり、
ここで、フォトバイオリアクター（１）は、傾斜を有する少なくとも１個の反応区画を有し、
またここで、管式フォトバイオリアクター（１）は閉鎖系であり、ここで、気相を少なくとも１個の管（２）内で培養培地中に導入するために、気体供給手段（５）は、循環槽（３）の頂部及びＣＯ2供給手段（６）に接続されていることを特徴とする、管式フォトバイオリアクター中の生物の培養方法。
【請求項２】
生物が光合成生物、有利には藻類である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
管式フォトバイオリアクター（１）の少なくとも１個の管（２）が多くとも１ｍｍの壁厚を有するプラスチック管である、請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
管式フォトバイオリアクター（１）の少なくとも１個の管（２）は少なくとも２個のパイプを含有し、その際このパイプはプッシュフィット継手により接続されている請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項５】
管式フォトバイオリアクター（１）は、気相（１０）を少なくとも１個の管（２）中に導入するために空気ポンプ（７）、空気送風機又はファンを有し、液体（８）を少なくとも１個の管（２）を通して循環させるためにポンプ（４）又はエアリフトシステムを有する、請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
管式フォトバイオリアクター（１）が酸素濃度用の制御構成要素を有さない、請求項３から５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
管式フォトバイオリアクター（１）の気体供給手段（５）が、スラグ流（９）を生じる少なくとも１個の管（２）中で気相（１０）を液相（８）中に導入することができるように設計されている、請求項３から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
管式フォトバイオリアクター（１）の少なくとも１個の管（２）が半透明である、請求項３から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
バイオリアクター中の生物の培養方法における管式フォトバイオリアクター（１）の使用であって、管式フォトバイオリアクター（１）は、少なくとも１個の管（２）、循環槽（３）及び気体供給手段（５、６）を含み、少なくとも１個の管（２）は、少なくとも１００メートルの長さを有するループとして循環槽（３）に接続されており、ここで、気体供給手段（５）は少なくとも１個の管（２）に接続されており、
当該方法は、
（ａ）フォトバイオリアクター（１）中に生物を含有する液体培養培地（８）を準備する工程と、
（ｂ）フォトバイオリアクター（１）中で生物を培養する工程と、
を含み、前記液体培養培地（８）が、重炭酸イオン及び／又は炭酸イオンを少なくとも３ｍＭ（重炭酸イオン及び炭酸イオンの合計を指す）の量で含有する重炭酸緩衝剤系を含有し、またここで、少なくとも工程（ｂ）の時間区分中に液体培養培地（８）を移動させる前記使用において、
少なくとも工程（ｂ）の時間区分中に、少なくとも０．２体積％のＣＯ２を含有する気相を、気体供給手段（５）によって、少なくとも１個の管（２）内で培養培地中にスラグ流（９）又はプラグ流として導入するものであり、
ここで、フォトバイオリアクター（１）は、傾斜を有する少なくとも１個の反応区画を有し、
またここで、管式フォトバイオリアクター（１）は閉鎖系であり、ここで、気相を少なくとも１個の管（２）内で培養培地中に導入するために、気体供給手段（５）は、循環槽（３）の頂部及びＣＯ2供給手段（６）に接続されていることを特徴とする、管式フォトバイオリアクターの使用。
【請求項１０】
管式フォトバイオリアクターが、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法における管式バイオリアクターである、請求項９に記載の使用。
【請求項１１】
方法が請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法である、請求項９に記載の使用。
【請求項１２】
請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法での管式フォトバイオリアクターにおける多くとも１ｍｍの壁厚を有する管又はパイプの使用。
【請求項１３】
少なくとも１個の管（２）、循環槽（３）及び気体供給手段（５、６）を含み、その際少なくとも１個の管（２）はループとして循環槽（３）に接続されており、気体供給手段（５）は少なくとも１個の管（２）に接続されている管式フォトバイオリアクター（１）において、少なくとも１個の管（２）が多くとも１ｍｍの壁厚を有するプラスチック管であり及び少なくとも１個の管（２）が実質的に水平であるか又は少なくとも０．１°から多くとも３．０°までの傾斜を有する少なくとも１個の反応区画を形成することを特徴とする、管式フォトバイオリアクター（１）。
【請求項１４】
少なくとも１個の管（２）、循環槽（３）及び気体供給手段（５、６）を含み、その際少なくとも１個の管（２）はループとして循環槽（３）に接続されており、気体供給手段（５）は少なくとも１個の管（２）に接続されている管式フォトバイオリアクター（１）、有利には請求項１３に記載の管式フォトバイオリアクターにおいて、少なくとも１個の管（２）のループが少なくとも１００メートルの長さを有し及び少なくとも１個の管（２）が実質的に水平であるか又は少なくとも０．１°から多くとも３．０°までの傾斜を有する少なくとも１個の反応区画を形成することを特徴とする、管式フォトバイオリアクター（１）、有利には請求項１３に記載の管式フォトバイオリアクター。
【請求項１５】
少なくとも１個の管（２）、循環槽（３）及び気体供給手段（５、６）を含み、その際少なくとも１個の管（２）はループとして循環槽（３）に接続されており、気体供給手段（５）は少なくとも１個の管（２）に接続されている管式フォトバイオリアクター（１）、有利には請求項１３又は請求項１４に記載の管式フォトバイオリアクターにおいて、少なくとも１個の管（２）が少なくとも２個のパイプを含有し、その際このパイプはプッシュフィット継手により接続されており及び少なくとも１個の管（２）が実質的に水平であるか又は少なくとも０．１°から多くとも３．０°までの傾斜を有する少なくとも１個の反応区画を形成することを特徴とする、管式フォトバイオリアクター（１）、有利には請求項１３又は請求項１４に記載の管式フォトバイオリアクター。
【請求項１６】
バイオリアクター中の生物の培養方法における請求項１３から１５までのいずれか１項に記載の管式フォトバイオリアクター（１）の使用であって、
（ａ）フォトバイオリアクター中に生物を含有する液体培養培地を準備する工程と、
（ｂ）フォトバイオリアクター中で生物を培養する工程と、
を含み、前記液体培養培地が、重炭酸イオン及び／又は炭酸イオンを少なくとも３ｍＭ（重炭酸イオン及び炭酸イオンの合計を指す）の量で含有する重炭酸緩衝剤系を含有し及び少なくとも工程（ｂ）の時間区分中に液体培養培地を移動させる前記使用において、少なくとも工程（ｂ）の時間区分中に少なくとも０．２体積％のＣＯ２を含有する気相を培養培地中に導入することを特徴とする、バイオリアクター中の生物の培養方法における請求項１３から１５までのいずれか１項に記載の管式フォトバイオリアクター（１）の使用。
【請求項１７】
方法が請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法である、請求項１６に記載の管式フォトバイオリアクター（１）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオリアクター又はフォトバイオリアクター中の生物、特に光合成微生物の培養方法に関するが、その際重炭酸イオン及び炭酸イオン又は陽イオン過剰濃度を培養培地に添加する。本発明はまた、方法を実施することができる管式バイオリアクター及びフォトバイオリアクター及び本発明による方法におけるバイオリアクター、フォトバイオリアクター、管及びパイプの使用に関する。
