生物反應器的制造方法
【專利摘要】根據本發明各實施例，提供了一種用于光合自養生物生長的生物反應器。所述生物反應器包括配置為容納所述光合自養生物的容器，所述容器具有縱向軸線，周向壁圍繞所述軸線延伸，其中所述周向壁為半透明的，以使光能夠從外側進入所述容器，從而作用在所述光合自養生物上，其中提供用于在所述容器內沿所述軸線提供光強的不均勻分布的設備。
【專利說明】生物反應器
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2011年12月19日遞交的美國臨時申請No. 61/577,547的優先權 的利益，其全部內容為所有目的而通過引用合并于此。

【技術領域】
[0003] 各個實施例涉及一種生物反應器。

【背景技術】
[0004] 原油儲備快速減少。目前，諸如微藻之類的光合自養生物的培育已經被確定為處 理上述主要問題的潛在策略。微藻可被用作用于生物燃料生產的替代原料。與快速減少的 原油儲備不同，微藻是可再生的且提供快速的生長。與在生物柴油生產中普遍觀察到的高 植物油成本相比，由于高達80%干重的高脂類甘油三酯和快速的指數生長速率，微藻潛在 地以低原材料成本提供高的產油率。除了生物柴油生產，微藻目前被培養，以生產用于保健 品、水產飼料、色素成分、多不飽和脂肪酸和其它精細化工的材料，而在收獲有用的脂類和 材料后收集的廢棄的細胞碎片可被轉換為替代的生物柴油形式，包括生物甲烷、生物乙醇 和生物氫氣。
[0005] 微藻的培育可被分類在兩個主要的系統下：開放式系統（例如水道池塘）或者封 閉式系統（例如光生物反應器）。目前，因為與建造和操作開放式系統相關的低成本，開放 式系統仍然為工業上最普遍的培育系統。但是，開放式水道池塘的關鍵缺點在于生物量的 面積和體積生產率低。另外，水道池塘容易被污染，且混合不佳。因此，其不能有效地利用 光，且與封閉式系統相比使用碳的效率更低。
[0006] 相比之下，光生物反應器能夠以更高的體積生產率生產單物種培養物，且光生物 反應器已經被用于大批微藻生物量的工業化生產。此外，為了生產的高價值化合物，在受控 培育系統中授權使用單一培養。與開放式水道池塘所獲得的生物量濃度相比，傳統的光生 物反應器能夠維持較高的生物量濃度。因此這使得反應器的尺寸要求最小化，同時降低了 下游處理成本。
[0007] 具有小直徑的管狀光生物反應器目前在微藻的大范圍生產中被采用。盡管小直徑 的管被發現為最大化地利用捕獲的陽光，但是需要強的湍流，另外，用于保持通過管長度必 需的流率所需要高的泵送壓力，使得系統更加昂貴且對于大規模操作不太可行。此外，小的 管直徑也被發現為會增加生物污垢，降低對鹽沉淀的控制，和呈現強氧張力，其一般地對于 主動光合作用系統是不利的。


【發明內容】

[0008] 根據本發明一方面，提供一種用于光合自養生物生長的生物反應器。所述生物反 應器可包括配置為容納所述光合自養生物的容器，所述容器具有縱向軸線，周向壁圍繞所 述軸線延伸，其中所述周向壁為半透明的，以使光能夠從外側進入所述容器，從而作用在所 述光合自養生物上，其中提供用于在所述容器內沿所述軸線提供光強的不均勻分布的設 備。
[0009] 用于提供光強的不均勻分布的所述設備可包括所述周向壁，使得半透明表面沿所 述軸線變化。所述周向壁的周長可沿所述軸線變化。
[0010] 所述周向壁可具有圓形、橢圓形、正方形、長方形或六邊形的形狀。
[0011] 所述周向壁可由半透明材料制成。所述半透明材料可為玻璃或石英或丙烯酸塑 料。
[0012] 所述容器可具有用于將所述容器定位在地面上的底部和當沿所述軸線看時提供 在與所述底部相反的端部上的頂部，并且其中所述周向壁的周長可從所述底部朝向所述頂 部增加。在各個實施例中，這種容器可使所述容器內的光強分布能夠沿所述軸線從容器的 底部朝向頂部增加，從而隨著光合自養生物在培育過程期間從所述容器的所述底部朝向所 述容器的所述頂部向所述容器上方行進，光合自養生物可接收光強的逐漸增加的分布或部 分。因此，分布在所述容器內的部分光強從所述容器的所述底部朝向所述頂部增加，使得與 接近所述容器的所述底部的光合自養生物相比，接近所述容器的所述頂部的光合自養生物 可接收分布在所述容器內的光強的更高比例。
[0013] 用于在所述容器內沿所述軸線提供光強的不均勻分布的所述設備包括定位在所 述容器外側的至少一個鏡子，該至少一個鏡子用于將光引導朝向所述半透明周向壁的預定 區域或者朝向所述周向壁的預定半透明區域，以便在所述容器內沿所述軸線提供光強的不 均勻分布。在各個實施例中，所述鏡子可使得容器內的光強的分布能夠從所述容器的所述 底部朝向所述頂部沿所述軸線增加，從而隨著所述光合自養生物在培育過程期間沿從所述 容器的所述底部朝向所述容器的所述頂部的方向行進，所述光合自養生物可接收逐漸增加 的光強分布。
[0014] 所述鏡子可具有凹形形狀，該凹形形狀被布置為彎曲遠離所述容器的所述周向 壁。所述鏡子可被布置為至少大體上環繞所述容器的所述周向壁。所述鏡子可被布置為至 少大體上環繞所述容器的所述周向壁。
[0015] 用于提供光強的不均勻分布的所述設備可包括在所述容器的所述周向壁上的濾 光層，其中所述濾光層可具有一透光率，該透光率沿所述軸線變化，以便在所述容器內沿所 述軸線提供光強的不均勻分布。
[0016] 用于提供光強的不均勻分布的所述設備可包括定位在所述容器外側的過濾器裝 置，其中所述過濾器裝置可具有一透光率，該透光率沿所述軸線變化，以便在所述容器內沿 所述軸線提供光強的不均勻分布。
[0017] 用于提供光強的不均勻分布的所述設備可包括定位在所述容器外側的至少一個 光源，該至少一個光源用于朝向所述半透明周向壁的預定區域或者朝向所述周向壁的預定 半透明區域供應光，以便在所述容器內沿所述軸線提供光強的不均勻分布。
[0018] 用于提供光強的不均勻分布的所述設備可包括定位在所述容器外側的多個光源， 該多個光源用于朝向所述半透明周向壁的多個預定區域或者朝向所述周向壁的多個預定 半透明區域供應光，其中所述光源以相應距離與所述容器的所述半透明周向壁或所述周向 壁隔開，該相應距離沿所述軸線變化，以便在所述容器內沿所述軸線提供光強的不均勻分 布。
[0019] 用于提供光強的不均勻分布的所述設備可包括定位在所述容器外側的多個光源， 該多個光源用于朝向所述半透明周向壁的多個預定區域或者朝向所述周向壁的多個預定 半透明區域供應光，其中用于朝向所述半透明周向壁的相應預定區域或者朝向所述周向壁 的相應預定半透明區域供應光的光源的數量沿所述軸線變化，以便在所述容器內沿所述軸 線提供光強的不均勻分布。
[0020] 所述的生物反應器可進一步包括一個或更多個間隔分隔器，其被布置為在所述容 器內沿所述軸線限定多個隔間，其中每個分隔器可具有被限定為通過所述分隔器的至少一 個孔口，該至少一個孔口用于所述多個隔間之間的流體連通，并且其中，對于每個隔間，在 所述多個隔間的一個隔間中的光強可與所述多個隔間中相應的沿所述軸線的隨后的隔間 中的光強不同，以便在所述容器內沿所述軸線提供光強的不均勻分布。在各個實施例中，隔 間的數量可在2和15之間。每個隔間可對應于所述光合自養生物的生長過程的一個階段。
