封闭环境中用于培养光合微生物的光生物反应器的制造方法

封闭环境中用于培养光合微生物的光生物反应器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于光合微生物、优选微藻的培养、特别是连续培养的光生物反应器，所述光生物反应器包括：至少一个用于容纳微生物培养基（3）的培养箱（1）；以及至少一个位于所述培养箱（1）外部的光源（2），所述光生物反应器的特征为，所述光生物反应器进一步包括至少一个放置在所述培养箱（1）内部的圆柱形或棱柱形光散射元件（4），所述光散射元件（4）与所述光源（2）光学耦合，以便于收集由所述光源（2）发射的光子，且通过所述光散射元件的侧表面将所述光子返回至所述培养基（3）。本发明还涉及光生物反应器用于培养光合微生物的应用以及光散射元件（4）用于照亮光生物反应器的培养基的应用。
【专利说明】封闭环境中用于培养光合微生物的光生物反应器
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及光合微生物的密集且连续的培养。
[0002]更确切地说，本发明关注于用于这种培养的光生物反应器。
【背景技术】
[0003]微藻是为光合植物生物体,其中,微藻的代谢和生长需要CO2、光以及养分。
[0004]微藻的工业化培养具有多种应用。
[0005]微藻可被培养用来再利用和净化从一些工厂排放的二氧化碳、NOx和/或SOx (W02008042919)o
[0006]从微藻中提取的油可被用作生物燃料(W02008070281、W02008055190、 W02008060571)o
[0007]可以培养微藻以用于《-3脂肪酸及其多不饱和脂肪酸的生产。
[0008]还可以培养微藻以生产颜料。
[0009]传统上，微藻的大规模工业化培养使用太阳作为光源。为此目的，微藻常常被置于循环或不循环的开放池塘(“水道”)中(US2008178739)。其他方法包括由半透明材料构成的管状或板状光生物反应器，使光线能够在微藻在其中循环的培养基中通过(FR26213223)。 包括透明管的三维网状结构的其他系统具有空间节约特性的优势(EP0874043)。
[0010]考虑到阳光的不确定性以及妨碍微藻生长的无生产的夜晚阶段，这些设施非常庞大且生产率低。
[0011]为了减小尺寸并提高效率，已开发了封闭的光生物反应器。该封闭的光生物反应器利用照明的恒定(每天的每小时)可利用性，并且该照明能够根据所涉及的藻类的生物周期的特定顺序而关闭。
[0012]事实上，增加微藻生物质(数量和质量两方面)的关键因素是光，这是因为尽管微藻吸收可见光的所有光子，但是微藻尤其仅以最小的损失吸收特定波长的白光。
[0013]光生物反应器被定义为封闭系统，在该封闭系统内部，在光能的作用下生产生物材料。可以通过控制培养条件(营养素、流动介质、气体传输、液体循环等)进一步优化该生产。
[0014]在优化该生产中，对于微藻种类的合适的光、通量和波长是重要因素。
[0015]通常，应当理解的是，生产直接取决于光生物反应器容积中的光的质量。必须以最佳有效能量照射全部的生物液体。因此，光源和生物液体之间的界面必须尽可能的大，同时最大化生物液体的有效体积。
[0016]为了证实这些想法，应注意的是，对于约为I克/升的浓度(d)来说，在约入=0.5cm处吸收光。对于具有Im2照明表面(Im2平坦光源)的Im3的反应器，容纳的生物流体的体积仅为l/200m3。理想的反应器应为被照亮的体积等于反应器的体积。更常见地，通过关系式Q=S A /V0能够定义反应器的质量因素，其中，S为反应器体积内(Vtl)被照亮的表面(具有合适的功率)，A为光穿透深度。[0017]Ve为散布在反应器中的照明元件的体积，产量以质量(M)计可通过关系式M= (V0-Ve) d 来表示 ο
[0018]必须同时最大化这两个关系式。
[0019]在过去，已经提出了各种技术来尝试实现这种双重优化，然而他们遇到了下述困难:
[0020]用于解决这个问题的第一个人工照明方案在于利用光学纤维在微藻附近的培养基中的光源来提供光(US6156561和EP0935991)。
