KR20230015387A

KR20230015387A - 내부 조명 생물반응기

Info

Publication number: KR20230015387A
Application number: KR1020227044209A
Authority: KR
Inventors: 케네쓰 폴 페레티; 티모씨 리 쇼
Original assignee: 브라이트웨이브 파트너스, 엘엘씨
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2023-01-31
Also published as: US20210363476A1; WO2021237015A1; JP2023526680A; AU2021275230A1; US20220119754A1; CA3179083A1; US11214767B2; EP4153717A1

Abstract

수중 재배 조명 상의 발광 다이오드("LED")와 같은 조명 요소에 의해 생성된 열을 관리하도록 구성된 통합 수중 재배 조명 조립체를 이용하는 내부 조명 생물반응기 및 관련 조류 생산 방법이 개시된다. 생물반응기는 외부 쉘, 및 외부 쉘 내에 배치되고 중공 내부 튜브의 둘레 주위에 배치되는 하나 이상의 수중 재배 조명 기구를 포함한다. 조명 요소와 내부 튜브 자체는, 조명 요소에 의해 생성된 빛이 재배 챔버 내부의 조류 배양물을 통과할 수 있도록 하는, 조명 기구의 바람직하게는 투명한 외부 튜브 내에 포함된다. 중공 내부 튜브를 통해 튜브의 상부로부터 하부로, 내부 튜브의 바닥에 있는 배출구로부터, 그리고 가열된 공기의 부력을 통해, 그리고 이에 따라 추가의 기계적 공기 조화 장치 없이, 기구 위쪽으로 안내되는 강제 공기를 사용하여 조명 기구를 냉각시키기 위해 열 관리 시스템이 제공된다. 공기가 조명 요소와 외부 튜브 사이에서 위쪽으로 이동할 때, 공기는 조명 요소로부터 추가적인 열을 끌어낸다. 가열된 공기는 궁극적으로 조명 기구 상부로부터 배출된다. 각각의 조명 기구는 또한 바람직하게, 조명 기구의 외부 튜브의 외부 표면의 자동 세척을 가능하게 하고, 따라서 새로 형성된 조류가 조명 기구에 모이는 것을 방지하며 조류 생산 전반에 걸쳐 조명 기구로부터 조류 배양물로의 지속적인 빛의 흐름을 보장하는 세척 시스템을 포함한다.

Description

내부 조명 생물반응기

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2020년 5월 22일 출원된 "내부 조명 생물반응기(Internally illuminated bioreactor)"라는 명칭의 미국 가출원 제63/028,705호의 이익을 주장하며, 이 출원 전체가 참조로 본원에 포함된다.

본 발명은 일반적으로 바이오매스의 생산 및 수확을 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 조류(algae)의 생산 및 수확을 용이하게 하기 위한 생물반응기 시스템 및 관련 방법에 관한 것이다.

조류 제품에 대한 수요는 조류가 인간 및 동물 식품, 의약품과 기능식품, 및 비타민 공급망의 중요한 구성요소가 되는 시점까지 최근 몇 년 동안 증가했다. 이러한 공급망을 포함하여 더욱 엄격한 품질 관리 및 인증이 필요하다. 조류 재배자는 고품질 조류를 필요로 하며, 이를 산업 규모로 재배할 수 있어야 한다.

이러한 응용을 위해 조류를 재배하려는 시도에서 다양한 시스템 및 방법이 이용되어 왔다. 예를 들어, 야외의 얕은 연못이나 수로에서 조류를 재배하려는 노력이 있었다. 그러나 이러한 야외 재배 시스템은 산업 규모의 요건을 충족하기에는 너무 큰 지리적 공간을 필요로 하고 너무 적은 단위 면적당 생산량을 제공한다. 자원 관리 및 효율성 관점에서, 토지의 가장 효과적인 활용은 여러 가지 이유로 연못이나 수로가 아닌 대형 생물반응기 또는 탱크를 필요로 한다.

야외 재배는 얕은 연못 깊이를 관통하는 태양의 능력에 의해 제한된다. 야외 연못과 수로는 일반적으로 깊이가 76 cm 미만이며, 햇빛은 상부 몇 센티미터만 통과한다. 지구상의 매우 제한된 수의 지역이 대규모 야외 조류 재배에 적합하다. 또한 오염은 끊임없는 위협이며, 바람, 비, 폭풍을 인해 재배자는 자신들의 배양물을 버리고 재배 과정을 다시 시작해야 할 수 있다. 날씨는 재배에 영향을 미치고 잠재적으로 생산성을 낮출 뿐만 아니라, 낮의 길이도 마찬가지로 배양물이 햇빛에 노출되는 것을 제한한다. 이러한 문제로 인해 실외 재배자는 조류 제품에 대한 증가하는 세계적인 수요를 충족하기 위해 필요한 거대한 산업 규모에서 일관되고 예측 가능한 공급을 제공할 수 없다.

마찬가지로, 실내의 생물반응기에서 조류를 재배하려는 노력이 있었다. 예를 들어, 실내 생물반응기 시스템은 대규모 시설을 통해 구불구불 이어지는 일련의 폐쇄형 투명한 튜브로 구성되고 하나 이상의 외부 재배 조명으로 조명을 받는데, 이러한 시스템은 다시 산업 규모의 요건을 충족하지 못하는 문제를 겪고 있다. 현재 조명 기술의 한계로 인해 대형 탱크를 사용하지 못할 수 있다. 그 결과, 오늘날 대형 생물반응기는 일반적으로 투명한 생물반응기 또는 튜브 외부에 배치된 재배 조명으로 외부에서 조명을 받는다. 생물반응기 또는 탱크가 외부에서 조명을 받으면, 빛이 밀도가 높은 배양물을 통과할 수 없다. 이는 생물반응기의 크기와 폭을 제한하는데, 직경이 너무 큰 생물반응기 내부 영역의 조류가 외부 조명으로부터 충분한 빛을 받지 못하기 때문이다.

또한, 생물반응기 재료는 조류 배양물에 도달하는 빛의 양을 변경하거나 제한할 수 있고, 따라서 이러한 생물반응기의 유효 크기를 제한할 수 있다. 또한, 현재 알려진 실내 생물반응기는 일반적으로 조류 배양물을 유리 튜브 외부에 배치된 하나 이상의 재배 조명에 노출시키는 하나 이상의 유리 튜브를 포함한다. 이러한 구조는 증가하는 조류 제품 수요를 충족하는 데 필요한 산업 규모의 능력보다 훨씬 낮은 수준으로 그 규모를 제한한다. 또한, 실내 생물반응기 세척은 일반적으로 세척 과정에서 정기적으로 생산을 중단해야 하므로 더 많은 문제를 야기한다.

생물반응기 내부에서 내부 조명을 사용하려는 시도가 있었던 다른 경우에는 이러한 노력이 제한적인 성공을 거두었다. 내부 조명 조립체를 사용할 때 더 큰 문제가 발생하는데, 조명 기구로부터 생성되는 열이 이들 조명 기구의 온도(및 이에 따라 전반적인 효율과 내구성) 및 배양물의 온도 모두에 악영향을 미칠 수 있고, 따라서 산업 규모에 적합하지 않은 이러한 내부 조명 기구를 위해 복잡한 냉각 시스템을 필요로 한다.

또한, 조류 재배 과정을 온실 가스 완화와 탄소 포집 및 활용에 적용하려는 노력이 이전에 있었지만, 조류 재배에 대한 현재 접근 방식은 확장 가능하지 않으며 이러한 적용에는 효율적이지 않다. 보다 구체적으로, 완화에 대한 현재의 실외 접근 방식은 대체로 비용이 많이 들고 비효율적이다. 수성 CO₂의 도입은 비용이 많이 드는 선행 분리 및 액화 공정을 필요로 하는 반면, 기체 CO₂는 CO₂를 조류 배양물로 적절하게 옮기기에 충분한 배양 깊이/높이를 필요로 한다. 얕은 연못은 도저히 이러한 깊이를 제공할 수 없다. 마찬가지로, 현재의 실내 접근 방식은 많은 양의 CO₂를 소비하기 위해 24/7/365 기준으로 지속적으로 조류를 재배할 수 있는 규모가 없으며, 일반적으로 세척을 위해 생산 중단을 필요로 한다.

따라서, 조류 제품에 대한 현재 및 미래의 세계적인 수요를 충족시키기 위해 필요한 산업 규모로 조류를 용이하게 생산할 수 있고, 특히 이전에 알려진 생물반응기 시스템 및 방법보다 덜 복잡하고 더 쉽게 구현되는 시스템 및 방법을 이용하여 주어진 공간에 대한 조류 생산을 최대화하는, 조류의 생산 및 수확을 용이하게 하기 위한 생물반응기 시스템 및 관련 방법에 대한 본 기술 분야의 필요성이 남아 있다.

