專利名稱：封閉環(huán)境中用于培養(yǎng)光合微生物的光生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光合微生物的連續(xù)密集培養(yǎng)。
背景技術(shù)：
微藻是光合植物生物，其中代謝和生長除其他外，需要CO2、光以及養(yǎng)分。眾所周知，微藻的工業(yè)化培養(yǎng)具有多種應(yīng)用。微藻可被培養(yǎng)用來再利用和凈化從一些工業(yè)廠房排放的二氧化碳、NOx和/或SOx(W02008042919)。從微藻中提取的石油可被用作生物燃料(W02008070281、W02008055190、 W02008060571)。微藻可被培養(yǎng)用于ω-3脂肪酸及其多不飽和脂肪酸的生產(chǎn)。微藻也可被培養(yǎng)用以生產(chǎn)顏料。微藻的大規(guī)模工業(yè)化培養(yǎng)使用太陽作為光源。為此目的，微藻通常置于循環(huán)或不循環(huán)的開放罐(“滾道”)中(US2008178739)。也發(fā)現(xiàn)了管狀或板狀光生物反應(yīng)器，該光生物反應(yīng)器由半透明材料構(gòu)成，提供了在培養(yǎng)基中光線以及其中微藻循環(huán)的通道(FR26213223)。另外，三維透明管網(wǎng)狀系統(tǒng)可提高空間的使用(ΕΡ0874043)?？紤]到陽光以及對微藻生長具有反作用的夜晚階段的不確定性，這些設(shè)施非常大且生產(chǎn)率低。為了減小尺寸并提高效率，已開發(fā)了封閉光生物反應(yīng)器。他們利用每天24小時(shí)且每周7天的人工照明的可利用性，同時(shí)根據(jù)所涉及藻類的生物周期的特定順序選擇關(guān)閉照明。事實(shí)上，增加微藻生物質(zhì)的關(guān)鍵因素是光(數(shù)量和質(zhì)量兩方面)，這是因?yàn)槲⒃逯晃仗囟ò坠獠ㄩL。光生物反應(yīng)器被定義為封閉系統(tǒng)，其中在光能的存在下發(fā)生通過控制培養(yǎng)條件可控制的生物的相互作用。在光生物反應(yīng)器中對微藻種類越適合的光分配，越有利于生物質(zhì)生產(chǎn)。用于解決這個(gè)問題的第一人工照明方案包括利用光學(xué)纖維在微藻附近的培養(yǎng)基中輸送來自光源的光(US6156561和ΕΡ0935991)。光學(xué)纖維可進(jìn)一步與在容器內(nèi)部引導(dǎo)光的浸入單元聯(lián)合(JP2001178443和DE29819259)。這種方法主要缺點(diǎn)是只適用于獲得低(光生產(chǎn))/(有效光)產(chǎn)率。事實(shí)上，強(qiáng)度由于光源和波導(dǎo)間的界面而降低，且在同一纖維上難以與多個(gè)光源結(jié)合。此外，一旦使用多個(gè)不同波長產(chǎn)生的問題是事實(shí)上，為了從浸入培養(yǎng)基中的光學(xué)纖維中提取光，需要進(jìn)行表面處理(粗糙度)，以使引導(dǎo)的光的一部分漫射和衍射。最有效的方案包括在纖維周圍以所攜帶的光的波長區(qū)域內(nèi)的間隔蝕刻?hào)鸥?。該方案具有狹窄的帶寬，且當(dāng)使用多個(gè)波長時(shí)是完全不適合的。隨機(jī)粗糙度的使用是低效率的。
用于解決這個(gè)問題的其他人工照明方案包括在光生物反應(yīng)器容器中直接浸入光源，例如熒光燈(US5104803)或 LEDs (發(fā)光二極管)(DE202007013406 和 W02007047805)。該方案使得提高照明方法的能量效率成為可能，這是因?yàn)楣庠磁c培養(yǎng)基更近且結(jié)合更好。 然而，光源，尤其是LEDs引入反應(yīng)器的應(yīng)用需要考慮到另外三個(gè)主要問題。首先對于進(jìn)入培養(yǎng)基的光透過是固有的，這直接與微藻的密度相關(guān)。在培養(yǎng)期間該密度增加，并迅速導(dǎo)致光輸出在大部分反應(yīng)器中被熄滅。