JPH10509861A - 微生物生育工程の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 現在まで商業的に価値有る量で容易に再生できなかった多くの種類の微生物の実現可能な生育条件を維持できるような水系微生物生育工程を操作するための制御方法を開示する。主な制御パラメーターは水系生育培地における乱流の程度であり、水系培地で部分的に充填された容器内の乱流渦のスケールに対する相対的な装置のスケールが最適な生育のために必要な条件、即ち、光曝露、栄養供給、沈降速度、全体温度、ガス交換速度および細胞の完全性に直接影響する。これらの制御因子は、レイノルズ数（Ｎ_re）およびＬ_K／Ｌとして散逸λ_Kを定義する乱流渦のスケールに関する装置の制御された寸法（Ｌ_K）とすることができる。あるいは、これらは微生物塊への栄養の供給が流体における散逸率εに依存していることを示していると考えることができ、これによりＬ_Kの値を求めることができる。本発明で通常用いる最も広い範囲は、Ｎ_re＝２０００〜１０⁶、好ましくは、４０００〜２５０，０００；相対的な装置のスケールは、渦スケールに対する反応チャンバー内の流体の水準が０．１−１チャンバー容量単位、好ましくは、０．１−０．８となるようなもの；そして、乱流エネルギー散逸率εは１０^-3〜１０Ｗ／ｋｇである。本発明は、微生物が単細胞藻類、植物プランクトン、維管束植物の組織、大型藻類組織等であるような生育工程を制御する際に特に有用である。

Description

【発明の詳細な説明】 微生物生育工程の制御方法 関連出願 本出願は１９９３年２月２５日に出願されたＮｏ．０８／０２３，１７２号の 一部継続出願であり、これは更に１９９１年７月１５日に出願され現在は放棄さ れているＮｏ．０７／７２９，７０７号の継続出願であり、これも更に、１９９ １年３月１日に出願され現在は放棄されているＮｏ．０７／６６３，６６９号の 分割出願であり、これも更に１９８９年１０月１０日に出願され現在は放棄され ているＮｏ．０７／４１９，５２２号の一部継続出願である。 発明の背景 発明の分野 本発明は微生物、特に藻類由来の天然産生物の抽出に関する。特に本発明は、 現在までは小型の容器での実験室的環境でのみ培養されていた多くの微生物株に 由来する上記産生物を得るための大規模な水系光合成バイオリアクターシステム の制御に関する。 従来技術 環境上の制約、経済性および種々のその他の要因を考慮すると、現在石油また は石炭由来の原料から化学合成 することにより生産されている多くの生産物は問題を含んでおり、制限の対象と なったり、販売禁止となっている。例えば、多くのアニリン系染料は現在、また は近い将来、欧州の政府規制により段階的に削減されるが、同様の制限や禁止は 米国を含む世界の他の地域でもすぐに実施されると考えられる。その結果、これ らの合成物質を得るための天然の原料を模索する大規模な研究開発活動が世界規 模で行われている。 特定の種類の染料の場合は、実質的に同等の色およびその他の物理的特性を有 する染料が特定の種の微生物、特に特定の単細胞藻類および植物プランクトンか ら得られることが解っている。光に曝露されることにより、藻類は光合成により これらの染料または染料の前駆体（以下、「染料」と総称する）を生産する。こ のような微生物を大量生産ベースで培養できるとすれば、価値有る経済的な染料 の天然の入手源となり得る。 光合成微生物の大量生産の明らかな利用性は光合成そのものの過程に有る。光 、水および二酸化炭素（ＣＯ₂）が適切に供給されれば、光合成微生物は窒素（ Ｎ）およびリン（Ｐ）のような必須栄養の入手源を利用して太陽エネルギーを化 学エネルギーに変換することができる。即ち、光合成微生物の生育または培養の 工程には、栄養的に完全な培地を培養の全体容量に導入すること、その容量にお ける最適生育条件を維持すること、そしてその後使用済みの培地から微生物の細 胞を回収または分離す ることが包含される。全ての培養プログラムは効率的に生産工程のこれらの段階 の各々が達成できるような方法を用いなければならない。 これらの条件のうち、最も実施困難なものは通常は最適生育維持の段階である 。染料を得るための微生物の多くは、生育環境の僅かな変動に対しても、指数的 に高い感受性を有する。実験室で実験室の容器内の少量の微生物生育を維持する ための方法を開発している研究者にとっては、系のパラメーターの制御が遥かに 困難であり、多くの変動が起こり得る商業規模の製造で求められる大容量の場合 には、システムは劇的に無効化してしまうことが良く知られている。 光合成生育機序の１つは「閃光作用」即ち、一部の光合成細胞が間欠光源から のエネルギーを効果的に使用する能力として知られており［例えば、Emerson等 のJ.Gen Physiol．，１５（４）：３９１−４２０（１９３２）参照］、これは 、光源に間欠的に細胞を曝露する生育培地中の乱流状態に依存しているため、大 量生産系においては有効に利用されていない。曝露が多すぎたり少なすぎたりす ると、微生物の生産は低下する。今日まで、制御された乱流状態の利用し閃光作 用を最大にすることにより、この作用を大量培養系で利用することによりその系 の効率と生産性を向上させるような方法や装置は開発されていない。この必要性 に基づいて、本発明は行われた。 流体の流動は以前に小型藻類に関しては研究されていたものの、報告された研 究によれば、微生物塊の破壊を防止するために、微生物のスケールに対して過剰 な流体のせん断力が生じないようにすることが必要であった。例えば、Thomas等 （J.App.Phycology，２：７１−７７（１９９０））の報告によれば、１１６よ り大きい（３５００までの）レイノルズ数の小型間隙回転シリンダー中では細胞 の生育速度はマイナスとなり、即ち、微生物塊は死滅し、生育しない。従って、 装置の寸法や機械的形状もまた細胞の一体性に対する乱流の悪影響を軽減するた めに制御しなければならない。 開放系または閉鎖系において微生物を培養し、微生物から産生物を回収すると いう考え方は新しいものではない。藻類や植物プランクトンを生育させて回収し 、直接使用（例えば動物用飼料として）したり、または間接的に使用（カロテン 類のような物質の原料として）するような多くの系が世界中で用いられている。 しかしながら、このような系のほぼ全てが、極めて少ない種類の微生物、即ち、 広範囲の生育条件に耐性を示し、比較的単純な産生物を生産することが解ってい る微生物に対して用いられている。このため、この産業分野では、実験室規模の 実験的培養物で抽出されているものと比較して極めて少数の生成物しか生産でき なくなっている。より複雑な物質の生産のために微生物を培養する試みが成功し ない理由は、実験室規模の培養物は大規模の容量では生存しつ づけたり経済的に生育することができないためである。更にまた、以前のかなり 雑に制御された工程（開放系および閉鎖系の両方）に耐えうるような単純な微生 物は、直接的にも間接的にも、商業的な量で上記した所望の化学物質を生産する ことができなかった。上記した化学物質を生産できるようなより「珍重な」微生 物が現在の系での培養に対応できることが証明されていない理由は、このような 系は、実験室の小規模培養で生育できた珍重な微生物の適切な状態と生育とを維 持するのに充分なほど厳密には制御できないためである。