CN108138103A - 具有可中断的气体供应的生物反应器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种生物反应器。该生物反应器包括容纳有生长培养基的至少一个上升室和至少一个下降室，该下降室在顶部和底部连接到至少一个上升室以形成环路。气体入口连接到至少一个上升室，用于将脉冲气流供应到至少一个上升室。气流的脉冲意味着可以调节生物反应器中的空气的量以根据需要以及在需要时减少气流的量。这节约了能量，同时基本上维持了生物反应器的生产率。

Description

具有可中断的气体供应的生物反应器
技术领域
本发明涉及用于培养光养微生物(例如但不限于藻类和蓝藻细菌)以及光养生长的细胞(例如但不限于苔藓)的生物反应器。本发明还涉及用于操作这样的生物反应器的方法。
背景技术
生物反应器是使用例如酶、微生物(细菌、真菌、酵母、藻类、蓝藻细菌)以及动物和植物细胞(例如苔藓)进行物质的生物转化的发酵罐。可以在生物反应器内调节诸如温度、pH值和营养条件的操作条件以优化转化过程的操作条件。生物反应器的功能因而包括：材料在流体相中的传递(混合)，在第二相(大多数情况下为空气)中的扩散，以获得用于从气体到液体的良好的材料传递的较大相界面，以及用于温度调节的热传递。生物反应器的设计取决于其应用，因而必须考虑所用生物系统的具体要求。
为了培养光养微生物以及光养生长的细胞，使用了所谓的光生物反应器。在可能的设计中，所谓的“气升式”光生物反应器可以用于培养光养微生物并使光养微生物的生长达到高细胞密度。这种气升式光生物反应器由斯图加特的Subitec GmbH生产。
气升式环路光生物反应器具有柱形反应器容器，其中在上升室的底部引入空气在由光生物反应器的形状所限定的环路内产生生长培养基的流体循环。气升式环路生物反应器因此被分成充气区域(上升室)和非充气区域(下降室)。充气区域和非充气区域在它们的底部和顶部相互连接，使得流体静压差引起泵效应，该泵效应导致含有来自充气区域的生长培养基的流体的溢出。生长培养基在反应器中的混合基本上是由单位时间的充气量所致，因此这种光生物反应器设计能够以低能量消耗实现良好的混合和高气体-流体质量交换。例如在专利文献DE 19916597或GB 2235210中描述了这种气升式光生物反应器。
美国专利7,374,928B2公开了光生物反应器的另一个示例，该专利公开了相对于气升流横向布置并收缩气流以在光生物反应器内形成迂环路径(只有侧视图示出迂回)的横向隔膜(或分隔壁)的存在。这种迂回的气体流动产生湍流的液体流动，并因而促进了光养微生物和光养生长细胞在光生物反应器内的混合，并在光源是单向时产生对于光养微生物和光养生长细胞中的单独一种的光稀释。
光生物反应器的其他示例在本领域中是已知的。例如，欧洲专利申请EP 2840128教导了一种光生物反应器，其包括具有外壁的罐、用于添加用于藻类的生长培养基的入口、用于从光生物反应器中提取藻类的出口。该光生物反应器包括CO2施加装置和光照装置。该罐具有第一室和相互连通的第二室，使得罐的培养基可以在两个室之间流动。CO2施加装置布置在第一室中用于向培养基供应二氧化碳，并且还可以包括用于施加压力波的装置。压力波被描述为“击中”由CO2施加装置产生的二氧化碳气泡以增加营养物质的吸收。
中国实用新型CN 201593046同样教导了一种气升式循环藻类生物反应器。该生物反应器包括彼此间隔布置的第一管列和第二管列、上连接管、下连接管和充气单元。第一管列包括限定第一培养空间的管壁，并且第二管列包括限定第二培养空间的管壁。上开口部分和下开口部分形成在每个管壁的两个相对的端部处。上连接管和下连接管连接在上开口部分之间以及下开口部分之间，以在第一培养空间和第二培养空间之间连通。充气单元可以供应来自外部气源的空气或气体，并且提供用于强制第一管列或第二管列之间的循环的机构，使得填充在其中的液体可以从一个培养空间流到另一个培养空间以实现循环流动的效果。
