本發明專利技術涉及一種用于光合微生物、優選微藻的培養、特別是連續培養的光生物反應器，所述光生物反應器包括：至少一個用于容納微生物培養基（3）的培養箱（1）；以及至少一個位于所述培養箱（1）外部的光源（2），所述光生物反應器的特征為，所述光生物反應器進一步包括至少一個放置在所述培養箱（1）內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）光學耦合，以便于收集由所述光源（2）發射的光子，且通過所述光散射元件的側表面將所述光子返回至所述培養基（3）。本發明專利技術還涉及光生物反應器用于培養光合微生物的應用以及光散射元件（4）用于照亮光生物反應器的培養基的應用。
【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】封閉環境中用于培養光合微生物的光生物反應器
[0001 ] 本專利技術涉及光合微生物的密集且連續的培養。更確切地說，本專利技術關注于用于這種培養的光生物反應器。
技術介紹
微藻是為光合植物生物體,其中,微藻的代謝和生長需要CO2、光以及養分。微藻的工業化培養具有多種應用。微藻可被培養用來再利用和凈化從一些工廠排放的二氧化碳、NOx和/或SOx (W02008042919)o從微藻中提取的油可被用作生物燃料(W02008070281、W02008055190、 W02008060571)o可以培養微藻以用于《-3脂肪酸及其多不飽和脂肪酸的生產。還可以培養微藻以生產顏料。傳統上，微藻的大規模工業化培養使用太陽作為光源。為此目的，微藻常常被置于循環或不循環的開放池塘(“水道”)中(US2008178739)。其他方法包括由半透明材料構成的管狀或板狀光生物反應器，使光線能夠在微藻在其中循環的培養基中通過(FR26213223)。 包括透明管的三維網狀結構的其他系統具有空間節約特性的優勢(EP0874043)。考慮到陽光的不確定性以及妨礙微藻生長的無生產的夜晚階段，這些設施非常龐大且生產率低。 為了減小尺寸并提高效率，已開發了封閉的光生物反應器。該封閉的光生物反應器利用照明的恒定(每天的每小時)可利用性，并且該照明能夠根據所涉及的藻類的生物周期的特定順序而關閉。事實上，增加微藻生物質(數量和質量兩方面)的關鍵因素是光，這是因為盡管微藻吸收可見光的所有光子，但是微藻尤其僅以最小的損失吸收特定波長的白光。光生物反應器被定義為封閉系統，在該封閉系統內部，在光能的作用下生產生物材料。可以通過控制培養條件(營養素、流動介質、氣體傳輸、液體循環等)進一步優化該生產。在優化該生產中，對于微藻種類的合適的光、通量和波長是重要因素。通常，應當理解的是，生產直接取決于光生物反應器容積中的光的質量。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，同時最大化生物液體的有效體積。為了證實這些想法，應注意的是，對于約為I克/升的濃度(d)來說，在約入=0.5cm處吸收光。對于具有Im2照明表面(Im2平坦光源)的Im3的反應器，容納的生物流體的體積僅為l/200m3。理想的反應器應為被照亮的體積等于反應器的體積。更常見地，通過關系式Q=S A /V0能夠定義反應器的質量因素，其中，S為反應器體積內(Vtl)被照亮的表面(具有合適的功率)，A為光穿透深度。Ve為散布在反應器中的照明元件的體積，產量以質量(M)計可通過關系式M= (V0-Ve) d 來表示 ο必須同時最大化這兩個關系式。在過去，已經提出了各種技術來嘗試實現這種雙重優化，然而他們遇到了下述困難:用于解決這個問題的第一個人工照明方案在于利用光學纖維在微藻附近的培養基中的光源來提供光(US6156561和EP0935991)。光學纖維可與其它浸入的手段聯合以引導容器內部的光(JP2001178443和DE29819259)。這種方法的主要缺點是:該方案僅提供低產率(產生的光)/(有效光)。事實上，強度由于光源和波導(waveguide)間的界面而降低，且難以將多于一個的光源耦合至在同一纖維上。此外，由于使用幾個不同的波長而出現了問題。事實上，為了使光離開浸入培養基中的光學纖維，該纖維必須進行表面處理(粗糙化)，以散射和衍射一部分經引導的光。最有效的方案為:以大約為所攜帶的光的波長的間隔在纖維邊緣處蝕刻網狀物。該方案具有狹窄的帶寬，且當使用幾個波長時是完全不適用的。用于解決這個問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箱中，例如熒光燈(US5104803)或發光二極管(LED)(DE202007013406 和 TO2007047805)。由于光源與培養基更接近且更好地耦合，該方案能夠提高照明過程的能量效率。然而，引入反應器內的光源(尤其是LED)的使用必須在同時考慮到另外兩個主要問題的情況下進行。首先由于LED能量發射模式是定向的并且符合朗伯定律，所以對于LED發射幾何學是固有的。僅僅在光束中的藻類可被照射到。由于發射椎的立體角通常為90°，因此將不會照射到環繞LED的四分之三的`空間。應當注意的是:該情況與從浸入的光學纖維的一端的照射幾乎一致。此外，將要注意的是:LED發射光束符合朗伯定律,而在傳輸光束中通過的藻類將接收到不均勻的光子通量。相似地，當LED被用于照射反應器內的內壁(熱管道)時(參見專利DE202007013406)，在培養浴中不可能得到均一的光子通量。為了減小陰影面積，箱體內的光源可為多個，并且彼此安裝的足夠接近。通過這樣做，產生的第二個重要問題是反應器的熱量管理，該反應器的熱量必須被控制在幾度內，且這取決于藻類的類型。事實上，且對于如目前在市場上能夠找到的常規部件，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主要問題。它對于這些第一代反應器結構來說是固有的，而與所使用的光源類型無關。反應器容積內大量光源的分散還非常快速帶來電連接問題，對此如果必須大規模增加光源，則還會增加光生物反應器成本的問題。總之，目前未解決的問題是在反應器生長容積中在強度上獲得均勻的照射發光陣面(lighting front)。設想的唯一得到近似均勻發光陣面的方式是在反應器內部增加光源，這就不可避免地導致熱管理的問題。為了處理這些問題，本專利技術人開發一種新型且尤其有效的方法以在生物反應器中引導且散射由外部LED產生的光。光源不再需要放置在箱體內部，這就極大地方便了熱調節。使用的散射導光件使得光進一步均勻且均一地散射，并且適用于對微藻培養的所有有利的波長。
