CN111465682A - 培养罐 - Google Patents

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CN111465682A CN201980006086.XA CN201980006086A CN111465682A CN 111465682 A CN111465682 A CN 111465682A CN 201980006086 A CN201980006086 A CN 201980006086A CN 111465682 A CN111465682 A CN 111465682A
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T·E·麦思森
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Abstract

本发明提供一种用于培养光敏微生物的光生物反应器，该反应器包括：主体，包括至少一个底板和至少一个壁，所述至少一个壁围绕所述底板的外围向上延伸以限定主体，其中，所述至少一个底板包括至少一个渐变区段，从而沿着主体的底部限定一个槽，主体内的碎屑流向该槽；位于主体内的至少一个照明面板，以使得液体沿着主体的侧面和底板自由流动；位于底板中的槽内的至少一个气体入口，用于向主体内提供向上的气流，从而在主体内产生光敏微生物的气升。本发明还提供一种使光敏微生物生长的方法。

Description

培养罐
技术领域
本发明属于培养领域，特别是光敏微生物的培养，使用包括照明的培养罐来维持这种微生物的生长。
背景技术
作为各种有机物质的主要生产者，并且由于它们更新大气的能力，光合细胞是非常重要的。在过去的几十年里，微生物的光合作用机制在生物活性化合物生产和环境过程中的生物技术应用的实用化日益受到关注。特别是微藻作为有价值的药物、颜料和其它精细化学品的来源具有巨大的潜力。红色酮类胡萝卜素颜料虾青素(3,3'-二羟基-β,β-胡萝卜素-4,4'-二酮)是一种强抗氧化剂，在化妆品、食品和饲料工业中受到越来越多的关注。认为虾青素的强抗氧化特性可以支持其潜在的治疗活性。
虾青素在自然界中、特别是在海洋环境中无处不在，并且可能以在鲑鱼以及虾、龙虾和小龙虾的肉中引起粉红色的色调而闻名。雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)被认为是最有希望的虾青素生产者，因为它会积聚虾青素的(3S,3'S)异构体，大部分呈单酯和二酯形式，在细胞质脂质体中作为次级类胡萝卜素积累到超过3％(重量)。
微藻的生产能力很高，目前占全世界光合作用的50％。微藻是有价值的天然生物活性化合物的丰富且在经济上可行的来源，可整体用作营养物供应源；它们的生产能力很高，以至于从2立方米的优质培养物中收获的营养物就足够养活一个人。因此，高效的光生物反应器有望为安全、健康和高质量的食品及其它生物基产品提供安全、充足的未来供应，从而充分利用微藻的潜力。
在过去的几年里，雨生红球藻(H.pluvialis)的大规模培养、规模化技术以及从中商业化生产虾青素受到越来越多的关注。认为有许多因素影响到雨生红球藻中的虾青素的生产和积累，包括营养限制或补充，氧胁迫和光强度。某些胁迫因素，例如盐度增加、温度升高、高光强度以及硝酸盐或磷酸盐的缺乏已被用于促进虾青素的积累。另一个变量是用于生长的光生物反应器的类型和构造。因此，正确设计的光生物反应器和反应器内有效光源的优化照明是高效生长的必要要素。
通过与产率、可控制性和运行安全性相关的几个技术关键特征的优化折衷，可以实现用于微藻大规模培养的质量和功能良好的光生物反应器(PBR)。
目标产品的价值决定了选择用于微藻培养的技术方案的类型，包括生物燃料、饲料、食品和营养品。
给定产品的选定上游技术的经济结果是许多因素的复杂组合。
然而，单位面积产率以及工艺和产品质量的可预测性是商业化微藻生产经济学的关键特征。
基于扩展到大面积的低投资设施的大量生产方法(如水道池塘(Raceway ponds))被认为适用于低价值产品。对于食品和营养品等高价值产品，合适的是集约化生产方法。
光生物反应器最常见的设计是水道池塘、蛇形配置的玻璃或塑料管状构造和平板结构。
管状结构和平板结构是用于集约化微藻培养的最常用的光生物反应器设计。
水道池塘是低投资的生产设备，单位面积产率不佳(约20t/ha/yr；参见Roger等，Algal Research 4，76-88(2014))。但是，该技术可以单独实施或者与其它技术联合实施，以商业生产食品补充剂，例如藻蓝蛋白(http://earthrise.com/about/eco-friendly-farm/)和虾青素(https://www.algatech.com/https://www.cyanotech.com/company/facility.html)。一些虾青素生产商将垂直管状蛇形或歧管光生物反应器用于藻类生物质的室外和室内上游工艺(https://www.algatech.com/；http://bggworld.com/)。(https://www.algalif.com/)。
高表面积/体积比(65～80m2m-3；参见http://www.schott.com/tubing/english/special_glass/industry_environment/pbr.html)是管状设计的主要优点，其特征是，玻璃或塑料制的管的直径通常为40～60mm。较小的管径确保较短的光路，允许高比例的光合活性体积，从而使光合效率最大化。
相反地，每单位地面面积的管密度相当低，并且同样地，每单位占地面积的光照培养物表面(即每单位地面面积所暴露的培养物表面)也较低，大约为5.5～6.0m2/平方米地面面积。当使用这种培养系统连同人工照明一起实施室内培养工艺时，地皮的投资成为运营经济性的挑战。因此，当实施培养工艺时，地皮的使用是产生成本的因素，再加上人工照明，管状光生物反应器并不是室内微藻生物质上游工艺的明显选择。
管状光生物反应器是高度碎片化的结构，由许多承载元件和彼此末端连接并在连接处形成凹槽的玻璃管组成。这些众多的凹槽是生物质可以积聚和隐藏的地方，这使得设施的清洗变得困难。
近年来，平板光生物反应器受到越来越多的关注，目前已生产和商业化的类型很少(https://subitec.com/de；http://www.femonline.it/；www.algamo.cz)。FPAP中培养物的混合通常通过气升来进行，该气升是通过容器底部的空气喷射器将空气注入并通过外部光源进行照明。类似于高大的管状光生物反应器，FPAP的优点是光合效率高，因为板的厚度通常较小，通常为4～5cm。尽管使用平板光生物反应器可以实现高体积产率(0.3～0.6gL-1d-1)，但由于设计的占地面积大，因此单位面积产量仍然有限(36～66t ha-1y-1)1。
因此，用于诸如雨生红球藻之类的微生物生长的罐在本领域中是已知的。例如Choi等(J Microbiol Biotechnol 2011，21:1081-1087)公开了一种具有内部照明的环形光生物反应器。该罐包括浸没在罐中、靠近罐底部的喷射器，以及由导流管封装并垂直布置在罐中的荧光灯管。Yoo等(Bioprocess Biosyst Eng 2012，35：309-315)公开了一种用于培养雨生红球藻的优化的光生物反应器，该反应器是细长的，具有V形底部和靠近反应器底部布置的内部喷射器。该反应器是带有外部照明的袋式反应器。
发明内容
本发明人发现，采用平板原理的倒置布局的光生物反应器对于光敏微生物的生长特别有用。本发明涉及这样的光生物反应器，包括它们的特定结构特征以及光生物反应器中的光源和气体入口的布置，其特别适合于维持光敏微生物的生长。本发明还涉及这样的光生物反应器在培养光敏微生物中的应用。
一方面，本发明涉及采用平板原理的倒置布局的光生物反应器，其中光源位于面板内，优选地在薄的平板内，所述面板浸没在培养液中并被其包围，所述培养液接受来自于面板的光合活性辐射来驱动培养物生长。培养物可以由圆形或大致U形的反应器罐结构围住，其中培养物通过经由位于罐底部面板中的喷射器注入的空气进行混合。
另一方面，本发明提供一种特别是用于培养光敏微生物的光生物反应器，该光生物反应器包括：
a.主体，包括至少一个底板和至少一个壁，所述至少一个壁围绕所述至少一个底板的外围向上延伸，以限定用于接收和保持液体的主体；
其中，所述至少一个底板包括至少一个渐变区段，从而沿着主体的底部限定一个槽，主体内的碎屑流向该槽；
b.至少一个照明面板，该至少一个照明面板包括适用于发射适合于维持光生物反应器内的光敏微生物生长的光的照明装置，
其中，至少照明面板设置在主体内，以使得流体沿着主体的侧面和底板自由流动；
以及
c.至少一个气体入口，设置在至少一个底板中的槽内，用于向主体内提供向上的气流，从而在主体内产生光敏微生物的气升；
由此，在光生物反应器中孵育微生物的液体培养物期间，通过同时暴露于由至少一个照明面板发出的光和微生物在主体内的循环，来刺激微生物在光生物反应器中的循环和生长，所述微生物在主体内的循环通过由主体内的气流产生的向上气升来促进。
本发明还提供一种使光敏微生物生长的方法。一方面，该方法包括如下步骤：
a.提供光生物反应器，该光生物反应器包括：
i.主体，包括底板和至少一个壁，所述至少一个壁围绕所述底板的外围向上延伸，以限定用于接收和保持包含微生物的水溶液的主体；其中，所述底板包括至少一个渐变区段，从而沿着主体的底部限定一个槽，微生物可以流向该槽；
ii.设置在主体内的至少一个照明面板，该照明面板包括适用于发射适合于维持主体内的光敏微生物生长的光的照明装置，
其中，所述至少一个照明面板设置在主体内，以使得水沿着所述至少一个壁和/或底板自由流动；以及
iii.至少一个气体入口，设置在底板中的槽内，用于在主体内提供向上的气流，从而在主体内产生光敏微生物的气升；
b.将光敏微生物的水培养物供至主体内，以使得照明面板至少部分浸没；
c.通过至少一个气体入口将气体输送到主体中的水培养物内，从而在主体内产生气升，该气升从至少一个气体入口提供向上的微生物流，并且至少沿至少一个侧壁向下、朝着底板中的槽提供向下的微生物重力流；
d.通过至少一个照明面板向主体内提供照明；
其中，通过气升驱动的微生物在主体内的循环以及暴露于由至少一个照明面板发出的光来刺激微生物生长。
微生物通常可以是任何光敏微生物。在一些实施方式中，微生物选自光敏藻类。在一些实施方式中，微生物选自下组：螺旋藻(Arthrospira platensis)、小球藻(Chlorellavulgaris)、微绿球藻(Nannochloropsis oculata)和雨生红球藻。在一个实施方式中，微生物是雨生红球藻。
在本文的上下文中，术语“槽”应理解为是指表面内的凹陷，表面上的流体可以流向该槽并沿着该槽流动。槽例如可以表示为表面上的长而浅的通道或凹陷。槽可以是由沿着表面的凹槽或凹陷造成的、表面上的通道或导管的形式。在具有连续坡度的表面的情况下，槽可以是该表面的最低部分，流体可以流向该槽并沿着该槽流动。
在本文的上下文中，术语“渐变”应理解为是指“倾斜”或“具有倾斜度”。因此，根据本发明的底板可以具有至少一个渐变区段。这应理解为是指底板可以具有至少一个倾斜区段，即至少一个(相对于地面)有倾斜度的区段。
在本文的上下文中，术语“气升”应理解为是指通过气体进入含有液体的罐、主体或反应器中而受迫产生的流体流。用于产生气升的空气可以是环境空气，或者其可以包含其它合适的气体或由其它合适的气体组成。例如，气升可以由补充有其它气体(如额外的氧气、氮气或二氧化碳气体)的环境空气产生。
主体的形状可以适当地为具有圆形底的大致矩形的形状，从而沿着底形成凹槽或槽。例如，底可以为大致半环形结构。但是，可以根据需要调整底(或底部)的详细形状，以影响罐中的流动特性和/或流体动力学。优选将主体的底板和侧壁连接，从而形成连续结构。
在一些实施方式中，底板中的槽由在底板内且沿着底板的细长通道或凹陷提供。光生物反应器罐优选具有连续倾斜的侧壁和底板。其结果是，当作为底板中的通道或导管提供时，槽将导致光生物反应器罐中的培养物流向和流入该槽。因此，可以将槽作为底板表面的最下部来提供，流体可以流向该槽并沿着该槽流动。这样，可以从罐中的槽向罐的上表面提供罐内的培养物循环，使罐中几乎没有或没有再循环的死空间最小化或消除。
