專利名稱：通過表面積增加、波長移動器或光傳輸器而改善光供給的光生物反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)生物量的新型光生物反應器。
光生物反應器是光養(yǎng)微生物(如藻類、藍細菌和紫色細菌)在其中進行培養(yǎng)的發(fā)酵罐，即在該發(fā)酵罐中，這些細胞的生長和繁殖成為可能，或者借助于光養(yǎng)細胞促進各種物質的生產(chǎn)。
例如，該類型光生物反應器在下面的出版物中有描述(i)“三角褐指藻UTEX 640在氣升管式光生物反應器中戶外間歇培養(yǎng)生獲得的生物量和Icosapentaenoic acid生產(chǎn)率”，應用微生物生物學與生物技術(1995)，42，第658-663頁[“Biomass and Icosapentaenoic Acid Productivities from anOutdoor Batch Culture of Phaeodactylum tricornutum UTEX 640 inan Airlift Tubular Photobioreactor”，Appl. Microbiol.Biotechnol.(1995)，42，pp.658-663]，(ii)“在30升氣升光生物反應器中雨生紅球藻的自養(yǎng)生長和類胡蘿卜素生產(chǎn)”，發(fā)酵和生物工程雜志(1996)，第82卷，第2期，第113-118頁[“Autotrophic Growth and Carotenoid Production of Haematococcuspluvialis in a 30 Liter Air-Lift Photobioreactor”，Journal ofFermentation and Bioengineering(1996)，Vol.82，No.2，pp.113-118]，(iii)“在板式、光漫射光學纖維生物反應器中的光能供應”，應用藻類學雜志(1995)，7，第145-149頁，[“Light Energy Supply in Plate-Type and Light Diffusing OpticalFiber Bioreactors”，Journal of Applied Phycology(1995)，7，pp.145-149]，(iv)“用來模擬光生物反應器中的輻射光傳遞和生長動力學之間的耦聯(lián)的一種簡化的單維方法”，化學工程科學(1995)，第50卷，第9期，第1489-1500頁[“A Simplified Monodimensional Approach for ModelingCoupling between Radiant Light Transfer and Growth Kinetics inPhotobioreactors”，Chemical Engineering Science(1995)，Vol.50，No.9，pp，1489-1500。
光生物反應器的一個主要應用領域是微觀藻類的生產(chǎn)，所述微觀藻類在世界范圍內產(chǎn)生的生物量原始產(chǎn)量中占有30％的份額。就此而論，微觀藻類是最重要的CO2消耗者。因此，如果微觀藻類用于再生物質的生產(chǎn)，就能具有環(huán)境負荷減輕效應。用這種方式生產(chǎn)的物質則有助于減少CO2向大氣的排放，既然它們取代了由化石產(chǎn)生的物質。
一方面，微觀藻類包括原核藍細菌，也包括真核微觀藻類。這些生物體供給各類物質，它們可用于制藥、化妝品、營養(yǎng)及動物營養(yǎng)的目的，并且可用于技術目的(例如，重金屬吸附)。就此而論的這類重要物質是親脂性的化合物，例如，脂肪酸、類脂類、固醇類和類胡蘿卜素；親水性的物質，如多糖類、蛋白質或氨基酸和藻膽蛋白(色素)；以及作為富含蛋白質、缺乏核酸的原料的總生物量。