【０００２】
光合成微生物、例えば藻類及びシアノバクテリアの開放池及び水路での培養は十分開発されているが、慣用の開放系ではごく僅の種類しか維持することができない。完全閉鎖フォトバイオリアクター（ＰＢＲ）によって培養条件を特別に適用させて微生物のモノセプティック培養の可能性が提供される。種々のタイプのフォトバイオリアクター、例えば平板型ＰＢＲ、環状ＰＢＲ、例えば気泡塔ＰＢＲ及び管式ＰＢＲが存在する。これらは、管又はパネルの配置方向、培養の循環機構、光を供給するために使用される方法、ガス交換系の種類、個々の増殖ユニットの配置及び使用される建設材料により更に分類することができる。フォトバイオリアクター中で微生物を液体培養培地に懸濁させる。フォトバイオリアクターは微生物を自然太陽光又は人口光源によって照射することができる。典型的なフォトバイオリアクターは、培養培地である液相、固体相としてセル及び気相から成る三相系である。フォトバイオリアクターの特異的特色である光は、重ね照射光場（ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｆｉｅｌｄ）であり、しばしば"第４相"と呼ばれる（Ｃ．Ｐｏｓｔｅｎ；Ｅｎｇ．Ｌｉｆｅ  Ｓｃｉ．２００９、９、Ｎｏ３、１６５−１７７頁）。
【０００３】
閉鎖フォトバイオリアクターの多くの設計中で管式ソーラーコレクターが最も有望で広く使用されている市販のシステムである（Ｅ．Ｍｏｌｉｎａその他；Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ９２（２００１）；１１３−１３１頁及びＤ．Ｂｒｉａｓｓｏｕｌｉｓその他：Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１０１（２０１０）；６７６８−６７７７頁）。
【０００４】
工業適用のためのフォトバイオリアクター中での光合成微生物の培養は、培養条件の制御に非常に左右される。フォトバイオリアクターの設計は、主として微生物の光の有効利用性に留意する。ｐＨも微生物個体数の生産力に影響を与える主要なパラメーターの一つである。微生物によるＣＯ２の生産又は消費は培養培地のｐＨに対して強い影響力を有する。
【０００５】
照射に際して光合成微生物で光合成が起こり、ＣＯ２及びＨ２Ｏから炭水化物が生成される。こうして生成された炭水化物によって微生物の増殖が可能になる。これは独立栄養増殖と称される。光合成工程によりＣＯ２は懸濁された微生物により消費され、一方Ｏ２は生産される。液相からの光合成微生物によるＣＯ２回収は、液相のｐＨの増加を引き起こすが、一方酸素の生産は液相中の溶解した酸素の濃度を上昇させる。
【０００６】
暗所では光合成は起こらない。呼吸のためにＯ２は懸濁した微生物により消費されるが、一方ＣＯ２は生産される。液相からの微生物によるＯ２の回収は、液相中の溶解したＯ２の濃度の減少を引き起こすが、一方ＣＯ２の生産はｐＨの減少を引き起こす。
【０００７】
液相のｐＨ及び溶解した酸素濃度を調節するために、Ｏ２及びＣＯ２の液相から気相への及びその逆の輸送が必要である。従ってフォトバイオリアクター中の微生物培養を通気する。垂直液体容器の場合にはこれはリアクターの底部で気体を注入することによって行う。管式フォトバイオリアクターでは通気及び脱気はエアリフト部又は、液体培養培地を循環させるためにポンプを使用する場合には、液体循環路の一部である槽で行われる。この槽は緩衝槽、収集槽、循環槽又は脱気槽と称される。ＣＯ２は垂直液体容器に、ＣＯ２又はＣＯ２を富化した空気を直接液体培養培地中にリアクターの底部で噴霧することによってか又は通気ガス流で供給する。管式リアクターではＣＯ２は通常エアリフト部の直後又は循環ポンプの直前で液体循環路に注入される。ＤＥ１０２００５０６２７２６Ａ１には、系に気体を循環させるための装置を有するフォトバイオリアクターが記載されている。ＷＯ２０１０／１０９１０８Ａ１には、２相の気体／液体流を水平管に設置したフォトバイオリアクターが記載されている。
【０００８】
培養培地の主フロー軸に沿って気体入口と気体出口間の溶解した酸素及びｐＨの勾配の形成は、特に管式リアクターでは問題である。これらの問題はバイオマス濃度の増加及び光強度の増加に伴って増加し、高い容積生産性を生じる。しかし１日当たりの１ｌ当たり生成されるバイオマスのグラムで表される高い容積生産性は、工程の経済性に関して改善する必要がある。
【０００９】
フォトバイオリアクターの主軸に沿って物質移動を増強することも同様に重要であり、これは管中では軸方向であり、パネルリアクター又はカラム中では上部方向である。しかし発泡又はポンピングによる機械的エネルギーの投入は、剪断応力及びセル損失を避けるためにも、エネルギー供給が生産コストにおける主要論点である理由からも限界がある。
【００１０】
本発明の根底をなす課題は、従来技術から公知の方法及びフォトバイオリアクターの欠点を有さない方法及びフォトバイオリアクターを提供することである。
【００１１】
本発明は、より高いバイオマス収率及び／又はより低いコストを生じさせる光合成微生物の培養方法及びフォトバイオリアクターを提供することである。
【００１２】
本発明によればこの課題は、特に特許請求に記載の方法、管式フォトバイオリアクター及びその使用によって解決される。
【００１３】
本発明によればこの課題は特に、（ａ）バイオリアクター中に生物を含有する液体培養培地を準備し及び（ｂ）バイオリアクター中で生物を培養する工程を含むバイオリアクター中の生物の培養方法によって解決されるが、その際液体培養培地は、重炭酸イオン及び／又は炭酸イオンを少なくとも２ｍＭ、更に有利には２ｍＭより多く、更に有利には少なくとも３ｍＭ（重炭酸イオン及び炭酸イオンの合計を指す）の量で含有する重炭酸緩衝剤系を含有し及び少なくとも工程（ｂ）の時間区分中に液体培養培地を移動させるが、その際少なくとも工程（ｂ）の時間区分中に少なくとも０．２体積％のＣＯ２を含有する気相を培養培地中に導入することを特徴とする。
【００１４】
本発明によればこの課題は特に、（ａ）バイオリアクター中に有機体を含有する液体培養培地を準備し及び（ｂ）バイオリアクター中で有機体を培養する工程を含むバイオリアクター中の生物の培養方法によって解決されるが、その際液体培養培地は、重炭酸緩衝剤系を含有し及び少なくとも工程（ｂ）の時間区分中に液体培養培地を移動させ、少なくとも工程（ｂ）の時間区分中に少なくとも０．２体積％のＣＯ２を含有する気相を培養培地中に導入するが、その際工程（ｂ）の前及び／又は間に陽イオンを少なくとも１ｍＭの濃度で液体培養培地に添加することを特徴とする。
【００１５】
本発明の有利な態様によれば、生物は微生物である。
【００１６】
本発明の有利な態様によれば、生物は独立栄養生物である。本発明の有利な態様によれば、生物は有機栄養生物である。本発明の有利な態様によれば、生物は有機栄養微生物である。本発明の有利な態様によれば、生物は有機栄養微生物である。
【００１７】
本発明のもう一つの態様によれば、生物は独立栄養及び有機栄養生物、特に独立栄養及び有機栄養微生物の混合物である。
【００１８】
本発明の有利な態様によれば、バイオリアクターはフォトバイオリアクターであり、生物は光合成生物である。
【００１９】
本発明の有利な態様によれば、光合成生物は微生物である。本発明の有利な態様によれば、光合成生物は藻類又はシアノバクテリア、特に微細藻類である。本発明の有利な態様によれば、光合成生物は、特にナノクロロプシス属の藻類である。
【００２０】
本発明の有利な態様によれば、光合成生物、特に藻類又はシアノバクテリアを培養してバイオマスを製造し、ＣＯ２を固着し及び／又は特異的物質、例えばエイコサペンタエン酸又はドコサヘキサエン酸を製造する。
【００２１】
本発明による方法で使用するバイオリアクターは、全てのバイオリアクター、例えば管式バイオリアクターであってよい。
【００２２】
本発明による方法で使用するフォトバイオリアクターは、全てのフォトバイオリアクター、例えば平板フォトバイオリアクター、気泡塔フォトバイオリアクター又は管式フォトバイオリアクターであってよい。本発明の有利な態様によれば、本発明による方法で使用するフォトバイオリアクターは管式フォトバイオリアクターである。管式フォトバイオリアクターはあらゆる形状の管を有してよい。管式フォトバイオリアクターは、例えば水平管又は垂直管又はこれらのタイプの色々なバリエーションを有してよい。管式フォトバイオリアクターは螺旋管式フォトバイオリアクターであってもよい。