美国专利申请公开US2014/242681教导了一种光生物反应器系统，其可以包括用于使诸如微藻类的微生物或生物质生长或生成的一个或多个可流体连接的管。该系统可以包括单个管环路或管的阵列。第一流体可以保持在一个或多个管中，并且可以提供入口以用于将第二流体引入到一个或多个管中。一个或多个管可以竖直布置，使得第二流体上升通过一个或多个管。出口可以设置在一个或多个管的顶部以去除第二流体。第二流体可以经由入口管线和出口管线以及泵和用于保持第二流体的可替换的储存器再循环通过系统。在存在管的阵列的情况下，可以为每个管提供单一入口管线和单一出口管线。
国际专利申请WO2016/086165教导了包括具有侧面和底部的容器的生物反应器。容器中的至少一个开口连接到用于引入气体的装置，并且容器中的至少一个支架基本上竖直地定向在容器中。支架是相隔一段距离的两个基本上平行的片材。还公开了包括具有侧面和底部的容器的生物反应器，其中容器中的至少一个开口连接到用于引入气体的装置，并且容器中的至少两个支架基本上竖直地定向在容器中。该专利申请还包括培育细胞的方法，包括在公开的生物反应器中培养细胞悬液并通过容器中的至少一个开口引入气体。在一些示例中，细胞包括微藻类、大型藻类、细菌、真菌、昆虫细胞、植物细胞或动物细胞。
中国专利申请104328044教导了一种光生物反应器，其在光自养培养过程期间检测系统中用于光合作用的光照强度变化和液相二氧化碳浓度，进行二氧化碳的动态调节，用于随光强度调整二氧化碳的补充。所公开的光生物反应器用于有效地确保光合作用中能量输入和物质输入的协调，并且特别适用于以自然光作为光源的户外培养。
现有技术中的生物反应器都教导空气或气体供应单元，其向一个或多个生物反应器的底部供应连续的气体流，以实现使生长培养基混合的“气升”效果，如在美国专利7,374,928中描述的。
发明内容
本公开教导了一种生物反应器，其包括容纳有生长培养基的至少一个上升室和至少一个下降室，该下降室在顶部和底部连接至至少一个上升室以形成环路。气体入口连接到至少一个上升室，用于将可中断气流供应到至少一个上升室而不降低湍流和混合效率。可中断气流的控制意味着可以根据需要以及在需要时通过减少或增加气流的量来调节生物反应器中的气体的量，所述减少例如通过重复地中断气流来实现。这节省了能量，同时基本上维持了生物反应器的生产率。
在一个方面中，生物反应器中的气流的中断率被配置成根据在自然的太阳光条件下随机地落在生物反应器上的光强度来调节气流的量。已经发现，在一天的过程中可以在每一光强度(高达2500μmol m-2s-1，甚至低至零，例如在夜间)减少气流而不会损失生产率。
生物反应器还具有用于将二氧化碳气体供应到生长培养基的二氧化碳源。二氧化碳气体既可以与气体一起在上升室底部处供应到下降室，也可以单独供应到下降室。通常气体是空气，并且可以使用二氧化碳富集该气体至含1-10％的二氧化碳。在下降室中，可以供应超过10％的更高浓度。
操作生物反应器的方法包括向生物反应器供应用于使光养微生物或光养生长细胞中的至少一种生长的生长培养基，向生物反应器供应可中断气流以使生长培养基混合，生长培养基包括光养微生物或光养生长细胞中的至少一种，以及通过将气流(导致湍流)的中断率调节到符合给定光强度来调节可中断气流的流量以优化生长。
附图说明
图1示出了生物反应器。
图2示出了以生物反应器的上升室的形式的侧视图。
图3A和3B示出了说明气流的中断的一系列实验结果。
图4A至4C示出了光和流量对生长的影响。
图5A和5B示出了昼夜对生长的影响。
图6示出了一段时间后从生物反应器提取的藻类的干重。
图7示出了生物反应器的生产率。
具体实施方式
图1示出了本公开的生物反应器10。生物反应器10包括由下降室30分开的两个上升室20。两个上升室20和下降室30包括用于使光养微生物(例如但不限于藻类或蓝藻细菌)或光养生长细胞(例如苔藓)生长的生长培养基。藻类的非限制性示例是绿藻类小球藻(green algae Chlorella sorokiniana)和蓝细菌类嗜热蓝细菌聚球藻(cyanobacteriumThermosynechococcus elongatus)，下文将结合图2描述上升室20的构造：将理解的是，图1的生物反应器10具有两个上升室20和单个下降室30。其他生物反应器10可以具有不同数量的上升室20和下降室30。下降室30可以布置在生物反应器10的内部(如图1所示)或生物反应器10的外部。
