发光二极管光生物反应器和使用方法与流程

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。

已经受到相当大的注意的可选技术是封闭通道系统比如具有采用气升原理的圆柱形管的那些系统。一般而言，气升式光生物反应器具有光合作用物质比如在液体介质(空气或气体被注入系统底部进入该液体介质)中悬浮的藻类，其然后在圆柱形管中上升通过流体介质。但是，常规的气升式光生物反应器遭受缺乏可以被复制或控制的可容易限定的流动模式。进一步已知的是提供用于培养光合微生物的装置，其具有至少一个生物反应器和至少一个电磁辐射源，其中至少一个电磁辐射源是发光二极管。

发展该技术的关键工业驱动因素之一已经是生产作为化石燃料的替代者的生物燃料的需要，如由德国的Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology“当前，生物燃料主要由基于植物的原材料生产，例如来自油菜籽或棕榈油的生物柴油。在德国，可耕土地不再可用于食物生产；在东南亚，热带雨林正在被清除用于油棕种植园。在用于生产生物燃料的陆地植物的培养期间的高耗水量也被严重地考虑。而且，当前生产能力和可用于该目的的面积不能满足对于生物燃料的可再生资源的需求”明确陈述的。因此，尽管一个世纪的商业藻类研究涵盖了价值链的许多方面(例如，生物学、开放池、封闭生物反应器、生物反应器设计、提取)，但是迄今为止，可以解决公众赞成的挑战并且可以满足大体积的高质量生物质的市场需要的商业可行性方案还没有被付诸实践。

现有技术的描述

Dauth等的美国公布的专利申请2010/0190227涉及光反应器，其包括LED塑料模制部分，优选地LED硅树脂模制部分，任选地与作为辐射源的导光模制部分组合；具体地光生物反应器，其包括LED塑料模制部分，优选地LED硅树脂模制部分，任选地与作为辐射源的导光模制部分组合。

Dutil的美国专利6,602,703描述了一种光生物反应器，其具有用于容纳用于培养光合生物的液体培养基的容器；多个平行光发射管，其安装在容器内并以第一方向延伸，并且具有外表面；和清洁装置，其安装在容器内用于清洁发光管的外表面。

Morgan的美国专利8,476,067公开了一种光生物反应器，其具有大体垂直的流体路径和大体垂直的螺旋形流体路径。两种流体路径通过头帽组件和基础组件流体地连接使得生物活性材料能够在大体垂直的流体路径和大体垂直的螺旋形流体路径之间来回地流体地移动，而没有实质性障碍。光源，其可以是发光二极管(LED)，至少部分地位于大体垂直的螺旋形流体路径的一部分内。该光源可以包括多个发光二极管(LED)。进一步，从该光源发射的波长可以在可见光的范围内，更具体地，在大约400至大约700nm之间。

Stroud的WO 2008/151376涉及用于培养光合微生物的装置，其包括至少一个生物反应器和至少一个电磁辐射源，其中至少一个电磁辐射源是包括有机或聚合物发射层的发光二极管。

美国公布的专利申请2012/0270304公开了使用多个发光面板和浮力驱动的通道流的光生物反应器(PBR)系统。存在内部照射的发光二极管(LED)面板和两面发光面板的公开内容，其使用与太阳能面板和收集器组合的二极管的板。

美国公布的专利申请2012/0149091公开了用于培养光合生物的生物反应器。存在LED和两面发光面板的公开内容。存在内部LED照射的PBR，其利用与太阳能收集器和纤维光学器件组合的二极管的板。

WO 2015087169A2公开了用于培养光合微生物的光生物反应器，其具有支撑多个水平取向的、垂直间隔的架子的框架。这是具有开放设计的外部照射的PBR，并且从根本上不同于本发明的高度受控平台。

美国公布的专利申请2013/0023044公开了利用多个LED(杆配置)的藻类生物反应器和生物燃料生产系统(第[0008]、[0025]、[0046]和[0052]段)。

美国公布的专利申请2010/0323436公开了使用被布置为平板的发光二极管的光生物反应器(图3)。LED使用光板(OLED)照射PBR内部和外部，使用LED板而非导光板。

美国公布的专利申请2013/0102069公开了用于生长藻类的具有由LED生成的光的生物反应器。方法包括通过具有第一折射率的发光二极管发射光，使光传输通过具有第二折射率的液体介质和具有第三折射率的固体介质，进入具有第四折射率的水性液体。

中国公开CN 105087371A公开了使用LED光源阵列自动地培养微观藻类的光生物反应器。在该参考文献中，LED灯光是外部的和受限的；按比例放大似乎受到限制。

美国公布的专利申请2014/0073035涉及意欲连续培养光合微生物的光生物反应器，其包括意欲包含微生物培养基(3)的至少一个培养外壳(1)和在培养外壳(1)外部的至少一个光源(2)，其特征在于其进一步包括被放置在培养外壳(1)内的至少一个圆柱形或棱柱形光扩散元件(4)，该光扩散元件(4)与光源(2)光学地连接从而收集由光源(2)发射的光子并且通过其侧表面使它们返回至培养基(3)。参见图6。

美国公布的专利申请2015/0140642公开了使用LED培养绿藻的方法。该申请描述了通过使用外部红光和蓝光的组合增加和帮助绿色阶段雨生红球藻的生长的方式。

这些用于培养光合生物的现有技术方法和系统没有教导或暗示对于为光合生物——比如微观藻类——的生长和收获提供最佳条件必需的要素，并且对于商业操作看起来不是可扩展的。现有技术没有预期需要的装置，也没有预期对于实现由本发明示例的藻类生长必需的方法。

