光バイオリアクター

フォトバイオリアクター（PBR）とは、人工光源または太陽光を利用して光合成を促進する光合成独立栄養生物を栽培するために設計された栽培システムを指します。フォトバイオリアクターは、通常、微細藻類、シアノバクテリア、および一部のコケ類の栽培に使用されます。^{[1]フォトバイオリアクターは、}水路池などの自然光源と二酸化炭素に依存するオープンシステムである場合があります。クローズドフォトバイオリアクターは、培養された生物の生理学的要件に合わせて制御できる柔軟なシステムであり、最適な成長率と純度レベルをもたらします。フォトバイオリアクターは通常、バイオ燃料、医薬品、およびその他の産業用途の生物活性化合物の栽培に使用されます。^[2]

光合成生物を制御下で生産するための最初のアプローチは、自然の開放型池または人工のレースウェイ池でした。その中で、必要な栄養素と二酸化炭素をすべて含む培養懸濁液は、液体の表面を介して太陽光から直接照射されながら、循環的にポンプで循環されます。レースウェイ池は、閉鎖型光バイオリアクターと比較して運用コストが低いため、業界では今でも一般的に使用されています。しかし、環境光供給と二酸化炭素に依存し、他の微生物による汚染の可能性があるため、反応条件を十分に制御できません。また、開放型技術を使用すると、大気への蒸発による水の損失も発生します。^[3]

閉鎖型光バイオリアクターの構築により、システム関連の水損失が回避され、汚染が最小限に抑えられます。^[4]このため、閉鎖型システムは開放型システムに比べて生産性が優れていますが、いくつかの制限要因により細胞密度が低いままであるため、低価格商品の生産に適するように改善する必要があります。^[5]最新の光バイオリアクターはすべて、培養懸濁液の薄層、光の適用の最適化、ポンプエネルギー消費の低減、設備投資、微生物の純度の間でバランスをとろうとしています。しかし、光の減衰と成長に伴う二酸化炭素必要量の増加は、光栄養培養における最も避けられない2つの変化であり、光バイオリアクターの生産性を著しく制限します。^{[6] [5]}光バイオリアクターでの微細藻類の成長に伴う光合成酸素の蓄積も、重要な制限要因であると考えられています。しかし、最近では、細胞密度が微細藻類培養の後期段階で光を減衰させるほど高い場合、空気飽和度の400％という高い溶存酸素レベルは阻害効果をもたらさないことが運動モデルによって示されました。^[7]さまざまなシステムがテストされていますが、工業規模で実行できるアプローチはごくわずかです。^[8]

最も単純なアプローチは、世界中の多くのバイオテクノロジー研究および生産施設で最先端の技術となっている、よく知られたガラス発酵槽を再設計することです。たとえば、モスリアクターは、外部から光が供給される標準的なガラス容器を示しています。既存のヘッドノズルは、センサーの設置とガス交換に使用されます。 ^[9]このタイプは実験室規模では非常に一般的ですが、容器のサイズが限られているため、大規模では確立されていません。

ガラスまたはプラスチックのチューブで作られたこのタイプのフォトバイオリアクターは、生産規模で成功しています。チューブは水平または垂直に配置され、ポンプ、センサー、栄養素、二酸化炭素を備えた中央ユーティリティ設備から供給されます。チューブ型フォトバイオリアクターは、緑藻類ヘマトコッカス・プルビアリスからのカロテノイド アスタキサンチンの生産や、緑藻類クロレラ・ブルガリスからの食品サプリメントの生産など、研究室から生産規模まで世界中で設置されています。これらのフォトバイオリアクターは、高純度レベルと効率的な出力を活用しています。バイオマス生産は高品質レベルで実行でき、生産終了時のバイオマス濃度が高いため、エネルギー効率の高い下流処理が可能になります。^[10]フォトバイオリアクターの最近の価格により、今日経済的に実現可能なコンセプトは、食品サプリメントや化粧品などの高価値市場でのみ見つかります。^[11]

生産規模での管状光バイオリアクターの利点は、実験室規模にも応用できます。前述のガラス容器と薄い管コイルを組み合わせることで、実験室研究規模で適切なバイオマス生産率を実現できます。複雑なプロセス制御システムによって制御されるため、環境条件の調整は高いレベルに達します。^[12]