【００２３】
本発明の有利な態様によれば、特に本発明による方法で使用する管式バイオリアクター、特にフォトバイオリアクターは、バイオリアクター、特に下記で開示するフォトバイオリアクター、有利には管式バイオリアクター、特に本発明によるフォトバイオリアクターである。
【００２４】
液体培養培地は当業者に公知の方法により、例えばスクリュー、ポンプ又はエアリフトシステムにより移動させることができる。
【００２５】
本発明の有利な態様によれば、培養培地はポンプ又はエアリフトシステムによって管式バイオリアクター又はフォトバイオリアクターの少なくとも１本の管を通して移動させる。
【００２６】
本発明の有利な態様によれば、培養培地は工程（ｂ）の間移動させる。
【００２７】
微生物、特に藻類又はシアノバクテリアを培養するために好適な全ての液体培養培地を使用することができる。当業者は詳細な微生物用の培養培地の必要条件を熟知している。培養培地は既に陽イオン添加前に少なくとも１ｍＭの濃度で陽イオンを培養させる微生物の必要条件に適合させた量で含有することができる。例えば海水藻類用の培養培地は淡水藻類用培養培地より多くの陽イオンを含有する。
【００２８】
本発明の有利な態様によれば、培養培地は少なくともｐＨ６から多くともｐＨ１０、有利には少なくともｐＨ７から多くともｐＨ９のｐＨを有する。本発明の有利な態様によれば、培養培地は約ｐＨ８．４のｐＨを有する。有利には培養培地は工程（ｂ）のようなｐＨを有する。
【００２９】
培養培地は従来技術で公知の重炭酸緩衝系を含有する。重炭酸緩衝系は培養培地中に存在する重炭酸イオン及び炭酸イオン及び気相中に存在するＣＯ２により調節される。
【００３０】
気相は、少なくとも０．２体積％のＣＯ２を含有する限り全ての好適な気相、例えば空気であってよい。本発明の有利な態様によれば、気相は少なくとも０．５体積％のＣＯ２を含有する。本発明の有利な態様によれば、気相は少なくとも１体積％のＣＯ２を含有する。本発明の有利な態様によれば、気相は少なくとも０．２体積％のＣＯ２及び多くとも５０体積％のＣＯ２、更に有利には少なくとも０．５体積％のＣＯ２及び多くとも１０体積％のＣＯ２を含有する。本発明の有利な態様によれば、気相は少なくとも１体積％のＣＯ２及び多くとも５体積％のＣＯ２を含有する。本発明の有利な態様によれば、気相は約２体積％のＣＯ２を含有する。
【００３１】
本発明の有利な態様によれば、気相を工程（ｂ）の間培養培地に導入する。
【００３２】
本発明のもう一つの態様によれば、培養培地は炭酸イオン（ＣＯ３−２）及び重炭酸イオン（ＨＣＯ３−）を少なくとも３ｍＭの量で含有する。この量は培養培地に含有される炭酸イオン及び重炭酸イオンの合計を指す。
【００３３】
本発明の有利な態様によれば、炭酸イオン及び重炭酸イオンは液体培養培地中で少なくとも１０ｍＭの濃度で存在する。本発明の有利な態様によれば、炭酸イオン及び重炭酸イオンは液体培養培地中に多くとも１０００ｍＭの濃度で存在する。本発明の有利な態様によれば、炭酸イオン及び重炭酸イオンは液体培養培地中に多くとも１００ｍＭの濃度で存在する。本発明の有利な態様によれば、炭酸イオン及び重炭酸イオンは液体培養培地中に少なくとも１ｍＭから多くとも１０００ｍＭ、更に有利には少なくとも１０ｍＭから多くとも１００ｍＭの濃度で存在する。本発明の有利な態様によれば、炭酸イオン及び重炭酸イオンは液体培養培地中に約４０ｍＭの濃度で存在する。濃度は培養培地中に含まれる炭酸イオン及び重炭酸イオンの合計を指す。
【００３４】
本発明の有利な態様によれば、炭酸イオン及び重炭酸イオンは工程（ｂ）の前に添加する。炭酸イオン及び重炭酸イオンは微生物を培養培地に接種する前に添加してもよい。本発明の有利な態様によれば、炭酸イオン及び重炭酸イオンは工程（ｂ）の間に添加する。
【００３５】
本発明の有利な態様によれば、炭酸イオン及び重炭酸イオンは重炭酸塩及び／又は炭酸塩の形で添加する。本発明の有利な態様によれば、炭酸イオン及び重炭酸イオンはＮａ＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋及び／又はＣａ２＋と一緒に添加する。
【００３６】
本発明の有利な態様によれば、炭酸イオン及び重炭酸イオンはＮａＯＨ、Ｎａ２ＣＯ３及び／又はＮａＨＣＯ３の添加によって添加する。本発明の有利な態様によれば、陽イオンはＮａＨＣＯ３の添加によって添加する。
【００３７】
本発明の有利な態様によれば、少なくとも１０ｍＭから多くとも１００ｍＭのＮａ２ＣＯ３及び／又はＮａＨＣＯ３、更に有利にはＮａＨＣＯ３のみを添加して、炭酸イオン及び重炭酸イオン過剰濃度を有するようにする。
【００３８】
炭酸イオン及び／又は重炭酸イオンの添加により陽イオン過剰濃度となる。
【００３９】
本発明のもう一つの態様によれば、陽イオンを添加して液体培養培地中で陽イオン過剰濃度を有するようにする。
【００４０】
本発明の有利な態様によれば、陽イオンは液体培養培地に少なくとも１０ｍＭの濃度で添加する。本発明の有利な態様によれば、陽イオンは液体培養培地に多くとも１０００ｍＭの濃度で添加する。本発明の有利な態様によれば、陽イオンは液体培養培地に多くとも１００ｍＭの濃度で添加する。本発明の有利な態様によれば、陽イオンは液体培養培地に少なくとも１ｍＭから多くとも１０００ｍＭ、更に有利には少なくとも１０ｍＭから多くとも１００ｍＭの濃度で添加する。本発明の有利な態様によれば、陽イオンは液体培養培地に約４０ｍＭの濃度で添加する。
【００４１】
本発明の有利な態様によれば、陽イオンは工程（ｂ）の前に添加する。陽イオンは微生物を培養培地に接種する前に添加することもできる。本発明の有利な態様によれば、陽イオンは工程（ｂ）の間に添加する。
【００４２】
本発明の有利な態様によれば、陽イオンはＮａ＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋及び／又はＣａ２＋として添加する。本発明の有利な態様によれば、陽イオンは重炭酸塩及び／又は炭酸塩の形で添加する。陽イオンは塩基、例えばＮａＯＨ又はＫＯＨの形で添加してもよい。
【００４３】
本発明の有利な態様によれば、陽イオンはＮａＯＨ、Ｎａ２ＣＯ３及び／又はＮａＨＣＯ３の添加によって添加する。本発明の有利な態様によれば、陽イオンはＮａＨＣＯ３の添加によって添加する。
【００４４】
本発明の有利な態様によれば、少なくとも１０ｍＭから多くとも１００ｍＭのＮａ２ＣＯ３及び／又はＮａＨＣＯ３の、更に有利にはＮａＨＣＯ３のみを添加して、陽イオン過剰濃度を有するようにする。
【００４５】
意外にも、光合成微生物をフォトバイオリアクター中で培養する場合に、液相中の陽イオン過剰濃度又は炭酸イオン及び重炭酸イオン濃度及び気相中のＣＯ２濃度の両方を増加させることによって、ｐＨの調節及び物質移動を劇的に改善させることができることを見出した。
【００４６】
例えばＮａ＋を選択する場合には、液相の陽イオン過剰濃度はＮａＯＨ、Ｎａ２ＣＯ３又はＮａＨＣＯ３を培養培地に添加することによって増加させることができる。少なくとも０．２体積％の設定／選択ＣＯ２濃度を有する気体を通気する場合には、平衡時の液体培養培地のｐＨは液相中のＮａ＋濃度及び気相中のＣＯ２濃度により決定される。従って液相中の陽イオン過剰濃度及び気相中のＣＯ２濃度の両方の増加によって、選択したｐＨ設定点を維持することができ、他方重炭酸緩衝作用系の緩衝能力が増大する。陽イオン過剰濃度が高くなればそれだけ重炭酸緩衝作用系の緩衝能力が高くなり、選択したｐＨ値を維持するために必要である気相のＣＯ２濃度も高くなる。
【００４７】
培養培地中の陽イオン過剰濃度及び気相中のＣＯ２濃度の両方の上昇による培養培地中のｐＨの緩衝作用は、全ての種類のバイオリアクター及びフォトバイオリアクター、例えば管式、平板及び気泡塔型フォトバイオリアクターに容易の適用させることができる。平衡時のｐＨは、２個のロータメーターの使用により通気気体のＣＯ２濃度を設定することによって設定することができる。一つのロータメーターは圧縮空気の流量を調整し、もう一つのロータメーターは空気流量の一定の％で純粋なＣＯ２の流量を調整することができる。
