TWI553119B - 用於培養光合微生物之密閉環境的光生物反應器 - Google Patents

用於培養光合微生物之密閉環境的光生物反應器 Download PDF

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Description

用於培養光合微生物之密閉環境的光生物反應器 發明領域
本發明有關密集以及連續的培養光合微生物。
更精確地，其關於準備用於此等培養之光生物反應器。
發明背景
微藻係一種光合植物有機體，除了其它需求外，其之代謝以及生長需要CO2、光以及營養物。
微藻之工業培養具有許多的應用。
可培養微藻用來回收以及純化某些工廠排放之二氧化碳、NOx和/或SOx(WO 2008042919)。
從微藻萃取出之油可用作為生物燃料(WO2008070281、WO2008055190、WO2008060571)。
可培養微藻來生產ω-3以及多不飽和脂肪酸。
亦可培養微藻來產生顏料。
傳統上，微藻之大規模的工業培養係使用太陽作為光源。因此，微藻常常是置於有或沒有循環之開放的池塘中(水溝)(US2008178739)。其它的方法包括由半透明材料構成之管式或板式光生物反應器，使得通過的光線能夠照射在其中有微藻循環之培養基上(FR2621323)。其它由透光管之三維網路構成之系統，具有節省空間之優點(EP0874043)。
此裝置極龐大且產率低，因為日光之不確定性以及不 生產的夜晚時期，其會阻礙微藻之生長。
為了縮小尺寸以及改善產率，所以發展出密閉的光生物反應器。其等使用持續(每天每一刻)可用的照明，可依照藻類之特別的生物週期而中斷。
的確，就質與量二者而言，增加微藻生物量之重要因素係光，因為雖然其等會吸收可見光譜中全部之光子，但微藻特別僅會吸收白光中之某些波長，且損失極微。
光生物反應器定義為一密閉系統，在其裡面，生物材料在光能之作用下產生。控制培養條件可進一步使產量最佳化：營養素、流體動力學介質、氣體轉換、液體循環率等等。
使光、通量以及波長適合於微藻種類，係產量最佳化中之重要的因子。
通常不言而喻地，產量直接取決於在光生物反應器體積中照明之品質。有必要全部的生物液體均適當地被最佳有效能量照射到。因此，光源與生物液體間之介面必須儘可能的大，同時使該生物液體之可用體積最大化。
為闡明此等想法，要注意濃度(d)為大約克/升時，光在約λ=0.5 cm處被吸收。對於具照明表面為1平方公尺(1平方公尺平板式光源)之1立方公尺的反應器，參與的生物液體之體積將僅為1/200立方公尺。理想的反應器應為其中照射的體積等於反應器的體積之反應器。更一般地，反應器之品質因子可以下列關係定義：Q=Sλ/V0，在此S係反應器的體積(V0)中之照射表面(具適當的能量)，而λ係光穿透深度。
Ve係分散在反應器中照明元素之體積，產量之單位為質量(M)，可以下列關係表示：M=(V0-Ve)d。
此等二個關係必須同時最大化。
過去已經有建議出各種企圖開發此雙最佳化之技術，但其等遭遇以下所述之困難：第一個解決此問題之人工照明方法，在於在培養基中微藻的附近使用光纖，從光源提供光線(US6156561以及EP0935991)。
光纖可結合其它浸入元件，以便引導該密閉空間內之光線(JP2001178443以及DE29819259)。
主要的缺點係此方法僅能提供低的產率(產生的光)/(有效的光)。確實，強度因光源與波導間之介面而降低，且很難耦合超過一個光源至相同的纖維。此外，因為使用數個不同波長而產生了一個問題；更確切地，為了使光離開浸在培養基中之光纖，該纖維必須接受表面處理(粗糙化)，以便使該導引光漫射或衍射一部分的導引光。最有效的方法係依照所攜帶之光波長之等級，在該纖維之周圍蝕切成網狀。此解決方法具有窄的帶寬，且完全不適合使用數種波長之時候。另一解決此問題之人工照明方法，在於將光源，例如，螢光燈(US 5,104,803)或發光二極體(LED)，直接浸在光生物反應器之密閉空間中(DE202007013406以及WO2007047805)。
此方法改善了照明過程之能源效率，因為光源與培養基更接近且更聯繫在一起。
然而，使用導入反應器中之光源，特別是LED，時，必須同時考慮二個其它主要的問題。
第一是LED本身存在之發光幾何形狀，因為其等之能量發光圖案係有方向性的，且依循朗伯(Lambertian)剖面圖。僅該光束內之藻類可被照到光。因為發光錐之立體角典型地90°，所以繞著LED之空間的四分之三沒有被照到光。據記載，此情況實際上與從浸入的光纖之終端出來之照明一致。
