KR20140042812A - 광합성 미생물들의 배양을 위한 폐쇄된 광생물반응기 - Google Patents

광합성 미생물들의 배양을 위한 폐쇄된 광생물반응기 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 광합성 미생물들 바람직하게는 미세조류의 배양, 특히 연속적인 배양을 의도하기 위한 광생물반응기에 관한 것이고, 배양 배지(3)를 함유하도록 의도된 하나 이상의 배양 밀봉체(1), 및 상기 배양 밀봉체(1) 외부에 위치되는 하나 이상의 광원(2)을 포함하며,
상기 배양 밀봉체(1) 내부에 위치되는 하나 이상의 원통형 또는 각기둥형의 광 확산 요소(4)를 더 포함하고, 상기 광 확산 요소(4)가 상기 광원(2)으로부터 방출되는 광자들을 모으고 광자들을 배양 배지의 측면에 의해 상기 배양 배지(3)로 되돌아오도록 광학적으로 상기 광원(2)과 커플링되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본원 발명은 광합성 미생물들을 배양하기 위한 광생물반응기의 용도, 및 광생물반응기의 배양 배지를 조명하기 위한 광 확산 요소(4)의 용도에 관한 것이다.

Description

광합성 미생물들의 배양을 위한 폐쇄된 광생물반응기{ENCLOSED PHOTOBIOREACTOR FOR CULTURE OF PHOTOSYNTHETIC MICROORGANISMS}
본 발명은 광합성 미생물들의 집중적이고 연속적인 배양에 관한 것이다.
더 정확히 말하면, 이는 이러한 미생물들의 배양을 위해 의도된 광생물반응기에 관한 것이다.
미세조류(Microalgae)는 광합성 식물 유기체들이며, 이의 물질대사와 성장은 무엇보다도 CO2, 빛 및 영양소들을 요구한다.
미세조류의 산업적 배양에 대한 다수의 출원들이 알려져 있다.
미세조류는 일부 산업 시설들로부터의 이산화탄소, NOx 및/또는 SOx 방출물들을 재사용하고 정제하기 위하여 배양될 수 있다(WO 2008042919).
미세조류에서 추출된 오일은 생물연료로서 사용될 수 있다(WO 2008070281, WO 2008055190, WO 2008060571).
미세조류는 오메가-3 및 다중불포화지방산들의 생산을 위하여 배양될 수 있다.
또한, 미세조류는 색소들을 생산하기 위하여 배양될 수 있다.
전통적으로, 미세조류의 대규모의 산업적 배양은 광원으로서 태양을 사용한다. 이런 목적을 위하여, 미세조류는 흔히 순환에 상관 있거나 없는 개방형 연못(open pond)들["수로식(raceways)"] 내에 위치된다(US 2008178739). 여타 접근법들은 튜브형 또는 판형 광생물반응기(photobioreactor)들을 포함하며, 이들은 배양 배지 내로 광선들을 통과시킬 수 있는 반투명한 재료들로 구성되고, 상기 배양 배지 내에서 미세조류를 순환시킨다(FR 26213223). 반투명 튜브들의 3-차원 네트워크(network)들로 구성되는 여타 시스템들은 이로운 공간-절약 특성들을 갖는다(EP 0874043).
이러한 설비들은 몹시 크고, 불확실한 햇빛과 비생산적인 야간 주기(night phases)가 주어진다고 하면 생산 수율들이 낮으며, 이는 미세조류 성장을 방해한다.
크기를 감소시키고 수율을 향상시키기 위하여, 폐쇄된 광생물반응기들이 개발되어 왔다. 이들은 (매일 매 시간) 일정하게 이용가능한 조명을 사용하고, 이는 관련된 조류(algae)에 대한 생물학적 주기들의 특정한 순서(sequence)들에 따라 빛을 끌 수 있다.
실제로, 미세조류가 가시 스펙트럼의 모든 광자들을 흡수한다 할지라도 미세조류는 특히 최소한의 손실로 백색광의 여하한 파장들만을 흡수하므로, 수량 및 품질 모두에 대하여, 미세조류의 바이오매스(biomass)를 증가시키는 결정적인 요인은 빛이다.
광생물반응기는 이의 내부에서 바이오물질(biomaterial)이 빛 에너지의 작용 하에서 생산되는 폐쇄된 시스템으로서 정의된다. 더욱더, 하기의 배양 조건들을 제어함으로써 생산이 최적화될 수 있다: 영양소들, 유체역학적 배지, 기체 이송(gas transfers), 액체 순환률 등.
빛, 플럭스(flux) 및 파장을 미세조류 종들에 맞추는 것이 생산을 최적화하는데 중요한 요인이다.
일반적으로, 생산은 광생물반응기 부피 내의 조명의 질에 직접적으로 의존한다라고 이해된다. 모든 생물학적 액체는 최적의 유효 에너지로 알맞게 조명되는 것이 필요하다. 따라서, 생물학적 액체의 유용한 부피를 최대화하는 동안 광원들과 생물학적 액체 사이의 경계면은 가능한 넓어야 한다.
이러한 개념들을 명확하게 하기 위하여, 대략 1 g/ℓ의 농도(d)에 의해, 빛이 약 λ=0.5 cm에서 흡수되었다는 점을 주목할 것이다. 1 ㎡의 조명되는 표면(lighting surface)[1 ㎡ 평면 광원]을 가지는 1 ㎥ 반응기에 대하여, 생물학적 액체의 부피는 단지 1/200 ㎥일 것이다. 이상적인 반응기는 조명되는 부피가 반응기 부피와 동일한 것일 것이다. 더욱 일반적으로, 품질 계수(quality factor)는 하기 관계식으로 정의될 수 있다: Q=Sλ/V0, 여기서 S는 반응기의 부피(V0)에 대한 (적절한 전력으로) 조명되는 표면이고, λ는 투광 깊이이다.
Ve는 반응기 내에 분산 배치된 조명 요소(lighting element)들의 부피이고, 질량(M)에 대한 생산은 하기의 관계식으로 나타낼 수 있다: M=(V0-Ve)d.
이러한 두 개의 관계식들은 동시에 최대화되어야 한다.
이러한 이중의 최적화를 개발하기 위한 다양한 기술적 시도들이 과거부터 제안되었으나, 하기에 설명되는 어려움들과 부딪혔다:
이러한 문제를 해결하기 위한 첫번째 해결책인 인공 조명은, 광섬유를 사용하여 광원으로부터의 빛을 배양 배지 내의 미세조류의 부근으로 제공되도록 구성된다(US 6156561 및 EP 0935991).
광섬유는 밀봉체(enclosure) 내부에서 빛을 유도하는 침지된 여타 수단과 조합될 수 있다(JP 2001178443 및 DE 29819259).
주요 결함은, 이 해결책이 낮은 수율들 (생산되는 빛)/(유효 빛) 만을 제공한다는 점이다. 실제로, 광원들과 도파관 사이의 경계면(interface)들로 인해 세기가 감소되고, 동일한 광섬유에 하나 이상의 광원을 연결하기 어렵다. 더욱이, 실제로 빛이 배양 배지 내에 침지시킨 광섬유들로부터 나오게(leave) 하기 위하여 몇몇의 상이한 파장들이 사용되므로 문제가 발생하는데, 상기 광섬유들은 유도되는 빛의 일부(fraction)를 산란시키거나 회절시키기 위하여 표면 처리[거칠게 함(roughening)]를 받아야 한다. 가장 효과적인 해결책은 전달되는 빛의 파장에 따른 단계에 의해 광섬유의 주변부에 격자(network)를 에칭(etch)하는 것이다. 이 해결책은 좁은 대역폭(bandwidth)을 가지며, 몇몇의 파장들이 사용되는 경우에는 전적으로 부적절하다. 이러한 문제를 해결하기 위한 해결책인 또 다른 인공 조명은 광생물반응기 밀봉체 내에 직접적으로, 예를 들어 형광등(US 5,104,803) 또는 발광 다이오드들(LEDs)[DE 202007013406 및 WO 2007047805]과 같은 광원들을 침지시키도록 구성된다.
이러한 해결책은 광원들이 배양 배지와 더 가까워지고 배양 배지와 더욱 잘 결합되므로, 조명 과정의 에너지 효율성을 향상시킨다.
그러나, 반응기 내에 도입되는 광원들, 특히 LEDs의 사용은 여타 두 가지의 주요 문제점들을 고려하면서 수행되어야 한다.
첫번째는 LED 방출의 기하학적 구조에 내재하는데, 이는 이들의 에너지 방출 패턴이 지향성(directional)이고 랑베르 프로파일(Lambertian profile)을 따르기 때문이다. 빔(beam) 내의 조류만이 조명될 것이다. 방출 콘(emission cone)의 입체각(solid angle)은 전형적으로 90 °이므로, LED 주위 공간의 3/4는 조명되지 않을 것이다. 이러한 상황이 침지된 광섬유들의 말단(end)들로부터의 조명에 대하여 사실상 동일할 것이라는 점에 주목된다.