【００４８】
本発明の有利な態様では、本発明による方法は管式バイオリアクター、特にフォトバイオリアクターで使用し、気相は工程（ｂ）の間に液体培養培地中にスラグ流、プラグ流又は気泡流として導入する。本発明の有利な態様では、本発明による方法は管式フォトバイオリアクターで使用し、気相は工程（ｂ）の間に液体培養培地中にスラグ流として導入する。
【００４９】
本発明による気相中の高いＣＯ２濃度及び陽イオン過剰濃度を、管式バイオリアクター、特にフォトバイオリアクターの少なくとも１個の管中で特殊な気体−液体流体制、有利にはスラグ流、プラグ流又は気泡流、極めて有利にはスラグ流と組み合わせることによって、酸素（Ｏ２）及び二酸化炭素（ＣＯ２）の液相から気相への及びその逆の輸送が改善され、同時に系のｐＨ緩衝能力が改善されるという驚異的かつ相乗的な利点が得られる。
【００５０】
更に２相のスラグ流により培養培地の表面積対容積比が、液体しか有さない管に比して増加し、液体の乱流が特に液体−気体−界面で増強される。液相の表面積対容積比の増加は、より小さな平均光路を意味し、それによってより高い容積生産性が得られる。
【００５１】
二酸化炭素及び酸素は、光合成生物の重要な酵素リブローズ−１，５−ビスホスフェートカルボキシラーゼオキシゲナーゼ（ＲｕＢｉｓＣＯ）の活性部位で競合するので、ＲｕＢｉｓＣＯによる炭素固定を培養培地中の溶解した無機炭素種と溶解した酸素の間の比の増加によって増強することができる。従って培養培地中の溶解した酸素の高い濃度の炭素固定、それ故増殖に対する抑制作用が妨げられる。
【００５２】
これらの作用により管中の移動培養培地の液体速度を１秒当たり約０．２〜０．３メートルに制限することができ、従ってフォトリアクターの循環ポンプ又はエアリフト系のエネルギー消費が制限される。
【００５３】
本発明の有利な態様によれば、移動培養培地の液体速度は１秒当たり多くとも０．５メートル、更に有利には１秒当たり多くとも０．３メートル又は１秒当たり多くとも０．２メートルである。本発明の有利な態様によれば、移動培養培地の液体速度は１秒当たり約０．２メートルから１秒当たり０．３メートルである。有利には移動培養培地の最高液体速度は管式フォトバイオリアクターの管中の速度に関連する。
【００５４】
管中の低い液体速度の適用可能により全循環路にわたって圧力損失の減少がもたらされる。循環ポンプ及び空気−ポンプ／ブロワーの圧力側で管の発端で起こるシステム中の最高圧力は、０．２バールより下に保つことができる。これによって、より小さな壁厚を有する透明な管の適用及び簡単な低圧接続法が可能になり、従って投資費用を減らすことができる。
【００５５】
本発明の有利な態様によれば、工程（ｂ）の間の少なくとも１個の管中の圧力は多くとも０．５バール、更に有利には多くとも０．３バール、極めて有利には多くとも０．２バールである。
【００５６】
更に二相スラグ流は透明管の内壁で汚損を防ぐ。管の内壁に取り付けた微生物セルのバイオフィルムの形成は阻止される。このようなバイオフィルムは入射光が液体培養培地中に浸透するのを妨げ、従って光合成微生物の増殖を抑制するので、このようなバイオフィルムの形成は有害である。
【００５７】
本発明の有利な態様では液体培養培地は、汚損を防ぐために従来技術で使用されるプラスチック粒子を含まない。
【００５８】
有利なもう一つの態様では、本発明による方法及び手段は２相のスラグ流を使用することによって汚損を防ぐために使用される。
【００５９】
意外にも本発明による方法が光の下で微生物の独立栄養増殖用に使用する場合にだけ有利であるのではなく、暗所、例えば夜に増殖する光合成微生物の有機栄養増殖又は自体有機栄養増殖する微生物に使用する場合にも有利であることを見出した。
【００６０】
暗所では光合成は起こらない。呼吸によりＯ２は微生物によって消費され、一方ＣＯ２が生産される。液相からの微生物によるＯ２回収は液相中の溶解したＯ２濃度の減少を引き起こすが、他方ＣＯ２生産はｐＨの減少を引き起こす。微生物の有機栄養増殖の場合には、炭素源を可溶性有機分子、例えば糖、有機酸、アルコール等の形で液相に供給する。この場合には呼吸が起こり、Ｏ２が懸濁した微生物により消費され、一方ＣＯ２が生産される。
【００６１】
本発明による方法が、暗所における増殖の間及び有機栄養増殖の間により良好なＣＯ２/Ｏ２比を生じることを見出した。またこれらの場合に酸素（Ｏ２）及び二酸化炭素（ＣＯ２）の液相から気相への及びその逆の輸送が改善され、同時に系のｐＨ緩衝力が改善される。微生物は液相から十分なＯ２を得、液相中の高すぎるＣＯ２量により抑制されない。
【００６２】
従って、本発明は暗所における独立栄養生物及び有機栄養生物用に使用する方法にも関する。有機栄養生物を培養する場合には、使用するバイオリアクターはフォトバイオリアクターである必要はない。従って特に管式バイオリアクターの管は半透明である必要はない。
【００６３】
有利な態様では本発明は、暗所における独立栄養及び有機栄養生物の培養のために使用する方法にも関する。有利な態様では本発明は光中での独立栄養及び有機栄養生物の培養に使用する方法にも関する。
【００６４】
本発明による方法を使用することによって、特別な管式バイオリアクター、特にフォトバイオリアクターを改良することができる。
【００６５】
これらの作用に関して、液相中で溶解した酸素が阻害濃度まで、例えば２５ｍｇ／ｌより多く蓄積を生じることもなく又はｐＨの増加を引き起こすこともなく、管式フォトバイオリアクター中の少なくとも１個の管の長さを１０倍まで増加させることができる。全循環路にわたるｐＨ勾配は指定ｐＨ範囲内に、例えば８．０〜８．４の間に維持することができる。少なくとも１個の管の増加した長さを液体の平均速度を増加させることなしに適用することができる。
【００６６】
従って本発明は、少なくとも１個の管、循環槽及び気体供給手段を含む管式バイオリアクターにも関し、その際少なくとも１個の管はループとして循環槽に接続されており、気体供給手段は少なくとも１個の管に接続されており、その際少なくとも１個の管のループは少なくとも１００メートルの長さを有することを特徴とする。
【００６７】
従って本発明は、少なくとも１個の管、循環槽及び気体供給手段を含む管式フォトバイオリアクターにも関し、その際少なくとも１個の管はループとして循環槽に接続されており、少なくとも１個の管の少なくとも一部は半透明であり、気体供給手段は少なくとも１個の管に接続されており、その際少なくとも１個の管のループは少なくとも１００メートルの長さを有することを特徴とする。
【００６８】
本発明による管式バイオリアクター及びフォトバイオリアクターによって、比較的低い費用でより大きなシステムの建造が可能になり、これはシステム容積１ｍ３当たり及び要求される地面表面積１ｍ２当たりの投資費用がより低いことを意味する。
【００６９】
管中の低い液体速度を適用し及び管中の圧力を減少させることができることによって、より小さな壁厚及び簡単な低圧接続技術を用いて管、有利には透明管を使用することができ、従って投資費用を減らすことができる。
【００７０】
従って本発明は、少なくとも１個の管、循環槽及び気体供給手段を含む管式バイオリアクターにも関し、その際少なくとも１個の管はループとして循環槽に接続されており、気体供給手段は少なくとも１個の管に接続しており、その際少なくとも１個の管は多くとも１ｍｍの壁厚を有するプラスチック管であることを特徴とする。
【００７１】
従って本発明は、少なくとも１個の管、循環槽及び気体供給手段を含む管式フォトバイオリアクターにも関し、その際少なくとも１個の管はループとして循環槽に接続されており、少なくとも１個の管の少なくとも一部は半透明であり、気体供給手段は少なくとも１個の管に接続しており、その際少なくとも１個の管は多くとも１ｍｍの壁厚を有するプラスチック管であることを特徴とする。
【００７２】
本発明の有利な態様は、少なくとも１個の管、循環槽及び気体供給手段を含む管式フォトバイオリアクターに関し、その際少なくとも１個の管はループとして循環槽に接続されており、少なくとも１個の管の少なくとも一部は半透明であり、気体供給手段は少なくとも１個の管に接続しており、その際少なくとも１個の管のループは少なくとも１００メートルの長さを有し、少なくとも１個の管は多くとも１ｍｍの壁厚を有するプラスチック管であることを特徴とする。
