專利名稱：包含旋轉(zhuǎn)振蕩光源的光生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光生物反應(yīng)器，其在反應(yīng)器內(nèi)部包含旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)的光源以實(shí)現(xiàn)空間均勻的光輸入。本發(fā)明可用于光養(yǎng)有機(jī)體的培養(yǎng)，該光養(yǎng)有機(jī)體在反應(yīng)器內(nèi)部通過旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)的光源以最優(yōu)化方式被照射。最優(yōu)化光輸入可任選與最優(yōu)化的剪切敏感性的反應(yīng)器內(nèi)容物質(zhì)(如剪切敏感性的光養(yǎng)有機(jī)體)的氣化和脫氣結(jié)合。
背景技術(shù)：
光養(yǎng)有機(jī)體應(yīng)用的ー個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是藻類培養(yǎng)。除了傳統(tǒng)的在暴露于陽光的扁平容器中培養(yǎng)藻類之外，在生物反應(yīng)器中的藻類培養(yǎng)被越來越多地記載。這種開發(fā)的ー個(gè)原因是藻類用于制備極高價(jià)值產(chǎn)品的用途。然而，這對(duì)培養(yǎng)條件或過程管理帶來更復(fù)雜的需求。其只能在特別設(shè)計(jì)的光反應(yīng)器中進(jìn)行。與更便宜的常規(guī)培養(yǎng)容器相比，由所述特別設(shè)計(jì)的光反應(yīng)器產(chǎn)生的更高的采購和生產(chǎn)成本的經(jīng)濟(jì)可行性依賴于產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)的高價(jià)格水平。這種高價(jià)值產(chǎn)品是，例如，化妝品エ業(yè)的著色劑或食品補(bǔ)充劑エ業(yè)的多不飽和脂肪酸(如天然ω-3脂肪酸或二十碳五烯酸(EPA))。制藥業(yè)中正在研發(fā)用于治療和診斷藥品的蛋白質(zhì)。另ー領(lǐng)域是綠色能源生產(chǎn)(例如通過藻類制氫)。藻類生物質(zhì)——其在藻類制備產(chǎn)品時(shí)以任何方式形成——還可用于產(chǎn)生沼氣，其使這種技術(shù)特別環(huán)境友好。藻類培養(yǎng)和利用藻類生物質(zhì)用于制備沼氣的結(jié)合的另ー個(gè)實(shí)施例是廢氣浄化，其中包含的ニ氧化碳和碳由藻類代謝。因此廢氣浄化的環(huán)境技術(shù)方法可與從已經(jīng)產(chǎn)生的藻類生物質(zhì)得到沼氣的能源技術(shù)方面共生關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)有技術(shù)中記載了各種設(shè)計(jì)的光生物反應(yīng)器。Havel等人記載了包含最多達(dá)16個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的泡罩塔的生物反應(yīng)器，其在泡罩塔的正上方配有人造光源從而確保在均勻光譜內(nèi)足夠的光供給量。在每個(gè)泡罩塔的周圍，反光圓柱管將光從上方傳遞至每個(gè)泡罩塔的圓柱形玻璃外壁，從而降低光散射和改善照身寸。Osram Fluora L77 (OsramjMunichjGermanyy)^PSun-Glo (Hagen, Holm, Germany;突光管的結(jié)合用作光源產(chǎn)生人造陽光[J. Havel, E. Franco-Lara, D. Weuster-Botz: “Aparallel bubble column system ior the cultivation of phototrophicmicroorganisms，，Biotechnology Letters (2008) 30:1197 - 1200]。在泡罩塔內(nèi)部，隨著有機(jī)體在泡罩塔內(nèi)準(zhǔn)混亂的移動(dòng)，流體動(dòng)力學(xué)控制漂浮光合細(xì)胞的曝光。在最佳性能時(shí)，泡罩塔還必須以最高可能的氣化速率運(yùn)轉(zhuǎn)，該速率由藻類的剪切耐受性控制。同時(shí)，氣化速率不應(yīng)過高而導(dǎo)致可發(fā)生氣滯，氣滯將阻止光通過泡罩塔傳播[J. C. Merchuk, F.Garcia-Camacho，E. Molina-Grima“Photobioreactor Design and Fluia Dynamics”Chem.Biochemical Engineering Quarterly (2007) 21 (4) : 345 - 355]。盡管如此，由于易于建造和保持運(yùn)轉(zhuǎn)，這種光生物反應(yīng)器是最廣泛使用的。然而，這種類型的光反應(yīng)器的放大和最優(yōu)控制很難，因此其生產(chǎn)率通常較低。其原因也基于在這種光生物反應(yīng)器中光輸入通過反應(yīng)器的外表面進(jìn)行這一事實(shí)。然而，隨著規(guī)模的増大，表面積與體積比變得更小，因此每單位體積的光輸入變得更低，從而限制產(chǎn)品產(chǎn)率。管式光生物反應(yīng)器由直線型或圈型排列的透明管材料組成，其排列g(shù)在實(shí)現(xiàn)最大的陽光/光輻射接收。光養(yǎng)培養(yǎng)材料在管內(nèi)運(yùn)輸。