JP2010507368A - 光合成細胞を増殖させるためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

導管内で光合成細胞を増殖させるシステムおよび方法を開示する。本システムおよび方法は、光、CO₂、および養分を細胞に供給する。本システムおよび方法はまた、導管における熱変動を緩衝する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全開示が具体的に参照により本明細書に組み入れられる、「細胞を増殖させるためのシステムおよび方法」と題する2006年10月20日に提出された米国特許仮出願第60/862,366号の優先権を主張する。

A．発明の分野
本発明の態様は概して、制御された条件下で光合成細胞を増殖させるためのシステムおよび方法に関する。特に、本発明の態様は、バイオ燃料などの生成物を産生するために光合成微生物を用いることに関する。

B．関連技術の説明
今日、世界が直面している二つの難題には、地球温暖化をもたらす、進行しつつある二酸化炭素による環境汚染、および化石燃料などの世界の天然エネルギー資源の消費の増加がある。化石燃料の消費の増加が、二酸化炭素による大気汚染の増加に相関するという、問題の多いサイクルが存在する。

たとえば、米国は化石燃料の燃焼によって年間17億トンの二酸化炭素を産生すると推定されている（米国特許出願第2002/0072109号（特許文献1）を参照されたい）。化石燃料の消費による地球規模での二酸化炭素の産生はさらに多く、年間70〜80億トンであると推定されている（Marland et al. 2006）。二酸化炭素による大気汚染の増加は、地球温暖化の増加に至り、次にこれが洪水、干ばつ、熱波、ハリケーンおよび竜巻などの過酷な気象事象の頻度および強度を増加させうる。地球温暖化の他の結果には、農作物収穫高の変化、種の消滅、および病原媒介者の範囲の拡大が含まれうる。

二酸化炭素を改善するための方法が提案されている。たとえば、米国特許出願第2002/0072109号は、化石発電ユニットの排出における炭素含有化合物の濃度を減少させることができるオンサイトでの生物学的分離システムを開示している。このシステムは藻類およびシアノバクテリアなどの光合成微生物を用い、これらを太陽光によって照らされる封じ込めチャンバ内に配置した増殖表面に付着させる。シアノバクテリアまたは藻類は、化石発電ユニットによって産生された二酸化炭素を取り込む。

第二の難題に関して、地球上のエネルギー需要の増加により、再生不可能な化石燃料エネルギー供給に対する要求はさらに増加している。代替エネルギー源が開発中である。たとえば、トウモロコシ、ダイズ、亜麻仁、ナタネ、サトウキビ、およびパーム油などの農作物が、バイオ燃料の産生において用いるために現在生育されつつある。農業、住宅建設、および林業などの産業からの生物分解性の副産物も同様に、バイオエネルギーを産生するために用いることができる。たとえば、嫌気性消化によって、わら、材木、肥料、コメ、穀皮、汚水、生物分解性の廃棄物、および残飯をバイオガスに変換することができる。

生きている生物を用いてエタノールを産生するための方法も同様に試みられている。たとえば、Muller et al.に対する米国特許第4,242,455号（特許文献2）は、デンプン顆粒および／またはセルロースチップ、および繊維などの炭水化物ポリマー粒子の水溶性スラリーを、無機強酸によって酸性にして発酵可能な糖を形成する連続プロセスを記述している。次に、発酵可能な糖を少なくとも二つの酵母菌（Saccharomyces）株によってエタノールに発酵させる。Chibata et al.に対する米国特許第4,350,765号（特許文献3）は、固定した酵母菌またはザイモモナス（Zymomonas）、および発酵可能な糖を含有する栄養培養ブロスを用いて高濃度でエタノールを産生する方法を記述している。Arcuri et al.に対する米国特許第4,413,058号（特許文献4）は、連続リアクターカラムに微生物を入れて、水溶性の糖の流れをカラムの中に通過させることによってエタノールを産生するために用いられる、ザイモモナス・モビリス（Zymomonas mobilis）株を記述している。

Hartley et al.に対するPCT出願WO/88/09379（特許文献5）は、セロビオースおよびペントースが含まれる広範囲の糖を発酵させることによってエタノールを産生する通性嫌気性好熱細菌を用いることを記述している。これらの細菌株は、乳酸デヒドロゲナーゼに変異を含有する。その結果、通常は嫌気性条件で乳酸塩を産生するこれらの株は、その代わりにエタノールを産生する。

米国特許出願第2002/0042111号（特許文献6）は、エタノールを産生するために用いることができる遺伝子改変シアノバクテリアを開示する。シアノバクテリアには、ザイモモナス・モビリスのプラスミドpLOI295から得たピルビン酸デカルボキシラーゼ（pdc）およびアルコールデヒドロゲナーゼ（adh）酵素をコードするDNA断片を含む構築物が含まれる。

米国特許出願第2002/0072109号 米国特許第4,242,455号 米国特許第4,350,765号 米国特許第4,413,058号 PCT出願WO/88/09379 米国特許出願第2002/0042111号

概要
本開示の態様は、光合成細胞を増殖させるための、用途の広い制御可能なシステムおよび方法を提供することによって、当技術分野における欠陥を克服する。本システムおよび方法によって、光合成微生物の生理的特徴およびそれらによる有用な生成物の産生を決定する要因を独立して制御することができる。態様はまた、システムの作動の際のエネルギーおよび水の消費を最小限にする。

ある態様において、システムは、外表面、内表面、長さ、および使用時に太陽光を内部容積に通過させる少なくとも一部、を有する導管を含む。導管の少なくとも一部は、昼間のあいだ太陽光に曝露することができ、かつ熱緩衝システムが、導管に対して作動可能な関係で存在しうる。非制限的な例において、CO₂供給システムは、使用時に内部容積にCO₂を供給するように構成され；養分供給システムは、使用時に内部容積に一種類または複数種類の養分（たとえば、窒素およびリン）を供給するように構成され；かつ分離システムは、使用時に導管から細胞を取り出し、細胞を戻し、制御可能な方法で水を濾過して内部容積に戻すように構成される。ある態様において、養分は硝酸塩または別の固定窒素化合物の成分であってもよい。

