封閉環(huán)境中用于培養(yǎng)光合微生物的光生物反應(yīng)器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種用于光合微生物、優(yōu)選微藻的培養(yǎng)、特別是連續(xù)培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器，所述光生物反應(yīng)器包括：至少一個(gè)用于容納微生物培養(yǎng)基（3）的培養(yǎng)箱（1）；以及至少一個(gè)位于所述培養(yǎng)箱（1）外部的光源（2），所述光生物反應(yīng)器的特征為，所述光生物反應(yīng)器進(jìn)一步包括至少一個(gè)放置在所述培養(yǎng)箱（1）內(nèi)部的圓柱形或棱柱形光散射元件（4），所述光散射元件（4）與所述光源（2）光學(xué)耦合，以便于收集由所述光源（2）發(fā)射的光子，且通過(guò)所述光散射元件的側(cè)表面將所述光子返回至所述培養(yǎng)基（3）。本發(fā)明還涉及光生物反應(yīng)器用于培養(yǎng)光合微生物的應(yīng)用以及光散射元件（4）用于照亮光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)基的應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】封閉環(huán)境中用于培養(yǎng)光合微生物的光生物反應(yīng)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及光合微生物的密集且連續(xù)的培養(yǎng)。
[0002]更確切地說(shuō)，本發(fā)明關(guān)注于用于這種培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0003]微藻是為光合植物生物體,其中,微藻的代謝和生長(zhǎng)需要CO2、光以及養(yǎng)分。
[0004]微藻的工業(yè)化培養(yǎng)具有多種應(yīng)用。
[0005]微藻可被培養(yǎng)用來(lái)再利用和凈化從一些工廠排放的二氧化碳、NOx和/或SOx (W02008042919)o
[0006]從微藻中提取的油可被用作生物燃料(W02008070281、W02008055190、 W02008060571)o
[0007]可以培養(yǎng)微藻以用于《-3脂肪酸及其多不飽和脂肪酸的生產(chǎn)。
[0008]還可以培養(yǎng)微藻以生產(chǎn)顏料。
[0009]傳統(tǒng)上，微藻的大規(guī)模工業(yè)化培養(yǎng)使用太陽(yáng)作為光源。為此目的，微藻常常被置于循環(huán)或不循環(huán)的開(kāi)放池塘(“水道”)中(US2008178739)。其他方法包括由半透明材料構(gòu)成的管狀或板狀光生物反應(yīng)器，使光線能夠在微藻在其中循環(huán)的培養(yǎng)基中通過(guò)(FR26213223)。 包括透明管的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的其他系統(tǒng)具有空間節(jié)約特性的優(yōu)勢(shì)(EP0874043)。
[0010]考慮到陽(yáng)光的不確定性以及妨礙微藻生長(zhǎng)的無(wú)生產(chǎn)的夜晚階段，這些設(shè)施非常龐大且生產(chǎn)率低。
[0011]為了減小尺寸并提高效率，已開(kāi)發(fā)了封閉的光生物反應(yīng)器。該封閉的光生物反應(yīng)器利用照明的恒定(每天的每小時(shí))可利用性，并且該照明能夠根據(jù)所涉及的藻類(lèi)的生物周期的特定順序而關(guān)閉。
[0012]事實(shí)上，增加微藻生物質(zhì)(數(shù)量和質(zhì)量?jī)煞矫?的關(guān)鍵因素是光，這是因?yàn)楸M管微藻吸收可見(jiàn)光的所有光子，但是微藻尤其僅以最小的損失吸收特定波長(zhǎng)的白光。
[0013]光生物反應(yīng)器被定義為封閉系統(tǒng)，在該封閉系統(tǒng)內(nèi)部，在光能的作用下生產(chǎn)生物材料?？梢酝ㄟ^(guò)控制培養(yǎng)條件(營(yíng)養(yǎng)素、流動(dòng)介質(zhì)、氣體傳輸、液體循環(huán)等)進(jìn)一步優(yōu)化該生產(chǎn)。
[0014]在優(yōu)化該生產(chǎn)中，對(duì)于微藻種類(lèi)的合適的光、通量和波長(zhǎng)是重要因素。
[0015]通常，應(yīng)當(dāng)理解的是，生產(chǎn)直接取決于光生物反應(yīng)器容積中的光的質(zhì)量。必須以最佳有效能量照射全部的生物液體。因此，光源和生物液體之間的界面必須盡可能的大，同時(shí)最大化生物液體的有效體積。
[0016]為了證實(shí)這些想法，應(yīng)注意的是，對(duì)于約為I克/升的濃度(d)來(lái)說(shuō)，在約入=0.5cm處吸收光。對(duì)于具有Im2照明表面(Im2平坦光源)的Im3的反應(yīng)器，容納的生物流體的體積僅為l/200m3。理想的反應(yīng)器應(yīng)為被照亮的體積等于反應(yīng)器的體積。更常見(jiàn)地，通過(guò)關(guān)系式Q=S A /V0能夠定義反應(yīng)器的質(zhì)量因素，其中，S為反應(yīng)器體積內(nèi)(Vtl)被照亮的表面(具有合適的功率)，A為光穿透深度。[0017]Ve為散布在反應(yīng)器中的照明元件的體積，產(chǎn)量以質(zhì)量(M)計(jì)可通過(guò)關(guān)系式M= (V0-Ve) d 來(lái)表示 ο
[0018]必須同時(shí)最大化這兩個(gè)關(guān)系式。