為此，特別經(jīng)常使用氣升循環(huán)器[J. C. Merchuk，F(xiàn). Garcia-Camacho，E. Moiina-Grima “Photobioreactor Design andFluid Dynamics” Chem. Biochemical Engineering Quarterly (2007) 21 (4) : 345 - 355]。Merchuk等人還給出在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)光合細(xì)胞的現(xiàn)有技術(shù)綜述。除上述泡罩塔反應(yīng)器和管式反應(yīng)器之外，也記載了薄膜生物反應(yīng)器和氣升式反應(yīng)器。與泡罩塔相反，氣升式反應(yīng)器允許控制流體通過通道，在由同心管組成的結(jié)構(gòu)中，光源位于外壁且內(nèi)壁限定了暗兇[J. C. Merchuk, F. Garcia-Camacnoj E. Molina-Grima “Photobioreactor Design andFluidDynamics” Chem. Biochemical Engineering Quarterly (2007) 21 (4) : 345 - 355]。
Rastre等人記載了一種通過結(jié)合模型生物反應(yīng)器和中試生物反應(yīng)器而合理設(shè)計(jì)大型反應(yīng)器的方法。研究了封閉管和板式生物反應(yīng)器[R. R. Sastre，Z. Csogor,I. Perner-Nochta, P. Fleck-Schneider, C. Posten, Journal of Biotechnology (2007) 132:127-133]。US 20100144019記載了用于微藻類培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器,其容器含有大量不同長(zhǎng)度的光源(具體地是光電ニ極管與導(dǎo)光設(shè)備的結(jié)合)、用于產(chǎn)生流動(dòng)的機(jī)械攪拌裝置和氣動(dòng)混合系統(tǒng)，其產(chǎn)生氣泡以懸浮微藻類，光源浸于容器內(nèi)。未公開柔性光源。WO 2009069967記載了用于微藻類培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器，其包含容器中的多個(gè)光源表面，例如柔性LED板。光源表面具有平板或圓柱的形狀且在反應(yīng)器容器中以規(guī)則間隔安裝從而將其分置。與在管式反應(yīng)器中ー樣，培養(yǎng)體從輸入口至輸出ロ沿光源表面被運(yùn)輸至反應(yīng)器內(nèi)，光源表面被置于反應(yīng)器內(nèi)，從而使輸入口和輸出口之間的路徑盡可能長(zhǎng)。用于藻類培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器記載于US 20100028977 Al，其中光通過棒被引入培養(yǎng)液。然而，記載的棒的排列不能使均勻的光輸入光生物反應(yīng)器。另ー個(gè)缺點(diǎn)是盡管記載了排列的棒的旋轉(zhuǎn)，但這不包括在光源和含有光養(yǎng)有機(jī)體的培養(yǎng)液之間產(chǎn)生相対速度。這種相對(duì)速度導(dǎo)致相應(yīng)的混合，結(jié)果是不同的光養(yǎng)有機(jī)體被恒定運(yùn)送至光源附近。相対速度還具有這樣的效果所有光養(yǎng)有機(jī)體隨時(shí)間可平均接收相同的光量，從而不存在由于與光源之間更大的距離而隨時(shí)間平均接收更少的光量的有機(jī)體。專利US 20100028977 Al還缺少用于記載的光生物反應(yīng)器的氣化和脫氣概念。這是另ー缺點(diǎn)，因?yàn)槌廨斎胫猓┙oニ氧化碳和排出氧氣對(duì)于藻類也很重要。因此US 20100028977 Al具有非空間均勻的光輸入、光源與培養(yǎng)液之間沒有相對(duì)速度、以及缺少氣體轉(zhuǎn)移概念的缺點(diǎn)。在所有上文提到的光反應(yīng)器中，一個(gè)替代方案是光源位于培養(yǎng)容器外部且不與培養(yǎng)的材料接觸。相應(yīng)地，為了產(chǎn)生必要的照射以及最大的光輻射穿透深度，需要高能光源。直接輻射對(duì)特別敏感的有機(jī)體具有光抑制的危險(xiǎn)?；蛘撸愆`種可能是，光通過導(dǎo)光設(shè)備由光源導(dǎo)入光生物反應(yīng)器，或?qū)煞N可能性結(jié)合。近年來盡管有很大關(guān)注，對(duì)于在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)光養(yǎng)細(xì)胞(特別是藻類和藍(lán)細(xì)菌)仍沒有經(jīng)濟(jì)滿意的方案。