[0021]光学纤维可与其它浸入的手段联合以引导容器内部的光(JP2001178443和DE29819259)。
[0022]这种方法的主要缺点是:该方案仅提供低产率(产生的光)/(有效光)。事实上，强度由于光源和波导(waveguide)间的界面而降低，且难以将多于一个的光源耦合至在同一纤维上。此外，由于使用几个不同的波长而出现了问题。事实上，为了使光离开浸入培养基中的光学纤维，该纤维必须进行表面处理(粗糙化)，以散射和衍射一部分经引导的光。最有效的方案为:以大约为所携带的光的波长的间隔在纤维边缘处蚀刻网状物。该方案具有狭窄的带宽，且当使用几个波长时是完全不适用的。用于解决这个问题的其他人工照明的方案包括:将光源直接浸入光生物反应箱中，例如荧光灯(US5104803)或发光二极管(LED)(DE202007013406 和 TO2007047805)。
[0023]由于光源与培养基更接近且更好地耦合，该方案能够提高照明过程的能量效率。
[0024]然而，引入反应器内的光源(尤其是LED)的使用必须在同时考虑到另外两个主要问题的情况下进行。
[0025]首先由于LED能量发射模式是定向的并且符合朗伯定律，所以对于LED发射几何学是固有的。仅仅在光束中的藻类可被照射到。由于发射椎的立体角通常为90°，因此将不会照射到环绕LED的四分之三的`空间。应当注意的是:该情况与从浸入的光学纤维的一端的照射几乎一致。
[0026]此外，将要注意的是:LED发射光束符合朗伯定律,而在传输光束中通过的藻类将接收到不均匀的光子通量。
[0027]相似地，当LED被用于照射反应器内的内壁(热管道)时(参见专利DE202007013406)，在培养浴中不可能得到均一的光子通量。
[0028]为了减小阴影面积，箱体内的光源可为多个，并且彼此安装的足够接近。
[0029]通过这样做，产生的第二个重要问题是反应器的热量管理，该反应器的热量必须被控制在几度内，且这取决于藻类的类型。事实上，且对于如目前在市场上能够找到的常规部件，注入LED中的四分之三的电输出以热的方式消散。该热量管理是必须解决的第二个主要问题。它对于这些第一代反应器结构来说是固有的，而与所使用的光源类型无关。反应器容积内大量光源的分散还非常快速带来电连接问题，对此如果必须大规模增加光源，则还会增加光生物反应器成本的问题。
[0030]总之，目前未解决的问题是在反应器生长容积中在强度上获得均匀的照射发光阵面(lighting front)。设想的唯一得到近似均匀发光阵面的方式是在反应器内部增加光源，这就不可避免地导致热管理的问题。
[0031]为了处理这些问题，本发明人开发一种新型且尤其有效的方法以在生物反应器中引导且散射由外部LED产生的光。
[0032]光源不再需要放置在箱体内部，这就极大地方便了热调节。使用的散射导光件使得光进一步均匀且均一地散射，并且适用于对微藻培养的所有有利的波长。

【发明内容】

[0033]因此,根据第一方面，本发明的目的涉及一种用于光合微生物、优选微藻的培养、 特别是连续培养的光生物反应器，所述光生物反应器包括:至少一个用于容纳微生物培养基的培养箱；以及至少一个位于所述培养箱外部的光源，其特征在于，所述光生物反应器进一步包括至少一个放置在所述培养箱内部的圆柱形或棱柱形光散射元件，所述光散射元件与所述光源光学耦合，以便于收集由所述光源发射的光子，且通过所述光散射元件的侧表面将所述光子返回至所述培养基。
[0034]根据其它优点和非限制性的特征:
[0035]所述光散射元件为由不吸收光的透明材料制成的实心元件，在所述光散射元件的一端放置有所述光源；
[0036]所述光散射元件包括由部分散射材料制成的内含物；
[0037]利用提高光子传送的光学润滑脂处理位于所述光源和所述光散射元件之间的界面；
[0038]所述光散射元件为由透明材料制成的中空元件，在所述光散射元件的一端放置有所述光源；
[0039]在所述光散射元件的内侧上布置有半反射层；
[0040]在所述光散射 元件的外侧上布置有半反射层；
[0041]所述半反射层(或多个半反射层)由金属材料或金属氧化物材料、优选为铝制成， 所述金属材料或金属氧化物材料的光学指数大于包括所述散射元件的材料的指数；
