(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオリアクタであって、
ａ．複数の培養管区画であって、
ｉ．前記管区画の長さに沿った縦軸と、
ｉｉ．内部体積と、
ｉｉｉ．直径Ｄの円形断面と
を含む複数の培養管区画と、
ｂ．水平に互い違いにされ、かつ、垂直に離間された配列において、前記複数の培養管区画をキャリアの対向する水平な第１の側面および水平な第２の側面上に支持するように構成されている少なくとも１つの垂直に配向された培養管キャリアを含む支持フレームであって、
（ａ）前記第１の側面上の複数の培養管区画の円形断面の少なくとも一部は、前記複数の培養管区画のうちの少なくとも等しい数の培養管区画の円形断面に交差する水平な平面上で重複し、
（ｂ）前記水平な平面は、Ｄ／２以下の総距離だけ延びており、
（ｃ）前記第１の側面上の前記複数の培養管区画は、前記縦軸の全体にわたって互いに垂直に重複し、前記第２の側面上の前記複数の培養管区画は、前記縦軸の全体にわたって互いに垂直に重複する、支持フレームと
を備える、バイオリアクタ。
【請求項２】
前記複数の培養管区画は、ともに直列に結合されることにより、単一螺旋管状流路を形成し、前記複数の培養管区画は、
ａ．少なくとも１つのＵベンド培養管区画と、
ｂ．複数の直線培養管区画と、
ｃ．直列に流体連通するように、前記少なくとも１つのＵベンド培養管区画および前記複数の直線培養管区画の端部をともに結合することにより、単一螺旋管状流路を形成するように構成されている少なくとも１つのコネクタと
をさらに備える、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項３】
前記複数の培養管区画は、ともに結合されることにより、複数の流路を形成する、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項４】
前記複数の培養管区画に向かって光を放出するように構成されている少なくとも１つの照明デバイスをさらに備える、請求項２に記載のバイオリアクタ。
【請求項５】
前記複数の培養管区画の縦軸に対して法線方向に前記複数の直線培養管区画のうちの少なくとも１つの円形断面に交差する水平な平面上を進行する、前記少なくとも１つの照明デバイスから放出される光の１００％が、前記直線培養管区画の外部表面に衝打する、請求項４に記載のバイオリアクタ。
【請求項６】
ポンプをさらに備える、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項７】
ガス供給デバイスをさらに備える、請求項６に記載のバイオリアクタ。
【請求項８】
前記ガス供給デバイスは、流路内の前記ポンプの吸入口の前に配置されている、請求項７に記載のバイオリアクタ。
【請求項９】
ｐＨセンサ、溶存酸素センサ、溶存二酸化炭素センサ、温度センサから成る群から選択される少なくとも１つのセンサをさらに備える、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１０】
有機炭素供給デバイスをさらに備える、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１１】
前記複数の培養管区画は、前記複数の培養管区画の内部表面上に配置されているバッフルをさらに備える、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１２】
前記水平な平面を除いて、前記第１の側面の前記培養管区画の外部上方または外部下方の領域から、前記第２の側面の外部上方または外部下方の対応する領域まで、直接の光路が存在する、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１３】
前記第１の側面上の複数の培養管区画と前記第２の側面上の複数の培養管区画との間の前記水平な平面内に上部重複領域および底部重複領域の両方が存在し、前記上部重複領域は、Ｄ／２以下の距離だけ延びており、前記底部重複領域は、Ｄ／２以下の距離だけ延びている、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、Ｍｏｄｕｌａｒ  Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒと題された、２０１３年２月２６日に出願された、米国仮出願第６１／７６９，６０５号の利益を主張するものであり、該仮出願の全体の内容は、参照により本明細書中に援用される。
【背景技術】
【０００２】
微生物は、食品、原料、燃料、医薬品、栄養補助食品、肥料、化粧品、およびプラスチックの生産において使用され得る、脂質、タンパク質、顔料、および多糖類等の種々の製品を生産するために、水性培地中で培養され得る。開放型および閉鎖型バイオリアクタシステムを含む、複数のバイオリアクタ設計が、水性培地中で微生物を培養可能である。閉鎖型バイオリアクタシステムは、微生物の培養物を外部汚染から遮蔽する能力、蒸発を通した水分の損失を制限する能力、および微生物と水性培地との間のガスの交換をより良好に制御する能力等、開放型バイオリアクタシステムに優るいくつかの利点を提供する。閉鎖型バイオリアクタシステムによって提供される制御の向上はまた、収穫される微生物の品質を再現し、遺伝子組み換え生物を含有するための要件を満たす能力を促進する。閉鎖型バイオリアクタシステムとして、管状、タンク、バッグ、およびパネルバイオリアクタが挙げられ得る。
【０００３】
管状バイオリアクタは、直線、蛇行、螺旋、蛇曲、または渦巻配列における管によって提供される単一または複数の流路内で水性培養物を継続的に循環し得る。管状バイオリアクタは、一般に、光合成培養条件下における微生物の成長のために使用されているが、管状バイオリアクタは、依然として、流路内の停滞ゾーン、管および関連付けられたエルボ管または脱気タンクの内側表面上の生物付着、および非効率的エンジニアリング設計等の短所を被り得、これは、バイオリアクタシステムの再構成または修理を妨げる。加えて、向上した成長率および培養物中のガスの産生等、有機炭素源を備える培養条件をもたらす複雑性が追加されたが、光合成培養条件下において使用される従来の管状バイオリアクタは、混合栄養性または従属栄養性培養条件下における成長、あるいは異なる培養条件間の切替を促進するようにあまり良好に整っていない。さらに、混合栄養性または従属栄養性システムのために最適化された設計は、典型的には、光合成システムのために採用されるものより大きい管径を使用し得、短光路が、光の可用性による成長を促進するために必要とされる。混合栄養性または従属栄養性システムのために最適化された管径は、１０ｃｍより大きく、１０〜１００ｃｍに及び得る。管径は、２〜２００ｃｍに及び得、光合成専用システムのために好ましい範囲は、２〜１０ｃｍである。
【０００４】
当技術分野において公知の管状バイオリアクタは、商業用生産のために最適に設計されていない。例えば、従来の管状バイオリアクタシステムのエンジニアリング設計は、典型的には、単一の統合されたシステムであって、管状バイオリアクタシステム全体が、単一構成要素が機能しなくなると使用不能となる結果をもたらす。機能していない部品が隔離され得るときでも、統合されたシステム設計は、システムをアップグレードまたは修理するために最適ではない。また、従来の単一の統合された管状バイオリアクタシステム設計は、１つの構成または設定に制限され、異なる培養物体積または条件要件のために、異なる構成に適合するための柔軟性を有していない。また、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）管等の従来の管状バイオリアクタシステムにおける材料選択は、接続近傍の不必要な停滞ゾーン、生物付着を悪化させる表面仕上げ、または材料劣化をもたらし、微生物培養物の準最適混合または汚染を生じさせ得る。
【０００５】
準最適設計の別の実施例では、従来の管状バイオリアクタシステムは、光印加のための管区画を離間させ得るが、管内の微生物の水性培養物への光の最適送達および微生物によって利用されない光エネルギーの最小限化のために、管区画および照明デバイスを方略的に構成していない。管区画の準最適構成は、管区画が、ある場所において、他の管区画内に配置される水性培養物を光から遮光する、または照明源から微生物への準最適光路をもたらし得る。加えて、光の準最適位置付けは、光エネルギーの無駄をもたらし得、これは、バイオリアクタ管内の培養物の照明にとどまらなくなり得る。また、従来の照明システムの使用は、有害の量の光または微生物によって利用され得ない光の波長の印加をもたらし得る。
【０００６】
従来の管状バイオリアクタの限界の付加的実施例では、光合成条件のためにエンジニアリングされた従来の管状バイオリアクタは、混合栄養性および従属栄養性成長のための適切な栄養またはガス交換を提供するように整っていない場合がある。混合栄養性および従属栄養性培養物中における有機炭素源の利用は、光合成バイオリアクタが対処するように整っているものより高速で微生物成長および培養物密度を増加させ得る。また、ガス飽和率も、酸素および二酸化炭素産生ならびに消費率と同様に、光合成培養物と異なるであろう。種々の培養条件に対応するための柔軟性を伴わない管状バイオリアクタは、製品生産のためのバイオリアクタの有用性を限定する。
【０００７】
したがって、当技術分野において、性能のために最適化され、かつ異なる培養条件に対応する柔軟性を提供する、閉鎖型バイオリアクタシステムの必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願は、概して、微生物の水性培養物を培養するためのモジュール式バイオリアクタシステムの非限定的実施形態の側面を説明する。
【０００９】
一実施形態では、モジュール式バイオリアクタシステムは、少なくとも１つの連結部を備え、微生物の水性培養物の循環体積を保持するように構成される、少なくとも１つのバイオリアクタモジュールと、少なくとも１つの連結部を備え、微生物の水性培養物の体積を循環させるように構成される、少なくとも１つのポンプおよび制御モジュールとを備え、各モジュールは、水性培養物の循環のための密閉された流体連通のために、他のバイオリアクタモジュールならびにポンプおよび制御モジュールに連結されるように構成され、かつ他のバイオリアクタモジュールならびにポンプおよび制御モジュールから分断されると、各モジュール内に水性培養物の隔離された体積を保持するように構成される、独立型ユニットである。
【００１０】
いくつかの実施形態では、モジュール式バイオリアクタシステムはさらに、少なくとも１つの連結部を備え、少なくとも１つのバイオリアクタモジュールならびに少なくとも１つのポンプおよび制御モジュールに連結されるように構成される、少なくとも１つの洗浄モジュールを備えてもよい。少なくとも１つの洗浄モジュールは、ＰＩＧ、スワブ、およびビーズから成る群から選択される、少なくとも１つを利用する、システムを備えてもよい。いくつかの実施形態では、バイオリアクタモジュールは、支持フレームと、少なくとも１つの培養管とを備えてもよい。いくつかの実施形態では、ポンプおよび制御モジュールは、少なくとも１つのポンプと、熱交換器、脱気タンク、センサ、ガス供給デバイス、栄養供給デバイス、有機炭素供給デバイス、およびプログラマブル論理制御システムから成る群から選択される、少なくとも１つとを備えてもよい。
