光反应器的制作方法

专利名称：光反应器的制作方法
光反应器本发明涉及一种光反应器，其包括LED塑料模塑部件，优选是LED硅 酮模塑部件，上述模塑部件任选的与光导模塑部件结合使用，作为辐射 源；本发明特别涉及一种光生物反应器，其包括LED塑料模塑部件，优选 是LED硅酮模塑部件，上述模塑部件任选与光导模塑部件结合使用，作为辐射源。光反应器，特别是光生物反应器，用于微藻类、光合细菌、藓类或其 它植物细胞培养的工业化生产，所述的微藻类例如螺旋藻、小球藻、衣藻 或雨生红球藻，所述的光合细菌例如蓝细菌(例如浑球红细菌、红螺 菌)。这些微藻类和蓝细菌可以借助于光能(光合作用)将C02和水运送 至生物质中。这些物质通常包括两个色素集，第一色素集对约450 nm波长 具有良好的光吸收，第二色素集对约680nm波长具有良好的光吸收。生物 质的形成发生在光反应和暗反应中。光反应可以通过形成氧(=光化学的 水解离)将辐射能转化为化学能或光量子。在第二步骤中，通过消耗光量 子形成生物质(CH20)n (暗反应)。光生物反应器可以用于制备藻类生物质和例如食品、食品增补剂、蛋 白质、类脂、维他命、抗氧化剂、用于医药品和化妆品的活性剂、以及由 藻类得到的油。C02作为藻类培养的碳源，可以以空气、富集(302的空 气、含C02的废气或纯C02的形式，供入光生物反应器中。这样的光生物 反应器还可以用于从废气中除去〇02。第一代光生物反应器使用日光作为光源。该光反应器由大型开放槽系 统和旋转的搅拌臂组成，所述的槽系统例如直径达45m的槽系统。这种反 应器的缺点在于，其依赖于日光辐射强度，并且开放的槽系统会引入污染 (www.ybsweb.co.jp: YAEYAMA premium quality chlorella)。Bisantech在2000年将世界上第一 台可在闭合灭菌反应器中生产微藻 类的光生物反应器系统投入使用(www.bisantech.de)。但是，这种反应器 仍然具有上述缺点，它还是要依赖日光辐射的强度。5在美国专利US6，602,703 B2中公开了一种使用人工照明的光生物反应 器。这种反应器将在其中平行排列着的荧光管用作光源。这种反应器的缺 点在于，需要相对高的能量并且照明装置很容易受到污染影响。美国专利 US 2006/0035370 A1中公开了一种多段式光生物反应器，用于有用代谢 物的共生生长(growth-coupled)生产，该反应器由第一培养区和第二培 养区组成，第一培养区含微生物和用于生物生长的培养区，第二培养区在 一侧临近第一培养区，并含培养介质和用于产生代谢产物的微生物。这两 个培养区被透明的隔离壁分隔开来。该反应器利用阳光或人工照明光充当 光源，同样具有上述缺点。
由WO 92/00380 A1可知，可以将光源安装在光生物反应器的外部， 并将其发出的光通过光导传送入反应器中。使用LED发光体(LED二发光 二极管)作为辐射源用于光生物反应器中，这种技术是公知的US 2005/0135104 A1公开了使用LED作为光源用于海水养殖的培养容器中。 LED被包围在透明外壳中。但是该文献没有公开将LED埋入在透明的塑料 基体中。JP 2007-040176 A公开了通过风力发电，向反应器的人工照明 提供电力供应，用于藻类培养，所述的人工照明例如LED。 JP 2000-325073 A公开了一种用于藻类培养的分为两部分的容器。该容器的两个分 隔间被一种结构分开，该结构包括装有LED的电路板。该装有LED的电路 板通过透明板将两侧的培养介质分隔开。JP 10-098964A和JP 11-089555 A公开了一种藻类反应器，其中将LED作为光源。在一种实施方式中，向 透明管中引入LED链，这降低了反应器中的照明强度。在另一种实施方式 中，先将LED链焊接在基底上，随后将其引入透明管中。WO 2007/047805 A2中公开了在闭合的反应器中，使用LED作为光源。这一反 应器的缺点在于使用外部的LED光源作为照明手段。因此，通过介质之后 辐射变得不足，使得光程的长度很短，只有几厘米，导致在批量生产时需 要更大的表面区域。
因此，业界的目标在于，提供一种光反应器，使其能够在密闭的系统 中完成培养，且在整个密闭的空间内，辐射强度都具有最大限度的均匀性 和最佳质量。另一目的是，提高光合作用反应器的生产力，从而使工业化 生产最优化。此外，LED应当以模塑部件的形式提供，使其能够长时间抵抗纷繁的环境影响，无论是物理、化学或生物的作用，都能够轻松应对。