光生物反应器包含呈用于容纳液体的光生物反应器罐形状的主体。因此应理解，在下面的描述中，术语“主体”和“罐”、“光生物反应器罐”或“反应器罐”具有相同的一般含义。
主体/罐的侧壁可以是竖立的，并且通常是平面的。侧壁也可以具有弯折或弯曲的部分。例如，侧壁的下部可以是弯曲的。在一个实施方式中，侧壁的下部也可以是弯曲的，从而其曲率等于或接近于与侧壁相交的底板的曲率。
底板可以包括两个或更多个面板单元，或者由两个或更多个面板单元组成，每个面板单元大致平坦，并且其中面板单元以一定角度相交，从而产生允许水和/或碎屑流向底板中的槽的整体底板结构。在这样的实施方式中，底板中的槽可以包括一区段，该区段由大致水平的平板单元组成，并朝着罐中的侧壁以一定角度连接到至少相邻的面板单元。
底板可以是大致“V”形的，或者包含“V”形的部分。在上下文中，术语“V形”应理解为是指以一定角度相交、从而形成呈字母“V”形状的结构的两块面板(优选平板)。因此，面板之间的该角度通常大于90°且小于180°。然而，优选地，该角度在约90°至约150°的范围内，优选在约100°至约150°的范围内。
光生物反应器主体的尺寸和体积是柔性的，并且可以适应将要安装的光源的数量和实际尺寸以及特定培养所需的流体动力学性质。
光生物反应器可以是部分或完全双壁的，从而有一个封闭的体积或热夹套围绕在其主体内部体积的至少一部分，用于通过温度受控液体在热夹套内的循环对光生物反应器罐(主体)中的培养物进行热调节。热夹套优选与光生物反应器罐热连接，以使得热量可以在两个储热器之间、即罐和热夹套之间传输。例如，底板和/或侧壁可以至少一部分是双壁的。在一些实施方式中，底板是双壁的。在另一些实施方式中，底板和至少一部分侧壁是双壁的。在这样的实施方式中，光生物反应器将具有至少一个用于将水输送到热夹套内的热夹套入口，以及至少一个用于让热流体(例如水)从热夹套中流出的热夹套出口。
热夹套优选包含至少一个连续流体通道，以使得流体可以在热夹套内循环。可以存在一个或多个热流体控制器，其适用于控制热夹套中的流体的流速和/或温度。这样的控制器可以例如从反应器中的温度探针接收关于光生物反应器中的培养物温度的信息，并调节热夹套中流体的温度和/或流速，从而将培养物维持在预设温度，或者基于新的温度设置将光生物反应器中的培养物温度更改为新的温度。热夹套可以作为单个单元提供，其布置在光生物反应器罐的一部分或全部的壁和/或底部的外表面上。或者，热夹套可以通过两个或更多个热夹套单元提供，各个热夹套单元都提供在光生物反应器罐的一部分的壁和/或底部的外表面上。
因此，热夹套达到辅助光生物反应器罐中培养物的温度控制的目的。在热夹套内将存在诸如水之类的流体的循环，该热夹套具有受控的温度，以将罐内的培养物维持在适当且恒定的温度下。在操作期间，热夹套可适用于使温度高于或低于罐中培养物温度的流体(例如水)进行循环。因此，如果需要对在罐中循环的培养物进行加热，则可以升高热夹套的温度。或者，如果需要对在罐中循环的培养物进行冷却和/或将培养物维持在固定温度，则可以使热夹套内流体的温度低于在罐中循环的培养物温度。
可以有一个或多个泵布置在热夹套中的流体入口上或与之流体连通，以使流体在夹套中循环。
在一个实施方式中，海水在热夹套中循环。对于在温暖气候下和/或自然冷却水稀少的地方进行的光生物反应器操作而言，这尤其重要。
通常，可以存在用于手动和/或自动调节和控制光生物反应器中的生长参数的控制器，所述生长参数包括但不限于：温度、pH、光(照度)、营养物如碳源、氮源、磷源和/或硅源，包括但不限于氨、硝酸盐、亚硝酸盐、正磷酸盐、溶解的二氧化硅、溶解的CO2。
可以布置为单个中央控制器或独立控制器集合的这种控制器接收与相关参数的测量(例如温度、pH、光、营养水平、溶解的CO2浓度的确定等)有关的信息，并基于与期望参数值的设置水平的比较来响应于这样的测量，并且向自动阀或流量控制器发送信号，从而响应于测量值与参数设置水平的潜在偏差。
例如，控制器可适用于通过接收关于罐中的一种或多种营养物的浓度的连续或半连续信息，基于该测量值来确定是否需要补充一种或多种营养物，并向一个或多个泵送设备和/或电子控制阀发送指令，以使得流入罐中的任何有所不足的营养物的流量增加，从而控制营养物向罐中的输送。以相同的方式，可以控制罐中的CO2水平，特别是溶解的CO2水平。通过控制光生物反应器罐中的CO2水平，可以根据需要调节罐的pH；为了降低pH，可以增加向罐中注入CO2的速率，其结果是，溶解的CO2增加，从而导致pH降低。换言之，CO2的控制起到光生物反应器中的pH稳定(pH控制)的作用。
罐中还可以有一个或多个光传感器，例如在罐中的光面板中或安装在罐中的光面板上。这些光传感器可提供罐中的光密度的测量值。接收该测量值的一个或多个控制器可以通过将测得的光强度与罐中的特定培养物所需要的光强度进行比较，并根据需要增大或减小罐中的照度，来增加和/或减少罐中的照明。
因此，光生物反应器可以配备有下述的至少一个：一个或多个pH计，一个或多个CO2入口，一个或多个温度探针，一个或多个化学探针和一个或多个光学密度计。
或者或此外，可以存在引入光生物反应器中或围绕光生物反应器的通道或管，以容纳用于对光生物反应器罐内的培养物进行热调节的液流。
光生物反应器的主体或罐优选由不锈钢制成，以方便清洗和消毒并确保传热。但是应理解，光生物反应器的设计不取决于材料的选择，因此主体可以以任何合适的材料提供。罐优选包括反射罐内的光的材料，即，在罐内碰撞罐内的内部侧壁、底部或光面板的光优选至少部分被反射回到罐中。这样，由吸收引起的光损失保持在最小。因此，罐优选在其内表面上、即朝向罐的内部包括反射材料。这可以通过使用天然反射性材料(例如不锈钢)来实现。或者或此外，罐可以在其内表面上包括反射涂层，以反射罐内的光，从而使光生物反应器的能量消耗最小化。这种涂层也可以另外起到使罐材料中的腐蚀或其它化学降解最小化的作用。
光面板也优选由反射性材料制成，以使得罐的光效率最大化。常用的LED面板通常由反射光的材料制成。这样的材料可以优选天生就有反射性，包含反射性涂层和/或具有高反射性的颜色，即白色。其结果是，光生物反应器罐内的所有表面都可以天生就有反射性，或者具有反射光的颜色(即白色)。
因此，在一个实施方式中，光生物反应器的内表面是反射性的，其中所述表面包含反射性材料。这些表面可以包括光生物反应器罐的内表面(例如壁和/或底部)以及光面板(例如LED面板)的内表面和外表面。
如将在下文中进一步讨论的，根据本发明的光生物反应器的一个优点是使反应器的地皮需求最小化，这是相对于当前使用的常规系统(例如玻璃管或塑料袋)的显著优点。进气孔或喷嘴可以位于主体的底板中，优选至少沿着主体的最低点或区段(即，沿着主体的底板中的槽)。在一些实施方式中，每个腔室可以有一个由照明面板或由照明面板和罐壁限定的喷嘴或孔。可以为每个腔室设置另外的进气喷嘴，以实现最佳的流体动力学。进气喷嘴可以是具有单个孔口方向或多个孔口方向的单孔口或多孔口喷嘴，以便影响和管理腔室内的流体动力学以及腔室之间的横向方向上的流体动力学。流入分开的腔室(即照明面板之间)的可变的气流也可以用于产生和调节腔室之间的流量。此外，可以采用流量管理来避免培养系统中的生物结垢并减少施加在待培养藻类上的流体动力应力。进入罐的气流可以由鼓风机(例如真空鼓风机)提供。鼓风机可以与光生物反应器连接或成为光生物反应器的组成部分，或者鼓风机可以是可用作单个光生物反应器或用作多个光生物反应器的单独的单元。
也可以提供一个或多个用于将二氧化碳(CO2)气体输送到反应器罐内的入口或喷嘴。这样的入口可以与罐中用于输送通气的入口分开提供。优选应当容易溶解在培养物中的CO2可以在培养过程中用作碳源。因此，将溶解的CO2输送到培养物中，以在罐中获得最佳生长条件是很重要的。
可以在主体的底板上提供用于CO2输送的入口，或者可以将入口悬挂在反应器内的培养物中。
可以改变这些入口的数量和位置，从而提供进入反应器中的适量的所需CO2流。例如，反应罐中可以存在约2～40个范围内的CO2入口，例如约4～30个入口或约4～25个入口。对进入罐中的CO2需求低的情况下，罐中可以存在约2～10个、约3～9个或约4～8个范围内的入口。对罐中的CO2需求为中等的情况下，罐中可以存在约8～18个、9～16或约10～15个范围内的入口。对罐中的CO2需求高的情况下，罐中可以存在约15～40个范围内的入口，例如约20～30个或约20～25个入口。
用于CO2输送的入口可以方便地配备有扩散器，所述扩散器提供非常小的CO2气泡流，以使得CO2在罐中的溶解最大化。用于CO2输送的扩散器是本领域已知的，包括可以布置在主体的底和/或侧壁(延伸穿过主体的底和/或侧面)上的扩散器以及设计成悬挂在主体中的扩散器。可以为此目的提供任何此类合适的扩散器，并考虑与光生物反应器一起使用。
当CO2扩散器以悬挂在罐中的方式提供时，扩散器可以设置成从延伸穿过罐的气体管线或歧管悬挂。
CO2扩散器的尺寸范围为20～30mm(高度/长度)和10～15mm(宽度/直径)，孔约为20um。
在一个实施方式中，存在一个CO2再循环回路，来自光生物反应器罐的培养物被输送到其中，并通过一个或多个CO2再循环回路罐出口(PBR出口)循环回到罐中。由于优化的藻类生长所需的溶解无机碳(DIC)浓度可能高于通过空气喷射器注入CO2和/或通过pH稳定(即pH控制)进行控制所能达到的浓度，因此培养液中较高的DIC可以通过外部回路来获得。因此，回路的目的是将培养物从罐引导到一个封闭的回路中，在该封闭的回路中使培养物中的CO2富集，然后将富含CO2的培养物重新引导回罐中。回路通过一个或多个CO2再循环回路罐入口(PBR入口)重新与罐连接。优选地，在CO2再循环回路上提供至少一个泵，用于使培养物从罐循环通过回路并返回到罐中。在泵的下游(相对于培养液流)，回路中可以有一个或多个CO2入口，用于将CO2输送到回路中。在泵的下游，压力升高，这是由于要逆着罐中的培养物的体积来泵送培养物。因此，CO2在高压下被输送到培养物中，以使CO2在培养物中的溶解最大化，从而使CO2在光生物反应器中转化为生物质。与CO2再循环回路连接的PBR出口和PBR入口可以优选与光生物反应器罐的底板连接。相对于主体的体积，可以优选将至少一个再循环回路罐出口和至少一个再循环回路罐入口布置在主体的下半部分中(即比相当于罐被填充到其容量的一半的罐中培养物水平要低)。可以优选将再循环回路通过PBR出口和PBR入口与底板中的槽连接。因此，至少一个再循环回路罐出口和至少一个再循环回路罐入口可以配备在主体的底板中，优选在槽中或槽附近。
PBR出口和PBR入口可以位于光生物反应器罐的任何一端。因此，例如当罐具有细长的形状(例如矩形)时，PBR出口可以位于罐的一端附近，优选位于底板中的槽附近或槽内，PBR入口可以位于罐的另一端附近，优选位于底板中的槽附近或槽内。这样，CO2再循环回路将在罐内提供额外的循环。
在一些实施方式中，PBR出口和PBR入口位于底板的最下部或附近。因此，可以将PBR出口和PBR入口置于距底板最下部，即底板中的槽内的最低点约30cm、约20cm或约10cm的竖直距离内。
CO2再循环还可以包括阀，该阀用于从回路中、并由此从罐中排出流体。这样的阀可以优选是三通阀(即T形阀)，可以优选配备在再循环回路上在泵的下游。这样，在需要时，可以使用泵从罐中泵送液体(培养物)，以将罐快速排空。
在某些实施方式中，CO2到生物质的转化因子为至少0.2(即将输送至罐中的CO2的质量的至少20％转化为生物质)，例如为至少0.22、至少0.24、至少0.25、至少0.26或至少0.27等。
光生物反应器的每单位地面面积(即反应器所占的地面面积)的生物质产量可以表示为每年每平方米(由生物质)生产的蛋白质的量。因此，本文所述的光生物反应器的蛋白质产量可以在80～150kg/m2/yr的范围内、90～140kg/m2/yr的范围内、100～130kg/m2/yr的范围内、110～125kg/m2/yr的范围内、或约为120kg/m2/yr。
因此，扩散器可以配备在主体的底板中，例如在底板的底部或附近(例如在底板中的槽内)。或者或此外，扩散器可以作为从罐中的培养物上方或之中悬挂的悬挂扩散器来提供。照明面板适当地布置在光生物反应器罐内，以使得罐内的培养物(即水溶液或水悬浮液)可以在最小的阻碍下沿着罐的侧面和底部流动。优选地，水沿着罐的侧壁和底板流动的阻碍很小或没有阻碍，以促进水沿着罐的侧面和底部面板流动。
