CN111212898A - 模块化连续光生化反应器 - Google Patents

Abstract

光生物反应器包括多个模块，其中至少有具有第一透明度的光路的模块和至少一个具有第二较低透明度的光路的第二模块，以形成昼夜环境来培植藻类。该光生物反应器可以包括内部加热和冷却通道，其优选地以螺旋构造。

Description

模块化连续光生化反应器

技术领域

本发明涉及一种光生物反应器，尤其涉及一种具有用于连续藻类生物处理的交替“夜”和“昼”模块的模块化光生物反应器。本发明还涉及用于光生物反应器的模块以及使用这种光生物反应器培植藻类的方法。

背景技术

微藻一直被认为是所需化合物的高价值天然来源。尽管对基于藻类的化合物的兴趣激增，但生物技术行业在建立可扩展的藻类处理框架以满足需求方面做出了缓慢的反应。抑制微藻生物处理规模扩大的主要瓶颈之一是有效利用光能。光是藻类的关键生长参数，并且体内的光合作用是通过白天和黑夜的自然演替来实现的，白天和黑夜的持续时间因习惯于不同地理位置的藻类而异。在人造环境种，这种效果是通过操纵诸如LED的人造光源来提供的，即定时开启和关闭光源。然而，在设计可扩展的光生物反应器(photobioreactor，PBR)时，有效地使用光成为了一项非常复杂的任务。

从该领域的工作中可以明显看出，光照周期、频率、光路长度和流动状态(flowregimes)会影响光合作用效率，并且不同的藻株需要对光照周期和流动状态进行不同的操纵，以为细胞的最大生长提供最佳的昼夜周期。藻类培养是微藻生物技术领域的一步。藻类的生物处理涉及多个步骤，如图1所示。这些步骤在以后的阶段分成不同的流，以加工各种产品。具体而言，对于生物燃料生产线，涉及的主要步骤是种植、收获、干燥、脂质提取和酯交换。对于每个阶段，都有专门用于执行藻类处理的各种技术，但是大多数技术要么成本太高而无法扩展规模，要么涉及高昂的运营开销。

WO 2013/050764 A1(布鲁内尔大学)公开了一种由多个模块形成的模块式流动反应器，其中每个模块包括主体，所述主体具有至少一个穿过其中的导管，并且其中多个所述模块沿着纵向轴线排列，使得所述模块的所述导管对齐以形成流体通路。模块是“体片”而不是“管”，并且多个所述模块可以线性地对齐，使得导管形成管。

这种类型的反应器通常在流动路径中包括挡阻(baffles)。振荡(前后)运动被施加在反应器中的流动方向上，从而产生垂直于沿着流体导管的流动方向的涡流。将振荡运动叠加到沿着流体通路的净流上产生了一种被称为栓塞流(plug flow)的流动状态。栓塞流是有益的，因为它产生均匀的混合，但同时形成均匀的速度分布，从而确保流体在其位于反应器种的整个过程中，沿着和穿过流动路径经历相同的条件，从而增强了热量和质量的传递。因此，这种类型的反应器被称为“振荡折流板反应器(oscillatory baffledreactor’)”(或“OBR”)。

US 2014/342443 A1(Bohn)公开了一种光生物反应器，其使用具有外部不透明条纹的透明管来优化光吸收以增强藻类的生长。

US 3959923 A(Selke)公开了用于培植藻类的设备，其中具有藻类和营养物的水遵循曲折的流动路径，在该流动路径上交替设置宽、暗和窄的照明区域。

US 2013/230904 A1(Suryo&Wyatt)公开了一种光生物反应器，其中壁的表面被修饰以产生明暗区域。

生物资源技术，第161卷，2014年3月，Liao等人，“一种产生光/暗循环以改善微藻培养的新型光生物反应器”，第186-191页，公开了一种光生物反应器，其外表面被周期性地被遮光材料遮挡间隔以产生明/暗循环以改善微藻培养。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种光生物反应器，其包括多个模块，每个模块具有外表面，其中每个模块具有至少两个穿过其中的导管，所述模块沿纵向轴线排列使得所述导管对齐以形成至少两个通路，其中所述至少两个导管在一端流体连通，从而在使用中沿导管之一朝向所述一端流动的流体能够流入另一导管，然后流动离开所述一端，并且其中，所述多个模块包括：至少一个第一模块，其在至少一个导管的内部与第一模块的外表面之间具有光路，该光路具有第一透明度，该光路设置为允许来自第一模块外部的光进入所述内部，至少一个第二模块，其在至少一个导管的内部和第二模块的外表面之间具有光路，该光路具有第二透明度，第二透明度是比第一透明度小的对光的透明度，由此进入第一模块的所述内部的光比进入第二模块的内部的光多。