【００７３】
本発明は、少なくとも１個の管、循環槽及び気体供給手段を含む管式バイオリアクターにも関し、その際少なくとも１個の管はループとして循環槽に接続されており、気体供給手段は少なくとも１個の管に接続しており、その際少なくとも１個の管は少なくとも２個のパイプを有し、パイプはプッシュフィット継手により接続されていることを特徴とする。
【００７４】
本発明の有利な態様は、少なくとも１個の管、循環槽及び気体供給手段を含む管式フォトバイオリアクターに関し、その際少なくとも１個の管はループとして循環槽に接続されており、少なくとも１個の管の少なくとも一部は半透明であり、気体供給手段は少なくとも１個の管に接続しており、その際少なくとも１個の管のループは少なくとも１００メートルの長さを有し、少なくとも１個の管は多くとも１ｍｍの壁厚を有するプラスチック管であり、その際少なくとも１個の管は少なくとも２個のパイプを有し、パイプはプッシュフィット継手により接続されていることを特徴とする。
【００７５】
本発明による方法を使用することによって、管中の圧力を減少させ、より長い管を使用することができる。これらの利点により驚くべきことには所定の長さのパイプを含む管の使用が可能になる。管中のより低い圧力により、接着剤又は複雑な機械装置を使用しないで、取り扱いが簡単なプッシュフィット継手でパイプを一緒に接続することができる。プッシュフィット継手は例えば正確にフィットするマッフル又はスリーブ及びパイプを熱成形により製造し、熱成形してないマッフル又はスリーブを有するもう一つのパイプの端部を装入することができる。パイプは有利にはプラスチック、例えばポリ塩化ビニル、特にＰＶＣ−Ｕ製である。２個のパイプ間の接続は、２個のパイプ間の摩擦力により気密である。更にパイプ間の接続は無菌状態を保つ。プッシュフィット継手により接続したパイプから成る管の利点は、例えば管を道具を使用しないで安価な方法で所望の長さで製造することができ、例えば管を洗浄するために接続が脱着可能であり、接続は半透明であってもよく、異なる成分及び／又は材料を接続することができ、管をフィッティングにより補強し、パイプの内側のクリアランスボリュームが最小であることである。
【００７６】
有利には接着剤を使用しないが、所望の場合にはプッシュフィット継手に加えて接着剤又はシール材を使用してもよい。
【００７７】
有利にはバイオリアクターはフォトバイオリアクターであり、その際少なくとも１個の管は半透明である。
【００７８】
本発明の有利な態様によれば、管式バイオリアクター又はフォトバイオリアクターは数個の管を有し、これらの管は各々ループとして循環槽に接続している。従って管式フォトバイオリアクターは有利には数個の平行な管のループを有する。
【００７９】
有利には少なくとも１個の管のループは少なくとも５００メートルの長さを有する。有利には少なくとも１個の管のループは約１０００メートルの長さを有する。有利には少なくとも１個の管のループは、少なくとも５００メートル及び多くとも５０００メートル、更に有利には少なくとも７００メートル及び多くとも２０００メートルの長さを有する。
【００８０】
有利には管式バイオリアクター又はフォトバイオリアクターの全ての管のループは、少なくとも１００メートル、有利には少なくとも５００メートル、更に有利には約１０００メートルの長さを有する。有利には管式バイオリアクター又はフォトバイオリアクターの全ての管のループは、少なくとも５００メートル及び多くとも５０００メートル、更に有利には少なくとも７００メートル及び多くとも２０００メートルの長さを有する。
【００８１】
有利には少なくとも１個の管は、多くとも６００μｍ、更に有利には多くとも５００μｍの壁厚を有するプラスチック管である。少なくとも１個の管は、約１５０μｍの壁厚を有するプラスチック管であってもよい。少なくとも１個の管は、少なくとも１００μｍ、更に有利には少なくとも１２５μｍ及び多くとも５５０μｍの壁厚を有するプラスチック管であってもよい。
【００８２】
有利には少なくとも１個の管は、少なくとも２５ｍｍ、更に有利には少なくとも４０ｍｍの内径を有する。有利には少なくとも１個の管は、約６ｃｍの内径を有する。有利には少なくとも１個の管は、多くとも１５０ｍｍ、更に有利には多くとも１００ｍｍの内径を有する。
【００８３】
本発明の有利な態様によれば、管式フォトバイオリアクターの少なくとも１個の管、更に有利には全ての管は半透明である。
【００８４】
バイオリアクターをフォトバイオリアクターとして使用しない場合には、管は半透明である必要はない。この場合に管は例えば半透明ではないプラスチック材料又は金属製であってよい。
【００８５】
本発明の有利な態様によれば、管式フォトバイオリアクターの少なくとも１個の管、更に有利には全ての管は、プラスチック管、例えば約１５０μｍの壁厚を有する、例えばポリエチレン管又は例えば少なくとも１２５μｍ及び多くとも５５０μｍ、有利には約５００μｍの壁厚を有するポリ塩化ビニルである。管に使用される有利なポリ塩化ビニルは無可塑ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ−Ｕ）である。
【００８６】
本発明の有利な態様によれば、管式フォトバイオリアクターの少なくとも１個の管、更に有利には全ての管は、少なくとも１００μｍから多くとも２００μｍ、例えば約１５０μｍの壁厚を有するポリエチレン管である。
【００８７】
本発明のもう一つの有利な態様によれば、管式フォトバイオリアクターの少なくとも１個の管、更に有利には全ての管は、少なくとも１５０μｍから多くとも６００μｍ、例えば約５００μｍの壁厚を有する無可塑ポリ塩化ビニル管である。
【００８８】
本発明の有利な態様によれば管式フォトバイオリアクターの少なくとも１個の管、更に有利には全ての管は、任意のプロフィール、特に環状、楕円形、三角形、長方形、例えば正方形、五角形、六角形、八角形又はその他の対称又は非対称プロフィールを有してよい。
【００８９】
本発明の有利な態様によれば、本発明による管式フォトバイオリアクターは本発明による方法で使用する。
【００９０】
本発明の有利な態様によれば、本発明による管式バイオリアクターはバイオリアクター中で微生物を培養するための方法で使用し、その際少なくとも０．２体積％のＣＯ２を含有する気相を微生物を含有する液体培養培地中に導入するが、その際気相及び液体培養培地は、バイオリアクターの少なくとも１個の管中で、有利には全ての管中でスラグ流を形成し、その際培養培地は重炭酸イオン及び／又は炭酸イオンを少なくとも３ｍＭ、更に有利には少なくとも１０ｍＭ（重炭酸イオン及び炭酸イオンの合計を指す）の量で含有する。
【００９１】
本発明の有利な態様によれば、本発明による管式フォトバイオリアクターはフォトバイオリアクター中で光合成微生物、有利には藻類又はシアノバクテリアを培養するための方法で使用し、その際少なくとも０．２体積％のＣＯ２を含有する気相を光合成生物を含有する液体培養培地中に導入するが、その際気相及び液体培養培地は、フォトバイオリアクターの少なくとも１個の管中で、有利には全ての管中でスラグ流を形成し、その際培養培地は重炭酸イオン及び／又は炭酸イオンを少なくとも３ｍＭ、更に有利には少なくとも１０ｍＭ（重炭酸イオン及び炭酸イオンの合計を指す）の量で含有する。
【００９２】
本発明の有利な態様によれば、本発明による管式バイオリアクターはバイオリアクター中で微生物を培養するための方法で使用し、その際少なくとも０．２体積％のＣＯ２を含有する気相を微生物を含有する液体培養培地中に導入するが、その際気相及び液体培養培地は、バイオリアクターの少なくとも１個の管中で、有利には全ての管中でスラグ流を形成し、その際培養培地はＮａＯＨ、Ｎａ２ＣＯ３、ＮａＨＣＯ３、ＫＯＨ、Ｋ２ＣＯ３、ＫＨＣＯ３及びその混合物から成る群から選択した物質を少なくとも１ｍＭ、更に有利には少なくとも１０ｍＭの量で含有する。
【００９３】