[0021] 在各個實施例中，對于每個隔間，所述多個隔間的一個隔間的高度可與所述多個 隔間中相應的沿所述軸線的隨后的隔間的高度不同。在各個實施例中，對于每個隔間，所述 多個隔間的一隔間的高度可小于所述多個隔間中在從所述底部朝向所述頂部的方向上相 應的沿所述軸線的隨后的隔間的高度。
[0022] 在各個實施例中，對于每個隔間，一隔間中的光強分布可小于在從所述底部朝向 所述頂部的方向上的隨后的隔間中的光強分布。
[0023] 所述孔口可具有在約1_和約10_之間的直徑。
[0024] 每個分隔器可具有多個孔口，并且其中兩個相鄰孔口之間的間距在約1mm和約 10mm之間
[0025] 所述生物反應器可進一步包括布置在每個隔間中的引流管。
[0026] 在各個實施例中，對于每個間隔，所述引流管的內徑可與各自的沿所述軸線的多 個隔間的隨后的隔間的內徑不同。在各個實施例中，對于每個隔間，所述引流管的內徑可小 于在從所述底部朝向所述頂部的方向上相應的沿所述軸線的隨后的引流管的內徑。
[0027] 所述光強可在約50 μ mol/m2s和約1000 μ mol/m2s之間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 在附圖中，相似的附圖標記在不同的視圖中始終指代相似的部分。附圖未必成比 例，而是重點一般地被放在例示本發明的原理上。在以下說明書中，參考以下附圖描述本發 明的各個實施例，其中：
[0029] 圖1示出根據各個實施例的生物反應器的示意性方框圖。
[0030] 圖2示出根據各個實施例的生物反應器的示意圖。
[0031] 圖3示出根據各個實施例的生物反應器的示意圖。
[0032] 圖4A示出根據各個實施例的兩段式生物反應器的示意圖。
[0033] 圖4B示出圖4A的實施例的生物反應器的示意性俯視圖。
[0034] 圖4C示出根據各個實施例的氣液分配器的示意性俯視圖。
[0035] 圖5示出根據各個實施例的生物反應器的示意圖。
[0036] 圖6不出根據各個實施例的具有不同的截面形狀、具有不同的反射表面布置生物 反應器的示意性俯視圖。
[0037] 圖7A示出由照相機圖像的圖像分析獲得的轉換后的徑向灰度分析分布圖。
[0038] 圖7B示出由傳感器測量獲得的生物反應器中的徑向光強分布圖。
[0039] 圖8A示出在各種恒定光強下，小球藻在生物量生長方面的培育特性的圖。
[0040] 圖8B示出在各種恒定光強下，小球藻在特定葉綠素 a含量方面的培育特性的圖 表。
[0041] 圖9示出特定平均光強的對比圖。
[0042] 圖10A至10D示出對于不同的細胞濃度，作為培育時間的函數的特定葉綠素 a含 量和特定平均光強的圖。
[0043] 圖11示出基于光靜態方式（lumostatic approach)，小球藻的生長曲線和供應的 光強之間的關系圖。

【具體實施方式】
[0044] 以下的詳細說明參照附圖，附圖以例示的方式示出了本發明可實施的特定細節和 實施例。這些實施例被足夠詳細地描述，以使得本領域技術人員能夠實施本發明。在不背 離本發明的范圍的情況下，可使用其它實施例，且可作出結構和邏輯上的改變。各個實施例 未必互相排斥，同樣地，一些實施例可以與一個或更多個其它實施例組合，以形成新的實施 例。
[0045] 在一個方法或設備的上下文中描述的實施例對于其它方法或設備類似地有效。類 似地，在方法的上下文中描述的實施例對于設備類似地有效，反之亦然。
[0046] 在一實施例的上下文中描述的特征可對應地應用于其它實施例中的相同或相似 的特征。在一實施例的上下文中描述的特征可對應地應用于其它實施例，即使沒有在這些 其它實施例中明確描述。此外，如描述的用于一實施例的上下文中的特征的增加和/或組 合和/或替代可對應地應用于其它實施例中的相同或相似的特征。
[0047] 在各個實施例的上下文中，關于一特征或元件使用的冠詞"一"、"一個"和"該"包 括對一個或更多個特征或元件的引用。
[0048] 在各個實施例的上下文中，短語"至少大體上"可包括"確切地"和合理的變化。在 各個實施例的上下文中，如應用于數值的用語"約"或"近似地"包含確切值和合理的變化。 [0049] 如在此使用的，用語"和/或"包括一個或更多個有關的所列項目的任意和所有組 合。
[0050] 各個實施例涉及一種生物反應器，例如用于光合自養生物（例如微藻）生長的光 生物反應器。
[0051] 諸如微藻之類的光合自養生物的培育一般地在恒定光強下執行。但是，在培育時 期開始時，光強可能太高，使得低濃度的微藻細胞被放置在光抑制的狀態下，其中微藻細胞 的生長由于高光強或者飽和光強的結果而可能變得被抑制。另一方面，由于相互的遮擋，在 中等濃度的培養基中的微藻的生長可能導致光衰減。在這種情況下，在遠離光源的分區或 區域中的微藻細胞可能由于不足的光照而處于光限制狀態下。鑒于此，光靜態操作可被用 于通過在生長過程期間優化對微藻細胞的光能供應來減少光抑制和光限制，從而改善微藻 生長。對于光靜態方式，作用在光合自養生物上的光強分布在光合自養生物的培育過程期 間（對應于光合自養生物的生長階段）可能變化。
[0052] 因此，各個實施例可提供基于用于實現光合自養生物的連續生產的光靜態培育的 方式的用于培育光合自養生物的生物反應器，包括其設計，以及用于培育光合自養生物的 方法。
[0053] 圖1示出根據各個實施例的用于光合自養生物生長的生物反應器100的示意性方 框圖。生物反應器100包括配置為容納光合自養生物的容器102,容器102具有縱向軸線， 周向壁104圍繞該縱向軸線延伸，其中周向壁104為半透明的，以使得光能夠從外側進入容 器102從而作用在光合自養生物上，其中提供設備106,用于在容器102內沿縱向軸線提供 光強的不均勻分布。
[0054] 換言之，生物反應器100可具有長形容器102,長形容器102具有縱向延伸的周向 壁104。周向壁104可為至少半透明的，換言之具有一定程度的透光率，以允許外部光通過 周向壁104進入容器102的內部。容器102可容納待培育的光合自養生物，且穿入容器102 中的光可作用在光合自養生物上或影響光合自養生物以助于培育過程。
[0055] 生物反應器100也可包括設備106,用于在容器102內沿縱向軸線提供光強的不均 勻分布。光強可在容器102內沿容器102的縱向軸線不均勻地分布，使得光合自養生物可 在不同的階段或者容器102的不同隔間接受不同的光強分布，因為光合自養生物在培育過 程期間在至少大體上沿縱向軸線的方向上在容器102中行進。例如，容器102為堅立容器， 且光合自養生物在培育過程期間可從容器102的底部前進至容器102的頂部，并且分布在 容器102內的部分光強可沿縱向軸線從容器102的底部向頂部增加。這意味著，與接近容 器102底部的光合自養生物相比，接近容器102的頂部的光合自養生物可接收更高比例的 分布在容器102內的光強。這提供了光靜態培育方式，該方式可提供與容器102內的培育 過程期間的光合自養生物的相應生長階段對應的相應的優化的光強分布。
[0056] 在各個實施例的上下文中，容器102也可被稱為腔、芯結構或者柱狀結構。
[0057] 在各個實施例的上下文中，周向壁104可具有圓形、橢圓形、正方形、長方形或者 六邊形的形狀。但是，應當意識到，可提供其它多邊形形狀。