【００１１】
いくつかの実施形態では、ガス供給デバイスは、ポンプおよび制御モジュールの流路内のポンプの吸入口の前に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、センサは、ｐＨセンサ、溶存酸素センサ、溶存二酸化炭素センサ、温度センサから成る群から選択される、少なくとも１つを備える。いくつかの実施形態では、有機炭素供給デバイスは、酢酸塩、酢酸、リノール酸アンモニウム、アラビノース、アルギニン、アスパラギン酸、酪酸、セルロース、クエン酸、エタノール、果糖、脂肪酸、ガラクトース、グルコース、グリセロール、グリシン、乳酸、乳糖、マイレン酸、麦芽糖、マンノース、メタノール、糖密、ペプトン、植物由来加水分解物、プロリン、プロピオン酸、リボース、サッカロース、デンプンの部分または完全加水分解物、スクロース、酒石酸、ＴＣＡサイクル有機酸、蒸留残液、尿素、産業廃棄物溶液、および酵母エキスから成る群から選択される、少なくとも１つを備える、有機炭素源を供給してもよい。
【００１２】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの培養管は、直列に接続される複数の管区画を備えてもよい。直列に接続される複数の管区画は、螺旋流路を形成してもよい。少なくとも１つの連結部は、迅速接続連結部である。
【００１３】
別の実施形態では、バイオリアクタモジュールは、管区画の長さに沿った縦軸と、直径Ｄおよび内部体積の円形断面とを伴う、複数の培養管区画と、支持フレームとを備えてもよい。支持フレームは、水平に互い違いにされ、垂直に離間された配列において、複数の培養管区画をキャリアの対向する水平側面上に支持するように構成される、少なくとも１つの垂直に配向された培養管キャリアであって、水平平面が、培養管区画の縦軸に対して法線方向に、複数の培養管区画のうちの少なくとも１つの円形断面に交差し、水平平面上に位置する複数の管区画のうちの少なくとも１つの内部体積を通して、Ｄ以下であって、かつＤ／２を上回る総距離だけ進行する、培養管キャリアを備えてもよい。
【００１４】
いくつかの実施形態では、複数の培養管区画は、ともに直列に連結され、単一螺旋管状流路を形成し、少なくとも１つのＵベンド培養管区画と、複数の直線培養管区画と、ともに直列に流体連通するように、少なくとも１つのＵベンド培養管区画および複数の直線管区画の端部をともに連結し、単一螺旋管状流路を形成するように構成される、少なくとも１つのコネクタとを備える。いくつかの実施形態では、培養管区画は、接続されない別個の流路を備えてもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの照明デバイスは、複数の培養管区画に向かって光を放出するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、培養管区画の縦軸に対して法線方向に、複数の直線培養管区画のうちの少なくとも１つの円形断面に交差する水平平面上を進行する、少なくとも１つの照明デバイスから放出される光の１００％が、直線培養管区画の表面に衝打する。
【００１５】
別の実施形態では、管状バイオリアクタシステムのための方略的照明システムは、直接、少なくとも１つの透明管区画の外側表面上に配置される、少なくとも１つの照明デバイスであって、直接、透明管区画を通して透明管区画の内側体積の中に光を放出するように構成される、少なくとも１つの照明デバイスを備えてもよい。少なくとも１つの照明デバイスは、少なくとも１つの透明管区画に沿って離間される複数の照明デバイスを備えてもよい。少なくとも１つの照明デバイスは、透明管区画の内側体積に連続光を印加するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの照明デバイスによって放出される光の９９％が、透明管区画の内側体積の中に透過される。
【００１６】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの照明デバイスは、発光ダイオード（ＬＥＤ）のリングを備えてもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの照明デバイスは、ＬＥＤを伴うクランプを備えてもよい。いくつかの実施形態では、複数の照明デバイスは、少なくとも１つの透明管区画の長さに沿って等しく離間されてもよい。いくつかの実施形態では、複数の照明デバイスは、少なくとも１つの透明管区画の長さに沿って異なる長さで離間されてもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの透明管区画は、少なくとも１つの照明デバイスの場所において透明であって、全ての他の場所において不透明であってもよい。
【００１７】
別の実施形態では、センサマニホールドは、湾曲壁プロファイルおよび内部体積を備える、継目のないマニホールドと、直接、マニホールドに溶接され、マニホールドを通る流体流路に対して途絶を減少させる場所において、少なくとも１つのセンサをマニホールドの内部体積内に保持および位置付けるように構成される、マニホールド湾曲壁プロファイルのプロファイルを鏡映するベース表面を備える、少なくとも１つの中空栓とを備えてもよい。いくつかの実施形態では、マニホールドは、ステンレス鋼を備えてもよい。いくつかの実施形態では、栓はさらに、栓のベース表面に配置される、Ｏリングを備えてもよい。
【００１８】
別の実施形態では、バイオリアクタシステムは、少なくともいくつかの光へのアクセスを伴う、微生物の水性培養物を培養するために構成される、バイオリアクタ手段と、微生物の水性培養物を循環させ、かつガス、栄養、および炭素源から成る群から選択される、少なくとも１つを供給するために構成される、ポンプおよび制御手段とを備えてもよい。いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステムはさらに、バイオリアクタシステムの表面を洗浄するために構成される、洗浄手段を備えてもよい。
本明細書は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
モジュール式バイオリアクタシステムであって、
ａ．少なくとも１つの連結部を備え、微生物の水性培養物の循環体積を保持するように構成される、少なくとも１つのバイオリアクタモジュールと、
ｂ．少なくとも１つの連結部を備え、上記微生物の水性培養物の体積を循環させるように構成される、少なくとも１つのポンプおよび制御モジュールと、
を備え、
ｃ．各モジュールは、上記水性培養物の循環のための密閉された流体連通のために、他のバイオリアクタモジュールならびにポンプおよび制御モジュールに連結されるように構成され、かつ他のバイオリアクタモジュールならびにポンプおよび制御モジュールから分断されると、各モジュール内に上記水性培養物の隔離された体積を保持するように構成される、独立型ユニットである、モジュール式バイオリアクタシステム。
（項目２）
ａ．少なくとも１つの連結部を備え、少なくとも１つのバイオリアクタモジュールならびに少なくとも１つのポンプおよび制御モジュールに連結されるように構成される、少なくとも１つの洗浄モジュールをさらに備える、項目１に記載のモジュール式バイオリアクタシステム。
（項目３）
上記少なくとも１つの洗浄モジュールは、ＰＩＧ、スワブ、およびビーズから成る群から選択される、少なくとも１つを利用する、システムを備える、項目２に記載のモジュール式バイオリアクタシステム。
（項目４）
上記バイオリアクタモジュールは、支持フレームと、少なくとも１つの培養管とを備える、項目１に記載のモジュール式バイオリアクタシステム。
（項目５）
上記ポンプおよび制御モジュールは、少なくとも１つのポンプと、熱交換器、脱気タンク、センサ、ガス供給デバイス、栄養供給デバイス、有機炭素供給デバイス、およびプログラマブル論理制御システムから成る群から選択される、少なくとも１つとを備える、項目１に記載のモジュール式バイオリアクタシステム。
（項目６）
上記ガス供給デバイスは、上記ポンプおよび制御モジュールの流路内の上記ポンプの吸入口の前に配置される、項目５に記載のモジュール式バイオリアクタシステム。
（項目７）
上記センサは、ｐＨセンサ、溶存酸素センサ、溶存二酸化炭素センサ、温度センサから成る群から選択される、少なくとも１つを備える、項目５に記載のモジュール式バイオリアクタシステム。
（項目８）
上記有機炭素供給デバイスは、酢酸塩、酢酸、リノール酸アンモニウム、アラビノース、アルギニン、アスパラギン酸、酪酸、セルロース、クエン酸、エタノール、果糖、脂肪酸、ガラクトース、グルコース、グリセロール、グリシン、乳酸、乳糖、マイレン酸、麦芽糖、マンノース、メタノール、糖密、ペプトン、植物由来加水分解物、プロリン、プロピオン酸、リボース、サッカロース、デンプンの部分または完全加水分解物、スクロース、酒石酸、ＴＣＡサイクル有機酸、蒸留残液、尿素、産業廃棄物溶液、および酵母エキスから成る群から選択される、少なくとも１つを備える、有機炭素源を供給する、項目５に記載のモジュール式バイオリアクタシステム。
（項目９）
上記少なくとも１つの培養管は、直列に接続される複数の管区画を備える、項目４に記載のモジュール式バイオリアクタシステム。
（項目１０）
上記直列に接続される複数の管区画は、螺旋流路を形成する、項目９に記載のモジュール式バイオリアクタシステム。
（項目１１）
上記少なくとも１つの連結部は、迅速接続連結部である、項目１に記載のモジュール式バイオリアクタシステム。
（項目１２）
バイオリアクタモジュールであって、
ａ．上記管区画の長さに沿った縦軸と、直径Ｄおよび内部体積の円形断面とを伴う、複数の培養管区画と、
ｂ．支持フレームであって、
ｉ．水平に互い違いにされ、垂直に離間された配列において、上記複数の培養管区画をキャリアの対向する水平側面上に支持するように構成される、少なくとも１つの垂直に配向された培養管キャリアであって、水平平面が、上記培養管区画の縦軸に対して法線方向に、上記複数の培養管区画のうちの少なくとも１つの円形断面に交差し、上記水平平面上に位置する上記複数の管区画のうちの少なくとも１つの内部体積を通して、Ｄ以下であって、かつＤ／２を上回る総距離だけ進行する、培養管キャリア
を備える、支持フレームと、
を備える、バイオリアクタモジュール。
（項目１３）
上記複数の培養管区画は、ともに直列に連結され、単一螺旋管状流路を形成し、上記複数の培養管区画は、
ａ．少なくとも１つのＵベンド培養管区画と、
ｂ．複数の直線培養管区画と、
ｃ．直列に流体連通するように、上記少なくとも１つのＵベンド培養管区画および上記複数の直線培養管区画の端部をともに連結し、単一螺旋管状流路を形成するように構成される、少なくとも１つのコネクタと、