方案包括照明光生物反應(yīng)器的內(nèi)壁(DE202007013406)，因此不能僅通過位似變換變換至數(shù)百升的工業(yè)規(guī)模光生物反應(yīng)器中，在培育過程結(jié)束時(shí)，光吸收長度仍為厘米。為了消除培養(yǎng)期間出現(xiàn)的陰影區(qū)，可在容器中增加光源并將它們定位得彼此足夠近以照明培養(yǎng)基，而與生物循環(huán)關(guān)聯(lián)的可變吸收長度無關(guān)。這樣做造成管理反應(yīng)器的熱量的問題，該溫度需要控制在幾度內(nèi)，且這取決于藻類的類型。該熱量管理是需要解決的第二主要問題。它對于這些第一代反應(yīng)器結(jié)構(gòu)是固有的，而與所使用的光源類型無關(guān)。如果光源需要大規(guī)模增加，則存在光生物反應(yīng)器成本的附加問題。第三個(gè)問題在于在反應(yīng)器增長體積中在強(qiáng)度上獲得均勻的照明陣面(front)。除了在培養(yǎng)基中通過吸收而在光波強(qiáng)度上逐步下降，在入射光陣面上發(fā)生顯著的光能分散。這就阻礙了用于給定整體入射光能的生物質(zhì)生長方法的最優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決這些問題，本發(fā)明人意外驚奇地發(fā)現(xiàn)一種適用于光生物反應(yīng)器的新光源在這些條件下，用在直接注入發(fā)射光中的光伏電池。該光源提供特別均質(zhì)且適合于最優(yōu)化待生產(chǎn)的藻株的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)楣夥姵啬苓m合于發(fā)射被菌株吸收用于其光合作用的波長。因此，本發(fā)明的主題是一種用于培養(yǎng)光合微生物，優(yōu)選微藻的光生物反應(yīng)器，包括(a)至少一個(gè)培養(yǎng)箱(enclosure) I,用于容納微生物的培養(yǎng)基3 ;(b)光伏電池2,與所述培養(yǎng)基3隔離，向所述培養(yǎng)基3發(fā)射光；(c)單元4，對所述光伏電池2供電，以使所述光伏電池在光發(fā)射模式下運(yùn)行。光伏電池為暴露在光(光子)中時(shí)產(chǎn)生電的電子部件。最常見的光伏電池包含半導(dǎo)體材料。為了獲得光發(fā)射，這些半導(dǎo)體材料需要具有直接帶隙，如As、Ga、In、P的合金。硅
(Si)材料不適合此功能，因?yàn)槠鋷妒情g接的。光伏電池一般為薄板形式，一側(cè)測量約為數(shù)十厘米，夾在兩個(gè)金屬觸點(diǎn)之間，厚度在I毫米的區(qū)域內(nèi)。光伏電池的原理是眾所周知的(Physics of SemiconductorDevices (半導(dǎo)體器件物理)-J Wiley & Sons, 3rd Edition,Simon M. Sze, Kwok. Ng)。在暴露于光的半導(dǎo)體中，足夠能量的光子抽出電子，因此產(chǎn)生“空穴”。通常，電子迅速回到空穴以復(fù)位，并且光子提供的能量因而消散。光伏電池的原理是，迫使電子和空穴各自向著材料的相對面移動(dòng)，而不是僅僅在其內(nèi)再結(jié)合這樣，電位的差異及由此兩面之間的電壓將會(huì)像電池一樣消失。為此，需要分別在兩個(gè)P和N-摻雜的層之間通過PN結(jié)的方式產(chǎn)生永久性的電場。在電池的頂層，相比純材料層存在更多量的自由電子，因此術(shù)語N摻雜意味著負(fù)(電荷)。在電池的底層，自由電子的數(shù)量少于純材料層，電子結(jié)合成結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)，因此為正電荷。通過正空穴(P)導(dǎo)電。當(dāng)形成P-N結(jié)時(shí)，N區(qū)域內(nèi)的自由電子進(jìn)入P層，并在P區(qū)域與空穴再結(jié)合。這樣，對于結(jié)點(diǎn)的壽命，在結(jié)點(diǎn)邊緣將存在N區(qū)域的正電荷(因?yàn)殡娮与x去)，在結(jié)點(diǎn)邊緣將存在P區(qū)域的負(fù)電荷(因?yàn)榭昭ㄏ?，且兩者間存在從N到P的電場。在常規(guī)操作中，光子從基體中抽出電子，產(chǎn)生自由電子以及空穴。該電子在N區(qū)域內(nèi)積聚(變成負(fù)極)，而空穴在P摻雜層內(nèi)積聚(變成正極)。已經(jīng)開發(fā)了用于空間應(yīng)用的具有高效率的電池包括多層薄層的多結(jié)點(diǎn)電池，通常為I至5個(gè)結(jié)點(diǎn)。
