包含旋转振荡光源的光生物反应器制造技术

本发明专利技术涉及一种由旋转振荡运动的光源（导光设备、LED）照射的光生物反应器，和任选地用于气体传输的旋转振荡运动的膜表面。优势尤其是随时间平均空间均匀且可通过强度和振荡调节以适合培养液及其密度的光输入，以及低剪切功率输入和任选地低剪切无泡气化和脱气。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光生物反应器，其在反应器内部包含旋转振荡运动的光源以实现空间均勻的光输入。本专利技术可用于光养有机体的培养，该光养有机体在反应器内部通过旋转振荡运动的光源以最优化方式被照射。最优化光输入可任选与最优化的剪切敏感性的反应器内容物质(如剪切敏感性的光养有机体)的气化和脱气结合。
技术介绍
光养有机体应用的ー个重要应用领域是藻类培养。除了传统的在暴露于阳光的扁平容器中培养藻类之外，在生物反应器中的藻类培养被越来越多地记载。这种开发的ー个原因是藻类用于制备极高价值产品的用途。然而，这对培养条件或过程管理带来更复杂的需求。其只能在特别设计的光反应器中进行。与更便宜的常规培养容器相比，由所述特别设计的光反应器产生的更高的采购和生产成本的经济可行性依赖于产品可实现的高价格水平。这种高价值产品是，例如，化妆品エ业的着色剂或食品补充剂エ业的多不饱和脂肪酸(如天然ω-3脂肪酸或二十碳五烯酸(EPA))。制药业中正在研发用于治疗和诊断药品的蛋白质。另ー领域是绿色能源生产(例如通过藻类制氢)。藻类生物质——其在藻类制备产品时以任何方式形成——还可用于产生沼气，其使这种技术特别环境友好。藻类培养和利用藻类生物质用于制备沼气的结合的另ー个实施例是废气浄化，其中包含的ニ氧化碳和碳由藻类代谢。因此废气浄化的环境技术方法可与从已经产生的藻类生物质得到沼气的能源技术方面共生关联。现有技术中记载了各种设计的光生物反应器。Havel等人记载了包含最多达16个并联运行的泡罩塔的生物反应器，其在泡罩塔的正上方配有人造光源从而确保在均匀光谱内足够的光供给量。在每个泡罩塔的周围，反光圆柱管将光从上方传递至每个泡罩塔的圆柱形玻璃外壁，从而降低光散射和改善照身寸。Osram Fluora L77 (OsramjMunichjGermanyy)^PSun-Glo (Hagen, Holm, Germany;突光管的结合用作光源产生人造阳光。在泡罩塔内部，随着有机体在泡罩塔内准混乱的移动，流体动力学控制漂浮光合細胞的曝光。在最佳性能时，泡罩塔还必须以最高可能的气化速率运转，该速率由藻类的剪切耐受性控制。同时，气化速率不应过高而导致可发生气滞，气滞将阻止光通过泡罩塔传播。尽管如此，由于易于建造和保持运转，这种光生物反应器是最广泛使用的。然而，这种类型的光反应器的放大和最优控制很难，因此其生产率通常较低。其原因也基于在这种光生物反应器中光输入通过反应器的外表面进行这一事实。然而，随着规模的増大，表面积与体积比变得更小，因此每单位体积的光输入变得更低，从而限制产品产率。管式光生物反应器由直线型或圈型排列的透明管材料组成，其排列g在实现最大的阳光/光辐射接收。光养培养材料在管内运输。为此，特别经常使用气升循环器。Merchuk等人还给出在生物反应器中培养光合細胞的现有技术综述。除上述泡罩塔反应器和管式反应器之外，也记载了薄膜生物反应器和气升式反应器。与泡罩塔相反，气升式反应器允许控制流体通过通道，在由同心管組成的结构中，光源位于外壁且内壁限定了暗凶。 Rastre等人记载了一种通过結合模型生物反应器和中试生物反应器而合理设计大型反应器的方法。研究了封闭管和板式生物反应器。US 20100144019记载了用于微藻类培养的光生物反应器,其容器含有大量不同长度的光源(具体地是光电ニ极管与导光设备的结合)、用于产生流动的机械搅拌装置和气动混合系统，其产生气泡以悬浮微藻类，光源浸于容器内。未公开柔性光源。WO 2009069967记载了用于微藻类培养的光生物反应器，其包含容器中的多个光源表面，例如柔性LED板。