用于液體(特別是細(xì)胞培養(yǎng)液)的無泡氣化的方法記載于W02007098850和W2010034428，氣體交換通過ー個(gè)或多個(gè)柔軟地浸于待氣化和/或脫氣的介質(zhì)(例如管、圓柱或模塊)中的膜表面而進(jìn)行，其中所述膜表面在介質(zhì)中進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)。所述旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)在這種情況下易于通過相應(yīng)地操作驅(qū)動(dòng)馬達(dá)而實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)エ藝和機(jī)械方面，其沒有額外需要。通過受控的運(yùn)動(dòng)改變，所述運(yùn)動(dòng)可最優(yōu)化從而使流到膜表面上的流動(dòng)是最佳的。由于材料的傳遞系數(shù)取決于流到膜表面上的流動(dòng)，最佳運(yùn)動(dòng)是其中膜表面分別具有相對(duì)于液體的最大相対速度的那種運(yùn)動(dòng)。膜表面的旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)的另ー個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要用于產(chǎn)生流到膜表面上的流動(dòng)的單獨(dú)攪拌或混合元件。此外，旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)意味著容器中的流動(dòng)折流板不是必需的。在常規(guī)攪拌元件中，通常使用流動(dòng)折流板以防止液體隨攪拌器運(yùn)動(dòng)以及提供足夠的湍流和功率輸入。W02007098850和WO 2010034428中提供膜表面和產(chǎn)生流到膜表面上流動(dòng)的結(jié)合避免了局部高功率輸入和局部高剪切應(yīng)カ的區(qū)域。在記載的生物反應(yīng)器中，功率輸入以空間均勻的模式進(jìn)行并直接用于流到膜表面上的流動(dòng)。隨著在膜表面所有位置處適宜的液體運(yùn)動(dòng)，由于膜表面相對(duì)于液體的運(yùn)動(dòng)，發(fā)生大量且確定的物質(zhì)傳輸?？傊?，與常規(guī)方法和設(shè)備相比，實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)傳輸和產(chǎn)生物質(zhì)傳輸所需的機(jī)械功率輸入、以及生物反應(yīng)器中不可避免的剪切力的更好關(guān)聯(lián)。沒有記載用于光養(yǎng)細(xì)胞培養(yǎng)的生物反應(yīng)器的 使用，在記載的設(shè)備中沒有提供光源。與在生物反應(yīng)器中的細(xì)菌、酵母或哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)相反，在光生物反應(yīng)器中光養(yǎng)有機(jī)物(例如藻類)的培養(yǎng)除氣體供給和排出之外，還需要光能量的輸入。由于光照射的穿透深度較短，需要最大程度均勻的光輸入，從而盡可能不存在這種生物反應(yīng)器區(qū)域其中光源太遠(yuǎn)從而損害生產(chǎn)率。輻射強(qiáng)度的指數(shù)衰減產(chǎn)生三個(gè)具有不同生長(zhǎng)條件的區(qū)域在第一個(gè)區(qū)域中，其從光源延伸至光能量抵償藻類用于最大生長(zhǎng)速率的能量需求的位置，生長(zhǎng)速率主要取決于細(xì)胞種類和培養(yǎng)介質(zhì)。在某些條件下，該區(qū)域的光抑制可防止光源附近的最大生長(zhǎng)。第二區(qū)域結(jié)束于到達(dá)細(xì)胞的光能量正好等于用于生存新陳代謝的能量需求的位置。在該區(qū)域中，光是限制因素且光合生長(zhǎng)速率與入射光強(qiáng)度成正比。第三區(qū)域是少照射區(qū)域，其中生長(zhǎng)不利且出現(xiàn)結(jié)垢。上述區(qū)域系統(tǒng)沒有考慮生物反應(yīng)器中的流體動(dòng)力學(xué)。

發(fā)明內(nèi)容
為了在光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)光養(yǎng)有機(jī)體(如藻類)，由此產(chǎn)生的目標(biāo)不僅是提供具有足夠混合和避免結(jié)垢和聚集的高氣體供給和氣體排出(如生物反應(yīng)器中常見的)，還同時(shí)實(shí)現(xiàn)盡可能均勻的充足的光輸入。在光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，除光輸入的額外需要部分之外，根據(jù)光養(yǎng)有機(jī)體，還必須更多注意剪切敏感性。尤其是由于氣泡氣化也會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，因此無泡氣化是有利的，特別對(duì)于任何情況下更傾向無泡氣化的光養(yǎng)有機(jī)體。因此對(duì)于剪切敏感和/或氣泡敏感有機(jī)體，上文記載的目標(biāo)變得更加困難。在無泡氣化的情況下，特別地必須注意避免結(jié)垢和聚集。因此必須提供具有氣體供給和排出(任選以無泡形式)的均勻光輸入、足夠的混合和避免結(jié)垢和聚集以及低剪切應(yīng)力，低剪切應(yīng)カ通常也需要低功率輸入且由此需要低氣體供給和排出以及混合。此外，需要可以經(jīng)濟(jì)滿意的方式建造、操作并保持運(yùn)行、且可以盡可能靈活地適應(yīng)培養(yǎng)的有機(jī)體的需要的光生物反應(yīng)器。現(xiàn)有存在的系統(tǒng)僅在単一或某些標(biāo)準(zhǔn)上——但不是所有標(biāo)準(zhǔn)上——滿足所述對(duì)光生物反應(yīng)器的需求。令人驚異地，上述目標(biāo)已經(jīng)通過ー種光生物反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)，該光生物反應(yīng)器特征在于分布于生物反應(yīng)器液體體積中的任意旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)的光源，以及通過使用本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的方法實(shí)現(xiàn)。
