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CN103476245B - 用于培养微生物的方法和生物反应器 - Google Patents

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CN103476245B CN201280008338.0A CN201280008338A CN103476245B CN 103476245 B CN103476245 B CN 103476245B CN 201280008338 A CN201280008338 A CN 201280008338A CN 103476245 B CN103476245 B CN 103476245B
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Abstract

本发明涉及在生物反应器或光生物反应器中培养微生物，尤其是光养微生物的方法，其中在培养基中增加碳酸氢根离子和碳酸根离子或阳离子剩余浓度。本发明还涉及其中可完成所述方法的管状生物反应器和光生物反应器，以及生物反应器、光生物反应器、管子和导管在本发明方法中的用途。

Description

用于培养微生物的方法和生物反应器
本发明涉及在生物反应器或光生物反应器中培养生物，尤其是光养微生物的方法，其中在培养基中增加碳酸氢根离子和碳酸根离子或阳离子剩余浓度。本发明还涉及其中可完成所述方法的管状生物反应器和光生物反应器，以及生物反应器、光生物反应器、管子和导管在本发明方法中的用途。
在开放的池塘和水沟中培养光养微生物如藻类和蓝细菌发展很好，但在传统的开放系统中只可维持少数物种。完全封闭的光生物反应器(PBR)以特别适合的培养条件提供机会用于微生物的单菌（monoseptic）培养。有几类光生物反应器如平板-PBR、环状PBR，如鼓泡塔PBR和管状PBR。可将这些根据管子或面板的定方、循环培养物的机制、用于提供光的方法、气体交换系统的类型、各个生长单位的排列和采用的构造材料进一步分类。在光生物反应器中，使微生物悬浮于液体培养基中。光生物反应器允许微生物由自然日光或由人工光源照明。典型的光生物反应器是三相系统，由液相(其为培养基)、作为固相的细胞和气相组成。作为光生物反应器独有特征的光是叠加的辐射场，有时称为“第四相”(C. Posten;Eng. Life Sci. 2009, 9, 第3期, 第165-177页)。
在封闭光生物反应器的许多设计中，具有管状太阳光收集器的装置是最有希望和最广泛使用的商业系统(E. Molina等; Journal of Biotechnology 92 (2001); 113-131页和D. Briassoulis等: Bioresour. Technol. 101 (2010); 6768-6777页)。
在工业应用的光生物反应器中培养光养微生物高度依赖于培养条件的控制。光生物反应器的设计主要指微生物对光的良好利用度。pH也是影响微生物群性能的主要参数之一。由微生物产生或消耗的CO2对培养基的pH具有强烈影响。
当照明时，在光养微生物中发生光合作用，使能够从CO2和H2O产生碳水化合物。由此形成的碳水化合物使生物能够生长。这称为自养生长。因为光合作用过程，CO2被悬浮的微生物消耗，同时产生O2。光养微生物从液相吸取CO2导致液相的pH增加，同时氧的产生导致溶解氧在液相中的水平增加。
在黑暗中将不发生光合作用。因为呼吸，O2将被悬浮的微生物消耗，同时产生CO2。微生物从液相吸取O2将导致溶解O2在液相中的水平下降，同时CO2的产生将导致pH下降。
为了控制液相的pH和溶解氧水平，需要将O2和CO2从液相转移至气相，反之亦然。因此在光生物反应器中微生物培养物是通气的。在直立式液体容器的情况下这通过在反应器底部注射气体完成。在管状光生物反应器中，在气升部分或者(在用泵使液体培养基循环的情况下)在槽(液体回路的部分)中完成通气和脱气。这种槽称为缓冲槽、收集槽、循环槽或脱气槽。通过在反应器底部或在通气气流中将CO2或富含CO2的空气直接喷洒入液体培养基内将CO2送至直立式液体容器。在管状反应器中，通常将CO2注入紧接着气升部分之后或就在循环泵之前的液体回路。DE 10 2005 062 726 A1描述具有使气体在系统中循环的装置的光生物反应器。WO 2010/109108 A1描述在水平管中建立两相气/液流的光生物反应器。
沿培养基的主要流动轴在气体入口与气体出口之间形成溶解氧和pH的梯度是一个问题，尤其是在管状反应器中。这些问题随着导致高体积生产力的生物量浓度增加和光强度增加而增加。但需要高体积生产力(以形成的克生物量/升/天计)改善该过程的经济学。
同样重要的是提高沿光生物反应器主轴(其是管子的轴方向或者板式反应器(panel reactor)或柱的向上方向)的质量转移。但是，限制通过鼓泡或泵送的机械能输入以避免剪切应力和细胞损伤，以及因为能量供应是生产成本的主要问题。
本发明基于提供避免现有技术已知的方法和光生物反应器的缺点的方法和光生物反应器的目的。
本发明还基于提供方法和光生物反应器以培养光养微生物，导致更高的生物量收率和/或更低成本的目的。
根据本发明，本目的尤其通过在生物反应器中培养生物的方法完成，所述方法包括以下步骤：a)在生物反应器中提供含有生物的液体培养基和b)在生物反应器中培养生物，其中液体培养基含有碳酸氢盐缓冲系统，该系统含有至少2 mM、更优选大于2 mM、甚至更优选至少3 mM (指碳酸氢根离子和碳酸根离子的总数)的量的碳酸氢根离子和/或碳酸根离子，其中在步骤b)至少一个时间段期间移动液体培养基，所述方法特征在于在步骤b)至少一个时间段期间将含有至少0.2%体积CO2的气相引入培养基内。