더욱이, 랑베르(Lambertian)인 LED 방출 빔에 의해, 전달 빔(transmission beam)이 통과하는 동안 조류는 비균일한 광자속(photon flux)을 받아들일 것이라는 점에 주목될 것이다.
유사하게, LEDs가 반응기 내의 내부 벽(가열 파이프)을 조명하도록 사용되는 경우(특허 DE202007013406 참조), 균일한 광자속이 배양 수조(bath) 내에서 얻어질 수 없다.
그늘진 영역을 감소시키기 위하여, 밀봉체 내의 광원들이 다양화될 수 있고 서로 충분히 가깝게 설치될 수 있다.
이렇게 함으로써, 몇 도 내로 제어되어야만 하고 조류의 유형에 좌우되는, 반응기 열의 관리와 관련된 제 2의 중대한 문제점이 발생한다. 실제로, 그리고 현재 시중에서 발견되는 것들과 같은 전형적인 구성요소들에 대하여, LEDs 내로 주입된 전기 출력(electric output)의 3/4는 열로 소멸된다. 이러한 열 관리는 해결해야만 하는 두번째 주요한 문제점이다. 이는 사용되는 광원들의 유형에 상관없이 제 1 세대 반응기 구조들에 내재한다. 또한, 반응기 부피 내에 많은 수의 광원들의 분산 배치는 매우 빠른 전기 연결 문제를 지니며, 만약 광원들이 많은 수로 다중화되어야 한다면 여기에 광생물반응기의 비용 문제가 첨가된다.
요약하면, 반응기의 성장 용적(growth volume) 내에서 세기에 대하여 균일한 조명 단면(front)을 얻는 것은 현재 해결되지 않은 문제점이다. 거의 균일한 단면이 되도록 구상중에 있는 단 하나의 방법은 반응기 내부의 광원들을 다중화하는 것이며, 이는 떼려고 해도 뗄 수 없는 열 관리의 문제점들을 야기한다.
이러한 문제점들을 처리하기 위하여, 발명가들은 외부 LEDs에 의해 생산되는 광생물반응기의 빛을 유도하고 분산시키기 위한 신규하고 특히 효과적인 방법을 알아내었다.
광원들은 더 이상 밀봉체 내부에 위치될 필요가 없으며, 이는 열 조절을 대단히 용이하게 한다. 더욱더, 사용되는 광 가이드(light guide)의 분산 배치는 특히 균등하고 균일한 빛의 확산이 가능하고, 미세조류 배양에 유리한 모든 파장들에 적용된다.
따라서, 제 1 측면에 따라서, 본 발명의 목적은 미생물 배양 배지를 함유하도록 의도된 하나 이상의 배양 밀봉체 및 상기 배양 밀봉체 외부에 하나 이상의 광원을 포함하는, 광합성 미생물들 바람직하게 미세조류의 배양, 특히 연속적인 배양을 위해 의도된 광생물반응기에 관한 것이고, 이는 배양 밀봉체 내부에 위치된 하나 이상의 원통형 또는 각기둥형의 광 확산 요소(light diffusion element)를 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 광 확산 요소는 광원으로부터 방출되는 광자들을 모으고 광자들을 배양 배지의 측면에 의해 배양 배지로 되돌아오도록 광학적으로 광원과 커플링(coupled)된다.
여타의 이롭고 비제한적인 하기의 특징들에 따른다:
ㆍ 광 확산 요소는 빛을 흡수하지 않는 투명한 재료로 만들어진 고체 요소이고, 이의 말단에 광원이 위치되며;
ㆍ 광 확산 요소는 부분적으로 확산 재료(diffusing material)로 만들어진 내포체(inclusion)들을 포함하고;
ㆍ 광원과 광 확산 요소 사이의 경계면은 광자 전달을 향상시키는 광학용 그리스(grease)로 처리되며;
ㆍ 광 확산 요소는 광원이 위치된 말단에서, 투명한 재료로 만들어진 중공 요소(hollow element)이고;
ㆍ 반-반사층(semi-reflective layer)은 광 확산 요소의 내부에 배열되며;
ㆍ 반-반사층은 광 확산 요소의 외부에 배열되고;
ㆍ 반-반사층 (또는 반-반사층들)은 광 확산 요소를 포함하는 재료의 광학 인덱스(optical index)보다 더 큰 광학 인덱스를 가지는, 금속 또는 금속 산화 물질, 바람직하게는 알루미늄으로 만들어지며;
ㆍ 반-반사층들의 두께는 광원으로부터의 거리에 따라 감소되고;
ㆍ 광 확산 요소는 폴리(메틸 메타크릴레이트)로 만들어지며;
ㆍ 광원은 준-점형 광원(quasi-punctual source)이고, 광 확산 요소는 확산 튜브이며;
ㆍ 광원은 선형 광원(linear source)이고, 광 확산 요소는 평행육면체형 확산기(diffuser)이며;
ㆍ 광원은 발광 다이오드(LED), 또는 준-점형으로 분포되거나 스트립(strip)들 내에 분포되는 LEDs의 세트, 바람직하게는 고출력 발광 다이오드(HPLED), 또는 HPLEDs의 세트이고;
ㆍ 수렴 렌즈는 LED와 광 확산 요소 사이의 경계면에 위치되며;
ㆍ 내부가 반사형(reflective)인 광학 시스템은 LED를 둘러싸고;
ㆍ 광원 반대편의 광 확산 요소의 말단은 거울과 함께 제공되며;
ㆍ 광원 반대편의 광 확산 요소의 말단은 콘-형(cone-shaped) 또는 돔-형(dome-shaped)이고;
ㆍ 광 확산 요소의 외면은 광 확산을 개선시키는데 적합한 거칠기(roughness)를 가지며;
ㆍ 광 확산 요소의 외면은 보호 덮개(protective sheath)로 캡슐화되고(encapsulated);
ㆍ 광 확산 요소는 보호 덮개를 둘러싸는 청소용 스크레이퍼(cleaning scraper)를 포함하며;
ㆍ 광생물반응기는 광원들을 냉각시키는 시스템을 포함하고;
ㆍ 광생물반응기는 배양 배지의 바닥에 기포(bubble) 발생 시스템을 포함한다.
본 발명의 제 2 측면은 본 발명의 제 1 측면에 따른, 광합성 미생물들 바람직하게는 미세조류를 배양하기 위한, 광생물반응기의 용도에 관한 것이다.
본 발명의 제 3 목적은 광원으로부터 방출되는 광자들을 모으고 광생물반응기의 배양 배지를 조명하기 위하여 광자들을 배양 배지의 측면에 의해 되돌아오도록, 선택적으로 광원과 커플링되는 원통형 또는 각기둥형의 광 확산 요소의 용도에 관한 것이다.
본원 발명의 여타 특징들 및 이점들은 선택적인 실시형태에 대한 하기 설명을 고려함으로써 나타날 것이다. 이러한 설명은 첨부된 도면들과 관련하여 제공되며, 여기서:
- 도 1a 내지 도 1d 및 도 2는 본 발명의 광생물반응기의 광 확산 요소에 대한 다섯 가지의 실시형태들의 도해이고;
- 도 3은 본 발명의 광생물반응기의 광 확산 요소에 대하여 특히 이로운 실시형태의 투시도이며;
- 도 4는 본 발명의 광생물반응기의 평행육면체형 실시형태의 투시도이고;
- 도 5는 본 발명의 광생물반응기의 원통형 실시형태의 투시도이며;
- 도 6은 본 발명의 광생물반응기의 또 다른 평행육면체형 실시형태의 투시도이다.
본 발명의 원리
최근, LED 구성요소들의 성능이 대단히 개선되어왔다. 현재, 고출력 LEDs, 즉 10 W 이상의 전력을 가지는 LEDs가 존재하며, 이는 대략 엽록소의 흡수 파장(650 nm 내지 680 nm)을 방출한다.
특히, 이들은 공산품들을 25 % 초과하는 광학 출력(optical output)들을 갖는다. 실험실에서, 흔히 35 %를, 일부 경우들에서는 50 %를 초과하는 출력들이 나타났다.
이러한 기술적 돌파구들은, 단일 LED가 빛을 확산시키기 위한 광학적 연결 기구(optical coupling instrument)를 가지는 조건하에서 대략 1 리터 부피의 배양 배지에 빛을 충분하게 제공할 수 있다고 예상할 수 있게 한다.
연구 결과로서, 출원인은 광 확산 요소들을 개발하였고, 이는 심지어 배양 밀봉체 외부에 위치해도 광원으로부터, 특히 준-점형 또는 리본형(ribbon) LED로부터 빛을 모으고, 빛을 광생물반응기의 배양 배지의 전체 컬럼(column) 내에 확산시킨다.
광원들이 배양 밀봉체 외부에 위치한다는 점은 많은 이점들, 특히 쉬운 열 방산(heat dissipation), 광원들 자체에 의해 야기되는 그늘의 부재 및 생물학적 환경 외부에서 전기 연결들의 유지 능력을 갖는다.
광생물반응기 구조
본 발명의 광생물반응기의 간단한 도해를 도 1a로 나타낸다.