具體實(shí)施例方式在上下文中，術(shù)語光源不必須表示光源產(chǎn)生光；而是，術(shù)語光源也用于光輸出的含義。例如，光可在光生物反應(yīng)器外產(chǎn)生并通過玻璃纖維纜傳送至生物反應(yīng)器，其中光從導(dǎo)光 設(shè)備發(fā)出。導(dǎo)光設(shè)備用作光生物反應(yīng)器的光源。本發(fā)明不僅適用于光養(yǎng)有機(jī)體(如藻類和藍(lán)細(xì)菌)，也適用于其他具有光輸入和任選氣化的相應(yīng)應(yīng)用。在本文中光輸入(優(yōu)選在液體中)用于為光合作用提供光。通過應(yīng)用光源(例如在轉(zhuǎn)子上的星形)，結(jié)合液體中的運(yùn)動(dòng)，解決了光穿透深度短的問題。通常，光源被固定于ー個(gè)或多個(gè)載體。合適的載體是膜表面，如優(yōu)選由與生物過程相容的鋼或塑料制得的管、圓柱或其他模塊。優(yōu)選地，光源近似空間均勻地分布。優(yōu)選地，這些光源在光生物反應(yīng)器的整個(gè)體積中統(tǒng)計(jì)學(xué)分布。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，光源以柔性導(dǎo)光設(shè)備或發(fā)光二級(jí)管(LED)的形式在光生物反應(yīng)器中空間均勻地分布，例如通過在轉(zhuǎn)子上以星形分岔排列(參見圖11的實(shí)施例)。對(duì)于不吸收光的容器填充的情況，這使得在容器內(nèi)的照射處處相等。也可以數(shù)學(xué)計(jì)算光源相對(duì)于反應(yīng)器壁和反應(yīng)器設(shè)備的有利相互排列以實(shí)現(xiàn)理想光照。轉(zhuǎn)子例如在其上端和下端、即例如在液體表面下方和在生物反應(yīng)器底部上方帶有星形的轉(zhuǎn)子臂。隨后柔性導(dǎo)光設(shè)備被例如垂直纏繞在轉(zhuǎn)子臂上，例如從上部轉(zhuǎn)子臂至下部轉(zhuǎn)子臂，再回到上部轉(zhuǎn)子臂等。在承載區(qū)域上轉(zhuǎn)子臂的槽紋可幫助導(dǎo)光設(shè)備的安全支撐。優(yōu)選使用薄導(dǎo)光設(shè)備以使其表面積與體積比最大化。由于轉(zhuǎn)子軸的不連續(xù)運(yùn)動(dòng)，流到光源上的流動(dòng)切向進(jìn)行。記載的光源或?qū)Ч庠O(shè)備、LED在光反應(yīng)器中的排列對(duì)光生物反應(yīng)器的放大或縮小是理想的，因?yàn)楣庠幢砻娣e或?qū)Ч庠O(shè)備表面積與光生物反應(yīng)器體積的比例可保持不變。由于光源緊靠細(xì)胞，相對(duì)低能量，也即節(jié)能光源是合適的。導(dǎo)光設(shè)備的實(shí)例是光波導(dǎo)(light waveguide)、玻璃纖維、聚合物光纖或其他由塑料制得的導(dǎo)光部件，以及光纖部件。除了這些，發(fā)光二極管(LED)在反應(yīng)器中可用作光源。產(chǎn)生的光的性質(zhì)可通過適宜的選擇半導(dǎo)體材料以及摻雜而改變。首先，光譜范圍和效率可被影響砷化鎵招(AlGaAs)-紅色(665nm)及最大達(dá)IOOOnm波長(zhǎng)的紅外，磷化砷鎵(GaAsP)和磷化鎵銦鋁(AlInGaP)——紅色、橙色和黃色，磷化鎵(GaP)-綠色
碳化硅(SiC)——第一個(gè)市售藍(lán)色LED，低效率， 硒化鋅(ZnSe )——藍(lán)色發(fā)射器，但其從未實(shí)現(xiàn)市售，氮化鎵銦(InGaN) /氮化鎵(GaN)——紫外、紫色、藍(lán)色和綠色，白色LED通常是藍(lán)色LED前放置ー層熒光層，其作為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明還涉及導(dǎo)光設(shè)備和/或發(fā)光二極管在本發(fā)明的光生物反應(yīng)器中促進(jìn)光養(yǎng)有機(jī)體的生長(zhǎng)的用途。在旋轉(zhuǎn)振蕩光生物反應(yīng)器中使用產(chǎn)生的輻射優(yōu)選為約5-120 μ mol/m2 · S、特別優(yōu)選約 5-30 μ mol/m2 · s 的 LED。光源優(yōu)選通過光控制単元而控制。特別地，LED可通過工作電流而非?？焖俚亻_關(guān)和調(diào)節(jié)。以這種方式，光輸入(光能量，光強(qiáng)度)可適應(yīng)例如培養(yǎng)液密度。還容易實(shí)現(xiàn)光源 的脈沖。由于旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)，光源提供給所有光養(yǎng)有機(jī)體(如藻類細(xì)胞)以隨時(shí)間平均盡可能均勻的光。旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)在光源和反應(yīng)器內(nèi)容物之間產(chǎn)生相対速度，且具有反應(yīng)器內(nèi)容物的每一部分隨時(shí)間平均接收相同光量的效果。