根据本发明，本目的尤其还通过在生物反应器中培养生物的方法完成，所述方法包括以下步骤：a)在生物反应器中提供含有生物的液体培养基和b)在生物反应器中培养生物，其中液体培养基含有碳酸氢盐缓冲系统，其中在步骤b)至少一个时间段期间移动液体培养基，其中在步骤b)至少一个时间段期间将含有至少0.2%体积CO2的气相引入培养基内，所述方法特征在于在步骤b)之前和/期间将至少1mM浓度的阳离子加至液体培养基。
根据本发明的优选实施方案，生物是微生物。
根据本发明的优选实施方案，生物是自养生物。根据本发明的优选实施方案，生物是自养微生物。根据本发明的优选实施方案，生物是异养生物。根据本发明的优选实施方案，生物是异养微生物。
根据本发明的备选实施方案，生物是自养和异养生物的混合物，尤其是自养和异养微生物的混合物。
根据本发明的优选实施方案，生物反应器是光生物反应器并且生物是光养生物。
根据本发明的优选实施方案，光养生物是微生物。根据本发明的优选实施方案，光养生物是藻类或蓝细菌，特别是藻类，尤其是微藻。根据本发明的优选实施方案，光养生物是微拟球藻属(Nannochloropsis)的藻类。
根据本发明的优选实施方案，培养光养生物，尤其是藻类或蓝细菌以产生生物量、固定CO2和/或产生特殊物质，例如二十碳五烯酸或二十二碳六烯酸。
用于本发明方法的生物反应器可以是任何生物反应器，例如管状生物反应器。
用于本发明方法的光生物反应器可以是任何光生物反应器，例如平板光生物反应器、鼓泡塔光生物反应器或管状光生物反应器。根据本发明的优选实施方案，用于本发明方法的光生物反应器是管状光生物反应器。管状光生物反应器可具有任何几何形状的管子。管状光生物反应器可具有例如水平管或垂直管或者这些类型的变体。管状光生物反应器还可以是螺旋管状光生物反应器。
根据本发明的优选实施方案，用于本发明方法的管状生物反应器，尤其是光生物反应器是下文公开的生物反应器，尤其是光生物反应器，优选本发明的管状生物反应器，尤其是光生物反应器。
液体培养基可通过现有技术已知的方法移动，例如通过螺杆、通过泵或通过气升系统。
根据本发明的优选实施方案通过管状生物反应器或光生物反应器的至少一个管子经由泵或经由气升系统移动培养基。
根据本发明的优选实施方案，在整个步骤b)中移动培养基。
可使用用于培养微生物，尤其是藻类或蓝细菌的任何合适液体培养基。本领域技术人员知道对用于特殊微生物的培养基的要求。在添加至少1mM阳离子浓度的阳离子之前培养基可以已含有适合待培养微生物的要求的量的阳离子。例如盐水藻的培养基比淡水藻的培养基含有更多阳离子。
根据本发明的优选实施方案，培养基具有至少pH 6至最多pH 10的pH，优选至少pH7至最多pH 9。根据本发明的优选实施方案培养基具有约pH 8.4的pH。优选培养基在步骤b)期间具有这样的pH。
培养基含有现有技术已知的碳酸氢盐缓冲系统。通过存在于培养基中的碳酸氢盐和碳酸盐和存在于气相中的CO2调节碳酸氢盐缓冲系统。
气相可以是任何合适的气相，例如空气，只要它含有至少0.2%体积CO2。根据本发明的优选实施方案，气相含有至少0.5%体积CO2。根据本发明的优选实施方案，气相含有至少1%体积CO2。根据本发明的优选实施方案，气相含有至少0.2%体积CO2且最多50%体积CO2，更优选至少0.5%体积CO2且最多10%体积CO2。根据本发明的优选实施方案，气相含有至少1%体积CO2且最多5%体积CO2。根据本发明的优选实施方案，气相含有约2%体积CO2。
根据本发明的优选实施方案在整个步骤b)中将气相引入培养基内。
根据本发明的备选方案，培养基含有至少3 mM的量的碳酸根(CO3 2-)和碳酸氢根(HCO3-)。该量指培养基包含的碳酸根和碳酸氢根的总数。
根据本发明的优选实施方案，碳酸根和碳酸氢根以至少10 mM浓度存在于液体培养基中。根据本发明的优选实施方案，碳酸根和碳酸氢根以至多1000 mM浓度存在于液体培养基中。根据本发明的优选实施方案，碳酸根和碳酸氢根以至多100 mM浓度存在于液体培养基中。根据本发明的优选实施方案，碳酸根和碳酸氢根以至少1 mM至最多1000 mM，更优选至少10 mM至最多100 mM的浓度存在于液体培养基中。根据本发明的优选实施方案，碳酸根和碳酸氢根以约40 mM浓度存在于液体培养基中。该浓度指培养基包含的碳酸根和碳酸氢根的总数。
根据本发明的优选实施方案，在步骤b)之前加入碳酸根和碳酸氢根。甚至可以在将微生物接种在培养基之前加入碳酸根和碳酸氢根。根据本发明的优选实施方案，在步骤b)期间加入碳酸根和碳酸氢根。
根据本发明的优选实施方案，加入碳酸氢盐和/或碳酸盐形式的碳酸根和碳酸氢根。根据本发明的优选实施方案，与Na+、K+、Mg2+和/或Ca2+一起加入碳酸根和碳酸氢根。
根据本发明的优选实施方案通过添加NaOH、Na2CO3和/或NaHCO3加入碳酸根和碳酸氢根。根据本发明的优选实施方案通过添加NaHCO3加入阳离子。
根据本发明的优选实施方案加入至少10 mM至最多100 mM Na2CO3和/或NaHCO3(更优选仅NaHCO3)以具有碳酸根和碳酸氢根剩余浓度。
添加碳酸根和/或碳酸氢根产生阳离子剩余浓度。
根据本发明的备选方案加入阳离子以在液体培养基中具有阳离子剩余浓度。
根据本发明的优选实施方案将至少10 mM浓度的阳离子加至液体培养基。根据本发明的优选实施方案将最多1000 mM浓度的阳离子加至液体培养基。根据本发明的优选实施方案将最多100 mM浓度的阳离子加至液体培养基。根据本发明的优选实施方案将至少1mM至最多1000 mM，更优选至少10 mM至最多100 mM浓度的阳离子加至液体培养基。根据本发明的优选实施方案将约40 mM浓度的阳离子加至液体培养基。