광합성 미생물들 바람직하게 미세조류의 특히 연속적인 배양을 위해 의도된 이러한 광생물반응기는, 미생물 배양 배지(3)를 함유하도록 의도된 하나 이상의 배양 밀봉체(1), 및 상기 배양 밀봉체(1) 외부에 하나 이상의 광원(2)을 포함하는 것으로 보여진다.
더욱더, 설명한 대로 배양 밀봉체(1) 내부에 위치하는 하나 이상의 원통형 또는 각기둥형 광 확산 요소(4)를 포함하며, 상기 광 확산 요소(4)는 광원(2)에 의해 방출된 광자들을 모으고 광자들을 배양 배지 측면에 의해 배양 배지(3)로 되돌아오도록 하기 위하여 광원(2)과 선택적으로 커플링된다.
본 발명의 맥락에서, 하기의 두 가지 경우들로 구분된다: 광원(2)이 준-점형 광원, 예를 들어 단일 LED (또는 단일 LEDs의 세트)인 경우; 그리고 광원(4)이 실제로 선형 광원 [또는 면 광원(surface)], 예를 들어 스트립들 또는 리본들 내의 LEDs인 경우(특허 출원 FR1050015 참조).
이러한 두 가지 모두의 경우에, (준-점형 또는 리본형) 고출력 LED(HPLED), 즉 1 W 이상의 출력, 심지어 10 W 이상의 전력을 가지는 LED가 특히 선택된다. 이후, 본원 설명은 따라서 주로 LED 광원들에 대하여 언급할 것이나, 절대로 본 발명을 이러한 종류의 광원으로 제한하려는 것은 아니라고 이해될 것이다. 본 기술분야의 전문가는 레이저 광원(laser sources)을 포함하는 여타 알려진 광원(2)들을 본 발명의 광생물반응기에 적용시킬 수 있을 것이고, 이는 매우 지향적이라는 이점을 가지며, 이의 가격이 상당히 떨어졌다.
모든 경우들에서, 광원(2)들은 상이한 파장들을 방출하는 단색 광원들 자체(naturally) 또는 병렬(juxtaposition)에 의해, 단색이거나 다색일 수 있다. 이는 상이한 갭(gap)들의 반도체들을 스태킹(stacking)함으로써 직접적으로 다중 스펙트럼(multispectral) LEDs[양자 우물 다이오드(quantum well diode)들 포함]를 얻을 수 있다는 점에 주목될 것이다.
광 확산 요소의 기하학적 구조( geometry ) - 준- 점형 광원들의 경우
첫째로, 상업적으로 제한된 LEDs의 방출 대칭(emission symmetry)은 원통형(랑베르 방출)이고, 따라서 속이 비든(hollow) 고체이든지 간에, 수행하기에 가장 쉬운 커플링은 튜브에 의한 것이라는 점을 주목한다.
따라서, 광 확산 요소(4)는 광 확산 "튜브" 또는 "핑거(finger)"로 지칭된다. 그러나, 이는 튜브가 필연적으로 원형 단면을 갖지 않는다, 다시 말해서 필연적으로 직원 기둥(right circular cylinder)이 아니라는 점을 명시하는데 유용하다. 본 발명은 여하한 원통형 또는 각기둥형, 다시 말해서 직사각형 측면 그리고 반면에 랑베르 방출에 관하여 유리하게 중심 대칭을 갖는 일정한 단면을 가지는 다면체들에 관한 것이다. 실제로, 정다각형 단면들 또는 별 모양의 단면들을 가지는 확산 튜브(4)들을 분명히 예상할 수 있고, 이는 특히 측면, 즉 미생물 배양 배지(3)와 접촉하는 표면을 증가시킬 수 있다.
그럼에도 불구하고, 직원 기둥은 대칭[다이오드 로브(lobe)]의 이유로, 그리고 비균일한 조명 단면(luminous front)을 만드는 각도들을 피하기 위한 가장 좋은 현실적인 해결책으로 보인다.
일반적으로, 본 발명은 여하한 기하학적 구조로 제한되지 않으며, 여하한 원통형 또는 각기둥형의 광 확산 요소에 관한 것임이 반복될 것이다.
확산 튜브(4)들에 대한 두 가지의 가능성이 고려될 수 있다. 첫번째 가능성에 따라, 확산 튜브(4)는 투명한 재료 바람직하게 유리 또는 플렉시글라스(Plexiglas)로 만들어진 중공 튜브(hollow tube)이고, 이의 말단에 LED(2)가 위치되며, 확산 튜브(4) 쪽으로 지향되는데 이는 확산 튜브가 LED(2)에 의해 방출되는 광자들을 받아들이기 위해서이다.
이러한 배치에서, 빛은 V. Gerchikov et al .에 의한 서적(leukos vol 1 no 4 2005)에 설명된 바와 같이 튜브 내로 유도된다.
이러한 경우에, 빛은 공기 내에서 전달된다, 즉 흡수가 없다. 주어진 다이오드 발산(divergence)[랑베르]을 고려해 볼 때, 확산 튜브(4) 내부와 충돌하는 각도들(angles of attack)은 다양하고, 빛은 공기와 비교하여 굴절률에 대한 차이에 관련된 고전 법칙(데카르트의 법칙)을 벗어난다. 공기의 굴절률(refractive index: n)은 실제로 약 1이고, 1.5에 달하는 유리 또는 플렉시글라스의 굴절률(n)보다 꽤 낮다. 따라서, 입사 광선이 확산 튜브(4)의 내면에 닿는 경우, 튜브의 표면에 관한 이의 입사각 θ에 따라서, 튜브 전반의 투과 계수는 충돌각(angle of attack) θ=0°인 경우(전파 없음)에는 거의 1에서부터, 입사각이 작은 경우(튜브 내에서 전파 유도)에는 0까지이다. 배양 배지(3)와 측면에서의 확산 튜브(4) 사이의 경계면에서, 거의 전체 광속(luminous flux)은 가로지르는데 이는 물의 굴절률(1.33)이 튜브(4)의 굴절률보다 오직 약간 작기 때문이다. 분명히, 설명된 상기 경우는 에어 갭(air gap)을 가지는 재킷형(jacketed) 튜브의 경우에 관한 것은 아니다. 두 개의 선들의 궤적들을 도 1a에 나타낸다. 확산 튜브(4)의 굴절률은 거의 1.5라고 추정된다.
유리하게, 도 1a에도 나타낸 바와 같이, 수렴 렌즈(5)는 LED(2)와 확산 튜브(4) 사이에 위치될 수 있다. 상기 수렴 렌즈(5)는 LED(2)로부터의 빔의 발산을 제어한다. 작은-구멍의 입사 빔(small-aperture injection beam)의 단일 경우(다이오드가 렌즈의 초점면에 있는 경우)에, 대부분의 광속이 유도된다. 다소 빔의 초점을 흐리게 함으로써 확산 튜브(4)의 광속 출력이 조절될 수 있다는 것을 이해한다. 상관적으로, 확산 튜브(4) 내의 빛 에너지의 투과 깊이(penetration depth)는 확산 튜브들의 길이에 따라 조정될 수 있다. 이러한 점의 중요성은 하기에서 나타낼 것이다.
또한, 중공형 확산 튜브(4) 내의 광 입사는, 광선을 튜브의 방출축으로 되돌리기 위하여 방출축에 관하여 광각(wide angles)으로 광선을 되찾기 위한 광학 장치(41)로 LED(2)를 둘러쌈으로써 개선될 수 있다. 이러한 기능을 충족시키는 상업적인 구성요소들이 있으나, 이들은 이용가능한 공간을 고려하면 본원 출원에 적합하지 않다. 현 경우에서, 불완전하나 쉽게 수행되는 해결책은, 내부가 반사형으로 되어 있는 원뿔대를 사용하는 것이고, 원뿔대의 최상부가 LED(2)를 둘러싼다. 이러한 일 광학 시스템(41)의 몇 가지 예시들을 도 1a 내지 1c에 나타낸다.
두번째 가능성에 따라서, 확산 튜브(4)는 투명하고 빛을 흡수하지 않는 재료, 바람직하게는 폴리(메틸 메타크릴레이트)[PMMA]로 만들어진 고체(즉, 속이 비지 않음) 튜브이다. PMMA의 굴절률(1.49)은 물 및 유리의 굴절률과 거의 동일하고, 만약 물에 이르게 되면 원칙적으로 빛을 유도하지 않으나, LED/튜브 경계면[구형 유리 봉지(encapsulation)]에서의 프레넬 손실(Fresnel losses)은 아니다.
LED(2)는 확산 튜브(4) 내에서 만들어진 [LED(2) 봉지의 구결(spherical segment)의 크기의] 리세스(recess) 내에 도입된다.
유리한 용도는, 생산될 수 있는 준-원통형 빔(quasi-cylindrical beam)을 통하여, 빛이 [거의 프레넬 손실을 가지는] 고체 튜브(4) 내를 관통할 수 있게 하는 렌즈(5)로 만들어질 수 있다. 따라서, 특히 유리한 방식으로 고체 튜브(4) 내를 관통하는 빔은 튜브 내로 도입된 내포체(6)들에 의해 확산된다. 이러한 실시형태를 도 1b로 나타낸다.