本领域中缺乏的是商业上高度可扩展的可行系统和方法，其能够将高产率的生物质从适合的通用途径递送至任何生物学适合的介质或光依赖性生物，其可以在全世界的任何地方使用，不管外部发光或环境条件。系统必须是无菌的、闭合的、可扩展的系统，其被设计以适应不断变化的生产需要。此外，其应当考虑商业习惯进行设计并且提供容易的检修、处理和清洁能力，而没有笨重的和复杂的硬件。

技术实现要素：

本发明涉及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)至特定光合生物菌株的具体需要，其被使用、灭菌、进一步混合和达到最佳温度以平衡该系统和用光合微生物例如微观藻类接种(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环境中生长最有效数的小时，其中生物质悬浮液(使用利用鼓泡器(bubbler)注入罐中的空气)、温度(使用内部盘管冷却系统)、pH(经由CO₂递送)和光递送(使用直接在藻类生物质内部的内部照明)被优化以进行藻类菌株生长。在给定生长期结束时，进行半连续收获，其中藻类生物质的一部分(例如，大约10-50％)被收获并且被替换为新鲜基质，剩余的生物质，大约50-90％，被用于接种下一个生长期。

本发明进一步涉及使用生物反应器处理废料的方法，和使用生物反应器分离和随后制造期望物质的方法，和由这种设备生产的光合生物质，例如藻类生物质。对于系统的等量反应器体积，能量效率，本发明的设备和方法通过组合绝对生物质重量承诺生成至少5至50倍量的生物质，其中需要较少能量以生产等量或更高量的生物质并且具有在相等时间段内收获更多生物质的能力。在实施方式中，光生物反应器具有用于容纳生长基质的至少一个器皿(vessel)、必须浸入该器皿中的光源、用于有效地循环基质的装置、用于移除生物质的装置和监测相关参数比如温度和/或pH的装置。此外，光生物反应器包含递送CO₂的装置(例如，细泡沫陶瓷扩散器)。

在实施方式中，本发明可以形成为一组反应器器皿，其与用于替换基质的至少一个器皿(被指定为防火墙(firewall)器皿)和至少一个收获器皿流体接合。提供足够的阀门(valving)以能够隔离单个器皿并且根据需要可选地和单独地使它们与至少一个防火墙和至少一个收获器皿流体接合。所有连接的硬件可以被容易地清洗、灭菌和冲洗以便于限制污染。反应器器皿的底部包含至少一个鼓泡器，其连接至足以操作该鼓泡器的空气来源，气泡在该鼓泡器中产生涌流(current)，该涌流使基质和微观藻类循环。任选地，器皿包含第二鼓泡器，其用于将气体比如CO₂(二氧化碳)引入基质。包括由LED驱动的薄的和基本上平的导光板的灯被垂直地优选地以阵列布置在器皿中，以最大化均匀光分布，其还提供足够的湍流以便于最大化藻类生物质悬浮、暴露于光和氧排放。

在实施方式中，本发明教导了培养微观藻类的方法，其中反应器器皿填充有基质和引子微观藻类溶液并且暴露于足够的光以允许微观藻类在使得它们可以以半连续方式被收获的速率下生长，从而确保给定百分比的藻类生物质以最有效可能的方式被耗尽并且每天被收获和被相同量的富含营养物的基质替换。

在可选实施方式中，通过使包含基质的生物质流过一系列器皿或流过单个长器皿来提供生物质的连续生长，该单个长器皿可以任选地被分区以控制流动。

在实施方式中，本发明的生物反应器设计允许每天从大约10％至大约50％的生物反应器器皿进行收获，使得每2-10天收获全部器皿。收获的生物质通常是常规系统的按干重计三至十倍的密度。因此，不仅通过以更高的能量效率产生更高的生物质浓度而且通过当与分批生长方法相比时更频繁的收获，本发明可以实现与常规系统相比多达100倍的效率。

从下列描述结合任何附图考虑，本发明的其它目标和优势将变得显而易见，其中本发明的某些实施方式通过说明和实例的方式被陈述。本文包含的任何附图构成本说明书的一部分并且包含本发明的示例性实施方式和说明了其各个目标和特征。

附图说明

图1是简化的连续藻类生长模型的流程图，其包括含有对系统的高度受控输入源的防火墙、生长期、任选的应激期和收获期；

图2是垂直布置的藻类生长和收获组件的说明性实施方式；

图3A、3B和3C通过示出由光面板、通气系统、CO₂递送扩散器和冷却系统构成的基础单元图解了设计的模块化性质；

图4是元件的工程示意图，这些元件对于基础模块执行功能是需要的；

图5图解了通过附接图3A、3B和3C中描绘的多个基础单元实现的设计的可扩展性，以随意放大生物反应器系统。请注意，模块单元之间的间隔仅仅是说明性的，因为根据需要预期附接无限数目的面板以满足预期的生产需要；

图6图解了藻类生长组件的剖视图，其包括用于穿过导光板的增强的湍流、通气和流动的振荡的空气鼓泡器，从而提供最佳的光子通量；

图7A、7B、7C和7D图解了典型光面板组件的平面图(7A)、侧视横截面图(7B)和分解图(7C)，以及散热器的截面图(7D)；

图8A是用于扩散空气的空气基板(airbase)的透视图；和

图8B图解图8A的空气基板的横截面视图；

图9A和9B示出了图解包含在根据本发明的器皿内的生物质的混合模式的可选的截面图；

图9C是图9A和9B的顶视图；

图9D图解了包含导光板的器皿，以示出透光区的最大化；

图9E图解了导光板的特定部分，其进一步在图9F中的放大版本中细化以图解从导光板的每一侧发射光子以最大化生物质生长；

图10A、10B和10C图解了导光板的可选设计的正视图和侧视图，以及插入在器皿中的这样的导光板的截面图(10C)；

图10D是图10A和10B的导光板的分解图；

图10E是图解LED印刷的电路板和导光板经由中心散热器的连接的顶视图。

具体实施方式

在一个实施方式中，本发明包括用于容纳生长基质的至少一个器皿、浸入器皿中的光源、用于循环基质的装置和用于移除生物质的装置。任选地，可以提供用于收集收获的生物质的器皿和用于再填充系统的器皿、所谓的防火墙器皿。

