CN113795570A - 生物反应器装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于产生生物质或生物产物的设备，所述设备包括：至少一个细长生物反应器，所述生物反应器包括至少一个外膜片层，所述膜片层限定能够被填充有液体或凝胶的大体上管状的隔室，其中所述膜片层包括可渗透以跨所述膜片层气体转移的材料。提供了腔室，所述腔室包括将气体气氛限定和包封在内部的壁。所述生物反应器的至少一部分位于所述腔室内部。控制系统控制所述腔室内的所述气氛的成分并且气体转移在所述管状隔室与包括在所述腔室内的所述气氛之间跨所述生物反应器的膜片层发生。也提供了使用所述设备以便制造生物质的方法。

Description

生物反应器装置和方法

技术领域

本发明属于生物质生产的领域，特别是经由使用微生物或细胞生物反应器。

背景技术

进行需氧呼吸的生物消耗氧气并产生二氧化碳和热。在高密度、高生长环境中，有必要向微生物提供氧气，以及去除CO₂、代谢废物和过量热，以便促使最大生长速率。

诸如酵母的化能异养微生物(其不能固定碳来制造有机化合物并且必须从外部源消耗有机物质)数世纪以来一直以相同方式生长，即，在大罐中并且最近在分批发酵罐中生长。然而，发酵罐被主要地设计来允许发酵，这是在不存在氧气的情况下工作的特定代谢过程，同时针对市场的预定产物通常是发酵副产物(例如，通过酵母的发酵产生的酒精)。

当在20世纪出现对微生物的整个生物质或其细胞内含有的产物(即，超出仅其发酵副产物)的市场需要时，现有的发酵罐被修改，其中曝气器被安装在罐的底部上以便递送氧气或含有氧气的气体。这使得所含的微生物能够在发酵罐内执行细胞需氧呼吸。此外，修改有时是考虑到这种曝气而做出的，例如使曝气发酵罐变得高又薄，以增加氧气泡在它们垂直地行进到液体生长培养基或培养液的顶部时的保持时间。

由于此类适配在以前意在供发酵使用的罐内实现需氧呼吸，所以常规设计由于至少以下原因导致生物质或细胞产物的低效、复杂且昂贵的生产：

·由于需要对入口空气进行灭菌以进行曝气，所以能源成本、设备要求和相关复杂性高。

·由于需要压缩和递送氧气(通常以空气的形式)，所以能源成本、设备要求和复杂性高。

·由于需要尤其在高细胞密度(即搅拌器和搅拌机构)下混合液体培养基，所以能源成本、设备要求和复杂性高。

·需要空气压缩机、过滤器和其他设备的资本成本。

·由于所产生的泡沫中的生物质损失，所以由曝气产生泡沫形成，消泡剂的成本增加，并且生产质量可能降低。

·难以控制罐内的温度；由于它们是固体和密封的，它们通常需要冷却水套，意味着冷冻水的资本成本和能源成本更高。

·污染风险是由于大量空气喷射喷嘴、阀、传感器端口、桨叶、入口、搅拌器外壳等而导致的，这些都是污染高风险位点并且难以清洁和灭菌。

·由于对连续曝气的需要，所以不管输入空气的过滤都有引入诸如真菌孢子和细菌的污染物的风险。通过行业专家的估计表明，工业发酵罐中多达30％的总生物质可能受到污染、质量降低和最终产物产量影响。

·由于在不锈钢和必要的曝气相关特征上容易形成生物膜，所以清洁成本昂贵，所述生物膜难以仅用蒸气去除，从而在一些情况下需要增加的劳动力成本。

·在大多数情况下必须在分批程序中操作，从而由于清洁和后续重新生长到期望密度所需要的停机时间而导致年产量降低。

将气体转移到生物反应器中通常通过使用曝气技术来实现，诸如通过压缩CO₂、O₂或空气并且通过喷嘴将压缩气体递送到液体培养基中或通过将气体鼓泡或喷射到液体培养基中来实现(参见例如US2015/0230420、WO2015/116963)。这些技术能够用于添加期望气体，或者也能够用来去除不想要的过量气体(参见例如US2015/0093924)。

这种技术在能量要求和基础设施成本方面可能是不利地效率低的。当可溶气体通过液体鼓泡时，仅小比例的气体会成功地溶解；因此剩余气体被浪费，导致能源浪费和气体摄取效率低。通过这种技术的气体去除受到可能被俘获在所产生气泡中的气体限制，这些气泡提供仅有限的表面积以进行有效的气体交换。

例如，常用需氧搅拌发酵罐，其具有高的高径比(大约3至1)，并且使用在罐底部鼓泡的气体来递送氧气和去除二氧化碳，而且也需要使用主动搅拌和热交换冷却方法。

类似地，常见内部循环型的气升发酵罐具有非常高的高径比(大约5至1)，其中混合通过将液体和气体向中央圆柱上移动来提供，其中液体以向下流动返回在周围环形空间中以递送氧气，以去除二氧化碳，并且以允许热交换冷却方法，因为向下流动的液体的质量妨碍从中央型芯转移。这两种方法都具有高运营和资本成本，并且具有来自气体入口的相当大的污染风险(不管输入气体的灭菌如何)。

WO 2005/100536 A1描述了一种温育箱和温育方法，所述温育箱和温育方法能够在不需要多个温育箱的情况下同时地温育更喜欢不同气体浓度的多种细胞。所述温育箱不适合于含有培养基的连续流动回路，但是看起来像通过搅拌或旋转在固定体积的培养基内移动细胞的静态温育箱。没有描述用于自动地收获生物质的系统，也没有描述对细胞或微生物类型的任何特别合理的适合性。没有描述关于例如在气体渗透率、气体压力或用于改进气体转移的结构布置方面包括设备所需的材料的性质的细节。

本发明解决了在现有技术相当重要的是从生物质和细胞材料产生有价值的产物中存在的问题，并且为通过培养大量生物从而给它们提供充足的氧气和/或其他需要的气体并且产生生物质所带来的问题提供简单且划算的解决方案。如本文提供的教导，本发明的这些及其他用途、特征和优点对本领域的技术人员而言应该是显而易见的。

发明内容

在一个方面中，提供了一种用于产生生物质或生物产物的设备，所述设备包括：至少一个细长生物反应器，所述生物反应器包括至少一个外膜片层，所述膜片层限定能够被填充有液体或凝胶的大体上管状的隔室，其中所述膜片层包括可渗透以跨所述膜片层气体转移的材料。所述设备也包括腔室，所述腔室包括将气体气氛限定和包封在内部的壁，其中所述生物反应器的至少一部分位于所述腔室内部。另外包括的是控制所述腔室内的所述气氛的成分的控制系统。在使用中，气体转移在所述管状隔室与包括在所述腔室内的所述气氛之间跨所述生物反应器的膜片层发生。

所述腔室的壁可以是大体上刚性或柔性的。所述腔室可以是罐、容器、桶、帐篷、仓库、充气结构或房间的形式。可以将所述腔室内的所述气氛升高到大于或小于大气压力的压力。所述生物反应器的大体上全部可以位于所述腔室内。所述腔室还可以包括灭菌系统、气体循环设备和/或照明源，任选地其中所述照明源发出可见光和/或UV光。这样的照明源可以是零星的或间歇的。在一些实施方式中，所述腔室的至少一个壁或一个壁的一部分允许可见光经由其透射到所述腔室的内部中。

在一些实施方式中，所述控制系统被构造为通过以下项中的一种或多种来更改所述腔室的气氛成分：例如形式为大气空气、合适地预过滤的空气的O₂的引入；CO₂浓度的耗尽；以及蒸汽的引入。

在一些实施方式中，所述腔室包括用于将所述至少一个细长生物反应器支撑在内部的组件。所述组件可以包括按水平或垂直平行或反平行阵列布置的多个搁板。所述搁板可以包括被构造为支撑所述至少一个细长生物反应器的支架。所述支架可以大体上包封所述细长生物反应器的全部或一部分。所述支架可以包括网孔和/或穿孔片材，使得可以经由所述片材的穿孔允许大气循环。所述支架可以是平面的或曲面的。在一些实施方式中，所述支架可以是没有孔或穿孔的实心片材并且由能够为所述生物反应器提供支撑的任何合适的材料(例如金属、铝、钢和/或聚合物/塑料)制成。在一个实施方式中，所述腔室的基部被集成到支架结构中以便支撑所述细长生物反应器，在这种情况下所述腔室的基部合适地包括如图15所示的任何合适的材料的实心成形或模制片材。

在一些实施方式中，所述细长生物反应器包括一个或多个软管部分，其中每个软管部分包括透气聚合物膜片。在一些实施方式中，所述透气聚合物膜片包括从以下项中选择的材料：硅酮、聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、氟硅酮、硅酮、乙烯基甲基硅氧烷(VMQ)、苯基乙烯基甲基硅氧烷(PVMQ)、氧化硅聚合物、磺化聚醚醚酮(SPEEK)、聚(环氧乙烷)、聚(对苯二甲酸丁二醇酯)或聚(环氧乙烷)、聚(对苯二甲酸丁二醇酯)嵌段共聚物(PEO-PBT)、纤维素(包括植物纤维素和细菌纤维素)、醋酸纤维素(赛璐珞)、硝化纤维素和纤维素酯。所述膜片可以是弹性体。在一些实施方式中，所述膜片具有至少350巴勒(Barrer)、至少400巴勒、至少450巴勒、至少550巴勒、至少650巴勒、至少750巴勒、合适地至少820巴勒的氧渗透率。所述膜片可以具有至少2000巴勒、至少2500巴勒、至少2600巴勒、至少2700、至少2800巴勒、至少2900巴勒、至少3000巴勒、至少3100巴勒、至少3200巴勒、至少3300巴勒、至少3400巴勒、至少3500巴勒、至少3600巴勒、至少3700巴勒、至少3800巴勒、合适地至少3820巴勒的二氧化碳渗透率。所述膜片可以具有不小于约5000巴勒、合适地不小于约10000巴勒、约15000巴勒、约20000巴勒、25000巴勒、约30000巴勒、约35000巴勒、约40000巴勒、约60000巴勒和通常至少约80000巴勒的水蒸汽渗透率。

所述膜片可以具有至少10μm且至多1mm、合适地至少20μm且至多500μm、任选地至少20μm且至多200μm的厚度。

在一些实施方式中，所述一个或多个软管部分通过促进所述一个或多个软管部分之间的流体连通的一个或多个连接器接合。所述一个或多个软管部分可以被形成有可变的膜片厚度，使得所述膜片的接近于所述一个或多个连接器的一部分比所述膜片的远离所述一个或多个连接器的一部分厚。所述设备可以包括多个软管部分，所述多个软管部分通过促进所述多个软管部分之间的流体连通的一个或多个连接器接合，并且其中所述膜片在软管部分之间的厚度取决于所述软管部分在所述腔室内的垂直定位。所述设备中使用的所述连接器可以包括被构造为选择性地防止或允许液体培养基通过所述连接器的阀。

本发明的生物反应器可以与辅助系统流体连通。所述一个或多个生物反应器可以包含细胞生长培养基。所述一个或多个生物反应器可以包含从以下项中选择的微生物或藻类生物：化学营养生物和混合营养生物。所述生物反应器可以包含从以下项中的一种或多种中选择的生物：蓝细菌(Cyanobacteria)、原细菌(Protobacteria)、螺旋体(Spirochaetes)、革兰氏阳性细菌、诸如绿弯菌门(Chloroflexia)的绿丝状细菌、浮霉菌门(Planctomycetes)、噬细胞拟杆菌(Bacteroides cytophaga)、热袍菌(Thermotoga)、产水菌属(Aquifex)、嗜盐菌(halophiles)、甲烷八叠球菌(Methanosarcina)、甲烷杆菌(Methanobacterium)、甲烷球菌(Methanococcus)、速生热球菌(Thermococcus celer)、热变形菌(Thermoproteus)、热网菌(Pyrodictium)、内阿米巴属(Entamoebae)、诸如黏菌(Mycetozoa)的粘菌、纤毛虫(Ciliates)、毛滴虫(Trichomonads)、微孢子虫(Microsporidia)、双滴虫(Diplomonads)、古虫界(Excavata)、变形虫界(Amoebozoa)、领鞭毛类(Choanoflagellates)、有孔虫界(Rhizaria)、有孔虫(Foraminifera)、放射虫(Radiolaria)、硅藻(Diatoms)、原生藻菌(Stramenopiles)、褐藻、红藻、绿藻、雪藻、定鞭藻(Haptophyta)、隐藻(Cryptophyta)、囊泡藻界(Alveolata)、灰藻(Glaucophytes)、浮游藻(phytoplankton)、浮游生物(plankton)、透色门(Percolozoa)、轮虫(Rotifera)以及来自动物、真菌、细菌或植物的细胞或整个生物。

在一些实施方式中，所述生物反应器包含真核细胞培养物；合适地动物或植物细胞培养物；任选地哺乳动物细胞培养物。动物细胞培养物可以包含从以下项中的一种或多种选择的细胞：肌细胞、脂肪细胞、上皮细胞、成肌细胞、卫星细胞、侧群细胞、肌肉源性干细胞、间充质干细胞、生肌细胞、生肌周细胞或中成血管细胞。所述生物反应器可以包含人类细胞培养物。

在另一方面中，提供了一种用于制造生物质的方法，所述方法包括提供如上所述的设备。特别地，所述设备包括：至少一个细长生物反应器，所述生物反应器包括至少一个外膜片层，所述膜片层限定能够被填充有液体或凝胶的大体上管状的隔室，其中所述膜片层包括可渗透以跨所述膜片层气体转移的材料。所述设备还包括：腔室，所述腔室包括将气体气氛限定和包封在内部的壁，其中所述至少一个生物反应器的至少一部分位于所述腔室内部；以及控制系统，所述控制系统控制所述腔室内的所述气氛的成分。所述至少一个细长生物反应器包含液体细胞生长培养基以及从化学营养生物和混合营养生物中选择的微生物或藻类生物，和/或真核细胞培养物。所述方法包括：在所述设备的一个或多个生物反应器内培养所述生物或细胞培养物；以及分离存在于所述液体培养基内的所述生物质的至少一部分。

附图说明

通过参考附图进一步图示本发明，在附图中：

图1A和图1B是示出了根据本发明的实施方式的装置的横截面的图，所述装置具有带位于相对侧的入口和出口的线性生物反应器，该线性生物反应器设置在也设有入口和出口的充气腔室内。

图2示出了根据本发明的另一实施方式的布置的横截面，其中两个生物反应器直接串联连接。

图3a和图3b示出了根据本发明的另一实施方式的布置的横截面，其中两个生物反应器直接串联连接，其中每个生物反应器被包含在腔室内。

图4示出了根据本发明的另一实施方式的布置的横截面，其中五对生物反应器串联连接。

图5示出了根据本发明的另一实施方式的布置的横截面，其中五对生物反应器并联连接。

图6a至图6d示出了可以在本发明的一些实施方式中使用的生物反应器的阵列的布置。

图7a和图7b通过根据本发明的一些实施方式的装置的表示来示出平面截面A和B。

图8a和图8b示出了可以被包括在根据本发明的一些实施方式的系统的连接器或导管内的附加特征。

图9示出了本发明的一个实施方式的合适的系统，包括一个或多个生物反应器和相关辅助系统的任何实施方式。

图10示出了用于与根据本发明的实施方式的装置一起使用的支撑构件的横截面。

图11示出了包括支撑在支撑构件上的生物反应器的根据本发明的实施方式的装置的横截面。

图12示出了用于与根据本发明的实施方式的装置一起使用的支撑构件的透视图。

图13示出了根据本发明的实施方式的装置的横截面，所述装置包括凸曲面上腔室壁，以促使水、雪、沙和可能沉积在内部或外部表面上的其他物质在重力下径流。

图14a至图14d示出了依照本发明的一些实施方式的支撑在支撑结构和/或生物反应器支撑结构上的生物反应器的视图。图14a和图14b示出了支撑在搁板状支撑结构上的生物反应器的阵列的横截面。图14c示出了被周围网孔支撑、包含和加强的生物反应器的实施例的透视图。图14d示出了支撑在搁板状支撑结构上的生物反应器的阵列的侧视图。

图15a示出了依照本发明的一些实施方式的支撑在也限定腔室的基部的平面支撑结构上的生物反应器的阵列以及用于增加其结构强度并且促使可能沉积在内部或外部表面上的物质在重力下径流的凸曲面上腔室壁的横截面。

图15b示出了依照本发明的一些实施方式的支撑在限定多个腔室的基部的平面支撑结构上的生物反应器的阵列和集成照明装置的横截面。集成照明可以用于供养光营养生物和/或混合营养生物的生长。

图15c示出了依照本发明的一些实施方式的支撑在平面支撑结构上的生物反应器的阵列的横截面。

图16a至图16c示出了由被折叠以形成细长接缝并在它自身上接合的单个膜片层形成的生物反应器的横截面。图16a示出了可以如何在将两个边缘结合以将生物反应器限定在内部之前折叠单个膜片层。图16b示出了由被折叠并胶合到它自身的单个膜片层形成的生物反应器。图16c示出了由被折叠并结合到它自身的单个膜片层形成并且其中结合部分也在生物反应器的与平面支撑结构接触的下侧提供附加结构增强的的生物反应器。

图17a示出了具有端部加强件的实施例生物反应器的透视图。

图17b示出了具有两个端部加强件和连续下加强结构的实施例生物反应器的透视图。

图18示出了用于实施例1中描述的实验的本发明的一个实施方式的合适的系统，包括生物反应器系统和相关辅助系统。

图19示出了用于实施例2中描述的实验的本发明的一个实施方式的合适的系统，包括生物反应器系统和包括照明源(自然的或人造的)的相关辅助系统。

图20以针对两个实验运行(运行A和运行B)的液体培养基中的光密度的曲线图的形式示出了实施例1的结果。

图21以液体培养基中的温度的曲线图的形式示出了实施例1的结果。

图22以液体培养基中的光密度的曲线图的形式示出了实施例2的结果。

图23以液体培养基中的温度的曲线图的形式示出了实施例2的结果。

具体实施方式

本文叙述的所有参考文献均通过引用整体地并入。除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有如由本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。

本发明人已开发了包括在腔室内的适合于产生生物质的透气生物反应器装置。有利地，能够控制腔室内的气氛以便给生物反应器装置供应指定成分的气体进料以及去除排出气体。本发明的实施方式允许指定装置包括被优化以便改进或最大化生物反应器内的生物存活、生物生长速率和/或生物质生产的气氛。本发明的替代实施方式允许指定装置包括控制包括在生物反应器内的微生物的生长或者通过包括在生物反应器内的微生物来调节生物分子合成的气氛。在下面更详细地描述本发明的这些和其他实施方式。

在进一步阐述本发明之前，提供将有助于理解本发明的许多定义。

如本文所用，术语“包括”意指必定包括所叙述的元素中的任何一种，并且也可以任选地包括其他元素。“基本上由...构成”意指必定包括任何叙述的元素，排除将本质上影响所列举的元素的基本和新颖特性的元素，并且可以任选地包括其他元素。“由…构成”意味着除所列举的元素以外的所有元素都被排除。通过这些术语中的每一个定义的实施方式在本发明的范围内。

如本文所用，术语“自养生物”、“自养”或“自养的”是指能够从其环境中的无机化学品产生复杂有机分子的生物和过程。特别地，这意指将碳通常为二氧化碳固定成有机化合物。为此所需要的能量可以来自光或来自化学反应。光合作用是(光)自养过程的实例。在下面定义的化学自养生物使用从化学反应获得的能量来将无机碳(例如来自二氧化碳)固定成有机化合物。

如本文所用，术语“异养生物”、“异养”或“异养的”是指不能固定碳来形成有机化合物的生物和过程，也就是说，它们从周围环境消耗有机物质并且将它们转换成有机分子以供他们自己使用。

如技术人员将知道的，术语“光合作用”是指在绿色植物和其他光合生物(包括包括有藻类和蓝藻的光合微生物)中发生的生化过程。光合作用的过程通过光子捕获利用电磁波(光)作为能源以将二氧化碳和水转换为代谢物和氧气。如本文所用，术语“光合微生物”是指能够光合作用的任何微生物。如本文所用，相关术语“光合的”和“光合作用”与“光合成的”同义并且能够在本文中互换地使用两个术语。

如本文所用，术语“光养生物”、“光养”或“光养的”是指能够出于任何目的从光捕获能量的任何生物或过程，特别是通过光子捕获来产生能量和/或使用来自电磁波(光)的能量来产生有机化合物的生物和过程。如上面提及的，通过使用来自光的能量固定无机碳来产生有机化合物被称为光合作用。如本文所用的术语“光能自养生物”是能够利用来自光的能量从二氧化碳产生有机化合物的生物的另一术语。如下所述，光合生物和光合自养生物不局限于单独使用光合作用，并且许多生物可以使用光合作用或者能光合作用。另外，一些生物使用光来提供细胞能量(例如以ATP的形式)，但是不一定能够固定碳以产生有机化合物。如本文所用的术语“光能异养生物”是指能够从光产生细胞能量但是不能固定(充足的)无机碳来供应其需要的生物。

