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用于生物质生产的适应气候的生物反应器

阅读：814发布：2021-02-27

IPRDB可以提供用于生物质生产的适应气候的生物反应器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且此处公开了生物反应器，包括：第一板和第二板（它们中的一个或两个是对于光是基本透明的），其中第二板被部署为邻近于第一板，第一板和第二板沿着第一纵向边缘、第二纵向边缘、第一水平边缘、第二水平边缘被密封，并包括在第一水平边缘和第二水平边缘之间的至少一个中间水平密封部，由此形成沿竖向轴线串联的用于容纳流体的至少两个腔室，其中两个或更多个腔室中的每一个被定向为相对于所述竖向轴线成一个角度，所述角度是约0°到约90°，所述腔室中的至少一个被定向为大于0°的角度，以及在第一水平边缘、第二水平边缘以及中间水平密封部的每一个中存在至少一个开口；一个支承结构，包括至少一个水平支承物，其中所述水平支承物位于中间水平密封部的位置处或附近；一个贮存器，位于第一板和第二板的第二水平边缘下方；以及用于将流体从贮存器泵送至第一板和第二板的第一水平边缘的装置。还公开了培养细胞的方法，包括使细胞悬浮液在所公开的生物反应器中循环。在一些实施例中，所述细胞包括微藻类、大型藻类、细菌、真菌、昆虫细胞、植物细胞、动物细胞（诸如哺乳动物细胞）、或植物或动物组织或器官。在具体实施例中，所述方法包括将生物反应器中的培养物暴露至光源（诸如日光或人造光源）。，下面是用于生物质生产的适应气候的生物反应器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种生物反应器，包括：

(a)第一板和第二板，其中所述第二板被部署为邻近于所述第一板，所述第一板和第二板沿着第一纵向边缘、第二纵向边缘、第一水平边缘以及第二水平边缘被密封，并且包括在所述第一水平边缘和所述第二水平边缘之间的至少一个中间水平密封部，由此形成沿竖向轴线串联的用于容纳流体的至少两个腔室，其中两个或更多个腔室中的每一个被定向为相对于所述竖向轴线成一个角度，其中所述角度是约0°到约90°，所述腔室中的至少一个被定向为大于0°的角度，以及其中在所述第一水平边缘、所述第二水平边缘、以及所述至少一个中间水平密封部的每一个中存在至少一个开口；

(b)一个支承结构，包括至少一个水平支承物，其中所述水平支承物位于所述中间水平密封部的位置处或附近；

(c)一个贮存器，位于所述第一板和第二板的第二水平边缘下方；以及(d)用于将流体从所述贮存器泵送至所述第一板和第二板的第一水平边缘的装置。

2.根据权利要求1所述的生物反应器，其中所述第一板和第二板中的至少一个是透明的。

3.根据权利要求1所述的生物反应器，其中所述第一板和第二板各自包括柔性材料。

4.根据权利要求3所述的生物反应器，其中所述柔性材料选自聚乙烯和聚氯乙烯。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的生物反应器，其中所述腔室中的至少一个相对于所述竖向轴线成约0°的角度。

6.根据权利要求1到4中任一项所述的生物反应器，其中所述相对于所述竖向轴线成大于0°的角度是约30°到约75°。

7.根据权利要求6所述的生物反应器，其中所述相对于所述竖向轴线成大于0°的角度是约45°到约65°。

8.根据权利要求1到4中任一项所述的生物反应器，其中在所述第一水平边缘、中间水平密封部、以及第二水平边缘的每一个中的开口不沿所述竖向轴线对准。

9.根据权利要求8所述的生物反应器，其中所述开口在邻近于所述第一纵向边缘的位置和邻近于所述第二纵向边缘的位置之间交替。

10.根据权利要求8所述的生物反应器，其中所述开口在邻近于所述第一纵向边缘和/或所述第二纵向边缘的至少一个位置和基本在所述中间水平密封部的中心的位置之间交替。

11.根据权利要求1到4中任一项所述的生物反应器，包括在所述第一水平边缘和所述第二水平边缘之间的两个或更多个中间水平密封部。

12.根据权利要求11所述的生物反应器，包括三个到二十个中间水平密封部。

13.根据权利要求1到4中任一项所述的生物反应器，进一步包括至少一个传送设备，用于向生物反应器内的流体提供气体和/或营养物。

14.根据权利要求13所述的生物反应器，其中所述传送设备向所述贮存器内的流体提供气体和/或营养物。

15.一种用于培养细胞的方法，包括使细胞悬浮液在根据权利要求1到4中任一项所述的生物反应器中的营养物溶液中循环。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述细胞包括微藻类、大型藻类、细菌、真菌、植物细胞、或哺乳动物细胞。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述微藻类是莱茵衣藻、普通小球藻、钝顶螺旋藻、雨生红球藻、布朗葡萄藻、眼点微拟球藻、寇氏隐甲藻或破囊壶菌。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述细胞悬浮液以约10-50升每分钟的流率循环。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述流率是约14-42升每分钟。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述生物反应器被暴露至光源。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述光源是日光。

22.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述腔室中的一个或多个相对于所述竖向轴线的定向为如下一个角度，该角度将所述一个或多个腔室最大化地暴露至来自所述光源的辐射能。

说明书全文

用于生物质生产的适应气候的生物反应器

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求享有于2009年11月19日提交的美国临时申请No.61/281,552的权益，该申请通过引用方式被整体纳入本文。

技术领域

[0003] 本公开内容涉及生物反应器（bioreactors），更具体地，涉及光生物反应器，例如用于藻类培养。

[0004] 共同研究协议的当事人

[0005] 本申请描述以及要求的一些主题是根据Biopharmia AS和代表亚利桑那大学的亚利桑那校务委员会之间的一个书面共同研究协议开发的。

背景技术

[0006] 对矿物燃料的替代品进行开发是一项巨大的科技和经济课题。这些替代燃料具有提供可靠和可持续的能量源的潜力，同时极大限制了由于燃烧矿物燃料而释放到环境中的二氧化碳。术语“生物燃料”指的是源自生物并且以某种方式从植物或其他有机体（organism）的生物质中获得的燃料。生物燃料可以是固体、液体或气体形式，并且能够以各种方式使用，涵盖从燃烧木材用于加热到使用生物乙醇和生物柴油作为运输用燃料。当考虑液体运输用燃料时，研究和开发了多种原料。尤其是，从谷物中获得的乙醇突出地成为了最成熟和广泛商业化的选择。然而近来，使用谷物作为生物燃料原料的许多缺点已经变得明显。任何生物燃料原料绝对不能与食品供应竞争，从而被认为是一种可行的大规模替代燃料。不与食品生产竞争或者不妨碍食品生产的生物燃料是有吸引力的，因为最终产品是一种近似等同于石油基燃料的燃料，并且不需要对目前的运输用燃料基础设施的任何大的重新改造。基于电能或燃料电池的车辆将需要完全新的车辆设计以及被显著修改的燃料或功率分配系统。当考虑开发生物燃料原料时，还重要的是考虑生产该原料需要的水消耗以及土地面积。

[0007] 近来，微藻类已成为一种有前景的生物燃料原料，因为它们满足许多上述标准。微藻类生物质的脂类部分可被转化为一种近似等同于石油柴油的柴油形式。另外，藻类的生产不在任何显著方面妨碍世界食品生产。

[0008] 目前使用两种普遍方法进行藻类培养。开放系统（例如开放的池塘或水沟）的建造和运行都是非常经济的；然而，它们具有显著的缺点，诸如污染风险、环境条件的波动、以及较低和较不可靠的生产率。封闭系统（诸如光生物反应器）相对于开放系统具有的优点是对环境条件的控制、低污染风险、以及更高的生产率和可靠性。闭合系统的主要缺点是它们相对高的构造成本和运行成本。

发明内容

[0009] 此处公开了如下的生物反应器（诸如光生物反应器，例如用于藻类培养物），所述生物反应器具有闭合系统的优点并且还具有相对低的构造成本和运行成本。所公开的生物反应器还是模块化的，允许简单按比例扩大，并且能够轻易调整（例如自动地调整）用于最优化培养条件，诸如入射的曝光量。

[0010] 在一个实施方案中，所公开的生物反应器包括：第一板和第二板（它们中的一个或两个对于光是基本透明的），其中所述第二板被部署为邻近于所述第一板，第一板和第二板沿着第一纵向边缘、第二纵向边缘、第一水平边缘、第二水平边缘、以及在所述第一水平边缘和所述第二水平边缘之间的至少一个中间水平密封部被密封，由此形成沿竖向轴线串联的用于容纳流体的至少两个腔室，其中两个或更多个腔室中的每一个被定向为相对于所述竖向轴线成一个角度，其中所述角度是约0°到约90°，所述腔室中的至少一个被定向在大于0°的角度处，以及其中在所述第一水平边缘、所述第二水平边缘以及中间水平密封部的每一个中存在至少一个开口；一个支承结构，包括至少一个水平支承物，其中所述水平支承物位于中间水平密封部的位置处或附近；一个贮存器，位于第一板和第二板的第二水平边缘下方；以及用于将流体从贮存器泵送至第一板和第二板的第一水平边缘的装置。在一些实施例中，大于0°的角度是约30°到约75°。

[0011] 在一些实施例中，所述第一板和第二板的至少一个是透明的。在另一些实施例中，所述第一板和第二板由柔性材料（例如，聚乙烯）或刚性材料（例如，聚碳酸酯）制成。

[0012] 在一些实施方案中，所述生物反应器包括两个或更多个中间水平密封部（诸如2-100个中间水平密封部）。在具体实施例中，所述一个或多个中间水平密封部相对于底板或地面近似水平、相对于底板或地面向上成角度、或者相对于底板或地面向下成角度。在一些实施例中，所述生物反应器包括多个水平中间密封部，所述水平中间密封部可包括水平、向上成角度或向下成角度的密封部的任意组合（即，中间水平密封部不需要都相互平行或者都平行于底板或地面）。

[0013] 本公开内容包括含有所公开的生物反应器的模块化布置的实施方案，诸如相互邻近布置的多个竖向串联的腔室。在一些实施例中，模块化布置包括支承多个生物反应器的一个共同的结构化支承物（诸如至少一个水平支承物）。在另一些实施例中，所述模块化布置包括用于多个竖向串联的腔室的一个共同的贮存器。