선행 기술의 조류 생산 시스템 및 방법의 하나 이상의 단점을 피하는 내부 조명 생물반응기 및 관련 조류 생산 방법이 본원에 개시된다. 실시형태의 특정 양태에 따르면, 수중 재배 조명 상의 발광 다이오드("LED")와 같은 조명 요소에 의해 생성된 열을 효율적이고 효과적으로 관리하고, 이들 조명 요소에 의해 생성된 열이 주변 조류 배양물 또는 조명 요소 자체에 악영향을 미치지 않도록 하는, 통합 수중 재배 조명을 갖는 내부 조명 생물반응기가 제공된다.

특히 바람직한 실시형태와 관련하여, 내부 조명 생물반응기는 외부 쉘(outer shell), 및 조명 기구로부터 외부 쉘 내부의 조류 재배 챔버로 빛을 안내하기 위해 외부 쉘 내부에 배치되는 하나 이상의 수중 재배 조명 기구를 포함한다. 조명 기구는 바람직하게, 재배 챔버 내로 빛을 투사하여 재배 챔버 내의 조류의 성장을 자극시키기 위해 중공 내부 튜브의 둘레 주위에 배치되는, LED 칩 조립체와 같은, 수직 조명 요소의 배열을 포함한다. 조명 요소와 내부 튜브 자체는, 조명 요소에 의해 생성된 빛이 재배 챔버 내부의 조류 배양물을 통과할 수 있도록 하는, 조명 기구의 바람직하게는 투명한 외부 튜브 내에 포함된다. 조명 요소에 의해 생성된 열이 재배 챔버 내부의 조류 배양물에 악영향을 미치지 않도록 하기 위해, 복잡한 공기 조화 장치의 필요성을 최소화하면서 조명 기구를 효과적으로 냉각하는 열 관리 시스템이 제공된다. 보다 구체적으로, 강제 공기는 중공 내부 튜브를 통해 튜브의 상부로부터 하부로 안내되고, 내부 튜브의 바닥에 있는 하나 이상의 배출구를 통해 내부 튜브를 빠져나간다. 공기는 내부 튜브의 내부를 통해 이동하면서 가열되고, 따라서 내부 튜브 외부에 장착된 조명 요소로부터 열을 제거한다. 가열된 공기(온기)가 내부 튜브의 바닥 배출구를 통해 빠져나간 후, 가열된 공기는 가열된 공기의 부력을 통해, 그리고 이에 따라 추가의 기계적 공기 조화 장치 없이, 조명 기구의 외부 튜브와 조명 요소 사이에서 위쪽으로 이동한다. 공기가 조명 요소와 외부 튜브 사이에서 위쪽으로 이동할 때, 공기는 조명 요소로부터 추가적인 열을 끌어낸다. 가열된 공기는 궁극적으로 조명 기구 상부로부터 배출된다. 각각의 조명 기구는 또한 바람직하게, 조명 기구의 외부 튜브의 외부 표면의 자동 세척을 가능하게 하고, 따라서 새로 형성된 조류가 조명 기구에 모이는 것을 방지하며 조류 생산 전반에 걸쳐 조명 기구로부터 조류 배양물로의 지속적인 빛의 흐름을 보장하는 세척 시스템을 포함한다.

본 발명의 실시형태의 특정 양태에 따르면, 외부 쉘과, 외부 쉘 내부의 조명 기구로서, 조명 기구는 조명 기구로부터 외부 쉘 내부의 재배 챔버로 빛이 통과할 수 있도록 구성된 조명 기구 외부 튜브와, 조명 기구 내부 튜브의 상부로부터 조명 기구 내부 튜브의 하부로 연장되는 제 1 유동 채널 및 조명 기구 내부 튜브의 하부에 인접한 제 1 유동 채널로부터의 적어도 하나의 배출구를 갖는 조명 기구 내부 튜브, 및 내부 튜브의 둘레 주위에 배치된 다수의 조명 요소를 더 포함하는 조명 기구, 및 제 1 유동 채널과 유체 연동하고 제 1 유동 채널에 강제 공기를 공급하는 강제 공기 공급원을 포함하는 내부 조명 생물반응기가 제공되며, 다수의 조명 요소와 조명 기구 외부 튜브의 내부 사이에 제 2 유동 채널이 한정되고, 제 2 유동 채널은 적어도 하나의 배출구로부터 가열된 공기를 수용하고 가열된 공기의 부력을 통해 적어도 하나의 배출구로부터 조명 기구의 상부로 가열된 공기를 운반한다.

본 발명의 실시형태의 추가 양태에 따르면, 외부 쉘의 내부 상에 조류 재배 챔버를 한정하는 외부 쉘과, 조류 재배 챔버 내부의 조명 기구로서, 조명 기구는 조명 기구의 둘레 주위에 배치된 다수의 조명 요소와, 조명 기구의 상부로부터 조명 기구의 하부로 연장되는 제 1 공기 유동 채널, 및 조명 기구의 하부로부터 조명 기구의 상부로 연장되는 제 2 공기 유동 채널을 더 포함하는 조명 기구, 및 제 1 유동 채널과 유체 연동하고 제 1 유동 채널에 강제 공기를 공급하는 강제 공기 공급원을 포함하는 내부 조명 생물반응기가 제공되며, 조명 기구는 제 2 공기 유동 채널 내의 공기의 부력을 통해 그리고 기계적 공기 조화 장치 없이 제 1 유동 채널로부터 제 2 유동 채널을 통해 조명 기구로부터의 배출구로 공기를 운반하도록 구성된다.

본 발명의 다른 양태, 특징 및 장점은 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최상의 모드를 포함하는 다수의 특정 실시형태 및 구현형태를 단순히 예시함으로써 다음의 상세한 설명으로부터 쉽게 명백해진다. 본 발명은 또한 기타 다양한 실시형태가 가능하며, 이의 여러 가지 세부 사항이 모두 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 명백한 측면에서 수정될 수 있다. 따라서, 도면과 설명은 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다.

본 발명의 신규한 특징은 특히 첨부된 청구항에 제시되어 있다. 본 발명의 원리가 이용되는 예시적인 실시형태를 제시하는 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 본 발명의 특징과 장점의 더 양호한 이해가 달성될 수 있을 것이다. 본 발명은 첨부된 도면에 제한이 아닌 예로서 예시되며, 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 나타낸다, 도면에서:
도 1은 본 발명의 실시형태의 특정 양태에 따른 내부 조명 생물반응기의 전면 사시도이다.
도 2는 조류 재배 챔버를 형성하는 도 1의 생물반응기의 구성요소의 분해도이다.
도 3은 도 1의 생물반응기와 함께 사용하기 위한 조명 기구의 전면 사시도이다.
도 4는 도 3의 조명 기구의 분해도이다.
도 5는 도 3의 조명 기구의 상부 사시 단면도이다.
도 6은 도 3의 조명 기구의 하부의 확대 사시도이다.
도 7은 도 3의 조명 기구의 상부의 확대 사시도이다.
도 8은 도 1의 생물반응기와 함께 사용하기 위한 뚜껑 조립체의 확대 사시도이다.
도 9는 도 1의 생물반응기와 함께 사용하기 위한 세척 시스템의 분해도이다.

본 발명은 다음의 설명 및 첨부된 도면을 참조함으로써 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 구현을 실시할 수 있도록 아래에 제시된 실시형태의 이러한 설명은 바람직한 실시형태를 제한하기 위한 것이 아니고, 이의 특정 예의 역할을 한다. 본 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위해 다른 방법 및 시스템을 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 개시되는 개념 및 특정 실시형태를 용이하게 사용할 수 있음을 인식해야 한다. 본 기술 분야의 숙련자는 또한 이러한 등가물이 가장 넓은 형태로 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는다는 것을 인식해야 한다.

명확성과 간결성을 높이기 위해 공지된 기능 및 구조에 대한 설명은 생략한다. 본원에서 사용된 용어는 단지 특정 실시형태를 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 본원에서 사용된 단수 형태는 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함하는 위한 것이다. 또한 단수 용어의 사용은 수량 제한을 의미하는 것이 아니라, 참조 항목 중 적어도 하나의 존재를 나타낸다.

"제 1", "제 2" 등의 용어의 사용은 특정한 순서를 의미하는 것이 아니라, 개별 요소를 식별하기 위해 포함된다. 또한, 제 1, 제 2 등의 용어의 사용은 중요도의 순서를 나타내는 것이 아니라, 하나의 요소를 또 다른 요소와 구별하기 위해 제 1, 제 2 등의 용어가 사용된다. "~로 구성되다" 및/또는 "~로 구성되는" 또는 "포함하다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는 본 명세서에서 사용될 때, 명시된 특징, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

일부 특징이 각각의 예시적인 실시형태에 대해 설명될 수 있지만, 하나 이상의 예시적인 실시형태의 특징이 하나 이상의 예시적인 실시형태의 다른 특징과 결합될 수 있도록 양태가 이에 제한될 필요는 없다.