例如，三結(jié)點(diǎn)電池包括半導(dǎo)體AsGa、Ge和GaInP2。各類型的半導(dǎo)體由光子不能轉(zhuǎn)化成電能的最大波長表征。在該波長以下，由光子攜帶的過剩能量損失。根據(jù)本發(fā)明，光伏電池被用于反向(inverse)發(fā)射模式，即作為光源。光伏電池供有被稱為“注入電流”的電流，且不同于其上述產(chǎn)生光的傳統(tǒng)操作。如果在P區(qū)域端施加正電壓，主正載流子(main positive carriers)(空穴)被推向結(jié)點(diǎn)。同時(shí)，在N端的主負(fù)載流子(電子)吸引至結(jié)點(diǎn)。一旦他們到達(dá)結(jié)點(diǎn)，載流子再結(jié)合，釋放具有相對于所使用的半導(dǎo)體材料的帶隙的能量的光子?；旧希糜谥苯幼⑷氲墓夥姵厥谴竺娣e的發(fā)光二極管。此外，它因其需要覆蓋大表面積的注入觸點(diǎn)的幾何形狀而不同于LED。傳統(tǒng)上，觸點(diǎn)柵格形成有由小于載流子擴(kuò)散長度的長度隔開的指狀物(finger)。大面積的LED可受益于在傳統(tǒng)LED中執(zhí)行的所有內(nèi)部和外部的量子產(chǎn)率增強(qiáng)(布拉格反射鏡、活化層中量子阱的使用、表面處理等等)。事實(shí)上，為了從裝置傳出，光子需要從結(jié)點(diǎn)到表面(不被半導(dǎo)體吸收地)穿過半導(dǎo)體，以及不被反射地穿過半導(dǎo)體的表面，尤其是不經(jīng)歷光子返回至光子最終被吸收的電池內(nèi)部的全內(nèi)反射。未經(jīng)歷全內(nèi)反射的那些光子離開半導(dǎo)體并形成外部光流(例如至空氣)。在合適的LEDs中，外部傳輸效率通過引入在半導(dǎo)體的表面上粘合的光學(xué)器件而少量提高(在空氣的光學(xué)指數(shù)(η = I)與半導(dǎo)體的光學(xué)指數(shù)(3 < η < 4)之間的中間光學(xué)指數(shù))。在這些條件下，最好的LEDs具有大約20%的外部量子產(chǎn)率(對元件施加的電功率上的外部光功率)。至于根據(jù)本發(fā)明的大平面LED，方案將為使表面微結(jié)構(gòu)化以增加光子以準(zhǔn)垂直方式遭遇表面的概率。迄今為止，曾獲得的最高的外部量子產(chǎn)率是略大于45%。目前，各種微結(jié)構(gòu)方法是實(shí)驗(yàn)室研究課題，且基于在半導(dǎo)體工業(yè)中使用的微米結(jié)構(gòu)光刻技術(shù)，或基于用于蝕刻LED的外部表面的技術(shù)。在后者技術(shù)分類中，通常得到30%的區(qū)域的外部量子產(chǎn)率。利用大面積元件使得這些技術(shù)的應(yīng)用更容易。根據(jù)本發(fā)明使用的光伏電池由直接帶隙材料(AsGa、GaInP等)組成。在這些材料中，在空穴-電子對的再結(jié)合期間釋放的能量通過任意的可見光子的發(fā)射來傳輸。光的強(qiáng)度與注入電流成正比。光發(fā)射波長等效于形成光伏電池的半導(dǎo)體材料的帶隙能量。間接帶隙半導(dǎo)體材料不發(fā)光，能量以熱量的形式消失。傳統(tǒng)上，在可見區(qū)域內(nèi)發(fā)光的直接帶隙材料是III/IV或II/VI合金。發(fā)射的光包括光伏電池的組成材料的直接發(fā)射輻射躍遷。在這種情況下，可選擇由發(fā)射一種或多種波長的一種或多種材料組成的光伏電池，有利地選擇在根據(jù)本發(fā)明的光生物反應(yīng)器中欲培養(yǎng)的光合微生物物種的波長。優(yōu)選地，本發(fā)明所使用的光伏電池為具有一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)結(jié)點(diǎn)的電池。