正如在國際范圍內一樣，在聯(lián)邦德國有一逐漸增強的趨勢，即用具有同等或更好使用特性的天然物質取代合成的活性成分。越來越感興趣的是，在化妝品、醫(yī)藥和保健食品市場上具有治療功效的抗氧活性成分復合物和多不飽和脂肪酸。這些有吸引力的抗氧化劑包括生育酚(維生素E)和類胡蘿卜素，如β-胡蘿卜素和蝦青素。
由微觀藻類生產(chǎn)的物質的成本效率主要是由所選擇的藻類種類的生產(chǎn)能力決定的。但是，只有當實現(xiàn)太陽輻射能高效率地轉化為要求的生物量形式，以及能耗和生產(chǎn)、安裝及工廠操作的費用保持非常低水平這兩者同時存在時，上述結論才能成立。高的生物量生產(chǎn)量是一個每單位體積最佳光分布的問題。藻類對光的吸收隨著層厚的不斷增加導致嚴重的光線下降，同時發(fā)生一種相互自屏蔽現(xiàn)象。這一現(xiàn)象導致在反應器中形成一個理論層(1)暴露于可能導致光抑制作用的高光強度的藻類外層，(2)具有理想光照的中間層，(3)具有光照不足和高呼吸速率的藻類內層。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種光生物反應器，其中可利用的太陽輻射被接入，并且能夠進行分布使得不管位置如何，所有微生物具有同等高的光合作用活性。
本發(fā)明涉及一種有一反應室的光生物反應器，該反應室具有大于一定體積的直面包絡面的表面積增大。
與現(xiàn)有技術中已知的光生物反應器相比，上述表面積的增大導致在反應器截面上光的更好的空間分布，從而導致在整個反應器內光強度最佳?，F(xiàn)有技術的光生物反應器的反應室通常包括導管或所謂的“管子”，其截面是圓形的。此外，已知具有截面是矩形的反應室的光生物反應器。這種截面具有比導管的圓形截面更大的體積包絡面(Flcheals Volumenumhüllende)面積。這在


圖1中示意性地表示。
本發(fā)明的光生物反應器與上述已知的反應器幾何形狀相比具有增大了的表面積，正如在
圖1中用舉例方法說明的那樣。
圖1中，(a)表示一種蜿蜒曲折形的反應器表面，(b)表示正弦曲線形的反應器表面，(c)表示帶有透光筋板的反應器幾何形狀。另一實施方案示于圖4，其中玻璃向內伸出部代表了表面積的增大。
所有這些幾何形體所共有的特性是，與已知的反應器幾何形體相比，其反應器表面積增大了。
在本發(fā)明的光生物反應器中，與直面形包絡面(正方形或矩形截面)相比具有增大的表面積的所有反應室?guī)缀涡螤钤瓌t上都可采用。
本發(fā)明的光生物反應器的反應室是由透光材料構成的，優(yōu)選材料是玻璃或有機玻璃。
依照本發(fā)明的又一實施方案，反應室表面積增加的幾何形狀可憑借一個玻璃管而實現(xiàn)，玻璃伸出部伸入該玻璃管內部。上述的玻璃伸出部以交替方式垂直地或者成一定角度地安裝在內表面上。
同時，玻璃伸出部可增加在液相中的湍動。用另一種透光材料(例如有機玻璃)來替代玻璃也是可能的。
增加湍動實現(xiàn)了所謂的“閃光效應”。閃光效應意味著在相隔短時間內(＞1Hz)，高的光強度對最大光合作用活性是足夠的。這可通過反應器內的湍流傳導實現(xiàn)。這種湍流傳導在相隔短時間內把細胞暴露于反應器表面的高的光強度下，并且細胞可在隨后的黑暗狀態(tài)下處理收集到的光能。
因此，本發(fā)明還涉及一種光生物反應器，其反應室除了增加的表面積外，還有產(chǎn)生湍流傳導的裝置。