生物反应器10具有气体入口40，气体入口40连接到上升室20的底部并携带来自气体管道50的气体并将该气体提供到上升室20以在上升室20内形成充气区域。生物反应器10还具有连接到培养基管道90的培养基输入端80，培养基管道90将培养基运送到生物反应器10中。
气体管道50可以连接到二氧化碳管道60，二氧化碳管道60携带来自二氧化碳源66通过二氧化碳阀64的二氧化碳。二氧化碳管道中的二氧化碳的流量通过二氧化碳流量计62测量。气体管道50和二氧化碳管道60之间的连接由于如下所述的为可选连接而在图1中以虚线示出。
气体管道50进一步连接到空气管道70，空气管道70将来自诸如压缩机76的空气源的空气输送通过质量流量控制器74和/或可控电磁空气阀72。穿过空气管道70的空气的量可以通过质量流量控制器72来控制。如下文所述，电磁空气阀72和质量流量控制器74连接到控制器78，控制器78测量和控制通过空气管道70的空气流量。可以理解的是，可以通过其他类型的阀代替电磁空气阀72以打开和关闭空气管道70并从而控制通过空气管道70的空气的移动。还将理解的是，空气管道70不需要同时具有电磁空气阀72和质量流量控制器74。如下文解释的，质量流量控制器74在与根据落在生物反应器上的人造光或太阳光的量而改变通过空气管道的空气的流量有关时特别有用。
培养基输入端80连接到培养基管道90，其通过第一培养基阀94连接到第一培养基源92或通过第二培养基阀96连接到第二培养基源100。第一培养基源92和第二培养基源100具有用于生物反应器10中的生物材料的生长培养基的各种成分。
生物反应器10的顶部具有用于移除过量气体使其通过过滤器120到达排气口130的出口管道110。生物反应器10具有至少一个产物出口25以收集在生物反应器10中生成的产物。
图2示出了上升室20中的一个的示例。上升室具有壁元件210，壁元件210在一个方面中由薄的柔性透光塑料箔制成。两个壁元件210被构造成具有从其内侧突出的横向元件220。横向元件220彼此平行地布置并且面向彼此。在生物反应器10的所示方面中，有七个横向元件安装在壁元件210的内侧上。当两个壁元件210放置在一起时，如图2所示，横向元件220在本示例中形成由横向元件220分开的十五个内室230。
横向元件220不会完全封闭上升室的内部。仍然有多个小的通道240在壁元件210的内壁和横向元件220之间形成。该多个小的通道240允许了从上升室20的一端(底部)穿过内室230到达上升室20的顶端的培养基和气体的通过。
在生物反应器10的操作期间，两个上升室20竖直定位，使得通过气体入口40进入的气体和通过培养基入口80进入的生长培养基被允许通过上升室20的小的通道240和内室230上升，如在美国专利US 7,374,928中所述的。气体使生长培养基混合并向生长培养基供应二氧化碳。多个横向元件220因而形成静态混合器以使内室240内的培养基和气体能够混合。气体是通常的环境空气。
气体通过出口管道110排出。如在US 7,374,928中所解释的，允许生长培养基向下循环通过下降室30，在下降室30中生长培养基被收集，并且允许生长培养基再次上升通过上升室20。
气体入口40的目的是通过在上升室20中产生气泡来使生长培养基充气以使生长培养基混合，从而使生长培养基中的光养细胞混合，驱动生长培养基并将二氧化碳气体添加至生物反应器10以实现生长。通常地，使用洗涤后的二氧化碳气体富集空气至含1-10体积％的二氧化碳。然而，从二氧化碳源66提供的二氧化碳气体的一部分将随排出的空气通过出口管道110流失。充气导致消除了生物反应器10中的任何化学浓度梯度。它还解决了由于藻类在生物反应器10内的生长限制了到达上升室20的内部的光的量而引起的光限制和光抑制的影响(由于每单位体积的光养细胞数量增加而导致的所谓的“自阴影(selfshadowing)”)。
也可以将单独的二氧化碳入口63安装到下降室30的顶部或内部以在生物反应器10中的此点处添加二氧化碳。该单独的二氧化碳入口允许内室中的由于充气而导致的混合和湍流与二氧化碳供应的提供相分离。该单独的入口与此同时对于在循环过程中气体形式的二氧化碳被吸收到培养基中提供了更多的时间，因为二氧化碳有时间在培养基向下循环通过下降室30以及向上循环通过上升室20时被吸收。二氧化碳供应可以基本上无气泡地实施。