根据本发明的优选实施方案在步骤b)之前加入阳离子。甚至可以在将微生物接种在培养基之前加入阳离子。根据本发明的优选实施方案在步骤b)期间加入阳离子。
根据本发明的优选实施方案将阳离子作为Na+、K+、Mg2+和/或Ca2+加入。根据本发明的优选实施方案加入碳酸氢盐和/或碳酸盐形式的阳离子。还可以加入碱形式如NaOH或KOH的阳离子。
根据本发明的优选实施方案通过添加NaOH、Na2CO3和/或NaHCO3加入阳离子。根据本发明的优选实施方案通过添加NaHCO3加入阳离子。
根据本发明的优选实施方案加入至少10 mM至最多100 mM Na2CO3和/或NaHCO3(更优选仅NaHCO3)以具有阳离子剩余浓度。
惊奇地发现当在光生物反应器中培养光养微生物时，可通过增加液相中阳离子剩余浓度或者碳酸根和碳酸氢根浓度和气相的CO2浓度两者明显改善质量转移和pH的控制。
例如，当选择Na+时，通过将NaOH、Na2CO3或NaHCO3加至培养基可增加液相的阳离子剩余浓度。当用具有至少0.2%体积的设定/选择CO2浓度的气体通气时，将由液相中Na+浓度和气相中CO2浓度决定液体培养基的平衡pH。因此，通过增加液相中阳离子剩余浓度和气相中CO2浓度两者，可维持选择的pH设定点，同时碳酸氢盐缓冲系统的缓冲能力增加。阳离子剩余浓度越高，碳酸氢盐缓冲系统的缓冲能力越高，维持所选pH水平要求的气相CO2浓度也越高。
通过提高培养基的阳离子剩余浓度和气相的CO2浓度两者缓冲培养基的pH可以容易地应用于所有种类的生物反应器和光生物反应器，例如管状、平板和鼓泡塔型光生物反应器。可通过经由使用两个转子流量计设定通气气体的CO2浓度，来设定平衡的pH。一个转子流量计可控制压缩空气的流速，一个转子流量计可控制纯CO2的流速在空气流速的特定百分数。
在本发明的优选实施方案中，将本发明的方法用于管状生物反应器、尤其是光生物反应器，在步骤b)期间将气相作为团状流、活塞流或泡状流引入液体培养基内。在本发明的优选实施方案中，将本发明的方法用于管状光生物反应器，在步骤b)期间将气相作为团状流引入液体培养基内。
在管状生物反应器尤其是光生物反应器至少一个管子中本发明的气相高CO2浓度和阳离子剩余浓度与特殊的气-液流动方案(优选团状流、活塞流或泡状流，最优选团状流)的组合，导致令人惊奇的协同优点：
- 改善氧(O2)和二氧化碳(CO2)从液相至气相（反之亦然）的转移，
- 同时改善系统的pH缓冲能力。
此外因为两相团状流，培养基的表面与体积比比只含流体的管子增加，在液-气相间流体的湍流尤其增强。液相的表面与体积比的增加意味着更小的平均光程，从而允许更高的体积生产力。
因为二氧化碳与氧在光养生物的重要酶核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶加氧酶(RuBisCO)的活性位点竞争，所以通过增加培养基中溶解的无机碳物质与溶解氧之间的比率可增强RuBisCO的碳固定。因此抵消培养基中高浓度溶解氧对碳固定并因此对生长的抑制作用。
因为这些作用，可将移动培养基在管子中的流体速度限制在约0.2至0.3米/秒，从而限制光生物反应器的循环泵或气升系统的能量消耗。
根据本发明的优选实施方案，移动培养基的流体速度为至多0.5米/秒，更优选至多0.3米/秒，或者甚至最多0.2米/秒。根据本发明的优选实施方案，移动培养基的流体速度为约0.2米/秒至0.3米/秒。优选移动培养基的最高流体速度与管状光生物反应器管子中的速度有关。
在管子中应用低流体速度的能力还导致整个回路的压差下降。在循环泵和空气泵/吹风机的压力侧在管子开始处出现的系统最高压力可维持低于0.2巴。这允许应用更小壁厚的透明管子和简单的低压接合技术，从而减少投资成本。
根据本发明的优选实施方案在步骤b)期间至少一个管子中的压力为至多0.5巴，更优选至多0.3巴，最优选至多0.2巴。
另外两相团状流防止弄脏透明管的内壁。因此防止形成附着于管内壁的微生物学细胞的生物膜。形成此类生物膜是有害的，因为此类生物膜将防止入射光穿透液体培养基，所以抑制光养微生物的生长。
在本发明的优选实施方案中液体培养基不含现有技术用于防止污垢的塑料颗粒。
在优选和备选的实施方案中将本发明的方法和手段用于通过使用两相团状流防止污垢。
已经惊奇地发现本发明的方法不仅在其用于微生物在光下的自养生长时有利，而且还在其用于光养微生物在黑暗如在夜间的异养生长或者微生物本身的异养生长时有利。
在黑暗中将不发生光合作用。因为呼吸，O2将被微生物消耗，同时产生CO2。微生物从液相吸取O2将导致液相中溶解O2的水平下降，同时CO2的产生将导致pH下降。在微生物异养生长的情况下，将碳源以可溶性有机分子如糖、有机酸、醇等的形式供应至液相。在这种情况下也发生呼吸，O2将被悬浮的微生物消耗，同时产生CO2。
业已发现本发明的方法导致在黑暗中生长期间和异养生长期间更好的CO2/O2比率。另外在这些情况下改善氧(O2)和二氧化碳(CO2)两者从液相至气相(反之亦然)的转移，同时还改善系统的pH缓冲能力。微生物从液相获得足够O2，不受液相中高CO2量抑制。
因此，本发明还涉及用于黑暗中的自养生物和用于异养生物的方法。如果培养异养生物，所用生物反应器不必是光生物反应器。尤其是管状生物反应器的管子则不必是半透明的。
在优选实施方案中，本发明还涉及用于在黑暗中培养自养和异养生物的方法。在优选实施方案中，本发明还涉及用于在光中培养自养和异养生物的方法。
通过使用本发明的方法，有可能改善管状生物反应器尤其是光生物反应器的特定特征。
