用于微生物培养的光合反应器以及用于微生物培养的方法

摘要

本发明涉及一种适用于特别是藻类的光合微生物培养的光合反应器(1)，包括至少一个光合反应管(2)、至少一个返回管(3)、至少一个用于循环液体培养介质的装置(4)、至少一个气体注射装置(5)以及定位在反应器(1)的顶部内的至少一个排气装置(6)，其中气体注射装置(5)的放置和/或反应管(2)或返回管(3)的构造被设计成使得经由注射装置(5)注射的气体通过在反应管(2)内沿着低到高的流动方向循环而再次升高到排气装置(6)，使得注射气体和液体培养介质在反应通道(2)的大致水平的反应区段(23)内形成气体/液体两相流动。本发明适用于培养光合微生物并特别是培养藻类的领域。

说明书

本发明涉及一种适用于培养光合微生物(特别是藻类)的光合反应 器，并且还涉及一种使用这种反应器来培养微生物的方法。

更特别是，本发明涉及一种光合反应器，其包括：

至少一个光合反应管，其中循环液体培养介质，并且设置至少一个 大致水平的反应区段，且至少部分由对于太阳辐射透明的材料制成，所 述管具有定位在反应器低部内的低端以及在低端以上定位在反应器高部 内的高端；

至少一个返回管，确保反应管的低端和高端之间流体连通；以及

至少一个用于循环液体培养介质的装置。

本发明适用于任何光合有机体(即在存在太阳辐射和例如二氧化碳 等富含碳的气体的情况下、在适当营养培养介质中能够生长并进行光合 作用的任何生命形式)的培养。

在本发明所涉及的光合微生物中，更为具体地是指水生植物，例如 微藻、苔藓原丝体、小微藻和多细胞植物的隔离细胞。这些水生植物在 特别是医药、人类和动物营养、皮肤美容、能源和环境领域具有令人感 兴趣的性能。

类似于大多数光合微生物，获得这些资源基本上包括在适当反应器 内进行辅助培养。由于光线是其主要培养基，培养介质应该具有接收光 通量的光学界面。培养光合微生物的难点在于它们本身形成作为其主要 培养基的光线透过的障碍。培养物的生长将因此在光线不再透过培养物 厚度时得到稳定。这种现象称为自屏蔽。

光学路径的长度或“光路长度”允许不同封闭模式的特征，并且限 定如下：

从光线经过透明光学界面进入培养物并尽可能远地到达相对的不透 明壁的光路长度；或者

在封闭空间经由两个相对透明光学界面接收光线时将两个透明光学 界面分开的距离的一半。

这种光路长度在几厘米和几分米之间变化，并且基本上确定了最后 生长阶段的每单位时间和每光学单位表面的生物质的生产量(单位为 g/m²/d的表面生产率)以及其间培养物的浓度(单位为g/L)。用来确保 小水生植物的培养的不同的圈养模式可因此根据这种特征长度来分类。

光合反应同样伴随着二氧化碳(CO₂)的消耗以及氧气(O₂)的产生。 过多的氧气抑制这种反应，而没有二氧化碳将由于缺乏待转换的培养基 而使反应中断。因此应该放置气体/液体的界面，用于在这些气体和液体 相之间进行质量转移。为了促进这种转换并避免不均匀性，培养物应该 作为用来在所述光学界面处以及在此气体/液体界面处更新有机体的混 合物的中心。

光合反应器的第一公知的实施方式包括盆或罐类型的开放容器，其 中培养物通过重力得以保持，并且具有通过本身实现光学界面和液体/气 体界面的自由表面。培养物在盆内通过例如浆轮类型的一个或多个机械 搅动装置混合。由此实现的盆培养物可覆盖相当大的表面面积，并且此 实施方式是当今世界微藻生产的起源，可以获得数千公吨的干重。通过 这种类型的反应器产生的光合有机体主要是：

所谓的极端藻类，其介质对于例如螺旋藻或杜氏盐藻类等掠食者和 竞争者的天敌；或者

所谓的主导藻类，它们比其他类型的藻类(例如小球藻、栅藻、骨 条藻、齿状藻或者微绿球藻类型的藻类)更能够经受机械应力或污染物。

光合反应器的第二公知实施方式也包括储槽或罐氏的开放容器，但 是其尺寸小于第一公知实施方式的盆。这些容器通常具有对于太阳辐射 透明的侧壁，使得光学界面通过液体介质和透明侧壁两者形成。

在此第二实施方式中，传统上借助于在储槽低部进行的空气注射， 这造成形成的气泡在液体中向上运动到自由表面。由此形成的气泡表面 是气体/液体界面。通过向上运动到该表面，气泡向上携带培养物，由此 产生可以扩散到整个容积的对流运动。二氧化碳(CO₂)有时被添加到注 射空气中，从而提供百分之几的预定摩尔分数的额外的碳。

由于小于第一实施方式的盆的容积，第二公知实施方式的储槽适用 于更加受控的培养物，特别是用来在水产养殖中为鱼苗喂养软体动物的 幼虫或活猎物的微藻的培养物。频繁清洁这些储槽以及单纯和批量预防 接种使得储槽内的污染得以限制。在物种多达几十种的情况下，由此培 养的微藻具有相对接近的温度和光线需求，使得它们可以在共同的条件 下培养。

开放容器形式种的这两种实施方式提供了从一到几分米的光路长 度。

光合反应器的第三公知的实施方式包括封闭的反应器，所谓的光生 物反应器，其包括封闭的回路，其中循环液体培养介质，所述封闭回路 包括反应管和返回管，其中反应管设置有由对于光线辐射(或者光线) 透明的材料制成的反应区段，返回管确保反应管的相对端之间的连接。

特别是在文件GB 2118572A、ES2193860A1、GB2331762A、 ES2150389A1、FR2685344A1和FR2875511A3中描述的光生物反应器提供 了显著小的光路长度，与开放容器的实施例相比，其数量级为一到几分 米，它们给出了得到几个g/L的光合有机体的浓度的可能性，而不受空 气中的污染影响。光生物反应器的反应管通常包括玻璃或塑料的透明板 或板，其厚度和直径在1厘米的数量级，透明板或管经由弯管端对端连 接，以便一起形成螺旋形式的管。

