專利名稱：用于生物質生產的適應氣候的生物反應器的制作方法
技術領域：
本公開內容涉及生物反應器(bioreactors),更具體地,涉及光生物反應器，例如
用于藻類培養(yǎng)。共同研究協(xié)議的當事人本申請描述以及要求的一些主題是根據Biopharmia AS和代表亞利桑那大學的亞利桑那校務委員會之間的一個書面共同研究協(xié)議開發(fā)的。
背景技術：
對礦物燃料的替代品進行開發(fā)是一項巨大的科技和經濟課題。這些替代燃料具有提供可靠和可持續(xù)的能量源的潛力，同時極大限制了由于燃燒礦物燃料而釋放到環(huán)境中的二氧化碳。術語“生物燃料”指的是源自生物并且以某種方式從植物或其他有機體(organism)的生物質中獲得的燃料。生物燃料可以是固體、液體或氣體形式，并且能夠以各種方式使用，涵蓋從燃燒木材用于加熱到使用生物乙醇和生物柴油作為運輸用燃料。當考慮液體運輸用燃料時，研究和開發(fā)了多種原料。尤其是，從谷物中獲得的乙醇突出地成為了最成熟和廣泛商業(yè)化的選擇。然而近來，使用谷物作為生物燃料原料的許多缺點已經變得明顯。任何生物燃料原料絕對不能與食品供應競爭，從而被認為是一種可行的大規(guī)模替代燃料。不與食品生產競爭或者不妨礙食品生產的生物燃料是有吸引力的，因為最終產品是一種近似等同于石油基燃料的燃料，并且不需要對目前的運輸用燃料基礎設施的任何大的重新改造?；陔娔芑蛉剂想姵氐能囕v將需要完全新的車輛設計以及被顯著修改的燃料或功率分配系統(tǒng)。當考慮開發(fā)生物燃料原料時，還重要的是考慮生產該原料需要的水消耗以及土地面積。近來，微藻類已成為一種有前景的生物燃料原料，因為它們滿足許多上述標準。微藻類生物質的脂類部分可被轉化為一種近似等同于石油柴油的柴油形式。另外，藻類的生產不在任何顯著方面妨礙世界食品生產。目前使用兩種普遍方法進行藻類培養(yǎng)。開放系統(tǒng)(例如開放的池塘或水溝)的建造和運行都是非常經濟的；然而，它們具有顯著的缺點，諸如污染風險、環(huán)境條件的波動、以及較低和較不可靠的生產率。封閉系統(tǒng)(諸如光生物反應器)相對于開放系統(tǒng)具有的優(yōu)點是對環(huán)境條件的控制、低污染風險、以及更高的生產率和可靠性。閉合系統(tǒng)的主要缺點是它們相對高的構造成本和運行成本。

發(fā)明內容
此處公開了如下的生物反應器(諸如光生物反應器，例如用于藻類培養(yǎng)物)，所述生物反應器具有閉合系統(tǒng)的優(yōu)點并且還具有相對低的構造成本和運行成本。所公開的生物反應器還是模塊化的，允許簡單按比例擴大，并且能夠輕易調整(例如自動地調整)用于最優(yōu)化培養(yǎng)條件，諸如入射的曝光量。在一個實施方案中，所公開的生物反應器包括第一板和第二板(它們中的一個或兩個對于光是基本透 明的)，其中所述第二板被部署為鄰近于所述第一板，第一板和第二板沿著第一縱向邊緣、第二縱向邊緣、第一水平邊緣、第二水平邊緣、以及在所述第一水平邊緣和所述第二水平邊緣之間的至少一個中間水平密封部被密封，由此形成沿豎向軸線串聯的用于容納流體的至少兩個腔室，其中兩個或更多個腔室中的每一個被定向為相對于所述豎向軸線成一個角度，其中所述角度是約0°到約90°，所述腔室中的至少一個被定向在大于0°的角度處，以及其中在所述第一水平邊緣、所述第二水平邊緣以及中間水平密封部的每一個中存在至少一個開口 ；一個支承結構，包括至少一個水平支承物，其中所述水平支承物位于中間水平密封部的位置處或附近；一個貯存器，位于第一板和第二板的第二水平邊緣下方；以及用于將流體從貯存器泵送至第一板和第二板的第一水平邊緣的裝置。在一些實施例中，大于0°的角度是約30°到約75°。在一些實施例中，所述第一板和第二板的至少一個是透明的。在另一些實施例中，所述第一板和第二板由柔性材料(例如，聚乙烯)或剛性材料(例如，聚碳酸酯)制成。在一些實施方案中，所述生物反應器包括兩個或更多個中間水平密封部(諸如2-100個中間水平密封部)。在具體實施例中，所述一個或多個中間水平密封部相對于底板或地面近似水平、相對于底板或地面向上成角度、或者相對于底板或地面向下成角度。在一些實施例中，所述生物反應器包括多個水平中間密封部，所述水平中間密封部可包括水平、向上成角度或向下成角度的密封部的任意組合(即，中間水平密封部不需要都相互平行或者都平行于底板或地面)。本公開內容包括含有所公開的生物反應器的模塊化布置的實施方案，諸如相互鄰近布置的多個豎向串聯的腔室。在一些實施例中，模塊化布置包括支承多個生物反應器的一個共同的結構化支承物(諸如至少一個水平支承物)。在另一些實施例中，所述模塊化布置包括用于多個豎向串聯的腔室的一個共同的貯存器。本公開內容還包括培養(yǎng)細胞的方法，該方法包括使細胞懸浮液在所公開的生物反應器中循環(huán)。在一些實施例中，所述細胞包括微藻類、大型藻類、細菌、真菌、昆蟲細胞、植物細胞、動物細胞(諸如哺乳動物細胞)或植物或動物組織或器官。在具體實施例中，所述方法包括將生物反應器中的培養(yǎng)物暴露至光源(諸如日光或人造光源)。本公開內容的上述和其他特征將從下面的詳細說明中變得更明了，下面的詳細說明參照附圖進行。


圖I是本公開內容的一個示例的生物反應器的立視圖。圖2是本公開內容的一個示例的生物反應器的側視圖，所述示例的生物反應器具有在相對于豎向約0°以及相對于豎向大于0°的角度之間交替的腔室。圖3是本公開內容的一個示例的生物反應器的一部分的立體圖。圖4是本公開內容的一個示例的生物反應器的側視圖，具有的所有腔室都定向為相對于豎向成大于0°的角度。圖5A- 是示出生物反應器的第一水平邊緣、第二水平邊緣、以及中間水平密封部中的開口的示例布局的示意圖。圖5A是示出蜿蜓布局(serpentine layout)的示意圖。圖5B是示出交替的中間位置開口和邊緣位置開口的示意圖。圖5C是示出向上成角度的中間水平密封部的示意圖。圖是示出向下成角度的中間水平密封部的示意圖。箭頭表明流體流動的總體方向。 圖6是一個示例的模塊化生物反應器裝配的立視圖。圖7是示出微擬球藻(Nannochloropsis)培養(yǎng)物光密度和干重量(g/L)的相互關系的圖表。圖8是示出在多種不同的用于生物質生產的適應氣候的生物反應器條件下的藻類生長的生長曲線的一對圖表。所述條件被列出在表4中。 圖9是示出在具有表4列出的條件的用于生物質生產的適應氣候的生物反應器中的培養(yǎng)物和一種對照培養(yǎng)物(溫室中的攪拌瓶)的12天的平均干重量(g/L)的條形圖。圖IOA和IOB是對于兩種不同的用于生物質生產的適應氣候的生物反應器配置——初始(圖10A)和重新配置的(圖10B)——的停留時間(residence time)分布的一對圖表，如實施例3中描述的。
