CN102741389A - 封闭环境中用于培养光合微生物的光生物反应器 - Google Patents

封闭环境中用于培养光合微生物的光生物反应器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于培养光合微生物的光生物反应器，包括：a)至少一个培养容器(1)，用于容纳微生物的培养基(3)；b)光伏电池(2)，与培养基(3)隔离，向培养基(3)发射光；以及c)单元(4)，对光伏电池(2)供电，以使光伏电池在光发射模式下运行。

Description

封闭环境中用于培养光合微生物的光生物反应器
技术领域
本发明涉及光合微生物的连续密集培养。
背景技术
微藻是光合植物生物，其中代谢和生长除其他外，需要CO2、光以及养分。
众所周知，微藻的工业化培养具有多种应用。
微藻可被培养用来再利用和净化从一些工业厂房排放的二氧化碳、NOx和/或SOx(WO2008042919)。
从微藻中提取的石油可被用作生物燃料(WO2008070281、WO2008055190、WO2008060571)。
微藻可被培养用于ω-3脂肪酸及其多不饱和脂肪酸的生产。
微藻也可被培养用以生产颜料。
微藻的大规模工业化培养使用太阳作为光源。为此目的，微藻通常置于循环或不循环的开放罐(“滚道”)中(US2008178739)。也发现了管状或板状光生物反应器，该光生物反应器由半透明材料构成，提供了在培养基中光线以及其中微藻循环的通道(FR26213223)。另外，三维透明管网状系统可提高空间的使用(EP0874043)。
考虑到阳光以及对微藻生长具有反作用的夜晚阶段的不确定性，这些设施非常大且生产率低。
为了减小尺寸并提高效率，已开发了封闭光生物反应器。他们利用每天24小时且每周7天的人工照明的可利用性，同时根据所涉及藻类的生物周期的特定顺序选择关闭照明。
事实上，增加微藻生物质的关键因素是光(数量和质量两方面)，这是因为微藻只吸收特定白光波长。
光生物反应器被定义为封闭系统，其中在光能的存在下发生通过控制培养条件可控制的生物的相互作用。
在光生物反应器中对微藻种类越适合的光分配，越有利于生物质生产。
用于解决这个问题的第一人工照明方案包括利用光学纤维在微藻附近的培养基中输送来自光源的光(US6156561和EP0935991)。
光学纤维可进一步与在容器内部引导光的浸入单元联合(JP2001178443和DE29819259)。
这种方法主要缺点是只适用于获得低(光生产)/(有效光)产率。事实上，强度由于光源和波导间的界面而降低，且在同一纤维上难以与多个光源结合。此外，一旦使用多个不同波长产生的问题是：事实上，为了从浸入培养基中的光学纤维中提取光，需要进行表面处理(粗糙度)，以使引导的光的一部分漫射和衍射。最有效的方案包括：在纤维周围以所携带的光的波长区域内的间隔蚀刻栅格。该方案具有狭窄的带宽，且当使用多个波长时是完全不适合的。随机粗糙度的使用是低效率的。
用于解决这个问题的其他人工照明方案包括：在光生物反应器容器中直接浸入光源，例如荧光灯(US5104803)或LEDs(发光二极管)(DE202007013406和WO2007047805)。
该方案使得提高照明方法的能量效率成为可能，这是因为光源与培养基更近且结合更好。
然而，光源，尤其是LEDs引入反应器的应用需要考虑到另外三个主要问题。
首先对于进入培养基的光透过是固有的，这直接与微藻的密度相关。在培养期间该密度增加，并迅速导致光输出在大部分反应器中被熄灭。方案包括：照明光生物反应器的内壁(DE202007013406)，因此不能仅通过位似变换变换至数百升的工业规模光生物反应器中，在培育过程结束时，光吸收长度仍为厘米。