返回管包括其中液体介质向上运动的所谓的竖直上升管，以及其中 液体介质在重力的作用下向下运动的竖直下降管。

通常在光生物反应器内使用的气体注射系统包括气体虹吸装置，另 外称为“气体提升器”或者气体提升装置，即在返回管的竖直上升管的 底部处的气体注射中；所示气体注射用于循环或移动液体反应介质，并 且还用于实现气体-液体交换。气体提升器包括位于其高部的储槽，储槽 具有负载或变宽的容积，其中较低的循环速度使得气体-液体分离，并且 返回管的竖直下降管在装载储槽的底部内开口，以便为反应管供应液体。

所述的光生物反应器采用了反应只出现在液相中的原理，换言之， 这些光生物反应器致力于减小注射到反应器气体的体积，以便不过多减 小液体培养介质的体积，同时考虑到不降低生产率。因此，在这些光生 物反应器中，氧的提取通过所述的竖直上升管实现；形成气泡柱的所述 竖直上升管通向接收液体培养介质的装载储槽，并且包括在低部注射气 体，例如富含CO₂的空气。如上所述，循环和气体转移功能都统一于这种 称为气体提升器的单一装置中，气体提升器通过在液体质量和注射造成 的气泡之间交换动量来产生竖直上升循环。液体中过饱和的光合氧气通 过空气的扫掠而进入气体中，同时CO₂进入溶液。这些脱气和碳酸饱和功 能是不可缺少的，并且它们在此单一装置中同时发生。

气体提升器具有的缺陷是产生气泡，气泡沿着光生物反应器的返回 管的竖直上升管向上运动。申请人实际上已经观察到这些气泡对于光生 物反应器中的微生物培养的有害作用：

一方面，气泡使得微藻受到机械应力，并且会损害脆弱的微生物； 以及

另一方面，气泡通过表面活性效应捕获具有表面活性性能的分子(特 别是有机分子)、细胞残骸和活细胞的排泄产物。

在没有气泡的情况下通常分布在介质内的这些物质因此在气泡破裂 时作为聚集物收集在装载储槽的自由表面上。这样，由于这些有机分子 的强烈稀释作用而不能生长的细菌和真菌会找到有利于其生长的集中培 养基。

本发明的目的之一在于避免或至少限制气泡的形成，以便：

例如限制细菌和真菌生长，从而保持与微生物培养中传统采用的卫 生标准相符；以及

限制液体培养介质内的机械应力，并由此使得某些脆弱微生物得以 培养，而这些微生物现在不能在反应器中进行这种培养。

在气体提升器的可选实施方式中，对在光生物反应器中循环的液体 培养介质的脱氧通过造成液体介质通过重力落入具有恒定高度水平的容 器而得到。液体培养介质这里通过特别是离心泵类型的泵送装置循环， 其中泵送装置定位在反应管内，其设计成不仅补偿管内的压力损失，而 且用于将培养物提升一个等于下落高度的高度。

虽然产生了较少的气泡，具有离心泵的这种装置也会在机械上损害 微生物和气体提升器。实际上，为了克服压力损失，在相对于泵送装置 呈直角的每个通道处产生机械力，机械力会妨碍微生物的生长，并造成 微生物在培养物内死亡。因此发现生产性能改变，有时是以不可接受的 方式改变。

例如，已经发现不能在包括用于循环培养物的离心泵的光生物反应 器内培养所谓的脆弱微藻。这些脆弱微藻看上去对于机械应力更加敏感， 这是由于它们形成链并且/或者它们具有例如鬃毛、鞭毛、针刺等附属物。 某些例如雨生红球藻型藻的微藻通过形成厚的韧性细胞壁而失去鞭毛和 包囊。另一方面，例如小球藻或微绿球藻类的藻的微藻不具有任何附属 物，并具有厚的细胞壁，使得后者不能进入泵送装置，特别是进入离心 泵。

但是，难以识别对于微生物存活和生长有影响的机械应力的特性。 大多数作者同意剪切和加速具有最为重要的影响。剪切产生张力，这会 通过撕裂微生物的壁和细胞质积液来改变细胞整体性。加速通过增加重 力场来改变细胞的结构。

活细胞不能对这些力作好准备，并且或许更有甚者，生活在静力平 衡状态下的水生细胞还没有发展出任何能够克服重力场的结构。另外， 水生细胞敏感于阈值，并还可能敏感于变化和暴露时间。在当前知识状 态下，难以预测流体动力学状态对细胞施加的机械效果。

本发明的目的之一在于减小施加到微生物的机械作用，特别是剪切 和加速类型的作用，从而增加反应器内能够培养的最为敏感于这些损害 性机械作用的物种的数量，换言之，提供可以培养例如上述脆弱微藻的 脆弱微生物的反应器。

另外，申请人观察到，由于气泡的形成，装备有气体提升器或离心 泵的光生物反应器的培养产出受到显著限制。实际上，申请人认为培养 产出部分取决于气体-液体转移过程中所涉及的现象，从而避免损失并减 小这种大量花费项目。对用于反应的二氧化碳和所产生的氧气的气体-液 体转换建立模型需要确定转移速度，这取决于表面转移系数。

表面转移系数是表达气体/液体交换系统在稳定状态下的性能的关 键参数。此表面转移系数等于材料向液体的批量转移系数“KL”(m.s^-1) 和减小到容积“a”(m^-1)的界面面积的乘积，其中：

a＝(α_G.S)/V

a：减小到容积的(m^-1)的界面面积；

α_G：相保持系数；

S：接触表面面积(m²)；以及

V：反应器的容积(m³)。

表面转移系数因此取决于气体/液体交换系统的几何形状，而且还取 决于液体和气体的理化性能。在竖直气泡柱内进行气体/液体交换的情况 下，交换表面面积取决于气泡的数量及其尺寸。通过在液体中注射气体 产生的气泡的传播取决于注射流速、注射器的几何形状以及注射器任一 侧上的压差。

本发明特别具有如下目的，提供光合反应器，该光合反应器使得光 合微生物以及延伸到最为脆弱的物种得以大量培养，反应器解决以下问 题：

减小或者甚至避免总体上与培养介质的搅动和循环相关的机械应 力，而这些机械应力减小了例如微藻以及特别是具有附属物的链式微藻 的光合微生物的存活和生长性能；

减小或者甚至避免小尺寸气泡的产生，而小尺寸气泡会促进有机分 子聚集以及异养微生物的生长，因为有机分子会用作异样微生物的基体。

同时实现将太阳辐射输送到光合微生物的光子转移、对于提供碳并 移除氧气所必须的质量转移或气体/液体转移以及热量转移，热量转移用 于移除辐射带来的卡路里，并且将培养物保持在正确温度；以及