非制限的な例において、熱緩衝システムは、深さ約2フィートから深さ10フィートのあいだ、好ましくは深さが4〜6フィート、および最も好ましくは深さ約5フィートの池を含む。池は、50平方メートルから200平方メートルのあいだであってもよく、好ましくは100平方メートルから150平方メートルのあいだ、および最も好ましくは約130平方メートルである。池は、ほぼ地面の高さの区域に土手によって構成されてもよい。導管は、池の液面より3フィート程度水面下に浸漬していてもよく、池は部分的または完全に日陰であってもよい。導管の一部はまた、地下に埋められていてもよく、または他の何らかの方法で戸外の光から遮られていてもよい。遮光システムは、ケーブルもしくはチェーン駆動装置によって引き寄せることができる格納式の防水シート、または格納式の水泳プール用カバーを含んでもよい。池はまた、異なる作動条件を異なる区画で維持することができるように、区画に分けられてもよい。さらに、光合成細胞のより高い産生率へと規模拡大するために、導管を含有する二つまたはそれより多い池を同時に作動させてもよい。熱緩衝システムはまた、池または他の流体レザバーの上にキャットウォークを含んでもよい。キャットウォークは、導管に沿って縦方向に走っており、およそ6〜8フィート中心で導管を横切り、レザバーの底部から支持されてもよい。キャットウォークは、導管のメンテナンスおよび洗浄のために用いられてもよい。非制限的な例において、システムは、導管の中で引きずられて導管内部を洗浄するための柔らかい球などの、導管を洗浄するための洗浄装置を含んでもよい。ある態様において、ブラシ、吸引、またはハイドロブラスターを用いて導管の外部を洗浄してもよい。

特定の態様は、実質的に固体を含まない透過物を導管から取り出し；実質的に固体を含まない透過物の一部を導管に戻して再循環させ；濃縮固体の未透過物（retentate）をシステムから取り出し；かつ実質的に固体を含まない透過物の一部を導管へ再循環させるように構成された流体制御システムを含んでもよい。

光合成細胞は、参照により本明細書に組み入れられる、2006年10月20日もしくはその前後に提出された「改変シアノバクテリア」と題する米国特許仮出願第60/853,285号およびWillem F.J. Vermaasによって2007年10月20日もしくはその前後に提出された「改変シアノバクテリア」と題するPCT出願番号＿＿＿によるシアノバクテリアであってもよい。非制限的な例において、シアノバクテリアは、シネコシスチス種（Synechocystis sp.）PCC 6803またはサーモシネココッカス・エロンガツス種（Thermosynechococcus elongatus sp.）BP-1であってもよい。

シネコシスチス種PCC 6803は、非常に望ましい分子遺伝的、生理的および形態学的特徴の独特の組み合わせを示す単細胞生物である。たとえば、この種は、自然発生的に形質転換可能で、二重相同組み換えによって異物DNAを自身のゲノムに組み入れ、異なる多くの生理条件下（たとえば、光合成自己栄養／混合栄養／従属栄養）で増殖し、かつ比較的小さい（直径〜1.5μm）（Van de Meene et al. 2006）。その全ゲノムが配列決定されており（Kaneko et al. 1996）、他の細菌群における相同体がないオープンリーディングフレームが高い割合で見いだされている（Fraser et al. 2000）。シネコシスチス種PCC 6803は、American Type Culture Collectionからアクセッション番号ATCC 27184で入手可能である（Rippka et al., 1979. J. Gen. Micro., 111 :1-61）。

サーモシネココッカス・エロンガツス種BP-1は、温泉に生息し、至適増殖温度がおよそ55℃である単細胞の好熱性シアノバクテリアである（Nakamura et al. 2002）。この細菌の全ゲノムが配列決定されている。このゲノムには、2,593,857塩基対の環状の染色体が含まれる。全体で、可能性があるタンパク質コード遺伝子2475個、rRNA遺伝子1組、tRNA 42種を表すtRNA遺伝子42個、および低分子構造RNAのための遺伝子4個が予測された。

使用時に太陽光を内部容積に通過させる導管の一部は透明であってもよい。ある態様において、透明な部分は、透明もしくは半透明のガラス、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、またはポリエチレンを含んでもよく、導管は、円形の断面を有する管を含んでもよい。

他の態様において、細胞を増殖させる方法は、一つまたは複数の導管の内部容積内で細胞を培養する段階；CO₂および固定窒素を内部容積に供給する段階；CO₂および固定窒素を自然光に曝露する段階；導管における任意の熱変動を緩衝する段階；および内部容積から細胞を取り出す段階を含む。ある態様において、細胞はシアノバクテリアであり、熱変動を緩衝させる段階は、導管の外表面を流体に接触させる段階を含む。非制限的な例において、流体の温度は制御され、かつ導管の中の流速は2〜20 cm/秒であり、より好ましくは4〜10 cm/秒であり、最も好ましくは5〜10 cm/秒である。CO₂は、煙道ガスまたは燃焼排ガスによって供給されてもよく、養分は地下水、アンモニア、硝酸塩、または他の固定窒素化合物によって供給されてもよい。非制限的な例において、細胞は膜によって取り出され、かつ導管は流体レザバーに浸漬される。

特定の非制限的な方法において、内部容積内のCO₂、固定窒素、および温度は、シアノバクテリアまたは他の光合成微生物の増殖にとって適した量で維持される。たとえば、CO₂は、導管の内部容積内で、約0.01％〜10％で、より好ましくは0.02％〜7％で、および最も好ましくは0.03％〜5％で維持されてもよい。窒素は、およそ0.1〜15 mM（ミリモル濃度）、好ましくは0.3〜12 mMで維持されてもよい。温度は、内部容積内でおよそ3〜80℃で、好ましくは10〜60℃で維持されてもよい。

非制限的な例において、導管は直径約1〜18インチのあいだ、より好ましくは直径4〜8インチ、および最も好ましくは約5〜7インチであってもよい。導管は、長さが10〜200メートル、好ましくは長さ50〜150メートル、および最も好ましくは長さがほぼ100メートルであってもよい。