優(yōu)選地，其基板為與外延生長以生產(chǎn)結(jié)點(diǎn)的那些材料具有類似的網(wǎng)狀參數(shù)的鍺或AsGa0硅作為基板的應(yīng)用如文獻(xiàn)所述需要利用智能切割技術(shù)，該技術(shù)包括分離元件的活性部分(在AsGa或鍺層上進(jìn)行)以及將元件的活性部分通過分子粘附粘合在硅基板上。優(yōu)選地，覆蓋基板的直接帶隙材料為根據(jù)元素周期表的III/IV合金，尤其優(yōu)選AsGa (砷-鎵)、GaInP (鎵-銦-磷)和/或GaInAs (鎵-銦-砷)，盡管任何直接帶隙材料都適合。尤其優(yōu)選地，用于本發(fā)明的光伏電池2是由鍺基板上的AsGa和/或GaInP材料制成的電池。根據(jù)材料的發(fā)射波長選擇材料。事實(shí)上，根據(jù)本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)之一 是為培養(yǎng)的光合微生物提供其光合作用吸收的特定波長，并因此最優(yōu)化生物質(zhì)繁殖條件。有利地，根據(jù)本發(fā)明所使用的光伏電池具有基板以及一種或兩種直接帶隙材料，即兩個(gè)或三個(gè)結(jié)點(diǎn)，并發(fā)射一種或兩種波長。有利地，它們發(fā)射相應(yīng)于葉綠素色素的波長。有利地，他們發(fā)射在400至450nm和640至700nm的間隔內(nèi)的波長。光伏電池照亮幾十平方厘米，常規(guī)約100cm2。根據(jù)本發(fā)明，他們優(yōu)選布置在面板7上。尤其優(yōu)選地，光伏電池覆蓋面板7以并列形成多達(dá)I平方米區(qū)域的表面積的平面均勻 照明系統(tǒng)。光伏電池可包括在面板的任何一側(cè)的各種材料。例如，面板的一側(cè)可覆有發(fā)射一種波長的光伏電池，而面板的另一側(cè)可覆有發(fā)射另一波長的材料的光伏電池。光伏電池2優(yōu)選地位于-或者在浸入培養(yǎng)基3中的適宜透明度(adaptedtransparency,AT)的密封容器5中的培養(yǎng)箱I內(nèi)。-或者在距培養(yǎng)箱的外壁6的短距離的培養(yǎng)箱的外部，所述壁包括用于所發(fā)射的波長的通道的適宜透明度的材料。在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明的光生物反應(yīng)器包括多個(gè)由光伏電池分隔的培養(yǎng)箱。例如多個(gè)(例如兩個(gè))平行六面體的培養(yǎng)箱通過光伏電池2的面板7堆疊并分隔(見圖6)?！斑m宜透明度”(AT)的容器為在提供光合作用的波長中提供最佳光產(chǎn)率的容器。合適的適宜透明度的材料為PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)、有機(jī)玻璃、玻璃、聚碳酸酯、PMMA面板。 術(shù)語“短距離”是指幾毫米至幾十厘米，優(yōu)選地從幾毫米至幾厘米。具體地,上述短距離包括O. I至20cm的距離，優(yōu)選O. 5至5cm,更優(yōu)選O. 5至2cm,特別優(yōu)選約1cm。在特定類型的光生物反應(yīng)器操作中，可優(yōu)選使用低的微藻濃度。因此，相當(dāng)一部分的光或未被培養(yǎng)基吸收，從而離開反應(yīng)器。該光可通過將反應(yīng)器的外壁變換為鏡子(例如，鋁、銀金屬涂層)而以第二通道返回至培養(yǎng)基。培養(yǎng)箱I通常具有圓柱形或平行六面體形狀。通過注入觸點(diǎn)8對光伏電池供電。優(yōu)選地，這些觸點(diǎn)8布置在發(fā)光的光伏電池2的面板的末端。他們具有稱為歐姆的低電阻率。調(diào)節(jié)觸點(diǎn)柵格的間隔能夠使發(fā)射的光能的陣面進(jìn)行空間調(diào)制。優(yōu)選地，以串聯(lián)構(gòu)造組裝光伏電池。
