CN102224236A - 光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

一种光生物反应器(100)，包括底座(110)、从底座向上延伸的支撑架(120)、多个培养向光性微生物的托盘(130)和防护件(140)；所述托盘从最高的托盘向最低的托盘垂直排列，所述托盘在所述支撑架上(120)被共轴向支撑且在垂直面以预定的间隙彼此隔开以使对光源的暴露最优化；所述防护件安装在所述支撑架上从而位于最高的托盘之上；其中所述多个托盘和防护件由可透光的材料制成。

Description

光生物反应器
技术领域
本发明涉及用于培养产生有用化合物的向光性微生物的光生物反应器，更具体地，公开的光生物反应器采用托盘堆叠(trays-stacking)方法培养向光性微生物，其中光生物反应器与封闭、半封闭以及开放类型的培养***结合，因此，在有限的可用的土地面积内通过利用二氧化碳和光能有效地并且高效地促进向光性微生物的生长。
背景技术
对大多数向光性微生物而言，例如光合成细菌或微藻类，光是其在几乎每一类型的光生物反应器中生长所必不可少的。目前妨碍光生物反应器中向光性微生物生长的限制因素是光的可用性与二氧化碳的输入。由于光不能穿透至光生物反应器的内部，在光生物反应器内部光的可用性有限，因此大多数光生物反应器的培养产量有限。除此之外，为了阻止来自于一些空气传播微粒的污染物和不希望的，比如其他微生物的生长，大多数光生物反应器采用封闭***用于向光性微生物的培养。但是，这种方法要成功所付出的代价是，在培养基中减少二氧化碳的浓度并增加氧气浓度。由于环境封闭，增加的氧气浓度常常造成降低生长速率的光呼吸，而培养基中有限量的二氧化碳限制了向光性微生物的光合成活性。因此，可能在二氧化碳源或氧气去除剂中二者择一与该培养***联合，再次发生额外的运作成本。
申请号为No.5162051的美国专利申请中，公开了包含多个挡板的光生物反应器，挡板安装在光生物反应器中的槽上，为光源的***形成了空腔。
申请号为No.5846816的美国专利申请中，提供了另一通过循环装置能够将培养的生物量半连续暴露于光源的光生物反应器。
进一步地，申请号为No.6509188的美国专利申请中，提供了具有增加的侧壁表面的光生物反应器的室，该侧壁表面比传统光生物反应器中的平面包络表面(planar enveloping surface)大。
另一申请号为No.2005068605的国际专利申请中，声称使用一或多个可移动的准直仪的光生物反应器，可移动的准直仪将充足的光线引入至包含有培养的微生物的培养基中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种装置，一种在封闭、半封闭或开放***中培养微藻类以产生高纯度的微藻类培养物的光生物反应器。
本发明进一步的目的在于提供一种在单位(per)可用的土地空间内使用有限能量能够产生大量微藻类的光生物反应器，与需要高浓度CO2或氧气去除剂的封闭类型的光生物反应器相比，该生物反应器因此降低微藻类的生产成本。
当与开放池塘(pond)，比如水道池(raceway pond)相结合时，所述光生物反应器不使用额外的土地、允许微藻类的纯度和生产率的增加。
本发明的另一目的在于使光(优选日光)的捕获(harvest)最优化，用于封闭的光生物反应器中微藻类的培养。公开的光生物反应器允许光或太阳辐射通过各种入射角度达到光生物反应器的表面，允许通过微藻类的高效的光能捕获。
通过本发明全部或部分实现至少一个前述目的，其中，本发明的一个实施例包含光生物反应器，其包括：底座；从底座向上延伸的支撑架；多个用于培养微藻类的托盘，所述托盘在支撑架上被共轴向支撑并在在垂直面以预定的间隙彼此隔开以使对光线的暴露最优化；以及安装在所述支撑架上、位于所述多个微藻类培养托盘之上的防护件，其中，所述多个微藻类培养托盘和所述防护件由可透光的材料制成。