空气阀72和/或质量流量控制器74控制来自压缩机76通过生物反应器10的空气流。空气阀72和/或质量流量控制器74与控制器78协同工作，并且可以通过气体入口40(如在US 7,374,928中已知的)向生物反应器10的底部提供连续的空气流(在本发明的一个方面中包括来自二氧化碳管道60的二氧化碳气体)，或者通过停止和开始气体的流动(“中断”)而提供气体脉冲(包括空气以及在连接的情况下包括二氧化碳)，并因而产生不连续的气体脉冲而不仅仅是连续的气体流。通过空气管道70向空气入口40提供空气消耗了大量的能量。通过使用空气阀72来向生物反应器10的上升室20提供不连续的空气脉冲，生物反应器消耗的能量的量可以显著减少。
图3A中的曲线图示出了向28L生物反应器10的上升室提供可中断的空气脉冲的效果。第一幅图示出了对于连续的空气流，以天数计随时间变化生物反应器中的材料的生长。进行了四次测试(N＝4)，曲线符合0.98的标准偏差R2。第二幅图示出了对于空气流的1:1的脉冲比率(在这种情况下为5s开启和5s关闭)，其中可以看出，没有显著的生产率损失而能量节约了50％。第三幅图示出了对于1:2的脉冲比率的情况的类似结果，1:2的脉冲比率即为5秒的脉冲空气的不连续的段紧接10秒的暂停。没有显著的生产率损失，但只有约1/3的能量输入。
接下来的两幅图示出了生产率的损失，即生物反应器10中的生长显著减少，并且为湍流而提供的空气少得多并且对于光养细胞的最佳生长是不充足的。在这两种情况下，空气脉冲为5秒，然后关闭空气15秒或20秒。图3A所示的实验表明，可以减少用于产生对于给定光照的最佳生产率的空气流所需的能量的量。
这些结果概括在图3B中，图3B对于各种脉冲比率在纵轴上示出了生产率(每天每升生长培养基中的干重)以及在横轴上示出了每升的干重。可以看出，对于给定光照，在连续流动和1:2的脉冲比率之间没有生产率损失，但对于较低的脉冲比率，生产率下降。
不连续的空气脉冲的时间长度取决于反应器的大小。图3B中示出的结果基于28L的反应器。180L的反应器将需要更长的空气脉冲，但是不连续的空气脉冲的开启和关闭之间的关系可以保持相同。一般认为，不连续的空气脉冲应当与使得气泡可以通过上升室20从底部升至顶部的时间具有相同长度。应当理解，不连续的空气脉冲导致在上升室20中形成一系列气泡。
在生物反应器10的一个方面中，可以使用质量流量控制器74来调节空气流，以便考虑落在生物反应器10上并由PAR传感器79检测的光的量。PAR传感器79检测落在生物反应器10上的光合有效辐射(PAR)(与可见光相似但不相同)。例如，在阴天，明显更少量的光，即光合有效辐射，将落在生物反应器10上，这意味着可用于培养光养细胞的能量减少。这意味着由于光可用性较低以及生长较慢，在生物反应器10中通过充气使培养基混合/耗散所需的空气量减少。控制器78连接到PAR检测器79并且还连接到流量计并且可以测量和调节流过空气管道70的空气的量(并且也可以减少流过二氧化碳控制阀64的二氧化碳的量)。这将节省能量并且还减少生物反应器10对二氧化碳的消耗。例如，将根据落在生物反应器10上的人造光或太阳光的量来调节流过空气管道70的空气的量，以优化生物反应器10中的光养细胞的生长。
图4A至4C示出了对于各种不同的空气流量，光对于生长的影响。图4A示出了180μmol PAR光子/m2.s的光强度；图4B示出了405μmol光子PAR/m2.s的光强度，而图4C示出了780μmol PAR光子/m2.s的光强度。可以看出，对于图4A的较低强度的光，空气的不同流量对于生物反应器10中的生长速率几乎没有影响。生长速率的下降是由于在生物反应器10中的生长材料的浓度的增加阻止了一些光的使用。图4B示出了随着空气流量增加，生长速率稍微增加，而图4C示出了随着空气流量增加，生长速率增大得很多。因此，可以得出这样的结论：在较低的光强度下，可以减少空气的流量以节省能量而基本上不影响生产率。
这可以付诸实践，如图5A和5B所示，图5A和5B说明了在理想的阳光充足的日子里太阳光的量增加时增加空气流量的效果。可以看出，将充气速率保持为恒定值意味着能量在夜间或光线昏暗的期间(例如早晨和傍晚时间)被浪费，因为较少的光导致生产速率降低。然而，在中午期间，生物反应器10的潜能未被充分利用。通过增加中午期间的充气量，生物转化会显著增加。