此外，應注意，LED發光光束係朗伯體，所以藻類通過轉輸光束時，會收到不均勻的光通量。
相似地，當使用LED來照射反應器(熱管)內之內壁時(見專利案DE202007013406)，在培養浴中無法獲得均勻的光通量。
為減少陰影之區域，可增加密閉空間內之光源，且將彼此之間充分地安裝靠近在一起。
這麼做，產生了與反應器之熱的管理有關之第二個重要的問題，其必須被控制在很小的程度內，且依海藻之本質而定。確實，在諸如該等目前在市面上找到之典型的組件方面，射入LED中四分之三的電氣輸出係經熱浪費掉的。此熱管理係必需解決之第二個關鍵問題。第一代反應器結構之本質上不受所使用之光源支配。在反應器體積中分散大量的光源，非常快的就造成電氣連接的問題，假如必須大幅的增加光源，則添加了光生物反應器成本之問題。
簡言之，在反應器之生長體積中獲得強度均勻之正面 照明，係目前還未解決之問題。所設想接近均勻的正面照明之唯一的方法，係增加反應器裡面之光源，其導致無法解決之熱管理的問題。
為了處理此等問題，發明人發現新的且特別有效的方法，來引導以及漫射光生物反應器中，由外在LED產生之光。
不再需要將光源置於密閉空間之內部，此大大地促進熱的調節。所使用之漫射光導進一步使光能夠特別地均一且均勻的漫射，且適合於所有有利於微藻之培養的波長。
發明概要
因此，根據第一態樣，本發明之目的有關一種準備用於培養，特別是連續的培養，光合微生物，較佳地微藻，之光生物反應器，包含至少一種準備用於容納該微生物培養基之培養密閉空間，以及至少一種在該培養密閉空間外面之光源，特徵在於其進一步包含至少一種置於該培養密閉空間裡面之圓柱形或稜柱形光漫射元件，該光漫射元件光學耦合至該光源，以便收集由該光源發出之光子，且利用其側表面使其等轉向該培養基。
其它優點以及非限制性特徵：‧該光漫射元件係由不會吸收光之透明材料製成之實心元件，該光源放置在其之終端處；‧該光漫射元件包括由部分漫射材料製成之包含物；‧該光源與該光漫射元件之介面經光學膠之處理，其 會改善光子之傳送；‧該光漫射元件係由透明材料製成之中空元件，該光源放置在其之終端處；‧在該光漫射元件之裡面安裝半反射層；‧在該光漫射元件之外面安裝半反射層；‧該(或該等)半反射層係由金屬或金屬氧化物材料製成，具光學指數大於包含該漫射元件之材料之指數，較佳地鋁；‧該半反射層之厚度隨著與該光源之距離遞減；‧該光漫射元件係由聚(甲基丙烯酸甲酯)製成；‧該光源係準點狀來源，且該光漫射元件係漫射管；‧該光源係線性來源，且該光漫射元件係平行六面體漫射器；‧該光源係發光二極體(LED)或LED組，呈準點狀或帶狀分佈，較佳地高功率發光二極體(HPLED)或HPLED組；‧在該LED與該光漫射元件間之介面處放置聚光透鏡；‧在該LED四周圍繞內側係反射性的光學系統；‧在該光漫射元件與該光源相反之終端處提供一鏡子；‧該光漫射元件與該光源相反之終端處係錐形或圓頂狀；‧該光漫射元件之外表面具有適合的粗糙度，以便改善光的漫射； ‧該光漫射元件之外表面包覆於保護套中；‧該光漫射元件包含繞著該護套之清潔刮刀；‧該光生物反應器包含冷卻該光源之系統；‧該光生物反應器在該培養基之底部處包含氣泡產生系統。
本發明之第二態樣有關如本發明之第一態樣之光生物反應器用於培養光合微生物，特別是微藻，之用途。
本發明之第三目的有關圓柱形或稜柱形光漫射元件之用途，其光學耦合至光源，以便收集從該光源發出之光子，且藉由其側表面使其等轉向至照射光生物反應器之培養基。
圖式簡單說明
本發明之其它特徵以及優點，在參考下列較佳具體之說明後將顯露出來。提供之說明參考所附之圖式，其中：-第1a-d圖以及第2圖係本發明光生物反應器之光漫射元件之五個具體例之圖示；-第3圖係本發明光生物反應器之最有利的光漫射元件具體例之透視圖；-第4圖係本發明光生物反應器之平行六面體具體例之透視圖；-第5圖係本發明光生物反應器之圓柱形具體例之透視圖。
-第6圖係本發明光生物反應器之另一平行六面體具體例之透視圖。
較佳實施例之詳細說明 本發明之原理
近來，LED組件之效能已大幅地改善。現在有高功率LED，即超過10W之電能，其會發出大略是葉綠素吸收的波長(650 nm-680 nm)。
其等具有超出工業製品25%之特別的光學輸出。在實驗室中，輸出通常超出35%，某些情況下超出50%。
此技術之突破使能去想像，在具有用於漫射光線之光學耦合儀器的情況下，單一LED可能足以提供大略1升體積之培養基的光照。