熱緩衝システムは、使用時に流体が導管に接触して循環するように構成されてもよく、かつ導管の少なくとも一部が浸漬される、合成ライナーを有する流体レザバーを含んでもよい。他の態様において、システムは、導管を支持するように構成された支持体を含んでもよい。支持体は、パイプスタンドまたは襞のあるシートを含んでもよく、およそ2〜50フィート離れてもよく、より好ましくは約4〜10フィート離れてもよく、および最も好ましくは約6フィート離れてもよい。非制限的な例において、導管の列の一方または双方の末端で配管ヘッダーに接続されたいくつかの導管の列が存在する。ある態様において、導管の列のおよそ半分の流れは一つの方向に、かつ残りの導管の列の流れは反対方向に流れる。

ある態様において、CO₂供給システムはポンプを含んでもよく、使用時に導管の内部容積に燃焼排ガスまたは煙道ガスを注入するように構成されてもよい。

非制限的な例において、導管内で流体を循環させるために用いられるポンプは、エアリフトポンプ、軸流ポンプ、遠心ポンプ、スクリューポンプ、または容積式ポンプであってもよい。これは流速およそ500〜5,000 L/分、より好ましくは約1,000〜3,000 L/分、および最も好ましくは約2,500 L/分を提供してもよい。非制限的な例において、ポンプは、全揚程およそ0.25〜10 m、より好ましくは0.5〜5 m、および最も好ましくは約1.0 mの流れを提供してもよい。

他の例において、システムは、導管と作動可能な関係で配管溝またはヘッダーを含んでもよく、配管溝またはヘッダーは、使用時にCO₂注入を受け入れるように構成される。CO₂は、燃焼排ガスを提供する供給源を含む多数の異なる供給源から提供されてもよい。CO₂供給システムはまた、CO₂含有ガスを供給する送風機を含んでもよい。送風機は、流速およそ100〜5,000立方メートル/時間、より好ましくは500〜2,500、および最も好ましくは約1,500立方メートル/時間を有してもよい。ある態様において、CO₂システムは、汚染物質（たとえば、SO₂）を除去するためにスクラバー（たとえば、アルカリスクラバー）を有してもよい。非制限的な例において、UV光または化学フィルターを用いて送風機からの空気を滅菌してもよい。CO₂供給システムは、配管ヘッダーまたは溝に直接CO₂を注入するように構成されてもよい。

ある態様において、養分供給システムは、使用時に導管の内部容積に地下水を供給するように構成されてもよい。この例において、地下水がシステムに窒素を提供すること、およびシステムが地下水から窒素を除去することによって、相乗的な利益が実現される。養分供給システムはまた、アンモニアまたは硫酸アンモニウムを有する貯蔵タンクおよび計量型ポンプを含んでもよい。リンなどの他の養分も同様に、養分供給システムによって添加されてもよい。

ある態様において、養分供給システムは、産業廃水処理プラントにおいて典型的に用いられるパッケージ型供給システムをによって、窒素、リン、および／または他の無機物を添加する。養分供給システムは混合タンク、デイタンク、および自動計量型ポンプを含んでもよい。養分供給システムは、アンモニア、硫酸アンモニウム、およびリン酸などの養分または無機物を添加するために用いられてもよい。

他の非制限的な例において、分離システムは膜を含んでもよい。特定の態様において、膜は、Zenon（登録商標）システムなどの中空繊維の限外濾過膜システム、またはKubota（登録商標）システムなどの平膜が浸漬された膜システムであってもよい。ある態様において、分離（または脱水）システムは、20〜10,000 mg/Lの範囲から1,000〜50,000 mg/Lの範囲、より好ましくは100〜300 mg/Lから5,000〜25,000 mg/L、および最も好ましくは200 mg/Lから10,000 mg/Lの範囲で固体を濃縮すると考えられる。分離システムは、透過水を循環させて、固体を濃縮して反応システムに戻すものであり、これは一段階または多段階システムであってもよい。

特定の態様において、分離装置は、導管からの流体を受け入れ、濃縮固体を導管に個別に戻して、さらに処理するためにシステムから濃縮固体を取り出して、濾過された（固体を含まない）透過水をシステムから取り出し、かつ濾過された透過水を導管に戻す。分離装置への流れと分離装置からの流れのこの組によって、導管内部の固体（すなわち光合成微生物）濃度、さらに処理して導管に戻すために分離装置から取り出された固体濃度、および導管内部の光合成微生物の一定の増殖速度を独立に制御することが可能である。

ある態様において、システムから取り出された濃縮固体を、さらに脱水するために貯蔵タンクに輸送してもよい。第二の脱水段階は、1％固体から5〜50％固体へと、より好ましくは10〜25％、および最も好ましくは15〜20％固体へと生成物を濃縮してもよい。これは、遠心分離器、たとえばデカンター型遠心分離器（スクロール型またはソリッドボウル型遠心分離器としても知られる）を用いて達成してもよい。特定の非制限的な例は、さらなるフィルターも同様に含んでもよい。ある態様において、フロキュレーションシステム（たとえば、ポリマーシステム）を用いて遠心分離器において固体を捕捉してもよく、1回のワークシフトのあいだに固体の処理が完了しうるように遠心分離器の大きさを決定してもよい。

特定の非制限的な態様は、回収された固体を、バイオ燃料（たとえば、バイオディーゼル）もしくは燃焼燃料となりうる、または他の可能性がある用途を有する、半乾燥もしくは乾燥した「破砕（fractured）」細胞残渣が含まれる他の有用な生成物に変換するための処理システムを含む。ある態様において、生成物の処理は、細胞を溶解または破砕する段階を含む。以下が含まれるがこれらに限定されるわけではない様々な破砕法を使用してもよい：熱処理；超音波処理；機械的磨耗（たとえば、容積式ポンプ）；加圧および急激な減圧；不活性媒体を加えることによる磨耗および破砕；パルス電場；アルカリまたは酸処理。ある態様において、破砕後にさらなる処理法を行ってもよい。たとえば、固体からの油または他の生成物の直接溶媒抽出または超臨界CO₂抽出を行ってもよい。この後に、油からバイオディーゼルを産生してもよく、残りの細胞断片をおよそ10〜80％固体まで、より好ましくは30〜60％、および最も好ましくは約50％固体まで脱水する。他の非制限的な例において、細胞を80％またはそれより多い固体まで、より好ましくは90％またはそれより多く、および最も好ましくはほぼ100％固体まで乾燥させた後、バイオディーゼル産生のために油の溶媒抽出または超臨界CO₂抽出を行ってもよい。他の態様において、およそ20％固体を含有する生成物を、熱、アルカリ、およびエタノールによって処理して、バイオディーゼル生成物を産生してもよい。様々な乾燥法を態様において用いてもよく、たとえば天日乾燥または機械乾燥を用いて生成物を乾燥してもよい。