具體實施例方式此處公開的用于生物質生產的適應氣候的生物反應器(AcclimatizedbioreactOR for biomass proDuctION, ACCORDION)系統(tǒng)提供了在閉合系統(tǒng)中的高效生物質生產，具有的優(yōu)點是降低了構造成本和運行成本(例如，低成本材料以及降低的能量需求和水需求)、簡單、模塊化和靈活性。盡管此處描述的生物反應器和方法主要關于藻類培養(yǎng)(例如,微藻類的培養(yǎng)),但是在它們的多個實施方案中公開的生物反應器和方法也可適于其他光合細胞的培養(yǎng)，包括例如藍藻細菌(cyanobacteria)。在另一些實施例中，生物反應器和方法也可適于其他細胞和/或有機體的培養(yǎng)，諸如真菌、細菌、病毒(諸如藻類、植物、細菌、或真菌病毒)、植物細胞或植物組織、以及哺乳動物細胞或組織。除非另外解釋，此處使用的所有技術和科學術語都具有與本公開內容所屬技術領域的普通技術人員通常理解的含義相同的含義。單數詞語“一(a)”、“一個(an)”、以及“該(the)”包括復數指稱，除非本文本清楚表明其他含義。類似地，詞語“或者”意為包括“和”，除非本文本清楚表明其他含義。盡管在實踐或測試本公開內容時，可使用類似于或等同于此處所述的方法和材料的那些方法和材料，但下面仍描述合適的方法和材料。詞語“包括”意為“包含”。此處提及的所有出版物、專利申請、專利、以及其他參考文獻為了所有目的通過引用被整體納入本文。如果出現矛盾，本說明書包括對術語的解釋將處于支配地位。另外，材料、方法和實施例僅是示例性的，不意在限制。I.多個實施方案的概述此處公開了包括沿豎向軸線串聯布置的腔室的生物反應器，其中每個腔室都定向為相對于所述豎向軸線成一個角度，其中所述角度是約0°到90°。在一些實施方案中，所述腔室中的每個被定向為交替的角度，使得所述配置顯示出折疊(例如，圖2和4)。
在一些實施方案中，生物反應器包括(a)第一板和第二板，其中所述第二板被部署為鄰近于所述第一板，以及所述第一板和第二板沿著第一縱向邊緣、第二縱向邊緣、第一水平邊緣以及第二水平邊緣被密封，并包括所述第一水平邊緣和所述第二水平邊緣之間的至少一個中間水平密封部，由此沿豎向軸線形成串聯的用于容納流體的至少兩個腔室，其中所述兩個或更多個腔室中的每一個都被定向為相對于所述豎向軸線成一個角度，其中所述角度是約0°到約90°，所述腔室中的至少一個被定向為大于0°的角度，以及其中在所述第一水平邊緣、所述第二水平邊緣以及所述至少一個中間水平密封部的每一個中存在至少一個開口；(b) 一個支承結構，包括至少一個水平支承物 ，其中所述水平支承物位于所述中間水平密封部的位置處或附近；(c) 一個貯存器，位于所述第一板和所述第二板的第二水平邊緣下方；以及(d)用于將流體從所述貯存器泵送至所述第一板和所述第二板的第一水平邊緣的
>J-U ρ α裝直。在一些實施例中，所述第一板和所述第二板是柔性材料，諸如柔性塑料，例如塑料板。在具體實施例中，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。在一個具體實施例中，所述板是聚乙烯。在一些實施例中，所述板是約I密耳(miI)到約10密耳厚(諸如，約2到6密耳，或者3到5密耳)。在一個具體實施例中，所述板是3. 5密耳厚的透明(clear)聚乙烯板(10英尺X25英尺，Husky,部件號RSHK3510-25C-U)。在另一些實施例中，第一板和第二板是剛性材料。在具體實施例中，剛性材料是玻璃、樹脂玻璃、聚碳酸脂、或者聚氯乙烯。在一些實施例中，剛性材料是塑料(諸如聚氯乙烯或聚碳酸酯)，具有約O. 5mm到約IOmm的厚度(諸如約I到IOmm或者2. 5到7. 5mm)。在另一些實施例中，剛性材料是玻璃，具有約Imm到約7. 5cm的厚度(諸如約IOmm到5cm或者約Icm到5cm)。在其他一些實施例中，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)，所述第二板是剛性材料(例如，剛性聚氯乙烯或者聚碳酸酯)，或者相反，所述第一板是剛性材料，所述第二板是柔性材料。所述第一板和所述第二板的尺寸被選定以生產具有預期尺寸的生物反應器。在一些實施例中，所述第一板和所述第二板的寬度(例如，從第一縱向邊緣到第二縱向邊緣)是約 2. 5cm 到約 300cm (例如，約 5_250cm、10-200cm、25-100cm、20-75cm、或者 30_60cm)。在一個具體實施例中，第一板和第二板的寬度是約45-55cm。所述板的材料、厚度、以及尺寸被選擇，使得所述生物反應器在生物反應器運行時基本不變形(例如，下垂)或者爆裂。本領域技術人員可基于生物反應器在運行中的預期重量、支承結構的布置(下文討論的)、以及腔室的尺寸來選擇合適的材料。在其他一些實施例中，第一板和第二板中的至少一個是透明的。在一個具體實施例中，第一板和第二板都是透明的。透明板是一種允許選定波長的光(諸如約200到IOOOnm或者約400到700nm的光)通過的板。在一些實施例中，透明的第一板和/或第二板允許約200nm到IOOOnm的光通過。在一些非限制實施例中，第一板和第二板中的至少一個允許光合有效輻射(例如，約400-700nm之間的波長的光)通過該板。在另一些實施例中，第一板和第二板中的至少一個是半透明的或不透明的(諸如反射的)。本領域技術人員能夠根據待要在生物反應器中培養(yǎng)的細胞，來選擇用于第一板和/或第二板的合適材料和透明水平。
在一些實施方案中,第一板和第二板被部署為彼此鄰近。在一些實施方案中，第一板和第二板的縱向(長)邊緣是閉合的或密封的，例如，沿著第一縱向邊緣和沿著第二縱向邊緣是閉合的或密封的。閉合或密封使得第一板和第二板之間的流體不能通過縱向邊緣離開。在一個實施例中，第一板和第二板的縱向邊緣使用熱封被密封。在另一實施例中，所述第一板和第二板的縱向邊緣使用粘合劑被密封。在一些實施方案中，所述第一板和第二板也沿著第一水平邊緣(例如，“頂部”邊緣)以及沿著第二水平邊緣(例如，“底部”邊緣)被密封。如下討論的，第一水平邊緣和第二水平邊緣未被完全密封，并且包括至少一個開口。當沿著第一縱向邊緣、第二縱向邊緣、第一水平邊緣、第二水平邊緣被密封時，所述第一板和第二板形成一個扁平的管。所述第一板和第二板的縱向邊緣的長度決定了本公開內容的生物反應器的豎向高度。在一些實施例中，所述第一板和第二板的長度是至少I米(諸如長度為約1、1. 5、2、2. 5、3、3. 5米或更多)。在一些實施例中，所述第一板和第二板的長度是約
I.5-3米，諸如長度為約2. 5米。在另一些實施方案中，所述第一板和第二板由連續(xù)的柔性材料板制成。在一些實·施例中，沿著一個中點折疊一個連續(xù)的材料板，使得折痕(fold)形成一個生物反應器的第一(或第二)水平邊緣。折痕一側上的材料形成第一板，折痕另一側上的材料形成第二板，所述第二板被部署為鄰近于所述第一板。所述縱向邊緣被密封，以及所述開口的水平邊緣被密封，形成第二 (或第一)水平邊緣。在第一水平邊緣和第二水平邊緣的每一個中形成至少一個開口，例如通過切割一個開口，或者不完全密封所述邊緣。在另一些實施例中，沿中點折疊一個連續(xù)的材料板，使得折痕形成所述生物反應器的第一(或第二)縱向邊緣。折痕一側上的材料形成第一板，折痕另一側上的材料形成第二板，所述第二板被部署為鄰近于所述第一板。所述第二(或第一)縱向邊緣被密封，以及所述開口的水平邊緣被密封，形成第一和第二水平邊緣。在第一水平邊緣和第二水平邊緣的每一個中形成至少一個開口，例如通過切割一個開口，或者不完全密封所述邊緣。在一些實施例中，例如，當在最終形成的扁平管中存在空氣和/或流體時，第一板和第二板之間的距離是約5mm到約30cm。在具體實施例中，當生物反應器處于運行時，第一板和第二板之間的距離是約Icm到約15cm (諸如約I到10cm、l到5cm、或者2到5cm)。在一個特定實施例中，當生物反應器處于運行時，第一板和第二板之間的距離是約10cm。在一些實施例中，第一板和第二板之間的距離從第一縱向邊緣到第二縱向邊緣不是恒定的(例如，當生物反應器處于運行時)。