同时保持维持细胞整体性并避免与使其受到污染和溶解的周围介质 进行交换的机械状态。

为此，本发明提供一种用于特别是藻类的光合微生物培养的适当的 光合反应器，其包括：

至少一个光合反应管，其中循环液体培养介质，该光合反应管设置 有至少一个大致水平的反应区段，且至少部分由对于太阳辐射透明的材 料制成，所述管具有定位在反应器的低部内的低端以及在低端以上定位 在反应器的高部内的高端；

至少一个返回管，该返回管确保反应管的低端和高端之间的流体连 通；以及

至少一个用于循环液体培养介质的装置；

至少一个气体注射装置，该气体注射装置定位在反应区段内或所述 反应区段相对于气体循环方向的上游，所述气体注射装置使得气体注射 到反应器内；以及

至少一个排气装置，该排气装置定位在反应器的上部内，并且使得 注射到反应器内的气体逃逸；

其中气体注射装置的放置和/或反应管或返回管的构造被设计成使 得经由注射装置注射的气体在反应管内沿着从反应管的低端向上到达高 端的循环方向循环的同时向上运动到排气装置，从而注射气体和液体培 养介质在大致水平的反应区段内形成气体/液体两相流动。

采用根据本发明的反应器，液体培养介质和气体彼此接触并且同时 沿着大致水平和透明的反应区段循环，并且沿着其公共路径交换某些组 分。在低点处注射的气体在反应器的高点处逃逸，同时液体在一个或多 个循环装置的推动下沿着回路进行循环。交换与透明区段的长度成正比， 从而后者的效率减小，由此可以考虑大规模增加。

根据本发明的反应器因此特别设计成增加气体-液体转移的效率并 减小施加在培养物内的有机体的机械应力，从而将生产延及脆弱物种。 另外，采用根据本发明的反应器，可以限制小直径气泡的形成，由此减 少耗氧的异养微生物的生长。实际上，采用根据本发明的反应器，气体- 液体转移不再在竖直气泡柱内出现，而是沿着大致水平的管区段，其中 流动处于水平的两相式状态。

因此，根据本发明的反应器给出了经由形成在反应管内液体的自由 表面处、特别是在大致水平的反应区段内的界面来获得气体-液体交换的 可能性，其中在反应区段内，气体和液体的循环大致根据层流或段塞流 (slug flow)或细长气泡流(elongated bubble flow)的气体/液体两 相流动状态大致水平地形成。

不同于上面描述的反应只出现在液相的原理，申请人从气体作为反 应的整体部分并应该以和液体相同的方式进入到反应空间内的原理出 发。通过优选的水平两相流动状态(层流、段塞流或细长气泡流)，气体 和液体之间的交换表面面积延伸到反应管的整个路径(换言之沿着每个 大致水平的反应区段)，与现有技术的反应器相比，显著减少了气泡过多 产生，因此减少了针对这些气泡所观察到的不利影响。

另外，在根据本发明的反应器中，通过一个或多个产生减小的剪切 和离心力的装置来确保液体培养介质形成循环：不同于具有气体提升器 的反应器的情况，循环功能不与气体-液体交换相关。

根据一种特征，该反应器包括至少一个液体注射装置，使得液体注 射到反应器内，排气装置被构造成使得反应器内的过多液体体积在注射 气体逃逸的同时逃逸。由此，可以更新液体介质，并且除了注射气体体 积之外，确保了过多液体体积的逃逸。

在第一实施方式中，循环装置定位在返回管内，以便将反应管内的 液体培养介质在与注射气体相同的循环方向上从所述反应管的低端循环 到的高端。在此实施方式中，气体和液体沿着相同方向在反应管内循环， 称之为顺流循环模式。采用这种顺流模式，流体(气体和液体)在相同 方向上运动，并且它们的接触在由于速度差而分开之前持续几秒钟。气 体和液体的顺流循环产生了与反应管的长度成正比的交换表面面积，这 使得反应管的尺寸增加，而不必使得脱气和碳酸化设备的数量倍增。

在第二实施方式中，循环装置放置在返回管内，以便将反应管内的 液体培养介质设置成在与注射气体的循环方向相反的循环方向上从所述 反应管的上端循环到下端。在此实施方式中，气体和液体在反应管内沿 着相反方向循环，称之为逆流循环模式。申请人因此观察到逆流循环比 顺流循环效率更好，然而借助于逆流模式产生了调控问题，这是由于采 用逆流模式，流体马上分开，使其只能以后再次接触。

根据一种特征，气体注射装置在循环装置和反应管的低端之间定位 在反应器的低部内。在此构造中，循环装置趋于朝着反应管排出气体， 由此避免气体在反应管内积累。

根据另一特征，返回管具有定位在循环装置和气体注射装置之间的 高度差，所述高度差形成循环装置和气体注射装置之间的水平差，从而 避免注射装置注射的气体在循环装置的方向上运动。

在特定的实施方式中，循环装置是定位在返回管内的机械推进装置。

优选地，循环装置包括通过马达驱动而转动的推进器，并且返回管 具有截面变宽的壳体，所述推进器在壳体中以转动方式运动。

有利地，推进器的壳体定位在液体培养介质循环的分支区域和汇合 区域之间，从而确保返回管内的液压连续性，而没有速度的任何突然变 化，从而限制压力损失、微生物所受到的加速和剪切力。

根据一个有利的特征，返回管在高部内具有变宽区域，并且排气装 置定位在返回管的所述变宽区域内，由此使得出现气体逃逸的变宽区域 内的液体速度减小，并由此防止气体被液体向下驱动。

根据另一特征，排气装置相对于气体循环方向定位在循环液体培养 介质的装置上游，以便防止气体循环经过所述循环装置并不利于其操作。

在优选的实施方式中，反应器包括至少一个清洁主体，该清洁主体 被构造成在反应器和返回管内循环并经过用于循环液体培养介质的装 置。清洁主体由此使得反应器内部清洁。

有利地，清洁主体被构造成使得反应管内循环的至少部分气体经过， 同时适于被液体培养介质的循环驱动，从而主体对于气体和液体介质之 间的速度差没有任何影响；所述速度差对于液相和气相之间的质量转移 具有直接影响。