另一目的在于，在有效的保护LED自身的同时，还要保护LED之间的电连 接以及LED与电源之间的连接，使其不受这些环境影响。
本发明涉及一种光反应器，包括LED塑料模塑部件，在该模塑部件 中， 一个或多个LED发光体被埋入塑料基体中，所述的LED模塑部件作为 光源，在光反应器内部排列。
优选用密闭的反应器作为光反应器。反应器带有耐压的、任选耐热的 外壳，所述外壳的材质例如钢、不锈钢、塑料、搪瓷或陶瓷。可以采用透 明或不透明的材料，制作密闭容器优选使用不透明的材料。可以选择任何 期望的容器体积。与现有技术相反，本发明不再必须将密闭反应器的体积 限定为很小，这是由于通过使用安装在内部的LED塑料模塑部件作为辐射 源，可以在反应器内部得到均匀的照明，从而反应器的直径可以不再受到 光程的影响。
与由玻璃或透明塑料制成的反应器不同，耐压材料可以使反应器设计 得很高并且占地面积减少。将LED塑料模塑部件作为发光插件安装在该反 应器中，可以将大量的反应器段联合起来，形成很高的塔状反应器，从而 节省了空间，换句话说，可以显著提高单位占地面积上的生产能力。此 外，还可以在高压下作业，优选在0.1-5巴的表压下作业。在光生物反应器
中，压力越高，向反应器中提供的含C02气体中的C02分压就越高，使得 介质中的C02平衡浓度更高，从而加速了C02向微藻类的传送，并使光合 作用进行的更为强烈。如果将含C02的废气作为C02源，那么介质中的平 衡浓度会有同样程度或者更大程度的增加，从而光合作用和微藻类的生长 就会显著的加快。
由于可将光生物反应器设计的很高并减少占地面积，这样就创造了更 长的气体停留时间(气泡上升速率保持相同)，并因此使得C02损耗情况 更加令人满意。除了能得到更好的C02损耗数据之外，在该系统中，还可 以使得光生物反应器的废气中的气体富集程度增大，从而例如，可以以经 济上可行的方式得到氧气或者(在微藻类是能够产氢的类型时)甚至可以 得到氢气。此外，密闭的反应器还能够减少或避免水的蒸发损耗，这在世 界上的缺水地区(干旱地区)是特别有利的。当将LED塑料模塑部件作为光源时，任选的与光导模塑部件结合使 用，它们被安置在光反应器中，这样就不再对日光有任何的依赖。
反应器外壳的耐压和耐热设计，与耐热的LED塑料模塑部件相结合， 从而使得反应器可以在高温下作业。可以利用12(TC的蒸气对反应器进行 灭菌，并因此有效的防止污染，还可以使用一串改性的微藻类或蓝细菌。 同样的，还可以使用12CTC的CIP ("定位清洁")蒸气喷射来有效地清洁反应 器。
该反应器装有供应管线，用于填料和供应营养，还装有卸出管线，用 于产品提取和排空。为了能够进行连续生产，可以作如下推荐为反应器 装备外部管线，在该外部管线中安装有相分离设备或模块，用于透析、反 渗透和微米或纳米过滤。为了散热和加热，可以在反应器的壁上任选的装 配双层外壳，和半管环路，或者在内部设置热交换器。反应器中还可以含 搅拌装置和泵用于混合。优选根据空气升液原理，以与泡罩塔相同的方式 通空气，借此进行搅拌，不再借助其它的机械能。泡罩塔/空气升液反应器 在0.005-2.0m/s的气体流率下进行作业，优选气体流率为0.02-0.2 m/s。反 应器优选细分为多个反应器单元，这些反应器单元彼此堆叠，堆叠时优选 作一些偏移，反应器单元通过检修孔彼此连接在一起。反应器单元也可以 通过法兰彼此相连(与塔板连接方式相同)，或者优选通过插入共同的外 壳中来形成连接(与塔基的连接方式相同)。
当光生物反应器中例如藻类生长速率为0.025 l/h，藻类在水性反应介 质中的浓度为2.5wt。/。、气体流率为0.05 m/s、且使用典型的发电设备废气 作为(302源时，最佳的反应器高度为约20米。
LED塑料部件含一个或多个LED发光体，所述的发光体处于一个或多 个基体中，优选将LED硅酮模塑部件作为辐射源。合适的LED发光体是发 出辐射的半导体元件，包括有机或无机半导体，这就是通常所述的LED。 LED可以是已经包覆了塑料的二极管，所述的塑料通常是硅酮，LED也可 以是未包覆的二极管。LED可以在红外光区、可见光区或者在UV光区发出 辐射。人们根据使用目的对这些LED做出选择。在用于光生物反应器中的 光合作用时，优选使用可发出可见光、特别是红光的LED。埋入塑料基体 的LED发光体可以 出同样波长的光。然而，具有不同发光特性的LED发光体还可以相互结合使用。通常，多个LED发光体可导电的连接，彼此串 联或并联。发光体可以与传感器相连，并与测量或控制装置相连。发光体 的数量及其相互排列取决于其用途。LED发光体可以连续或间歇的工作。 可以使用任何期望的电源，但是优选使用太阳能电池。