例如，第一板和第二板之間的距離可從第一縱向邊緣到第一和第二縱向邊緣之間的近似中途點增加，以及可從近似中途點到所述第二縱向邊緣減少。類似地，在一些實施例中，當生物反應器處于運行時，第一板和第二板之間的距離從腔室的頂部到底部(例如，從第一水平邊緣到一個中間水平密封部、從一個中間水平密封部到第二水平邊緣、或者在兩個中間水平密封部之間)不是恒定的。例如，第一板和第二板之間的距離可從第一水平邊緣到一個中間水平密封部增加、或者從一個中間水平密封部到第二水平邊緣增加、或者從一個中間水平密封部到下一中間水平密封部增加。所公開的生物反應器包括位于所述第一水平邊緣和第二水平邊緣之間的至少一個中間水平密封部，從而沿著豎向軸線形成串聯的用于容納流體的至少兩個腔室。在一些實施例中，中間水平密封部是基本水平的，例如，基本平行于所述第一水平邊緣和第二水平邊緣。在另一些實施例中，所述中間水平密封部是成角度的，例如，從水平(例如，相對于第一水平邊緣)向上成角度或向下成角度。在一些實施例中，所述角度是與水平成約30°到約160°。在另一些實施例中，所述生物反應器包括中間水平密封部的多個定向的組合(諸如，水平、向上成角度、向下成角度、或者它們的兩個或更多個的任意組合)。如下討論的，每一個中間水平密封部都包括允許兩個腔室之間的空氣和/或流體連通的至少一個開口。在一些實施例中，所述中間水平密封部(至少部分地)由來自外部結構的壓力形成，所述外部結構諸如下面討論的水平支承物。在另一些實施例中，所述中間水平密封部使用熱封或粘合劑形成。在一些實施例中，生物反應器包括兩個或更多個中間水平密封部(諸如2、3、4、5、6、7、8、9、10、或更多個中間水平密封部)。在另一些實施例中，生物反應器包括約2-100個中間水平密封部(諸如約5-100、5-75、5-50、10-60、20-80、或者10-50)?？墒褂萌魏螖的康闹虚g密封部來生產具有期望數目的用于容納流體的腔室的生物反應器。中間密封部的數目和放置還可被選擇以形成具有任何期望尺寸的腔室。例如，中間水平密封部可被放置 在第一板和第二板中，使得腔室的長度(例如，從第一水平邊緣到中間水平密封部、或者從中間水平密封部到第二水平邊緣)為約2. 5cm到約60cm (諸如約5_50、10-40、20_30、或者30-50cm)。在一些實施例中，所述中間密封部被放置為使得所述腔室的長度為約30-40cm。在另一些實施例中，所述中間水平密封部被放置為使得所述腔室的長度為約6cm。在一些實施例中，所述一個或多個中間水平密封部被放置為使得所形成的腔室不具有均勻尺寸。在一個具體實施例中，被定向為相對于所述豎向軸線成大于0°的角度的腔室的長度為約35cm,被定向為相對于所述豎向軸線成約0°的角度的腔室的長度為約30cm。在一些實施方案中，一個或多個中間水平密封部被放置為使得所形成的腔室的長度與寬度的比率(L/W比)為約I (例如，約O. 8到I. 2，諸如約O. 9到I. I)。在一些實施例中，L/W比為約O. 8、0. 9、1.0、1. I、或者1.2。在另一些實施例中，L/W比大于約1，例如，為約I. 5、2、2. 5、3、3. 5、4、5、6、7、8、9、10、或者更大。在再一些實施例中，L/W比小于約1，例如，為約 O. 9,0. 8,0. 7,0. 6,0. 5 或更小。在一些實施方案中，生物反應器的表面積和體積被選擇以維持表面積與體積的比率為正(positive)。在具體的實施例中，生物反應器具有的總表面積與體積的比率為約12:1至約424:1。表面積是第一板和第二板的總表面積(每一個板的總長度乘以總寬度的乘積之和)?？傮w積是被容納在所有隔室中的總液體體積(除了貯存器中保留的體積)。所述腔室被定向為相對于豎向軸線成一個角度，諸如約0°到約90°。生物反應器的腔室中的至少一個被定向為相對于所述豎向軸線成大于0°的角度。在一些實施例中，所述角度為約30°到約75°，或者約45°到約65°。在另一些實施例中，所述角度為約 5。 、10。 、15。 、20。 、25。 、30。 、35。 、40。 、45。 、50。 、55。 、60。 、65。 、70。 、75。、80°、85°、或者90°。對于生物反應器中的每一個腔室的角度可以是獨立選擇且是可調整的，使得所述角度可對于具體的生長條件(諸如光條件或者待培養(yǎng)的細胞類型)而被優(yōu)化。在一些實施例中，所述腔室中的至少一個被定向為相對于所述豎向軸線成約0°的角度。在一個具體實施例中，生物反應器具有的配置使得所述腔室在一個相對于所述豎向軸線成約0°定向的腔室和一個相對于所述豎向軸線成大于0°的角度定向的腔室之間交替(例如，圖2和3)。在另一些實施例中,所述腔室中都未被定向為相對于所述豎向軸線成約0°的角度(例如，所有腔室都被定向為相對于所述豎向軸線成大于0°的角度，例如圖4)。如此處所述，“相對于所述豎向軸線成約0°的角度”不要求所述腔室絕對豎向。從而，例如，相對于所述豎向軸線成約0°的角度是其中所述腔室基本豎向的角度。在一些實施例中，所述角度可以達到相對于豎向成約2° (例如，相對于豎向軸線成約O. 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°，例如圖4)。如此處所述，“約0°的角度”被認為是相對于所述豎向軸線為約0°或者基本豎向。所公開的生物反應器包括在第一水平邊緣(“頂部”邊緣)、至少一個中間水平密封部、以及第二水平邊緣(“底部”邊緣)中存在至少一個開口。所述開口允許流體流過生物反應器。在一些實施方案中，第一水平邊緣和第二水平邊緣的每一個中的開口具有的尺寸足以允許流體(諸如，藻類培養(yǎng)物)進入第一板和第二板之間的空間(例如，通過第一水平邊緣中的開口)，以及離開第一板和第二板之間的空間(例如，通過第二水平邊緣中的開口)。 在一些實施例中，所述開口是至少Icm寬(例如，1cm、I. 5cm、2cm、2. 5cm、或者更大)。在一個具體實施例中，第一水平邊緣和/或第二水平邊緣中的開口是約2. 5cm寬。在另一個實施例中，第一水平邊緣和/或第二水平邊緣中的開口是約5cm寬。在另一些實施例中，開口的尺寸是腔室的寬度的約1%_25% (諸如約5%-25%、1%-15%、或者5%-15%)。在一些實施例中，所述第一邊緣和/或第二邊緣包括兩個或更多個開口。在另一些實施例中，所述第一水平邊緣和第二水平邊緣中的開口的尺寸和/或數目不相同。例如，第一水平邊緣可具有兩個開口，第二水平邊緣可具有一個開口。所述至少一個中間水平密封部還包括至少一個開口，允許流體沿著豎向軸線從一個腔室流到下一個腔室。在一些實施例中，所述開口是至少Icm寬(例如，lcm、l. 5cm、2cm、
