发光二极管光生物反应器和使用方法技术

阐明了光生物反应器系统和其使用方法，借此水和来自多个来源的营养物被平衡(使用通气混合)至具体光合生物菌株的特定需要，其被使用、灭菌、进一步混合以平衡该系统并且被接种有光合微生物例如微观藻类(浓缩母液的稀释液或被加入至现有藻类生物质)。根据这样的实施方式，藻类生物质然后在完全受控的环境中生长最有效数的小时，其中温度(使用通气、内部盘管冷却系统或其组合)、pH(经由CO2递送)和光递送(使用直接地在藻类生物质内部的内部光照)被优化以进行藻类菌株生长。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】发光二极管光生物反应器和使用方法相关申请的交叉引用本专利申请要求2015年7月29日提交的美国临时专利申请号62/198,652的优先权，其全部内容具体地通过引用以其全部被并入本文。
本专利技术涉及用于优化光合生物的培养和收获的生物反应器系统。本专利技术具体地涉及生物反应器系统，其为基本上自给的模块化可扩展单元，所述自给的模块化可扩展单元维持这种光合生物的最优制备、生长和收获必需的所有关键参数，比如二氧化碳、氧、水、营养物、温度、生物质悬浮液和光能的水平。本专利技术更具体地涉及具有光反应器能力的生物反应器的系统，借此它们被设计以包括辐射源，优选地发光二极管(LED)阵列，以在具体波长的生物反应器内发射光，其波长已经被选择用于具体物种的光合生物的最优生长和收获。其被设计用于以半连续方式长期培养微观藻类生物质，从而永久地生产藻类生物质同时保护和保留生物生长的完整性。专利技术背景光合作用是由植物和其它生物(例如，原生生物和蓝细菌)使用以将光能转化为化学能的过程，该化学能可以稍后被释放以给生物的活动提供燃料。该化学能被储存在由二氧化碳和水合成的碳水化合物分子比如糖类中。在大多数情况下，氧也作为废物被释放。大多数植物、大多数藻类和蓝细菌进行光合作用；这种生物被称为光合自养生物。虽然光合作用由不同物种有区别地进行，但是该过程总是在来自光的能量被称为反应中心——其包含绿色的叶绿素色素——的蛋白质吸收时开始。在植物中，这些蛋白质保持在被称为叶绿体的细胞器内，叶绿体在叶细胞中是最丰富的，而在细菌中它们被嵌入质膜中。在这些光依赖性反应中，一些能量被用于从适合的物质比如水剥夺电子，产生氧气同时固定来自CO2的碳分子。而且，生成两种进一步化合物：还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和三磷酸腺苷(ATP)，其为细胞提供能量。在植物、藻类和蓝细菌中，糖类通过被称为卡尔文循环的随后的一系列光依赖性反应产生，但是一些细菌使用不同机制，比如反向三羧酸循环。在卡尔文循环中，大气的二氧化碳被掺入已经存在的有机碳化合物比如二磷酸核酮糖。使用通过光依赖性反应产生的ATP和NADPH，得到的化合物然后被还原和去除以形成进一步的糖类，比如葡萄糖。光反应器，具体而言光生物反应器，是已知的，并且已经被用于微观藻类(例如小球藻物种、衣藻物种或雨生红球藻(Haematococcuspluvialis))、光合细菌(比如例如蓝细菌(例如，节旋藻属(Arthrospira)、红细菌属(Rhodobacter)、红螺菌属(Rhodospirillum)))、苔藓或其它植物细胞培养物的工业生产。开放通道光生物反应器，比如池(pond)，经历来自被其它光合生物、寄生生物、捕食者或外部污染物的污染和来自光的低效使用的困难，所述光仅照射池的顶部。更有效的光生物反应器将具有高的照射表面积/单位体积(S/V)比，浅池是标准。但是，这大大地增加了基于池的光生物反应器的土地空间需要。此外，当这些池使用自然太阳光时，该过程被太阳光的可利用小时数限制。如果光生物反应器被用于处理来自污染设施(其每天运行24小时)的废气，则这样的工艺限制可能是重要的。进一步，如果这些池不与因素比如天气的季节变化隔绝，则光合生物将发现其难以经受温度的变化、外部污染和来自敌对物种的攻击。在开放池和水道中发现的其它限制是低效混合，其导致由于气体——比如限制生长的CO2或抑制生长的氧——的低质量转移而导致的低生产率。缺乏控制和层流导致培养物的沉降和生物积垢，降低了生产率并且增加了维护和生产成本。已经受到相当大的注意的可选技术是封闭通道系统比如具有采用气升原理的圆柱形管的那些系统。一般而言，气升式光生物反应器具有光合作用物质比如在液体介质(空气或气体被注入系统底部进入该液体介质)中悬浮的藻类，其然后在圆柱形管中上升通过流体介质。但是，常规的气升式光生物反应器遭受缺乏可以被复制或控制的可容易限定的流动模式。进一步已知的是提供用于培养光合微生物的装置，其具有至少一个生物反应器和至少一个电磁辐射源，其中至少一个电磁辐射源是发光二极管。发展该技术的关键工业驱动因素之一已经是生产作为化石燃料的替代者的生物燃料的需要，如由德国的FraunhoferInstituteforInterfacialEngineeringandBiotechnology“当前，生物燃料主要由基于植物的原材料生产，例如来自油菜籽或棕榈油的生物柴油。在德国，可耕土地不再可用于食物生产；在东南亚，热带雨林正在被清除用于油棕种植园。在用于生产生物燃料的陆地植物的培养期间的高耗水量也被严重地考虑。而且，当前生产能力和可用于该目的的面积不能满足对于生物燃料的可再生资源的需求”明确陈述的。