鉴于这些作用，可将管状光生物反应器中至少一个管子的长度增加至多10倍，而不出现溶解氧在液相中聚集至抑制水平，例如至大于25 mg/l或者出现pH增加。可将整个回路的pH梯度维持在指定pH范围，例如8.0至8.4之间。可在不增加平均流体速度的情况下应用至少一个管子的增加长度。
因此本发明还涉及包含至少一个管子、循环槽和气体供应的管状生物反应器，其中所述至少一个管子作为环连接至循环槽，并且其中气体供应连接至所述至少一个管子，特征在于所述至少一个管子的环具有至少100米的长度。
因此本发明还涉及包含至少一个管子、循环槽和气体供应的管状光生物反应器，其中至少一个管子作为环连接至循环槽，其中所述至少一个管子的至少一部分是半透明的，其中气体供应连接至所述至少一个管子，特征在于所述至少一个管子的环具有至少100米的长度。
本发明的管状生物反应器和光生物反应器使能够以相对更低的成本构建更大的系统，意味着每m3系统体积和每m2地表需要更低的投资成本。
在管中应用低流体速度的能力和降低管内压力的能力允许应用具有更小壁厚的管子(优选透明管)和简单的低压接合技术，从而减小投资成本。
因此本发明还涉及包含至少一个管子、循环槽和气体供应的管状生物反应器，其中所述至少一个管子作为环连接至循环槽，其中气体供应连接至所述至少一个管子，特征在于所述至少一个管子是具有至多1mm壁厚的塑料管。
因此本发明还涉及包含至少一个管子、循环槽和气体供应的管状光生物反应器，其中所述至少一个管子作为环连接至循环槽，其中所述至少一个管子的至少一部分是半透明的，并且其中气体供应连接至所述至少一个管子，特征在于所述至少一个管子是具有至多1mm壁厚的塑料管。
本发明的优选实施方案涉及包含至少一个管子、循环槽和气体供应的管状光生物反应器，其中所述至少一个管子作为环连接至循环槽，其中所述至少一个管子的至少一部分是半透明的，并且其中气体供应连接至所述至少一个管子，特征在于所述至少一个管子的环具有至少100米的长度，其中所述至少一个管子是具有至多1mm壁厚的塑料管。
本发明还涉及包含至少一个管子、循环槽和气体供应的管状生物反应器，其中所述至少一个管子作为环连接至循环槽，其中气体供应连接至所述至少一个管子，特征在于所述至少一个管子包含至少两个导管，其中所述导管通过推入配合配件连接。
本发明的优选实施方案涉及包含至少一个管子、循环槽和气体供应的管状光生物反应器，其中所述至少一个管子作为环连接至循环槽，其中所述至少一个管子的至少一部分是半透明的，其中气体供应连接至所述至少一个管子，特征在于所述至少一个管子的环具有至少100米的长度，其中所述至少一个管子是具有至多1mm壁厚的塑料管，其中所述至少一个管子包含至少两个导管，其中所述导管通过推入配合配件连接。
通过使用本发明的方法，允许管内压力下降和使用更长的管子。这些优点令人惊奇地允许使用由给定长度导管制备的管子。因为管内压力较低，所以可以不用胶粘物或复杂的机制而用容易操纵的推入配合配件将导管连接一起。可以例如如下制备推入配合配件：通过在导管的一端热成形精确拟合的套筒(muffle)或套管(sleeve)，其中可插入不具有热成形的精确拟合的套筒或套管的另一个导管的一端。导管优选用塑料制备，例如聚氯乙烯，尤其是PVC-U。因为两个导管之间的摩擦力，两个导管之间的连接为气密的。此外导管之间的连接处于无菌状态。由通过推入配合配件连接的导管构成的管子的优点是：例如可在不用的工具的情况下以希望的长度和以便宜的方式建造管子；配件可拆卸，例如以清洗管子；配件还可以是半透明的；可连接不同的组件和/或材料；通过配件使管子加固；和将导管内侧的余隙容积降至最小。
优选不使用胶粘物，但如果希望，可以另外将胶粘物或密封块用于推入配合配件。
优选生物反应器是光生物反应器，其中至少一个管子是半透明的。
根据本发明的优选实施方案管状生物反应器或光生物反应器具有几个管子，各自作为环连接至循环槽。因此管状光生物反应器优选具有几个平行的管环。
优选至少一个管子的环具有至少500米的长度。优选至少一个管子的环具有约1000米的长度。优选至少一个管子的环具有至少500米且至多5000米的长度，更优选至少700米且至多2000米的长度。
优选管状生物反应器或光生物反应器所有管子的环具有至少100米的长度，优选至少500米的长度，甚至更优选约1000米的长度。优选管状生物反应器或光生物反应器所有管子的环具有至少500米且至多5000米的长度，更优选至少700米且至多2000米的长度。
优选至少一个管子是具有至多600 µm、更优选至多500 µm壁厚的塑料管。至少一个管子还可以是具有约150 µm壁厚的塑料管。至少一个管子还可以是具有至少100 µm、更优选至少125 µm且至多550 µm壁厚的塑料管。
优选至少一个管子具有至少25 mm、更优选至少40 mm的内径。优选至少一个管子具有约6 cm的内径。优选至少一个管子具有至多150 mm、更优选至多100 mm的内径。
根据本发明的优选实施方案，管状光生物反应器的至少一个管子，更优选所有管子都是半透明的。
如果生物反应器不用作光生物反应器，管子不必是半透明的。在这种情况下管子可以例如用非半透明的塑料材料或金属制备。
根据本发明的优选实施方案，管状光生物反应器至少一个管子，更优选所有管子都是塑料管，例如聚乙烯管(例如具有约150 µm壁厚)或聚氯乙烯(例如具有至少125 µm且至多550 µm、优选约500 µm壁厚)。用于管子的优选聚氯乙烯是未增塑的聚氯乙烯(PVC-U)。
根据本发明的优选实施方案，管状光生物反应器至少一个管子，更优选所有管子都是具有至少100 µm至最多200 µm壁厚、例如约150 µm壁厚的聚乙烯管。
根据本发明的备选实施方案，管状光生物反应器至少一个管子，更优选所有管子都是具有至少150 µm至最多600 µm壁厚、例如约500 µm壁厚的未增塑聚氯乙烯管。