参照图1，图解了简化的连续生长模型的流程图，其具有包含对系统的高度受控输入源的防火墙、生长期、任选的应激期和收获期。连续生长需要审核上游过程，其确保进入系统的每种组分对于每种给定藻类菌株被平衡、灭菌和优化。通过多种方式(即，臭氧、蒸汽、化学品)对来自下列的过程的每个部分灭菌的能力是基本的：单独罐(防火墙，生长)或通向(水，空气)其它罐或器皿，在其它罐或器皿之间和进入其它罐或器皿的任何连接管。这允许遏制和消除任何潜在的生物学和在一定程度上化学污染物。

现在参阅图2，图解了藻类生长和收获反应器器皿组件200的可选实施方式，其中器皿可以以垂直堆叠关系布置，借此防火墙混合/灭菌罐器皿组件204——其充当储存器皿——位于托架(rack)的顶部，并且通过重力供给生长罐器皿组件。该实施方式的特征在于特定组的反应器器皿组件，关于彼此或多或少垂直地布置和设置，并且流体地连接以便从所述反应器器皿组件的一个组重力流动至另一个。更具体地，在该实施方式中，一个或多个最高的防火墙器皿组件(存储器皿)204——其包含无菌源、温度调节的水和营养物补充源——以流体接合定位以便重力流动进入多个生长罐器皿组件202。生长罐器皿组件202被构建和设置以定期地流入最低的收获/应激器皿组件210。足够的可选流体连接设备(未显示)被提供以能够隔离任何单独的反应器器皿组件(202、204或210)并且能够与防火墙器皿组件204可释放地流体接合，以便准备替换基质并且根据需要与收获/应激器皿组件210可释放地流体接合。如在图4图解的实施方式中所教导的，提供了压缩CO₂的来源106，并且通过使用离心生物质收集站108收获生物质。

将通过参照3A、3B和3C进一步图解培养微观藻类的方法，其中反应器器皿填充有有营养的基质和引子微观藻类培养物(接种物)并暴露于足够的光以允许微观藻类以使得可以每21-48小时全部地收获每个生物反应器的速率生长；或者根据菌株的需要的其它时间范围。该图解描绘了闭合系统设计，其中进入生长阶段的所有事物必需被控制。水和营养物来自无菌防火墙器皿组件(如在图2中所图解的)并且生长罐器皿组件202在正压力下，因此不发生来自周围环境的进入，从而允许通过防止空气传播的微生物污染培养物来维持无菌环境。这使得空气从系统排出，因为由藻类产生的氧必须漏出，否则其将不利地影响藻类生物质生长。

参照图3A和3B，标准生长罐器皿组件202的部件被更具体地图解。注意，基础反应器器皿组件202围绕尽可能有效地配合光面板高度和宽度的标准化轮廓来设计。

生长罐器皿组件202是根据本发明的反应器器皿的说明性、但是非限制性实施方式，并且将在本文中进一步描述。生长罐器皿组件202的底部包含一个或多个鼓泡器220，其连接至足以操作该鼓泡器的高效微粒过滤器或过滤的空气的HEPA源(未显示)，气泡在该鼓泡器中产生涌流，该涌流使基质和微观藻类循环。空气基板或鼓泡器在器皿中可选地使用，以便在罐内提供生物质回旋，允许最大的排气以及暴露于由光面板提供的光。可以使用包括文丘里管和水泵(未示出)的闭合环路设备递送臭氧。如在图3C中进一步图解的，通过LED驱动的由多个薄的和基本上平的导光板224形成的光源被垂直地(优选地以由预先设有凹口的梳状结构226限定的阵列(更具体地在图6中图解))设置在器皿202中以最大化光分布和照射表面。

经由电缆223(图6)将电力提供至光面板。生长罐器皿组件202的结构的特征在于顶部或帽228(为了清楚故意被省略，但是在图4和6中示出)，其被设计为以并列的和间隔开的关系与器皿230的主壳体放置在一起，以便于允许氧和空气的漏出并且诱导正压力以防止外来物质的不需要的进入。间隔开的LED导光板224的托架位于顶部部分228的下面。CO₂经由鼓泡器222的受控注入有助于维持最佳生长参数。藻类生物质的移动通过使得来自鼓泡器220的空气进入来诱发。使用不锈钢盘管232控制温度，该不锈钢盘管232主要对臭氧、化学品、藻类生物质和水(新鲜的和盐)是惰性的。冷却/加热基质通过盘管232循环，以便维持对于微观藻类菌株生长最佳的期望热条件。

在实施方式中，导光板可以利用可获得自Rambus corporation的MICROLENS^TM型光学器件，其均匀地分布来自导光板表面的边馈(edge-fed)LED光。这种导光板通常包括发光面板构件、位于导光板的一个末端处的光过渡区和被安装至光过渡区的至少一个光源。

如本文中和权利要求书中所使用的，术语“生物质”通常指的是任何生物学物质。“生物质”的实例包括光合生物、活细胞、生物学活性物质、植物物质(plant matter)、活的和/或最近活的生物学物质等。“生物质”的进一步实例包括哺乳动物、动物、植物和昆虫细胞，以及细菌、藻类、浮游生物和原生动物的各个物种。