照明面板可以优选作为平板来提供，即，与它们的长度和/或宽度相比通常是平坦且相对较薄的面板。
因此，罐内的面板可以设置成使得面板不与罐的侧面和/或底部相交。这样，面板不会阻碍培养物(液体)沿着罐的侧面和/或底部流动。优选地，将面板设置成使得它们不与罐的任何一侧或底部面板相交。
或者或此外，也可以提供照明面板，以使得面板允许沿着罐的侧面和底部面板自由流动。这可以通过例如以下方式实现：在面板结构中沿着罐的侧壁和/或底板提供孔，即使主面板结构到达罐的侧面和/或底部，也允许培养物沿着罐的侧面和/或底部流动。
可以将光面板以垂直的方式布置在光生物反应器罐内，覆盖其横截面区域的主要部分。可以更改光面板之间的距离以定义一个体积，通过该体积与气体流入相结合，可以以允许罐中液体的所有子体积都以充足的时间足够地接近光源的方式来调节和/或管理流体动力学，以确保罐内培养物的最佳光合活性和成熟。这样，确保了罐中微生物的适当曝光，并且实现了有关微藻的最大光合效率。因此，光面板之间的距离可以是可变的，以实现最佳的流体动力学。光面板的形状也可以、或者是可变的，以实现最佳的流体动力学和/或实现罐中的最佳表面积或光照条件。
因此，照明面板可以朝着罐的侧面和/或底部延伸，在面板与主体的壁和底之间存在狭缝或间隙，以确保沿着侧面和底部流动，以在罐内高效地循环。
照明面板可以设置成使得在面板与主体的侧壁和/或底板之间存在间隙。照明面板与主体的侧壁和/或底板之间的间隙可以在约2～20cm的范围内、约3～15cm的范围内、约4～15cm的范围内、约5～15cm的范围内、或约5～10cm的范围内。
间隙可以是均匀的，其中，照明面板具有与反应器罐中的侧壁和底板的轮廓平行的形状，并且该间隙是恒定的。或者，照明面板可以具有不精确地遵循侧壁和底板的轮廓的形状，并且因此照明面板与侧壁/底板之间的间隙可能是不均匀的。
照明面板可以相对于主体的侧壁成一定角度设置，以使得照明面板和侧壁之间的角度在45°～90°的范围内，优选为60°～90°，更优选为70°～90°，更优选为80°～90°，更优选为85°～90°。进一步更优选地，该角度可以为约90°，即，照明面板可以垂直于或大致垂直于侧壁。显而易见的是，通过以这种方式设置照明面板，罐内的培养物循环相对不受限制，并由罐内的气升驱动。
通过改变所使用的照明面板的数量和/或形状，可以调节照明面板的表面积与罐的体积之比。面板的密度越高，面板的表面积与罐的体积之比就越高，并且每单位地面面积所得到的培养表面积(照明面板的组合表面积)就高。
照明面板与罐体积的表面积/体积比可以为至少5m2/m3，优选为至少7m2/m3，更优选为至少8m2/m3，进一步更优选为至少9m2/m3，进一步更优选为至少10m2/m3。
将照明面板放置在罐内的一个优点在于，可以最大程度地提高光效率—将光直接传递到在罐内循环的培养物中，因此不会在通过光生物反应器的顶部或壁(其优选不透射光，并且还优选在其内表面上反射光)时所有损失。
罐中的能量消耗可以在500～2000kWhr/kg生物质的范围内，优选在700～1800kWhr/kg的范围内，更优选在900～1600kWhr/kg的范围内，更优选在1100～1400kWhr/kg的范围内，更优选在1200～1300kWhr/kr的范围内。
光生物反应器的主体或罐可以具有大致上细长的形状，即，其宽度可以小于其长度。从上方观察时，主体可以是大致矩形的。或者，从上方观察时，主体可以具有长方形、椭圆形或圆形的形状。
可以优选的是，主体的底板中的槽使得该槽沿着底板纵向延伸。槽例如可以沿着底板的中部纵向延伸。
底板可以优选包含至少一个凸出区段以限定槽(底板的最下部)，罐中的碎屑将流向该槽。因此，底板可以具有大致凸出的形状。在一个实施方式中，底板包括连续向下凸出结构，以使得碎屑可以流向底板的最下部。面板的形状可以是对称的，因此从正面观察时，面板包括对称的凸出结构。
例如，底板可以具有大致半圆柱形的形状，以使得底板中的槽由半圆柱形结构的底部限定。从正面观察时，这样的半圆柱形底板可以具有半圆形横截面(即形成半个圆形的横截面)的一半。
每平方米占地面积的光生物反应器体积可以在0.6～1.4m3/m2的范围内，优选在0.7～1.3m3/m2的范围内，更优选在0.8～1.4m3/m2的范围内。包括每个反应器周围的工作空间、即接触每个光生物反应器所需的占地面积在内，占地面积可以在0.36～0.84m3/m2的范围内，优选在0.42～0.78m3/m2的范围内，更优选在0.48–0.84m3/m2的范围内。
可以提供各种尺寸和形状的光生物反应器。可以优选为光生物反应器提供其主体的相对尺寸，以使得在其最宽处其宽度相对于其高度在约0.5:1～约2:1的范围内，优选为约0.8:1～约1.5:1，更优选为约0.9:1～约1.2:1，进一步更优选为约1:1。
另外，主体的侧壁的长度可以在约0.5～15m的范围内、约1～10m的范围内、约2～8m的范围内、约3～7m的范围内、或约4～6m的范围内。反应器罐的端壁通常可以在约0.3～4m的范围内、约0.5～3m的范围内、约1～3m的范围内、或约2～3m的范围内。
应理解，反应器可适用于具有由主体壁的上述长度和宽度的任意组合组成的尺寸。
光生物反应器可以配备有一个或多个水入口和一个或多个水出口，用于将水/培养物/营养物输送到反应器的主体中以及从中排出水。可以有一个或多个过滤器或过滤器系统布置在水入口上或与水入口流体连通，或者也可以布置在通向一个或多个水入口的管道上。这种过滤器的作用是使来自用于将水馈入罐的水源的污染风险最小化。可以有单独的入口用于使营养物和细胞培养物和/或水进入罐。当如此布置时，在营养物入口和细胞培养物/水入口上可以有单独的过滤器。根据本发明的光生物反应器的一个优点是高产率。以每单位时间每单位体积培养物所生产的培养物干质量表示，光生物反应器可以在培养物生长期间实现至少0.2g/L/天、优选为至少0.5g/L/天、进一步更优选为至少0.4g/L/天的体积生产率。
由于高产率和高表面积/体积比，光生物反应器实现每单位地面面积的高产率。因此，以每单位时间每单位地面面积的培养物质量计，光生物反应器可实现至少300吨/公顷/年、优选为至少550吨/公顷/年、更优选为至少300吨/公顷/年、进一步更优选为至少900吨/公顷/年的单位面积产率。
照明面板可以是平坦的矩形，或者具有其它形状以契合罐。例如，如果罐具有半环形的底或底部，则照明面板可以适当地具有至少部分为半环形的外边缘。光源可以设置在由防水光学透明材料保护的板或面板的一侧或两侧。如果优选，可以容易地将照明面板从罐中取出以进行清洗。防水光学透明材料优选为聚合物属性。或者，材料可以是合适类型的玻璃。防水材料的一个重要特性是可以使用常规方法容易地清洗和消毒。
由光面板提供的照明可以用多种方式进行调整。因此，可以通过以下一种或多种方式来改变光强度和特性：(i)光面板中的光(灯泡/芯片)的密度；(ii)罐内的光面板的密度；(iii)面板中的光强度；(iv)发光频率；(v)发射光的波长。因此，例如可能有利的是间歇地闪光，以使得具有短暂的发光间隔和跨越这些间隔的暗周期。这样的发光间隔可以在例如约1ms～约1s的范围内。
照明面板可以单独控制，即，每个面板的光可以独立于其它面板进行控制。或者，发光面板可以统一控制，即，将每个面板发出的光设定为与所有其它面板发出的光相等。
也可以基于罐中的微生物培养物来调节光线。微生物对光的要求相差很大—为了满足这些要求，可以根据需要调整各种参数(光的密度、强度、波长)。
也可以基于罐中的培养物密度来调节光强度。因此，随着培养物密度的增加，罐中的光强度可以增加，以弥补水培养物中的光透射的减少。
另外，可以根据感兴趣的产品来调整光强度。例如，雨生红球藻需要高强度的光来最好地生产虾青素。因此，在使雨生红球藻生长以生产虾青素时，可能有利的是在罐中使用较高密度的光面板和/或操作面板以发出高强度的光。在其它微生物的生长期间，可以根据需要改变光参数和光面板的密度。
照明面板可以包括适用于提供任何合适的强度和波长的照明的光源。光源可以适当地是发射可见光的光源。光源也可以、或者适用于传递特定波长的光。例如，光源可适用于传递波长约450nm的蓝光和/或波长约640nm的红光和/或UV和近红外范围内的光。
照明面板可以包括可适用于传递不同光谱质量的光的多个光源。因此，通过使用一组光源，可以在营养生长期间使用特定波长范围或特定波长的发射光，同时在面板内使用第二组光源以便操纵培养的生物体以产生具有经济意义的次级代谢产物。罐内的不同面板也可以适当地包含相同或不同的光源布置和选择，只要认为适合于特定用途。
由光源传递的光强度可以适当地以在20～1200μmol/m2/s的范围内、例如约50～800μmol/m2/s、约80～600μmol/m2/s或约120～500μmol/m2/s的范围内的光子通量来表征。
在一些实施方式中，可以在第一生长周期内将由光源传递的光强度设定在第一范围内，然后在第二生长周期内将设定的光强度设定在第二范围内。例如，在光敏藻类(如雨生红球藻)的生长过程中，在第一生长期(“绿色期”)中，使藻类在处于第一范围内的第一光强度设定下生长可能非常有用，而在第二生长期(“红色期”)中，可以使藻类在第二光强度设定下生长，该第二光强度设定在与第一范围不同的第二范围内。例如，光强度的第一范围可以在20～400μmol/m2/s的范围内，例如在50～400μmol/m2/s的范围内，例如在100～300μmol/m2/s的范围内。光强度的第二范围可以在500～1200μmol/m2/s的范围内，例如在600～1000μmol/m2/s的范围内，或在600～900μmol/m2/s的范围内。
可以通过调节各个光源发出的光强度或改变发光的光源的数量或两者来实现光强度的变化。例如，使用LED面板时，可以通过打开LED面板中的第一亚组的LED灯来实现第一光强度设定，并且可以通过打开LED面板中的第二亚组的LED灯来实现第二光强度设定。为了减少照明面板所需的空间以及减少潜在的热量产生，照明面板可以包括本领域已知的LED或OLED灯。例如，面板可以各自包括一个或多个LED或OLED灯板或光引擎，其中，每个这样的灯板包括嵌入在具有电气和机械固定件的电路板上的多个灯。示例性的LED灯板(光引擎)由Light Engines Europe制造(http://www.leeltd.uk.com)。
各个灯板可以是线状的(包含一行LED灯)、圆形的或矩形的。在每个照明面板内可以有多个这样的灯板，例如多个矩形灯板，多个矩形灯板和线状(或带状)灯板的组合，多个矩形、线状和/或圆形灯板的组合等，以适合于每个特定的照明面板，以使得面板中的内部灯板覆盖其平面区域的大部分。
照明面板可以包括外壳，在该外壳内布置有一个或多个灯板。外壳优选是防水的，并且由透光性材料(例如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，也称为丙烯酸玻璃，其示例包括Plexiglas、Acrylite、Lucite、Crylux和Perspex)制成，以使得由灯板发出的光能够穿透该外壳并对罐中的培养物进行照明。外壳例如可以包括薄的、基本上平面的(平坦的)结构或由其组成，该结构具有足够的厚度以能够容纳光面板。可以方便地在面板内的灯板之间布置多个间隔物，以防止面板由于罐内的水压而摇摆或偏转。在照明面板中的灯板之间或周围也可以、或者布置一个或多个间隔物，以在使用过程中保持其结构完整性。
照明面板也可以包括防水灯板(即，当浸没在水中时可以正常工作的灯板)或由其组成。因此，照明面板可以包括单个这样的防水灯板。或者，照明面板可以包括一个或多个这样的防水灯板，该防水灯板固定在插入主体内的安装框架上。安装框架可以包括能够将灯板牢固地保持在适当位置的任何合适的结构。例如，安装框架可以由一个或多个安装面板组成或包括一个或多个安装面板，该安装面板可以优选由透光性材料制成，并且其上安装有一个或多个灯板。
防水灯板也可以包括已嵌入防水透光性材料中的灯板，例如合适的聚合物塑料材料。这样的实施方式可以包括嵌入在透光性材料中的一个灯板。或者，也可以多个灯板一起嵌入，以形成由多个嵌入灯板组成的单个照明面板。