如本文所用，术语“化学营养生物”、“化学营养”或“化学营养的”是指通过在其环境中氧化电子供体来获得能量的生物和过程。这些分子可以是有机的(化学有机营养生物)或无机的(化学无机营养生物)。化学营养生物可以是自养的或异养的。例如，从其环境消耗有机碳化合物并且使这些化合物氧化以产生ATP的生物是化学营养生物。“化学异养生物”即包括大多数动物和真菌的术语是指从外部源消耗有机化合物并且利用它们来形成它们自己的有机化合物而不是直接固定碳以制造有机化合物的生物。“化学自养生物”是指能够使用从化学反应获得的能量来将无机碳(例如来自二氧化碳)固定成有机化合物的生物。此类化学能源的实例包括硫化氢、元素硫、亚铁、分子氢和氨。许多化学自养生物是生活在恶劣环境中的极端微生物、细菌或古细菌，并且是此类生态系统中的主要生产者。化学自养生物通常落到如下若干组中：产甲烷菌、嗜盐菌、硫氧化剂以及还原剂、硝化菌、厌氧氨氧化菌、嗜热嗜酸菌、锰氧化剂、铁氧化剂和氢氧化剂。例如，氢氧化细菌能够使用氧作为最后电子受体来使氢氧化作为能源。类似地，产甲烷菌是在低氧条件下产生甲烷作为代谢副产物的微生物，并且一些产甲烷菌使用氢来将二氧化碳还原成甲烷和水。

如本文所用，术语“混合营养生物”、“混合营养”或“混合营养的”是指能够使用不止一种能源和/或有机化合物的生物和过程。最经常，这是指能够使用光和化学输入的混合物来获取或产生能量和/或有机化合物的生物。混合营养生物存在于完全专性化学异养生物与完全专性光能自养生物之间的范围上。使用这样的源混合物可能是专性的，其中生物必须使用源混合物来生存，或者是兼性的，其中生物优先地使用一种源而在特定情况下使用另一个源，例如在光有限的情况下使用化学能源。因此，“混合营养生物”既是光养生物又是化学营养生物，并且可以是光自养生物、化学自养生物、光异养生物或化学异养生物。

技术人员也将知道，对液体中的CO₂(二氧化碳)的浓度或百分比的引用是指溶液的溶解无机碳(DIC)，即溶解CO₂以及相关无机物质H₂CO₃(碳酸)、HCO₃ ^-(碳酸氢根离子)和CO₃ ^2-(碳酸根离子)的浓度。类似地，本文对“气体浓度”等的引用旨在包括在液体或水性上下文中由气体形成的任何和所有离子物质或化合物，例如作为氨气体的结果的铵离子(NH₄ ⁺)或作为硫氧化物的结果的硫酸(H₂SO₄)。

如本文所用，术语“半透明的”具有其在本领域中的普通含义，并且是指允许光通过从而导致光线的随机内部散射的透光材料。该术语与“半透明的”同义。

如本文所用，术语“透明的”具有其在本领域中的普通含义，并且是指允许可见光通过它的材料，使得能够在材料的另一侧清楚地看到物体，换句话说它能够被描述为“光学上清楚的”。本文描述的所有膜片和非膜片材料、腔室壁、附加部件、控制结构、涂层和其他材料都可以是大体上半透明的或大体上透明的。

如本文所用，术语“可渗透的”或“透气的”意指允许气体特别是氧气(O₂)、二氧化碳(CO₂)、氮气(N₂)、水蒸汽(H₂O)和任选地甲烷(CH₄)和/或二氧化硫(SO₂)中的一些或全部在任何一个或两个方向上从材料的一侧转移到另一侧的材料。如本文所用，相关术语“可以吸入的”和“半渗透的”与“可渗透的”同义并且能够在本文中互换地使用两个术语。通常，材料是片材、薄膜或膜片的形式。渗透与渗透物(诸如气体)的浓度梯度、材料的固有渗透率以及渗透物质在膜片材料中的扩散率直接相关。

气体通过特定材料的渗透率在本文中用巴勒测量。巴勒测量由给定压力驱动的通过具有一定厚度的材料的区域的气体流的速率。巴勒被定义为：

应领会，巴勒是当前使用中的气体渗透率的最常见测量，特别与透气膜片相关，然而渗透率也可以通过其他单位来定义，其他单位的实例包括kmol.m.m-2.s-1.kPa-1、m3.m.m-2.s-1.kPa-1或kg.m.m-2.s-1.kPa-1。ISO 15105-1指定了用于确定单层塑料薄膜或片材和多层结构在压差下的气体透过率的两种方法。一种方法使用压力传感器，另一种方法使用气相色谱仪，以测量通过测试试样渗透的气体量。气体渗透率的其他等效测量结果是为技术人员已知的并且将容易地等效于本文描述的巴勒测量结果。

如本文所用，术语“生物质”是指任何活的或死的微生物，包括微生物的任何部分(包括由微生物产生和/或排出的代谢物和副产物)。

如本文所用，术语“装置”可以包括一个“单元”，或者可以包括多个“单元”的阵列或组合。

如本文所用，术语“腔室”也是指“气体腔室”并且能够在本文中互换地使用两个术语。

如本文所用，术语“流体”是指可流动的材料，通常是液体和合适地液体培养基，其被包括在单元内，并且因此被包括在本发明的装置内。“流体”也可以用于描述气体，诸如被包括在本发明的腔室内的气氛。

如本文所用，术语“液体培养基”具有其在本领域中的通常含义并且是用于使生物生长并且包含生物的液体。液体培养基能够包括下列中的一种或多种：淡水、含盐水、盐水、卤水、海水、废水、污水、营养物、磷酸盐、硝酸盐、维生素、矿物质、微量营养物、常量营养物、金属、消化物、肥料、微生物生长培养基、BG11生长培养基、PYGV培养基和生物。液体培养基能够特别地也包括所包括的生物的碳源；常常这些是葡萄糖源。这种合适的碳源能够包括木质素、纤维素、半纤维素、淀粉、木聚糖、多糖、木糖、半乳糖、蔗糖、乳糖、甘油、糖蜜或葡萄糖或它们的衍生物。由于可以在本发明的装置中支持高密度的微生物，所以术语液体培养基旨在包含各式各样的粘度，包括大体上凝胶状或半固体组合物。

如本文所用，与本发明的装置的定向相关的术语通常以其通常持有的含义使用，但是也旨在取决于本发明的特定意图或构造而酌情变化。因此，诸如上部、顶部和上方的术语可以是指远离地球重力的方向。类似地，诸如下部、底部和下方的术语是指朝向地球重力的方向。

本发明使用在WO2017/093744和WO2018/100400中描述的用于培养光合生物但被进一步适配为向具有各种营养能力的生物提供应用的一般类别的透气膜片生物反应器。此方法克服了在现有的生物反应器系统情况下看到的若干问题，因为它部分地(包括大规模地)实现液体培养基中能量密集程度低得多的气体转移控制，并且与需要用于控制直接投与给液体培养基的进料气体的曝气和压缩的装置的系统相比提供更大的多功能性。也避免了与压缩和曝气技术相关联的操作复杂性和额外重量。由于本发明的性质，气体的自然膨胀性能意味着供应的气体能够被容易地供应和膨胀以快速地改变整个腔室的成分。这提供另一个好处，因为能够大规模地相对较容易地控制腔室内的气体浓度，并且通过扩展，能够在相同规模上控制液体培养基中的气体浓度。

在培养生物的高增长速率的情况下或在生物反应器被暴露于阳光或任何其他热源(自然或人造热源)的其他情况下，可能在生物反应器中产生和/或收集大量的过量热，这可能损坏或杀死包含在生物反应器内的生物。本发明的生物反应器的膜片在一些实施方式中可渗透水蒸汽，并且此蒸汽的消散表示从液体培养基散热的高效方法，从而进一步改进热控制。此外，由与腔室内的气氛接触的生物反应器的膜片提供的大表面面积和生物反应器的膜片层的薄壁厚度也提供通过与腔室中的周围气体氛围接触进行高效的热传递。因此，本发明能够通过控制腔室内的气体气氛的温度来控制液体温度。此特定方法使得能够在生物反应器的整个长度上实现恒定热交换，并且允许在生物反应器的整个长度上维持大体上均匀的液体培养基温度，而与其长度无关；相反，常规的热交换方法(由标准生物反应器利用)改变仅在生物反应器系统的特定部分中的液体培养基的温度。这适合于单容器生物反应器，但对于细长的生物反应器(例如基于如本文所描述的管状液体回路)可能是有问题的，因为它们不能够在整个生物反应器长度上维持均匀的液体培养基温度。这是由于如下事实而导致的：在液体培养基通过热交换器行进并且其温度被修改之后，其温度将在其贯穿生物反应器系统的循环期间不断地改变。能够适当地修改生物反应器的膜片层的厚度以增加或减少腔室内的液体培养基和气体气氛之间的传热速率(即传热系数)和气体转移速率。

本发明的另一好处是在提高包括在组件内的生物反应器的鲁棒性和环境耐受性方面。腔室的壁可以被构造为针对诸如改变的环境或季节条件的外部因素提供热绝缘。此绝缘也减少维持包括在生物反应器内的液体培养基的温度所必需的能量。也针对诸如天气、风或冰雹或动物损害的因素提供生物反应器的潜在脆弱膜片的物理保护。附加屏障的提供还起到将来自生物反应器的溢出物包含到环境中的作用。

此外，本发明的装置的性质意味着能够有效地且高效地执行清洁和灭菌的过程。根据本发明的一个实施方式，通过使得能实现生物反应器的大体上均匀的横截面，包括且包含液体培养基的膜片的管状构造允许实现盲端、拐角、边缘、接缝和其他裂缝的去除。由于此类特征提供不想要的微生物和生物膜能够附着或者碎屑、废液体培养基或其他碎屑能积聚并且难以有效地清洁的区域，所以本发明允许进行快速且有效的清洁。没有必要的气体鼓泡或喷射技术也意味着此类技术所需要的喷嘴、出口和入口将不与液体培养基或生物接触，并且因此将不必被清洁。此类特征可能难以清洁并且经常是微生物生长或碎屑收集的区域，而且通过对输入气体引入污染物而本身可能甚至是污染源。因此，本发明在过程设置和关闭中允许实现增加的无菌性和灵活性，因为使用前后的清洁可能更有效。

生物反应器

根据本发明的一个实施方式，提供了装置的生物反应器，该生物反应器包括作为膜片层的至少一个外层。一个或多个膜片层可以是柔性的。膜片层之一的至少一部分以及任选地每个膜片层的大体上全部可渗透气体跨膜片的传输。如在此上下文中使用的，短语“至少一部分”意指层的具有足够大小以允许气体通过生物反应器的外层的区域。气体通常是氧气、二氧化碳和水蒸汽，但是不限于此，并且可以包括氮气、氮氧化物、硫氧化物、氢气和/或甲烷。

氧气通过膜片的渗透率系数可以不小于约100巴勒，合适地不小于约200巴勒、约300巴勒、约400巴勒、约500巴勒、约600巴勒、约700巴勒、约800巴勒、约900巴勒、约1000巴勒、约1250巴勒、约1500巴勒，并且通常不小于约2000巴勒。

二氧化碳通过膜片的渗透率系数可以不小于约100巴勒，合适地不小于约200巴勒、约400巴勒、约600巴勒、约800巴勒、约1000巴勒、1500巴勒、约2000巴勒、约2500巴勒、约3000巴勒、约3500巴勒、约4000巴勒、约4500巴勒、约5000巴勒、约7500巴勒，并且通常不小于约10000巴勒。

水蒸汽通过膜片的渗透率系数可以不小于约5000巴勒，适当地不小于约10000巴勒、约15000巴勒、约20000巴勒、25000巴勒、约30000巴勒、约35000巴勒、约40000巴勒、约60000巴勒，并且通常不小于约80000巴勒。水蒸汽渗透率也能够用g/m²/24h测量。在这些方面，通过膜片的合适的水蒸汽渗透率在20μm的膜片厚度下可以是大约3200，在50μm的厚度下可以是1200，而在100μm的厚度下可以是800。

在膜片可渗透甲烷(CH₄)的情况下，甲烷通过膜片的渗透率系数可以不小于约100巴勒，合适地不小于约250巴勒、约500巴勒、约600巴勒、700巴勒、约800巴勒、约900巴勒、约1000巴勒、约1500巴勒，并且通常不小于约5000巴勒。

当膜片可渗透二氧化硫(SO₂)时，二氧化硫通过膜片的渗透率系数可以不小于约1000巴勒，合适地不小于约2500巴勒、约5000巴勒、约6000巴勒、约7000巴勒、约8000巴勒、约9000巴勒、约10000、约12000、约14000巴勒，并且通常不小于约16000巴勒。通常，二氧化硫的渗透率是大约12500巴勒。

当膜片可渗透硫化氢(H₂S)时，硫化氢通过膜片的渗透率系数可以不小于约1000巴勒，合适地不小于约2500巴勒、约5000巴勒、约6000巴勒、约7000巴勒、约8000巴勒、约9000巴勒、约10000巴勒，并且通常不小于约12000巴勒。通常，硫化氢的渗透率是大约8400巴勒。

当膜片可渗透分子氢(H₂)时，分子氢通过膜片的渗透率系数可以不小于约100巴勒，合适地不小于约250巴勒、约500巴勒、约600巴勒、700巴勒、约800巴勒、约900巴勒、约1000巴勒、约1500巴勒，并且通常不小于约2000巴勒。通常，分子氢的渗透率是大约550巴勒。

当膜片可渗透分子氮(N₂)时，分子氮通过膜片的渗透率系数可以不小于约50巴勒，合适地不小于约100巴勒、约200巴勒、约300巴勒、500巴勒、约700巴勒、约900巴勒、约1000巴勒、约1500巴勒，并且通常不小于约2000巴勒。通常，分子氮的渗透率是大约200巴勒。

生物反应器可以被暴露于来自单个方向或来自多个方向的照明源，而不论是人造的还是自然的。如果生物反应器被定位为使得它主要从单个方向接收光并且一个(第一)膜片层与另一(第二)膜片层相比是不太透明的或不太半透明的，则第一膜片层可以位于生物反应器的面向主光源的侧。在一些情况下设想了膜片层可能是大体上不透明的或不能透过可见光，并且可能不包括或打算光源。通常，膜片层是至少半透明的，并且是合适地大体上透明的以允许目视检查生物反应器的内容物。

通常，膜片层包含一种或多种透气材料。重要的是透气材料不可渗透液体，以防止生物反应器内的液体培养基泄漏到外部。透气材料可以是多孔的(包括微孔结构透气材料)或无孔的。如果气体微粒能够通过直接移动穿过微孔结构迁移，则透气材料被称为多孔材料。如果透气材料是多孔的，则重要的是它大体上不可渗透液体。合适地，透气材料是无孔的，这也避免液体通过透气材料渗透并且避免可能与材料的孔隙率相关的较低透明度。

透气材料可以是聚合物，诸如化学优化的透气聚合物。化学优化的聚合物可能优于对应的未改性聚合物，因为它们可能更便宜、更耐撕裂、疏水、抗静电、更透明、更易于制作、不太易碎、更有弹性、更可渗透气体并且选择性地可渗透特定气体。可以以技术人员将知道的任何方式对聚合物执行化学修改，诸如通过修改单体、主链、侧链、端基的化学成分，和/或通过使用不同的固化剂、交联剂、填料、硫化、制造、制作和其他方法的过程。

膜片层能够包含任何合适的透气材料，包括但不限于：硅酮、聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、氟硅酮、硅酮、VMQ(乙烯基甲基硅氧烷)、PVMQ(苯基乙烯基甲基硅氧烷)、氧化硅聚合物、磺化聚醚醚酮(SPEEK)、聚(环氧乙烷)、聚(对苯二甲酸丁二醇酯)或聚(环氧乙烷)、聚(对苯二甲酸丁二醇酯)嵌段共聚物(PEO-PBT)(例如1000PEO40PBT60)、纤维素(包括植物纤维素和细菌纤维素)、醋酸纤维素(赛璐珞)、硝化纤维素和纤维素酯。也设想了多孔材料，特别是纳米多孔硅、多孔硅纳米结构以供使用。

在合适的实施方式中，膜片层包含聚硅氧烷，任选地优化的聚硅氧烷。聚硅氧烷可以是化学改性的或机器改性的。通常，膜片层包含聚硅氧烷弹性体。人们已经发现，聚硅氧烷归功于到聚合物结构中的Si-O键是用于透气膜片的良好候选，所述Si-O键促进更高的键旋转，从而增加链迁移性，并且从而增加渗透率的水平。聚硅氧烷弹性体(诸如硅橡胶)也是柔性、耐UV辐射和弹性材料。

在实施方式中，膜片层包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)，合适地优化的聚二甲基硅氧烷。通常膜片层包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体。聚二甲基硅氧烷(PDMS)能够采取弹性体、树脂或流体的形式。PDMS弹性体能够通过使用交联剂、通过UV固化技术和其他方法来形成。PDMS由于其非常高的氧气、二氧化碳和水蒸汽渗透率、其光学透明度及其对UV辐射的耐受性而是典型的透气材料。这些弹性体通常不支持其表面上的微生物生长，所以避免不受控的生物膜生长和/或生物污垢，这可能降低装置产生生物质(屏蔽光)的功效。任选地能够通过利用如下所述的生物支持物和/或附加组分来促进生物膜生长。附加地，聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体是柔性和弹性材料。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)可以是化学改性的或机器改性的以增加其气体渗透率和/或改变其性能。PDMS弹性体通常具有至少350巴勒、至少400巴勒、至少450巴勒、至少550巴勒、至少650巴勒、至少750巴勒、合适地至少820巴勒的氧渗透率。合适地PDMS弹性体的二氧化碳渗透率是至少2000巴勒、至少2500巴勒、至少2600巴勒、至少2700、至少2800巴勒、至少2900巴勒、至少3000巴勒、至少3100巴勒、至少3200巴勒、至少3300巴勒、至少3400巴勒、至少3500巴勒、至少3600巴勒、至少3700巴勒、至少3800巴勒、合适地至少3820巴勒。本发明的实施方式中使用的PDMS的性能能够通过与以下项相关但不限于以下项的化学、机械和过程驱动的干预来优化：聚合物链的摩尔质量(M_m)、聚合物中的分散性(分散性是重均摩尔质量与数均摩尔质量的比率)、在固化期间热处理的温度和持续时间、交联剂与PDMS的比率、交联剂化学成分、可能影响端链接PDMS结构在交联期间形成的方式的不同端基(诸如甲基、羟基和乙烯基封端的PDMS)。

或者，纳米复合材料可能被用于制造高度透气膜片材料。与膜片材料混合在一起的纳米材料和纳米结构能够用于增加该膜片材料的渗透率。纳米粘土填充的硅氧烷和更具体地纳米粘土填充的聚(二甲基硅氧烷)PDMS是能在本发明中使用的实例。人们发现，纳米粘土(分层矿物硅酸盐的纳米微粒)提供大体的聚合物增强，但是纳米复合材料的气体渗透率仍然高，而不管大纳米层纵横比如何。聚合物基质中的粘土纳米层的随机定向导致缺乏有效的气体阻隔性能，从而增加其气体渗透率性能。

在另一实施方式中，膜片层包含细菌纤维素。虽然细菌纤维素具有与植物纤维素相同的分子式，但是它具有显著不同的大分子性能和特性。一般而言，细菌纤维素是更加化学纯的，不含有半纤维素或木质素。此外，由于形成期间的高可塑性，细菌纤维素能够在各种基材上产生并且能够生长为几乎任何形状。附加地，细菌纤维素与植物纤维素相比具有更多的结晶结构并且形成特征薄带状微纤维，其明显小于植物纤维素中的微纤维，从而使细菌纤维素的孔隙率变得高得多。例如，技术人员将知道被监造以优化纤维素生产的许多细菌系统，诸如能够在大肠杆菌(E.coli)中表达的醋酸杆菌属物种(Acetobacter sp.)、固氮杆菌属物种(Azotbacter sp.)、根瘤菌属物种(Rhizobium sp.)、假单胞菌属物种(Pseudomonas sp.)、沙门氏菌属物种(Salmonella sp.)和产碱杆菌属物种(Alcaligenessp.)的纤维素生物合成系统。能够对细菌纤维素进行处理，使得其表面提供化学界面以使得能够与分子结合。

生物反应器的其他层也可以是膜片层—即透气层—如上定义，或者它们可以包括非膜片层，包括任何合适的材料，诸如天然或合成材料。合适地，这些层是至少半透明的，并且通常是透明的。这些层是合适地可以吸人的。在典型的实施方式中，生物反应器的所有层都是如本文所定义的透气膜片层。在其他实施方式中，膜片生物反应器包括单层，诸如由连续层形成的管或单膜片或在一个或多个地方中折叠在它自身上并密封至它自身以创建生物反应器的单层。例如如由图16a和图16b的横截面所示，单层被折叠在它自身上以形成生物反应器(60)并且同一层的两个边缘重叠的区域(152)用胶粘合剂密封在一起以形成接缝(150)。