2.5cm、或更大)。在一個具體實施例中，中間水平密封部中的一個開口是約2. 5cm寬。在另一個實施例中，中間水平密封部中的一個開口是約5cm寬。在另一些實施例中，所述開口的尺寸是所述腔室的寬度的約1%_25%(諸如約5%-25%、1%-15%、或者5%_15%)。在一些實施例中，中間水平密封部包括兩個或更多個開口。在包括兩個或更多個中間水平密封部的實施方案中，每個中間水平密封部中的開口的尺寸和/或數目可能不相同。例如，一個中間水平密封部可具有兩個開口，另一個中間水平密封部可具有一個開口。本領域技術人員可選擇合適的開口尺寸(例如，在第一水平邊緣、第二水平邊緣、和/或中間水平密封部的一個或多個中)，例如，考慮當反應器運行時的流率(flow rate)。例如，如果使用較高的流率，則可選擇較大的開口，以允許足夠大的流通過整個系統(tǒng)的流量。同樣，如果使用較低的流率，則可選擇較小的開口。在一些實施方案中，第一水平邊緣、一個或多個中間水平密封部和/或第二水平邊緣中的開口在豎向軸線上并未相互對準。例如，腔室的頂部邊緣中的開口在豎向軸線上并未與所述腔室的底部邊緣(其也是豎向串聯的下一腔室的頂部邊緣)中的開口直接對準。在一個實施例中，中間水平密封部中的開口不與第一水平邊緣中的開口對準。在另一實施例中，中間密封部中的開口不與第二水平邊緣中的開口對準。在另一些實施方案中，至少兩個連貫的開口(例如，在第一水平邊緣、一個或多個中間水平密封部、以及第二水平邊緣中)在豎向軸線上對準。在一些實施例中，所有開口都在豎向軸線上對準，而在另一些實施例中，至少兩個連貫的開口在豎向軸線上對準。
在一個實施方案中，所述開口在鄰近于第一縱向邊緣和鄰近于第二縱向邊緣之間交替，例如，產生“蜿蜓”布局的開口(例如，圖5A、5C和 )。在一個具體實施例中,第一水平邊緣中的開口鄰近(或靠近)第一縱向邊緣，中間水平密封部中的開口鄰近(或靠近)第二縱向邊緣，第二水平邊緣中的開口鄰近(或靠近)第一縱向邊緣。在另一具體實施例中，第一水平邊緣中的開口鄰近(或靠近)第二縱向邊緣，中間水平密封部中的開口鄰近(或靠近)第一縱向邊緣，第二水平邊緣中的開口鄰近(或靠近)第二縱向邊緣。本領域技術人員可很容易將這種樣式適配至包括不止一個中間水平密封部的生物反應器。在另一實施方案中，所述開口在位于鄰近(或靠近)所述縱向邊緣的一個或兩個以及位于所述縱向邊緣之間的位置之間交替(例如，圖5B)。在一個具體實施例中，所述開口在位于鄰近(或靠近)所述縱向邊緣的一個或兩個以及位于所述縱向邊緣之間的近似中途的位置之間交替。在一個具體實施例中，所述第一水平邊緣包括位于鄰近(或靠近)所述縱向邊緣的每一個的開口，所述中間水平密封部包括位于或靠近所述縱向邊緣之間的近似中途 的開口，所述第二水平邊緣包括鄰近(或靠近)所述縱向邊緣的每一個的開口。在一個具體實施例中，所述開口在位于鄰近(或靠近)所述縱向邊緣的一個或兩個以及位于所述縱向邊緣之間的近似中途的位置之間交替。在另一實施例中，所述第一水平邊緣包括位于或靠近所述縱向邊緣之間的近似中途的開口，所述中間水平密封部包括位于鄰近(或靠近)所述縱向邊緣的每一個的開口，以及所述第二水平邊緣包括位于或靠近所述縱向邊緣之間的近似中途的開口。本領域技術人員可很容易將這種樣式適配至包括不止一個中間水平密封部的生物反應器。所述開口的尺寸、數目和布局被選定，以產生適合生物反應器中生長期望的有機體、細胞、或組織的流體力學條件。流體力學條件可由本領域技術人員眾所周知的參數表征，諸如分散數(dispersion number)、停留時間、以及雷諾數。參見例如Cuello and Ono, Fermentation Residence Time Distributions, In Encyclopedia ofAgricultural, Food and Biological Engineering, Marcel Dekker Inc. , New York, 2003。在一些實施例中，停留時間是約10到600秒(諸如約20-500秒、約30-250秒、或約40-150秒)。在具體實施例中，停留時間是約40-50秒或者約125-140秒。在其他實施例中，容器分散數(vessel dispersion number)是約 O. 005 到約 1000(諸如約 0. 010-500、約 0. 050-100、或者約0. 100到50)。在具體實施例中，容器分散數是約0. 100到0. 250。在其他一些實施例中，博登斯坦數(Bodenstein number)是約0. 001到200(例如，約0. 010到100、約0. 050到20、或者約0. 100到10)。在特定實施例中，博登斯坦數是約4到8。在另一些實施例中，雷諾數是約300-4000(諸如約300-3000、約400-2000、或者約400-1000)。在具體實施例中，雷諾數是約450到900。此處公開的生物反應器還包括一個如下的支承結構，該支承結構保持住第一板和第二板并且提供允許所述腔室相對于豎向軸線成角度的支承物。在一些實施方案中，支承結構包括位于所述水平中間密封部的水平高度處或附近的至少一個水平支承物。在一個實施例中，水平支承物被放置正好在每個水平中間密封部的水平高度的上方。在另一實施例中，一個水平支承物被放置在與每一個中間水平密封部大約相同的水平高度。在其他一些實施例中，一個水平支承物被放置正好在每個中間水平密封部的水平高度的下方。在一些實施例中，當生物反應器包括不止一個水平支承物時，每個水平支承物可被放置在相對于每個中間水平密封部的不同位置。例如，一個水平支承物可被放置在與中間水平密封部大約相同的水平高度，另一個水平支承物可被放置正好在另一中間水平密封部的水平高度的上方。在一些實施例中，所述至少一個水平支承物是約IOcm至約IOm長(諸如約20cm至5m、50cm至2. 5m、或者約lm)。在另一些實施例中，水平支承物的長度可以為IOm以上(例如，10、25、30、25、30、40、50、60、70、80、90、100111、或者更大)，只要材料具有足夠的強度來支承腔室而沒有顯著的彎曲或下垂。本領域技術人員可根據待要支承的預期長度和重量選擇合適的材料(例如金屬或塑料)。在一個具體實施例中，生物反應器包括豎向支承物(例如，四個豎向支承物，諸如在正方形或矩形布置中)，以及連接在兩個豎向支承物之間的水平支承物(例如，一個或多個水平支承物延伸在所述豎向支承物的兩個之間，以及一個或多個水平支承物延伸在另外兩個豎向支承物之間)。在一些實施例中，取決于水平支承物的長度，所述支承結構可包括一個或多個中間豎向支承物。本領域技術人員可基于生物反應器的尺寸和布置來選擇豎向 支承物和水平支承物的數目和布置。在一個具體實施例中，水平支承物延伸在形成一個矩形的長邊的兩個豎向支承物之間。在一些實施例中，至少一個水平支承物延伸在所述矩形的“前”長邊之間，至少一個水平支承物延伸在所述矩形的“后”長邊之間。所述支承結構被組織為使得水平支承物可在水平軸線上相互偏置。例如，所述水平支承物可在前豎向支承物和后豎向支承物之間交替，例如從頂部到底部。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，使得每個腔室近似豎向(相對于豎向軸線0° )或者相對于所述豎向軸線成一個角度(例如從大于約0°到90° )。水平支承物和豎向支承物是可調整的，使得形成的腔室的角度可被簡單和輕易改變。本領域技術人員可選擇合適的支承結構。在一些實施例中，利用商業(yè)的架子單元(rack unit)。在另一些實施例中，支承結構由輕易可獲取的材料構造，諸如聚氯乙烯管或桿、金屬條或桿、或者木條或桿。在一些實施例中，支承結構是約1-4米高。在另一些實施例中，支承結構的高度是至少I、I. 5、2、2. 5、3、3. 5、4、4. 5、5米、或者更大。在一個具體的非限制實施例中，支承結構是具有鋼水平梁(諸如Edsal型號ER96)的焊接鋼框架的架子(諸如 Edsal 型號 ER2496)。此處公開的生物反應器還包括在第一板和第二板的第二水平邊緣下方的一個貯存器或收集區(qū)域(諸如水池或容器)。所述貯存器被定位為使得生物反應器中的流體從第二水平邊緣中的至少一個開口流入所述貯存器。