を備える、項目１２に記載のバイオリアクタモジュール。
（項目１４）
上記培養管区画は、接続されない別個の流路を備える、項目１２に記載のバイオリアクタモジュール。
（項目１５）
上記複数の培養管区画に向かって光を放出するように構成される、少なくとも１つの照明デバイスをさらに備える、項目１２に記載のバイオリアクタモジュール。
（項目１６）
上記培養管区画の縦軸に対して法線方向に、上記複数の直線培養管区画のうちの少なくとも１つの円形断面に交差する水平平面上を進行する、上記少なくとも１つの照明デバイスから放出される光の１００％が、上記直線培養管区画の表面に衝打する、項目１５に記載のバイオリアクタモジュール。
（項目１７）
管状バイオリアクタシステムのための方略的照明システムであって、直接、少なくとも１つの透明管区画の外側表面上に配置される、少なくとも１つの照明デバイスであって、直接、上記透明管区画を通して上記透明管区画の内側体積の中に光を放出するように構成される、少なくとも１つの照明デバイスを備える、方略的照明システム。
（項目１８）
上記少なくとも１つの照明デバイスは、上記少なくとも１つの透明管区画に沿って離間される複数の照明デバイスを備える、項目１７に記載の方略的照明システム。
（項目１９）
上記少なくとも１つの照明デバイスは、上記透明管区画の内側体積に連続光を印加するように構成される、項目１７に記載の方略的照明システム。
（項目２０）
上記少なくとも１つの照明デバイスによって放出される光の９９％が、上記透明管区画の内側体積の中に透過される、項目１７に記載の方略的照明システム。
（項目２１）
上記少なくとも１つの照明デバイスは、発光ダイオード（ＬＥＤ）のリングを備える、項目１７に記載の方略的照明システム。
（項目２２）
上記少なくとも１つの照明デバイスは、ＬＥＤを伴うクランプを備える、項目１７に記載の方略的照明システム。
（項目２３）
上記複数の照明デバイスは、上記少なくとも１つの透明管区画の長さに沿って等しく離間される、項目１８に記載の方略的照明システム。
（項目２４）
上記複数の照明デバイスは、上記少なくとも１つの透明管区画の長さに沿って異なる長さで離間される、項目１８に記載の方略的照明システム。
（項目２５）
上記少なくとも１つの透明管区画は、上記少なくとも１つの照明デバイスの場所において透明であって、全ての他の場所において不透明である、項目１７に記載の方略的照明システム。
（項目２６）
センサマニホールドであって、
ａ．湾曲壁プロファイルおよび内部体積を備える、継目のないマニホールドと、
ｂ．直接、上記マニホールドに溶接され、上記マニホールドを通る流体流路に対して途絶を減少させる場所において、少なくとも１つのセンサを上記マニホールドの内部体積内に保持および位置付けるように構成される、上記マニホールド湾曲壁プロファイルのプロファイルを鏡映するベース表面を備える、少なくとも１つの中空栓と、
を備える、センサマニホールド。
（項目２７）
上記マニホールドは、ステンレス鋼を備える、項目２６に記載のセンサマニホールド。
（項目２８）
上記栓はさらに、上記栓のベース表面に配置される、Ｏリングを備える、項目２６に記載のセンサマニホールド。
（項目２９）
バイオリアクタシステムであって、
ａ．少なくともいくつかの光へのアクセスを伴う、微生物の水性培養物を培養するために構成される、バイオリアクタ手段と、
ｂ．微生物の水性培養物を循環させ、かつガス、栄養、および炭素源から成る群から選択される、少なくとも１つを供給するために構成される、ポンプおよび制御手段と、
を備える、バイオリアクタシステム。
（項目３０）
上記バイオリアクタシステムの表面を洗浄するために構成される、洗浄手段をさらに備える、項目２９に記載のバイオリアクタシステム。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、モジュールがともに連結されている、例示的モジュール式バイオリアクタシステム実施形態の斜視図を示す。
【図２】図２は、モジュールが分断されている、例示的モジュール式バイオリアクタシステム実施形態の斜視図を示す。
【図３】図３は、照明パネルが閉鎖位置にある、例示的管状バイオリアクタモジュール実施形態の斜視図を示す。
【図４】図４は、照明パネルが開放位置にある、例示的管状バイオリアクタモジュール実施形態の斜視図を示す。
【図５】図５は、例示的管状バイオリアクタモジュール実施形態の斜視図を示す。
【図６】図６は、例示的管状バイオリアクタモジュール実施形態の上面図を示す。
【図７】図７は、照明パネルが閉鎖位置にある、例示的管状バイオリアクタモジュール実施形態の側面図を示す。
【図８】図８は、例示的管状バイオリアクタモジュール実施形態の側面図を示す。
【図９】図９は、例示的管状バイオリアクタモジュール実施形態の正面図を示す。
【図１０】図１０は、例示的管状バイオリアクタモジュール実施形態の背面図を示す。
【図１１】図１１は、例示的管状バイオリアクタモジュールの管区画および構造フレーム区画のためのキャリアの正面図を示す。
【図１２】図１２は、例示的管状バイオリアクタモジュールの管区画および構造フレーム区画が装填されたキャリアの斜視図を示す。
【図１３】図１３は、例示的垂直に離間され、水平に互い違いにされた配列に接続される管状区画の断面図を示す。
【図１４】図１４は、例示的垂直に離間され、水平に互い違いにされた配列に接続される管状区画の断面図における、水平平面に沿った光路を示す。
【図１５】図１５は、例示的ポンプおよび制御モジュール実施形態の斜視図を示す。
【図１６】図１６は、例示的ポンプおよび制御モジュール実施形態の上面図を示す。
【図１７】図１７は、例示的ポンプおよび制御モジュール実施形態の右側面図を示す。
【図１８】図１８は、例示的ポンプおよび制御モジュール実施形態の左側面図を示す。
【図１９】図１９は、例示的ポンプおよび制御モジュール実施形態の正面図を示す。
【図２０】図２０は、例示的ポンプおよび制御モジュール実施形態の背面図を示す。
【図２１】図２１は、ピギング／スワビングシステムを備える、例示的洗浄モジュール実施形態の斜視図を示す。
【図２２】図２２は、培養管区画上に配置される、例示的方略的照明デバイス実施形態の斜視図を示す。
【図２３】図２３は、培養管区画上に配置される、複数の方略的照明デバイスの斜視図を示す。
【図２４】図２４は、例示的センサマニホールド実施形態の縦方向断面図を示す。
【図２５】図２５は、例示的センサマニホールド実施形態の断面図を示す。
【図２６】図２６は、管状バイオリアクタモジュール上に係合される、例示的保定デバイス実施形態の斜視図を示す。
【図２７】図２７は、管状バイオリアクタモジュール上に係合される、例示的保定デバイス実施形態の上面図を示す。
【図２８】図２８は、例示的カスケード式移送バイオリアクタシステム実施形態の略図を示す。
【図２９】図２９は、例示的カスケード式移送バイオリアクタシステム実施形態の斜視部分図を示す。
【図３０】図３０は、人工および天然光を利用する、例示的モジュール式バイオリアクタシステムの斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（定義）
用語「微生物」は、微細藻類および藍色細菌等の微視的生物を指す。微細藻類として、微視的多細胞植物（例えば、アオウキクサ）、光合成微生物、従属栄養性微生物、珪藻、渦鞭毛藻類、および単細胞藻類が挙げられる。
【００２１】
用語「微生物学的培養物」、「微生培養物」、または「微生物培養物」は、制御された実験条件下を含む、所定の培養培地中における繁殖を通して微生物を増殖させるための方法またはシステムを指す。微生物学的培養物、微生培養物、および微生物培養物は、生物を増殖し、試験されているサンプル中の生物のタイプまたは生物の存在量を判定するために使用される。液体培養培地中では、用語「微生物学的」、「微生」、または「微生物」培養物は、概して、培養物が常駐する容器にかかわらず、液体培地および液体培地中の微生物全体を指す。液体培地は、多くの場合、「培地」、「培養培地」、または「培養培地」と称される。培養する行為は、概して、複数の微生物に強調が置かれるとき、「複数の微生物の培養」と称される。培養する行為は、概して、微生物の種または属に重点が置かれるとき、「ある微生物の培養」と称される。「微生物培養物」は、「微生物の培養物」と同義的に使用される。
【００２２】
用語「混合栄養性」および「混合栄養」は、光、有機炭素、および無機炭素（例えば、二酸化炭素、炭酸塩、重炭酸塩）が、微生物の培養物に適用され得る、培養条件を指す。混合栄養性条件下で成長可能な微生物は、光合成および従属栄養性微生物の両方の代謝プロファイルを有し、光および有機炭素の両方をエネルギー源として、かつ無機炭素および有機炭素の両方を炭素源として使用し得る。混合栄養性微生物は、光合成および従属栄養性代謝を通して同時に、光、無機炭素、および有機炭素を使用し得る、または各代謝の利用間で切り替え得る。混合栄養性培養条件下の微生物は、微生物によって利用されるエネルギー源および炭素源に応じて、正味酸素または二酸化炭素生産者となり得る。混合栄養性成長可能な微生物として、混合栄養性条件下で成長するための天然代謝および能力を伴う微生物と、突然変異誘発または遺伝子工学等の方法を用いた細胞の改変を通して、代謝および能力を得る微生物とが挙げられる。
【００２３】
用語「光合成」、「光合成栄養」、「光化学合成独立栄養」、「光独立栄養的」、および「独立栄養生物」は、光および無機炭素（例えば、二酸化炭素、炭酸塩、重炭酸塩）が微生物の培養物に適用され得る、培養条件を指す。光合成条件下で成長可能な微生物は、光をエネルギー源として、かつ無機炭素（例えば、二酸化炭素）を炭素源として使用し得る。光合成条件下の微生物は、酸素を産生し得る。
【００２４】
用語「従属栄養性」および「従属栄養」は、有機炭素が、光の不在下、微生物の培養物に適用され得る、培養条件を指す。従属栄養性条件下で成長可能な微生物は、有機炭素をエネルギー源および炭素源の両方として使用し得る。従属栄養性条件下の微生物は、二酸化炭素を産生し得る。
【００２５】
用語「光路」は、光が微生物の培養物の中に貫通する距離を指す。
【００２６】
用語「デューティサイクル」は、個々の微生物が光に暴露される、合計明暗マイクロサイクルの割合を指す。デューティサイクルは、通常、パーセンテージとして表され、パーセンテージは、バイオリアクタシステム内の微生物の合計時間に対する光に暴露される微生物の時間である。
【００２７】
用語「周波数」は、デューティサイクルに関連して使用されるとき、個々の微生物が、規定の時間周期において、明暗マイクロサイクルを完了する回数を指し、通常、ヘルツ（Ｈｚ）またはサイクル／秒として表される。
【００２８】
用語「照射区分」は、微生物が光に暴露される、バイオリアクタの部分を指す。
【００２９】
用語「迅速接続」、「迅速接続」、または「迅速切断」は、手動で操作され得、自己密閉し、ねじ式接続または連結部を固着および弛緩させるためにツール（例えば、スクリュードライバ、レンチ）を要求する接続を含まない、流体移送ラインまたは導管の連結部を指す。