膜片层可以大体上完全地由透气材料制成，或者可以包含附加材料。特别地，膜片层可以具有一个或多个整体肋，或者可以包括内部网孔，其可以由支撑材料制成，所述支撑材料通常是强且刚性或半刚性的，并且可以是柔性的和/或弹性的。合适地，支撑材料可以是柔性的而不是弹性的，例如以允许生物反应器以特定方式成形。这些结构能够给生物反应器提供改进的强度和/或帮助生物反应器保持其形状，并且被布置为使得膜片总体上仍然可渗透气体。此类内部材料可以例如是透气材料和支撑材料的共挤出的结果。

合适地，生物反应器包括通常具有超过其管腔宽度(即直径)的轴向长度的管、管道或软管，包括透气材料的单个连续膜片，其可以通过挤出、模制、注入模制、从折叠在它自身上并密封至它自身的单个膜片层和滚塑模制或通过任何其他适当的过程制成。通常，这样的管或软管布置跨其长度的至少大部分，任选地对于其整个长度具有大体上均匀的横截面孔口。此横截面轮廓可以是(但不必是)圆的或圆形的，或者可以是椭圆形的、卵形的，或者具有圆角多边形的形状，诸如正方形或矩形。合适地，横截面缺少内部盲端、尖拐角、边缘、接缝和其他裂缝。换句话说，对于生物反应器的长度的至少大部分，生物反应器的孔口的内部轮廓因光滑表面而是大体上均匀的。端部加强件(144)能够用于通过使更厚的壁或更强的材料附着来加强膜片软管部分的终端部分(图17a和图17b)。这是为了加强软管与连接器接触以将其连接到相邻软管部分的区域。能够沿着软管部分(149)的下侧施加类似的加强件(底部加强件)，尤其是如果软管搁置在平坦或平面表面、支架或支撑网孔上的话(图17b和切口部分图16b)。这是为了加强下侧接缝并且避免在接触支撑表面的同时以及在安装期间撕裂和刺穿。在其他实施方式中，加强件下侧(149)能够与接缝位置重合，其中单个膜片层被折叠在它自身上并密封至它自身(图16a中的152)；合适地加强件下侧(149)包括用于将单个膜片层密封至它自身以形成细长软管生物反应器的胶粘合剂(图16c)。能够以任何合适的方式完成这种加强，例如通过附着相同膜片材料的更厚层(使用粘合方法)，或者附着更强和/或更厚材料，例如柔性非弹性聚合物或更厚网孔，或通过使用热固化硅酮粘合剂带的更多层，或通过使用自固化(或UV固化)硅酮胶的更多层来做出更厚层。

在合适的实施方式中，第一层和第二层或折叠在它自身上以形成生物反应器(合适地软管生物反应器)的单层通过粘合和/或热压结合。热压利用在预定时间段内施加热和压力以便形成焊缝。本领域的技术人员将熟悉针对此应用的合适的热压技术。将第一层和第二层的各部分结合在一起所需要的精确温度和持续时间将取决于包含在两层中的特定材料。可替代地或附加地，能够使用胶界面来将两层的各部分结合在一起或者结合折叠在它自身上的单层；一旦被施加在各层上或在单层上，胶界面就能够利用热压技术固化，或者能够在室温下自发地固化，或者能够在特定温度下自发地固化，或者能够在用UV光(包括紫外线波长的光)或其他合适的光波长辐照之后固化，或者能够单独使用热或压力固化。如本文所用，术语“胶界面”也包括能够用热压或湿压结合两个层的非结晶(非硫化)聚合物的使用。如本文所用，相关术语“胶界面”、“粘合剂”和“粘合剂界面”是同义的，并且能够在本文中互换地使用三个术语。

胶界面厚度取决于其成分、材料和层材料而变化。合适地，胶界面厚度不小于：1μm，任选地10μm，合适地20μm，通常50μm。通常，胶界面厚度不超过20mm、不超过10mm、不超过5mm、不超过2mm，任选地为1mm，合适地为600μm，通常为200μm。

更具体地，如果第一层和第二层或折叠在它自身上的单层包含聚硅氧烷和/或二甲基聚硅氧烷(PDMS)，则两个层能够通过使用可以为液体形式、粘性液体凝胶形式、层形式、层带形式的硅酮粘合剂结合在一起，并且/或者可以包含能够在22℃以下或以上固化或者能够用压力固化或者能够在用UV光(包括超紫光波长的光)或其他合适的光波长辐照之后固化的所有类型的硅酮粘合剂。在两个层或折叠在它自身上的单层上施加硅酮粘合剂之后，通常在如由硅酮粘合剂的类型所规定的确定时间段内压制结合区域，并且如果所用的硅酮粘合剂的类型也需要热固化，则它在确定温度下并在如由所利用的硅酮粘合剂的类型所规定的确定时间段内被加热。

可能的硅酮粘合剂的类型包括但不限于硅酮胶和硅酮粘合剂层，诸如厚度介于0.20mm与0.60mm之间的VVB Birzer ADT-X(其在介于1N/cm²与15N/cm²之间的压力和介于140℃与180℃之间的温度下用热压结合30至60秒)、厚度介于25μm与100μm之间的Adhesives Research

IS-7876硅酮转移粘合剂(其是用压力和高于～5℃的温度结合的压敏粘合剂)、当在室温下暴露于大气湿气时固化的

RTV10533单组分硅酮粘合剂。

或者，硅酮粘合剂界面能够由未固化聚硅氧烷和/或二甲基聚硅氧烷(PDMS)的薄层组成，所述聚硅氧烷和/或二甲基聚硅氧烷(PDMS)能够与其交联剂混合，并且被快速地施加在各层上的预定结合区域上，然后被压制和加热以固化，从而将两个层结合在一起。

在一些实施方式中，“胶界面”和/或硅酮粘合剂能够用于将两个层结合在一起或者结合在流体导管通常位于的区域中折叠在它自身上的单层。此结合将创建控制结构来控制液体培养基的流动，从而在多个导管中划分或使流体导管转向。

具有形状为管或软管的一个或多个生物反应器的实施方式的优点包括生物反应器内液体培养基、细胞和/或污染物可能由于大体上均匀的横截面和内部边缘、接缝、裂缝等的缺乏而积聚所在的位点的减少。在诸如内部接缝的狭窄受限内部空间中，流动速率可能减小，并且诸如细胞或污染物的固体物体可能被俘获或以其他方式积聚。此类受限地方也难以有效地清洁，因为细胞、碎屑和污染物可能被卡住。这可能导致细胞分解和生物反应器内容物的进一步污染。

管或软管布置也是空间高效的，并且多管生物反应器能够串联(其中一个生物反应器的出口流入与之连接的另一生物反应器(参见例如图4))、并联(参见例如图5)或以这些方法的组合布置在单个腔室中。例如，多管生物反应器可以串联布置，使得每个生物反应器内的流动在与前一个生物反应器反平行的方向上运行，使得液体培养基通过若干生物反应器取蜿蜒路径。在两个或更多个生物反应器连接以便彼此流体连通的情况下，接合它们的连接器或导管可以是单独的部件，其不必包含任何透气材料。连接器也可以用于将生物反应器连接到辅助系统或连接到出口或入口。连接器可以包括阀，通常是电磁阀或隔膜阀，其作用来防止或允许流体通过例如介于一个生物反应器与下一个生物反应器之间的连接器。有利地，这能够在包括串联布置的多个生物反应器的系统内允许实现若干“阻塞点”。这使得能够在相邻生物反应器之间共享来自系统内的突然暂停流动的任何静水压力应力，并且防止压力波在整个已连接的生物反应器中传播。否则，如果流动例如由于泵故障而突然停止，在所有生物反应器保持流体地连接情况下，“水锤”效应可能对系统内的特定部件施加过量应力。可以酌情在根据本发明的系统中使用减轻此类效应的任何措施，诸如压力调节器、缓闭阀、偏流器、减震器、阻尼器等。

设想了可以引入允许在液体培养基流过生物反应器或生物反应器阵列时改进其混合的特征。在这方面，静态混合器能够被安装在生物反应器中(在膜片生物反应器它自身内部，或在膜片生物反应器之间的一个或多个连接器内部)以增加生物反应器中的湍流并且促进液体培养物的混合。这些混合器是静态的并且被设计来混合运动中通过它们的流体。例如，静态混合器能够包括扰乱液体培养基的流动的螺旋结构。

透气膜片的厚度可以不超过约2000μm，厚度不超过约1000μm，合适地不超过约800μm、约600μm、约500μm、约400μm、约200μm并且通常不超过约100μm，任选地不超过约50μm，合适地不超过20μm，合适地不超过10μm或更小。透气膜片的厚度可以是至少10μm，厚度为至少20μm，合适地厚度为至少50μm、至少100μm、至少200μm和任选地至少500μm。生物反应器膜片的厚度可以跨其长度变化，例如在生物反应器通过连接器连接到另一生物反应器或另一物体的情况下，与远离连接器的膜片相比，厚度可以在膜片的接近于连接器的一部分中增加。膜片厚度也能够取决于生物反应器在阵列中的位置而改变，例如较低垂直位置中的生物反应器可能更厚，以提供更多的保护免于在压力下鼓胀。

本发明的生物反应器的直径(即与液体培养基流动方向垂直的生物反应器的横截面的最大直径)可以不超过约20cm、不超过15cm、10cm、9cm、8cm、7cm、6cm、5cm、4cm、3cm、2cm或不超过约1cm。直径可以不小于约0.5cm、不小于约1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、8cm或不小于约10cm。典型地直径介于8cm与2cm之间，典型地介于7cm与2cm之间，合适地介于5cm与3cm之间。直径对化学异养生物来说可能通常低于5cm而对光能自养生物来说低于10cm。

生物反应器的长度即单个生物反应器的入口和出口之间的距离可以不超过约100m，任选地不超过约75m、约50m、约25m、约10m、约9m、约8m、约7m、约6m、约5m、约4m、约3m、约2m、约1m、约0.5m，通常不超过约0.1m。通常单个生物反应器的长度介于约10m与约1m之间，合适地介于5m与1m之间，并且在实施方式中介于3m与1m之间。

如讨论的，多个生物反应器能够串联连接，并且能够被布置为使得一个生物反应器的流动方向与前一个生物反应器的流动方向相反。连续生物反应器能够被布置为在发生这样的方向变化之前运行的长度可能不超过约2000m、1500m、1000m、750m、500m、400m、300m、250m、200m、100m、80m、60m、40m、20m、10m、5m、1m或更小。合适地此长度介于约1000m与约50m之间，通常介于约800m与约150m之间，合适地介于约400m与约200m之间，任选地介于约300m与约100m之间。通常，此长度被选择为在发生方向发生变化之前尽可能长(因为这使压力增加)，但是而不会引起维护方面的过度困难。

在多个生物反应器被水平地布置的情况下，由于串联连接的生物反应器在方向上改变，多个生物反应器被并联布置或以其他方式布置，所以生物反应器的阵列的水平(宽度)尺寸(参见图6D)可以不超过约200m、150m、100m、75m、50m、40m、30m、25m、20m、15m、10m、9m、8m、7m、5m、4m、3m、2m，合适地不超过约1m或更小。合适地此尺寸介于约75m与约1m之间，通常介于约40m与约5m之间，任选地介于约30m与约5m之间，并且合适地介于约20m与约8m之间。最小水平尺寸显然可以不小于单个生物反应器的水平直径。应该选取此宽度尺寸以允许包含足够体积的液体培养基，但是不太宽以致通过需要多次改变流动方向来创建过度压力。

类似地，能够垂直地布置或“堆叠”多个生物反应器。生物反应器的阵列的最小高度显然可以不小于单个生物反应器的高度。阵列的总高度(参见图6D)可以不超过约100m、50m、25m、20m、10m、9m、8m、7m、6m、5m、4m、3m、2m、1m、0.5m、0.4m、0.3m、0.2m，通常不超过约0.15m。通常，此尺寸介于约10m与约0.15m之间，合适地介于约5m与约0.5m之间，任选地介于约3m与约0.5m之间，可替代地介于约2m与约1m之间。应该选取高度以允许包含足够体积的液体培养基，但不太高以致创建过度压力和/或引起维护方面的困难。

在多个生物反应器并排或垂直地布置时，在它们之间垂直地或水平地留下的间隙(参见图6D)可以是至少约1mm、约5mm、约10mm、约50mm或至少约100mm。通常，间隙水平地是约10mm，而垂直地合适地为约50mm。在一些情形下，可能不留下间隙(即邻近生物反应器可能接触)。一般而言选取间隙大小以允许气体在生物反应器之间有效地循环。

包括在生物反应器或阵列内的体积除了受系统的生物反应器和其他部分的容量限制之外不旨在特别受限制。

腔室

腔室通常由一个或多个外部壁限定，并且包含可以包括O₂的气体混合物，诸如例如大气。气体混合物中的O₂的浓度可以高于包括在生物反应器内的液体培养基内的O₂的浓度，从而增加液体培养基与腔室内的周围气氛之间的浓度差。以这种方式，O₂通过膜片进入到液体培养基中的气体转移速率增加。

由于液体培养基中的O₂被包含在其内的细胞消耗，并且更多的O₂从腔室内的气氛跨生物反应器的膜片传递到液体培养基，所以O₂气体转移速率将随着浓度差稳定到平衡状态而随着时间的推移减小。为了克服朝向平衡的趋势，能够通过气体腔室入口连续地或间歇地递送包含O₂的气体混合物，并且能够通过出口通常使用诸如电磁阀和/或压敏阀的受控阀来去除类似体积的气体。任选地，当递送气体混合物时能够关闭和/或限制阀，以将气体腔室加压至环境标准大气压力以上并且如此进一步增加跨生物反应器的透气膜片的气体转移速率。

被引入到气体腔室中的气体混合物也可以包括比在生物反应器的液体培养基中发现的浓度低或比大气CO₂水平低的CO₂，以便增加来自液体培养基的CO₂耗尽速率。或者，能够通过引入到诸如氮气、氦气、氩气或甲烷的惰性气体和/或O₂的气体腔室中从液体培养基中去除CO₂以便增加气氛与液体培养基之间的CO₂浓度差。也可能期望增加气体混合物中的CO₂的浓度。例如，CO₂或其他气体可以用于改变液体培养基的pH水平。这可能有利于促使更喜欢低pH的生物例如所谓的极端微生物的生长，这些生物中的一些能够在pH介于2与4之间的环境中生长。附加地，某些生物通过改变其行为和/或生物质生产来对低pH环境的应力起反应，并且可能期望刺激特定应力引发的产物的生产。

其他生物可能需要供应不同的气体，并且能够相应地控制腔室气氛，例如能够在生物是自养的情况下供应CO₂，能够在生物是甲烷营养的情况下供应甲烷，或者能够在生物是氢氧化生物或氢营养生物的情况下供应氢气。某些氢氧化生物通过使用气体氢作为电子供体同时使用氧作为电子受体并且固定二氧化碳的能力来定义。结果能在腔室中使用包含氢气、二氧化碳和O₂的混合物的腔室气氛。这些“依赖于CO₂的”氢氧化生物与也在需氧条件下使氢气氧化但是不能进行自养二氧化碳固定的生物(诸如醋酸杆菌、固氮菌、肠杆菌科等)形成对比。在供应氢气的情况下，设想了能够在辅助系统中例如直接在液体培养基内部或在腔室里或旁边的水箱中进行电解以从水产生氢气，这将避免将氢气泵入气体腔室，这可能具有安全隐患。

同样地，诸如某些氢氧化生物和产甲烷菌的某些生物可能更喜欢厌氧条件。在这种情况下，能够控制腔室气氛以缺乏氧气或可能对生长和/或存活有害的任何气体。

在一些实施方式中，可以将气体腔室分成两个或更多个部分，在本文中称为第一腔室和第二腔室等，能够将不同的气体或气体混合物引入到其中。例如，第一腔室能够包含富O₂的气体混合物，然而第二腔室可以包含耗尽CO₂的气体混合物，诸如用于有效去除CO₂的富N₂气体。在本发明的某些实施方式中，生物反应器在第一腔室与第二腔室(以及如果需要另外的腔室)之间提供中间屏障。因此，在本发明的此实施方式中第一腔室和第二腔室由腔室的外部壁结合中间生物反应器的膜片壁限定。

气体能够通过气体膨胀或通过使用降低O₂(或任何其他合适的气体)进料递送成本的低能量方法例如风扇、涡轮或其他桨叶被动地在腔室内部移动。或者，气体在引入到气体腔室之前能够被压缩。设想了能够通过气体的引入或去除来控制腔室内部的压力。例如，腔室内部的压力可以高于腔室外部的大气压力，或者与腔室外部的大气压力相比，能够降低腔室内部的压力。

能够在内部或通过控制气体供应和/或气体排放来控制腔室的内部环境。例如，通过引入与腔室气氛相比湿度降低或增加的气体混合物，或者通过安装在气体入口中的干燥剂或增湿剂的存在，或者通过放置在腔室它自身内部或在附着辅助系统内的干燥或加湿剂或材料或涂层，能够控制腔室内的气氛的湿度。最常见的是，由于水蒸汽从液体培养基通过生物反应器膜进入到腔室气氛中，腔室气氛需要干燥。例如，腔室气氛在返回到腔室之前能够被循环到干燥剂以进行干燥；通常干燥剂可以是蜂窝轮的形式。例如，通过引入与周围腔室气氛相比温度降低或增加的的气体混合物，或者通过安装在气体入口中和/或在气体入口之前的冷却或加热部件的存在，能够控制腔室气氛的温度。例如，腔室气氛在返回到腔室之前能够被循环到空调单元和/或空气加热单元。在一些情况下，腔室中的气体混合物能够在同一腔室中再循环，或者在多个腔室串联布置的情况下传递到下一个腔室。在将气体混合物返回到腔室之前，能够用合适量的期望气体对气体进行干燥、冷却、加热、过滤、清洁和/或补充以调整其成分和/或被进一步冷却、加热和/或干燥。

也能够通过控制引入到腔室中的气体的温度来控制或影响内部腔室温度。例如，能够引入能够控制腔室气氛和甚至生物反应器的液体培养基的温度的被加热或冷却气体。加热单元和/或冷却单元能够被腔室它自身包括或者包含在腔室它自身内，这能够更直接控制已经在腔室内的气氛的温度。

限定腔室材料的壁的至少一部分可以是透明的或半透明的，以允许光的有效透射，使得当包括在生物反应器内的细胞是光养的或混合营养的时，它们能够将光用于能量的生产或无机碳的固定。这种透明度即使在细胞不需要光的情况下也可以是有用的，例如以使得操作员能够直接了当地检查腔室内部。在一些实施方式中，一个或多个壁例如距离光源最远的壁的至少一部分是反射性的，以便增加光通过生物反应器的通路。在一些实施方式中，壁的面积的至少约10％、至少约20％、至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％或至少约100％可以是可透光的。

可以在本发明中使用“可切换玻璃”、“智能玻璃”或类似材料。这些是当施加电压、光或热时更改其光透射性能的材料(其可以是但不限于像玻璃一样为刚性的、像聚合物薄膜或涂层一样为柔性的)。这些在具有高光暴露的区域中可能特别有用，例如以减少由于特别高的光对材料或微生物造成的损害。通常，材料从大体上半透明的和/或因反射光学性能(类似于镜面光洁度)改变为大体上透明的，从阻挡一些(或所有)波长的光改变为让光通过。可以为追求上述而使用的技术的实例包括但不限于电致变色、光致变色、热致变色、悬浮微粒、微盲和聚合物分散液晶装置。

合适地，腔室的壁是大体上不透气的并且腔室总体上是大体上气密的，以防止包含在其内的受控气氛的损失或污染。腔室没有必要是完全气密的，只要它满足允许在气体成分、温度、湿度、压力或其他方面在一定程度上控制内部气氛的目的即可。

腔室的壁能够由车辆、工业机器、船舶、宇宙飞船或航天器、潜水器、壁空腔、集装箱、温室、地下室、建筑结构、建筑房间和/或开关室的结构或主体组件组成或限定。

在这些和/或其他情况下，腔室壁能包含不透明/半透明的材料。在此类情况下可以使用腔室内部的辅助光源。这些辅助光源可能是LED/OLED或荧光管，或者可能是由光纤和/或光学组件引导的自然光。类似地在腔室壁是半透明/透明的但是装置位于内部或远离自然光的情况下，可以使用此类辅助光源。在一些情况下，内部腔室壁的至少一部分可以是或可以包含反射材料。在使用内部光源的情况下，这可以增加对细胞的光供应的效率。在一些情况下，例如在使用外部光源的情况下，可以使用半透明/透明和反射材料的混合物。在一些此类情况下，离光源最远的一个或多个内部壁的一部分或全部可以是反射性的，以增加所供应的光的使用效率。在培养混合营养生物的实施方式中，光源可以供应它们生长所必需的光。光源可以被构造为取决于本发明的实施方式和/或所用的生物的要求而提供零星和/或间歇照明。

允许光透射到腔室中的任何半透明/透明部分能够由任何合适的半透明/透明材料组成。腔室能够完全由半透明/透明材料组成，或者能够被支撑在如下所述的诸如脚手架或框架的支撑结构上。