실제로, 무작위한 배향들을 가지는 다중 인터페이스들에 의해 빛의 확산을 확실하게 하는 다량의 PMMA 확산 내포체(6)들, 즉 비-흡수 "물체들", 특히 상기 튜브(4)의 굴절률과는 상이한 굴절률을 가지는 물질의 알갱이(grain)들 또는 기포(air bubble)들을 삽입하는 것을 기반으로 하는 산업용 시스템들이 존재한다.
훨씬 더욱 이로운 방식으로, 내포체(6)들의 밀도가 빛의 점진적인 손실을 보충하기 위하여 LED(2)로부터의 거리에 대하여 증가하고, 확산 튜브(4)의 높이를 따라 달라진다.
본 발명은 특정 크기의 확산 튜브(4)로 제한되지 않는다. 상기 튜브들은 몇 미터의 길이까지 이를 수 있고, 제한이 주어지지 않으며, 수 밀리미터 내지 수 센티미터로 가장 흔한 직경을 갖는다. 주로, 직경은 미세조류에 적용되는 평균 전력 및 빛 투과를 조건으로 하는 반응기[연속 모드 및/또는 화학물질환경조절장치(chemostat)] 내의 미세조류 농도의 선택에 의해 결정된다. 이들의 치수들은 하기에서 논의될 것이다.
광 확산 요소의 기하학적 구조 - 선형 광원들의 경우
상기에 설명된 바와 같이, 빛을 확산시키기 위하여 튜브형 확산 요소(4)들을 사용하는 것만이 가능한 배치는 아니다. 실제로, 선형 및 리본형 LED 광원(2)들이 사용될 수 있다. 상기에 설명된 바와 같이, 리본형 LED는 다색 구조를 가지거나 복합재(composite)[몇몇의 파장들]일 수 있다.
이러한 경우에, 확산 요소(4)들은 리본형 LEDs의 방출 기하학적 구조를 고려하기 위하여 유리하게 거의 평행육면체형이다. 특정한 경우에는 각기둥형 기하학적 구조인 점에 주목한다.
이러한 일 평행육면체형 광 확산기(light diffuser)[4]를 도 2에 나타낸다. 이는 고체 또는 중공형일 수 있고, 튜브형 요소들처럼 동일한 실시형태들에 관한 것일 수 있다. 본원 설명은 하기에서 "광 확산 튜브들"이라고 지칭하나, 있어왔고 본원 설명(구조들, 처리들, 재료들 등)에서 설명될 모든 가능성들이 튜브형이든 평행육면체형이든지 간에, 확산 요소(4)의 기하학적 구조에 상관없이 또한 적용될 수 있다는 점을 잘 이해할 것이다.
표면 처리들 - 반-반사 처리들
배양 배지(3)를 가능한 방식으로 균일하게 조명하기 위하여, 특히 빛이 너무 이르게 확산 튜브(4)를 떠나는 것을 방지함으로써, 빛이 빛 유도를 따라 일정한 세기로 확산 튜브(4)에 존재하도록 만들어져야 한다.
중공형 확산 튜브(4)의 경우에, 이러한 빛 억제 효과(light containment effect)는 반-거울과 비교하여, 확산 튜브(4) 내부 상의 반-반사층(7)을 배열함으로써 유리하게 증가될 수 있다.
모든 확산 튜브들 내에, 또 다른 반-반사층(8)이 확산 튜브(4) 외부 상에 배열될 수 있고, 내부층(7)을 대체하거나 보충함으로써 중공형 튜브들을 포함한다.
이러한 내면/외면 처리들은 더 나은 빛 유도를 가능하게 하고, 이의 예시는 도 1c로 나타낸다.
반-반사 처리의 경우에, 이는 확산 튜브(4)를 포함하는 재료의 광학 인덱스보다 더 큰 광학 인덱스를 가지는 금속 또는 금속 산화물 재료, 바람직하게는 알루미늄에 의해 전형적으로 얻어질 수 있다. 인덱스를 증가시킴으로써, 투과보다 반사에 유리해졌다. 코팅의 질은 근본적으로 이의 흡수와 관련되고, 이는 최소한이어야 한다. 거울 효과를 증가시키는 이러한 기능을 충족시키기 위하여 반-투명 광학층들 및 광학 다-층들(금속들 또는 산화물들)이 무기(arsenal) 내에 이용가능하고, 이는 사용되는 빛의 파장에 적용될 수 있다.
중공형 튜브의 경우에, 핑거의 외부 상에 반-반사층(8)을 놓는 것은 필수적이지는 않으나, 이는 반-반사 재료를 침착(deposition)시키는 기술을 간단하게 한다. 그러나, 이는 수조 내에서 침지(soaking)시킴으로써 튜브 안팎 모두를 감싸는 침착에 의한 공정으로 예상될 수 있다. 반-반사층들(7, 8)은 더욱 일반적으로 여하한 화학적 방법(침지), 전기분해법, 음극 스퍼터링(cathode sputtering), 화학 기상 증착(chemical vapor deposition: CVD) 또는 증발법(evaporation method) 등에 의해 침착될 수 있다.
설명된 바와 같이, 예상되는 재료들은 얇은 두께(나노미터 내지 수 마이크론)의 반-투명층들을 구성할 수 있는 금속들(Al, Ag 등)에서부터, 이러한 기능을 충족시키기 위한 투명한 산화물들(도핑되거나 도핑되지 않은 인듐, 희토류 등)까지이다. 본 명세서에서 필요한 투명도의 범위에 있어서, 이러한 층의 고유 흡수(intrinsic absorption)는 10 %를 넘지 않아야 한다.
훨씬 더 유리하게, 반-반사층들(7, 8)의 두께는 빛의 점진적인 손실을 보충하기 위하여, LED(2)로부터의 거리에 따라서 감소한다. 본 기술분야의 전문가는 튜브(4)를 떠나는 빛 에너지를 최적화(균일화)하기 위하여 [LED(2)에 대한 거리의 함수로써] 반-반사층들(7, 8)의 두께 변화 프로파일을 선택할 수 있을 것이다. 여기서 다시, 고체 확산 튜브(4)의 경우에서 다양한 밀도의 내포체(6)들을 가져야 하는 동일한 문제가 존재한다(상기 참조). 예를 들어, 20 nm 내지 100 nm로 다양한 두께를 가지는 알루미늄의 층이 유리하다.
표면 처리들 - 확산 처리들
여하한 표면 처리들이 확산 튜브(4) 내부의 거울 효과를 증폭시키나, 여타 처리들이 명확하게 빛 확산을 개선시킬 수 있다고 보여졌다.
따라서, 유리하게 확산 튜브(4)의 외면은 빛 확산을 개선시키는 증가된 거칠기(9)를 갖는다. 특히, 적용된 거칠기는 사용된 빛의 파장과 비슷하거나 더 큰 크기(scale)들의 거칠기를 지칭한다.
예를 들어, 이는 마모, 화학적 침식, PMMA의 연화 온도의 부근에서의 몰딩(molding), 또는 레이저에 의한 에칭(etching) 등에 의해 얻어지는 거칠기이다. 첫번째 처리(반-반사) 및 두번째 처리는 개별적으로 사용될 수 있거나, 예를 들어 확산 튜브(4)로부터의 빛의 플럭스를 최적화할 수 있는, 거칠게 만들어진 확산 튜브(4) 상에 반-반사층(8)을 침착시킴으로써 동시에 사용될 수 있다. 거칠기(9)와 반-반사 내부층(7)이 조합된 확산 튜브(4)를, 도 1d에 나타낸다.
여타 처리에 의해서, 광원으로부터 더욱더 멀어지는 광속의 손실을 보충하기 위하여 LED(2)로부터 멀어지면, 거칠기의 정도는 증가시킬 수 있다. 확산 튜브(4)를 따라 이동하는 경우의 출력 플럭스 항상성(output flux constancy)의 최적화뿐만 아니라, 광 확산 튜브(4) 내에서의 플럭스의 점진적인 손실에 대한 최적화는, 확산 튜브(4)의 길이에 두 배 이상의 빛의 거의-전체적인 감쇠(광원으로 되돌아오는 광출력이 아님)를 목적으로 한다. 따라서, 유리하게, LED(2) 반대편 확산 튜브(4)의 말단에 거울(42)이 제공된다.
거리 중간에서[전체 경로가 왕복형태(round-trip)이므로, 확산 튜브(4)의 길이], 빛이 되돌아오고, 이는 "발산(outbound)" 과정(journey) 상에서 LED(2)로부터 멀어지는 경우에 튜브로부터 추출된 빛의 손실을 보충할 수 있다. 유리하게, 이러한 거울은 미리결정된 각도에 따라서 기울여질 수 있거나, 더욱더 예를 들어 원뿔 형태를 취함으로써 형성될 수 있다(도 1a를 참조). 또한, 거울(42)의 기하학적 구조에 대한 다양한 예시들은 도 1a 내지 도 1d에서 볼 수 있다. LED(2)로부터의 거리에 따른 다양한 두께의 반-반사층들(7, 8)의 사용은 광 추출을 최적화하는데 있어서 추가적인 자유도를 구성한다는 점에 주목한다.