因為研究，申請人已發展出會收集從光源，特別是從準點狀或帶狀LED(甚至置於培養密閉空間之外面)而來之光線，且會將其漫射至光生物反應器之完整的培養基體積之光漫射元件。
將光源置於培養密閉空間之外面事實上具有許多的優點，特別是易於熱的消散、無來源本身引起之陰影以及具有維持生物環境外面之電氣連接之能力等等。
光生物反應器之結構
本發明之光生物反應器之簡圖示於第1a圖中。
此準備特別是用於培養光合微生物，較佳地微藻，之光生物反應器，包含如所示的至少一種培養密閉空間(1)，準備用於容納微生物培養基(3)；以及至少一種光源(2)，位在培養密閉空間(1)的外面。
其進一步包含如所述之至少一種圓柱形或稜柱形光漫射元件(4)，置於培養密閉空間(1)之裡面，漫射元件(4)光學耦合至光源(2)，以便可以收集從光源(2)發出之光子，以及藉由其側表面，使其等轉向培養基(3)。
在本發明之情況下，下列二個案例係顯著的：光源(2)係準點狀之光源，例如單一LED(或單一LED組)之案例；以及光源(4)係線性來源(或一個表面)，更確切的例如呈條狀或帶狀之LED之案例(見專利申請案FR1050015)。
在此二個案例中，特別選擇高功率LED(HPLED)(準點狀或帶狀)，即功率大於1W，甚至功率大於10W之LED。所以之後本說明書主要指的是LED光源，但當然本發明決不限於此類型之來源。熟悉此技藝之人士應能夠使本發明之光生物反應器適於其它已知之光源(2)，包括雷射來源，其具有高度方向性之優點，且其價格已大幅地下降。
在所有的案例中，光源(2)可為單色或多色的，天然或藉由並列發出不同波長之單色光源。注意，其可能藉由直接以不同間隔堆疊半導體而獲得多光譜LED(包括量子井二極體)。
光漫射元件之幾何形狀-準點狀之案例
首先，據了解，市售有限的LED之發光對稱性係圓柱形(朗伯(Lambertian)放射)，因此最容易與管狀物進行耦合，不管是中空或實心的。
因此元件(4)指的是光漫射“管狀物”或“指狀物”。然而明確而言管狀物不一定需具有圓形的橫截面，換句話說， 不必然係正圓柱體。本發明有關任一種圓柱或稜柱之形狀，換句話說，具有直角側表面之多面體，且另一方面為一種恆定截面，此截面具有涉及朗伯放射之有利的中心對稱。更確切地，當然可能去想像具有正多邊形或星形截面之漫射管(4)，使其可能特別地增加側表面，即與微生物培養基(3)接觸之表面。
不過正圓柱體似乎是最理想的解決方案，理由是對稱性(二極體葉)，以及避免可能會使得前發光不均勻之角點。
一般而言，應再次強調，本發明不限於任一種幾何形狀，而是有關任一種圓柱或稜柱形光漫射元件。
可設想二種可能的漫射管(4)。根據第一種可能性，漫射管(4)係由透明材料，較佳地玻璃或塑膠玻璃(Plexiglas)，製成之中空管，在其終端放置LED(2)，朝向漫射管(4)，如此後者會接收從LED(2)發出之光子。
在此構形方面，光如V.Gerchikov等人(leukos vol 1 no 4 2005)之公開文件中所述被導引在該管中。
在此案例中，光在空氣中傳導，即沒有吸收。假設二極體發散(朗伯)，則投入漫射管(4)裡面之角度係多重的，且光依循著與空氣之折射率之差相關之典型的定律(笛卡兒定律)離開。空氣之折射率(n)確切而言大約為1，遠低於玻璃或塑膠玻璃之折射率，其等達到1.5。因此，當入射光觸及到漫射管(4)之內表面時，依照其與該管之表面之入射角θ，通過該管之透射係數從投入角度θ=0°下之幾乎1(沒有傳播)至低角度入射情況下之0(在管中引導傳播)。在培 養基(3)與漫射管(4)側表面之介面處，差不多全部的光通量會橫過，因為水之折射率(1.33)僅稍微低於該管(4)之折射率。所述之案例明顯地與空氣間隙套管之案例沒有相關。二種光線之軌道示於第1a圖中。假設漫射管(4)之折射率接近1.5。
有利地，亦如第1a圖所示，可在LED(2)與漫射管(4)之間置一聚光透鏡(5)。此透鏡(5)會控制從LED(2)而來之光束的發散。在小孔徑注入束(二極體係在該透鏡之光焦平面中)之單一案例方面，大多數的光通量係被導引的。據信藉由去除光束之聚焦，可調控較多或較少的漫射管(4)之光通量輸出。相關地，可將光能在漫射管(4)中之穿透深度調整至該漫射管之長度。此點之重要性見下文。
亦可藉由以一用於回收與光射出之軸相比角度較大處之射線，使其等回到該管之軸上之光學設備(41)，圍繞LED(2)，改善中空漫射管(4)中光之注入。有符合此功能之商業組件，但考慮到可用的空間，其等不適於本申請案。在本案例方面，不完美但易於進行之解決方案係使用截頭圓錐體，其之內面係反射性的，該錐體之頂面圍繞著LED(2)。許多此種光學系統(41)之幾何形狀之例子示於第1a-c圖中。