合适地腔室包含强、轻并且可以拥有良好的热绝缘性能的大体上不透气的材料。任选地材料以片材和/或薄膜提供。在一些实施方式中材料是非柔性的、非弹性的、透明的且强的，例如包括玻璃、高性能玻璃、具有非常高的太阳能透射率的低铁玻璃(PilkingtonSunplus^TM)、玻璃复合材料、具有增加强度的强化玻璃复合材料、抗冲击玻璃复合材料、低反射率玻璃、高透光率玻璃、在中间有或没有真空/氩气/空气的双层中空玻璃和/或三层中空玻璃、或由若干层不同材料制成以增加强度和/或透光率的玻璃复合材料、或可电切换的智能玻璃。或者，腔室可以包括金属或金属合金，诸如铝或钢，或者包括复合材料，诸如碳纤维复合材料、玻璃纤维或木纤维材料(例如MDF)、混凝土、石头、粘土、瓷砖、瓷砖、瓦片、灰泥、塑料聚合物。

在其他实施方式中，腔室壁材料是柔性和弹性的，例如包括乙烯四氟乙烯(ETFE)、丙烯酸/PMMA、聚碳酸酯和/或其他塑料和塑料复合材料。合适地，腔室壁材料包括聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯、硫化橡胶、硅酮、聚乙烯和/或尼龙、纺织强化聚氨酯塑料、涂布有诸如PVC、尼龙、PC、硅酮、橡胶的聚合物的机织织物。

ETFE的合适的性能包括其半透明度和/或透明度、非常高的透光率和抗紫外线性。ETFE也是有利地可回收的，容易清洁的(由于其非粘性表面)，弹性的，强且轻的，同时在宽温度范围之上具有良好的热绝缘、高耐腐蚀性和强度。采用热焊接，能够用组装成更大面板的补片或多个片材来修复撕裂。

亚克力由于其强度、高透明度和耐候性和耐紫外线辐射而合适作为腔室壁材料。

在本发明的特定实施方式中，柔性和/或弹性材料的使用允许通过在腔室内供应与装置外部的周围气氛相比具有相对正压力的气氛来使腔室充气。或者，由于温度增加而在腔室内导致的气体膨胀也可能引起相对正压力的相应增加。在一些实施方式中，腔室中的压力与装置外部的周围气氛相比可以甚至是负的，例如通过风扇或鼓风机从腔室中去除气体的动作。腔室能够从倒塌(未充气)状态完全充气，并且/或者能够围绕刚性或半刚性脚手架建造或者由刚性或半刚性脚手架以其他方式支撑，所述脚手架可以在腔室它自身内部或外部，并且可以与腔室成一体，或者可与它分开。腔室壁材料能够通过包括刚性或半刚性脚手架的构件的整体骨架和/或通过使用由与腔室壁相同或类似的材料制成的加强接缝来加强。这些加强件也能够用于在被构造和充气时控制腔室的形状和结构。此类布置允许根据本发明的一些实施方式的系统以其倒塌(未充气)形式容易地且快速地构造、拆除和/或运输。也能够通过使用此类实施方式来减少重量，从而增加用于运输以及用于暂时和/或远程使用的合适性，诸如在太空、极地研究站或其他难接近的位置中的合适性。此类便携式结构也能够被放置在仓库或任何种类的结构或腔室如地下室或隧道内部，以便在提供保护环境的结构内部创建多个独立腔室模块。能够容易地改变、拆解或移动这些充气腔室以更新生物反应器的阵列而不危害建筑物的结构。

在本发明的特定实施方式中，柔性和/或弹性材料的使用将允许作为在腔室内部相对于周围大气的正压力的结果(即，腔室通过所供应的气体充气)或者通过使用附着到腔室的各壁的辅助结构来创建(相对于腔室外部的位置)到腔室的上壁的凸的、圆顶的、拱形的或以其他方式突出的形状，以创建凸形状。如果在现场部署设备，则这可能有助于避免形成雨、雪、树叶、粉末、沙或其他碎屑的“水坑”。此外凸形状将促进材料在下雨时的自我清洁和/或促进由工厂操作员或自动清洁系统执行的手动/自动清洁。出于类似原因，在本发明的其他实施方式中腔室的任何上表面可以相对于水平面稍微倾斜，例如通过具有不同高度的腔室的侧壁。

这样的布置的另一优点是启用对内部腔室湿度进行控制的措施—腔室气氛中的水分可能在腔室壁的内部上凝结，尤其是如果腔室的内部比外部大气暖的话。利用凸或倾斜上壁，能够促使任何冷凝物从腔室的上壁跑开，从而减少可能发生的对光透射的干扰。

石墨烯涂层可以用于加强材料，提供抗菌生长涂层，提供然后能够帮助检测材料的破损(例如撕裂)的电导。用于减少霉菌、细菌和真菌生长的涂层、处理、油漆或薄膜也能够被应用于腔室的内部表面。旨在防止霉菌或任何微生物生长的特定材料能够被用作腔室的部件。材料也能够包括石墨烯、碳纳米管和/或石墨以进行加强，或者以使得能够使用更薄且更轻的壁材料。

可以想像的是，可以出于维护目的通过完全地或部分地去除包括腔室的壁中的一个或多个来容易地进入腔室的内部。

腔室的最小尺寸主要由所包含的生物反应器或生物反应器阵列的大小规定。在一些实施方式中，可以在生物反应器或生物反应器阵列的最外边缘与腔室壁之间留下充足的附加空间以允许维护人员或设备进入(参见图6D)。

生物

这些发明的装置和方法可以用于培养取自细菌、古生菌或真核生物分类学领域的任何微生物、细胞或小生物，只要它能够被支撑在合适的液体培养基中即可。此类细胞和生物体可以是异养的或混合营养的。附加地，这些发明的装置和方法适合于培养光养生物，包括光合自养生物。

更具体地，细胞和/或生物体可以是包括下列的分类群和其他定义群的一部分：蓝细菌、原细菌、螺旋体、革兰氏阳性细菌、诸如绿弯菌门的绿丝状细菌、浮霉菌门、噬细胞拟杆菌、热袍菌、产水菌属、嗜盐菌、甲烷八叠球菌、甲烷杆菌、甲烷球菌、速生热球菌、热变形菌、热网菌、内阿米巴属、诸如黏菌的粘菌、纤毛虫、鞭毛藻(Dinoflagellates)、横裂甲藻纲(Dinophyceae)、毛滴虫、微孢子虫、双滴虫、古虫界、变形虫界、领鞭毛类、有孔虫界、有孔虫、放射虫、硅藻、原生藻菌、褐藻、红藻、绿藻、雪藻、定鞭藻、隐藻、囊泡藻界、灰藻、浮游藻、浮游生物、透色门、轮虫以及来自动物、真菌或植物的细胞或整个生物。

合适的细菌可包括大肠杆菌、大肠杆菌BL21(DE3)、埃希氏菌属物种(Escherichiasp.)、醋杆菌属物种(Acetobacter sp.)、木醋杆菌(Acetobacter xylinum)、胃八叠球菌(Arcina ventriculi)、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、木糖葡糖杆菌(Gluconobacter xylinus)、假单胞菌属物种#142、产左聚糖微杆菌(Microbacteriumlaevaniformans)、多粘芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa)、地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、浸麻芽孢杆菌(Bacillusmacerans)、唾液链球菌(Streptococcus salivarius)、肠膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)、果聚糖气杆菌(Aerobacter levanicum)、γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)和α-变形菌纲、弧菌属物种、需钠弧菌(Vibrio natriegens)、荧光假单胞菌(Pseudomonas fiuorescens)、新月柄杆菌(Caulobacter crescentus)、根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)和缺陷短波单胞菌(Brevundimonas diminuta)。其他合适的细菌能够包括异常球菌属物种(Deinococcus sp.)、耐辐射异常球菌(Deinococcusradioduran)、地热异常球菌(Deinococcus geothermalis)、解纤维素异常球菌(D.cellulolysiticus)、耐福射异常球菌(D.radiodurans)、解蛋白异常球菌(D.proteolyticus)、抗放射异常球菌(D.radiopugnans)、嗜放射异常球菌(D.radiophilus)、大异常球菌(D.grandis)、印度异常球菌(D.indicus)、产气异常球菌(D.frigens)、岩生异常球菌(D.saxicola)、马里科帕部落异常球菌(D.maricopensis)、大理石异常球菌(D.marmoris)、沙漠异常球菌(D.deserti)、默氏异常球菌(D.murrayi)、空气异常球菌(D.aerius)、网文异常球菌(D.aerolatus)、嗜气异常球菌(D.aerophilus)、雅瑟留异常球菌(D.aetherius)、高山异常球菌(D.alpini tundrae)、高地异常球菌(D.altitudinis)、马里科帕部落异常球菌(D.apachensis)、水生异常球菌(D.aquaticus)、水生异常球菌(D.aquatilis)、aquiradiocola异常球菌、水活异常球菌(D.aquivivus)、游泥异常球菌(D.caeni)、克氏异常球菌(D.claudionis)、无花果异常球菌(D.ficus)、戈壁异常球菌(D.gobiensis)、霍卡曼氏异常球菌(D.hohokamensis)、hopiensis异常球菌、矿泉异常球菌(D.misasensis)、纳瓦河部落异常球菌(D.navajonensis)、papagomensis异常球菌、极干海岸异常球菌(D.peraridilitoris)、pimensis异常球菌、鱼异常球菌(D.piscis)、radiomollis异常球菌、玫瑰色异常球菌(D.roseus)、萨让拉沙漠异常球菌(D.Sonorensis)、乌鲁木齐异常球菌(D.wulumudiensis)、西北异常球菌(D.xibeiensis)、新疆异常球菌(D.xinjiangensis)、Yyavapaiensis异常球菌或云微所异常球菌(D.yunweiensis)细菌。特别地，设想的种类包括大肠杆菌、埃希氏菌属物种、醋酸杆菌属物种、运动发酵单胞菌、木糖葡糖杆菌、假单胞菌属物种、产左聚糖微杆菌、多粘芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、唾液链球菌、肠膜明串珠菌、果聚糖气杆菌、γ-变形菌纲和α-变形菌纲、弧菌属物种、荧光假单胞菌、新月柄杆菌、根癌农杆菌、缺陷短波单胞菌、异常球菌属物种、红色亚栖热菌(Meiothermus ruber)和深海洋栖热菌(Oceanithermus profundus)。

也能够在根据本发明的装置中培养病原体生物，例如以用于在疫苗生产中使用。可能相关的其他细菌包括枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒状杆菌(Corynebacteriumglutamicum)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、运动发酵单胞菌、根癌农杆菌、草木樨中华根瘤菌(Sinorhizobium meliloti)、球形红细菌(Rhodobacter sphaeroides)、善变副球菌(Paracoccus versutus)、荧光假单胞菌、恶臭假单胞菌(Pseudomonas pufida)、肠道沙门氏菌(Salmonella enterica)、费格森埃希氏菌(Escherichia fergusonii)、鼠疫耶尔森氏菌(Yersinia pestis)、假结核耶尔森氏菌(Yersinia pseudotuberculosis)、小肠结肠炎耶尔森氏菌(Yersinia enterocolitica)、弗氏志贺氏菌(Shigella fiexneri)、宋内氏志贺氏菌(Shigella sonnei)、鲍氏、志贺氏菌(Shigella boydii)、痢疾志贺氏菌(Shigella dysenteriae)、黑腐果胶杆菌(Pectobacterium atrosepticum)芥末果胶杆菌(Pectobacterium wasabiae)、塔斯曼尼亚欧文氏菌(Erwinia tasmaniensis)、亚洲梨火疫病欧文氏菌(Erwinia pyrifoliae)、梨火疫病欧文氏菌(Erwinia amylovora)、比氏欧文氏菌(Erwinia billingiae)、蚜虫内共生菌(Buchnera aphidicola)、肠杆菌属物种638、阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)、阿氏肠杆菌(Enterobacter asburiae)、产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)、坂崎克罗诺杆菌(Cronobacter sakazakii)、苏黎世克罗诺杆菌(Cronobacter turicensis)、肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)、天花克雷伯菌(Klebsiella variicola)、催产克雷伯菌(Klebsiella oxytoca)克氏柠檬酸杆菌(Citrobacter koseri)、鼠柠檬酸杆菌(Citrobacter rodentium)、变形斑沙雷氏菌(Serratia proteamaculans)、斑沙雷氏菌属物种(Serratia sp.)AS12、奇异变形杆菌(Proteus mirabilis)、鲶鱼爱德华氏菌(Edwardsiella ictaluri)、迟缓爱德华氏菌(Edwardsiella tarda)、哈密尔顿防卫菌暂定种(Candidatus Hamiltonella defense)、细菌性甘薯茎腐病菌(Dickeya dadantii)、迪基氏菌(Dickeya zeae)、菠萝泛菌(Pantoeaanantis)、泛菌属物种(Pantoea sp.)At-9b、遍生泛菌(Pantoeo vagans)、拉恩氏菌属物种(Rahnella sp.)Y9602、副猪嗜血杆菌(Haemophilus parasuis)、副流感嗜血杆菌(Haernophilus parainfiuenzae)、多杀性巴氏杆菌(Pasteurella mulltocida)、嗜沫凝聚杆菌(Aggregatibacter aphrophlus)、伴放线放线杆菌(Aggregatibacteractinomycetemcomitans)、霍乱弧菌(Vibrio cholera)、创伤弧菌(Vibrio vulnificus)、副溶血性弧菌(Vibrio parahaemolyticus)、哈维氏弧菌(Vibrio harveyi)、灿烂弧菌(Vibrio splendidus)、深海发光杆菌(Photobacterium profundurn)、鳗弧菌(Vibrioanguillarum)、奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)、反硝化希瓦氏菌(Shewanelladenitrificans)、冷海希瓦氏菌(Shewanella frigidimarina)、亚马逊希瓦氏菌(Shewanella amazonensis)、波罗地海希瓦氏菌(Shewanella baltica)、光伏希瓦氏菌(Shewanella loihica)、希瓦氏菌属物种ANA-3、希瓦氏菌属物种MR-7、腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)、沉积物希瓦氏菌(Shewanella sediminis)、希瓦氏菌属物种MR-4、希瓦氏菌属物种W3-18-1、武氏希瓦氏菌(Shewanella woodyi)、英格哈米低温单菌(Psychromonas ingraharnii)、巴利阿里岛铁还原单胞菌(Ferrimonas balearica)、嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)、杀鲑气单胞菌(Aeromonas salmonicida)、维氏气单胞菌(Aeromonas veronii)、奥湖甲苯单胞菌(Tolumonas auensis)、紫色色杆菌(Chromobacterium Violaceum)、伯克氏菌属物种(Burkholderia sp.)CCGE1002、固氮螺菌属物种B510、炭疽芽孢杆菌(Bacillus anthracis)、蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)、细胞毒性芽孢杆菌(Bacillus cytotoxicus)、苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)、韦氏芽孢杆菌(Bacillus weihenstephanensis)，假强芽孢杆菌(Bacilluspseudofirmus)、巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、西伯利亚微小杆菌(Exiguobacterium sibiricum)、微小杆菌属物种ATlb、溶酪巨球菌(Macrococcus caseolyticus)、多粘芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa)、化脓性链球菌(Streptococcus pyogenes)、肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)、无乳链球菌(Streptococcus agalactiae)、变形链球菌(Streptococcus mutans)、嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)、血链球菌(Streptococcus songuinis)、猪链球菌(Streptococcus suis)、戈登链球菌(Streptococcus gordonii)、马链球菌(Streptococcus equi)、乳房链球菌(Streptococcus uberis)、停乳链球菌(Streptococcus dysgalactiae)、解没食子酸链球菌(Streptococcus gallolyticus)、缓症链球菌(Streptococcus mitis)、假肺炎链球菌(Streptococcus pseudopneumoniae)、约氏乳杆菌(Lactobacillus johnsonii)、加氏乳杆菌(Lactobacillus gasseri)、粪肠球菌(Enterococcus faecalis)、尿气球菌(Aerococcus urinae)、肉食杆菌属物种(Carnobacterium sp.)17-4、丙酮丁醇梭菌(Ciostridium acetobutyilcum)、产气荚膜梭菌(Clostridium perfringens)、破伤风梭菌(Clostridium tetani)、诺氏梭菌(Clostridium novyi)、肉毒梭菌(Ciostridium botulinum)、还原脱硫肠状菌(Desulfotomaculum reducens)、缓徐瘤梭菌(Clostridium lientocellum)、红斑丹毒丝菌(Erysipelothrix rhusiopatbiae)、生殖支原体(Mycoplasma genitalium)、肺炎支原体(Mycoplasma pneumoniae)、肺支原体(Mycoplasma pulmonis)、穿通支原体(Mycoplasmapenetrans)、鸡败血支原体(Mycoplasma gailisepticum)、蕈状支原体(Mycoplasmamycoides)、滑液囊支原体(Mycoplasma synoviae)、细菌山羊支原体(Mycoplasmacapricoium)、鳄鱼枝原体(Mycoplasma crocodyli)、leachii支原体、花中间原体(Mesoplasma florum)、痤疮丙酸杆菌、多裂中村氏菌(Nakamurella multipartita)、伯氏疏螺旋体(Borrelia burgdorferi)、伽氏疏螺旋体(Borrelia garinii)、阿氏疏螺旋体(Borrelia afzelii)、海洋原绿球藻(Prochlorococcus marinus)、球形赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus sphaericus)、波罗的海红小梨形菌(Rhodopirellula baltica)、或其组合。特别地，设想了约氏乳杆菌和丙酮丁醇梭菌。

甲烷营养生物能够代谢甲烷作为碳和能量的来源。此类生物的使用在根据本发明的装置中处理含甲烷的气体时可能有用，并且因此能够具有对抗全球变暖的适用性，因为甲烷是强大的温室气体。注意的是，一些甲烷营养生物的生长也可能需要在液体培养基中提供二氧化碳，以便有利于特定代谢途径并且因此有利于生长。在这种情况下，在腔室内维持的气氛能够被适配为满足培养生物的需要，例如通过提供高于正常大气水平的二氧化碳。合适的甲烷营养细菌或古细菌能够包括甲基单胞菌属(Methylomonas)16a ATCC PTA2402、甲基杆菌属物种(Methylobacterium sp.)、扭脱甲基杆菌(Methyiobacieriumexiorquens)、耐辐射甲基杆菌(Methylobacterium radiotolerans)、极甲基杆菌(Methylobacterium populi)、氯甲烷甲基杆菌(Methylobacterium chloromethanicum)或结瘤甲基杆菌(Methylobacterium nodulans)、甲基弯菌属物种(Methyloslnus sp.,)、甲基弯菌OB3b(NRRL B-11,196)、生孢甲基弯菌(Methylosinus sporium)(NRRL B-11,197)、小甲基胞囊菌属物种(Methylocystisparvus sp.)、小甲基胞囊菌(NRRL B-11,198)、甲基单胞菌属物种(Methyiomonas sp.)、甲烷甲基单胞菌(Methylomonas methanica)(NRRL B-11,199)、白色甲基单胞菌(Methylomonas albus)(NRRL B-11,200)、甲基球菌属物种(Methylococcus sp.)、荚膜甲基球菌、甲基杆菌属物种(Methylobacter sp.,)、荚膜甲基杆菌(Methylobacter capsulatus)Y(NRRL B-11,201)、荚膜甲基球菌(Methylococcuscapsulatus)(NCIMB 11132)、嗜有机甲基杆菌(Methylobacterium organophilum)、嗜有机甲基杆菌(ATCC 27,886)、甲基单胞菌属物种AJ-3670(FERM P-2400)、甲基微生物菌属物种(Methylomicrobium sp.)、嗜碱甲基微生物菌属(Methylomicrobium alcaliphilum)、甲基胞菌属物种(Methylocella sp.)、西尔维斯特甲基胞菌属(Methyiocella silvestris)、极端嗜酸甲烷氧化菌(Methylacidiphilum infernorum)、甲基菌属物种(Methylibium sp.,)或培氏甲基菌(Methylibium petroleiphilum)。特别地，设想了甲基球菌属物种、甲基杆菌属物种、甲基单胞菌属物种、荚膜甲基球菌和培氏甲基菌。

作为旨在被活食用以提供健康影响的生物的所谓的益生菌、古细菌和真菌尤其包括乳杆菌、双歧杆菌、酵母菌、肠球菌、链球菌、片球菌、明串珠菌、芽孢杆菌，并且能够包括大肠杆菌、乳球菌、肠球菌、酒球菌属、片球菌属、链球菌属和明串珠菌属物种，乳杆菌属物种可包括植物乳杆菌、约氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌、清酒乳杆菌、保加利亚乳杆菌、唾液乳杆菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、副干酪乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、德氏亚种保加利亚乳杆菌、短乳杆菌、约氏乳杆菌、植物乳杆菌和发酵乳杆菌。其他预定种类包括布拉氏酵母菌、双歧双歧杆菌、凝结芽孢杆菌、婴儿双歧杆菌、青春双歧杆菌、动物双歧杆菌、动物双歧杆菌乳酸亚种、双歧双歧杆菌、长双歧杆菌、短双歧杆菌、乳酸乳球菌、屎肠球菌、杜兰肠球菌和嗜热链球菌、枯草芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌。特别地，设想了乳杆菌属、双歧双歧杆菌、凝结芽孢杆菌、婴儿双歧杆菌、青春双歧杆菌、双歧双歧杆菌和凝结芽孢杆菌、婴儿双歧杆菌、屎肠球菌及嗜热链球菌。