应当注意，如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一个(a,an)”和“该(the)”包括复数指代对象，除非上下文明确地另有指示。因而，例如，提及包括“一个光源”的生物反应器包括单一光源，或两个或多个光源。还应当注意，术语“或”通常以包括“和/或”的意义被采用，除非上下文另有明确地指示。

如本文中使用的术语“大约”或“近似”意思是在由本领域普通技术人员确定的具体值的可接受误差范围内，其将部分地取决于该值如何被测量或确定，即，测量系统的限制。在本申请和权利要求书中描述具体值的地方，除非另有规定，术语“大约”意思是在该具体值的可接受误差范围内。

为了优化公开的实施方式以便最大化商业规模生产，研发了一些基本标准：

I.生物反应器必须能够以大的商业规模生产生物质；

II.生物反应器必需具有小的占地，从而消除闭合反应器管和袋的网络的大开放池的使用；

III.生物反应器必须独立于气候和地形可使用；

IV.生物反应器必须实现等于或大于当前接受的工业标准(0.5-1.0g/l干重(DW))的非常高的藻类生物质密度；

V.生物反应器必须鼓励最佳的微观藻类生长以便非常有效地使用空间并且是商业上可行的；

VI.生物反应器应当允许受控的半连续收获生物质；

VII.生物反应器必须显著地降低/消除污染物和污染物质妨碍或延迟生物质生长的能力；

VIII.生物反应器必须显著地降低污染物和污染物质妨碍生物质收获过程的能力；和

IX.生物反应器必须是微观藻类不可知论的并且适合于任何藻类物种或光依赖性微生物。

为了实现这些基本标准，明显的是在各个实施方式中支配发展和生长参数的规则将不得不背离常规藻类生长标准，并且遵循一组独特的指导和原则。其中包括下列概念：

1)为藻类提供光；

2)将藻类和光引入水；

3)提供高度可控制的和可复制的生长环境；

4)提供高控制水平；

5)设计成本有效的体积制造；

6)设计半连续和/或稳态生产；

7)使技术适应生物学驱动；

8)设计用于在任何环境中部署的系统；

9)设计系统以作为核心平台技术运行；和

10)发展独特的合作商业模式。

利用这些基本概念使得我们可能研发出如此实施方式：其能够成为用于光合生物生长的商业可行方案，该方案能够将高产率从适合的通用途径递送至任何生物学适合的介质或光依赖性生物，其可以在世界的任何地方使用，不管外部发光或环境条件。为了完成这个目标，具体的设计参数已经被鉴定用于帮助实现最佳的效率和放大能力。这些设计参数包括但不限于：

I.允许充足的混合以在适合的瞬时光/黑暗周期的照射部分期间将该周期提供至细胞并避免梯度和生物污垢；

II.提供高质量转移能力以有效地供应CO₂和阻止O₂积累；

III.提供光的高表面与体积比(S/V)以增加细胞浓度和体积生产率；

IV.能够将培养的生物的温度温度控制在最佳温度处或附近；

V.提供营养物和环境因素的精确控制：光强度、温度pH、CO₂和营养物，比如钙、镁、磷、氮、铁和微量营养物。

VI.允许可控制的和可预测的收获方案以维持培养的生物的最佳群体密度；

VII.允许适当的光管理以降低光抑制；和最大化光合效率；和降低光限制。

VIII.显著地降低外部因素、污染物质和污染物妨碍或降低培养的生物生长的能力。

利用这些参数，环境控制的罐系统被研发以便于能够在小占地中在超过lg/1DW的工业标准，优选地多于lg/1DW，和最优选地至少5g/l DW及其以上的超高密度下生成足够的生物质。

这允许使用大量生产的部件来创建实现期望效率的系统。这避免了依赖于专门地工程化的部件和它们相关的较高成本。已知系统的使用是太笨重的，需要太多空间，并且对于环境因素是不可控制的和/或固有低效的并且不适合于商业用途。

这些进一步允许潜在地生产大体积的这样的光生物反应器系统的能力，因为塑料罐是现成的，具有多种尺寸和配置，是便宜的，并且可以容易地为具体需要调节。

为了最大化空间使用，可以使用三种策略：

I.蜂窝器皿布置

II.垂直的托架系统，或

III.连续的流动罐系统

参照图4，提供了基础模块202的工程化图，连同操作必需的相关控制器件(control)。通过鼓风机(blower)234提供空气并且通过一系列阀和流量计控制空气，以便于以可选方式递送正确量的空气通过鼓泡器220，从而确保生物质移动是均匀的。受控螺线管236允许空气交替。旁路系统248被设计以便于限制任何水回流以及当主要通气从一个鼓泡器转移至另一个时提供平稳过渡。示出了设计的受控的罐温度，其中水冷却设备238(水加热系统也可以根据条件添加)冷却水罐储备。来自该罐的水循环通过位于罐内的盘管232。罐中的温度被测量242以及冷却水储备244中的温度使用控制器246监测。pH探针248也被用于罐中。使用由螺线管236调节的CO₂瓶106通过控制器控制pH并且使用精细扩散器222注入罐内。最终，使用可以控制罐内的光强度的LED驱动系统240控制导光板224。

生物质流过该工艺，将停留时间限制为最小，有利于最高可能的生产率和限制污染影响。

每件事物被调节以优化和保护生长阶段，生长阶段必须被保持和维持为尽可能稳定，持续尽可能长的时间。

设计标准的注意事项中的一个是可扩展性。系统最初被设计为使得其可以容易地扩展以生长大体积的生物质。为了实现这个目标，我们确定利用大约1000升体积的基础构造块构建体的概念，其不是罐特异性的。每个构造块然后可以具有光和通气的嵌入式(drop-in)模块，其可以在特定器皿(标准的中型散装容器(standard intermediate bulk container)(IBC))或大的水通道中添加。批量生产简单部件，降低整个核心技术至由容纳框架、冷却盘管、光面板、通气增压装置(plenum)、CO₂扩散器和控制探针组成的模块的能力关键在于可扩展的模块化设计概念。