더욱더, 반응기의 유체역학(물 또는 기포들의 흐름)을 고려하기 위하여, LED(2) 반대편의 확산 튜브(4)의 말단은 하기에서 볼 수 있는 것과 같이, [스파징(sparging) 영역 내에서] 물 또는 기포들의 흐름을 용이하게 하기 위하여 콘형 또는 돔형이라는 점에 주목한다. 만약 이중벽 튜브가 사용되면, 이의 말단은 반드시 콘형 또는 돔형이어야 한다.
확산 튜브들의 여타 개선들
바람직한 방식으로, 확산 튜브(4)의 외면은 보호 덮개(10)로 캡슐화된다. 캡슐화는 본래 부식성인 배양 배지(3)의 반-반사층(8)을 특히 보호하는데 필수적인 역할을 한다.
만약 확산 튜브(4)의 외면이 인공적으로 거칠기(9)를 가진다면, 미세조류의 부착을 증가시킨다는 점에 주목되며, 이는 또한 확산 튜브(4)를 캡슐화하는 것이 바람직한 이유이다.
보호 덮개(10)는, 조류 부착이 가능한 약하게, 매끄럽고 투명한 재료(예를 들어, 한번 더 PMMA, 폴리카보네이트, 결정 폴리스티렌 등과 같은 플라스틱)으로 만들어져야 한다.
거칠기(9)의 경우에, 거칠기에 의한 확산 효과를 얻기 위하여 빛의 통과시에 인덱스의 손상(break)이 일어나는 것이 필연적이라는 점에 주목한다. 따라서, 덮개(10)에 대하여 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 낮은 인덱스를 갖는 재료를 선택, 또는 덮개(10)와 확산 튜브(4)의 심한-거칠기(highly-rough)[9] 사이에 에어 갭이나 상기의 거칠기(9) 정도보다 훨씬 더 큰 거칠기(10배 이상)를 유리하게 가지는 공기 상에서 빛이 가로지르는 거리를 마련하는 것 둘 중 하나가 필수적이다.
일반적으로, 본 발명은 여하한 특정 실시형태로 제한되지 않을 것이며, 만약 존재한다면 외부 및/또는 내부에 가능한 여하한의 조합들의 반-반사층들 또는 거칠기에 관한 것일 수 있다. 또한, 특히 상이한 인덱스들을 가지는 몇몇의 재료들을 조합할 수 있고, 상기 다양한 재료들을 동심형(concentric) 다층들로 조립할 수 있다. 본 기술분야의 전문가는 광생물반응기에 대하여 선택되는 생산 특성들에 따른 이러한 모든 선택사항들[조류 농도, 확산 튜브(4) 밀도, 원하는 수율, 원하는 비용 등]을 채택할 수 있을 것이다.
덮개(이중 튜브 또는 캡슐화)가 외부의 광 튜브의 청소 시스템을 미리 마련해 둘 수 있다는 점을 하기에서 나타날 것이다.
냉각 시스템
바람직하게, 사용되는 HPLEDs는 설명된 바와 같이 거의 25 %의 출력을 갖는다, 즉 공급된 전력의 75 %가 열로 소멸된다.
다시 말해서, LEDs(2)의 사용은 상당한 열의 배출을 요구하며, 이는 광생물반응기가 유리하게 LED(2) 냉각 시스템(12)을 포함하는 이유이다.
예를 들어, LEDs(2)는 수 제곱 센티미터의 금속 지지체 상에 조립되고, 상기 금속 지지체는 열 파이프(heat pipe)로 불리는 냉각 시스템(12)과 직접 접촉하여 위치될 것이며, 두 개의 금속 판들로 이루어지고, 상기 두 개의 금속 판들 사이에서 높은 열 전도율을 가지는 액체, 펄스화된 에어(pulsed air), 물 또는 여타의 것들이 순환된다. 또한, 공기 또는 물에 의해 냉각되는 개별적인 라디에이터(radiator)들이 미리 마련될 수 있으며, 도 3에 나타낸다. 부재(Element)들인 (121) 및 (122)은 각각 냉각수의 유입구와 유출구에 대응한다. 각각의 라디에이터들의 경우에, 이들은 연속적으로 및/또는 평행하게 접촉하도록 예상될 수 있다. 냉각수의 유속은 LEDs의 기저에서 측정되는 온도에 의해 제어된다.
이러한 경우의 LED(2)는 확산 튜브(4)의 최상부에서의 기저부 상에 조립되고, 이의 열 파이프(12)와 접촉한다. 이의 구형 방출 측면은 광 확산 튜브(4)와 접촉한다(만약 확산 튜브가 고체이면 구형 홀이 만들어지고, 상기 홀은 유리하게 광학용 그리스로 충진된다).
대안적으로, 만약 배양 배지로부터 수 센티미터의 LEDs 및 이들의 전기 연결들이 떨어져 있는 것이 바람직하다면, 몇 센티미터의 길이의 손실-없는 광 유도(원통형 거울)가 확산 튜브(4)의 말단에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 유도는 내부가 거울로 감싼 원뿔대일 수 있다.
청소용 스크레이퍼
보호 덮개(10)가 미리 마련되어도, 조류는 이에 부착될 것이다. 따라서, 청소 시스템을 미리 마련하는 것이 유리하고, 이는 확산 튜브(4)가 덮개(10) 주위에 청소용 스크레이퍼(11)를 유리하게 포함하는 이유이다.
도 3에서도 볼 수 있듯, 예를 들어 청소용 스크레이퍼(11)는 확산 튜브의 상부(upper part)에 확산 튜브(4) 주위에 고무로 된 O형 고리(O-ring)로 이루어진다. 확산 튜브(4)가 (최상부로 당겨지면서) 빠지면, 조인트(joint)는 조류 침착물들을 긁어낸다.
광생물반응기의 기하학적 구조
광생물반응기의 배양 밀봉체(1)의 크기는 수 리터 내지 수 백의 입방 미터의 범위로 상당히 다양할 수 있다. 일반적으로, 배양 밀봉체(1)의 일반적인 기하학적 구조는 평행육면체형(도 4) 또는 원통형(도 5)이나, 아마 압력 저항성에 대한 경계 효과들 및 건설비들에 관한 효과를 제외하고는 효과가 없거나 거의 없다. 더욱더, 광생물반응기는 단 하나 또는 다수의 배양 밀봉체(1)들을 포함할 수 있으나, 본 발명은 여하한 크기 또는 기하학적 구조로 제한되지 않는다.
평행육면체형 광 확산기(4)들의 경우에, 배양 밀봉체는 도 6에 나타낸 바와 같이, 또한 바람직하게 평행육면체형이다. 이러한 예시에서 광원(2)들 [그리고 따라서 열 파이프(12)들]은 광생물반응기의 측면들 상에 위치되고, 대칭적인 배치가 유도 중의 빛의 플럭스를 증가시키나, 절대적으로 필요하지는 않다는 점에 주목한다. 반면에, 이는 두 개의 상이한 파장들에 의해 쉽게 조명될 수 있도록 한다.
예를 들어, 1 ㎥의 최종 부피[배양 배지(3)의 부피 + 확산 튜브(4)들의 부피]를 가지는, 도 4에 따른 단일 입방 밀봉 배양체(1)를 포함하는 광생물반응기에 대한 설명이 계속된다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기에 설명된 선택되는 광 확산 튜브(4)들은 배양 밀봉체(1)의 전체 높이를 조명하기 위하여 대략 1 m이고, 이들의 전체 높이를 따라 일정한 플럭스를 방출하도록 최적화된다. 만약 광원들이 측면에 있다면, 배양 밀봉체의 너비가 고려되어야 한다.
배양 밀봉체 부피(1) 내의 확산 튜브(4)들의 배열은 배양 배지(3) 내에 방출된 빛의 플럭스에 대한 전반적인 균일화를 목적으로 한다. 세기가 거의-균일한 빛의 "배스(bath)"를 가지도록 파라미터(parameter)를 결정하는 것(dimensioning)이 빛의 "유효 투과 깊이(
Figure pct00001
)"이다.
도입부에 언급된, 이러한 파라미터는 "특유의 투과 깊이(
Figure pct00002
)"[이는 배양 배지 말단에서 입사된 광속(luminous incidental flux)이 e=2.71828로 나눠지는 배양 배지의 길이], 및 "생산 주기 유발(trigger) 한계치"로 불리는 빛 세기의 한계치(
Figure pct00003
)[이는 캘빈 회로(Calvin cycle)의 활성화를 포함]로부터 정의된다. 실제로, 캘빈 회로는 광합성 동안 유기체들의 엽록체들 내에서 일어나는 일련의 생화학적 반응들이다. 광자들의 몰(moles)/m2/s로 나타내는 유발 한계치는 미생물들에 의한 바이오매스 생산을 개시하기 위한 최소 수준의 광속에 대응한다. 전형적으로, 이는 [예를 들어 Nannochloris 속의] 미세조류의 경우에 50 μmolㆍm-2ㆍs-1의 "적색" 광자들(대략 650 nm의 파장)이다.