本明細書において考察された任意の態様が本発明の任意の方法またはシステムに関連して実行されうることまたはその逆も同じであることが企図される。さらに、本発明のシステムは、本発明の方法を達成するために用いることができる。

本特許請求の範囲および／または明細書において用いられる場合、「導管」という用語またはその任意の変化形には、その中に流体が伝達される任意の構造が含まれる。導管の非制限的な例には、パイプ、管、チャネル、または他の閉鎖構造が含まれる。

本特許請求の範囲および／または明細書において用いられる場合、「レザバー」という用語またはその任意の変化形には、流体を保持することができる任意のボデー構造が含まれる。レザバーの非制限的な例には、池、タンク、貯蔵池、タブ、または他の類似の構造が含まれる。

「約」または「およそ」という用語は、当業者によって理解されるように、近似であることと定義され、一つの非制限的な態様において、該用語は10％以内、好ましくは5％以内、より好ましくは1％以内、および最も好ましくは0.5％以内であると定義される。

本特許請求の範囲および／または明細書において用いられる場合、「阻害する」もしくは「低減する」という用語またはこれらの用語の任意の変化形には、所望の結果を達成するための任意の測定可能な減少または完全な阻害が含まれる。

本明細書および／または特許請求の範囲において用いられる場合の「有効な」という用語は、望ましい、予想される、または意図される結果を達成するために適切であることを意味する。

本特許請求の範囲および／または明細書において「含む」という用語と共に用いる場合の「一つの（a）」または「一つの（an）」という言葉の使用は、「一つ」を意味する可能性があるが、同様に「一つまたは複数」、「少なくとも一つ」、および「一つまたは一つより多い」という意味とも一致する。

本特許請求の範囲における「または」という用語の使用は、代替物のみを明白に示している場合または代替物が相互に排他的である場合を除き、「および／または」を意味するために用いられるが、本開示は代替物のみ、ならびに「および／または」を指す定義を支持する。

本明細書および特許請求の範囲を通して用いられるように、「含む」（および「含む（comprise）」および「含む（comprises）」などの「含む」の任意の型）、「有する」（および「有する（have）」および「有する（has）」などの「有する」の任意の型）、「含まれる」（および「含まれる（includes）」および「含まれる（include）」などの「含まれる」の任意の変化形）、または「含有する」（および「含有する（contains）」および「含有する（contain）」などの「含有する」の任意の型）という用語は、包括的すなわち非限定的であり、引用されていないさらなる要素または方法の段階を除外しない。

本発明の他の目的、特色、および長所は、以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。しかし、詳細な説明および実施例は、本発明の特定の態様を示しているが、例示するためのみに示されると理解すべきである。さらに、精神および範囲における変化および改変が、本詳細な説明から当業者に明らかとなるであろう。

熱緩衝システム、CO₂供給システム、養分供給システム、および分離システムを含む、光合成細胞を増殖させるためのシステムを示す。 流体レザバーにおける外部緩衝流体、導管、導管支持体、配管ヘッダー、ライナー、およびキャットウォークを含む、図1のシステムの部分断面図を示す。 動力装置と一体型の細胞増殖システムを含む態様を示す。 光合成細胞を増殖させるためのシステムのさらなる態様を示す。 既に記述された態様と類似の光合成細胞を増殖させるためのシステムの態様を図示する概略図である。

例示的な態様の説明
最初に図1を参照して、光合成細胞を増殖させるためのシステム100は、熱緩衝システム120、CO₂供給システム140、養分供給システム160、および分離システム180を含む。さらに図2を参照して、システム100の部分断面図は、流体レザバー121における外部緩衝流体129、導管122、導管支持体123、配管ヘッダー124、ライナー125、およびキャットウォーク126を含む。明快にする目的のために、図2において導管122は1本のみを示す。示される態様において、内部流体139は、内部容積128内で内部流体139に光131を透過する材料を含む導管122の内部容積128内で増殖する細胞127を含む。この態様において示されるように、流体除去パイプ137は、内部流体139および光合成細胞127を内部容積128から排水するまたは取り出す。同様に図2において示されるように、CO₂パイプ132および養分供給パイプ133は配管ヘッダー124に連結している。図2において示される態様は、レザバー121に外部流体129を供給する流体入口パイプ134および外部流体129をレザバー121から排出するための流体出口パイプ135を含む。

示される態様において、ポンプ136は、入口パイプ134および出口パイプ135によってレザバー121を通して外部流体129を循環させる。ある態様において、熱緩衝システム120は、流体レザバー121および外部流体129を含む。他の態様において、熱緩衝システム120はまた、ポンプ136、入口パイプ134および出口パイプ135、ならびに温度および流れ制御デバイスなどの他の関連する制御機器を含む。

レザバー121は、流れ区画151、152、および153に分割されてもよい。それぞれの流れ区画151〜153はさらに、相反する流れ区画154〜159および最終区画161〜163に分割されてもよい。たとえば、内部流体139は配管ヘッダー124から流れ区画155、末端区画161を通して流れて、流れ区画154の中を戻って配管ヘッダー124まで流れてもよい。一つの態様において、配管ヘッダー124に対して近位の（または一体型の）エアリフトポンプ（示していない）は、内部流体139を循環させるための動力を提供する。ポンプは、それぞれの流れ区画154〜159の入口末端に提供されてもよく、または各区画151〜153が、区画内で内部流体139の流れを循環させるために一つのポンプを用いてもよい。ある態様において、CO₂を含有するガスを、空気流ポンプを駆動する空気に注入してもよい。他の態様において、CO₂を含有するガスを配管ヘッダー124または養分供給パイプ133に直接注入してもよい。