[0042]上述多个半反射层的厚度随着与所述光源的距离而减小；
[0043]所述光散射元件由聚甲基丙烯酸甲酯制成；
[0044]所述光源为准点状源，且所述光散射元件为散射管；
[0045]所述光源为线状源，且所述光散射元件为平行六面体的散射器；
[0046]所述光源为准点状分布或带状分布的发光二极管(LED)(或一组LED)，优选为大功率的发光二极管(HPLED)或一组HPLED ；
[0047]在所述LED和所述光散射元件之间放置有会聚透镜；
[0048]光学系统环绕所述LED,所述光学系统的内表面是反光的；
[0049]在所述光散射元件相对于所述光源的一端设置有镜面；
[0050]所述光散射元件相对于所述光源的一端为锥形或圆顶形；
[0051]所述光散射元件的外表面具有合适的粗糙度以提高光散射；
[0052]所述光散射元件的外表面被封装在保护鞘中；
[0053]所述光散射元件包括环绕所述鞘的清洁刮刀；
[0054]所述光生物反应器包括用于所述光源的冷却系统；
[0055]所述光生物反应器包括位于在所述培养基底部的气泡发生系统。
[0056]本发明的第二个方面涉及根据本发明第一个方面的光生物反应器用于培养光合微生物、优选微藻的应用。
[0057]本发明的第三个方面涉及与所述光源光学耦合的圆柱形光散射元件或棱柱形光散射元件的应用，以便于收集由所述光源发射的光子，且通过所述光散射元件的侧表面返回所述光子以照亮光生物反应器的培养基。
【专利附图】

【附图说明】
[0058]考虑下列优选实施方式的描述，将显示出本发明其它的特征和优点。参照下列附图提供了该描述。其中:
[0059]图1a至图1d和图2为本发明的光生物反应器的光散射元件的五个实施方式；
[0060]图3为本发明的光生物反应器的光散射元件的特别有利的实施方式的立体图；
[0061]图4为本发明的光生物反应器的平行六面体的实施方式的立体图；
[0062]图5为本发明的光生物反应器的圆柱形的实施方式的立体图；
[0063]图6为本发明的光生物反应器的另一平行六面体的实施方式的立体图。
【具体实施方式】
[0064]本发明的原理
[0065]目前，已经极大地改善了 LED部件的性能。现在存有高功率LED(即高于IOW的电功率)，其在大约叶绿素的吸收波长(650nm~680nm)处发射。
[0066]具体地，该高功率L ED具有超过工业品25%的光学输出。在实验室中，注意到输出通常超过35%，并且在一些情况下超过50%。
[0067]该科技突破使得在具有用于散射光的光学耦合器件的条件下，单个LED就足以向大约I升体积的培养基提供所述光成为可能。
[0068]研究结果显示，本 申请人:已经开发了光散射元件，该光散射元件收集来自光源、尤其是来自准点状LED或带状LED (甚至是被放置在培养箱外部)的光，并且在光生物反应器的培养基的全部体积中使其散射。
[0069]事实是，光源被放置在培养箱外部具有许多优点，尤其是使得热消散更容易，没有由光源本身引起的阴影，且具有维持生物环境外部的电连接的能力等。
[0070]光生物反应器的结构
[0071]图1a中示出了本发明的光生物反应器的简化图。
[0072]如图所示，该用于光合微生物、尤其是微藻的显著连续培养的光生物反应器包括:至少一个培养箱(1)，用于容纳微生物培养基(3);以及，位于培养箱(1)外部的至少一个光源⑵。
[0073]如前所述，该生物反应器进一步包括:放置在培养箱(1)内部的至少一个圆柱形或棱柱形的光散射兀件(4 ),光散射兀件(4 )与光源(2 )光学I禹合，以便收集由光源(2 )发射的光子，并且通过其侧表面将收集到的光子返回至培养基(3 )。
[0074]在本发明的上下文中，将以下两种情况进行区分:当光源(2)为准点状源的情况，例如，单LED (或一组单个LED);以及光源(4)为线状光源(或表面)的情况，例如条状LED或带状LED (参见专利申请FR1050015)。
[0075]在这两种情况下，尤 其选用高功率LED (HPLED)(准点状或带状)，即功率大于1W、甚至是功率大于IOW的LED。因此，在下文中，本说明书将主要涉及LED光源，但是应当理解的是，本发明并不限于这种类型的光源。本领域技术人员应能够使本发明的光生物反应器适应其他已知的光源(2)，包括激光光源，该激光光源具有高度定向性的优势并且其价格大幅度下降。
