CN102575210A - 多室光生物反应器 - Google Patents

Abstract

一种多室光生物反应器，其包括至少一个培养室和至少一个温度控制室，其特征在于培养室的至少一个外表面与温度控制介质以这样的方式接触，以使培养室的至少一个外表面的至少50％与温度控制介质接触，其特征还在于与培养介质接触的部件由硅酮材料制成或涂覆有硅酮材料。

Description

多室光生物反应器

技术领域

本发明涉及具有至少一个培养室(cultivation chamber)和至少一个温度控制室(attemperation chamber)的多室光生物反应器。

背景技术

光生物反应器用于大规模生产光养(光合营养)生物，例如蓝细菌(蓝藻，cyanobacteria)或微藻，例如螺旋藻属(Spirulina)、小球藻属(Chlorella)、衣藻属(Chlamydomonas)或红球藻属(Haematococcus)。这些微藻能够将光能、CO₂和水转化为生物质。第一代光生物反应器利用太阳光作为能源。反应器由大型开放的各种设计(结构，design)的槽(tank)单元组成，例如直径达45m并具有旋转搅拌臂的圆形槽单元。这些反应器通常由混凝土或塑料制成。也可使用各种形式的密闭生物反应器。密闭生物反应器可为板式生物反应器(plate bioreactor)、管式生物反应器(tubularbioreactor)、(鼓泡)柱式生物反应器或软管式生物反应器(hose-typebioreactor)。为了优化光输入，该类型的反应器由透明或半透明的材料制成，如玻璃或塑料。WO2008/145719描述了使用LED塑料模具照明(molding)的光反应器，其中LED灯嵌入塑料基体中，优选硅酮基体中。

除了光输入，培养介质(培养基，culture medium)的温度对于建立最佳培养条件也是至关重要的。因此通常使用外部热交换器来控制温度。DE4134813A1描述了由透明材料如玻璃或塑料制成的用于培养光养生物的板式反应器。借助外部热交换器控制温度的培养介质流经该板式反应器。DE202005001733U1的目的为用于植物样藻类和微生物的太阳能反应器，其中培养介质在螺旋形的透明管式反应器中循环。推荐使用外部加热模块加热培养介质。具有外部热交换器的板式光生物反应器的温度控制在US2008/0293132中有所描述，其中为了冷却板也可装备冷却通道。这些实施方式的缺点是温度控制在培养介质的整个体积中不连续。因此在培养介质中存在温度梯度和温度波动。US2007/0048848描述了在使用绝缘材料覆盖的水槽(trough)中生物质的培养。NL9100715A描述了用于培养藻类的具有加热元件的管式反应器，其中使用绝缘材料将所述加热元件与藻类(培养)介质分开。使用绝缘材料的缺点是温度控制对其无效。

WO2009/039317描述了包绕有双层夹套的光生物反应器，气态或液态温度控制介质在其中循环。WO98/18903A1的目的为具有主动(active)或被动(passive)温度控制的用于太阳能反应器的太阳能元件，其为具有液体可流经的网(web)的多层板的形式，其中反应介质或温度控制介质流经由所述网形成的空间，以使充满反应器介质的隔室表面与充满温度控制介质的隔室表面接触。US5958761描述了用于培养藻类的光生物反应器，其由具有内部同轴排列的每个由玻璃制成的圆柱体(圆筒体)的圆柱形(圆筒形)容器组成。内圆柱体充满培养介质，并由在外圆柱体循环的温度控制介质包围。这些实施方式的缺点为材料的选择，其可导致微生物积聚在包围培养介质的室壁上，这需巨大的花费才可除去。

还应指出大生物和微生物的培养是非常敏感的系统，其需要尽可能恒定的条件以成功培养。因此，如果培养参数(光、温度、流动特性)在藻类生长阶段不恒定，那么藻类的质量会由于应激(应力，stress)诱导的代谢过程改变而受损。具有恒定并且可再现特性的藻类仅可通过在整个藻类培养期使用恒定的生产条件来生产。藻类覆盖在培养室表面将不可控地改变这些生产参数。