[0014] 本公开内容还包括培养细胞的方法，该方法包括使细胞悬浮液在所公开的生物反应器中循环。在一些实施例中，所述细胞包括微藻类、大型藻类、细菌、真菌、昆虫细胞、植物细胞、动物细胞（诸如哺乳动物细胞）或植物或动物组织或器官。在具体实施例中，所述方法包括将生物反应器中的培养物暴露至光源（诸如日光或人造光源）。

[0015] 本公开内容的上述和其他特征将从下面的详细说明中变得更明了，下面的详细说明参照附图进行。

附图说明

[0016] 图1是本公开内容的一个示例的生物反应器的立视图。

[0017] 图2是本公开内容的一个示例的生物反应器的侧视图，所述示例的生物反应器具有在相对于竖向约0°以及相对于竖向大于0°的角度之间交替的腔室。

[0018] 图3是本公开内容的一个示例的生物反应器的一部分的立体图。

[0019] 图4是本公开内容的一个示例的生物反应器的侧视图，具有的所有腔室都定向为相对于竖向成大于0°的角度。

[0020] 图5A-5D是示出生物反应器的第一水平边缘、第二水平边缘、以及中间水平密封部中的开口的示例布局的示意图。图5A是示出蜿蜒布局（serpentine layout）的示意图。图5B是示出交替的中间位置开口和边缘位置开口的示意图。图5C是示出向上成角度的中间水平密封部的示意图。图5D是示出向下成角度的中间水平密封部的示意图。箭头表明流体流动的总体方向。

[0021] 图6是一个示例的模块化生物反应器装配的立视图。

[0022] 图7是示出微拟球藻（Nannochloropsis）培养物光密度和干重量(g/L)的相互关系的图表。

[0023] 图8是示出在多种不同的用于生物质生产的适应气候的生物反应器条件下的藻类生长的生长曲线的一对图表。所述条件被列出在表4中。

[0024] 图9是示出在具有表4列出的条件的用于生物质生产的适应气候的生物反应器中的培养物和一种对照培养物（温室中的搅拌瓶）的12天的平均干重量（g/L）的条形图。

[0025] 图10A和10B是对于两种不同的用于生物质生产的适应气候的生物反应器配置——初始（图10A）和重新配置的（图10B）——的停留时间（residence time）分布的一对图表，如实施例3中描述的。

具体实施方式

[0026] 此处公开的用于生物质生产的适应气候的生物反应器（ACClimatizedbioreactOR for biomass proDuctION，ACCORDION）系统提供了在闭合系统中的高效生物质生产，具有的优点是降低了构造成本和运行成本（例如，低成本材料以及降低的能量需求和水需求）、简单、模块化和灵活性。

[0027] 尽管此处描述的生物反应器和方法主要关于藻类培养（例如，微藻类的培养），但是在它们的多个实施方案中公开的生物反应器和方法也可适于其他光合细胞的培养，包括例如蓝藻细菌（cyanobacteria）。在另一些实施例中，生物反应器和方法也可适于其他细胞和/或有机体的培养，诸如真菌、细菌、病毒（诸如藻类、植物、细菌、或真菌病毒）、植物细胞或植物组织、以及哺乳动物细胞或组织。

[0028] 除非另外解释，此处使用的所有技术和科学术语都具有与本公开内容所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。单数词语“一（a）”、“一个（an）”、以及“该（the）”包括复数指称，除非本文本清楚表明其他含义。类似地，词语“或者”意为包括“和”，除非本文本清楚表明其他含义。尽管在实践或测试本公开内容时，可使用类似于或等同于此处所述的方法和材料的那些方法和材料，但下面仍描述合适的方法和材料。词语“包括”意为“包含”。此处提及的所有出版物、专利申请、专利、以及其他参考文献为了所有目的通过引用被整体纳入本文。如果出现矛盾，本说明书包括对术语的解释将处于支配地位。另外，材料、方法和实施例仅是示例性的，不意在限制。

[0029] I.多个实施方案的概述

[0030] 此处公开了包括沿竖向轴线串联布置的腔室的生物反应器，其中每个腔室都定向为相对于所述竖向轴线成一个角度，其中所述角度是约0°到90°。在一些实施方案中，所述腔室中的每个被定向为交替的角度，使得所述配置显示出折叠（例如，图2和4）。

[0031] 在一些实施方案中，生物反应器包括：

[0032] （a）第一板和第二板，其中所述第二板被部署为邻近于所述第一板，以及所述第一板和第二板沿着第一纵向边缘、第二纵向边缘、第一水平边缘以及第二水平边缘被密封，并包括所述第一水平边缘和所述第二水平边缘之间的至少一个中间水平密封部，由此沿竖向轴线形成串联的用于容纳流体的至少两个腔室，其中所述两个或更多个腔室中的每一个都被定向为相对于所述竖向轴线成一个角度，其中所述角度是约0°到约90°，所述腔室中的至少一个被定向为大于0°的角度，以及其中在所述第一水平边缘、所述第二水平边缘以及所述至少一个中间水平密封部的每一个中存在至少一个开口；

[0033] （b）一个支承结构，包括至少一个水平支承物，其中所述水平支承物位于所述中间水平密封部的位置处或附近；

[0034] （c）一个贮存器，位于所述第一板和所述第二板的第二水平边缘下方；以及[0035] （d）用于将流体从所述贮存器泵送至所述第一板和所述第二板的第一水平边缘的装置。

[0036] 在一些实施例中，所述第一板和所述第二板是柔性材料，诸如柔性塑料，例如塑料板。在具体实施例中，所述板是柔性聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚氨酯、高密度聚乙烯、或者聚丙烯酸酯。在一个具体实施例中，所述板是聚乙烯。在一些实施例中，所述板是约1密耳（mil）到约10密耳厚（诸如，约2到6密耳，或者3到5密耳）。在一个具体实施例中，所述板是3.5密耳厚的透明（clear）聚乙烯板（10英尺×25英尺，Husky,部件号RSHK3510-25C-U）。
在另一些实施例中，第一板和第二板是刚性材料。在具体实施例中，刚性材料是玻璃、树脂玻璃、聚碳酸脂、或者聚氯乙烯。在一些实施例中，刚性材料是塑料（诸如聚氯乙烯或聚碳酸酯），具有约0.5mm到约10mm的厚度（诸如约1到10mm或者2.5到7.5mm）。在另一些实施例中，刚性材料是玻璃，具有约1mm到约7.5cm的厚度（诸如约10mm到5cm或者约1cm到
5cm）。在其他一些实施例中，所述第一板和所述第二板是不同的材料。例如，所述第一板是柔性材料（例如，柔性聚乙烯或聚氯乙烯），所述第二板是刚性材料（例如，刚性聚氯乙烯或者聚碳酸酯），或者相反，所述第一板是刚性材料，所述第二板是柔性材料。

[0037] 所述第一板和所述第二板的尺寸被选定以生产具有预期尺寸的生物反应器。在一些实施例中，所述第一板和所述第二板的宽度（例如，从第一纵向边缘到第二纵向边缘）是约2.5cm到约300cm（例如，约5-250cm、10-200cm、25-100cm、20-75cm、或者30-60cm）。在一个具体实施例中，第一板和第二板的宽度是约45-55cm。所述板的材料、厚度、以及尺寸被选择，使得所述生物反应器在生物反应器运行时基本不变形（例如，下垂）或者爆裂。本领域技术人员可基于生物反应器在运行中的预期重量、支承结构的布置（下文讨论的）、以及腔室的尺寸来选择合适的材料。

[0038] 在其他一些实施例中，第一板和第二板中的至少一个是透明的。在一个具体实施例中，第一板和第二板都是透明的。透明板是一种允许选定波长的光（诸如约200到1000nm或者约400到700nm的光）通过的板。在一些实施例中，透明的第一板和/或第二板允许约200nm到1000nm的光通过。在一些非限制实施例中，第一板和第二板中的至少一个允许光合有效辐射（例如，约400-700nm之间的波长的光）通过该板。在另一些实施例中，第一板和第二板中的至少一个是半透明的或不透明的（诸如反射的）。本领域技术人员能够根据待要在生物反应器中培养的细胞，来选择用于第一板和/或第二板的合适材料和透明水平。

[0039] 在一些实施方案中，第一板和第二板被部署为彼此邻近。在一些实施方案中，第一板和第二板的纵向（长）边缘是闭合的或密封的，例如，沿着第一纵向边缘和沿着第二纵向边缘是闭合的或密封的。闭合或密封使得第一板和第二板之间的流体不能通过纵向边缘离开。在一个实施例中，第一板和第二板的纵向边缘使用热封被密封。在另一实施例中，所述第一板和第二板的纵向边缘使用粘合剂被密封。在一些实施方案中，所述第一板和第二板也沿着第一水平边缘（例如，“顶部”边缘）以及沿着第二水平边缘（例如，“底部”边缘）被密封。如下讨论的，第一水平边缘和第二水平边缘未被完全密封，并且包括至少一个开口。当沿着第一纵向边缘、第二纵向边缘、第一水平边缘、第二水平边缘被密封时，所述第一板和第二板形成一个扁平的管。所述第一板和第二板的纵向边缘的长度决定了本公开内容的生物反应器的竖向高度。在一些实施例中，所述第一板和第二板的长度是至少1米（诸如长度为约1、1.5、2、2.5、3、3.5米或更多）。在一些实施例中，所述第一板和第二板的长度是约1.5-3米，诸如长度为约2.5米。

[0040] 在另一些实施方案中，所述第一板和第二板由连续的柔性材料板制成。在一些实施例中，沿着一个中点折叠一个连续的材料板，使得折痕（fold）形成一个生物反应器的第一（或第二）水平边缘。折痕一侧上的材料形成第一板，折痕另一侧上的材料形成第二板，所述第二板被部署为邻近于所述第一板。所述纵向边缘被密封，以及所述开口的水平边缘被密封，形成第二（或第一）水平边缘。在第一水平边缘和第二水平边缘的每一个中形成至少一个开口，例如通过切割一个开口，或者不完全密封所述边缘。在另一些实施例中，沿中点折叠一个连续的材料板，使得折痕形成所述生物反应器的第一（或第二）纵向边缘。折痕一侧上的材料形成第一板，折痕另一侧上的材料形成第二板，所述第二板被部署为邻近于所述第一板。所述第二（或第一）纵向边缘被密封，以及所述开口的水平边缘被密封，形成第一和第二水平边缘。在第一水平边缘和第二水平边缘的每一个中形成至少一个开口，例如通过切割一个开口，或者不完全密封所述边缘。