例如光源呈星形排列時(shí)，光源與反應(yīng)器內(nèi)容物之間的相対速度隨與振蕩軸之間距離的減小而減小這一事實(shí)并不重要，因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)容物徹底混合且反應(yīng)器中的粒子將因此隨時(shí)間位于離振蕩軸不同的距離。與振蕩相關(guān)的變化的光強(qiáng)度——其由單個(gè)光養(yǎng)有機(jī)體細(xì)胞(如藻類細(xì)胞)所經(jīng)歷——不是關(guān)鍵的，因?yàn)槿魏吻闆r下藻類的照射通常以脈沖方式(例如以I赫茲的頻率))進(jìn)行。在本發(fā)明中，重要的僅僅是所有藻類細(xì)胞平均暴露于相同的足夠量的光。從而滿足即使光照射的穿透深度較短也能夠在反應(yīng)器中培養(yǎng)光養(yǎng)有機(jī)體(如藻類)的技術(shù)要求。無需用于產(chǎn)生流到光源表面上的流動(dòng)的攪拌和混合元件，從而避免了具有局部高功率輸入和局部高剪切應(yīng)カ的區(qū)域。這適應(yīng)了某些光養(yǎng)有機(jī)體的剪切敏感性(例如某些類型的藻類)。振蕩還可被調(diào)節(jié)以適合例如培養(yǎng)液密度。更高的——例如含有藻類的——培養(yǎng)液密度導(dǎo)致更短的光穿透深度。其可通過放大用于更高培養(yǎng)液密度的振蕩、任選與光源的光能量提高相結(jié)合而彌補(bǔ)。其將防止每個(gè)藻類細(xì)胞的照度隨培養(yǎng)液密度的増大而減小。本發(fā)明的光生物反應(yīng)器可相對(duì)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)地提供且可以相對(duì)不復(fù)雜的方式適應(yīng)培養(yǎng)的有機(jī)體的需求。通常，本發(fā)明的光生物反應(yīng)器是圓柱形，就填充體積而言優(yōu)選尺寸為11至10001且具有標(biāo)準(zhǔn)的高度與直徑比，從而可改造現(xiàn)有生物反應(yīng)器。如果需要用于運(yùn)輸例如O2或CO2的無泡氣化，則本發(fā)明的光生物反應(yīng)器將含有旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)的氣體傳輸裝置，選自噴霧器、微噴霧器或膜表面，特別是膜管。除光源載體之夕卜，氣化膜表面可安裝于所謂的轉(zhuǎn)子上，例如與上文所述的優(yōu)選實(shí)施方案中相似的附加轉(zhuǎn)子臂的形式。作為ー個(gè)替代方案，氣化膜表面(例如氣化管)可配有ー個(gè)或多個(gè)光源。液體的氣化用于引入和脫附氣體。生物技術(shù)中的其他目標(biāo)是，通過相應(yīng)膜氣化，以實(shí)現(xiàn)高物質(zhì)傳遞系數(shù)和低功率輸入或低剪切負(fù)荷。氣體交換通過ー個(gè)或多個(gè)任意構(gòu)造的浸入膜表面而發(fā)生，所述膜表面在液體中進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)。膜氣化——其可無泡進(jìn)行——適應(yīng)某些光養(yǎng)有機(jī)體(例如某些類型的藻類)的剪切敏感性和對(duì)于無泡氣化的需求。任選地，也可選擇膜表面以使其僅僅促進(jìn)氣體供給和排出。膜表面可以例如由ー個(gè)和多個(gè)膜管形成。
替代氣化膜表面，或除了氣化膜表面之外，一個(gè)或多個(gè)噴霧器或微噴霧器也可用在任意旋轉(zhuǎn)振蕩的光源上，優(yōu)選在下端以便氣泡上升路徑更長(zhǎng)。此外，氣體的氣泡或微氣泡沿光源向上遷移，其又導(dǎo)致相應(yīng)的區(qū)域混合并因此導(dǎo)致隨時(shí)間平均更加均勻的光輸入，因?yàn)椴煌袡C(jī)體通過混合被恒定傳輸至光源附近。隨著任意旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)，隨后生物反應(yīng)器的所有區(qū)域都具有(微)氣泡。這種方法和設(shè)備具有的其他優(yōu)勢(shì)是避免或大大降低了在相應(yīng)培養(yǎng)容器/光生物反應(yīng)器的內(nèi)部區(qū)域上的物質(zhì)的附聚和沉積。這ー現(xiàn)象通常是不利的，因?yàn)樯锓磻?yīng)器中元件(例如氣體傳輸膜或探針)的功能有時(shí)被極大限制或甚至無效[W0 2010034428]。在本發(fā)明的光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)光養(yǎng)有機(jī)體(如藻類)時(shí)，還避免或極大降低了物質(zhì)在光源上的沉積。此外，根據(jù)各個(gè)藻類或光養(yǎng)有機(jī)體的培養(yǎng)需求，不僅光源面積和膜面積與生物反 應(yīng)器體積的比例，而且光源面積與膜面積的比例均可直接改變。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，例如，膜管和導(dǎo)光設(shè)備可纏繞在轉(zhuǎn)子臂上(例如交替地)，這種情況下上述比例可通過轉(zhuǎn)子臂的數(shù)量和膜管的數(shù)量相對(duì)于導(dǎo)光設(shè)備的數(shù)量而改變。膜管和導(dǎo)光設(shè)備優(yōu)選由安裝于容器外部的氣體供給設(shè)備和光源提供。在本發(fā)明的另ー個(gè)實(shí)施方案中，光生物反應(yīng)器包括控制元件，通過其可以限制膜表面在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向上的漂移，在該情況下控制元件可包括導(dǎo)光設(shè)備或發(fā)光二極管。