본 발명의 실시형태의 특정 양태에 따르면, 특히 도 1 및 도 2를 참조하면, 수중 재배 조명 상의 발광 다이오드("LED")와 같은 조명 요소에 의해 생성된 열을 효율적이고 효과적으로 관리하고, 이들 조명 요소에 의해 생성된 열이 주변 조류 배양물에 악영향을 미치지 않도록 하는, 통합 수중 재배 조명 기구(200)를 갖는 내부 조명 생물반응기(일반적으로 100으로 도시됨)가 제공된다. 예시적인 구성에서, 생물반응기(100)는 생물반응기(100)의 원하는 크기 및 부피를 지지할 수 있는 경량 재료, 예를 들어 비제한적인 예로서 폴리에틸렌, HDPE, PTFE 또는 다른 플라스틱; 유리 섬유; 스테인리스강, 탄소강, 붕규산 유리, 세라믹, 및 유사하게 구성된 재료로 형성된 외부 쉘(102)을 포함한다. 특정 예시적인 구성에서, 외부 쉘(102)의 재료는 식품 등급 재료에 대한 인증 요건을 충족할 수 있는 식품 등급 플라스틱 또는 기타 재료로 형성된다. 선택적으로 그리고 특정 예시적인 구성에서, 외부 쉘(102)은 내부 재배 조명 기구로부터 생성된 광을 외부 쉘(102) 내에 포함된 조류 배양물을 향해 다시 반사할 수 있는 반사성 내부 표면으로 구성될 수 있다. 실질적으로 밀폐된 탱크 뚜껑(104)은, 증발 및 오염을 최소화하고 바람직하게는 재배 환경의 정확한 제어를 가능하게 하는 밀봉된 내부 재배 챔버(106)를 제공하기 위해, 외부 쉘(102)의 개방된 상부에 부착될 수 있다. 뚜껑(104)은 마찬가지로, 수중 재배 조명 기구(200)를 수용하기 위한 중앙 개구와, (특히 도 9에 도시되고 아래에서 상세히 논의되는) 자동 세척 시스템(300)을 위한 하나 이상의 구동장치를 수용하기 위한 하나 이상의 개구, 및 바람직하게는 하나 이상의 영양소 첨가, 유입 공기 및 CO₂ 라인, 물 첨가, 및 배기를 위한 하나 이상의 추가 개구를 포함하는, 재배 챔버(106)로의 생물반응기의 다양한 요소의 통과를 허용하는 포트 또는 개구를 포함한다. 하나 이상의 스파저(sparger, 105)가 내부 재배 챔버(106)의 바닥에 제공될 수 있고, 이 스파저(105)는 생물반응기(100) 외부로부터 공기 및/또는 CO₂를 수용할 수 있다. 스파저(105)는 재배 챔버(106)의 바닥의 다양한 위치에 배치된 선형 어레이로서 수중 재배 조명 기구(200)를 둘러싸거나 부착된 링 형태 또는 다른 형태와 같이, 또는 생물반응기(100)의 특정 구성에 가장 잘 맞도록 본 기술 분야의 숙련자에게 쉽게 떠오르는 다양한 방식으로 배치될 수 있고, 특정 구성에서 재배 챔버(106)를 통해 살포 가스를 이동시키는 것을 더 지원하기 위해 임펠러 또는 유사한 구성을 포함할 수 있다. 재배 챔버(106)로부터의 배양물의 샘플링 및/또는 수확, 및 생물반응기(100)의 비움을 허용하기 위해 외부 쉘(102)의 베이스에 배수구(도시되지 않음)가 또한 제공될 수 있다. 바람직하게는 원격 접속을 통해 생물반응기(100)의 전체 모니터링 및 제어를 제공하는 자동 제어 시스템(아래에서 더 상세히 논의됨)이 또한 제공된다.

예시적인 실시형태에서 그리고 도 3 및 도 4(도 3은 조립된 수중 재배 조명 기구(200)를 도시하고, 도 4는 이러한 기구를 분해도로 도시하는 함) 및 도 5의 확대 사시 단면도에 도시된 바와 같이, 수중 재배 조명 기구(200)는 바람직하게 원형의 금속 내부 튜브(202)를 포함하고, 이는 내부 튜브(202)는 특정 구성에서 (우수한 열전도율을 갖고 비용 효율적인 경량 조립체를 제공하기 위해) 알루미늄으로 형성된다. 내부 튜브(202)는 수중 재배 조명 기구(200)의 코어를 형성하여, 구조, 강도, 열 발산 특성, 및 강제 공기가 내부 튜브(202)의 바닥에 도달할 수 있게 하는 도관(중공의 원형 알루미늄 내부 튜브(202)의 내부 공간을 포함함)을 제공한다. 바람직하게는 알루미늄으로 형성되는 다수의 금속 방열 스트립(heat dissipation strip, 204)이 튜브(202)의 외부에 부착되며, 하나 이상의 LED 칩 조립체(208)가 각각의 금속 방열 스트립(204)의 외부 표면에 부착된다. 방열 스트립(204)은 내부 튜브(202)의 바닥으로부터 위쪽으로 연장되고, 일반적으로 재배 챔버(106) 내부의 배양물의 상부 표면에 또는 그 아래에 있는 내부 튜브(202) 상의 지점에서 종료된다. 예시적인 구성에서, 다섯 개의 방열 스트립(204)이 대칭적으로 배열된 패턴으로 튜브(202)의 외부에 장착되지만, 주어진 구현형태의 특정 구성에 맞도록 다른 수의 방열 스트립(204)이 제공될 수 있다. 각각의 방열 스트립(204)은 내부 튜브(202)와 방열 스트립(204) 사이의 효과적인 열 전달을 보장하는 방식으로 튜브(202)의 외부 표면과 접촉한다. 비제한적인 예로서, 튜브(202)의 외부 부분은 방열 스트립(204) 중 하나를 수용하는 평평한 영역으로 형성되며, 이들 각각은 평평한 후방 표면을 갖는다. 대안으로, 각각의 방열 스트립(204)의 후방 표면은 각각의 스트립(204)과 내부 튜브(202) 사이의 접촉 표면적을 유사하게 증가시키기 위해 각각의 스트립(204)의 후방 중앙을 따라 내부에 형성된 얕은 채널을 가질 수 있다. 내부 튜브(202)와 평평한 방열 스트립(204) 사이의 이러한 증가된 접촉 면적은 각각의 방열 스트립(204)의 전면에 배치된 LED 인광체로부터 더 많은 열을 더 빨리 끌어당기고, 따라서 정상 작동 온도 범위 내에서 이들을 편안하게 유지할 것이다. 바람직하게, 그리고 도 5의 하향 단면도를 참조하면, (아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이) 강제 공기가 수중 재배 조명 기구(200)의 바닥 근처의 구멍에서 배출될 때 강제 공기가 각각의 방열 스트립(204)의 상부를 가로질러, 측면을 따라, 그리고 바닥의 적어도 일부를 따라 이동하도록, 각각의 방열 스트립(204)은 내부 튜브(202)에 대해 배치된다. 본 기술 분야의 숙련자는 생물반응기(100)의 특정 구현형태를 기반으로 재료 조성 및 두께가 이들 사이에서 특별히 원하는 열 전달을 달성하기 위해 본 기술 분야의 숙련자에 의해 용이하게 조정될 수 있음을 인식할 것이다.

방열 스트립(204)은 나사 또는 볼트와 같은 패스너를 통해 내부 튜브(202)에 부착될 수 있거나, 내부 튜브(202)에 용접될 수 있거나, 내부 튜브(202)에 접착 방식으로 결합될 수 있다. 특정 구성에서, 방열 스트립(204)은 열전도성 에폭시 또는 실리콘 화합물에 의해 내부 튜브(202)에 결합된다. 이러한 화합물은 일반적으로 금속 또는 무기 충전 재료로 강화된 합성 수지이다. 이러한 최적화된 열 계면 재료(thermal interface material)를 사용하면 수중 재배 조명의 효율성을 높이고 재배 조명을 원하는 온도에서 작동시키는 데 필요한 에너지를 줄일 수 있다. 이러한 에폭시 및 화합물은 나사, 볼트 또는 용접에 비해 (i) 더 높은 열 전도성 및 향상된 열 제거를 제공하고, (ii) 방열 스트립(204)과 내부 튜브(202) 사이에 더 큰 (그리고 더 효과적인) 접촉 영역을 제공하고, (iii) 충격과 진동에 대한 향상된 저항을 제공하고, (iv) 더 나은 열 안정성을 제공하며, (v) 우수한 기계적 강도를 제공하는 특정 장점을 나타낼 수 있다. 이러한 에폭시 및 화합물은 또한 내부 튜브(202)와 방열 스트립(204) 사이의 간격을 제공하기 위해 나사, 볼트 또는 용접보다 더 많은 옵션을 제공한다. 가변 간격은 내부 튜브(202)와 방열 스트립(204) 사이의 공간에서 이동하는 기류를 변하게 할 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 다수의 열의 LED 칩(208)(또는 인광체)이 방열 스트립(204)의 길이를 따라 배열된다. 본원에서 논의된 예시적인 실시형태는 특히 LED 칩(208)을 이용하지만, 본 기술 분야의 숙련자는 현재 존재하고 미래에 개발될 다른 모든 고휘도 조명 요소가 본원에서 논의된 바와 같이 방열 스트립(204) 상에 선형 배열될 수 있는 한 본원에 개시된 LED 칩(208) 대신에 이용될 수 있음을 인식할 것이다. 본원에서 논의된 예시적인 구성에서, LED 칩(208)은 바람직하게 특정 품종의 조류의 성장을 최대화하기 위해 비제한적인 예로서 강도, 색상 및 온도를 포함하는 다수의 방식으로 맞춤화될 수 있다. 바람직하게, LED 칩(208)이 생물반응기(100) 내부에서 360° 조명 범위를 제공하고, LED 칩(208)의 각각의 스트립이 대략 180° 확산 각도를 나타내도록 적어도 하나의 열의 LED 칩(208)이 각각의 방열 스트립(204) 상에 제공된다(이들 LED 칩(208)은 선택적으로 다수의 열 및/또는 행으로 그리고 각각의 방열 스트립(204) 상에 상이하거나 동일한 수로 제공될 수도 있다). 바람직하게, LED 칩(208)은 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이 배양물 내 센서를 사용하여 검출되는 생물반응기(100) 내부의 배양물의 전류 밀도에 대해 LED 칩(208)의 광 강도를 최적화하기 위해 자동 제어기를 통해 밝기가 약해질 수 있다.