为了消除培养期间出现的阴影区，可在容器中增加光源并将它们定位得彼此足够近以照明培养基，而与生物循环关联的可变吸收长度无关。这样做造成管理反应器的热量的问题，该温度需要控制在几度内，且这取决于藻类的类型。该热量管理是需要解决的第二主要问题。它对于这些第一代反应器结构是固有的，而与所使用的光源类型无关。如果光源需要大规模增加，则存在光生物反应器成本的附加问题。
第三个问题在于在反应器增长体积中在强度上获得均匀的照明阵面(front)。除了在培养基中通过吸收而在光波强度上逐步下降，在入射光阵面上发生显著的光能分散。这就阻碍了用于给定整体入射光能的生物质生长方法的最优化。
发明内容
为了解决这些问题，本发明人意外惊奇地发现一种适用于光生物反应器的新光源：在这些条件下，用在直接注入发射光中的光伏电池。
该光源提供特别均质且适合于最优化待生产的藻株的优点，这是因为光伏电池能适合于发射被菌株吸收用于其光合作用的波长。
因此，本发明的主题是一种用于培养光合微生物，优选微藻的光生物反应器，包括：
(a)至少一个培养箱(enclosure)1，用于容纳微生物的培养基3；
(b)光伏电池2，与所述培养基3隔离，向所述培养基3发射光；
(c)单元4，对所述光伏电池2供电，以使所述光伏电池在光发射模式下运行。
光伏电池为暴露在光(光子)中时产生电的电子部件。最常见的光伏电池包含半导体材料。为了获得光发射，这些半导体材料需要具有直接带隙，如As、Ga、In、P的合金。硅(Si)材料不适合此功能，因为其带隙是间接的。光伏电池一般为薄板形式，一侧测量约为数十厘米，夹在两个金属触点之间，厚度在1毫米的区域内。光伏电池的原理是众所周知的(Physics of SemiconductorDevices(半导体器件物理)-J Wiley & Sons，3rd Edition，Simon M.Sze，Kwok.Ng)。
在暴露于光的半导体中，足够能量的光子抽出电子，因此产生“空穴”。通常，电子迅速回到空穴以复位，并且光子提供的能量因而消散。光伏电池的原理是，迫使电子和空穴各自向着材料的相对面移动，而不是仅仅在其内再结合：这样，电位的差异及由此两面之间的电压将会像电池一样消失。
为此，需要分别在两个P和N-掺杂的层之间通过PN结的方式产生永久性的电场。在电池的顶层，相比纯材料层存在更多量的自由电子，因此术语N掺杂意味着负(电荷)。
在电池的底层，自由电子的数量少于纯材料层，电子结合成结晶网络，因此为正电荷。通过正空穴(P)导电。
当形成P-N结时，N区域内的自由电子进入P层，并在P区域与空穴再结合。这样，对于结点的寿命，在结点边缘将存在N区域的正电荷(因为电子离去)，在结点边缘将存在P区域的负电荷(因为空穴消失)，且两者间存在从N到P的电场。
在常规操作中，光子从基体中抽出电子，产生自由电子以及空穴。该电子在N区域内积聚(变成负极)，而空穴在P掺杂层内积聚(变成正极)。
已经开发了用于空间应用的具有高效率的电池：包括多层薄层的多结点电池，通常为1至5个结点。
例如，三结点电池包括半导体AsGa、Ge和GaInP2。各类型的半导体由光子不能转化成电能的最大波长表征。在该波长以下，由光子携带的过剩能量损失。
根据本发明，光伏电池被用于反向(inverse)发射模式，即作为光源。光伏电池供有被称为“注入电流”的电流，且不同于其上述产生光的传统操作。如果在P区域端施加正电压，主正载流子(main positive carriers)(空穴)被推向结点。同时，在N端的主负载流子(电子)吸引至结点。一旦他们到达结点，载流子再结合，释放具有相对于所使用的半导体材料的带隙的能量的光子。基本上，用于直接注入的光伏电池是大面积的发光二极管。此外，它因其需要覆盖大表面积的注入触点的几何形状而不同于LED。传统上，触点栅格形成有由小于载流子扩散长度的长度隔开的指状物(finger)。大面积的LED可受益于在传统LED中执行的所有内部和外部的量子产率增强(布拉格反射镜、活化层中量子阱的使用、表面处理等等)。事实上，为了从装置传出，光子需要从结点到表面(不被半导体吸收地)穿过半导体，以及不被反射地穿过半导体的表面，尤其是不经历光子返回至光子最终被吸收的电池内部的全内反射。未经历全内反射的那些光子离开半导体并形成外部光流(例如至空气)。