光谱的最佳选择也是关键的设计参数，因为其最大化整个系统的能量使用和效率。植物响应在可见光谱内改变。微观藻类仅需要对于任何给定菌株最有效部分的光合活性区域(PAR)。明智的使用发光二极管(LED)技术使得我们提供了在期望强度下的期望波长。在最具有生产率的波长下的最佳光子递送导致更好的热管理，因为大多数光子被生物质吸收。

来自我们的实验的另外的新颖发现是低功率消耗的能力。我们确定，与人们将本能相信的相反，增强的生产可以使用低功率LED灯实现。确定了通过最大化光子递送和照射面积，与在之前使用的相比利用较少的光是可能的。这对供电设备具有直接的积极影响并且允许使用DC而非AC交流电源的选择。这大幅度地降低了能耗，其具有至高的重要性，因为系统被放大至商业体积。

与低功率LED的使用相结合的是表面积优化的参数。光源已经被设计为优化由低/中功率LED产生的光子的利用和有效分布。使生物质体积的光可利用性最大化创建了尽可能大的“透光”区。我们已经使用平的导光板调整了光子/cm²递送，并且使用内部光照照射均匀地提供了较大的接触面积。我们已经通过在简单的设计中使用薄的导光板实现了光源的体积减小，通过使浸入的元件尽可能薄对于它们需要尽可能小的体积。我们也已经采取了措施使得光面板防水用于长期浸入，并且掺入限制或避免生物积垢的材料。

关于光优化，我们已经选择利用优化光子递送的平的光照区。我们的目标是在10％或更少的整体光生物反应器(PBR)体积下的发光元件的体积占有。这允许通过增加暴露最大化光渗透。我们进一步通过直接浸入增加了效率，因为所有光子被递送至生物质。该设置最大化光子分布，因为每个LED模块产生需要被有效地递送至藻类生物质的过量光子。双面平板的使用提供了与管或条相比显著更大的光效率。

在实施方式中，我们已经发现了可以通过可控制的夜晚/白天周期优化生长。内部发光提供了完全不依赖自然光源。任何光/黑暗比可以被测试(例如，24:0、12:12、14:10、8:4:8:4……)。LED技术也允许在光周期期间在50-500Hz范围内快速地闪烁以便于利用光合反应的黑暗期。

闪烁使得我们也降低能耗从而增强效率。

作为基本要求，我们利用活性炭和HEPA对任何输入系统的空气进行过滤。我们进一步使用冷却管、中间冷却器和热交换器的组合控制总空气输入以及空气温度。

关于CO₂需要，pH变化驱动CO₂递送；在菌株的最佳pH之上的pH将触发气体递送。使用产生100-400微米级气泡的陶瓷扩散器最大化气体交换。

现在参照图5，这里的目的是图解设计的可扩展性质，其中多个基础模块502可以被串联地加入不同长度和设置的多个器皿中。出于说明目的，显示了模块被稍微分开，但是这些将是连续的均匀间隔面板。盖子(未示出)也将存在以便于维持如在前面的附图中描述的正压环境。

现在参照图6，在器皿230内的基础模块502的该版本中描绘了罐设置。使用梳状系统226面板700被保持在适当位置并且以对于任何给定藻类菌株预定的给定间距间隔。盖子228处于闭合系统的适当位置，与有盖培养皿类似，以便于创建正压并且因此限制任何外源颗粒进入系统。如示出的冷却盘管232、通气基板220和CO₂扩散器222，其所有使用外部控制器、探针和电磁阀的组合控制(如图4中图解的)。

现在参照图7A、7B、7C和7D，示出了光面板700的说明性实施方式。整个导光板224被装在以水密方式组装在一起的两个相同的真空形成的壳体702中。LED印刷电路板(PCB)条706位于散热器704内并且与中心的双面导光板224并列放置。顶部和底部支撑体允许在LED条和导光板224之间保持最大接触以维持效率。电力电缆223存在于顶部的面板处通过颈状结构708以便于使得最小化进入面板的任何水。光被注入双面导光板，其允许在面板的每个面上均匀分布光子。

参照图8A和8B，示出了基础空气基板800，其中在最高面804内形成多个孔802。孔直径和数目将根据期望的生物质生长程度改变。参照图8B，横截面视图图解了可以在最高面804的下面加入任选的透气膜806以便于限制空气基板腔内的任何生物质进入。形成最低部分808从而留下足够的待加压体积。使用隔板配件(未示出)或使得空气有效地连接至鼓泡器的任何其它设备将整个空气基板800连接至空气系统(未示出)。

在实施方式中，优化藻类悬浮。由于生成的圆周运动，藻类生物质具有随时间缓慢沉降的趋势。使用两个相对定位的可选地被开启的鼓泡器，我们也可将循环的生物质运动反转，因而限制了罐或通道中的任何死角，并且从而有效地限制了藻类生物质沉降以及生物积垢。

在可选实施方式中，图9A-9F中图解了整体原理，其允许在暴露于光时以生物学最优方式最大化生物质，从而确保在无菌环境中获得最大的生物质生长效率，其可以容易地被放大。

参照图9A、9B和9C，注意基本要求是需要维持藻类悬浮以及最小化罐内的任何死角。为了最好的满足该要求，本发明提供了与要求罐体积的10-30％的最小值(例如，1000升罐将要求在100至300L/min范围内的空气混合体积)等价的有力可选混合以实现该目标。除了最佳细胞悬浮之外，也允许排出由生物质和一般气体交换产生的氧。图9A-9C图解了在图4中具体图解的设备的操作。图9A图解了当空气从图4中特征为NO(常开)的第一空气鼓泡器220鼓泡时，从顶部到底部的最初逆时针旋转。图9B图解了当空气从图4中特征为NC(常闭)的第二空气鼓泡器220鼓泡时，从顶部到底部的随后顺时针旋转。图9C是图解在导光板224的任一侧上利用空气诱导的涌流使藻类上升的顶视图。