優(yōu)選地，光源或氣體傳輸裝置或二者還通過常規(guī)方式與ー個(gè)或多個(gè)探針連接，使得可監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)的過程。本發(fā)明還涉及ー種使用本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的方法，其特征在于光源進(jìn)行任意不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)，優(yōu)選具有運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)的任意運(yùn)動(dòng)，特別優(yōu)選旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)。所述氣體傳輸裝置還優(yōu)選進(jìn)行任意不連續(xù)運(yùn)功、具有運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)。在該方法的ー個(gè)具體實(shí)施方案中，光源或氣體傳輸裝置或二者在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間以加速和減速的周期序列運(yùn)動(dòng)。 本發(fā)明的方法特別適用于藻類或光養(yǎng)有機(jī)體的培養(yǎng)。本發(fā)明還涉及導(dǎo)光設(shè)備、發(fā)光二極管或二者在光生物反應(yīng)器中促進(jìn)光養(yǎng)有機(jī)體生長(zhǎng)的用途。


圖I至11示出本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的可能實(shí)施方案，但不限于此。圖I :在容器中光輸入的旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)示意圖。這種情況下纏繞在轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)光設(shè)備(I)形成光輸入表面。其隨轉(zhuǎn)子軸(2 )在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向(3 )上旋轉(zhuǎn)。圖Ia :在與氣體傳輸裝置結(jié)合的容器中光輸入的旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)示意圖。除了導(dǎo)光設(shè)備之外，用于氣體傳輸?shù)哪す?Ia)纏繞在轉(zhuǎn)子上(導(dǎo)光設(shè)備和膜管通常交替且在每個(gè)相鄰轉(zhuǎn)子臂上以一個(gè)偏置交替)。圖Ib :在與氣體傳輸裝置結(jié)合的容器中光輸入的旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)示意圖。除了導(dǎo)光設(shè)備之外，用于氣體傳輸?shù)哪す?Ia)纏繞在轉(zhuǎn)子上(導(dǎo)光設(shè)備在每隔ー個(gè)的轉(zhuǎn)子臂上且膜管在所有其他轉(zhuǎn)子臂上)。圖Ic :在與氣體傳輸裝置結(jié)合的容器中光輸入的旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)示意圖。除了導(dǎo)光設(shè)備之外，在這種情況下噴霧器(Ib)(例如微噴霧器)安裝于導(dǎo)光設(shè)備表面下方。圖2 :用于光輸入、或任選地液體氣化和脫氣的旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)的位置、角速度和轉(zhuǎn)矩。圖3 :設(shè)備的示意圖，其特征在于改變光輸入表面(例如由導(dǎo)光設(shè)備和任選地膜管組成)張カσ的可能性。在這種情況下，纏繞在轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)光設(shè)備形成光輸入表面。圖4:設(shè)備的示意圖，其特征在于改變光輸入表面的空間方位角(attitudeangle)的可能性。在這種情況下，纏繞在轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)光設(shè)備(I)形成光輸入表面。圖5 :設(shè)備的示意圖，其特征在于由控制元件(4)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的流動(dòng)阻カ限制 光輸入表面漂移的可能性。在這種情況下，纏繞在轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)光設(shè)備(I)形成光輸入表面。圖6 :設(shè)備的示意圖，其特征在于通過控制元件(4)相應(yīng)修整光輸入表面以更好地混合和/或使用攪拌葉片/槳(5)或其他設(shè)備用于流動(dòng)引導(dǎo)和固定的可能性。在這種情況下，纏繞在轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)光設(shè)備(I)形成光輸入表面。圖7 :設(shè)備的示意圖，其特征在于通過構(gòu)建沿一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向(3)圍繞轉(zhuǎn)子軸(2)彎曲的轉(zhuǎn)子臂來改進(jìn)混合的可能性。