[0076]在所有的情况下，光源(2)可为单色的或多色的，可为自然地或并置的发射不同波长的单色光源。应注意的是，可以通过堆叠不同间隙的半导体(包括量子肼二极管)直接得到多谱线LED。
[0077]光散射元件的几何构型-准点状源的情况
[0078]首先，应注意的是商业限制的LED的发射对称性是圆柱状的(朗伯发射)，因此最容易实施的耦合是使用中空或实心的管。
[0079]因此，元件(4)被称为光散射“管”或光散射“指状物”。然而，需要特别指出的是管并不一定具有圆形横截面，换句话说，并不一定具有直圆柱形。本发明涉及任何圆柱形状或棱柱形状，换句话说，具有矩形侧表面的多面体，另一方面具有恒定界面，该截面有利地具有对于朗伯发射的中心的对称性。事实上，当然可以设想具有规则多面体或星状截面的散射管(4)，使得尤其可以增加侧表面，即与微生物培养基(3)相接触的表面。
[0080]然而，由于对称性的原因(二极管叶)，并且为了避免使得发光阵面不均匀的角点， 直圆柱形似乎是最现实的方案。
[0081]总之，应当复述的是，本发明并不限于任何几何构型，并且涉及任何圆柱或棱柱形的光散射兀件。
[0082]可设想两种可能的散射管(4)。根据第一种可能性，散射管(4)为由透明材料、优选是由玻璃或树脂玻璃制成的中空管，在散射管(4)的一端处放置有LED (2)，LED (2)朝向散射管(4)以便散射管(4)接收由LED (2)发射的光子。
[0083]在这种配置中，如在V.Gerchikov等人的出版物(leukos,卷I,第4期,2005)中所述，光在管中被引导。
[0084]在这种情况下，光在空气中传播，即，不存在吸收。假定二极管发散(朗伯)，散射管(4)内部上的撞击角度是多角度的，并且光遵循涉及与空气相比的指数的差异的经典定律(笛卡尔定律)离开。事实上，空气的折射率(n)约为1，远远低于玻璃或树脂玻璃的指数 (达到1.5`)。因此，当入射光线接触散射管(4)的内部表面时，根据入射光线与管的表面的入射角e，通过管的透射系数从近似I (撞击角0=0°，无传播)至低角度入射的情况下的 0 (在管中的传播引导)。在培养基(3)和散射管(4)侧表面处之间的界面处，由于水的指数 (1.33)仅仅略微低于管(4)的指数，光通量几乎全部穿过。所描述的情况明显地并不涉及具有空气间隙的套管的情况。图1a中示出了两条光线的轨迹。其中假定散射管(4)的指数接近于1.5。
[0085]有利地，如图1a所示，会聚透镜(5)可被放置在LED (2)和散射管(4)之间。该透镜(5)控制来自LED (2)的光束的发散。在小孔径入射光束的单一情况下(二极管在透镜的焦平面中)，大部分光通量是被引导的。应当理解的是，通过使光束散焦，可以或多或少地调整散射管(4)的光通量的输出。相关地，在散射管(4)中的光能量的穿透深度可以被调节至散射管的长度。以下将可看到该点的重要性。
[0086]还可以通过光学装置(41)环绕LED (2)来提高中空散射管(4)中的光的入射，光学装置(41)用于在相对于发射轴宽的角度上重新获得光线以使该光线返回管的轴中。存在满足该功能的商业部件，但是它们并不适于本申请实际可利用的空间。在这种情况下，不完美但易于实施的方案是利用其内部是反光的截锥体，该椎体的顶部环绕LED (2)。图1a至图1c中示出了这种光学系统(41)的几何构型的几种实施例。
[0087]根据第二种可能性，散射管(4)是由透明的非光吸收材料、优选聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的实心(即非中空)管。PMMA的指数(1.49)是与少数几种与水和玻璃的指数接近的材料相同。原理上，如果PMMA被投入在水中并不引导光，而在LED/管界面(球形玻璃封装)处没有菲涅尔亏损。
[0088]LED (2)被引入在散射管(4)中制成的凹陷中，该凹陷具有LED (2)的封装的球形段的大小。
[0089]透镜(5)能够产生有利的应用，透镜(5)经由它能够产生的准圆柱形光束，使得光能够穿透至实心管(4)中(具有近似菲涅尔亏损)。因此，以尤其有利的方式穿透至实心管(4)中的光束通过引入管中的包含物(6)被散射。图1b示出了该实施方式。