[0041] 在一些实施例中，例如，当在最终形成的扁平管中存在空气和/或流体时，第一板和第二板之间的距离是约5mm到约30cm。在具体实施例中，当生物反应器处于运行时，第一板和第二板之间的距离是约1cm到约15cm（诸如约1到10cm、1到5cm、或者2到5cm）。在一个特定实施例中，当生物反应器处于运行时，第一板和第二板之间的距离是约10cm。

[0042] 在一些实施例中，第一板和第二板之间的距离从第一纵向边缘到第二纵向边缘不是恒定的（例如，当生物反应器处于运行时）。例如，第一板和第二板之间的距离可从第一纵向边缘到第一和第二纵向边缘之间的近似中途点增加，以及可从近似中途点到所述第二纵向边缘减少。类似地，在一些实施例中，当生物反应器处于运行时，第一板和第二板之间的距离从腔室的顶部到底部（例如，从第一水平边缘到一个中间水平密封部、从一个中间水平密封部到第二水平边缘、或者在两个中间水平密封部之间）不是恒定的。例如，第一板和第二板之间的距离可从第一水平边缘到一个中间水平密封部增加、或者从一个中间水平密封部到第二水平边缘增加、或者从一个中间水平密封部到下一中间水平密封部增加。

[0043] 所公开的生物反应器包括位于所述第一水平边缘和第二水平边缘之间的至少一个中间水平密封部，从而沿着竖向轴线形成串联的用于容纳流体的至少两个腔室。在一些实施例中，中间水平密封部是基本水平的，例如，基本平行于所述第一水平边缘和第二水平边缘。在另一些实施例中，所述中间水平密封部是成角度的，例如，从水平（例如，相对于第一水平边缘）向上成角度或向下成角度。在一些实施例中，所述角度是与水平成约30°到约160°。在另一些实施例中，所述生物反应器包括中间水平密封部的多个定向的组合（诸如，水平、向上成角度、向下成角度、或者它们的两个或更多个的任意组合）。如下讨论的，每一个中间水平密封部都包括允许两个腔室之间的空气和/或流体连通的至少一个开口。在一些实施例中，所述中间水平密封部（至少部分地）由来自外部结构的压力形成，所述外部结构诸如下面讨论的水平支承物。在另一些实施例中，所述中间水平密封部使用热封或粘合剂形成。

[0044] 在一些实施例中，生物反应器包括两个或更多个中间水平密封部（诸如2、3、4、5、6、7、8、9、10、或更多个中间水平密封部）。在另一些实施例中，生物反应器包括约2-100个中间水平密封部（诸如约5-100、5-75、5-50、10-60、20-80、或者10-50）。可使用任何数目的中间密封部来生产具有期望数目的用于容纳流体的腔室的生物反应器。中间密封部的数目和放置还可被选择以形成具有任何期望尺寸的腔室。例如，中间水平密封部可被放置在第一板和第二板中，使得腔室的长度（例如，从第一水平边缘到中间水平密封部、或者从中间水平密封部到第二水平边缘）为约2.5cm到约60cm（诸如约5-50、10-40、20-30、或者
30-50cm）。在一些实施例中，所述中间密封部被放置为使得所述腔室的长度为约30-40cm。
在另一些实施例中，所述中间水平密封部被放置为使得所述腔室的长度为约6cm。在一些实施例中，所述一个或多个中间水平密封部被放置为使得所形成的腔室不具有均匀尺寸。
在一个具体实施例中，被定向为相对于所述竖向轴线成大于0°的角度的腔室的长度为约
35cm，被定向为相对于所述竖向轴线成约0°的角度的腔室的长度为约30cm。

[0045] 在一些实施方案中，一个或多个中间水平密封部被放置为使得所形成的腔室的长度与宽度的比率（L/W比）为约1（例如，约0.8到1.2，诸如约0.9到1.1）。在一些实施例中，L/W比为约0.8、0.9、1.0、1.1、或者1.2。在另一些实施例中，L/W比大于约1，例如，为约1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、6、7、8、9、10、或者更大。在再一些实施例中，L/W比小于约1，例如，为约0.9、0.8、0.7、0.6、0.5或更小。

[0046] 在一些实施方案中，生物反应器的表面积和体积被选择以维持表面积与体积的比率为正（positive）。在具体的实施例中，生物反应器具有的总表面积与体积的比率为约12:1至约424:1。表面积是第一板和第二板的总表面积（每一个板的总长度乘以总宽度的乘积之和）。总体积是被容纳在所有隔室中的总液体体积（除了贮存器中保留的体积）。

[0047] 所述腔室被定向为相对于竖向轴线成一个角度，诸如约0°到约90°。生物反应器的腔室中的至少一个被定向为相对于所述竖向轴线成大于0°的角度。在一些实施例中，所述角度为约30°到约75°，或者约45°到约65°。在另一些实施例中，所述角度为约5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°、或者90°。对于生物反应器中的每一个腔室的角度可以是独立选择且是可调整的，使得所述角度可对于具体的生长条件（诸如光条件或者待培养的细胞类型）而被优化。
在一些实施例中，所述腔室中的至少一个被定向为相对于所述竖向轴线成约0°的角度。在一个具体实施例中，生物反应器具有的配置使得所述腔室在一个相对于所述竖向轴线成约
0°定向的腔室和一个相对于所述竖向轴线成大于0°的角度定向的腔室之间交替（例如，图2和3）。在另一些实施例中，所述腔室中都未被定向为相对于所述竖向轴线成约0°的角度（例如，所有腔室都被定向为相对于所述竖向轴线成大于0°的角度，例如图4）。如此处所述，“相对于所述竖向轴线成约0°的角度”不要求所述腔室绝对竖向。从而，例如，相对于所述竖向轴线成约0°的角度是其中所述腔室基本竖向的角度。在一些实施例中，所述角度可以达到相对于竖向成约2°（例如，相对于竖向轴线成约0.1°、0.2°、0.3°、0.4°、
0.5°、0.6°、0.7°、0.8°、0.9°、1.0°、1.1°、1.2°、1.3°、1.4°、1.5°、1.6°、
1.7°、1.8°、1.9°、或者2°，例如图4）。如此处所述，“约0°的角度”被认为是相对于所述竖向轴线为约0°或者基本竖向。

[0048] 所公开的生物反应器包括在第一水平边缘（“顶部”边缘）、至少一个中间水平密封部、以及第二水平边缘（“底部”边缘）中存在至少一个开口。所述开口允许流体流过生物反应器。

[0049] 在一些实施方案中，第一水平边缘和第二水平边缘的每一个中的开口具有的尺寸足以允许流体（诸如，藻类培养物）进入第一板和第二板之间的空间（例如，通过第一水平边缘中的开口），以及离开第一板和第二板之间的空间（例如，通过第二水平边缘中的开口）。在一些实施例中，所述开口是至少1cm宽（例如，1cm、1.5cm、2cm、2.5cm、或者更大）。在一个具体实施例中，第一水平边缘和/或第二水平边缘中的开口是约2.5cm宽。在另一个实施例中，第一水平边缘和/或第二水平边缘中的开口是约5cm宽。在另一些实施例中，开口的尺寸是腔室的宽度的约1%-25%（诸如约5%-25%、1%-15%、或者5%-15%）。在一些实施例中，所述第一边缘和/或第二边缘包括两个或更多个开口。在另一些实施例中，所述第一水平边缘和第二水平边缘中的开口的尺寸和/或数目不相同。例如，第一水平边缘可具有两个开口，第二水平边缘可具有一个开口。

[0050] 所述至少一个中间水平密封部还包括至少一个开口，允许流体沿着竖向轴线从一个腔室流到下一个腔室。在一些实施例中，所述开口是至少1cm宽（例如，1cm、1.5cm、2cm、2.5cm、或更大）。在一个具体实施例中，中间水平密封部中的一个开口是约2.5cm宽。在另一个实施例中，中间水平密封部中的一个开口是约5cm宽。在另一些实施例中，所述开口的尺寸是所述腔室的宽度的约1%-25%（诸如约5%-25%、1%-15%、或者5%-15%）。在一些实施例中，中间水平密封部包括两个或更多个开口。在包括两个或更多个中间水平密封部的实施方案中，每个中间水平密封部中的开口的尺寸和/或数目可能不相同。例如，一个中间水平密封部可具有两个开口，另一个中间水平密封部可具有一个开口。

[0051] 本领域技术人员可选择合适的开口尺寸（例如，在第一水平边缘、第二水平边缘、和/或中间水平密封部的一个或多个中），例如，考虑当反应器运行时的流率（flow rate）。例如，如果使用较高的流率，则可选择较大的开口，以允许足够大的流通过整个系统的流量。同样，如果使用较低的流率，则可选择较小的开口。

[0052] 在一些实施方案中，第一水平边缘、一个或多个中间水平密封部和/或第二水平边缘中的开口在竖向轴线上并未相互对准。例如，腔室的顶部边缘中的开口在竖向轴线上并未与所述腔室的底部边缘（其也是竖向串联的下一腔室的顶部边缘）中的开口直接对准。在一个实施例中，中间水平密封部中的开口不与第一水平边缘中的开口对准。在另一实施例中，中间密封部中的开口不与第二水平边缘中的开口对准。在另一些实施方案中，至少两个连贯的开口（例如，在第一水平边缘、一个或多个中间水平密封部、以及第二水平边缘中）在竖向轴线上对准。在一些实施例中，所有开口都在竖向轴线上对准，而在另一些实施例中，至少两个连贯的开口在竖向轴线上对准。