参照图9D，图解了包括导光板224的罐230的横截面视图。该配置实现了最大的颗粒运输和光暴露，其中通过利用被优化以配合罐中尽可能多的空间的光面板最大化透光区/照射区域，均匀光子通量尽可能均匀地照射生物质。这是非常重要的因素，其与最佳的生物质流结合增加了光合效率。

关于图9E，导光板的一部分被描绘以强调光分布的机制。对于该操作关键的是理解光分布是该整个过程的关键部分，因为由单一LED芯片递送的光子是大大过量的并且需要被尽可能的分布，以便于限制光子抑制和最大化生物质生长。如在图7中较早描述的，光被注入双面导光板，其允许在面板的每个面上均匀分布光子。

图9F是在图9E中描绘的部分的示意图，其图解了必须实现的平衡，其中最佳生物质移动允许藻类颗粒运输穿过大面积的光。提供至生物质的光子通量被优化，因此没有诱发将妨碍生长的光子抑制，同时实现了足够的光合作用以允许生物质合成和细胞分裂。而且，氧废物被快速地消除以便于避免细胞呼吸，细胞呼吸将一起导致光合过程的停止。由气流系统提供的受控环境允许半连续生长系统中的最大内平衡和一致性。

最佳藻类生物质生长＝(细胞浓度×细胞大小)^光渗透+(生物质流×空气流)^{藻类光合作用/光暴露}+(废物管理×无菌过程×环境控制)系统内平衡

提出的系统解决了对所有这些关键的基本因素的控制和管理。通过使面板224浸入在器皿中实现了最佳光递送，从而提供了极度的营养物控制，使得其不再是限制因素。

参照图10A、10B、10C、10D和10E，该图图解了光面板的另一种可能重复，其中LED条位于中心轴/柱中，允许导光板最佳地成形以配合器皿，以便于进一步增加透光区并改善藻类生长，以及使用构建间隔系统简单化面板定位。图10A表示以在图7中描述的面板的相同原理构建的中心柱面板1000的整体视图。在这种情况下，LED PCB条定位在中心并且仅在一个面上注射导光板224中的光。在图10B中，侧视图示出了装在真空形成的传输塑料壳体1004中的中心柱光面板1000，其中仅形成一个面。图10C是图解由组件1004包住的面板224在器皿内被示出的图，其中通过构建梳状物(comb)/间隔物(spacer)将这些面板224维持就位。面板224和壳体组件1004被设计以占据尽可能多的空间以便于增加透光区。图10D是中央散热器1002、LED条706和导光板224的分解图。最后，图10E是中央导板/散热器1002、LED条706、导光板224和反射材料1008的横截面视图，其作为可能的图解被示出。

可以在各个实施方式中优化的下一个参数是营养物递送。当半连续地操作反应器时，培养物的稳态需要营养物被完美地给予，因此在每次收获时至多0.5-3％被保留(在收获之间消耗97-99.5％)。

在稳态下，假设给定的起始浓度、最佳混合和以非常可复制的和稳定的方式的光量，每种藻类菌株将以给定的速率消耗每种营养物。

营养物，包括钙、镁、氮、铁、磷和各种微量营养物，利用最佳的营养食谱给予。半连续培养要求每种藻类菌株具有其特定的营养食谱。每次更新应当供应刚好正确量的营养物，因此不发生挨饿或积累。这导致创建便利盒(bento box)，其在每次更新之间提供所有必需的营养物，其中在特定的稳定条件下获得最佳生长。

实施例

藻类生物质过程控制方案和参数

每种类型的生物反应器、藻类菌株和藻类的最终使用需要特定方法和待调节和优化的标准操作方案。下面的方案意欲提供该过程的整体理解和对于运行根据本发明的基于罐的光生物反应器必需的关键步骤。

工作环境的构建和设置已经被设计为最大可能限度地限制任何外部污染物，因而使用良好生产规范(GMP)和洁净室操作(HEPA过滤的，操作者穿戴防护设备)，因为许多水和空气传播的寄生生物可以在半连续方法中干扰和污染藻类生长持续大量的时间，与分批系统不同。

生长期：圆柱形和IBC罐

将进入的操作者的早晨设置：

从已经混合整晚之前的那天，防火墙罐已经填充有水和营养物(除了在4℃下储存的高压蒸汽灭菌的微量营养物)(见下表)。这也使得罐温度平衡。

生长罐处于12小时光、12小时黑暗周期中。在光小时期间仅使用监测和控制系统(例如，Neptune Apex系统)控制pH以从来不超过7.55(当CO₂被注入时)。当达到7.50的pH时，停止注入CO₂。当光被切断时不注入CO₂并且使得pH上升。

使用30×10cm宽的精细陶瓷扩散器在产生大小为100至400微米的微气泡的1.7-2.3巴下执行CO₂递送。常闭的电控制的螺线管调节气体注入。控制螺线管的电插头通过如上面所描述的Apex系统管理。

通过再生式鼓风机提供对罐的通气，该鼓风机在24/7的基础上连续地递送大约10％-30％的总罐体积/分钟的空气。这使用转子流量计和球阀控制。

通常，在将生长罐中的灯打开之后该整个收获过程将迅速地开始并且在至多30至60分钟后结束。这将生长的微观藻类的生物质干扰限制为最小。

过程：

1.晚上之前，打开连接至防火墙罐的水泵/文丘里注射器/臭氧发生器系统。防火墙罐被臭氧处理为至少900的ORP读数持续5分钟的时间段。在20PSI下4至5升/分钟的臭氧流以大约30克臭氧/小时的速率使用(Atlas 30臭氧发生器)。一旦在水平和持续时间方面达到正确的ORP读数，关掉臭氧并且防火墙罐被允许在夜间排出剩余的臭氧，因为一旦被生成其快速衰退(在水中15-30min半衰期)。