[0058] 在各個實施例的上下文中，用于提供光強的不均勻分布的設備包括周向壁104,以 使半透明表面沿容器102的縱向軸線變化。換言之，周向壁104的半透明表面沿縱向軸線的 變化可造成容器102內的光強的不均勻分布。作為非限制性示例，半透明表面的變化可為 可暴露于光以允許外部光進入容器102的半透明表面區域的尺寸，和/或半透明表面的透 光度。在一個實施例中，周向壁104的周長可沿縱向軸線變化，使得半透明表面沿容器102 的縱向軸線變化。
[0059] 在各個實施例的上下文中，周向壁104由半透明材料制成。在各個實施例中，整個 周向壁104可為至少大體上半透明的，以便允許光通過半透明周向壁104的任意部分或者 預定區域進入容器102。在各個實施例中，周向壁104的至少一部分可為半透明的，以便提 供半透明區域以允許光穿過周向壁104的預定半透明區域進入容器102。此外，應當意識 至IJ，可提供非半透明框架或支撐結構用于保持或固定周向壁104。框架可形成周向壁104的 一部分，并且光可因此通過周向壁104的預定半透明區域進入容器102,換言之，通過周向 壁104的一部分而非框架的一部分。但是，應當意識到，框架也可為半透明的，以便允許一 定程度的光穿過。
[0060] 在各個實施例的上下文中，周向壁104可為透明的。在各個實施例的上下文中，半 透明材料或透明材料可包括但不限于玻璃、石英和丙烯酸塑料。半透明材料或透明材料可 允許直接暴露于陽光、以使陽光穿過以作用在光合自養生物上。
[0061] 在各個實施例的上下文中，容器102具有用于將容器102定位在地面或表面上的 底部，和提供在當沿縱向軸線看時與底部相反的端部上的頂部，其中周向壁104的周長從 底部朝向頂部增加。換言之，容器102可為堅立的容器，具有錐形截面，該錐形截面適于沿 縱向軸線在從容器102的底部朝向容器102的頂部的方向上逐漸加寬（例如向外成錐形）。 因此，容器102可具有類似于倒錐形的形狀。周向壁104的周長從底部朝向頂部的增加可 為連續的或時斷時續的，例如容器102可包括至少一部分具有恒定周長的周向壁104。
[0062] 在各個實施例中，具有錐形構造的容器102可使得容器102內的光強分布沿縱向 軸線從容器102的底部朝向頂部增加，使得當光合自養生物在培育過程期間從容器102的 底部朝向容器102的頂部向上行進時，光合自養生物可接收逐漸增加的光強分布或光強。 這意味著，分布在容器102內的光強部分從容器102的底部朝向頂部增加，使得與接近容器 102的底部的光合自養生物相比，接近容器102的頂部的光合自養生物可接收更高比例的 分布在容器102內的光強。這可提供光靜態培育方式，該方式可提供與容器102內的培育 過程期間的光合自養生物的相應的生長階段對應的相應的優化光強分布。另外，具有這種 錐形構造的容器102也可允許在容器102的頂部更大比例的光進入容器。
[0063] 在具有錐形構造的容器102的各個實施例的上下文中，容器102的頂部的直徑 (或截面寬度）與容器的底部的直徑（或截面寬度）的比率可為約5:1。
[0064] 在各個實施例的上下文中，設備106可包括定位在容器102外側的至少一個鏡 子，用于將光引導朝向半透明周向壁104的預定區域或者朝向周向壁104的預定半透明區 域，以便在容器內沿縱向軸線提供光強的不均勻分布。鏡子可被布置為至少部分地環繞容 器102的周向壁104,例如被布置在容器102的一側或更多側上，或者至少大體上環繞容器 102。在各個實施例中，鏡子可使得容器102內的光強分布能夠沿縱向軸線從容器102的底 部朝向頂部增加，從而當光合自養生物在培育過程期間沿從容器102的底部朝向容器102 的頂部的方向行進時，光合自養生物可接收逐漸增加的光強分布。
[0065] 在各個實施例中，鏡子可具有被布置為彎曲遠離容器102的周向壁104的凹形形 狀。這可將入射在鏡子上的光朝向容器102聚焦，由此將光朝向半透明周向壁104的預定 區域或者朝向周向壁104的預定半透明區域聚集，而不是分散在半透明周向壁104或者周 向壁104的半透明區域的更大的區域上。
[0066] 在各個實施例的上下文中，設備106可包括在容器102的周向壁104上的濾光層， 其中濾光層具有沿縱向軸線變化的透光率，以便在容器102內沿該軸線提供光強的不均勻 分布。
[0067] 在各個實施例中，濾光層的透光度可沿容器102的縱向軸線從容器102的底部朝 向頂部增加。因此，在各個實施例中，濾光層可使得容器102內的光強分布能夠沿縱向軸線 從容器102的底部朝向頂部增加，使得當光合自養生物在培育過程期間沿從容器102的底 部朝向容器102的頂部的方向行進時，光合自養生物可接收逐漸增加的光強分布。
[0068] 在各個實施例的上下文中，濾光層可被至少部分地提供在周向壁104的外表面上 和/或周向壁104的內表面上，例如以涂層的形式。濾光層可為具有變化的透光度的單層， 或者可包括多個層以在濾光層的不同部分提供各種不同的透光度。
[0069] 在各個實施例的上下文中，設備106可包括定位在容器102外側的過濾器裝置，其 中過濾器裝置具有沿縱向軸線變化的透光率，以便在容器102內沿該軸線提供光強的不均 勻分布。
[0070] 在各個實施例中，過濾器裝置的透光度可沿容器102的縱向軸線從容器102的底 部朝向頂部增加。因此，在各個實施例中，過濾器裝置可使得容器102內的光強分布能夠沿 縱向軸線從容器102的底部朝向頂部增加，使得當光合自養生物在培育過程期間沿從容器 102的底部朝向容器102的頂部的方向行進時，光合自養生物可接收逐漸增加的光強分布。
[0071] 在各個實施例的上下文中，過濾器裝置可被布置為至少部分地環繞容器102的周 向壁104,例如被布置在容器102的一側或更多側上，或至少大體上環繞容器102。過濾器 裝置可為具有變化的透光度的單個過濾器，或者可包括多個過濾器以在過濾器裝置的不同 部分提供各種不同的透光度。
[0072] 在各個實施例的上下文中，設備106可包括定位在容器102外側的至少一個光源， 用于朝向半透明周向壁104的預定區域或者朝向周向壁104的預定半透明區域供應光，以 便在容器102內沿縱向軸線的提供光強的不均勻分布。光源可朝向容器102的一側或更多 側供應光。
[0073] 在各個實施例中，光源可適于和/或被布置為供應光，以使容器102內的光強分布 沿縱向軸線從容器102的底部朝向頂部增加，從而當光合自養生物在培育過程期間沿從容 器102的底部朝向容器102的頂部的方向行進時，光合自養生物可接收逐漸增加的光強分 布。作為非限制性示例，光源可包括具有變化的透光度的過濾器，以便在容器102內沿縱向 軸線提供光強的不均勻分布。作為另一非限制性示例，例如具有長形形式的光源可被布置 為沿容器102的一側或更多側且相對于容器的周向壁104的距離從容器102的底部朝向頂 部減小。
[0074] 在各個實施例的上下文中，設備106可包括定位在容器102外側的多個光源，用于 朝向半透明周向壁104的多個預定區域或者朝向周向壁104的多個預定半透明區域供應 光，其中光源以沿縱向軸線變化的相應距離與容器102的半透明周向壁104或周向壁104 隔開，以便在容器102內沿軸線提供光強的不均勻分布。多個光源可朝向容器102的一側 或更多側供應光。