如前面已提到的，上述湍動可通過反應室的增加表面積的幾何形狀來實現(xiàn)，尤其是通過位于反應室內壁上的玻璃伸出部來實現(xiàn)。此外，湍流傳導也可通過安裝靜態(tài)混合器(擋板)來實現(xiàn)。這些內部部件，象上述的玻璃伸出部，還能夠額外地傳導光進入反應器內。在本發(fā)明的光生物反應器中產(chǎn)生湍動的又一方式是提供一種可以在適當?shù)某錃馑俾氏逻_到所需效果的充氣裝置。如果對光照時間確定了明確的頻率，那么流動傳導內部部件的提供也可改善閃光效應。
具有盡可能強湍動的劇烈混合，通過將藻類帶入光照內導致光的分布。這能夠以一限定的方式控制“光照狀態(tài)”的頻率和持續(xù)時間。
此外，本發(fā)明光生物反應器的反應室中的能量通量通過用所謂的波長移動器能夠得到增大。所述波長移動器使未被光養(yǎng)微生物所吸收的光成分通過下述方式得以轉換盡可能多的光成分或全部輻射被移位到能被所用光養(yǎng)微生物的光心吸收的波段。因此，全息計量的輻射密度通過下述方式得以明確地提高與普通光照射的生物反應器相比，每單位反應器體積的生產(chǎn)率得到顯著提高。
在這種情況下，波長移動器可以放置于反射器和實際反應室之間。然而，波長移動器也可以放置于光源和反應室之間，從而可以省掉反射器。
如果反應室中的波長移動器呈棒、板、纖維或顆粒形式，那么省掉反射器也是可能的。此外，波長移動器也可以是正好在反應室的外部或內部反應器壁上的涂層。
有能力置換波長的物質自身是本領域技術人員已知的，并且例如在下面的出版物中描述過E.Locci等.，“由波長移動棒觀測lead-Plexipop量熱模件的試驗”，原子核儀器方法164(1979)，第97-104頁[E.Locci et al.，“Test of a Lead-Plexipop Calorimeter ModuleViewed by Wave Length Shifter Bars”，Nucl.Instrum.Methods164，(1979)，pp.97-104]，S.W.Han等.，“閃爍瓦/WLS纖維量熱模件的放射強度試驗”，原子核儀器方法A365(1995)，第327-351頁[S.W.Han et al.，“Radiation Hardness Tests of ScintillatingTile/WLS Fiber Calorimeter Modules”，Nucl.Instrum.MethodsA365(1995)，pp.327-351]。
用于本發(fā)明的光生物反應器的波長移動器優(yōu)選包含熒光物質。這類熒光物質是吸收了光后又能輻射出光的物質，而用于輻射光的能量本質上不是來自熒光物質的熱含量，而是來源于被吸收的光所提供的激發(fā)能。
熒光物質可含于載體中，如有機或無機玻璃。
例如，有機熒光物質可含于有機玻璃中，如丙烯酸玻璃聚碳酸酯或丙烯酸玻璃聚苯乙烯。同樣可用作熒光物質的稀土族的離子優(yōu)選含于無機玻璃中。熒光物質在透明溶劑中的溶液也可用作波長移動器。
熒光物質具有吸收光，并通常在非常短的時間(常常是才幾個毫微秒)后再放射光的能力。重要的是，發(fā)生這種光的再放射而實際沒有損失某些物質，即，熒光量子產(chǎn)額(放射光子數(shù)除以被吸收的光子數(shù))大于90％，常常接近于100％。而更為重要的是，與吸收光譜相比，熒光波譜被移向較長的波長，即，一種染料將UV和紫光轉換成藍光，或將另一藍光轉換成綠光等。通過組合多種染料(或者在同一個板中組合，或者例如利用各種不同著色的板的前后相繼的多層)，也可以在一步中跳過一個較大的波長范圍，例如藍光能被直接轉移成紅光。
期望的波長移動器具有高熒光量子產(chǎn)額，在提供的載體材料中的良好的溶解性(目的是能得到足夠高的光吸收)，用于特定用途的吸收光譜和放射光譜的最佳位置，以及在預期應用的條件下的足夠長期穩(wěn)定性。波長移動器應用的典型實例是洗滌劑中的增白劑，可發(fā)射藍光以屏蔽掉洗滌泛黃的UV吸收染料，以及用于閃爍計數(shù)器而把短波契倫科夫輻射或閃爍輻射光轉變成對所用光檢測器的分光靈敏度(spectrosensitivity)最佳的波長范圍的染料。