根据本发明的优选实施方案，管状光生物反应器至少一个管子，更优选所有管子都可具有任何外形，尤其是圆形、椭圆形、三角形、矩形，例如方形、五角形、六角形、八角形或其它对称或不对称外形。
根据本发明的优选实施方案将本发明的管状光生物反应器用于本发明的方法。
根据本发明的优选实施方案将本发明的管状生物反应器用于在生物反应器中培养微生物的方法，其中将含有至少0.2%体积CO2的气相引入含有微生物的液体培养基内，其中气相和液体培养基在生物反应器的至少一个管子、优选所有管子中形成团状流，其中培养基含有至少3 mM、更优选至少10 mM (指碳酸氢根离子和碳酸根离子的总数)的量的碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。
根据本发明的优选实施方案将本发明的管状光生物反应器用于在光生物反应器中培养光养微生物(优选藻类或蓝细菌)的方法，其中将含有至少0.2%体积CO2的气相引入含有光养生物的液体培养基内，其中气相和液体培养基在光生物反应器至少一个管子、优选所有管子中形成团状流，其中培养基含有至少3 mM、更优选至少10 mM (指碳酸氢根离子和碳酸根离子的总数)的量的碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。
根据本发明的优选实施方案将本发明的管状生物反应器用于在生物反应器中培养微生物的方法，其中将含有至少0.2%体积CO2的气相引入含有微生物的液体培养基内，其中气相和液体培养基在生物反应器至少一个管子、优选所有管子中形成团状流，其中培养基含有至少1mM、更优选至少10 mM选自NaOH、Na2CO3、NaHCO3、KOH、K2CO3、KHCO3及其混合物的物质。
根据本发明的优选实施方案将本发明的管状光生物反应器用于在光生物反应器中培养光养微生物(优选藻类或蓝细菌)的方法，其中将含有至少0.2%体积CO2的气相引入含有光养生物的液体培养基内，其中气相和液体培养基在光生物反应器至少一个管子、优选所有管子中形成团状流，其中培养基含有至少1mM、更优选至少10 mM选自NaOH、Na2CO3、NaHCO3、KOH、K2CO3、KHCO3及其混合物的物质。
优选培养基含有至少10 mM NaHCO3，更优选至少20 mM NaHCO3，例如约40 mMNaHCO3。
用于本公开方法的本发明管状光生物反应器的优点是可省略用于现有技术光管状反应器的O2浓度的自动测量和控制。
在本发明的优选实施方案中管状光生物反应器不具有对氧浓度、尤其是培养基中氧浓度的控制元件。
本发明允许代替pH的自动测量和控制，其中通过经由用两个转子流量计设定气相例如空气和纯CO2的流速在期望的配给量，手工设定气体供应的CO2-水平，来在pH值增加至高于指定的设定点时将额外的CO2注入气体供应内。
根据本发明的优选实施方案，管状光生物反应器具有两个转子流量计以设定气相和加至气相的CO2的流速。
根据本发明的优选实施方案，管状光生物反应器具有空气泵、吹风机或风扇以将气相引入至少一个管子内。
根据本发明的优选实施方案，管状光生物反应器具有使液体尤其是培养基循环通过至少一个管子的装置。根据本发明的优选实施方案，管状光生物反应器具有泵或气升系统以使液体尤其是培养基循环通过至少一个管子。优选管状光生物反应器具有泵以使液体循环通过至少一个管子。
在分离槽使用常规气体排放的光生物反应器中，气体从分离槽顶部排入大气将导致施加的CO2大量丢失。这是不期望的，可通过用空气泵使气相循环来预防。为了保持系统中碳水平足够高，刚好在将气体注入培养基之前的气体回路点将富含CO2的空气或纯CO2送至循环的通气流。脱气可在光生物反应器顶部的气体回路点通过安全阀进行。CO2供应的流速可以比循环气相的小很多，通常在1-5%范围。
根据本发明的优选实施方案，管状光生物反应器是封闭的系统，其中气体供应不仅连接至至少一个管子，而且还连接至循环槽顶部，并具有CO2供应。
根据本发明的优选实施方案，管状光生物反应器是封闭的系统，其中气体供应不仅连接至至少一个管子，而且还连接至循环槽顶部并具有CO2供应，其中循环槽具有气体排放。
在本发明的优选实施方案中将气相在至少一个管子的开始处作为团状流引入液体培养基，通过至少一个管子再循环入循环槽。优选将在循环槽中的一部分气相引入气体供应，在此其可优选用CO2增浓，并在至少一个管子的开始处作为团状流再次引入液体培养基内。
根据本发明的优选实施方案将气体供应设计为能够将气相引入至少一个管子的液相内，产生团状流。团状流的形成主要取决于管子的直径以及气相和液相的速度和所得量。本领域技术人员知道如何通过选择对于给定直径合适的速度来形成团状流。本领域技术人员也知道如何改变气体供应和连接气体供应至至少一个管子以便可在管内形成团状流。
本发明还涉及光生物反应器、优选管状光生物反应器在本发明方法或本文所述方法中的用途。优选管状光生物反应器是本发明的管状光生物反应器。
湍流(尤其在液-气界面的湍流)的增加允许含光养微生物的培养基沿光梯度彻底混合，从而光/暗周期可低于每秒1次，即低于1 Hz。这种湍流/混合/光-暗周期的水平可在更低流体速度和在更大内径的管中获得，并因此可在比现有技术单相管状反应器低很多的辅助能量供应下获得。现有技术管状光生物反应器需要大于2000瓦特/m3培养基的辅助能量供应，而应用团状流联合增加的碳酸盐缓冲系统(其允许更长的环，同时维持低流体速度)导致辅助能量输入减小至约200瓦特/m3培养基。
优选管状光生物反应器、优选本发明的管状光生物反应器在本发明的方法或本文描述的方法中的用途，其中光生物反应器具有与光生物反应器中液体培养基体积相关的至多500 W/m3、更优选至多300 W/m3的辅助能量输入。