可以通过延伸穿过罐底的气体入口在槽内提供进入罐内的气体入口。气体入口也可以、或者由气体扩散装置提供，该气体扩散装置配备在主体中的底板内的槽内。这样的气体扩散装置可以例如由多个气体入口组成，这些气体入口配备在沿着底板中的槽延伸的气体管线上。
气体入口提供气流(例如空气流)，该气流在罐内提供通气和气升。可以调节气流以在罐中产生期望的通气/气升程度，取决于例如：(i)罐的尺寸、(ii)罐中的气体入口的数量、以及(iii)罐中的特定培养物的需求。
气体入口可以包括用于气体输送的喷口。优选地，喷口延伸入光生物反应器的主体内不超过10mm，优选不超过8mm，不超过5mm，最优选延伸入主体内不超过3mm。
气体入口的内径可以在约1～10mm的范围内，优选在约2～8mm的范围内，更优选在约2～6mm的范围内，更优选在约3～5mm的范围内。
气体入口可以均匀地布置在主体的底板内。气体入口可以配备在底板的最下部或沿着底板的最下部配备，以促进罐内的培养物从罐底的最下部再循环。因此，可以优选沿着底板中的槽布置气体入口。如果这样配备，则可以以规则的间隔配备气体入口。可以优选将气体入口布置成使得其位于光生物反应器中的照明面板之间(从上方观察时)。在一个实施方式中，气体入口配备成使得从上方观察时，在光生物反应器中的每个照明面板之间在底板中都有至少一个气体入口。
主体的底板中可以有多个大致平行的线状布置的气体入口。优选地，这种线状布置之一沿着底板中的槽的底部延伸。
例如，气流可以在约50L/m3/min～约500L/m3/min的范围内，例如在约100L/m3/min～约400L/m3/min的范围内、约200L/m3/min～约300L/m3/min的范围内。在一些实施方式中，气流为约200L/m3/min、约250L/m3/min或约300L/m3/min。
根据本发明的光生物反应器可以具有敞开的顶部，或者顶部可以是封闭的。例如可能需要在生长期间封闭光生物反应器罐，以使罐内的污染风险最小化和/或保持无菌环境(即避免罐中被不希望的微生物污染)。封闭罐的另一个优点在于，由于蒸发而造成的水损失保持在最低。因此，可以考虑通过在需要时封闭光生物反应器的方式来提供本发明的光生物反应器。
例如，用于封闭光生物反应器的装置可以由单个连续的盖子结构提供，该盖子结构基本上覆盖罐的所有部分，从而导致罐基本上是封闭的体系，即除了通过受控阀以及布置在光生物反应器及其罐中的其它入口或出口之外不对外开放的体系。也可以提供两个或更多个盖板，该盖板布置在光生物反应器顶部以覆盖顶部。面板可以优选包括矩形结构。各个面板可以具有基本上平坦的上表面。或者，面板可以沿着其表面的至少一部分倾斜。面板可以从一个边缘倾斜到下一边缘。或者，面板可以从其中间部分向面板的两个或更多个边缘倾斜。
在罐上具有盖子的一个优点在于，由于罐是封闭的，因此使从罐中的蒸发最小化；蒸发的水凝结在盖子的内表面，并且不会从罐中逸出。
面板上可以配备有多个喷嘴或入口。喷嘴或入口的作用是允许将例如冲洗溶液或清洗溶液经由盖子输送到罐中，而无需卸下盖子或一个或多个盖子部件。因此，喷嘴或入口可以与管、管道或歧管连接，以将冲洗溶液或清洗溶液经由盖子输送到罐中。优选地，喷嘴或入口延伸穿过盖子，以使得冲洗/清洗溶液可以经由每个喷嘴或入口被输送到罐中。
附图说明
本领域技术人员应理解，下述附图仅出于说明目的。附图不旨在以任何方式限制本发明的范围。
图1显示被外部框架所围住的本发明的光生物反应器。
图2显示图1所示的光生物反应器的剖视图，示出了内部主体和主体内的面板。
图3显示图1所示的光生物反应器的纵向剖视图，示出了沿着容器主体的内部面板以及主体底板中的气体入口。
图4显示根据本发明的改进的光生物反应器的透视图。
图5显示图4所示的光生物反应器的纵向剖视图。
图6显示图4所示的光生物反应器的截面，示出了内部面板和设置在反应器的外侧壁上的驱动器的剖视图。
图7的(A)和(B)中分别显示根据本发明的两种其它的光生物反应器。
图8显示具有管状形状的根据本发明的另一种光生物反应器。
图9显示如何能将CO2扩散器布置在光生物反应器罐的底板上。
图10显示一种光生物反应器，其包括用于将悬挂的CO2扩散器设置到光生物反应器罐中的歧管组件。
图11显示如何在光生物反应器罐内循环的示意图，该循环是由罐底底部的气体输送产生的。
图12显示根据本发明的照明面板。
图13显示根据本发明的其它照明面板。
图14显示可以配备在光生物反应器罐的外表面上的示例性热夹套。
图15显示可以与光生物反应器罐连接的CO2再循环回路。
图16显示一种光生物反应器，其上布置有两部分式盖子，以封闭光生物反应器罐。
图17显示其它的盖子布置，其中有六个盖子单元，每个盖子单元具有倾斜的上表面，能够用于封闭光生物反应器罐。
具体实施方式
下文中，将参照附图描述本发明的示例性实施方式。提供这些示例以提供对本发明的更深刻理解，但不限制其范围。
在以下描述中，描述一系列步骤。本领域技术人员应理解，除非在上下文中有要求，否则步骤的顺序对于所得的构造及其效果来说并不关键。另外，对于本领域技术人员来说显而易见的是，与步骤的顺序无关，在所描述的一些或所有步骤之间，可以存在或不存在步骤间的时间延迟。
如本文、包括权利要求书中所用，除非上下文中另有说明，单数形式的术语解释为也包括复数形式，反之亦然。因此应注意，除非上下文中另外清楚地说明，单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代。本发明提供一种生产性强、可持续且资源高效(能源、空间和水)的生产系统，允许大规模培养和开发有价值的微藻衍生的生物活性化合物。该系统不仅碳足迹少，而且还是一种负碳足迹产生链，因为藻类培养消耗CO2并返还氧气。此外，该光生物反应器还专为有害生物综合治理而设计，以大幅减少藻类养殖场的产品损失和浪费。现有的养殖技术价格昂贵，并且生产商表示由于有害生物(通常是占据生产系统的有害微藻物种)而损失其收成的1/3。
因此，期望该系统和方法在解锁微藻培养系统的成本效率方面起关键作用，从而即使在不利的气候下，微藻培养最终也可以高效地用于食品和生物基产品的生产。
市场上对用于藻类培养的工业规格罐的需求普遍未得到满足。当前的解决方案利用管状玻璃反应器，包括由Varicon Aqua Solutions提供的那些。小型非工业尺寸罐由两家公司提供：藻类食品及燃料(Algae Food&Fuel)(实验室用1000L罐型光生物反应器)和加拿大的工业浮游生物(Industrial plankton in Canada)(1250L罐型光生物反应器)。这两个系统都较小，对农民来说不切实际；此外，工业浮游生物的解决方案非常昂贵。
本发明的目的是解决光生物反应器中光敏微生物(例如某些藻类)对光的接触受到限制和不均匀的问题，以及光生物反应器的清洗和消毒以避免污染的问题，这两个问题对产量均具有负面影响。本发明提供具有特定结构的罐，包括以一定间隔安装在罐中的浸没式照明元件或面板。本发明的一个优点在于，如果需要，可以容易地将照明元件移除以进行清洗。光生物反应器可以通过以模块化方式串联连接罐来扩大规模。此外，可以根据需要改变罐尺寸，从而增加了解决方案的灵活性。
然而，技术人员应理解，重要的实际优点在于，本文描述的光生物反应器是独立系统，其中，它不需要额外的功能、供应罐、收获罐或用于其的外部部件。此外，光生物反应器可以以连续的方式运行，而不必在培养循环期间或之间移除任何部件。如果需要，实际上光生物反应器可以始终保持封闭，而无需出于排水、清洗或其它原因而在两个循环之间打开罐。
根据本发明的光生物反应器基于倒置面板构造，其中将光面板围住并设置在用于培养例如光敏微生物的罐内，在罐内以规则的间隔将光传递到罐中。与由面板围住藻类培养物、且光源位于面板外部的现有技术的解决方案相比，这是颠倒的构造。本发明的独特构造通过允许在单个单元中操作和维护大培养体积，并同时仍然接受来自多个光面板的光，从而极大地提高了培养系统的工作效率，这又反过来简化并加速了培养过程。通过使用与罐侧壁成一定角度布置的平板，可以做到这一点。平板可特别地设置在具有倾斜的底或具有至少一个倾斜部分的罐内，以使得罐内的培养物流向底部，该底部呈底(或底板)中的槽的形式。通过从底板的槽提供气升，提供了罐中微生物的高效通气和循环，当与高密度照明能力相结合时，这可提供相较于现有技术解决方案具有显著优势的光生物反应器。
因此，平板原理的倒置布局是一种新的技术方法，其中，将光源放置在浸没在培养液中并被培养液包围的薄板上，该培养液接受来自该源的光合活性辐射来驱动生长。培养物被具有倾斜底(优选为U形，或具有U形的下部)的罐围住，并且培养物通过经由位于罐底部的喷射器注入的空气被混合并在罐中循环。
本发明通过罐形状、喷嘴布置和/或歧管方向的结合来解决光敏培养物对光的暴露不均匀的问题，并且限定照明面板结构和照明面板间隔，以管理罐中的流体动力学并创建流动特性以确保液体培养物的所有子体积的均匀曝光。同时，本发明通过创建易于接触的所有暴露表面、罐表面以及光面板表面来解决清洗和消毒的问题。因此，包括所有内表面在内的罐的内部可以容易地清洗，无需为了清洗而移除罐的任何部件。因此，罐的内表面是光滑的，且易于接触来进行清洗。
参考图1，示出了光生物反应器10，其包括内部主体5(在该视图中，除了从上方之外是看不到的)，该内部主体5被由侧壁18和端壁11组成的矩形外部框架结构所围住。端壁可以与光生物反应器的主体5的端壁分开并从其向外设置，以使得整个主体被围在外部框架结构内。或者，端壁11也可以用作内部主体5的端壁，以使得端壁也代表外部框架结构的一部分。在这样的实施方式中，框架结构由侧壁18完成，该侧壁18可以是布置在共同框架上的侧板18的形式。腿15从侧壁18向下延伸，为外部框架结构提供支撑。
多个照明面板17设置在主体5内。照明面板平行布置，以便通过支撑件16悬挂，该支撑件16位于框架结构19的上边缘上，该框架结构19设置在主体5的侧壁或光生物反应器10的侧壁的上边缘上。在所示的实施方式中，示出了八组照明面板17，每组包含六个照明面板，它们串联布置在框架结构19的一部分内。沿着光生物反应器的每个侧壁18设置四组这样的串联布置，以使得反应器中总共有48个照明面板17。照明面板17可从框架结构19移除。因此，每个面板可以根据需要被移除，例如出于维护或清洗目的。此外，照明面板17的密度可以根据特定的培养需要而改变。因此，可以在框架结构19上布置更少或更多的照明面板。
阀12、13、14布置在从主体5延伸并穿过端壁11的管线上。在每条这样的管线上配备有阀12、13、14，以控制通过管线的流量，以将流体输送到主体5中或从主体5中排出流体。最下部的出口14和/或出口13可以方便地用于排空主体5，并且可以通过上部阀12添加流体(例如水、营养物和/或液体培养物)。但是应理解，也可以、或者将流体(水、营养物、培养物)经由通过阀门13、14调节的下部管线添加到罐中。
图1中的光生物反应器的剖视图示于图2。可以看出，主体5由侧壁20和底板30限定。底板30具有大致半管状的形状，即，底板具有半圆形的横截面，以使得横截面的形状为半圆形。槽35由底板的最下部形成。由于底板的形状，罐内的固体颗粒碎屑将流向并积聚在槽35中。
在槽35的底部，沿着槽布置有气体入口40。气体入口40沿着槽35以规则的间隔布置。当罐中充满液体培养物时，经由气体入口40泵入主体5中的气体(例如空气)将在罐中产生气升，驱动微生物在罐中向着主体内的液面生长。这种气升的自然流动是朝着侧面的，因而将培养物向主体5的侧壁20驱动。一旦微生物到达侧壁，它们将因重力的作用朝着主体5底部的槽35的方向向下流动。自然地，罐中的液体也会发生重力和随机(布朗)运动，这样，不仅沿着侧壁，而且在整个主体中也都会远离侧壁和底板产生向下的流动。然而，如进一步图示的那样，经由沿着主体底板的中部的气体入口泵入的空气所产生的气升以及沿着侧壁朝着槽35的重力流所产生的整体效果将是罐内培养物的循环和混合。
沿着罐的侧面和底部的液流有助于主体内的循环。因此，在所示的实施方式中，可以看到照明面板17没有到达主体5的侧壁20或底板30。藉此，液体培养物沿着主体5的侧面和底板的流动不受限制(自由)，有助于主体内的不受限制的流动和循环。