ある態様において、CO₂供給システム140は、CO₂を含むガスを導管122の内部容積128に供給するパイプ132を含んでもよい。非制限的な例において、パイプ132は、燃焼排ガスに連結してもよい。特定の非制限的な態様において、パイプ132は、動力装置からの煙道ガス通気口に連結してもよい。CO₂供給システム140はまた、パイプ132に関連した機器を含んでもよい；たとえば、CO₂供給システム140は、CO₂の流れを調節するために、かつ／またはCO₂供給流から望ましくない物質を除去するために用いられる機器を含んでもよい。

ある態様において、養分供給システム160は、導管122の内部容積128に養分および無機物を供給する養分供給パイプ133を含んでもよい。非制限的な例において、パイプ133は、窒素ガスまたは硝酸塩のいずれかを含有する地下水を内部容積128に送る。養分供給システム160は、パイプ133に関連する機器を含んでもよく；たとえば、窒素供給システム160は、養分の流れを調節するかつ／または窒素供給流から望ましくない物質を除去するために用いられる機器を含んでもよい。

分離システム180は、内部流体139から光合成細胞127を分離するために用いられる機器を含む。図1および2において示される特定の態様において、分離システム180は、液体除去パイプ137、膜分離器181、および再循環ポンプ183を含む。分離システム180の後に、供給ポンプ182、ポリマー注入器184、遠心分離器185、および乾燥器186が続いてもよい。

システム100の作動時に、細胞127は、内部容積128内で光合成によって増殖する。CO₂パイプ132は、CO₂を配管ヘッダー124または配管ヘッダーの上流に供給する。養分供給パイプ133は、導管122の内部容積128に連結している配管ヘッダー124に養分および無機物を供給する。導管122の少なくとも一部は外部流体129の中に浸漬され、これによって内部容積128の熱変動または変化が緩衝される。外部流体129の温度は、熱交換器（図1または2において示していない）または燃焼動力装置の冷却システムなどの温度制御システムによって維持することができる。ある態様において、外部流体129は所望の温度で維持され、かつ／または周囲大気より高い比熱を有する。外部流体129は、自然の気象パターンまたは昼夜の変動による外気温の変化などの要因によって引き起こされる内部容積128の熱変動を低減させうる。ある態様において、熱変動の低減は、光131ならびにパイプ132および133からそれぞれ供給されたCO₂および窒素の反応によって達成される、細胞127の増殖を促進する可能性がある。

図1の態様において示されるように、内部流体139（細胞127を含む）は、膜分離装置181に連結した液体除去パイプ137によって内部容積128から取り出すことができる。ある態様において、分離装置181は、外部流体139から細胞127を取り出すZenon型の膜である。図1において示される態様において、流体139の一部187は再循環ポンプ183によって配管ヘッダー124に戻るように再循環され、固体含有部分188は供給ポンプ182によって遠心分離器185に供給される。

示される態様において、ポリマー注入器184は、固体含有部分188が遠心分離器185に達する前にポリマーを固体含有部分188に注入する。ある態様において、遠心分離器185を出た生成物流189は、15〜20％固体を含む。図1において示される態様において、生成物流189の一部を、乾燥器186に供給することができる。生成物流189をバイオマス190に変換した後、溶解またはヘキサン抽出などの技術によってバイオ燃料またはバイオディーゼルに変換してもよい。

次に図3を参照して、動力装置300と一体型の細胞増殖システム200を含む態様を示す。システム200は、流体レザバー221ならびに図1および2において示されるシステム100と類似の一連の導管222を含む。図3の態様において、CO₂および熱緩衝流体は、動力装置において一般的に見いだされる既存のシステムによって提供される。動力装置300は、ボイラー310によって提供される蒸気供給321によって動力が得られるタービン320を含む。ある態様において、タービン320からの排気ガス329は、コンデンサ330によって濃縮されて、再循環ポンプ322によってボイラー310に戻され再循環される。示される態様において、ボイラー310は、燃焼排ガスまたは煙道ガス311（CO₂を含有する）を産生し、これはシステム200に送られて細胞の産生において用いられる。図3の態様において、スクラバー315を用いて、煙道ガス311からSO₂が含まれる一定のガスを除去することができる。

図3において示される態様において、動力装置300は、コンデンサ330に冷却水345を供給する冷却塔340を含む。冷却水345は、一定の温度（示される態様においておよそ80°F）で冷却塔340から出て、コンデンサ330の中を通過して、ここで温度が高温（示される態様においておよそ110°F）まで上昇した後、冷却塔340に戻される。冷却塔340は冷却水345をより低い温度まで冷却して、冷却塔ポンプ349は、コンデンサ330の中に冷却水345を循環させる。

ある態様において、第一の制御バルブ341を冷却水の出口（冷却水345はより低い温度である）に連結させて、第二の制御バルブ342を冷却水の回収口（冷却水345はより高い温度である）に連結させる。制御バルブ341および342はまた、外部流体229（この例において、コンデンサ供給および回収ラインからの冷却水345の混合物）をシステム200に供給する供給ライン344に連結してもよい。制御システム（示されていない）を用いて、制御バルブ341および342の開閉によって外部流体229の温度を制御することができる。外部流体229の温度は、冷却水出口温度（示される例において、80°F）、および冷却水回収口温度（示される例において110°F）のあいだの任意の温度に制御されうる。たとえば、バルブ342を開いてバルブ343を完全に閉じた場合、外部流体229の温度は、冷却水出口の温度となると考えられる。バルブ343を開いて、バルブ342を完全に閉じた場合には、外部流体229の温度は、冷却水回収口の温度となると考えられる。バルブ342および343の双方を部分的に開いた場合、外部流体229の温度は、冷却水出口と回収口温度のあいだのいずれかであると考えられる。図3において示される態様において、外部流体229はそれが導管222に接触して導管222の熱変動を低減させるように、流体レザバー221の中を循環することができる。ポンプ236は、外部流体229を冷却塔340にポンプで戻す。