能够在本发明中使用的古菌分类群和属特别地包括泉古菌门(Crenarchaeota)、广古菌门(Euryarchaeota)、除硫球菌目(Desulfurococcales)、硫化叶菌目(Sulfolobales)、古球状菌目(Archaeoglobales)、盐杆菌目(Halobacteriales)、甲烷杆菌目(Methanobacieriales)、甲烷球菌目(Methanococcales)、甲烷火菌目(Methanopyrales)、热球菌目(Thermococcales)、热原体属(Thermoplasmales)、敏捷气热菌(Aeropyrum pernix)、硫磺矿硫化叶菌(Sulfolobus solfataricus)、超嗜热古细菌(Sulfolobus tokodaii)、希氏硫化叶菌(Sulfolobus shibatae)、闪烁古生球菌(Archaeoglobus fulgidus)、盐杆菌属物种(Halobacterium sp.)、勤奋金属球菌(Metallosphera seduia)、嗜热自养甲烷杆菌(Methanobacteriumthermoautotrophicum)、詹氏甲烷球菌(Methanococcus jannaschii)、噬乙酸甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)、坎德勒氏甲烷嗜热菌(Methanopyrus kandleri)、掘越氏火球菌(Pyrococcus horikoshii)(shinkaj)、巴氏火球菌(Pyrococcus abyssi)、激烈火球菌(Pyrococcus furiosus)、利托氏热球菌(Thermococcus litoralis)、巴氏嗜热球菌(Thermococcus barosii)、嗜酸热原体(Thermoplasma acidophilum)、火山热原体(Thermoplasma volcanium)、盐杆菌属物种NRC-1、詹氏甲烷球菌DSM 2661、巴氏火球菌GE5、嗜酸热原体DSM 1728和火山热原体GSS 1。

根据本发明的装置也能够用于培养使氢氧化为能源同时将氧用作最后电子受体的氢氧化生物。这些生物体中的一些优选地在微需氧条件下即在氧水平低于存在于正常大气中的氧水平的环境中生长。结果，能够维持低于21％O₂通常为大约2至10％O₂的腔室氧浓度。例如，能够供应氢气、二氧化碳和氧气的混合物。这些生物能够包括但不限于氢杆菌属物种(Hydrogenobacter sp.)、嗜热氢杆菌(Hydrogenobacter thermophilus)、海洋性水素细菌(Hydrogenovibrio marinus)、幽门螺杆菌属物种(Helicobacter sp.)、幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)、氢噬菌属物种(Hydrogenophaga sp.)、氢丛毛杆菌属物种(Hydrogenomonas sp.)、钩虫贪铜菌(Cupriavidus necator)、浑浊红球菌(Rhodococcusopacus)、产碱杆菌物种(Alcaligenes sp.)、真养产碱杆菌(Alcaligenes eutrophus)、广泛产碱菌(Alcaligenes latus)、争论产碱菌(Alcaligenes paradoxus)、吕氏产碱菌(Alcaligenes ruhlandii)、自养水螺菌(Aquaspirillum autotrophicum)、施氏芽孢杆菌(Bacillus schlegelii)、噬一氧化碳假单胞菌(Pseudomonas carboxydovorans)、敏捷假单胞菌(Pseudomonas facilis)、黄假单胞菌(Pseudomonas fiava)、类黄假单胞菌(Pseudomonas pseudofiava)、噬氢假单胞菌(Pseudomonas hydrogenovora)、高温性水素细菌(Pseudomonas hydrogenothermophila)、帕氏假单胞菌(Pseudomonas palleronii)、嗜糖假单胞杆菌(Pseudomonas saccharophila)、嗜热假单胞菌(Pseudomonasthermophila)、氢碳酸塞里伯氏菌(Seliberia carboxyhydrogena)、嗜热黄杆菌(Flavobacterium autothermophilum)、脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)、自养黄色杆菌(Xanthobacter autotrophicus)、自养黄色杆菌、节杆菌属物种(Arthrobactersp.)(1IX、RH 12)、戈登分枝杆菌(Mycobacterium gordonae)、自养诺卡氏菌(Nocardiaautotrophica)和灰暗诺卡氏菌(Nocardia opaca)。一些设想的生物以硫酸盐或二氧化碳作为氢受体在厌氧条件下利用氢气(诸如脱硫弧菌属(Desulfovibrio,)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、木氏醋杆菌(Aceto-bacterium woodii)和热自养甲烷杆菌(Methanobacterium thermo-autotrophicum))。

能够在本发明中使用的酵母种类特别地包括酿酒酵母、贝酵母和布拉酵母。其他合适的酵母种类包括酵母菌属、巴斯德酵母菌、卡尔斯伯酵母菌、白孢子菌属、冷白孢子菌、大地酵母属、念珠菌属、红酵母属、毛孢子菌属、裂殖酵母属、锁掷孢酵母属、掷孢酵母属、热带假丝酵母、由法夫酵母、乳酸克鲁维酵母、汉逊酵母、核果梅奇酵母菌和它们的任何组合组成的组。在这些之中，特别设想了酵母菌属、白冬孢酵母属、红酵母属、毛孢子菌属、分裂酵母菌属、锁掷酵母菌属、掷孢酵母属和热带假丝酵母。

可以在本发明的装置和方法中使用的真菌包括丝状真菌，诸如日本曲霉、黑曲霉、臭曲霉、米曲霉、出芽短梗霉、核盘菌和短柄星状菌。霉菌种类包括群落的成员，所述群落包括枝顶孢属、链格孢属、曲霉属、枝孢菌属、镰刀菌属、毛霉属、青霉属、根霉属、葡萄葡萄属、木霉属、里斯木霉属、木霉菌属、李氏木霉、毛癣菌属、米曲霉、红曲霉、青霉属、纳地青霉、镰孢霉、白地霉、好食脉孢霉、米黑根毛霉、少孢根霉、米根霉、地霉属、脉孢菌属、根毛菌属、伞菌霉和刺霉属。在霉菌之中，特别设想了枝顶孢属、链格孢属、曲霉属、枝孢菌属、镰刀菌属、毛霉属、青霉属、根霉属、葡萄孢属、木霉属和毛癣菌属。

粘液霉菌是指兼性多细胞真核生物的许多群落。用于在本发明中使用的合适的实例包括多头绒泡菌(Physarum polycephalum)、煤绒菌(Fuligo septica)、煤绒菌属物种(Fuligo sp.)、褐发网菌(Stemonitis fusca)、发网菌属物种(Stemonitis sp.)、白柄黏菌(Diachea eucopodia)、白柄黏菌属物种(Diachea sp.)、团毛菌属物种(Trichia sp.)、环壁团毛菌(Trichia varia)、网柄菌(dictyostelids)、网柄菌属物种(Dietyosteliumsp.)、紫网柄菌(Dictyostelium purpureum)、盘基网柄菌(Dictyostelium discoideum)、粘液菌(myxomycetes)、网柄菌和原生粘菌(protosteloids)，并且特别是Acrasidis、根肿菌(Plasmodiophorids)、网粘菌门(Labyrinthulomycota)、泉生虫目(Fonticula)、核形虫属物种(Nuclearia sp.)、粘菌亚纲(Myxogastria)、发网菌属和绒泡菌属物种。

也可以在根据本发明的装置中使用能光合作用的微生物。这种可能的生物包括诸如片球藻属、小球藻属、拟小球藻属、原壁菌属、拟绿球藻属和栅列藻属的群落的成员。其他可能性包括东方曲壳藻(Achnanthes orientalis)、阿格藻属(Agmenellum)、透明茧形藻(Amphiprora hyalina)、咖啡形双眉藻(Amphora coffeiformis)、咖啡形双眉藻线状变种(Amphora coffeiformis linea)、咖啡形双眉藻点纹变种(Amphora coffeiformispunctata)、咖啡形双眉藻泰勒氏变种(Amphora coffeiformis taylori)、咖啡形双眉藻细薄变种(Amphora coffeiformis tenuis)、优美双眉藻(Amphora delicatissima)、优美双眉藻头状变种(Amphora delicatissima capitata)、双眉藻属物种()Amphora sp.)、鱼腥藻属(Anabaena)、纤维藻属(Ankistrodesmus)、卷曲纤维藻(Ankistrodesmus falcatus)、黄金色藻(Boekelovia hooglandii)、包特氏菌属物种(Borodinella sp.)、布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)、苏台德克斯葡萄藻(Botryococcus sudeticus)、小型片球藻(Bracteococcus minor)、中核片球藻(Bracteococcus medionucleatus)、四鞭藻(Carteria)、纤细角毛藻(Chaetoceros gracilis)、牟氏角毛藻(Chaetoceros muelleri)、牟氏角毛藻广盐变种(Chaetoceros muelleri subsalsum)、角毛藻属物种(Chaetocerossp.)、无硝小球藻(Chlorella anitrata)、南极小球藻(Chlorella Antarctica)、黄绿小球藻(Chlorella aureoviridis)、念珠菌小球藻(Chlorella candida)、包囊小球藻(Chlorella capsulate)、脱水小球藻(Chlorella desiccate)、椭圆小球藻(Chlorellaellipsoidea)、浮水小球藻(Chlorella emersonii)、淡褐小球藻(Chlorellafusca)、淡褐小球藻空腔变种(Chlorellafusca var.vacuolata)、谷氏小球藻(Chlorellaglucotropha)、水溪小球藻(Chlorella infusionum)、水溪小球藻栖海岸变种(Chlorellainfusionum var.actophila)、水溪小球藻增大变种(Chlorella infusionumvar.auxenophila)、凯氏小球藻(Chlorella kessleri)、匍扇小球藻(Chlorellalobophora)(菌株SAG37.88)、黄绿小球藻(Chlorella luteoviridis)、黄绿小球藻金绿变种(Chlorella luteoviridis var.aureoviridis)、黄绿小球藻淡黄变种(Chlorellaluteoviridis var.lutescens)、红藻小球藻(Chlorella miniata)、极微小球藻(Chlorella minutissima)、突变小球藻(Chlorella mutabilis)、夜间小球藻(Chlorellanocturna)、卵形小球藻(Chlorella ovalis)、小形小球藻(Chlorella parva)、嗜光小球藻(Chlorella photophila)、普氏小球藻(Chlorella pringsheimii)、原始小球藻(Chlorella protothecoides)(包括UTEX菌株1806、411、264、256、255、250、249、31、29、25中的任一种)、原始小球藻耐酸变种(Chlorella protothecoides var.acidicola)、规则小球藻(Chlorella regularis)、规则小球藻小型变种(Chlorella regularis var.minima)、规则小球藻伞状变种(Chlorella regularis var.umbricata)、瑞氏小球藻(Chlorellareisiglii)、嗜糖小球藻(Chlorella saccharophila)、嗜糖小球藻椭圆形变种(Chlorellasaccharophila var.ellipsoidea)、盐生小球藻(Chlorella salina)、简单小球藻(Chlorella simplex)、耐热性小球藻(Chlorella sorokiniana)、小球藻属物种、球形小球藻(Chlorella sphaerica)、斯蒂格小球藻(Chlorella stigmatophora)、万尼氏小球藻(Chlorella vanniellii)、普通小球藻(Chlorella vulgaris)、普通小球藻粗皮变型(Chlorella vulgarisf tertia)、普通小球藻自养变种(Chlorella vulgarisvar.autotrophica)、普通小球藻绿色变种(Chlorella vulgaris var.viridis)、普通小球藻普通变种(Chlorella vulgaris var.vulgaris)、普通小球藻普通变种粗皮变型(Chlorella vulgaris var.vulgarisf tertia)、普通小球藻普通变种绿色变型(Chlorella vulgaris var.vulgarisf viridis)、黄色小球藻(Chlorella xanthella)、左氏小球藻(Chlorella zofingiensis)、他伯氏小球藻(Chlorella trebouxioides)、普通小球藻、水溪绿球藻(Chlorococcum infusionum)、绿球藻属物种(Chlorococcum sp.)、绿梭藻属(Chlorogonium)、蓝隐藻属物种(Chroomonas sp.)、金球藻属物种(Chrysosphaerasp.)、球钙板藻属物种(Cricosphaera sp.)、寇氏隐甲藻(Crypthecodinium cohnii)、隐藻属物种(Cryptomonas sp.)、隐秘小环藻(Cyclotella cryptica)、梅尼小环藻(Cyclotellameneghiniana)、小环藻属物种(Cyclotella sp.)、杜氏藻物种(Dunaliella sp.)、巴氏杜氏藻(Dunaliella bardawil)、双眼杜氏藻(Dunaliella bioculata)、颗粒状杜氏藻(Dunaliella granulate)、海洋杜氏藻(Dunaliella maritime)、微小杜氏藻(Dunaliellaminuta)、巴夫杜氏藻(Dunaliella parva)、比雷杜氏藻(Dunaliella peircei)、普林莫杜氏藻(Dunaliella primolecta)、盐生杜氏藻(Dunaliella salina)、陆生杜氏藻(Dunaliella terricola)、特氏杜氏藻(Dunaliella tertiolecta)、绿色杜氏藻(Dunaliella viridis)、绿色独球藻(Eremosphaera viridis)、独球藻属物种(Eremosphaera sp.)、椭圆藻属物种(Ellipsoidon sp.)、裸藻属(Euglena)、伏氏藻属物种(Franceia sp.)、克罗脆杆藻(Fragilaria crotonensis)、脆杆藻属物种(Fragilariasp.)、粘球藻属物种(Gleocapsa sp.)、丽丝藻属物种(Gloeothamnion sp.)、膜胞藻属物种(Hymenomonas sp.)、雨生红球藻(haematococcus pluvialis)、红球藻属物种(haematococcus sp.)、等鞭金藻球亲近种(Isochrysis aff galbana)、球等鞭金藻(Isochrysis galbana)、鳞孔藻属(Lepocinclis)、微星藻属(Micractinium)、微星藻属(UTEX LB 2614)、微小单针藻(Monoraphidium minutum)、单针藻属物种(Monoraphidiumsp.)、微绿球藻属物种(Nannochloris sp.)、盐生微拟球藻(Nannochloropsis salina)、微拟球藻属物种(Nannochloropsis sp.)、适意舟形藻(Navicula acceptata)、毕氏舟形藻(Navicula biskanterae)、假舟形藻(Navicula pseudotenelloides)、薄膜舟形藻(Navicula pelliculosa)、嗜腐舟形藻(Navicula saprophila)、舟形藻属物种(Naviculasp.)、肾鞭藻属物种(Nephrochloris sp.)、肾藻属物种(Nephroselmis sp.)、普通菱形藻(Nitschia communis)、亚历山大菱形藻(Nitzschia alexandrina)、普通菱形藻、细端菱形藻(Nitzschia dissipata)、碎片菱形藻(Nitzschiafrustulum)、汉氏菱形藻(Nitzschiahantzschiana)、平庸菱形藻(Nitzschia inconspicua)、中型菱形藻(Nitzschiaintermedia)、小头菱形藻(Nitzschia microcephala)、微小菱形藻(Nitzschia pusilla)、微小菱形藻椭圆变种(Nitzschia pusilla elliptica)、微小菱形藻莫纳变种(Nitzschiapusilla monoensis)、四边形菱形藻(Nitzschia quadrangular)、菱形藻属物种(Nitzschia sp.)、棕鞭藻属物种(Ochromonas sp.)、小卵囊藻(Oocystis parva)、卵泡藻(Oocystis pusilla)、卵囊藻属物种(Oocystis sp.)、湖泊颤藻(Oscillatorialimnetica)、颤藻属物种(Oscillatoria sp.)、亚短颤藻(Oscillatoria subbrevis)、凯氏拟小球藻(Parachlorella kessleri)、嗜酸帕氏藻(Pascheria acidophila)、巴夫藻属物种(Pavlova sp.)、噬菌体属(Phagus)、席藻属物种(Phormidium sp.)、扁藻属物种(Platymonas sp.)、卡氏颗石藻(Pleurochrysis carterae)、齿状颗石藻(Pleurochrysisdentate)、颗石藻属物种(Pleurochrysis sp.)、威克海姆原藻(Protothecawickerhamii)、雍滞原藻(Prototheca stagnora)、波多黎各原藻(Protothecaportoricensis)、桑椹形原藻(Prototheca moriformis)、左氏原藻(Prototheca zopfii)、水生假小球藻(Pseudochlorella aquatica)、塔胞藻属物种(Pyramimonas sp.)、桑葚藻属(Pyrobotrys)、混浊红球菌(Rhodococcus opacus)、囊状金藻(Sarcinoid chrysophyte)、被甲栅藻(Scenedesmus armatus)、裂殖壶菌(Schizochytrium)、水棉属(Spirogyra)、螺旋藻(Spirulina platensis)、裂丝藻属物种(Stichococcus sp.)、聚球藻属物种(Synechococcus sp.)、四角藻属(Tetraedron)、四片藻属物种(Tetraselmis sp.)、司西四片藻(Tetraselmis suecica)、威氏海链藻(Thalassiosira weissflogii)以及弗德小藻(Viridiellafridericiana)、裸藻纲(Euglenophyceae)、绿枝藻纲(Prasinophyceae)、真眼点藻纲(Eustigmatophyceae)、硅藻纲(Bacillariophyceae)、普林藻纲(Prymnesiophyceae)、脂藻纲(Pinguiophyceae)、甲藻纲(Dinophyceae)、共球藻纲(Trebouxiophyceae)、囊壳藻纲(Bicosoecophyceae)、曳鞭藻纲(Katablephariophyceae)、绿藻纲(Chlorophyceae)、定鞭藻纲(Haptophyceae)、针胞藻纲(Raphidophyceae)、金藻纲(Chysophyceae)、圆筛藻纲(Coscinodiscophyceae)、囊泡虫总门(Alveolata)、红毛菜纲(Bangiophyceae)、红藻科(Rhodophyceae)、Schizotrium物种、隐甲藻属物种(Crypthecodinium sp.)、褐指藻属物种(Phaeodactylum sp.)和齿状藻属物种(Odontellasp.)、长耳齿状藻(Odontella aurita)、葡萄藻属(Botryococcus genus)、苏台德克斯葡萄藻、布朗葡萄藻、衣藻属物种(Chlamydomonas sp.)、衣藻有尾目(Chlamydomonascaudata)、埃伦衣藻(Chlamydomonas ehrenbergii)、优美衣藻(Chlamydomonas elegans)、蒙氏衣藻(Chlamydomonas moewusii)、极地雪衣藻(Chlamydomonas nivalis)、卵形衣藻(Chlamydomonas ovoidae)、莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)、宇宙衣藻(Chlamydomonas mundane)、dehoryana衣藻、cuiieus衣藻、夜配衣藻(Chlamydomonasnoctigama)、auiato衣藻、marvanii衣藻、鼻突衣藻(Chlamydomonas proboscigera)。在一些实施方式中，此类生物可以是以下项中的一种或多种：红球藻属物种、雨生红球藻、小球藻属物种、自养小球藻(Chlorella autotraphica)、普通小球藻、栅列藻属物种(Scenedesmus sp.)、局球藻属物种(Synechococcus sp.)、细长聚球藻(Synechococcuselongatus)、集胞藻属物种(Synechocystis sp.)、节旋藻属物种(Arthrospira sp.)、钝顶节旋藻(Arthrospira platensis)、最大节旋藻(Arthrospira maxima)、螺旋藻属物种(Spirulina sp.)、异形藻属物种(Dysmorphococcus sp.)、盖丝藻属物种(Geitlerinemasp.)、林氏藻属物种(Lyngbya sp.)、拟甲色球藻属物种(Chroococcidiopsis sp.)、眉藻属物种(Calothrix sp.)、蓝丝藻属物种(Cyanothece sp.)、颤藻属物种(Oscillatoriasp.)、粘杆藻属物种(Gloeothece sp.)、微鞘藻属物种(Microcoleus sp.)、微胞藻属物种(Microcystis sp.)、念珠藻属物种(Nostoc sp.)、微拟球藻属(Nannochloropsis sp.)、项圈藻属物种(Anabaena sp.)、褐指藻属物种、三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)、盐生杜氏藻(Dunaliella salina)、钝顶节旋藻、微拟球藻属物种(Nannochloropsis sp.)和海洋聚球藻(Synechococcus marinus)。特别地，设想了无绿藻属(Prototheca)、小球藻属、拟小球藻属、假小球藻属(Pseudochlorella)、栅列藻属、双眉藻属物种(Amphora sp.)、鱼腥藻属金绿小球藻(Chlorella aureoviridis)、普通小球藻、杜氏藻属物种、拜尔代维勒杜氏藻(Dunaliella bardawil)、盐生杜氏藻、裸藻属、雨生红球藻、红球藻属物种、盐生微拟球藻、微拟球藻属物种、普通菱形藻颤藻属物种、被甲栅藻(Scenedesmus armatus、裂殖壶菌属(Schizochytrium)、水棉属(Spirogyra)、钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)、裂丝藻属物种(Stichococcus sp.)、聚球藻属物种、死角藻属、四片藻属物种、裸藻纲(Euglenophyceae)、金色奥杜藻(Odontella aurita)、普通藻属衣藻属物种和莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)。