所述模块优选地大体是圆形的，但是同样可以是矩形、正方形、椭圆形或任何其他合适的形状。

提供具有不同的光透明度的模块使得藻株在通过光生物反应器时能够经受交替的“夜”和“昼”布置，而不必关闭和打开光源以复制白天和黑夜。

在优选实施例中，每个模块包括与模块的外表面流体连通的内部通道，以用于接收流体以加热或冷却模块。内部通道可以遵循模块内的基本环形路径，并且优选地，每个模块的内部通道都对齐，使得通过反应器模块的通道的路径遵循围绕反应器的纵向轴线的螺旋路径。这可以通过提供两种类型的模块来实现：第一类型的模块具有右旋螺旋的内部通道，第二类型的模块具有左旋螺旋的内部通道。在组装反应器时，它们被交替排列，以使形成的连续的内部通道遵循带有交替螺线的螺旋路径。

在替代实施例中，每个内部螺线的出口孔和入口孔可以相对通过模块直径的垂直轴线对称地分布，从而可以简单地将单一类型的模块翻转过来以形成非翻转模块的镜面映像结构。因此，单种模块可以被以翻转/非翻转的构造使用以形成组装的反应器。

所述内部通道优选地具有第一端和第二端，其中所述第一端在所述模块的第一面上与所述外表面流体连通，并且所述第二端在所述模块的与所述第一面相反的第二面上与所述外表面流体连通。

可以提供第二内部通道，该第二内部通道优选地遵循直径比第一路径小的路径行进。因此，第一(外围)内部通道可具有围绕纵向导管通路的外部的螺旋构造，并且第二(靠内)内部通道可具有在由纵向导管通路界定的体积内的螺旋构造。

光生物反应器可以以任何顺序包括多个第一模块和多个第二模块。换句话说，交替的夜模块和昼模块的任何排列都可以被提供。模块序列可以包括在两个第二模块之间至少一个第一模块和在两个第一模块之间至少一个第二模块。第一模块和第二模块可以交替布置。在一个优选的实施方案中，模块的顺序是X个第一模块，然后是Y个第二模块，其中X和Y独立地是1至4。另一个优选的实施方案具有X＝Y，这导致昼模块和夜模块的均匀序列。

应当理解，模块的透明度可以是可变的，使得在尺寸(scale)的一端，模块对于特定频率的光可以是完全透明的，而在尺寸的另一端，对于所述光可以是完全不透明的，条件是这样的安排可以导致适合特定藻株生长的昼夜交替安排。模块的透明度也可以根据所讨论的光的频率而变化，使得受到紫外线或红外光照射时生长的藻株可以具有与在可见光下生长的藻株不同的模块布置。应当理解，本发明的光生物反应器的优点是可以选择特定透明度的模块，并且可以针对特定藻株以定制的(tailored)方式将所述特定透明度的模块与具有不同透明度的模块顺序排列。

优选地，导管基本上围绕每个模块的周围布置。可以有1至10个导管，最好是8个。因此，如果模块的横截面大体是圆形的，则导管应大致沿圆周放置。这样可以确保最大程度地透光，减少阴影区域，并且最重要的是，考虑到在光的情况下具有挡阻的管(baffledtubes)的尺寸、位置和表面厚度比，该设计减少了为了获得足够的直接光线覆盖藻类细胞对混合的依赖。

在优选的实施例中，每个模块可以具有用于接收加热流体的另外的导管(其可以具有C形横截面)，使得当多个模块沿着纵向轴线对齐时，所述另外的导管对齐以提供用于接收加热流体的另外的通路。因此，在使用中，加热流体可以沿着所述另外的通路通过，以便加热在光生物反应器中进行生物处理的藻株。

在本发明的另一方面，提供了一种培植藻类的方法，该方法包括以下步骤：提供如上所定义的光生物反应器，使藻类前体溶液沿导管通过以使其穿过光生物反应器，并利用光源以使光照射在光生物反应器上，使得所述溶液接收变化的光强度，所述变化的光强度取决于光生物反应器中第一模块和第二模块的布置。