根據第二種可能性，漫射管(4)係由透明非吸光性材料，較佳地聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，製成之實心(即非中空的)管。PMMA(1.49)之折射率與水和玻璃相近，理論上，假如將其插入水中，則其沒有導光，且在LED/管之介面處(球形玻璃包覆)沒有菲涅爾(Fresnel)損失。
LED(2)係裝在漫射管(4)中製成之凹陷處(具有包覆LED(2)之球狀部分之大小)。
透過可產生準圓柱形光束之透鏡(5)，可產生使得光線能夠穿入實心管(4)(幾乎是菲涅爾損失)之優點。因此，在特別有利的方法中穿入實心管(4)之光束，可由導入該管中之內含物(6)漫射。此具體例示於第1b圖中。
確實存在有以插入大塊的PMMA漫射內含物(6)(即保證光以具隨機方向之數個介面漫射之非吸收性“物體”，特別是具有與管(4)或氣泡之指數不同之紋理)為基礎之工業系統。
在甚至更好之方法方面，內含物(6)之密度隨著漫射管(4)之高度改變，以及為了代償光逐步的喪失，隨著與LED(2)之距離變大。
本發明沒有限定於特別尺寸大小之漫射管(4)，該管之長度可高達數尺長，其沒有限制，而直徑最常介於數毫米與數公分之間。主要根據反應器(連續模式和/或化學恆定)中，選擇之微藻的濃度來決定直徑，其決定欲施於該微藻上之光穿透以及平均能量。此等之尺寸大小將於下文中討論。
光漫射元件之幾何形狀-線狀來源之案例
如上之解釋，使用管狀漫射元件(4)來漫射光線不是唯一可能的構形。確切地可使用線狀以及LED帶狀光源(2)。如以上特別提到的，LED帶可為複合的(數種波長)或多色構造。
在此案例中，為了將帶狀LED之發光幾何形狀列入考慮，漫射元件(4)最好差不多是平行六面體。注意，在此特別案例中其為稜柱形幾何形狀。
此一種平行六面體光漫射器(4)示於第2圖中。其可為實心或中空的，且可為與管狀元件相同之具體例之對象。本說明以下指的是“光漫射管”，但據了解，在本說明書中所有的以及將說明之可能性(結構、處理、材料等)中，不管漫射元件(4)之幾何形狀是管狀或平行六面體，均可運用得很好。
表面處理-半反射處理
為儘可能均勻的照射培養基(3)，應使從漫射管(4)出去之光線在沿著光導時具有恆定的強度，特別是預防光太早離開漫射管(4)。
在中空漫射管(4)之案例方面，此光抑制作用可藉由在漫射管(4)裡面安排半反射層(7)而有利地增加，媲美半反射鏡。
在所有的漫射管中，可藉由取代或補充一內層(7)，在漫射管(4)，包括中空管，之外面安置另一半反射層(8)。
此等內部/外部表面處理(其之範例見第1c圖)，使其可引導光線之能力更佳。
於此案例中，其為可典型地由具有光學指數大於包含漫射管(4)之材料之指數的金屬或金屬氧化物材料(較佳地鋁)獲得之半反射處理。藉由增加該指數，反射勝過傳送。該塗層之品質基本上與其吸收力有關，其必須具最小的吸 收力。大量可得的係符合此增加鏡像作用之功能之半透明光學層以及光學多層(金屬或氧化物)，其可適應於所使用之光的波長。
就中空管而言，在指狀物之外部放置一半反射層(8)不是必需的，但其簡化了沈積半反射材料之技術。然而可以想像藉由浸泡在浴中進行沈積作用，其會覆蓋該管之外面與裡面。更普遍地可使用任一種化學(浸泡)、電解、陰極濺鍍、化學氣相沈積(CVD)或蒸發方法等等，沈積該半反射層(7,8)。
可想到的材料如所述的來自金屬(Al、Ag等等)，其使其可能在透明氧化物(摻雜銦或沒有摻雜銦的，稀土等等)上構成薄的半透明層(奈米或數微米)，以便符合此功能。至於在此所需之透明度的範圍方面，此層本身的吸收度不應超過10%。
甚至更有利地，半反射層(7,8)之厚度隨著與LED(2)之距離減少，以便代償光線逐漸的損失。熟悉此技藝之人士當能夠選擇半反射層(7,8)之厚度變化的量變曲線(為對LED(2)之距離的函數)，以便使離開該管(4)之光能最佳化(均一)。就實心漫射管(4)而言，再次相同的考量產生具有可變密度之包含物(6)(見上文)。例如，厚度變化從20 nm至100 nm之鋁層係有利的。
表面處理-漫射處理
已知某些表面處理會擴大漫射管(4)裡面之鏡像作用，然而其它的處理使其可能特別地改善光的漫射。
因此，增加漫射管(4)之外表面之粗糙度(9)，有利於改善光的漫射。適宜的粗糙度特別意指比得上或大於所使用之光的波長之大小的粗糙度。