有利地，光伏電池通過具有良好導(dǎo)熱性的絕緣體與其基板電絕緣，例如DuPont公司開發(fā)的Mylar 型、聚對苯二甲酸乙二醇酯。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，根據(jù)本發(fā)明的光生物反應(yīng)器包括用于冷卻光伏電池2的系統(tǒng)
8。有利地，冷卻系統(tǒng)9包括在密閉容器5中循環(huán)的傳熱流體10,所述容器5與相對于傳熱流體10的密閉容器的外部冷卻裝置連接。有利地，傳熱流體10 選自其透明度在波長范圍O. 3微米至I微米，且在此波長范圍內(nèi)不應(yīng)有明顯的吸收。適合的傳熱流體的為硅油、全氟油或空氣。傳熱流體10通過接觸直接冷卻光伏電池2。它由根據(jù)本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的冷卻系統(tǒng)冷卻，并傳送至培養(yǎng)箱I的外部。這種流體的熱調(diào)節(jié)進(jìn)一步能夠?qū)ε囵B(yǎng)箱進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)控制。根據(jù)本發(fā)明的光生物反應(yīng)器可進(jìn)一步包括用于注入氣體的系統(tǒng)11，尤其是將CO2注入培養(yǎng)箱I。根據(jù)本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)箱I可被設(shè)計(jì)用于各種各樣的工業(yè)或?qū)嶒?yàn)室應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的培養(yǎng)箱I的尺寸是高以及直徑(圓柱形容器)或?qū)?平行六面體容器)從幾十厘米至幾百厘米。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的培養(yǎng)箱I的體積小于I立方米。有利地，培養(yǎng)箱I為工業(yè)化培養(yǎng)箱I。工業(yè)規(guī)模的培養(yǎng)箱I的尺寸為幾米。工業(yè)規(guī)模的培養(yǎng)箱I的體積大于I立方米。培養(yǎng)箱I由用于容納培養(yǎng)基的合適的材料制成，例如由金屬或聚合物制成，優(yōu)選地選自由PMMA、聚碳酸酯或不銹鋼所組成的組。例如，也可設(shè)想由混凝土類型的結(jié)構(gòu)材料制成的容器。根據(jù)光伏電池放置于培養(yǎng)箱外部的實(shí)施方式，培養(yǎng)箱由適宜透明度的材料制成。根據(jù)光伏電池放置于培養(yǎng)箱內(nèi)部的實(shí)施方式，光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)箱I的內(nèi)壁12有利地反射以最小化密閉容器外部的光線損失。他們可涂覆有反射材料或涂料。因此降低了用于光合微生物培養(yǎng)所需的能耗。根據(jù)本發(fā)明的光生物反應(yīng)器可進(jìn)一步包括用于混合培養(yǎng)基3的系統(tǒng)13?；旌舷到y(tǒng)13具有兩個(gè)主要功能。第一，需要促進(jìn)培養(yǎng)基的溫度均勻化。第二，提高微生物的照明度的均勻化。事實(shí)上，通過這種混合，微生物從最高照明度的區(qū)域移動(dòng)至最低照明度的區(qū)域以及相反地移動(dòng)。通過各種技術(shù)手段進(jìn)行培養(yǎng)基的混合，目前，最常見的是被稱為“氣升式”技術(shù)。也可使用機(jī)械攪拌阿基米德螺旋、水推進(jìn)器、拉什頓型、水翼等。有利地，所使用的被稱為“氣升式”的混合技術(shù)包括將加壓氣體，例如空氣注入培養(yǎng)箱I的下部。比液體的密度低的空氣迅速以氣泡的形式上升。通過氣泡的向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)載液體和微藻。空氣可垂直注入，但也可以一角度注入，以使被運(yùn)載的液體從培養(yǎng)基的一個(gè)壁至另一壁，從而促進(jìn)微藻所需養(yǎng)分和CO2的混合。