还有利的是，清洁主体制成刷子的形式，其包括刷毛、头发、条带 或等同物的组件，或者是弹性材料的中空球形式，其表面的至少一部分 穿有孔。因此，露出的刷毛或孔使得气体经过，同时清洁主体的浸没部 分对于液体介质循环形成障碍，从而能够带走这种液体介质。

在特定的实施方式中，反应器包括：

短路管，其平行地定位在返回管上，并连接设置在反应器上的两个 连接点，这两个连接点包括定位在反应管上的第一连接点和定位在返回 管或反应管上的第二连接点；

两个阀，它们定位在所述第一连接点的两侧上，其中一个阀定位在 短路管上；以及

两个阀，它们定位在所述第二连接点的两侧上，其中一个阀定位在 短路管上；

使得通过操纵所述阀就能够将反应器的、定位在反应管侧的第一和 第二连接点之间的一部分隔离，并且气体/液体培养介质混合物在短路管 和定位在返回管侧的第一和第二连接点之间的反应器的非隔离部分中循 环。

在此实施方式中，反应器设置有短路管，使得反应管的子容积得以 隔离。由此可以在子容积被隔离的第一状态下接种和培养。接着，当在 此子容积内获得足够程度的浓度时，四个阀转换成相反状态，使得反应 器的其它部分置于循环中，并且通过子容积接种。

本发明还涉及一种适用于光合微生物培养的光合反应器的组件，其 包括至少两个根据本发明的反应器，即第一反应器和第二反应器，并且 包括确保第一反应器和第二反应器之间流体连通的至少一个连接管和定 位在所述连接管上的至少一个阀。

该组件是特别有利的，从而具有能够连接的两个或多个平行反应器， 特别是允许经由连接管接种，从而获得了高效和一致性的生产组件。为 了使得一个反应器可以通过其相邻反应器接种，其浓度将获得高级阶段， 可以将两个反应器互连，使其内容物混合在一起。

根据一种特征，该组件包括位于两个反应器之间的两个连接管，每 个连接管设置一个阀，并包括：

第一连接管，将定位在所述第一反应器的循环装置上游的第一反应 器上的入口点连接到定位在所述第二反应器的循环装置的下游的第二反 应器上的出口点；以及

第二连接管，将定位在所述第二反应器的循环装置上游的第二反应 器上的入口点连接到定位在所述第一反应器的循环装置的下游的第一反 应器上的出口点。

为了从已经操作并且其浓度已经达到操作水平的第一反应器对第二 反应器进行接种，待接种的第二反应器填充无菌营养介质，并且通过打 开连接管的两个阀建立循环，从而在两个反应器之间形成交叉交换。两 个反应器之间的互连形成在循环装置的上游部分和下游部分之间，使得 通过循环装置得到的推进力促进交换循环。

根据另一特征，该组件包括插入任一连接管上的泵，以便减小两个 反应器之间交换的持续时间。

本发明还涉及一种使用根据本发明的反应器来培养特别是藻类的光 合微生物的方法，其包括如下步骤：

将液体培养介质以受控的流速注射到反应器内；

通过气体注射装置将气体以受控的流速注射到反应器内；

通过循环装置循环液体培养介质；

控制循环装置和气体注射装置，以便在反应区段内形成层流或段塞 流或细长气泡流类型的气体/液体两相流动状态。

如上所述，大致水平的层流或段塞流或细长气泡流类型的气体/液体 两相流动状态的形成具有许多优点，例如减少气泡的产生，并通过显著 增加气体和液体之间的交换表面面积来增加反应器的产出。

根据一种特征，控制步骤包括这样一个步骤：将反应管内的液体循 环速度控制在大约0.1和0.2m/s之间，以便形成层流类型的两相流动状 态。

根据另一特征，控制步骤包括这样一个步骤：将反应管内的液体循 环速度控制在大约0.2和1m/s之间，以便形成段塞流或细长气泡流类型 的两相流动状态。

有利地，控制步骤包括这样一个步骤：将气体循环速度控制在与适 用于反应所需的流速的速度状况相对应的大约0.5和0.8m/s之间。

另外有利地，循环装置包括通过马达驱动而转动的推进器，其中推 进器的转动速度小于大约每分钟100转，从而限制液体培养介质内的机 械应力。

本发明的其它特征和优点将在参考附图来阅读示例性非限定实施方 式的随后详细描述时得以清楚，附图中：

图1是根据本发明的光合反应器的示意前视图；

图2是图1所示的反应器的示意侧视图；

图3是图1所示的反应器内部的局部示意图；

图4是根据本发明的另一光合反应器的示意前视图；

图5是根据本发明的两个反应器经由连接管连接在一起的局部示意 图；

图6a和6b分别示出了对于根据本发明第一反应器来说溶解氧气和 溶解二氧化碳随着时间流逝的变化；

图7a和7b分别示出了对于根据本发明第二反应器来说溶解氧气和 溶解二氧化碳随着时间流逝的变化；

图8a-8ef示意表示了水平导管中分别具有分散气泡的流动、具有细 长气泡的流动、平稳层流、波浪层流、段塞流和环形流的多种流动状态。

图1-3示出了根据本发明的光合反应器1，该光合反应器适用于特别 是藻类的光合微生物的培养、特别是相对于机械应力来说脆弱并因此不 适用于在现有技术反应器中培养的光合微生物培养。

反应器1包括：

至少一个光合反应管2，其中循环液体培养介质，所述反应管2具有 定位在反应器1的低部内的低端21以及在低端21上方定位在反应器1 的高部内的高端22；

至少一个返回管3，该返回管3确保反应管2的低端21和高端22 之间流体连通；以及

至少一个用于循环液体培养介质的装置4；

至少一个气体注射装置5，使得气体注射到反应器1内；以及

至少一个排气装置6，定位在反应器1的高部内，并且使得注射到反 应器1内的气体逃逸；

至少一个液体注射装置7，使得液体注射到反应器1内。

应该理解到在本申请的含义中，术语“低”和“高”的使用用来指 代反应器1的多个部分，并且例如“之上”的使用指的是反应器的元件 或部分沿着附图的箭头Z所示的竖直方向的相对放置。

如图1所示，反应管2包括多个水平区段23，所述反应区段经由弯 曲区段24连续连接，水平区段23和弯曲区段24以间隔方式串联连接， 使得反应管2在其低端21及其高端22之间具有手风琴或螺旋形的连续 导管的形状。这种反应管2主要沿着竖直平面延伸，其中水平区段23连 续地彼此叠置。