此係經由例如磨擦、化學侵蝕、在接近PMMA之軟化溫度下模製或雷射蝕刻等等獲得之粗糙度。可分別使用或同時使用該第一處理(半反射)以及此第二處理，例如在漫射管(4)上沈積半反射層(8)，使變粗糙，使其能夠使從漫射管(4)而來之光通量最佳化。結合粗糙度(9)以及半反射內層(7)之漫射管(4)示於第1d圖中。
至於其它的處理，遠離LED(2)之同時，可增加粗糙度之程度，以便代償進一步遠離來源之照明量的損失。當沿著漫射管(4)移動時，在漫射管(4)中此光通量之逐漸損失的最佳化，以及輸出通量恆定度之最佳化，致力於在經過漫射管(4)二倍的長度後，光接近完整的減少(無發光能量返回該來源)。因此，在漫射管(4)上與LED(2)相反之終端提供一面鏡子(42)係有利的。
光在中間距離(漫射管(4)的長度，因為完整的路徑係往返一趟)處返回，使其能夠在“回”程時，代償遠離LED(2)時從該管提出之光線的損失。此鏡可有利地根據預定的角度傾斜或甚至例如形成圓錐形(如第1a圖所示)。鏡子(42)之幾何形狀的各種範例亦可在第1a-d圖中見到。據悉，使用可依照與LED(2)之距離改變厚度之半反射層(7,8)，在光提取之最佳化方面，構成額外程度的自由度。
另外，考慮到反應器之流體動力學(水以及氣泡之流 動)，漫射管(4)與LED(2)相反之終端處最好是呈圓錐形或半球形，以便促進水或氣泡之流動(氣體引入區)，如下文所示。假如使用雙壁管，則其之終端必須成圓錐形或半球形。
漫射管之其它改善方法
在較佳的方法中，漫射管(4)之外表面包覆在保護套(10)中。包覆基本上特別是對本質上係腐蝕性的培養基(3)之半反射層(8)起了保護之作用。
假如漫射管(4)之外表面係人工製造的粗糙面(9)，則據了解其會增加微藻之附著，即為什麼亦需要包覆漫射管(4)。
保護套(10)應由平滑且透明材料(例如再次像PMMA、聚碳酸酯、結晶聚苯乙烯等等之塑膠)製成，於其上微藻之附著力儘可能的弱。
在粗糙面(9)之案例方面，據了解需要在光之路徑上製造指數破壞，以獲得粗糙漫射作用。因此，需要為套(10)選擇具低指數之材料，諸如聚四氟乙烯，或在較佳方法中在套(10)與高度粗糙(9)漫射管(4)之間構思一空氣間隙，光線在空氣中橫過的距離之優點，遠大於粗糙面(9)之程度(至少10倍)。
一般而言，本發明不限於任一種特定的具體例，且可為在外面和/或裡面上(若存在的話)，半反射層或粗糙面任何可能的組合之物件。其亦能夠結合許多特別地具有不同指數之材料，且將該等不同的材料組合成同心多層。熟悉此技藝之人士將能夠根據針對光生物反應器選擇之生產特徵(藻類濃度、漫射管(4)密度，所欲之產率以及希望之成本 等等)，採用所有此等選擇。
從下面中可以看到，該套(雙管或包覆)使其能夠去設想一外部光管清潔系統。
冷卻系統
所使用之HPLED較佳地具有如所述的輸出大約25%，即75%提供之能量經熱浪費掉。
換句話說，使用LED(2)需要排出大量的熱，此即為什麼光生物反應器最好是包含LED(2)冷卻系統(12)。
例如，將LED(2)裝配在將安置成與稱作熱導管之冷卻系統(12)直接接觸之數平方公分之金屬支撐物上，該冷卻系統由二個金屬盤構成，具高熱導性液體加上空氣、水或其它物質在其中循環。亦可設想由空氣或水冷卻之個別的散熱器，見第3圖。元件(121)以及(122)分別對應於冷卻劑流入以及流出)。就個別散熱器而言，可依串聯和/或平行方式將其等連接在一起。冷卻劑之流動速率由在LED底部上測得之溫度控制。
於此情況下，LED(2)係裝配在漫射管(4)之頂部處的基座上，且與其熱導管(12)接觸。其球面發光側與光漫射管(4)接觸(假如漫射管係實心的，則製造一個圓孔，該孔最好是充填與光學膠)。
選擇性地，假如需要在與培養基間數公分內放置LED以及其等之電氣連接，則可在漫射管(4)之終端處使用數公分之無損耗的光導(圓柱形鏡子)。此導子可為，例如，截頂錐，其內部覆蓋著鏡子。
清潔刮刀
在構思保護套(10)方面，可能的是藻類會附著於其上。因此最好是構思一清潔系統，這就是為什麼漫射管(4)最好包含繞著套(10)之清潔刮刀(11)。
清潔刮刀(11)亦可見第3圖，由例如在環繞漫射管(4)之上部的橡膠O環構成。當移開(由頂部拉起)漫射管(4)時，接合點會刮掉藻類沈積物。
光生物反應器之幾何形狀