因此问题是构造一个封闭式光生物反应器，其一方面应确保培养介质的温度控制均一和可控，另一方面应防止微生物积聚或促进积聚物的清除。

发明内容

本发明涉及具有至少一个培养室和至少一个温度控制室的多室光生物反应器，其特征在于所述培养室的至少一个外表面与温度控制介质以这样的方式接触，以使培养室的至少一个外表面的至少50％与温度控制介质接触，其特征还在于与培养介质接触的部件(components)由硅酮材料制成或涂覆有硅酮材料。

具体实施方式

多室光生物反应器适于在水性介质中培养光养大生物或微生物。光养生物定义为生长需要光和二氧化碳，或可选的一些其它碳源的那些(生物)。光养大生物的实例为大型藻类、植物、苔藓、植物细胞培养物。光养微生物的实例为光养细菌如紫色细菌和光养微藻包括蓝细菌。优选地，多室光生物反应器用于培养光养微生物，尤其优选用于培养光养微藻。合适的培养介质除了水和大生物或微生物外，优选还包含营养盐(nutrientsalts)和/或促进生长或产品形成的物质，可选有机或无机碳源，例如碳酸氢盐或碳酸氢钠。此外，可选地对培养介质的pH进行缓冲。

水优选用作温度控制介质。

重要的是培养室的至少一个外表面与温度控制介质以这样的方式接触，以使培养介质的温度波动尽可能小。对于这一点，培养室的至少一个外表面的至少50％应与温度控制介质接触。优选培养室的至少一个外表面完全与温度控制介质接触的实施方式。在培养室的外表面未与温度控制介质完全接触的实施方式中，也可采用使接触表面不连续而中断的方式，例如借助类似冷却叶片(散热片)的构件。

多室反应器可具有任何设计(结构)，只要遵循多室原则即可。在任何设计的各种情况下，可使用软管、管、板或袋。

具有至少一个培养室和至少一个温度控制室的多室光生物反应器可为软管或管的形式，在各种情况下具有圆形、椭圆形或多边形的截面。在以下描述中，术语“软管”也包括实施方式“管”。为了分离培养室和温度控制室，通过安装网将软管分为两个或更多个室。例如，可借助放射状排列的网将软管分为两个室。也可采用一种方法，其中软管具有一个或多个内软管设置在其内部，并可选地通过网连接于外软管。在另一种替换方案中，一个或多个直径更小的软管插入至直径较大的外软管中。优选由外软管和同轴排列的内软管制成的软管。特别优选包含通过网3连接于外软管4的同轴排列的内软管2的软管1(双层软管(double hose))；如图1中所描述的双层软管。

在软管型反应器的情况中，当其被分为两个室时，在每种情况下一个室装载培养介质，另一个室装载温度控制介质。具有多于两个室时，可优选交替装载培养介质或温度控制介质。在外软管中具有一个或多个内软管的实施方式中，外软管可充满培养介质，内软管充满温度控制介质。优选地，内软管充满培养介质，外软管充满温度控制介质。

具有至少一个培养室和至少一个温度控制室的多室光生物反应器也可设计为板式反应器，其中在每种情况下借助置于板之间的隔网(spacedwebs)将两个或更多个成平行面的板(plane-parallel plate)牢固地连接。提供侧板以对板式反应器的侧面进行封闭，将其牢固地连接于成平行面的板。所产生的板式反应器的室可交替装载培养介质和温度控制介质。

对于袋式光生物反应器，可将两个或更多个袋以这样的方式连接在一起，以使在每种情况下共有表面将袋分开。仍然优选袋交替装载培养介质和温度控制介质。

多室光生物反应器由至少部分、优选完全透明或半透明的材料制成。透明材料应理解为可使至少80％的400nm至1000nm的光谱区的光透过的那些(材料)。半透明材料应理解为可使至少50％的400nm至1000nm的光谱区的光透过的那些(材料)。优选透明材料。

重要的是排列于培养介质和用于照射培养介质的单个光源或多个光源之间的那些多室生物反应器区域由透明/半透明材料制成。如果培养介质在外室中而每种情况下温度控制介质均在由培养介质包围的内室中，包含温度控制介质的室可由非透明或非半透明材料制成。