本发明的另一方面可能进一步包括一或多个与所述托盘联合的导管，以排出产生的微藻类或向所述托盘内提供必需的养分或培养基。
在本发明的进一步的方面中，每一托盘进一步包括覆盖所述托盘的可透光的覆盖件，目的在于降低微藻类培养物暴露于任一可用的污染物的可能性。
为了实现更高的产量，所述光生物反应器的运作参数必须维持在狭窄的范围内。因此，本发明有必要包括检测或监控托盘内微藻类培养的生理化学参数的装置。
另外，所述托盘可能从所述支撑架可拆卸，用于清洗目的。
在优选实施例中，公开的光生物反应器可能与开放池塘培养***相结合。因此，公开的光生物反应器对所述开放池塘***的机动性(portability)可以通过安装在所述底座下面的运输装置获得，所述运输装置给予光生物反应器移动性。
为了为培养的向光性微生物捕获额外量的光，在多个托盘下面放置用于光反射的镜面反射件，以将光源反射至最低的托盘。可能地，在最高的托盘上面或最低的托盘下面附上人造光源，为微藻类的生长发出光。
本发明的进一步的实施例可能具有位于托盘内、正在使培养的向光性微生物循环的循环装置。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的三维透视图的示意图；以及
图2是图1中所示的实施例的剖视图。
具体实施方式
要理解的是，本发明可能以其他特定的形式得以体现，并不受此处描述的唯一实施例的限制。但是，本领域技术人员容易想到的、对所公开的概念的改变和等同替换应该包括在所附的权利要求的保护范围内。
此处，贯穿说明书中所用的术语“向光性微生物”指的是能够捕获光能或太阳能、用于启动微生物内产生化合物的化学反应的微生物。此处所用的向光性微生物优选地属于蓝藻细菌或微藻类物种，比如葡萄藻、褐指藻、螺旋藻、雨生红球藻、微拟球藻、扁藻、小球藻、颗石藻、杜氏藻、栅藻等。
如图1所示，本发明是光生物反应器(100)，包括底座(110)；从底座(100)向上延伸的支撑架(120)；多个培养微藻类的托盘(130)，所述托盘从最高的托盘向最低的托盘垂直排列，所述托盘在支撑架(120)上被共轴向支撑，所述托盘(130)在垂直面以预定的间隙彼此隔开以使对光线的暴露最优化。其中，所述多个托盘(130)部分或全部由可透光的材料制成。本发明中采用的支撑架(120)可以为了容纳托盘(130)而适应不同的形状和大小。在优选实施例中，所述支撑架(120)可以是在底座(110)上相对面向彼此的一对杆结构(122)。在面向彼此的所述杆结构(122)的表面安装有多个凸起(121)，用于支承和支撑托盘(130)。杆结构(120)上一个上述凸起(121)应该与另一杆结构上在相似高度水平面的相应的凸起结合。这些凸起(121)可以是在同一平面对角穿过杆结构至该杆结构反面的细长板。另外，按照使用者的偏好，杆结构(122)可能被制为可用于在不同的水平面放置凸起(121)(因此也放置支撑的托盘)。例如，在杆结构(122)上可以发现多个在不同高度水平面的开口，通过使用螺钉或螺母将凸起固定在开口中。通过支撑架(120)，本发明的托盘可以以彼此间预定的间隙彼此垂直堆叠。
本发明的进一步的实施例可能具有安装在所述支撑架(120)上、位于最高的托盘之上的防护件(140)，优选地为透明的薄板。由于在培养过程中本发明中的托盘可能不被覆盖，同时有必要将正在培养的向光性微生物暴露于日光或人造光下以捕获能量，污染物比如水滴或鸟粪可能落入最高的托盘中。具有防护件(140)，保护所述托盘远离这些不希望的污染物。但是，在另一实施例中，每一个托盘(130)可能包括单个的可透光的覆盖件以覆盖托盘的顶部，从而去除正在培养的向光性微生物与污染物接触的任何可能性。