代替アプローチとして、先細りの形状で構築され、らせん状に接続された半透明の二重ホース回路システムを備えた光バイオリアクターが示されています。^[13]結果は、クリスマスツリーに似たレイアウトになります。管状のシステムはモジュールで構築されており、理論的には屋外から農業規模まで拡張できます。他の閉鎖系と同様に、専用の場所は重要ではないため、非耕作地も適しています。材料の選択により、生物付着を防ぎ、最終的なバイオマス濃度を高くする必要があります。乱流と閉鎖コンセプトの組み合わせにより、クリーンな操作と高い運用可用性が可能になります。^[14]

もう一つの開発アプローチは、プラスチックまたはガラスのプレートをベースにした構造に見られる。異なる技術設計のプレートが取り付けられ、培養懸濁液の小さな層を形成し、最適化された光供給を提供する。さらに、管状リアクターに比べて構造が簡単なため、より安価なプラスチック材料を使用できる。さまざまなコンセプトのプールから、たとえば蛇行流設計や底部ガスシステムなどが実現され、良好な出力結果が示されている。未解決の問題には、材料の寿命安定性やバイオフィルム形成などがある。工業規模でのアプリケーションは、プレートシステムのスケーラビリティによって制限される。^[15]

2013年4月、ドイツのハンブルクに、ガラス板の光バイオリアクターファサードを統合した建物であるIBAが開設されました。^[16]

この確立された光バイオリアクターもプレート形状です。リアクターの独自の形状は、特に、最適な光入力と、同時にせん断のない培養物の混合を特徴としています。

可変調整可能なCO ₂空気混合物は、多数の小さな気泡として特殊な膜を介して光バイオリアクターの底部に導入されます。特殊な形状のプレートリアクター内で気泡が上昇することで、培養物の均一な混合が実現し、一方では CO ₂空気混合物の滞留時間が非常に長くなり、培養物への CO ₂入力 (利用度) が非常に良好になります。他方では、均一な混合により、通常はシステムの両側に設置されている栽培用LEDライトの光入力が非常に良好になり、光エネルギーの利用度が非常に高くなります。

リアクターの形状には、培養物を上部から下部に運ぶ 1 つ以上のダウン チャンバーが組み込まれているため、培養物に光合成関連因子が常に均一に供給され、高い生産性が実現されます。

この原子炉はドイツの有名なフラウンホーファー研究所で開発され、Subitec GmbH によって製造されました。

このタイプのフォトバイオリアクターは、一定の間隔で山と谷が配置されたプレート型の基本形状で構成されています。この形状により、入射光がより広い表面に分散され、希釈効果が得られます。また、ほとんどの微細藻類種は高光強度に敏感に反応するため、これは光栄養栽培における基本的な問題の解決にも役立ちます。ほとんどの微細藻類は、最大昼光強度である約 2000 W/m ²を大幅に下回る光強度ですでに光飽和を経験しています。同時に、光変換効率を改善するために、より大きな光量を利用することができます。混合はロータリーポンプによって行われ、培養ブロスが円筒状に回転します。垂直設計とは対照的に、水平リアクターには、それに応じて流体力学的圧力が低い薄い層の媒体のみが含まれます。これは、必要なエネルギー入力にプラスの影響を与え、同時に材料コストを削減します。

市場価格の圧力により、ホイルベースの光バイオリアクターの開発が進みました。安価なPVCまたはPEホイルを袋や容器に取り付けて、藻類懸濁液を覆い、光にさらします。ホイルシステムにより、光バイオリアクターの価格帯が拡大しました。ホイルは定期的に交換する必要があるため、これらのシステムの持続可能性には限界があることに留意する必要があります。完全なバランスをとるには、必要なサポートシステムへの投資も計算する必要があります。^[17]

ケルン大学で開発中の多孔性基質バイオリアクター^[18]（PSBR）は、ツインレイヤーシステムとしても知られ、微細藻類をバイオフィルムに閉じ込めた多孔性リアクター表面によって、藻類を栄養溶液から分離する新しい原理を採用しています。この新しい手順では、藻類を懸濁液で培養する現在の技術と比較して、操作に必要な液体の量を最大100分の1に削減します。このように、PSBR手順では、必要なエネルギーを大幅に削減しながら、培養できる藻類のポートフォリオを増やします。

微細藻類と二酸化炭素隔離およびバイオ燃料生産におけるその可能性に関する議論は、光合成バイオリアクターの開発者および製造業者に大きなプレッシャーを与えている。^[19]現在、言及されたシステムのいずれも、原油と競合できる価格で光合成微細藻類バイオマスを生産することはできない。新しいアプローチでは、例えば、排ガスと廃水を利用して極薄層を生成し、最大限の成長を実現する滴下法がテストされている。さらに、遺伝子組み換えおよび最適化された微細藻類に関する研究が世界中で数多く行われている。

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