[0019]在過(guò)去，已經(jīng)提出了各種技術(shù)來(lái)嘗試實(shí)現(xiàn)這種雙重優(yōu)化，然而他們遇到了下述困難:
[0020]用于解決這個(gè)問(wèn)題的第一個(gè)人工照明方案在于利用光學(xué)纖維在微藻附近的培養(yǎng)基中的光源來(lái)提供光(US6156561和EP0935991)。
[0021]光學(xué)纖維可與其它浸入的手段聯(lián)合以引導(dǎo)容器內(nèi)部的光(JP2001178443和DE29819259)。
[0022]這種方法的主要缺點(diǎn)是:該方案僅提供低產(chǎn)率(產(chǎn)生的光)/(有效光)。事實(shí)上，強(qiáng)度由于光源和波導(dǎo)(waveguide)間的界面而降低，且難以將多于一個(gè)的光源耦合至在同一纖維上。此外，由于使用幾個(gè)不同的波長(zhǎng)而出現(xiàn)了問(wèn)題。事實(shí)上，為了使光離開(kāi)浸入培養(yǎng)基中的光學(xué)纖維，該纖維必須進(jìn)行表面處理(粗糙化)，以散射和衍射一部分經(jīng)引導(dǎo)的光。最有效的方案為:以大約為所攜帶的光的波長(zhǎng)的間隔在纖維邊緣處蝕刻網(wǎng)狀物。該方案具有狹窄的帶寬，且當(dāng)使用幾個(gè)波長(zhǎng)時(shí)是完全不適用的。用于解決這個(gè)問(wèn)題的其他人工照明的方案包括:將光源直接浸入光生物反應(yīng)箱中，例如熒光燈(US5104803)或發(fā)光二極管(LED)(DE202007013406 和 TO2007047805)。
[0023]由于光源與培養(yǎng)基更接近且更好地耦合，該方案能夠提高照明過(guò)程的能量效率。
[0024]然而，引入反應(yīng)器內(nèi)的光源(尤其是LED)的使用必須在同時(shí)考慮到另外兩個(gè)主要問(wèn)題的情況下進(jìn)行。
[0025]首先由于LED能量發(fā)射模式是定向的并且符合朗伯定律，所以對(duì)于LED發(fā)射幾何學(xué)是固有的。僅僅在光束中的藻類(lèi)可被照射到。由于發(fā)射椎的立體角通常為90°，因此將不會(huì)照射到環(huán)繞LED的四分之三的`空間。應(yīng)當(dāng)注意的是:該情況與從浸入的光學(xué)纖維的一端的照射幾乎一致。
[0026]此外，將要注意的是:LED發(fā)射光束符合朗伯定律,而在傳輸光束中通過(guò)的藻類(lèi)將接收到不均勻的光子通量。
[0027]相似地，當(dāng)LED被用于照射反應(yīng)器內(nèi)的內(nèi)壁(熱管道)時(shí)(參見(jiàn)專(zhuān)利DE202007013406)，在培養(yǎng)浴中不可能得到均一的光子通量。
[0028]為了減小陰影面積，箱體內(nèi)的光源可為多個(gè)，并且彼此安裝的足夠接近。
[0029]通過(guò)這樣做，產(chǎn)生的第二個(gè)重要問(wèn)題是反應(yīng)器的熱量管理，該反應(yīng)器的熱量必須被控制在幾度內(nèi)，且這取決于藻類(lèi)的類(lèi)型。事實(shí)上，且對(duì)于如目前在市場(chǎng)上能夠找到的常規(guī)部件，注入LED中的四分之三的電輸出以熱的方式消散。該熱量管理是必須解決的第二個(gè)主要問(wèn)題。它對(duì)于這些第一代反應(yīng)器結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是固有的，而與所使用的光源類(lèi)型無(wú)關(guān)。反應(yīng)器容積內(nèi)大量光源的分散還非?？焖賻?lái)電連接問(wèn)題，對(duì)此如果必須大規(guī)模增加光源，則還會(huì)增加光生物反應(yīng)器成本的問(wèn)題。
[0030]總之，目前未解決的問(wèn)題是在反應(yīng)器生長(zhǎng)容積中在強(qiáng)度上獲得均勻的照射發(fā)光陣面(lighting front)。設(shè)想的唯一得到近似均勻發(fā)光陣面的方式是在反應(yīng)器內(nèi)部增加光源，這就不可避免地導(dǎo)致熱管理的問(wèn)題。
[0031]為了處理這些問(wèn)題，本發(fā)明人開(kāi)發(fā)一種新型且尤其有效的方法以在生物反應(yīng)器中引導(dǎo)且散射由外部LED產(chǎn)生的光。
[0032]光源不再需要放置在箱體內(nèi)部，這就極大地方便了熱調(diào)節(jié)。使用的散射導(dǎo)光件使得光進(jìn)一步均勻且均一地散射，并且適用于對(duì)微藻培養(yǎng)的所有有利的波長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0033]因此,根據(jù)第一方面，本發(fā)明的目的涉及一種用于光合微生物、優(yōu)選微藻的培養(yǎng)、 特別是連續(xù)培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器，所述光生物反應(yīng)器包括:至少一個(gè)用于容納微生物培養(yǎng)基的培養(yǎng)箱；以及至少一個(gè)位于所述培養(yǎng)箱外部的光源，其特征在于，所述光生物反應(yīng)器進(jìn)一步包括至少一個(gè)放置在所述培養(yǎng)箱內(nèi)部的圓柱形或棱柱形光散射元件，所述光散射元件與所述光源光學(xué)耦合，以便于收集由所述光源發(fā)射的光子，且通過(guò)所述光散射元件的側(cè)表面將所述光子返回至所述培養(yǎng)基。
[0034]根據(jù)其它優(yōu)點(diǎn)和非限制性的特征:
[0035]所述光散射元件為由不吸收光的透明材料制成的實(shí)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內(nèi)含物；