如前所述，托盘(130)和防护件(150)可能部分或全部由可透光或光透明的材料制成，以允许光能从最高的托盘穿过至最低的托盘。所述托盘(130)或者全部或者部分由透明材料制成，托盘的底部有必要由透明材料制成，因此可以透光。尽管可透光的材料可以由聚合物或玻璃制成，但是其优选地由重量轻但机械地足够强以支撑培养基重量的塑料或聚合物制成。公开的光生物反应器(100)的另一实施例，托盘(130)从支撑架可拆卸，允许使用者以维护目的清洗托盘。
为了收集培养产物或向托盘(130)内再注满培养基或排出托盘(130)的培养基，本发明采用一或多个与托盘联合的导管(150)来执行任务。这些导管(150)可以用于将最高的托盘内培养的向光性微生物转移至在较低水平面的其他托盘。这些导管还可能与泵***连接以再注满托盘或排出培养产物。在另一方面，当有必要将额外的碳源引入培养基中时，二氧化碳可以通过导管或充气机缓慢地流过培养基，以提高二氧化碳在培养基中的溶解。当富含二氧化碳的空气或来自周围环境的空气作为二氧化碳源被引入培养基中时，为了避免将污染物引入培养中，本发明中可能使用空气过滤器以洁净空气微粒。在最优选的实施例中，使用循环装置持续混合培养基或使培养基循环，因此将向光性微生物同等地暴露于养分和光能。
另外，不仅为了促成希望的向光性物种的生长，而且为了阻止不希望的生长，本发明应用精确的培养条件。因此，通过一或多个检测或监控装置密切监控培养基中的生理化学参数。检测或监控装置，优选地，传感器被用于生理化学参数的测量的检测，比如二氧化碳的浓度、pH、温度、养分的浓度和类似物。依照最优选的实施例，光学传感器可能被用于检测培养基中培养的向光性微生物的密度。这一光学传感器可能与导管结合，所述光学传感器根据检测的在一定水平的密度激活所述导管排出培养基，随后再注满托盘。优选地，当密度高于0.20g/L培养基时，虽然最优选的1.0g/L培养基，可以从***收获培养的向光性微生物。但是，确定收获标准的密度可随着向光性微生物物种的不同而不同。
参照图2，图2阐述了通过本发明捕获光能或太阳能的机制。包含培养基的托盘从支撑架的底部向顶部堆叠或排列，较低的托盘和较高的托盘之间以预定的间隙隔开。由于每一托盘底部的透明度，光的太阳能能够从最高的托盘穿过至最低的托盘，而优选的每一托盘具有的不同的用于有效捕获光能的培养密度。依照最优选的实施例，为了允许更高量的光线穿透每一个托盘而使光能的利用率最大化，较高的托盘的培养密度通常比在它们下面的托盘的密度低。这样，穿过托盘形成了梯度培养密度，其中最高的托盘中的培养密度最低，最低的托盘中的培养密度最高。此外，入射的光能还可能通过倾斜角辐射入托盘，上述进入托盘的入射光的量可能由托盘间隔开的间隙决定。除此之外，为了达到最优的光线捕获和培养基中二氧化碳的溶解，培养基可用的表面积与体积的比值需要维持在1Gm2比1.5-10mL的比率，培养基并没有太深以阻止光线穿透。
为了使捕获的能量最优化，可能在最低的托盘下面放置用于光反射的镜面反射件。因此，任何落在镜面反射件上的入射光将从最低的托盘朝着最高的托盘被向上反射。
根据最优选的实施例，当太阳能由于环境因素不可用时，为了将外部的能源提供给培养，可以在最低的托盘下面或在最高的托盘上面放置发出光能的人造光源。
另外，在优选实施例中，每一托盘之间预定的间隙至少应该等于托盘宽度的一半，以致于在左右两边，来自于一边的入射光或射线至少从45°角与托盘中的培养基相接触，因此从周围环境捕获最优的光能。托盘之间预定的间隙越大，落进较低的托盘中的入射光线越多。但是，也可以使用可变的间隙距离。
在一个实施例中，公开的光生物反应器具有安装在底座下面的运输装置，类似车轮的件，可能给予所述光生物反应器有限的移动性。重要的要注意的是，从本发明得到的培养菌具有高纯度，然后其可能被转移至开放池塘设施，用于需要大量高浓度向光性培养物作为起始培养物的大量培养。配置有上述移动性可能提供本发明的从一个开放池塘到另一开放池塘的机动性。
