CN105899652A - 具有开口的、用于对光生物反应器供应光和营养物质的中空的光导 - Google Patents

Abstract

描述一种长形的中空的光导(1)，如所述光导尤其能够使用在光生物反应器中那样，用于用光和营养物质供应光养的生物体。光导(1)具有由透明材料构成的护套(3)，所述护套包围中空的芯(5)。中空的芯具有至少1mm、优选至少3mm或1cm的直径。在护套(3)中构成直径为至少0.5mm、优选至少1mm的多个开口(7)。光能够穿过透明的护套传播并且优选沿着整个光导(1)侧向地(19)射出。能够将营养物质(15)穿过所述中空的芯(5)传导到所述光生物反应器的内部中。相反地，也能够将掺有生物体的溶液的一部分通过中空的芯(5)抽吸，例如以便对其进行分析。

Description

具有开口的、用于对光生物反应器供应光和营养物质的中空的光导

技术领域

本发明涉及一种特殊构成的中空的光导以及光导装置。此外，本发明涉及一种光生物反应器，在所述光生物反应器中使用这种光导或这种光导装置。本发明还涉及一种用于运行光生物反应器的方法以及一种用于制造可有利地应用在光生物反应器中的光导的方法。

背景技术

光养的生物体是最小的生物，其例如呈微生物体的形式，所述生物能够直接将光作为能量源用于其新陈代谢。光养的生物体包括例如特定的植物、苔藓、微型藻类、大型藻类、蓝藻和紫藻。

对于不同的使用目的能够期望的是，能够以大的量和低廉的成本制造呈藻类形式的生物质。例如，这种生物质能够用于产生例如用于运输领域的替选的生物燃料。

为了能够以工业规模产生生物质，使用所谓的生物反应器。生物反应器是用于在生物体的天然环境之外且在人工技术环境之内产生生物体的设施。所谓的光生物反应器用于培养光养的生物体。在此，光生物反应器对光养的生物体提供光和营养物质，例如CO₂以及适当的营养液，以便能够形成相应的生物质。

通常，对于光生物反应器已知的是开放式的还有封闭式的系统。每个这种类型的光生物反应器都具有特定的优点和缺点。

在开放式的光生物反应器系统中，部分地也称作为开放式培养池(open ponds)中，光养的生物体在开放式的槽或池塘中受控地培养。在此，通常在一个循环中运送营养液或培养悬浮液并且从开放式的表面起通常直接被太阳照射，所述营养液或培养悬浮液包含对于相应的生物体所需的全部营养物质和CO₂。

这种开放式的光生物反应器的可能的优点是相对小的技术耗费以及小的电消耗。

然而，仅仅在朝上方开放的面之上进行照射随之引起会用充足的光仅供应小的体积。光通常仅能够进入到掺有生物体的营养液中几厘米。因此，这种开放式的光生物反应器系统的深度通常限制于20cm至30cm。小的平均的光输入引起小的与面积相关的生长速率。因此，对于开放式的光生物反应器系统必须提供大量的面积。由此尤其在居住密集区域中显著提高这种光生物反应器的成本。

此外，在露出的表面上能够引起强烈的蒸发进而引起盐化效应。此外，大量的CO₂能够经由露出的表面扩散到大气中。反之，污染物能够经由露出的表面到达开放式的光生物反应器中，将所述光生物反应器污染进而损坏产物纯度。此外，对这种开放式的光生物反应器系统的可能所需要的加热或冷却是困难的。在仅用阳光照射的情况下，还存在日间相关性，其中更深的层往往仅被不充足地照射，而直接地在开放式的系统的表面上能够出现极其高的照射强度，所述照射强度有可能会引起所谓的光抑制。

所提出的缺点或者限制性的边界条件的总体尤其能够引起：呈开放式培养池形式的开放式的光生物反应器系统通常仅在完全特定的地理区域中能够全年使用。

为了一方面实现降低环境条件的影响并且为了另一方面在光养的生物体的培养中实现更高的产量，研发封闭式的光生物反应器系统。在这种封闭式的系统中，营养液连同生物体一起通过闭合的循环传导并且在此通常从外部进行照射。