在合适的LEDs中，外部传输效率通过引入在半导体的表面上粘合的光学器件而少量提高(在空气的光学指数(n＝1)与半导体的光学指数(3＜n＜4)之间的中间光学指数)。在这些条件下，最好的LEDs具有大约20％的外部量子产率(对元件施加的电功率上的外部光功率)。至于根据本发明的大平面LED，方案将为使表面微结构化以增加光子以准垂直方式遭遇表面的概率。迄今为止，曾获得的最高的外部量子产率是略大于45％。目前，各种微结构方法是实验室研究课题，且基于在半导体工业中使用的微米结构光刻技术，或基于用于蚀刻LED的外部表面的技术。在后者技术分类中，通常得到30％的区域的外部量子产率。利用大面积元件使得这些技术的应用更容易。
根据本发明使用的光伏电池由直接带隙材料(AsGa、GaInP等)组成。在这些材料中，在空穴-电子对的再结合期间释放的能量通过任意的可见光子的发射来传输。光的强度与注入电流成正比。光发射波长等效于形成光伏电池的半导体材料的带隙能量。间接带隙半导体材料不发光，能量以热量的形式消失。传统上，在可见区域内发光的直接带隙材料是III/IV或II/VI合金。
发射的光包括光伏电池的组成材料的直接发射辐射跃迁。在这种情况下，可选择由发射一种或多种波长的一种或多种材料组成的光伏电池，有利地选择在根据本发明的光生物反应器中欲培养的光合微生物物种的波长。
优选地，本发明所使用的光伏电池为具有一个、两个或三个结点的电池。
优选地，其基板为与外延生长以生产结点的那些材料具有类似的网状参数的锗或AsGa。硅作为基板的应用如文献所述需要利用智能切割技术，该技术包括分离元件的活性部分(在AsGa或锗层上进行)以及将元件的活性部分通过分子粘附粘合在硅基板上。优选地，覆盖基板的直接带隙材料为根据元素周期表的III/IV合金，尤其优选AsGa(砷-镓)、GaInP(镓-铟-磷)和/或GaInAs(镓-铟-砷)，尽管任何直接带隙材料都适合。
尤其优选地，用于本发明的光伏电池2是由锗基板上的AsGa和/或GaInP材料制成的电池。
根据材料的发射波长选择材料。事实上，根据本发明的光生物反应器的优点之一是为培养的光合微生物提供其光合作用吸收的特定波长，并因此最优化生物质繁殖条件。
有利地，根据本发明所使用的光伏电池具有基板以及一种或两种直接带隙材料，即两个或三个结点，并发射一种或两种波长。有利地，它们发射相应于叶绿素色素的波长。有利地，他们发射在400至450nm和640至700nm的间隔内的波长。
光伏电池照亮几十平方厘米，常规约100cm2。根据本发明，他们优选布置在面板7上。尤其优选地，光伏电池覆盖面板7以并列形成多达1平方米区域的表面积的平面均匀照明系统。光伏电池可包括在面板的任何一侧的各种材料。例如，面板的一侧可覆有发射一种波长的光伏电池，而面板的另一侧可覆有发射另一波长的材料的光伏电池。
光伏电池2优选地位于：
-或者在浸入培养基3中的适宜透明度(adapted transparency，AT)的密封容器5中的培养箱1内。
-或者在距培养箱的外壁6的短距离的培养箱的外部，所述壁包括用于所发射的波长的通道的适宜透明度的材料。在一个具体的实施方式中，根据本发明的光生物反应器包括多个由光伏电池分隔的培养箱。例如多个(例如两个)平行六面体的培养箱通过光伏电池2的面板7堆叠并分隔(见图6)。
“适宜透明度”(AT)的容器为在提供光合作用的波长中提供最佳光产率的容器。合适的适宜透明度的材料为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、有机玻璃、玻璃、聚碳酸酯、PMMA面板。
术语“短距离”是指几毫米至几十厘米，优选地从几毫米至几厘米。