如图2所示，水平区段23连续定位在竖直支承结构8的任一侧上， 支承结构8包括：

经由螺栓81固定在地面的竖直立柱80；以及

牢固附接到竖直立柱80并支承水平区段23的横梁82。 二支承结构8通过竖直立柱81和横梁82来分担反应管2的重量，其 中竖直立柱81彼此隔开的距离不超过水平区段23的横跨极限，而这种 横跨极限会造成填充液体和气体的所述水平区段23由于其重量而破裂， 横梁82保持水平区段23彼此隔开相同的竖直和水平距离。

水平区段23至少部分由对于太阳辐射透明的材料制成，这些材料例 如是玻璃材料，或者是塑料的或例如Plexiglas^TM的丙烯酸聚合物类型的 合成材料。这些水平区段23制成具有直径为Dc的圆形截面的直线管的 形式。弯曲区段24制成180°弯管的形式，以便端对端地连接连续的水 平区段23。弯曲区段24具有类似于水平区段的直径为Dc的圆形截面。

返回管3具有大致“C”的形状，并且顺续包括：

经由连接器99连接到反应管2的高端22的水平上部区段30；

经由形成大约90°角度的第一弯管32连接到上部区段30的竖直或略 微倾斜的中央区段31，如图2所示；

下部区段33，其一方面经由形成大约90°的第二弯管34连接到中央 区段31，并且另一方面经由连接器98连接到反应管2的低端21并进入 反应管2的最低水平区段23的延伸部，最低水平区段23称为第一水平 区段。

返回管3由对于太阳辐射不透明的材料制成，并且/或者定位在远离 光线的封闭房间内，而反应管2暴露于太阳光线，可选地在温室内。

上部区段30制成其直径Dc等于反应管2的水平区段23的直径的圆 形截面的直线管。上部区段30进入定位在反应管2的最高处的水平区段 23(称为最后的水平区段)的延伸部内，并且与后面的水平区段23相比， 在相同竖直水平上延伸。

中央区段31同样制成其直径Dc等于反应管2的水平区段23的直径 的圆形截面的直线管。此中央区段31相对于竖直方向Z沿着竖直或略微 倾斜的方向延伸。

定位在高部内的第一弯管32相对于具有相同直径Dc的上部区段30 和中央区段31具有变宽的截面。排气装置6定位在所述第一弯管23上， 并且呈现为通向第一弯管32内侧且具有预定尺寸的管道。因此，第一弯 管32处的通道截面增加，从而减小所述第一弯管32内的液体流速，并 避免气体被向下携带到中央区段31。排气装置6相对于反应管2的最高 水平区段23定位在高部内，使得只有过多液体与气体同时地从反应器1 逃逸。排气装置6被校准，从而使得反应器1内的过多的液体体积在注 射气体逃逸的同时逃逸。

反应器1包括定位在中央区段31的两个液体注射装置7，即使得液 体培养介质和接种物分别注射到分压器1的第一和第二注射装置。这些 注射装置7呈现注射孔口的形式，从而可以连接到具有无菌控制的来源 上。

反应器1还包括一个或多个传感器9，传感器9定位在返回管3上， 并且特别是定位在中央区段31上，并适用于提供控制反应所需的信号， 特别是表示温度、pH、溶解氧水平和液体介质的浊度的信号。这种控制 主要用来调节向反应器1内的气体和液体注射。

下部区段33具有壳体35，壳体相对于中央区段31的直径Dc具有变 宽的截面，用来部分接收循环装置4。该壳体35定位在第二弯管35的直 接延伸部内，并沿着水平主方向A延伸。

图1-3所示的循环装置4定位在返回管3内，至少部分位于壳体35 内，以便将反应管2内的液体培养介质设置成从所述反应管2的低端21 循环到高端22，换言之在反应管2内从底部循环到顶部。在这种构造中， 液体介质在返回管3内从上部区段30朝着下部区段33循环，换言之在 返回管3及其中央区段31内从顶部循环到底部。

循环装置4制造成机械推进装置，其包括经由所述马达41的输出轴 42通过转动马达41的驱动而转动的推进器40。马达41在第二弯管34 处定位在反应器1的外侧，并且附接在板43上，板43特别是通过固定 螺钉以可拆卸方式附接在返回管3的壁上。输出轴42以可密封方式横过 所述板43，通向壳体35的内部，并且支承推进器40，推进器40因此在 壳体35内以转动方式运动。输出轴42和推进器40围绕水平转动轴线A 转动，并且推进器40在大致竖直平面内延伸。

循环装置4在返回管3的低部内的位置为维护提供了方便的接近位 置。在图1-3所示的例子中，实际上容易通过拆卸封闭壳体35以便接收 推进器40的板43来维护推进器40。通过马达41、板43、输出轴42和 推进器40形成的机械组件可以通过水平平移(例如通过支承在地面上) 而简单地释放。

下部区段33具有一个水平直线部分38，该水平直线部分38制造成 直线管的形式，该直线管具有其直径Dc等于反应管2的水平区段23的 直径的圆形截面。直线部分38定位在壳体35和反应管2的低端21之间。 直线部分38进入第一水平区段23的延伸部(定位最低的一个反应管2)， 并在与第一水平区段23相同的竖直水平上延伸。

在返回管3内寻求没有速度突然变化的液压连续性，从而限制压力 损失、光合微生物受到的加速和剪切力。由于中央区段31和壳体35之 间的通道截面增加，液体介质的平均速度在中央区段31和下部区段33 之间减小，并且接着由于壳体35和直线部分38之间的通道截面的相反 地减小而增加。为了确保中央区段31和下部区段33的直线部分38之间 的液压连续性，分支管36定位在第二弯管34的高部内，换言之定位在 壳体35和推进器40的上游，并且汇合管37定位在壳体35和直线部分 38之间，换言之定位在壳体35和推进器40的下游。

下部区段33具有定位在壳体35和直线部分38之间、特别是在汇合 管37和直线部分38之间的高度差39。这种高度差39以形成壳体35和 直线部分38之间的水平差的两个弯管的形式来实现。

