包含旋轉振蕩光源的光生物反應器制造技術

本發明專利技術涉及一種由旋轉振蕩運動的光源（導光設備、LED）照射的光生物反應器，和任選地用于氣體傳輸的旋轉振蕩運動的膜表面。優勢尤其是隨時間平均空間均勻且可通過強度和振蕩調節以適合培養液及其密度的光輸入，以及低剪切功率輸入和任選地低剪切無泡氣化和脫氣。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光生物反應器，其在反應器內部包含旋轉振蕩運動的光源以實現空間均勻的光輸入。本專利技術可用于光養有機體的培養，該光養有機體在反應器內部通過旋轉振蕩運動的光源以最優化方式被照射。最優化光輸入可任選與最優化的剪切敏感性的反應器內容物質(如剪切敏感性的光養有機體)的氣化和脫氣結合。
技術介紹
光養有機體應用的ー個重要應用領域是藻類培養。除了傳統的在暴露于陽光的扁平容器中培養藻類之外，在生物反應器中的藻類培養被越來越多地記載。這種開發的ー個原因是藻類用于制備極高價值產品的用途。然而，這對培養條件或過程管理帶來更復雜的需求。其只能在特別設計的光反應器中進行。與更便宜的常規培養容器相比，由所述特別設計的光反應器產生的更高的采購和生產成本的經濟可行性依賴于產品可實現的高價格水平。這種高價值產品是，例如，化妝品エ業的著色劑或食品補充劑エ業的多不飽和脂肪酸(如天然ω-3脂肪酸或二十碳五烯酸(EPA))。制藥業中正在研發用于治療和診斷藥品的蛋白質。另ー領域是綠色能源生產(例如通過藻類制氫)。藻類生物質——其在藻類制備產品時以任何方式形成——還可用于產生沼氣，其使這種技術特別環境友好。藻類培養和利用藻類生物質用于制備沼氣的結合的另ー個實施例是廢氣浄化，其中包含的ニ氧化碳和碳由藻類代謝。因此廢氣浄化的環境技術方法可與從已經產生的藻類生物質得到沼氣的能源技術方面共生關聯?，F有技術中記載了各種設計的光生物反應器。Havel等人記載了包含最多達16個并聯運行的泡罩塔的生物反應器，其在泡罩塔的正上方配有人造光源從而確保在均勻光譜內足夠的光供給量。在每個泡罩塔的周圍，反光圓柱管將光從上方傳遞至每個泡罩塔的圓柱形玻璃外壁，從而降低光散射和改善照身寸。Osram Fluora L77 (OsramjMunichjGermanyy)^PSun-Glo (Hagen, Holm, Germany;突光管的結合用作光源產生人造陽光。在泡罩塔內部，隨著有機體在泡罩塔內準混亂的移動，流體動力學控制漂浮光合細胞的曝光。在最佳性能時，泡罩塔還必須以最高可能的氣化速率運轉，該速率由藻類的剪切耐受性控制。同時，氣化速率不應過高而導致可發生氣滯，氣滯將阻止光通過泡罩塔傳播。盡管如此，由于易于建造和保持運轉，這種光生物反應器是最廣泛使用的。然而，這種類型的光反應器的放大和最優控制很難，因此其生產率通常較低。其原因也基于在這種光生物反應器中光輸入通過反應器的外表面進行這一事實。然而，隨著規模的増大，表面積與體積比變得更小，因此每單位體積的光輸入變得更低，從而限制產品產率。管式光生物反應器由直線型或圈型排列的透明管材料組成，其排列g在實現最大的陽光/光輻射接收。光養培養材料在管內運輸。為此，特別經常使用氣升循環器。Merchuk等人還給出在生物反應器中培養光合細胞的現有技術綜述。除上述泡罩塔反應器和管式反應器之外，也記載了薄膜生物反應器和氣升式反應器。與泡罩塔相反，氣升式反應器允許控制流體通過通道，在由同心管組成的結構中，光源位于外壁且內壁限定了暗兇。 Rastre等人記載了一種通過結合模型生物反應器和中試生物反應器而合理設計大型反應器的方法。研究了封閉管和板式生物反應器。US 20100144019記載了用于微藻類培養的光生物反應器,其容器含有大量不同長度的光源(具體地是光電ニ極管與導光設備的結合)、用于產生流動的機械攪拌裝置和氣動混合系統，其產生氣泡以懸浮微藻類，光源浸于容器內。未公開柔性光源。WO 2009069967記載了用于微藻類培養的光生物反應器，其包含容器中的多個光源表面，例如柔性LED板。