【００３０】
用語「Ｕベンド」は、１８０度エルボ管継手を指す。
（モジュール式バイオリアクタシステム）
【００３１】
一実施形態では、水性培地中で微生物を培養するための自給式バイオリアクタシステムは、モジュール式バイオリアクタシステムを備える。モジュール式バイオリアクタシステムは、容易に、機能するシステムの中にともに連結され、かつ修理、置換、アップグレード、出荷、洗浄、または再構成のために分断され得る、複数のモジュール式構成要素を備える。モジュール式構成要素の交換能力は、バイオリアクタシステムの構成要素が、複数の場所において、容易に運搬され、組み立てられ、かつバイオリアクタシステムの容量を変更する、またはバイオリアクタシステムの機能性を変更することを可能にする。各モジュールは、異なる構成のための他のモジュール式バイオリアクタシステムと交換され得る、独立型ユニットであって、従来の単一構成の統合されたバイオリアクタシステムより優れた柔軟性の利点を提供する。
【００３２】
いくつかの実施形態では、モジュール式構成要素は、モジュール式バイオリアクタシステムが、微生物の水性培養物を含有するとき、微生物の培養物を環境または外部汚染に暴露せずに、水性微生物培養物の隔離された体積を種々の個々のモジュール式構成要素内に維持しながら、分断され得る。水性培養物の隔離された体積を維持する能力によって、モジュールは、機器故障の場合、収穫を余儀なくさせずに、または微生物培養物の完全損失を被らずに、交換され得る。加えて、水性微生物培養物の隔離された体積は、成長、製品成熟（例えば、脂質蓄積、顔料蓄積）、収穫、排水等の異なる動作のために、異なる場所に運搬され得る。モジュール式構成要素は、モジュール式構成要素間の流体連通を可能にするために、手動で迅速に連結され、また、任意の流体連通を自己密閉し、各モジュール式構成要素内の水性培養物の隔離された体積を効果的に密閉する様式において、迅速に分断され得る、パイプまたは管状迅速接続連結器を使用して、相互に連結および分断され得る。迅速接続連結器は、限定ではないが、カムロック連結器等の当技術分野において公知の流体導管連結器を備えてもよい。
【００３３】
いくつかの実施形態では、モジュール式バイオリアクタシステムは、少なくとも１つのバイオリアクタモジュールと、少なくとも１つのポンプおよび制御モジュールとを備えてもよい。さらなる実施形態では、モジュール式バイオリアクタシステムは、少なくとも１つの洗浄モジュールを備えてもよい。モジュール式バイオリアクタシステムは、選択されるモジュール式構成要素、選択されるモジュール式構成要素の構成、およびモジュール式構成要素を構成する材料に応じて、光合成、混合栄養性、または従属栄養性条件下で微生物を培養可能であり得る。いくつかの実施形態では、モジュール式バイオリアクタシステムは、微生物の水性培養物の寿命の間、任意の組み合わせにおいて、光合成、混合栄養性、および従属栄養性培養条件間を機能的に遷移し得る。培養条件間の遷移は、数秒から数日の時間範囲にわたって生じてもよく、またはバイオリアクタモジュールを通したフローサイクルの間に生じてもよい。いくつかの実施形態では、培養条件の遷移は、光の印加、光の遮断、ガスのタイプまたは体積の適用、無機炭素（例えば、二酸化炭素）の適用、または有機炭素の適用の機能的変化を備えてもよい。いくつかの実施形態では、モジュール式バイオリアクタシステムは、等数の各タイプのモジュールを備えてもよい。いくつかの実施形態では、モジュール式バイオリアクタシステムは、非等数の各タイプのモジュールを備えてもよい。モジュールのタイプ、構成、および数は、水性培養物中の微生物または微生物から生産される所望の製品に基づいて判定されてもよい。種々のモジュール構成要素の非限定的例示的実施形態は、以下にさらに詳細に説明される。
【００３４】
モジュール式バイオリアクタシステム１０の一非限定的例示的実施形態は、図１−２に示される。図１は、流体連通してともに連結されている、バイオリアクタモジュール１００と、洗浄モジュール３００と、ポンプおよび制御モジュール２００とを伴う、モジュール式バイオリアクタシステム１０を示す。図２は、分断されている、バイオリアクタモジュール１００と、洗浄モジュール３００と、ポンプおよび制御モジュール２００とを伴う、モジュール式バイオリアクタシステム１０を示す。モジュール間の全連結器は、各個々のモジュール内の水性培養培地の隔離された体積を自己密閉可能である、限定ではないが、カムロック連結器等の迅速接続連結器を備えてもよい。モジュール式バイオリアクタシステムのいくつかの実施形態では、連結器は、限定ではないが、ねじ式接続またはともにボルト締めされるフランジ接続等の従来の連結器を備えてもよい。
（バイオリアクタモジュール）
【００３５】
バイオリアクタモジュールは、限定ではないが、開放型、閉鎖型、水路池、タンク、バッグ、槽、フラットパネル、および管状バイオリアクタ等の微生物の水性培養物を培養可能な任意の公知のバイオリアクタ構造を備えてもよい。微生物の水性培養物は、バイオリアクタモジュールを通して循環され、微生物の成長を促進してもよい。バイオリアクタモジュールの構成、材料、および構成要素を規定し得る変数として、光合成、混合栄養性、および従属栄養性等の所望の培養条件、培養条件間の遷移の所望、培養されるべき微生物、微生物培養物から生産されるべき所望の製品、および水性培養物の体積が挙げられ得る。例えば、医薬製品中で使用するための微生物単独培養物を培養するバイオリアクタモジュールの構成は、燃料製品中での使用のための脂質を産生するために、微生物混合培養物（例えば、単一培養物中における複数の微生物）を培養するバイオリアクタモジュールの構成と異なり得る。
【００３６】
一非限定的例示的実施形態では、バイオリアクタモジュールは、管状バイオリアクタモジュールを備える。管状バイオリアクタモジュールは、支持フレームと、培養管または複数の管とを備えてもよい。光合成または混合栄養性条件下で微生物を培養する実施形態の場合、バイオリアクタモジュールは、少なくとも１つの照明デバイスと、天然光を受容するための能力、または両方を備えてもよい。支持フレームは、少なくとも１つの構造フレーム区画と、培養管または複数の管のための少なくとも１つのキャリアとを備えてもよい。いくつかの実施形態では、支持フレームはさらに、少なくとも１つの照明デバイスを搭載するための要素を備えてもよい。少なくとも１つの構造フレーム区画および少なくとも１つの管キャリアは、培養管または複数の管の各区画内の微生物の培養物への光の透過およびそれらによる光の利用を最適化する構成において、培養管または複数の管を支持してもよい。支持フレームは、金属、金属合金、プラスチック、ポリマー、ポリカーボネート、または木材等の任意の好適な材料を備えてもよい。フレームは、塩水環境からの腐食の発生を遅延させるためのコーティングを含む、環境要素に耐性のある材料でコーティングされてもよい。支持フレームは、不透明構成要素およびある程度の透明性または半透明性を伴う構成要素の両方を備えてもよい。支持フレームの要素は、限定ではないが、溶接、ボルト、釘、およびスナップロック継手等の任意の公知の手段によって継合されてもよい。いくつかの実施形態では、構造フレーム区画は、押出成形金属または金属合金を備えてもよい。
【００３７】
支持フレームを備える、管状バイオリアクタモジュール１００の一非限定的例示的実施形態は、図３−１２に示される。支持フレームの構造フレーム区画１１０は、水平、垂直、および角度付きのバー、管、ならびに梁として示される。図１１では、管区画を支持するためのキャリア１２０が、示される。キャリア１２０は、少なくとも１つの照明デバイスまたは天然光源から培養管区画１４０、１４１への光の遮断を最小限にするために透明であってもよい。キャリア１２０はまた、図５、９−１０、および１２に示されるように、少なくとも１つの照明デバイスまたは天然光源から培養管１４０区画からの光の透過を最適化するために、キャリアの両側に、水平に互い違いにされ、垂直に離間された配列において、直線培養管区画１４０を保持する。複数のキャリア１２０が、単一バイオリアクタモジュール１００内で使用され、直線培養管区画１４０を支持してもよい。
【００３８】
図３−４では、照明デバイス１５０を搭載するための旋回式パネル１３０が、閉鎖および開放位置の両方で示される。パネル１３０は、ヒンジ等の任意の公知の枢動部材を用いて、構造フレーム区画１１０に連結されてもよい。パネル１３０が開放位置にあると、照明デバイス１５０は、修理、置換、または再構成のために容易にアクセス可能であり得る。加えて、パネル１３０が開放位置にあると、容易なアクセスが、培養管区画１４０に提供され得る。旋回式パネル１３０は、パネル１３０が閉鎖位置にあるとき、少なくとも１つの照明デバイスから培養管区画１４０、１４１に光を最適に透過させるための任意の所望の構成において、パネル１３０に搭載される照明デバイス１５０を備えてもよい。従属栄養性培養条件のみを利用する、ある実施形態では、パネル１３０は、搭載された照明デバイスを備えていなくてもよいが、代わりに、培養管区画１４０、１４１への外部光の透過を遮断するために利用されてもよい。図５、８、および１２は、バイオリアクタモジュール１００が、天然光（例えば、太陽光）、間接人工光源からの周囲光（例えば、バイオリアクタがより大きい建物内に格納されているときの頭上の光）を受容し得る、パネルまたは照明デバイスを伴わない、または光が全くない（例えば、夜間の屋外、人工光がない建物の内部）、管状バイオリアクタモジュール１００実施形態を示す。
【００３９】
バイオリアクタモジュールの培養管または複数の培養管は、単一管、単一管状経路を産生するために直列に連結された複数の直線および／または屈曲培養管区画、並列に接続される複数の管状経路を産生する複数の管区画、または任意のそれらの組み合わせを備えてもよい。培養管または複数の培養管によって形成される流路は、直線、蛇行、蛇曲、螺旋、渦巻、または湾曲流路を備えてもよい。培養管区画は、不透明、透明、または任意の程度の部分的透明性である、材料を備えてもよい。培養管区画は、限定ではないが、円形、卵形、丸形、楕円形、正方形、長方形、および多角形等の任意の形状の断面を有してもよい。培養管壁の厚さは、所望の光透過または屈折特性、熱特性、および構造完全性に基づいて、選択されてもよい。培養管区画は、任意のサイズの断面積および長さを有してもよく、所望の光路、所望の容量、利用可能な空間、およびポンプおよび制御モジュールの能力に基づいて、選択されてもよい。
【００４０】
培養用管状材料は、ガラス、プラスチック、ポリマー、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、金属、シリコーン、および金属合金を備えてもよい。いくつかの実施形態では、フィルムまたはコーティングが、培養管または複数の管の表面に適用され、選択的に、ある波長スペクトル内の光の透過を可能にし、他の波長スペクトルの光の透過を遮断または反射させてもよい。培養用管状材料は、重量、培養条件、光透過率、生物付着抵抗、利用される洗浄方法、スクラッチに対する抵抗、および曇りに対する抵抗に基づいて、選択されてもよい。培養管区画は、密閉された流体連通のために、管の端部を継合するための当技術分野において公知の任意のコネクタによって連結されてもよい。コネクタは、可撤性であって、再使用可能であってもよい。培養管の端部は、直線端部、ねじ山付き端部、フランジ付き端部、あるいはビーズまたは他の突出部を備える端部を備えてもよい。