能夠用作本發(fā)明光生物反應器中的波長移動器的有機熒光物質的優(yōu)選實例是下面的萘二甲酰亞胺和苝衍生物 4，5-二甲氧基-N-(2-乙基-己基)萘二甲酰亞胺 3，9-雙(異丁氧羰基)-4，10-二-氰基苝 N，N’-雙(2，6-二異丙基苯基)苝-3，4∶9，10-四羧酸二酰亞胺或N，N’-雙(2，6-二異丙基苯基)-1，6，7，12-四苯氧基苝-3，4∶9，10-四羧酸二酰亞胺。
這些熒光物質都具有很高的量子產(chǎn)額。最大吸收率許多情況下是10,000l/mol·cm。
熒光物質可以10-7～10-2mol/l的濃度存在于載體材料內。載體材料優(yōu)選具有0.1～10mm的厚度。
與通過確定適當?shù)谋砻娣e/體積比實現(xiàn)在反應器截面上較好的光空間分布相結合的波長移動器的應用，以及實現(xiàn)閃光效應的湍動增強，使光在本發(fā)明光生物反應器的反應室內得到最佳分布。
圖2顯示了本發(fā)明的光生物反應器的結構，它采用氣升循環(huán)反應器的基本原理。該反應器有一矩形截面和兩個與反應室壁平行地延伸的內表面(1)，在反應室的底側的空氣射入裝置(2)，以及培養(yǎng)基供應裝置(3)和在反應室中生產(chǎn)的生物量的排出裝置(4)。
內表面同時起到導管的作用。
例如，具有高透光性的有機玻璃，可用作材料。
由于在反應器底側空氣射入而發(fā)生充分混合，結果導致液體向上流動后又在側部向下流動。氣體交換和溫度控制發(fā)生在高度湍動的液面上空間。在液面上空間的溫度控制消除一額外有機玻璃壁，而該額外有機玻璃壁在有冷卻夾套的情況下將是必需的。
矩形的基本結構和小的反應器深度導致了一大的表面積/體積比，因此使得進入反應器的高光輸入量成為可能。反應器沒有不受光照的區(qū)域，結果是充足的光能夠持續(xù)地提供給細胞。
作為氣升循環(huán)操作能保證高度的湍動和較低的剪切力作用在藻類細胞上。假如有高度湍動同時有高輻射強度，閃光效應就可被利用。據(jù)此，細胞并非必須得到持續(xù)光照。湍動的增強可通過通氣速率或通過安裝靜態(tài)混合器(擋板)實現(xiàn)。
伴有高度湍動的流動傳導除產(chǎn)生垂直混合以外還產(chǎn)生水平混合。這會使光養(yǎng)微生物的光供應中斷。光養(yǎng)微生物處于光照、然后處于黑暗中的循環(huán)時間應大于1Hz。湍動決定了微生物為從非光照區(qū)又傳送回光照區(qū)所需要的時間。傳送路徑的長度由反應器的層厚度(反應器深度)來決定。
安裝流動傳導部件可增加湍動，并因此能改善微生物從非光照區(qū)又傳送回光照區(qū)的頻率。
另外，象在維格羅分餾柱(Vigreux column)內的凹槽(recesses)，上述流動傳導部件能夠額外地傳導光進入反應器。
在反應器中的充分混合和恒定的氣體流動可保證良好的CO2的導入以及O2的排出。
該系統(tǒng)中簡單的幾何形狀和排氣區(qū)域的布置使得簡單放大成為可能。
除應用氣升循環(huán)原理的反應器外，該反應器也可設計成板翅式柱體形式。
這樣的板翅式柱體示意性地示于圖3。在圖3中，(5)表示有一矩形截面的反應室，所述反應室有內壁(6，7)，它們平行于反應器壁(5)延伸(6)和與反應器壁(5)成直角延伸(7)。
而且，板翅式柱體有在反應室的底側的空氣射入裝置(8)，培養(yǎng)基供應裝置(9)和在反應室中生產(chǎn)的生物量的排出裝置(10)。
內表面(6，7)起到產(chǎn)生湍流的作用?；旌系漠a(chǎn)生是由于在反應器底側的空氣射入，結果是液體首先向上流動而后又從側面向下流回。橫向壁(7)使氣泡轉向并且在下一小室內產(chǎn)生流動和旋渦。氣體交換發(fā)生于液面上空間。由于在各個小室中形成旋渦，在反應器截面上發(fā)生強烈混合。