[0037]利用提高光子傳送的光學(xué)潤(rùn)滑脂處理位于所述光源和所述光散射元件之間的界面；
[0038]所述光散射元件為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內(nèi)側(cè)上布置有半反射層；
[0040]在所述光散射 元件的外側(cè)上布置有半反射層；
[0041]所述半反射層(或多個(gè)半反射層)由金屬材料或金屬氧化物材料、優(yōu)選為鋁制成， 所述金屬材料或金屬氧化物材料的光學(xué)指數(shù)大于包括所述散射元件的材料的指數(shù)；
[0042]上述多個(gè)半反射層的厚度隨著與所述光源的距離而減?。?br> [0043]所述光散射元件由聚甲基丙烯酸甲酯制成；
[0044]所述光源為準(zhǔn)點(diǎn)狀源，且所述光散射元件為散射管；
[0045]所述光源為線狀源，且所述光散射元件為平行六面體的散射器；
[0046]所述光源為準(zhǔn)點(diǎn)狀分布或帶狀分布的發(fā)光二極管(LED)(或一組LED)，優(yōu)選為大功率的發(fā)光二極管(HPLED)或一組HPLED ；
[0047]在所述LED和所述光散射元件之間放置有會(huì)聚透鏡；
[0048]光學(xué)系統(tǒng)環(huán)繞所述LED,所述光學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)表面是反光的；
[0049]在所述光散射元件相對(duì)于所述光源的一端設(shè)置有鏡面；
[0050]所述光散射元件相對(duì)于所述光源的一端為錐形或圓頂形；
[0051]所述光散射元件的外表面具有合適的粗糙度以提高光散射；
[0052]所述光散射元件的外表面被封裝在保護(hù)鞘中；
[0053]所述光散射元件包括環(huán)繞所述鞘的清潔刮刀；
[0054]所述光生物反應(yīng)器包括用于所述光源的冷卻系統(tǒng)；
[0055]所述光生物反應(yīng)器包括位于在所述培養(yǎng)基底部的氣泡發(fā)生系統(tǒng)。
[0056]本發(fā)明的第二個(gè)方面涉及根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)方面的光生物反應(yīng)器用于培養(yǎng)光合微生物、優(yōu)選微藻的應(yīng)用。
[0057]本發(fā)明的第三個(gè)方面涉及與所述光源光學(xué)耦合的圓柱形光散射元件或棱柱形光散射元件的應(yīng)用，以便于收集由所述光源發(fā)射的光子，且通過(guò)所述光散射元件的側(cè)表面返回所述光子以照亮光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)基。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0058]考慮下列優(yōu)選實(shí)施方式的描述，將顯示出本發(fā)明其它的特征和優(yōu)點(diǎn)。參照下列附圖提供了該描述。其中:
[0059]圖1a至圖1d和圖2為本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的光散射元件的五個(gè)實(shí)施方式；
[0060]圖3為本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的光散射元件的特別有利的實(shí)施方式的立體圖；
[0061]圖4為本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的平行六面體的實(shí)施方式的立體圖；
[0062]圖5為本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的圓柱形的實(shí)施方式的立體圖；
[0063]圖6為本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的另一平行六面體的實(shí)施方式的立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0064]本發(fā)明的原理
[0065]目前，已經(jīng)極大地改善了 LED部件的性能?，F(xiàn)在存有高功率LED(即高于IOW的電功率)，其在大約葉綠素的吸收波長(zhǎng)(650nm~680nm)處發(fā)射。
[0066]具體地，該高功率L ED具有超過(guò)工業(yè)品25%的光學(xué)輸出。在實(shí)驗(yàn)室中，注意到輸出通常超過(guò)35%，并且在一些情況下超過(guò)50%。
[0067]該科技突破使得在具有用于散射光的光學(xué)耦合器件的條件下，單個(gè)LED就足以向大約I升體積的培養(yǎng)基提供所述光成為可能。
[0068]研究結(jié)果顯示，本 申請(qǐng)人:已經(jīng)開(kāi)發(fā)了光散射元件，該光散射元件收集來(lái)自光源、尤其是來(lái)自準(zhǔn)點(diǎn)狀LED或帶狀LED (甚至是被放置在培養(yǎng)箱外部)的光，并且在光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)基的全部體積中使其散射。
[0069]事實(shí)是，光源被放置在培養(yǎng)箱外部具有許多優(yōu)點(diǎn)，尤其是使得熱消散更容易，沒(méi)有由光源本身引起的陰影，且具有維持生物環(huán)境外部的電連接的能力等。
[0070]光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)
[0071]圖1a中示出了本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的簡(jiǎn)化圖。