由于它們上升，培養(yǎng)液的此移動(dòng)也確保了對于所有微藻的平均照明度。然后微藻下降至無空氣氣泡上升的體積內(nèi)。因此形成了密閉培養(yǎng)液循環(huán)。該技術(shù)能夠進(jìn)行包含微藻的低能耗和低應(yīng)力的混合。培養(yǎng)基可通過利用進(jìn)料器14沿著培養(yǎng)箱的高度分布的初始側(cè)向(CO2+空氣)注入系統(tǒng)完成的在本質(zhì)上產(chǎn)生垂直推力的傳統(tǒng)氣升式系統(tǒng)進(jìn)行部分混合。術(shù)語“進(jìn)料器”表示適合于將氣體或液體從來源運(yùn)載至氣體或水被注入的點(diǎn)的線或管。所述進(jìn)料器14將被安置于緊靠培養(yǎng)箱I或密閉容器5的壁20的培養(yǎng)區(qū)域。注入噴嘴15分布在一個(gè)(或多個(gè))進(jìn)料器14上。進(jìn)料器的數(shù)量以及傾斜度將取決于傳遞給微生物的推力類型(橫向推力、垂直推力、或適用于形成生物質(zhì)全部運(yùn)動(dòng)的推力、使水藻從反應(yīng)器的一個(gè)邊緣至另一邊緣的周期性運(yùn)動(dòng)、向上運(yùn)動(dòng))。有利地，這種管理生物質(zhì)橫向運(yùn)動(dòng)的能力將用于均勻化其照明度，即優(yōu)選以精確的傾斜度定向向上。此外，在該反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中，可調(diào)整橫向推力的強(qiáng)度，以便于微生物在照明和未照明區(qū)域之間的空間運(yùn)輸時(shí)間形成某些類型藻類生長所需的照明循環(huán)(照明時(shí)間/未照明時(shí)間)。有利地，培養(yǎng)物的體積是固定的，或連續(xù)地從培養(yǎng)箱I的頂部除去，并立即在培養(yǎng)箱I的底部或進(jìn)料器14內(nèi)通過注入等體積的包含養(yǎng)分的水進(jìn)行替換。該方法有助于降低在反應(yīng)器內(nèi)引起液體循環(huán)所需的能量。冷卻系統(tǒng)9在調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)基3的溫度的同時(shí)，可除去光伏電池2釋放的熱量。
冷卻系統(tǒng)9可包括熱交換器。例如，該熱交換器包括在培養(yǎng)箱I的外部用于運(yùn)輸16熱的傳熱流體10的單元，以及構(gòu)成為在冷卻水的相反方向上使熱的傳熱流體循環(huán)的冷卻器，上述單元例如為連接至培養(yǎng)箱I的上端并聯(lián)接有泵17的管道(見圖8)。有利地，傳熱流體10在培養(yǎng)容器I的一端在頂部或底部從培養(yǎng)容器I中排出，并通過另一端進(jìn)入培養(yǎng)箱I。冷的傳熱流體10通過用于運(yùn)輸冷的傳熱流體的單元19，例如管道返回培養(yǎng)箱I。有利地，根據(jù)本發(fā)明在光生物反應(yīng)器中的光伏電池的數(shù)量為，使得光伏電池大致沿著培養(yǎng)箱I的整個(gè)高度延伸覆蓋面板7。光伏電池2的面板7的布置適合于光生物反應(yīng)器的形狀。例如，當(dāng)光生物反應(yīng)器具有圓柱形狀培養(yǎng)箱時(shí)，為了最近似的圓柱形狀，面板形成多邊形，優(yōu)選六邊形或八邊形橫截面的管(見圖7)。為了校正在多邊形拐角的邊緣效應(yīng)，可局部調(diào)節(jié)注入電流的強(qiáng)度，這是因?yàn)楣鈴?qiáng)度與注入電流的強(qiáng)度成正比。注入電流的強(qiáng)度可通過調(diào)整注入觸點(diǎn)柵格8來調(diào)節(jié)。也可使用聚合物漫射材料(polymer diffusing material)以提高波陣面的均勻化。如果光伏電池的面板7置于培養(yǎng)箱內(nèi)，這種薄層材料可覆蓋緊閉容器5的外壁20，或者如果光伏電池2的面板7置于距外壁6的短距離的培養(yǎng)箱I的外部，這種薄層材料可覆蓋培養(yǎng)箱的壁6。本發(fā)明的另一目的是使用以反向光模式供電的光伏電池2照明光生物反應(yīng)器的