在一些實施方案中，所述貯存器被定位為使得流體從由第一板和第二板構成的單組腔室流入所述貯存器。在另一些實施方案中，所述收集區(qū)域被定位為使得流體從由兩組或更多組的第一板和第二板構成的兩組或更多組腔室流入所述貯存器(例如一個模塊化的生物反應器系統(tǒng)，如下討論的)。在一些實施例中，所述貯存器的體積等于由第一板和第二板構成的腔室的組合體積的至少50% (諸如至少55%、60%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、99%或者甚至100%)。在一些實施例中，貯存器的體積至少等于系統(tǒng)的腔室和任何管系統(tǒng)的總體積。貯存器的形狀可由本領域技術人員選擇，并且可包括任何形狀(例如，收集區(qū)域可以是正方形、矩形、圓形、六邊形或任何方便的形狀)。所公開的生物反應器還包括用于將流體(例如，營養(yǎng)溶液和/或細胞懸浮液)從貯存器泵送至第一水平邊緣中的開口的裝置，例如泵或其他水移置構件(waterdisplacement member)0在一些實施例中，泵或移置構件包括氣升泵、軸流泵、離心泵、螺桿泵、旋漿泵(propeller pump)、或正排量泵。在一些實施例中，泵或移置構件是潛水泵。在一些實施方案中，泵將流體和/或培養(yǎng)物返回至 第一板和第二板的第一水平邊緣。在另一些實施方案中，泵將流體和/或培養(yǎng)物返回至兩組或更多組的第一和第二水平板的第一水平邊緣(例如，在模塊化的生物反應器中)。在一些實施例中，泵裝置通過管或管道將流體返回至第一水平邊緣。在一些實施例中，流體通過柔性管道(諸如聚乙烯管道、橡膠管道、Tygon 管道、或者Tef I on 聚四氟乙烯管道)返回。在另一些實施例中，流體通過一個管(諸如聚氯乙烯或其他剛性的管材料)返回。本領域技術人員可選擇合適的材料。管道(或管)可具有足以支承所述系統(tǒng)的流率的任何直徑，并且可由本領域技術人員選擇。在一些實施例中，管道或管具有約O. 5cm到20cm的直徑(例如,約O. 5cm到10cm、約Icm到15cm、或者約Icm到5cm)。在一個具體實施例中，所述流體通過約O. 5到Icm直徑的Tygon 管道返回。在一些實施方案中，生物反應器還包括至少一個傳送設備用于向培養(yǎng)物提供二氧化碳、空氣、其他氣體和/或營養(yǎng)物。在一些實施例中，所述至少一個傳送設備被放置在貯存器中。在另一些實施例中，用于向培養(yǎng)物提供氣體和/或營養(yǎng)物的傳送設備被放置在由所述至少一個中間水平密封部形成的腔室的一個或多個中。在一些實施例中，氣體被噴射到所述腔室的一個或多個中。在一個實施例中，氣體噴射被包括在所有的腔室中。在一些實施例中，所述傳送設備包括一個或多個二氧化碳擴散器。在另一些實施例中，所述傳送設備包括一個或多個管，用于傳送營養(yǎng)物，例如如下溶液包括鹽(諸如KN03、K2HPO4, CaCl2,MgSO4, CoCl2, H3BO3、MnCl2、ZnSO4、CuSO4、Na2MoO4、H2SO4 或檸檬酸中的一個或多個)或其他有益的營養(yǎng)物。在一個實施例中，在所述貯存器中包括二氧化碳和/或空氣傳送設備。本領域技術人員可基于用于生物質生產的適應氣候的生物反應器中所存在的有機體、細胞、或組織來選擇合適的氣體和/或營養(yǎng)物以及它們的濃度。此處公開的生物反應器的附加實施方案不包括貯存器。在這樣的實施方案中，利用泵或其他水移置構件，所述培養(yǎng)物通過一個導管(諸如上述的管或管道)直接從第二水平邊緣中的開口再循環(huán)到第一水平邊緣中的開口。在不存在貯存器的情況下，用于提供氣體和/或營養(yǎng)物的至少一個傳送設備被放置在所述腔室的一個或多個中。在該實施方案中，所述營養(yǎng)物可連續(xù)再循環(huán)或可被容納在所述腔室中。在一些實施方案中,可選地包括一個或多個傳感器。在一些實施例中，包括有傳感器和儀器，以監(jiān)測藻類培養(yǎng)物、環(huán)境、或者這二者的一個或多個參數?？杀槐O(jiān)測的培養(yǎng)物參數包括水溫、電導率、pH、二氧化碳、溶解氧、光密度(例如，藻類密度)、離子濃度(例如，鈣濃度)以及流率?？杀槐O(jiān)測的環(huán)境參數包括空氣溫度、相對濕度、太陽輻射、光合有效輻射以及風速。用于測量培養(yǎng)物參數的傳感器被放置在系統(tǒng)中的一個或多個位置，例如，至少一個傳感器被放置在所述貯存器中。本領域技術人員可為傳感器選擇合適的數目和位置以獲得任何具體參數。用于監(jiān)測環(huán)境參數的一個或多個傳感器被放置在生物反應器的鄰近處，諸如在生物反應器的至少50米內。在另外的實施方案中，所公開的生物反應器包括用于調節(jié)生物反應器中的培養(yǎng)物的溫度的裝置。在一些實施方案中，生物反應器包括可用于調節(jié)培養(yǎng)物的溫度的加熱套或冷卻套(例如，集成在所述第一板和第二板之一中)。調節(jié)生物反應器的溫度的裝置對于本領域技術人員是眾所周知的，并且包括熱交換器，諸如通過使經加熱或冷卻的液體循環(huán)經過一個套從而保持恒定的選擇的溫度。在一些實施例中，第三透明材料板(諸如柔性塑料板)被放置在所述第一板和第二板的一個或兩個上方，形成流體(例如，預期溫度的水)再循環(huán)經過的第二層。所述層和所述流體的厚度被選擇，使得光在通過所述第二層到達所述第一板和第二板之間的空間時沒有顯著減少。在另一些實施例中，溫度調節(jié)通過如下方式實現，即，將反應器腔室的外表面噴灑流體(諸如水)，形成蒸發(fā)冷卻。在再一些實施例中，溫度調節(jié)裝置，諸如盤管或管熱交換器被插入所述貯存器以調節(jié)溫度。散熱設備(heat sink)或熱傳遞翅片可被插入貯存器的壁中，以被動增加與周圍空氣的熱交換。在一些實施例中，用于加熱套或熱交換器的熱是廢熱(waste heat)，例如來自生物氣制造系統(tǒng)、太陽能電池廢熱單元、發(fā)電廠、地熱源、或位于系統(tǒng)附近的工業(yè)工廠。在另一些實施例中，從溫水提供用于加熱管的熱。在再一些實施例中，溫度調節(jié)設備包括至少一個冷卻管，諸如用于使冷水循環(huán)的管。所公開的生物反應器可被布置為模塊化形式。例如，可使用一個共同的結構支承物(例如至少一個水平支承物)來支承上述的多個豎向串聯的腔室。圖6示出了具有三個豎向串聯的腔室的一個示例的模塊化系統(tǒng)。本領域技術人員可基于培養(yǎng)物的生產的期望水平、腔室的尺寸、以及支承結構的尺寸來選擇豎向串聯的腔室的數目。在一些非限制實施例中，豎向串聯的腔室的數目是1個或更多個(諸如2、3、4、5、6、7、8、9、10，或者更多)。在另一些非限制實施例中，豎向串聯的腔室的數目是2-50個(諸如5-30個或10-20個)。在具體實施例中，模塊化系統(tǒng)包括至少四個豎向支承物(例如，在矩形配置中)以及延伸在所述豎向支承物的兩個之間的至少一個水平支承物。多個豎向串聯的腔室可被相同的水平支承物支承。在一些實施例中，包括兩個或更多個豎向串聯的腔室的系統(tǒng)共享一個共同的貯存器、一個或多個泵，和/或用于向培養(yǎng)物提供二氧化碳、空氣、其他氣體和/或營養(yǎng)物的一個或多個傳送設備。在另一些實施例中，豎向串聯的腔室中的每一個具有一個分立的貯存 器、泵，以及可選地用于向培養(yǎng)物提供二氧化碳、空氣、其他氣體和/或營養(yǎng)物的一個傳送設備。