[0072]如圖所示，該用于光合微生物、尤其是微藻的顯著連續(xù)培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器包括:至少一個(gè)培養(yǎng)箱(1)，用于容納微生物培養(yǎng)基(3);以及，位于培養(yǎng)箱(1)外部的至少一個(gè)光源⑵。
[0073]如前所述，該生物反應(yīng)器進(jìn)一步包括:放置在培養(yǎng)箱(1)內(nèi)部的至少一個(gè)圓柱形或棱柱形的光散射兀件(4 ),光散射兀件(4 )與光源(2 )光學(xué)I禹合，以便收集由光源(2 )發(fā)射的光子，并且通過(guò)其側(cè)表面將收集到的光子返回至培養(yǎng)基(3 )。
[0074]在本發(fā)明的上下文中，將以下兩種情況進(jìn)行區(qū)分:當(dāng)光源(2)為準(zhǔn)點(diǎn)狀源的情況，例如，單LED (或一組單個(gè)LED);以及光源(4)為線狀光源(或表面)的情況，例如條狀LED或帶狀LED (參見(jiàn)專(zhuān)利申請(qǐng)F(tuán)R1050015)。
[0075]在這兩種情況下，尤 其選用高功率LED (HPLED)(準(zhǔn)點(diǎn)狀或帶狀)，即功率大于1W、甚至是功率大于IOW的LED。因此，在下文中，本說(shuō)明書(shū)將主要涉及LED光源，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不限于這種類(lèi)型的光源。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能夠使本發(fā)明的光生物反應(yīng)器適應(yīng)其他已知的光源(2)，包括激光光源，該激光光源具有高度定向性的優(yōu)勢(shì)并且其價(jià)格大幅度下降。
[0076]在所有的情況下，光源(2)可為單色的或多色的，可為自然地或并置的發(fā)射不同波長(zhǎng)的單色光源。應(yīng)注意的是，可以通過(guò)堆疊不同間隙的半導(dǎo)體(包括量子肼二極管)直接得到多譜線LED。
[0077]光散射元件的幾何構(gòu)型-準(zhǔn)點(diǎn)狀源的情況
[0078]首先，應(yīng)注意的是商業(yè)限制的LED的發(fā)射對(duì)稱(chēng)性是圓柱狀的(朗伯發(fā)射)，因此最容易實(shí)施的耦合是使用中空或?qū)嵭牡墓堋?br> [0079]因此，元件(4)被稱(chēng)為光散射“管”或光散射“指狀物”。然而，需要特別指出的是管并不一定具有圓形橫截面，換句話說(shuō)，并不一定具有直圓柱形。本發(fā)明涉及任何圓柱形狀或棱柱形狀，換句話說(shuō)，具有矩形側(cè)表面的多面體，另一方面具有恒定界面，該截面有利地具有對(duì)于朗伯發(fā)射的中心的對(duì)稱(chēng)性。事實(shí)上，當(dāng)然可以設(shè)想具有規(guī)則多面體或星狀截面的散射管(4)，使得尤其可以增加側(cè)表面，即與微生物培養(yǎng)基(3)相接觸的表面。
[0080]然而，由于對(duì)稱(chēng)性的原因(二極管葉)，并且為了避免使得發(fā)光陣面不均勻的角點(diǎn)， 直圓柱形似乎是最現(xiàn)實(shí)的方案。
[0081]總之，應(yīng)當(dāng)復(fù)述的是，本發(fā)明并不限于任何幾何構(gòu)型，并且涉及任何圓柱或棱柱形的光散射兀件。
[0082]可設(shè)想兩種可能的散射管(4)。根據(jù)第一種可能性，散射管(4)為由透明材料、優(yōu)選是由玻璃或樹(shù)脂玻璃制成的中空管，在散射管(4)的一端處放置有LED (2)，LED (2)朝向散射管(4)以便散射管(4)接收由LED (2)發(fā)射的光子。
[0083]在這種配置中，如在V.Gerchikov等人的出版物(leukos,卷I,第4期,2005)中所述，光在管中被引導(dǎo)。
[0084]在這種情況下，光在空氣中傳播，即，不存在吸收。假定二極管發(fā)散(朗伯)，散射管(4)內(nèi)部上的撞擊角度是多角度的，并且光遵循涉及與空氣相比的指數(shù)的差異的經(jīng)典定律(笛卡爾定律)離開(kāi)。事實(shí)上，空氣的折射率(n)約為1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于玻璃或樹(shù)脂玻璃的指數(shù) (達(dá)到1.5`)。因此，當(dāng)入射光線接觸散射管(4)的內(nèi)部表面時(shí)，根據(jù)入射光線與管的表面的入射角e，通過(guò)管的透射系數(shù)從近似I (撞擊角0=0°，無(wú)傳播)至低角度入射的情況下的 0 (在管中的傳播引導(dǎo))。在培養(yǎng)基(3)和散射管(4)側(cè)表面處之間的界面處，由于水的指數(shù) (1.33)僅僅略微低于管(4)的指數(shù)，光通量幾乎全部穿過(guò)。所描述的情況明顯地并不涉及具有空氣間隙的套管的情況。圖1a中示出了兩條光線的軌跡。其中假定散射管(4)的指數(shù)接近于1.5。
[0085]有利地，如圖1a所示，會(huì)聚透鏡(5)可被放置在LED (2)和散射管(4)之間。該透鏡(5)控制來(lái)自LED (2)的光束的發(fā)散。在小孔徑入射光束的單一情況下(二極管在透鏡的焦平面中)，大部分光通量是被引導(dǎo)的。應(yīng)當(dāng)理解的是，通過(guò)使光束散焦，可以或多或少地調(diào)整散射管(4)的光通量的輸出。相關(guān)地，在散射管(4)中的光能量的穿透深度可以被調(diào)節(jié)至散射管的長(zhǎng)度。以下將可看到該點(diǎn)的重要性。