光源表面具有平板或圓柱的形狀且在反應器容器中以規則間隔安裝從而將其分置。與在管式反應器中ー樣，培養體從輸入口至輸出ロ沿光源表面被運輸至反應器內，光源表面被置于反應器內，從而使輸入口和輸出口之間的路徑盡可能長。用于藻類培養的光生物反應器記載于US 20100028977 Al，其中光通過棒被引入培養液。然而，記載的棒的排列不能使均勻的光輸入光生物反應器。另ー個缺點是盡管記載了排列的棒的旋轉，但這不包括在光源和含有光養有機體的培養液之間產生相対速度。這種相對速度導致相應的混合，結果是不同的光養有機體被恒定運送至光源附近。相対速度還具有這樣的效果所有光養有機體隨時間可平均接收相同的光量，從而不存在由于與光源之間更大的距離而隨時間平均接收更少的光量的有機體。專利US 20100028977 Al還缺少用于記載的光生物反應器的氣化和脫氣概念。這是另ー缺點，因為除光輸入之外，供給ニ氧化碳和排出氧氣對于藻類也很重要。因此US 20100028977 Al具有非空間均勻的光輸入、光源與培養液之間沒有相對速度、以及缺少氣體轉移概念的缺點。在所有上文提到的光反應器中，一個替代方案是光源位于培養容器外部且不與培養的材料接觸。相應地，為了產生必要的照射以及最大的光輻射穿透深度，需要高能光源。直接輻射對特別敏感的有機體具有光抑制的危險。或者，另ー種可能是，光通過導光設備由光源導入光生物反應器，或將兩種可能性結合。近年來盡管有很大關注，對于在生物反應器中培養光養細胞(特別是藻類和藍細菌)仍沒有經濟滿意的方案。用于液體(特別是細胞培養液)的無泡氣化的方法記載于W02007098850和W2010034428，氣體交換通過ー個或多個柔軟地浸于待氣化和/或脫氣的介質(例如管、圓柱或模塊)中的膜表面而進行，其中所述膜表面在介質中進行任意旋轉振蕩運動。所述旋轉振蕩運動在這種情況下易于通過相應地操作驅動馬達而實現。在設計エ藝和機械方面，其沒有額外需要。通過受控的運動改變，所述運動可最優化從而使流到膜表面上的流動是最佳的。由于材料的傳遞系數取決于流到膜表面上的流動，最佳運動是其中膜表面分別具有相對于液體的最大相対速度的那種運動。膜表面的旋轉振蕩運動的另ー個優點是不需要用于產生流到膜表面上的流動的單獨攪拌或混合元件。此外，旋轉振蕩運動意味著容器中的流動折流板不是必需的。在常規攪拌元件中，通常使用流動折流板以防止液體隨攪拌器運動以及提供足夠的湍流和功率輸入。W02007098850和WO 2010034428中提供膜表面和產生流到膜表面上流動的結合避免了局部高功率輸入和局部高剪切應カ的區域。在記載的生物反應器中，功率輸入以空間均勻的模式進行并直接用于流到膜表面上的流動。隨著在膜表面所有位置處適宜的液體運動，由于膜表面相對于液體的運動，發生大量且確定的物質傳輸?？傊?，與常規方法和設備相比，實現了物質傳輸和產生物質傳輸所需的機械功率輸入、以及生物反應器中不可避免的剪切力的更好關聯。沒有記載用于光養細胞培養的生物反應器的 使用，在記載的設備中沒有提供光源。與在生物反應器中的細菌、酵母或哺乳動物細胞培養相反，在光生物反應器中光養有機物(例如藻類)的培養除氣體供給和排出之外，還需要光能量的輸入。由于光照射的穿透深度較短，需要最大程度均勻的光輸入，從而盡可能不存在這種生物反應器區域其中光源太遠從而損害生產率。輻射強度的指數衰減產生三個具有不同生長條件的區域在第一個區域中，其從光源延伸至光能量抵償藻類用于最大生長速率的能量需求的位置，生長速率主要取決于細胞種類和培養介質。在某些條件下，該區域的光抑制本文檔來自技高網...

【技術保護點】
光生物反應器，其特征在于分布于生物反應器液體體積中的進行任意旋轉振蕩運動的光源。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：H·布羅德，B·弗萊姆，
申請(專利權)人：拜耳知識產權有限責任公司，
類型：發明
國別省市：