合适的材料为玻璃和塑料，例如均聚物或共聚物如聚甲基丙烯酸甲酯(Plexiglas)、聚酯如PET、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或硅酮材料(硅材料，silicone materials)如硅酮或含有硅酮及有机共聚物节段(organocopolymer segment)的共聚物。

硅酮材料(硅材料，silicone materials)如硅酮(silicones)或含有硅酮及有机共聚物节段的共聚物用于与培养介质接触的多室生物反应器的部件。如果不是由这种材料制成，也可采用将硅酮材料如硅酮或含有硅酮及有机共聚物节段的共聚物涂覆在与培养介质接触的多室生物反应器的部件的方式。

特别优选透明或半透明硅酮材料。合适的硅酮材料为例如加成交联硅酮(addition-crosslinking silicones)(硅酮橡胶)，其中热引发或通过辐射引发加成交联，以及含有硅酮和有机共聚物节段的共聚物(硅酮杂化聚合物(silicone hybrid polymers))。

加成交联硅酮橡胶系统包含：

a)有机硅化合物，其具有含脂肪族碳碳多键的残基，

b)可选的有机硅化合物，其具有Si-键合氢原子，或者代替a)和b)

c)有机硅化合物，其具有含脂肪族碳碳多键的残基和Si-键合氢原子，在每种情况下

d)催化剂，促进Si-键合氢原子加成在脂肪族多键上，和

e)可选的试剂，其可延缓室温下Si-键合氢原子加成在脂肪族多键上。

合适的通过加成反应而交联的硅酮橡胶为高温硫化(HTV)固态硅酮橡胶。

在铂催化剂的存在下，通过多烯键式不饱和基团(multiplyethylenically unsaturated groups)优选乙烯基，含有Si-H基多取代的有机聚硅氧烷的取代有机聚硅氧烷的交联获得加成交联(addition-crosslinking)HTV硅酮橡胶。

过氧化物交联或加成交联HTV-2硅酮橡胶的组分之一优选由结构为R₃SiO[-SiR₂O]_n-SiR₃的二烷基聚硅氧烷组成，其中n≥0，烷基残基中通常具有1至4个碳原子，其中烷基残基可被芳基残基如苯基残基完全或部分替代(replace)，并且在一端或两端使用可聚合基团如乙烯基替代末端残基R之一。然而，也可使用具有侧链乙烯基或具有侧链和末端乙烯基的聚合物。优选使用结构为CH₂＝CH₂-R₂SiO[-SiR₂O]_n-SiR₂-CH₂＝CH₂的乙烯基封端的聚二烷基硅氧烷，以及仍含有乙烯基侧链基团(side group)的具有所述结构的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷。在加成交联HTV硅酮橡胶的情况下，第二组分为二烷基聚硅氧烷和聚烷基氢硅氧烷的共聚物，通式为R′₃SiO[-SiR₂O]_n-[SiHRO]_m-SiR′₃，其中m≥0，n≥0，附带条件是至少存在两个SiH基团，其中R′代表H或R。因此交联剂具有侧链和末端SiH基团，然而仅具有末端SiH基团的R′＝H的硅氧烷仍可用于链延长。铂催化剂用作交联催化剂。HTV硅酮橡胶也可作为单组分系统进行处理。

其它合适的材料为硅酮杂化聚合物。硅酮杂化聚合物为有机聚合物嵌段例如聚氨酯、聚脲或聚乙烯酯，以及通常基于上述说明书的聚二烷基硅氧烷的硅酮嵌段的共聚物或接枝共聚物。例如，在EP1412416B1和EP1489129B1中描述了热塑性硅酮杂化聚合物，其相关公开也是本申请的目的。这种硅酮杂化聚合物称为热塑性硅酮弹性体(TPSE)。合适的材料也为(缩合或辐射)可交联的硅酮杂化材料，如WO2006/058656中所描述。