具体地，上述短距离包括0.1至20cm的距离，优选0.5至5cm，更优选0.5至2cm，特别优选约1cm。
在特定类型的光生物反应器操作中，可优选使用低的微藻浓度。因此，相当一部分的光或未被培养基吸收，从而离开反应器。该光可通过将反应器的外壁变换为镜子(例如，铝、银金属涂层)而以第二通道返回至培养基。
培养箱1通常具有圆柱形或平行六面体形状。
通过注入触点8对光伏电池供电。优选地，这些触点8布置在发光的光伏电池2的面板的末端。他们具有称为欧姆的低电阻率。调节触点栅格的间隔能够使发射的光能的阵面进行空间调制。
优选地，以串联构造组装光伏电池。
有利地，光伏电池通过具有良好导热性的绝缘体与其基板电绝缘，例如DuPont公司开发的
Figure BDA00001953917500071
型、聚对苯二甲酸乙二醇酯。
根据一个实施方式，根据本发明的光生物反应器包括用于冷却光伏电池2的系统8。有利地，冷却系统9包括在密闭容器5中循环的传热流体10，所述容器5与相对于传热流体10的密闭容器的外部冷却装置连接。
有利地，传热流体10选自其透明度在波长范围0.3微米至1微米，且在此波长范围内不应有明显的吸收。适合的传热流体的为硅油、全氟油或空气。
传热流体10通过接触直接冷却光伏电池2。它由根据本发明的光生物反应器的冷却系统冷却，并传送至培养箱1的外部。这种流体的热调节进一步能够对培养箱进行温度调节控制。
根据本发明的光生物反应器可进一步包括用于注入气体的系统11，尤其是将CO2注入培养箱1。
根据本发明的光生物反应器的培养箱1可被设计用于各种各样的工业或实验室应用。
实验室规模的培养箱1的尺寸是：高以及直径(圆柱形容器)或宽(平行六面体容器)从几十厘米至几百厘米。实验室规模的培养箱1的体积小于1立方米。有利地，培养箱1为工业化培养箱1。
工业规模的培养箱1的尺寸为几米。
工业规模的培养箱1的体积大于1立方米。培养箱1由用于容纳培养基的合适的材料制成，例如由金属或聚合物制成，优选地选自由PMMA、聚碳酸酯或不锈钢所组成的组。例如，也可设想由混凝土类型的结构材料制成的容器。
根据光伏电池放置于培养箱外部的实施方式，培养箱由适宜透明度的材料制成。
根据光伏电池放置于培养箱内部的实施方式，光生物反应器的培养箱1的内壁12有利地反射以最小化密闭容器外部的光线损失。他们可涂覆有反射材料或涂料。因此降低了用于光合微生物培养所需的能耗。
根据本发明的光生物反应器可进一步包括用于混合培养基3的系统13。
混合系统13具有两个主要功能。第一，需要促进培养基的温度均匀化。第二，提高微生物的照明度的均匀化。事实上，通过这种混合，微生物从最高照明度的区域移动至最低照明度的区域以及相反地移动。
通过各种技术手段进行培养基的混合，目前，最常见的是被称为“气升式”技术。也可使用机械搅拌：阿基米德螺旋、水推进器、拉什顿型、水翼等。
有利地，所使用的被称为“气升式”的混合技术包括将加压气体，例如空气注入培养箱1的下部。比液体的密度低的空气迅速以气泡的形式上升。通过气泡的向上运动，运载液体和微藻。空气可垂直注入，但也可以一角度注入，以使被运载的液体从培养基的一个壁至另一壁，从而促进微藻所需养分和CO2的混合。由于它们上升，培养液的此移动也确保了对于所有微藻的平均照明度。然后微藻下降至无空气气泡上升的体积内。因此形成了密闭培养液循环。该技术能够进行包含微藻的低能耗和低应力的混合。
培养基可通过利用进料器14沿着培养箱的高度分布的初始侧向(CO2+空气)注入系统完成的在本质上产生垂直推力的传统气升式系统进行部分混合。术语“进料器”表示适合于将气体或液体从来源运载至气体或水被注入的点的线或管。所述进料器14将被安置于紧靠培养箱1或密闭容器5的壁20的培养区域。注入喷嘴15分布在一个(或多个)进料器14上。进料器的数量以及倾斜度将取决于传递给微生物的推力类型(横向推力、垂直推力、或适用于形成生物质全部运动的推力、使水藻从反应器的一个边缘至另一边缘的周期性运动、向上运动)。有利地，这种管理生物质横向运动的能力将用于均匀化其照明度，即优选以精确的倾斜度定向向上。此外，在该反应器的设计中，可调整横向推力的强度，以便于微生物在照明和未照明区域之间的空间运输时间形成某些类型藻类生长所需的照明循环(照明时间/未照明时间)。