因此，尽管一个世纪的商业藻类研究涵盖了价值链的许多方面(例如，生物学、开放池、封闭生物反应器、生物反应器设计、提取)，但是迄今为止，可以解决公众赞成的挑战并且可以满足大体积的高质量生物质的市场需要的商业可行性方案还没有被付诸实践。现有技术的描述Dauth等的美国公布的专利申请2010/0190227涉及光反应器，其包括LED塑料模制部分，优选地LED硅树脂模制部分，任选地与作为辐射源的导光模制部分组合；具体地光生物反应器，其包括LED塑料模制部分，优选地LED硅树脂模制部分，任选地与作为辐射源的导光模制部分组合。Dutil的美国专利6,602,703描述了一种光生物反应器，其具有用于容纳用于培养光合生物的液体培养基的容器；多个平行光发射管，其安装在容器内并以第一方向延伸，并且具有外表面；和清洁装置，其安装在容器内用于清洁发光管的外表面。Morgan的美国专利8,476,067公开了一种光生物反应器，其具有大体垂直的流体路径和大体垂直的螺旋形流体路径。两种流体路径通过头帽组件和基础组件流体地连接使得生物活性材料能够在大体垂直的流体路径和大体垂直的螺旋形流体路径之间来回地流体地移动，而没有实质性障碍。光源，其可以是发光二极管(LED)，至少部分地位于大体垂直的螺旋形流体路径的一部分内。该光源可以包括多个发光二极管(LED)。进一步，从该光源发射的波长可以在可见光的范围内，更具体地，在大约400至大约700nm之间。Stroud的WO2008/151376涉及用于培养光合微生物的装置，其包括至少一个生物反应器和至少一个电磁辐射源，其中至少一个电磁辐射源是包括有机或聚合物发射层的发光二极管。美国公布的专利申请2012/0270304公开了使用多个发光面板和浮力驱动的通道流的光生物反应器(PBR)系统。存在内部照射的发光二极管(LED)面板和两面发光面板的公开内容，其使用与太阳能面板和收集器组合的二极管的板。美国公布的专利申请2012/0149091公开了用于培养光合生物的生物反应器。存在LED和两面发光面板的公开内容。存在内部LED照射的PBR，其利用与太阳能收集器和纤维光学器件组合的二极管的板。WO2015087169A2公开了用于培养光合微生物的光生物反应器，其具有支撑多个水平取向的、垂直间隔的架子的框架。这是具有开放设计的外部照射的PBR，并且从根本上不同于本专利技术的高度受控平台。美国公布的专利申请2013/0023044公开了利用多个LED(杆配置)的藻类生物反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于优化光合生物的培养和收获的光生物反应器，其包括：生物反应器系统，其是自给的并且其被构建和设置为控制和维持这种光合生物的最佳制备、生长和收获必需的所有关键参数，包括二氧化碳、氧、水、营养物、温度和光能的水平；所述生物反应器系统包括多个反应器器皿，其包括至少一个防火墙混合/灭菌罐器皿，所述至少一个防火墙混合/灭菌罐器皿被构建和设置为包含无菌源、温度调节的水和营养物补充源；至少一个生长罐器皿，其与所述至少一个防火墙混合/灭菌罐器皿流体接合，所述至少一个生长罐器皿被构建和设置用于培养所述光合微生物；和至少一个收获器皿，其与所述至少一个生长罐器皿流体接合，所述至少一个收获器皿被构建和设置用于接收在所述至少一个生长罐器皿中产生的生物质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.29 US 62/198,6521.一种用于优化光合生物的培养和收获的光生物反应器，其包括：生物反应器系统，其是自给的并且其被构建和设置为控制和维持这种光合生物的最佳制备、生长和收获必需的所有关键参数，包括二氧化碳、氧、水、营养物、温度和光能的水平；所述生物反应器系统包括多个反应器器皿，其包括至少一个防火墙混合/灭菌罐器皿，所述至少一个防火墙混合/灭菌罐器皿被构建和设置为包含无菌源、温度调节的水和营养物补充源；至少一个生长罐器皿，其与所述至少一个防火墙混合/灭菌罐器皿流体接合，所述至少一个生长罐器皿被构建和设置用于培养所述光合微生物；和至少一个收获器皿，其与所述至少一个生长罐器皿流体接合，所述至少一个收获器皿被构建和设置用于接收在所述至少一个生长罐器皿中产生的生物质。2.根据权利要求1所述的光生物反应器，其用于优化光合生物的培养和收获，其中所述至少一个生长罐器皿包括由多个薄的和基本上平的导光板形成的至少一个光源，所述导光板由发光二极管(LED)驱动，所述导光板被构建并垂直地设置在所述生长罐器皿中并且完全地浸入其中；所述生长罐器皿进一步包含一个或多个鼓泡器，所述一个或多个鼓泡器连接至高效微粒过滤器或过滤的空气的HEPA源；所述鼓泡器被构建和设置以提供有效操作每个所述鼓泡器的气流从而产生涌流，所述涌流使无菌混合物、温度调节的水、营养物介质和其中包含的光合微生物循环；借此所述鼓泡器被构建和设置为被可选地激活，从而提供所述生长罐器皿内的生物质旋转，使得实现最大生物质悬浮、最大排气以及最大暴露于由所述至少一个光源提供的光。3.根据权利要求2所述的光生物反应器，其进一步...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·庞茶德，P·波伊斯，A·柯提娜博古诺，
申请(专利权)人：藻类研究中心公司，
类型：发明
国别省市：美国,US