[发明专利]包含旋转振荡光源的光生物反应器

说明书

技术领域

本发明涉及光生物反应器，其在反应器内部包含旋转振荡运动的光源以实现空间均匀的光输入。

本发明可用于光养有机体的培养，该光养有机体在反应器内部通过旋转振荡运动的光源以最优化方式被照射。

最优化光输入可任选与最优化的剪切敏感性的反应器内容物质（如剪切敏感性的光养有机体）的气化和脱气结合。

背景技术

光养有机体应用的一个重要应用领域是藻类培养。除了传统的在暴露于阳光的扁平容器中培养藻类之外，在生物反应器中的藻类培养被越来越多地记载。这种开发的一个原因是藻类用于制备极高价值产品的用途。然而，这对培养条件或过程管理带来更复杂的需求。其只能在特别设计的光反应器中进行。与更便宜的常规培养容器相比，由所述特别设计的光反应器产生的更高的采购和生产成本的经济可行性依赖于产品可实现的高价格水平。

这种高价值产品是，例如，化妆品工业的着色剂或食品补充剂工业的多不饱和脂肪酸（如天然ω-3脂肪酸或二十碳五烯酸（EPA））。制药业中正在研发用于治疗和诊断药品的蛋白质。另一领域是绿色能源生产（例如通过藻类制氢）。藻类生物质——其在藻类制备产品时以任何方式形成——还可用于产生沼气，其使这种技术特别环境友好。藻类培养和利用藻类生物质用于制备沼气的结合的另一个实施例是废气净化，其中包含的二氧化碳和碳由藻类代谢。因此废气净化的环境技术方法可与从已经产生的藻类生物质得到沼气的能源技术方面共生关联。

现有技术中记载了各种设计的光生物反应器。

Havel等人记载了包含最多达16个并联运行的泡罩塔的生物反应器，其在泡罩塔的正上方配有人造光源从而确保在均匀光谱内足够的光供给量。在每个泡罩塔的周围，反光圆柱管将光从上方传递至每个泡罩塔的圆柱形玻璃外壁，从而降低光散射和改善照射。Osram Fluora L77（Osram,Munich,Germany）和Sun-Glo（Hagen,Holm,Germany）荧光管的结合用作光源产生人造阳光[J.Havel,E.Franco-Lara,D.Weuster-Botz:“A parallel bubble column system for the cultivation of phototrophic microorganisms”Biotechnology Letters(2008)30:1197–1200]。在泡罩塔内部，随着有机体在泡罩塔内准混乱的移动，流体动力学控制漂浮光合细胞的曝光。在最佳性能时，泡罩塔还必须以最高可能的气化速率运转，该速率由藻类的剪切耐受性控制。同时，气化速率不应过高而导致可发生气滞，气滞将阻止光通过泡罩塔传播[J.C.Merchuk,F.Garcia-Camacho,E.Molina-Grima“Photobioreactor Design and Fluid Dynamics”Chem.Biochemical Engineering Quarterly(2007)21(4):345–355]。尽管如此，由于易于建造和保持运转，这种光生物反应器是最广泛使用的。然而，这种类型的光反应器的放大和最优控制很难，因此其生产率通常较低。其原因也基于在这种光生物反应器中光输入通过反应器的外表面进行这一事实。然而，随着规模的增大，表面积与体积比变得更小，因此每单位体积的光输入变得更低，从而限制产品产率。

管式光生物反应器由直线型或圈型排列的透明管材料组成，其排列旨在实现最大的阳光/光辐射接收。光养培养材料在管内运输。为此，特别经常使用气升循环器[J.C.Merchuk,F.Garcia-Camacho,E.Molina-Grima“Photobioreactor Design and Fluid Dynamics”Chem.Biochemical Engineering Quarterly(2007)21(4):345–355]。Merchuk等人还给出在生物反应器中培养光合细胞的现有技术综述。除上述泡罩塔反应器和管式反应器之外，也记载了薄膜生物反应器和气升式反应器。与泡罩塔相反，气升式反应器允许控制流体通过通道，在由同心管组成的结构中，光源位于外壁且内壁限定了暗区[J.C.Merchuk,F.Garcia-Camacho,E.Molina-Grima“Photobioreactor Design and FluidDynamics”Chem.Biochemical Engineering Quarterly(2007)21(4):345–355]。