气体注射装置5定位在返回管3的下部区段33的直线部分38上， 使得通过气体注射装置5注射的气体G向上运动，直至到达排气装置6， 同时沿着从反应管2的低端21到高端22的循环方向(换言之在反应管2 内从底部到顶部)在反应管2内循环。在此构造中，气体G和液体介质L 作为顺流在反应管2内循环，即在相同循环方向上循环。

高度差39定位在气体注射装置5的上游，以便特别是在马达41停 机时避免气体注射装置5注射的气体在错误方向上运动，即朝着壳体35 和推进器40运动。

循环装置4以及推进器40特别是在反应管3的中央区段31的低部 中且在气体注射装置5上游的位置有利于通过使得注射气体在返回管3 的下部区段33的直线部分38内水平带走而进行排放。

排气装置6放置在循环装置4的上游并与循环装置4放置在气体注 射装置5的上游相结合，有利于避免气体循环经过推进器40且与其操作 干涉。实际上，气体的存在妨碍了大多数机械推进装置、特别是推进器 的操作，因此应该避免气体的积累，而气体的积累具有使得推进器40气 蚀的危险。

如图3所示，通过气体注射装置5注射的气体G和通过推进器40被 循环的液体培养介质一起在直线部分38内并因此在反应管2的最低水平 区段23内形成气体/液体两相流动。如图3所示，气体G在直线部分38 内并因此在反应管2的最低水平区段23内形成气体层；随着气体逐渐推 进到反应管2、直至到达排气装置6，在随后的水平区段23中同样形成 这种气体层。

特别是取决于气体和液体介质的各自循环速度，气体/液体两相流动 将遵循层流类型(连续气体层)或者段塞流或细长气泡流类型(不连续 的气体层)的两相流动状态。由于气体循环(作为液体介质循环的顺流 或逆流形式)主要在下部区段33的水平直线部分38内、水平区段23内 和水平上部区段30内实现，这些流动状态是可能的。当然，气体经由弯 管区段24在反应管2内上升，但是这些在弯管区段24内向上流动的气 体不会不利于水平区段23中的层流、段塞流或细长气泡流状态。

通常，气体注射装置5定位在第一水平区段23(最低的一个反应管 2)的上游，或者可选地相对于反应管2内的气体从低到高的流动方向在 所述第一水平区段23中。同样可以设想，在反应管2的不同点处、在一 个或多个水平区段23上提供多个气体注射装置以及可选的其他气体排放 装置。

对于水平导管内的两相流动来说，调查示出了取决于速度、直径、 温度、性能、循环流体压力的许多状态的多种流动状态，即特别是：

具有Mandhane AD类型的分散气泡的流动，如图8a所示；以及

具有Mandhane I类型的细长气泡的流动，如图8b所示；

层流或者分层流动，如图8c所示，具有波浪状的分层流动，并且如 图8d所示，分别具有Mandhane SS和SW类型的平缓分层流动；

具有Mandhane I类型的段塞流，如图8e所示；

具有Mandhane AD类型的环形雾流，如图8f所示。

在本发明的情况下，优选的流动状态位于Mandhane类型的SS/I的 过渡部处，即在分层状态和段塞流或细长气泡状态之间。在分层状态下， 气体/液体界面通过自由表面形成，其宽度随着管内液体水平变化。在段 塞流或细长气泡状态下，气体/液体界面通过段塞流或细长气泡的底面和 顶面形成。

在本发明的情况下，由于水平区段23的直径Dc为几个厘米的量级， 例如在大约4厘米和大约15厘米之间，水平区段23内的气体/液体两相 流动将遵循分层流动状态(其液体速度在0.1和0.2m/s之间)以及段 塞流或细长气泡流状态(其液体速度在0.2和1m/s之间)。

可以选择大于0.2m/s的液体速度，以便促进液体培养介质中的混 合，由此意味着水平区段23内的两相流动将遵循段塞流或细长气泡流状 态。

气体/液体交换或转移大致与气体循环和液体介质循环之间的速度 差成正比地变化，特别有利的是保持气体循环和液体循环之间的高速度 差。申请人由此观察到，对于光合反应所需的气体流速来说，气体的速 度应该稳定在0.5和0.8m/s之间，并且交换所需的速度差容易通过顺 流循环得到。

气体和液体的顺流循环产生与反应管2的长度成正比的交换表面面 积，使得所述反应管2的长度可以增加，而不必使得脱气和碳酸化设备 的数量倍增。虽然将这种气体引入到反应管内涉及反应管2内的液体反 应体积的减小，其幅度根据气体流速多达15％，但是这种液体反应体积的 减小大部分通过由于光路长度减小而造成生产体积的增加而补偿。从微 生物质量的观点出发，如上所述，在本发明的反应器1中没有小气泡具 有很大益处，并且由于不需要任何脱气和碳酸化设备，这种反应器1在 成本方面是有利的。

申请人还观察到，可以通过在反应管2内进行逆流循环，换言之通 过确保液体介质在反应管2内从顶部向底部循环，来增加气体循环和液 体循环之间的速度差，并因此增加气体/液体转移。因此，在未示出的实 施方式中，循环装置4定位在返回管3内，以便使得反应管2内的液体 培养介质在与注射气体的循环方向相反的循环方向上，换言之在反应管2 内从顶部向底部，从所述反应管2的高端22循环到低端21。在此可选方 式中，液体介质在返回管3内从下部区段33朝着上部区段30循环，换 言之在返回管3及其中央区段31内从底部循环到顶部。为了实现这种逆 流循环，循环装置4可以颠倒180度，从而在与前面情况(也就是说顺 流)相同的位置上(部分在同一恰当的壳体35内)在其他循环方向上操 作，这是由于其具有的优点是没有任何气体循环。气体注射装置5和排 气装置6可有利地保持在与前面情况相同的位置上，这是由于它们使得 共同路径的长度乃至流体接触的持续时间最大。

下面的表格比较了三种光合反应器的性能，这些反应器在第42平行 纬度上植入，并包括一个透明反应管，该反应管长度为215米，内径为 76毫米，其总体容量为1000升。

“气泡柱”反应器与上述现有技术的反应器相对应，并且包括气体 提升器。这种“气泡柱”反应器包括气泡柱，其高度等于4米，并且直 径等于76毫米，与反应管的直径相同。

根据本发明的“顺流”反应器与其中在反应管内建立顺流循环模式 的根据本发明的反应器相对应，而根据本发明的“逆流”反应器与其中 在反应管内建立逆流循环的根据本发明的反应器相对应。