本発明の有利な態様によれば、本発明による管式フォトバイオリアクターはフォトバイオリアクター中で光合成微生物、有利には藻類又はシアノバクテリアを培養するための方法で使用し、その際少なくとも０．２体積％のＣＯ２を含有する気相を光合成生物を含有する液体培養培地中に導入するが、その際気相及び液体培養培地は、フォトバイオリアクターの少なくとも１個の管中で、有利には全ての管中でスラグ流を形成し、その際培養培地はＮａＯＨ、Ｎａ２ＣＯ３、ＮａＨＣＯ３、ＫＯＨ、Ｋ２ＣＯ３、ＫＨＣＯ３及びその混合物から成る群から選択した物質を少なくとも１ｍＭ、更に有利には少なくとも１０ｍＭの量で含有する。
【００９４】
有利には培養培地は、ＮａＨＣＯ３少なくとも１０ｍＭ、更に有利にはＮａＨＣＯ３少なくとも２０ｍＭ、例えばＮａＨＣＯ３約４０ｍＭを含有する。
【００９５】
開示した方法に使用する本発明による管式フォトバイオリアクターの利点は、従来技術のフォト管式リアクターで使用するようなＯ２濃度の自動測定及び制御を省略することができることである。
【００９６】
本発明の有利な態様では管式フォトバイオリアクターは酸素濃度、特に培養培地中の酸素濃度用の制御構成要素は有さない。
【００９７】
本発明によりｐＨの自動測定及び制御の交換が可能になり、その際ｐＨ値が所定の設定値より上に増加する場合には、２個のロータメーターを用いて所望の定量で気相、例えば空気及び純粋なＣＯ２の流量を設定することによって気体供給手段のＣＯ２濃度の手動設定により追加ＣＯ２を気体供給手段中に注入する。
【００９８】
本発明の有利な態様によれば、管式フォトバイオリアクターは気相及び気相に添加するＣＯ２の流量を設定するために２個のロータメーターを有する。
【００９９】
本発明の有利な態様によれば、管式フォトバイオリアクターは気相を少なくとも１個の管中に導入するために空気ポンプ、空気送風機又はファンを有する。
【０１００】
本発明の有利な態様によれば、管式フォトバイオリアクターは液体、特に培養培地を少なくとも１個の管を通して循環させるための装置を有する。本発明の有利な態様によれば管式フォトバイオリアクターは、液体、特に培養培地を少なくとも１個の管を通して循環させるためにポンプ又はエアリフトシステムを有する。有利には管式フォトバイオリアクターは液体を少なくとも１個の管を通して循環させるためにポンプを有する。
【０１０１】
分離槽中の慣用の気体排気を有するフォトバイオリアクター中では、分離槽の頂部から大気中への排気気体により使用したＣＯ２の多大な損失が生じる。これは望ましいことではなく、空気ポンプにより気相を循環させることによって防止することができる。系中の炭素濃度を十分に高く保つために、気体を培養培地に注入する直前に循環通風流にＣＯ２を富化した空気又は純粋なＣＯ２を気体循環路のポイントで供給する。脱気はフォトバイオリアクターの頂部で気体循環路のポイントで安全弁を通して行うことができる。ＣＯ２供給手段の流量は循環気体相の流量より遥かに小さく、例えば１−５％の範囲である。
【０１０２】
本発明の有利な態様によれば、管式フォトバイオリアクターは閉鎖系であり、その際気体供給手段は少なくとも１個の管にだけ接続しているのではなく、循環槽の頂部とも接続しており、ＣＯ２供給手段を有する。
【０１０３】
本発明の有利な態様によれば、管式フォトバイオリアクターは閉鎖系であり、その際気体供給手段は少なくとも１個の管にだけ接続しているのではなく、循環槽の頂部とも接続しており、ＣＯ２供給手段を有し、循環槽は気体排気を有する。
【０１０４】
本発明の有利な態様では、気相はスラグ流として少なくとも１個の管の開始部で液体培養培地中に導入され、少なくとも１個の管を通して循環槽中へ再循環される、有利には循環槽中の気相の一部を気体供給手段中へ導入し、そこで有利にはＣＯ２を富化され、再びスラグ流として少なくとも１個の管の開始部で液体培養中に導入される。
【０１０５】
本発明の有利な態様によれば、気体供給手段はスラグ流を生成する少なくとも１個の管中で液相中に気相を導入することができるように設計されている。スラグ流の形成は主として管の直径及び速度及び気相及び液相の生成量に左右される。当業者には所定の直径用に適切な速度を選択することによってスラグ流を形成するための方法は公知である。当業者には、気体供給手段を少なくとも１個の管に適合させ、接続して、管中でスラグ流を形成することができるようにする方法も公知である。
【０１０６】
本発明は、本発明による方法又は本明細書に開示した方法におけるフォトバイオリアクター、有利には管式フォトバイオリアクターの使用にも関する。有利には管式フォトバイオリアクターは本発明による管式フォトバイオリアクターである。
【０１０７】
特に液体−気体−界面における乱流の増加によって、光勾配に沿って光合成微生物を含有する培養培地の完全な混合が可能になり、それによって明暗サイクルを１秒当たり１より低く、即ち１Ｈｚより低くすることができる。この乱流／混合／明暗サイクルのレベルは、従来技術の単相管式リアクターより低い液体速度及び大きな内径を有する管中で、従って遥かに低いエネルギー供給で達成することができる。従来技術の管式フォトバイオリアクターは培養培地１ｍ３当たり２０００ワットより多い補助エネルギー供給を必要とするが、一方増加した炭酸緩衝系と組合せでスラグ流の適用はより低い液体速度を維持しながらより長いループを可能にし、培養培地１ｍ３当たり約２００ワットまで補助エネルギー投入量を減すことができる。
【０１０８】
本発明による方法又は本明細書に開示した方法で管式フォトバイオリアクター、有利には本発明による管式フォトバイオリアクターを使用するのが有利であり、その際フォトバイオリアクターは、フォトバイオリアクター中の液体培養培地の容量に対して多くとも５００Ｗ／ｍ３、更に有利には多くとも３００Ｗ／ｍ３の補助エネルギー投入量を有する。
【０１０９】
本発明は、本発明による管式バイオリアクターにおける多くとも１ｍｍの壁厚を有する管又はパイプの使用にも関する。本発明は、本発明による方法における多くとも１ｍｍの壁厚を有する管又はパイプの使用にも関する。有利には管又はパイプは、本明細書に記載した管及びパイプ用の有利な特徴を有する管又はパイプ、例えば少なくとも１５０μｍから多くとも６００μｍ、例えば約５００μｍの壁厚を有する半透明の無可塑ポリ塩化ビニル管である。
【０１１０】
本発明は、少なくとも１個の管、循環槽及び気体供給手段を含む管式バイオリアクターにも関し、その際少なくとも１個の管はループとして循環槽に接続されており、気体供給手段は少なくとも１個の管に接続されており、その際少なくとも１個の管は多くとも１ｍｍの壁厚を有するプラスチック管であり、少なくとも１個の管は実質的に水平である少なくとも１個の反応区画を形成するか又は少なくとも０．１°から多くとも３．０°の傾斜を有することを特徴とする。
【０１１１】
本発明は、少なくとも１個の管、循環槽及び気体供給手段を含む管式バイオリアクターにも関し、その際少なくとも１個の管はループとして循環槽に接続されており、気体供給手段は少なくとも１個の管に接続されており、その際少なくとも１個の管のループは少なくとも１００メートルの長さを有し、少なくとも１個の管は実質的に水平である少なくとも１個の反応区画を形成するか又は少なくとも０．１°から多くとも３．０°の傾斜を有することを特徴とする。
【０１１２】
本発明は、少なくとも１個の管、循環槽及び気体供給手段を含む管式バイオリアクターにも関し、その際少なくとも１個の管はループとして循環槽に接続されており、気体供給手段は少なくとも１個の管に接続されており、ここで少なくとも１個の管は少なくとも２個のパイプを含有し、このパイプはプッシュフィッティングにより接続されており、少なくとも１個の管は実質的に水平である少なくとも１個の反応区画を形成するか又は少なくとも０．１°から多くとも３．０°の傾斜を有することを特徴とする。
【０１１３】
有利な態様では少なくとも１個の反応区画は実質的に水平である。
【０１１４】
有利な態様では少なくとも１個の反応区画は軽度の傾斜を有する。有利な態様では少なくとも１個の反応区画は少なくとも０．１°から多くとも３．０°の傾斜を有する。有利な態様では少なくとも１個の反応区画は少なくとも０．１°から多くとも２．５°の傾斜を有する。有利な態様では少なくとも１個の反応区画は少なくとも０．１°、更に有利には少なくとも０．２°、更に有利には少なくとも０．５°の傾斜を有する。有利な態様では少なくとも１個の反応区画は多くとも３．０°、更に有利には多くとも２．５°、更に有利には多くとも２．０°、更に有利には多くとも１．５°の傾斜を有する。度数は水平に関して測定した角度に対する。