実験室規模の装置には 一般的に乱流は含まれないのに対し、商業規模の製造の系は含んでいる。現在ま で、乱流の制御の必要性は大量培養装置では重要な要因とはみなされていない。 有用ではあるが条件に影響されやすい微生物の水系培養においては多くの要因 が重要である。その結果、このような操作条件の厳密な制御が達成されるような 系は、既存の商業的技術では現在生育させることのできない多くの微生物の大規 模培養を可能にするのみならず、現在は市場において商業ベースで実施できない 多くの物質の大量生産もまた可能にするのである。 発明の要約 本発明はこれまで商業的に価値有る量では増殖できなかった多数の微生物の、 最適な、従って経済的にも実現可能な生育条件を維持するための水系微生物生育 工程の 操作のための制御方法である。我々はこのような工程が、厳密に、そして継続的 に制御でき、従来の工程および制御の方法で可能であったよりも更に広範囲の種 類の微生物の商業的に実現可能な生育を維持できることを発見した。本発明にお ける主な制御パラメーターは水系生育培地中の乱流の程度および乱流渦のスケー ルに対する相対的な装置のスケールである。乱流の水準、および、雰囲気に対し て閉鎖系であるかまたは雰囲気との連絡が制限されているかまたは制御されてい るような、そして、部分的に水系培地で充填されているような容器の大きさ／形 状の制御は、最適な、即ち、商業的に実現可能な生育のために必要な全ての条件 、即ち、光への曝露、栄養供給、沈降速度、全体温度、ガス交換速度および細胞 の完全性の制御に直接影響するものである。即ち、我々は最適生育のための主要 制御パラメーターとして水系培地乱流および乱流に対する相対的な装置の形状を 用いることにより、持続的に条件感受性光合成微生物の大規模用量での生産に成 功した。乱流の水準や装置のスケールを良好に制御できない場合は、系の運転が 行えないか、または、最適な生育や商業的実現性が達成されない（前出のThomas の文献参照）。 従って、本発明はその広範囲な形態において、反応チャンバー内の水系培地中 に光合成微生物バイオマスを分散させること、ただし、反応チャンバーは可視光 に対して透過性であり、水系培地は上記チャンバーの総容量よ り少ない用量を占める微生物バイオマスの懸濁液を含有するものであること；バ イオマスを構成する微生物を増殖し数を増やす時間中、反応チャンバー内にバイ オマスを維持すること；増殖を保持するためにその時間中バイオマスに栄養を供 給し、これより発生した気体をバイオマスから除去すること；その時間の間、反 応チャンバーに水系培地を充分流動させること；その時間の少なくとも一部の時 間可視光源に反応チャンバーを曝露し、可視光を反応チャンバー内に通し、微生 物に利用させて光合成を可能とすること；その時間中、反応チャンバー内の水系 培地全体に概ね行き渡るように乱流渦を有する乱流状態を維持すること；その時 間中チャンバーのスケールと渦のスケールとの間の比率を所定の範囲に維持する こと；これにより、その時間が微生物の数の望ましい増加が得られるのに十分な ものとなるまで、乱流状態において微生物の増殖のための効果的な反応条件を維 持すること、を包む水系微生物生育工程の制御方法である。 本発明の制御工程においては、乱流それ自体は、２つのパラメーター、即ち、 その主要渦の時間スケール（ｔ）および空間スケール、Ｌ（粘稠プロセスが重要 となるスケール）により特徴づけられる。乱流渦の時間スケールは微生物が装置 の光が強い区域に存在する時間を制御するものであり、従って、その制御は重要 である。Ｌとｔの組合わせ、即ち（Ｌ／ｔ）は乱流の速度スケールｑを定義する ものであり、ｑは微生物の垂直方向の輸送速度 を制御するものである。微生物を懸濁状態に維持するためには、ｑは微生物の沈 降速度より大きくなければならない。細胞への栄養の供給は細胞壁に過剰なスト レスを与えないように装置の最適な長さ（Ｌ_K）を選択することにより制御する 。微生物にとって望ましくない酸素の除去は、部分的に充填された容器内の自由 表面の大部分の領域に乱流が接触できるようにすることにより達成される。 これらの制御要素は、まずレイノルズ数（Ｎ_Re）において設定される。第２に 、装置の制御された寸法（Ｌ_K）はλ_K＝Ｌ_K／Ｌで表わされる乱流渦のスケール に関連して特定されなければならない。あるいは、第２の基準は、あるレイノル ズ数において細胞への栄養の供給に関してＬを定量できるようにする、流体中の 機械的エネルギーの散逸率、ε、の数値として認識することができる。本発明の 工程では、乱流はある範囲のレイノルズ数（Ｎ_Re）に維持するために制御し、そ して、流体の自由表面の水準は、最適な収量を得るために微生物を曝露できる光 強度、栄養供給、沈降速度およびガス交換の条件を管理できるように制御する。 本発明で有用な一般的な最も広い範囲は、Ｎ_Re＝２０００〜１０⁶、好ましくは ４０００〜１０⁶、より好ましくは４０００〜２５０，０００、そして更に好ま しくは５０００〜５０，０００であり、そして、渦スケールλ_Kに対して相対的 な流動流体反応チャンバー内の流体の水準は、０．１−１反応チャ ンバー容量単位の範囲に有り、好ましくは、０．１−０．８の範囲に有る。 本発明は特に、微生物が単細胞藻類、植物プランクトン、維管束植物の組織、 大型藻類の組織等であるような生育工程の制御において有用である。生育を乱流 制御により商業的に実現可能なレベルで制御できる特定の属および種の典型的な 例は、Dinophyceae、Bacillariophyceae、Lyngbya lagerhemii(Cyanophyceae)、 Spirulina platensis(Cyanophyceae)、Haematococcus pluvialis(Chlorophyceae )、Chlorella sorokiniensis(Chlorophyceae)および植物細胞組織培養物を包含 する。本発明の方法による生育が特に好ましいものは、Haematococcus pluviali s、spirulina platensis、Lyngbya lagerheimii および Chlorella sorokiniens isである。 図面の簡単な説明 唯一の図面は、本発明の制御方法を利用した例示藻類生産工程を示すフローダ イアグラムである。制御方法は工程の「生育モジュール」の設計および運転にお いて用いる。 詳細な説明および好ましい実施態様 藻類および植物プランクトンのような微生物の生育のためには現在２つの型の 水性の系が有る。第１の型では、オペレーターは、動物およびヒトの食料の消費 のために、 そして、ベータカロテンのような化学物質の抽出のために、微生物の通常の種類 のものを生産し、回収する。これらの系は、閉鎖系であってよいが、開放系であ る場合も有り、反応条件に対して比較的低い感受性を有する微生物をその原材料 として使用する。太陽光線への単純な曝露、水系培地中に粗く分散させた通常の 栄養への接触性、および、温度、混合、ガス交換等のような操作パラメーターの 最小限の制御がこれらの系を特徴づける。