照明面板17由内部光源(LED灯)提供，内部光源由布置在每个照明面板17内的四个LED面板22提供。因此，在罐内循环的培养物将与由照明面板发出的光接触。照明的程度和时间可以通过循环程度(由经由气体入口40泵入罐中的空气驱动)以及由照明面板发出的光的强度和波长以及主体5中面板的密度(面板之间的距离)来调节。也可以、或者在生长期间调节光强度，因为随着培养密度的增加，透光率会显著降低。
因此，在靠近照明面板17的情况下，在罐中循环的光敏培养物(例如雨生红球藻)将经历高强度的光(高曝光)，而当进一步远离光(低曝光)时，培养物将不会经历这样的条件。换言之，曝光量将从低曝光到高曝光不断切换。就雨生红球藻而言，高曝光会触发生物合成途径，导致细胞中虾青素的形成。因此，在虾青素形成条件(“红色”期)下，在高密度的光面板和/或高的光强度下使雨生红球藻生长可能是有利的，而其它微生物可能需要较少的曝光量。
如果需要，可以在培养期间调节光的波长，以在培养的红色和/或绿色期促进选择性生长。
图3中示出了罐10的纵向剖视图。可以看到多个气体入口40沿着并穿过底板30中的槽35的最下部设置。因此，气体入口沿着罐的最下部延伸，以从罐的底部提供气升。气体入口的这种规则布置沿着罐的纵轴提供均匀的气升。
罐内的均匀气升的一个优点在于，罐内的培养物始终可以充分且均匀地混合。向原本已充满的罐的一端添加溶液(例如发酵剂培养物(starter culture))后，经由罐底中的气体入口40输送到罐中的气体(例如空气)的气升提供快速且彻底的混合，其结果是，罐内的溶液在约15分钟内达到均匀的组成。
当置于平坦表面上时，三个支撑构件50为光生物反应器提供支撑。取决于每个罐的负载(这取决于其长度和高度)，可以根据需要提供额外的支撑构件。
光生物反应器还包括一个或多个CO2入口(在该视图中未示出)，用于将CO2气流供至罐中，该CO2气流用于提供碳源并调节罐中的pH。罐上还可以布置有控制器，以控制罐中的生长参数，包括例如pH、温度、无机盐水平和照明条件。
图4中示出了根据本发明的其它光生物反应器的透视图。参照该图，有一控制箱50，其中包含用于控制阀的电子控制器、照明面板、pH、温度和/或罐中的其它参数。控制器可以是手动或自动的，也可以是混合的。例如，可以存在适用于自动响应某些参数(例如温度或pH的测量值)并相应地根据预设参数调节罐中条件的控制器。
光生物反应器中的罐可以是双壁的，以限定围绕罐的开放空间(热夹套)，该开放空间可以填充有诸如水之类的流体，用来控制罐中的温度。可以看到罐56的双壁的外表面。在箱的外壁中布置有一系列入口53。水管线54通向这些开口，用于将水输送到热夹套中(在该视图中，管线54和入口53未示出)。水通过出口开口51离开热夹套，出口开口51可以与出口水管线52连接(在该视图中，出口开口和出口水管线被示出为是断开的)。
所示的罐具有三个入口开口和三个出口开口，分别用于将水输送到热夹套中和从热夹套中排出。然而应理解，取决于每个罐的尺寸和构造，可以根据需要容纳更少或额外的这种开口。电子控制器55可以从例如可以悬挂在罐中的温度探针接收关于罐中温度的信息。控制器可以将实际温度的测量值与设定温度进行比较，并根据需要调节热夹套的温度和/或流经热夹套的水流量，以将罐中的测得温度恢复到预设温度。如果罐中的温度过低，则可以使热水通过热夹套循环。或者，控制器可以将流经热夹套的流量调节到更高的设置，以使罐中的流体更快地达到所需温度。
光生物反应器结构侧面的箱50包含电源以驱动照明面板中的照明。箱50还包含照明面板中的灯的电开关。
光生物反应器可以具有一定的尺寸，以使其内部体积(主体的体积)约为7500L。光生物反应器中的每个照明面板可为约2.9m2的面积提供照明。反应器具有25个照明面板，总照明面积约为73.2m2。这意味着总的来说，每单位体积的照度为0.00976m2/L或97.6cm2/L。
图4中的罐的纵向剖视图示于图5，示出了照明面板17和气体入口40沿着罐底中的槽的相对位置。在该视图中，也可以看到框架构件57如何为罐提供支撑，以及从框架构件57向下延伸的腿15。
在图6所示的剖视图中，除了气体入口40之外，还示出了其它气体入口45、46。经由气体入口40的空气流可以通过经由气体入口45、46的额外空气流来补充，从而在罐中提供额外的气升。图6中也示出了照明面板17的侧视图，其中，在每个照明面板内设置有多个LED灯21。LED灯由箱50内的电源(驱动器)供电，并由控制器55控制。
图7和图8中分别可以看到根据本发明的光生物反应器的其它设计。因此，在图7的(A)和(B)中，示出了两种其它的光生物反应器设计，每种设计都显示出利用相同总体概念的相对较小的光生物反应器，即，每种光生物反应器都包括一个罐，该罐包含倒置构造的照明面板，其中这些面板设置在罐内。因此，(A)中所示的光生物反应器包含以与图1中所示的反应器类似的方式悬挂在罐10中的照明面板17。(B)中示出了光生物反应器的更广泛的配置，其中，一系列照明面板是通过布置在控制箱55内的控制器控制的。
图8所示为又一种设计，示出了包括圆形罐结构的光生物反应器10，其中，外侧壁18围绕光生物反应器的主体。可以看到照明面板17以类似于根据本发明的其它实施方式所示的方式悬挂在罐中。
可以在光生物反应器中配备用于输送二氧化碳(CO2)的入口，以控制光生物反应器罐内的pH。图9中示出了如何能够在罐中配备用于输送CO2的气体管线。CO2流经由气体管线60输送，并经由气体入口62输送到光生物反应器中。气体入口优选以扩散器的形式提供，该扩散器具有非常小的孔(通常约为20μM)，以使得CO2气体通过很小的气泡扩散到罐中的培养物中。这一点很重要，以使得引入的气体溶解在罐中的水培养物中。
在图9的俯视图中可以看到，在容器的底部中配备有CO2入口62，靠近在罐中提供气升的气体入口45、46。CO2气流在罐中提供额外的辅助搅拌和气升。用于在罐中提供气升的一系列气体入口40、45、46被示出为配备在罐中的照明面板17之间。
或者，可以经由从上方悬挂在罐中的扩散器将CO2输送到罐中的液体培养物中。这种构造的示例示于图10，其中示出的多个扩散器61通过设置在光生物反应器的主体上方的CO2气体管线60悬挂在罐中。
通过从上方通过悬挂式扩散器向罐中提供CO2，可以根据需要调节扩散器在罐中的位置(高度)。
无论将CO2输送到光生物反应器中的构造是怎样的，都可以改变CO2扩散器的数量和/或调节进入罐中的CO2流，以提供对罐中溶解的CO2的适当调节(导致对pH的控制)。CO2流可以由控制器55自动控制，该控制器55接收有关罐中pH的输入(手动或自动获得)，并基于这些测量值来调节进入罐中的CO2流。或者，可以基于罐内培养物的pH测量值来手动调节进入罐中的CO2流。
根据本发明的在光生物反应器中产生气升的示意图示于图11。该剖视图中示出了一系列气体入口40、45、46。如图9和图10所示，可以以规则的间隔在罐中、例如在罐中的每个照明面板17之间配备这样的入口。
通过入口40、45、46进入罐的底部部分中的槽35中的气流(例如空气)驱动罐中的水，藉此还使悬浮在罐中的培养物朝着罐中的培养物表面流动。当气升产生的流到达表面时，该流将被迫流向罐的侧壁20，并且该流将从那里在罐中自然地沿着内侧壁向下流动。循环进一步受到重力的驱动，该重力将罐中的培养物沿着罐的侧壁和底30朝底30中的槽35向下拉，在此处，由气体入口40、45、46提供的气升完成循环。气升的一个关键特征是，它是从罐底的最低部分驱动的。这是为了确保使沉淀在罐底部的培养物从底部升起，从而使罐中的培养物不断循环，使罐中的死角最少或没有死角(死角是指培养物很少循环或不循环的空间)。
图12中示出了根据本发明的矩形照明面板17的特写视图。照明面板17包含总共八个LED面板22，这些LED面板22在面板内并排布置以处在大致相同的平面中。照明面板包含支撑物16，其可用于将面板从光生物反应器(未示出)内的框架结构悬挂下来。
其它照明面板17示于图13。这里，面板包含总共四个LED面板22。面板具有五边形结构，其可以适用于具有弯曲的侧壁和/或底板的光生物反应器，例如图2所示的光生物反应器。
热夹套的实施方式示于图14。在(A)中，示出了热夹套的外部侧视图(即远离罐的内部、面向外部)。热夹套由一系列连续的规则布置的通道提供，并散布着与下方的光生物反应器罐相匹配的凹陷。在(B)中，示出了沿(A)中的虚线的侧视图。在该横截面中，热夹套形成波纹状结构，每个通道内的液体自由流动。实际上，如从(A)中的侧视图所见，通道是互连的。热夹套配备于光生物反应器罐的外表面(侧板和/或底板)中，以使得罐内有自由的培养液流((B)图中的上半部分)，并且在热夹套内有单独的自由的热流体流((B)的下半部分)。因此，如图14所示的构造所示，热夹套可以与罐中的侧板和/或底板成一体。(B)中两个通道之间的箭头表示光生物反应器罐壁上的热传递，通过该热传递，可以通过控制在热夹套中循环的热液体的温度来控制罐内的温度。连接器70、71代表入口和出口，用于将热液体(例如水)的流动输送到热夹套中或从热夹套中流出。如果需要，可以通过单独的温度控制单元(未示出)来控制热液体的温度。
本领域技术人员将理解，热夹套可以以与该夹套一致的多种替代方式进行适配，以允许流体经由该夹套进行循环，并且该夹套配备在光生物反应器罐的外表面上，从而有热量在罐和热夹套之间流动。
图15中示出了显示通过光生物反应器中的CO2注入回路将CO2输送到罐中的实施方式。来自罐的培养物通过循环泵经由光生物反应器出口(PBR出口)通过CO2注入回路进行循环。泵的下游有一个高压区，这是由于液体逆着罐中的液体质量而被泵送。在该高压区中配备有一个CO2入口，在其上配备有合适的CO2扩散器或喷射器。CO2注入回路最终通过PBR入口与光生物反应器罐连接，现已富含溶解的CO2的培养物藉此重新进入罐。将CO2输送到高压环境中的结果是，CO2在水中的溶解最大化。其结果是，系统中CO2向生物质的转化率很高。
PBR入口和出口的放置原则上是无关紧要的，这意味着入口和出口可以放置在罐内的任何位置。然而，将PBR出口放置在细长罐的一端附近，而将PBR入口放置在罐的另一端附近可能是方便的。这样，CO2注入(再循环)回路可以沿着罐从一端(或靠近一端)延伸到另一端(或靠近另一端)。
这种构造使得CO2溶剂化得到改善，其结果是，反应器中CO2向生物质的转化率得到改善。因此，与常规(只有罐)的设计相比，再循环回路可使得CO2向生物质的转化率从约0.14增加到约0.27。
图16中示出了根据本发明的封闭的光生物反应器。在该实施方式中，罐由两个盖子单元80封闭，每个盖子单元基本上是平坦的。在每个盖子单元上有许多喷洒口90。这些口允许将溶液(例如清洁剂溶液或水)喷洒入罐中。管和/或管道(未示出)与喷洒器连接，并根据需要将所需的清洁剂和/或冲洗溶液泵入罐中。应理解，如果需要，或者也可以提供没有喷洒口的盖子单元。
因此，可以通过经由喷洒口90输送清洗溶液来清洗罐，而不用打开罐。可以将罐中的培养物(例如藻类培养物)从罐中排出，随后将罐及其内部组件(包括光面板)用水冲洗和/或采用一种或多种清洁剂或消毒剂溶液、通过经由盖子上的喷洒器90输送这些溶液来进行清洗。其结果是，该系统是一个封闭的、独立的系统，可以始终保持封闭状态。这样，污染最小化，生长期间从罐中的蒸发也最小化。培养也变得更加经济，并且将罐的停机时间保持在最低限度。
盖子结构的其它实施方式示于图17。在该实施方式中，罐可以由六个盖子单元封闭(此图中仅显示了两个)。每个单元80具有倾斜的上表面，以使得积聚在盖子上的任何液体将从盖子上流下。喷洒器90布置在每个盖子单元80上，用于输送清洗和/或冲洗溶液。
可以存在一个或多个供给罐(未示出)，清洁剂和/或冲洗溶液从该供给罐经由喷洒器90被泵送到罐中以用于清洁目的。因此，光生物反应器可以包括一个或多个清洁剂原液容器、至少一个泵、以及用于与安装在光生物反应器盖子上的喷洒器连接的管或管道，以确保有效地清洗光生物反应器罐的内部，包括其内部光面板。
应理解，盖子结构的其它构造是可能的，并且落在本发明的范围内。因此，如果需要，可以通过单个盖子单元将罐封闭。组合起来覆盖罐的盖子单元的形状和数量也可以与本文所示的不同。
总之，罐内的循环路径因此可以描述为：(i)垂直于罐内的槽，朝向罐内的液体培养物的表面；(ii)水平，朝向罐的内壁；以及(iii)沿着罐的内侧壁垂直移动，然后是垂直和水平方向的组合移动，朝向罐底中的槽。
从以上描述应理解，与该循环路径中的水平移动平行的罐中的照明位置意味着照明面板不会阻碍罐内的循环。由于照明面板也不会限制沿罐侧壁的流动，因此沿着罐侧壁和罐底朝向其底部(槽)的流动也将不受限制。