优选地，用外部振荡泵送机构或合适的市售泵(例如活塞泵)使流体振荡，以使该设备作为振荡折流反应器运行。

一旦片体被组装，本发明的布置使得能够产生连续流动通路。它使得流体通过流动通道振荡以及平移的可能性成为可能，以实现连续不断的向前离开反应器的净流。另外，溶液可以包含一种或多种通过某些外部装置(例如泵)插入反应器中的流体/相，并且溶液可以通过外部装置(例如活塞泵或其他机构)被振荡。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的多个优选实施例，其中：

图1是流程图，其示出了藻类生物处理方法。

图2A示出了根据本发明的中间模块的平面图。

图2B是图2A的中间盘的通过线A-A的横截面。

图3A是根据本发明的端部盘的平面图，其概略地示出了位于其后的图2A/2B的中间盘。

图3B是根据本发明的反应器的横截面(该截面沿图3A的线C-C截取)，该反应器由两个如图3A所示的端部盘和10个如图2A所示的中间盘装配而成；

图4A和图4B是根据本发明的两个中间盘的平面图。

图4C和图4D是根据本发明的单个中间盘的正面和背面的平面图。

图5是示意图，其示出了用于培植小球藻(C.Vulgaris)的实验装置。

图6示出了用于根据本发明的光生物反应器的另外两种布置。

图7显示了用于生产小球藻(C.Vulgaris)生物柴油的实验装置的示意图。

图8A和图8B是在温度控制实验中使用的根据本发明的组装的光生物反应器的不同角度的示意图。

图9A是在脂质提取实验中使用的根据本发明的组装的光生物反应器的示意图。

图9B是图9A的光生物反应器的腔室的特写示意图。以及

图10是在酶促酯交换实验中使用的根据本发明的组装的光生物反应器的示意图。

具体实施方式

材料和方法：

根据本发明的光生物反应器包括多个纵向对齐的模块(盘)，盘中的导管也对齐。图2A和图2B描绘了用于这种光生物反应器的中间盘(分别为平面图和横截面)。每个盘由大致圆形的主体10形成，该主体具有外部边缘11和八个导管12，八个导管12均匀地围绕主体10的圆周布置并纵向穿过主体10。所述盘具有中心孔15、环形地设置在导管12和边缘11之间的外围通道13和环形地设置在导管12和孔15之间的靠内通道14。如图所示，四个孔16(bore holes)分布在导管12之间，并且四个孔16还纵向穿过主体10。每个导管12都具有挡阻17，该挡阻17形成直径缩小部分18。

多个中间盘在根据本发明的反应器中对齐。应当理解，它们被布置成使得一系列每个中间盘中的导管12被对齐以形成穿过反应器的纵向通路。它们可以通过将杆插入被类似地对齐的孔16中而被固定在该位置。

现在将说明外围通道13和靠内通道14的布置。从图2A和tu 2B可以看出，通道13和通道14在构造上是环形的，并被设置在主体10内。通道13和通道14在主体10内不形成完整的圆；而是，环形路径在通道13的一端转过90°并在孔13a处离开主体10的一个平面。通道13的另一端沿另一方向旋转90°并在孔13b处离开主体10的另一平面。靠内通道14具有类似的构造，在一面上其在孔14a处离开主体10，而在另一面上其在孔14b处离开主体10。这可以在图2B中看到，其中穿过图2A的截面A-A分别示出了通道13和通道14的孔13a和孔14a。

在一个实施例中，第二类型的中间盘设有通道13和通道14，所述通道13和通道14相对第一类型的中间盘遵循手性不同(different-handed)的螺旋构造。这在图4A和图4B中示出。图4A示出了与图2A的中间盘相同的中间盘。图4B所示的中间盘与图4B的中间盘相同，除了通道13和通道14的“手性”与图4B的通道13和通道14相反。这样，当反应器由交替的第一类型和第二类型的中间盘所组装时，一个盘的出口孔13b与下一个盘的入口孔13a对齐，从而形成沿反应器以交替的路径螺旋状旋转的外围通道13，该外围通道13(同时对于通道14来说也是类似的)。

在图4C和图4D中示出了中间盘的替代实施例，其中可以看到，图4C的盘是图4D的盘的关于穿过盘的直径的垂直轴线X-X’的镜像。这样，可以提供盘的单种构造，并且可以简单地翻转以提供具有与第一类型相反的手性的第二类型的盘。