既存の機器と動力装置300でのシステムとの統合システム200によって、システム200の効率はより高くなる。たとえば、煙道ガスまたは燃焼排ガス311は、回収するために必要な資本またはエネルギーの支出が最小である既存のCO₂供給源を提供する可能性がある。さらに、動力装置300は、導管222における熱変動を緩衝するための流体として用いることができる冷却水345の供給源を提供しうる。この場合も、このシステムは、最小の支出で組み入れることができる。動力装置との統合は、作動効率を増加させうるが、他の態様はそのような統合を利用していないと理解される。

次に図4を参照して、光合成細胞を増殖させるためのシステム400のさらなる態様は、プロセスおよび機器に一定の修正を加えて、既に記述された態様と類似の特色を含む。既に記述された態様における要素と同等の要素には、同等の参照番号を与える。

システム100の要素と同等のシステム400の要素には、同等の参照番号を与える。しかし、示される態様において、システム400は、システム100と比較して異なる配管およびポンプの配置を含む。たとえば、システム400は、養分供給システム160内での流れを提供するために用いることができる養分供給ポンプ489を含んでもよい。システム400はまた、膜分離装置181と流体連通しているさらなるポンプを含んでもよい。たとえば、システム400は、導管の内部容積（たとえば、導管122の内部容積128）からの内部流体139を分離システム180に送り出す分離供給ポンプ482を含んでもよい。

示される態様において、システム400はまた、膜分離装置481から分離された固体を遠心分離器185（または関連する処理機器）に供給するために用いることができる固体供給ポンプ483を含んでもよい。システム400はまた、膜分離装置481からの固体を養分供給ライン133に戻して再循環させるために用いることができる固体回収ポンプ484を含んでもよい。さらに、示される態様は、濾過された流体を導管の内部容積（たとえば、導管122の内部容積128）にポンプで戻すことができる濾過透過物再循環ポンプ485を含む。システム400はまた、透過物または液体の排液管486を含みうる。

示されるシステム400は、システム100と類似の流れ区画151、152、および153（相反する流れ区画154〜159および末端区画161〜163と共に）を含む。他の態様は、より少ないまたはより多い流れ区画を有してもよい。ある態様において、システム400は、一つの流れ区画を有するのみであってもよい。同様に、システム400は、導管の内部容積または他の光合成の部位と流体連通している任意のCO₂注入部位を含んでもよいと理解される。

次に図5を参照して、概略図は、既に記述された態様と類似の光合成細胞を増殖させるためのシステム500の態様を図示する。特に明記していなければ、システム500の要素は、既に記述された態様において類似の名称および類似の番号をつけられた要素と同等である。この略図において、システム500は反対方向の流れ区画551および552、ならびに連結部分524および561（これによって流れ区画551は流れ区画552と流体連通することができる）を含む。流れ区画551および552は、既に記述された光合成が起こる導管522またはエンクロージャを含む。本明細書において用いられるように「導管」という用語は、広く解釈されるべきであり、流体を保持することができる任意の容器が含まれると理解される。この例示的な態様において、システム500は、熱緩衝システム520、CO₂供給システム540、養分供給システム560、および温度制御システム565を含む。システム500はまた、濃縮固体の未透過物または回収されたバイオマス590を流出液591から分離する、浄化器または膜分離器581を含む分離システム580を含む。

示される例示的な態様において、システム500は、養分供給システム560内の流れを提供するために用いることができる養分供給ポンプ589を含むと共に、バイオマス材料を分離システム580に供給する分離供給ポンプ582を含む。システム500はまた、養分が導管522に入る前にそれらを滅菌するために用いることができる滅菌システム587、ならびに流れ区画551および552内で液体を循環させるために用いられる内部再循環ポンプ588を含んでもよい。さらに、システム500は、膜分離器581からの固体を導管522に戻して再循環させるために用いることができる固体回収ポンプ584を含んでもよい。示される態様において、システム500は、濾過された流体を導管522の内部容積にポンプで戻すことができる濾過透過物再循環ポンプ585を含んでもよい。システム500はまた、透過物または液体の排液管586を含みうる。

実施例
特定の非制限的な例において、細胞を増殖させるためのシステムは、熱緩衝システムとして用いるための130平方メートルで深さ5フィートの池を含む。池は、ほぼ地面の高さの区域に土手によって構成され、合成の膜ライナーを有する。長さ100メートル直径6インチの透明なPVCパイプ約540本が平行に池を横切って延びている。パイプは液面より約3〜4フィート浸漬されている。パイプは、パイプスタンドによって池の底から支持され、パイプのそれぞれの末端部はヘッダーと流体連通している。

池は三つの区画に分けられ、それぞれの区画は二つの反対方向に流れる区画に分けられる。パイプ内の流体の内部の流れは、一つの配管ヘッダーから流れて、パイプの一つの区画を通して池を横切る。次にこの流体は第二のヘッダーに入り、そこでパイプの第一の区画と反対方向に流れるパイプの第二の区画に向かう。パイプの第二の区画を出た後、この流体は、第一のヘッダーの中に再度入ってサイクルを継続する。それぞれの区画が他の区画と独立していることから、池のそれぞれの区画内で異なる作動条件を維持することができる（必要に応じて）。たとえば、池の一つの区画を日陰にしてもよく、他の区画を日陰にしなくてもよい。さらに、異なる区画内で異なる流速または養分レベルを維持して、最適な作動条件を決定してもよい。

内部流体の流れの動力は、第一のヘッダーに組み入れられている一連のエアリフトポンプによって提供される。本実施例において、揚程1 mで2,500 L/分の流れを提供するポンプ12個（それぞれの区画に4個）が存在する。ポンプは、およそ1,500立方メートル/時間の送風を提供する送風機に接続される。送風機からの空気は、隣接するプラントまたは他の生産施設での煙道ガスから得られたCO₂ガスと共に注入される。

さらに、養分および無機物供給システムを用いて、ヘッダーの一つによってパイプの内部流体に養分を添加する。このシステムは、産業廃水処理プラントにおいて典型的に見いだされるパッケージ型システムである。このシステムには、混合タンク、貯蔵タンク、ならびにアンモニア、硫酸アンモニウム、およびリン酸などの養分を内部流体に添加するための自動計量ポンプが含まれる。養分のレベルは、それぞれの区画に関して独立して制御することができる。