还应理解，本文所述的光生物反应器设计适合于确保例如微藻的生物质生产的稳定性和可行性。确保稳定的生产、无污染和其它生长问题一直是现有技术的罐设计的问题。本文所述的光生物反应器规避或防止了此类问题，确保了微藻的持续、安全的培养，以生产例如蛋白质和生物材料，如虾青素。
藉此，本发明提供了一种由气升驱动的、用于使光敏生物体生长的系统和方法，其在罐中提供高效的循环，并同时通过罐中的浸没式照明面板提供可调节且高效的照明。
因此，本发明提供了相较于现有技术的光生物反应器的许多优点：
·用户友好、高度适应性和工业尺寸的光生物反应器
·高体积产率
·高单位面积产率—每单位地面面积的高培养体积
·与其它培养方法相比的每单位地面面积的高生物质产量
·使用集成式光生物反应器安全收获且避免有害生物
·可以调节和调整的内部面板照明，从而实现高光合效率
·高成本效益的生物质生产，这是由于每单位地面面积的高产量
·环境友好型生产，牵涉到CO2、水和能源的使用最小化，从而实现罐的高产率
在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”以及它们的变体应理解为是指“包括但不限于”，并且不旨在排除其它组成部分。
在术语、特征、数值和范围等与诸如约、左右、大约、基本上、大致上、至少等术语联用的情况下，本发明也涵盖精确的这些术语、特征、数值和范围等(即，“约3”应当也涵盖精确的3，或者“基本上恒定”应当也涵盖精确地恒定)。
术语“至少一个”应理解为是指“一个或多个”，并且因此同时包括包含一个组成部分的实施方式和包含多个组成部分的实施方式。另外，引用了用“至少一个”来描述特征的独立权利要求的从属权利要求中，当该特征通过“所述”和“所述至少一个”被引用时，都具有相同含义。
本发明的实施方式包括：
1.一种特别是用于培养光敏微生物的光生物反应器，该光生物反应器包括：
a.主体，包括至少一个底板和至少一个壁，所述至少一个壁围绕所述至少一个底板的外围向上延伸，以限定用于接收和保持液体的主体；
其中，所述至少一个底板包括至少一个渐变区段，从而沿着主体的底部限定一个槽，主体内的碎屑流向该槽；
b.至少一个照明面板，该至少一个照明面板包括适用于发射适合于维持光生物反应器内的光敏微生物生长的光的照明装置，
其中，至少照明面板设置在主体内，以使得流体沿着主体的侧面和底板自由流动；
以及
c.至少一个气体入口，设置在至少一个底板中的槽内，用于向主体内提供向上的气流，从而在主体内产生光敏微生物的气升；
由此，在光生物反应器中孵育微生物的液体培养物期间，通过同时暴露于由至少一个照明面板发出的光和微生物在主体内的循环，来刺激微生物在光生物反应器中的循环和生长，所述微生物在主体内的循环通过由主体内的气流产生的向上气升来促进。
2.实施方式1所述的光生物反应器，其中，至少照明面板设置在主体内，以使得在光生物反应器的至少一个面板与至少一个壁和/或底板之间存在至少一个间隙。
3.实施方式1或实施方式2所述的光生物反应器，其中，照明面板以设置在主体内的至少一个平板的形式提供。
4.实施方式3所述的光生物反应器，其中，照明面板和侧壁之间的角度在45°～90°的范围内，优选在60°～90°的范围内，更优选在70°～90°的范围内，更优选在80°～90°的范围内，更优选在85°～90°的范围内，进一步更优选在约90°的范围内。
5.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，主体包括细长的结构，该细长的结构包括至少两个侧壁和至少两个端壁，并且其中，槽沿着主体的底板纵向延伸。
6.实施方式5所述的光生物反应器，其中，槽沿着底板的中部纵向延伸。
7.实施方式5或实施方式6所述的光生物反应器，其中，主体的侧壁具有矩形结构。
8.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，底板包括至少一个向下凸出的区段。
9.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，底板包括连续向下凸出结构，以使得碎屑可以流向底板的最下部。
10.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，底板包括向下凸出结构，该结构在其最低点汇合成平坦的带，沿着底板的中部伸展。
11.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，底板包括半圆柱形结构，沿着主体的纵轴观察时，其具有半圆形横截面。
12.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，在底板上设置有至少一个气体入口。
13.上述实施方式所述的光生物反应器，其中，至少一个气体入口包括输送喷口，该输送喷口延伸入光生物反应器的主体内不超过10mm，优选不超过5mm，进一步更优选不超过3mm。
14.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，在主体的底板上、在至少一个照明面板的下方设置有至少一个气体入口。
15.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，至少一个气体入口包括配备在底板的最下部的多个气体入口。
16.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，至少一个气体入口包括沿着底板中的槽配备的多个气体入口。
17.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，至少一个气体入口包括沿着底板中的槽间断地布置的多个气体入口。
18.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，至少一个气体入口包括沿着底板中的槽以规则的间隔布置的多个气体入口。
19.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，至少一个照明面板包括平行布置的多个照明面板，并且其中，在底板上、在每个照明面板的下方布置有多个气体入口。
20.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，至少一个照明面板包括平行布置的多个照明面板，并且其中，在底板上、在照明面板之间布置有多个气体入口。
21.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，底板包括大致半圆柱形形状的连续凸出结构，并且其中，至少一个气体入口包括沿着半圆柱形表面的底部布置的第一排气体入口，以及沿着其纵轴布置在光生物反应器底板上、平行于第一排气体入口并向上的至少另一排气体入口。
22.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，气体入口的内径可以在约1～10mm的范围内，优选在约2～8mm的范围内，更优选在约2～6mm的范围内，更优选在约3～5mm的范围内。
23.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，照明装置嵌入在照明面板中，以使得防水密封件将照明装置与其周围环境分隔开。
24.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括照明装置，该照明装置提供远离面板两侧且沿着其整个表面的照明。
25.实施方式16所述的光生物反应器，其中，照明面板包括多个光源，该多个光源提供远离照明面板两侧且基本上沿着其整个表面的大致均匀的照明。
26.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括多个光源，该多个光源设置成提供远离照明面板两侧且进入光生物反应器主体内的照明。
27.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，照明装置以多个LED光源的形式提供，该多个LED光源嵌入在透光性材料、优选透光性塑料材料中。
28.实施方式23～27中任一项所述的光生物反应器，其中，主体包括大致上细长的结构，并且其中，照明面板沿着主体的纵轴提供照明。
29.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括照明装置，该照明装置适用于传递光子通量在20～1200μmol/m2s、优选50～800μmol/m2s、更优选120～500μmol/m2s的范围内的光。
30.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括厚度大致均匀的且在面板宽度的约0.5％～约5％范围内的矩形结构。
31.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括厚度大致均匀的且在约0.5cm～约5cm范围内的矩形结构。
32.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括能透过可见光的材料。
33.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板的宽度在光生物反应器主体的宽度的约80％～约99％的范围内。
34.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板的高度在从其在底板中的最低点计的主体高度的约80％～约99％的范围内。
35.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板设置在主体内，以使得照明面板与主体的侧壁和底板之间存在约2～20cm范围内、优选约5～15cm范围内的间隙。
36.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括防水外壳，该防水外壳包括透光性材料以及设置在该外壳内的一个或多个灯板。
37.上述实施方式所述的光生物反应器，其中，一个或多个灯包括多个矩形、线状和/或线状的灯板。
38.实施方式1～35中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板由包括多个光源的防水灯板组成。
39.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，气体入口适用于提供每分钟进入光生物反应器主体内的气体总体积为主体体积的10％～约30％范围内的气体。
40.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，竖立的侧壁和竖立的端壁是大致垂直的。
41.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，从上方观察时，光生物反应器的主体具有矩形形状，并且其中，侧壁的长度与端壁的宽度之比在约1:1～约5:1的范围内。
42.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，光生物反应器的主体在其最宽处的宽度与高度之比在约0.5:1～约2:1、优选0.8:1～约1.5:1、更优选约1:1的范围内。
43.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，主体的内部体积在约200L～约40,000L的范围内。
44.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，侧壁的长度在约1～10m的范围内，优选在约2～8m的范围内，更优选在约3～7m的范围内。
45.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，其中，端壁的长度在约0.5～3m的范围内，优选在约1～3m的范围内，更优选在约2～3m的范围内。