光导是可以传输光的透明材料纤维，通常是玻璃或者塑料的，其用于 传输光或红外辐射。光导的实例是光波导管、玻璃纤维、聚合物光学纤维 或由塑料制成的其它导光元件，以及光导纤维元件。光导是按计划组织好 的，从而使光可以在光导的整个范围内均匀的传输。任选的，光导可以装 有透镜，用以在将光引入光导之前对其进行集中和放大。使用光导模塑部 件作为除塑料LED模塑部件之外的辐射源，在白天的作业中是十分有利 的。优选基于热塑性硅酮弹性体(TPSE)的光导。热塑性硅酮弹性体含一种 有机聚合物成分，例如聚氨酯或聚乙烯基酯，还含有一种硅酮成分，如上 文中特别提到的，该硅酮成分通常是基于聚二烷基硅氧垸基体。合适的热 塑性硅酮弹性体可以由市场购得，例如来自Wacker Chemie的对应于 Geniomer^型的弹性体。
对于LED塑料模塑部件和光导，其可以是任何期望的几何构型。它们 可以以软管(pipe)、带、管(tube)、板或垫的形式提供。
为了将辐射光源安装在反应器的内壁上，优选使用板、垫或带状的辐 射源，特别是将LED塑料模塑部件作为辐射光源时，这些形状十分有利。 在将辐射源安装在反应器内部时，管或软管状形式是制得推荐的。
为了在大型反应器中实现均匀的给光量，可以将多个LED塑料模塑部 件捆扎成为管、软管或板，形成照明插件，其中藻类悬浮液在所述的LED 塑料模塑部件周围流动，且所述的LED塑料模塑部件被设计成例如管、软 管或板状的。在一种特别优选的实施方式中，发光体可以相互偏移的设置 (例如呈螺旋形设置)，这样它们就可以对周围的空间时间充分和均匀的 照明。
当使用由LED塑料模塑部件形成的管束时，相对于模塑部件表面，相 邻模塑部件表面之间所需的距离为约1-10cm，优选2-5cm，此时光发射近 似的相当于自然日光照射。
光生物反应器还可以含管型或板型的LED塑料模塑部件，藻类悬浮液流动着通过这些部件。在这种情况下，可以将大量的管或板合并在一起， 形成管束或板束，并形成反应器单元，冷却介质在外壳形成的空间里流动
通过这些反应器单元，并借此将其冷却。对于LED塑料模塑部件和光导模 塑部件，可以采用任何期望的尺寸，并且可以使其与反应器的尺寸相配合。
LED塑料模塑部件和/或光导模塑部件之间的距离，可以通过在反应器 内设置辅助性的光分布来增加，所述的辅助性光分布是使用"发光硅酮漂 浮体"，该"发光硅酮漂浮体"具有调整过的最佳波长和最小密度差，并 且优选只通过通气就能悬浮。如同在EP 1412416 B1或EP 1489129 B1中 所公开的，这些"发光硅酮漂浮体"由一种或多种处于硅酮基体中的发光 物质组成，所述的硅酮基体例如热塑性硅酮弹性体。
用于形成LED塑料模塑部件的合适材料，是热塑性和热固性的塑料， 例如丙烯酸玻璃、聚乙烯、聚丙烯、PVC、聚酰胺、聚酯例如PET。优选 使用硅酮。
在LED塑料模塑部件中，LED被充分的埋入塑料基体中，并被塑料基 体包覆，优选的，在LED之间的电连接也包覆在基体中，特别优选的是， LED链与电源之间的连接也包覆在基体中。
合适的硅酮实例是，经过縮合或加成反应发生了基团交联的交联硅橡 胶。对于该交联反应，可以通过合适的催化剂进行阳离子聚合，也可以通 过过氧化物或辐射进行自由基聚合，所述的辐射特别是UV辐射，或者是热 辐射。用于得到交联硅橡胶的体系，优选为由市场购得的单组分或双组分 体系，但是也可以是多组分体系。硅酮杂聚物和硅酮树脂也是适用的。硅 酮基体的厚度取决于LED硅酮模塑部件的用途，通常为0.1-50mm。
縮合交联的硅橡胶体系包括
a) 具有可缩合端基的有机聚硅氧垸
b) 任选的，有机硅化合物，其每个分子中具有至少三个与硅相连的可 水解基团，和
c) 縮合催化剂。
合适的由縮合反应交联的硅橡胶，是单组分系统，其在室温下交联， 被称为RTC-1硅橡胶。RTC-1硅橡胶是带有可縮合端基的有机聚硅氧烷，其可以在催化剂的存在下，在室温下进行縮合反应发生交联。最常用的是