例如，在管式光生物反应器中将玻璃管或者塑料管组合成闭合的循环，并且封入其中的生物体借助于例如能够包含适当的泵和传感器的中央单元供应营养物质和CO₂。

封闭式的光生物反应器通常允许高的过程控制，因为生物体和环绕的营养液能够在封闭式系统中被良好的加热或冷却、监控pH值并且必要时能够对pH值进行调整并且能够提供附加的光。封闭式系统在面积需求小的情况下允许高的产量，因为例如能够彼此相叠地设置多个封闭式系统，或者系统的管能够沿竖直方向伸展并且在此能够从所有侧进行照射。但是在此始终要预期到遮蔽效应。此外，在低污染的情况下的高的产物纯度，低蒸发以及低的电磁损害(EMV)也是可行的。

然而，在构建复杂的封闭式的光生物反应器时的技术耗费和相应的设施投资成本与开放式系统相比通常是极其高的。

已经研发多种技术解决方案，以便提升光生物反应器的效率。在此，所需要的资源的量(例如应提供的呈光和/或电能形式的能量、应提供的面积、应提供的营养物质等)相对于光生物反应器的呈生物质形式的产量与尽可能大量地以化学方式存储在其中的能量可以理解为光生物反应器的效率的度量。

例如在EP 2 520 642 A1中描述具有旋转振动的光源的光生物反应器。

发明内容

能够视作为本发明的目的的是，提供如下可行性：尤其以简单且低成本的方式对用于培养光养的生物体的光生物反应器供应光还有营养物质。

所述目的通过根据独立权利要求的主题来实现。有利的实施方式在从属权利要求中以及在下面的描述中说明。

根据本发明的第一方面，提出一种特殊构成的长形的中空的光导。光导具有由透明材料构成的护套，所述护套包围中空的芯。在此，中空的芯具有至少1mm、优选至少3mm或至少1cm的直径。在护套中构成多个直径为至少0.5mm、优选至少1mm、可能也为至少2mm的开口。

根据本发明的第二方面提出一种光导装置，其具有根据上述第一方面的多个光导。

根据本发明的第三方面，提出一种光生物反应器，其具有：用于容纳溶液中的生物体的容器以及根据上述第一或第二方面的光导或光导装置以用于对容器中的生物体供应光和营养物质。

根据本发明的第四方面，提出一种用于运行这种光生物反应器的方法。该方法包括将光经由光导引入到掺有生物体的溶液中，以及将营养物质经由光导的中空的芯引入到掺有生物体的溶液中。

根据本发明的第五方面，提出一种用于制造根据上述第一方面的光导的方法。在此，首先提供具有由透明材料构成的护套的中空的光导，所述护套包围中空的芯，以及随后在护套中通过激光辐照产生直径为至少0.5mm的多个开口。

在由此不应限制本发明的主题的情况下，本发明的实施方式的思路还能够视作为下述思想和见解的基础。

光养的生物体在其培养期间应被尽可能好地供应光和营养物质。对于常规的、尤其封闭式的光生物反应器已经提出：光例如借助于光导直接引入到光生物反应器的容器的内部中。在此，在容器中以容纳在营养液中的方式存在光养的生物体。为了对光养的生物体供应营养物质，所述营养物质通常经由不同的支流导入到容器的内部中的营养液中。例如，分别经由单独的支流导入气体例如CO₂、水和微量元素。这通常需要光化学反应器的复杂的结构以及与其耦联的不同的营养源。

现在提出：通过如下方式显著地简化光生物反应器的结构：即光和营养物质都能够经由光导引入到光生物反应器的容器的内部中。对此提出特殊构成的中空的光导。

光导至今为止主要用于：将光尽可能无损失地从一个地点传导到另一地点。光导在此例如以玻璃纤维的形式通常用于数据传输。通常将高度透明的玻璃用作为用于这种光导的材料。为了能够实现这种光导的充足的机械柔韧性，光导通常制成为薄的纤维，其具有通常显著小于1mm的外径。