[0086]還可以通過(guò)光學(xué)裝置(41)環(huán)繞LED (2)來(lái)提高中空散射管(4)中的光的入射，光學(xué)裝置(41)用于在相對(duì)于發(fā)射軸寬的角度上重新獲得光線以使該光線返回管的軸中。存在滿足該功能的商業(yè)部件，但是它們并不適于本申請(qǐng)實(shí)際可利用的空間。在這種情況下，不完美但易于實(shí)施的方案是利用其內(nèi)部是反光的截錐體，該椎體的頂部環(huán)繞LED (2)。圖1a至圖1c中示出了這種光學(xué)系統(tǒng)(41)的幾何構(gòu)型的幾種實(shí)施例。
[0087]根據(jù)第二種可能性，散射管(4)是由透明的非光吸收材料、優(yōu)選聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的實(shí)心(即非中空)管。PMMA的指數(shù)(1.49)是與少數(shù)幾種與水和玻璃的指數(shù)接近的材料相同。原理上，如果PMMA被投入在水中并不引導(dǎo)光，而在LED/管界面(球形玻璃封裝)處沒(méi)有菲涅爾虧損。
[0088]LED (2)被引入在散射管(4)中制成的凹陷中，該凹陷具有LED (2)的封裝的球形段的大小。
[0089]透鏡(5)能夠產(chǎn)生有利的應(yīng)用，透鏡(5)經(jīng)由它能夠產(chǎn)生的準(zhǔn)圓柱形光束，使得光能夠穿透至實(shí)心管(4)中(具有近似菲涅爾虧損)。因此，以尤其有利的方式穿透至實(shí)心管(4)中的光束通過(guò)引入管中的包含物(6)被散射。圖1b示出了該實(shí)施方式。
[0090]事實(shí)上，存在基于嵌入PMMA散射內(nèi)含物(6)中的工業(yè)系統(tǒng)，即能夠確保通過(guò)具有任意定向的多重界面的方式散射光的非吸收“目標(biāo)”，尤其具有指數(shù)不同于管(4)或氣泡的材料顆粒。
[0091]在甚至更有利的方式中，為了補(bǔ)償光的逐漸虧損，內(nèi)含物(6)的密度沿著散射管(4)的高度而變動(dòng)，且隨著與LED (2)的距離而增加。
[0092]本發(fā)明并不限 于具體尺寸的散射管(4)。所述管能夠高達(dá)幾米的長(zhǎng)度，這里并未給出限制，并且所述管的直徑經(jīng)常在幾毫米至幾厘米之間。主要通過(guò)反應(yīng)器(連續(xù)型和/或恒化器)中微藻濃度的選擇來(lái)確定直徑，該反應(yīng)器調(diào)節(jié)要施加至微藻的光穿透以及平均功率。下文將討論這些尺寸。
[0093]光散射元件的幾何構(gòu)型-線狀光源的情況
[0094]如上所示，將管狀散射元件(4)用于使光散射并不是僅有的可能配置。事實(shí)上也可使用線狀光源和LED帶狀光源(2)。如上所述，需要注意的是，LED帶可以是復(fù)合的(幾種波長(zhǎng))或具有多色結(jié)構(gòu)。
[0095]在這種情況下，有利地，考慮到LED帶的發(fā)射幾何構(gòu)型，散射元件(4)大約為平行六面體。應(yīng)當(dāng)注意的是，在該具體情況下散射元件(4)為棱柱形幾何構(gòu)型。
[0096]圖2中示出了一種該平行六面體的光散射器(4)。該光散射器(4)可為實(shí)心或中空的，并且可作為管狀元件的相同實(shí)施方式的主體。本說(shuō)明書(shū)以下稱(chēng)之為“光散射管”，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，不管散射元件(4)的幾何構(gòu)型如何，已經(jīng)在本說(shuō)明書(shū)中描述的或?qū)⒁诒菊f(shuō)明書(shū)中描述的所有的可能性(結(jié)構(gòu)、處理、材料等)均可應(yīng)用(不管是管狀還是平行六面體形)。
[0097]表面處理-半反射處理
[0098]為了盡可能以均勻的方式照射培養(yǎng)基(3)，應(yīng)當(dāng)尤其是通過(guò)防止光過(guò)早地離開(kāi)散射管(4)，使得從散射管(4)發(fā)出的光沿光引導(dǎo)件具有恒定的強(qiáng)度。
[0099]在中空散射管(4)的情況下，相比于半鏡面，可以通過(guò)在散射管(4)的內(nèi)部上布置半反射層而有利地增加該光抑制效應(yīng)(light containment effect)。
[0100]在所有的散射管中，可通過(guò)更換或增補(bǔ)內(nèi)部層(7)在包括中空管的散射管(4)的外部上布置另一半反射層(8)。
[0101]圖1c中示出了這些內(nèi)部/外部表面處理的實(shí)施例，使得可以更好的引導(dǎo)光。
[0102]在這種情況下，典型地可以用金屬材料或金屬氧化物材料得到半反射處理，該金屬材料或金屬氧化物材料具有的光學(xué)指數(shù)大于包括散射管(4)的材料(優(yōu)選為鋁)的指數(shù)。 通過(guò)增加該指數(shù)，反射超過(guò)透射。涂層的質(zhì)量與其吸收是緊密相關(guān)的，該涂層必須具有最小的吸收。兵工企業(yè)中可得到用于滿足增加鏡面效應(yīng)的功能的半透明光學(xué)層以及光學(xué)多層 (金屬或氧化物)，該半透明光學(xué)層以及光學(xué)多層能夠適用于所使用的光的波長(zhǎng)。
[0103]在中空管的情況下，將半反射層(8 )放置在指狀物的外部上并不是必須的，但是其簡(jiǎn)化了用于沉積半反射材料的技術(shù)。然而，能夠想到的是通過(guò)浸潰在覆蓋管的外部和內(nèi)部的浴中而進(jìn)行沉積。通常，半反射層(7、8)可通過(guò)任何化學(xué)法(浸潰)、電解法、陰極濺射法、 化學(xué)氣相沉積(CVD)法或蒸鍍方法等沉積。
[0104]如上所述，設(shè)想材料是來(lái)自金屬(Al、Ag等)的，這樣能夠使低厚度(納米至幾微米) 的半透明層構(gòu)成透明氧化物(摻雜的銦或未摻雜的銦、稀土金屬等)以滿足該功能。在本文所必須的透明度范圍中，該層的固有吸收應(yīng)當(dāng)不超過(guò)10%。