硅酮软管的表面形态对抑制或防止微生物污染是重要的。通过表面与水的接触角来测定表面形态。优选具有100°至120°接触角的表面，特别优选具有100°至115°接触角的表面，尤其特别优选具有100°至113°接触角的表面。通过选择硅酮材料来调整接触角。优选不使用其它增加接触角的措施，例如使表面粗糙化(例如模仿所谓的莲花效应)。该粗糙化事实上可干扰光养微生物的培养。可通过本领域技术人员已知的方法测定硅酮软管的表面与水的接触角，例如根据DIN 55660-2，使用市售的测量仪器来测定接触角，例如购自Krüss公司的接触角测量系统。

可选地，所述加成交联硅酮可包含促进粘附的常见添加剂或用于改善机械性能的常见填充剂或纤维材料。优选地，这些添加剂至多使用的量可使硅酮铸模(silicone molding)保持透明或半透明。也可加入导光添加剂和光波转移添加剂(light wave-shifting additive)。

优选地，硅酮材料也可用于涂覆与培养介质接触的部件，尤其是如果该部件不是由所述硅酮材料制成。

除了已提及的用于制备部件的硅酮材料，优选作为涂覆剂的硅酮材料为通过甚至在室温下缩合而交联的硅酮橡胶，和室温加成交联硅酮橡胶和硅酮树脂及硅酮凝胶。

室温下通过缩合而交联的适合作为涂覆剂的硅酮橡胶为室温交联1-组分系统，即所谓的RTV-1硅酮橡胶。RTV-1硅酮橡胶为具有可缩合端基的有机聚硅氧烷，室温下其在催化剂的存在下通过缩合进行交联。最常见的为结构为R₃SiO[-SiR₂O]_n-SiR₃，链长n＞2的二烷基聚硅氧烷。烷基残基R可相同或不同并通常具有1至4个碳原子，并可选地被取代。烷基残基R也可部分被其它残基替代，优选地被芳基残基替代，所述残基可选地被取代，其中烷基(芳基)R可部分与缩合可交联基团交换，例如乙醇残基(烷氧基系统)、乙酸酯残基(乙酸系统)、胺残基(胺系统)或肟残基(肟系统)。通过合适的催化剂催化交联，例如锡或钛催化剂。

适合用作涂覆剂的室温缩合交联硅酮橡胶也为室温交联2-组分系统，即所谓的RTV-2硅酮橡胶。在硅酸酯的存在下，通过用羟基多取代的有机聚硅氧烷的缩合交联来获得RTV-2硅酮橡胶。具有烷氧基(烷氧基系统)、肟基(肟系统)、胺基(胺系统)或乙酸酯基(乙酸系统)的烷基硅烷也可用作交联剂，其在合适缩合催化剂的存在下，例如锡或钛催化剂，与羟基封端的聚二烷基硅氧烷进行交联。

RTV-1和RTV-2硅酮橡胶所含有的聚二烷基硅氧烷的实例为式(OH)R₂SiO[-SiR₂O]_n-SiR₂(OH)的那些，其链长n＞2，其中烷基残基R可相同或不同，通常含有1至4个碳原子并可选地可被取代。烷基残基R也可部分被其它残基替代，优选被芳基残基替代，所述残基可选地被取代。优选地，聚二烷基硅氧烷含有末端OH基，在室温下使用硅酸酯或系统烷基硅烷/锡(钛)催化剂进行交联。

RTV-1和RTV-2硅酮橡胶所含有的具有可水解基团的烷基硅烷的实例为式R_aSi(OX)_4-a的那些，其中a＝1至3(优选为1)，并且X是指R″(烷氧基系统)、C(O)R″(乙酸系统)、N＝CR″₂(肟系统)或NR″₂(胺系统)，其中R″表示具有1至6个碳原子的单价烃残基。

适合用作涂覆剂并且在室温下加成交联的硅酮橡胶为室温交联1-组分系统，即所谓的加成交联RTV-1硅酮橡胶，室温交联2-组分系统，即所谓的加成交联RTV-2硅酮橡胶，或室温交联多组分系统。可通过阳离子(cationically)，借助合适的催化剂，或通过自由基(radically)，借助过氧化物，或通过辐射，特别是UV辐射，或通过热引发交联反应。