此外已知如下中空纤维，如其例如在纺织工业中用作为隔音材料或有吸附力的填充材料或用于构建过滤模块。然而为了该使用目的，中空纤维的护套不需要由透明的材料制成。

现在提出：将光导构成为一种中空纤维，其中一方面护套由透明材料制成并且另一方面由护套包围的中空的芯具有足够的直径，使得能够穿过其输送营养物质。为此，所述芯应当具有小于1mm、优选至少3mm或更好至少1cm的直径，以便能流动的营养物质在没有过量的摩擦损耗的情况下能够穿过所述中空的芯传输。

为了不仅能够在光导的端部处局部地输出通过中空的芯运送的营养物质而且在例如光生物反应器的容器之内能尽可能均匀地输出营养物质，在中空的光导的护套中设有多个开口。经由所述开口，光导的中空的芯与周围环境连接。所述开口的直径应至少为0.5mm、优选至少1mm，以便通过所述中空的芯运送的营养物质能够简单地且尽可能低摩擦地穿过开口向外流入到容器中。

因此，所提出的中空的光导有利地用于：将光和营养物质从一个地点传导或运送至另一地点。在此，光导的透明的护套主要用于传导光。此外，所述护套包围中空的芯，营养物质能够通过所述中空的芯运送。通过在外套中在期望的部位处构成的开口，在中空的芯中运送的物质随后能够向外排出。

在光生物反应器中，因此能够将这种中空的光导有利地用于从外部将光和营养物质引入到光生物反应器的容器的内部中。

根据一个实施方式，光导的护套由塑料构成。将塑料用于护套也能够在所提出的光导需要大的直径的情况下确保充足的机械抗性和/或充足的机械弹性。对于护套能够使用任何塑料或任何塑料混合物，所述塑料或塑料混合物在适宜的机械特性的同时具有对于预期的使用目的而言充足的光学透明度。特别地，能够将聚甲基丙烯酸甲酯用作为用于护套的塑料，例如POF光导(英语：“polymer optical fiber”聚合物光纤)。

根据一个实施方式，护套由能够无损坏地加热到至少60℃的材料制成。由此能够实现对光导热灭菌。这尤其对于在光生物反应器中的使用能够是重要的。

根据一个实施方式，护套在至少一个端面上封闭。这具有的优点是：借助于封闭的端面实现光的简单的耦合输入。该优点也能够在光导在端面的区域中实心地构成时、即非中空地构成时实现。例如，实心地构成的区域从端面延伸至光导的1mm、1cm、20cm或直至50cm的长度。封闭的端面的另一优点是：要引入的气体和/或营养物质能够从为此设置的开口中排出，例如能够控制气体和/或营养物质的引入，例如通过每单位光导长度的开口数量来控制。

根据一个实施方式，在具有多个上述中空的光导的光导装置中，光导具有不同的外径。这通常也表示：不同的中空的光导具有不同的内径，即中空的芯具有不同的直径。在此，不同的光导能够匹配于不同的应用目的。例如，具有较小外径的进而较小的中空的芯的光导能够良好地用于运送气态的营养物质、例如CO₂，因为在此摩擦损耗通常是次要的。相反，为了运送液态的营养物质、例如掺有微量元素的水能够使用具有更大直径的进而更大的中空的芯的中空的光导，使得液态的介质尽管其与气体相比具有高的粘性仍能够充分低摩擦地穿过光导的中空的芯运输。

根据一个实施方式，光导能够组合成束。在此，多个光导能够机械地彼此连接，例如借助于粘结剂或连接纤维彼此连接，进而例如能够更好地操作。

根据一个实施方式，光导替选地也能够彼此交织成垫。在这种交织成垫的设计方案中，光导能够在没有其他的辅助措施例如粘结剂或连接纤维的情况下足够牢固地彼此机械连接。

尤其对于在光化学反应器中的应用而言，所提出的中空的光导还能够具有其他有利的特征。

例如，护套在其朝向中空的芯定向的内表面上能够设有附加的层。该附加的层例如能够确保相对于穿过中空的芯传导的介质的化学抗性。附加的层也能够用作为反射层，以便防止在护套中传导的光朝向中空的芯的一侧离开护套并且随后例如吸收在中空的芯中传导的介质进而失去对光养的生物体的光供应。为此，附加的层例如能够是金属的。