结构为R3SiO[-SiR20]n-SiR3、链长为n > 2的二烷基聚硅氧烷。烷基R可以 是相同或不同的，通常具有1-4个碳原子，并且任选的可以被取代。还可 以任选的用其它基团代替垸基R，优选用芳基来代替R，任选的，该芳基 是被取代的，所述的烷基(芳基)R被可縮合交联基团部分代替，所述的 可缩合交联基团例如醇、醋酸酯、胺或肟基团。利用合适的催化剂对交联 反应加以催化，所述的催化剂例如锡或钛催化剂。合适的RTC-1硅橡胶可 由市场购得，例如来自Wacker Chemie AG的对应于ELASTOSIL⑥A， E或 N系列型号的硅橡胶。
合适的由縮合反应交联的硅橡胶，是双组分系统，其在室温下交联， 被称为RTC-2硅橡胶。RTC-2硅橡胶可以通过，羟基多重取代的有机聚硅 氧垸在硅酸酯的存在下发生縮合交联得到。带有烷氧基、肟、胺或羧酸酯 基团的烷基硅烷，也可以作为交联剂使用，上述基团可以在合适的縮合催 化剂存在下，与羟基封端的聚二烷基硅氧垸发生交联，其中所述的催化剂 例如锡或钛催化剂。合适的RTC-2硅橡胶可以由市场购得，例如来自 Wacker Chemie AG的对应于ELASTOSIL⑧RT系列型号的硅橡胶。
RTC-1和RTC-2硅橡胶中所含的聚二烷基硅氧垸的实例是，通式为 (OH)R2SiO[-SiR20]rrSiR2(OH)且链长n > 2的物质，此时，R可以是相同或 不同的，通常含1-4个碳原子，并且任选的可以被取代。还可以任选的用 其它基团代替垸基R，优选用芳基来代替R，任选的，该芳基是被取代 的。聚二烷基硅氧烷优选含端基OH，该端基OH可以在室温下，与硅酸酯 或垸基硅烷/锡(钛)催化剂体系发生交联。
RTC-1和RTC-2硅橡胶中所含的具有可水解基团的垸基硅烷，其实例 是通式RaSi(OX)4—a的物质，其中3=1-3 (优选1)，并且X表示R"(烷氧基 交联剂)、C(O)R"(醋酸酯交联剂)、N=CR"2 (肟交联剂)或NR"2 (胺 交联剂)，其中R"表示具有1-6个碳原子的一价烃基。
加成交联的硅橡胶体系含
a) 有机硅化合物，其带有含脂肪族碳-碳多重键的基团，
b) 任选的，有机硅化合物，其具有与Si相连的氢原子，或如果不含a) 和b)，c) 有机硅化合物，其带有含脂肪族碳-碳多重键的基团和与Si相连的氢
原子，
d) 将与Si相连的氢原子附着于催化剂上，该催化剂能够促进脂肪族多 重键键合，和
e) 任选的，将与Si相连的氢原子附着于催化剂上，所述催化剂能够延 迟脂肪族多重键在室温下键合。
合适的由加成反应交联的硅橡胶，是双组分系统，其在室温下交联， 被称为RTC-2硅橡胶。加成交联的RTC-2硅橡胶可以通过，在Pt催化剂的 催化作用下，使取代的有机聚硅氧烷中的多重烯键式不饱和基团、优选乙 烯基，与被Si-H基多重取代的有机聚硅氧烷发生交联得到。
组分之一优选由结构为R3SiO[-SiR20]n-SiR3、 n 2 O的二烷基聚硅氧烷 组成，其烷基通常具有14个碳原子，此时，烷基可以完全或部分的被芳 基代替，所述芳基例如苯基，在一端或两端的一个端基R被可聚合基团例 如乙烯基代替。在硅氧院链中的基团R可以同样部分的被可聚合基团取 代。优选使用乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷，其结构为CH^CH2-R2SiO[-SiR20]n-SiR2-CH2=CH2。
第二组分含Si-H功能的交联剂。通常使用的聚垸基氢硅氧垸，是二烷 基聚硅氧烷的共聚物，其通式为R'3SiO[-SiR20]rr[SiHRO]m-SiR'3，其中m ^ 0且n 2 0，前提是，其必须含至少两个Si-H基，其中R'可以表示H或R。 因此，交联剂中既具有侧基Si-H基团也具有端基Si-H，但是对于R' = H的 硅氧垸，只具有端基Si-H，也可以用于使链增长。
它们含少量的铂-有机化合物作为交联催化剂。
合适的RTC硅橡胶，是由市场购得的，例如来自Wacker Chemie AG 的对应于ELASTOSIL RT或ELASTOSIL LR (LSR硅橡胶)或 SEMICOSIL⑧系列型号的硅橡胶。
合适的通过自由基或加成反应交联的硅橡胶，是固体的硅橡胶，其随 着温度升高而交联(HTC)。