硅藻种类能够包括寒冷菱形藻(N.frigida)、克格伦菱形藻(Nitzschiakerguelensis)、沟坑菱形藻(N.lacuum)以及特别是褐指藻属物种、三角褐指藻、菱形藻属物种、小环藻属物种和梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)以及像硅藻纲(Bacillariophyceae)、圆筛藻纲(Coscinodiscophyceae)和舟形藻目(Naviculales)一样的硅藻类。

也可以使用轮虫，一组显微和近显微动物。

也设想嗜二氧化碳菌以供使用。这些微生物在存在高浓度二氧化碳的情况下茁壮成长，并且能特别被用于期望高二氧化碳封存的应用。

极端微生物是指能够耐受通常为高温或低温、极端pH值、盐度、干燥和/或辐射水平的环境中不寻常的极端条件的生物的许多群落。可以在根据本发明的装置和方法中使用的特别设想的实例包括以下目成员：温泉红藻(Cyanidiales)、加勒金科(Galdieriaceae)、原始红藻属物种(Cyanidioschyzon sp.)、温泉红藻纲(Cyanidiophyceae class)、温泉红藻属物种(Galdieria sp.)、单细胞性原始红藻(Cyanidioschyzon merolae)DBV201、daedalum氰化物藻(Cyanidium daedalum)、最大氰化物藻Cyanidium maximum、帕提塔氰化物藻(Cyanidium partitum)、爆裂氰化物藻(Cyanidium rumpens)、daedala温泉红藻(Galdieria daedala)、最大温泉红藻(Galdieria maxima)、帕提塔温泉红藻(Galdieriapartita)以及尤其是物种硫酸性温泉红藻(Galdieria sulphuraria)、热浴氰化物藻(Cyanidium caldarium)和单细胞性原始红藻(Cyanidioschyzon merolae)。

可以在根据本发明的装置和方法中培养植物种类，特别是包括绿藻的水生植物种类。可以在适当的情况下使用全植物有机体。合适的种类能够包括以下项的成员：水萍科(duckweed)、天南星科(Araceae)、芜萍(spotless watermeal)、无根水萍(rootlessduckweed)、浮萍科(Lemnaceae)、浮萍菌体(Lemna thalli)、品藻(Lemna trisulca)、螺旋藻属物种、蓝多藻属物种、圆瘤浮萍(Lemna gibba)、小浮萍(Lemna minor)、细脉浮萍(Lemna aequinoctialis)、瓦尔迪维亚浮萍(Lemna valdiviana)、欧布斯卡浮萍(Lemnaobscura)、多根紫萍(Spirodela polyrhiza)、欧亚无根萍(Wolffia arrhiza)、无根萍属物种和紫萍属物种。特别地，设想了浮萍科、欧亚无根萍和无根萍属物种。

浮游生物是用于海洋微型动物和微生物群落的一般术语。用于在本发明中使用的实例包括球石藻、甲藻、后生浮游生物和原生浮游生物，并且特别是诸如海洋球石藻的球石藻属。

变形虫是指能够通过伪足的延伸改变其形状的各种细胞或单细胞生物群。用于在本发明中使用的这种生物的实例包括卡罗来纳卓变虫(Chaos carolinense)、流散卓变虫(Chaos Diffluens)、卓变虫属物种(Chaos sp.)、耐格里虫属物种(Naegleria sp)、福氏耐格里虫(Naegleria fowleri)、内阿米巴属物种(Entamoeba sp.)、变形虫状丝足虫(Cercozoan amoeboids)、磷壳虫属物种(Euglypha sp.)、长圆鳞壳虫(Euglypha rotunda)以及网足虫属物种(Gromia sp.)、圆球网足虫(Gromia sphaerica)、有孔虫属物种(Foraminifera sp.)、多聚覆毛虫(Massisteria voersi)、覆毛虫属物种(Massisteriasp.)、池沼多核变形虫(Pelomyxa palustris)、脆性介壳虫(Syringammina fragilissima)和介壳虫属物种(Syringammina sp.)。

另外，本发明可以用于培养来自多细胞生物的细胞。特别地，能够在根据本发明的装置和方法中生长的来自诸如包括鸡、鸭、火鸡的家畜和家禽的动物的动物细胞；鱼、牛或猪细胞、猎获或水生动物种类及昆虫细胞包括肌细胞、脂肪细胞、上皮细胞、成肌细胞、卫星细胞、侧群细胞、肌肉来源的干细胞、间充质干细胞、生肌细胞、生肌周细胞或中成血管细胞。这里的生肌细胞涉及来自被修饰以表达一种或多种生肌转录因子的胚胎干细胞系、诱导多能干细胞系、胚胎外细胞系或体细胞的细胞。特别地，可以使肌细胞或类似细胞生长以用于在生产用于人类或其他动物的营养的所谓的实验室生长肉时使用。来自人类胚胎细胞和人类胚胎的全能细胞被排除。

一些生物，无论是天然菌株还是基因修饰或工程化菌株，能够具有摄取诸如以下项的空气污染物的能力：NO₂(和诸如NO、N₂O₂、N₂O₃、N₂O₅的其他NOx)、SO₂(和诸如S₂O₂、SO、SO₃的其他SOx)、VOC、NH₃或诸如N₂O的除CO₂以外的“温室”气体。如果是这样的话，则能够在在气体腔室中泵送这些气体以然后在液体培养基中被转移。这些气体也可能来自废气。

在这方面，硫氧化生物也能够在所述装置中生长。这些生物进行硫的氧化以产生能量。一些无机形式的还原硫，主要是硫化物(H₂S/HS^-)和元素硫(S₈)，能够被化学无养硫氧化原核生物氧化，通常与氧气(O₂)或硝酸盐(NO₃ ^-)的还原偶联。这些硫氧化剂中的大多数是能够使用还原硫种类作为用于二氧化碳(CO₂)固定的电子供体的自养生物。这种生物能在腔室内部使用含有CO₂和另一含硫气体的气体混合物来生长以将所需硫种类递送到液体培养基中，特别是在膜片可渗透这样的气体的情况下。或者含硫分子能经由喷嘴以气体或液体(水)形式直接添加在液体培养基中。能在腔室中(或通过直接添加)使用的硫的形式包括H₂S或使用诸如NaHS或Na₂S的H₂S供体化合物。相关生物包括贝氏硫菌科(Beggiatoaceae)、硫芽孢杆菌科(Thiobacilliaceae)、硫化叶菌目(Sulfolobales order)(古菌)、硫化叶菌(Sulfoiobus)属、嗜酸两面菌(Acidianus)属、克鲁维氏氢弧菌(Hydrogenovibriocrunogenus)和脱硫棒菌科(Desulfobulbaceae)。相关地，一些厌氧硫氧化生物可以是光合自养生物，它们从太阳光获得能量但是使用还原的硫化合物代替水作为用于光合作用的电子供体。

在一些实施方式中，生物反应器的生物被基因修饰以拥有特定触发器，该特定触发器通过暴露于能够被递送到包括在腔室内的气氛中的气体或汽化兴奋剂来激活。当此兴奋剂被引入到腔室中时，它跨生物反应器的膜片扩散并且被递送到液体培养基中。兴奋剂作为触发器并且诱导生物以如通过基因干预所打算的预定方式起反应。例如，兴奋剂可以诱导特定代谢物的产生或停止产生并且/或者可以改变特定代谢物的产生速率。

关于在腔室内提供富O₂和/或耗尽CO₂的气氛的上述描述适用于所有其他合适的气体，其控制能够被用于各种目的。

能够将气体引入到腔室中以控制包括在生物反应器内的液体培养基的pH值。根据本发明的特定实施方式，气氛内的CO₂和/或氨(NH₃)的浓度可以用于控制液体培养基的pH值。

如上所述，生物可以通过改变它们的生理过程被修饰(或者具有自然能力)以对某些气体的存在与否做出响应，并且能够控制供应给包括在腔室内的气氛的气体混合物以提供或去除这样的气体。

腔室气氛

响应于在生物反应器内的液体培养基内测量的一个或多个参数的变化，和/或响应于包括在生物反应器内的细胞的代谢或其他生理状态，可以控制和调节供应给装置的气体混合物的成分和/或量。例如，包括液体培养基中的pH变化的参数变化可能导致提供影响pH的气体(例如CO₂)的供应。或者，在液体培养基中检测到低O₂浓度可能导致在输入气体中供应增加水平的O₂。可以通过控制装置的辅助系统来进行对液体培养基和/或细胞的状态的监测(参见下文)。

输入气体在其递送到气体腔室之前可能需要被预处理，例如以去除可能对细胞有毒或者可能影响生物反应器或腔室表面的清洁度或透明度的物质。对腔室的气体进料的预处理可以包括诸如高效微粒空气(HEPA)过滤器和/或活性炭过滤器的任何合适的技术或策略，并且能够工作来去除特定空气污染物、挥发性有机化合物(VOC)、各种等级(例如PM1、PM2,5、PM10)的微粒物质、烟灰以及任何其他不合需要或有毒的物质。

根据本发明的特定实施方式，能够在腔室中在与生物反应器中的液体培养基流动的总体方向相反的方向上递送进料气体。以这种方式能够建立逆流布置，其中(由于在液体培养基流过生物反应器系统期间发生消耗O₂的过程)能够使具有最高O₂浓度的进料气体与具有最低溶解O₂浓度的液体培养基接触，并且同样地具有最低CO₂浓度的气体接触具有最高溶解CO₂浓度的液体培养基。这增加气体的浓度差并且所以改进气体转移效率。在另一实施方式中，(由于在液体培养基流过生物反应器系统期间发生消耗CO₂的过程)能够使具有最高CO₂浓度的进料气体与具有最低溶解CO₂浓度的液体培养基接触，并且同样地具有最低O₂浓度的气体接触具有最高溶解O₂浓度的液体培养基。

支撑结构和辅助系统

装置能够包括支撑结构，该支撑结构包括框架、脚手架和/或歧管，它们用来升高和/或支撑腔室内的生物反应器—以及支撑阵列被包括在装置内的一腔室或多个腔室内的多个生物反应器。支撑结构可以同样或可替代地维持腔室它自身的形状和结构，和/或在引导气体气氛围绕包括在腔室内的生物反应器的流动方面。附加地或可替代地，支撑结构可以进一步有助于将装置附着到安装件或其他表面，并且有助于总体上提供装置的稳定性。

在本发明的特定实施方式中，支撑结构能够包括刚性固体材料的挤压件，并且优选地重量轻，如在下面的示例性装置中描述的。支撑结构不需要是透明的，即使在腔室壁的部分或全部是透明的实施方式中也如此，但是它能够并且可以由任何合适的材料制成，所述材料通常是强、轻且无毒的材料，具有高的抗氧化、抗腐蚀、抗极端温度和抗紫外线辐射性。支撑结构能够包括大体上固体的材料，或者能够包括多孔结构以在维持强度的同时降低其重量。

特别地，设想了支撑结构可以用于支撑生物反应器本身，以便帮助它们承受液体培养基和被包括在它们内的细胞的重量。特别地朝向生物反应器的一部分的中间，内容物的重量可能导致包括生物反应器的材料下垂、拉伸或变弱。另外，生物反应器内的液体培养基的堵塞或过度压力可能导致鼓胀，这可能导致包括生物反应器的膜片的昂贵且不便的损坏或破裂。因此，可以使用接触生物反应器的下侧的一个或多个生物反应器支撑结构或支撑组件。

此类生物反应器支撑结构可以包括生物反应器位于其中的翅片、槽或支架，其可以是腔室的下内壁和/或任何其他内壁的突起。生物反应器支撑结构可以是附着到腔室的侧内壁和/或附着到腔室的任何其他内壁的网或一系列绳索、细绳或线缆。生物反应器支撑结构可以有利地是不连续的，即，包括间隙，以使得来自腔室气氛的气体能够接触生物反应器的膜片。合适地，生物反应器支撑结构可以是柔性的，或者通常是刚性或半刚性网孔，所述网孔具有多个穿孔或孔，所述穿孔或孔能够支撑生物反应器，同时仍然允许气体接近生物反应器的膜片以进行有效的气体交换，即使在它接触支撑结构的情况下也如此。实际上，设想了在一些布置中生物反应器支撑结构不仅可以接触生物反应器的下侧，而且也可以接触侧面和顶部。这也可以有助于防止生物反应器的鼓胀(径向膨胀)，从而保护免于爆裂。在一些实施方式中，生物反应器支撑结构包括大体上围绕生物反应器的至少一部分的横截面圆周的柔性、半刚性或刚性网孔。在其他实施方式中，网孔围绕生物反应器的整个横截面圆周以防止生物反应器的鼓胀(径向膨胀)从而保护免于破裂，并且以控制生物反应器的横截面形状(例如，当生物反应器呈管状形状时控制直径)。网孔可以包封细长生物反应器的全部或一部分。网孔内的孔或孔径的密度可以取决于位置和对支撑的需要而变化。例如，在生物反应器的下侧周围的网孔可以具有更小、更少和/或更宽地隔开的孔以提供更多支撑，然而在生物反应器的顶部周围的网孔可以具有更大、更多和/或更紧密地隔开的孔以有助于气体接入到生物反应器。能够以任何合适的方式制成网孔，它可以由连接的股线、细绳、电线或线缆制成；它可以由带孔或其他穿孔的片材制成，或者由机织或针织织物制成。网孔可以是任何合适的材料，例如塑料聚合物，通常是含有UV稳定剂的塑料聚合物。网孔可以具有任何合适的厚度，它可以不小于0.1mm且不超过3mm厚，通常是1mm以下厚。网孔的孔可以具有任何形状和尺寸，它们可以不小于0.1mm且不超过10cm宽，合适地不超过10mm、不超过5mm，通常不超过3mm。

这些支撑件也可以有利地允许生物反应器悬挂在腔室的下内壁上方，这能够允许来自腔室气氛的气体进入生物反应器膜片的部分而不是在顶部暴露的部分，并且也能够允许多个生物反应器的垂直布置(或“堆叠”)被布置在同一腔室中。合适地，可以将支撑组件布置为被布置为支撑生物反应器的三维阵列的一系列搁板或电枢。可以为所讨论的任何支撑结构的搁板能够被布置在水平和/或垂直、平行和/或反平行阵列中。

支撑结构也可以存在于生物反应器的内部上以提供、支撑或维持生物反应器的形状，或者可以被包括在生物反应器本身的膜片内。特别地，膜片可以是包括内部薄膜、网孔、肋或其他结构以帮助生物反应器维持形状和强度同时保存充足的气体渗透率的复合材料。此类复合材料能用共挤出制造技术生产。

合适地，支撑结构能够包括：塑料，诸如生物塑料、热塑性塑料、热固性聚合物、无定形塑料、结晶塑料；合成聚合物，诸如丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚酯、聚氨酯、碳纤维复合材料、凯夫拉复合材料、碳纤维和凯夫拉复合材料或玻璃纤维；金属或金属合金，诸如钢、低碳钢、不锈钢、铝或钛；天然材料，诸如木材或涂层木材；或碳基材料，诸如石墨烯、碳纳米管或石墨。

装置的生物反应器可以连接到辅助系统，该辅助系统控制所使用的气体和/或液体培养基的供应和条件。取决于装置的应用，辅助系统可以具有任何程度的复杂性并且由任何种类的辅助部件组成。

在本发明的合适的实施方式中，装置连接到主要由用于气体和用于液体培养基的导管、水箱、气体罐或金属罐、用于气体和液体培养基的泵、阀、生物质分离器、人工照明系统(尤其是在不存在自然光的情况下)、水温控制系统、传感器和计算机组成的辅助系统。辅助系统的一个部件、多个部件或所有部件能够被设置在腔室内部或外部。辅助系统的不同特征不必被全部包括在一起，而是可以总体上分散在系统的不同部分中。例如，用于营养物的生物质分离器、气体出口和/或入口可以被包括在个别生物反应器之间的连接器中。

导管和储液器(水箱)可以是任何类型和任何合适的材料的。

泵也可以是任何类型的；通常液体泵是蠕动泵，由于蠕动管是与液体培养基接触的唯一部件，所述蠕动泵能够降低液体培养基的污染风险和所使用的细胞的破裂。在一些实施方式中能够使用隔膜泵(也称为膜片泵)。膜片泵与液体培养基产生相对较小的摩擦，所以可能在减少细胞破裂和污染风险方面具有优势。在一些其他实施方式中，能够使用螺杆泵、螺杆抽油泵和齿轮泵。螺杆抽油泵与液体培养基产生相对较小的摩擦，所以可能在减少细胞破裂方面具有优势同时能够以高流速率泵送液体。

生物质分离器可以是技术人员已知的任何类型；合适地生物质分离器是离心式生物分离器、包括小孔径网孔、筛子和/或微米过滤/纳米过滤装置和/或沉降装置和/或澄清过程的过滤系统。多个生物质分离装置能够被串联安装，例如初始澄清过程或微米过滤装置后面有离心机。

液体培养基温度控制可以是技术人员已知的任何类型；通常，液体培养基温度是通过控制腔室内的气体气氛的温度来控制的。腔室内的气体气氛的温度能够由任何合适的部件加热和/或冷却；通常，它由腔室内的空调单元冷却或者通过入口和出口连接到腔室。在其他实施方式中，液体培养基温度控制包括加热或冷却部件，所述加热或冷却部件可以被合适地安装在导管的部分周围或内部、在生物反应器部分周围、在腔室的气体入口之前和/或在储液器周围或内部。红外光透射到透明或半透明导管上也可以是加热液体培养基的方式。加热部件可以是任何类型，并且合适地能够包括热交换机构。通过生理过程或高环境温度产生的来自液体培养基的过量热可以用于出于家庭或工业目的加热水，或来自诸如排水、雨水、污水和/或灰水等的来源的水可以用于去除过量热。同样地，必要时可以使用从家庭或工业来源产生的热或冷来加热或冷却液体培养基。在一些实施方式中，热可以由将电流转换成热的电加热器产生。在一些其他实施方式中，加热和/或冷却部件可以是任何合适的类型的热交换装置，诸如液体与气体之间的热交换器、两种液体之间的热交换器、两种气体之间的热交换器、空调单元(AC)、双管热交换器或板式热交换器。在气体混合物到达在腔室中之前，腔室内的气氛的空气调节在腔室内或在辅助系统的位置中进行。在液体培养基到达在生物反应器中之前，两种液体之间的热交换在辅助系统的位置中合适地进行。

能够使用包括技术人员已知的任何人造光源类型的人造照明系统，合适地照明系统包括LED，通常人造光源被设计和/或控制以发出与包含在装置中的任何光合微生物的光合活性辐射(PAR)需要相对应的特定波长的电磁辐射(光)和/或以促进特定生物活性，从而增加生物质中的特定产物的生产，例如通过使用发出特定波长的LED。例如，基于LED的光源能够发出介于大约620nm与750nm之间的波长(红光)以促进主要吸收红光的色素例如色素藻蓝蛋白的一些生物的生产。人造照明系统可以被包括在包括LED或光纤的阵列或条带的支撑结构内。由照明系统发出的光的强度和质量能被自动地控制(遵循来自任何种类的传感器例如PAR传感器、湿度传感器、温度传感器、化学传感器、pH传感器等的输入)以促进特定微生物生理活动和/或对环境变化做出响应和/或增加或修改生物质生产。类似地能够出于类似原因自动地控制通过如上面所讨论的“可切换”或“智能玻璃”材料的光透射(自然光或人造光)的量。

在一些实施方式中，人造照明系统可以提供能够用于对本发明的生物反应器和/或腔室的部分或全部进行灭菌或消毒的光波长。这能够作为或补充如在下面所讨论的清洁、消毒或灭菌过程。特别地，此类照明系统可以产生能够杀死或损坏细菌和其他不想要的污染物生物的紫外线(UV)辐射。合适地，UV辐射是短波长UV，有时称作UVC。此类系统中的UV辐射源通常可以是UV灯，合适地是产生UV的LED。UV辐射的波长可以包括介于260nm与270nm之间的波长。合适地，可以排除或阻挡约254nm以下的波长以减少臭氧的产生。在一些应用中，臭氧产生可能是期望的，以获得其附加消毒性能，并且可以选取UV辐射的波长以鼓励这个。

由于UV辐射可能对人类有害，特别是对皮肤和眼睛有害，所以能够合适地在腔室的壁是大体上不透明的或至少不能透过所使用的UV波长的实施方式中此类UV消毒系统。或者，在激活UV消毒系统之前，腔室能够用这样的不透明或不能透过UV的层覆盖或涂布。附加地，由于UV辐射可能老化或损坏许多类型的材料，诸如若干聚合物，所以可以在激活UV系统之前从腔室中去除任何易损材料(其可以包括生物反应器)，或者可以布置系统或装置以便保护易损材料免受UV辐射。