[0075] 在各個實施例中，多個光源可被布置為相對于容器的周向壁104的距離從容器 102的底部朝向頂部減小，使得當光合自養生物在培育過程期間沿從容器102的底部朝向 容器102的頂部的方向行進時，光合自養生物可接收逐漸增加的光強分布。
[0076] 在各個實施例的上下文中，設備106可包括定位在容器102外側的多個光源，用于 朝向半透明周向壁104的多個預定區域或者朝向周向壁104的多個預定半透明區域供應 光，其中用于朝向半透明周向壁104的各個預定區域或者朝向周向壁104的各個預定半透 明區域供應光的光源的數量沿縱向軸向變化，以便在容器102內沿縱向軸線提供光強的不 均勻分布。多個光源可朝向容器102的一側或更多側供應光。
[0077] 在各個實施例中，每個預定區域或預定半透明區域的光源的數量沿縱向軸線從容 器102的底部朝向頂部增加，使得當光合自養生物在培育過程期間沿從容器102的底部朝 向容器102的頂部的方向行進時，光合自養生物可接收逐漸增加的光強分布。
[0078] 在各個實施例的上下文中，生物反應器100可進一步包括一個或更多個間隔開的 分隔器，其被布置為在容器102內沿縱向軸線限定多個隔間，其中每個分隔器具有被限定 為通過分隔器的至少一個孔口，該至少一個孔口用于多個隔間之間的流體連通，并且其中， 對于每個隔間，在多個隔間中的一個隔間內的光強分布與多個隔間中相應的沿縱向軸線的 隨后的隔間中的光強不同，以便在容器102內沿軸線提供光強的不均勻分布。因此，生物反 應器100可具有多隔間構造。
[0079] 在各個實施例中，隔間的數量可在2和15之間，例如，在2和10之間，在2和4之 間，在4和15之間或者在4和8之間。每個隔間可對應于光合自養生物生長過程的一個階 段。
[0080] 在各個實施例中，多個隔間的一個隔間的高度可與多個隔間中相應的沿縱向軸線 的隨后的隔間的高度不同，使得對每個隔間而言光強分布可以不同。例如，對于每個隔間， 一隔間的高度可小于沿從容器102的底部朝向頂部方向的相應的隨后的隔間的高度。
[0081] 在各個實施例中，除了或者替代隔間的高度，對應于多個隔間中的一個隔間的周 向壁104的半透明表面和/或周向壁104的周長可與多個隔間中相應的沿縱向軸線的隨后 的隔間的不同，使得對于每個隔間而言光強分布可以不同。此外，另外或可替代地，對應于 不同的隔間的濾光層和/或過濾器裝置可具有不同的透光率，和/或光源可適于供應光以 使對于每個隔間而言光強分布不同。
[0082] 在各個實施例的上下文中，對于每個隔間，一隔間中的光強分布可小于沿從容器 102的底部朝向頂部方向的隨后的隔間中的光強分布。
[0083] 在各個實施例中，每個分隔器可延伸通過容器104的周向壁104。在這種布置的一 個示例中，容器102可由對應于相應的隔間的單獨的周向壁104組裝，相應的隔間一個堆疊 在另一個之上，且在相鄰的隔間之間具有一個分隔器。
[0084] 在各個實施例中，每個分隔器可在容器102內被附接到周向壁104的內側壁。在 這種布置中，容器102可為具有連續的周向壁104的連續結構。
[0085] 在各個實施例的上下文中，每個分隔器或者每個分隔器的孔口可具有在約1mm和 約10mm之間的直徑，例如在約1mm和約5mm之間，在約1mm和約3mm之間，在約5mm和約 10mm之間或者在約2mm和約5mm之間。孔口可被布置在每個分隔器的中心。
[0086] 在各個實施例的上下文中，每個分隔器可具有多個孔口，并且其中兩個相鄰孔口 之間，例如相鄰孔口的相應的中心點之間的間隔或節距在約1mm和約l〇mm之間，例如在約 1mm和約5mm之間，在約1mm和約3mm之間，在約5mm和約10mm之間或者在約2mm和約5mm 之間。
[0087] 在各個實施例的上下文中，每個分隔器可作用為氣液分配器，以分配和分散供應 到容器102內部的氣體，和/或有助于產生用于氣體分配的氣泡。
[0088] 在各個實施例的上下文中，生物反應器100可進一步包括布置在每個隔間中的引 流管。在培育過程期間，引流管可有助于隔間內和/或隨后的隔間內的光合自養生物的流 通。
[0089] 在各個實施例中，對于每個隔間，引流管的內徑與多個隔間中相應的沿縱向軸線 的隨后的隔間中的引流管的內徑不同。例如，對于每個隔間，一隔間中的引流管的內徑可小 于沿從容器102的底部朝向頂部的方向的相應的隨后的隔間中的引流管的內徑。引流管可 為同心引流管，且每個引流管可至少大體上與每個分隔器的孔口（多個孔口）對準，使得供 應到容器102內部的液體介質和氣體可被分配至引流管的在引流管的周向壁內的芯部和/ 或引流管的在引流管的周向壁的外部的環形部位。
[0090] 每個引流管可具有不同的截面寬度或直徑和/或高度，取決于對應于隔間的周向 壁的直徑/周長，和/或相應的引流管被定位其中的隔間的高度。在各個實施例中，引流管 的直徑與限定對應于該引流管的隔間的容器102的周向壁的直徑的比率（或者引流管截面 面積與容器截面面積的比率）可在〇. 1和〇. 9之間，例如在0. 1和0. 7之間，在0. 1和0. 5 之間，在0. 5和0. 9之間，或者在0. 3和0. 7之間。應當意識到，每個引流管可具有任何合 適的直徑，引流管的直徑與容器102的周向壁的直徑的比率至少大體上在上述范圍內中的 任何一個內。另外，應當意識到，每個引流管可具有任何合適的高度。在各個實施例中，每 個引流管可由任何材料構造，包括例如透明材料或者不透明材料。
[0091] 在各個實施例的上下文中，光強可在約50 μ mol/m2s和約1000 μ mol/m2s之間，例 如在約 50 μ mol/m2s 和約 600 μ mol/m2s 之間，在約 50 μ mol/m2s 和約 400 μ mol/m2s 之間，在 約 200 μ mol/m2s 和約 1000 μ mol/m2s 之間，或者在約 100 μ mol/m2s 和約 600 μ mol/m2s 之 間。
[0092] 在各個實施例的上下文中，空氣與二氧化碳氣的混合物以及包含用于培育的光合 自養生物的新鮮液體介質（例如培養基），可通過容器102的底部被供應至容器102。液體 和氣體可大體上同時通過均起到氣液分配器作用的分隔器。氣體可以氣泡的形式存在于液 體中。氣泡可朝向容器102的頂部前進，且上升的氣泡可流動通過引流管的中空芯部或內 部，由此引起液體和液體中的光合自養生物通過引流管的芯部、從引流管的頂部向外并且 還從引流管的底部向內至引流管的內部中的內循環。
[0093] 在各個實施例中，每個引流管可妨礙光穿透至引流管內部，因此在環形部位、在容 器102的周向壁104和引流管的周向壁之間的空間中的光合自養生物可接收更高比例的光 強。應當意識到，每個引流管可由可允許更高程度的光穿透至引流管內部的半透明材料或 者透明材料制成。在任何情況下，光穿透的程度還取決于微藻濃度。隨著微藻生長和繁殖， 光穿透度降低。相應地，隨著生長過程進行，至容器102內部以及引流管內部中的光穿透可 被逐步地妨礙。
[0094] 在各個實施例中，因為容器102的頂部也可允許光進入容器102,所以在容器102 的頂部地液體介質，至少從液體介質的表面至某一深度，也可暴露于光。例如，在培育過程 在戶外進行的場合，陽光可通過容器102的頂部進入容器102。