加成交联的HTC硅橡胶，是由取代的有机聚硅氧垸中的多种烯键式不 饱和基团、优选乙烯基，与被Si-H基团多重取代的有机聚硅氧垸，在铂催 化剂的存在下发生交联反应得到的。通过过氧化物或加成反应交联的HTC硅橡胶，其组分之一优选由 R3SiO[-SiR20]n-SiR3、 n 2 0的二垸基聚硅氧烷构成，垸基中通常具有1-4 个碳原子，此时，烷基可以完全或部分的被芳基代替，所述芳基例如苯 基，在一端或两端的一个端基R被可聚合基团例如乙烯基代替。但是，具 有侧乙烯基或侧基及端基乙烯基的聚合物，也可以使用。优选使用结构为 CH2=CH2-R2SiO[-SiR20n-SiR2-CH2=CH2的乙烯基封端的聚二甲基硅氧 烷，符合该结构的、还带有侧乙烯基的乙烯基封端的聚二甲基硅氧垸也是 优选使用的。对于加成聚合的HTC硅橡胶，其第二组分是二烷基聚硅氧烷 的共聚物——聚垸基氢硅氧烷，其通式为R'3SiO[-SiR20]n-[SiHRO]m-SiR'3，其中m^0且n^0，并且需满足其必须含至少两个Si-H 基团，其中R'可以表示H或R。因此，交联剂中既具有侧基Si-H基团也具有 端基Si-H，但是对于R' = H的硅氧垸，只具有端基Si-H，也可以用于使链 增长。交联催化剂使用铂催化剂。
HTC硅橡胶还可以作为单组分体系，以过氧化物在作为交联剂，利用 温度升高来引发交联反应，所述的过氧化物例如酰基、垸基或芳基过氧化 物。过氧化物交联的HTC硅橡胶，是通过使有机聚硅氧烷交联得到的，所 述有机聚硅氧烷任选的被烯键式不饱和基团多重取代，所述烯键式不饱和 基团例如乙烯基。合适的HTC硅橡胶可以由市场购得，例如来自Wacker Chemie AG的对应于ELASTOSIL⑧R或ELASTOSIL⑧R+型号的硅橡胶。
最近，特殊的HTC和RTC-1也已经能够从市场买到，其经过所述的加 成聚合交联，在加成聚合中使用特殊的铂络合物或铂/抑制剂体系，该体积 可由加热或光化学活化，并因此催化交联反应。这样的体系可以由市场购 得，例如来自Wacker Chemie AG的对应于ELASTOSIL R型、 ELASTOSIL RT型和Semicosi啦型的产品。
硅酮杂聚物也可以作为合适的材料，硅酮杂聚物是有机聚合物嵌段例 如聚氨酯、聚脲或聚乙烯基酯与上文所述的基于二烷基硅氧烷的硅酮嵌段 产生的共聚物或接枝共聚物。例如，在EP 1412416 B1和EP 1489129 B1 中公开的热塑性硅酮杂聚物，这两篇文献有关于这一点的公开，也被本发 明的主旨范围所包括。这样的硅酮杂聚物被称为热塑性硅酮弹性体 (TPSE)，其可以由市场购得，例如来自Wacker Chemie AG的对应于GENIOMER⑧型的产品。
硅树脂也同样是作为硅酮基体的恰当材料。通常，硅树脂含通式为 Rb(R〇)cSiO(4-b—c),2的单元，其中 b等于0、 1、 2、或3， c等于0、 1、 2、或3, 并且满足b+c S 3， R的含义与上文限定的相同， 上述单元形成了高度交联的有机硅网络。
合适的硅树脂可以由市场购得，例如来自Wacker Chemie AG的对应 于SILRES⑥型的产品。
辐射固化的丙烯酸官能的、环氧官能的或乙烯基醚官能的硅酮，也是 适用的，其通过自由基前体或阳离子光引发剂固化。
如果LED发光体被埋入了单独的硅酮基体中，那么，硅酮基体必须在 反应器的整个使用期限内，都保证能够充分的和永久的与LED发光体连接 在一起，从而使得发光能力在光反应器的使用期限内不会减小。特别适用 于本发明的是，硅酮形状与发光体相适应，其与发光体粘接良好，并且在 基体和发光体之间不会由于例如温度变化形成任何的空腔。优选的材料是 所述的RTC-2硅橡胶，特别是LSR硅橡胶、HTC硅橡胶和硅酮杂聚物，特
别是上文所述的那些热塑性弹性体。
在优选的实施方式中，LED硅酮模塑部件含柔软的内部硅酮基体A， 该内部硅酮基体A被一种或多种较硬的硅酮基体B包覆。内部硅酮基体A的 柔软程度是肖氏A硬度(DIN 53 505/ISO 868)小于或等于10，或者，如 果内部硅酮基体A是液态硅油，那么其平均粘度(在23'C和1013毫巴下) 为1-100x106 mPa.s。优选的，肖氏A硬度小于5或平均粘度(在23。C和 1013毫巴下)为大于10x1016 mPa.s。对于外部硅酮基体B，其肖氏A硬度 大于10，并且如果内部硅酮基体A同样由在标准条件下(23/50 DIN 50014) 为固态的硅酮类型组成，那么内部硅酮基体A和外部硅酮基体B之间的肖氏 A硬度差为至少5个肖氏硬度点，优选为至少10个肖氏硬度点，特别是至少 为20个肖氏硬度点。
外部硅酮基体B基于上文提到的材料。