上述氣升循環(huán)反應器也可以串聯(lián)地相互并排地設置，在這種情況下，通過連通管原理在流體側將它們彼此相互連接。
本發(fā)明的生物反應器也可以下述方式設計它具有多個氣升循環(huán)反應器，它們作為板翅式柱體一個設置于另一個的上方。
最后，圖4示意性地表示被設計成玻璃伸出部伸入其內部的玻璃管的反應室的結構。
通過如下例舉性實施方案更為詳細地解釋本發(fā)明。
例舉性實例方案一管式反應器通過圖4中所示凹槽而延伸。上述凹槽有雙重作用既可增加反應器表面積又可影響流動。維格羅分餾柱是依據(jù)這一原理構造的(同樣為增加表面積的原因)并直接用于比較試驗。一同樣幾何形狀但無側向凹槽的管式反應器作為對照物。光照通過2個鹵素輻射器實現(xiàn)，結果是從每側可得到520μE/(m2*s)的光。然而，在對照反應器中每單位體積和時間的輻射光強度比維格羅分餾柱中要低10％。
表在無側向凹槽和有側向凹槽的反應器中小球藻(Chlorellavulgaris)生產(chǎn)能力的比較(光滑管和維格羅分餾柱)
對照無側向凹槽的反應器進行的直接比較顯示在具有4g DW/l的維格羅分餾柱中生產(chǎn)能力要高20％～40％，而在具有5g DW/l的維格羅分餾柱中生產(chǎn)能力要高30％～100％(參見圖5)。(V1和V2中的不同結果是由于藻類細胞對光的初始適應能力不同而造成的)。
這說明，在光強度達到飽和范圍之上的情況下，同時也增大湍動的表面積增加可明顯增大生物量的生產(chǎn)能力。
權利要求
1.光生物反應器，其特征在于，它具有一個反應室，該反應室由透光材料制成，并且該反應室具有大于一定體積的直面包絡面的表面積增大。
2.根據(jù)權利要求1的光生物反應器，其特征在于，它還具有產(chǎn)生湍流傳導的裝置。
3.根據(jù)權利要求1或2的光生物反應器，其特征在于，它具有將光從外部導入反應器內的部件。
4.根據(jù)權利要求1～3任一項的光生物反應器，其特征在于，反應器截面的包絡面是蜿蜒曲折形或正弦曲線形。
5.根據(jù)權利要求1～3任一項的光生物反應器，其特征在于，反應室具有透光筋板。
6.根據(jù)權利要求1～3任一項的光生物反應器，其特征在于，反應室被設計成玻璃伸出部伸入其內部的玻璃管。
7.根據(jù)權利要求1或2的光生物反應器，其特征在于，它被設計成氣升循環(huán)反應器或板翅式柱體形式。
8.根據(jù)權利要求7的光生物反應器，其特征在于，反應室具有一矩形截面，與反應室壁平行地延伸的內表面(1)，在反應室底側的空氣射入裝置(2)，以及培養(yǎng)基供應裝置(3)和在反應器內生產(chǎn)的生物量的排出裝置(4)。
9.根據(jù)權利要求7或8的光生物反應器，其特征在于，它具有多個氣升循環(huán)反應器，它們串聯(lián)地相互并排地設置，在這種情況下，各個氣升循環(huán)反應器在流體側彼此相互連接。
10.根據(jù)權利要求7或8的光生物反應器，其特征在于，它具有多個氣升循環(huán)反應器，它們作為板翅式柱體一個設置于另一個的上方。
11.根據(jù)權利要求1～10任一項的光生物反應器，其特征在于，它還具有一個波長移動器。
全文摘要
描述了一種光生物反應器,它具有一由透光材料制成并且具有增大了的表面積的反應室。
文檔編號C12M1/00GK1345369SQ00805619
公開日2002年4月17日 申請日期2000年4月6日 優(yōu)先權日1999年4月13日
發(fā)明者W·特羅施, U·施密德－斯泰格, A·加斯特羅, A·雷特茲, F·布魯克 申請人:弗蘭霍菲爾運輸應用研究公司