工程の制御を行なう際には、培地循環 装置をいつ始動させ停止させるか、そして、どの程度の頻度で栄養を培地に注入 するかを決定する以上のことを行なう場合はほとんどない。このような系は、微 生物の数種のみの製造については極めて良好に機能し、世界中を通じて、特に、 晴天の多い熱帯気候において認められる。 しかしながら、このような従来の系はその生育環境の条件に対して更に感受性 の高い広範囲の種類の微生物を効果的に生産することが可能であるとは解ってい ない。典型的な醗酵装置内で生育する藻類で今日まで商業的に成功した例はない 。例えば、ニワトリ用飼料の原料として商業的規模の醗酵装置で藻類Neospongio coccumからのルテインの生産が試みられている（米国特許３，２５７，２１０） が、極めて高価な方法であった。Chlorella からのルテインの生産もまた試みら れているが、経済的に実現可能ではなかった（米国特許３，２８０，５０２号） 。これらとは対照的に、本発明の系は標準的な醗酵装置に は備わっていなかった光と乱流の制御を可能にする。このような微生物の多くが 直接、または、後処理の後に、重要な化学物質を産生するため、商業的規模でこ のような微生物を生産することは極めて望ましいことである。残念なことに、十 分にきめが細かく正確な生育環境パラメーターの制御は、今日まで実験室規模ま たはそれと同等の小規模な工程でしか可能ではなかった。このような工程のスケ ールアップの開発を試みた場合でも、その結果は通常、実験室における生育速度 を再現できないか、または短期間生育した後に微生物集団の全体が死滅している 。 多くの操作条件が「条件感受性」微生物の意味の有る商業的で持続性の有る生 育を行なうために重要なパラメーターであることが解った。これらには、吸収し た光、利用可能な栄養の種類と量、微生物の沈降速度、生育培地の流体の温度の 均一性、ならびに適切なガス交換、二酸化炭素の供給または酸性度（ｐＨ）をも たらす培地の能力、および、微生物の生育周期の間の水系培地の乱流が包含され る。この工程における重要な要素は、部分充填された物理的生育チャンバー／反 応容器内の乱流の制御により上記パラメーターを操作的に制御できるように、か なりの範囲まで、スケールアップされた商業的に実現可能な生育モジュールにお ける上記操作条件を乱流の水準により制御することができるという認識である。 この独特の制御は従来技術の小規模な実験室における系では 存在せず、また認識もされておらず、更に、このような系から予測されるもので もない。 微生物の生育速度と光の量との関連性は複雑な関数であり、そして、各種の微 生物について光の量を増加させていく過程で生育に対して有益ではなくむしろ悪 影響を及ぼすような点が有ることは以前より知られていた［Ryther、Limnology and Oceanography，１：６１−７０（１９５６）およびParsons等、Biological and Oceanographic Processes（第３版，１９８４）参照］。即ち、十分な藻類 の収量を得るためには生育系のオペレーターは系の特定の藻類に対する曲線のピ ークまたはその近傍の光の強度を維持しなければならない。従来技術はこれを、 商業的大規模連続操作で条件感受性微生物ついて達成するための方法をまったく 開示していない。 「閃光作用」を得ることは、照明：非照明の比率を約１０：１にするような環 境の状態を必要とする［Laws等、Biotech．Bioeng.，１５：２３１９−２３３５ （１９８３）］。その理由は光への比較的短い曝露の後に光系が光子により飽和 し、それ以上光子を使用できなくなるからであると考えられている。 本発明の重要な特徴は、微生物に対する光曝露の工程を、水系培地中の乱流の 程度の厳密な制御および乱流渦のスケールに対する装置のスケールの制御により 主に制御する点にある。商業的に実現可能な種類の細胞を含む水系培地は、細胞 の密度のために比較的不透明であり、 光の透過は数センチメートルに限られる場合が多い。この点において、装置の光 曝露表面の近傍に微生物が存在する時間が不透明の培地内に存在する時間より長 くなるように、乱流の水準を維持しなければならない。これは本発明においては 、部分充填生育モジュール内の流動培地の自由表面の近傍で微生物を再循環させ ることにより行なうことができ、そして乱流の程度によりその再循環を制御する のである。培地中の乱流の水準の制御はまたガス交換速度にも直接影響する。全 体温度の均一な水準および細胞による栄養の利用を維持しなければならない。酸 素は、継続的に除去しなければならないが、これは部分充填生育モジュールの自 由表面に接触する乱流渦の再循環を通じて行なう。また生育工程中の沈降速度も 重要である。細胞が生育モジュールの底部や壁部に沈着することができるとする と、光の透過が阻害され、不動化された細胞の有害作用として、有害な細菌を繁 殖させ、悪影響をもたらす。即ち、記載したとおり、適切に設計された装置にお いては、操作可能な制御パラメーターとして水系培地乱流を用いることにより、 持続的に条件感受性微生物の大規模大量生産を良好に行なうことができた。この 制御方法で必要不可欠であるものは、光を透過させ酸素を流体と交換させる自由 流体表面の存在である。 レイノルズ数の制御 流動流体には２つの主要な状態、即ち、流体の流動の 所定の長さにわたって相互に異なる状態で存在する流れとして特徴づけられる層 流状態、および、流れの流動パターンを変化させる渦が生じる流動の不安定性の 全体的区域で特徴づけられる乱流状態がある。全体的な流動の並進がある系、例 えば導管の一端からもう一端への全体的流れが有る系では、乱流状態は、基礎と なる全体の並進流動の上に重ねられ、その結果高度に混合された流動の流れとな り、混合された流体は所定の流動経路に添って移動する。 流体における層流から乱流への移行およびその流体における乱流の程度は流体 の移動速度、流動の導管のパラメーターおよび流体の粘度により変化する。乱流 （および層流）は最も一般的にはＬ_kＶ／υの形のレイノルズ数（Ｎ_Re）と呼ば れる無次元量により数的に定義されるものであり、ここでＬ_Kは（前記したとお り）、導管の特性的な一次寸法であり、Ｖは全体の流体の流動の平均の流速であ り、そしてυは流体の動粘度である。「臨界レイノルズ数」［Ｎ_Re（ｃｒｉｔ） ］はある流体が層流から乱流へ移行するときのＮ_Re値である。環状導管のＮ_Re（ ｃｒｉｔ）は２０００〜４０００であるが、導管の壁の凹凸により変動し、即ち 、層流からの移行はＮ_Re≦２０００から始まり、乱流はＮ_Re＝４０００で確立さ れる。Ｎ_Reの値の特定の上限はなく、報告されている数値表は一般的に１０⁸ま でのＮ_Reの高度な乱流状態を示すものであり、一般的な物質の導管中の流動につ いては、 流体は約１０⁶のＮ_Re値で最大の乱流に到達し、それより高いＮ_Re値になっても 流体の乱流度は実質的に増大しない傾向にある。レイノルズ数の誘導と説明につ いては、多くの流体力学のハンドブックおよびテキストに記載されており、例え ばChilton（編）のChemical Engineers'Handbook、ｐｐ．