14硅酮基体A对于发光体来说是最适宜的，除了可以保护电子元件(减 震)之外，它还能使发光效率最佳(折射率匹配)并能促进散热。对于发 光体来说，非常重要的一点就是必须保证在发光体的整个使用期限内，硅 酮基体都可以将发光体紧密的包覆，并且避免包覆进空气和水，因为空气 和水会导致光散射效应。
优选的用作内部硅酮基体A的材料是硅油，其通常是结构为 R3SiO[-SiR20n-SiR3且链长n > 2的二烷基聚硅氧烷。烷基R可以是相同或 不同的，通常具有1"4个碳原子，并且任选的，其可以被取代。烷基R也可 以部分的被其它基团代替，优选被芳基代替，任选的，所述芳基可以是被 取代的，当采用支化硅油时，垸基R还可以被三烷基甲硅烷氧基代替。实 例是甲基硅油(CH3)3SiO[-Si(CH3)20]n-Si(CH3)3、满足n'+n" > 2的甲基苯基 硅 油 (CH3)3SiO[-Si(CH3)20]n.-[-Si(C6H5)20]n..-Si(CH3)3 或 (CH3)3SiO[-Si(CH3)20]n+Si(CH3)(C6H5)0]n..-Si(CH3)3 、支化的甲基硅油 (CH3)3SiO[-Si(CH3)(OSi(CH3)3)0]n-Si(CH3)3 、支化的甲基苯基硅油 (CH3)3SiO[-Si(C6H5)(OSi(CH3)3)0]n-Si(CH3)3。通过引入芳基并调整烷基 与芳基比例，本领域技术人员可以用已知的方法，将硅酮基体的折射率调 整到与发光体匹配。此外，端基功能化的并且("非间断的")聚二甲基 硅氧烷油是优选使用的。这样的硅油可以由市场购得，并且可以用已知的 方法制备。市售的硅油实例是来自Wacker Chemie AG的Wacker硅油产
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内部硅酮基体A还可以使用硅凝胶。硅凝胶是由两种可倾倒的成分制 成的，其在室温下在催化剂存在下交联。成分之一通常由结构为 R:3SiO[-SiR20]rrSiR3且n 2 0二烷基聚硅氧烷组成，其中烷基通常具有1-4
个碳原子，此时，烷基可以完全或部分的被芳基例如苯基所代替，在一端 或两端的一个端基R可以被可聚合的基团例如乙烯基所代替。硅氧垸链中 的基团R可以同样可以部分的被可聚合基团所代替，其任选的与端基的R 基团相结合。预选使用结构为CH2=CH2-R2SiO[-SiR20]n-SiR2-CH2=CH2的 乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷。
第二成分含Si-H官能的交联剂。常用的聚烷基氢硅氧烷是二垸基聚硅 氧烷的共聚物，聚烷基氢硅氧烷的通式为R'3SiO[-SiR20]n-
15-H基 团，其中R'代表H或R。因此，交联剂中既具有侧基Si-H基团也具有端基 Si-H，但是对于R' = H的硅氧烷，只具有端基Si-H，也可以用于使链增 长。它们含有少量的有机铂化合物，作为交联催化剂。通过使各组份混合 引发交联反应并形成凝胶。可以通过热和/或电磁辐射的影响来加速交联反 应，所述的电磁辐射例如UV辐射。UV LED自身就可以诱发凝胶的交联反 应。硅凝胶是特别柔软的材料，特别优选其肖氏00硬度小于50(DIN 53 505 / ISO 868)，最优选使用那些根据DIN ISO 2137得到的针入值> 10 mm/10的硅凝胶(利用9.38g四分之一锥体，作用时间为5s)。合适的硅 凝胶可以由市场购得，例如来自Wacker Chemie AG,Munich的商标为 WackerSilGe严产品。
LED塑料模塑部件可以通过塑料加工领域常用的技术来制备，例如根 据LED塑料模塑部件的几何形状，选择铸造法、挤出法、注模法、压缩成 型法或注射成型法。LED塑料模塑部件任选的还可以覆盖有外涂层，例如 基于硅树脂的外涂层。
通过将大量的塑料模塑部件置于大型发酵槽中，对其进行最佳的设计 安排，在反应器插件的作用范围内，就可以在大体积发酵槽中进行商业上 可行的藻类生物质批量生产。通过LED塑料模塑部件，可以使多个LED联 合在一起形成反应器发光插件，从而可以以商业上可接受的方式，在大型 反应器内部空间中达到最佳的内部照明。
将LED埋入塑料基体中，特别是在使用硅酮基体的情况下，能够充分 减小污染和沉淀的形成。其它的优势在于，使用LED硅酮模塑部件，可以
允许在整个光生物反应器中，用至少12rc的蒸气进行至少1小时的重复蒸
气灭菌。