[0105]甚至更有利地，半反射層(7、8)的厚度隨著與LED (2)的距離而減小，以補(bǔ)償光的逐漸虧損。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能夠選擇半反射層(7、8)的厚度變動(dòng)剖面(作為至LED (2)的距離的函數(shù))以優(yōu)化(均衡)離開(kāi)管(4)的光能量。本申請(qǐng)?jiān)僖淮侮P(guān)注于在實(shí)心散射管(4) 的情況下，內(nèi)含物(6)的可變密度(參見(jiàn)上文)。例如,鋁層的厚度從20nm至IOOnm的變動(dòng)是有利的。
[0106]表面處理-散射處理
[0107]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，特定表面處理增強(qiáng)了散射管(4)內(nèi)部的鏡面效應(yīng)，但是其他處理使得尤其能夠改善光散射。
[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)。具體地，合適的粗糙度是指在程度上與所使用的光的波長(zhǎng)可比或大于所使用的光的波長(zhǎng)的粗糙 度。
[0109]例如，通過(guò)在PMMA的軟化溫度附近的磨蝕、化學(xué)侵蝕、成型、或通過(guò)激光刻蝕等得到粗糙度。第一處理(半反射)與該第二處理可單獨(dú)或同時(shí)使用，例如通過(guò)在散射管(4)上沉積半反射層(8)使得粗糙，從而盡可能地優(yōu)化來(lái)自散射管(4)的光通量。圖1d示出了散射管(4)，在該散射管(4)中，組合了粗糙度(9)和半反射內(nèi)層(7)。
[0110]對(duì)于其他處理，粗糙度水平可隨著遠(yuǎn)離LED (2)而增加，以補(bǔ)償進(jìn)一步遠(yuǎn)離光源所帶來(lái)的照明通量的虧損。當(dāng)沿散射管(4)移動(dòng)時(shí)，對(duì)光散射管(4)中通量的逐漸虧損的優(yōu)化以及輸出通量恒定的優(yōu)化旨在散射元件(4)的兩倍長(zhǎng)度上(無(wú)返回至光源的照明功率)光接近全部衰減。因此，有利地，在散射管(4)的相對(duì)于LED (2)的一端提供有鏡面(42)。
[0111]在中間距離(散射管(4)的長(zhǎng)度，由于全路徑為往返行程)處，光被返回，使得當(dāng)在 “向外(outbound)”行程上遠(yuǎn)離LED移動(dòng)時(shí)能夠補(bǔ)償從管獲取的光的虧損。有利地，鏡子可以預(yù)定的角度傾斜或甚至形成預(yù)定的角度，例如，通過(guò)采用圓錐形式(如圖1a所示)。圖1a 至圖1d中也可看到鏡面(42)幾何構(gòu)型的各種實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)注意的是，根據(jù)與LED (2)的距離使用各種厚度的半反射層(7、8)構(gòu)成了在優(yōu)化光獲取中的自由度的附加度。
[0112]進(jìn)一步注意的是，考慮到反應(yīng)器流體力學(xué)(水和氣泡的流動(dòng))，散射管(4)的相對(duì)LED (2)的一端有利地為圓錐形狀或圓頂形狀以促進(jìn)水或氣泡(在鼓泡區(qū)域)的流動(dòng)，如下所述。如果使用的是雙壁管，雙壁管的一端必須制成圓錐或圓頂。
[0113]散射管的其它改進(jìn)
[0114]在優(yōu)選的方式下，散射管(4)的外表面被封裝在保護(hù)鞘(10)中。具體地，封裝通過(guò)抗腐蝕的性質(zhì)起到保護(hù)培養(yǎng)基(3)的半反射層(8)的重要作用。
[0115]如果散射管(4)的外表面為人工粗糙的(artificially rough) (9),應(yīng)當(dāng)注意的是，其增加了微藻的附著，這就是為什么也需要封裝散射管(4)。
[0116]保護(hù)鞘(10)應(yīng)當(dāng)由平滑且透明的材料制成(例如像PMMA、聚碳酸酯、結(jié)晶聚苯乙烯等)，藻類(lèi)盡可能少地附著在該保護(hù)鞘上。
[0117]在粗糙度的情況中，應(yīng)該注意的是，需要在光的通道上產(chǎn)生停頓指數(shù)(indexbreak)以得到粗糙度散射效應(yīng)。因此，需要為鞘(10)選擇低指數(shù)的材料(例如聚四氟乙烯)，或以優(yōu)選的方式在鞘(10)和高度粗糙度(9)的散射管(4)之間建立空氣間隙。有利地，光在空氣中穿過(guò)的距離必須大大高于粗糙度(9)的程度(至少為10倍)。
[0118]總體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明并不限于任何具體的實(shí)施方式，并且可在內(nèi)部或/或外部(如果存在)上的半反射層或粗糙度任意的組合的結(jié)果。還可能是組合幾種材料，尤其是具有不同指數(shù)的材料，并且以將所述各種材料裝配成同心的多層。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠根據(jù)選擇用于光生物反應(yīng)器的產(chǎn)品特性來(lái)采用所有的選擇(藻類(lèi)濃度、散射管(4)的密度、所需產(chǎn)率、所需成本等)。
[0119]以下將看到，該鞘(雙管或封裝器)能夠構(gòu)建一種外部光管清洗系統(tǒng)。
[0120]冷卻系統(tǒng)
`[0121]如上所述，優(yōu)選地，所使用的HPLED具有約25%的輸出量，即，供應(yīng)的能量的75%以熱的形式消散。
[0122]換句話說(shuō)，LED (2)的應(yīng)用需要熱量的顯著驅(qū)散，這就是為什么光生物反應(yīng)器有利地包括LED (2)冷卻系統(tǒng)。