II.具體實施方案的描述在此處提供和下文描述的附圖中，應理解附圖僅是示例性的，并未必按比例示出。本領域技術人員利用本公開內容可調整此處描述的特征中的任一個(例如，所述板的長度和/或寬度、開口的尺寸、腔室的尺寸、角度、結構支承物的尺寸等)。圖I是本公開內容的生物反應器100的示例實施方案的立視圖。該生物反應器包括第一板110,該第一板部署為鄰近于第二板(未不出)，所述第一板和第二板沿著第一縱向邊緣120和第二縱向邊緣125被密封。第一板110和第二板115還沿著第一水平邊緣130和第二水平邊緣135被密封，并且在第一水平邊緣130和第二水平邊緣135之間還具有至少一個中間水平密封部140。中間水平密封部140形成能夠容納流體的至少兩個腔室150。所述腔室沿著豎向軸線155串聯，其中所述至少兩個腔室150中的每一個都被定向為相對于所述豎向軸線成0°到90°的角度，以及所述腔室150a中的至少一個被定向為相對于所述豎向軸線成大于0°的角度。在第一水平邊緣130、第二水平邊緣135以及至少一個中間水平密封部140的每一個中都存在至少一個開口 160，例如以允許流體流過所述腔室。生物反應器100還包括一個支承結構，該支承結構包括位于所述至少一個中間水平密封部140處或附近的至少一個水平支承物170。生物反應器100還包括位于所述第二水平邊緣135下方的貯存器180，和用于將流體從貯存器180泵送至第一水平邊緣130中的開口 160的裝置，例如，泵190和導管195。箭頭表明流體流動的方向。圖2是本公開內容的生物反應器200的一個示例實施方案的側視圖。第一板210被部署為鄰近于第二板215。如該視圖中示出的，水平支承物220中的至少一些在水平軸線225上偏置，以相對于所述豎向軸線240成一個角度235來支承所述腔室230。角度(235a、235b,235c以及235d)中的每一個可以不同，或者兩個或更多個可以相同(例如，235b和235c可以相同)。貯存器250包括泵裝置260和導管265(例如，管道)以使流體返回至頂部腔室230a。在該實施方案中，貯存器250還包括用于將氣體和/或營養(yǎng)物引入貯存器250的至少一個入口管線270。圖3是本公開內容的一個示例的生物反應器300的一部分的立體圖，示出腔室310相對于豎向軸線320的布置。 圖4是本公開內容的生物反應器的一個示例實施方案的腔室的布置的側視圖。腔室410的每一個都被定向為相對于豎向軸線420成大于0°的角度415。角度(415a、415b、415c以及415d)可以不同，或者兩個或更多個(或者全部)可以相同。圖5A至是所公開的生物反應器的腔室中的開口的示例圖樣的平面立視圖。在圖5A中，第一水平邊緣520、第二水平邊緣525以及中間水平密封部530中的開口 510在鄰近于第一縱向邊緣540和第二縱向邊緣545之間交替。在圖5B中，第一水平邊緣520具有兩個開口 510，一個鄰近于第一縱向邊緣540，一個鄰近于第二縱向邊緣545。中間水平密封部530具有近似位于所述中間水平密封部530的中心的一個開口 510。第二水平邊緣525具有兩個開口 510，一個鄰近于第一縱向邊緣540，一個鄰近于第二縱向邊緣545。在圖5C中，中間水平密封部530相對于第一水平邊緣520向上成角度。在圖中，中間水平密封部530相對于第一水平邊緣520向下成角度。箭頭表明生物反應器中的流體流動的大體方向。圖6是示出一個公開的生物反應器的示例模塊化布置的立視圖。水平支承物610可支持多個用于生物質生產的適應氣候的生物反應器620。在一個不例實施方案中，每個生物反應器620包括一個單獨的貯存器630。然而，在其他實施方案中，系統(tǒng)可包括用于多個生物反應器的單個貯存器。III.在用于生物質生產的適應氣候的生物反應器中培養(yǎng)細胞的方法此處公開了在利用上述用于生物質生產的適應氣候的生物反應器的實施方案的生物反應器中培養(yǎng)細胞的方法。在一個實施方案中，所述方法包括使細胞懸浮液在本公開內容的生物反應器的營養(yǎng)液中循環(huán)的方法。在另一實施方案中，所述方法包括使流體(諸如，營養(yǎng)液)在本公開內容的生物反應器中循環(huán)，其中生物反應器的腔室中的一個或多個包括培養(yǎng)中的細胞或組織。所述方法包括對感興趣的細胞和/或有機體的分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)。在一些實施方案中，培養(yǎng)物和/或流體從位于第一板和第二板的第二水平邊緣下方的貯存器循環(huán)至所述第一板和第二板的第一水平邊緣。所述培養(yǎng)物和/或流體靠重力流動向下流過由中間水平密封部形成的串聯腔室。所述培養(yǎng)物和/或流體通過第一板和第二板的第二水平邊緣中的開口返回至貯存器。所述培養(yǎng)物和/或流體借助一個或多個泵或移置構件從所述貯存器傳輸至所述第一水平邊緣。在一些實施例中，所述泵是放置在所述貯存器中的潛水泵。在另一些實施例中，例如在不包括貯存器的用于生物質生產的適應氣候的生物反應器的實施方案中，所述培養(yǎng)物和/或流體從第二水平邊緣中的開口循環(huán)到第一水平邊緣中的開口。在一些實施例中，所述泵提供約5到70升每分鐘的流率(諸如約5至50升/分鐘、10至70升/分鐘、15至50升/分鐘)。在一個具 體實施例中，所述泵在最前面的8英尺處提供約14升/分鐘的流率?？商砑宇~外的泵來增大流率，例如增大至約28升/分鐘或約42升/分鐘?；蛘撸墒褂靡粋€調節(jié)器閥或可變驅動泵來調節(jié)流率。所述培養(yǎng)物和/或流體通過導管或管從貯存器(或者從第二水平邊緣)傳輸至第一水平邊緣。在一個具體的實施例中，所述導管是管道，諸如柔性管道(例如，聚乙烯管道、橡膠管道、Tygon 管道或Teflon·管道)。在一些實施方案中，所述方法包括改變流率以調整流體力學條件。例如，均質流(homogeneous flow)通過低流速形成。在一些實施例中，均質流通過低流速結合均勻流(uniform flow)(例如,兩個或更多個連貫的開口在豎向軸線上對準)和/或限制性混合的條件形成。在其他一些實施例中，非均質流(heterogeneous flow)通過高流速形成。在一些實施例中，非均質流通過高流速結合無秩序流(chaotic flow)(例如,蜿蜓的或交替圖樣的開口)和/或高度混合的條件形成。本領域技術人員可為公開的生物反應器選擇一個流率來形成期望的流動和流體動力學條件。在一些實施方案中，所述方法包括將所述生物反應器和所述生物反應器中的培養(yǎng)物都暴露至光源，例如用于培養(yǎng)光合細胞，諸如藻類。在一些實施例中，所述光源是自然日光。例如，生物反應器可被放到戶外或者到溫室中，在戶外或者到溫室中生物反應器被暴露至自然日光。在該實施例中，培養(yǎng)物被暴露至自然光周期/黑暗周期，該自然光周期/黑暗周期的長度根據緯度和季節(jié)變化。在另一些實施例中，生物反應器和培養(yǎng)物被暴露至人造光源(例如，白熾燈、熒光燈、或鹵素燈、或發(fā)光二極管)。如果光源是人造光源，則該方法可包括光和黑暗的交替時段。在一個實施例中，所述生物反應器被暴露至光長達24小時周期中的12小時。在一些實施例中，選擇所述光源(諸如，人造光源)的波長，以促進生物反應器中培養(yǎng)中的有機體或細胞類型的最佳生長。