[0095] 在各個實施例的上下文中，光合自養生物可為微藻，例如包括但不限于小球藻、聚 球藻PC6301，雨生紅球藻、多變魚腥藻、或者富油新綠藻（Neochloris oleoabundan)種類的 微藻。
[0096] 為了本發明可被容易地理解和實施，現在將通過示例但非限制的方式并參照附圖 描述特定的實施例。
[0097] 圖2示出根據各個實施例的用于光合自養生物生長的生物反應器200的示意圖。 生物反應器200包括具有縱向延伸的周向壁203的容器或主柱體202。容器202可具有圓 形截面。容器202具有頂部227和底部228。底部228可被定位在支撐結構230上，支撐結 構230具有用于在底部228被提高的情況下將容器202定位在地面或表面上的支腿。支撐 結構230可與底部228成整體或者可為單獨的結構。
[0098] 生物反應器200包括布置在容器202內的引流管204。用于培育的光合自養生物 (例如微藻）206被包含在容器202內。微藻206可被提供或懸浮在液體（例如培養基）207 中。
[0099] 生物反應器200進一步包括兩個光板208a、208b形式的光源、用于經由閥設備210 和氣體入口 212通過容器202的底部228向容器202供應氣體的氣源、接近容器202的頂部 227定位的氣體出口 214、具有熱電偶216的溫度控制器（例如，Polyscience，IL，美國）、 溶解氧（〇2)探測儀218、用于供應冷卻水的管道或導管220,以及壓力指示器或計量儀222， 可從氣體出口 214將氣體從容器202移除。
[0100] 兩個光板208a、208b可被布置在容器202的相反側，以向包含在容器202內的微 藻206提供光。每個光板208a、208b可包括多個燈泡224,例如30個熒光燈泡（例如飛利 浦8W)。但是，應當意識到，可以提供任意數量的燈泡224和/或光板208a、208b在容器202 的任意側上的任意布置，例如取決于培育要求。
[0101] 容器202可由大體上半透明材料或透明材料制成。在一個實施例中，容器202可 由透明丙烯酸塑料制成。容器202可具有約100mm的恒定的內徑和約300mm的高度，工作 容積為近似1500mL。引流管204可具有約74mm的直徑，且可被布置為在氣體分配器226上 方約35mm以確保包含微藻206的液體207的有效流通。氣體分配器226可為具有多個孔 口的穿孔板，其中孔口直徑為約1mm且節距為約5mm。在培育后，可從位于氣體分配器226 上方約32. 5mm的取樣口（未不出）收集微藻的樣本。微藻206的培養狀態可經由一個或 更多個熱電偶216、溶解氧探測儀218、壓力計222和pH探針（未示出）被監測。
[0102] 供應至容器202的氣體可為壓縮空氣和壓縮二氧化碳（C02)的混合物，其從氣體 入口 212朝向氣體出口 214向容器202的上游流動。
[0103] 在使用生物反應器200培育微藻期間，C02的濃度可為約2% (v/v)，且供應至容器 202的氣體的總流率可為近似0. 26vvm(每分鐘每液體介質體積的氣體體積）。在整個培育 時期可保持約為28°C的大體上恒定的培養溫度。
[0104] 在生長時期期間，提供給微藻206的光強可例如通過在微藻培育的早期供應低強 度的光以及在培育的后期供應較高強度的光而被控制或改變，以最小化光抑制和光限制 影響。結果顯示與使用恒定光強的傳統操作條件相比，這種方式可使微藻生產率提高約 74. 3%。
[0105] 在各個實施例中，在微藻206生長期間，容器202內部中的光強可通過控制向容器 202的內部和向微藻206供應光的燈泡224 (例如通過打開對應于所需光強的選擇數量的燈 泡224)的數量和/或控制一個或兩個光板208a、208b相對于周向壁203之間的距離而被 改變。
[0106] 在光靜態培育中，在光合自養生物的生長時期提供增加的曝光量。在各個實施例 中，用于光合自養生物的光靜態培育的生物反應器可被設計為考慮，在生物反應器中培育 的光合自養生物在培育或者生長過程的早期階段被定位為接近生物反應器容器的底部，且 隨著生長過程進行，光合自養生物向上游或向上朝向容器的頂部行進。這樣，對于各個實 施例的生物反應器的設計而言，在光合自養生物從容器的底部向容器的頂部移動的實施例 中，曝光量或者光強的分布可沿從容器的底部朝向頂部的向上方向增加，這與光合自養生 物的生長時期或過程良好配合。
[0107] 因此，堅立的生物反應器容器可被構造為或設計為使得，在最早的生長階段，接近 容器底部的光合自養生物可接收低的光強分布，或者與在容器的接近容器的頂部的隨后階 段接收到的相比至少更低的分布。進一步地，堅立的生物反應器可被設計為使得，隨著光合 自養生物在不同的生長階段期間通過容器的部分或段朝向容器的頂部向上游行進，作用在 光合自養生物上的光強分布增加。因此，容器可被設計為使得容器內的光強分布在用于光 合自養生物的最后培育階段的容器頂部最高。
[0108] 在各個實施例中，在生物反應器的容器的各個不同的部分或段沿容器的縱向軸線 的容器內的光強分布可基于將用于培育過程的規程或方案而預先確定，從而實現光合自養 生物的最大化或最優化生產。
[0109] 圖3示出根據各個實施例的用于光合自養生物生長的生物反應器300的示意圖。 生物反應器300包括容器或主柱體302,容器或主柱體302具有如由雙箭頭310表示的縱 向軸線，周向壁303圍繞縱向軸線310延伸。容器302可具有圓形截面。容器302具有底 部312a和頂部312b。提供或懸浮在液體（例如培養基）308中的用于培育的光合自養生物 (例如微藻）306被包含在容器302內。容器302可由一個或更多個透明丙烯酸薄片制成。 [0110] 容器302的至少一部分具有錐形的截面，適于在沿容器302的縱向軸線310從容 器302的底部312a朝向頂部312b的方向上加寬（例如向外成錐形）。換言之，容器302具 有朝向底部312a減小且朝向頂部312b增加的截面寬度或直徑。
[0111] 在該構造中，周向壁303具有接近底部312a的較小尺寸的周長，且該周長朝向容 器302的頂部312b增加。因此，接近容器302的底部312a定位的光合自養生物306在初始 生長時期期間可由于較小的周長造成的能夠暴露于光信號（例如來自太陽輻射或人工光 源）的較小的表面面積而接收較低的光強分布。隨著錐形容器302的周長朝向頂部312b增 力口，在中間生長時期期間，隨著光合自養生物306在不同的培育階段期間朝向頂部312b向 上游行進，光合自養生物306可接收逐漸增加的光強分布，使得在最后的生長時期期間，接 近頂部312b定位的光合自養生物306可被提供有用于最后的培育階段的最高的光強分布。 另外，頂部312b的表面314可被暴露于光信號（例如入射的陽光），使得接近頂部312b定 位的光合自養生物306可暴露于通過頂部312b的另外的光信號。
[0112] 在如圖3所示的實施例中，容器302具有連續的錐形截面。但是，應當意識到，容 器302的錐形截面部分可沿容器302的錐形截面部分每隔一定距離包括具有恒定截面尺寸 的一個或更多個部分，使得容器302具有時斷時續地錐形的截面。