中空的光导的护套还能够有针对性地构成为，使得在护套中传导的光不仅仅在光导的端面处射出，而且该光的显著份额已经事先侧向地横向于光导向外耦合输出。由此例如能够在光生物反应器中实现：光不仅局部地进而以高的强度在光导的端部处耦合输入到容纳生物体的溶液中，而且大面积地沿着例如光导的整个护套表面用光照射溶液。为此例如能够有针对性地将护套的外置的表面粗化，以便诱发光从光导侧向地耦合输出。

中空的光导或光导装置，如其之前描述的那样，尤其能够有利地用于光生物反应器，以便在所述光生物反应器中为生物体供应光和营养物质。在此，光生物反应器根据一个实施方式能够具有光源，所述光源与光导中的至少一个连接，使得将光从光源耦合输入到光导中并且能够经由光导传送到掺有生物体的溶液中。光生物反应器还能够具有营养源，所述营养源与光导中的至少一个连接，使得能够将营养物质从营养源引入到光导的中空的芯中并且能够经由中空的芯能够传送到掺有生物体的溶液中。

在一个具体的实施方式中，光生物反应器能够具有多个不同的营养源和多个不同的光导，其中每个营养源都构成为用于提供液态的或气态的营养物质并且与光导中的至少一个连接，使得将营养物质从营养源引入到光导的中空的芯中并且经由中空的芯能够传送到掺有生物体的溶液中。在此，尤其能够有利地利用：根据应将何种营养物质从营养源传送到溶液中，能够应用具有不同的特性的不同的光导。例如，为了传送气体能够应用比为了传输容纳在液体溶液中的营养物质更薄的芯直径的中空的光导。

根据另一实施方式，光生物反应器还能够具有抽吸设备，所述抽吸设备构成为用于并且与光导中的至少一个连接成：借助于所述抽吸设备从容器中穿过光导的中空的芯抽吸掺有生物体的溶液并且随后提供用于对掺有生物体的溶液进行分析。换言之，中空的光导不仅能够设置用于：将光和营养物质引入到光生物反应器的容器中，而且也能够以相反的方向将掺有生物体的营养液经由中空的光导从容器中取出，以便例如对其进行分析。

需要指出的是：本发明的实施方式的可行的优点和特征在此部分地参考根据本发明的中空的光导、部分地参考根据本发明的光导装置、部分地参考根据本发明的光生物反应器、部分地参考用于运行这种光生物反应器的方法并且部分地参考用于制造光导的方法来描述。本领域技术人员认识到：不同的特征能够以适当的方式组合、交换或者类似的转用，以便得到本发明的其他的实施方式。

附图说明

下面，参考所附的附图描述本发明的实施方式，其中描述和附图都不能够理解为限制本发明。

图1示出根据本发明的一个实施方式的中空的光导的横截面视图。

图2示出根据本发明的一个实施方式的中空的光导的立体图。

图3示出根据本发明的一个实施方式的光导装置的立体图。

图4示出根据本发明的另一实施方式的交织的光导装置的立体图。

图5示出根据本发明的一个实施方式的光生物反应器。

附图仅是示意性质的并且不是符合比例的。相同的附图标记在不同的附图中表示相同的或起相同作用的特征。

具体实施方式

在图1和2中示出根据本发明的长形的中空的光导1的立体图或横截面图。光导1具有由透明塑料构成的护套3，所述护套包围中空的芯5。护套3是圆柱形的并且具有例如1cm的外径D_a。护套3的内径D_i对应于中空的芯5的直径并且例如为0.5cm。

在光导1的护套3中至少在一个子区域中构成多个连贯的开口7，中空的芯5经由所述开口与周围环境处于连接并且尤其能够交换流体。开口7例如具有至少0.5mm的直径d。开口7在此彼此间隔开地设置在护套中，其中相邻的开口7之间的间距优选显著大于开口7的直径d，以便不过度地减弱光导1的稳定性。