针对峰值光合作用期间(即在夏天并在中午)生长最快的藻类物种 计算最大氧气产生率VM。

申请人因此确认通过具有“气泡柱”的公知反应器进行氧气提取是 不充分的，并且限制了反应器的效率，而本发明的“顺流”和“逆流” 反应器有效地满足了氧气提取的需要。

与气体/液体界面局限于小气泡并且氧气提取局部化的公知“气泡 柱”反应器相比，通过在反应管的整个路径上实现气体/液体界面的根据 本发明的反应器，气体/液体转移以及氧气提取更加有效。这确认了本申 请人的上述观点，根据该观点，气体是反应的整体部分，并且应该与液 体一样计入反应体积。

另外，逆流循环模式比顺流循环模式更加有效。图6和7通过示出 在反应器内培养紫球藻类型的微藻的情况下的气体交换的数字模拟来确 认了这一点，反应器以顺流循环模式(图6a和6b)和逆流循环模式(图 7a和7b)接收含有3％的二氧化碳和以每分钟6公升的量注射的0％的 O₂的气体流，其中：

图6a示出了顺流反应器中的溶解氧气O2D(mg/L)随着时间的推移 (天)的变化；

图6b示出了逆流反应器中的溶解二氧化碳CO2D(mg/L)随着时间的 推移(天)的变化；

图7a示出了逆流反应器中的溶解氧O2D(mg/L)随着时间的推移(天) 的变化；

图7b示出了顺流反应器中的溶解二氧化碳CO2D(mg/L)随着时间的 推移(天)的变化。

这些数字模拟因此证实了逆流模式更加有效。顺流循环模式仍然有 足够的全部时间来保持氧气含量低于20mg/L，换句话说，如果毒性阈值 在20mg/L，顺流模式也是足够的。

然而，借助于逆流模式会具有调控问题。实际上，采用顺流模式， 流体(气体和液体)在相同方向上循环，并且在由于速度差而彼此分开 之前的几秒钟内实现接触。另一方面，采用逆流模式，流体立即分开， 从而只能在以后再次接触。

一般来说，可以调整气体流速和液体培养介质的循环速度以及光线 强度的变化，以使其适应不同的培养物种：例如，当存在强光线强度， 并且当藻类物种呈现快速生长状态时希望强的气体流速，以增加气体-液 体交换。但是，必须考虑到如下事实，即气体流体的变化造成培养体积 的变化。因此，增加气体流速造成液体体积减小，这可能会导致最后的 水平区段23(定位在最上面的一个)脱水，并造成循环管2中的循环中 断。

如图3所示，反应器1还可包括被构造成在反应管2和返回管3内 循环的一个或多个清洁主体10，从而清洁这些管2和3的内侧。为了能 够在反应器1内的回路中循环，清洁主体10还被构造成经过用于循环液 体培养介质的装置4，换言之，在上述特定实施方式中经过推进器40的 叶片。

清洁主体10(优选为球形的)具有大致等于反应管2及其水平区段 23和弯曲区段24的内径Dc的直径；反应器1的清洁大致涉及反应管2 的进行微生物培养的内壁。清洁主体10优选为柔性材料，从而通过变形 来吸收循环装置4的机械应力，例如在穿过壳体25的过程中受到的推进 器40叶片的冲击。

壳体35有利地至少部分在推进器40的转动平面内(即相对于所述 推进器40呈直角的竖直平面内)为圆形截面。如图3所示，壳体35的 圆形截面的直径DL略微大于推进器40的直径。该直径DL同样大于反应 管2和返回管3的中央区段31的直径Dc，使得推进器40可以使得清洁 主体10通过。如上所述，直径的增加表现为流体的线性速度以及推进器 的转动速度的减小。在这种情况下，通过马达41的输出轴42的直径Da 减小的壳体35的直径DL应该至少是反应管2的直径Dc的两倍，使得清 洁主体10可以自由循环、通过液体反应介质带走、并包括经过推进器40， 即：

DL-Da＝2Dc

在图3所示的实施方式中，直径DL等于反应管2的内径Dc的三倍， 并且输出轴42的直径Da等于反应管2的内径Dc。在这种构造中，直径 Dc的清洁主体10可以在其宽度等于Dc并且在壳体35的内壁和轴42之 间延伸的环形部分内循环，并且可由此更容易经过推进器40的叶片之间。

对于这些清洁主体10并对于微生物来说，为了减小推进器40的叶 片所形成的障碍，这些叶片的数量优选地局限于一个(从而形成一种阿 基米德螺旋)或两个。为了减小叶片掠过的表面面积以及由此造成的机 械作用，推进器40的转动速度很低，并且优选为每分钟小于100转。

由于清洁主体10对于任一流体形成障碍，并且迫使流体以泄漏速度 以内的相同速度推进，清洁主体10在水平区段23内的循环可具有的效 果是使得这些水平区段23内的气体和液体介质循环速度大致相同。

但是，如上所述，气体循环和液体循环之间的速度差对气体/液体质 量转移具有直接影响，并且有利地尽可能保持很高。这就是清洁主体不 应该阻止气体通过的原因。为此，清洁主体被构造成使得反应管2内循 环的气体至少部分经过，同时适用于通过液体培养介质的流动而被带走。 为此，所述或每个清洁主体10制成球形刷的形式，包括刷毛、头发、条 带或等同物的组件，其中中央部分承载这些刷毛。因此，在水平区段23 内，露出的刷毛在气体层处使得气体经过，并且承载刷毛的浸没中央部 分具有足够大的直径，从而对经过的流体形成障碍，使得液体介质本身 带走清洁主体10。

以相同方式，清洁主体10可以制成弹性材料的中空球的形式，其表 面的大部分穿有使得气体流过的孔。

图4所示的反应器1的第一改进包括如上所述通过如下部件改装反 应器1：

短路管90，平行地定位在返回管3上，并连接设置在反应器1上的 两个连接点，即定位在反应管2上的第一连接点91和定位在返回管3或 反应管2上的第二连接点92(第一连接点91当然区别于第二连接点)；

