[发明专利]发光二极管光生物反应器和使用方法

说明书

阐明了光生物反应器系统和其使用方法，借此水和来自多个来源的营养物被平衡(使用通气混合)至具体光合生物菌株的特定需要，其被使用、灭菌、进一步混合以平衡该系统并且被接种有光合微生物例如微观藻类(浓缩母液的稀释液或被加入至现有藻类生物质)。根据这样的实施方式，藻类生物质然后在完全受控的环境中生长最有效数的小时，其中温度(使用通气、内部盘管冷却系统或其组合)、pH(经由CO₂递送)和光递送(使用直接地在藻类生物质内部的内部光照)被优化以进行藻类菌株生长。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2015年7月29日提交的美国临时专利申请号62/198,652的优先权，其全部内容具体地通过引用以其全部被并入本文。

技术领域

本发明涉及用于优化光合生物的培养和收获的生物反应器系统。本发明具体地涉及生物反应器系统，其为基本上自给的模块化可扩展单元，所述自给的模块化可扩展单元维持这种光合生物的最优制备、生长和收获必需的所有关键参数，比如二氧化碳、氧、水、营养物、温度、生物质悬浮液和光能的水平。本发明更具体地涉及具有光反应器能力的生物反应器的系统，借此它们被设计以包括辐射源，优选地发光二极管(LED)阵列，以在具体波长的生物反应器内发射光，其波长已经被选择用于具体物种的光合生物的最优生长和收获。其被设计用于以半连续方式长期培养微观藻类生物质，从而永久地生产藻类生物质同时保护和保留生物生长的完整性。

发明背景

光合作用是由植物和其它生物(例如，原生生物和蓝细菌)使用以将光能转化为化学能的过程，该化学能可以稍后被释放以给生物的活动提供燃料。该化学能被储存在由二氧化碳和水合成的碳水化合物分子比如糖类中。在大多数情况下，氧也作为废物被释放。大多数植物、大多数藻类和蓝细菌进行光合作用；这种生物被称为光合自养生物。虽然光合作用由不同物种有区别地进行，但是该过程总是在来自光的能量被称为反应中心——其包含绿色的叶绿素色素——的蛋白质吸收时开始。在植物中，这些蛋白质保持在被称为叶绿体的细胞器内，叶绿体在叶细胞中是最丰富的，而在细菌中它们被嵌入质膜中。在这些光依赖性反应中，一些能量被用于从适合的物质比如水剥夺电子，产生氧气同时固定来自CO₂的碳分子。而且，生成两种进一步化合物：还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和三磷酸腺苷(ATP)，其为细胞提供能量。

在植物、藻类和蓝细菌中，糖类通过被称为卡尔文循环的随后的一系列光依赖性反应产生，但是一些细菌使用不同机制，比如反向三羧酸循环。在卡尔文循环中，大气的二氧化碳被掺入已经存在的有机碳化合物比如二磷酸核酮糖。使用通过光依赖性反应产生的ATP和NADPH，得到的化合物然后被还原和去除以形成进一步的糖类，比如葡萄糖。

光反应器，具体而言光生物反应器，是已知的，并且已经被用于微观藻类(例如小球藻物种、衣藻物种或雨生红球藻(Haematococcus pluvialis))、光合细菌(比如例如蓝细菌(例如，节旋藻属(Arthrospira)、红细菌属(Rhodobacter)、红螺菌属(Rhodospirillum)))、苔藓或其它植物细胞培养物的工业生产。

开放通道光生物反应器，比如池(pond)，经历来自被其它光合生物、寄生生物、捕食者或外部污染物的污染和来自光的低效使用的困难，所述光仅照射池的顶部。更有效的光生物反应器将具有高的照射表面积/单位体积(S/V)比，浅池是标准。但是，这大大地增加了基于池的光生物反应器的土地空间需要。此外，当这些池使用自然太阳光时，该过程被太阳光的可利用小时数限制。如果光生物反应器被用于处理来自污染设施(其每天运行24小时)的废气，则这样的工艺限制可能是重要的。进一步，如果这些池不与因素比如天气的季节变化隔绝，则光合生物将发现其难以经受温度的变化、外部污染和来自敌对物种的攻击。在开放池和水道中发现的其它限制是低效混合，其导致由于气体——比如限制生长的CO₂或抑制生长的氧——的低质量转移而导致的低生产率。缺乏控制和层流导致培养物的沉降和生物积垢，降低了生产率并且增加了维护和生产成本。