将LED塑料模塑部件在整个反应器空间中进行安排，使之达到更好的 散热效果，这样就使这种内部LED与安置在外部的LED相比，可以在更高 的电压和发光效率下工作。
光反应器可以作为辐射诱发的化学反应的反应器。光反应器还可以作 为光生物反应器，用于通过微藻类，由C02、水和矿物营养来得到有价值 物质的自养型和异养型生产，所述的有价值物质例如蛋白质、维他命、药物活性剂、类脂、和氢。其它的用途是，用于通过喂入有机碳源进行的有 价值物质兼养型生产、由C02、水和矿物营养进行的藻类生物质生产、和 从发电设备或工业废气中除去C02。以这种方式生产的藻类生物质，适于 作为能量原料、化学原料、食品，并可用于化妆品和医药领域。此外，对 于利用微藻类和微生物生产氢或其它气态代谢产物产品、并且需要以光能 的形式供应能量的生产反式来说，这种反应器也是适用的。
本发明将通过

图1到3的实例进行说明。
图1:具有管束或软管束形式的LED硅酮模塑部件的光生物反应器元件。
光生物反应器元件1由耐压反应器外壳1a构造而成，并包括发光插件 1b，所述发光插件1b可以作为塔插件(column insert)(特别是塔基)或 者发光插件法兰，其在特定的情况下还可以是光生物反应器的顶部。用于 供给和卸料的连接通道可以安排在反应器外壳1a或光生物反应器顶部化 内。发光插件或发光插件法兰1b具有用于下一个光生物反应器元件的检修 孔2 (见图2)。光生物反应器充满了充气的水性藻类悬浮液3，并且光生 物反应器通过光生物反应器元件下面的检修孔与气体和悬浮液保持联通。 气泡上升，引导微藻类发生液体循环、混合和悬浮。
发光插件(发光插件法兰，特定情况下为光生物反应器的顶部)1b含 平行连接的LED硅酮模塑部件6的束5，所述LED硅酮模塑部件6含串联的 红光LED(红点)7。束5与发光插件(发光插件法兰，特定情况下为光生物 反应器的顶部)1b的底部通过浇铸密封化合物相连。
图2:泡罩塔光生物反应器
图2示出了一种光生物反应器，其由大量根据图1的光生物反应器元件 组成，这些元件装配在一起形成了塔反应器9。在反应器塔9的下端，空气 或含CO2的发电设备废气通过管道10和气体分配器，被喂入最下部的反应 器元件9a中。在反应器上端，由于C02已经被消耗掉，所以纯净的气体就 通过管线11排出，或者可以移除气体产品并在随后的方法步骤中对其进行 分离。水性的藻类悬浮液可以通过管线12移除。可以在微孔过滤/分离单元 13中，，对藻类生物质予以浓縮，使之成为过滤后的滞留物。 一条支流可以 通过光线14重新回到反应器中，用以提高微藻类浓度。任选的，使水富集矿物质盐，水优选从顶部供入光生物反应器中，并且，如果安装有微孔过滤/分离单元13，那么使水渗透过单元13进行分离。塔反应器9可以在分批 操作中批量生产，或者也可以进行连续生产。图3:具有平行连接的LED硅酮管的泡罩塔反应器图3示出了一种光生物反应器，其中大量的装有LED6的透明硅酮管17 平行连接为管束，并连接在框架18上。解热/冷却系统19对硅酮管进行热 控制大量这样的光反应器插件可以彼此堆叠连接为塔反应器，和/或安装在 搅拌的、空气生液的泡罩塔或环反应器内。实施例1密闭的光合作用管反应器，由不锈钢制成，直径为365m，高度为 28m，并具有27个发光插件，这些发光插件彼此堆叠，间隔为1m，每个 发光插件具有255个向下伸出的LED硅酮模塑部件(尺寸规格(长X宽X 高)为965 mm x 8 mm x 13 mm)，所述的LED硅酮模塑部件由LED埋入 硅酮中的LED带组成(连接器轨道8.4 W; Vf = 12 V， lf = 700 mA)，两 个LED硅酮模塑部件之间的距离约为2厘米，该反应器以自养方式运行， 在无菌条件下进行4周的半连续藻类生物质(Chlorella vulgaris)生产。反应器外部焊接半管环路，用于灭菌和冷却，并装有温度、压力、pH 和水平调节器。灭菌的方式是充满12rc的介质(水+矿物质盐)，在正压下进行一 小时以上的灭菌。为了这一目的，使介质流在6巴的压力下穿过半管环 路，供应的介质流针对反应器的温度进行校准。在冷却期间，首先进行同 期，以避免负压的产生。随后利用双层外壳内供应的冷却水，使反应器内的工作温度保持恒定 27°C。在反应器顶部设置10毫巴的轻微正压。空气的输入和输出以及水的 供应都经过灭菌处理，并将藻类悬浮液注入灭菌的收集容器中。反应器用于对小球藻预培养物进行培育，所述的小球藻预培养物是在 摇动的烧瓶中制备出来的。