在图1中示出的实例中，光导1的护套3在端面处(在图1中在右侧上)封闭。

光导1例如能够使用在光生物反应器中，以便能够将光13和营养物质15从外部引入到光生物反应器的内部中的容器中。

来自光源的光13在此能够耦合输入到光导1中，尤其是其护套3中，并且随后能够类似于常规的光导沿着光导1传播。光导1在此优选有针对性地调整为，使得光13不从一个端部完全穿过光导1传播至另一端部，而是其沿着光导1逐渐地并且优选连续地向外从护套3耦合输出，如在图1中通过箭头19表明的那样。因此，光13不需要局部地在光导1的端部处耦合输出，而是能够沿着护套3的整个外表面耦合输出进而大面积地照射包含在光生物反应器的容器中的掺有生物体的溶液。

类似地，开口7也优选均匀地分布在光导1的护套3之上，使得在中空的芯5中传送的营养物质15沿着光导1的长度优选能够穿过多个开口7均匀地向外排出并且能够供应包含在周围的溶液中的生物体。

因此，借助于光导1能够同时将光和营养物质、例如气体、液体和在其中溶解的微量元素形式的营养物质引入到光生物反应器中。同样地，掺有生物体的营养液能够沿相反的方向从生物反应器的容器中抽出，如通过箭头17表明的那样，以便例如能够在外部对其进行分析。

在图3中示出根据本发明的光导装置21。光导装置21具有由多个光导1构成的束9。在此，光导1具有不同的直径。通过进入芯5中的更小直径的光导1例如能够传导气体例如CO₂，而通过具有更大直径的光导1的中空的芯5也能够传导液体。气体和液体都能够通过开口7向外排出到例如存在于光生物反应器中的营养液中。

图4示出光导装置21的一个替选的设计方案，其中将多个光导1交织成垫11。在此，能够在经线方向和纬线方向上使用相同或不同类型的光导1，其中光导1尤其关于其直径方面能够是不同的。尤其在光导1在织物11之内最强弯曲的区域中能够引起对在光导1中引导的光的局部的耦合输出，例如用箭头19表明的那样，使得光能够优选在整个垫11之上并且横向于其表面耦合输出。以该方式例如能够大面积地照射光生物放映器中的营养液。

图5示意地说明根据本发明的一个实施方式的光生物反应器100。光生物反应器100具有容器23，在所述容器中光养的生物体能够容纳在溶液25中。在容器23中容纳多个光导1，以便能够对光养的生物体供应光和营养物。光生物反应器1还具有至少一个光源27以及至少一个营养源45、47。

光源27能够具有用于人工产生光或用于收集天然产生的光并且随后将所述光耦合输入到共同的光导1中以供给生物反应器100的一个或多个部件。一方面，光源27在此能够构成为用于收集阳光和将其耦合输入到光导中的光源29。为此，光源29例如能够构成为具有凹面镜的阳光收集器30，所述阳光聚焦到接收器上。附加地或替选地，光源27能够构成为人造光源31，其中例如借助于LED32或激光器33产生光，所述光随后入射到由偏光器和遮光器构成的装置35上，所述装置又借助光导1连接至光生物反应器1的容器23。人造光源31在此例如能够供应来自替选的源例如风电场39或太阳能电池41的电流或者替选地通过常规电流43进行供应。电流在此例如能够经由缓冲蓄电池37(Pufferbatterie)暂存，使得人造光源31即使在缺乏日照的情况下也能够照射光生物反应器100。

然而，根据本发明，光导1不仅用于将从光源27接收到的光传送到容器23的内部中和传送到包含在容器中的掺有生物体的溶液25中。补充地，营养源45、47与光导1以及尤其与其中空的芯5连接。例如将包含CO₂和其他营养物质的营养液从该营养源45、47馈入到中空的光导1的内部中并且经由中空的芯5随后传送到容器23中。在那里，营养物质能够经由开口7从中空的光导1中排出。

在反转流动方向时，中空的光导1也能够用于：经由抽吸设备49从容器23中抽出掺有生物体的溶液25，以便例如能够分析所述溶液。溶液25在此穿过开口7在光导1中在其芯5中供应并且随后从容器23的内部向外例如朝向分析装置泵送。