【００４１】
いくつかの実施形態では、培養管径、間隔、および構成は、少なくとも１つの照明デバイスから微生物の培養物への光の透過を最適化するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、培養管区画は全て、同一の直径を有してもよい。いくつかの実施形態では、培養管区画は、異なる直径を有してもよい。いくつかの実施形態では、培養管または複数の管は、限定ではないが、バッフル等の内部表面特徴を有し、培養管または複数の管を通して流動する水性培養培地内に乱流をもたらしてもよい。いくつかの実施形態では、管状バイオリアクタモジュールの入口培養管区画および出口培養管区画は、バイオリアクタモジュールを付加的バイオリアクタモジュール、ポンプおよび制御モジュール、および洗浄モジュール等の他のモジュールに連結するために、カムロック連結器等の迅速接続連結器を備えてもよい。
【００４２】
管状バイオリアクタモジュールのための単管状流路を形成するようにともに連結される、複数の培養管区画の一非限定的例示的実施形態は、図３−１０および１２−１４に示される。図８−１０および１２に示されるように、複数の直線培養管区画１４０および複数のＵベンド培養管区画１４１は、コネクタ１４２によってともに連結され、微生物の水性培養物のための単一螺旋管状流路を形成する。図１２−１３に示されるように、直線培養管区画１４０は、キャリア１２０の両側に１つずつ、培養管区画１４０の２つのアレイ間に水平に配置されるキャリア１２０によって支持される。キャリア１２０によって提供される支持は、培養管区画１４０を水平に互い違いにし、垂直様式において、第１のアレイ１４３および第２のアレイ１４４の両方内の培養管区画１４０を等しく離間させる。図９および１２に示されるように、管状バイオリアクタモジュールの入口培養管区画および出口培養管区画は、バイオリアクタモジュールを付加的バイオリアクタモジュール、ポンプおよび制御モジュール、または洗浄モジュール等の他のモジュールに連結し、他のモジュールから分断されるとき、水性培養物の隔離された体積をバイオリアクタモジュール内に密閉するために、カムロック連結器等の迅速接続連結器１４５を備えてもよい。
【００４３】
図８−１０および１３−１４では、培養管区画１４０の垂直間隔ならびに第１のアレイ１４３および第２のアレイ１４４の水平互い違いが、より詳細に示される。水平平面上の光の透過に関連する、培養管区画１４０の横断面図は、垂直間隔および水平互い違いが、培養管区画１４０の内側体積内の微生物の培養物による光の受容のための培養管区画１４０の構成をどのように最適化するかを示す。
【００４４】
管区画１４０はそれぞれ、管区画の長さに沿って走る縦軸を有する。図１４の略図に示されるように、管区画１４０の垂直間隔および水平互い違い構成は、培養管区画１４０の縦軸に対して法線方向に、培養管区画１４０の断面に交差する水平平面に沿った光の透過が、培養管の直径（Ｄ）以下だけ、培養管区画１４０の内部体積を通る光路を進行することを可能にする。ＤとＤ／２との間に水平距離を伴う、第１のアレイ１４３内の培養管区画１４０の部分に対して縦軸に対して法線方向に培養管区画１４０の断面に交差する任意の特定の水平平面に沿って、第２のアレイ１４４内の培養管区画１４０の一部との重複は、存在しない。Ｄ／２未満の水平距離を伴う、第１のアレイ１４３内の培養管区画１４０の部分に対して縦軸に法線方向に培養管区画１４０の断面に交差する任意の特定の水平平面に沿って、同様にＤ／２未満である水平距離を伴う、第２のアレイ１４４内の培養管区画１４０の部分に、わずかのみ重複が存在する。したがって、第１のアレイ１４３および第２のアレイ１４４内の培養管区画の垂直間隔および水平互い違い構成は、培養管区画１４０の部分に対して縦軸に法線方向に任意の水平平面を進行する光が、培養管区画の内部体積を通して、Ｄ以下の総距離だけ透過することを可能にする。図１３に示されるように、本重複パターンは、培養管区画１４０の垂直アレイ１４３、１４４において繰り返され、任意の高さ、体積、および流路長の管状バイオリアクタモジュールを作成し得る。
【００４５】
垂直に離間され、水平に互い違いにされた配列は、培養管１４０の縦軸に対して法線方向における水平平面上の光が、培養管１４０の内部体積を通してＤ以下の距離を進行するであろうことを確実にするが、若干の重複はまた、培養管１４０の縦軸に対して法線方向における水平平面上の全光（１００％）が、均一様式において培養管１４０に衝打し得、バイオリアクタモジュールを通して通過する、または培養管表面以外の表面に衝打することによって無駄にされ得ないことを確実にする。垂直間隔および水平互い違い構成の別の利点は、培養管区画の大表面積がまた、１〜９０度の角度における平面等の非水平平面上を進行する光、ならびに他の培養管区画１４０表面から反射される光にも暴露され得ることである。培養管区画の垂直間隔および水平互い違い配列は、第１の１４３および第２の１４４アレイ内に繰り返され、示される螺旋管状経路を産生し、また、垂直空間を効率的に利用するための小占有面積を伴う空間効率的構成を提供し得る。垂直に離間され、培養管区画の水平に互い違いにされた配列はさらに、具体的照明デバイスおよび培養管材料のための光放出角度、反射、および屈折を考慮することによって精緻化されてもよい。加えて、垂直に離間され、水平に互い違いにされた配列は、単一流路内で直列に接続される複数の管区画を伴う実施形態の文脈で論じられるが、垂直に離間され、水平に互い違いにされた配列はまた、別個の流路を備える別個の管区画を伴う実施形態において、そして、接続された別個の流路の組み合わせにおいて、利用されてもよい。いくつかの実施形態では、垂直に離間され、水平に互い違いにされた配列はまた、非円形断面を伴う管区画と併用されてもよい。
【００４６】
少なくとも１つの照明デバイスは、限定ではないが、蛍光灯、発光ダイオード（ＬＥＤ）、マイクロＬＥＤ、高圧ナトリウムランプ、高輝度放電ランプ、ネオンランプ、金属蒸発ランプ、ハロゲンランプ、硫黄プラズマランプ、および白熱灯等、微生物の培養物に光を提供可能な任意の照明デバイスを備えてもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの照明デバイスは、限定ではないが、紫色（約３８０−４５０ｎｍ）、青色（約４５０−４９５ｎｍ）、緑色（約４９５−５７０ｎｍ）、黄色（約５７０−５９０ｎｍ）、橙色（約５９０−６２０ｎｍ）、赤色（約６２０−７５０ｎｍ）、および遠赤外線（約７００−８００ｎｍ）、赤外線（ＩＲ）（約１，０００−２０，０００ｎｍ）、および紫外線（ＵＶ）（約１０−４００ｎｍ）等、特定の波長スペクトルまたはスペクトルの組み合わせの光を提供するように選択または調整されてもよい。いくつかの実施形態では、光の印加は、連続、断続、点滅、またはパルス状であって、任意の所望の明／暗サイクルを作成してもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの照明デバイスによって供給される光の強度は、一定強度または可変強度を備えてもよい。少なくとも１つの照明デバイスが、バイオリアクタモジュール上の任意の場所に搭載されてもよく、またはバイオリアクタモジュールと別個であってもよい。一非限定的例示的実施形態では、図４は、パネル１３０上に搭載され、パネル１３０が図３に示される閉鎖位置にあるとき、光を培養管区画１４０に印加する、複数の照明デバイス１５０を示す。
【００４７】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光デバイスが、バイオリアクタモジュールの片側に提供されてもよく、バイオリアクタモジュールの第２の側面は、照明デバイスを有していなくてもよく、または照明デバイスが枢動開放型であるパネルを有してもよい。一非限定的例示的実施形態では、第１の側面上に照明デバイスがあって、開放型の第２の側面を伴う、モジュール式バイオリアクタシステムは、図３０に示される。モジュール式バイオリアクタシステムは、ポンプおよび制御モジュール２００と、バイオリアクタモジュール１００とを備える。バイオリアクタモジュール１００は、照明デバイス１５０を第１の側面上に有し、第２の側面は、開放され、太陽８００に面し、天然太陽光８１０を開放型側面に提供する。いくつかの実施形態では、照明デバイスは、夜間または天然太陽光が利用不可能であるとき、開放型の第２の側面に追加されてもよい。
【００４８】
いくつかの実施形態では、Ｕベンド等の屈曲培養管区画に連結される直線培養管区画を備える、バイオリアクタモジュール内の圧力は、直線および屈曲培養管区画に、水性培養物の漏出を生じさせるために十分な分離もたらし得る。漏出を防止するために、バイオリアクタモジュールは、張力を利用して、管区画連結部に液密シールを維持する、保定デバイスを備えてもよい。
【００４９】
保定デバイスの一非限定的例示的実施形態は、図２６−２７に示される。デバイスは、Ｕベンド培養管区画１４１の周囲に巻着された可撓性ストラップ６００を備える。可撓性ストラップ６００は、布地、ナイロン、ゴム、または任意の他の好適なエラストマー材料であってもよい。可撓性ストラップ６００は、不透明、透明、または任意の程度の透明性であってもよい。可撓性ストラップ６００は、はと目金６１０によって、締め金具６２０に取り付けられてもよい。締め金具６２０は、キャリア１２０または構造フレーム要素１１０において、バイオリアクタモジュールの支持フレームに取り付けられてもよい。培養管区画１４０、１４１およびコネクタ１４２にかかる張力は、締め金具６２０を通して調節されてもよい。
（ポンプおよび制御モジュール）
【００５０】
ポンプおよび制御モジュールは、バイオリアクタモジュールと直接または間接流体連通し、流体の循環、培養物パラメータの感知、熱交換、ガス交換、培養物パラメータの監視、栄養添加、水の除去、汚染の制御、および任意の使用可能構成に配列された微生物の水性培養物を用いた自動化された制御のための当技術分野において公知の少なくとも１つの構成要素を備えてもよい。さらなる実施形態では、ポンプおよび制御モジュールは、培養培地の添加、培養物播種源の移送、および培養物収穫を促進し得る。いくつかの実施形態では、ポンプは、圧力を使用して、モジュール式バイオリアクタシステムを通して水性培養培地を循環させる。いくつかの実施形態では、ポンプは、重力、エアリフトシステム、または水車と組み合わせて機能し、水性培養培地を循環させてもよい。ポンプは、電力要件、微生物の剪断感度、および空間要件に基づいて選択されてもよい。
【００５１】