图5B示出了，例如，所示示例的最大充气速率为大约300L/h，但在夜间或在阴天时，可以使用大量节约能量的大约40L/h。
实施例
在生物反应器10的一个非限制性示例中，生物反应器10中的生长培养基包含300mg/L的NH4、200mg/L的PO4和2.5mg/L的柠檬酸铁。培养基的pH值为6.6至7.5。空气流量为360L/hr，二氧化碳的流量为20L/hr。光强度为516μmol光子PAR/m2s。
在其他非限制性示例中，空气的流量可以在20至400L/hr之间，光强度在180至780μmol光子PAR/m2s之间。
图6示出了以天数计一段时间后提取的藻类的干重的对比。不同的曲线示出输入值。例如，50％的输入意味着不连续的空气脉冲与无气体脉冲的比例为1:1，而对于25％，该比例为1:3，即5秒的不连续的空气脉冲紧接15秒的无脉冲。
图7示出了相对于干重的生物反应器的生产率。峰值取决于引入生物反应器的空气的量以及主要的光强度，但可以看出，藻类的最佳质量浓度为约4-5g/L，并且这是产生最高生产率的浓度。换句话说，从生物反应器中提取藻类的最佳时间即在峰值达到之前。
附图标记说明：
10 生物反应器
20 上升室
25 产物出口
30 下降室
40 气体入口
50 气体管道
60 二氧化碳管道
62 流量计
64 二氧化碳阀
66 二氧化碳源
70 空气管道
72 空气阀
74 质量流量控制器
76 压缩机
78 控制器
79 PAR传感器
80 培养基入口
90 培养基管道
92 第一培养基源
94 第一培养基阀
96 第二培养基阀
100 第二培养基源
110 出口管道
210 壁元件
220 横向元件
230 内室
240 通道

Claims (14)

1.生物反应器(10)，包括：
至少一个上升室(20)，所述至少一个上升室(20)容纳有生长培养基；
至少一个下降室(30)，所述至少一个下降室(30)在顶部和底部连接至所述至少一个上升室(20)以形成环路；
气体入口(40)，所述气体入口(40)连接到所述至少一个上升室，用于将可中断气流供应到所述至少一个上升室(20)。
2.根据权利要求1所述的生物反应器(10)，其中所述气体入口(40)连接到用于调节所述可中断气流的质量流量控制器(74)和阀(72)中的至少一个。
3.根据权利要求1或2所述的生物反应器(10)，其中所述质量流量控制器(72)配置成根据落在所述生物反应器上的光强度来调节所述可中断气流。
4.根据上述权利要求中任一项所述的生物反应器(10)，还包括用于将二氧化碳气体供应至所述生长培养基的二氧化碳源(66)。
5.根据权利要求4所述的生物反应器(10)，其中所述二氧化碳气体被供应到所述至少一个上升室(20)的底部。
6.根据权利要求4所述的生物反应器(10)，其中所述二氧化碳气体被供应到所述至少一个下降室(30)。
7.根据权利要求6所述的生物反应器(10)，其中所述二氧化碳气体基本上无气泡地供应。
8.一种操作生物反应器的方法，包括：
将用于使光养微生物或光养生长细胞中的至少一种生长的生长培养基供应至所述生物反应器；
向所述生物反应器供应可中断气流以使所述生长培养基混合，所述生长培养基包括所述光养微生物或所述光养生长细胞中的至少一种；和
调节所供应的可中断气流的流量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述流量的调节取决于光的强度。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括
根据所测量的光的量来调节所述可中断气流的流量。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，还包括向所述生物反应器(10)供应二氧化碳气体。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述二氧化碳气体的供应是基本上无气泡的。
13.根据权利要求1至7中任一项所述的生物反应器用于使光养微生物或光养生长细胞生长的用途。
14.根据权利要求13的用途，其中所述光养微生物是藻类或蓝藻细菌中的至少一种。
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