培養(yǎng)基。本發(fā)明的又一目的是使用根據(jù)本發(fā)明的光生物反應(yīng)器培養(yǎng)光合微生物，優(yōu)選微藻。閱讀本發(fā)明實(shí)施方式的描述，本發(fā)明其它的特征和優(yōu)點(diǎn)將顯得更清楚。描述參照下列附圖。


圖I為LED發(fā)射圖；圖2為光伏電池發(fā)射圖3為在邊緣注入電流增強(qiáng)的光伏電池發(fā)射圖；圖4為LED并列發(fā)射圖；圖5為并列的光伏電池面板發(fā)射圖；圖6a_6b為包括在兩個(gè)培養(yǎng)箱間插入的光伏電池的面板的平行六面體光生物反應(yīng)器的透視圖和前視圖；圖7a_7b為包括在浸入培養(yǎng)基中的密封管中放置的六邊形截面管上布置的光伏電池的面板的圓柱形光生物反應(yīng)器的透視圖和徑向剖面圖；圖8為光伏電池的冷卻系統(tǒng)以及光生物反應(yīng)器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的外觀；圖9為安裝在壁上用于混合培養(yǎng)基的系統(tǒng)詳圖。
具體實(shí)施例方式將參照

根據(jù)本發(fā)明的光生物反應(yīng)器。圖I至5為能量發(fā)射圖。準(zhǔn)點(diǎn)(quasi-point)LED發(fā)射“朗伯”模式(波瓣)的能量。能量的大部分垂直于半導(dǎo)體的表面發(fā)射。該能量在離開法線到半導(dǎo)體的過程中降低。其未平行于該表面。通過增加基礎(chǔ)波瓣，可使發(fā)射表面延伸超出自然波瓣寬度以在平行于半導(dǎo)體表面的平面(xOy)內(nèi)形成能量恒定的發(fā)射表面。在圖中，LED或光伏電池為O中心的且其表面垂直于(Oz)取向。這些波瓣的截面沿著平面(xOz)示出。圖I表示位于參照中心的LED的發(fā)射圖。假定負(fù)極為準(zhǔn)點(diǎn)(尺寸上小于I平方毫米)。通過繞軸(Oz)旋轉(zhuǎn)而存在恒定性。圖2表示本發(fā)明所使用的反向光伏電池的發(fā)射圖，在這種情況下，具有電流注入指狀物的恒定間隔。在電池中心附近，平行于(xOy)的平面上的光強(qiáng)度是恒定的。圖3表示反向光伏電池在電流注入指狀物的間隔通過移動(dòng)邊緣靠近在一起而收縮時(shí)的能量發(fā)射圖。在邊緣處注入電流密度更大，因此光強(qiáng)度增加。圖4表示各LEDs的帶(strip)(沿(Ox)布置)的發(fā)射圖。增加光輸出產(chǎn)生不均勻的陣面，其不均勻性取決于帶上兩個(gè)連續(xù)的LED之間的距離。圖5表示各LEDs的帶(沿(Ox)布置)的發(fā)射圖。如果電池足夠靠近，在平行于(xOy)的平面內(nèi)的光強(qiáng)度是恒定的，因此，接收到的能量僅取決于距電池的距離事實(shí)上，輸出不均勻性與進(jìn)行測量處的距離無關(guān)。根據(jù)第一個(gè)實(shí)施方式，光生物反應(yīng)器為圓柱形(圖7)。光伏電池2布置在六個(gè)面板7的兩面，該六個(gè)面板形成具有六邊形橫截面的管。這些面板7的長度為光生物反應(yīng)器的高度。如圖7a所示，這些面板7放置在由透光材料制成的密封管5中，依次浸入在培養(yǎng)基3中，將培養(yǎng)基分成“內(nèi)”部3a和“外”部3b。面板連接至電流注入觸點(diǎn)8。根據(jù)第二個(gè)實(shí)施例，光生物反應(yīng)器為平行六面體(圖6)。光伏電池2布置在一個(gè)或多個(gè)金屬面板7的兩面。這些面板的尺寸為光生物反應(yīng)器的那些尺寸。這些面板(X)被放置于光生物反應(yīng)器的外部，優(yōu)選在兩個(gè)堆疊的培養(yǎng)箱之間。面板連接至電流注入觸點(diǎn)8。光伏電池通過絕緣體與金屬面板電絕緣，該絕緣體具有良好的熱導(dǎo)性，例如Mylar 。
權(quán)利要求