パイプの外側の流体の外部の流れは、池循環システムによって提供される。このシステムは、制御された温度の流体を池に提供するために、既存のプラントの冷却水供給システムに組み入れることができる。プラント冷却水は、周囲条件の変化に起因する任意の温度の変動を緩衝するように作用する。プラントからの冷却水は、池にポンプで送られ、管の列を横切って流れる。次に、冷却水は、冷却塔によって温度を低下させるために、池からプラントにポンプで戻される。池の水の温度は、プラントの冷却塔から出た冷却水の温度（典型的に約80°F）と、他のプラント装置から冷却塔に戻ってきた冷却水の温度（典型的に約110°F）のあいだの任意の温度で維持することができる。

人がシステムの様々な領域を横切ることができるキャットウォークを、池の高さより上に配置する。キャットウォークは、パイプの洗浄などのメンテナンス活動を行うことができるように、パイプを縦横に横切る。

作動時に、シアノバクテリア細胞（Willem F.J. Vermaasによって2006年10月20日またはその前後に提出された「改変シアノバクテリア」と題する米国特許仮出願第60/853,285号に従う）を、パイプ内の内部流体内で培養する。透明なPVCパイプによって太陽光はパイプの壁を通過することができ、内部流体は自然光に曝露される。さらに、池の冷却水の透明度もまた、池の中を自然光が通過するように維持される。自然光、CO₂、固定窒素、およびパイプの内部流体内に存在する他の養分は、Vermaasによって2006年10月20日またはその前後に提出された「改変シアノバクテリア」と題する先に参照された米国特許仮出願においてより詳しく説明されているように、光合成が起こるために必要な要素を提供する。さらに、外部流体は、熱変動を低減させ、シアノバクテリアの増殖のために最適な温度範囲を維持するために用いることができる。その結果、シアノバクテリア細胞は、パイプ内で効率よく培養される。

それぞれの区画内で、パイプおよび／またはヘッダーから内部流体を排水させる液体除去パイプが存在する。内部流体は、最初に、約200 mg/L〜約1％固体まで固体濃度を増加させるZenon（登録商標）またはKubota（登録商標）膜の中を通過する。濾過した透過物をシステムから取り出すため、濾過した透過物を光バイオリアクターに戻すため、さらに脱水および生成物の回収をするために濃縮固体を取り出すため、ならびに濃縮固体を光バイオリアクターに戻して再循環させるために、ポンプおよびパイプが提供される。

フロキュレーションシステムを用いて、採取された固体の流れにポリマーを注入した後、これを貯蔵タンク（必要であれば）またはソリッドボウル型遠心分離器に送り、固体濃度を約15〜20％固体まで増加させることができる。

次に固体を乾燥器（必要であれば）に送り、バイオマスに変換することができる。次に、脱水されたバイオマスを、熱処理または超音波処理；機械的摩耗；加圧および減圧；不活性媒体の添加による摩耗および破砕；パルス電場；またはアルカリもしくは酸処理による細胞の溶解または破砕によって処理してもよい。

破砕の後、さらなる処理には、固体からの油の直接溶媒抽出または超臨界CO₂抽出、続いて油からのバイオディーゼル産生が含まれてもよい。さらに、残りの細胞断片をおよそ50％固体まで脱水することができる。次に、バイオ燃料のための油などの所望の生成物を抽出することができる。代替的に、細胞をほぼ100％固体まで乾燥させた後、バイオディーゼル産生のために油の溶媒抽出または超臨界CO₂抽出を行ってもよい。さらに他の処理法には、バイオディーゼル生成物を直接産生するための、熱、アルカリ、およびエタノールによる20％固体生成物の処理が含まれる。生成物の乾燥は、機械設備または天日乾燥によって達成してもよい。

パイプにおけるシアノバクテリアの産生の際に失われた内部プロセス流体を交換するために補給水の供給源が必要である。システムから取り出された濾過水は、受水、廃水処理施設、または別の有益な用途に排出されてもよい。最初にパイプに充填した後、水の大半が回収されてシステム内で再循環されることから、必要な補給水の量は最小限となると考えられる。システムには、プロセス水における無機または有機不純物沈着を制御するために小さな廃水ブローダウンが含まれる。廃水はオフサイトの処理プラントに送ることができる。

システムのメンテナンスを行うためにパイプから内部プロセス流体を定期的に完全に排水することが必要である可能性がある。高度が第一の池より低い、並んだ第二のより小さい池を用いて、処理のために送られる前に内部プロセス流体を受け入れてもよい。

システムの作動パラメータは、システムを一定期間自動運転させるプログラム可能なロジックコントローラ（PLC）によって制御することができる。PLCは、データを記入するためと共に、オフサイト人員に作動条件を伝達するために用いることができる。オンサイト人員は昼夜の時間常駐すること、およびシステムは終夜自動運転することが推奨される。

本明細書において開示および特許請求されるシステムおよび／または方法は全て、本開示に照らして不要な実験を行うことなく作製および実行することができる。本発明のシステムおよび方法は、好ましい態様に関して記述されているが、本明細書において記述されるシステムおよび／または方法、ならびに方法の段階または段階の順序に変更を行ってもよく、それらも本発明の概念、趣旨、および範囲に含まれることは当業者に明らかとなるであろう。より具体的に、他のタイプの機器を、本明細書において記述される特定の機器のタイプの代わりに用いてもよく、それでも同じまたは類似の結果が達成されうることは明らかであろう。当業者に明らかであるそのような類似の置換および改変は全て、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨、範囲、および概念に含まれると見なされる。

参考文献
以下の参考文献は、それらが本明細書において記載されるものを補足する例示的な技法または他の詳細を提供する限りにおいて、参照により本明細書に組み入れられる。
米国特許出願第2002/0072109号
米国特許第4,242,455号
米国特許第4,350,765号
米国特許第4,413,058号
PCT出願WO/88/09379
米国特許出願第2002/0042111号
Willem F.J. Vermaasによって2006年10月20日またはその前後に提出された「改変シアノバクテリア」と題する米国特許出願第60/853,285号
Willem F.J. Vermaasによって2007年10月20日またはその前後に提出された「改変シアノバクテリア」と題するPCT出願第＿＿＿号。