[0113] 容器302被提供有沿容器302的長度的若干氣液分配器316。氣液分配器316被間 隔開，且起到分隔器的作用以在容器302內沿縱向軸線310限定多個隔間320a、320b、320c、 320d。
[0114] 每個氣液分配器（例如穿孔板）316包括限定為通過氣液分配器316的一個或更 多個孔口，共同地示出為322,以允許液體308和待供應至液體308的氣體在不同的隔間 320&、32013、320(3、320(1之間流動，由此允許多個隔間32(^、32013、320(3、320(1之間的流體連 通。每個氣液分配器316還協助將氣體分配和分散至每個隔間320a、320b、320c、320d的內 部中。每個氣液分配器316可具有約10mm的厚度，但不限于此。每個氣液分配器316可為 如隨后在圖4c中所示的實施例的上下文中描述的那樣。
[0115] 每個氣液分配器316可被保持在從容器302的周向壁331延伸出的兩個法蘭324 之間，其中氣液分配器316和兩個法蘭324通過緊固機構（例如螺栓）326被緊固在一起以 保持和緊固氣液分配器316。兩個法蘭324可圍繞氣液分配器316的外邊緣且分別地位于 氣液分配器316的頂面和底面上。每個法蘭324可具有約10mm的厚度，但不限于此。
[0116] 在各個實施例中，為了構造容器302,對應于相應的隔間320a、320b、320c、320d的 相應的周向壁可被布置或組裝為一個在另一個上，且相對于彼此對準。例如，可提供對應于 相應的隔間320a、320b、320c、320d的單獨的周向壁。然后對應于隔間320c的周向壁可被 堆疊或布置在對應于隔間320d的周向壁上，并將氣液分配器316夾在它們之間，氣液分配 器316可用與對應于隔間320c、320d的周向壁相關的法蘭324緊固在一起。一個或更多個 另外的周向壁可被布置在隔間320c、320d上以形成另外的隔間，例如隔間302b，隨后為隔 間 302a。
[0117] 但是，應當意識到，其它的構造或布置是可能的。作為非限制性示例，單一容器結 構可被提供有布置在容器結構的內部的一個或更多個分隔器或氣液分配器，以限定多個隔 間。
[0118] 相應的引流管（為了清楚的目的如剖視圖所示）328可被提供在每個隔間320a、 320b、320c、320d中。每個引流管328可具有圓形截面。對于每個隔間320a、320b、320c、 320d，引流管328的內徑小于多個隔間320a、320b、320c、320d中沿從底部312a朝向頂部 312b的方向的隨后的隔間中的相應的引流管328的內徑。換言之，沿從底部312a朝向頂 部312b的方向布置直徑逐漸增加的引流管328。每個引流管328可具有至少大體上與孔 口（多個孔口）322對準的中空芯部，以便將供應的氣體分配至中空芯部，從而使光合自養 生物306流通通過引流管328的中空芯部、以及進入和離開中空芯部，例如，如由每個隔間 320a、320b、320c、320d中所示的塊狀箭頭例示的。引流管328可為同心的，或者換言之，被 布置為同心構造。引流管328可被附接至支撐結構（未示出），支撐結構接著被附接或固定 至容器302的內側壁。提供在相應的隔間320a、320b、320c、320d中的引流管的直徑與對應 于該相應的隔間320a、320b、320c、320d的周向壁的直徑的比率可在0. 1和0. 9之間，例如 在0. 1和0. 7之間，在0. 1和0. 5之間，在0. 5和0. 9之間，或者在0. 3和0. 7之間。
[0119] 容器302可包括液體入口 340和氣體入口 342,光合自養生物306和液體308可通 過液體入口 340被供應至用于培育的容器302的內部，氣體可通過氣體入口 342被供應至 容器302的內部。
[0120] 容器302可進一步包括液體出口 344和氣體出口 346,包括光合自養生物306a的 一部分液體308在培育后可通過液體出口 344而從容器302移除，供應至容器302內部的 一部分氣體和/或在培育期間由光合自養生物306產生的氣體可被移除。
[0121] 培育的光合自養生物306a可被提供至罐350。圓柱形分隔器（為了清楚的目的 如剖視圖所示）351可被提供在罐350中，圓柱形分隔器351從罐350的頂部朝向罐350的 底部延伸，使得可被夾帶通過帶有聯結閥362的導管360的光合自養生物306a最小化。培 育的光合自養生物306a可在罐350中沉淀，隨后至少一部分培育的光合自養生物306a可 經由帶有聯結閥354的導管352而從罐350被移除，以提供濃縮的生物量（例如，藻類生物 量）。
[0122] 罐350中的一部分液體308可經由帶有聯結閥362的導管360被移除并供給至中 間給料罐364,以重新供應至容器302。中間給料罐364包括待生長和培育的光合自養生物 306的培養物，其可經由導管370被供應至液體泵372,從而經由液體入口 340被泵入容器 302中。作為非限制性示例，液體泵382可以約6升/小時的速率提供包括液體308和光合 自養生物306的培養物。應當意識到，可使用其它流率。
[0123] 生物反應器300進一步包括氣體壓縮機374,以經由氣體入口 342將氣體供應至容 器302。作為非限制性示例，氣體壓縮機374可以約200升/分鐘的速率供應氣體。應當 意識到，可使用其它流率。氣體可為壓縮空氣和壓縮二氧化碳（C0 2)的混合物。氣體可以 氣泡的形式存在于容器中，這可有助于光合自養生物306的流通。在氣體穿過氣液分配器 316時，氣液分配器316可協助分配或分散氣泡。
[0124] 盡管圖3示出了 4個隔間或4段式生物反應器300,應當意識到，任意數量的隔間 或段可被提供在容器302中。
[0125] 盡管兩個入口 340、342被示出在圖3中，但是應當意識到，帶有合適的閥裝置的單 個共用入口可被提供，液體和氣體可通過該單個共用入口被供應至容器302的內部。相似 地，帶有合適的閥設備的單個共用入口可被提供，液體和氣體可通過該單個共用入口從容 器302的內部被移除。
[0126] 盡管未示出，但是應當意識到，監測設備，包括但不限于溫度控制器、溶解氧（02) 探測儀、pH探針、壓力計和光傳感器，可被提供在生物反應器300中用于監測培育情況。
[0127] 培育過程可基于對應于如在生物反應器200的上下文中描述的培育過程的相似 方式被執行。
[0128] 圖4A以剖視圖和3D透視圖示出根據各個實施例的具有容器402的兩段式生物反 應器400,容器402具有正方形截面形狀。容器402具有如由雙箭頭410表示的縱向軸線， 周向壁403圍繞縱向軸線410延伸。容器402具有底部412a和頂部412b。容器402的至 少一部分具有錐形截面，該錐形截面適于在沿容器402的縱向軸線410從底部412a朝向頂 部412b的方向上加寬（例如向外成錐形）。
[0129] 容器402被提供有沿容器402的長度的兩個氣液分配器416。氣液分配器416被 間隔開，且起到分隔器的作用以在容器402內沿縱向軸線410限定兩個隔間420a、420b。每 個氣液分配器416可具有約10mm的厚度，但不限于此。
[0130] 每個氣液分配器416包括被限定為通過氣液分配器416的一個或更多個孔口（未 示出），以允許隔間420a、420b之間的流體連通。每個氣液分配器416可為如隨后在圖4C 中所示的實施例的上下文中描述的那樣。