在一些實施例中，光源的波長包括光合有效輻射(例如，光的波長在約400-700nm之間)。在另一些實施例中，選擇所述光源的波長以引起或增加培養(yǎng)中的有機體或細胞對于具體感興趣的一個或多個化合物的合成。例如，花青素的合成由UV-B光(諸如,約280-300nm)引起。本領域技術人員可選擇合適的光或波長用于感興趣的細胞的培養(yǎng)和/或感興趣的化合物的生產，例如用于最大化細胞生長或生產。在一些實施例中，選擇所述生物反應器的腔室中的一個或多個相對于豎向軸線的角度，以最優(yōu)化將所述腔室(以及其中的培養(yǎng)物)暴露至入射光。在一些實施例中，選擇所述腔室中的一個或多個的角度，使得至少一個腔室的福照度(irradiance)是約80到500 μ mol/m2So基于生物反應器中培養(yǎng)中的細胞或有機體，本領域技術人員可選擇合適的輻照度范圍。在一些實施例中，如果培養(yǎng)中的是微藻類，則選擇約80-250 μ mol/m2s的輻照度。在另一些實施例中，如果培養(yǎng)中的是植物細胞或植物組織，則選擇約300-400 μ mol/m2s的輻照度。在一些實施例中(例如，如果生物反應器被暴露至自然日光)，實現選定的輻照度所需的角度可隨時間變化。可調整所述生物反應器(例如，通過移動一個或多個水平支承物)，從而改變所述腔室中一個或多個的角度以實現或保持選定的輻照度水平。在一些實施例中，這是通過手動調整所述生物反應器實現的。在另一些實施例中，自動系統(tǒng)被用來周期性地或持續(xù)地調整所述腔室中一個或多個的角度以實現或保持所選定的輻照度。在一些實施例中，所述方法包括調節(jié)所述培養(yǎng)物的溫度。用于溫度調節(jié)的裝置是本領域技術人員眾所周知的。在一個實施例中，所述生物反應器位于如下一個封閉區(qū)域(諸如，溫室)中，該封閉區(qū)域被加熱或冷卻以保持選定的溫度或溫度范圍。在另一些實施例中，可通過在所述貯存器和/或所述生物反應器腔室中或周圍的溫度調節(jié)設備來調節(jié)所述培養(yǎng)物的溫度。這樣的設備包括加熱套或冷卻套或熱交換器(如上文第I部分討論的)。在具體實施例中，在夜間提供熱，以將培養(yǎng)物的溫度維持在用于培養(yǎng)物生長的最佳范圍內。在另一些實施例中，在白天提供冷卻(尤其在具有高太陽輻射的白天或季節(jié)的時間)，以將培養(yǎng)物的溫度保持在最佳范圍內。本領域技術人員可為培養(yǎng)中的具體細胞或有機體選擇合適的溫度范圍，并且確定用于加熱或冷卻來保持選定的溫度范圍的需要。在一些實施方案中，所述方法還包括收獲培養(yǎng)物?？稍谶_到選定參數時收獲所述培養(yǎng)物，所述選定參數例如為時間點(例如，培養(yǎng)至少約24、36、48、72、96或更多小時)、細胞密度(例如，至少約每毫升103、104、IO5UO6或更多細胞)，或者培養(yǎng)物的光密度(例如，在選定波長處的吸光率(absorbance)為至少約O. 5、I. O、I. 5、2、2. 5或更大)?；谂囵B(yǎng)中的有機體或細胞類型，本領域技術人員可選擇用于培養(yǎng)物收獲的合適參數或時間點。用于收獲細胞的方法是本領域技術人員眾所周知的。在一些實施例中，全部培養(yǎng)物都被收獲。在另一些實施例中，保留所述培養(yǎng)物的一部分(例如，在貯存器中)用作繼續(xù)培養(yǎng)物生產的培養(yǎng)液(inoculum)。例如，培養(yǎng)物被存儲用作培養(yǎng)液，接下來向生物反應器添加水來開始新一批培養(yǎng)。在一些實施例中，存儲用于培養(yǎng)液用途的培養(yǎng)物是約IOOml到約100升(諸如，約1-50升、10-75升、25-75升或者約50升)。在另一些實施例中，培養(yǎng)物的一部分被保留用于新培養(yǎng)物的培植，例如總收獲的培養(yǎng)物體積的約10%-50% (諸如，總收獲的培養(yǎng)物體積的約10%-40%、10%-35%、20%-50%、20%-40%、30%-35%或者約33%)。用作培養(yǎng)液所需要的培養(yǎng)物的體積或百分比可由本領域技術人員確定，例如，基于培養(yǎng)中的細胞或有機體、收獲時的培養(yǎng)物的密度，以及將被注有的水的總體積。此處公開的生物反應器和方法適于培養(yǎng)各種各樣的有機體或細胞，包括但不限于藻類(諸如，微藻類和/或大型藻類)。在一些實施例中，藻類物種包括但不限于小球藻(Chlorella)(諸如，普通小球藻(Chlorella vulgaris))、衣藻(Chlamydomonas)(諸如，萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii))、角毛藻(Chaetoceros)、螺旋藻(Spirulina)(諸如，鈍頂螺旋藻(Spirulina platensis))、杜氏藻(Dunaliella),以及紫球藻(Porphyridum)。在具體實施例中，藻類物種包括用于生產生物燃料或其他化合物(諸如，多元不飽和酸、顏料、或植物化學物質，例如用于營養(yǎng)補充)的藻類。在一些實施例中，藻類包括纖維藻屬(Akistrodesmus)、節(jié)旋藻屬(Arthrospira)、布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)、小球藻(諸如，小球藻屬或原始小球藻(Chlorellaprotothecoides))、隱甲藻(Crypthecodinium)(諸如，寇氏隱甲藻(Crypthecodiniumcohnii))、小環(huán)操屬(Cyclotella)、杜氏藻(Dunaliella tertiolecta)、江蘺屬、(Gracilaria)、菱板藻屬(Hantzschia)、紅球藻(Haematococcus)(諸如，雨生紅球藻(Haematococcus pluvialis))、微綠球藻(Nannochloris)、微擬球藻(Nannochloropsis)、富油新綠藻(Neochloris oleoabundans)、菱形藻(Nitzschia)、褐指藻(Phaeodactylum)、顆石藻(Pleurochrysis carterae)(也稱為 CCMP647)、紫球藻(Porphyridium)、馬尾藻(Sargassum)、柵藻(Scenedesmus)(諸如，斜生柵藻)、裂殖壺菌屬(Schiochytrium)、裂絲藻屬(Stichococcus)、浮游生物(Tetraselmis suecica)、假微型海鏈藻(Thalassiosirapseudonana)、破囊壺菌(Thraustochytrium roseum)和吾肯氏壺藻屬(Ulkenia sp.)。在一個實施例中，藻類物種是布朗葡萄藻。此處公開的生物反應器和方法還適用于培養(yǎng)可在懸浮液中生長的任何細胞，包括但不限于微藻類(如上所述)、大型藻類、細菌(例如，大腸桿菌、枯草桿菌或棒狀桿菌)、真菌(例如，釀酒酵母、乳酸克魯維酵母或巴斯德畢赤酵母)、昆蟲細胞(例如，草地貪夜蛾細胞(諸如，Sf9或Sf21細胞)或者粉紋夜蛾細胞(諸如，High Five 細胞))、植物細胞(諸如，擬南芥細胞、煙草細胞或紫杉細胞)、或者哺乳動物細胞(諸如，中國倉鼠卵巢(CHO)細胞)。