[0053] 在一个实施方案中，所述开口在邻近于第一纵向边缘和邻近于第二纵向边缘之间交替，例如，产生“蜿蜒”布局的开口（例如，图5A、5C和5D）。在一个具体实施例中，第一水平边缘中的开口邻近（或靠近）第一纵向边缘，中间水平密封部中的开口邻近（或靠近）第二纵向边缘，第二水平边缘中的开口邻近（或靠近）第一纵向边缘。在另一具体实施例中，第一水平边缘中的开口邻近（或靠近）第二纵向边缘，中间水平密封部中的开口邻近（或靠近）第一纵向边缘，第二水平边缘中的开口邻近（或靠近）第二纵向边缘。本领域技术人员可很容易将这种样式适配至包括不止一个中间水平密封部的生物反应器。

[0054] 在另一实施方案中，所述开口在位于邻近（或靠近）所述纵向边缘的一个或两个以及位于所述纵向边缘之间的位置之间交替（例如，图5B）。在一个具体实施例中，所述开口在位于邻近（或靠近）所述纵向边缘的一个或两个以及位于所述纵向边缘之间的近似中途的位置之间交替。在一个具体实施例中，所述第一水平边缘包括位于邻近（或靠近）所述纵向边缘的每一个的开口，所述中间水平密封部包括位于或靠近所述纵向边缘之间的近似中途的开口，所述第二水平边缘包括邻近（或靠近）所述纵向边缘的每一个的开口。在一个具体实施例中，所述开口在位于邻近（或靠近）所述纵向边缘的一个或两个以及位于所述纵向边缘之间的近似中途的位置之间交替。在另一实施例中，所述第一水平边缘包括位于或靠近所述纵向边缘之间的近似中途的开口，所述中间水平密封部包括位于邻近（或靠近）所述纵向边缘的每一个的开口，以及所述第二水平边缘包括位于或靠近所述纵向边缘之间的近似中途的开口。本领域技术人员可很容易将这种样式适配至包括不止一个中间水平密封部的生物反应器。

[0055] 所述开口的尺寸、数目和布局被选定，以产生适合生物反应器中生长期望的有机体、细胞、或组织的流体力学条件。流体力学条件可由本领域技术人员众所周知的参数表征，诸如分散数（dispersion number）、停留时间、以及雷诺数。参见例如Cuello and Ono,Fermentation Residence Time Distributions,In Encyclopedia of Agricultural,Food and Biological Engineering,Marcel Dekker Inc.,New York,2003。在一些实施例中，停留时间是约10到600秒（诸如约20-500秒、约30-250秒、或约40-150秒）。在具体实施例中，停留时间是约40-50秒或者约125-140秒。在其他实施例中，容器分散数（vessel dispersion number）是约0.005到约1000（诸如约0.010-500、约0.050-100、或者约0.100到50）。在具体实施例中，容器分散数是约0.100到0.250。在其他一些实施例中，博登斯坦数（Bodenstein number）是约0.001到200（例如，约0.010到100、约0.050到20、或者约0.100到10）。在特定实施例中，博登斯坦数是约4到8。在另一些实施例中，雷诺数是约300-4000(诸如约300-3000、约400-2000、或者约400-1000)。在具体实施例中，雷诺数是约450到900。

[0056] 此处公开的生物反应器还包括一个如下的支承结构，该支承结构保持住第一板和第二板并且提供允许所述腔室相对于竖向轴线成角度的支承物。在一些实施方案中，支承结构包括位于所述水平中间密封部的水平高度处或附近的至少一个水平支承物。在一个实施例中，水平支承物被放置正好在每个水平中间密封部的水平高度的上方。在另一实施例中，一个水平支承物被放置在与每一个中间水平密封部大约相同的水平高度。在其他一些实施例中，一个水平支承物被放置正好在每个中间水平密封部的水平高度的下方。在一些实施例中，当生物反应器包括不止一个水平支承物时，每个水平支承物可被放置在相对于每个中间水平密封部的不同位置。例如，一个水平支承物可被放置在与中间水平密封部大约相同的水平高度，另一个水平支承物可被放置正好在另一中间水平密封部的水平高度的上方。在一些实施例中，所述至少一个水平支承物是约10cm至约10m长（诸如约20cm至5m、50cm至2.5m、或者约1m）。在另一些实施例中，水平支承物的长度可以为10m以上（例如，10、25、30、25、30、40、50、60、70、80、90、100m、或者更大），只要材料具有足够的强度来支承腔室而没有显著的弯曲或下垂。本领域技术人员可根据待要支承的预期长度和重量选择合适的材料（例如金属或塑料）。

[0057] 在一个具体实施例中，生物反应器包括竖向支承物（例如，四个竖向支承物，诸如在正方形或矩形布置中），以及连接在两个竖向支承物之间的水平支承物（例如，一个或多个水平支承物延伸在所述竖向支承物的两个之间，以及一个或多个水平支承物延伸在另外两个竖向支承物之间）。在一些实施例中，取决于水平支承物的长度，所述支承结构可包括一个或多个中间竖向支承物。本领域技术人员可基于生物反应器的尺寸和布置来选择竖向支承物和水平支承物的数目和布置。

[0058] 在一个具体实施例中，水平支承物延伸在形成一个矩形的长边的两个竖向支承物之间。在一些实施例中，至少一个水平支承物延伸在所述矩形的“前”长边之间，至少一个水平支承物延伸在所述矩形的“后”长边之间。所述支承结构被组织为使得水平支承物可在水平轴线上相互偏置。例如，所述水平支承物可在前竖向支承物和后竖向支承物之间交替，例如从顶部到底部。

[0059] 由所述第一板和第二板形成的腔室被部署在水平支承物上方或下方，使得每个腔室近似竖向（相对于竖向轴线0°）或者相对于所述竖向轴线成一个角度（例如从大于约0°到90°）。水平支承物和竖向支承物是可调整的，使得形成的腔室的角度可被简单和轻易改变。本领域技术人员可选择合适的支承结构。在一些实施例中，利用商业的架子单元（rack unit）。在另一些实施例中，支承结构由轻易可获取的材料构造，诸如聚氯乙烯管或杆、金属条或杆、或者木条或杆。在一些实施例中，支承结构是约1-4米高。在另一些实施例中，支承结构的高度是至少1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5米、或者更大。在一个具体的非限制实施例中，支承结构是具有钢水平梁（诸如Edsal型号ER96）的焊接钢框架的架子（诸如Edsal型号ER2496）。

[0060] 此处公开的生物反应器还包括在第一板和第二板的第二水平边缘下方的一个贮存器或收集区域（诸如水池或容器）。所述贮存器被定位为使得生物反应器中的流体从第二水平边缘中的至少一个开口流入所述贮存器。在一些实施方案中，所述贮存器被定位为使得流体从由第一板和第二板构成的单组腔室流入所述贮存器。在另一些实施方案中，所述收集区域被定位为使得流体从由两组或更多组的第一板和第二板构成的两组或更多组腔室流入所述贮存器（例如一个模块化的生物反应器系统，如下讨论的）。在一些实施例中，所述贮存器的体积等于由第一板和第二板构成的腔室的组合体积的至少50%（诸如至少55%、60%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、99%或者甚至100%）。在一些实施例中，贮存器的体积至少等于系统的腔室和任何管系统的总体积。贮存器的形状可由本领域技术人员选择，并且可包括任何形状（例如，收集区域可以是正方形、矩形、圆形、六边形或任何方便的形状）。

[0061] 所公开的生物反应器还包括用于将流体（例如，营养溶液和/或细胞悬浮液）从贮存器泵送至第一水平边缘中的开口的装置，例如泵或其他水移置构件（water displacement member）。在一些实施例中，泵或移置构件包括气升泵、轴流泵、离心泵、螺杆泵、旋浆泵（propeller pump）、或正排量泵。在一些实施例中，泵或移置构件是潜水泵。在一些实施方案中，泵将流体和/或培养物返回至第一板和第二板的第一水平边缘。在另一些实施方案中，泵将流体和/或培养物返回至两组或更多组的第一和第二水平板的第一水平边缘（例如，在模块化的生物反应器中）。在一些实施例中，泵装置通过管或管道将流体返回至第一水平边缘。在一些实施例中，流体通过柔性管道（诸如聚乙烯管道、橡胶管道、管道、或者聚四氟乙烯管道）返回。在另一些实施例中，流体通过一个管（诸如聚氯乙烯或其他刚性的管材料）返回。本领域技术人员可选择合适的材料。管道（或管）可具有足以支承所述系统的流率的任何直径，并且可由本领域技术人员选择。在一些实施例中，管道或管具有约0.5cm到20cm的直径（例如，约0.5cm到10cm、约1cm到15cm、或者约1cm到5cm）。在一个具体实施例中，所述流体通过约0.5到1cm直径的管
道返回。

[0062] 在一些实施方案中，生物反应器还包括至少一个传送设备用于向培养物提供二氧化碳、空气、其他气体和/或营养物。在一些实施例中，所述至少一个传送设备被放置在贮存器中。在另一些实施例中，用于向培养物提供气体和/或营养物的传送设备被放置在由所述至少一个中间水平密封部形成的腔室的一个或多个中。在一些实施例中，气体被喷射到所述腔室的一个或多个中。在一个实施例中，气体喷射被包括在所有的腔室中。在一些实施例中，所述传送设备包括一个或多个二氧化碳扩散器。在另一些实施例中，所述传送设备包括一个或多个管，用于传送营养物，例如如下溶液：包括盐（诸如KNO3、K2HPO4、CaCl2、MgSO4、CoCl2、H3BO3、MnCl2、ZnSO4、CuSO4、Na2MoO4、H2SO4或柠檬酸中的一个或多个）或其他有益的营养物。在一个实施例中，在所述贮存器中包括二氧化碳和/或空气传送设备。本领域技术人员可基于用于生物质生产的适应气候的生物反应器中所存在的有机体、细胞、或组织来选择合适的气体和/或营养物以及它们的浓度。

[0063] 此处公开的生物反应器的附加实施方案不包括贮存器。在这样的实施方案中，利用泵或其他水移置构件，所述培养物通过一个导管（诸如上述的管或管道）直接从第二水平边缘中的开口再循环到第一水平边缘中的开口。在不存在贮存器的情况下，用于提供气体和/或营养物的至少一个传送设备被放置在所述腔室的一个或多个中。在该实施方案中，所述营养物可连续再循环或可被容纳在所述腔室中。