[0131] 每個氣液分配器416可被保持在從容器402的周向壁403延伸出的兩個法蘭424 之間，其中氣液分配器416和兩個法蘭424通過緊固機構（例如螺栓）426被緊固在一起以 保持和緊固氣液分配器416。兩個法蘭424圍繞氣液分配器316的外邊緣，且分別地重疊在 氣液分配器416的頂面和底面上。每個法蘭424可具有約10mm的厚度，但不限于此。
[0132] 隔間420a在頂部可具有的截面尺寸或寬度wel為約600mm，在底部可具有的截面 尺寸或寬度w e2為約520mm，并且高度hel為約1000mm。隔間420b在頂部可具有與we2大體 上相似的截面尺寸或寬度，在底部可具有的截面尺寸或寬度w e3為約488mm，別且高度he2為 約 400mm。
[0133] 相應的引流管428a、428b可被提供在每個隔間420a、420b中。每個引流管428a、 428b可具有正方形截面。隔間420a中的引流管428a的截面尺寸或寬度w s i可為約500mm， 其大于隔間420b中的引流管428b的截面尺寸或寬度wS2，寬度wS2可為約400mm。
[0134] 每個引流管428a、428b可具有中空芯部，該中空芯部至少大體上與對應的氣液分 配器416的孔口（多個孔口）對準。引流管428a、428b可被布置成同心正方形構造。引流 管428a、428b可被附接至支撐結構429,支撐結構429接著被附接或固定至容器402的內側 壁 431。
[0135] 蓋433可被提供在隔間420a的頂部上，以密封容器402。墊圈或0形環（未示出） 可被提供在蓋433的與隔間420a頂部的法蘭424重疊的部分，以最小化任何的液體泄漏。
[0136] 容器402可包括直徑為約25. 4mm(l英寸）的液體入口和直徑為約25. 4mm(l英 寸）的氣體入口，液體入口帶有1英寸的NPT(國家管螺紋，National Pipe Thread)配件 441，氣體入口帶有1英寸的NPT (國家管螺紋）配件443。容器402可進一步包括直徑為約 25. 4mm(1英寸）的液體出口和被形成為通過蓋433的直徑為約25. 4mm(1英寸）的氣體出 口，液體出口帶有1英寸的NPT (國家管螺紋）配件445,氣體出口帶有1英寸的NPT (國家 管螺紋）配件447。
[0137] 圖4B示出圖4A的實施例的生物反應器的示意性俯視圖。為了清楚的目的并為了 示出容器402的內部至容器402的底部412a，蓋433、氣液分配器416和引流管428b未在圖 4B中被例示。在圖4B中，虛線示出為例示內側壁431的錐形構造，且因此也例示容器402 的周向壁403的錐形構造。
[0138] 圖4C示出根據各個實施例的氣液分配器416的示意性俯視圖。氣液分配器416 包括被限定為通過氣液分配器416的多個孔口 422。如圖4C所示，可有布置成5X 5的陣列 的25個孔口 422。但是，應當意識到，可提供任意數量的孔口 422和/或孔口 422的任意 布置，例如成規則排列或為隨機的。在各個實施例中，氣液分配器416的孔口 422的數量和 /或布置可取決于布置在氣液分配器416的上方或下方的引流管的截面寬度（或直徑），以 使孔口 422可至少大體上與引流管（多個引流管）的中空芯部對準，例如在引流管（多個 引流管）的周向壁的邊界內對準。
[0139] 每個孔口 422可具有約1mm的直徑，且孔口可具有約5mm的一致的節距。
[0140] 應當意識到，在圖4A至4C的上下文中描述的尺寸為非限制性示例，因此應當意識 至IJ，可提供其它尺寸。
[0141] 應當意識到，如描述的容器402的構造，包括相關的部件和尺寸可相似地應用于 容器302,反之亦然。
[0142] 圖5示出根據各個實施例的用于光合自養生物506生長的生物反應器500的示意 圖。生物反應器500包括容器502,容器502具有如由雙箭頭510表示的縱向軸線，周向壁 503圍繞縱向軸線510延伸。容器502可具有圓形或正方形截面。容器502具有底部512a 和頂部512b。提供或懸浮在液體（例如培養基）508中的用于培育的光合自養生物（例如 微藻）506被包含在容器502內。容器502可具有恒定的截面和/或可由透明丙烯酸制成。
[0143] 容器502被提供有沿容器502的長度的若干氣液分配器516。氣液分配器516被 間隔開，且起到分隔器的作用，以限定容器502內的多個隔間。氣液分配器516可包括一個 或更多個孔口（共同由522表示）。氣液分配器516可與如在生物反應器300或生物反應 器400的上下文中描述的類似。
[0144] 每個氣液分配器516可被保持在從容器502的周向壁503延伸出的兩個法蘭524 之間，氣液分配器516和兩個法蘭524通過緊固機構（例如螺栓）526被緊固在一起以保持 和緊固氣液分配器516。兩個法蘭524可圍繞氣液分配器516的外邊緣，且分別地位于氣液 分配器516的頂面和底面上。法蘭524可與如在生物反應器300或生物反應器400的上下 文中描述的類似。
[0145] 生物反應器500進一步包括一個或更多個外部反射表面或光導向器，例如鏡子 (多個鏡子），以將入射在鏡子上的光（如通過線箭頭表示的）朝向容器502反射，從而在 容器502的不同隔間或段內提供光強的可變的或者不均勻的光分布。因此，外部鏡子（多 個鏡子）或者光導向器（例如鏡子）可被使用為在容器502的不同隔間內提供需要量的光 強分布，以便提供對應于培育過程的不同階段的可變光強。光可為陽光和/或由一個或更 多個光源提供的光。
[0146] 在此布置中，鏡子（多個鏡子）可被布置為將光引導朝向容器502,以便朝向光合 自養生物506在初始的生長時期所在的容器502的底部512a提供少的光強分布，并且朝向 光合自養生物506在最后的生長時期所在的容器502的頂部512b，光強分布的比例逐漸地 或漸進地增加。這可提供與容器502中的光合自養生物506的生長階段對應的優化的光強 分布，由于光合自養生物506隨著光合自養生物506生長而從底部512a朝向頂部512b移 動通過容器502。
[0147] 盡管未示出，如在生物反應器200或生物反應器300或生物反應器400的上下文 中描述的其它特征或元件（例如引流管、入口、出口、壓力計），包括尺寸，可被提供在生物 反應器500中。
[0148] 培育過程可基于與如在生物反應器200或生物反應器300的上下文中描述的培育 過程對應的相似的方式被執行。
[0149] 在一個實施例中，生物反應器可包括具有平坦表面且布置在容器502的一側或多 側上的鏡子580a，以及具有彎曲遠離容器502凹形表面且布置在容器502的一側或多側上 的鏡子580b。具有凹形表面的鏡子580b可提供朝向容器502的聚焦的光輻射。
[0150] 在各個實施例中，多個鏡子580a和/或多個鏡子580b可被布置為將光引導至容 器502的不同部分或隔間或者周向壁503的不同的預定區域。
[0151] 應當意識到，可提供鏡子的其它布置，例如，僅具有鏡子580a類型的鏡子（多個鏡 子）的布置，或者僅具有鏡子580b類型的鏡子（多個鏡子）的布置。