【０１１５】
有利な態様では大抵又は全ての少なくとも１個の管は少なくとも１個の反応区域を形成する。
【０１１６】
本発明者は意外にも、反応区域の軽度の傾斜によりより多くの規則的なスラグ流が生じることを見出した。これによりＣＯ２及びＯ２の気体及び液体及びその逆の間の輸送が改善される。更にＣＯ２及びＯ２の改善された輸送により液体を移動するために気体注入だけを用いることが可能である。従って液体ポンプを省略することができ、これは脆弱な微生物、例えば脆弱な藻類の培養を可能にする。
【０１１７】
従って少なくとも１個の管を有する管式フォトバイオリアクターは少なくとも１個の反応区域を形成するが、これは少なくとも０．１°から多くとも３．０°の傾斜を有し、少なくとも１個の管を通して液体を循環させるためのポンプ及び更に有利にはエアリフトシステムも有さない。
【０１１８】
傾斜は、液体の移動に必要なエネルギーを増加させることになるので、高すぎてはいけない。
【０１１９】
有利な態様としては、十分に水平であるか又は少なくとも０．１°から多くとも２．５°の傾斜を有する少なくとも１個の反応区域を形成する少なくとも１個の管を有する管式フォトバイオリアクターは、バイオリアクター、特にフォトバイオリアクターに関して本明細書に記載した有利な特徴の幾つか又は全てを有してよい。
【０１２０】
本発明は、本明細書に記載の方法、有利にはバイオリアクター中における生物の培養方法でこれらのフォトバイオリアクターを使用することにも関するが、これは、（ａ）バイオリアクター中に生物を含有する液体培養培地を準備する工程と、（ｂ）バイオリアクター中で生物を培養する工程とを含むが、その際液体培養培地は、重炭酸イオン及び／又は炭酸イオンを少なくとも３ｍＭ（重炭酸イオン及び炭酸イオンの合計を指す）の量で含有するビカー緩衝系を含有し及び工程（ｂ）の少なくとも時間区分中に液体培養培地を移動させるが、その際少なくとも工程（ｂ）の時間区分中に少なくとも０．２体積％のＣＯ２を含有する気相を培養培地中に導入することを特徴とする。
【０１２１】
本発明のもう一つ態様及び有利な態様は下記である。
【０１２２】
１．もう一つの態様：（ａ）バイオリアクター中に生物を含有する液体培養培地を準備し及び（ｂ）バイオリアクター中で生物を培養する工程を含むバイオリアクター中での生物の培養方法であるが、その際液体培養培地は、重炭酸イオン及び／又は炭酸イオンを少なくとも３ｍＭ（重炭酸イオン及び炭酸イオンの合計を指す）の量で含有する重炭酸緩衝系を含有し及び工程（ｂ）の少なくとも時間区分中に液体培養培地を移動させるが、その際少なくとも工程（ｂ）の時間区分中に少なくとも０．２体積％のＣＯ２を含有する気相を培養培地中に導入することを特徴とする。
【０１２３】
２．有利な態様：バイオリアクターがフォトバイオリアクターであり、生物が光合成生物、有利には藻類である態様１に記載の方法。
【０１２４】
３．有利な態様：バイオリアクターが管式バイオリアクター、有利には管式フォトバイオリアクターである、態様１又は２に記載の方法。
【０１２５】
４．有利な態様：気相を工程（ｂ）の間にスラグ流として液体培養培地中に導入する、態様３に記載の方法。
【０１２６】
５．有利な態様：バイオリアクターが態様６から１３に記載の管式バイオリアクターである、前記態様のいずれか１項に記載の方法。
【０１２７】
６．もう一つの態様：少なくとも１個の管（２）、循環槽（３）及び気体供給手段（５、６）を含むが、その際少なくとも１個の管（２）はループとして循環槽（３）に接続されており、気体供給手段（５）は少なくとも１個の管（２）に接続されており、その際少なくとも１個の管（２）が多くとも１ｍｍの壁厚を有するプラスチック管であることを特徴とする、管式バイオリアクター（１）。
【０１２８】
７．もう一つの態様：少なくとも１個の管（２）、循環槽（３）及び気体供給手段（５、６）を含むが、その際少なくとも１個の管（２）はループとして循環槽（３）に接続されており、気体供給手段（５）は少なくとも１個の管（２）に接続されており、その際少なくとも１個の管（２）のループは少なくとも１００メートルの長さを有することを特徴とする、管式バイオリアクター（１）、有利には態様６に記載のバイオリアクター。
【０１２９】
８．もう一つの態様：少なくとも１個の管（２）、循環槽（３）及び気体供給手段（５、６）を含むが、その際少なくとも１個の管（２）はループとして循環槽（３）に接続されており、気体供給手段（５）は少なくとも１個の管（２）に接続されおり、その際少なくとも１個の管（２）は少なくとも２個のパイプを含有し、その際このパイプはプッシュフィット継手により接続されていることを特徴とする、管式バイオリアクター（１）、有利には態様６又は態様７に記載のバイオリアクター。
【０１３０】
９．有利な態様：バイオリアクター（１）がフォトバイオリアクターでありかつ少なくとも１個の管（２）が半透明である、態様６から８までのいずれか１項に記載の管式バイオリアクター。
【０１３１】
１０．有利な態様：気相（１０）を少なくとも１個の管（２）中に導入するために空気ポンプ（７）、空気送風機又はファンを有し、液体（８）を少なくとも１個の管（２）を通して循環させるためのポンプ（４）又はエアリフトシステムを有する、態様６から９までのいずれか１項に記載の管式バイオリアクター（１）。
【０１３２】
１１．有利な態様：バイオリアクター（１）が閉鎖系であり、気体供給手段（５）が循環槽（３）の頂部及びＣＯ２供給手段（６）に接続されている、態様６から１０までのいずれか１項に記載の管式バイオリアクター。
【０１３３】
１２．有利な態様：バイオリアクターが酸素濃度用の制御構成要素を有さない、態様６から１１までのいずれか１項に記載の管式バイオリアクター。
【０１３４】
１３．有利な態様：気体供給手段（５）が、スラグ流（９）を生じる少なくとも１個の管（２）中で気相（１０）を液相（８）中に導入することができるように設計されている、態様６から１２までのいずれか１項に記載の管式バイオリアクター。
【０１３５】
１４．もう一つの態様：態様６から１３のいずれか１項に記載のバイオリアクター、有利には管式バイオリアクターの態様１から４のいずれか１項に記載の方法における使用。
【０１３６】
１５．有利な態様：バイオリアクターがフォトバイオリアクターである、態様１４に記載の使用。
【０１３７】
１６．もう一つの態様：態様６から１３までのいずれか１項に記載の管式バイオリアクターにおけるか又は態様１から５のいずれか１項に記載の方法における、多くとも１ｍｍの壁厚を有する管又はパイプの使用。
【０１３８】
次に本発明を図面及び実施例につき詳説するが、本発明の範囲はこれらに制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】図１は、本発明による管式フォトバイオリアクターの概略図である。
【図２】図２は、比較例３で使用した従来技術による管式フォトバイオリアクターの概略図である。
【０１４０】
図１は、本明細書に記載の方法で使用する本発明による管式フォトバイオリアクター１の概略図である。フォトバイオリアクター１は管２及び循環槽３を含む。
【０１４１】
管は例えば少なくとも１００μｍ及び多くとも６００μｍの薄い壁厚及び約６ｃｍの内径を有するプラスチック材料製であってよい。管は公知フォトバイオリアクターの管より長く、例えば少なくとも１８０メートルであってよい。勿論フォトバイオリアクター１は数個の管２を有することもできる。管２はループとして配置されており、その中で液体培養培地８は循環槽３の底部から管２を通り循環槽３へ戻り循環することができる。
【０１４２】
循環槽３は、収集槽又は脱気槽としても公知であるが、微生物を有する培養培地８及び気相１０、有利には圧縮空気を含有する。循環槽３は所定の気体及び液体流動速度で気体−液体分離を可能にするのに十分に大きな気体液体表面を有する。
【０１４３】
各ループは、気液分離槽中の管端部の前で少なくとも１個のターンを有してよいが、３個、５個又はそれより多い数のターンを有していて蛇状構造を形成してもよい。管は水平に又は（軽度の）傾斜で取付けてよい。ターンは水平面又は傾斜面に取付けてよい。ターンが傾斜面に取付けられている場合には、ターンの後又は各ループが１個より多いターンを含む場合には各々のターンの後の管は、ターンの前の管が取り付けられている面より高い面に取付けることができる。