[0064] 在一些实施方案中，可选地包括一个或多个传感器。在一些实施例中，包括有传感器和仪器，以监测藻类培养物、环境、或者这二者的一个或多个参数。可被监测的培养物参数包括水温、电导率、pH、二氧化碳、溶解氧、光密度（例如，藻类密度）、离子浓度（例如，钙浓度）以及流率。可被监测的环境参数包括空气温度、相对湿度、太阳辐射、光合有效辐射以及风速。用于测量培养物参数的传感器被放置在系统中的一个或多个位置，例如，至少一个传感器被放置在所述贮存器中。本领域技术人员可为传感器选择合适的数目和位置以获得任何具体参数。用于监测环境参数的一个或多个传感器被放置在生物反应器的邻近处，诸如在生物反应器的至少50米内。

[0065] 在另外的实施方案中，所公开的生物反应器包括用于调节生物反应器中的培养物的温度的装置。在一些实施方案中，生物反应器包括可用于调节培养物的温度的加热套或冷却套（例如，集成在所述第一板和第二板之一中）。调节生物反应器的温度的装置对于本领域技术人员是众所周知的，并且包括热交换器，诸如通过使经加热或冷却的液体循环经过一个套从而保持恒定的选择的温度。在一些实施例中，第三透明材料板（诸如柔性塑料板）被放置在所述第一板和第二板的一个或两个上方，形成流体（例如，预期温度的水）再循环经过的第二层。所述层和所述流体的厚度被选择，使得光在通过所述第二层到达所述第一板和第二板之间的空间时没有显著减少。在另一些实施例中，温度调节通过如下方式实现，即，将反应器腔室的外表面喷洒流体（诸如水），形成蒸发冷却。在再一些实施例中，温度调节装置，诸如盘管或管热交换器被插入所述贮存器以调节温度。散热设备（heat sink）或热传递翅片可被插入贮存器的壁中，以被动增加与周围空气的热交换。在一些实施例中，用于加热套或热交换器的热是废热（waste heat），例如来自生物气制造系统、太阳能电池废热单元、发电厂、地热源、或位于系统附近的工业工厂。在另一些实施例中，从温水提供用于加热管的热。在再一些实施例中，温度调节设备包括至少一个冷却管，诸如用于使冷水循环的管。

[0066] 所公开的生物反应器可被布置为模块化形式。例如，可使用一个共同的结构支承物（例如至少一个水平支承物）来支承上述的多个竖向串联的腔室。图6示出了具有三个竖向串联的腔室的一个示例的模块化系统。本领域技术人员可基于培养物的生产的期望水平、腔室的尺寸、以及支承结构的尺寸来选择竖向串联的腔室的数目。在一些非限制实施例中，竖向串联的腔室的数目是1个或更多个（诸如2、3、4、5、6、7、8、9、10，或者更多）。在另一些非限制实施例中，竖向串联的腔室的数目是2-50个（诸如5-30个或10-20个）。在具体实施例中，模块化系统包括至少四个竖向支承物（例如，在矩形配置中）以及延伸在所述竖向支承物的两个之间的至少一个水平支承物。多个竖向串联的腔室可被相同的水平支承物支承。

[0067] 在一些实施例中，包括两个或更多个竖向串联的腔室的系统共享一个共同的贮存器、一个或多个泵，和/或用于向培养物提供二氧化碳、空气、其他气体和/或营养物的一个或多个传送设备。在另一些实施例中，竖向串联的腔室中的每一个具有一个分立的贮存器、泵，以及可选地用于向培养物提供二氧化碳、空气、其他气体和/或营养物的一个传送设备。

[0068] II.具体实施方案的描述

[0069] 在此处提供和下文描述的附图中，应理解附图仅是示例性的，并未必按比例示出。本领域技术人员利用本公开内容可调整此处描述的特征中的任一个（例如，所述板的长度和/或宽度、开口的尺寸、腔室的尺寸、角度、结构支承物的尺寸等）。

[0070] 图1是本公开内容的生物反应器100的示例实施方案的立视图。该生物反应器包括第一板110，该第一板部署为邻近于第二板（未示出），所述第一板和第二板沿着第一纵向边缘120和第二纵向边缘125被密封。第一板110和第二板115还沿着第一水平边缘130和第二水平边缘135被密封，并且在第一水平边缘130和第二水平边缘135之间还具有至少一个中间水平密封部140。中间水平密封部140形成能够容纳流体的至少两个腔室150。所述腔室沿着竖向轴线155串联，其中所述至少两个腔室150中的每一个都被定向为相对于所述竖向轴线成0°到90°的角度，以及所述腔室150a中的至少一个被定向为相对于所述竖向轴线成大于0°的角度。在第一水平边缘130、第二水平边缘135以及至少一个中间水平密封部140的每一个中都存在至少一个开口160，例如以允许流体流过所述腔室。生物反应器100还包括一个支承结构，该支承结构包括位于所述至少一个中间水平密封部140处或附近的至少一个水平支承物170。生物反应器100还包括位于所述第二水平边缘135下方的贮存器180，和用于将流体从贮存器180泵送至第一水平边缘130中的开口160的装置，例如，泵190和导管195。箭头表明流体流动的方向。

[0071] 图2是本公开内容的生物反应器200的一个示例实施方案的侧视图。第一板210被部署为邻近于第二板215。如该视图中示出的，水平支承物220中的至少一些在水平轴线225上偏置，以相对于所述竖向轴线240成一个角度235来支承所述腔室230。角度（235a、
235b、235c以及235d）中的每一个可以不同，或者两个或更多个可以相同（例如，235b和
235c可以相同）。贮存器250包括泵装置260和导管265（例如，管道）以使流体返回至顶部腔室230a。在该实施方案中，贮存器250还包括用于将气体和/或营养物引入贮存器250的至少一个入口管线270。

[0072] 图3是本公开内容的一个示例的生物反应器300的一部分的立体图，示出腔室310相对于竖向轴线320的布置。

[0073] 图4是本公开内容的生物反应器的一个示例实施方案的腔室的布置的侧视图。腔室410的每一个都被定向为相对于竖向轴线420成大于0°的角度415。角度（415a、415b、415c以及415d）可以不同，或者两个或更多个（或者全部）可以相同。

[0074] 图5A至5D是所公开的生物反应器的腔室中的开口的示例图样的平面立视图。在图5A中，第一水平边缘520、第二水平边缘525以及中间水平密封部530中的开口510在邻近于第一纵向边缘540和第二纵向边缘545之间交替。在图5B中，第一水平边缘520具有两个开口510，一个邻近于第一纵向边缘540，一个邻近于第二纵向边缘545。中间水平密封部530具有近似位于所述中间水平密封部530的中心的一个开口510。第二水平边缘525具有两个开口510，一个邻近于第一纵向边缘540，一个邻近于第二纵向边缘545。在图
5C中，中间水平密封部530相对于第一水平边缘520向上成角度。在图5D中，中间水平密封部530相对于第一水平边缘520向下成角度。箭头表明生物反应器中的流体流动的大体方向。

[0075] 图6是示出一个公开的生物反应器的示例模块化布置的立视图。水平支承物610可支持多个用于生物质生产的适应气候的生物反应器620。在一个示例实施方案中，每个生物反应器620包括一个单独的贮存器630。然而，在其他实施方案中，系统可包括用于多个生物反应器的单个贮存器。

[0076] III.在用于生物质生产的适应气候的生物反应器中培养细胞的方法

[0077] 此处公开了在利用上述用于生物质生产的适应气候的生物反应器的实施方案的生物反应器中培养细胞的方法。

[0078] 在一个实施方案中，所述方法包括使细胞悬浮液在本公开内容的生物反应器的营养液中循环的方法。在另一实施方案中，所述方法包括使流体（诸如，营养液）在本公开内容的生物反应器中循环，其中生物反应器的腔室中的一个或多个包括培养中的细胞或组织。所述方法包括对感兴趣的细胞和/或有机体的分批培养和连续培养。

[0079] 在一些实施方案中，培养物和/或流体从位于第一板和第二板的第二水平边缘下方的贮存器循环至所述第一板和第二板的第一水平边缘。所述培养物和/或流体靠重力流动向下流过由中间水平密封部形成的串联腔室。所述培养物和/或流体通过第一板和第二板的第二水平边缘中的开口返回至贮存器。所述培养物和/或流体借助一个或多个泵或移置构件从所述贮存器传输至所述第一水平边缘。在一些实施例中，所述泵是放置在所述贮存器中的潜水泵。在另一些实施例中，例如在不包括贮存器的用于生物质生产的适应气候的生物反应器的实施方案中，所述培养物和/或流体从第二水平边缘中的开口循环到第一水平边缘中的开口。

[0080] 在一些实施例中，所述泵提供约5到70升每分钟的流率（诸如约5至50升/分钟、10至70升/分钟、15至50升/分钟）。在一个具体实施例中，所述泵在最前面的8英尺处提供约14升/分钟的流率。可添加额外的泵来增大流率，例如增大至约28升/分钟或约42升/分钟。或者，可使用一个调节器阀或可变驱动泵来调节流率。所述培养物和/或流体通过导管或管从贮存器（或者从第二水平边缘）传输至第一水平边缘。在一个具体的实施例中，所述导管是管道，诸如柔性管道（例如，聚乙烯管道、橡胶管道、管道或管道）。

[0081] 在一些实施方案中，所述方法包括改变流率以调整流体力学条件。例如，均质流（homogeneous flow）通过低流速形成。在一些实施例中，均质流通过低流速结合均匀流（uniform flow）（例如，两个或更多个连贯的开口在竖向轴线上对准）和/或限制性混合的条件形成。在其他一些实施例中，非均质流（heterogeneous flow）通过高流速形成。在一些实施例中，非均质流通过高流速结合无秩序流（chaotic flow）（例如，蜿蜒的或交替图样的开口）和/或高度混合的条件形成。本领域技术人员可为公开的生物反应器选择一个流率来形成期望的流动和流体动力学条件。