[0090]事实上，存在基于嵌入PMMA散射内含物(6)中的工业系统，即能够确保通过具有任意定向的多重界面的方式散射光的非吸收“目标”，尤其具有指数不同于管(4)或气泡的材料颗粒。
[0091]在甚至更有利的方式中，为了补偿光的逐渐亏损，内含物(6)的密度沿着散射管(4)的高度而变动，且随着与LED (2)的距离而增加。
[0092]本发明并不限 于具体尺寸的散射管(4)。所述管能够高达几米的长度，这里并未给出限制，并且所述管的直径经常在几毫米至几厘米之间。主要通过反应器(连续型和/或恒化器)中微藻浓度的选择来确定直径，该反应器调节要施加至微藻的光穿透以及平均功率。下文将讨论这些尺寸。
[0093]光散射元件的几何构型-线状光源的情况
[0094]如上所示，将管状散射元件(4)用于使光散射并不是仅有的可能配置。事实上也可使用线状光源和LED带状光源(2)。如上所述，需要注意的是，LED带可以是复合的(几种波长)或具有多色结构。
[0095]在这种情况下，有利地，考虑到LED带的发射几何构型，散射元件(4)大约为平行六面体。应当注意的是，在该具体情况下散射元件(4)为棱柱形几何构型。
[0096]图2中示出了一种该平行六面体的光散射器(4)。该光散射器(4)可为实心或中空的，并且可作为管状元件的相同实施方式的主体。本说明书以下称之为“光散射管”，但是应当理解的是，不管散射元件(4)的几何构型如何，已经在本说明书中描述的或将要在本说明书中描述的所有的可能性(结构、处理、材料等)均可应用(不管是管状还是平行六面体形)。
[0097]表面处理-半反射处理
[0098]为了尽可能以均匀的方式照射培养基(3)，应当尤其是通过防止光过早地离开散射管(4)，使得从散射管(4)发出的光沿光引导件具有恒定的强度。
[0099]在中空散射管(4)的情况下，相比于半镜面，可以通过在散射管(4)的内部上布置半反射层而有利地增加该光抑制效应(light containment effect)。
[0100]在所有的散射管中，可通过更换或增补内部层(7)在包括中空管的散射管(4)的外部上布置另一半反射层(8)。
[0101]图1c中示出了这些内部/外部表面处理的实施例，使得可以更好的引导光。
[0102]在这种情况下，典型地可以用金属材料或金属氧化物材料得到半反射处理，该金属材料或金属氧化物材料具有的光学指数大于包括散射管(4)的材料(优选为铝)的指数。 通过增加该指数，反射超过透射。涂层的质量与其吸收是紧密相关的，该涂层必须具有最小的吸收。兵工企业中可得到用于满足增加镜面效应的功能的半透明光学层以及光学多层 (金属或氧化物)，该半透明光学层以及光学多层能够适用于所使用的光的波长。
[0103]在中空管的情况下，将半反射层(8 )放置在指状物的外部上并不是必须的，但是其简化了用于沉积半反射材料的技术。然而，能够想到的是通过浸溃在覆盖管的外部和内部的浴中而进行沉积。通常，半反射层(7、8)可通过任何化学法(浸溃)、电解法、阴极溅射法、 化学气相沉积(CVD)法或蒸镀方法等沉积。
[0104]如上所述，设想材料是来自金属(Al、Ag等)的，这样能够使低厚度(纳米至几微米) 的半透明层构成透明氧化物(掺杂的铟或未掺杂的铟、稀土金属等)以满足该功能。在本文所必须的透明度范围中，该层的固有吸收应当不超过10%。
[0105]甚至更有利地，半反射层(7、8)的厚度随着与LED (2)的距离而减小，以补偿光的逐渐亏损。本领域技术人员应能够选择半反射层(7、8)的厚度变动剖面(作为至LED (2)的距离的函数)以优化(均衡)离开管(4)的光能量。本申请再一次关注于在实心散射管(4) 的情况下，内含物(6)的可变密度(参见上文)。例如,铝层的厚度从20nm至IOOnm的变动是有利的。
[0106]表面处理-散射处理
[0107]已经发现，特定表面处理增强了散射管(4)内部的镜面效应，但是其他处理使得尤其能够改善光散射。
[0108]因此，有利地，散射管(4)的外部表面具有改善光散射的增加的粗糙度(9)。具体地，合适的粗糙度是指在程度上与所使用的光的波长可比或大于所使用的光的波长的粗糙 度。