这样，在使用中，多个中间盘被对齐，其中，一个盘的孔13a与下一个盘的孔13b对齐并依此继续。因此，当加热/冷却流体通过孔13b进入一个盘，沿通道13以顺时针方在沿环形路径中行进，通过孔13b离开所述盘并且然后通过孔13a然后进入下一个盘从而以逆时针方向在环形路径中流过通道13时，加热/冷却流体所走的路径是一个交替的螺旋线。以这种方式，通道13和通道14的构造允许非常有效地从外部(在外围通道13的情况下)或从内部(在通道14的情况下)冷却导管12中的反应物。

取决于所讨论的中间盘是“夜”盘还是“昼”盘，外部边缘11对于光或者是透明的或者是不透明的，从而导致存在不存在从所述盘的外部到导管12的光路。因此，简单地通过选择盘的类型和顺序，光生物反应器就可以被构造为具有特定的昼夜安排。

外围通道13是可选的并且其被用于通过加热/冷却流体。它是透明的，所以光线仍然可以通过它。靠内通道14的功能相同：用于加热和冷却。因此，这些通道13/14围绕导管12以确保均匀的加热/冷却。孔16用于插入支撑杆以将所有的盘固定在一起，但孔15也被用于轴，该轴包括互锁的凸形和凹形部件以将包括端部盘在内的整个组件固定在一起。

图3A描绘了光生物反应器的端部盘(在平面图中)，并且在其后侧是图2A和图2B的中间盘的平面图(以虚线示出)。每个端部盘由大致圆形的主体100形成，该主体具有外部边缘110和八个围绕主体100的圆周均匀分布的导管120。所述盘具有中心孔150、年度地设置在导管120和边缘110之间的外围通道130以及年度地设置在导管120和孔150之间的靠内通道140。四个孔160(bore holes)如图所示地分布在导管120之间并且纵向穿过主体100。

从上面的描述中将理解，端部盘的这些部件与中间盘中的等效部件匹配，使得多个中间盘可以对齐并被两个端部盘盖住，如图3B所示。

端部盘还具有进入端口125、135和145，以允许从对齐的导管12进出(在端口125的情况下)、从对齐的外围通道13进出(在端口135的情况下)和从对齐的靠内通道14进出(在端口145的情况下)。例如，从图3B可以看出，当通道旋转90°以在其平面上离开主体100时，端口145遵循从主体100的周缘到主体100内的点的径向路径。因此，端部盘可以与反应器的中盘旋转对齐，以在端口145和靠内通道14之间提供流体连通。

类似地，当组装反应器时，端口135可被旋转地对齐以提供端口134与外围通道13之间的流体连通。

从图3A中可以看出，端部盘具有两个端口125，其在主体100的周向边缘和所述导管120中的两个导管之间提供流体连通(其中，在图3A的情况下，在主体100的导管120的构造上彼此相对)。

端部盘也可以配置为在成对的导管120之间提供流体连通，使得在使用中，反应物溶液沿着对齐的导管120-(12)n-120从反应器的一端流到另一端，然后返回流过另一系列对齐的导管(其中n是纵向对齐的中间盘的数量)。

在使用中，加热或冷却流体可以被注入反应器，通过端口145(在这种情况下，流体流过靠内通道14)或进入端口135(在这种情况下，流体流过外围通道13)。显然，如果需要，加热或冷却流体可以同时注入两个端口135、145中。在反应器的另一端，加热/冷却流体通过相对的端部盘上的端口135/145排出。

藻类培养：光照周期研究：

小球藻和硅藻藻株培植介质由CCAP(苏格兰，奥本)提供。无水己烷、氯仿、氢氧化钠颗粒由Sigma Aldrich提供。培植实验的实验装置包括多个一个接一个依次排列从而形成多个流动路径的反应器模块/盘。从形成的七个被挡阻的流动路径中，两个被选出以作为每个藻类实验的光生物反应器。如图5所示，单个反应器组件40被用于在现场(in-situ)进行两个实验，每个实验使用两个通道。连接到反应器的外围硬件的设置如图5所示。更详细地说，反应器40连接到六个注射泵，四个用于连续流动的泵41和两个用于引起振荡的泵42。作为光源，两个LED条带43被定位在距OBR的流动路径15cm处。