本发明还涉及具有至多1mm壁厚的管子或导管在本发明管状生物反应器中的用途。本发明还涉及具有至多1mm壁厚的管子或导管在本发明方法中的用途。优选管子或导管是具有本文所述管子和导管优选特征的管子或导管，例如具有至少150 µm至最多600 µm壁厚、例如约500 µm壁厚的半透明未增塑聚氯乙烯管。
本发明还涉及包含至少一个管子、循环槽和气体供应的管状生物反应器，其中所述至少一个管子作为环连接至循环槽，其中气体供应连接至所述至少一个管子，特征在于所述至少一个管子是具有至多1mm壁厚的塑料管，以及所述至少一个管子建立至少一个基本水平或具有至少0.1度至最多3.0度倾斜度的反应区。
本发明还涉及包含至少一个管子、循环槽和气体供应的管状生物反应器，其中所述至少一个管子作为环连接至循环槽，其中气体供应连接至所述至少一个管子，特征在于所述至少一个管子的环具有至少100米的长度，以及所述至少一个管子建立至少一个基本水平或具有至少0.1度至最多3.0度倾斜度的反应区。
本发明还涉及包含至少一个管子、循环槽和气体供应的管状生物反应器，其中所述至少一个管子作为环连接至循环槽，其中气体供应连接至所述至少一个管子，特征在于所述至少一个管子含有至少两个导管，其中所述导管通过推入配合配件连接，以及所述至少一个管子建立至少一个基本水平或具有至少0.1度至最多3.0度倾斜度的反应区。
在优选实施方案中所述至少一个反应区是基本水平的。
在优选实施方案中所述至少一个反应区具有轻微倾斜度。在优选实施方案中所述至少一个反应区具有至少0.1度至最多3.0度倾斜度。在优选实施方案中所述至少一个反应区具有至少0.1度至最多2.5度倾斜度。在优选实施方案中所述至少一个反应区具有至少0.1度、更优选至少0.2度甚至更优选至少0.5度d 倾斜度。在优选实施方案中所述至少一个反应区具有至多3.0度、更优选至多2.5度甚至更优选至多2.0度、甚至更优选1.5度的倾斜度。度是指与水平相比测量的角度。
在优选实施方案中所述至少一个管子的大部分或全部建立所述至少一个反应区。
本发明人惊奇地发现反应区的轻微倾斜度导致更规则的团状流。这导致气体与液体之间和与之反方向的CO2和O2转移改善。此外因为CO2和O2的转移改善，有可能只使用气体注射以移动液体。所以可省略液体泵，这将允许培养脆弱的生物，如脆弱的藻类。
因此具有至少一个建立至少一个管子的管子的管状光生物反应器建立至少一个具有至少0.1度至最多3.0度倾斜度的反应区，没有泵，更优选也没有气升系统以使液体循环通过所述至少一个管子。
倾斜度不应太高，因为这导致移动流体需要的能量增加。
作为优选实施方案，具有建立至少一个基本水平或具有至少0.1度至最多2.5度倾斜度的反应区的至少一个管子的管状光生物反应器，可具有本说明书关于生物反应器尤其是光生物反应器描述的优选特征的一些或全部。
本发明还涉及这些光生物反应器在本说明书描述的方法，优选在用于在生物反应器中培养生物的方法中的用途，所述方法包括以下步骤：a)在生物反应器中提供含有生物的液体培养基和b)在生物反应器中培养生物，其中液体培养基包含含有至少3 mM (指碳酸氢根离子和碳酸根离子的总数)的量的碳酸氢根离子和/或碳酸根离子的碳酸氢盐缓冲系统，其中在步骤b)的至少一个时间段期间移动液体培养基，特征在于在步骤b)的至少一个时间段期间将含有至少0.2%体积CO2的气相引入培养基。
本发明的备选和优选实施方案是：
1. 备选实施方案：在生物反应器中培养生物的方法，包括以下步骤：
a) 在生物反应器中提供含生物的液体培养基和
b) 在生物反应器中培养生物，
其中液体培养基包含含有至少3 mM (指碳酸氢根离子和碳酸根离子的总数)的量的碳酸氢根离子和/或碳酸根离子的碳酸氢盐缓冲系统，其中在步骤b)的至少一个时间段期间移动液体培养基，特征在于在步骤b)的至少一个时间段期间将含有至少0.2%体积CO2的气相引入培养基。
2. 优选实施方案：实施方案1的方法，其中生物反应器是光生物反应器，其中生物是光养生物，优选藻类。
3. 优选实施方案：实施方案1或2的方法，其中生物反应器是管状生物反应器，优选管状光生物反应器。
4. 优选实施方案：实施方案3的方法，其中在步骤b)期间将气相作为团状流引入液体培养基。
5. 优选实施方案：前述实施方案中任一个的方法，其中生物反应器是实施方案6至13的管状生物反应器。
6. 备选实施方案：管状生物反应器1，包含至少一个管子2、循环槽3和气体供应5，其中所述至少一个管子2作为环连接至循环槽3，其中气体供应5连接至所述至少一个管子2，特征在于所述至少一个管子2是具有至多1mm壁厚的塑料管。
7. 备选实施方案：管状生物反应器1，优选实施方案6的生物反应器，包含至少一个管子2、循环槽3和气体供应5，其中所述至少一个管子2作为环连接至循环槽3，其中气体供应5连接至所述至少一个管子2，特征在于所述至少一个管子2的环具有至少100米的长度。
8. 备选实施方案：管状生物反应器1，优选实施方案6或实施方案7的生物反应器，包含至少一个管子2、循环槽3和气体供应5，其中所述至少一个管子2作为环连接至循环槽3，其中气体供应5连接至所述至少一个管子2，特征在于所述至少一个管子2包含至少两个导管，其中导管通过推入配合配件连接。
9. 优选实施方案：实施方案6至8中任一个的管状生物反应器，其中生物反应器1是光生物反应器，其中所述至少一个管子2是半透明的。
10. 优选实施方案：实施方案6至9中任一个的管状生物反应器，具有空气泵7、吹风机或风扇以将气相10引入所述至少一个管子2内，并且具有泵4或气升系统以使液体8循环通过所述至少一个管子2。
11. 优选实施方案：实施方案6至10中任一个的管状生物反应器，其中生物反应器1是封闭系统，其中气体供应5连接至循环槽3的顶部和CO2供应6。