いくつかの実施形態では、センサは、微生物の水性培養物のパラメータおよびモジュール式バイオリアクタシステムの動作を監視ならびに検出するために使用されてもよい。センサは、感光色素（例えば、葉緑素）、溶存二酸化炭素、溶存酸素、ｐＨ、濁度、流率、および温度センサを備えてもよい。センサは、培養培地が、ポンプおよび制御モジュールを通して流動するにつれて、流路に沿った任意の場所において、培養培地の流路内に配置されてもよい。さらなる実施形態では、センサは、光学、超音波、および雑音／音（例えば、ポンプ故障、漏出、または管破壊を検出するため）センサを備えてもよい。
【００５２】
いくつかの実施形態では、センサは、隔離マウント内に配置されてもよい。隔離マウントは、センサポートに近接し、センサを水性培養物から隔離し得る、ゲートを伴う、マウント内にセンサを保持し得る。ゲートが開放位置にあるとき、センサは、センサポートを通して水性培養物を流動させるように浸漬されてもよい。ゲートが閉鎖位置にあるとき、センサは、水性培養物を環境または外部汚染に暴露せずに、センサマウントから除去されてもよい。ゲートが閉鎖されると、センサは、洗浄、較正、検査、または置換のために除去されてもよい。
【００５３】
いくつかの実施形態では、熱交換器は、水性培養物の流路内に浸漬されるコイルまたはプレートを備えてもよい。コイルまたはプレートは、冷却水または加熱水等の熱交換流体を循環させてもよい。いくつかの実施形態では、熱交換器は、脱気タンク内に配置される、または脱気タンクと別個の水性培養培地を循環させる管の区画内に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、モジュールバイオリアクタシステムのための熱交換器は、水をバイオリアクタモジュールの外部表面上に噴霧するステップ、暖房換気空調（ＨＶＡＣ）ユニットを通して等、バイオリアクタモジュールを囲繞する環境の温度を制御するステップ、強制空気循環を用いて受動的に冷却するステップ、または任意のそれらの組み合わせを含んでもよい。
【００５４】
いくつかの実施形態では、ガスは、水性培養培地中のガスが、水性培養培地から液体ガス界面上方の空域中に拡散することが可能であるように構成される、脱気タンクの使用を通して、水性培養培地から除去されてもよい。いくつかの実施形態では、ガスは、限定ではないが、二酸化炭素、酸素、空気、および窒素等のガスの注入を通して、水性培養培地に添加されてもよい。いくつかの実施形態では、水性培養培地から除去されたガスは、大気中に放出され、収集され、モジュール式バイオリアクタシステム内で再使用されてもよい。
【００５５】
いくつかの実施形態では、栄養が、限定ではないが、塩、微量金属、および有機炭素等の水性培養物に添加されてもよい。微量金属として、鉄、銅、モリブデン、亜鉛、コバルト、マンガン、およびそれらの組み合わせが挙げられ得る。有機炭素源として、酢酸塩、酢酸、リノール酸アンモニウム、アラビノース、アルギニン、アスパラギン酸、酪酸、セルロース、クエン酸、エタノール、果糖、脂肪酸、ガラクトース、グルコース、グリセロール、グリシン、乳酸、乳糖、マイレン酸、麦芽糖、マンノース、メタノール、糖密、ペプトン、植物由来加水分解物、プロリン、プロピオン酸、リボース、サッカロース、デンプンの部分または完全加水分解物、スクロース、酒石酸、ＴＣＡサイクル有機酸、蒸留残液、尿素、産業廃棄物溶液、酵母エキス、およびそれらの組み合わせが挙げられ得る。いくつかの実施形態では、栄養は、濃縮形態であってもよい。いくつかの実施形態では、栄養は、希釈形態であってもよい。いくつかの実施形態では、生菌混合物が、システムの微生物の平衡を維持するために添加されてもよい。代替実施形態では、システムは、無菌状態で動作するように設計される。用語「無菌」は、全ての他の「汚染」生物（すなわち、微細藻類または藍色細菌培養物の健康を悪化させる生物）が全くない生物の培養物を説明する。明細書全体を通して、「無菌」は、細菌基本培地を伴う寒天板内に播種されると、着目微生物以外の任意のコロニーを形成しない、培養物を指す。「無菌」は、限定ではないが、細菌、藍色細菌、微細藻類、および／または菌類等の任意の他の生体生物によって汚染されていない、またはそれと関連付けられていない、培養物を説明する。「無菌」は、通常、他の異なる生物の存在が完全にない、微生物の純培養物を参照して使用される。微細藻類または藍色細菌の無菌培養物は他の異なる生物が完全にない。代替として、操作は、１０，０００ＣＦＵ／ｍＬ未満として測定されるように、微生物の水性培養物中に低細菌レベルで維持されてもよい。代替実施形態では、バイオリアクタは、依然として、培養物の一次微生物の成長を助長しながら、１Ｘ１０８ＣＦＵ／ｍＬ以下の細菌レベルで動作してもよい。
【００５６】
いくつかの実施形態では、水除去構成要素は、電気脱水デバイス、遠心分離機、膜、またはフィルタを備えてもよい。いくつかの実施形態では、汚染制御デバイスは、泡沫分離デバイス、音波処理デバイス、抗生物質供給デバイス、または電場印加デバイスを備えてもよい。
【００５７】
いくつかの実施形態では、モニタおよび制御システムは、水性培養物バイオリアクタシステムのためのポンプ、照明デバイス、弁、センサ、およびスイッチを監視ならびに制御するために当技術分野において公知のプログラマブル論理制御（ＰＬＣ）システム、少なくとも１つの弁、およびデータ通信ハードウェアを備えてもよい。モニタおよび制御システムは、センサからデータを受信し、感知されたデータに応答して、データを使用して、熱交換、ガス交換、栄養添加、光印加、培養培地の添加、および循環流率を制御し、水性培養物パラメータおよびモジュール式バイオリアクタシステム動作を所望のレベルに維持してもよい。いくつかの実施形態では、モニタおよび制御システムは、限定ではないが、グラフィカルユーザインターフェースまたはタッチスクリーンインターフェース等のユーザインターフェースを備え、ユーザが、モジュール式バイオリアクタシステムの動作を制御することを可能にしてもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの弁は、自動化されたソレノイド弁を備える。いくつかの実施形態では、モニタおよび制御システムは、ポンプを制御し、バイオリアクタモジュール内の水性培養物の滞留時間を調節してもよい。いくつかの実施形態では、栄養の添加は、光の印加と連動してもよい。
【００５８】
いくつかの実施形態では、ポンプおよび制御モジュールは、培養培地の添加、モジュール式バイオリアクタシステムの中への微生物の播種源培養物の移送、および収穫のための微生物の水性培養物の少なくとも一部の除去から成る群から選択される、少なくとも１つの動作のための少なくとも１つポートを備えてもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのポートは、滅菌動作を促進し、モジュール式バイオリアクタシステム内の無菌条件を維持し、モジュール式バイオリアクタシステムの中への外部汚染の導入を最小限にするように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、ポートは、動作を行う際の効率を促進するための迅速接続／切断連結部のために構成されてもよい。
【００５９】
いくつかの実施形態では、ポンプおよび制御モジュールは、水性培養物がモジュール式バイオリアクタシステムを通して循環するにつれて、連続ベースで水性培養物の体積を保持してもよい。ポンプおよび制御モジュールが、迅速接続連結器を使用して、モジュール式バイオリアクタシステムから分断されると、培養物体積は、自己密閉式迅速接続連結器によって、ポンプおよび制御モジュール内に隔離される。いくつかの実施形態では、水性培養物の隔離された体積は、収穫のために、ポンプおよび制御モジュールから排出されてもよい。いくつかの実施形態では、水性培養物の隔離された体積は、ポンプおよび制御モジュールが、別のバイオリアクタモジュールに連結されるとき、別の培養物体積に添加されてもよい。いくつかの実施形態では、限定ではないが、脱気タンク、ポンプ、熱交換器、栄養添加、ガス注入、およびセンサ等のポンプおよび制御モジュールの全ての主要構成要素は、二重結合ボール弁によって隔離されてもよい。
【００６０】
ポンプおよび制御モジュール２００の一非限定的例示的実施形態は、図１５−２０に示される。例示的ポンプおよび制御モジュール２００は、脱気タンク２１０と、ｐＨ、温度、溶存酸素、溶存二酸化炭素、および流率センサを備える、センサマニホールド２５０と、二酸化炭素供給、有機炭素供給、空気供給、および窒素供給デバイスを備える、ガスおよび栄養供給マニホールド２４０と、ポンプ２６０と、冷却水を利用する熱交換器２２０と、培地または播種源添加のためのポート２８０と、収穫のためのポートおよび弁２９０と、プログラマブル論理制御システム（ＰＬＣ）２３０とを備える。例示的ポンプおよび制御モジュール２２０はまた、迅速接続連結部２７０を備え、密閉された流体連通のために、洗浄およびバイオリアクタモジュール等の他のモジュールの入口および出口に連結する。ポンプおよび制御モジュールはまた、ポンプおよび制御モジュールの流路を通して配置される、ポンプ、栄養およびガス添加マニホールド、センサマニホールド、および熱交換器等の付加的構成要素を備えてもよい。
【００６１】
ポンプおよび制御モジュールを通した水性培養物の流路の一非限定的例示的実施形態では、流路は、１）水性培養物の流動をバイオリアクタモジュールから受容するステップと、２）脱気タンクに流入する前に、パラメータセンサを備えるマニホールドを通して流動を通過させるステップと、３）脱気タンクを通して流動を通過させるステップと、４）脱気タンクから流出した後に、パラメータセンサを備えるマニホールドを通して流動を通過させるステップと、５）二酸化炭素注入デバイスを通してポンプに流動を通過させるステップと、６）熱交換器に流入する前に、流率センサを通して流動を圧送するステップと、７）熱交換器を通して流動を通過させるステップと、８）熱交換器から流出後、栄養添加デバイスを通して流動を通過させるステップと、９）窒素注入デバイスを通して流動を通過させるステップと、１０）空気供給デバイスを通して流動を圧送するステップと、１１）バイオリアクタモジュールに再流入する前に、パラメータセンサを備えるマニホールドを通して流動を通過させるステップとを含んでもよい。
【００６２】
効果的流動設計の複数の組み合わせは、異なる組み合わせにおけるポンプおよび制御モジュールを通して、説明される例示的流路のステップを並べ替える、または選択的に排除することによって、産生され得る。しかしながら、説明される例示的流動は、複数の利点を提供する。第１に、二酸化炭素または他のガス（例えば、空気、酸素）をポンプ前の培養培地の中に導入することによって、ガスは、バイオリアクタモジュールに再流入する前に、水性培養培地内により効果的に圧縮され、二酸化炭素または他のガスが、成長プロセスにおいて、バイオリアクタモジュールの乱流中に長い常駐時間の間、微生物によって利用され得る。第２に、センサに対する二酸化炭素、有機炭素、窒素、および空気の離間送達は、センサから正確な読取値を得る間に、水性培養物中の高レベルの混合を促進する。
（洗浄モジュール）
【００６３】