５−５および５−２０ 〜５−２６（第５版，１９７３）；Condonら（編）のHandbook of Physics、第 ３部、第２章（１９５８）；Eshbach（編）のHandbook of Engineering Fundame ntals、セクション６、第２、６および９部（第２版：１９５２）；Weast（編） のHandbook of Chemistry and Physics、ｐ．Ｆ−３３０（第６５版：１９８４ ）；およびO'Brien 等、Applied Fluid Mechanics、ｐｐ．１０５−１１０（第 １版：１９３７）を参照されたい。 本明細書において乱流状態について記載する場合、特に、反応容器内の水系培 地の本質的に全体に渡り論じる場合は、若干の層流状態もまた、通常は容器の壁 に隣接する境界層に必然的に存在するものと理解されたい。いかなる流動中の流 体の導管においても、粘稠なPrandtl 境界層が容器壁面に形成されることが知ら れており、その層内には壁上に乱流領域が有り、それが徐々に移行して流体本体 の乱流領域に至る。流体本体の乱流の程度は、容器の壁に隣接する層流境界層の 全体的厚みには影響するが、それを排除するわけではない。従って当業者の知る とおり、本発明の目的のためには、乱流の制御の検討 は、系に存在する最小限の層流状態の存在とは無関係に、流体の全体について行 なう。例えば、McCabe等のUnit Operations of Chemical Engineering、ｐｐ． ４５−４８（１９５６）を参照されたい。 本発明では、部分充填反応装置容器内には２つの異なる流体の面、即ち容器の 壁に隣接しその隣の乱流が粘稠な下層により減衰されているような面、および、 粘性が乱流の運動を減衰させない自由流体表面が存在すると考える。従来技術は 何れも閉鎖反応系における微生物生育の有効な制御のために自由乱流表面の存在 が必要であることを提唱していない。透明な反応装置容器を完全に培地で充填し た場合、粘稠な下層は日光（または人工光合成性光）の透過する壁部分の近傍の 微生物の運動の遅延させ、「閃光」制御を乱流の制御を介して有効に行えなくな る。充填された装置を用いた場合、酸素の除去がより大きな問題点となる。更に 、全表面が液体と接した閉鎖反応装置容器では、粘稠な層が壁面からの生物学的 粒子の除去を遅延させ、これにより反応装置の表面を汚してしまう場合が有る。 このような汚れが光に曝露される表面で起こった場合、汚れの量に対して指数的 にチャンバーへの光の透過を低下させる作用を示し、これにより光合成の能力を 大きく低下させる。本発明は、部分充填された生育モジュールの全体に渡る自由 液体培地表面、および、工程の制御のための運動する乱流の液体培地が存在する ことを必要としており、これにより、微生物の 生育を最適なものとし、工程を商業的に実現可能なものとするのである。 乱流状態は、全ての系において、または、単一の力学的系においても同じＮ_Re で得られるものではなく、層流から完全な乱流への移行のＮ_Reの範囲の広さは系 の少なくとも２つのパラメーター、即ち、閉鎖流動導管の液体の流量と壁面の特 性の関数であるため、閉鎖系における乱流の制御においては、オペレーターが上 記パラメーターの双方を慎重にモニタリングする必要が有る。導管壁の平滑性の ような表面特性は極めて緩やかに経時変化し、実時間ベースでは系のオペレータ ーが制御できる範囲のものではないため、オペレーターは乱流を制御するために 流量を用いる。上記したとおり、一部一過性の乱流がＮ_Re＜２０００で生じ、完 全な乱流は導管の平滑性の程度に応じて４０００〜１０⁶の範囲のＮ_Reで存在す る。本工程では、オペレーターはこの範囲に制御して微生物が曝露される光の強 度に相関した乱流を得ることにより、最適な収量を得ることができるのである。 この水準は、培養が進行するにつれて、細胞密度の増大による（乱流を減少させ る）培地の有効粘度の変化、並びに、容器内の流体の自由表面の近傍へのより頻 繁な接近を必要とするような光の透過に対する培地の不透明度が変化することの 両方により、変化するのである。Ｎ_Re＝４０００〜１０⁶の範囲は本工程の現実 的な目的のための最も広い範囲である。Ｎ_Re＞１０⁶とすることも可能であるが （上記したとおり一般的な数値表は１０⁸まで記載）、前述の通り、１０⁶を超え ても乱流の水準は実質的には殆ど増加しないか、全く増加せず、従って、本発明 の工程の操作の実質的な変化は得られない。実際、このような高い数値は、より 大きい水流のために送液の出力を増加させる必要性を生じ、微生物塊へのより大 きいせん断力が生じ、それを相殺するような微生物生育の改善は得られず、更に 、微生物の長い鎖状構造も破壊されるという点において不都合である。一方、Ｎ_Re が低すぎてもいけない理由は、実質的な乱流状態が無い場合、微生物菌体は凝 集して培地と分離し、系が過剰に濃密になり、光が殆ど透過しなくなるためであ る。即ち、Ｎ_Re＝２０００〜４０００の範囲を用いることは可能であるが、乱流 の程度は実質的に変動し、移行性の流動状態は極めて僅かにのみ存在することに なるため、微生物の生育がＮ_Reの値に対して充分な直接的関連性を示さなくなり 、通常は制御が充分厳密に行えなくなる。好ましいＮ_Re値は４０００〜２５０， ０００、より好ましくは５０００〜５０，０００である。このような乱流の程度 と、例えばRyther（前述）およびThomas等（前述）により明らかにされた原理に より定義される最適な範囲内の微生物の生育速度の維持との間の相関は、従来技 術では認識されておらず、記載もされていない。 散逸率の制御 本発明の条件は水系培地中の乱流の量と微生物の生育に関連するその他のパラ メーターの値との間の相関の発見に基づいている。Ｎ_Reを上記した範囲に維持し た場合、これらの他のパラメーターは、装置のスケールが厳密に制限されない限 り、微生物の生育を最も誘導し易いようなそれらの数値範囲に有ることになる。 例えば、微生物の生育は、微生物の細胞が培地から栄養（窒素、リンなど）を取 り出すことのできる速度の関数である。微生物の大量培養においては、最適にし なければならない重要な変数は栄養取込速度である。本明細書中では「栄養」と は、広範囲に、無機炭素（ＣＯ₂）、窒素およびリンから有機性の微小栄養に渡 る分子を包含するものとする。非乱流環境内の定常状態の細胞は、一定時間の後 、隣接地域から全ての栄養を取り出す。この取り出しにより、濃度勾配が形成さ れる。次に取り込み速度は以下の通りFickian の拡散により微生物の近隣におけ る濃度勾配に完全に依存したものとなる。 Ｆ＝−Ｄ ｄＣ／ｄｚ （１） 式中Ｆは栄養の流束、Ｃはある栄養の濃度、そしてＤは分子拡散係数であり、こ れは大きい分子の場合は、約１．５×１０^-9ｍ²ｓ^-1である［Munk等のJ.Marine Res．、１１：２１５−２４０（１９５２）参照］。乱流はスケールの連続体で あり、Ｌ_K=（ν³／ε）^1/4で定義されるKolmogrov スケールよりも小さいスケー ルでは、粘稠な拡散性の工程は栄養を細胞に供給する。細胞はＬよ り小さいため、その完全性は維持される。即ち、定常状態の微生物細胞はより小 さい渦中の拡散作用により輸送されるより速く栄養を取り込むことはできない。 ｄｚのスケールが小さくなるほど、拡散速度Ｆは大きくなる。植物プランクトン のような大部分の微生物では、この速度が生育に対する制限要因なる。