12. 优选实施方案：实施方案6至11中任一个的管状生物反应器，其中生物反应器没有氧浓度的控制元件。
13. 优选实施方案：实施方案6至12中任一个的管状生物反应器，其中将气体供应5设计为能够将气相10引入所述至少一个管子2中的液相8内，产生团状流9。
14. 备选实施方案：生物反应器，优选实施方案6至13中任一个的管状生物反应器，在实施方案1至4中任一个的方法中的用途。
15. 优选实施方案：实施方案14的用途，其中生物反应器是光生物反应器。
16. 备选实施方案：具有至多1mm壁厚的管子或导管在实施方案6至13中任一个的管状生物反应器或在实施方案1至5中任一个的方法中的用途。
在附图和下列实施例中将更详细地描述本发明，而不限制本发明的范围：
-图1用示意图显示本发明的管状光生物反应器。
-图2用示意图显示在比较实施例3使用的现有技术的管状光生物反应器。
图1用示意图显示用于本文所述方法的本发明的管状光生物反应器1。光生物反应器1包含管子2和循环槽3。
管子可由塑料材料制备，具有例如至少100 µm且至多600 µm的薄壁厚和约6 cm的内径。管子可以比已知的光生物反应器的管子更长，例如至少180米。当然光生物反应器1可具有几个管子2。管子2排列成环，其中液体培养基8可从循环槽3底部通过管子2循环回循环槽3。
循环槽3 (也称为收集槽或脱气槽)包含具有微生物的培养基8和气相10 (优选压缩的大气)。循环槽3具有足够大以允许以给定的气体和液体流速进行气-液分离的气液表面。
各环可具有至少一个转角，但也可以具有3个、5个或更高数目的转角以在管子在气-液分离槽中终止之前形成蛇纹样结构。管子可以水平或者(轻微)倾斜安装。转角可以安装在水平的平面或倾斜的平面中。当转角安装在倾斜平面时，在转角之后或者每个转角(在各环包含多余一个转角的情况下)后的管子，可安装在比转角之前该管子安装在其上的平面升高的平面中。
当然生物反应器可具有本领域技术人员已知的另外的特征，例如在循环槽3中的液体排出和液体供应。
培养基从循环槽3经由液体泵4循环通过管子2。
气相10可经由气体排出11离开循环槽3。但是，至少一些气相10经由空气泵7泵送通过气体供应5进入培养基8内。可将气相10经由供应纯CO2或富CO2空气的供应6用CO2增浓至例如至少0.2%体积的CO2浓度。因为循环槽3中的气相10已含有未被微生物利用并从循环槽3的培养基8蒸发出的CO2，所以必须由供应6提供的CO2量可减少以获得含有至少0.2%体积CO2的气相。
根据培养基8的循环方向，以一定量和速度将气相10引入管子2的第一区，以获得由培养基8和气泡组成的团状流，气泡含有增加的CO2量。培养基含有阳离子剩余浓度，例如通过添加至少1 mM或优选至少10 mM NaHCO3来达到。这与气泡中的CO2浓度和团状流的形成一起导致本文公开的优点，其允许使用比现有技术的管子长的管子2和具有比现有技术使用的管子之一薄的壁厚的管子2。
气泡在管子2末端离开培养基8，扩散入循环槽3的气相10中。
图2用示意图显示用于比较实施例3的现有技术的管状光生物反应器21。
光生物反应器21也包含管子22和循环槽23。培养基28经由液体泵24循环通过管子22。
但是气相30不循环通过反应器的管子22。经由供应26、空气泵25和作为气泡33提供空气的喷洒器27在循环槽23中进行通气，以在液相与气相之间建立质量转移。此外气相30可经由气体排出32离开循环槽23。当通过pH计31测量的pH超过给定的设定点时，将CO2在反应器21的管子22的开始处经由供应29直接注入培养基28内。不形成团状流，但管子22完全充满培养基28。通过循环槽23的通气从培养基28除去这样一种常规操作模式的溶解O2。这导致在管子22的培养基28中例如大于50 mg/L的溶解氧O2水平。这些高水平的溶解O2抑制光合作用过程从而抑制光养生物的生长。
实施例1：
将40 mM NaHCO3加至垂直安置在温度受控培养箱中的3升鼓泡塔的培养基内。这些圆柱形塔的直径是6 cm；每个塔中液体水平的高度为约0.7 m。液体体积是2升。用富含2%CO2的空气从每个塔的底部使培养基通气。通气速率是0.5升/min。在气相与液相平衡后在液相获得pH 8.4。用微藻微拟球藻属的细胞接种鼓泡塔。用荧光管从两侧持续照射鼓泡塔，每侧光强度为约100 umol/m2/s。在约2周内培养物自养生长，藻类生物量从0.1 g/l增加至3 g/l。当照射培养物时，在培养期间pH只缓慢增加至约pH 8.6。在黑暗中pH不降至低于pH8.4。因此在这种设置中不需要主动调节的pH控制(通过用探针测量pH并当pH增加至超过给定的设定点时用CO2喷洒系统)。这种方法还可用于具有鼓泡塔或平板反应器阵列的大规模生产工厂。
实施例2：
用如图2显示的常规管状PBR培养微拟球藻属。将这与在图1所示PBR的管状部分中以在液相使用提高的碳酸氢盐/碳酸盐缓冲液和在气相使用提高的CO2浓度并且应用团状流的备选操作模式培养微拟球藻属相比较。与常规操作相比，通过在液相加入40 mMNaHCO3增加碳酸氢盐/碳酸盐缓冲液。在常规操作中应用的气相是大气，而包含于备选模式的气相是2% CO2。在常规操作中在PBR的管状部分不形成团状流。
在两种情况下自然日光的照射水平相似。
虽然在常规操作模式中溶解O2水平在白天期间增加至45 mg/L的最高水平，但当应用备选模式时溶解的氧O2水平不超过22 mg/L。
此外，在常规操作模式中，除去溶解O2的液相在循环槽中的通气伴随不需要的CO2清除。PBR的每日损失的CO2总量当以常规模式操作时为10至30 kg，而当以备选模式操作时只有1至3 kg。
实施例3：
在管状光生物反应器中，当气相也循环通过反应器的管状部分时，可应用本发明的pH控制方法。用于本实施例的管状光生物反应器的示意图设置在图1显示。