为了能够将从中空的光导1排出的营养物质均匀地分布在整个容器23之内，还设有搅拌器51，借助于所述搅拌器能够持续地翻转溶液25。

为了制造根据本发明的中空的光导，首先能够提供其中由透明材料构成的护套3包围中空的芯5的光导。在此，中空的芯5优选应具有至少1mm、更优选至少3mm或1cm的直径。随后，在光导1的护套3中能够产生多个开口7。为此，护套局部地用足够功率密度的激光辐照，使得护套3的材料局部地被移除并且形成开口7。对此应用的激光的直径和功率能够适当地选择成使得形成直径为至少0.5mm的开口。当光导1在该加工阶段中已经是中空的时，随后能够借助唯一的激光辐照在护套3的相对置的区域中同时产生两个开口7。

附图标记列表

1 光导

3 护套

5 中空的芯

7 开口

9 束

11 垫

13 光

15 营养物质

17 用于分析的营养液

19 侧向耦合输出的光

21 光导装置

23 容器

25 营养液

27 光源

29 天然光源

30 阳光收集器

31 人造光源

32 LED

33 激光器

35 由偏光器和遮光器构成的装置

37 缓冲蓄电池

39 风电场

41 太阳能电池

43 常规电流

45 营养源

47 营养源

49 抽吸设备

51 搅拌器

100 光生物反应器

Claims (15)

1.一种长形的中空的光导(1)，所述光导具有由透明材料构成的护套(3)，所述护套包围中空的芯(5)，

其中所述中空的芯具有至少1mm、优选至少1cm的直径(Di)，并且

其中在所述护套(3)中构成直径(d)为至少0.5mm、优选至少1mm的多个开口(7)。

2.根据权利要求1所述的光导，其中所述护套由塑料构成。

3.根据权利要求1或2所述的光导，其中所述护套由能够无损坏地加热到至少60℃的材料构成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光导，其中所述护套在至少一个端面上封闭。

5.一种光导装置(21)，其具有多个根据权利要求1至4中任一项所述的光导(1)。

6.根据权利要求5所述的光导装置，其中所述光导具有不同的外径(Da)。

7.根据权利要求5或6所述的光导装置，其中所述光导组合成束(9)。

8.根据权利要求5或6所述的光导装置，其中所述光导彼此交织成垫(11)。

9.一种光生物反应器(100)，其具有：用于将生物体容纳在溶液(25)中的容器(23)，和根据权利要求1至4中任一项所述的至少一个光导(1)或根据权利要求5至8中任一项所述的光导装置(21)以用于给所述容器中的所述生物体供应光和营养物质。

10.根据权利要求9所述的光生物反应器，还具有：

-光源(27)，所述光源与所述光导中的至少一个光导连接，使得光从所述光源耦合输入到所述光导中并且能够经由所述光导传送到掺有生物体的所述溶液中，和

-营养源(45，47)，所述营养源与所述光导中的至少一个光导连接，使得营养物质从所述营养源引入到所述光导的中空的芯中并且经由所述中空的芯能够传送到掺有生物体的所述溶液中。

11.根据权利要求10所述的光生物反应器，其具有多个不同的营养源和根据权利要求1至4中任一项所述的多个不同的光导，其中每个所述营养源都构成为用于提供液态的或气态的营养物质并且与所述光导中的至少一个光导连接，使得营养物质从所述营养源引入到所述光导的所述中空的芯中并且经由所述中空的芯能够传动到掺有生物体的所述溶液中。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的光生物反应器，还具有抽吸设备(49)，所述抽吸设备构成为用于并且与所述光导的至少一个连接，以便将掺有生物体的溶液从所述容器中通过所述光导的所述中空的芯抽吸并且提供用于对掺有生物体的所述溶液进行分析。

13.一种用于运行根据权利要求9至12中任一项所述的光生物反应器(100)的方法，其包括：

将光(13)经由所述光导(1)引入到掺有生物体的所述溶液(25)中，和

将营养物质(15)经由所述光导的所述中空的芯(5)引入到掺有生物体的所述溶液中。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

从所述容器中通过所述光导的所述中空的芯抽吸掺有生物体的所述溶液，并且将所抽吸的所述溶液提供用于对掺有生物体的所述溶液进行分析。

15.一种用于制造根据权利要求1至4中任一项所述的光导(1)的方法，包括：

提供具有由透明材料构成的护套(3)的中空的光导(1)，所述护套包围中空的芯(5)，以及

在所述护套中通过激光辐照产生直径为至少0.5mm、优选至少1mm的多个开口(7)。