[0123]例如，LED (2)被裝配在幾平方厘米的金屬支架上，該金屬支架將被放置為直接與冷卻系統(tǒng)(12)(被稱(chēng)為熱管道)相接觸，熱管道包括兩個(gè)金屬板，在該兩個(gè)金屬板之間循環(huán)有高熱導(dǎo)率的液體、脈沖空氣、水或其它物質(zhì)。如圖3所示，也可構(gòu)建通過(guò)空氣或水冷卻的單獨(dú)的散熱器。元件(121)和元件(122)分別對(duì)應(yīng)于冷卻劑的流入及冷卻劑的流出。在單獨(dú)的散熱器的情況下，可以想到以串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式連接它們。通過(guò)測(cè)量LED的基底處的溫度來(lái)控制冷卻劑流速。
[0124]在這種情況下，LED (2)被裝配在散射管(4)頂部處的基座上，并且LED (2)與其熱管道(12)相接觸。LED (2)的球形發(fā)射側(cè)與光散射管(4)相接觸(如果散射管是實(shí)心的則制造出球形孔，有利地用光學(xué)潤(rùn)滑脂填充該孔)。
[0125]或者，如果期望使LED及其電連接從培養(yǎng)基移位幾厘米，可以在散射管(4)的一端處使用長(zhǎng)度為幾厘米的無(wú)損耗的導(dǎo)光件(圓柱面鏡)。例如，該引導(dǎo)件可為截錐體，其內(nèi)部覆蓋有鏡面。
[0126]清潔刮刀
[0127]在構(gòu)建保護(hù)鞘(10)時(shí)，藻類(lèi)很可能附著至保護(hù)鞘。因此，有利的是，構(gòu)建清潔系統(tǒng)，這就是為什么散射管(4)有利地包括環(huán)繞鞘(10)的清潔刮刀(11)。[0128]如圖3中可見(jiàn)，例如，該清潔刮刀(11)由在散射管(4)的上部環(huán)繞該散射管(4)的橡膠O-環(huán)組成。當(dāng)散射管(4)(通過(guò)在頂部拉起)被回收時(shí)，接合處刮除藻類(lèi)沉積物。
[0129]光生物反應(yīng)器的幾何構(gòu)型
[0130]光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)箱的大小可以是非常不同的，范圍從幾升到幾百立方米。培養(yǎng)箱(1)的常規(guī)幾何構(gòu)型通常是平面六邊體(圖4)或圓柱形(圖5)，除了可能的邊界效應(yīng)和構(gòu)成成本之外，光生物反應(yīng)器的幾何構(gòu)型對(duì)于抗壓性沒(méi)有或幾乎沒(méi)有影響。光生物反應(yīng)器還可進(jìn)一步僅包括一個(gè)培養(yǎng)箱(1)或許多培養(yǎng)箱(1)，本發(fā)明并不限于培養(yǎng)箱的大小和幾何構(gòu)型。
[0131]如圖6所示，在平行六面體的光散射器(4)的情況下，培養(yǎng)箱優(yōu)選地也是平行六面體。應(yīng)注意的是，在該實(shí)例中，光源(2)(以及因此的熱管道(12))被放置在光生物反應(yīng)器的兩側(cè)上，這種對(duì)稱(chēng)配置增加了在引導(dǎo)件中的光通量，但這并不是必需的。另一方面，使得可以容易地用兩種不同波長(zhǎng)的照亮。
[0132]作為實(shí)例，本說(shuō)明書(shū)繼續(xù)描述一種光生物反應(yīng)器，該光生物反應(yīng)器包括與圖4相一致的單一的立方培養(yǎng)箱(1)，立方培養(yǎng)箱(1)的總體積為Im3 (培養(yǎng)基(3)的體積加上散射管(4)的體積)。
[0133]如圖4所示，如上所述，為了照亮培養(yǎng)箱(1)的整個(gè)高度，選擇的光散射管(4)的長(zhǎng)度約lm，并且優(yōu)化光散射管(4)以沿它們的整個(gè)高度發(fā)射恒定的通量。如果光源已經(jīng)是橫向的，則應(yīng)必須考慮培養(yǎng)箱的寬度。
[0134]散射管(4)在培養(yǎng)箱(1)容積中的布置旨在優(yōu)化在培養(yǎng)基(3)中發(fā)射的光的通量的整體均一性。用于強(qiáng)度接近均一的光“浴”的尺寸參數(shù)為光的“有效穿透深度”(λ@)。
[0135]該參數(shù)由在背景部分提到的“特征穿透深度”(λ )以及被稱(chēng)為“生產(chǎn)周期觸發(fā)閾值”的光強(qiáng)度閾值(Ieff)來(lái)限 定；其中，特征穿透深度為培養(yǎng)基的長(zhǎng)度，在該培養(yǎng)基的一端處，光入射通量除以e=2.71828;且光強(qiáng)度閾值(Irff)包括卡爾文循環(huán)的激活。事實(shí)上，卡爾文循環(huán)是在光合作用的過(guò)程中在生物體的葉綠體中發(fā)生的一系列生化反應(yīng)。該觸發(fā)閾值(以每秒每平方米的光子的摩爾量來(lái)表示)對(duì)應(yīng)于光通量比微生物體的主要生物質(zhì)生產(chǎn)的最低水平。微藻(例如，Nannochloris屬)典型地為50 μ mol/mj/V1的“紅”光子(波長(zhǎng)約650nm)。
[0136]為了信息目的，還發(fā)現(xiàn)了光合作用飽和閾值，超過(guò)該光合作用飽和閾值，生物質(zhì)生產(chǎn)速度不再增加，并且甚至在高強(qiáng)度下會(huì)因?yàn)槲⒃灞粨p壞而使得生產(chǎn)速度降低。
[0137]Xeff被定義為距離，超過(guò)該距離，光通量下降至閾值Ieff以下。
[0138]比爾-朗伯定律使我們能夠表示在產(chǎn)生入射光通量Itl的光源的距離X處的光通量:1(x)=10e_xA。
[0139]其中，
【權(quán)利要求】