每个实验都需要两个注射泵41使藻类连续流过反应器，而第三个42则用于引起振荡流。物理硬件通过定制的界面进行控制，该界面可设置所需的过程参数(振荡频率、幅度和流速)。

光照周期操纵以两种方式实现，首先是通过改变流动反应器的组件配置(即盘的布置)，其次是通过微调过程参数(即流量、振荡频率和幅度)。图6A和图6B示出了模块化反应器的连续的盘的设计，其中，盘材料被选择为丙烯酸(透明)(52、54)和PTFE(不透明)(51、53)。这使得可以将反应器组装成沿反应器的长度产生明暗区域的构造，从而允许更高水平的光路长度控制。另一方面，控制工艺参数的同时结合灵活的光照周期路径允许实现更大范围的光照周期和相位停留时间，且不会抑制流动状态(flow regime)。

对于该系列实验，析因实验设计(DoE)方法(factorial design of experiment(DoE)methodology)被实施，以研究光照周期时间与盘配置之间的相互作用。对于前者，选择了四个光循环时间的范围，所述范围是20到150秒，而对于后者，选择了两种配置，1对1盘布置(图6A)和3对3盘布置(图6B)。DoE中使用的参数包括流体振荡的频率和幅度以及通过流体导管的总净流。所使用的光照周期为7秒、20秒、50s和150s。完整的析因DoE(如下所示)产生了8个实验，下面给出了一个典型的实验过程。

实验设计

实验号	光照周期(秒)	夜/昼设置
			1	20	3不透明×3透明
2	20	1不透明×1透明
			3	50	3不透明×3透明
4	7	3不透明×3透明
			5	50	1不透明×1透明
6	150	1不透明×1透明
			7	7	1不透明×1透明
8	150	3不透明×3透明

方法：

步骤1：将10毫升小球藻(C.Vulgaris)接种物注入装有30毫升新鲜硅藻介质的80毫升玻璃容器中，并被允许培育24小时。

步骤2：24小时后，将上述内容物转移至不透明的80ml容器中，并连接至被设定用于连续流动的两个注射泵。提取样品并保存在5ml无菌样品保持器中，并储存以用于表征(characterisation)。

步骤3：按照所执行的DoE实验装置指定的配置(即1对1或3对3)组装反应器。

步骤4：流量泵(flow pumps)被接着连接到四通阀，在此其连接到用于振荡和进入反应器的注射泵。

步骤3：根据实验矩阵的设计，使用定制的LabVIEW代码设置了所有过程参数，但是在研究快速周期时间和3对3盘配置的典型实验中，对于藻类容器，连续流速设置为32ml/min，振荡流速为1.5Hz，并且幅度为10mm。

步骤4：24小时后终止过程，采集样品并将其放入5ml无菌样品保持器中，并储存以用于后续表征。

其他的对照实验(control experiments)使用常规的T瓶(批)和全丙烯酸OBR(流动)实验在相似的条件下进行。

生物柴油生产：脂质提取原位酯交换反应

如图1所示，藻类的下游处理涉及尚未在反应器中优化的多个步骤，但是已经研究了从微藻生产生物柴油的过程，在这一系列实验中，研究了两种用于微藻原位酯交换的脂质提取方法。

方法A：

步骤1：冲洗并清洗反应器，并按图7所示进行配置。

步骤2(方法1)：将4克(gr)干燥的小球藻(C.Vulgaris)生物质溶解在1升锥形瓶2∶1己烷/甲醇溶液中，并在50℃的恒定加热条件下搅拌9小时。沉降过夜后，瓶的内容物被分离成两相混合物。提取上层相的内容物并将其放入单独的120ml容器中，并在55-60℃加热，其被用作供给箱1。

步骤2(方法2)：将1克干燥的小球藻(C.Vulgaris)生物质溶解在500ml的玻璃小瓶中，该玻璃小瓶包含2∶1氯仿/甲醇的溶液。瓶中的内容物被以600rpm持续搅拌并加热至55-60℃。

