JP2008545441A - 光合成微生物からの、油および他の有用な産物の製造のための連続−バッチ・ハイブリッド法 - Google Patents
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Abstract
Description
これらおよび他の目的は、連続生産の第一段階を閉鎖系で行いバッチ生産の第二段階を開放系で行なう2段階の連続−バッチ生産方法によって達成される。最初に、光と栄養分とが適切な条件下で十分な二酸化炭素を供給した場合に16時間ごとに少なくとも倍となる速さで増殖することができる微生物を、選択(例えば遺伝子修飾による生成を含む)しなければならない。こうした遺伝子修飾は、例えば、R. Leon-Nanares、
D.Gonzalez-Ballester、A. Galvan、及びE. Fernandezによる“Transgenic microalgae as green cell-fractories”(Trends in Biotechnology, Volume 22(1), pp. 45-52, 2004)に開示されており、これは本明細書に組み込まれる。例えば、今のところ、以下の種および/または株を用いて、本発明を実施することが好ましい:(i)テトラセルミス・スエシカ(Tetraselmis suecica)、ハワイ大学カルチャー・コレクションの「TETRA1」株;イソクリシス・ガルバナ(Isochrysis galbana)、ハワイ大学カルチャー・コレクションの「ISOCH1」株;(iii)ファエオダクチルム・トリコルヌツム(Phaeodactylum tricornutum)、ハワイ大学カルチャー・コレクションの「PHAEO1」または「PHAEO2」株;あるいは(iv)ナンノクロロプシス(Nannochloropsis)属、特に、“The cell composition of Nannochloropsis sp. changes under different irradiances in semicontinuous culture,”World Journal of Microbiology and Biotechnology, Vol. 20, pp. 31-35, 2004に報告されFabregasらに用いられたA.スケニク(A. Sukenik)株。ハワイ大学カルチャー・コレクションには、特に光合成微生物からバイオ燃料を製造する目的で米国天然再生可能エネルギー研究所(NREL)により1980年代および1990年代に蓄積された数百の種および株の全カルチャー・コレクションが含まれる。使用可能なさらなる種には、デュナリエラ・プリモレクタ(Dunaliella primolecta)およびニツシア・クロステリウム(Nitzschia closterium)が含まれる。特に、閉鎖系は、培養の総陸地面積の20%を超える培養物を含むべきではなく、すなわち、総面積は、閉鎖系領域に加えて開放系領域によって占められる。さらに、光合成微生物のすべての種が所定の環境条件のセット下で単位照射面積あたり最大のバイオマス(「収容能力(carrying capacity)」)に達することを考えるならば、開放系培養を開始するまたは該培養に「接種する」閉鎖系により提供されるバイオマスの量は、開放系の収容能力の5%を超えるようにすべきである。開放系培養の収容能力を最大にするためには、栄養分ではなく光が収容能力を制限するように、開放系培養には十分な栄養分が与えられなければならない。さらに、開放系のいかなるバッチ培養も、5日間を超える期間(「滞留時間(residence time)」)持続させるべきではない。
生産施設での活性培養中の総陸地面積が、20%以下の閉鎖系領域および80%以上の開放系領域で構成されることが好ましい。この目的の開放系領域の計算は、生産施設中のすべての開放系が培地を含有すると仮定した際は、開放系中の培地の照射面積のみを意味する。しかし、閉鎖系領域の計算には、反応装置によって覆われる「計画的領域(plan area)」と、隣接する反応装置容器間のあらゆる「不活性領域(inert area)」の両方が含まれる。例えば、一連の水平なチューブ状閉鎖系によって占められる陸地の面積を想像されたい。計画的領域は反応装置自体によって覆われ(例えば、直径1フィートで長さ10フィートのチューブは10平方フィートの領域を覆う)、そして培地の照射面積に等しい。しかし、反応装置によって覆われていない隣接するチューブ間のさらなる不活性領域も存在しうる。閉鎖系によって必要とされる陸地の総面積、すなわち閉鎖系領域は、不活性領域を加えた計画的領域である。例えるならば、文章を書くにはこのページの全領域が必要であるが、書かれたもの自体はページの総面積の一部しか占めない。