光生物反應器之培養密閉空間(1)之尺寸大小變化很大，從數升至數百立方公尺。培養密閉空間(1)之一般的幾何形狀通常是平行六面體(第4圖)或圓柱形(第5圖)，但在壓力抗性方面，除了可能有關邊際效應以及建構成本外，沒有或僅有微些的影響。該光生物反應器可進一步包含僅一個或許多個培養密閉空間(1)；本發明沒有尺寸大小以及幾何形狀之限制。
在平行六面體光漫射器(4)之案例中，該培養密閉空間較佳地亦為平行六面體，如第6圖所示。值得留意的是在此範例中，光源(2)(以及如此之熱導管(12))置於光生物反應器之側邊上，一種會在導引中增加光通量之對稱構形，但非絕對必要的。另一方面，其使其能夠輕易地以二種不同的波長照射。
該說明書延伸之範例係一種光生物反應器，包含與第4圖一致之單一立方體培養密閉空間(1)，具有總體積1立方公尺(培養基(3)之體積加上漫射管(4)之體積)。
如第4圖所示，為了照射到培養密閉空間(1)之整個高度，且使沿著其等整個高度發出最理想之恆定的通量，以上所述之選定之光漫射管(4)的長度大約為1公尺。假如光源在側邊，則可能需要考慮培養密閉空間之寬度。
在培養密閉空間體積方面，漫射管(4)之安排旨在使射入培養基(3)中光通量之全面均質化最佳化。具有光“浴”強度接近均勻之尺寸參數，係光之“有效穿透深度”(λ eff )。
此參數由在介紹中提及之“特徵穿透深度”(λ)定義，其係培養基之長度，在其終端處，照明入射通量除以e=2.71828，而光強度閾值(I eff )稱作“生產周期促動閾值”，其包括卡爾文(Calvin)週期之活化作用。卡爾文周期明確而言係一系列的生化反應，其在光合成作用期間，在有機體的葉綠體中發生。此促動閾值，以莫耳光子/平方公尺/秒表示，相對於微生物之主要生物量之最小的光通量位準。典型地，對微藻(例如微綠球藻屬(Nannochloris))而言，係50 μmol/m-2/s-1之“紅”光子(波長約650 nm)。
供參考之目的，亦發現光合成作用之飽和閾值，超過它，生物量生產速度不會進一步增加，甚至會在強度很強時因微藻之破壞而減少。
λ eff 定義為距離，超過它照明通量會落至低於該閾值I eff 。
比爾-朗伯定律(Beer-Lambert)法則使得吾人可以表示在產生入射光通量I0之光源距離x處之光通量：I(x)=I 0 e -x/λ 。
從其可得，以及。
λ eff 與微藻濃度成反比，在固定濃度下，其由微藻之種類決定。一般認為位在光源超過λ eff 之距離處之點，無法接受到足夠的光子來產生有機物質。換句話說，此意指培養基(3)中之每個點與漫射管(4)之距離平均需小於λ eff 。二個管之間之平均距離因此最好在大約2 λ eff 。
採用此方法，第一可能的構形在於製造一方形漫射管(4)網路。當(作為範例)假設管之直徑為d=λ eff =10毫米時，1立方公尺立方體培養密閉空間(1)因此充滿1,089(33x33)光漫射管(4)。
從光照體積之觀點視之，此堆疊不是一定最理想，因為模擬顯示出其較佳的每隔一行位移λ eff +d/2。在此構形(六角網路)中，培養密閉空間(1)因此充滿1,270個漫射管(4)。
更精準地，必須利用計算，進行光“浴”之最大化(動態強度以及強度)。藉由設定浴中之平均照明強度以及光強度之局部變化，漫射管(4)之最適當的表面，可由各LED(2)射入之指定的照明功率以及由此之最佳直徑決定。
培養基循環系統：氣泡產生器
動態操作光生物反應器進一步假定，在其底部注入加壓氣體(選擇性的營養素)係有利的。此注入，特別地透過一稱作“噴射器”之設備，產生一氣泡流，使得生物液體升起。因此光生物反應器最好包含安置在培養基(3)底部之氣泡產生系統(13)。
第4圖以及第5圖代表各種能夠以受控制的方式，在培養基(3)之底部注入此等氣泡之氣泡噴射器系統(13)之幾何形狀。
根據此典型原理產生功能之反應器稱作氣舉反應器。液體之主要的流動雖然方向為向上之方向(之後往下之方向)，但會導致微藻在漫射管(4)之間橫向“擴散”。如此移動之微藻因此收集到各種光，因為當移動離開漫射管(4)時，在此方向上，光線減少量變曲線係指數的。因此微藻在波長λeff下接受到平均的功率。“平均”各微藻接收到之光的數量之效率為，二個漫射管(4)間微藻的擴射時間相對於藻類的生命周期，以及較佳地在培養密閉空間(1)中微藻之上行(或下行)的時間而言，非常的短。
氣舉操作一般假設為培養基(3)之上行流動以及明顯地下行流動。流體在升起部分之底部注入。按圖示，培養密閉空間(1)應分成二個相等的獨立部分，上行以及下行，該流動以及逆流動以相同的照明指方法照射。液體流動構形之最佳化可使光生物反應器之培養密閉空間產生其它的分隔，分成N上行區、M下行區，或使用安置在培養密閉空間(1)之底部以及漫射管(4)之間之管。