[0152] 使用的反射表面（多個反射表面）或鏡子（多個鏡子）可被布置在容器的一側或 多側上，至少部分地環繞容器，不同的非限制性布置由俯視例示出在圖6中。如圖6所示， 各個實施例可提供具有容器602的生物反應器，容器602具有周向壁603且被配置為容納 液體（例如培養基）608中的光合自養生物606。容器602可具有任意的截面形狀，包括但 不限于圓形、正方形、長方形、六邊形或者任何其它的多邊形狀。一個或更多個鏡子680可 被布置為部分地環繞或者完全環繞容器602。鏡子（多個鏡子）680可包括具有平坦表面的 平面鏡和/或具有彎曲表面的凹面鏡。
[0153] 應當意識到，在一實施例的上下文描述的特征和/或部件可對應地應用于其它實 施例。作為非限制性示例，生物反應器300可包括一個或更多個光板，如在圖2的實施例的 上下文中所述的。作為另一非限制性示例，具有錐形構造的生物反應器300可包括一個或 更多個反射表面或鏡子，如在圖5和圖6的實施例的上下文中所述的，由此允許寬范圍的生 物反應器設計靈活性來提供與光合自養生物生長的不同階段對應的可變的光強分布。
[0154] 現在將通過基于如圖2中所示的實施例的生物反應器（光生物反應器）中的光合 自養生物的培育的以下非限制性示例描述光合自養生物的培育、使用的光靜態規程以及相 關結果。使用的生物反應器具有圓形截面。
[0155] 除了光被使用為光靜態操作的參數，光合自養生物的葉綠素 a因為被使用為光靜 態操作的參數。葉綠素是葉綠體中負責光合作用的成分。在葉綠素的各種形式之中，葉綠 素 a是用于將光能轉化為化學能的主要色素，其與光合速率具有正關系。
[0156] 使用的光合自養生物為微藻物種小球藻（美國典型培養物保藏中心， ATCC14854)。小球藻ATCC14854的細胞在改性的R培養基中生長。改性的R培養基的成分 如表1中所示。改性的R培養基可提高特定的生長率，并阻止或最小化養分限制。
[0157] 表 1

【權利要求】
1. 一種用于光合自養生物生長的生物反應器，所述生物反應器包括配置為容納所述光 合自養生物的容器，所述容器具有縱向軸線，周向壁圍繞所述軸線延伸，其中所述周向壁為 半透明的，以使光能夠從外側進入所述容器，從而作用在所述光合自養生物上，其中提供用 于在所述容器內沿所述軸線提供光強的不均勻分布的設備。
2. 根據權利要求1所述的生物反應器，其中用于提供光強的不均勻分布的所述設備包 括所述周向壁，使得半透明表面沿所述軸線變化。
3. 根據權利要求2所述的生物反應器，其中所述周向壁的周長沿所述軸線變化。
4. 根據前述權利要求中任一項所述的生物反應器，其中所述周向壁由半透明材料制 成。
5. 根據權利要求4所述的生物反應器，其中所述半透明材料為從由玻璃、石英和丙烯 酸塑料構成的組中選擇的材料。
6. 根據前述權利要求中任一項所述的生物反應器，其中所述容器具有用于將所述容器 定位在地面上的底部和當沿所述軸線看時提供在與所述底部相反的端部上的頂部，并且其 中所述周向壁的周長從所述底部朝向所述頂部增加。
7. 根據前述權利要求中任一項所述的生物反應器，其中用于在所述容器內沿所述軸線 提供光強的不均勻分布的所述設備包括定位在所述容器外側的至少一個鏡子，該至少一個 鏡子用于將光引導朝向所述半透明周向壁的預定區域或者朝向所述周向壁的預定半透明 區域，以便在所述容器內沿所述軸線提供光強的不均勻分布。
8. 根據權利要求7所述的生物反應器，其中所述鏡子具有凹形形狀，該凹形形狀被布 置為彎曲遠離所述容器的所述周向壁。
9. 根據權利要求7或8所述的生物反應器，其中所述鏡子被布置為至少部分地環繞所 述容器的所述周向壁。
10. 根據前述權利要求中任一項所述的生物反應器，其中用于提供光強的不均勻分布 的所述設備包括在所述容器的所述周向壁上的濾光層，其中所述濾光層具有一透光率，該 透光率沿所述軸線變化，以便在所述容器內沿所述軸線提供光強的不均勻分布。
11. 根據前述權利要求中任一項所述的生物反應器，其中用于提供光強的不均勻分布 的所述設備包括定位在所述容器外側的過濾器裝置，其中所述過濾器裝置具有一透光率， 該透光率沿所述軸線變化，以便在所述容器內沿所述軸線提供光強的不均勻分布。
12. 根據前述權利要求中任一項所述的生物反應器，其中用于提供光強的不均勻分布 的所述設備包括定位在所述容器外側的至少一個光源，該至少一個光源用于朝向所述半透 明周向壁的預定區域或者朝向所述周向壁的預定半透明區域供應光，以便在所述容器內沿 所述軸線提供光強的不均勻分布。
13. 根據權利要求12所述的生物反應器，其中用于提供光強的不均勻分布的所述設備 包括定位在所述容器外側的多個光源，該多個光源用于朝向所述半透明周向壁的多個預定 區域或者朝向所述周向壁的多個預定半透明區域供應光，其中所述光源以相應距離與所述 容器的所述半透明周向壁或所述周向壁隔開，該相應距離沿所述軸線變化，以便在所述容 器內沿所述軸線提供光強的不均勻分布。
14. 根據權利要求12或13所述的生物反應器，其中用于提供光強的不均勻分布的所述 設備包括定位在所述容器外側的多個光源，該多個光源用于朝向所述半透明周向壁的多個 預定區域或者朝向所述周向壁的多個預定半透明區域供應光，其中用于朝向所述半透明周 向壁的相應預定區域或者朝向所述周向壁的相應預定半透明區域供應光的光源的數量沿 所述軸線變化，以便在所述容器內沿所述軸線提供光強的不均勻分布。
15. 根據前述權利要求中任一項所述的生物反應器，進一步包括： 一個或更多個間隔開的分隔器，被布置為在所述容器內沿所述軸線限定多個隔間， 其中每個分隔器具有被限定為通過所述分隔器的至少一個孔口，該至少一個孔口用于 所述多個隔間之間的流體連通，并且 其中，對于每個隔間，在所述多個隔間中的一個隔間中的光強與所述多個隔間中相應 的沿所述軸線的隨后的隔間中的光強不同，以便在所述容器內沿所述軸線提供光強的不均 勻分布。
16. 根據權利要求15所述的生物反應器，其中，對于每個隔間，所述多個隔間中的一個 隔間的高度與所述多個隔間中相應的沿所述軸線的隨后的隔間的高度不同。
17. 根據權利要求15或16所述的生物反應器，其中所述孔口具有在約1mm和約10mm 之間的直徑。
18. 根據權利要求15至17中任一項所述的生物反應器，其中每個分隔器具有多個孔 口，并且其中兩個相鄰的孔口之間的間距在約1mm和約10mm之間。
19. 根據權利要求15至18中任一項所述的生物反應器，進一步包括布置在每個隔間中 的引流管。
20. 根據權利要求19所述的生物反應器，其中，對于每個間隔，所述引流管的內徑與所 述多個隔間中相應的沿所述軸線的隨后的隔間中的引流管的內徑不同。
21. 根據前述權利要求中任一項所述的生物反應器，其中所述周向壁具有從由圓形、橢 圓形、正方形、長方形和六邊形構成的組中選擇的形狀。
22. 根據前述權利要求中任一項所述的生物反應器，其中所述光強在約50 μ m〇l/m2s和 約 1000ymol/m2s 之間。
【文檔編號】C12M1/00GK104066830SQ201280067638
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2012年12月12日 優先權日:2011年12月19日
【發明者】劉偉民, 李世里 申請人:南洋理工大學