本工程で は、この問題点を解決するために、εを増大させＬを減少させることで乱流の水 準を制御することを通じて、分子拡散速度を増大させることにより細胞への栄養 の輸送速度を増大させた。即ち、乱流の散逸率εは我々の制御における第２のパ ラメーターとして重要なものとなる。 Ｎ_Reの定義に加えて、乱流の制御はまた、スケールの定義を可能にする乱流エ ネルギー散逸率εの関数とすることもできる。乱流は、乱流の強度に大きさが依 存する直線せん断力により最小距離を通過する水においても存在する。せん断力 は液体の性質であり、微生物の有無に関わらず存在する。 乱流による拡散性流束の増大作用は、Mann等によるMarine Ecosystem Dynamic s（１９９１）で論じられており、これによれば、栄養の流束の増大は、乱流エ ネルギー散逸率ε、および、微生物細胞の大きさの両方に依存する。例えば、約 ５０μｍの直径の細胞の場合、乱流エネルギー散逸率ε＝１０^-3Ｗ／ｋｇで栄養 流束は１００％増大する。本工程では、後述する種類の系を用いて、乱流エネル ギー散逸率を１０^-3〜１０Ｗ／ｋｇとするこ とができた。 乱流エネルギー散逸率は以下の通り表わされる。 ε＝ν（∂ｕ／∂ｚ）² （２） 式中εは乱流エネルギー散逸率であり、νは動粘度（１０^-6ｍ²ｓ^-1）であり、 そして∂ｕ／∂ｚは乱流場内の速度勾配である。乱流においては、パラメーター ｚはαＬ_KＮ_Re ^-1/2となり、これより以下の式が： ε＝（νｕ²Ｎ_Re）／α²Ｌ_K ² （３） 式中、ｕは導管内の流動の速度であり、Ｌ_Kは導管の直径であり、そしてαは一 次定数である。または、（Ｎ_Re）を代入することにより直接以下の式： ε＝ｕ³／α^ZＬ_K （４） が得られる。レイノルズ数および導管に直径の両方に対するεの依存性は以下の 通り示すことができる。 ε＝（ν³Ｎ_Re ³）／α²Ｌ_K （５） 即ち、光への乱流の曝露の最適な水準に対するＮ_Reのみならず細胞への栄養の 乱流供給に対する数値Ｌ_kを選択しなければならない。 装置の形状の例 これらの制御パラメーターの適用に関与する基本的原則および工程および上記 した推定される機序は、例示のために示す微生物生育系について論じることによ り、よりよく理解することができる。このような典型的な系は図において模式的 に示した。系は３つの基本的な機能、 即ち、水予備処理、微生物生産、および、回収に分けることができる。このよう な系は蒸発されない水の全てを再循環することにより水資源を最大限に節約する ことができる。本発明の制御パラメーターはバイオリアクター１４、即ち、微生 物生産コンポーネントに適用する。（平行して運転する生育モジュール１４は複 数あってよいが、簡便のために、ここでは単一の生育モジュール１４について記 載する。） 水予備処理段階では、水を水源２（淡水または海水）から、好ましくは、フィ ルター４を通して、送液し、大型の保持リザーバ６に送り込む。好ましくは、保 持リザーバ６のカバーは暗色のプラスチック材料、例えば黒色ポリエチレンで製 造し、これにより、予備濾過水の汚染を防止し、保持リザーバ内の光合成微生物 の望ましくない早期生育を促進する可能性の有る日光への予備濾過水の曝露を行 なうことなく加熱を促進する。濾過は、種々の従来の方法、例えば大量の水の場 合は高速砂床濾過、少量の場合はケイソウ土を用いて行なってよい。特定の状況 下では、例えば少栄養領域の深海水を使用する場合や特定の帯水層から得た粒子 非含有水を使用する場合は、濾過が必要でない場合も有る。水が既に粒子を含有 しない場合は、濾過は省略できる。 水の予備加熱は、好ましくは、被覆された保持リザーバ（リザーバ６と同じも のであってよい）内の受動的太陽加熱により行なう。予備加熱工程は比較的低温 の原料 水、例えば非地熱地下水のように多くの種の微生物の最適生育に必要な温度（約 ２４〜３５℃［７５〜９５°Ｆ］）より低温の水の場合に必要になる。即ち、予 備加熱により、培養物の温度を適切に調節した後に、循項培養系に導入すること ができる。水源からの水が既に適切な培養温度である場合は、予備加熱段階は省 略できる。更に、太陽熱は経済的および環境上の理由から望ましいものであるが 、従来の加熱器のような別の熱源も必要な温度調節のために用いることができる 。 滅菌段階１０は培養系で生育させる所望の微生物の生存性を脅かすような生菌 または潜在的捕食物を含有する可能性の有る原料水の場合に必要である。好まし い滅菌方法は、紫外線、ガンマ線、オゾンまたは他の非侵襲性の滅菌剤による培 地の処理であるが、従来の別の方法で行ってもよい。多くの場合において、前濾 過段階が生体粒子を除去すると考えられている。原料水の分析または濾過の有効 性により、望ましくない微生物や潜在的捕食物で水が実質的に汚染されていない ことが解った場合は、滅菌段階は必要ではない。 微生物原料は、組成容器４２からここでは生育モジュール１４と定義される適 切な反応容器または「バイオリアクター」に供給される。組成水（栄養および他 の望ましい添加物で調整されるもの）および微生物種菌を容器４２に導入する。 例えば、培養物３０Ｌを植菌のために用いてよいが、この場合、添加する組成水 の初期容量は 約１５０Ｌとなる。濃縮された実験用種菌の新しい組成水に対する比率は種によ り異なり、そして最適な比率は実験的に決定されるものであるが、その比は一般 的に５：１〜１０：１の範囲である。容器４２内で短時間安定化させた後、水／ 種菌混合物を生育モジュール１４の１つに移す。モジュール１４内の種菌の生育 には初期段階が有り、これは一般的に数日間続くのみである。その後、微生物が 生育しバイオマスが増加するに従って、新しい組成水および栄養物質を手操作に より、または自動的に連続添加し、その間乱流状態を維持する。系を全操作能力 まで連続的に拡大するには、単純な複製を行えばよい。 栄養は通常、生育モジュール１４に入る際に１２で示されるように水に添加さ れる。生産状態では、水は保持リザーバ６から滅菌処理器１０を通って個々の生 育モジュール１４に供給される。保持リザーバが生育モジュールよりも高い位置 に有る場合、保持リザーバからの供給は重力により行なうことができる。その他 の場合は、水を生育モジュール１４に供給するためにポンプが必要である。 生育モジュール１４は水系培地の容量よりも大容量であり、即ち、生育モジュ ールは水系培地で完全に充填されない。これは効果的な乱流を達成するために必 要である。モジュールが満杯となった場合、壁の作用が生じ、これにより細胞が 壁に蓄積し、そこに捕獲され、これらの細胞の光飽和を起こし、そして、光を遮 断することに より、水系培地内部の細胞の光飢餓を起こす。モジュールを部分充填のみに留め ると、自由培地表面が得られ、これにより全体の培地の効果的な乱流運動が可能 になり、導管表面の停滞した細胞の塊の蓄積が防止できる。更に、かなりの量の 酸素ガスが細胞の生育の間に発生する。生育モジュールが水系培地で満杯の場合 、発生した酸素ガスの除去が妨げられ、系が酸素毒性を被ることになる。最後に 、モジュールを水系培地で満杯とならないように維持することは、系を加圧下で はなく本質的に常圧下で運転でき、そして、高価な耐圧剛性配管部品ではなく通 常の透明で可撓性の配管部品を生育モジュールの導管として用いることができる ことを意味する。