[0109]例如，通过在PMMA的软化温度附近的磨蚀、化学侵蚀、成型、或通过激光刻蚀等得到粗糙度。第一处理(半反射)与该第二处理可单独或同时使用，例如通过在散射管(4)上沉积半反射层(8)使得粗糙，从而尽可能地优化来自散射管(4)的光通量。图1d示出了散射管(4)，在该散射管(4)中，组合了粗糙度(9)和半反射内层(7)。
[0110]对于其他处理，粗糙度水平可随着远离LED (2)而增加，以补偿进一步远离光源所带来的照明通量的亏损。当沿散射管(4)移动时，对光散射管(4)中通量的逐渐亏损的优化以及输出通量恒定的优化旨在散射元件(4)的两倍长度上(无返回至光源的照明功率)光接近全部衰减。因此，有利地，在散射管(4)的相对于LED (2)的一端提供有镜面(42)。
[0111]在中间距离(散射管(4)的长度，由于全路径为往返行程)处，光被返回，使得当在 “向外(outbound)”行程上远离LED移动时能够补偿从管获取的光的亏损。有利地，镜子可以预定的角度倾斜或甚至形成预定的角度，例如，通过采用圆锥形式(如图1a所示)。图1a 至图1d中也可看到镜面(42)几何构型的各种实施例。应当注意的是，根据与LED (2)的距离使用各种厚度的半反射层(7、8)构成了在优化光获取中的自由度的附加度。
[0112]进一步注意的是，考虑到反应器流体力学(水和气泡的流动)，散射管(4)的相对LED (2)的一端有利地为圆锥形状或圆顶形状以促进水或气泡(在鼓泡区域)的流动，如下所述。如果使用的是双壁管，双壁管的一端必须制成圆锥或圆顶。
[0113]散射管的其它改进
[0114]在优选的方式下，散射管(4)的外表面被封装在保护鞘(10)中。具体地，封装通过抗腐蚀的性质起到保护培养基(3)的半反射层(8)的重要作用。
[0115]如果散射管(4)的外表面为人工粗糙的(artificially rough) (9),应当注意的是，其增加了微藻的附着，这就是为什么也需要封装散射管(4)。
[0116]保护鞘(10)应当由平滑且透明的材料制成(例如像PMMA、聚碳酸酯、结晶聚苯乙烯等)，藻类尽可能少地附着在该保护鞘上。
[0117]在粗糙度的情况中，应该注意的是，需要在光的通道上产生停顿指数(indexbreak)以得到粗糙度散射效应。因此，需要为鞘(10)选择低指数的材料(例如聚四氟乙烯)，或以优选的方式在鞘(10)和高度粗糙度(9)的散射管(4)之间建立空气间隙。有利地，光在空气中穿过的距离必须大大高于粗糙度(9)的程度(至少为10倍)。
[0118]总体来说，本发明并不限于任何具体的实施方式，并且可在内部或/或外部(如果存在)上的半反射层或粗糙度任意的组合的结果。还可能是组合几种材料，尤其是具有不同指数的材料，并且以将所述各种材料装配成同心的多层。本领域技术人员将能够根据选择用于光生物反应器的产品特性来采用所有的选择(藻类浓度、散射管(4)的密度、所需产率、所需成本等)。
[0119]以下将看到，该鞘(双管或封装器)能够构建一种外部光管清洗系统。
[0120]冷却系统
`[0121]如上所述，优选地，所使用的HPLED具有约25%的输出量，即，供应的能量的75%以热的形式消散。
[0122]换句话说，LED (2)的应用需要热量的显著驱散，这就是为什么光生物反应器有利地包括LED (2)冷却系统。
[0123]例如，LED (2)被装配在几平方厘米的金属支架上，该金属支架将被放置为直接与冷却系统(12)(被称为热管道)相接触，热管道包括两个金属板，在该两个金属板之间循环有高热导率的液体、脉冲空气、水或其它物质。如图3所示，也可构建通过空气或水冷却的单独的散热器。元件(121)和元件(122)分别对应于冷却剂的流入及冷却剂的流出。在单独的散热器的情况下，可以想到以串联和/或并联的方式连接它们。通过测量LED的基底处的温度来控制冷却剂流速。
[0124]在这种情况下，LED (2)被装配在散射管(4)顶部处的基座上，并且LED (2)与其热管道(12)相接触。LED (2)的球形发射侧与光散射管(4)相接触(如果散射管是实心的则制造出球形孔，有利地用光学润滑脂填充该孔)。