将40 mM NaHCO3加至600升管状光生物反应器的培养基内。该系统的管状环由具有6 cm直径和约180 m长的一个管子组成。管状环的体积因此为约500升。循环槽的体积是100升。液相的体积为约400升，气相的体积为200升。
空气泵的流速是4 m3/小时。液体泵的流速是2.5 m3/小时。
通过两个转子流量计控制气体供应的CO2浓度，将其设定为2%。气体供应的流速是0.2 m3/小时。与40 mM的阳离子剩余组合时，这导致平衡的pH值是pH 8.4。
此外在这种配置中，通过增加液相的阳离子剩余浓度和气相的CO2浓度两者并从而增加碳酸氢盐系统的缓冲能力，在整个反应器中液体培养基的pH维持得非常好。
在这种情况下管状环中气相和液相的行为可描述为典型的“团状流”。这种两相“团状流”使得液相能够沿光梯度(其垂直正交于管轴)彻底混合，从而光/暗周期小于1 Hz，同时辅助能量供应只有200 W/m3培养物。与现有技术管状PBR大于2000 W/m3的辅助能量供应相比，这在能量成本方面是对该过程经济学的极大改善。因为团状流，光程平均比6 cm的管径小很多，从而允许更高的体积生产力。
此外“团状流”还因缺失在通常操作的管状反应器中存在的靠近管子表面的层流层而使得能够防止在管子内侧上的污垢和生物膜形成。
通过增加液相的阳离子剩余浓度和气相的CO2浓度两者稳定液体培养基的pH，还导致液体培养基中溶解氧浓度的稳定。

Claims (15)

1.一种在管状光生物反应器(1)中培养生物的方法，所述管状光生物反应器(1)包含至少一个管子(2)、循环槽(3)和气体供应(5)，其中所述至少一个管子(2)作为至少100米的环连接至循环槽(3)，其中气体供应(5)连接至所述至少一个管子(2)，所述至少一个管子(2)是具有至多1mm壁厚的塑料管，所述方法包括以下步骤：
a. 在光生物反应器(1)中提供含生物的液体培养基(8)和
b. 在光生物反应器(1)中培养生物，
特征在于在步骤b)之前和/或期间通过添加NaOH、Na2CO3和/或NaHCO3将至少10 mM至最多100 mM浓度的阳离子加至液体培养基；
其中在步骤b)的至少一个时间段期间移动液体培养基(8)，并且在步骤b)的至少一个时间段期间将含有至少0.2%体积CO2的气相通过所述至少一个管子(2)中的气体供应(5)作为团状流(9)或活塞流引入培养基，其中所述培养基(8)仅通过气体供应(5)所引入的所述气相而移动，
其中所述光生物反应器(1)具有至少一个反应区，所述反应区具有至少0.1度至最多3.0度的倾斜度和
其中管状光生物反应器(1)是封闭的系统，并且其中气体供应(5)连接至循环槽(3)的顶部和CO2供应(6)，以将气相在至少一个管子(2)中引入培养基。
2.权利要求1的方法，其中所述生物是光养生物。
3.权利要求1的方法，其中所述生物是藻类。
4.前述权利要求中任一项的方法，特征在于所述至少一个管子(2)包含至少两个导管，其中所述导管通过推入配合配件连接。
5.权利要求1-3中任一项的方法，其中光生物反应器具有空气泵(7)、吹风机或风扇以将气相(10)引入所述至少一个管子(2)内，并且具有泵(4)或气升系统以使液体培养基(8)循环通过所述至少一个管子(2)。
6.权利要求1-3中任一项的方法，其中光生物反应器没有氧浓度的控制元件。
7.权利要求1-3中任一项的方法，其中将气体供应(5)设计为能够将气相(10)引入所述至少一个管子(2)中的液相内，产生团状流(9)。
8.权利要求1-3中任一项的方法，其中所述至少一个管子(2)是半透明的。
9.管状光生物反应器，在用于在生物反应器中培养生物的方法中的用途，所述管状光生物反应器(1)包含至少一个管子(2)、循环槽(3)和气体供应(5)，其中所述至少一个管子(2)作为至少100米的环连接至循环槽(3)，其中气体供应(5)连接至所述至少一个管子(2)，所述至少一个管子(2)是具有至多1mm壁厚的塑料管，所述方法包括以下步骤：
a. 在光生物反应器(1)中提供含生物的液体培养基(8)和
b．在光生物反应器(1)中培养生物，
特征在于在步骤b)之前和/或期间通过添加NaOH、Na2CO3和/或NaHCO3将至少10 mM至最多100 mM浓度的阳离子加至液体培养基；
其中在步骤b)的至少一个时间段期间移动液体培养基(8)，并且在步骤b)的至少一个时间段期间将含有至少0.2%体积CO2的气相通过所述至少一个管子(2)中的气体供应(5)作为团状流(9)或活塞流引入培养基，其中所述培养基(8)仅通过气体供应(5)所引入的所述气相而移动，
其中所述光生物反应器(1)具有至少一个反应区，所述反应区具有至少0.1度至最多3.0度的倾斜度和
其中管状光生物反应器(1)是封闭的系统，并且其中气体供应(5)连接至循环槽(3)的顶部和CO2供应(6)，以将气相在至少一个管子(2)中引入培养基。
10.权利要求9的用途，特征在于所述至少一个管子(2)包含至少两个导管，其中所述导管通过推入配合配件连接。
11.权利要求9的用途，其中光生物反应器具有空气泵(7)、吹风机或风扇以将气相(10)引入所述至少一个管子(2)内，并且具有泵(4)或气升系统以使液体培养基(8)循环通过所述至少一个管子(2)。
12.权利要求9的用途，其中光生物反应器没有氧浓度的控制元件。
13.权利要求9的用途，其中将气体供应(5)设计为能够将气相(10)引入所述至少一个管子(2)中的液相内，产生团状流(9)。
14.权利要求9的用途，其中所述至少一个管子(2)是半透明的。
15.权利要求9的用途，其中所述方法是权利要求1至8中任一项的方法。
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