充填容量はどのような好都合な容量であることもでき、一般的 に約３０％〜９０％である。容量が完全満杯に近すぎる場合は、壁作用とガス除 去の問題が顕著となり、容量が少なすぎると、系は有効に利用されない。何れの 特定の装置についても適切な充填容量は当業者が容易に決定できる。 典型的には、生育モジュール１４は管状であり、ポリエチレン製であるが、植 物組織に有害でないどのような剛性または可撓性の物質も、水に対して不溶性お よび非透過性であり、可視光を通すが近可視紫外線を通さない限り、使用できる 。この目的のためには低密度ポリエチレン（特に光の減衰と経費を共に低減でき るような最少厚みの場合）が最も好ましいが、他の材料、例えばポリプロピレン 、ポリアクリレート、ポリアミド、ポリカー ボネート、水不溶性セルロースエステルおよびポリエステルフィルムまたは（好 適度は低いが）ガラスも使用可能である。 生育モジュールは生育工程の間維持する乱流渦のスケールに対する装置のスケ ールを所望の比率にするような大きさとする。我々は渦スケールλ_Kに対する相 対的な流動流体反応チャンバー内の流体の水準は０．１−１反応チャンバー容量 単位の範囲、好ましくは０．１−０．８の範囲にあることを発見した。比が大き すぎる（即ち＜０．１：１）場合は、細胞が損傷を受け、εが大きくなりすぎ、 そしてＮ_Reが生育を制限する。逆に、比が小さすぎる（即ち＞１：１）場合は、 渦のスケールが容器の大きさを超え、そして、渦がその３次元攪拌工程内で適切 に維持されなくなる。後者の現象は極めて深く狭い導管を用いた場合に起こり得 る。工程の運転中、大部分の時点で多数の渦が存在し、渦の大きさは広範囲にわ たると考えられる。本発明の目的のためには、「主要な渦の容量」と表現するが 、これは一般的に全ての実際の渦の大きさが均一であると考えた場合の理論的な 渦の大きさとして定義することができる。言い換えれば、全渦容量が同じ総数の 渦に渡り均一に分布している場合の「平均の」渦の大きさと考えられる。この値 は、操作の間の水系培地の実際の全体容量で観察される乱流の特性から統計学的 な「平均の」渦として計算できるものであるため、当業者はこれを実験的に容易 に当てはめられる。 生育モジュール１４は一般的に、その中で生育している微生物による光合成の 間に生産される酸素のような溶存ガス１６を収集するための手段を備える。生育 モジュールは、後に詳述するが、光合成微生物のための閉鎖され制御された連続 生育環境として特徴づけられる。 回収は通常は分離工程、好ましくは多段階工程により行い、最終的な湿生成物 または乾生成物が得られるまで、各段階で微生物バイオマスの濃度を増大させる 。しかしながら、一部の応用例では、生育した微生物塊のそれ以上の処理が必要 でない場合も有り、懸濁液として回収した培養物を生成物として直接用いる。例 えば、微生物が脱水された「湿」生成物３４または乾生成物３８として回収する 必要がない場合、例えば、化学抽出工程の原料スラリーとして用いる場合は、回 収段階は省略してよい。このような場合、生育モジュール１４からの生産物の回 収は、直接的にまたは中間保存容器（図示せず）で保持された後間接的に、送液 により、または重力により受動的に、二次処理系１８に送られる。 回収の第１段階は、フロック化２０である。回収水を生育モジュール１４から 送液するかまたは重力により流動させ、そこに生育する光合成微生物を吐出する 。生育モジュール１４から出た回収水は電子フロック化装置を通すことにより、 そこで微生物の大型凝集塊とする。或は、フロック化２０は培地が沈降槽２２に 入る際にミョウバンのような化学的なフロック化剤をこれに添加する ことにより行なうことができる。フロック化により形成した凝集塊は、好ましく は、構成要素の個々の微生物細胞の沈降速度よりも少なくとも２ケタ大きい沈降 速度を有さなければならない。大型藻類または植物組織の一部（例えば、Haemat ococcus 種）は自己フロック化凝固し、このような場合はフロック化段階は必要 ではない。 フロック化装置２０を出た直後、大型の微生物凝集塊を含有する回収水を一連 の沈降槽２２に導入する。沈降は一般的に数時間で起こり、約５０の係数で微生 物が濃縮され、濃縮フロック２４と上澄み液２６が得られる。 回収操作の次の段階は遠心分離２８である。濃縮された微生物フロック２４を 沈降槽２２から取り出し、大容量の連続遠心分離器に入れ、ここで、遠心分離（ 通常は３，０００〜３０，０００ｒｐｍ）することにより、上澄み２６’および 水７０〜９０％を含有する濃縮微生物スラリー３０とする。高速連続遠心分離器 ２８は更に脱水工程も行ない、微生物バイオマスを２０−５０の係数で濃縮して 所望の「湿」生成物３４とする。 沈降槽２２および遠心分離器２８から得られた上澄み２６および２６’を合せ たものは、４０で示すような何らかの好都合な方法で処理してもよいが、好まし くは、浸透濾過３２に通して、ここから水源（例えば帯水層）２に戻して再利用 してよい。浸透濾過用の地下またはその他の遮光された場所は、上澄み中に残存 する光合成微生物がある場合はこれを殺傷し、これにより、光合成微 生物が水源２に導入されないようにする。天然の浸透濾過工程はまた、殆どの溶 存有機物および無機物を培地から除去する作用を有し、これにより、一般的に純 粋な再利用水として水源２に戻すことができる。 任意に追加してよい回収段階には、乾燥表面３６を用いてもよい。遠心分離器 ２８から出た微生物濃縮物は、コンクリート、プラスチック、ガラスまたは他の 均一な平滑平板面の表面上に薄層として供給される。スラリー濃縮物３０を乾燥 して「乾」生成物３８を製造する操作は、通常は蒸発により行なうが、熱風のよ うな補助的な乾燥も使用してよい。最大蒸発速度の維持は、好ましくは乾燥表面 を被覆し、被覆ハウジング内の相対湿度と温度とを自動的に制御することにより 行なう。 制御方法の利点 この例示したもののような系を用いることにより、本発明の制御方法では、従 来の制御方法では不可能であった利点が得られる。第１に、この方法は合理的な 流量で栄養の取込を増強する値の乱流エネルギー散逸率εを達成する。第２に、 εは特により大きい直径の導管を使用した場合により細密に制御できる。例えば 、式（５）に基づけば、２５ｃｍ（１０インチ）のパイプの場合、εはＮ_Re＞１ ５，０００で栄養の取り込み速度を大きくするような範囲（＞１０^-3Ｗ／ｋｇ） に有る。このような導管の直径では、このようなレイノルズ数は、約５ｃｍ ／秒より大きい流動速度により達成される。即ち、栄養の取込を増強するために 必要な値のεは、合理的な流量で得られる乱流により得ることができるのである 。 第２に、式（４）および（６）に基づけば、流量のかなり小さい変動でεが大 きく変動することが解る（ε∝ｕ³／Ｌ_Kであるため）。従って、εが等しい場合 には、導管直径がより大きいほど速度の変動をより正確に制御できる。直径が小 さい場合、流体の流量が僅かに増大することにより、εが一定量増加する。しか しながら、直径のより大きい導管でεを同様に増大させるためには、流動速度の 遥かに大きい増大が必要となり、流動速度をより多段階で変化させることにより 更に精密な制御が可能になるのである。