46.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，还包括用于将水输送到光生物反应器内的至少一个水入口，以及用于从光生物反应器中排出水的至少一个水出口。
47.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，还包括热夹套，其中该热夹套包括封装至少一部分主体的空心结构。
48.上述实施方式所述的光生物反应器，其中，热夹套包括至少一个入口和至少一个出口，分别用于将水导入空心结构和从空心结构放出。
49.实施方式5～43中任一项所述的光生物反应器，其中，主体被围在框架结构内，该框架结构包括至少从主体的侧壁向外设置以将主体围住的外部侧壁。
50.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，该光生物反应器还包括至少一个支撑构件，该支撑构件从主体的底板和/或端壁向下延伸，从而在置于平坦表面上时为光生物反应器提供支撑。
51.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，该光生物反应器还包括下述的至少一个：
a.一个或多个pH计，用于提供主体内液体的pH测量值；
b.一个或多个气体入口，用于将富含二氧化碳的气流输送到主体内；
c.一个或多个温度探针；
d.一个或多个化学探针，用于检测无机物如硝酸盐；以及
e.一个或多个光学密度和/或光密度计。
52.上述实施方式中任一项所述的光生物反应器，还包括至少一个控制器，用于控制下述的至少一个：光生物反应器中的照度、水温、pH和气流。
53.上述实施方式所述的光生物反应器，其中，控制器适用于响应于通过光学密度和/或光密度测量而测定的主体内的微生物密度的测量值，来调节选自光强度、温度和pH的至少一个或多个参数。
54.一种使光敏微生物生长的方法，该方法包括：
a.提供光生物反应器，该光生物反应器包括：
i.主体，包括底板和至少一个壁，所述至少一个壁围绕所述底板的外围向上延伸，以限定用于接收和保持包含微生物的水溶液的主体；其中，所述底板包括至少一个渐变区段，从而沿着主体的底部限定一个槽，微生物可以流向该槽；
ii.设置在主体内的至少一个照明面板，该照明面板包括适用于发射适合于维持主体内的光敏微生物生长的光的照明装置，
其中，所述至少一个照明面板设置在主体内，以使得水沿着所述至少一个壁和/或底板自由流动；以及
iii.至少一个气体入口，设置在底板中的槽内，用于在主体内提供向上的气流，从而在主体内产生光敏微生物的气升；
b.将光敏微生物的水培养物供至主体内，以使得照明面板至少部分浸没；
c.通过至少一个气体入口将气体输送到主体中的水培养物内，从而在主体内产生气升，该气升从至少一个气体入口提供向上的微生物流，并且至少沿至少一个侧壁向下、朝着底板中的槽提供向下的微生物重力流；
d.通过至少一个照明面板向主体内提供照明；
其中，通过气升驱动的微生物在主体内的循环以及暴露于由至少一个照明面板发出的光来刺激微生物生长。
55.上述实施方式所述的方法，其中，气体经由至少一个气体入口以约0.1～0.5bar、优选约0.2～0.4bar的压力输送到水培养物内。
56.实施方式54或55中任一项所述的方法，其中，气体经由至少一个气体入口以在主体体积的10％～约30％范围内的每分钟进入主体内的气体总流速输送到光生物反应器内。
57.实施方式54～56中任一项所述的方法，其中，光生物反应器包括至少pH探针和/或至少一个温度探针，并且其中，在生长期间，选择性地控制pH、温度、照度、无机物如氮化物、光学密度和/或光密度以及气流中的至少一个。
58.实施方式57所述的方法，其中，控制通过至少一个电子控制器来实现。
59.实施方式54～58中任一项所述的方法，其中，气体是环境空气，任选地与二氧化碳混合。
60.实施方式54～59中任一项所述的方法，其中，气体以相对于每单位罐中培养物体积在约50～约500L/m3/min、优选约100～约400L/m3/min、更优选约200～约300L/m3/min范围内的总体积输送到罐内。
61.实施方式54～60中任一项所述的方法，其中，主体还包括用于将二氧化碳气体输送到主体内的至少一个入口，并且其中，在生长期间，通过调节经由至少一个入口进入主体的二氧化碳气流的流速来控制微生物培养物的pH。
62.实施方式54～61中任一项所述的方法，还包括将至少一种营养物源输送到主体内，以维持光生物反应器中的微生物的生长。
63.实施方式54～62中任一项所述的方法，其中，将气体输送到光生物反应器的主体内，以从主体底部中的槽产生垂直气升，并同时允许微生物沿着侧壁和底部朝着底部中的槽向下流动。
64.实施方式54～63中任一项所述的方法，其中，该方法采用实施方式1～53中任一项所述的光生物反应器来实施。
下面通过非限制性实施例的方式描述本发明。
实施例1
雨生红球藻的培养
为了以分批培养模式在光生物反应器(例如本文所述的光生物反应器)中自养生产藻类雨生红球藻的生物质以生产虾青素，实施了14天的培养，7天为绿色营养生长，之后的7天为虾青素形成期。
营养生长的特征是绿色细胞的尺寸生长，活跃的细胞分裂和繁殖。红色期是细胞包囊的过程，其特征是胞浆积聚虾青素以及构建厚而结实的细胞壁以保护和存活细胞。
在培养前，要清洗罐的内表面和照明面板。随后将罐装满水，根据需要对水进行氯化，并通常通过加热罐夹套将温度从7℃加热到25℃，以彻夜进行温度调节。然后，用硫代硫酸钠对水进行脱氯，并通过位于罐底部的空气喷射器注入空气进行主动通气。持续进行通气以达到气升目的，以使藻类保持悬浮。
在无菌条件下，使用Kuhl培养基(Kuhl,A.和Lorenzen,H.(1964)处理和培养小球藻，在：D.M.Prescott编著的细胞生理学方法(Methods in cell physiology.)第1卷，第152-187页，学术出版社，纽约和伦敦，1964中)，通过从多个1升烧瓶中到多个5升烧瓶中的逐步培养(step-up culturing)，来生产雨生红球藻的接种物。然后，将5升烧瓶培养物用于接种1000L接种物光生物反应器，进行繁殖直到细胞密度在750nm处达到1.5个吸光度单位左右的光学密度为止。
将1000L接种物光生物反应器(PBR)装满水和营养物，以适当浓度的Kristalon(一种多合一配方)的形式添加。在水达到25℃后，将烧瓶接种物培养物加入到罐中，在750nm处达到约0.3个吸光度单位的光学密度。繁殖PBR接种培养物，直到细胞密度在750nm处达到约1.5～2.5个吸光度单位。然后，将接种培养物从接种罐中转移到生产用PBR中，此时，用自来水将其填充到约80％的罐体积，加热到25℃，并用Kristalon营养混合物进行改良。随后将生产罐装满水。然后，根据藻类的生长、营养物质的消耗和藻类细胞的形态变化来监测生产培养物。消耗硝酸钾作为主要营养成分对于增强虾青素的形成很重要。在营养生长期结束时，生物质水平通常达到3～3.5g/L。
随着绿色营养生长期的结束，红色期开始；虾青素的诱导是通过在藻类上产生胁迫效应而触发的，藻类通过生产虾青素来缓解胁迫而作出反应，主要包括氧化应激的猝灭。高强度照明是有效的胁迫因素。在红色期开始时，通过打开安装在光面板上的额外照明单元，将照度水平升高约250～700μmol/m2/s。另外，也通过添加氯化钠提高盐度来胁迫藻类，通常会产生0.8～1.0％的盐度。红色期7天后，细胞质量通常含有以干重计为3.5～4％的虾青素。最终，将生物质收获并加工用于虾青素的下游加工。
实施例2
海藻的培养
海藻通常可以用根据本发明的光生物反应器培养。一般来说，培养可以遵循上文实施例1中所述的培养。
在罐中培养海洋微藻如微绿球藻用于产油的情况下，以类似的方式将来自烧瓶培养物的接种物规模扩大，这牵涉到在无菌条件下，在数升的海水或相当于数十升的海水中，提供适当的营养物溶液例如“f/2培养基”来逐步培养藻类(Andersen,R.A.,Morton,S.L.和Sexton,J.P.，1997，Provasoli-Guillard国家海洋浮游植物培养中心，1997年，菌株列表，J.Phycol.33(补编)：1-75)。将烧瓶培养物转移到接种物PBR中，并培养约一周，直到达到所需的细胞密度。然后，将接种物转移到以与上述雨生红球菌相似的方式进行管理的生产罐中。在营养生长期终止时，主要营养物元素应被耗尽，这将触发细胞质油的合成。

Claims (67)

1.一种特别是用于培养光敏微生物的光生物反应器，该光生物反应器包括：
a.主体，包括至少一个底板和至少一个壁，所述至少一个壁围绕所述至少一个底板的外围向上延伸，以限定用于接收和保持液体的主体；其中，所述至少一个底板包括至少一个渐变区段，从而沿着主体的底部限定一个槽，主体内的碎屑流向该槽；
b.至少一个照明面板，该至少一个照明面板包括适用于发射适合于维持光生物反应器内的光敏微生物生长的光的照明装置，
其中，至少照明面板设置在主体内，以使得流体沿着主体的侧面和底板自由流动；
以及
c.至少一个气体入口，设置在至少一个底板中，位于至少一个底板中的槽内，用于向主体内提供向上的气流，从而在主体内产生光敏微生物的气升；
由此，在光生物反应器中孵育微生物的液体培养物期间，通过同时暴露于由至少一个照明面板发出的光和微生物在主体内的循环，来刺激微生物在光生物反应器中的循环和生长，所述微生物在主体内的循环通过由主体内的气流产生的向上气升来促进。
2.如权利要求1所述的光生物反应器，其中，至少照明面板设置在主体内，以使得在光生物反应器的至少一个面板与至少一个壁和/或底板之间存在至少一个间隙。
3.如权利要求1或2所述的光生物反应器，其中，照明面板以设置在主体内的至少一个平板的形式提供。
4.如权利要求3所述的光生物反应器，其中，照明面板和侧壁之间的角度在45°～90°的范围内，优选在60°～90°的范围内，更优选在70°～90°的范围内，更优选在80°～90°的范围内，更优选在85°～90°的范围内，进一步更优选在约90°的范围内。
5.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，主体包括细长的结构，该细长的结构包括至少两个侧壁和至少两个端壁，并且其中，槽沿着主体的底板纵向延伸。
6.如权利要求5所述的光生物反应器，其中，槽沿着底板的中部纵向延伸。
7.如权利要求5或6所述的光生物反应器，其中，主体的侧壁具有矩形结构。
8.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，底板包括至少一个向下凸出的区段。
9.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，底板包括连续向下凸出结构，以使得碎屑可以流向底板的最下部。
10.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，底板包括向下凸出结构，该结构在其最低点汇合成平坦的带，沿着底板的中部伸展。
11.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，底板包括半圆柱形结构，沿着主体的纵轴观察时，其具有半圆形横截面。
12.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，在底板上设置有至少一个气体入口。
13.如上述权利要求所述的光生物反应器，其中，至少一个气体入口包括输送喷口，该输送喷口延伸入光生物反应器的主体内不超过10mm，优选不超过5mm，进一步更优选不超过3mm。
14.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，在主体的底板上、在至少一个照明面板的下方设置有至少一个气体入口。
15.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，至少一个气体入口包括配备在底板的最下部的多个气体入口。
16.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，至少一个气体入口包括沿着底板中的槽配备的多个气体入口。
17.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，至少一个气体入口包括沿着底板中的槽间断地布置的多个气体入口。