いくつかの実施形態では、モジュール式バイオリアクタシステムは、バイオリアクタモジュールならびにポンプおよび制御モジュールのうちの少なくとも１つと直接または間接流体連通する、洗浄モジュールを備えてもよい。いくつかの実施形態では、洗浄モジュールは、バイオリアクタモジュールの体積を空にせずに、またはモジュール式バイオリアクタシステム構成要素のいずれかを分解せずに、流体圧力を使用して、バイオリアクタモジュールの培養管流路を通してパイプ検査ゲージ（ＰＩＧ）またはスワブを循環させるためのピギングまたはスワビングシステムを備えてもよい。いくつかの実施形態では、ＰＩＧまたはスワブは、流路表面の掻爬、流路表面のブラッシング、流路表面の清拭、および流路表面に付着した物質を弛緩させるための音響エネルギーの印加から成る群から選択される、少なくとも１つを使用して、培養管流路の内部表面を洗浄（すなわち、有機蓄積物、汚れ、または他の物質を除去）してもよい。いくつかの実施形態では、ＰＩＧまたはスワブは、小型ＰＩＧが培養管流路を通して循環するにつれて、データを収集する、または管壁の表面および完全性を検査するためのセンサを具備した小型ＰＩＧを備えてもよい。ＰＩＧまたはスワブは、培養管内に嵌合する、任意の形状を備えてもよく、培養管と嵌合する、または培養管の管に接触するように適合されてもよい。いくつかの実施形態では、ＰＩＧまたはスワブは、円筒形形状を備えてもよい。
【００６４】
いくつかの実施形態では、洗浄システムは、ポンプおよび制御モジュール内のプログラマブル論理制御システム（ＰＬＣ）によって動作されてもよい。いくつかの実施形態では、ＰＩＧまたはスワブは、培養物体積が収穫されるにつれて、バイオリアクタモジュール内の培養物体積をバイオリアクタモジュールの中に導入された水性培地から分離するために使用されてもよい。ＰＩＧまたはスワブが、バイオリアクタモジュールの流路を辿るにつれて、ＰＩＧまたはスワブが、同時に、培養物体積を分離し、培養管流路の内部表面を洗浄するにつれ、モジュール式反応器システムにダウンタイムがなく、ＰＩＧまたはスワブ正面の培養物体積は、収穫ポートを通して、バイオリアクタモジュールから流出し、ＰＩＧまたはスワブの背後のバイオリアクタモジュール体積は、微生物を備える新しい培養物で充填される。
【００６５】
いくつかの実施形態では、洗浄モジュールは、洗浄ビーズをバイオリアクタモジュールの流路の中に導入する、システムを備えてもよい。ビーズは、水性培地中に種々のレベルで分散するであろう、可変密度の小型プラスチックまたは発泡体ボールを備えてもよい。ビーズが、管流路を通して流動するにつれて、ビーズは、内部管表面に接触し、内部管表面に付着した物質を弛緩させ得る。いくつかの実施形態では、洗浄モジュールは、水性培養物の体積がバイオリアクタモジュールから排出された後、バイオリアクタモジュールを通して洗浄溶液（例えば、漂白溶液）または蒸気を流すためのシステムを備えてもよい。洗浄溶液または蒸気の使用は、細菌を死滅させる、有機物質を分解する、または概して、バイオリアクタシステムの内部表面を滅菌するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、洗浄モジュールは、迅速接続連結器を備え、洗浄モジュールを密閉された流体連通内のバイオリアクタモジュール、ならびにポンプおよび制御モジュールのうちの少なくとも１つに連結してもよい。
【００６６】
洗浄システムを備える、洗浄モジュール３００の一非限定的例示的実施形態は、図２１に示される。洗浄システムは、スワブ（図示せず）と、進水のためのスナバ（図示せず）と、捕捉のためのスナバ（図示せず）と、進水チャンバ３１０と、捕捉チャンバ３２０と、モジュール式バイオリアクタシステム内の流動および圧力を制御するための複数の弁３３０と、４５度Ｔ字管３４０とを備える。洗浄システムはまた、迅速接続連結器３５０を備え、洗浄システムをバイオリアクタモジュールならびにポンプおよび制御モジュールに連結する。洗浄システムはまた、ｐＨ、温度、溶存酸素、および溶存酸素センサのうちの少なくとも１つを伴う、センサマニホールド３６０を備えてもよい。
（方略的照明実施形態）
【００６７】
いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、方略的に設置された照明デバイスを使用して、光を微生物の培養物に印加するためのより効率的構成を具備してもよい。少なくとも１つの照明デバイスは、バイオリアクタモジュール内に方略的に設置され、バイオリアクタモジュールの照射区分または漸増照射区分を作成してもよい。方略的に設置された照明デバイスによって、バイオリアクタモジュールを通して流動する微生物の培養物は、方略的に設置された照明デバイスを通り過ぎるときだけ、光に暴露され、したがって、光を継続的に放出する照明デバイスを用いて、デューティサイクルまたは点滅／パルス効果をもたらすための流速と併せて光を効果的に使用して、光暴露の規定のデューティサイクルおよび周波数をもたらし得る。デューティサイクルは、バイオリアクタモジュール体積の具体的割合のみが照射されるように、流路および照明デバイスサイズを選定することによって生成されてもよい。周波数は、流率が増加するにつれて増加する周波数を用いて、所望の周波数において、微生物をバイオリアクタモジュール照明区分内外に移動させるように、ポンプおよび制御システム同様に、水性培養培地の流速を変調させることによって制御されてもよい。いくつかの実施形態では、方略的照明を伴うバイオリアクタモジュールは、同時に、水性培養物体積全体に光を印加する、または点滅光を利用し、デューティサイクルを生成するバイオリアクタモジュールより少ない照明デバイスを備え、より少ないエネルギーを使用し得る。いくつかの実施形態では、直接、照明デバイスを透明管状流路の外部に適用することによって、照明デバイスによって放出される光の少なくとも９０％、９５％、または９９％が、透明管状流路の内側体積の中に透過され得る。
【００６８】
方略的照明を伴う管状流路を備える、バイオリアクタモジュールの一非限定的例示的実施形態は、図２２−２３に示される。図２２に示されるように、少なくとも１つの照明デバイス４２０は、直接、管４１０の透明区画上に配置されてもよい。少なくとも１つの照明デバイス４２０は、バイオリアクタモジュールの重複管区画または他の構成要素からの光の遮断を伴わずに、直接、管区画４１０の内部の中に光を透過させるＬＥＤで管区画を包囲する、リングまたはクランプを備えてもよい。いくつかの実施形態では、管全体が、透明であってもよい。いくつかの実施形態では、透明管区分４１０は、コネクタ４４０によって、非透明管区分４３０に連結されてもよく、または透明管は、不透明材料で被覆またはコーティングされた区分を備えてもよく、したがって、管区分は、少なくとも１つの照明デバイスの場所においてのみ透明であってもよい。図２３に示されるように、複数の照明デバイス４２０が、管状流路上に離間され、照明デューティサイクルを生成してもよい。いくつかの実施形態では、照明デバイスは、管区画の長さに沿って、等しく離間されてもよい。いくつかの実施形態では、照明デバイスは、管区画の長さに沿って、非等間隔を有してもよい。別の実施形態では、方略的照明デバイスは、管区画の周囲に巻着されたマイクロＬＥＤの少なくとも１つの柔軟性シートを備える。別の実施形態では、複数のＬＥＤ等の方略的照明デバイスは、直接、管区画の壁内に埋設されてもよい。
（混合栄養性バイオリアクタ実施形態）
【００６９】
いくつかの実施形態では、モジュール式バイオリアクタシステムは、混合栄養性条件下で微生物を培養するために専用に構成されてもよい。混合栄養性バイオリアクタモジュールは、少なくとも１つの照明デバイスと、管状バイオリアクタ等の閉鎖型バイオリアクタ構成とを備えてもよい。混合栄養性ポンプおよび制御モジュールは、ｐＨ、溶存酸素、および溶存二酸化炭素センサと、ガス供給デバイス（例えば、二酸化炭素、酸素、空気）と、有機炭素供給デバイスとを備えてもよい。いくつかの実施形態では、混合栄養性ポンプおよび制御モジュールは、脱気タンクまたは空気注入システムを備えていなくてもよい。ガス交換のために空気注入および脱気タンクを利用する代わりに、混合栄養性ポンプおよび制御モジュールは、プログラマブル論理制御システム（ＰＬＣ）を使用し、水性培養物中のｐＨ、溶存酸素、および溶存二酸化炭素レベルを監視し、バイオリアクタモジュールの閉鎖流路内のガスの交換を促進してもよい。
【００７０】
ＰＬＣは、溶存酸素および溶存二酸化炭素センサからのセンサ入力に基づいて、ｐＨを最適レベルに維持するために、微生物の水性培養物への有機炭素およびガス（例えば、二酸化炭素、酸素、空気）の投与を制御してもよい。ＰＬＣは、成長および酸素生産のための微生物による光および二酸化炭素の使用を促進するために、溶存酸素レベルが閾値レベルを下回ると、二酸化炭素の投与を制御してもよい。投与される二酸化炭素の量はまた、検出された溶存二酸化炭素レベルによって判定されてもよい。ＰＬＣは、成長および二酸化炭素生産のための微生物による有機炭素の使用を促進するために、溶存酸素レベルが閾値レベルを上回るとき、有機炭素の投与を制御してもよい。ポンプおよび制御からの空気注入および脱気タンクの排除は、培養培地から拡散する未使用ガスの量およびバイオリアクタ内の泡の量を低減させ、かつ厳密に光合成および厳密に従属栄養用に構成されたシステムの両方と比較して、機器の量、モジュールのサイズ、およびモジュールの重量を減少させる。加えて、混合栄養性モジュール式バイオリアクタシステム内の効率的ガス供給および消費は、厳密に光合成および厳密に従属栄養用に構成されたシステムより炭素中立に近づく。他の実施形態では、混合栄養性ポンプおよび制御モジュールは、脱気タンクおよび／または空気注入デバイスを備えてもよい。
【００７１】
いくつかの実施形態では、有機炭素源は、溶存酸素が、１２５％または１５０％を上回って、あるいは２００％飽和を超えて上昇すると、水性培養物に限定された供給量として添加されてもよい。有機炭素は、バイオリアクタ流路の長さの割合として、水性培養物中の微生物によって消費させ得る。
（センサマニホールド実施形態）
【００７２】
いくつかの実施形態では、センサマニホールドは、マニホールドの内部表面上の生物付着を促進し、センサデータに影響を及ぼし得る、流動停滞ゾーンを減少させるように最適化されてもよい。センサマニホールドは、継目のないマニホールド内に配置された少なくとも１つのセンサと、両側に衛生継手またはクランプとを備えてもよく、これは、糊着されたＰＶＣ継合からの継目を備える従来のマニホールドと比較して、全体的外被および流動停滞ゾーンを減少させ得る。いくつかの実施形態では、マニホールドは、ステンレス鋼から構築される。少なくとも１つのセンサを搭載するための中空栓が、マニホールドの湾曲プロファイルと一致するサドル形状とともに、直接、ステンレス鋼マニホールドに溶接され、標準的ＰＶＣＴ字管の陥凹または突出平坦表面によってもたらされる停滞ゾーンを減少させ、流路表面の湾曲プロファイルに従わないブッシングを低減させ得る。カスタム栓内へのセンサのための緊密嵌合はまた、栓のベースにおけるＯリングを用いて向上され、センサが栓内に搭載されると、流体が栓を通して上向きに流動することを防止し得る。カスタム溶接された栓はまた、栓の内部体積の流体流路内へのセンサのためのより精密な位置決めを提供し、流動境界の途絶を最小限にする。継目のないステンレス鋼マニホールドはまた、マニホールドを洗浄および滅菌するための高圧蒸気または高圧滅菌の使用の選択肢を提供する。