更に、下記式： ε＝ｋＱ³／Ｌ_k ⁷ （６） 式中ｋは定数であり、Ｑは面積流量（生産速度）であり、そして、Ｌ_kは導管の 直径であり、この式が成立するため、ある値のεについて、微生物の生産速度は 導管の直径の二乗より僅かに多いものとして増大する。即ち、（栄養の最適化を 促進するために）同じ値のεを有する系では大きい導管直径を有するものが、実 質的により小さい導管直径を有する系よりも、有意に大きい実際の生産速度を示 すことになる。 流体の流動における乱流を使用して制御することは、多くの望ましい結果を与 える。乱流は特定の光合成微生物の細胞が循環水から分離析出することを防止す る。こ のような現象は鞭毛を有さないため自己運動できないような微生物（例えば、ケ イソウ(diatoms)またはBacillariophycae）の場合に特に起こる。乱流はまた、 生育培地中の全細胞を確実に光に曝露させるが、光は、濃密な培養物中では、本 来は、培養物の約１０％に相当する深さでほぼ完全に消光すると推測される。乱 流の循環／生育のモードは乱流の最適な水準を観測し決定するのに十分な時間継 続することが可能であり、一旦決定された後は、光合成微生物を所定の最適バイ オマスにまで生育させた後に回収することができる。乱流制御を使用する場合は 、上記した「閃光作用」を利用することにより、数的な生育を増強できる。閃光 作用は本質的には、光から放射されるエネルギーの有限の量を吸収するのみの光 合成細胞の能力の関数である。その結果、このような細胞の多くは、連続的曝露 から得られる利益と同等の利益を間欠的な光源への曝露からも得ると考えられる 。実際、ある細胞が光への連続的曝露により損傷を受けた場合、乱流状態で細胞 を光に間欠的に曝露することにより細胞の損失を低減できる場合が有る。細胞が 曝露される乱流を調節することにより、生育系のオペレーターは閃光作用による 細胞の生産性を最大限にすると同時に、光とせん断力への過剰曝露による細胞の 損失を最小限にすることができる。 乱流は装置のパラメータまたは流体のパラメーターの何れかまたは双方を用い て種々の方法で制御できる。例 えば、Ｎ_Reの定義から、乱流の制御は流動速度か、または生育管の直径を変更す ることにより行えることが解る。乱流の望ましい水準が決定された後、速度およ び／または使用する生育管の直径を適宜調節できる。従って、本発明のオペレー ターは、培養する細胞に対して、本明細書で記載した決定を行なうための手段に 従って決定を行ない、管の直径および／または流動速度の要素を適宜調節できる と考えられるため、本発明の記載の目的のためには、管の直径、流動速度または 流体の粘度に関する特定の値は提示しない。 生育モジュール１４に適用する制御パラメーターは各生育周期の過程に渡り変 動すると考えられるが、その理由は、微生物の生育が進展するにつれて増加する 細胞に対する光の利用性、栄養の要求と供給、総ガス発生等の種々の基準が変動 するためである。即ち、本発明の方法は、連続制御方法と認識されるものであり 、いかなる時点でも乱流の制御の水準は微生物生育周期の進行の関数である。 系の操作の間、生育培地の物理的、化学的および生物学的特性は、通常は系に 渡って数箇所存在するモニター部位で連続的にモニタリングする。一般的にモニ タリングされる特性には、ｐＨ、ＣＯ₂含有量、温度、最適密度（バイオマス） および流動速度が包含される。各々の許容値は、生育させる特定の微生物により 変動するが、これらの特性の最適な値は使用する微生物に関して当業 者が容易に決定しうるものである。これらはまた生育モジュール中の微生物の滞 留時間により変動する。参考のために、我々が検討したところ、例えばHaematoc occus pluvialis、spirulina platensis、Lyngbya lagerheimiiまたはChlorella sorokiniensisを２４ｃｍの直径の閉鎖導管を有する図中に示した型の系で生育 させる場合は、パラメーターの適当な範囲は以下に示すとおりである。 Ｎ_Re ４０００〜１０⁶ ｐＨ ６．５〜９．５ ＣＯ₂含有量 １００ｇ／ｍ³〜溶解限度値 温度 ２５〜３５℃（７５〜９５°Ｆ） λ_K １−１０ 流動速度 ２−１００ｃｍ／分 最適ｐＨ値は培養する光合成微生物の種により変動するが、最適生育のための ｐＨは通常は６．５〜９．５である。乱流の制御により通常は所望のｐＨ値が得 られる。所望によりｐＨ値は更に化学薬品の添加により調整してもよく、二酸化 炭素または酸（好ましくは硝酸）を添加して高いｐＨを下げ、低いｐＨは塩基（ 好ましくは水酸化アンモニウム）を添加することにより高くすることができる。 更に、窒素含有の酸および塩基を選択することにより、ｐＨ調節と同時に培地に 栄養を配合できる。培養する種の栄養要求性に応じて、一次制限栄養として窒 素よりもリンが好ましい場合は、ホスホリル化された酸および塩基を用いてよい 。これは、空気持ち上げ長（length of air-lift）またはガス交換系に基づいた λ_Kの選択により制御する。 ガス含有量（ＣＯ₂）の最適な範囲もまた種により変動するが、全ての場合に おいて、ＣＯ₂、炭酸塩または重炭酸塩のいずれの形態でも１００ｇ／ｍ³より大 きく、水中のＣＯ₂の溶解度を超える場合はない。乱流制御により与えられるＣ Ｏ₂濃度が最適範囲に満たないことが観察された場合、供給槽から気体状のＣＯ₂ を系に添加することができる。上記したとおり、ＣＯ₂の添加はｐＨ調節のため にも用いてよい。これは、ＣＯ₂濃度が低く栄養濃度が高い場合の好ましい酸度 上昇法であり、一方、ＣＯ₂濃度が高く栄養濃度が低い場合には、酸の添加が好 ましい。 培養物中の光合成微生物のバイオマスは光学的方法で測定する。１つの方法に おいては、測定は光学密度を読み取ることにより行なうが、クロロフィルのイン ビボ（in vivo）蛍光や他の蛍光顔料のような別の光学的方法も適切である。光 学密度および顔料の濃度は微生物のバイオマスに正比例するため、これらの方法 により培養物内の各モニタリング位置に存在する微生物の濃度が測定できる。即 ち、移動のために要する時間が既知であるような既知の距離だけ離れている２ヵ 所のモニタリング位置の間の細胞濃度の差は、その時間に得られる細胞の 量を計算するために用いることができる。即ち、この系の使用者は何れも生産性 を容易に測定し改善し、或は最適化することができる。 温度の制御もまた極めて重要である。全ての光合成微生物は比較的狭い温度範 囲で最適に生育し、最適範囲から２〜３℃（３〜４°Ｆ）はずれると生育は顕著 に低下する場合が多い。最も速く生育する種は、通常は２５〜３５℃（７５〜９ ５°Ｆ）の範囲で最適に生育する（Eppley、Fishery Bull．U.S.、７０：１０６ ３−１０８５（１９７２））。一般的に温度が上昇すると生育速度は緩やかに増 大し、最適温度を超えた後は急速に低下する。乱流は流体培地内の温度を十分に 均質化させ、低温部を生じさせない。 １２において系に供給される栄養は培養する特定の微生物種の最適な生育のた めに必要な何れの栄養も含有する。これらには例えば、スーパーホスフェート、 尿素、シリケート、例えば亜鉛、鉄、バナジウムなどの微量金属、ビタミン類お よび他の生育増強物質が包含される。栄養は通常は、生育系における最終濃度と 比較して高濃度で与えられるが、典型的な濃度係数は約４０００である。