Claims (46)

1. 外表面、内表面、内部容積、長さ、および使用時に内部容積の中に太陽光を通過させる少なくとも一部を含む、少なくとも一つの導管であって、該導管の少なくとも一部が昼間のあいだ太陽光に曝露される、導管と、
   少なくとも一つの導管に対して作動可能な関係にある熱緩衝システムと、
   使用時に内部容積にCO₂を供給するように構成されたCO₂供給システムと、
   使用時に内部容積に養分を供給するように構成された養分供給システムと、
   使用時に少なくとも一つの導管から光合成細胞を取り出すように構成された分離システムと
   を含む、光合成細胞を増殖させるためのシステム。
2. 実質的に固体を含まない透過物を導管から取り出し、
   実質的に固体を含まない透過物の一部を導管に戻して再循環させ、
   濃縮固体の未透過物（retentate）をシステムから取り出し、かつ
   実質的に固体を含まない透過物の一部を導管に戻して再循環させる
   ように構成された流体制御システムをさらに含む、請求項1記載のシステム。
3. 養分が硝酸塩または別の固定窒素化合物の成分である、請求項1記載のシステム。
4. 光合成細胞がシアノバクテリアとしてさらに定義される、請求項1記載のシステム。
5. 使用時に内部容積に無機物を供給するように構成された無機物供給システムをさらに含む、請求項1記載のシステム。
6. 使用時に内部容積に太陽光を通過させる部分が透明である、請求項1記載のシステム。
7. 透明な部分が、ガラス、透明なポリ塩化ビニル、または別のポリマーから構成される、請求項6記載のシステム。
8. 少なくとも一つの導管が、円形の断面を有する管を含む、請求項1記載のシステム。
9. 管が直径およそ4〜10インチである、請求項8記載のシステム。
10. 少なくとも一つの導管が、長さ少なくとも100フィートである、請求項1記載のシステム。
11. 熱緩衝システムが、使用時に少なくとも一つの導管に接触して流体を循環させるように構成される、請求項1記載のシステム。
12. 熱緩衝システムが、少なくとも一つの導管の少なくとも一部が浸漬される流体レザバーを含む、請求項1記載のシステム。
13. 流体レザバーが合成ライナーによって内側を覆われる、請求項12記載のシステム。
14. 少なくとも一つの導管を支持するように構成された支持体をさらに含む、請求項12記載のシステム。
15. 流体レザバーの上にキャットウォークをさらに含む、請求項12記載のシステム。
16. CO₂供給システムが、使用時に内部容積と流体連通している液体に煙道ガスを注入するように構成される、請求項1記載のシステム。
17. CO₂供給システムがガス圧縮器を含む、請求項1記載のシステム。
18. 導管内で流体を循環させるように構成されたポンプをさらに含む、請求項1記載のシステム。
19. ポンプがエアリフトポンプである、請求項18記載のシステム。
20. 少なくとも一つの導管と作動可能な関係にある配管溝をさらに含む、請求項1記載のシステム。
21. 配管溝が、使用時にCO₂注入を受け入れるように構成される、請求項20記載のシステム。
22. 少なくとも一つの導管と作動可能な関係にある配管ヘッダーをさらに含む、請求項1記載のシステム。
23. 配管ヘッダーが、使用時にCO₂注入を受け入れるように構成される、請求項22記載のシステム。
24. CO₂供給システムが空気圧縮器を含む、請求項1記載のシステム。
25. 養分供給システムが、使用時に内部容積に地下水を供給するように構成される、請求項1記載のシステム。
26. 養分供給システムが貯蔵タンクおよび計量ポンプを含む、請求項1記載のシステム。
27. 養分供給システムがアンモニアまたは硫酸アンモニウムを含む、請求項1記載のシステム。
28. 分離システムが膜分離器を含む、請求項1記載のシステム。
29. 膜分離器が、濃縮固体の未透過物をシステムから取り出すように構成された第一の出口と、実質的に固体を含まない透過物をシステムから取り出すように構成された第二の出口と、濃縮固体の未透過物を導管へ再循環させるように構成された第三の出口と、実質的に固体を含まない透過物を導管へ再循環させるように構成された第四の出口とを含む、請求項28記載のシステム。
30. 一つまたは複数の導管の内部容積内で光合成細胞を培養する段階；
    内部容積にCO₂および養分を供給する段階；
    CO₂および養分を自然光に曝露する段階；
    導管内の熱変動を緩衝する段階；および
    内部容積から細胞を取り出す段階
    を含む、光合成細胞を増殖させる方法。
31. 細胞がシアノバクテリアとしてさらに定義される、請求項30記載の方法。
32. 養分が固定窒素を含む、請求項30記載の方法。
33. 熱変動を緩衝する段階が、導管の外部表面を流体に接触させる段階を含む、請求項30記載の方法。
34. 流体の温度が制御される、請求項33記載の方法。
35. CO₂が煙道ガスによって供給される、請求項30記載の方法。
36. 養分が、地下水によって供給される固定窒素を含む、請求項30記載の方法。
37. 養分が、アンモニアによって供給される固定窒素を含む、請求項30記載の方法。
38. 養分が、硝酸アンモニウムによって供給される固定窒素を含む、請求項30記載の方法。
39. 光合成細胞が膜によって取り出される、請求項30記載の方法。
40. 導管が流体レザバーの中に浸漬されている、請求項30記載の方法。
41. 内部容積内のCO₂がシアノバクテリアを増殖させるために適した量で維持される、請求項30記載の方法。
42. 内部容積内のCO₂が約0.03％〜5％で維持される、請求項30記載の方法。
43. 内部容積内の養分がシアノバクテリアを増殖させるために適した量で維持される、請求項30記載の方法。
44. 内部容積内の養分が約0.5〜10 mMで維持される固定窒素を含む、請求項30記載の方法。
45. 内部容積内の温度がシアノバクテリアを増殖させるために適したレベルで維持される、請求項30記載の方法。
46. 内部容積内の温度が約10〜60℃で維持される、請求項30記載の方法。

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