수중 재배 조명 기구(200)는 또한 내부 튜브(202)와 방열 스트립(204)을 수용하는 투명한 외부 튜브(210)(도 1)를 포함한다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 금속 디스크(206(a) 및 206(b))는 바람직하게 내부 튜브(202)의 상단 및 하단에 각각 부착되며, 이들 금속 디스크(206(a) 및 206(b))는 바람직하게 열 발산을 더욱 촉진하기 위해 알루미늄과 같이 내부 튜브(202)와 동일한 금속으로 형성된다. 디스크(206(a) 및 206(b))는 또한 투명한 외부 튜브(210) 내에서 내부 튜브(202)와 방열 스트립(204)을 중앙에 두고 최적으로 배치하는 역할을 한다. 보다 구체적으로 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 투명한 외부 튜브(210)의 내경은 바람직하게 내부 튜브(202)의 상부 및 하부에서의 디스크(206)의 직경보다 약간만 더 크고, 따라서 수중 재배 조명 기구(200)가 사용되는 동안 그리고 외부 튜브(210) 내에 수용되는 동안 안정화된다. 또한, 디스크(206(a) 및 206(b))는 바람직하게 내부 튜브(202)와 이에 장착된 방열 스트립(204) 및 투명한 외부 튜브(210)의 내부 사이의 공간이 작도록 내부 튜브(202)에 대해 크기가 정해진다. 예시적인 구성에서, 방열 스트립(204) 상의 LED는 각각의 수중 재배 조명 기구(200)가 내부에 있는 투명한 외부 튜브(210)의 내부로부터 1.25 cm 내지 5 cm에 배치될 수 있지만, 생물반응기(100)의 전체 규모에 따라 다른 거리가 이용될 수 있다.

상부 디스크(206(a))는 바람직하게 그 중심을 통해 천공된 구멍을 포함하며, 이 구멍에는 바브(barb) 또는 다른 유입구(207)가 압축 공기 공급원에 부착되기 위해 장착되며, 이 압축 공기는 상부 디스크(206(a))를 통해 내부 튜브(202)의 상부로 주입된다. 또한, 상부 디스크(206(a))는 바람직하게 투명한 튜브(210) 내의 가열된 공기가 수중 조명 기구로부터 빠져나갈 수 있도록 구성된 상부 디스크(206(a))의 외부 에지 주위의 구멍과 같은 하나 이상의 개구(216)를 포함한다. 상부 디스크(206(a))의 개구(216)는 투명한 튜브(210)로부터 배출되는 공기 흐름을 최대화하도록 구성되고 배치된다. 개구(216)는 상부 디스크(206(a))에서 절단되고, 바람직하게는 상부 디스크(206(a))의 에지로부터 내측으로 연장된다. 선택적으로, 특정 구성에서 하부 디스크(206(b))는 완충재의 하부 외부 층 내에 둘러싸이거나 이를 구비할 수 있는데, 이는 예시적인 구성에서, 수중 재배 조명 기구(200)와 생물반응기(100)의 외부 쉘(102)의 바닥 내부 사이에 쿠션 또는 충격 흡수 장치를 제공하고, 따라서 재배 조명 기구(200)의 알루미늄이 외부 쉘(102)과 직접 접촉하지 않도록 유지하기 위해, 네오프렌 또는 고무를 포함할 수 있다.

재배 조명 기구(200)의 투명한 외부 튜브(210)는 바람직하게 그 하단이 밀봉되고 상단이 개방되며, 이 상단은 생물반응기(100)의 상부 뚜껑(104) 위로 연장되고, 따라서 정비를 위해 필요할 때 LED, 방열 스트립(204), 및 조명 기구(200)의 다른 요소에 대한 접근을 허용한다. 투명한 외부 튜브(210)는 바람직하게 정비를 위해 제거될 수 있는 연결 시스템에 의해 생물반응기(100)의 뚜껑(104)에 고정된다. 많은 이러한 연결 시스템이 본 기술 분야의 숙련자에 의해 특정 구성을 위해 이용되고 구성될 수 있지만, 예시적인 연결 시스템은 비제한적인 예로서 그리고 도 8에 도시된 바와 같이 수중 재배 조명 기구(200)의 부력에 대해 그리고 생물반응기(100)의 난류에 대해 투명한 외부 튜브(210)를 제자리에 안전하게 유지하기 위해 플랜지 칼라 링(flange collar ring, 108) 및 플랜지 칼라 링(108)에 수직으로 정렬된 하나 이상의 코터 핀(110)을 포함할 수 있다. 특정 예시적인 실시형태에서, 플랜지 칼라 링(108)은 생물반응기(100)의 전체 크기에 의해 결정되는 거리만큼 생물반응기(100)의 뚜껑(104) 위로 연장된다. 예를 들어, 높이가 10 피트인 생물반응기(100)는 높이가 25 피트 이상인 생물반응기(100)보다 더 작은 플랜지 칼라 링(108)을 필요로 할 것이다. 플랜지 칼라 링(108)의 크기는 생물반응기의 크기에 상대적이며, 따라서 수중 재배 조명 기구(200)의 크기에 상대적이다. 물 재배 조명 기구(200)를 생물반응기(100) 내의 제자리에 고정하기 위해 코터 핀(110)은 플랜지 칼라 링(108)과 투명한 외부 튜브(210) 전체를 관통할 수 있다.

투명한 외부 튜브(210)는 바람직하게 유리 또는 아크릴 또는 유사하게 구성된 재료로 형성된다. 수중 조명 기구(200)가 수용된 하나 이상의 투명한 외부 튜브(210)는 선택적으로 하나의 생물반응기(100) 내에 제공될 수 있으며, 이들 각각은 전체 조류 배양물이 수중 조명 기구(200)로부터 거의 동일한 수준의 조명을 받도록 생물반응기의 바닥 근처에서 그리고 다른 투명한 외부 튜브(210)로부터 일정한 거리를 두고 연장되도록 생물반응기(100) 내에서 수직으로 배열된다. 따라서, 하나의 생물반응기(100)는 그 크기에 따라 다수의 수중 재배 조명 기구(200)를 포함할 수 있으며, 이러한 재배 조명 기구(200)의 수는, 바람직하게 투명한 외부 튜브(210)로부터 측정될 때 적어도 15 cm정도 조류 배양물에 침투하는 수중 재배 조명 기구(200)의 능력에 의해 결정된다.