在一個實施例中，此處公開的生物反應器和方法用于培養(yǎng)藻類，以生產用于生物燃料的合成·的脂肪酸。在另一些實施例中，此處公開的生物反應器和方法用于培養(yǎng)生產其他自然產品(諸如，紫杉醇、顏料或膳食補充物)或重組蛋白質的細胞。此處公開的生物反應器和方法還可用于組織或器官(諸如，動物或植物組織或器官培養(yǎng)物)的培養(yǎng)。在一個實施例中，此處公開的生物反應器和方法用于毛狀根培養(yǎng)物(例如，人參、紫草、埃及莨菪或顛茄)。在另外的實施例中，此處公開的生物反應器和方法可用于培養(yǎng)植物組織、植物器官、或植物體細胞胚。在另外的實施例中，此處公開的生物反應器和方法可用于培養(yǎng)哺乳動物器官或哺乳動物組織。在一些實施例中，組織或器官在生物反應器的一個或多個腔室中是靜止的，營養(yǎng)溶液流過隔室，浸沒或浸泡所述組織或器官。通過下面的非限制實施例示出本公開文本。實施例實施例I藻類培養(yǎng)本實施例描述了對于在光生物反應器試驗中利用的藻類的藻種(algae strains)和實驗室培養(yǎng)條件。布朗葡萄藻種UTEX 572獲得自德克薩斯大學的培養(yǎng)物保藏(奧斯汀，德克薩斯州)。布朗葡萄藻是一種在文獻中因其高含量的長鏈烴而出名的單細胞綠藻種類。所述種在利用Mill ipore :過濾蒸餾水制備的pH 7. 5的改性的Chu 13培養(yǎng)基(表I)中的無菌條件下生長。在制備之后，培養(yǎng)基通過在121°c時滅菌保持25分鐘被高壓滅菌。實驗室培養(yǎng)物被保持在500ml燒瓶中，受到來自冷白熒光燈的150-200 μ mol/m2s的照射。培養(yǎng)物每天接收12小時的照射。持續(xù)向培養(yǎng)物供應富含5%C02的空氣。通過使用磁攪拌器，使培養(yǎng)物燒瓶保持持續(xù)混合。健康的細胞每7-10天收獲一次，并且被重新懸浮在新的培養(yǎng)基中。表IChu 13培養(yǎng)基配方
權利要求
1.一種生物反應器，包括 (a)第一板和第二板，其中所述第二板被部署為鄰近于所述第一板，所述第一板和第二板沿著第一縱向邊緣、第二縱向邊緣、第一水平邊緣以及第二水平邊緣被密封，并且包括在所述第一水平邊緣和所述第二水平邊緣之間的至少一個中間水平密封部，由此形成沿豎向軸線串聯的用于容納流體的至少兩個腔室，其中兩個或更多個腔室中的每一個被定向為相對于所述豎向軸線成一個角度，其中所述角度是約0°到約90°，所述腔室中的至少一個被定向為大于0°的角度，以及其中在所述第一水平邊緣、所述第二水平邊緣、以及所述至少一個中間水平密封部的每一個中存在至少一個開口； (b)一個支承結構，包括至少一個水平支承物，其中所述水平支承物位于所述中間水平密封部的位置處或附近； (c)一個貯存器，位于所述第一板和第二板的第二水平邊緣下方；以及 (d)用于將流體從所述貯存器泵送至所述第一板和第二板的第一水平邊緣的裝置。
2.根據權利要求I所述的生物反應器，其中所述第一板和第二板中的至少一個是透明的。
3.根據權利要求I所述的生物反應器，其中所述第一板和第二板各自包括柔性材料。
4.根據權利要求3所述的生物反應器，其中所述柔性材料選自聚乙烯和聚氯乙烯。
5.根據權利要求I到4中任一項所述的生物反應器，其中所述腔室中的至少一個相對于所述豎向軸線成約0°的角度。
6.根據權利要求I到4中任一項所述的生物反應器，其中所述相對于所述豎向軸線成大于0°的角度是約30°到約75°。
7.根據權利要求6所述的生物反應器，其中所述相對于所述豎向軸線成大于0°的角度是約45°到約65°。
8.根據權利要求I到4中任一項所述的生物反應器，其中在所述第一水平邊緣、中間水平密封部、以及第二水平邊緣的每一個中的開口不沿所述豎向軸線對準。
9.根據權利要求8所述的生物反應器，其中所述開口在鄰近于所述第一縱向邊緣的位置和鄰近于所述第二縱向邊緣的位置之間交替。
10.根據權利要求8所述的生物反應器，其中所述開口在鄰近于所述第一縱向邊緣和/或所述第二縱向邊緣的至少一個位置和基本在所述中間水平密封部的中心的位置之間交替。
11.根據權利要求I到4中任一項所述的生物反應器，包括在所述第一水平邊緣和所述第二水平邊緣之間的兩個或更多個中間水平密封部。
12.根據權利要求11所述的生物反應器，包括三個到二十個中間水平密封部。
13.根據權利要求I到4中任一項所述的生物反應器，進一步包括至少一個傳送設備，用于向生物反應器內的流體提供氣體和/或營養(yǎng)物。
14.根據權利要求13所述的生物反應器，其中所述傳送設備向所述貯存器內的流體提供氣體和/或營養(yǎng)物。
15.一種用于培養(yǎng)細胞的方法，包括使細胞懸浮液在根據權利要求I到4中任一項所述的生物反應器中的營養(yǎng)物溶液中循環(huán)。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述細胞包括微藻類、大型藻類、細菌、真菌、植物細胞、或哺乳動物細胞。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述微藻類是萊茵衣藻、普通小球藻、鈍頂螺旋藻、雨生紅球藻、布朗葡萄藻、眼點微擬球藻、寇氏隱甲藻或破囊壺菌。
18.根據權利要求15所述的方法，其中所述細胞懸浮液以約10-50升每分鐘的流率循環(huán)。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述流率是約14-42升每分鐘。
20.根據權利要求15所述的方法，其中所述生物反應器被暴露至光源。
21.根據權利要求20所述的方法，其中所述光源是日光。
22.根據權利要求20或21所述的方法，其中所述腔室中的一個或多個相對于所述豎向 軸線的定向為如下一個角度，該角度將所述一個或多個腔室最大化地暴露至來自所述光源的福射能。
全文摘要
此處公開了生物反應器，包括第一板和第二板(它們中的一個或兩個是對于光是基本透明的)，其中第二板被部署為鄰近于第一板，第一板和第二板沿著第一縱向邊緣、第二縱向邊緣、第一水平邊緣、第二水平邊緣被密封，并包括在第一水平邊緣和第二水平邊緣之間的至少一個中間水平密封部，由此形成沿豎向軸線串聯的用于容納流體的至少兩個腔室，其中兩個或更多個腔室中的每一個被定向為相對于所述豎向軸線成一個角度，所述角度是約0°到約90°，所述腔室中的至少一個被定向為大于0°的角度，以及在第一水平邊緣、第二水平邊緣以及中間水平密封部的每一個中存在至少一個開口；一個支承結構，包括至少一個水平支承物，其中所述水平支承物位于中間水平密封部的位置處或附近；一個貯存器，位于第一板和第二板的第二水平邊緣下方；以及用于將流體從貯存器泵送至第一板和第二板的第一水平邊緣的裝置。還公開了培養(yǎng)細胞的方法，包括使細胞懸浮液在所公開的生物反應器中循環(huán)。在一些實施例中，所述細胞包括微藻類、大型藻類、細菌、真菌、昆蟲細胞、植物細胞、動物細胞(諸如哺乳動物細胞)、或植物或動物組織或器官。在具體實施例中，所述方法包括將生物反應器中的培養(yǎng)物暴露至光源(諸如日光或人造光源)。
文檔編號C12M3/02GK102712892SQ201080061791
公開日2012年10月3日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權日2009年11月19日
發(fā)明者J·L·奎洛, J·W·雷 申請人:代表亞利桑那大學的亞利桑那校董會