在這種情況下，纏繞在轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)光設(shè)備(I)形成光輸入表面。圖8 :設(shè)備的示意圖，其特征在于通過在設(shè)備(6)上使用在一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向(3)上切向圍繞轉(zhuǎn)子軸(2)的轉(zhuǎn)子臂來改善混合的可能性。在這種情況下，纏繞在轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)光設(shè)備(I)形成光輸入表面。圖9:設(shè)備的示意圖，其特征在于通過在容器中偏離中心使用具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向
(3)的轉(zhuǎn)子軸(2)來改善混合的可能性。在這種情況下，纏繞在轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)光設(shè)備(I)形成光輸入表面。圖10:設(shè)備的示意圖，其特征在于通過在容器中心使用的具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向(3)但具有偏心裝置(7)的轉(zhuǎn)子軸(2)來改善混合的可能性。在這種情況下，纏繞在轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)光設(shè)備(I)形成光輸入表面。圖11 :設(shè)備的示意圖，其特征在于在具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向(3)的轉(zhuǎn)子軸(2)周圍的每単元體積盡可能均勻地分布光輸入的可能性。在這種情況下，纏繞在轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)光設(shè)備(I)形成光輸入表面。附圖標(biāo)記O-:光生物反應(yīng)器的容器I-:用于光輸入的設(shè)備，例如導(dǎo)光設(shè)備、光源、LEDIa-:用于氣體傳輸?shù)脑O(shè)備，例如膜管Ib-:用于氣體傳輸?shù)脑O(shè)備，例如(微)噴霧器2-:轉(zhuǎn)子軸3_:旋轉(zhuǎn)方向4_:控制元件，通過其在一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上限制導(dǎo)光設(shè)備和任選地膜管的漂移。這些控制元件可包括導(dǎo)光設(shè)備或LED。5-:攪拌器6-:用于切向排列轉(zhuǎn)子臂的設(shè)備7_:轉(zhuǎn)子軸的偏心裝置
σ-:張カ實(shí)施例本發(fā)明以下將借助示例性實(shí)施方案更詳細(xì)的解釋，但不限于此。圖I示意代表用于實(shí)施本發(fā)明的方法的設(shè)備的實(shí)施例。光源由導(dǎo)光設(shè)備(I)形成，其垂直排列在橫穿旋轉(zhuǎn)方向(3)的轉(zhuǎn)子軸上(2)。通過柔性導(dǎo)光設(shè)備，由光源——優(yōu)選置于生物反應(yīng)器外部——發(fā)出的光可被導(dǎo)入內(nèi)部，其中光由導(dǎo)光設(shè)備均勻地發(fā)出。例如，含有用于提供給有機(jī)體(如藻類)的ニ氧化碳且用于運(yùn)走所形成的氧氣的氣體可通過任選補(bǔ)充膜管(圖Ia和圖Ib的Ia)傳輸。膜管和導(dǎo)光設(shè)備可總是交替纏繞或且每個(gè)相鄰轉(zhuǎn)子臂上以一個(gè)偏置交替(圖la)，或例如導(dǎo)光設(shè)備可在每隔ー個(gè)轉(zhuǎn)子臂上使用且膜管在所有其他轉(zhuǎn)子臂上使用(圖lb)。用于氣體傳輸?shù)钠渌赡苄允窃趯?dǎo)光設(shè)備表面下方使用噴霧器(Ib)(例如微噴霧器)(圖lc)。
光輸入設(shè)備優(yōu)選在光生物反應(yīng)器(O)內(nèi)部運(yùn)行且產(chǎn)生的光通過連續(xù)導(dǎo)光設(shè)備被傳導(dǎo)至光生物反應(yīng)器內(nèi)，其中光從纏繞于轉(zhuǎn)子臂的導(dǎo)光設(shè)備表面發(fā)出。在轉(zhuǎn)子臂上導(dǎo)光設(shè)備相互之間以小間隔纏繞。為了整齊纏繞并防止滑動(dòng)，轉(zhuǎn)子臂的表面優(yōu)選具有凹槽。優(yōu)選地，導(dǎo)光設(shè)備和任選地膜管完全浸入培養(yǎng)介質(zhì)。所述設(shè)備可以圍繞轉(zhuǎn)子軸(2)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選地，其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)一方面導(dǎo)致在生物反應(yīng)器中對(duì)有機(jī)體改善的光供給，以及任選使用膜管導(dǎo)致(無泡)氣體傳輸，且在另一方面導(dǎo)致極大降低的沉淀和附聚物的易形成性(與靜態(tài)光表面和任選地朝向其的流動(dòng)通過攪拌機(jī)理而進(jìn)行的膜表面相比)。圖2以實(shí)例的方式示出了轉(zhuǎn)子分別在ー個(gè)方向上經(jīng)過180°以及隨后經(jīng)過180°回到初始位置的振蕩。該振蕩以恒定的角速度進(jìn)行(圖2)。