通过在铂催化剂存在下，由Pt催化剂催化，交联多烯键式不饱和基团优选乙烯基，含有用Si-H基团多取代的有机聚硅氧烷的取代有机聚硅氧烷来获得加成交联的RTV-2硅酮橡胶。

优选地，组分之一由结构为R₃SiO[-SiR₂O]_n-SiR₃，n≥0的二烷基聚聚硅氧烷组成，通常在烷基残基中具有1至4个碳原子，其中烷基残基可完全或部分被芳基残基如苯基残基替代，并且在一端或两端可使用可聚合基团如乙烯基替代末端残基R。硅氧烷链中的也与末端基团的残基R组合的残基R也可部分被可聚合基团替代。优选使用结构为CH₂＝CH₂-R₂SiO[-SiR₂O]_n-SiR₂-CH₂＝CH₂的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷。

第二组分包含Si-H官能(Si-H-functional)交联剂。通常采用的聚烷基氢硅氧烷为二烷基聚硅氧烷和聚烷基氢硅氧烷的共聚物，其具有通式R′₃SiO[-SiR₂O]_n-[SiHRO]_m-SiR′₃，其中m≥0、n≥0，并且附带条件是必须存在至少两个SiH基团，其中R′代表H或R。因此交联剂具有侧链和末端SiH基团，然而仅具有末端SiH基团的R′＝H的硅氧烷仍可用于链延长。含有小量的有机铂化合物作为交联催化剂。

此外，通过所述加成反应交联的特定的硅酮橡胶最近已市售，其中通过热和/或光化学活化特殊铂复合物或铂抑制剂系统，从而催化交联反应。

硅酮树脂也为生产透明或半透明涂层的合适材料。硅酮树脂通常包含通式为R_b(RO)_cSiO_(4-b-c)/2的单元，其中b等于0、1、2或3，c等于0、1、2或3，附带条件为b+c≤3，并且R具有以上给定含义，所述单元形成高度交联的有机硅网状物。硅酮树脂可用作无溶剂的、含溶剂的或水性系统。此外，也可使用官能化的硅酮树脂，例如使用环氧基或胺基官能化的硅酮树脂。

硅酮凝胶也为生产透明或半透明涂层的合适材料。硅酮凝胶由两个可浇铸(castable)的组分制备而成，其在催化剂存在下于室温下交联。组分之一通常由结构为R₃SiO[-SiR₂O]_n-SiR₃，n≥0的二烷基聚硅氧烷组成，通常在烷基残基中具有1至4个碳原子，其中烷基残基可被芳基残基如苯基残基完全或部分替代，并且可在一端或两端使用可聚合基团如乙烯基替代末端残基R之一。硅氧烷链中的也与末端基团的残基R组合的残基R也可部分被可聚合基团替代。优选使用结构为CH₂＝CH₂-R₂SiO[-SiR₂O]_n-SiR₂-CH₂＝CH₂的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷。

第二组分包含Si-H官能交联剂。通常采用的聚烷基氢硅氧烷为二烷基聚硅氧烷和聚烷基氢硅氧烷的共聚物，其通式为R′₃SiO[-SiR₂O]_n-[SiHRO]_m-SiR′₃，其中m≥0，n≥0，附带条件是必须存在至少两个SiH基团，其中R′代表H或R。因此交联剂具有侧链和末端SiH基团，然而仅具有末端SiH基团的R′＝H的硅氧烷仍可用于链延长。含有小量的有机铂化合物作为交联催化剂。将组分混合可引发交联反应并形成凝胶。通过热作用和/或通过电磁辐射的作用可促进该交联反应，优选UV辐射。

对硅酮、其化学、配制和应用特性的详细综述提供于例如Winnacker/Küchler，“Chemical Engineering：Processes and Products，Vol.5：Organic Intermediates，Polymers”，p.1095-1213，Wiley-VCH Weinheim(2005)。

在一个优选的实施方式中，用于多室光生物反应器的材料可包含常见的添加剂如填充剂或纤维材料以改善机械性能。优选地，所使用的这些添加剂的最大量可使材料保持透明或半透明。也可加入导光添加剂，或可加入光波转移添加剂以优化可用的辐射产量(radiation yield)。合适的添加剂也为波长阻挡添加剂，例如用于阻挡红外辐射。