依照公开的优选实施例，本发明的使用者可能通过调节pH至适当的水平准备包含溶解的养分的培养基，比如硝酸盐、磷酸盐、钾、钙、镁和其他的微量元素。随后在位于最高的托盘中的培养基中加入1-30％的微藻类原种。当微藻类的培养密度由于生长翻倍时，例如从10％的最大密度达到20％的最大密度，应该将最高的托盘中的微藻类和培养基转移至第二个托盘。分别地，当密度高于50％时，应该将微藻类培养物转移至最低的托盘或开放培养***，一旦密度或收获的最优密度达到100％时，从最低的托盘或开放培养***收获微藻类培养物。在给定的实例中，最高的托盘中，起始的微藻类培养物可能从6.25％开始，并且允许其生长至密度达到12.5％，然后将其转移至第二个较低的托盘中生长直至密度达到25％。当来自第二个较低的托盘中的微藻类培养物在第三个较低的托盘中达到50％的最大培养密度时，可能将微藻类和培养基转移至最低的托盘或开放培养***中培养，比如水道池，直至培养密度或收获的最优密度达到在100％。在优选的培养方法的另一实例中，所有托盘的微藻类的培养密度可能保持相同。
本公开包括所附的权利要求中包含的内容，也包括前述说明书的内容。尽管本发明以其优选的形式得以描述，具有一定的特殊性，但是应该理解的是，本公开的优选形式仅用于举例说明，而且零件图以及各部件的组合和安排的大量改变应该不背离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光生物反应器，包括：
底座(110)；
从底座向上延伸的支撑架(120)；以及
多个在介质中培养向光性微生物的托盘(130)，所述托盘(130)从最高的托盘向最低的托盘垂直排列，所述托盘(130)在所述支撑架(120)上被共轴向支撑并在垂直面以预定的间隙彼此隔开以使对光线的暴露最优化；其中，所述多个托盘(130)和所述防护件(140)由可透光的材料制成。
2.根据权利要求1的光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器还包括一或多个与所述托盘(130)联合的导管(150)。
3.根据权利要求1或2所述的光生物反应器，其特征在于，所述每一托盘(130)还包括可透光的覆盖件以覆盖所述托盘(130)。
4.根据权利要求1或2所述的光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器还包括检测或监控培养基的生理化学参数或托盘上可用的条件的装置。
5.根据权利要求1或2所述的光生物反应器，其特征在于，所述托盘(130)从所述支撑架(120)可拆卸。
6.根据权利要求1或2所述的光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器还包括运输装置，所述运输装置安装在所述底座(110)的下面并给予所述光生物反应器移动性。
7.根据权利要求1或2所述的光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器还包括镜面反射件，所述镜面反射件放置在最低的托盘(130)下面并用于光反射。
8.根据权利要求1或2所述的光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器还包括循环装置，所述循环装置使所述托盘(130)中正在培养的藻类循环。
9.根据权利要求1或2所述的光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器还包括人造光源，所述人造光源在最低的托盘下面或最高的托盘上面发出光线。
10.根据权利要求1或2所述的光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器还包括防护件(140)，所述防护件(140)安装在所述支撑架(120)并位于最高的托盘的上面。
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