18.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，至少一个气体入口包括沿着底板中的槽以规则的间隔布置的多个气体入口。
19.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，至少一个照明面板包括平行布置的多个照明面板，并且其中，在底板上、在每个照明面板的下方布置有多个气体入口。
20.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，至少一个照明面板包括平行布置的多个照明面板，并且其中，在底板上、在照明面板之间布置有多个气体入口。
21.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，底板包括大致半圆柱形形状的连续凸出结构，并且其中，至少一个气体入口包括沿着半圆柱形表面的底部布置的第一排气体入口，以及沿着其纵轴布置在光生物反应器底板上、平行于第一排气体入口并向上的至少另一排气体入口。
22.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，气体入口的内径可以在约1～10mm的范围内，优选在约2～8mm的范围内，更优选在约2～6mm的范围内，更优选在约3～5mm的范围内。
23.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，照明装置嵌入在照明面板中，以使得防水密封件将照明装置与其周围环境分隔开。
24.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括照明装置，该照明装置提供远离面板两侧且沿着其整个表面的照明。
25.如权利要求16所述的光生物反应器，其中，照明面板包括多个光源，该多个光源提供远离照明面板两侧且基本上沿着其整个表面的大致均匀的照明。
26.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括多个光源，该多个光源设置成提供远离照明面板两侧且进入光生物反应器主体内的照明。
27.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，照明装置以多个LED光源的形式提供，该多个LED光源嵌入在透光性材料、优选透光性塑料材料中。
28.如权利要求23～27中任一项所述的光生物反应器，其中，主体包括大致上细长的结构，并且其中，照明面板沿着主体的纵轴提供照明。
29.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括照明装置，该照明装置适用于传递光子通量在20～1200μmol/m2s、优选50～800μmol/m2s、更优选120～500μmol/m2s的范围内的光。
30.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括厚度大致均匀的且在面板宽度的约0.5％～约5％范围内的矩形结构。
31.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括厚度大致均匀的且在约0.5cm～约5cm范围内的矩形结构。
32.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括能透过可见光的材料。
33.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板的宽度在光生物反应器主体的宽度的约80％～约99％的范围内。
34.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板的高度在从其在底板中的最低点计的主体高度的约80％～约99％的范围内。
35.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板设置在主体内，以使得照明面板与主体的侧壁和底板之间存在约2～20cm范围内、优选约5～15cm范围内的间隙。
36.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板包括防水外壳，该防水外壳包括透光性材料以及设置在该外壳内的一个或多个灯板。
37.如上述权利要求所述的光生物反应器，其中，一个或多个灯包括多个矩形、线状和/或线状的灯板。
38.如权利要求1～35中任一项所述的光生物反应器，其中，照明面板由包括多个光源的防水灯板组成。
39.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，气体入口适用于提供每分钟进入光生物反应器主体内的气体总体积为主体体积的10％～约30％范围内的气体。
40.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，竖立的侧壁和竖立的端壁是大致垂直的。
41.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，从上方观察时，光生物反应器的主体具有矩形形状，并且其中，侧壁的长度与端壁的宽度之比在约1:1～约5:1的范围内。
42.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，光生物反应器的主体在其最宽处的宽度与高度之比在约0.5:1～约2:1、优选0.8:1～约1.5:1、更优选约1:1的范围内。
43.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，主体的内部体积在约200L～约40,000L的范围内。
44.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，侧壁的长度在约1～10m的范围内，优选在约2～8m的范围内，更优选在约3～7m的范围内。
45.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，其中，端壁的长度在约0.5～3m的范围内，优选在约1～3m的范围内，更优选在约2～3m的范围内。
46.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，还包括用于将水输送到光生物反应器内的至少一个水入口，以及用于从光生物反应器中排出水的至少一个水出口。
47.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，还包括热夹套，其中该热夹套包括封装至少一部分主体的空心结构。
48.如上述权利要求所述的光生物反应器，其中，热夹套包括至少一个入口和至少一个出口，分别用于将水导入空心结构和从空心结构放出。
49.如权利要求5～43中任一项所述的光生物反应器，其中，主体被围在框架结构内，该框架结构包括至少从主体的侧壁向外设置以将主体围住的外部侧壁。
50.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，该光生物反应器还包括至少一个支撑构件，该支撑构件从主体的底板和/或端壁向下延伸，从而在置于平坦表面上时为光生物反应器提供支撑。
51.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，还包括：至少一个CO2再循环回路，该CO2再循环回路通过至少一个再循环回路罐出口和至少一个再循环回路罐入口与主体流体连通；至少一个泵，用于经由CO2再循环回路泵送培养物；所述CO2再循环回路还包括至少一个CO2入口，该CO2入口相对于CO2再循环回路中的液流方向配备在至少再循环泵的下游。
52.如上述权利要求所述的光生物反应器，其中，至少一个再循环回路罐出口和至少一个再循环回路罐入口相对于主体的体积配备在主体的下半部分中。
53.如上述权利要求所述的光生物反应器，其中，至少一个再循环回路罐出口和至少一个再循环回路罐入口配备在主体的底板中，优选在槽中或槽附近。
54.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，该光生物反应器还包括下述的至少一个：
a.一个或多个pH计，用于提供主体内液体的pH测量值；
b.一个或多个气体入口，用于将富含二氧化碳的气流输送到主体内；
c.一个或多个温度探针；
d.一个或多个化学探针，用于检测无机物如硝酸盐；以及
e.一个或多个光学密度和/或光密度计。
55.如上述权利要求中任一项所述的光生物反应器，还包括至少一个控制器，用于控制下述的至少一个：光生物反应器中的照度、水温、pH和气流。
56.如上述权利要求所述的光生物反应器，其中，控制器适用于响应于通过光学密度和/或光密度测量而测定的主体内的微生物密度的测量值，来调节选自光强度、温度和pH的至少一个或多个参数。
57.一种使光敏微生物生长的方法，该方法包括：
a.提供光生物反应器，该光生物反应器包括：
i.主体，包括底板和至少一个壁，所述至少一个壁围绕所述底板的外围向上延伸，以限定用于接收和保持包含微生物的水溶液的主体；
其中，所述底板包括至少一个渐变区段，从而沿着主体的底部限定一个槽，微生物可以流向该槽；
ii.设置在主体内的至少一个照明面板，该照明面板包括适用于发射适合于维持主体内的光敏微生物生长的光的照明装置，
其中，所述至少一个照明面板设置在主体内，以使得水沿着所述至少一个壁和/或底板自由流动；以及
iii.至少一个气体入口，设置在底板中的槽内，用于在主体内提供向上的气流，从而在主体内产生光敏微生物的气升；
b.将光敏微生物的水培养物供至主体内，以使得照明面板至少部分浸没；
c.通过至少一个气体入口将气体输送到主体中的水培养物内，从而在主体内产生气升，该气升从至少气体入口提供向上的微生物流，并且
至少沿至少一个侧壁向下、朝着底板中的槽提供向下的微生物重力流；
d.通过至少一个照明面板向主体内提供照明；
其中，通过气升驱动的微生物在主体内的循环以及暴露于由至少一个照明面板发出的光来刺激微生物生长。
58.如上述权利要求所述的方法，其中，气体经由至少一个气体入口以约0.1～0.5bar、优选约0.2～0.4bar的压力输送到水培养物内。
59.如权利要求57或58中任一项所述的方法，其中，气体经由至少一个气体入口以在主体体积的10％～约30％范围内的每分钟进入主体内的气体总流速输送到光生物反应器内。
60.如权利要求57～59中任一项所述的方法，其中，光生物反应器包括至少pH探针和/或至少一个温度探针，并且其中，在生长期间，选择性地控制pH、温度、照度、无机物如氮化物、光学密度和/或光密度以及气流中的至少一个。
61.如权利要求60所述的方法，其中，控制通过至少一个电子控制器来实现。
62.如权利要求57～61中任一项所述的方法，其中，气体是环境空气，任选地与二氧化碳混合。
63.如权利要求57～62中任一项所述的方法，其中，气体以相对于每单位罐中培养物体积在约50～约500L/m3/min、优选约100～约400L/m3/min、更优选约200～约300L/m3/min范围内的总体积输送到罐内。
64.如权利要求57～63中任一项所述的方法，其中，主体还包括用于将二氧化碳气体输送到主体内的至少一个入口，并且其中，在生长期间，通过调节经由至少一个入口进入主体的二氧化碳气流的流速来控制微生物培养物的pH。
65.如权利要求57～64中任一项所述的方法，还包括将至少一种营养物源输送到主体内，以维持光生物反应器中的微生物的生长。
66.如权利要求57～65中任一项所述的方法，其中，将气体输送到光生物反应器的主体内，以从主体底部中的槽产生垂直气升，并同时允许微生物沿着侧壁和底部朝着底部中的槽向下流动。
67.如权利要求57～66中任一项所述的方法，其中，该方法采用权利要求1～56中任一项所述的光生物反应器来实施。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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