據了解，光漫射元件(4)之技術，不管其幾何形狀，原則上可容許任何形狀的培養密閉空間(1)，不僅僅是平行六面體或圓柱形。
然而，在平行六面體之情況下，較容易堆疊培養密閉空間(1)，且使其能夠使空間最佳化。在圓柱形密閉空間之 情況下，上行流與下行流之流體力學與噴射器(13)之關係為同中心(見第5圖)，較需小心的管理。
在本發明之光生物反應器中，其顯示出流動以及逆流動(上行以及下行)之介面的延伸，不能超過二個漫射管(4)之平面間之間隔。此介面自己在噴射區之界限處自然的生成。
再者，如解說的，該光生物反應器以“連續”模式進行。明確而言，其本上微藻密度仍維持恆定，以便保持相同均光穿透深度，因此濃度在連續液體採樣以及反向注入相同量的水(選擇性地富含營養素)下係安定的。在專利申請案FR1050015中特別有說明此方法。
光生物反應器明確而言可包含各種調節系統。因為各系統必須針對指定的幾何形狀連續地起作用，特別是相對於漫射元件空間，最佳藻類密度必須控制在穩定狀態。此測量值涉及生物環境之光學密度。
其它用於使微藻生長最佳化之重要參數可為pH、溫度等等之連續測量值。
一般而言，可藉由監控最佳操作之說明設定這些參數。
光生物反應器之用途
根據第二態樣，本發明有關如本發明之第一態樣之光生物反應器於培養光合微生物，較佳地微藻，之用途。
該用途可為有關能源(生物燃料生產)、工業(顏料生產)、農產品(ω-3以及不飽和脂肪酸生產)、污染控制(二氧化碳NOx和/或SOx排放之純化)以及甚至大量的製藥之應 用。
本發明之另一態樣有關如上所述光學耦合至光源(2)之圓柱形或稜柱形光漫射元件(4)之用途，以便收集從光源(2)發出之光子以及藉由其側表面使其等轉向照射該光生物反應器之培養基。該光漫射元件(4)可為以上所述所有具體例之對象。
數種範例
參數：‧漫射管(10毫米直徑)；‧立方體密閉空間(1)(各邊1公尺)；‧LED(2)，電功率10 W或光功率2.5 W(650 nm波長)；‧特徵光穿透深度λ=3.8 mm(濃度為108細胞/毫升)；‧具單位質量10-11克之微綠球藻屬之藻類(因此生物量為1克/升)，有效閾值I eff =50 μmol/m-2/s-1；‧“方形”排列之光管。
漫射管(4)具有長1公尺，等於培養密閉空間(1)之尺寸大小，各漫射管側表面計算得314平方公方。注入之光學功率為2.5 W，如上之考量，漫射管(4)均勻地漫射此功率，光通量，即傳送到每單位面積培養基之光功率，為79.62 W/m2(在管之表面上)或432 μmol/m-2/s-1。
此值必須轉換成莫耳光子/平方公尺/秒。光子之能量與其頻率(v)(其波長之倒數乘上光之速度)以及普朗克(Planck)常數(h)相關：E=hv。在波長650 nm下，一莫耳之光子(根據亞佛加厥(Avogadro)常數，6.02‧1023個光子)因此具有能 量173.9 kJ。
從其演算而得之入射光通量為432 μmol/m-2/s-1。
使用以上說明書中所提及之方程式，獲得有效長度=8.5毫米。
以上所述之方形排列預期在二個連續的漫射管之間具差異2 λ eff ，因此在該立方體密閉空間(1)中能夠放置高達1,369(37x37)個漫射管(4)。
因此總照光表面為43平方公尺，LED(2)之瞬時電消耗為13.7 kW，包括10.28 kWth浪費掉。
培養密閉空間(1)中培養基(3)之體積相當於總體積1立方公尺，小於1369個漫射管(4)之體積，其為0.89立方公尺。“有效”照射體積，即在各漫射管(4)四周寬度λ eff 環內，可計算得0.67立方公尺。
根據理論，在連續操作下，微藻“有效照射”之量每12個小時多出一倍，具1立方公尺培養密閉空間之光生物反應器中所獲得之微藻的產量為0.94公斤/天，消耗329 kWh/d之電力。
可注意到，光照1平方公尺之表面以及1立方公尺之體積，反應器之原效力增加43倍，將反應器之流體動力學考慮進入之數目係乘上2倍，因為在此考慮到照射體積應乘上λeff/λ。
1‧‧‧培養密閉空間
2‧‧‧光源
3‧‧‧培養基
4‧‧‧光漫射元件
5‧‧‧聚光透鏡
6‧‧‧內含物
7‧‧‧半反射層
8‧‧‧半反射層
9‧‧‧粗糙面
11‧‧‧清潔刮刀
12‧‧‧冷卻系統
13‧‧‧氣泡產生系統、氣泡噴射器系統
41‧‧‧光學設備
42‧‧‧鏡子
10‧‧‧保護套
121‧‧‧元件
122‧‧‧元件