步骤4：将约32.4克的固体NaOH溶解在1升甲醇中。提取500毫升并在低搅拌和40℃加热的情况下放入容器中。

步骤5：使用定制的LabVIEW软件控制过程参数，将供给箱1的流量设置为2.5ml/min，将供给箱2的流量设置为5ml/min，以在反应器中实现化学计量平衡。

步骤4：振荡泵被设置为3hz和10mm振幅。

步骤5：当供给箱1耗尽时，过程被允许进行了20分钟，并且使产物混合物被允许沉降24小时。

结果

藻类培养实验观察：

为了表征，每24小时提取一次来自每个实验的样品，并使用分光计测量每个样品的吸光度(OD750)来分析样品。产生校准曲线以提取每个样品中的细胞计数以量化生长。

从下面的表1中可以看出，振荡折流式(oscillatory baffled flow)反应器能够充当光生物反应器，并且在所有组装配置下均具有明显的生长。OBR表明，可以通过更改光照周期持续时间和光路长度来优化生长。最后，使用相同的藻株，所有光照周期实验产生的生长速率均高于对照。

生长条件	条件	细胞/ml每天
			对照	T瓶(T-Flask)	1.50E+07
OBR	持续光照周期	1.48E+07
			OBR	快速光照周期	1.96E+07
OBR	中速光照周期	3.02E+07
			OBR	慢速光照周期	5.20E+06

表1：不同光照周期和常规生长技术之间小球藻每天生长的比较

酯交换原位脂质提取观察：

按照方法1，最终混合物显示出形成了两个不同的层，深绿色/棕色的底部甘油(glycerol)层和半透明的浅绿色的顶层相。放置24小时后，顶层被除去并被观察到其具有浅黄/棕色。48小时后，在甘油瓶(glycerol vial)的顶部观察到明胶(gelatin)材料薄层，移开并进一步视觉检查后，其被鉴定为多糖(藻酸盐)。

按照方法2，如上，最终混合物是两相混合物，其底部相为细胞碎片-甘油乳液，顶部相为半透明深绿色。沉降24小时后，顶部相的20ml分装被提取，并用8ml水洗涤，这得到被皂薄层(thin layer of soap)分离的三层混合物。

OBR作为微藻处理设备已展示出独特的能力，其能够成功培养藻类以及提取藻细胞并对藻细胞进行酯交换以生产生物柴油。就培养而言，其固有的设计特征提供了组装反应器单元的灵活性，这允许使用来以高分辨率操纵影响生长因子的参数，以实现下游过程所需的定制生长，并能够在同等水平的参数灵活性下完成主要的下游过程。OBR的能够在一个单元中完成大多数主要生物燃料工艺步骤的独特功能，为工艺提供了更高水平的连续性，以及无与伦比的成本优势。

温度控制

在大多数过程中，尤其是在生物过程中，温度控制至关重要。例如，在光生物反应器内保持恒温是控制藻类生长的主要因素。本发明包括围绕流体导管的连续流体通路，培养液或反应混合物流过所述流体导管。

用图8A所示的设备测试了本发明达到和维持所需温度水平的性能。该图示出了组装的光生物反应器的侧视图，其示出了热传递流体和培养液的输入和输出端口。通过将室温(T_room)的水注入PBR挡阻管道中，并观察出口处的水的最终温度(T_out)以及PBR达到该温度所花费的时间来进行测试。使用标准热交换器来循环热传递流体或热流体(由JulaboGmbH制造的名为THERMAL H10)，其被注入热传递通道并被收集回热交换箱中。热流体的温度(T_c，in)被设置为60℃，并在9分钟之内从室温达到该水平，并在整个实验过程中保持恒定，所述实验持续60分钟。水的出口温度在12分钟内达到57℃，并在整个实验过程中保持该温度。用于该实验的光生物反应器的构造材料是用于透明部分的聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)和用于不透明部分的聚四氟乙烯(PTFE)。T_c，in和T_out之间的温差是由于PBR结构材料的传热速率和连接管中的热损失所致。

珠磨(Bead Milling)

本发明的模块化性质的一个优点是其作为用于脂质提取的连续高剪切装置的用途。将固体(solid)球被插入导管中并被允许在导管中自由移动，但由于其尺寸其不被允许通过挡阻孔逸出。藻液的振荡运动引起这些球的运动，但是由于空间的限制，这些球发生碰撞。这些碰撞对藻类细胞产生高剪切力，导致细胞壁破裂，释放出细胞成分，从而释放出细胞脂质。脂质然后聚集(coalesce)，并且由于其较低的密度，一旦混合物被收集在保持箱中，就可以通过重力分离进行提取。图9A示出了用于珠磨的设备的可能的构造，并且图9B示出了在本发明的一个腔室内的珠子500的填充。