两个阀93、94，定位在所述第一连接点91的任一侧上，其中一个阀 94定位在短路管90上；以及

两个阀95、96，定位在所述第二连接点92的任一侧上，其中一个 阀96定位在短路管90上。

在图4所示的实施方式中：

第一连接点91定位在弯曲区段34或定位在第一水平区段(定位最 低的一个)之上并在最后水平区段(定位最高的一个)之下的水平区段 23上；以及

第二连接点92在反应管2的高端22和排气装置6之间定位在返回 管3上，使得短路回路中的气体逃逸，并且特别是定位在上部区段30上；

阀93相对于气体循环方向定位在第一连接点91的上游，刚好在第 一连接点91之后；

阀94定位在短路管90上，刚好在第一连接点91之后；

阀95相对于气体循环方向在第二连接点92的下游定位在第二连接 点92和反应管2的高端22之间；

阀96定位在短路管90上，刚好在第二连接点92之前。

例如具有完整通道的隔离阀类型的阀92-96的操纵使得在反应管2 的侧部上定位在两个连接点91、92之间的反应器1的部分得以隔离，并 使得气体/液体培养介质混合物在短路回路中循环，短路回路包括反应器 1的定位在短路管90和返回管3的侧部上的两个连接点91、92之间的非 隔离部分。短路管90制成直线竖直管的形式，其圆形截面的直径Dc等 于反应管2的水平区段23的直径。

在图4所示的实施方式中，阀93和95关闭，而阀94和96打开， 使得混合物在返回回路中循环。

这种设置有短路的改进反应器因此允许只使用一个反应子空间，该 反应子空间与定位在短路回路中的反应管2的部分相对应，并且占据了 反应管2的总容积的大约十分之一。在图4中，与作为例子给出的反应 管2的二十六个水平区段相比，该反应子空间与低端21和第一连接点91 之间的对应于两个水平区段23的容积相对应。

短路回路或缩减回路具有大回路(图1反应器情况下的整体回路) 的所有功能，这是由于它包括：

中央区段31，其具有用于注射液体的装置7和传感器9；

循环装置4；

气体注射装置5；

排气装置6；以及

包括至少一个水平区段23的反应子空间。

这种反应器的使用可以下面的方式来实现：在已经用无菌介质填充 整个反应器1之后，操纵四个阀92-96，以便得到图4所示的构造。在第 一阶段，反应子空间被接种并且进行培养。在第二阶段，在微生物的浓 度在反应子空间内达到足够水平时，将四个阀92-96转换到相反状态， 使得反应管2的其他部分进行循环，并且通过反应子空间接种。所以人 们称之为互连的接种反应器。

在互连的接种反应器的未示出替代实施方式中：

第一连接点91定位在反应管2、弯曲区段34或位于第一水平区段之 上并在最后水平区段之下的水平区段23上；以及

第二连接点92同样在第一连接点91之上定位在反应管2上(以便 使得定位在两个连接点之间的返回管的部分短路)。

在互连的接种反应器的另一未示出的替代实施方式中：

第一连接点91定位在反应管2、弯曲区段34或于第一水平区段之上 并在最后水平区段之下的水平区段23上；以及

第二连接点92在气体注射装置5和反应管2的低端21之间定位在 返回管3上(以便使得定位其低端和第一连接点之间的返回管的部分短 路)。

如图5所示，本发明还涉及一种光合反应器的组件，其包括至少两 个根据本发明的反应器1A、1B，即第一反应器1A和第二反应器1B，并 且包括确保第一反应器1A和第二反应器1B之间的流体连通的至少一个 连接管71、72以及定位在所述连接管71、72上的至少一个阀77、78， 使得一个反应器通过另一反应器接种。

在图5所示的实施方式中，该组件包括位于两个反应器1A、1B之间 的两个连接管71、72，连接管在第一反应器1A处分别设置两个阀77、 78，并且在第二反应器1B处设置两个其他的阀(未示出并形成与两个阀 77、78相对的阀)，该组件包括：

第一连接管71，将定位在所述第一反应器1A的推进器(未示出)上 游的壳体35内的第一反应器1A上的入口点73连接到定位在所述第二反 应器1B的推进器(同样未示出)的下游的第二反应器1B上的出口点74； 以及

第二连接管72，将定位在所述第二反应器1B的推进器(未示出)上 游的壳体35内的第二反应器1B上的入口点75连接到定位在所述第一反 应器1A的推进器(未示出)的下游的第一反应器1A上的出口点76。

反应器1A、1B并行组装，以便形成一致的生产组件。为了使得反应 器通过其中微生物的浓度达到高级阶段的相邻反应器接种，该组件提供 这两个反应器通过连接管71、72的互连，使其相应的内容物混合。

在图5所示的实施方式中，两个推进器的转动平面在同一竖直平面P   内重合。

另外，如图5所示，每个出口点74、76放置在相应汇合管37的端 部处，以便得益于文氏管效应；所述汇合管37定位在分别的壳体35和 分别的直线部分38之间。

另外，每个入口点73、75放置在推进器的相应壳体35内，优选地 位于相应转动平面P的上游。

每个连接管71、72包括至少一个阀77、78，使得两个连接管71、 72无菌连接，这使得待互联的两个反应器1A、1B的入口点和出口点以交 叉和对称的方式连接。每个连接管71、72还可包括两个阀，一个阀位于 其入口点，而另一个阀位于其出口点。

这种组件的使用可通过以下方式实现：为了从已经操作并其微生物 的浓度已经达到操作水平的第一反应器1A对第二反应器1B进行接种， 在第一阶段，阀77、78及其相对阀闭合，并且待接种的第二反应器1B 填充无菌的营养介质，接着在第二反应器1B内建立循环。在第二阶段， 阀77、78及其相对阀打开，并且在两个反应器之间进行交叉交换，如图 5的箭头E所示。

在打开阀77、78及其相对阀之后，两个反应器1A和1B内的浓度变 得大致相同，并且可以通过关闭阀77、78及其相对阀来使其隔离。为了 减小这种交换的持续时间，泵(未示出)可以插入连接管71、72的任一 个上。

在通过推进器之外的推进装置在反应器获得循环并且在反应器的形 成汇合管的直径不具有任何变化的情况下，不能得到文氏管效应。在这 种未示出的构造中，两个反应器之间的互连在两个循环装置的上游侧和 下游侧之间建立，并且推进力在图5所示方向之外的方向上建立交换循 环。

当然，所述的示例性应用不具有任何限制含义，并且其他细节和改 进可以提供给本发明的反应器，而不偏离本发明的范围，其中可以例如 实现反应管和/或返回管和/或循环装置的其他形式。因此，水平区段23 可相对于水平线略微倾斜，例如围绕水平方向倾斜几度。