[0082] 在一些实施方案中，所述方法包括将所述生物反应器和所述生物反应器中的培养物都暴露至光源，例如用于培养光合细胞，诸如藻类。在一些实施例中，所述光源是自然日光。例如，生物反应器可被放到户外或者到温室中，在户外或者到温室中生物反应器被暴露至自然日光。在该实施例中，培养物被暴露至自然光周期/黑暗周期，该自然光周期/黑暗周期的长度根据纬度和季节变化。在另一些实施例中，生物反应器和培养物被暴露至人造光源（例如，白炽灯、荧光灯、或卤素灯、或发光二极管）。如果光源是人造光源，则该方法可包括光和黑暗的交替时段。在一个实施例中，所述生物反应器被暴露至光长达24小时周期中的12小时。

[0083] 在一些实施例中，选择所述光源（诸如，人造光源）的波长，以促进生物反应器中培养中的有机体或细胞类型的最佳生长。在一些实施例中，光源的波长包括光合有效辐射（例如，光的波长在约400-700nm之间）。在另一些实施例中，选择所述光源的波长以引起或增加培养中的有机体或细胞对于具体感兴趣的一个或多个化合物的合成。例如，花青素的合成由UV-B光（诸如，约280-300nm）引起。本领域技术人员可选择合适的光或波长用于感兴趣的细胞的培养和/或感兴趣的化合物的生产，例如用于最大化细胞生长或生产。

[0084] 在一些实施例中，选择所述生物反应器的腔室中的一个或多个相对于竖向轴线的角度，以最优化将所述腔室（以及其中的培养物）暴露至入射光。在一些实施例中，选择所述腔室中的一个或多个的角度，使得至少一个腔室的辐照度（irradiance）是约80到2
500μmol/ms。基于生物反应器中培养中的细胞或有机体，本领域技术人员可选择合适的
2
辐照度范围。在一些实施例中，如果培养中的是微藻类，则选择约80-250μmol/ms的辐照
2
度。在另一些实施例中，如果培养中的是植物细胞或植物组织，则选择约300-400μmol/ms的辐照度。在一些实施例中（例如，如果生物反应器被暴露至自然日光），实现选定的辐照度所需的角度可随时间变化。可调整所述生物反应器（例如，通过移动一个或多个水平支承物），从而改变所述腔室中一个或多个的角度以实现或保持选定的辐照度水平。在一些实施例中，这是通过手动调整所述生物反应器实现的。在另一些实施例中，自动系统被用来周期性地或持续地调整所述腔室中一个或多个的角度以实现或保持所选定的辐照度。

[0085] 在一些实施例中，所述方法包括调节所述培养物的温度。用于温度调节的装置是本领域技术人员众所周知的。在一个实施例中，所述生物反应器位于如下一个封闭区域（诸如，温室）中，该封闭区域被加热或冷却以保持选定的温度或温度范围。在另一些实施例中，可通过在所述贮存器和/或所述生物反应器腔室中或周围的温度调节设备来调节所述培养物的温度。这样的设备包括加热套或冷却套或热交换器（如上文第I部分讨论的）。在具体实施例中，在夜间提供热，以将培养物的温度维持在用于培养物生长的最佳范围内。在另一些实施例中，在白天提供冷却（尤其在具有高太阳辐射的白天或季节的时间），以将培养物的温度保持在最佳范围内。本领域技术人员可为培养中的具体细胞或有机体选择合适的温度范围，并且确定用于加热或冷却来保持选定的温度范围的需要。

[0086] 在一些实施方案中，所述方法还包括收获培养物。可在达到选定参数时收获所述培养物，所述选定参数例如为时间点（例如，培养至少约24、36、48、72、96或更多小时）、细胞3 4 5 6
密度（例如，至少约每毫升10、10、10、10 或更多细胞），或者培养物的光密度（例如，在选定波长处的吸光率（absorbance）为至少约0.5、1.0、1.5、2、2.5或更大）。基于培养中的有机体或细胞类型，本领域技术人员可选择用于培养物收获的合适参数或时间点。

[0087] 用于收获细胞的方法是本领域技术人员众所周知的。在一些实施例中，全部培养物都被收获。在另一些实施例中，保留所述培养物的一部分（例如，在贮存器中）用作继续培养物生产的培养液（inoculum）。例如，培养物被存储用作培养液，接下来向生物反应器添加水来开始新一批培养。在一些实施例中，存储用于培养液用途的培养物是约100ml到约100升（诸如，约1-50升、10-75升、25-75升或者约50升）。在另一些实施例中，培养物的一部分被保留用于新培养物的培植，例如总收获的培养物体积的约10%-50%（诸如，总收获的培养物体积的约10%-40%、10%-35%、20%-50%、20%-40%、30%-35%或者约33%）。用作培养液所需要的培养物的体积或百分比可由本领域技术人员确定，例如，基于培养中的细胞或有机体、收获时的培养物的密度，以及将被注有的水的总体积。

[0088] 此处公开的生物反应器和方法适于培养各种各样的有机体或细胞，包括但不限于藻类（诸如，微藻类和/或大型藻类）。在一些实施例中，藻类物种包括但不限于小球藻(Chlorella)（诸如，普通小球藻(Chlorella vulgaris)）、衣藻(Chlamydomonas)（诸如，莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)）、角毛藻(Chaetoceros)、螺旋藻(Spirulina)（诸如，钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)）、杜氏藻(Dunaliella)，以及紫球藻(Porphyridum)。在具体实施例中，藻类物种包括用于生产生物燃料或其他化合物（诸如，多元不饱和酸、颜料、或植物化学物质，例如用于营养补充）的藻类。在一些实施例中，藻类包括纤维藻属(Akistrodesmus)、节旋藻属(Arthrospira)、布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)、小球藻（诸如，小球藻属或原始小球藻(Chlorella protothecoides)）、隐甲藻(Crypthecodinium)（诸如，寇氏隐甲藻(Crypthecodinium cohnii)）、小环澡属(Cyclotella)、杜氏藻(Dunaliella tertiolecta)、江蓠属(Gracilaria)、菱板藻属(Hantzschia)、红球藻(Haematococcus)（诸如，雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)）、微绿球藻(Nannochloris)、微拟球藻(Nannochloropsis)、富油新绿藻(Neochloris oleoabundans)、菱形藻（Nitzschia）、褐指藻(Phaeodactylum)、颗石藻(Pleurochrysis carterae)（也称为CCMP647）、紫球藻(Porphyridium)、马尾藻(Sargassum)、栅藻(Scenedesmus)（诸如，斜生栅藻）、裂殖壶菌属（Schiochytrium）、裂丝藻属(Stichococcus)、浮游生物(Tetraselmis suecica)、假微型海链藻(Thalassiosira pseudonana)、破囊壶菌(Thraustochytrium roseum)和吾肯氏壶藻属(Ulkenia sp.)。在一个实施例中，藻类物种是布朗葡萄藻。

[0089] 此处公开的生物反应器和方法还适用于培养可在悬浮液中生长的任何细胞，包括但不限于微藻类（如上所述）、大型藻类、细菌（例如，大肠杆菌、枯草杆菌或棒状杆菌）、真菌（例如，酿酒酵母、乳酸克鲁维酵母或巴斯德毕赤酵母）、昆虫细胞（例如，草地贪夜蛾细胞TM（诸如，Sf9或Sf21细胞）或者粉纹夜蛾细胞（诸如，High Five 细胞））、植物细胞（诸如，拟南芥细胞、烟草细胞或紫杉细胞）、或者哺乳动物细胞（诸如，中国仓鼠卵巢（CHO）细胞）。在一个实施例中，此处公开的生物反应器和方法用于培养藻类，以生产用于生物燃料的合成的脂肪酸。在另一些实施例中，此处公开的生物反应器和方法用于培养生产其他自然产品（诸如，紫杉醇、颜料或膳食补充物）或重组蛋白质的细胞。

[0090] 此处公开的生物反应器和方法还可用于组织或器官（诸如，动物或植物组织或器官培养物）的培养。在一个实施例中，此处公开的生物反应器和方法用于毛状根培养物（例如，人参、紫草、埃及莨菪或颠茄）。在另外的实施例中，此处公开的生物反应器和方法可用于培养植物组织、植物器官、或植物体细胞胚。在另外的实施例中，此处公开的生物反应器和方法可用于培养哺乳动物器官或哺乳动物组织。在一些实施例中，组织或器官在生物反应器的一个或多个腔室中是静止的，营养溶液流过隔室，浸没或浸泡所述组织或器官。

[0091] 通过下面的非限制实施例示出本公开文本。

[0092] 实施例

[0093] 实施例1

[0094] 藻类培养

[0095] 本实施例描述了对于在光生物反应器试验中利用的藻类的藻种（algae strains）和实验室培养条件。

[0096] 布朗葡萄藻种UTEX 572获得自德克萨斯大学的培养物保藏(奥斯汀,德克萨斯州)。布朗葡萄藻是一种在文献中因其高含量的长链烃而出名的单细胞绿藻种类。所述种在利用过滤蒸馏水制备的pH 7.5的改性的Chu 13培养基（表1）中的无菌条件下生长。在制备之后，培养基通过在121℃时灭菌保持25分钟被高压灭菌。实验室培
2
养物被保持在500ml烧瓶中，受到来自冷白荧光灯的150-200μmol/ms的照射。培养物每天接收12小时的照射。持续向培养物供应富含5%CO2的空气。通过使用磁搅拌器，使培养物烧瓶保持持续混合。健康的细胞每7-10天收获一次，并且被重新悬浮在新的培养基中。

[0097] 表1Chu 13培养基配方

[0098]化合物 mg/L
KNO3 371
MgSO4-7H2O 200
CaCl2-2H2O 107
C6H8O7 100
K2HPO4 80
Fe(C6H5O7)-5H2O 20

[0099]化合物 mg/L
H3BO3 2.86
MnCl-4H2O 1.81
Na2MoO4-2H2O 0.39
ZnSO4-7H2O 0.22
CuSO4-5H2O 0.08
Co(NO3)2-6H2O 0.05

[0100] 所有的布朗葡萄藻光生物反应器试验（例如，实施例3）也用相同的改性的Chu 13培养基进行。光生物反应器并不保持在无菌条件下，而是例行清洁和消毒。所有的光生物反应器试验测试都注有已经在实验室中无菌条件下成长好的新鲜藻类培养物。所有的光生物反应器试验都是使用相同的富集5%CO2的空气供应执行的。