Claims (19)
- 光合成微生物を培養する方法であって:
収容能力を有する開放系において十分な二酸化炭素を供給したときにほぼ16時間以内にバイオマスを倍増させることができる光合成微生物種を選択し;
前記種を閉鎖系内に導入し;
前記種を前記閉鎖系内で前記開放系の収容能力の5%を超えるバイオマスまで増殖させ;
前記収容能力の5%以上である前記種の最初のバイオマスを前記閉鎖系から前記開放系内に接種し;
前記開放系に連続して二酸化炭素を供給して前記微生物に十分な二酸化炭素を供給し、そして前記微生物によって取り除かれた二酸化炭素を補充し;そして
前記種を前記開放系内で5日間未満の期間維持してほぼ16時間かそれ未満ごとにバイオマスを倍増させる、
ことを含む方法。 - 前記光合成微生物が、細菌、シアノバクテリア、および藻類からなる群より選択される、請求項1記載の方法。
- 前記種が、前記開放系において、1日あたりおよそ1.5回の倍増から1日あたりおよそ8回の倍増までの速度でバイオマスを倍増させる、請求項1記載の方法。
- 前記種が、前記開放系において、16時間ごとに少なくとも1回から3時間ごとに1回までの速度でバイオマスを倍増させる、請求項1記載の方法。
- 前記接種工程から最大で5日後に、前記種の実質的にすべてを前記開放系から取り除くことをさらに含む、請求項4記載の方法。
- 前記維持工程を、前記種の増殖が二酸化炭素の利用可能性により制限されるように行う、請求項1記載の方法。
- 前記維持工程を、前記種が前記収容能力のおよそ90%に達する後まで行う、請求項1記載の方法。
- 前記供給工程を、化石燃料の燃焼、化学薬品の工業製造、または化石燃料の地質学的鉱床からの化石燃料の採取からなる群より選択される供給源からの煙道ガスを用いて行う、請求項1記載の方法。
- 油を合成する方法であって:
収容能力を有する開放系において十分な二酸化炭素を供給したときにほぼ16時間以内にバイオマスを倍増させる光合成微生物種を選択し;
前記種を閉鎖系内に導入し;
前記種が前記開放系の収容能力の5%を超えるバイオマスまで増殖するまで前記種を前記閉鎖系内で培養して;
前記収容能力の5%以上である前記種の最初のバイオマスを前記閉鎖系から前記開放系内に接種し;
前記開放系に連続して二酸化炭素を供給して前記微生物に十分な二酸化炭素を供給し、そして前記微生物によって取り除かれた二酸化炭素を補充し;そして
前記種を前記開放系内で維持して、前記種が前記収容能力のおよそ90%に達するまで5日間未満の期間で、ほぼ16時間かそれ未満ごとに倍増させる
ことを含む、前記方法。 - 光合成微生物を培養する方法であって:
収容能力を有する開放系において十分な二酸化炭素を供給したときに16時間ごとに少なくともほぼ1回倍増する増殖速度を有する光合成微生物を選択し;
前記微生物を閉鎖系にて培養し;
前記収容能力のほぼ5%以上に等しい量の前記微生物を前記閉鎖系から開放系に接種し;
前記開放系に連続して二酸化炭素を供給して前記微生物に十分な二酸化炭素を供給し、そして前記微生物によって取り除かれた二酸化炭素を補充し;
前記微生物を前記開放系内で維持して少なくとも前記増殖速度で増殖させ;そして
前記接種工程後ほぼ5日間未満で前記開放系から前記微生物を採取する
ことを含む、前記方法。 - 前記微生物の増殖が、二酸化炭素の利用可能性により制限されるように前記開放系を維持する
ことをさらに含む、請求項10記載の方法。 - バイオマス原料を生成する方法であって:
収容能力を有する開放系において十分な二酸化炭素を供給したときにほぼ16時間かそれ未満のうちにバイオマスを倍増させる光合成微生物種を選択し;
前記種が前記収容能力の5%を超えるバイオマスまで増殖するまで前記種を閉鎖系内に導入し;
前記収容能力の5%以上である前記種の最初のバイオマスを前記閉鎖系から前記開放系内に接種し;
前記開放系に連続して二酸化炭素を供給して前記種に十分な二酸化炭素を供給し、そして前記種によって取り除かれた二酸化炭素を補充し;そして
前記種を前記開放系内で5日間未満の期間維持し、ほぼ16時間かそれ未満ごとに倍増させてバイオマス原料を生成する
ことを含む、前記方法。 - 煙道ガスを用いる方法であって:
収容能力を有する開放系において十分な二酸化炭素を供給したときにほぼ16時間かそれ未満のうちにバイオマスを倍増させる光合成微生物種を選択し;