특정 예시적인 구성에서 그리고 도 1 및 도 9를 참조하면, 생물반응기(100)는, 생물반응기(100)가 가능한 한 오랫동안 방해 받지 않고 작동할 수 있도록, 투명한 외부 튜브(210)의 외부에서 쓰레기와 조류 재배물을 제거하도록 구성된 자동 세척 시스템(300)을 포함한다. 이는 결과적으로 투명한 외부 튜브(210)를 따라 위아래로의 자동 이동을 통해 깨끗한 투명한 외부 튜브(210)를 문질러 세척함으로써 조류 배양물이 투명한 외부 튜브(210)에 부착되고 응집되는 것을 방지한다. 예시적인 구성에서, 자동 세척 시스템(300)은 세척 링(306)과 같은 세척 장치에 연결된 선형 액추에이터(304)를 구동시키는 전기 모터와 같은 모터(302)를 포함한다. 모터(302)와 선형 액추에이터(304)는 선형 액추에이터(304)가 뚜껑(104)을 관통하고 투명한 외부 튜브(210)의 전체 길이를 따라 연장하도록 생물반응기(100)의 뚜껑(104)에 장착될 수 있다. 선형 액추에이터(304)(비제한적인 예로서, 웜 기어, 벨트 구동 선형 액추에이터, 또는 본 기술 분야의 숙련자에게 쉽게 떠오르는 다른 선형 액추에이터 조립체를 포함할 수 있음)는 상단에서 모터(302)에 연결되고 하단에서 생물반응기(100)의 내부에 장착된 지지 브래킷(도시되지 않음)에 연결되며, 이 지지 브래킷은 선형 액추에이터(304) 및 이에 장착된 세척 링(306)을 투명한 외부 튜브(210)에 매우 근접하게 유지한다. 세척 링(306)은 비제한적인 예로서 PVC 또는 유사한 재료로 형성될 수 있으며, 투명한 외부 튜브(210)의 외부 표면과 접촉하고 바람직하게는 이를 둘러싸는 세척 링(306)의 내부 표면에 부착된 후크-앤-루프(hook-and-loop) 고정 재료의 부분과 같은 내부 브러싱 표면(brushing surface)을 포함할 수 있다. 모터(302)가 투명한 외부 튜브(210)의 길이를 따라 위아래로 세척 링(306)을 작동시킬 때, 세척 링(306)의 내면에 있는 브러싱 표면은 투명한 외부 튜브(210)의 외부 표면을 따라 이동하여, 축적된 조류 또는 기타 물질을 투명한 외부 튜브(210)로부터 제거한다. 자동 세척 시스템(300)은 표면에 부착하는 조류 배양물의 능력에 영향을 미치는 배양물 유형 및 기타 요인에 따라 원하는 간격으로 세척 일정을 잡을 수 있는 타이머를 통해 작동될 수 있다. 도면에 별도로 도시되지는 않았지만, 본 기술 분야의 숙련자는 자동 세척 시스템(300)이 종래의 선형 구동장치 가이드 바(guide bar) 및 세척 링(306)이 외부 튜브(210)의 상부 및 하부 근처의 지정된 지점에 도달할 때 (모터(302)에 의해 제어되는) 세척 링(306)의 방향을 역전시키는 제한 스위치와 같은 다른 요소를 포함할 수 있음을 쉽게 인식할 것이며, 이들 다른 요소는 주어진 예시적인 구성에 대해 본 기술 분야의 숙련자에 의해 쉽게 구성될 수 있다. 마찬가지로, 본 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 조명 기구(200)의 외부 튜브(210)의 길이를 따라 앞뒤로 이동할 수 있도록 세척 링(306)을 위한 다른 액추에이터가 제공될 수 있음을 인식할 것이다. 유사하게, 외부 튜브(210)를 둘러싸는 완전한 링 이외의 클리너가 마찬가지로 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이용될 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 수중 재배 조명 기구(200)의 적절한 열 관리는 조류 배양물의 열 관리를 보장하는 데 중요하며, 산업 규모에서 효과적인 생물반응기 조류 재배에 상당한 장애가 되었다. 따라서 수중 재배 조명 기구(200)를 위한 지속 가능하고 경제적으로 실행 가능한 냉각 공정은 특히 산업 규모에서 생물반응기 시스템의 전반적인 성공에 매우 중요하다. 적절하게 관리되고 발산되지 않으면, 방열 스트립(204) 상의 LED에 의해 전달된 열은 주변 조류 배양물에 영향을 미칠 수 있고, 재배 조명을 작동 불가능하게 하거나 수명을 크게 단축시킬 수 있다. 열은 적절하게 관리되고 발산되어야 하는데, 성공적인 산업 규모 생산 시스템을 위해 열은 생물반응기에서 신속하게 제거되어야 한다.

이러한 열 관리 문제를 해결하기 위해, 생물반응기(100)는 수중 재배 조명 기구(200)의 냉각을 제공하는 열 관리 시스템을 포함한다. 이러한 열 관리 시스템의 사용을 통해, 공기 흐름을 조절하여 열 발산 속도를 높이고 내부 튜브(202)의 내부와 외부에 제어된 압력 차이를 생성함으로써 생물반응기(100)의 작동 환경을 최적화하는 것이 가능하다. 특히 도 1, 도 6 및 도 7을 참조하면, 내부 튜브(202)의 상부 디스크(206(a))의 상부 디스크(206(a))는 바람직하게, 내부 튜브(202)의 내부 부분으로의 냉각 유체 입구를 제공하는, 상부 디스크(206(a))의 중심에 배치된 유입구(207)를 포함한다. 본원에서 사용된 "유체"라는 용어는 유동성 매체를 포함하고, 따라서 본 발명의 특정 양태에 따라 이용되는 유동 "유체" 냉각 매체로서 기체 및 특히 공기를 포함한다. 특히 바람직한 실시형태에서, 유입구(207)는 내부 튜브(202)의 상부로 주입될 수 있는 압축 공기 공급원과 유체 연통한다. 바닥에 인접한 내부 튜브(202)의 외부 둘레를 따라, 특히 하부 원형 디스크(206(b)) 바로 위에 배출구(214)가 제공될 수 있다. 이러한 구성으로, 압축 공기는 유입구(207)로 강제로 유입되고, 내부 튜브(202)의 수직 길이를 통해 아래로 이동할 때 내부 튜브(202)의 내부 부분을 냉각시킨다. 공기는 내부 튜브(202) 바닥의 배출구(214)를 빠져 나와, 투명한 외부 튜브(210)의 내부와 내부 튜브(202)의 외부 표면 사이의 공간을 통해 위쪽으로 이동한다. 냉각 공기가 해당 공간을 통과할 때, 냉각 공기는 내부 튜브(202)의 외부 표면을 따라 위쪽으로, 그리고 도 1 및 도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 방열 스트립(204)의 적어도 측면 부분 위아래를 흐르고, 따라서 냉각 공기가 상부 디스크(206(a))의 개구(216)를 통해 배출되기 전에 LED 칩(208)을 냉각시킨다. 본 기술 분야의 숙련자는 상부 디스크(206(a))의 개구(216)는 배기 냉각 공기가 이를 통해 조명 기구(200)로부터 빠져나갈 수 있는 한 많은 형태를 취할 수 있음을 인식할 것이다. 특정 구성에서, 투명한 외부 튜브(210)는 선택적으로, 마찬가지로 상단에 공기 배출구(211(a))를 포함하는 제거 가능한 상단 캡(211)을 구비한다.

수중 조명 기구(200)로의 압축 공기 또는 강제 공기의 유량은 사용자의 조명 요구 사항, 제공된 조명 요소의 길이 및 양, 및 조류 배양물의 원하는 온도에 따라 변할 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 압축 공기의 유량은, LED 칩(208)의 원하는 온도를 유지하고 투명한 외부 튜브(210) 내부 및 조류 배양물 내부 자체에서 원하는 온도를 유지하도록 조절될 수 있다.

이러한 원하는 온도를 유지하기 위해, 수중 재배 조명 기구(200)의 광 강도가 증가함에 따라 기류 속도 또는 유량(cfm 또는 m³/s로 측정됨)이 증가될 수 있다. 재배 챔버(106) 내부에 가장 효과적인 성장 환경을 유지하기 위해, 광 강도는 조류 배양물의 밀도가 증가함에 따라 증가해야 한다. 이러한 광 강도가 증가함에 따라, (LED 조명 스트립의 표면에서 그리고 내부 튜브(202)의 외부 표면 및 이를 수용하는 외부 튜브(210) 사이의 공기/공간에서 측정되는) 수중 재배 조명 기구(200)의 온도도 증가한다. 따라서 기류 속도는 광 강도가 증가함에 따라 수중 재배 조명 기구(200) 주변의 온도를 재조정하기 위해 마찬가지로 증가된다. 특정 구성에서, 공기는 또한 조명 기구(200)로부터 열을 배출하는 것을 더 지원하기 위해 표준 냉각 기술을 사용하여 선택적으로 냉각될 수 있다. 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 이러한 조정은 센서 및 자동 제어기의 사용을 통해 수행될 수 있다.

LED 칩(208)은 매우 효율적이지만 그럼에도 불구하고 열을 생성하고, 기판을 통해 그리고 열복사를 통해 빈 공간을 통해 열을 전달한다. 따라서, 본원에 기술된 생물반응기(100)의 구성에서, 기류는 내부 튜브(202) 내에서 열을 분산시키고 투명한 외부 튜브(210) 내부의 복사열 전달 또는 열 복사를 최소화하기 위해 사용된다. 이러한 기류의 조절은, 열이 주변 배양물의 원하는 온도에 악영향을 미치지 않는 정도까지, LED 칩(208)에 의해 생성된 모든 열의 적절한 관리 및 발산을 가능하게 한다.

또한, 본원에 기술된 바와 같이 구성된 열 관리 시스템은 수중 재배 조명 기구(200) 내에 차압을 생성하고, 이는 팬(fan) 또는 유사한 장치 없이 수중 재배 조명 기구(200) 내에서 공기의 매우 효율적인 이동을 지원한다. 공기, 더 바람직하게 압축 공기는 내부 튜브(202)의 내부 부분으로 강제로 유입되고, 내부 튜브(202)를 통해 아래로 이동하며, 내부 튜브(202)의 바닥에 있는 배출구(214)를 통해 내부 튜브(202) 밖으로 강제로 배출된다. 내부 튜브(202)의 내부 부분의 폐쇄 공간에서 부피와 압력을 증가시키면, LED 칩(208)에 의해 가열된 내부 공기가 강제로 배출된다. 압력과 기타 힘은 이후, 예를 들어 투명한 튜브(210)의 상부에 있는 공기 배출구(211(a))를 통해 (또는 단순히 투명한 튜브(210)의 개방된 상단을 통해), 가열된 공기를 투명한 외부 튜브(210)를 통해 이로부터 위쪽으로 밀어낸다(즉, 투명한 튜브(210)의 내부 및 내부 튜브(202)/방열 스트립(204)/조명 요소(208) 사이에서 이동한다). 압력은 아래에서 더 상세히 논의되는 자동 제어기를 통해 모니터링되고 제어될 수 있다.