정보의 목적으로, 광합성 포화 한계치가 또한 발견되고, 한계치 이상에서 바이오매스 생산 속도는 더 이상 증가하지 않으며, 오히려 강한 세기들에서 미세 조류의 파괴에 의해 감소한다.
Figure pct00004
는 빛 세기의 한계치
Figure pct00005
이하로 떨어진 광속을 넘어선 거리로서 정의된다.
비어-람베르트 법칙(Beer-Lambert law)은 입사 광속
Figure pct00006
을 생산하는 광원의 거리 x에서의 광속을 나타낼 수 있게 한다:
Figure pct00007
.
여기서
Figure pct00008
이고,
Figure pct00009
이다.
Figure pct00010
는 미세조류 농도에 반비례하고, 농도가 고정된 경우에 이는 미세조류 종들에 의해 결정된다.
Figure pct00011
를 넘어선 광원으로부터의 거리에 위치한 지점은 유기물을 생산하는데 충분한 광자들을 받지 않는다는 점을 고려한다. 다시 말해서, 이는 배양 배지(3)의 각 지점이 평균적으로 확산 튜브(4)로부터
Figure pct00012
보다 짧은 거리에 있어야 한다는 것을 의미한다. 따라서, 두 개의 튜브들 간의 평균 거리는 유리하게 대략 2
Figure pct00013
이다.
이러한 접근법을 채택하여, 제 1의 가능한 배치는 사각형 네트워크(square network)의 확산 튜브(4)들을 생성하도록 이루어진다. 예시로서 튜브 직경이 d=
Figure pct00014
=10 mm라고 가정하면, 따라서 1 ㎥의 정육면체의 배양 밀봉체(1)는 1,089(33x33) 광 확산 튜브(4)들로 채워진다.
실제로는, 이러한 스태킹이 조명되는 부피의 관점에서 필연적으로 최적이지는 않았고, 시뮬레이션들은 모든 여타 라인(line)을
Figure pct00015
+ d/2 만큼 이동시키는 것이 바람직하다는 것을 나타낸다. 이러한 배치(육각형의 네트워크)에서, 배양 밀봉체(1)는 이후에 1,270 확산 튜브(4)들로 채워진다.
더 정확히 말하면, 빛의 "배스"(세기의 역학 관계 및 세기)의 최적화는 계산을 이용하여 수행되어야만 한다. 빛의 세기에 대한 국소의 편차 및 배스에 대한 평균 조명 세기를 설정함으로써, 확산 튜브(4)들의 최적 표면이 각각의 LED(2)에 의해 주입되는 주어진 광출력에 대하여 결정될 수 있고, 여기서부터는 최적 직경이다.
배양 배지의 순환 시스템: 기포 발생기
더욱더, 광생물반응기의 동적 작동은, 광생물반응기의 바닥에 가압된 기체를 (선택적으로 영양소들과 함께) 유리하게 주입하는 것을 전제로 한다. 특히 "스파저(sparger)"로 불리는 장치를 통한 이러한 주입은 기포들의 줄기의 발생을 야기하고, 이는 생물학적 액체가 떠오르도록 야기한다. 따라서, 광생물반응기는 유리하게 배양 배지(3)의 바닥에 배열되는 기포 발생 시스템(13)을 포함한다.
도 4 및 도 5는 기포 발생(sparging) 시스템(13)의 다양한 기하학적 구조들을 나타내고, 이는 배양 배지(3)의 바닥에 제어된 방식으로 이러한 기포들을 주입할 수 있다.
이러한 전형적인 원리에 따라 작동하는 반응기들은 에어-리프트(air-lift) 반응기들로 불리운다. 위쪽을 향한 방향(이후에 아래쪽을 향한 방향)으로 배향되긴 하나, 액체의 주된 흐름은 미세조류가 가로로 확산 튜브(4)들 사이에 "확산"되도록 한다. 따라서, 이동시킴으로써 미세조류는 가변 광을 흡수하며, 이는 이러한 방향에서 확산 튜브(4)들로부터 멀어지는 경우 빛의 감소 프로파일이 기하급수적이기 때문이다. 따라서, 미세조류는 파장
Figure pct00016
에서 평균 전력을 받아들인다. 각각의 미세조류에 의해 받아들인 빛에 대한 양의 이러한 "평균화(averaging)"의 효과는, 두 개의 확산 튜브(4)들 사이의 미세조류에 대한 확산 시간이 조류의 생활 주기에 관하여 매우 짧고 바람직하게는 배양 밀봉체(1) 내의 미세조류의 상승(ascent) (또는 하강) 시간이라는 점이다.
일반적으로, 에어-리프트 작동은 배양 배지(3)의 상승 흐름(ascending flow) 및 확실하게 하강 흐름(downward flow)을 전제로 한다. 유체가 떠오르는 부분(rising portion)의 바닥에 주입된다. 개략적으로, 배양 밀봉체(1)는 상승 및 하강하는, 두 개의 동등한 별개의 부분들로 분리될 수 있고, 상승하는 정류(flow)와 하강하는 역류(counter-flow)는 조명 핑거들의 동일한 방법에 의해 조명된다. 액체 흐름 구성의 최적화는 광색물반응기의 배양 밀봉체(1)의 여타 부분들을 N 상승 블럭(ascending block)들, M 하강 블럭(descending block)들이 되게하거나, 배양 밀봉체(1)의 바닥에 배열되고 확산 튜브(4)들 사이에 위치되는 튜브들을 사용함으로써 야기될 수 있다.
빛 확산 요소(4)들에 대한 기술은 이들의 기하학적 구조에 상관없이 원칙적으로 평행육면체형 또는 원통형뿐만 아니라 여하한 형태의 배양 밀봉체(1)를 허용할 수 있다는 점에 주목할 것이다.
그러나, 배양 밀봉체(1)의 스태킹은 평행육면체형들의 경우에 더 쉽고, 공간을 최적화할 수 있다. 원통형 밀봉체의 경우, 동심형 스파저(13)들과 관련된(도 5 참조), 상승 흐름 및 하강 흐름의 유체 역학은 다루는데 더욱 세심한 주의가 필요하다.
본 발명의 광생물반응기에서, 정류 및 역류[상승 흐름 및 하강 흐름] 사이의 인터페이스를 확대시키는 것이 확산 튜브(4)들의 두 개의 면들 사이의 간격을 초과하지 않는다는 것을 나타낸다. 이러한 인터페이스는 스파징 영역(sparging zone)들의 경계에서 자연스럽게 자리 잡는다.
더욱이, 설명된 바와 같이, 광생물반응기는 "연속" 모드로 작동한다. 실제로, 미세조류 밀도는 동일한 빛의 투과 깊이를 유지하기 위하여 일정하게 유지되는 것이 필수적이고, 그러므로 농도는 액체를 연속적으로 샘플링(sampling)하고, 동일한 양의 물의 일부분을 역으로 주입하며, 선택적으로 영향소들을 풍부하게 함으로써 안정화된다. 특히, 이러한 방법은 특허 출원 FR1050015에 설명된다.
실제로, 광생물반응기는 다양한 조절 시스템(regulation system)들을 포함할 수 있다. 이러한 시스템들은 주어진 기하학적 구조에 대하여, 특히 놓여진 확산 요소에 관하여 연속적으로 작동해야하므로, 최적의 조류 밀도는 고정 레짐(stationary regime) 내에서 제어되어야 한다. 이러한 측정은 생물학적 환경의 광학 밀도를 포함한다.
미세조류 성장을 최적화하는데 중대한 여타 파라미터들은 pH, 온도 등에 대하여 연속적인 측정들의 대상일 수 있다.
일반적으로, 이러한 파라미터들은 최적의 작동을 보증하는 설명서에 따라서 설정될 것이다.
광생물반응기의 용도
제 2 측면에 따라서, 본 발명은 광합성 미생물들, 바람직하게는 미세조류를 배양하기 위한, 본 발명의 제 1 측면에 따른 광생물반응기의 용도에 관한 것이다.
상기 용도는 에너지(바이오연료 생산), 산업(안료 생산), 농식품(오메가-3 및 다중불포화지방산 생산), 오염 방지(이산화탄소, NOx 및/또는 SOx 배출물들의 정제) 및 심지어 약제학적 약제(mass pharmaceuticals)에 관한 적용들에 관한 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기에 설명된 바와 같이 광원(2)에 의해 방출되는 광자들을 모으고, 광생물반응기의 배양 배지를 조명하기 위하여 광자들을 배양 배지의 측면으로 되돌아가도록 광학적으로 광원(2)과 커플링된 원통형 또는 각기둥형 광 확산 요소(4)의 용도에 관한 것이다. 광 확산 요소(4)는 상기에 설명된 모든 실시형태의 대상일 수 있다.