根据本发明的一个特定实施方式，当包括在生物反应器内的液体培养基中的生物质浓度达到期望水平时，三通阀将流引导到生物质分离器中，所述生物质分离器使生物质的至少一部分与液体培养基分离，经隔离后的生物质继续前进到容器中以进行附加处理，同时液体培养基被引导回到储液器中。可能有必要在将液体培养基返回给生物反应器之前使其再生。在一些情况下液体培养基将包含由培养生物产生的代谢物；可能需要破坏这些代谢物以维持最佳生长速率，因为在许多情况下，此类代谢物的过量存在引起生长下降。此类代谢物能够利用过滤系统、UV处理和/或化学处理来去除。或者，能够丢弃从生物质分离过程过滤的液体培养基。在阀再次改变进入储液器中的流动路径之前，能够周期性地并在预定时间段内执行将流引导到生物质分离器中的此动作。能够相对于每个应用、所用微生物、周围环境和装置的物理位置优化此定时。在代替二元开关的另一实施方式中，阀能够改变通道的孔径，从而控制被递送到生物质分离过程的液体培养基的流动速率和量。

能够在系统中将营养物周期性地直接引入到储液器中。能够类似地引入液体培养基或清洁流体中的水和/或微生物。

能够利用所有种类的其他系统部件，作为实例能够在系统中放置可控压力阀或压力调节器，在此实例中压力阀能够通过液体或气体压力变化的影响来控制装置的体积变化。一些阀能够控制进入单元中的流动速率。

如果需要，能够在主生物反应器供应导管中任选地引入补充空气和/或富含O₂和/或其他气体的空气。通风口能够被安装在导管中以去除例如在系统的安装期间已意外地进入液压系统的气体，并且通常位于系统的最高位置中以促进不合需要的气体的排出。

包括透明/半透明导电材料和/或任何其他导电材料的传感器能够被设置在腔室的任何表面上(在腔室内部或外部)以监测诸如辐照水平、温度、湿度或其他环境状况的状况。这些传感器或类似传感器在位于腔室内部的情况下，可以用于检测腔室中的气体浓度水平、湿度和/或温度。

本发明的实施方式和/或辅助系统能够包括嵌入式传感器，这些嵌入式传感器能够例如用于监测液体培养基和/或气氛中的诸如CO₂浓度和/或O₂浓度的化学浓度；和/或用于监测温度以及诸如毒性水平的其他环境和生物参数，和/或用于监测生物质浓度和/或总细胞密度和/或活细胞密度和/或液体培养基中的微生物的活性。

传感器能够被完全地或部分地嵌入在生物反应器或腔室中，在罐或导管的辅助系统中、和/或在控制或支撑结构中和/或附着到外部层的内部或外部或者在内部附加组件的表面上。

传感器能够允许监测装置的生物反应器内部的环境，以便使得能够控制包括包括但不限于以下项的参数：液体培养基流动速率、液体培养基质量、营养水平、温度、生物质提取速率、气体混合物、气体流动速率、气体腔室压力和照明强度(和/或诸如“智能玻璃”提供的光屏蔽)。这种控制的目的是为了优化包含在装置内的细胞的代谢效率，和/或为了刺激特定代谢/微生物活动并且因此为了优化生物质的生产效率和/或修改其成分。

类似地，传感器能够允许监测装置的腔室内部的环境，以便使得能够控制包括但不限于气体流动速率、质量、成分、温度、光学透明度和湿度的参数。

清洁和灭菌

能够启动清洁程序以对生物反应器单元和/或导管和/或水箱和/或所有辅助系统和/或腔室进行清洁和/或灭菌。当有必要冲洗系统、收集系统中的所有生物质或者为了临时关闭时进行清洁。“清洁流体”能够由技术人员已知的任何化合物制成。它可以包括过氧化氢、乙醇、水、盐水、洗涤剂、漂白剂、表面活性剂、碱，它可以是来自Steris的CIP100或CIP150或任何其他合适的清洁组合物。清洁流体能够通过系统的任何点中的特定导管(入口)进入系统并且能够在系统的任何点(出口)退出以允许视需要而定仅在特定位置中清洁，而不是清洁整个系统。通常，像CIP100一样的清洁液体被加热到期望温度，通常超过30℃，并且在确定的时间段内维持湍流。清洁流体在性质上也可以是气体的并且能够包括合适地以高于120℃的温度供应的蒸汽、加热的空气或水蒸汽。

灭菌程序目的旨在破坏和去除系统内的任何和所有生物，以获得永久关闭、去污。此方法可以包括将例如过氧化氢的蒸气或低温干蒸汽的流体泵送到系统中。灭菌也可以包括使用电磁辐射，通常是UV辐射，以对如上面所讨论的本发明的部件中的任一个进行消毒。过氧化氢干蒸汽的优点是它不需要高压力进行有效灭菌。当有必要使诸如蒸气的灭菌流体加压以进行有效灭菌时，可能建议首先使腔室气氛加压，随后使生物反应器的内部加压，以便避免生物反应器的损坏或爆裂。

在一些实施方式(如图18所示)中，可以在系统的清洁、灭菌、启动、接种、液体培养基去除、生物质收获和/或生长培养基引入程序期间使用一系列阀(140、141、142)、排放出口(145)和辅助入口(146)。例如为了用新灭菌溶液补充先前用于清洁生物反应器的污染清洁液体，将关闭中央阀(141)，其他两个阀(140、142)将打开并且泵(72)将继续运行以允许从排放出口(145)排放污染清洁液体并且允许在系统中从辅助入口(146)引入新的新鲜灭菌溶液。

生物质收集

本发明的一些实施方式的优点是能够在单元内连续地产生并且能够在连续基础上收获生物质。

能够从本发明的一些实施方式收集的生物质取决于本发明的装置的设置和条件、包括在生物反应器内的细胞、本发明的用户的期望以及生物质的分离和处理的性质而变化。能够在各种实施方式中从本发明收集的生物质的一般类型能够包括但不限于：细胞的代谢产物；分泌的蛋白质和其他细胞产物；光合作用、需氧呼吸和/或无氧呼吸的产物；包括细胞器、细胞膜、细胞壁的细胞内容物；包括多糖如淀粉和纤维素、脂肪、磷脂、蛋白质、糖蛋白、糖脂和/或核酸的大分子；诸如单糖、二糖和/或寡糖的碳水化合物；脂肪酸和/或甘油；包括单细胞生物或完整多细胞生物或其部分的细胞、团块和/或集落的完整生物。

通过本发明的实施方式产生的生物质的应用能够包括：食物；用于动物、植物或任何生物的饲料；适合于水生动物或其他生物的饲料；药品；化妆品；燃料；生化品；油；用于矿物油和矿物油产物的替代品；制造油；和疫苗。

生物质积聚在生物反应器内的液体培养基中。能够直接从液体培养基收获生物质。生物质主要在液体培养基通过生物反应器行进期间形成在系统中，因为这是它花费最多时间的地方，并且被供应有O₂。为了释放生物质，液体培养基经由一个或多个入口进入装置，通过一个或多个通道，并且经由一个或多个出口与在流动中承载的生物质一起离开装置。出口能够连接到合适的容器以便接收所收获的生物质。

本发明的特定优点是由于使液体培养基连续地循环通过系统的能力而在连续、半连续或分批基础上收获产物的能力。例如当达到特定细胞密度时可能发生收获，所述特定细胞密度能够用克/升表达，诸如至少约1g/l、至少约2g/l、约5g/l、约10g/l、约20g/l、约30g/l、约50g/l、约75g/l或至少约100g/l。例如，如果在流过生物反应器之后通过辅助系统的一定百分比的液体培养基被不断地收获，并且液体培养基被添加到系统以替换它，则能够实现连续收获。取决于所培养的生物、生物反应器系统的体积以及液体培养基流过整个系统所花费的时间，能够收获任何合适的量。例如100％的液体培养基能够由辅助系统收获，或者收获能够在液体培养基流出生物反应器时取得不超过90％、不超过70％、50％、30％、20％、10％、5％、1％或不超过0.5％的液体培养基。

或者，能够在半连续基础上间歇性地收获生物质。例如，能够在每小时、每天或每周基础上频繁地从本发明的装置收获一定百分比的生物质。例如，收获可以每周、每天、每12、6、4或2小时或每小时进行。能够通过添加液体培养基(有或没有附加生物)和附加营养物来替换所收获的体积。收获可以是规则的，在设定时间段之后，或者能够通过达到某个生物密度或生物质浓度或预定产物浓度来触发。如上，所取得的量能够基于生物和系统适当地变化。例如半连续操作期间的收获能够在液体培养基流出生物反应器时取得不超过98％、不超过95％、90％、70％、50％、30％、20％、10％、5％、1％或不超过0.5％的液体培养基。

此类连续或半连续方法具有生物质的可预测和连续生产的好处，不需要在收获之后将新或附加生物引入到生物反应器中，并且与在标准发酵罐情况下更常见的分批过程对比，能够允许减少产物的可变性。在发酵罐设置中，污染风险意味着连续过程很少是合适的。

然而也能够使用分批过程，并且分批过程将涉及在设定时间已过去或者已达到生物或生物质或产物的设定密度之后一次收获液体培养基的全部体积。这可能涉及排空整个系统和/或用替换流体冲洗它。此方法能够与任何连续或半连续方法相结合地使用，例如当需要清洁系统或替换培养生物时。

在一些实施方式(如图18所示)中，可以在系统的清洁、灭菌、启动、接种、液体培养基去除、生物质收获和/或生长培养基引入程序期间使用一系列阀(140、141、142)、排放出口(145)和辅助入口(146)。例如为了补充由生物消耗的生长培养基并且为了同时从系统中去除液体培养基，将关闭中央阀(141)，其他两个阀(140、142)将打开并且泵(72)将继续运行以允许从排放出口(145)排放液体培养基并且允许在系统中从辅助入口(146)引入具有生长培养基的新液体培养基。

应用

本发明的装置能够被用于许多应用，主要是生物质生产，但是也用于二氧化碳生产、氮氧化物或其他气体的隔离，或在需要去除污染物的地方，或在需要废水处理的地方，或甚至用于诸如城市家具或功能艺术装置的美学或装饰应用。因此能够在诸如仓库、啤酒厂、工业建筑等的位置处使用装置。类似地，装置能够与诸如轮船、飞机、汽车、卡车和其他道路车辆的交通工具相结合地使用。能够在室内和/或在室外使用装置。在一些实施方式中，本发明的装置能够为目的旨在供应增加的二氧化碳以支持光合自养生物的生长的装置例如如WO2017/093744和WO2018/100400中描述的透气膜片生物反应器提供二氧化碳。

适合于本发明的装置的应用可以是任何室内和/或室外建筑应用，包括但不限于作为建筑立面、屋顶、遮阳篷、遮阳帘、窗户和/或室内天花板、室内墙壁或室内地板的一部分。本发明也能够向这些建筑提供热绝缘。

本发明的装置的附加合适的应用可以是集约化生物质生产应用，包括但不限于主要使用自然光源的户外集约化生物质生产工厂、室内集约化生物质生产工厂，诸如在温室中。生物质能够包含食品配料和/或添加剂和/或能够被用作供人类或动物消耗或用于植物或其他施肥目的的蛋白质来源。本发明的装置的进一步合适的应用能够与包括但不限于以下项的基础设施一起：城市基础设施、高速公路、桥梁、工业基础设施、冷却塔、高速公路、地下基础设施、交通声屏障、筒仓、水塔或机库。

图

图1A是示出根据本发明的实施方式的装置(100)的横截面(参见图7a的部分A)的图，所述装置包括线性生物反应器(60)，所述线性生物反应器包括位于相对侧的至少一个入口(3)和出口(4)以及至少一个外层(5、6)，其部分或全部可渗透气体，以及包含包括在生物反应器内的至少一个细胞(12)的液体培养基。生物反应器在大体上所有侧都被气氛(1)围绕，所述气氛由其在腔室(50)内的外壳限定，所述腔室包括壁(2)、入口(7)和出口(8)。腔室(50)和腔室壁(2)使气氛(1)与外部大气(9)分离。在一些实施方式中腔室还包括用于从气氛(1)中去除气体的腔室阀(22)。示出了从气氛(1)到生物反应器内容物(12)的气体潜在转移(10)以及从生物反应器内容物到气氛(1)的气体潜在转移(11)。

图1B是类似装置的图，其中生物反应器的入口和出口是可以被夹住到生物反应器的连接器。生物反应器呈管形状。通过管道系统(3’、4’)例如从辅助系统向生物反应器供应液体培养基。空气入口(7)引入已被酌情冷却或加热并过滤的大气空气。在此布置中，氧气被示出为传到生物反应器中，并且二氧化碳和水蒸汽传出。

图2示出了根据本发明的另一实施方式的布置的横截面(参见图7B的部分A)，其中两个生物反应器(60)直接串联连接，使得它们的液体培养基(12)流体连通，并且生物反应器被包含在单个腔室(50)内。在一些实施方式中可以在单个腔室内连接更多的生物反应器。

图3a和图3b示出了根据本发明的另一实施方式的布置的横截面，其中两个生物反应器(60)直接串联连接，其中每个生物反应器(60)被包含在腔室(50)内。腔室(50)的气氛(1)通过腔室壁(2)中的孔径(23)彼此流体连通。生物反应器可以经由导管(24)连接。

图4示出了根据本发明的另一实施方式的布置的横截面，其中五对生物反应器串联连接，其中每一连续对被布置为在与先前对的反平行方向上运行。生物反应器通过连接器或导管(24)连接，这些连接器或导管能够简单地将生物反应器对的一个成员连接到下一个成员，或者能够通过使用弯曲的连接器或导管连接两个对，从而允许设置反平行流动方向。这些连接器中的一些或全部能够包含可以为自动的阀(29)，并且可以例如是电磁阀或膜片阀，以在期望时防止液体培养基的流动。

图5示出了根据本发明的另一实施方式的布置的横截面，其中五对生物反应器(60)并联连接。向生物反应器供应液体培养基并且从生物反应器回收液体培养基的管道系统分开并且用连接器连接到生物反应器的端部。图4和图5所示的视图可以是水平地或垂直地截取的横截面，也就是说，多个生物反应器对能够分别在水平平面中彼此挨着布置，或者在垂直平面中布置在彼此之上。

图6A和图6B示出了可以在本发明的一些实施方式中使用的生物反应器的布置的透视图。6A中的生物反应器串联布置，其中生物反应器成对布置，同时每个连续对被布置为在与前一对的反平行方向上运行。使用多个层，使得生物反应器被布置在三维空间中。在图6B中，流路被拆分成5个平行流，它们流入不同的生物反应器对。然而这些流路也包括串联布置的多对生物反应器，再次其中每个连续对被布置为在与前一对的反平行方向上运行。

图6C示出了能够以任何合适的方式连接的生物反应器的三维阵列的另一透视图。

图6D示出了包括在腔室(50)内的生物反应器(60)的三维阵列的横截面，其中标记了邻近生物反应器之间的水平距离(110)和垂直距离(111)、生物反应器阵列的宽度(112)和高度(113)、以及生物反应器阵列的最外部分与腔室它自身之间的距离(114)。

图7A和图7B通过根据本发明的一些实施方式的装置的表示来示出平面截面A和B。

图8A和图8B示出了可以被包括在根据本发明的一些实施方式的系统的任何和所有连接器或导管内的附加任选特征。图8A示出了导管(24)可以具有可以用于去除生物反应器系统内的任何不需要的气体的一个或多个通风口(124)。通风口也可以用于例如在维护期间或在系统的全部或部分的排空期间允许气体进入生物反应器。图8B示出了导管可以具有用于引入连续或间歇供应的葡萄糖、营养物和/或任何其他种类的液体或气体混合物的一个或多个入口(121)。入口能够通过供应管线(123)从可以在腔室(50)外部起源的源(122)供应。

图9示出了本发明的一个实施方式(包括在一个或多个腔室(50)内的如本文描述的根据本发明的一个或多个生物反应器(60)的任何实施方式)的合适的系统(70)。储液器(71)中包括细胞的液体培养基(12)由泵(72)通过入口(3)输送到生物反应器中。一个或多个生物反应器(60)被包封在腔室(50)内，所述腔室也包封由通过入口(7)和出口(8)的气体移动来控制的气氛(1)。液体培养基通过一个或多个生物反应器，同时生物反应器中的液体培养基与气氛(1)之间的气体转移通过大体上如例如图1A所示的单元的膜片层而发生。液体通过出口(4)离开装置并到达三通阀(74)，所述三通阀将液体培养基引导回到储液器(71)中，从而关闭回路。储液器(71)中的传感器(75)测量培养参数的值并且将输出发送到计算机，所述计算机然后控制辅助系统的诸如泵、阀、人造光系统(若使用的话)、温度控制系统和生物质分离器的部件的操作。计算机也控制通过入口(7)到腔室气氛(1)的气体供应和通过出口(8)的气体去除。

当液体培养基中的生物质浓度达到期望水平时，三通阀(74)将流引导到生物质分离器系统(76)中，所述生物质分离器系统使生物质与液体培养基的部分分离，经隔离的生物质继续进入到容器(77)以进行附加处理，同时液体培养基被引导回到储液器(71)中。在阀(74)再次改变进入储液器(71)中的流动路径之前，能够周期性地并在预定时间段内执行将流引导到生物质分离器中的此动作。能够相对于每个应用、所用微生物、周围环境和装置的位置优化此定时。或者，三通阀(74)能够调节到储液器(71)和生物质分离系统(76)的流以使得能实现生物质的连续收获，同时允许动态地控制在给定时间从系统中去除的生物质的量。例如阀(74)能够递送通过阀向生物质分离系统(76)传递的所有液体培养基的0％与100％之间。

能够在系统中将营养物周期性地直接插入(78)到储液器(71)中。能够类似地引入液体培养基中的水和/或细胞或清洁流体。

能够利用所有种类的其他系统部件，作为实例能够在系统中放置可控压力阀或压力调节器(79)，在此实例中压力阀能够通过液体压力变化的影响来控制装置的体积变化。一些阀(82)能够控制进入单元中的流动速率。

除了向腔室供应的气体之外，如果需要，还能够在主导管中任选地引入(81)补充空气和/或富含氧气和/或其他气体的空气。通风口能够被安装在导管中以去除例如在系统的安装期间可能意外地进入液压系统的气体，并且通常位于系统的最高位置中以促进不合需要的气体的排出。

能够启动清洁程序以对单元和/或导管和/或水箱和/或所有辅助系统和/或气体腔室进行清洁和/或灭菌。能够通过使用蒸气或加热的空气或水蒸汽作为清洁介质来执行清洁程序。“清洁流体”能够由技术人员已知的任何化合物制成。它可以包括乙醇、水、过氧化氢(H₂O₂)、盐水、洗涤剂、漂白剂、表面活性剂、碱或任何其他合适的清洁组合物。清洁液体能够通过系统的任何点中的特定导管进入系统并且能够在系统的任何点退出以允许视需要而定仅在特定位置中清洁，而不是清洁整个系统。

图10至图13示出了腔室组件可以包括支撑结构(90)，所述支撑结构可以包括金属结构和/或塑料结构，例如挤压结构，其在两侧线性地(遵循期望的生物反应器阵列)延伸。该结构可以充当用于膜片生物反应器的结构支撑件，特别是上表面和底表面。该结构可以包括外壳机构或配件(91、92、93)以在生物反应器(91)中将腔室的上壁(92)和腔室的下壁(93)固定和/或保持在适当的位置。模块上的端部能够由其他支撑结构元件包封以便创建封闭腔室。尤其在包括多个腔室的阵列的实施方式中，结构的壁(参见图12)可以包括孔(95)，这些孔使得气体能够从一个腔室部分行进到另一腔室部分。这些结构可以直接保持生物反应器或者可以连接到另外的生物反应器支撑结构(96)，诸如保持生物反应器的绳索或网孔。图11和图13示出了跨生物反应器和腔室的横截面(参见例如图7a的部分B)，并且具有并排定位的多个生物反应器，例如如图3或图4中看到的那样。

图13示出了本发明的被适配为防止在设备的水平表面上收集水或其他物质如此减少光干扰的实施方式。在此附图中，腔室的上壁具有倒圆凸形状，使得水或其他物质从此表面流掉。上壁可以是刚性的，并且凭它自己的强度保持其凸形状，或者它可以是柔性的，并且凭充气即腔室内部高于外部的压力维持其凸形状。此类实施方式的另一优点是鼓励在上壁内部上的冷凝物从生物反应器正上方的位置跑开。

图14a和图14b示出了可以将生物反应器(60)保持在搁板的阵列中的支撑结构的替代实施例。在图14a中，生物反应器的三维阵列被悬挂在如图所示包括支撑结构(90)的多个搁板上，其中生物反应器支撑结构(96)悬挂生物反应器本身。图14b示出了替代实施方式，其中生物反应器的阵列由包括由多个支架制成的搁板的支撑结构(90)悬挂，再次其中生物反应器由生物反应器支撑结构(96)悬挂。图14c示出了生物反应器支撑结构(96)可以是保持网孔(96)，其可以被穿孔以允许气体接触生物反应器，并且可以大体上围绕生物反应器的整个圆周。图14d示出了被布置为多个搁板并且将多个生物反应器(60)支撑在生物反应器支撑结构(96)上的支撑结构(90)的侧视图。