第1a-d圖以及第2圖係本發明光生物反應器之光漫射元件之五個具體例之圖示； 第3圖係本發明光生物反應器之最有利的光漫射元件具體例之透視圖；第4圖係本發明光生物反應器之平行六面體具體例之透視圖；第5圖係本發明光生物反應器之圓柱形具體例之透視圖。
第6圖係本發明光生物反應器之另一平行六面體具體例之透視圖。
第6圖係本發明光生物反應器之另一平行六面體具體例之透視圖。
1‧‧‧培養密閉空間
2‧‧‧光源
3‧‧‧培養基
4‧‧‧光漫射元件
5‧‧‧聚光透鏡
12‧‧‧冷卻系統
41‧‧‧光學設備
42‧‧‧鏡子

Claims (22)

  1. 一種準備用於培養光合微生物之光生物反應器，其包含至少一準備用於容納該微生物培養基之培養密閉空間(culture enclosure)、以及至少一在該培養密閉空間外面之光源，其特徵在於，其進一步包含至少一置於該培養密閉空間裡面之圓柱形(cylindrical)或稜柱形(prismatic)光漫射元件，該光漫射元件光學耦合至該光源以便收集由該光源發出之光子並藉由其側表面使所述光子轉到該培養基，在該漫射元件之外側上安裝有半反射層(semi-reflective layer)，該半反射層之厚度隨著與該光源之距離遞減。
  2. 如請求項1之光生物反應器，其特徵在於，該光漫射元件係一由不會吸收光之透明材料製成之實心元件(solid element)，而該光源係置於其之終端處。
  3. 如請求項2之光生物反應器，其特徵在於，該光漫射元件包括由部分漫射材料(partially-diffusing material)製成之包含物(inclusions)。
  4. 如請求項2或3之光生物反應器，其特徵在於，該光源與該光漫射元件之間的分界面經以會改善光子之傳送的光學脂(optical grease)處理。
  5. 如請求項1之光生物反應器，其特徵在於，該光漫射元件係一由透明材料製成之中空元件，而該光源係置於其之終端處。
  6. 如請求項1之光生物反應器，其特徵在於，該半反射層係由金屬或金屬氧化物材料製成，該材料具一光學指數且該指數大於構成該漫射元件之材料之指數。
  7. 如請求項1之光生物反應器，其特徵在於，該光漫射元件係由聚(甲基丙烯酸甲酯)製成。
  8. 如請求項1之光生物反應器，其特徵在於，該光源係一準點狀來源(a quasi-punctual source)，且該光漫射元件係一漫射管。
  9. 如請求項1之光生物反應器，其特徵在於，該光源係一線性來源，且該光漫射元件係一平行六面體漫射器。
  10. 如請求項7或8之光生物反應器，其特徵在於，該光源係發光二極體(LED)或呈準點狀或帶狀分佈之發光二極體組(a set of light-emitting diodes)。
  11. 如請求項10之光生物反應器，其特徵在於，在該LED與該光漫射元件之間置有一聚光透鏡(a convergent lens)。
  12. 如請求項10之光生物反應器，其特徵在於，有具反射性內部的光學系統圍繞著該LED。
  13. 如請求項11之光生物反應器，其特徵在於，有具反射性內部的光學系統圍繞著該LED。
  14. 如請求項1之光生物反應器，其特徵在於，在該光漫射元件與該光源相反之終端處提供有一鏡子。
  15. 如請求項1之光生物反應器，其特徵在於，該光漫射元件與該光源相反之終端處係呈錐形或圓頂狀。
  16. 如請求項1之光生物反應器，其特徵在於，該光漫射元 件之外表面具有適合的粗糙度，該粗糙度會改善光的漫射。
  17. 如請求項1之光生物反應器，其特徵在於，該光漫射元件之外表面被包覆於保護套(protective sheath)中。
  18. 如請求項17之光生物反應器，其特徵在於，該光漫射元件包含圍繞著該保護套之清潔刮刀(cleaning scraper)。
  19. 如請求項1之光生物反應器，其包含用於該光源之冷卻系統。
  20. 如請求項1之光生物反應器，其包含在該培養基之底部處之氣泡產生系統。
  21. 一種如請求項1至20中任一項之光生物反應器之用途，其係用於培養光合微生物。
  22. 一種圓柱形或稜柱形光漫射元件之用途，該光漫射元件與光源光學耦合，在該漫射元件之外側上安裝有半反射層，該半反射層之厚度隨著與該光源之距離遞減，以便用於收集由該光源發出之光子並藉由其側表面使所述光子轉以照射光生物反應器之培養基。
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