前記種を閉鎖系内に導入し;
前記煙道ガスを前記閉鎖系内に供給し;
前記種を前記閉鎖系内で増殖させ、そして前記煙道ガスを用いて前記開放系の収容能力の5%を超えるバイオマスまで増殖させ;
前記収容能力の5%以上である前記種の最初のバイオマスを前記閉鎖系から前記開放系内に接種し;
前記開放系に連続して前記煙道ガスを供給して前記種に十分な二酸化炭素を供給し、そして前記種によって取り除かれた二酸化炭素を補充し;そして
前記種を前記開放系内で5日間未満の期間維持してほぼ16時間かそれ未満ごとにバイオマスを倍増させる
ことを含む、前記方法。 - 油を合成する方法であって:
収容能力を有する開放池において、十分な二酸化炭素を供給した場合、ほぼ16時間以下で、バイオマスを倍増させる光合成微生物を選択し;
少なくとも3.5%の二酸化炭素濃度を有し、化石燃料の燃焼、化学薬品の工業製造、油およびガスの精製、ならびに化石燃料の地質学的採取からなる供給源より選択される煙道ガスを、およそ20センチメートルの最大培養深度を有するフォトバイオリアクター内に注入し;
前記微生物を前記フォトバイオリアクター内に導入し;
前記フォトバイオリアクター内で前記微生物に十分な栄養分を提供して栄養分が増殖の制限要因となることを回避し;
前記微生物を前記フォトバイオリアクター全体で乱流混合し、それにより前記フォトバイオリアクター内で前記微生物を連続指数関数的に増殖させ;
前記開放池の前記収容能力の5%以上である前記微生物の最初のバイオマスを前記閉鎖フォトバイオリアクターから前記開放池内に接種し;
前記開放系に連続して二酸化炭素を供給して前記微生物に十分な二酸化炭素を供給し、そして前記微生物によって取り除かれた二酸化炭素を補充し;そして
前記微生物を前記開放池内で最大5日間高い栄養分濃度で維持して、それにより高い光強度および高い栄養分濃度の最初の条件により連続した指数関数的増殖が短期間支持されるが、タンパク質合成を阻害する窒素利用可能性によって増殖は制限されるようになり、それにより油含量が増加する
ことを含む、前記方法。 - 油の生合成方法であって:
収容能力を有する開放池において十分な二酸化炭素を供給したときにほぼ16時間かそれ未満のうちにバイオマスを倍増させる光合成微生物を選択し;
少なくとも3.5%の二酸化炭素濃度を有し、化石燃料の燃焼、化学薬品の工業製造、化石燃料の精製、および化石燃料の地質学的採取からなる群より選択される供給源より選択される煙道ガスを、およそ20センチメートルの最大培養深度を有するフォトバイオリアクター中に溶解し;
前記微生物を前記フォトバイオリアクター中の前記培地内に導入し;
前記培地において前記微生物に十分な栄養分を提供して栄養分が増殖の制限要因となることを回避し;
前記培地中の前記微生物を前記フォトバイオリアクター全体で乱流混合して前記培地中に前記微生物の実質的に均質な分布を提供し、それにより前記微生物が前記フォトバイオリアクターにおいて連続指数関数的に増殖し;
前記開放池の前記収容能力の5%以上である前記微生物の最初のバイオマスを前記閉鎖フォトバイオリアクターから前記開放池内に接種し;
少なくとも3.5%の二酸化炭素濃度を有し、化石燃料の燃焼、化学薬品の工業製造、化石燃料の精製、および化石燃料の地質学的採取からなる群より選択される供給源より選択される煙道ガスを前記開放池に連続して供給して前記微生物に十分な二酸化炭素を供給し、そして前記微生物によって取り除かれた二酸化炭素を補充し;そして
前記微生物を前記開放池内で最大5日間高い栄養分濃度で維持して、それにより高い光強度および高い栄養分濃度の最初の条件により連続した指数関数的増殖が短期間支持されるが、タンパク質合成を阻害する窒素利用可能性によって増殖が制限されるようになり、それにより油含量が増加する
工程を含む、前記方法。 - 陸地領域上でバイオマスを合成する方法であって:
収容能力を有する開放池において十分な二酸化炭素を供給したときにほぼ4時間かそれ未満のうちにバイオマスを倍増させる光合成微生物を選択し;
前記微生物を、およそ20センチメートルの最大培養深度を有し、前記陸地面積の20%未満を占めるフォトバイオリアクター内に導入し;
前記フォトバイオリアクターにおいて前記微生物に十分な栄養分を提供して栄養分が増殖の制限要因となることを回避し;
前記微生物を前記フォトバイオリアクター全体で乱流混合して、それにより前記微生物が前記フォトバイオリアクター内で連続指数関数的に増殖し;