本发明的示例性构造如下，适合于在完全异养模式下生长小球藻以用于生产高蛋白质含量的生物质。在尺寸为大约250m乘150m的大型仓库中，包括有包含由遮蔽光以便在腔室内部具有大体上黑暗的环境的材料构造的充气隧道的许多腔室。每个腔室是大约100m长、10m宽和3m高。

在每个腔室内部设有多个生物反应器阵列，每个生物反应器阵列包括限定流动回路的多个管状生物反应器。每个管阵列被安装在将管支撑在若干垂直水平面上的搁板单元上。每个搁板单元是大约70cm宽、2.5m高和90m长。在每个搁板单元之间留下大约70cm的间隙以便使得能实现维护和通风。七个搁板并排布置在每个腔室中。为了维护的容易，在最外搁板与每个端部处的腔室壁之间留下大约5m的空间。

每个管生物反应器隔间的直径为大约30mm，并且包括50μm厚的聚硅氧烷膜片。每个生物反应器管的长度为大约5m，并且在每个阵列中，18个生物反应器用线性连接器串联连接，然后使用弯曲的连接器将生物反应器连接到相邻行中的后续生物反应器。每个生物反应器阵列具有16邻近行的生物反应器。另外，在每行的生物反应器的末端，使用连接器来垂直地连接到相邻堆叠中的生物反应器。在每个生物反应器阵列中存在28个堆叠。通过每个生物反应器阵列的行和堆叠的布置和流动方向与图6A所示的类似。每个生物反应器在所有侧被网孔围绕以提供支撑并维持结构完整性。支架通过固定到每个管所坐于的搁板单元被进一步支撑，并且也包括网孔结构以允许腔室气氛的气体进入生物反应器膜片。

在每个腔室的一个端部，存在连接到过滤系统的至少一个空气入口和将外部大气空气引导到腔室中的叶轮，其中此入口空气被维持在17℃左右。在隧道的相对端存在空气净化器(出口)。与腔室周围的大气相比叶轮在腔室内部产生正压力，从而维持腔室隧道的充气。腔室隧道也以任何合适的方式附着到仓库的天花板以防止在叶轮故障情况下倒塌。

生物反应器隔室串联连接并且被连接器部分分离。某些连接器包括访问端口以允许在必要时引入葡萄糖和其他营养物。连接器也可以包括静态螺旋混合器。用于去除生物反应器本身内不需要的气体的通风口位于系统中的最高升高点上并且合适地位于链接在不同方向上流动的生物反应器的连接器上。

辅助系统被安装和连接到生物反应器阵列并且包括用于使液体培养基流过生物反应器的泵、用于清洁液体体培养基的储液器以及用于使生物质与液体培养基分离、用于插入要培养的生物的初始接种、用于引入清洁流体、用于引入灭菌装置并且用于监控系统的状态的装置。

小球藻被接种到生物反应器系统中并且生长至10-15g/l细胞密度。在每个生长期(通常每12至24小时)结束时，系统中介于80％与90％之间的生物质被收获并且滤液再生和循环。所收获的生物质被取到生物质容器中以供进一步处理。

相关实施方式包括位于每个搁板单元之间以便递送间歇性光并且刺激诸如小球藻或Galdieria sp的混合营养微生物的混合营养生长的照明系统。许多真核微藻能够混合营养生长并且能够完全光合地或完全异养地或通过使用这些方法的组合生长。小球藻是显著的实例。

在另一实施方式中不包括单独的腔室，而是仓库它自身表示单个大腔室。再次，气体通常为大气空气被引入到此腔室中；合适地在经HEPA过滤器过滤之后。在所用生物是完全异养的并且光不会诱导光养模式的情况下，或者当生物是专性混合营养模式并且存在于仓库中的光足以实现生长时，特别设想了这个。因此，可以提供窗以允许光进入，并且在一些情况下，腔室可以是大体上完全透明的，诸如温室。

实施例

实施例1

构建实验设备以演示根据本发明的实施方式的系统。特别地，该设备演示了它能够生长异养、化能异养和/或混合营养生物(其被包含在本文描述的类型的生物反应器内部的液体培养基中)并且控制包含本文描述的类型的生物反应器的腔室的气体气氛的温度导致包含在生物反应器中的液体或凝胶的温度的控制。这进一步表明通过生物反应器的膜片层发生高效的O₂和CO₂气体转移以使得能够在由生物反应器包含的液体培养基中生长异养、化能异养和/或混合营养生物。此外，它也表明生物反应器的膜片层的壁厚度通过与周围气体大气接触使得能实现高效的热传递。

设置由图18中的简化简图表示。此设置定义根据本发明的一个实施方式的系统。参考图18，此简图所示的大多数特征与图9中找到的特征相同。另外，示出了：出口(143)，其用于从设备(70)中提取液体培养基以进行其采样和分析或者以用于收集生物质；如本文描述的根据本发明的一系列细长生物反应器(60)，其呈管形状并且在每个生物反应器部分的端部附近具有端部加强部(144)；导管和连接器(24)，其将生物反应器部分彼此连接并连接到入口(3)和出口(4)；在系统的清洁、灭菌、启动和接种程序期间使用的一系列阀(140、141、142)、排放出口(145)和辅助入口(146)。例如为了用新灭菌溶液补充先前用于清洁生物反应器的脏清洁液体，将关闭中央阀(141)，其他两个阀(140、142)将打开并且泵(72)将继续运行以允许从排放出口(145)排放脏清洁液体并且允许在系统中从辅助入口(146)引入新灭菌溶液。另一实施例是为了补充由生物消耗的生长培养基并且为了同时从系统中去除液体培养基，将关闭中央阀(141)，其他两个阀(140、142)将打开并且泵(72)将继续运行以允许从排放出口(145)排放液体培养基并且允许在系统中从辅助入口(146)引入具有生长培养基的新液体培养基。

生物反应器由如图18所示彼此串联连接的12个膜片软管部分制成。每个软管部分由200μm厚、氧气(O₂)的渗透率系数(ISO 15105-1)等于大约400巴勒、二氧化碳(CO₂)的渗透率系数等于大约2100巴勒、氮气(N₂)的渗透率系数等于大约200巴勒、氢气(H₂)的渗透率系数等于大约550并且水蒸汽(H₂O)的渗透率系数等于大约30000巴勒的单个聚硅氧烷膜片层构造。每个软管部分由如通过图16B中的软管的横截面所示的那样使用VVB adt-x硅酮粘合剂折叠在它自身上并密封到它自身并且热压以产生连续软管生物反应器部分的单个膜片层构造。每个膜片软管部分完全被细透明网孔包封以将软管的直径控制为大约4.0cm，并且它坐在腔室(50)的平坦底面上。

生物反应器被用包含生长培养基、葡萄糖和普通小球藻(Chlorella vulgaris)(UTEX 259)的液体培养基填充至其正常工作容量。已知普通小球藻为能够使用多种营养模式来生长的混合营养菌：在不存在光且存在像葡萄糖一样的有机碳源的情况下生长(换句话说，化能异养地生长)；或者在存在光和CO₂且不存在有机碳源的情况下生长(换句话说，光合自养地生长)；或者在其他异养或光养模式下生长。对于此特定案例研究，普通小球藻在整个实验持续时间期间并且在液体培养基中存在葡萄糖的情况下在完全黑暗中生长。系统是气密的，因此生物反应器内的液体培养基与周围腔室内的大气之间的气体交换仅通过生物反应器(60)的聚硅氧烷膜片层发生。气体能够经由阀(7、8)从腔室引入或排出以控制腔室中的气体气氛的压力、湿度和气体混合物。

腔室(50)由在用大约200μm厚的透明ETFE层上釉的上部表面上有开口窗的钢底盘(箱)构造。在实验期间，因为膜片软管部分是透明的，所以开口窗完全被铝面板覆盖以使腔室的内部变得完全黑暗。腔室被设计为容纳用于此案例研究的一些传感器：

1.两个温度传感器(来自IFM的PT100)，

2.湿度传感器(来自IFM的LDH100)，

3.带陶瓷测量元件的压力变送器(IFM PA9028)。

储液器(71)被设计来容纳传感器(75)。用于本案例研究的传感器(75)是：

1.pH传感器(来自Hamilton的“EASYFERM PLUS PHI ARC 120”)，

2.浊度传感器(来自Hamilton的“DENCYTEE UNIT 120”)，

3.温度传感器(IFM TM4431 PT100)，

4.带陶瓷测量元件的压力变送器(IFM PA9026)。

通过控制腔室内的气体气氛的温度，液体培养基温度被维持在28℃(其中使用PID控制来使变化保持在+-0.2℃振荡范围内)。腔室内的空气气氛被安装在腔室内的空气加热器装置加热至期望温度，所述空气加热器装置不得不克服腔室中吹入的空气的温度(其是21℃)和腔室外部的周围空气的温度(其也是21℃)。液体培养基通过来自Boyser的蠕动泵“FMP50”泵送到系统各处。一个阀能够使液体培养基转向到出口(143)进入容器中以便在需要时进行生物质收集和进一步液体培养基采样。

实验分为两次运行：

·在运行1期间，空气通过腔室(50)中的入口(7)被不断地吹入，然后从出口(8)离开。

·在运行2期间，腔室入口(7)和出口(8)都被关闭，并且腔室内的气体气氛在运行的整个持续期间期间与腔室外部的其他气体密封。

在运行1期间，光密度被看到在36小时内升高了大约4.8OD，然后在那之后继续增加；光密度对应于微生物培养物的生长速率，并且它在图20所图示的曲线图中由实线表示。相反，在运行2期间，光密度在18小时之后降低其增加速率，它在31小时之后停止增加，并且它在35小时之后开始降低(在图20所图示的曲线图中由虚线表示)。相对于运行1在运行2中经历的较低生长速率据信是腔室中的气氛与生物反应器内部的液体培养基之间的氧气交换的较低速率的后果。在运行2期间，腔室对外部空气密封；因此，没有新空气能补充腔室中通过膜片生物反应器渗透到液体培养基中并且被微生物消耗的氧气浓度。

此实验表明，当腔室中的氧气的水平被控制并维持至期望浓度以便维持腔室中的气氛与膜片生物反应器中的液体培养基之间的恒定渗透性气流时技术更好地工作。另一方面，实验也表明，当腔室被密封时技术表现不佳，这复制被密封到任何外部气体气氛的非膜片生物反应器，换句话说它复制非透气生物反应器(例如非透气管或容器生物反应器)。

此外，在两次运行的持续时间期间，液体培养基中的温度被成功地维持在期望条件下(介于28.0与28.2之间，使用PID控制)，从而证明系统能够通过控制腔室内的气体气氛的温度来成功地控制液体温度。在运行1的持续时间期间的液体温度由图21所图示的曲线图示出。

最后，此实验表明技术对异养、化能异养和/或混养营养生物也有效，它能够通过控制腔室中的气体气氛来控制液体培养基中的某些气体、营养物和代谢物的温度和浓度。

实施例2

构建实验设备以演示根据本发明的实施方式的系统。特别地，该设备演示了它能够生长自养和/或光合自养生物(其被包含在本文描述的类型的生物反应器内部的液体培养基中)并且控制包含本文描述的类型的生物反应器(其在此特定案例中也可以被称为‘光生物反应器’)的腔室的气体气氛的温度导致包含在生物反应器中的液体或凝胶的温度的控制。这进一步表明通过生物反应器的膜片层发生高效的CO₂和O₂气体转移，足以使得能够在由生物反应器包含的液体培养基中生长自养和/或光合自养生物。此外，它也表明生物反应器的膜片层的壁厚度通过与周围气体大气接触使得能实现高效的热传递。

案例研究设置由图19中的简化简图表示。此设置定义根据本发明的一个实施方式的系统。参考图19，此简图所示的大多数特征与图18中找到的特征相同。另外，示出了：将光照耀到生物反应器上的光源(147)。

参考此实验设备，大多数特征与实施例1中使用的实验设备的特征相同。唯一差异是：LED照明装置(来自Fluence的VYPRx PLUS)，其被设计来发出与微生物的需要相对应的特定波长的电磁辐射(光)，并且被安装在腔室的开口窗之上；安装在腔室(50)的开口窗上的铝面板被去除以允许充足的光通过窗并且照亮腔室内部的透明膜片软管生物反应器部分。

生物反应器被用包含生长培养基和钝顶螺旋体(Arthrospira platensis)的液体培养基填充至其正常工作容量，所述钝顶螺旋体是已知为能够仅在存在光和CO₂的情况下生长的专性光合自养微生物的微生物。对于此特定案例研究，钝顶螺旋体在实验的大部分持续时间内在16小时光和8小时黑暗循环上生长，光强度从在实验开始时的大约50μmol.m²/s的光合有效辐射(PAR)逐渐地增加至将近其结束时的大约300μmol.m²/s。液体培养基不包含任何有机碳源。系统是气密的，因此生物反应器内的液体培养基与周围腔室内的大气之间的气体交换仅通过生物反应器(60)的聚硅氧烷膜片层发生。气体能够经由阀(7、8)从腔室引入或排出以控制腔室中的气体气氛的压力、湿度和气体混合物。

此实验中利用的大多数传感器与实施例1中使用的传感器相同，同时添加了位于腔室(50)的ETFE开口窗之上的一个PAR传感器(来自Li-Cor的LI-190R)。

通过控制腔室内的气体气氛的温度，液体培养基温度在亮循环期间被维持在28℃(其中使用PID控制来使变化保持在+-0.2℃振荡范围内)而在暗循环期间被维持在25℃(再次其中PID控制维持+-0.2℃的变化)。腔室内的空气气氛被安装在腔室内的空气加热器装置加热至期望温度，所述空气加热器装置不得不间歇地克服腔室中吹入的空气的温度(其是21℃)以控制湿度，并且克服腔室外部的周围空气的温度(其也是21℃)。也控制气体腔室中的湿度以便通过泵送具有较低湿度的气体混合物来维持82％或更低的湿度。液体培养基通过来自Boyser的蠕动泵“FMP50”泵送到系统各处。一个阀能够使液体培养基转向到出口(143)进入容器中以便在需要时进行生物质收集和进一步液体培养基采样，然而另一阀(78)使得能够将新生长的培养基从辅助罐(71)插入到系统中。

在实验期间，在腔室中间歇地引入包含CO₂的气体混合物以便使得CO₂的充足渗透流通过膜片生物反应器进入液体培养基中以持续光合自养微生物的生长。腔室中的CO₂浓度能够视需要而定维持液体培养基中的pH(介于9.8-9.9pH之间)。

在实验期间，光密度被看到在35天内升高了大约11OD；光密度对应于生物反应器内部的微生物培养物的生长速率，并且它在图20所图示的曲线图中由实线表示。

此实验表明技术对自养和/或光合自养生物也有效，并且它能够通过控制腔室中的气体气氛来控制液体培养基中的气体、营养物和代谢物的温度、pH和浓度。

此外，在两次运行的持续时间期间，液体培养基中的温度被成功地维持在期望条件下(在亮循环期间大约28.0+-0.2而在暗循环期间大约25.0+-0.2)，从而证明系统能够通过控制腔室内的气体气氛的温度来成功地控制液体温度。在实验的10天期间的液体温度由图23所图示的曲线图示出。

这两个实验(在实施例1和2中描述)证明技术适用于光养生物、化学营养生物和混合营养生物。

尽管已在本文中详细地公开了本发明的特定实施方式，但是这是仅作为示例并出于图示的目的而完成的。前述实施方式不旨在关于下面的所附权利要求的范围为限制性的。发明人设想了，在不脱离由由权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种替换、更改和修改。

Claims (23)

1.一种用于生产生物质或生物产物的设备，所述设备包括：

至少一个细长生物反应器，所述生物反应器包括至少一个外膜片层，所述膜片层限定能够被填充有液体或凝胶的大体上管状的隔室，其中所述膜片层包括可渗透以跨所述膜片层气体转移的材料；

腔室，所述腔室包括将气体气氛限定和包封在内部的壁；

其中所述生物反应器的至少一部分位于所述腔室内部；以及

控制系统，所述控制系统控制所述腔室内的所述气氛的成分；

其中气体转移在所述管状隔室与包括在所述腔室内的所述气氛之间跨所述生物反应器的膜片层发生。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述腔室是罐、容器、桶、帐篷、仓库、充气结构或房间的形式。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中可以将所述腔室内的所述气氛升高到大于或小于大气压力的压力。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中所述控制系统被构造为通过以下步骤来更改所述腔室的气氛成分：

(i)引入含O₂的气体

(ii)耗尽CO₂浓度；和/或

(iii)引入蒸汽。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述腔室还包括：

(i)消毒系统；

(ii)气体循环设备；和/或

(iii)照明源，任选地其中所述照明源发出可见光和/或UV光。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述腔室的至少一个壁或一个壁的一部分允许可见光经由其透射到所述腔室的内部中。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中所述腔室包括用于将所述至少一个细长生物反应器支撑在内部的组件，优选地其中所述组件包括按水平或垂直平行或反平行阵列布置的多个电枢。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述组件包括被构造为支撑所述至少一个细长生物反应器的至少一个支架。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述支架大体上包封所述细长生物反应器的全部或一部分，优选地其中所述支架包括网孔或穿孔片材，使得可以经由所述片材的穿孔允许大气循环。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，其中所述细长生物反应器包括一个或多个软管部分，其中每个软管部分包括透气聚合物膜片。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述透气聚合物膜片选自：硅酮、聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、氟硅酮、有机硅、纤维素(包括植物纤维素和细菌纤维素)、醋酸纤维素(赛璐珞)、硝基纤维素和纤维素酯。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述膜片具有：

(i)至少350巴勒、至少400巴勒、至少450巴勒、至少550巴勒、至少650巴勒、至少750巴勒、合适地至少820巴勒的氧渗透率；

(ii)至少2000巴勒、至少2500巴勒、至少2600巴勒、至少2700、至少2800巴勒、至少2900巴勒、至少3000巴勒、至少3100巴勒、至少3200巴勒、至少3300巴勒、至少3400巴勒、至少3500巴勒、至少3600巴勒、至少3700巴勒、至少3800巴勒、合适地至少3820巴勒的二氧化碳渗透率；和/或

(iii)至少5000巴勒、至少10000巴勒、至少15000巴勒、至少20000巴勒、至少25000巴勒、至少30000巴勒、至少35000巴勒、至少40000、至少60000巴勒和通常至少80000巴勒的水蒸汽渗透率。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备，其中所述膜片具有至少10μm且至多1mm、合适地至少20μm且至多500μm、任选地至少20μm且至多200μm的厚度。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的设备，其中所述一个或多个软管部分通过促进所述一个或多个软管部分之间的流体连通的一个或多个连接器接合。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述一个或多个连接器包括可操作来减少或停止所述一个或多个软管部分之间的流体连通的阀。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的设备，其中所述生物反应器与辅助系统流体连通。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的设备，其中所述一个或多个生物反应器包含液体细胞生长培养基。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述一个或多个生物反应器包含从以下项中选择的微生物或藻类生物：光合自养生物、化学营养生物和混合营养生物。

19.根据权利要求18所述的设备，其中所述生物选自以下项中的一种或多种：蓝细菌、原细菌、螺旋体、革兰氏阳性细菌、诸如绿弯菌门的绿丝状细菌、浮霉菌门、噬细胞拟杆菌、热袍菌、产水菌属、嗜盐菌、甲烷八叠球菌、甲烷杆菌、甲烷球菌、速生热球菌、热变形菌、热网菌、内阿米巴属、诸如黏菌的粘菌、纤毛虫、毛滴虫、微孢子虫、双滴虫、古虫界、变形虫界、领鞭毛类、有孔虫界、有孔虫、放射虫、硅藻、原生藻菌、褐藻、红藻、绿藻、雪藻、定鞭藻、隐藻、囊泡藻界、灰藻、浮游藻、浮游生物、透色门、轮虫以及来自动物、真菌或植物的细胞或整个生物。

20.根据权利要求17所述的设备，其中所述生物反应器包含真核细胞培养物；合适地动物或植物细胞培养物；任选地哺乳动物细胞培养物。

21.根据权利要求18所述的设备，其中所述生物反应器包含人类细胞培养物。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的设备，其中所述控制系统还被构造为控制所述腔室内的所述气氛的温度。

23.一种用于制造生物质的方法，所述方法包括：

提供设备，所述设备包括：

至少一个细长生物反应器，所述生物反应器包括至少一个外膜片层，所述膜片层限定能够被填充有液体或凝胶的大体上管状的隔室，其中所述膜片层包括可渗透以跨所述膜片层气体转移的材料；

腔室，所述腔室包括将气体气氛限定和包封在内部的壁，其中所述至少一个生物反应器的至少一部分位于所述腔室内部；

控制系统，所述控制系统控制所述腔室内的所述气氛的成分；

所述至少一个细长生物反应器包含液体细胞生长培养基以及选自化学营养生物和混合营养生物的微生物或藻类生物，和/或真核细胞培养物；

在所述一个或多个生物反应器内培养所述生物或细胞培养物；以及

分离存在于所述液体培养基内的所述生物质的至少一部分。

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