수치적 예시
파라미터들:
ㆍ 확산 튜브들(10 mm 직경);
ㆍ 정육면체의 밀봉체(1)[각 면이 1 m];
ㆍ 10 W의 전력 또는 2.5 W의 광 출력(650 nm 파장)을 가지는 LED(2)들;
ㆍ 특유의 투과 깊이
Figure pct00017
=3.8 mm(108 세포들/ml의 농도);
ㆍ 단위 질량 10-11 g(따라서, 1 g/ℓ의 생물학적 질량)의 Nannochloris 속의 조류, 유효 한계치
Figure pct00018
= 50 μmolㆍm-2ㆍs-1;
ㆍ "정사각형" 배열의 광 튜브들.
확산 튜브(4)들이 배양 밀봉체(1)의 치수와 동일한 1 m의 길이를 갖는다고 생각하면, 확산 튜브(4) 당 314 ㎠의 측면을 갖는다고 계산된다. 2.5 W의 광 출력이 주입되고, 상기에 설명된 바와 같이 확산 튜브(4)가 이 전력을 균일하게 확산시킨다고 생각하면, 광속, 즉 단위 면적 당 배지에 전달되는 광 출력은 (튜브 표면 상에서) 79.62 W/㎡ 또는 432 μmolㆍm-2ㆍs-1이다.
이러한 수치는 이제 광자들의 몰(moles)/m2/s로 변환해야 한다. 실제로, 광자의 에너지는 플랑크 상수(h):
Figure pct00019
에 의해 이의 진동수
Figure pct00020
(이의 파장의 역과 빛의 속도의 곱)에 관한 것이다. 따라서, 650 nm의 파장에서의 1 몰의 광자들(아보가드로 상수에 따라 6.02ㆍ1023개의 광자들)는 173.9 kJ의 에너지를 갖는다.
이로부터 입사 광속이 432 μmolㆍm-2ㆍs- 1라고 추론된다.
상기 설명에 언급된 식을 사용함으로써, 유효 길이
Figure pct00021
=8.5 mm가 얻어진다.
상기에 설명된 정사각형 배열은 두 개의 연속적인 확산 튜브(4)들 사이에 2
Figure pct00022
의 차이를 예상하므로, 정육면체 밀봉체(1) 내에 1,369(37x37)까지의 확산 튜브(4)들을 위치시킬 수 있다.
총 조명 면적은 따라서 43 ㎡이고, LED(2)들의 순간(instantaneous) 전력 소비량은 따라서 소멸되는 10.28 kWth를 포함하여 13.7 kW이다.
배양 밀봉체(1) 내의 배양 배지(3)의 부피는 1369 확산 튜브(4)들의 부피보다 작은 총 1 ㎥의 부피에 대응한다. 이는 0.89 ㎥이다. "유효하게", 즉 각각의 확산 튜브(4) 둘레에 너비
Figure pct00023
의 원 내로 조명되는 부피는 0.67 ㎥로 계산될 수 있다.
연속적인 작동을 전제로 한다는 원칙을 바탕으로 하면, "유효하게 조명되는" 미세조류의 질량은 12시간 마다 두 배가 되고, 1 ㎥의 배양 밀봉체를 가지는 광생물반응기에 대하여 0.94 kg/일(day) 생산이 얻어지며, 동시에 329 kWh/d의 전력을 소비한다.
1 ㎡의 조명 면적 및 1 ㎥의 부피에 관하여, 반응기의 원래의 효율성(raw efficiency)이 43배 증가되고, 반응기의 유체역학을 고려한 숫자에 2가 곱해지는데, 이는 여기서 조명되는 부피에 계수
Figure pct00024
가 곱해지는 것으로 여겨지기 때문이라는 점에 주목한다.

Claims (24)

  1. 광합성 미생물들, 바람직하게는 미세조류의 특히 연속적인 배양을 위하여 의도된 광생물반응기에 있어서,
    미생물 배양 배지(3)를 함유하도록 의도된 하나 이상의 배양 밀봉체(1), 및 상기 배양 밀봉체(1) 외부에 하나 이상의 광원(2)을 포함하고,
    상기 배양 밀봉체(1) 내부에 위치되는 하나 이상의 원통형 또는 각기둥형의 광 확산 요소(4)를 더 포함하고, 상기 광 확산 요소(4)가 상기 광원(2)으로부터 방출되는 광자들을 모으고 광자들을 배양 배지의 측면에 의해 상기 배양 배지(3)로 되돌아오도록 광학적으로 상기 광원(2)과 커플링(coupled)되는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 학산 요소(4)가, 상기 광원(2)이 위치된 말단에서 빛을 흡수하지 않는 투명한 재료로 만들어진 고체 요소인 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광 학산 요소(4)가 부분적으로 확산 재료로 만들어진 내포체(inclusion)들(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 광원(2)과 상기 광 확산 요소(4) 사이의 경계면(interface)이 광자 전달을 향상시키는 광학용 그리스(grease)로 처리되는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 확산 요소(4)가, 상기 광원(2)이 위치된 말단에서 투명한 재료로 만들어진 중공 요소(hollow element)인 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    반-반사층(semi-reflective layer)[7]이 상기 광 확산 요소(4)의 내부에 배열되는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    반-반사층(8)이 상기 확산 요소(4)의 외부에 배열되는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 반-반사층들(7, 8)이 상기 확산 요소(4)를 포함하는 재료의 광학 인덱스(optical index)보다 더 큰 광학 인덱스를 가지는, 금속 또는 금속 산화 물질, 바람직하게는 알루미늄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반-반사층들(7, 8)의 두께가 상기 광원(2)으로부터의 거리에 따라 감소되는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 확산 요소(4)가 폴리(메틸 메타크릴레이트)로 만들지는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원(2)이 준-점형 광원(quasi-punctual source)이고, 상기 광 확산 요소(4)가 확산 튜브인 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원(2)이 선형 광원(linear source)이고, 상기 광 확산 요소(4)가 평행육면체형 확산기(parallelepiped diffuser)인 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  13. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 광원(2)이 준-점형으로 분포되거나 스트립(strip)들 내에 분포되는 발광 다이오드(LED) (또는 발광 다이오드들의 세트), 바람직하게는 고출력 발광 다이오드(HPLED), 또는 HPLEDs의 세트인 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    수렴 렌즈(5)가 상기 LED(2)와 상기 광 확산 요소(4) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    내부가 반사형(reflective)인 광학 시스템(41)이 상기 LED(2)를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원(2) 반대편의 상기 광 확산 요소(4)의 말단이 거울(42)과 함께 제공되는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원(2) 반대편의 상기 광 확산 요소(4)의 말단이 콘-형(cone-shaped) 또는 돔-형(dome-shaped)인 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 확산 요소(4)의 외면이 광 확산을 개선시키는데 적합한 거칠기(roughness)[9]를 가지는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 확산 요소(4)의 외면이 보호 덮개(protective sheath)[10]로 캡슐화(encapsulated)되는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 확산 요소(4)가 상기 덮개(10)를 둘러싸는 청소용 스크레이퍼(cleaning scraper)[11]를 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원(2)들에 대한 냉각 시스템(12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배양 배지(3)의 바닥에 기포(bubble) 발생 시스템(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  23. 광합성 미생물들, 바람직하게는 미세조류를 배양하기 위한 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항의 광생물반응기의 용도.
  24. 광원(2)에 의해 방출되는 광자들을 모으고 광생물반응기의 배양 배지를 조명하기 위하여 상기 광자들을 배양 배지의 측면으로 되돌아가도록, 광학적으로 광원(2)과 커플링된 원통형 또는 각기둥형 광 확산 요소(4)의 용도.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160015137A (ko) * 2014-07-30 2016-02-12 에스케이이노베이션 주식회사 광합성 자기영양 생물 배양을 위한 광생물 반응기용 광튜브
KR20160102729A (ko) * 2015-02-23 2016-08-31 에스케이이노베이션 주식회사 플레넬 렌즈를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브
KR20160102728A (ko) * 2015-02-23 2016-08-31 에스케이이노베이션 주식회사 다양한 형상의 집광부를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170161802A9 (en) * 2013-03-18 2017-06-08 Intellectual Property Management Pty Ltd A wip management system
KR101500443B1 (ko) * 2013-08-05 2015-03-09 (주)해늘 미세조류의 배양을 위한 광생물 배양기
CN104611221A (zh) * 2014-07-14 2015-05-13 安徽省农业科学院水产研究所 一种封闭跑道池式光生物反应器
JP2018501956A (ja) 2014-11-07 2018-01-25 ビクター ウィルソン トリスタン 大型藻類を用いるバイオリアクター
FR3028917A1 (fr) * 2014-11-26 2016-05-27 Friederich Alain Louis Andre Element injecteur de lumiere
FR3028918A1 (fr) * 2014-11-26 2016-05-27 Friederich Alain Louis Andre Element injecteur de lumiere a energie repartie
FR3029209B1 (fr) * 2014-12-02 2018-02-09 Sunoleo Dispositif de production d'une culture photosynthetique au moyen d'un photo-bioreacteur et d'au moins un distributeur de lumiere.