2.无菌微量营养物被添加至防火墙罐并且使其混合5分钟。

3.同时，生长罐被连续地收获20-25％到收获罐中。

4.使用在1中使用的水泵或者仅通过重力，富含营养物的水现在被转移至每个生长罐以便于恢复生物质的体积。所有包含基质的管已经在那天之前以臭氧法灭菌。

5.空的防火墙罐被清洗并且立即填充新鲜的水至与将在下个周期(下一个24-48小时)中使用的相等的体积，添加营养物(除了微量营养物)并且使其混合。此时对罐进行臭氧灭菌，以便于限制如1中描述的任何不需要的生物的生长。

表1：用于生长微拟球藻物种的基质食谱

表1描述了用于生长微拟球藻物种的各种化学品。根据生物质的使用，可以使用从实验室至肥料等级(fertilizer grade)范围内的各种等级。制备微量营养物，单独地高压蒸汽灭菌并且然后添加过滤法灭菌的维生素。EDTA被用作阻止沉淀的螯合剂。在防火墙罐如上面指示的进行臭氧灭菌之后添加微量营养物。

收获期

存在大量的收获方法，其可以根据由藻类构成的最终用途使用。由于藻类独立地于生长罐定位，因此过滤、絮凝、离心或其它收获系统可以被安全地使用，而不以任何方式影响或危害半连续生长的藻类。

使用GEA Westfalia SC6连续离心机，利用下列条件，将微拟球藻物种成功地收获为糊状物：

·转子速度：10,000rpm

·每12分钟排放

·25升/分钟的摄入生物质流量

这产生了25-50％生物质的浓缩糊状物。由于离心机的灵活性，甚至对于如此小尺寸的微观藻类物种，最终浓度也可以被调节为生物质的最终用途。

结果

在0.9L瓶中的基线

12:12光/黑暗周期

5W的照射@660nm，500×10⁶细胞/ml，等于5.55W/升

9:3光/黑暗周期

5W的照射@660nm，150×l0⁶细胞/ml，等于5.55W/升

250升罐

12:12光/黑暗周期

60W的照射@660nm，150×l0⁶细胞/ml，等于0.24W/升

·少23倍的光每升的生物质导致仅少3.3倍的生物质，使其比基线有效7倍。

130W的照射@660nm，250×l0⁶细胞/ml，等于0.52W/升

·少11.5倍的光每升的生物质导致仅少2倍的生物质，使其比基线有效6倍。

9:3光/黑暗周期

90W的照射@660nm，200×l0⁶细胞/ml，等于0.36W/升

·少15倍的光每升的生物质导致多1.3倍的生物质，使其比基线有效20倍。

连续地操作通道型罐构建体

这将是用于运行“河(river)”型罐的潜在方案。在该方案中，生长期在由通道构成的罐内进行，这些通道使用平板被照亮或者是黑暗的以便于复制以静态模式在立方体内完成的光黑暗周期。对于上游和下游外围元件比如防火墙和收获罐，它们保持与立方体基础系统非常相同。本文中描述的系统是实质上5m³河但是较大的系统将使用实质上相同的方法，仅具有轻微的改变。当前的方案描述了用于每个周期生产设定量的生物质，其中河的20％被收获并且20％被替换为富含无菌营养物的水。

首次清洁和接种

在接种基于河的罐之前，将需要被普遍地清洁和灭菌。所有河壁和通气元件将使用生物相容的清洁剂、漂白剂和70％乙醇消毒。大量的水将被用于冲洗罐和在内部存在的元件并且干燥，然后将整个河填充水。在此提醒，罐将被保持在外壳中，在该处使用HEPA过滤以便于限制空气传播的污染。

一旦罐被清洁，其被填充有富含无菌营养物的水(UV和/或臭氧)。在该阶段，河的各个元件被开启(再生式鼓风机、Apex控制系统、灯、冷却系统、pH和温度探针、CO₂递送装置、蠕动循环泵……)并且然后对河进行接种。

接种浓度将在藻类菌株和使河在商业方案中达到最大容量所需的整体时间之间改变。在小的5m³河型罐的情况下，1m³藻类种子可以直接地从生长立方体/托架中使用，并且然后在闭合环路中使河循环持续许多周期，因此其达到期望的生物质浓度。可选地，5m³河可以使用四个1m³立方体被立即接种至最大容量并且利用等于20％更新的1m³的富含营养物的水完成。在该方案中，藻类将准备好被立即收获。为了限制在其周期中的藻类扰动，藻类将在黑暗期中被转移，在灯将已经在立方体系统中被切断后3-4小时。将位于河的光照区域中的藻类将准备好生长，同时存在于黑暗中的藻类将仅具有轻微延长的黑暗期。

生长期和连续收获

一旦河处于最大容量下，收获连续量的生物质。在该情况下，20％每日等于1m³/天或41.67L/小时。在此，两个蠕动泵在工作中。具有两个头的一个蠕动泵正从河的末端收获695ml/min进入收获罐，同时将藻类生物质替换为在河的开始处从防火墙罐供给的695ml/min的富含无菌营养物的水。同时，第二蠕动泵正在从河的末端转移2.78L/min的藻类生物质至河的起点。的确，河不是闭合环路，而是具有受控的入口和出口的U形罐系统。