有利地，培养物的体积是固定的，或连续地从培养箱1的顶部除去，并立即在培养箱1的底部或进料器14内通过注入等体积的包含养分的水进行替换。该方法有助于降低在反应器内引起液体循环所需的能量。
冷却系统9在调节光生物反应器的培养基3的温度的同时，可除去光伏电池2释放的热量。
冷却系统9可包括热交换器。例如，该热交换器包括在培养箱1的外部用于运输16热的传热流体10的单元，以及构成为在冷却水的相反方向上使热的传热流体循环的冷却器，上述单元例如为连接至培养箱1的上端并联接有泵17的管道(见图8)。有利地，传热流体10在培养容器1的一端在顶部或底部从培养容器1中排出，并通过另一端进入培养箱1。冷的传热流体10通过用于运输冷的传热流体的单元19，例如管道返回培养箱1。
有利地，根据本发明在光生物反应器中的光伏电池的数量为，使得光伏电池大致沿着培养箱1的整个高度延伸覆盖面板7。
光伏电池2的面板7的布置适合于光生物反应器的形状。
例如，当光生物反应器具有圆柱形状培养箱时，为了最近似的圆柱形状，面板形成多边形，优选六边形或八边形横截面的管(见图7)。
为了校正在多边形拐角的边缘效应，可局部调节注入电流的强度，这是因为光强度与注入电流的强度成正比。注入电流的强度可通过调整注入触点栅格8来调节。
也可使用聚合物漫射材料(polymer diffusing material)以提高波阵面的均匀化。如果光伏电池的面板7置于培养箱内，这种薄层材料可覆盖紧闭容器5的外壁20，或者如果光伏电池2的面板7置于距外壁6的短距离的培养箱1的外部，这种薄层材料可覆盖培养箱的壁6。
本发明的另一目的是使用以反向光模式供电的光伏电池2照明光生物反应器的培养基。
本发明的又一目的是使用根据本发明的光生物反应器培养光合微生物，优选微藻。
阅读本发明实施方式的描述，本发明其它的特征和优点将显得更清楚。描述参照下列附图。
附图说明
图1为LED发射图；
图2为光伏电池发射图；
图3为在边缘注入电流增强的光伏电池发射图；
图4为LED并列发射图；
图5为并列的光伏电池面板发射图；
图6a-6b为包括在两个培养箱间插入的光伏电池的面板的平行六面体光生物反应器的透视图和前视图；
图7a-7b为包括在浸入培养基中的密封管中放置的六边形截面管上布置的光伏电池的面板的圆柱形光生物反应器的透视图和径向剖面图；
图8为光伏电池的冷却系统以及光生物反应器温度调节系统的外观；
图9为安装在壁上用于混合培养基的系统详图。
具体实施方式
将参照附图说明根据本发明的光生物反应器。
图1至5为能量发射图。准点(quasi-point)LED发射“朗伯”模式(波瓣)的能量。能量的大部分垂直于半导体的表面发射。该能量在离开法线到半导体的过程中降低。其未平行于该表面。通过增加基础波瓣，可使发射表面延伸超出自然波瓣宽度以在平行于半导体表面的平面(xOy)内形成能量恒定的发射表面。在图中，LED或光伏电池为O中心的且其表面垂直于(Oz)取向。这些波瓣的截面沿着平面(xOz)示出。
图1表示位于参照中心的LED的发射图。假定负极为准点(尺寸上小于1平方毫米)。通过绕轴(Oz)旋转而存在恒定性。
图2表示本发明所使用的反向光伏电池的发射图，在这种情况下，具有电流注入指状物的恒定间隔。在电池中心附近，平行于(xOy)的平面上的光强度是恒定的。
图3表示反向光伏电池在电流注入指状物的间隔通过移动边缘靠近在一起而收缩时的能量发射图。在边缘处注入电流密度更大，因此光强度增加。
图4表示各LEDs的带(strip)(沿(Ox)布置)的发射图。增加光输出产生不均匀的阵面，其不均匀性取决于带上两个连续的LED之间的距离。