典型的 には、栄養は３時間の回収／再充填周期で約０．５ｍｌ／秒の速度で新しい培養 水に添加する。栄養の添加速度は、培地内の栄養の濃度を迅速に所定の最適濃度 とするように調節する。このような濃度は全ての栄養が生育周期の終了時に消費 されるように選択する。あ るいは、栄養の添加は、前記したｐＨおよびＣＯ₂の制御と同様な方法で（例え ば、系内の適切な地点に設置したセンサーによる読み取り値に基づいてマイクロ プロセッサーにより）制御できる。系は通常は数ヵ月生育モジュール１４を運転 するのに十分な栄養原料を貯留している。 本発明の乱流制御方法は、広範囲の種類の微生物の生育に適用できる。これら には、広範囲の属の藻類、単細胞植物プランクトン、維管束植物の組織、大型藻 類組織等が包含される。乱流制御により商業的に実現可能な状態で生育を制御で きる特定の属および種の典型的な例は、Dinophyceae、Bacillariophycear、Lyng bya lagerhemii(Cyanophycear)、Spirulina platensis(Cyanophycear)、Haemato coccus pluvialis(Chlorophycear)、Chlorella sorokiniensis(Chlorophycear) および植物細胞組織培養物を包含する。本発明の方法による生育に特に適するも のはHaematococcus pluvialis、Spirulina platensis、Lyngbya lagerheimiiお よびChlorella sorokiniensisである。当業者が知るとおり、上記の微生物は限 定的なものではなく多くの他の属および種も同様に本発明の乱流制御方法を用い た生育工程に適用できる。 これらの微生物の大部分は、本来は石油化学、石炭原料または類似の原材料か ら合成により製造しなければならなかった化学物質を、天然物から、直接または 間接的に製造するため、商業的な生育のために特に価値有るも のである。このような微生物から得られる化学物質の典型的な例は、クロロフィ ル、キサントフィルおよびカロテノイド類のような着色料；γ−リノレン酸のよ うな脂肪酸、グルコースのような炭水化物、グリセロールのようなアルコール類 、石油炭化水素、並びに、自然界に存在することが解っている大型藻類の約３０ ，０００種に含有されることが解っている、または推定されている全ての天然の 物質である。更にまた、コーヒー、タバコ、チョコレート、ゴム等のような価値 有る物資の原料として典型的に使用される一般的な維管束植物の組織も対象生物 に含まれる。本発明の乱流制御方法を組み込んだ系を用いて好都合に生産できる 他の多くの微生物由来最終生成物は当業者の知るとおりである。 本発明には多くの実施態様があるが、それらは、記載しなかったものも含めて 、本発明の範囲内に包含される。従って、上記は単に例示を目的としたものであ り、本発明の実際の範囲は請求項により示されるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ (Ｃ１２Ｎ 5/04 Ｃ１２Ｒ 1:91） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ルダルジュ、 ドナルド アメリカ合衆国 39571 ミシシッピー州 パス クリスチャン ポンス ド レオ ン ブールヴァード 705

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 可視光に対して透過性である反応チャンバー内の水系培地中に光合成微 生物バイオマスを分散し、前記水系培地が前記チャンバーの総容量より少ない用 量を占める微生物バイオマスの懸濁液を含有するようにし； 前記バイオマスを構成する微生物が増殖し、数が増加する時間中、前記反応チ ャンバー内に前記バイオマスを維持し； 前記増殖を保持するために前記時間中、前記バイオマスに栄養を供給し、これ より発生した気体を除去し； 前記時間の間中、前記反応チャンバーに前記水系培地を充分流動させ； 前記時間中の少なくとも一部の時間に、可視光源に前記反応チャンバーを曝露 し、前記可視光を前記反応チャンバー内に通し、前記微生物に利用させて光合成 を可能とし； 前記時間中、前記反応チャンバー内の前記水系培地全体に概ね行き渡るように 乱流渦を有する乱流状態を維持し； 前記時間中、前記チャンバーのスケールと前記渦のスケールとの間の比率を所 定の範囲に維持し； これにより、前記時間が前記微生物の数の望ましい増加が得られるのに十分な ものとなるまで、前記乱流状態において前記微生物の前記増殖のための効果的な 反応条 件を維持すること、 を備える水系微生物生育工程の制御方法。 ２． 前記乱流状態が２０００〜１０⁶のレイノルズ数の値により定義される 請求項１に記載の方法。 ３． 前記乱流状態が４０００〜１０⁶のレイノルズ数の値により定義される 請求項２に記載の方法。 ４． 前記乱流状態が４０００〜２５０，０００のレイノルズ数の値により定 義される請求項３に記載の方法。 ５． 前記乱流状態が５０００〜５０，０００のレイノルズ数の値により定義 される請求項４に記載の方法。 ６． 前記比率が、渦スケールに対する流動流体反応チャンバー内の流体の水 準で０．１−１チャンバー容量単位の範囲のものである請求項１に記載の方法。 ７． 前記範囲が０．１−０．８チャンバー容量単位である請求項６に記載の 方法。 ８． 微生物バイオマスが単細胞植物プランクトン、維管束植物の組織、大型 藻類組織等から選択される群の微生物の少なくとも１つの種である請求項１に記 載の方法。 ９． 前記微生物または前記植物の組織が、Dinophyceae、Bacillariophycear 、Lyngbya lagerhemii(Cyanophycear)、Spirulina platensis(Cyanophycear)、H aematococcus pluvialis(Chlorophycear)、Chlorella sorokiniensis(Chlorophy cear)および植物細胞組織培養物よりなる群から選択される請求項８に記載の方 法。 １０． 前記微生物がHaematococcus pluvialis、Spirulina platensis、Lyng bya lagerheimiiおよびChlorella sorokiniensisよりなる群から選択される請求 項９に記載の方法。 １１． 前記反応容器内の前記反応条件が、光曝露、栄養供給、沈降速度、全 体温度、ガス交換速度および細胞の完全性であることを含む請求項１に記載の方 法。 １２． 前記乱流状態が、前記バイオマス中で個々の微生物の前記可視光への 曝露が間欠的となるように前記微生物を動かす請求項１に記載の方法。 １３． 前記微生物への可視光の前記間欠的曝露により、前記微生物において 光合成に対する閃光作用が生じる請求項１２に記載の方法。 １４． 非曝露の累積時間の約１０倍長い累積時間、前記可視光に前記微生物 を曝露する請求項１３記載の方法。 １５． さらに、乱流エネルギー散逸率εを１０^-3〜１０Ｗ／ｋｇに維持する ことを含むする請求項１に記載の方法。 １６． 前記微生物塊を含む前記水系培地が前記チャンバーの総容量の約３０ ％〜９０％に相当する請求項１に記載の方法。