作为填充床反应器的用途和酶促酯交换反应

填充床反应器(packed bed reactor)被用于许多化学处理应用。它们也非常适用于连续生产生物柴油。通过在腔室(一旦组装模块就在挡板之间形成)内填充适当尺寸的颗粒(particles)或粒料(pellets)或珠子(beads)，所述适当尺寸的颗粒或粒料或珠子允许液体流动但是被保持在腔室内的位置，本发明可以被配置成填充床反应器。这些粒料可以例如是催化剂。本发明可被配置为用于一系列加工应用的填充床反应器，包括吸收、蒸馏、汽提(stripping)、分离过程和催化反应。一个应用实例是这些粒料是用于对油(诸如藻油)进行酶促酯交换以转化成生物柴油的材料。与化学催化反应相比，酶促反应更具优势，因为它的反应条件温和，产品回收更容易，不产生废水，不皂化，并且产出产品的质量更高。珠子可以是例如介孔(mesoporous)载体材料(例如沸石或二氧化硅)，以通过吸附使酶(例如脂肪酶)固定，其优选用于酶促酯交换反应。脂肪酶(三酰基甘油酰基水解酶)可以使用其他技术(例如交联酶聚集体或无载体小珠形式的交联酶聚集体晶体(CLEAC)、蛋白包被的微晶)以珠子的形式被固定，或被包裹或封装到聚合物网络(凝胶晶格)或硅溶胶凝胶中、或被电纺到纤维上。脂肪酶以脂肪酸烷基酯和甘油作为副产物的形式将油转化为生物柴油。脂肪酶被从多种来源中提取，例如细菌、酵母和真菌。图10显示了使用酶促酯交换反应将藻油转化为生物柴油的一种可能构造。

所描述的实施例和从属权利要求的所有可选和优选的特征和修改可用于本文所教导的本发明的所有方面。此外，从属权利要求的各个特征以及所描述的实施例的所有可选的和优选的特征以及修改彼此可组合并且彼此可互换。

英国专利申请No.1711764.9(本申请要求其优先权)的公开内容以及本申请随附的摘要中被通过引用并入本文。

Claims (46)

1.一种光生物反应器，包括

多个模块，每个模块具有外表面，其中每个模块具有至少两个穿过其中的导管，这些模块沿纵向轴线对齐，以使所述导管对齐以形成至少两个通路，

其中，所述至少两个通路在一端流体连通，从而在使用中，沿着所述通路中的一个流向所述端的流体能够流入另一通路，然后流动离开所述端，

并且其中所述多个模块包括：

至少一个第一模块，所述第一模块在至少一个导管的内部与第一模块的外表面之间具有光路，该光路具有第一透明度，该光路布置成允许来自第一模块外部的光进入所述内部，

至少一个第二模块，所述第二模块在至少一个导管的内部与第二模块的外表面之间具有光路，该光路具有第二透明度，第二透明度是比第一透明度小的对光的透明度，从而与进入第二模块的内部的光相比，进入第一模块的内部的光更多。

2.根据权利要求1所述的光生物反应器，包括以任何顺序排布的多个第一模块和多个第二模块。

3.根据权利要求1或2所述的光生物反应器，具有模块的序列，其中，在两个第二模块之间存在至少一个第一模块，并且在两个第一模块之间存在至少一个第二模块。

4.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，第一模块和第二模块交替布置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，模块的序列是X个第一模块，其后是Y个第二模块，其中X和Y独立地为1至4。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，所述模块的序列是X个第一模块，然后是X个第二模块，其中X是1至4。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，所述第二模块的光路是不透明的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，每个第一模块中的大部分导管的光路具有基本相等的长度。

9.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，所述导管的大部分基本平行于每个模块的外表面。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，还包括设置在所述光路中的至少一个上的至少一个偏振滤光器。

11.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，每个模块沿着所述纵向轴线的尺寸小于所述模块垂直于所述纵向轴线的尺寸。

12.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，所述模块中的至少一个包括至少一个挡阻，以扰乱通过所述至少一个导管的流体的流动。

13.根据权利要求12所述的光生物反应器，其中，所述至少一个挡阻和所述模块一体地形成。

14.根据权利要求12或13所述的光生物反应器，其中，所述挡阻是所述导管中的内径减小的区域。

15.根据权利要求14所述的光生物反应器，其中，所述挡阻的区域的内径约为所述导管的内径的一半，并且其中，所述挡板的区域的沿所述导管的纵向轴线的长度大约是导管无挡阻区域长度的四分之一。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的光生物反应器，其中，所述挡阻和所述模块由塑料、陶瓷材料或金属形成。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的光生物反应器，其中，所述导管和所述挡阻通过钻削形成，或者其中，所述模块通过增材制造技术形成。