또한, 내부 튜브(202) 내의 기류의 난류는 내부 튜브(202)의 내부 부분에 상대적으로 매끄러운 표면, 바람직하게는 튜브 길이 전체에 걸쳐 일정한 단면적을 제공함으로써 최소화된다. 따라서, 공기는 내부 튜브(202)를 통해, 상부의 입력 바브로부터, 내부 튜브(202)의 바닥에 위치한 배출구(214)를 향해 그리고 이를 통해 신속하게 이동한다. 가열된 공기가 바닥에 있는 배출구(214)를 통해 내부 튜브(202)에서 배출된 후, 내부 튜브(202)의 외부에 부착된 방열 스트립(204) 위와 아래 및 주변에서 작동하는 열 부력을 통해 공기는 투명한 외부 튜브(210)의 상부를 향해 배출된다. 따라서 방열 스트립(204)의 존재로 인해 내부 튜브(202)의 외부 표면에서 유동 경로 난류가 증가한다. 선택적으로, 내부 튜브(202)의 단면적은 기류가 내부 튜브(202)를 통해 아래쪽으로 이동함에 따라 감소할 수 있다. 내부 튜브(202)의 단면적이 감소함에 따라 유체 유동 속도가 빨라지기 때문에, 내부 튜브(202)와 수중 재배 조명 기구(200) 전체가 더 신속하게 배출되고 냉각될 수 있다. 이러한 구성은 더 큰 생물반응기에서 사용될 수 있는 바와 같은 길이가 6 미터 이상인 수중 재배 조명 기구(200)를 이용하는 것과 같이, 길이가 더 긴 생물반응기(100)의 구성에서 특히 바람직할 수 있다.

상기한 설명은 특히 내부 튜브(202)의 내부로 전달되는 압축 공기를 포함하지만, 상대적으로 작은 규모(예를 들어, 총 부피가 1000 내지 1500 리터)인 생물반응기(100)의 다른 예시적인 구성에서는, 더 적은 수의 조명 요소(208)로 인해 더 적은 열이 생성되고, 따라서 냉각 수요가 더 낮아진다. 이러한 구성에서, 팬 또는 이와 유사하게 구성된 강제 공기 공급원은 위에서 논의된 냉각 기류를 생성하기 위해 내부 튜브(202)의 내부로 공기를 밀어 넣기 위해 제공될 수 있다. 또한 이러한 소규모 구성에서, 상부 디스크(206(a))는 선택적으로 함께 제거될 수 있다.

수중 재배 조명 기구(200)에 공급되는 압축 공기 및/또는 강제 공기는 바람직하게 최소 습도를 갖는 건조한 공기인데, 이 공기는 수중 재배 조명 기구(200) 내부의 전자 부품 어레이를 냉각하는 데 사용되기 때문에다. 수중 재배 조명 기구(200)에 공급되는 공기는 바람직하게 이의 공급원에서 건조되지만, 대안으로 인-라인 필터 및 배수구를 사용하여 수중 재배 조명 기구(200)에 주입하기 전에 건조될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시형태의 추가 양태에 따르면, 원하는 양의 조류가 생물반응기(100)에서 생산된 후, 조류는 생물반응기(100)의 바닥으로부터 배출되고 수확될 수 있다. 따라서 조류 배양물을 생물반응기(100)의 배수구로 운반할 때 중력이 작업의 대부분을 수행할 수 있다. 생물반응기(100)가 일반적으로 원뿔형 바닥을 구비하는 경우, 배수구는 원뿔의 바닥에 위치하는 것이 바람직하다. 생물반응기(100)가 평평한 외부 바닥을 구비하는 경우, 배수구는 생물반응기(100)의 외부 쉘(102) 측면의 바닥에 위치하는 것이 바람직하고, 생물반응기(10)의 내부 상에 경사진 이중 바닥 등이 제공되어, 침전된 조류가 배수구 쪽으로 자연스럽게 이동하도록 한다. 두 경우 모두, 배수구 위치는 생물반응기(100) 내에 배수구를 배치하기 위한 가장 낮은 에너지 솔루션을 제공한다. 상기한 바와 같이 구성된 생물반응기(100)를 배수하기 위해 펌프가 필요하지 않지만, 배수 공정의 속도를 높이기 위해 펌프가 선택적으로 이용될 수 있다.

예를 들어 기성품 센서 및 소프트웨어의 운영 체제를 통합하는 인터페이스를 통해 자동화 기반으로 생물반응기(100)의 작동을 조절하기 위해 제어기가 제공될 수 있다. 보다 구체적으로 그리고 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 생물반응기(100) 내부의 재배 환경은 배양 온도, 광 강도, pH, 유량, 영양소 수준, 공기/가스 흐름을 포함하는 조류 생산에 영향을 미치는 것으로 알려진 특정 주요 변수에 대한 엄격한 제어를 모니터링하고 유지함으로써 자동으로 조절될 수 있다. 생물반응기(100) 내의 개별 센서에 의해 추적되는 데이터가 수집되고, 중앙 계기판을 통해 전달되어 분석될 수 있으며, 사전 프로그래밍된 설정이 생물반응기 전체에서 유지될 수 있도록 다른 생물반응기 센서로부터의 데이터와 통합될 수 있다. 바람직하게, 이러한 모든 데이터는 인터넷 연결을 통해서와 같이 원격으로 볼 수 있다. 또한 제어는 원격으로 활성화되거나 중단될 수 있다. 마지막으로, 생물반응기(100)는 예를 들어 이동 전화, 태블릿 또는 컴퓨터를 통해 원격으로 청취하고 및/또는 모니터링할 수 있는 경보장치를 구비할 수 있다.

제어기는 LED 칩(208)의 온도를 모니터링하도록 배치된 온도 센서로부터 데이터를 수신할 수 있다. LED 칩 온도 센서는 LED 칩(208) 옆의 LED 보드에 장착될 수 있으며, 이 LED 보드는 LED 칩(208)의 실시간 작동 온도를 제어기에 제공하기 위해 평평한 방열 스트립(204) 상에 장착된다. 제어기는 또한 조류 배양물(수중)의 온도를 모니터링하도록 배치된 온도 센서로부터 데이터를 수신할 수 있다. 배양물이 구체적으로 원하는 온도를 유지하거나 특정한 엄격한 온도 범위 내에서 유지되도록, 조류 배양물의 온도는 온도 센서로 모니터링될 수 있다. 각각의 품종의 조류는 특정 최적 온도에서 또는 특정 최적 온도 범위 내에서 가장 잘 성장하고, 제어기는 이러한 최적 온도 또는 온도 범위가 유지될 수 있도록 (아래에서 더 논의되는) 생물반응기의 다른 요소를 조절하도록 구성될 수 있다. LED 보드 온도가 비제한적인 예로서 75℃를 초과하는 경우 수중 재배 조명 기구(200)가 꺼질 수 있도록, 그리고 기류 공급에 장애가 발생한 경우 LED 칩(208) 및 관련 전자 장치를 추가로 보존할 수 있도록, LED 칩 온도 센서 및 선택적으로 조류 배양물 온도 센서와 통신하는 자동 안전 스위치가 제공될 수 있다. 마찬가지로 자동화 시스템은 LED 보드 온도가 75℃를 초과했음을 기술자나 다른 개인에게 알리기 위해 미리 설정된 전화기, 태블릿, 컴퓨터 또는 기타 원격 장치에 경보를 전송하도록 구성될 수 있으며, 유사하게 온도가 75℃보다 낮은 미리 설정된 값에 도달하는 경우 경보를 생성하도록 할 수 있다. 또한, 투명한 외부 튜브(210)와 직접 접촉하는 (결과적으로 조류 배양물과의 접촉하는) 공기가 원하는 온도 범위 내에서 유지될 수 있도록, 하나 이상의 온도 센서가 LED 칩 및 투명한 외부 튜브(210)의 내부 사이의 공기/공간에 제공될 수 있다.

자동화 시스템은 바람직하게 배양물 온도에 영향을 미치는 조류 재배 환경의 세 가지 기본 요소, 즉 조명 기구의 온도, 스파저로의 기류의 양 및 주변 공기 온도를 제어하도록 구성된다. 보다 구체적으로, 조명 기구의 온도와 관련하여, 제어기는 기구를 냉각 또는 가열하고, 따라서 조류 배양물을 특히 원하는 온도로 냉각 또는 가열하기 위해 기구(200)로의 기류의 양을 수정할 수 있다. 유사하게 재배 챔버(106)의 바닥에 있는 스파저로의 기류와 관련하여, 제어기는 조류 배양물의 온도를 직접 모니터링하고 스파저로의 공기 흐름을 자동으로 조절하고, 따라서 배양물의 온도에 영향을 미치기 위한 2차 조치로서 가스 또는 공기를 조류 배양물로 직접 분배할 수 있다. 또한 주변 공기 온도와 관련하여, 제어기는 생물반응기(100)에서 조류 배양물을 냉각 또는 가열하기 위한 또 다른 조치로서 실내 가열 및 냉각 장비에 연결을 통해 주변 실내 온도를 조정할 수 있다.