1.一種光生物反應(yīng)器，用于培養(yǎng)光合微生物，優(yōu)選微藻，所述光生物反應(yīng)器包括 (a)至少一個(gè)培養(yǎng)箱(I)，用于容納所述微生物的培養(yǎng)基(3)； (b)光伏電池(2),與所述培養(yǎng)基(3)隔離，向所述培養(yǎng)基(3)發(fā)射光； (c)單元(4)，用于對所述光伏電池(2)供電，以使所述光伏電池在光發(fā)射模式下運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光伏電池(2)布置在面板上，優(yōu)選覆蓋所述面板的整個(gè)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光伏電池(2)為具有一個(gè)結(jié)點(diǎn)或二個(gè)結(jié)點(diǎn)的電池。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光伏電池(2)由III/V直接帶隙材料制成。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光伏電池(2)放置在浸入所述培養(yǎng)基(3)中的適宜透明度(AT)的密閉容器(5)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光伏電池(2)放置在距所述培養(yǎng)箱的外壁的短距離的所述培養(yǎng)箱的外部，且所述培養(yǎng)箱的外壁包括用于所述光伏電池發(fā)射的波長的通道的適宜透明度的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光生物反應(yīng)器，包括多個(gè)平行六面體培養(yǎng)箱，通過光伏電池(2)的面板(7)堆疊并分隔。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器，包括用于冷卻所述光伏電池(2)的系統(tǒng)(9)。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器，包括用于混合所述培養(yǎng)基的系統(tǒng)(13)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至5和8至9所述的光生物反應(yīng)器，包括 (a)圓柱形培養(yǎng)箱(I)，用于容納微生物培養(yǎng)基(3)； (b)光伏電池(2)，與所述培養(yǎng)基(3)隔離，覆蓋面板(7)，所述面板大致沿著所述培養(yǎng)箱(I)的整個(gè)高度延伸，放置在浸入所述培養(yǎng)基(3)中的適宜透明度(AT)的密閉容器(5)中，且布置為具有多邊形橫截面的管。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至4和6至9所述的光生物反應(yīng)器，包括 (a)多個(gè)平行六面體培養(yǎng)箱(I)，堆疊并分隔， (b)光伏電池(2)的面板(7)，所述面板具有所述培養(yǎng)箱的一面的尺寸。
12.—種以反向光模式供電的光伏電池(2)在照明光生物反應(yīng)器的所述培養(yǎng)基中的應(yīng)用。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求I至11中任一項(xiàng)所述的光生物反應(yīng)器在培養(yǎng)光合微生物，優(yōu)選微藻中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于培養(yǎng)光合微生物的光生物反應(yīng)器，包括a)至少一個(gè)培養(yǎng)容器(1)，用于容納微生物的培養(yǎng)基(3)；b)光伏電池(2)，與培養(yǎng)基(3)隔離，向培養(yǎng)基(3)發(fā)射光；以及c)單元(4)，對光伏電池(2)供電，以使光伏電池在光發(fā)射模式下運(yùn)行。
文檔編號(hào)C12M1/00GK102741389SQ201180007813
公開日2012年10月17日 申請日期2011年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月4日
發(fā)明者A·弗里德里徹, J·布古安, M·科寧, 孫國才 申請人:阿克塔海藻公司