18.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，所述模块中的至少一个不包括挡阻或任何其他扰乱流体通过所述至少一个导管的流动的特征。

19.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，所述模块中的至少一个具有用于允许进入所述至少一个导管的端口。

20.根据权利要求19所述的光生物反应器，其中，所述端口连接至流体注入装置、流体测量装置、流体监测装置或者所述端口是观察端口。

21.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，所述模块中的至少一个具有催化剂、反应物或试剂，所述催化剂，反应物或试剂被定位成接触流过所述至少一个导管的任何流体。

22.根据权利要求21所述的光生物反应器，其中，所述催化剂、反应物或试剂设置在所述至少一个导管的衬里中。

23.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，所述模块中的至少一个包括支撑材料，所述支撑材料被定位成接触流过所述至少一个导管的任何流体。

24.根据权利要求23所述的光生物反应器，其中，所述支撑材料包括分散有用于催化反应的催化颗粒的任何可渗透基质材料，或包括能够实现分离和/或纯化的可渗透基质材料。

25.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，所述模块中的至少一个包括用于分离通过其中的流体的成分的膜。

26.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，包括20至30个模块。

27.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，每个模块沿所述第一轴线的最小尺寸为5mm至15mm。

28.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，所述导管基本上围绕每个模块的周边布置。

29.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其包括多个每个都具有挡阻的导管和多个无挡阻的导管。

30.根据权利要求29所述的光生物反应器，其中，具有挡阻的导管的数量为5至10，而无挡阻的导管的数量为15至30。

31.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，每个模块的横截面基本上是圆形的。

32.根据权利要求31所述的光生物反应器，其中所述圆形横截面的直径为40mm至55mm。

33.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其还包括光源。

34.根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，每个模块包括内部通道，所述内部通道与模块的外表面流体连通以接收流体以加热或冷却所述模块。

35.根据权利要求34所述的光生物反应器，其中，所述内部通道遵循所述模块内的基本环形的路径。

36.根据权利要求34或35所述的光生物反应器，其中所述内部通道具有第一端和第二端，其中所述第一端在所述模块的第一面上与所述外表面流体连通，并且所述第二端在所述模块的与第一面相对的第二面处与所述外表面流体连通。

37.根据权利要求34至36中任一项所述的光生物反应器，其包括第二内部通道。

38.根据权利要求37所述的光生物反应器，其中，所述第二内部通道遵循直径小于所述第一内部通道的路径。

39.根据权利要求34至38中任一项所述的光生物反应器，其中，每个模块的内部通道被对齐，使得该通道通过反应器的模块的路径遵循围绕反应器的纵向轴线的螺旋路径。

40.用于根据前述权利要求中任一项所述的光生物反应器的模块。

41.根据权利要求40所述的模块，其中，所述模块在所述导管的一端处的面具有突出部，并且所述模块在所述导管的相对端处的面具有相应的凹陷部，由此当两个导管对齐时所述突出部可以与在第二个相同模块上的凹陷部接合。

42.一种培植藻类的方法，该方法包括以下步骤：提供根据权利要求33所述的光生物反应器，使藻类前体溶液沿所述导管通行以穿过所述光生物反应器，并且采用所述光源将光照射在所述光生物反应器上以使溶液接收变化的光强度，所述变化的光强度取决于光生物反应器中第一模块和第二模块的布置。

43.根据权利要求42所述的方法，其中，振荡被叠加在轴向流动上以产生栓塞流状态，从而总净流将推动溶液流过反应器。

44.一种用于生物处理、催化、酶促酯交换反应、光化学，化学或制备疫苗的使用权利要求1-39中任一项所述的光生物反应器的方法。

45.一种使用权利要求34至39中任一项所述的光生物反应器的方法，其中使经加热的或经冷却的流体通过所述内部通道以加热或冷却所述光生物反应器的内部。

46.一种使用权利要求1至39中任一项所述的光生物反应器的方法，其包括以下步骤：将珠子或颗粒放置在所述通道的至少一些通道中，然后使用所述珠子或颗粒对通过所述通道的流体产生剪切。

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