1.一種用于光合微生物、優(yōu)選微藻的特別是連續(xù)培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器，所述光生物反應(yīng)器包括:至少一個(gè)用于容納微生物培養(yǎng)基(3)的培養(yǎng)箱(1);以及至少一個(gè)位于所述培養(yǎng)箱(1)外部的光源(2)，其特征在于，所述光生物反應(yīng)器進(jìn)一步包括至少一個(gè)放置在所述培養(yǎng)箱(1)內(nèi)部的圓柱形或棱柱形光散射元件(4)，所述光散射元件(4)與所述光源(2)光學(xué)耦合，以便于收集由所述光源(2) 發(fā)射的光子，且通過(guò)所述光散射元件(4)的側(cè)表面將所述光子返回至所述培養(yǎng)基(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光散射元件(4)為由不吸收光的透明材料制成的實(shí)心元件，在所述光散射元件(4)的一端放置有所述光源(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生物反應(yīng)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內(nèi)含物(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，利用提高光子傳送的光學(xué)潤(rùn)滑脂處理位于所述光源(2)和所述光散射元件(4)之間的界面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光散射元件(4)為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.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，在所述光散射元件(4)的內(nèi)側(cè)上布置有半反射層(7)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，在所述光散射元件 (4)的外側(cè)上布置有半反射層(8)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，上述半反射層(7、8)由金屬材料或金屬氧化物材料、優(yōu)選為鋁制成，所述金屬材料或金屬氧化物材料的光學(xué)指數(shù)大于包括所述散射元件(4)的材料的指數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的`光生物反應(yīng)器，其特征在于，上述半反射層(7、 8)的厚度隨著與所述光源(2)的距離而減小。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)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.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光源(2)為準(zhǔn)點(diǎn)狀源，且所述光散射元件(4)為散射管。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光源(2)為線狀源，且所述光散射元件(4)為平行六面體的散射器。
13.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光源(2)為準(zhǔn)點(diǎn)狀分布或帶狀分布的發(fā)光二極管(LED)(或一組發(fā)光二極管)，優(yōu)選為高功率的發(fā)光二極管 (HPLED)或一組 HPLED。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，在所述LED(2)和所述光散射元件(4 )之間放置有會(huì)聚透鏡(5 )。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，光學(xué)系統(tǒng)(41)環(huán)繞所述 LED (2),所述光學(xué)系統(tǒng)(41)的內(nèi)表面是反光的。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，在所述光散射元件(4)相對(duì)于所述光源(2)的一端設(shè)置有鏡面(42)。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光散射元件(4)相對(duì)于所述光源(2)的一端為錐形或圓頂形。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)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適的粗糙度(9 )。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光散射元件(4)的外表面被封裝在保護(hù)鞘(10)中。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光散射元件(4)包括環(huán)繞所述鞘(10)的清潔刮刀(11)。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光生物反應(yīng)器包括用于所述光源(2)的冷卻系統(tǒng)(12)。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光生物反應(yīng)器包括位于在所述培養(yǎng)基(3)底部的氣泡發(fā)生系統(tǒng)(13)。
23.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器用于培養(yǎng)光合微生物、優(yōu)選微藻的應(yīng)用。
24.與所述光源(2)光學(xué)耦合的圓柱形光散射元件或棱柱形光散射元件(4)的應(yīng)用，以便于收集由所述光源(2)發(fā)射的光子，且通過(guò)所述光散射元件(4)的側(cè)表面返回所述光子以照亮光生物反應(yīng)器的 培養(yǎng)基。
【文檔編號(hào)】C12M1/00GK103517978SQ201280022140
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月6日
【發(fā)明者】A·弗里德里徹, M·科寧, G·路易斯, M·艾菲 申請(qǐng)人:阿克塔海藻公司