图5表示各LEDs的带(沿(Ox)布置)的发射图。如果电池足够靠近，在平行于(xOy)的平面内的光强度是恒定的，因此，接收到的能量仅取决于距电池的距离：事实上，输出不均匀性与进行测量处的距离无关。
根据第一个实施方式，光生物反应器为圆柱形(图7)。光伏电池2布置在六个面板7的两面，该六个面板形成具有六边形横截面的管。这些面板7的长度为光生物反应器的高度。如图7a所示，这些面板7放置在由透光材料制成的密封管5中，依次浸入在培养基3中，将培养基分成“内”部3a和“外”部3b。面板连接至电流注入触点8。
根据第二个实施例，光生物反应器为平行六面体(图6)。光伏电池2布置在一个或多个金属面板7的两面。这些面板的尺寸为光生物反应器的那些尺寸。这些面板(X)被放置于光生物反应器的外部，优选在两个堆叠的培养箱之间。面板连接至电流注入触点8。光伏电池通过绝缘体与金属面板电绝缘，该绝缘体具有良好的热导性，例如
Figure BDA00001953917500121

Claims (13)

1.一种光生物反应器，用于培养光合微生物，优选微藻，所述光生物反应器包括：
(a)至少一个培养箱(1)，用于容纳所述微生物的培养基(3)；
(b)光伏电池(2)，与所述培养基(3)隔离，向所述培养基(3)发射光；
(c)单元(4)，用于对所述光伏电池(2)供电，以使所述光伏电池在光发射模式下运行。
2.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述光伏电池(2)布置在面板上，优选覆盖所述面板的整个表面。
3.根据权利要求1或2所述的光生物反应器，其特征在于，所述光伏电池(2)为具有一个结点或二个结点的电池。
4.根据上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光伏电池(2)由III/V直接带隙材料制成。
5.根据上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光伏电池(2)放置在浸入所述培养基(3)中的适宜透明度(AT)的密闭容器(5)中。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光伏电池(2)放置在距所述培养箱的外壁的短距离的所述培养箱的外部，且所述培养箱的外壁包括用于所述光伏电池发射的波长的通道的适宜透明度的材料。
7.根据权利要求6所述的光生物反应器，包括多个平行六面体培养箱，通过光伏电池(2)的面板(7)堆叠并分隔。
8.根据上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，包括用于冷却所述光伏电池(2)的系统(9)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，包括用于混合所述培养基的系统(13)。
10.根据权利要求1至5和8至9所述的光生物反应器，包括：
(a)圆柱形培养箱(1)，用于容纳微生物培养基(3)；
(b)光伏电池(2)，与所述培养基(3)隔离，覆盖面板(7)，所述面板大致沿着所述培养箱(1)的整个高度延伸，放置在浸入所述培养基(3)中的适宜透明度(AT)的密闭容器(5)中，且布置为具有多边形横截面的管。
11.根据权利要求1至4和6至9所述的光生物反应器，包括：
(a)多个平行六面体培养箱(1)，堆叠并分隔，
(b)光伏电池(2)的面板(7)，所述面板具有所述培养箱的一面的尺寸。
12.一种以反向光模式供电的光伏电池(2)在照明光生物反应器的所述培养基中的应用。
13.一种根据权利要求1至11中任一项所述的光生物反应器在培养光合微生物，优选微藻中的应用。
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