[0101] 也使用微拟球藻执行试验，所述微拟球藻是绿藻的海水种。微拟球藻(LB 2164)获得自UTEX的培养物保藏并且在文献中因产生高度不饱和脂肪酸（诸如欧米伽-3脂肪酸）而出名。所述培养物在利用人工海水混合物（表2）的改性的F/2培养基中生长。所述培养物保持在上述对于布朗葡萄藻列出的相同试验条件下。

[0102] 表2F/2培养基和人工海水配方

[0103]化合物浓度(g/L)
NaNO3 0.15 营养物
NaH2PO4-H2O 0.01 营养物
FeCl3-6H2O 0.0013 微量营养物
Na2EDTA-2H2O 0.0087 微量营养物
CuSO4-5H2O 9.8x10-9 微量营养物
Na2MoO4-2H2O 6.3x10-9 微量营养物
ZnSO4-7H2O 2.2x10-8 微量营养物
-8
CoCl2-6H2O 1.0x10 微量营养物
MnCl2-4H2O 18x10-8 微量营养物
B12维生素 5x10-7 维生素
生物素 5x10-7 维生素
NaCl 23.375 人工海水
MgSO4-7H2O 4.925 人工海水
CaCl2-2H2O 1.11 人工海水
KBr 0.2025 人工海水
KCl 0.745 人工海水

[0104]化合物浓度(g/L)
MgCl2-6H2O 4.0625 人工海水
H3BO3 0.01263 人工海水

[0105] 实施例2

[0106] 测量藻类生物质

[0107] 本实施例描述了用于确定样本中的藻类生物质的方法。

[0108] 通过直接测量样本的干重量和样本的光密度确定包含在样本中的藻类生物质的量。干重量测量是通过获得样本以及以3000倍重力加速度（g）离心8分钟执行的。包括营养物培养基和其他有机化合物的最终形成的干净流体被丢弃，剩余少量的（pellet of）藻类生物质重新悬浮到匹配体积的去离子（DI）水中。接下来使用先前已被称重的沃特曼（Whatman）GF/A玻璃纤维滤纸（filter）来将生物质与液体组分分开。在过滤后，保留在滤纸上的样本被用10ml的具有4.0pH的稀释HCl冲洗。然后用DI水清洗所述样本，并将其放置在80℃烤箱中长达24小时。最后，对过滤纸称重，并且记录由于藻类生物质滞留引起的质量的增加。将生物质的重量除以经过过滤的样本的体积，来获得以克每升为单位的生物质密度的测量。

[0109] 样本的光密度使用贝克曼（Beckman）分光光度计确定，以1ml试管测量。取540nm、680nm和750nm处的吸收读数。峰值吸收发生在680nm处。高浓度的样本被稀释，直到吸收读数在0.10到0.40的最佳范围内，从而最小化细胞的任何相互遮蔽，相互遮蔽会导致错误的低吸收读数。对于每一个试验处理的每一个样本都记录光密度测量值。对于样本每次进行的三次随机处理，也记录干重量测量。这样，建立了一个将光密度测量值和藻类生物质的干重量关联的标准曲线。关联的结果还通过执行与保持在实验室中的藻类培养物相同的取
2
样程序被确认。680nm处的光密度和细胞干质量之间的关系的线性回归产生0.9783的R值（图7），形成一个合适的标定方程式，该方程式可用于将光密度测量值转化为干细胞质量估计。

[0110] 相对于时间绘制干细胞质量形成一个生长曲线，该生长曲线示出与培养物健康和生长相关的许多特性。具体的生物质生长率（μdw）可通过将回归方程式代入（fit to）增长曲线的指数部分以及将所述回归代入理论指数细胞生长方程式来确定：

[0111]

[0112] 其中C代表以克干细胞质量每升（g DCM L-1）为单位的细胞浓度，C0是以g DCM L-1为单位的初始细胞浓度，t是以小时为单位的时间。

[0113] 实施例3

[0114] 用于生物质生产的适应气候的生物反应器构造和测试

[0115] 本实施例描述了构造用于生物质生产的适应气候的生物反应器和初始的微藻类培养物。

[0116] 构造一个50-70L的测试单元。用PVC塑料构造一个简单的框架，用来支承柔性聚乙烯反应器腔室。PVC框架允许实现支承梁的轻易调节以及改变所述反应器腔室的尺寸和定位。所述框架被最初构造为具有2.13米的高度、0.61米的宽度、以及0.43米的深度。通过用一对夹具将聚乙烯的顶部边缘锚定至所述框架的顶部，来将包括所述腔室的聚乙烯板附接至所述框架。然后沿所述框架的整个长度，将所述聚乙烯延伸在多个水平支承梁上。所述第一水平支承梁位于距离所述框架的顶部边缘的0.34米处。所述第一腔室以51°的倾斜角从所述框架的顶部边缘延伸到第一水平支承物。在延伸到第一水平支承物上方之后，聚乙烯继续以与竖向成零度的角度沿着框架的长度笔直向下达0.34米。然后所述聚乙烯延伸在第三水平支承梁上，并且在第一成角部分的相反方向上以向内成51°角度。然后聚乙烯继续以与竖向成零度的角度沿着框架的相对长度竖直向下长达0.34米。然后聚乙烯延伸在另一支承梁上并且返回在前向方向上成51°的角，然后用另一对夹具锚定至贮存器池。

[0117] 在室内的反应器的改性的Chu 13培养基（实施例1）中培养布朗葡萄藻，利用12小时光照射周期的150-250μmol/m2s辐照度的荧光灯。室内设置和始终如一的人造光允许调整所述反应器的许多参数，来实现所述反应器的设计和精修所述反应器的构造。布置有测试反应器的工作区域内的温度保持在24℃到28℃之间的温度。反应器被注有已经在类似的条件下在实验室中培养的并且已经达到饱和的新鲜布朗葡萄藻。一旦注入，反应器就保持持续运行并且每48小时取样本。

[0118] 表3总结了在试验测试中对反应器做出的各种调整以及对于每一个配置所估计的藻类生长特性。

[0119] 表3反应器配置和导致的藻类生长特性

[0120]

[0121] 反应器的初始配置（测试1）的生产率是足够的，但是低于预期，具体的生长速率也低于预期。已显示出，折叠式配置中的聚乙烯材料适于生产藻类并且可持续稳定生产数周。初始配置证实了泵送系统以及系统的总体设计的适宜性，例如，藻类细胞能够自由地从一个腔室流至下一腔室而不积聚在任一段中。培养物体积还在腔室以及贮存器池中保持均匀。减小的培养物体积（测试2）略微增加了生物质生产。

[0122] 初始反应器配置的一个观察结果是每一个腔室都保持仅局部填充有流体，而不管到顶部反应器腔室的入口流率。因此，减小每个腔室的尺寸，增加两个额外的腔室（测试3），从而保持反应器的相同总体尺寸。反应器的宽度被减小至0.19m，导致以56°倾斜的成角度腔室的长度为0.33m。水平支承梁被更紧密地重新布置在一起，导致竖向腔室的长度为0.25m。反应器体积是70L并且以28L/min的流率再循环。

[0123] 在重新配置的生物反应器中观察到生物质生产率的显著增加以及更高的生长率。这表明反应器的被照射的表面面积被更有效地使用，以及实现了更高的光合效率。第一配置和第二配置之间的重大差异是藻类可用于光合作用的表面面积。初始实例和重新配置实例之间的体积和流率相等。重新配置实例允许藻类更完全占据每个腔室的被照射表面积，增加的两个额外的腔室提供更大的总表面积，同时保持相同的总体框架高度。

[0124] 所考虑的生物反应器的一个方面是竖向腔室在框架的一个面到另一个面之间交替的事实。这是重要的，因为提供照射的荧光灯仅位于反应器的一侧。从而，位于光的相对侧的反应器的面上的任何竖向腔室接收的照射显著少于位于靠近荧光灯的反应器的面上的竖向腔室。这一配置代表了如下一种情形，这种情形次于最佳并且不能足够模仿在户2
外或自然光设置中可能出现的情况。最靠近荧光灯的竖向腔室接收250μmol/ms，而相对
2
面上的竖向腔室接收少于100μmol/ms。在反应器处于自然照射的设置中，在更远离或更接近太阳0.18m的竖向腔室之间的差异将是不显著的，然而，在使用人工照射时，这一距离将是非常显著的。为了解决该问题，在反应器的两面旁边都放置了一排荧光灯（测试4），以在整个反应器上都更加均匀地分布所述照射。当前一个反应器配置运行在每一侧上都具有一排灯的情况时，基于干重量的峰值生物质密度增加至1.273g/L，特定生长速率增加至-1
0.118d 。

[0125] 做出的另一个观察是生物反应器显示出比在实验室中生长的藻类培养物更长的停滞阶段。为了缩短停滞阶段的长度，将在试验开始时提供给反应器的注入加倍（测试5）。保持前面所估计的反应器配置，每一个面上都具有一排灯，加倍的注入导致1.315g/L的增-1
加的峰值藻类生物质密度，以及0.175d 的增加的特定生长速率。在做出对生物反应器的所有上述调整之后，形成的生物质生产率更加符合在实验室中生长的藻类培养物，并且更加符合在类似条件下生长的文献中的报道数值。

[0126] 实施例4

[0127] 用于生物质生产的适应气候的光生物反应器条件的比较

[0128] 本实施例描述了用于藻类生长的不同的用于生物质生产的适应气候的光生物反应器条件的比较。

[0129] 在藻类培养中，改变所述用于生物质生产的适应气候的光生物反应器系统的三个不同参数。用于生物质生产的适应气候的光生物反应器被容纳在亚利桑那州的图森（Tucson）的一个温室内。本实施例中描述的试验在7月到10月的一个时段内执行。作为对照，在温室内保持搅动1升的烧瓶。温室温度被调节到白天大约78℉，夜间大约69℉（±3℉）。所述参数是流率（14L/min(低流量)、28L/min(中流量)、以及42L/min(高流量)）、腔室角度（45°和65°倾斜）、以及隔室开口（每个隔室一个开口，约5cm宽，蜿蜒布置；或者每个隔室两个开口，每个开口约2.5cm宽，交替的中间和边缘位置；例如，图5A和5B）。流率通过一个、两个或三个泵调节，每个泵提供约14升/分钟的流量。培养条件组合被示出在表4中。所有的配置都具有60升系统体积。每48小时收集藻类培养物的样本（50ml）。