技術實現思路
因此,根據第一方面，本專利技術的目的涉及一種用于光合微生物、優選微藻的培養、 特別是連續培養的光生物反應器，所述光生物反應器包括:至少一個用于容納微生物培養基的培養箱；以及至少一個位于所述培養箱外部的光源，其特征在于，所述光生物反應器進一步包括至少一個放置在所述培養箱內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耦合，以便于收集由所述光源發射的光子，且通過所述光散射元件的側表面將所述光子返回至所述培養基。根據其它優點和非限制性的特征:所述光散射元件為由不吸收光的透明材料制成的實心元件，在所述光散射元件的一端放置有所述光源；所述光散射元件包括由部分散射材料制成的內含物；利用提高光子傳送的光學潤滑脂處理位于所述光源和所述光散射元件之間的界面；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；在所述光散射元件的內側上布置有半反射層；在所述光散射 元件的外側上布置有半反射層；所述半反射層(或多個半反射層)由金屬材料或金屬氧化物材料、優選為鋁制成， 所述金屬材料或金屬氧化物材料的光學指數大于包括所述散射元件的材料的指數；上述多個半反射層的厚度隨著與所述光源的距離而減小；所述光散射元件由聚甲基丙烯酸甲酯制成；所述光源為準點狀源，且所述光散射元件為散射管；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；所述光源為準點狀分布或帶狀分布的發光二極管(LED)(或一組LED)，優選為大功率的發光二極管(HPLE本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種用于光合微生物、優選微藻的特別是連續培養的光生物反應器，所述光生物反應器包括：至少一個用于容納微生物培養基（3）的培養箱（1）；以及至少一個位于所述培養箱（1）外部的光源（2），其特征在于，所述光生物反應器進一步包括至少一個放置在所述培養箱（1）內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）光學耦合，以便于收集由所述光源（2）發射的光子，且通過所述光散射元件（4）的側表面將所述光子返回至所述培養基（3）。
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2011.05.06 FR 11539241.一種用于光合微生物、優選微藻的特別是連續培養的光生物反應器，所述光生物反應器包括:至少一個用于容納微生物培養基(3)的培養箱(1);以及至少一個位于所述培養箱(1)外部的光源(2)，其特征在于，所述光生物反應器進一步包括至少一個放置在所述培養箱(1)內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)光學耦合，以便于收集由所述光源(2) 發射的光子，且通過所述光散射元件(4)的側表面將所述光子返回至所述培養基(3)。2.根據權利要求1所述的光生物反應器，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.根據權利要求2所述的光生物反應器，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含物(6)。4.根據權利要求2或3所述的光生物反應器，其特征在于，利用提高光子傳送的光學潤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.根據權利要求1所述的光生物反應器，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.根據權利要求5所述的光生物反應器，其特征在于，在所述光散射元件(4)的內側上布置有半反射層(7)。7.根據前述權利要求中任一項所述的光生物反應器，其特征在于，在所述光散射元件 (4)的外側上布置有半反射層(8)。8.根據權利要求6或7所述的光生物反應器，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、優選為鋁制成，所述金屬材料或金屬氧化物材料的光學指數大于包括所述散射元件(4)的材料的指數。9.根據權利要求6至8中任一項所述的`光生物反應器，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.根據前述權利要求中任一項所述的光生物反應器，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.根據前述權利要求中任一項所述的光生物反應器，其特征在于，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：A·弗里德里徹，M·科寧，G·路易斯，M·艾菲，
申請(專利權)人：阿克塔海藻公司，
類型：
國別省市：
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