제어기는 수중 조명 기구(200)에 공급되는 공기의 수분 수준을 검출하도록 배치된 하나 이상의 습도 센서를 더 모니터링할 수 있다. 검출된 수분 수준이 소정 수준을 초과하는 경우, 제어기는 수중 조명 기구(200)를 자동으로 차단할 수 있고, 위에서 논의된 바와 같은 미리 설정된 장치에 경보가 전송되어 이들 장치에 증가된 수분 수준을 알리고 이를 검사하도록 할 수 있다.

제어기는 또한 생물반응기 전체에 배치된 수중 광 강도 센서를 통해 생물반응기(100) 내부의 배양물의 밀도를 모니터링할 수 있다. 원하는 설정에 따라, 제어기는 밀도 및 광 강도 판독값을 모니터링하고, 수중 재배 조명 기구(200)의 광 강도를 제어하여 배양물을 통한 최적 수준의 광 강도를 생성할 수 있다.

또한, 제어기는 수중 센서를 통해 생물반응기(100) 내부의 조류 배양물의 pH를 모니터링하고, 적절한 pH 수준에 도달하고 유지될 때까지 배양물에 CO₂를 주입함으로써 pH 수준을 제어할 수 있다. 예시적인 구성에서, 제어기는 높은 성장을 위한 9 내지 10 범위의 pH 수준 또는 가능하게는 산업 규모의 온실 가스 완화를 위한 5 내지 7 범위의 pH 수준과 같이 임의의 원하는 pH 수준을 유지하도록 구성될 수 있다. 제어기는 pH가 소정 임계 수준을 초과하거나 그 아래로 떨어지는 경우 이를 알리기 위해 위에서 논의된 바와 같은 미리 설정된 장치에 경보를 더 전송할 수 있다.

또한, 제어기는 배양물의 전도도 및 산화 환원 전위("ORP")를 모니터링할 수 있고, 슬로우-드립(slow-drip) 또는 일괄 전달을 통해 적절한 양의 영양소를 제어 및/또는 적용할 수 있다. 제어기는 영양소 전달 시스템에서 오작동이 발생하는 경우 이를 알리기 위해 위에서 논의된 바와 같은 미리 설정된 장치에 경보를 더 전송할 보낼 수 있다.

또한, 제어기는 재배 챔버(106) 내부의 조류 배양물의 이동을 제어하기 위해 스파저를 통해 생물반응기의 바닥에 있는 배양물로 더 많은 공기 및/또는 CO₂를 미세하게 주입하도록 공기 조절기에 지시할 수 있다. 재배 챔버(106) 내부의 배양물의 이러한 연속적인 이동은 전체적인 배양물 재배에서 중요할 수 있는데, 이는 배양물의 연속적인 이동이, 전체 조류 배양물이 수중 재배 조명 기구(200)에 의해 방출되는 빛에 균등하게 노출되는 것을 보장하고, 마찬가지로 조류가 수중 재배 조명 기구(200)의 투명한 외부 튜브(210)에 축적(이러한 축적은 설비의 효율성을 감소시킬 수 있음)되고 재배 챔버(106)의 외벽에 축적되는 것을 억제하기 때문이다.

제어기는 또한 생물반응기(100)의 배수구에서 수확 메커니즘을 자동으로 활성화하기 위해 조류 재배 밀도 센서와 통신할 수 있다. 밀도 센서 판독값은 조류 재배가 최대 범위에 도달했음을 보여줄 수 있고, 성숙한 배양물의 재배 속도가 안정되고 정체되기 전에, 소정 부피의 배양물을 재배 챔버(106)로부터 배출하기 위해 생물반응기(100)의 배수구가 활성화되고 개방될 수 있다. 배수구에 부착된 파이프는 바람직하게는 수확된 배양물이 처리될 수 있는 수집 지점으로 이를 운반한다. 일정 부피의 배양물이 생물반응기에서 배출되면, 제어기는 상부로부터 생물반응기(100)로 동일한 부피의 신선하고 (필요한 정도까지) 처리된 물을 첨가할 수 있다. 선택적으로, 제어기는 지정된 시간 또는 도달된 조류 생산량에서의 일괄 수확 또는 연속 수확 중 하나 또는 모두를 관리할 수 있다. 마찬가지로, 제어기는 첨가된 물의 양과 마지막 영양소 투여 이후 시간에 따라 적절한 양의 영양소를 첨가할 수 있다. 제어기는 수확 과정 중에 오작동이 발생하는 경우 이를 알리기 위해 위에서 논의된 바와 같은 미리 설정된 장치에 경보를 더 전송할 수 있다.

마지막으로, 제어기는 세척 링(306)이 투명한 외부 튜브(210)를 위아래로 이동하도록 자동 세척 시스템(300)을 활성화할 수 있다. 자동 세척 시스템(300)의 이러한 활성화는 정기적으로 시간에 따라 발생할 수 있거나, 광 강도 센서 판독값이 소정 임계 수준 아래로 떨어질 때 자동으로 활성화될 수 있다. 자동 세척 시스템(300)에 대한 설정은 생물반응기(100)에서 재배되는 조류 품종에 따라 달라질 수 있다. 일부 품종은 강력한 세척이 필요할 수 있는 반면, 다른 품종은 세척이 거의 또는 전혀 필요하지 않을 수 있다. 본원에 기술된 바와 같은 자동 세척 시스템(300)의 기능은 생물반응기를 가능한 한 오랫동안 중단 없이 작동시키는 것이다. 제어기는 세척 과정 중에 오작동이 발생하는 경우 이를 알리기 위해 위에서 논의된 바와 같은 미리 설정된 장치에 경보를 더 전송할 수 있다.

조류의 생산을 위해 상기와 같이 구성된 생물반응기를 사용함에 있어서, 재배 챔버(106)에서 조류가 재배될 수 있는 물을 준비하는 것이 바람직할 수 있다. 일반적으로, 생물반응기를 시작하고 유지하기 위해 사용될 물을 적절하게 준비하는 다양한 방법이 있다. 일부 재배자는 접종 전에 표백제, 오존 또는 다른 세척제로 물을 처리할 수 있다. 역삼투압 물을 사용하는 것도 이용될 수 있는 또 다른 방법이며, 적절하게 희석되면 표백제처럼 조류를 죽일 위험이 없다. 재배자가 선택한 물 준비 방법은 해당 특정 위치에 대해 가장 편리하거나 비용 효율적인 방법과 많은 관련이 있다. 그러나, 상기한 개시에 따라 구성된 생물반응기는 어디에든 구축될 수 있고, 따라서 생물반응기 사용자에게 특정한 물 준비 방법을 강요하지 않는다. 오히려, 상기한 개시에 따라 구성된 생물반응기는 임의의 물 준비 방법을 이용할 수 있으며, 준비된 모든 물은 선택적으로 생물반응기(100)의 뚜껑(104) 상의 전용 포트를 통해 생물반응기(100)에 주입된다.

상기한 개시에 따라 구성된 생물반응기는 조류의 생산을 위한 선행 기술 시스템 및 방법에 비해 많은 개선점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기와 같이 구성된 생물반응기는 (예를 들어, 1 미터보다 큰 직경을 갖는) 대구경 생물반응기 및 탱크 전체에 걸쳐 완전하고 균일한 광 투과를 제공할 수 있다. 내부로부터 탱크 또는 생물반응기를 적절하게 조명하는 능력은, 햇빛을 활용하거나 생물반응기 외부에 배치된 재배 조명에서와 같이, 이전에 고려했던 것보다 더 큰 탱크의 활용을 가능하게 한다. 또한, 내부 조명이 있는 대형 탱크 또는 생물반응기를 사용하면, 특히 입방 피트와 평방 피트를 모두 고려할 때 실내 또는 실외 재배 시설의 차지하는 공간을 최적화할 수 있으며 생산 능력에 비해 차지하는 공간을 최소화하는 역할을 할 수 있다. 이러한 요소로 인해 재배자는 사용 가능한 공간의 생산성을 진정으로 극대화할 수 있고, 따라서 규모가 큰 산업 수준의 실내 재배를 비용 효율적이게 하는 데 필요할 수 있는 핵심 효율성 요소를 제공할 수 있다. 따라서 상기한 개시에 따라 구성된 생물반응기는 임의의 크기로 확장될 수 있고, 본질적으로 모든 외부 환경의 어느 곳에서든 구축되고 작동될 수 있으며, 이들 생물반응기는 임의의 이용 가능한 공간에 맞춰질 수 있다.