WO2017019984A1 (en) 2015-07-29 2017-02-02 Avespa Holdings, Llc Light emitting diode photobioreactors and methods of use
US10272857B2 (en) 2015-08-17 2019-04-30 Magna Electronics Inc. Vehicle camera assembly
CN108291183A (zh) * 2015-11-20 2018-07-17 康宁股份有限公司 用于生物实体生长的照明容器
CN105462816B (zh) * 2015-12-09 2018-08-17 重庆大学 利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器
IT201600081222A1 (it) * 2016-08-02 2018-02-02 Biosyntex S R L Impianto e metodo per la produzione di alghe
CN107164217A (zh) * 2017-07-07 2017-09-15 苏州富园生物科技有限公司 一种高效微藻光反应装置
DE102017214122A1 (de) * 2017-08-14 2019-02-14 Osram Gmbh Kammer für einen Photobioreaktor
FR3075815B1 (fr) * 2017-12-22 2020-08-07 Suez Groupe Photobioreacteur
DE102018108323B4 (de) 2018-04-09 2020-07-09 Schott Ag Vorrichtung zur Halterung einer bilderfassenden Einrichtung an einem Bioreaktor, Bioreaktor mit Vorrichtung zur Halterung einer bilderfassenden Einrichtung sowie Verfahren zur Vermehrung oder Kultivierung biologischen Materials
DE102018108327A1 (de) * 2018-04-09 2019-10-10 Schott Ag Photobioreaktor mit Vorrichtung zur Abgabe elektromagnetischer Strahlung, Vorrichtung zur Abgabe elektromagnetischer Strahlung sowie Verfahren zur Vermehrung oder Kultivierung biologischen Materials, Verfahren zum Präparieren von biologischem Material und/oder Herstellen von Pharmazeutika, insbesondere Biopharmazeutika
IT201800010479A1 (it) * 2018-11-21 2020-05-21 Torino Politecnico Apparecchiatura e metodo per l’accrescimento di microrganismi fotosintetici e la biofissazione di biossido di carbonio mediante diffusore ottico ad alta efficienza a spettro e intensità variabile
GB201904561D0 (en) * 2019-04-01 2019-05-15 Walker Nicholas Simon Remote ligh source algae lighting tube for volume cultivation medium illumination
US20210079335A1 (en) * 2019-09-16 2021-03-18 Homebiotic, Inc. Apparatus and method for enhancing sporulation of bacteria
FR3103497A1 (fr) * 2019-11-22 2021-05-28 Ifremer Systeme et methode de culture de souches de phytoplancton
CN111394225B (zh) * 2020-03-27 2021-03-26 上海天智绿色食品有限公司 一种微生物连续发酵系统以及连接发酵方法
JP2023526680A (ja) * 2020-05-22 2023-06-22 ブライトウェーブ・パートナーズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー 内部照射型バイオリアクタ
CN113735267A (zh) * 2020-05-29 2021-12-03 中国石油化工股份有限公司 含硝酸根离子废水的处理方法
CN113735266A (zh) * 2020-05-29 2021-12-03 中国石油化工股份有限公司 含硝酸根离子废水的处理方法
CN112920952A (zh) * 2021-03-25 2021-06-08 广东轻工职业技术学院 光合生物培养装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1987002217A1 (en) * 1985-10-16 1987-04-23 Applied Agricultural Research Limited Improved cloche
JPH0595779A (ja) * 1991-10-08 1993-04-20 Ebara Infilco Co Ltd 培養装置
JPH08262232A (ja) * 1995-03-28 1996-10-11 Chikyu Kankyo Sangyo Gijutsu Kenkyu Kiko 発光担体
US20090148931A1 (en) * 2007-08-01 2009-06-11 Bionavitas, Inc. Illumination systems, devices, and methods for biomass production
WO2010025345A2 (en) * 2008-08-28 2010-03-04 Innovative American Technology Inc. Semi-closed loop alga-diesel fuel photobioreactor using waste water

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1050015A (fr) 1952-01-30 1954-01-05 Labinal Ets Perfectionnements apportés aux appareils du genre des rêgulateurs de tension pour machines électriques
JPS58101683A (ja) * 1981-12-10 1983-06-16 Takashi Mori 光合成装置
DE3278766D1 (en) * 1981-12-03 1988-08-18 Kei Mori Apparatus for photosynthesis
JPS59125890A (ja) * 1982-12-24 1984-07-20 Takashi Mori 光合成反応装置
US4676956A (en) * 1982-12-24 1987-06-30 Kei Mori Apparatus for photosynthesis
DE3600634A1 (de) * 1985-09-04 1987-03-12 Lutz Dr Schimmelpfeng Verfahren zur durchfuehrung lichtabhaengiger produktionsprozesse und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
FR2621323B1 (fr) 1987-10-02 1990-06-15 Commissariat Energie Atomique Dispositif de production intensive et controlee de micro-organismes par photosynthese
US5104803A (en) 1988-03-03 1992-04-14 Martek Corporation Photobioreactor
JPH07176A (ja) * 1993-06-18 1995-01-06 Ebara Corp 光合成微生物培養装置
JPH07308185A (ja) * 1994-05-17 1995-11-28 Ebara Corp 微生物付着防止方法及びそれを用いた微生物培養装置
EP0874043A1 (de) 1997-04-10 1998-10-28 Preussag AG Verfahren zur Herstellung von Biomasse mittels Photosynthese
JP3112439B2 (ja) 1997-09-16 2000-11-27 株式会社スピルリナ研究所 藻の製造方法及びその製造装置
JPH11226351A (ja) 1998-02-12 1999-08-24 Spirulina Kenkyusho:Kk 清浄化空気の製造方法及び空気清浄化装置
US6278827B1 (en) * 1998-04-20 2001-08-21 Bridgestone Corporation Light transmission tubes
DE29819259U1 (de) 1998-10-29 1999-11-25 Csoegoer Zsuzsa Neuartiger Lichteintrag in Photo-(Bio-)Reaktoren
JP2000228973A (ja) * 1999-02-10 2000-08-22 Research Institute Of Innovative Technology For The Earth 藻類培養装置
JP3480706B2 (ja) 1999-12-24 2003-12-22 財団法人地球環境産業技術研究機構 軽量発光担体
US20070092962A1 (en) 2005-10-20 2007-04-26 Saudi Arabian Oil Company Carbon Neutralization System (CNS) for CO2 sequestering
US8110395B2 (en) 2006-07-10 2012-02-07 Algae Systems, LLC Photobioreactor systems and methods for treating CO2-enriched gas and producing biomass
KR20090086530A (ko) 2006-10-02 2009-08-13 글로벌 리서치 테크놀로지스, 엘엘씨 공기로부터 이산화탄소를 추출하는 방법 및 장치
US7662616B2 (en) 2006-10-13 2010-02-16 General Atomics Photosynthetic oil production with high carbon dioxide utilization
EP2061869A4 (en) 2006-11-02 2012-10-03 Algenol Biofuels Ltd CLOSED PHOTOBIOREACTOR SYSTEM FOR UNINTERRUPTED DAILY IN-SITU MANUFACTURE, DEPOSITION, COLLECTION AND REMOVAL OF ETHANOL FROM GENETICALLY EXTENDED PHOTOSYNTHETIC ORGANISMS
WO2008060571A2 (en) 2006-11-13 2008-05-22 Aurora Biofuels, Inc. Methods and compositions for production and purification of biofuel from plants and microalgae
DE202007013406U1 (de) 2007-09-25 2007-11-22 Lehr, Florian, Dipl.-Ing. Beleuchtungseinrichtung für Bioreaktoren
DE102007000815A1 (de) * 2007-10-04 2009-04-09 Wacker Chemie Ag Freiluftphotobioreaktor
JP2010004868A (ja) * 2008-05-30 2010-01-14 Ccs Inc 水生光合成生物培養装置
US20110114556A1 (en) * 2009-11-10 2011-05-19 Biovantage Resources, Inc. Soft Fail Algae Growth System and Method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1987002217A1 (en) * 1985-10-16 1987-04-23 Applied Agricultural Research Limited Improved cloche
JPH0595779A (ja) * 1991-10-08 1993-04-20 Ebara Infilco Co Ltd 培養装置
JPH08262232A (ja) * 1995-03-28 1996-10-11 Chikyu Kankyo Sangyo Gijutsu Kenkyu Kiko 発光担体
US20090148931A1 (en) * 2007-08-01 2009-06-11 Bionavitas, Inc. Illumination systems, devices, and methods for biomass production
WO2010025345A2 (en) * 2008-08-28 2010-03-04 Innovative American Technology Inc. Semi-closed loop alga-diesel fuel photobioreactor using waste water

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160015137A (ko) * 2014-07-30 2016-02-12 에스케이이노베이션 주식회사 광합성 자기영양 생물 배양을 위한 광생물 반응기용 광튜브
KR20160102729A (ko) * 2015-02-23 2016-08-31 에스케이이노베이션 주식회사 플레넬 렌즈를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브
KR20160102728A (ko) * 2015-02-23 2016-08-31 에스케이이노베이션 주식회사 다양한 형상의 집광부를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브

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