[0125]或者，如果期望使LED及其电连接从培养基移位几厘米，可以在散射管(4)的一端处使用长度为几厘米的无损耗的导光件(圆柱面镜)。例如，该引导件可为截锥体，其内部覆盖有镜面。
[0126]清洁刮刀
[0127]在构建保护鞘(10)时，藻类很可能附着至保护鞘。因此，有利的是，构建清洁系统，这就是为什么散射管(4)有利地包括环绕鞘(10)的清洁刮刀(11)。[0128]如图3中可见，例如，该清洁刮刀(11)由在散射管(4)的上部环绕该散射管(4)的橡胶O-环组成。当散射管(4)(通过在顶部拉起)被回收时，接合处刮除藻类沉积物。
[0129]光生物反应器的几何构型
[0130]光生物反应器的培养箱的大小可以是非常不同的，范围从几升到几百立方米。培养箱(1)的常规几何构型通常是平面六边体(图4)或圆柱形(图5)，除了可能的边界效应和构成成本之外，光生物反应器的几何构型对于抗压性没有或几乎没有影响。光生物反应器还可进一步仅包括一个培养箱(1)或许多培养箱(1)，本发明并不限于培养箱的大小和几何构型。
[0131]如图6所示，在平行六面体的光散射器(4)的情况下，培养箱优选地也是平行六面体。应注意的是，在该实例中，光源(2)(以及因此的热管道(12))被放置在光生物反应器的两侧上，这种对称配置增加了在引导件中的光通量，但这并不是必需的。另一方面，使得可以容易地用两种不同波长的照亮。
[0132]作为实例，本说明书继续描述一种光生物反应器，该光生物反应器包括与图4相一致的单一的立方培养箱(1)，立方培养箱(1)的总体积为Im3 (培养基(3)的体积加上散射管(4)的体积)。
[0133]如图4所示，如上所述，为了照亮培养箱(1)的整个高度，选择的光散射管(4)的长度约lm，并且优化光散射管(4)以沿它们的整个高度发射恒定的通量。如果光源已经是横向的，则应必须考虑培养箱的宽度。
[0134]散射管(4)在培养箱(1)容积中的布置旨在优化在培养基(3)中发射的光的通量的整体均一性。用于强度接近均一的光“浴”的尺寸参数为光的“有效穿透深度”(λ@)。
[0135]该参数由在背景部分提到的“特征穿透深度”(λ )以及被称为“生产周期触发阈值”的光强度阈值(Ieff)来限 定；其中，特征穿透深度为培养基的长度，在该培养基的一端处，光入射通量除以e=2.71828;且光强度阈值(Irff)包括卡尔文循环的激活。事实上，卡尔文循环是在光合作用的过程中在生物体的叶绿体中发生的一系列生化反应。该触发阈值(以每秒每平方米的光子的摩尔量来表示)对应于光通量比微生物体的主要生物质生产的最低水平。微藻(例如，Nannochloris属)典型地为50 μ mol/mj/V1的“红”光子(波长约650nm)。
[0136]为了信息目的，还发现了光合作用饱和阈值，超过该光合作用饱和阈值，生物质生产速度不再增加，并且甚至在高强度下会因为微藻被损坏而使得生产速度降低。
[0137]Xeff被定义为距离，超过该距离，光通量下降至阈值Ieff以下。
[0138]比尔-朗伯定律使我们能够表示在产生入射光通量Itl的光源的距离X处的光通量:1(x)=10e_xA。
[0139]其中，
【权利要求】
1.一种用于光合微生物、优选微藻的特别是连续培养的光生物反应器，所述光生物反应器包括:至少一个用于容纳微生物培养基(3)的培养箱(1);以及至少一个位于所述培养箱(1)外部的光源(2)，其特征在于，所述光生物反应器进一步包括至少一个放置在所述培养箱(1)内部的圆柱形或棱柱形光散射元件(4)，所述光散射元件(4)与所述光源(2)光学耦合，以便于收集由所述光源(2) 发射的光子，且通过所述光散射元件(4)的侧表面将所述光子返回至所述培养基(3)。
2.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述光散射元件(4)为由不吸收光的透明材料制成的实心元件，在所述光散射元件(4)的一端放置有所述光源(2)。
3.根据权利要求2所述的光生物反应器，其特征在于，所述光散射元件(4)包括由部分散射材料制成的内含物(6)。
4.根据权利要求2或3所述的光生物反应器，其特征在于，利用提高光子传送的光学润滑脂处理位于所述光源(2)和所述光散射元件(4)之间的界面。