前記収容能力の15%以上である前記微生物の最初のバイオマスを、前記フォトバイオリアクターから、前記陸地面積の80%より多くを占める前記開放池内に接種し;
前記開放池に連続して二酸化炭素を供給して前記微生物に十分な二酸化炭素を供給し、そして前記微生物によって取り除かれた二酸化炭素を補充し;そして
前記微生物を前記開放池内で最大1日間高い栄養分濃度で維持し、それにより高い光強度および高い栄養分濃度の最初の条件により連続した指数関数的増殖を短期間支持させるが、細胞の増殖により光によって増殖が制限されるようになる
ことを含む、前記方法。 - 油の生合成方法であって:
収容能力を有する開放池において十分な二酸化炭素を供給したときにほぼ16時間かそれ未満のうちにバイオマスを倍増させる光合成微生物を選択し;
少なくとも3.5%の二酸化炭素濃度を有し、化石燃料の燃焼、化学薬品の工業製造、化石燃料の精製、および化石燃料の地質学的採取からなる群より選択される供給源より選択される煙道ガスを、およそ20センチメートルの最大培養深度を有するフォトバイオリアクター中に溶解し;
前記微生物を前記フォトバイオリアクター中の前記培地内に導入し;
前記培地において前記微生物に十分な栄養分を提供して栄養分が増殖の制限要因となることを回避し;
前記培地中の前記微生物を前記フォトバイオリアクター全体で乱流混合して、それにより前記微生物は前記フォトバイオリアクター内で連続指数関数的に増殖し;
前記開放池の前記収容能力の5%以上である前記微生物の最初のバイオマスを前記閉鎖フォトバイオリアクターから前記開放池内に接種し;
前記開放池に連続して二酸化炭素を供給して前記微生物に十分な二酸化炭素を供給し、そして前記微生物によって取り除かれた二酸化炭素を補充し;そして
前記微生物を前記開放池中で最大5日間高い栄養分濃度で維持し、それにより高い光強度および高い栄養分濃度の最初の条件により連続した指数関数的増殖を短期間支持させるが、タンパク質合成を阻害する窒素利用可能性によって増殖が制限されるようになり、それにより油含量が増加する
ことを含む、前記方法。 - バイオマス原料を合成する方法であって:
収容能力を有する開放池において十分な二酸化炭素を供給したときにほぼ4時間かそれ未満のうちにバイオマスを倍増させる光合成微生物を選択し;
少なくとも3.5%の二酸化炭素濃度を有し、化石燃料の燃焼、化学薬品の工業製造、化石燃料の精製、および化石燃料の地質学的採取からなる群より選択される供給源より選択される煙道ガスを、およそ20センチメートルの最大培養深度を有するフォトバイオリアクター中に溶解し;
前記微生物を前記フォトバイオリアクター中の前記培地内に導入し;
前記培地において前記微生物に十分な栄養分を提供して栄養分が増殖の制限要因となることを回避し;
前記培地中の前記微生物を前記フォトバイオリアクター全体で乱流混合して、それにより前記微生物は前記フォトバイオリアクター内で連続指数関数的に増殖し;
前記開放池の前記収容能力の15%以上である前記微生物の最初のバイオマスを前記閉鎖フォトバイオリアクターから前記開放池内に接種し;
前記開放池に連続して二酸化炭素を供給して前記微生物に十分な二酸化炭素を供給し、そして前記微生物によって取り除かれた二酸化炭素を補充し;そして
前記微生物を前記開放池中で最大1日間高い栄養分濃度で維持して、それにより高い光強度および高い栄養分濃度の最初の条件により連続した指数関数的増殖を短期間支持させるが、細胞の増殖により光によって増殖が制限されるようになる
ことを含む、前記方法。 - 陸地領域上で光合成微生物を培養するための装置であって:
可視光を透過し、各々が最大40センチメートルの培養深度を提供し、前記陸地領域の計画的領域を覆い、各々の容器間の前記陸地領域の一部は不活性領域を画定し、前記計画的領域および前記不活性領域は前記陸地領域の20%以下を占める、1以上の培養容器;
前記培養容器各々の中の栄養培地;
機械的剪断により細胞に損傷が与えられないほど十分に低い乱流を前記各々の培養容器中の前記栄養培地全体に生成するための乱流手段、ここで前記培養容器、前記栄養培地、および前記乱流手段は1以上のフォトバイオリアクターを画定する;
各々が収容能力を有し、合わせて前記陸地領域の80%以上を占める、1以上の開放池、
を含み、それにより前記開放池の各々について前記収容能力の少なくとも5%を含む微生物のバイオマスを、前記フォトバイオリアクターから前記開放池内に接種することができる、装置。
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