[0130] 表4用于生物质生产的适应气候的光生物反应器参数组合

[0131]条件参数
A1 高流量，45°倾斜，1个开口
A2 中流量，45°倾斜，1个开口
A3 低流量，45°倾斜，1个开口
B1 中流量，65°倾斜，1个开口
B2 中流量，65°倾斜，2个开口
B3 低流量，65°倾斜，1个开口
B4 低流量，65°倾斜，2个开口
B5 高流量，65°倾斜，2个开口
C1 低流量，45°倾斜，2个开口
C2 中流量，45°倾斜，1个开口
C3 中流量，45°倾斜，2个开口
C4 低流量，45°倾斜，2个开口
C5 高流量，45°倾斜，1个开口

[0132] 每一组条件下的藻类生长都通过测量所收获的藻类的干重量（g/L）确定。来自两个单独试验的生长曲线示出在图8中。每个培养物的特定生长速率被示出在表5中。在这些处理条件中，条件C3（中流量，45°倾斜，2个开口）以及C4（低流量，45°倾斜，2个开口）显示出12天培养的最高生长速率和平均干重量（表6；图8）。C3和C4生产的藻类的量（干重量）与在对照培养物烧瓶中生产的藻类在统计学上难以区分。条件A3、C1、C2和C5也在12天培养时产生统计学上类似的藻类的量（表6；图9）。计算对于每一种处理的12天干重量的标准偏差，对于除了A1、A2和C1的所有处理，n=3，对于A1、A2和C1，n=4。对于两种试验的每个处理条件的排名被示出在表7中。

[0133] 表5用于生物质生产的适应气候的光生物反应器中的藻类的具体生长率

[0134]条件试验1 试验2
B1 0.169179 0.180735391
B2 0.153208 0.174155737
B3 0.178405 0.186275015
B4 0.168754 0.195286747
B5 0.158379 0.193489203
C1 0.195702 0.175351545
C2 0.187844 0.173616001
C3 0.203511 0.177062762
C4 0.204857 0.191789595
C5 0.206093 0.186705534
A1 0.132646 0.150061738
A2 0.171444 0.159539957
A3 0.151147 0.181725982

[0135] 表6各条件12天的海藻干重量

[0136]条件 12天的平均干重量标准偏差
A1 0.929302 0.242644013
A2 0.973225 0.166848841
A3 1.1325 0.116672619
B1 0.907196 0.088817745
B2 0.924421 0.163453648
B3 0.935843 0.062447333
B4 0.889567 0.198602039
B5 0.857072 0.251628342
C1 1.161612 0.153271158
C2 1.084343 0.130592423
C3 1.225773 0.17786993
C4 1.225921 0.135653446
C5 1.106091 0.181147389

[0137]

[0138] 表7处理排名

[0139]条件试验1 试验2
A1 13 13
A2 12 10
A3 3 5
B1 10 8
B2 4 9
B3 8 7
B4 6 11
B5 5 12
C1 11 4
C2 7 6
C3 2 1
C4 1 2
C5 9 3

[0140] 处理排名被示出为1=最高干重量；13=最低干重量。

[0141] 实施例5

[0142] 测量流体力学参数

[0143] 反应器的停留时间分布（RTD）是一个描述单个流体元素在反应器内度过的时间量的概率函数。停留时间分布试验提供用于估计在具体反应器配置中出现的流体动态和接下来的混合条件的基础。具体地，示踪试验提供了一种用于确定无量纲的量——诸如容器分散数、博登斯坦数、以及雷诺数——的可靠和直接的方法。容器分散数被限定如下。

[0144]

[0145] 其中D是轴向分散系数，u是以米每秒为单位的液体流速，L是流体经过的反应器的长度。轴向分散系数D代表了在流体流经反应器时发生的反混（back mixing）的程度。当容器分散数接近零时，流体可被表征为栓塞流（plug flow）。在栓塞流情形中，假设沿反应器的轴向方向没有混合，换言之，流体移动以一个独立的“栓塞”通过该反应器，该栓塞不与反应器内的位于其前面或后面的“栓塞”混合或交互。在一个理想的混合流情形中，假设进入反应器的所有流体都立即并且完全混合进入反应器的整体流中。假设在整体流内没有变化以及包含在整体流中的所有流体元素都是相同的。以栓塞流形式工作的反应器将具有如下的停留时间分布函数，该函数在平均停留时间处类似狄拉克δ函数（dirac delta function）。以理想混合方式工作的反应器将具有近似于指数衰减函数的停留时间分布函数。

[0146] 容器分散数的倒数是博登斯坦数；小于0.1的博登斯坦数表示理想混合的流，而大于20的博登斯坦数表示栓塞流状况。博登斯坦数通过下式获得：

[0147]

[0148] 雷诺数是粘性力与在流体流动中出现的惯性力的比率。雷诺数的值决定了流体是否正在经历层流或湍流状况。雷诺数的值不仅给出了对反应器内发生的混合程度的指示，而且还提供了用于确定两个流是否相似的重要基础。雷诺数通过下式获得：

[0149]

[0150] 其中u是流体速度，ρ是流体密度，d是反应器的特征直径，μ是流体粘性。

[0151] 平均停留时间可通过估计停留时间分布被试验确定，所述停留时间分布可通过试验确定的浓度相对于时间数据构造得出。为了获得浓度相对于时间的曲线，执行示踪试验。示踪流体（诸如NaCl）的脉冲在反应器的入口被引入流体体积。随着时间过去，测量流体中离开反应器的脉冲的浓度。合适的示踪剂必须是不起反应的，并且不应改变反应器的物理特性；诸如粘性和密度。还假设所述反应器是稳态，反应器内的流体是不可压缩的。

[0152] 在具有小程度分散的反应器的情况中，RTD曲线由下列方程式表示：

[0153]

[0154] Cθ是归一化（normalized）浓度，θ是归一化时间，是容器分散数。归一化时*间被限定为t除以平均停留时间t。

[0155] t*是平均停留时间，并且被限定为：

[0156]

[0157] 近似为：

[0158]

[0159] RTD的方差，以及事实上任何分布的方差，是关于一个值偏离平均值多少的度量。因此，RTD的归一化方差与容器分散数成比例：

[0160]

[0161] 所述方差被限定为：

[0162]

[0163] 并且可被近似为如下：

[0164]

[0165] 现在可通过从示踪试验中获得的试验浓度数据确定容器分散数。上文列出的方程式对于小程度的分散是有效的，意味着小于0.01的的值。当小于0.01时，在确定容器分散数中涉及的误差小于5%。对于大于0.01的分散数，使用下列等式估计具有大的分散程度的反应器。

[0166]

[0167] 实施例6

[0168] 停留时间分布

[0169] 本实施例描述了用于确定对于各种用于生物质生产的适应气候的生物反应器配置的停留时间分布的试验。

[0170] 对于初始反应器配置以及实施例3中描述的重新配置的反应器执行停留时间分布试验。初始配置（测试1；表格3）是用70L的反应器体积以及28L/min的流率测量的。为了执行停留时间分布试验，反应器运行在没有流出物返回反应器的开放布置中。对于这种具体布置使用两个贮存器池，一个新鲜的DI水的池用于反应器入口，第二个池用于来自反应器的流出物。随着流体通过反应器并且离开，其被导向至排水沟并且不返回反应器。代替地，向反应器入口供给连续供应的DI水。这样的配置代表“开放”配置，而不是表示通常的反应器运行条件的“闭合”配置。NaCl示踪剂被瞬时添加至第一入口池，在反应器的出口执行测量。在所有情况下，等于总的反应器体积的百分之一的100g/L NaCl脉冲在反应器入口处被瞬时添加。随着时间过去，通过利用Hanna仪器导电探针，测量反应器内的示踪剂的浓度。探针连接至Campbell Scientific CR 800系列数据记录器。以一秒的时间间隔通过数据记录器记录导电率读数。在添加示踪剂脉冲之前，测量导电率，直到观察到合适的基线读数。在导电率读数返回到基线的3%以内之前，进行测量。通过使用在实验室中形成的标准曲线，将导电率读数与NaCl浓度关联。

[0171] 基于示踪试验，对于初始反应器配置获得的平均停留时间是42秒（图10A）。这意味着平均而言，一般的藻类细胞在反应器腔室内度过42秒。基于从停留时间分布试验获得的数据，发现容器分散数为0.146，博登斯坦数为7.5。对于正被评估的流动状况的雷诺数是451。

[0172] 对于重新配置的反应器执行的示踪试验（测试4；表3）显示出132秒的平均停留时间，0.239的容器分散数，以及4.1的博登斯坦数（图10B）。对于给定的流动状况的雷诺数是900。4.1的博登斯坦数低于初始配置的反应器，并且越来越接近理想混合实例。分布形状类似一个指数衰减曲线，表明在反应器中发生至少中等程度的混合。在两种配置中，停留时间分布都表明反应器比栓塞流系统工作得更像一个理想的混合系统。相比较，重新配置的反应器呈现出小于初始配置42%的博登斯坦数。这表明在重新配置系统中发生更大程度的混合，以及重新配置的反应器以一种比初始情况更加理想混合的方式工作。

[0173] 鉴于本公开内容的原理可应用于许多可能的实施方案中，应意识到，所示的实施方案仅是实施例并且不应认为限制本发明的范围。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。因此我们要求本发明落在这些权利要求的范围和主旨内的所有内容的权利。

标题	发布/更新时间	阅读量
气候控制-专利编号CN108473020A	2020-05-12	109
气候室-专利编号CN106405370A	2020-05-11	330
一种气候事件风险评估方法及系统-专利编号CN105260603A	2020-05-11	355
多品种农作物的农业气候区划方法-专利编号CN104102806A	2020-05-11	807
一种火龙果气候品质认证方法-专利编号CN109345141A	2020-05-11	851
气候室-专利编号CN106405370B	2020-05-12	509
人工气候室-专利编号CN106288210A	2020-05-13	650
气候补偿器-专利编号CN104076797A	2020-05-13	509
一种基于小气候监测系统监测天然牧草的方法-专利编号CN104316111B	2020-05-13	661
一种室内气候调节机组-专利编号CN209782851U	2020-05-12	142

用于生物质生产的适应气候的生物反应器

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