在干生物质浓度达到20/。 (20 g/l)后，就可以采用连续生产了。调节稀释率，使得在稳定阶段，水性藻类悬浮液(藻类为Chlorellavulgaris)中藻类的浓度达到2wt。/。。为了向藻类供应水并喂入矿物盐，需 要连续的供入水，并保持8.8 1/h的流率。向系统中以20m3/11 (标准温度和 压力)的速度供应含C02的废气，其中含4.5 vol% C02、 10.2 vo|o/。 02、 10.8 vol% 1"120和74.5 vol% N2。由反应器排出的废气组成为0.1% C02、 16.0% 02、 2.9% 1"120和 81.0% N2。反应器连续的产出2%浓度的藻类悬浮液，同时调整充填水平。每天3 次对反应器采样。反应器在连续持久作业中的生产能力为0.4 kg干藻质量 /m3/h
权利要求
1.一种包括LED塑料模塑部件的光反应器，其中，一个或多个LED发光体被埋入塑料基体中，所述LED塑料模塑部件作为辐射源，排列在光反应器内部。
2. 根据权利要求1所述的光反应器，其特征在于使用LED硅酮模塑部 件作为LED塑料模塑部件。
3. 根据权利要求1或2所述的光反应器，其特征在于使用包括有机或无 机半导体的释放辐射的半导体元件作为LED发光体。
4. 根据权利要求1到3之一所述的光反应器，其特征在于LED硅酮模塑 部件含多个LED发光体，这些LED发光体可导电地结合在一起，并以串联 和/或并联的方式连接。
5. 根据权利要求1到4之一所述的光反应器，其特征在于使用光导模塑 部件作为除LED塑料模塑部件之外的辐射源。
6. 根据权利要求5所述的光反应器，其特征在于所用的光导模塑部件 是基于热塑性硅酮弹性体的模塑部件。
7. 根据权利要求1到6之一所述的光反应器，其特征在于除LED塑料模 塑部件和/或光导模塑部件之外，在光反应器中使用发光硅酮漂浮体用于辅 助光分布。
8. 根据权利要求1到7之一所述的光反应器，其特征在于LED塑料模塑 部件和光导以软管、带、管、板或垫的形式提供。
9. 根据权利要求1到8之一所述的光反应器，其特征在于光反应器中含 多个LED塑料模塑部件，这些部件被成形为管、软管或板，并且这些部件合并成为软管束、管束或板束，形成发光插件。
10. 根据权利要求1到9之一所述的光反应器，其特征在于埋入基体并被基体包覆的发光体的相互排列方式满足能够充分和均匀地对周围空间 进行照明。
11. 根据权利要求1到10之一所述的光反应器，其作为光生物反应器，包含管形或板形的LED塑料模塑部件，藻类悬浮液流动通过所述的LED塑 料模塑部件，多个管和板组合形成管束和板束，并形成反应器单元，壳空 间中的冷却介质流动通过所述反应器单元。
12. 根据权利要求1到11之一所述的光反应器，其特征在于LED模塑部 件是基于交联的硅橡胶、硅酮杂聚物和/或硅树脂的模塑部件。
13. 根据权利要求1到12之一所述的光反应器，其特征在于LED模塑部件包含基于热塑性弹性体的单一硅酮基体。
14. 根据权利要求1到13之一所述的光反应器，其特征在于LED模塑部 件包含软质内部硅酮基体A，其被一种或多种较硬硅酮基体B包覆。
15. 根据权利要求1到14之一所述的光反应器，其特征在于塑料基体还 具有外涂层C。
16. —种在权利要求1到15之一所述的光反应器中进行辐射诱发的化学 反应的方法。
17. —种使用权利要求1到15之一所述的光反应器生产藻类生物质的方法。
18. 根据权利要求17所述的方法，其用于通过藻类生物质进行有价值 物质的自养和异养生产。
19. 一种利用权利要求1到15之一所述的光反应器从发电设备或工业废气中除去C02的方法。
20. —种利用权利要求1到15之一所述的光反应器、使用微藻类或微生 物生产氢或其它气态代谢产物的方法，该方法需要光照形式的能量供给。
21. 由权利要求1到15之一所述的光反应器生产的藻类生物质作为能量 原料、化学原料、食品，在化妆品和医药领域的应用。
全文摘要
本发明涉及光反应器(1)，其包括LED塑料模塑部件，其中至少一个LED发光体被埋入塑料基体中，作为辐射源排列在光反应器内部。
文档编号B01J19/12GK101679930SQ200880018482
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月30日 优先权日2007年6月1日
发明者H·福伊特, J·道特 申请人:瓦克化学股份公司