【０１４４】
勿論バイオリアクターは、当業者に公知のその他の特徴、例えば液体排出及び液体供給を循環槽３中に有してよい。
【０１４５】
培養培地は液体ポンプ４を介して循環槽３から管２を通って循環する。
【０１４６】
気相１０は、気体排出１１を介して循環槽３を出てよい。しかし少なくとも幾ばくかの気相１０は空気ポンプ７を介して気体供給手段５を通って培養培地４中に注入される。気相１０は、純粋なＣＯ２又はＣＯ２富化空気用の供給６を介してＣＯ２を富化して例えば少なくとも０．２体積％のＣＯ２濃度にすることができる。循環槽３中の気相１０が既に、微生物によって使用されなかったＣＯ２を含有し、循環槽３中の培養培地８から蒸発するので、供給６により供給すべきＣＯ２量は減少させて少なくとも０．２体積％のＣＯ２を含有する気相を得ることができる。
【０１４７】
気相１０は、増加したＣＯ２量を含有する培養培地８及び気泡９から成るスラグ流を得るための量及び速度で、培養培地８の循環方向を考慮して、管２の第１区画中に導入される。培養培地は、例えば少なくとも１ｍＭ又は有利には少なくとも１０ｍＭのＮａＨＣＯ３の添加によって、陽イオン過剰濃度を含有する。この結果気泡中のＣＯ２濃度及びスラグ流の形成と一緒になって、本明細書に開示した利点が得られ、これにより従来技術の管より長い管２の使用及び従来技術で使用される管の一つより薄い壁厚を有する管２の使用が可能になる。
【０１４８】
気泡９は管２の末端で培養培地８を出て、循環槽３の気相１０中に拡散する。
【０１４９】
図２は、比較例３で使用したような従来技術による管式フォトバイオリアクター２１の概略図である。
【０１５０】
フォトバイオリアクター２１も管２２及び循環槽２３を含む。培養培地２８は管２２を通って液体ポンプ２４を介して循環する。
【０１５１】
しかし気相３０はリアクターの管２２を通って循環しない。液体及び気相間の物質移動を確立するための通気は、循環槽２３中で供給２６、空気ポンプ２５及び気泡３３として空気を供給するスパージャー２７を介して行われる。更に気相３０は、気体排出３２を介して循環槽２３を出て行くことができる。ｐＨメーター３１により測定したｐＨが所定の設定点を超えると、ＣＯ２がリアクター２１の管２２の開始部で供給２９を介して直接培養培地２８に注入される。スラグ流は形成されないが、管２２は培養培地２８で完全に充填されている。このような慣用の操作方法で溶解されたＯ２は循環槽２３の通気によって培養培地２８から除去される。これにより、管２２中の培養培地２８中の溶解されたＯ２濃度が例えば５０ｍｇ／Ｌより多くなる。この高い濃度の溶解したＯ２は光合成工程を抑制し、従って光合成生物の増殖を妨げる。
【０１５２】
例１
ＮａＨＣＯ３４０ｍＭを温度制御培養器に垂直に置いた３ｌ気泡塔の培養培地に加えた。これらの円筒形塔の直径は６ｃｍであり、各塔の液面の高さは約０．７ｍである。液体容量は２ｌである。培養培地は各塔の底部から２％ＣＯ２で富化した空気で通気する。通気速度は０．５ｌ／分である。気体及び液体相の平衡化後に液相中でｐＨ８．４となる。気泡塔は微細藻類ナノクロロプシスの細胞を接種する。気泡塔は、各側から光強度約１００ｕｍｏｌ／ｍ２／ｓで蛍光管を用いて二つの側から連続的に照射する。約２週間培養は独立栄養成長し、藻類バイオマスは０．１〜３ｇ／ｌに増加する。培養の間、培養を照射する際にｐＨはごく徐々に約ｐＨ８．６に上昇する。暗所でｐＨはｐＨ８．４より下に下がらない。従ってこの設定で能動的に調節するｐＨ制御（プローブでｐＨを測定し、ｐＨが所定設定点より上に増加したらシステムをＣＯ２で噴霧することによって）は全く必要ない。この方法は気泡塔又は平板リアクターを配置した大規模製造工場にも適用することもできる。
【０１５３】
例２
図２に記載したような慣用の管式ＰＢＲをナノクロロプシスを培養するために使用した。これを、図１に記載したようなＰＢＲの管式部分でスラグ流を適用し、液相中の高めた重炭酸／炭酸緩衝剤及び気相中の高めたＣＯ２濃度を使用するもう一つの操作方法のナノクロロプシスの培養と比較した。慣用の操作と比較して、重炭酸／炭酸緩衝剤を、液相中で４０ｍＭのＮａＨＣＯ３を添加することによって増加させた。慣用の操作で使用される気相は空気であり、もう一つの方法では２％のＣＯ２を含有した。慣用の操作ではＰＢＲの管式部分でスラグ流は全く形成されなかった。
【０１５４】
天然太陽光による照射基準は両方の場合に同じであった。
【０１５５】
慣用の操作方法で溶解したＯ２濃度は日中の間に最高濃度４５ｍｇ／Ｌに増加したが、もう一つの方法を使用した場合には溶解した酸素Ｏ２濃度は２２ｍｇ／Ｌを超えなかった。
【０１５６】
更に慣用の操作方法では、溶解したＯ２を除去するために循環槽中で液相の通気に加えて、不所望なことにはＣＯ２の除去を行う。慣用の方法で操作した場合にはＰＢＲからの一日の全ＣＯ２損失量は１０〜３０ｋｇであったが、もう一つの方法で操作した場合には１〜３ｋｇに過ぎなかった。
【０１５７】
例３
管式フォトバイオリアクター中で本発明によるｐＨ制御方法は、気相をリアクターの管式部分を通して循環させる場合に適用することができる。この例に使用した管式フォトバイオリアクターの設置概略図を図１に記載する。
【０１５８】
ＮａＨＣＯ３４０ｍＭを６００ｌ管式フォトバイオリアクターの培養培地に加えた。このシステムの管式ループは直径６ｃｍ及び長さ約１８０ｍを有する１個の管から成る。従って管式ループの容量は約５００リットルである。循環槽の容量は１００リットルである。液相の容量は約４００リットルであり、気相の容量は２００リットルである。
【０１５９】
空気ポンプの流量は１時間当たり４ｍ３である。液体ポンプの流量は１時間当たり２．５ｍ３である。
【０１６０】
気体供給手段のＣＯ２濃度は２個のロータメーターにより制御し、２％に設定する。気体供給手段の流量は１時間当たり０．２ｍ２である。４０ｍＭの陽イオン供給と組合せて、平衡時のｐＨ値はｐＨ８．４となる。
【０１６１】
この構成でリアクター全体中で液体培養培地のｐＨは、液相の陽イオン供給濃度及び気相中のＣＯ２濃度の両方を増加させ、それによって重炭酸系の緩衝力を増加させることによって、非常に良好に維持されている。
【０１６２】
この場合に管式ループ中の気体及び液相の挙動は、典型的な"スラグ流"として記載することができる。この２相"スラグ流"により、軽度の傾斜（これは垂直、管軸に垂直である）に沿って液相の完全な混合が可能になり、それによって明暗サイクルは１Ｈｚより小さく、一方では補助エネルギー供給は培養培地１ｍ３当たり２００Ｗでしかない。１ｍ３当たり２０００Ｗより多い従来技術の管式ＰＢＲの補助エネルギー供給に比して、これはエネルギー費用の点で方法の経済に関して大きな改善である。スラグ流により、光路は平均して６ｃｍの管直径より遥かに小さく、それによってより高い容積生産性が達成される。
【０１６３】
更に"スラグ流"は、通常操作の管式リアクターで存在する管表面近くの積層が存在しないことにより管内側上にバイオフィルムの形成及び欠損を防ぐことも可能にする。
【０１６４】
液相の陽イオン供給濃度及び気相のＣＯ２濃度の両方の増加による液体培養培地のｐＨの安定化は、液体培養培地中の溶解した酸素濃度の安定化ももたらす。
【符号の説明】
【０１６５】
１  フォトバイオリアクター、  ２  管、  ３  循環槽、  ４  液体ポンプ、  ５  気体供給手段、  ６  気体供給手段、  ７  空気ポンプ、  ８  培養培地、  ９  気泡、  １０  気相、  １１  気体排出、  ２１  フォトバイオリアクター、  ２２  管、  ２３  循環槽、  ２４  液体ポンプ、  ２５  空気ポンプ、  ２６  供給、  ２７  スパージャー、  ２８  培養培地、  ２９  供給、  ３０  気相、  ３１  ｐＨメーター、  ３２  気体排出、  ３３  気泡
【図１】
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【図２】
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