光源表面具有平板或圆柱的形状且在反应器容器中以规则间隔安装从而将其分置。与在管式反应器中ー样，培养体从输入口至输出ロ沿光源表面被运输至反应器内，光源表面被置于反应器内，从而使输入口和输出口之间的路径尽可能长。用于藻类培养的光生物反应器记载于US 20100028977 Al，其中光通过棒被引入培养液。然而，记载的棒的排列不能使均匀的光输入光生物反应器。另ー个缺点是尽管记载了排列的棒的旋转，但这不包括在光源和含有光养有机体的培养液之间产生相対速度。这种相对速度导致相应的混合，结果是不同的光养有机体被恒定运送至光源附近。相対速度还具有这样的效果所有光养有机体随时间可平均接收相同的光量，从而不存在由于与光源之间更大的距离而随时间平均接收更少的光量的有机体。专利US 20100028977 Al还缺少用于记载的光生物反应器的气化和脱气概念。这是另ー缺点，因为除光输入之外，供给ニ氧化碳和排出氧气对于藻类也很重要。因此US 20100028977 Al具有非空间均匀的光输入、光源与培养液之间没有相对速度、以及缺少气体转移概念的缺点。在所有上文提到的光反应器中，一个替代方案是光源位于培养容器外部且不与培养的材料接触。相应地，为了产生必要的照射以及最大的光辐射穿透深度，需要高能光源。直接辐射对特别敏感的有机体具有光抑制的危险。或者，另ー种可能是，光通过导光设备由光源导入光生物反应器，或将两种可能性结合。近年来尽管有很大关注，对于在生物反应器中培养光养细胞(特别是藻类和蓝细菌)仍没有经济满意的方案。用于液体(特别是细胞培养液)的无泡气化的方法记载于W02007098850和W2010034428，气体交換通过ー个或多个柔软地浸于待气化和/或脱气的介质(例如管、圆柱或模块)中的膜表面而进行，其中所述膜表面在介质中进行任意旋转振荡运动。所述旋转振荡运动在这种情况下易于通过相应地操作驱动马达而实现。在设计エ艺和机械方面，其没有额外需要。通过受控的运动改变，所述运动可最优化从而使流到膜表面上的流动是最佳的。由于材料的传递系数取决于流到膜表面上的流动，最佳运动是其中膜表面分别具有相对于液体的最大相対速度的那种运动。膜表面的旋转振荡运动的另ー个优点是不需要用于产生流到膜表面上的流动的单独搅拌或混合元件。此外，旋转振荡运动意味着容器中的流动折流板不是必需的。在常规搅拌元件中，通常使用流动折流板以防止液体随搅拌器运动以及提供足够的湍流和功率输入。W02007098850和WO 2010034428中提供膜表面和产生流到膜表面上流动的结合避免了局部高功率输入和局部高剪切应カ的区域。在记载的生物反应器中，功率输入以空间均匀的模式进行并直接用于流到膜表面上的流动。随着在膜表面所有位置处适宜的液体运动，由于膜表面相对于液体的运动，发生大量且确定的物质传输。总之，与常规方法和设备相比，实现了物质传输和产生物质传输所需的机械功率输入、以及生物反应器中不可避免的剪切力的更好关联。没有记载用于光养细胞培养的生物反应器的 使用，在记载的设备中没有提供光源。与在生物反应器中的细菌、酵母或哺乳动物细胞培养相反，在光生物反应器中光养有机物(例如藻类)的培养除气体供给和排出之外，还需要光能量的输入。由于光照射的穿透深度较短，需要最大程度均匀的光输入，从而尽可能不存在这种生物反应器区域其中光源太远从而损害生产率。辐射强度的指数衰减产生三个具有不同生长条件的区域在第一个区域中，其从光源延伸至光能量抵偿藻类用于最大生长速率的能量需求的位置，生长速率主要取决于细胞种类和培养介质。在某些条件下，该区域的光抑制本文档来自技高网...

【技术保护点】
光生物反应器，其特征在于分布于生物反应器液体体积中的进行任意旋转振荡运动的光源。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·布罗德，B·弗莱姆，
申请(专利权)人：拜耳知识产权有限责任公司，
类型：发明
国别省市：