得到的轉(zhuǎn)子與反應(yīng)器內(nèi)容物之間的相対速度可見于繪制的轉(zhuǎn)矩(圖2)。圖3示出了改變光輸入表面——例如由導(dǎo)光設(shè)備和任選地膜管組成——的張ヵσ的可能性。圖4-6示出了改變空間方位角(圖4)、由控制元件(4)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上的流動(dòng)阻力而限制光輸入表面漂移(圖5)以及通過控制元件相應(yīng)修整光輸入表面以更好地混合和/或使用攪拌葉片/槳(5)或其他設(shè)備用于流動(dòng)引導(dǎo)和混合(圖6)的可能性。圖7-10示出了改善混合的可能性——構(gòu)建圍繞轉(zhuǎn)子軸在ー個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上彎曲的轉(zhuǎn)子臂(圖7)、使用在設(shè)備(6)上以ー個(gè)旋轉(zhuǎn)方向切向圍繞轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子臂(圖8)、在容器中偏離中心處使用轉(zhuǎn)子軸(圖9)、在容器中心使用具有偏心裝置的轉(zhuǎn)子軸(圖10)。圖11示出了在容器中在每單元體積盡可能多的分布光輸入面積的可能性。優(yōu)選地，使用8個(gè)轉(zhuǎn)子臂，優(yōu)選具有如圖11所示的轉(zhuǎn)子臂的分支。
權(quán)利要求
1.光生物反應(yīng)器，其特征在于分布于生物反應(yīng)器液體體積中的進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)的光源。
2.權(quán)利要求I的光生物反應(yīng)器，其特征在于光源空間分布近似均勻。
3.權(quán)利要求I和2之一的光生物反應(yīng)器，其特征在于光源在一個(gè)或多個(gè)膜表面上由一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)光設(shè)備或發(fā)光二極管形成。
4.權(quán)利要求I至3之一的光生物反應(yīng)器，其包括旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)的氣體傳輸裝置，該氣體傳輸裝置選自噴霧器、微噴霧器或膜表面。
5.權(quán)利要求3和4之一的光生物反應(yīng)器，其中膜表面被應(yīng)用于轉(zhuǎn)子軸上的以星形應(yīng)用的轉(zhuǎn)子臂上。
6.權(quán)利要求3至5之一的光生物反應(yīng)器，包括控制元件，通過所述控制元件可以限制膜表面在一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上的漂移。
7.權(quán)利要求5的光生物反應(yīng)器，其中控制元件包括導(dǎo)光設(shè)備或發(fā)發(fā)二極管。
8.權(quán)利要求I至7之一的光生物反應(yīng)器，其特征在于光源、氣體傳輸裝置或二者通過常規(guī)方式與一個(gè)或多個(gè)探針連接。
9.權(quán)利要求I至3之一的光生物反應(yīng)器的使用方法，其特征在于光源進(jìn)行任意不連續(xù)運(yùn)動(dòng)。
10.權(quán)利要求9的方法，其特征在于光源進(jìn)行具有運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)的任意運(yùn)動(dòng)。
11.權(quán)利要求9和10之一的方法，其特征在于光源進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)。
12.權(quán)利要求9至11之一的方法，其特征在于氣體傳輸裝置進(jìn)行任意不連續(xù)運(yùn)動(dòng)、具有運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)的任意運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)。
13.權(quán)利要求9至12之一的方法，其特征在于光源、氣體傳輸裝置或二者的運(yùn)動(dòng)包括在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間加速和減速運(yùn)動(dòng)的周期序列。
14.權(quán)利要求9至13之一的方法用于培養(yǎng)藻類或光養(yǎng)有機(jī)體。
15.導(dǎo)光設(shè)備、發(fā)光二極管或二者在光生物反應(yīng)器中促進(jìn)光養(yǎng)有機(jī)體生長(zhǎng)的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)的光源(導(dǎo)光設(shè)備、LED)照射的光生物反應(yīng)器，和任選地用于氣體傳輸?shù)男D(zhuǎn)振蕩運(yùn)動(dòng)的膜表面。優(yōu)勢(shì)尤其是隨時(shí)間平均空間均勻且可通過強(qiáng)度和振蕩調(diào)節(jié)以適合培養(yǎng)液及其密度的光輸入，以及低剪切功率輸入和任選地低剪切無泡氣化和脫氣。
文檔編號(hào)C12M1/00GK102851198SQ20121013561
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月3日
發(fā)明者H·布羅德, B·弗萊姆 申請(qǐng)人:拜耳知識(shí)產(chǎn)權(quán)有限責(zé)任公司