5.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述光散射元件(4)为由透明材料制成的中空元件，在所述光散射元件(4 )的一端放置有所述光源(2 )。
6.根据权利要求5所述的光生物反应器，其特征在于，在所述光散射元件(4)的内侧上布置有半反射层(7)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，在所述光散射元件 (4)的外侧上布置有半反射层(8)。
8.根据权利要求6或7所述的光生物反应器，其特征在于，上述半反射层(7、8)由金属材料或金属氧化物材料、优选为铝制成，所述金属材料或金属氧化物材料的光学指数大于包括所述散射元件(4)的材料的指数。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的`光生物反应器，其特征在于，上述半反射层(7、 8)的厚度随着与所述光源(2)的距离而减小。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光散射元件 (4)由聚甲基丙烯酸甲酯制成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光源(2)为准点状源，且所述光散射元件(4)为散射管。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光源(2)为线状源，且所述光散射元件(4)为平行六面体的散射器。
13.根据权利要求10或11所述的光生物反应器，其特征在于，所述光源(2)为准点状分布或带状分布的发光二极管(LED)(或一组发光二极管)，优选为高功率的发光二极管 (HPLED)或一组 HPLED。
14.根据权利要求13所述的光生物反应器，其特征在于，在所述LED(2)和所述光散射元件(4 )之间放置有会聚透镜(5 )。
15.根据权利要求13或14所述的光生物反应器，其特征在于，光学系统(41)环绕所述 LED (2),所述光学系统(41)的内表面是反光的。
16.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，在所述光散射元件(4)相对于所述光源(2)的一端设置有镜面(42)。
17.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光散射元件(4)相对于所述光源(2)的一端为锥形或圆顶形。
18.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光散射元件(4 )的外表面具有提高光散射的合适的粗糙度(9 )。
19.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光散射元件(4)的外表面被封装在保护鞘(10)中。
20.根据前述权利要求所述的光生物反应器，其特征在于，所述光散射元件(4)包括环绕所述鞘(10)的清洁刮刀(11)。
21.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器包括用于所述光源(2)的冷却系统(12)。
22.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器包括位于在所述培养基(3)底部的气泡发生系统(13)。
23.前述权利要求中任一项所述的光生物反应器用于培养光合微生物、优选微藻的应用。
24.与所述光源(2)光学耦合的圆柱形光散射元件或棱柱形光散射元件(4)的应用，以便于收集由所述光源(2)发射的光子，且通过所述光散射元件(4)的侧表面返回所述光子以照亮光生物反应器的 培养基。
【文档编号】C12M1/00GK103517978SQ201280022140
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年5月3日 优先权日:2011年5月6日
【发明者】A·弗里德里彻, M·科宁, G·路易斯, M·艾菲 申请人:阿克塔海藻公司