通过使用在适当位置的遥测技术(摄像机，Apex控制系统)以及直接的目测进行监测，该遥测技术使得操作者不断地监测河健康和控制，以便于确保所有系统是操作的(光面板、螺线管、探针校准)。而且，从河中的设定点进行取样，以便于监测所有的过程正适当地进行。

每天制造新鲜的防火墙罐并且使用在收获罐中的生物质。在典型系统中，两个防火墙罐和两个收获罐将被使用以便于允许连续操作。

根据生物质的目的和用途，其可以被用作鱼饲料或者使用离心或过滤来浓缩。藻类糊然后可以使用超出本方法描述的范围之外的大范围的方法被精炼以提取感兴趣的分子。立方体与河方法方案的比较

虽然罐和河系统具有将光引入藻类的相同基本概念，但是关键区别是生物质的连续流动。在后者中，其不是如同立方体的静态系统，在其中藻类生物质处于循环模式，其中在一天的任何给定时间条件(细胞计数增加、营养物消耗、灯打开/关闭)不断改变，直到下一次收获和更新，河实际上处于稳态过程，其中在任何给定点下的条件在所有时间保持恒定。

简言之，藻类生物质艰难通过完全通气的通道持续给定时间，其中其最初在通过以大约相距0.5-1.5米的预设间隔处定位的扩散器注入CO₂的pH控制的环境中暴露于光。当探针感测到pH上升时，注入CO₂，以与立方体设计类似的方式控制电磁阀的激活。伴随该精细控制，富含CO₂的空气也可以被使用(例如，工业水泥厂排放、污水污泥通气池排放)。当已经实现足够的光暴露时，藻类生物质现在达到非光照区域持续预设时间。如果多个光/黑暗周期在收获之间是必需的，则河可以被设计以便具有一系列含有或不含有光面板的一个或多个部分。但是，在河的末端，部分藻类生物质将被留出用于收获并且剩余的部分将被返回至通道的开始。为了补偿损失的体积，富含新鲜营养物的基质以与下游被移除的相同速率在上游被添加。

根据由河构成的用途，各种方案是可能的。如果意图是生长生物质，则给定百分比(50％-90％)被返回至河开始并且剩余的收获的生物质(10％-50％)正在被处理(如果必要应激阶段、脱水、化学提取)。但是，如果意图是清洁水(例如废水处理后富含工业营养物的流出物)，则大部分生物质是脱水的(浓缩的)以便于流过清洁的水(离心分离液(centrate))。从获得的生物质糊，如上面所描述收获部分(5％-50％)，同时剩余的糊(50％-95％)与富含营养物的水混合并且被用于接种藻类生长的新周期。

河概念的整体目的因此是大大地增加了水的体积，并且因此生物质以成本有效的方式被培养，其中立方体系统将不能快速地实际地处理这样大的体积。的确，虽然在立方体系统中执行类似操作是可能的，但是移动水和过多数目立方体的成本将简单地使处理大体积是费用过高的。在河的情况下，使用最小的泵送，水简单地流过系统，同时与在立方体系统中一样使效率最大化。

两期藻类生长

一些藻类菌株(例如，小球藻物种、雨生红球藻)需要两个期以便于产生特定化学品。第一生长期是如此地方：在其中藻类生物质在富含营养物的基质中扩展并且定期地被收获并且与我们已经在立方体或河概念中描述的高生产状态下维持。在收获之后和脱水之前，开始第二应激期。这典型地通过与强烈光照和/或其它应激因子结合的营养物枯竭完成。当营养物被藻类生物质完全消耗时，这迅速导致旨在保护藻类免受应激的特定化学品的积累。许多有价值的化学品(例如，虾青素、β-胡萝卜素)可以以非常高的浓度使用该途径生产。

为了允许这样额外的应激期，我们已经设计了由重力供给的特定的立方体托架系统，从而允许生长的藻类定期地被收获并转移入应激立方体，在此光每天保持24小时。根据藻类菌株，可以进行应激持续1至10天以便于尽可能多的积累感兴趣的化学品。在该阶段之后，使用本领域中通常使用的方法(例如，超临界CO₂提取、机械提取、大型色谱法、蒸馏、溶剂提取)对藻类进行脱水、破碎、干燥和化学品提取。

托架典型地被提供有被设置在顶部的一个或多个防火墙，在中间的3至5个生长罐和在底部的2至6个应激罐。防火墙和生长罐数目取决于收获速率，而应激罐的数目取决于第二应激期的持续时间。所有罐被流体地连接以便于使得液体在它们之间转移，在该情况下转移通过重力进行。所有管道可被隔离和灭菌以便于避免任何可能的水传播的污染。

在本说明书中提及的所有专利和出版物表示本发明所属领域的技术人员的水平。所有专利和出版物在此通过引用被并入，其程度如同每个单独的出版物被具体地和单独地指示为通过引用被并入。

将理解，虽然阐明了本发明的某一形式，但是其将不限于本文描述和示出的具体形式或设置。对于本领域技术人员将显而易见的是可以在不背离本发明的范围的情况下进行各种改变并且本发明不被视为限于本文包括的说明书和任何附图中示出和描述的。

本领域技术人员将容易地理解，本发明很好地适合于实施目标和获得提及的目的和优势，以及其中固有的那些。本文描述的实施方式、方法、步骤和技术当前表示优选的实施方式，意欲是示例性的并且不意欲是对范围的限制。本领域技术人员将想到其中的改变和其它用途，其包括在本发明的精神内并且由所附权利要求书的范围限定。虽然已经连同具体优选的实施反式描述了本发明，但是应当理解要求保护的发明不应当不适当地被限于这些具体实施方式。的确，用于实施对于本领域技术人员显而易见的发明的描述模式的各种修改意欲在所附权利要求书的范围内。