또한, 상기와 같이 구성된 생물반응기는 대규모 배양물에 적절한 양의 빛을 제공함으로써 생성된 열 에너지가 해당 배양물을 과열시키지 않도록 할 수 있다. 보다 구체적으로, 열 관리 시스템은 수중 재배 조명 기구(200)가 배양물에 열을 전달하지 않고 액체 배양물에 완전히 잠기게 하면서, 내구성을 유지하고 과열 가능성을 줄이기 위해 수중 재배 조명 기구의 작동 온도를 최적의 온도로 유지할 수 있다. 또한, 상기와 같이 구성된 생물반응기는 수중 재배 조명 기구(200)를 둘러싸는 투명한 외부 튜브(210) 상에 조류 찌꺼기가 축적되는 것을 실질적으로 방지할 수 있는데, 그렇지 않으면 광 강도를 감소시키는 경향이 있을 수 있고, 생물반응기 내부를 세척하기 위해 정기적으로 조류 생산을 중단시킬 필요성을 피할 수 있다.

마찬가지로, 상기와 같이 구성된 생물반응기는 조류 재배에 영향을 미치는 다섯 가지 주요 인자, 즉 광 강도/스펙트럼, pH, 온도, 영양소, 및 공기/배양물 흐름을 자동으로 제어 및/또는 조절함으로써 조류에 대한 최적의 재배 환경을 제공할 수 있다.

이제 본 발명의 기본이 되는 개념의 바람직한 실시형태 및 특정 수정을 충분히 제시하였으므로, 다양한 다른 실시형태뿐만 아니라 본원에 도시되고 기술된 실시형태의 특정 변형 및 수정이 상기 기본 개념에 익숙해질 때 본 기술 분야의 숙련자에게 자명하게 일어날 것이다. 따라서, 본 발명은 본원에 구체적으로 제시된 것과 달리 실시될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims

외부 쉘과;
상기 외부 쉘 내부의 조명 기구로서, 상기 조명 기구는:
상기 조명 기구로부터 상기 외부 쉘 내부의 재배 챔버로 빛이 통과할 수 있도록 구성된 조명 기구 외부 튜브와;
조명 기구 내부 튜브의 상부로부터 상기 조명 기구 내부 튜브의 하부로 연장되는 제 1 유동 채널 및 상기 조명 기구 내부 튜브의 상기 하부에 인접한 상기 제 1 유동 채널로부터의 적어도 하나의 배출구를 갖는 상기 조명 기구 내부 튜브, 및
상기 내부 튜브의 둘레 주위에 배치된 다수의 조명 요소를 더 포함하는 조명 기구, 및
상기 제 1 유동 채널과 유체 연동하고 상기 제 1 유동 채널에 강제 공기를 공급하는 강제 공기 공급원을 포함하는 내부 조명 생물반응기로서,
상기 다수의 조명 요소와 상기 조명 기구 외부 튜브의 내부 사이에 제 2 유동 채널이 한정되고, 상기 제 2 유동 채널은 상기 적어도 하나의 배출구로부터 가열된 공기를 수용하고 상기 가열된 공기의 부력을 통해 상기 적어도 하나의 배출구로부터 상기 조명 기구의 상부로 상기 가열된 공기를 운반하는, 내부 조명 생물반응기.
제 1 항에 있어서,
상기 조명 기구는 기계적 공기 조화 장치 없이 상기 적어도 하나의 배출구로부터 상기 조명 기구의 상부로 상기 가열된 공기를 운반하도록 더 구성되는, 내부 조명 생물반응기.
제 1 항에 있어서,
상기 조명 기구 외부 튜브의 외부와 접촉하는 이동 가능한 세척 장치, 및 상기 세척 장치와 구동 결합되고 상기 조명 기구 외부 튜브의 수직 길이를 따라 상기 세척 장치를 이동시키도록 구성된 모터를 더 포함하는 내부 조명 생물반응기.
제 3 항에 있어서,
상기 세척 장치는 선형 구동장치 상에 이동 가능하게 장착된 링을 더 포함하고, 상기 선형 구동장치는 상기 모터와 결합하는, 내부 조명 생물반응기.
제 4 항에 있어서,
상기 링은 상기 링의 내부 둘레 상에 브러싱 표면을 더 포함하고, 상기 브러싱 표면은 상기 조명 기구 외부 튜브의 외부와 접촉하는, 내부 조명 생물반응기.
제 1 항에 있어서,
상기 조명 기구는 상기 조명 기구 내부 튜브의 외부 표면에 부착된 다수의 방열 스트립을 더 포함하고, 상기 조명 요소는 각각의 상기 방열 스트립의 외면에 부착되는, 내부 조명 생물반응기.
제 6 항에 있어서,
각각의 상기 방열 스트립은 평면 스트립을 더 포함하고, 각각의 상기 평면 스트립의 배면의 중간 부분은 상기 조명 기구 내부 튜브의 상기 외부 표면에 부착되고, 각각의 상기 평면 스트립의 각각의 상기 배면의 에지 부분은 상기 조명 기구 내부 튜브의 상기 외부 표면으로부터 떨어져 배치되는, 내부 조명 생물반응기.
제 1 항에 있어서,
상기 강제 공기 공급원은 기계적 공기 조화 장치 없이 강제 공기를 상기 제 1 유동 채널로 전달하는 압축 공기 공급원을 더 포함하는, 내부 조명 생물반응기.
제 8 항에 있어서,
상기 조명 기구 내부 튜브는 상기 조명 기구 내부 튜브의 상단과 밀봉 결합되는 상부 디스크 및 상기 상부 디스크를 통해 연장되는 압축 공기 유입구를 갖는, 내부 조명 생물반응기.
제 9 항에 있어서,
상기 상부 디스크는 상기 조명 기구 내부 튜브의 직경보다 큰 직경을 갖는, 내부 조명 생물반응기.
제 10 항에 있어서,
상기 상부 디스크는, 상기 상부 디스크를 통해 연장되고 상기 제 2 유동 채널과 유체 연통하는 적어도 하나의 가열된 공기 배출구 및 상기 조명 기구 외부 튜브의 공기 배출구를 갖는, 내부 조명 생물반응기.
제 1 항에 있어서,
상기 강제 공기 공급원은 상기 제 1 유동 채널로 공기를 안내하도록 구성된 팬을 더 포함하는, 내부 조명 생물반응기.
외부 쉘의 내부 상에 조류 재배 챔버를 한정하는 외부 쉘과;
상기 조류 재배 챔버 내부의 조명 기구로서, 상기 조명 기구는 상기 조명 기구의 둘레 주위에 배치된 다수의 조명 요소와, 상기 조명 기구의 상부로부터 상기 조명 기구의 하부로 연장되는 제 1 공기 유동 채널, 및 상기 조명 기구의 하부로부터 상기 조명 기구의 상부로 연장되는 제 2 공기 유동 채널을 더 포함하는 조명 기구, 및
상기 제 1 유동 채널과 유체 연동하고 상기 제 1 유동 채널에 강제 공기를 공급하는 강제 공기 공급원을 포함하는 내부 조명 생물반응기로서,
상기 조명 기구는 상기 제 2 공기 유동 채널 내의 상기 공기의 부력을 통해 그리고 기계적 공기 조화 장치 없이 상기 제 1 유동 채널로부터 상기 제 2 유동 채널을 통해 상기 조명 기구로부터의 배출구로 공기를 운반하도록 구성되는, 내부 조명 생물반응기.
제 13 항에 있어서,
상기 조명 기구의 외부와 접촉하는 이동 가능한 세척 장치, 및 상기 세척 장치와 구동 결합되고 상기 조명 기구의 수직 길이를 따라 상기 세척 장치를 이동시키도록 구성된 모터를 더 포함하는 내부 조명 생물반응기.
제 13 항에 있어서,
상기 조명 기구는 중공 조명 기구 내부 튜브의 외부 표면에 부착된 다수의 방열 스트립을 더 포함하고, 상기 조명 요소는 각각의 상기 방열 스트립의 외면에 부착되는, 내부 조명 생물반응기.
제 15 항에 있어서,
각각의 상기 방열 스트립은 평면 스트립을 더 포함하고, 각각의 상기 평면 스트립의 배면의 중간 부분은 상기 조명 기구 내부 튜브의 상기 외부 표면에 부착되고, 각각의 상기 평면 스트립의 각각의 상기 배면의 에지 부분은 상기 조명 기구 내부 튜브의 상기 외부 표면으로부터 떨어져 배치되는, 내부 조명 생물반응기.
제 13 항에 있어서,
상기 강제 공기 공급원은 강제 공기를 상기 제 1 유동 채널로 전달하는 압축 공기 공급원을 더 포함하는, 내부 조명 생물반응기.
제 17 항에 있어서,
상기 조명 기구는 상기 조명 기구 내부 튜브의 상단과 밀봉 결합되는 상부 디스크 및 상기 상부 디스크를 통해 연장되는 압축 공기 유입구를 갖는, 내부 조명 생물반응기.
제 18 항에 있어서,
상기 상부 디스크는, 상기 상부 디스크를 통해 연장되고 상기 제 2 유동 채널과 유체 연통하는 적어도 하나의 가열된 공기 배출구 및 상기 조명 기구의 공기 배출구를 갖는, 내부 조명 생물반응기.
제 13 항에 있어서,
상기 강제 공기 공급원은 상기 제 1 유동 채널로 공기를 안내하도록 구성된 팬을 더 포함하는, 내부 조명 생물반응기.