多室光生物反应器的室也可具有几何结构，例如以改善流动性能或光散射。实例为室的材料中的隆起(bump)或凹入(indentation)。

可使用已确定的用于制备模铸品的塑料加工技术进行生产。特别是在硅酮的情况中，通过挤出或注射成型(注模)以成型热塑性硅酮(热塑注射成型)、弹性体硅酮(弹性体注射成型)或热固性硅酮(热固注射成型)。也可进行组合工艺，例如挤注(exjection)。

对于涂层，硅酮以液态形式应用，其可为纯物质、溶液或在水性乳液中。用于涂覆而施加的液体粘度优选为10mPas至300 000mPas。可通过通常技术进行涂覆，优选刷涂、喷涂、浸涂、刮涂、铸涂。特别优选浸涂和喷涂。然而，其它方法可用于涂覆管，例如用海绵涂覆(spongeapplication)、旋涂、挤压(extrusion)或十字头挤压，对于平面另外可能使用滚涂、辊涂或舐液辊工艺。

涂层的厚度通常为10nm至1000μm，优选1μm至100μm。可选地，可对待涂覆的反应器部分进行预处理以改善硅酮的粘附力，例如通过电晕处理。可选地，硅酮可包含用于提高粘附力的常用添加剂或用于改善机械性能的常用填充剂。优选地，所使用的这些添加剂的最大量可使硅酮涂层保持透明或半透明。

照明通常采用阳光，可选地辅以人造光(人造光源)。优选将包含LED的光源(发光体)用于人工照明。然而，其它人造光源也适用，例如荧光灯、霓虹灯、金属蒸汽灯、惰性气体灯、卤素灯、硫等离子体灯。在使用人造光源照明的情况下，可通过使用确定波长、确定强度的光源，并可选地借助脉动光源优化培养条件。也可以想象将人造光源，例如以LED链的形式安装或并入多室光生物反应器的一个或多个室中。

含有光养生物的培养介质通常从储罐注入多室光生物反应器的相应室中。可借助泵通过机械方式注入。在多室光生物反应器中，也可借助空运进行培养介质的注入，即借助空气或借助空气/CO₂混合物或氮气作为载气，并同时向培养介质提供CO₂供应。然而，也可单独或脉冲供给CO₂，并因此用于调节培养介质的pH。

在分离器中进行所培养生物的分离，例如通过离心、过滤或沉淀。

将温度控制介质注入相应室内。优选地，借助泵相对于培养介质以顺流或逆流气动性地注入。温度控制介质的回路可选地包括热交换器单元，以调节温度控制介质的温度。温度控制介质的温度主要取决于环境温度并可进行相应调整。

多室生物反应器的操作优选由自动化技术实现。这包括自动监测和特定工艺参数的调整，如流速、温度、气体交换、液体交换、密度或粘度、培养介质中含盐量，可选地在人工照明情况中的光(强度、波长、亮/暗周期、时间调整/改变)。

Claims (7)

1.一种多室光生物反应器，具有至少一个培养室和至少一个温度控制室，其特征在于，所述培养室的至少一个外表面与温度控制介质接触，以使所述培养室的至少一个外表面的至少50％与所述温度控制介质接触，其特征还在于，与培养介质接触的部件由硅酮材料制成或涂覆有硅酮材料。

2.如权利要求1所述的多室光生物反应器，其特征在于，所述培养室的至少一个外表面与所述温度控制介质完全接触。

3.如权利要求1或2所述的多室光生物反应器，其特征在于，所述接触表面具有连续或间断的设计。

4.如权利要求1至3所述的多室光生物反应器，其被设计为软管反应器、管式反应器、板式反应器或袋式反应器。

5.如权利要求1至4所述的多室光生物反应器，其特征在于，通过安装网将所述软管分为两个或更多个室。

6.如权利要求1至4所述的多室光生物反应器，其特征在于，所述软管具有一个或多个设置在其内部的内软管。

7.使用如权利要求1至6所述的多室光生物反应器生产光养生物的方法。

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