【００７３】
最適化されたセンサマニホールドの一非限定的例示的実施形態は、図２４−２５に示される。図２４−２５における断面図は、継目のないマニホールド５００と、マニホールドの流路内に精密に配置されたセンサプローブヘッドを伴うセンサ５２０を保持する、カスタム溶接された栓５１０とを示す。栓５１０のサドル形状ベース表面５４０は、マニホールド５００の湾曲プロファイルに従い、流動境界内の途絶を最小限にする。栓５１０とセンサ５２０との間に配置されるＯリング５３０は、センサヘッドが、マニホールド５００の流路内に方略的に設置されることを可能にし、液体培養培地が、栓を通して上向きに流動することを防止する。
（カスケード式移送バイオリアクタシステム）
【００７４】
前述の説明されるモジュール式バイオリアクタシステムは、カスケード式移送バイオリアクタシステム内で使用されてもよい。カスケード式移送バイオリアクタシステムは、図２８の略図に示されるように、最小体積を伴うバイオリアクタモジュール内の微生物の水性培養物から開始する、異なる体積の複数のバイオリアクタモジュールを備えてもよい。いったん培養物が、微生物密度および成熟のある段階に到達すると、体積全体が、次の最大体積のバイオリアクタモジュールに移送されてもよい。培養物成長およびより大きい体積への移送プロセスは、体積が最終または生産バイオリアクタに播種するために十分になるまで、複数回、繰り返されてもよい。
【００７５】
図２８の略図に示されるように、バイオリアクタ体積１は、バイオリアクタモジュールの最小体積を有し、微生物培養物の播種源から開始する。いったんバイオリアクタ体積１内の培養物が、臨界密度および成熟に到達すると、体積全体が、別個のバイオリアクタモジュール内のより大きいバイオリアクタ体積２に移送される。いったんバイオリアクタ体積２内の培養物が、臨界密度および成熟に到達すると、体積全体が、別個のバイオリアクタモジュール内のより大きいバイオリアクタ体積３に移送される。いったんバイオリアクタ体積３内の培養物が、臨界密度および成熟に到達すると、体積全体が、生産バイオリアクタモジュール内のより大きいバイオリアクタ体積４に移送される。図２７に示される実施例は、バイオリアクタ体積を増加させる４つの段階を実証するが、カスケード式移送概念が、異なる体積の少なくとも２つのバイオリアクタを備える体積の増加を伴う、任意の数のバイオリアクタモジュール内で実装されてもよい。いくつかの実施形態では、各バイオリアクタモジュールは、マニホールドを通した流体連通のために、他のバイオリアクタモジュールに連結されてもよい。いくつかの実施形態では、バイオリアクタ間の各移送は、外部環境および外部汚染から密閉された移送として生じる。
【００７６】
各バイオリアクタモジュールは、他のバイオリアクタモジュールとの流体連通から隔離されてもよい。いくつかの実施形態では、カスケード式移送バイオリアクタシステムは、複数のポンプおよび制御モジュールを備えてもよい。いくつかの実施形態では、カスケード式移送バイオリアクタシステムは、複数の洗浄モジュールを備えてもよい。いくつかの実施形態では、カスケード式移送バイオリアクタシステムは、自動化されたシステムを備え、培養物体積を環境または外部汚染に暴露せずに、バイオリアクタモジュール間の収穫および移送を促進してもよい。複数のバイオリアクタモジュール１００および複数のポンプおよび制御モジュール２００を伴う、カスケード式移送バイオリアクタシステム７００の一非限定的例示的実施形態は、図２９の部分図に示される。
【００７７】
モジュール式バイオリアクタを備える、カスケード式移送バイオリアクタシステムは、生産プラットフォームとして、シード反応器プラットフォームとして、または両方の組み合わせとして使用されてもよい。カスケード式移送バイオリアクタシステムは、生産反応器の下流に１つ以上のより大きい体積を伴う、シード生産に接続するシステム内で使用されてもよい。カスケード式移送バイオリアクタシステムは、部分的または完全に、収穫され、より大きいシード反応器に播種してもよい。カスケード式移送バイオリアクタシステムは、顔料または他の高価値製品を産生するために２ステップ成長プロセスを要求する、製品の生産のための仕上げステップとして使用されてもよい。
【００７８】
代替実施形態では、カスケード式移送バイオリアクタシステムは、異なる直径を有する、培養管区画を備えてもよく、小径は、優先的に、光合成区分のために使用される一方、より大きい管状直径は、好ましくは、混合栄養性区分のために使用される。異なる培養管径を伴う区画が、全体的システム圧力降下が低減されるように、高レイノズル係数を使用せずに、システム内の乱流または混合を向上させるように介在および接続されてもよい。
【００７９】
当業者は、わずかなルーチン実験を使用して、本明細書に具体的に説明される具体的実施形態の多数の均等物を認識および確認可能であろう。そのような均等物は、以下の請求項の範囲内に包含されることが意図される。
名称リスト
【表１】
0006461015.tif 000002
参考文献：
・第ＤＥ１０２００５０２５１１８Ａ１号
・ＩＧＶ  Ｂｉｏｔｅｃｈ．  Ｆｏｔｏｎｓ  ｆｏｒ  Ｆｕｔｕｒｅ：  Ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔ  Ｃａｔａｌｏｇ（著作権２０１２年）。アクセスオンライン（２０１３年２月２０日現在）：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｇｖ−ｂｉｏｔｅｃｈ．ｃｏｍ／ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ−ｓｃａｌｅ−ｕｐ．ｈｔｍｌ
・第ＵＳ３，９５５，３１８号（Ｈｕｌｌｓ）
・第ＵＳ８，１０１，０８０Ｂ２号（Ｒｏｂｉｎｓｏｎ，  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＵＳ２００８／０３１１６４９Ａ１号（Ｃｌｏｕｄ，  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＵＳ２０１０／００５５７６５Ａ１号（Ｆｒａｎｋ）
・第ＵＳ２０１０／００６８７７９Ａ１号（Ｗｅｌｌｓ  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＵＳ２０１１／００２７８７５Ａ１号（Ｃａｔｈｃａｒｔ）
・第ＵＳ２０１１／００９２７２６Ａ１号（Ｃｌａｒｋｅ）
・第ＵＳ２０１２／００８８２９６Ａ１号（Ｖａｒｇａｓ  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＵＳ２０１２／０１０７９１９Ａ１号（Ｂｒｏｎｅｓｋｅ  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＵＳ２０１２／０１２２１９９Ａ１号（Ｋａｂａｋｉａｎ）
・第ＵＳ２０１２／０１６４７１２Ａ１号（Ｅｌｌｅｍ  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＵＳ２０１２／０２０２２９０Ａ１号（Ｍｕｅｌｌｅｒ−Ｒｅｅｓ  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＵＳ２０１３／００２３０４３Ａ１号（Ｈｉｎｋｅｎｓ）
・第ＵＳ２０１３／０１７７９６６Ａ１号（Ｄｅ  Ｐｏｌｉ）
・第ＷＯ１９９４／０９１１２Ａ１号（Ｍｕｌｌｅｒ−Ｆｅｕｇａ，  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＷＯ１９９５／０６１１１Ａ１号（Ｔｒｅｄｉｃｉ，  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＷＯ１９９９／４６３６０Ａ１号（Ｍｏｒｔｉｍｅｒ，  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＷＯ２００７／１２９３２７Ａ１号（Ｓｉｎｇｈ）
・第ＷＯ２００８／０１０７３７Ａ１号（Ｆｅｒｒｅｉｒａ）
・第ＷＯ２００９／０５１４７８Ａ２号（Ｖａｎ  ｄｅ  Ｖｅｎ，  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＷＯ２００９／０５１４７９Ａ２号（Ｖａｎ  ｄｅ  Ｖｅｎ，  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＷＯ２００９／０５１４８０Ａ２号（Ｖａｎ  ｄｅ  Ｖｅｎ，  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＷＯ２０１０／０１４０１０Ａ２号（Ｋｒｅｎｂｒｉｎｋ  ｅｔ  ａｌ．）
・第ＷＯ２０１０／１１５４１２Ａ２号（Ｗｉｎｋｅｌ）
・第ＷＯ２０１２／０１９２０６Ａ１号（Ｍａｋｏｎｄｅ，  ｅｔ  ａｌ．）
【図１】
0006461015.tif 000003
【図２】
0006461015.tif 000004
【図３】
0006461015.tif 000005
【図４】
0006461015.tif 000006
【図５】
0006461015.tif 000007
【図６】
0006461015.tif 000008
【図７】
0006461015.tif 000009
【図８】
0006461015.tif 000010
【図９】
0006461015.tif 000011
【図１０】
0006461015.tif 000012
【図１１】
0006461015.tif 000013
【図１２】
0006461015.tif 000014
【図１３】
0006461015.tif 000015
【図１４】
0006461015.tif 000016
【図１５】
0006461015.tif 000017
【図１６】
0006461015.tif 000018
【図１７】
0006461015.tif 000019
【図１８】
0006461015.tif 000020
【図１９】
0006461015.tif 000021
【図２０】
0006461015.tif 000022
【図２１】
0006461015.tif 000023
【図２２】
0006461015.tif 000024
【図２３】
0006461015.tif 000025
【図２４】
0006461015.tif 000026
【図２５】
0006461015.tif 000027
【図２６】
0006461015.tif 000028
【図２７】
0006461015.tif 000029
【図２８】
0006461015.tif 000030
【図２９】
0006461015.tif 000031
【図３０】
0006461015.tif 000032