專利名稱：培養(yǎng)光合生物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)光合生物(尤其是微藻(microalgae))的培養(yǎng)室和方法。
背景技術(shù)：
由于光合生物的多種應(yīng)用，這些微生物(尤其是微藻和藍(lán)細(xì)菌)的培養(yǎng)，已成為關(guān)注的焦點(diǎn)。第一，光合微生物的培養(yǎng)可以利用廢物二氧化碳(CO2)和養(yǎng)分(例如，來自污水或農(nóng)產(chǎn)品)，并且在光存在下，將它們轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)(biomass)。第二，生產(chǎn)的生物質(zhì)具有多種潛在的用途，包括油提取，其然后可以被轉(zhuǎn)化為生物柴油；作為生物塑料工業(yè)的原料； 提取營養(yǎng)物、藥品和化妝品；用作動物飼料和作為生物柴油、熱解和氣化工廠的原料。藻類，例如微藻，既可以在開放體系下培養(yǎng)又可以在封閉體系下培養(yǎng)。所述開放體系包括池塘、水溝或運(yùn)河，以及所述封閉體系包括由封閉的管制成的光生物反應(yīng)器或能夠使光透過到包含藻的培養(yǎng)基的其他房屋。一般來說，開放體系比封閉體系具有建造成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。然而，事實上，對環(huán)境開放的這些體系會產(chǎn)生缺乏溫度控制和潛在的培養(yǎng)物被不需要的生物污染的巨大風(fēng)險的問題。此外，在開放的池塘或水溝體系下，通過混合培養(yǎng)基來保持營養(yǎng)物與氣體的分布會更加困難。雖然在封閉的光生物反應(yīng)器體系下對溫度和營養(yǎng)物供應(yīng)具有較好的控制，但是這些類型的體系具有高建造成本和缺乏靈活性的缺點(diǎn)。在封閉的生物反應(yīng)器體系中，在有效地保持適當(dāng)?shù)幕旌弦约霸跔I養(yǎng)物/溫度分布方面也存在困難。本發(fā)明旨在解決本領(lǐng)域中用于培養(yǎng)光合生物(尤其是微藻)的已知體系中的一個或多個問題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明概述一方面，本發(fā)明提供了一種用于培養(yǎng)光合生物的培養(yǎng)室，其包括(a) 一個壁或多個壁，其限定氣體空間；和在所述氣體空間下面的培養(yǎng)基容納區(qū)域；(b) 一個或多個氣體入口，所述氣體入口設(shè)置在所述培養(yǎng)基容納區(qū)域內(nèi)以使在使用時氣體通過所述培養(yǎng)基；和(c) 一個或多個氣體出口，所述氣體出口與所述氣體空間連通；所述培養(yǎng)室使所述培養(yǎng)基暴露于自然光和/或包括人工光源。另一方面，本發(fā)明提供了一種培養(yǎng)光合生物的方法，該方法包括以下步驟(a)提供培養(yǎng)室，其包括(i) 一個壁或多個壁，其限定氣體空間；和
在所述氣體空間下面的培養(yǎng)基容納區(qū)域；(ii) 一個或多個氣體入口，所述氣體入口設(shè)置在所述培養(yǎng)基容納區(qū)域內(nèi)以使在使用時氣體通過所述培養(yǎng)基；和(iii) 一個或多個氣體出口，所述氣體出口與所述氣體空間連通；(b)向所述培養(yǎng)室中引入培養(yǎng)基和光合生物的接種物，所述培養(yǎng)室使所述培養(yǎng)基暴露于自然光和/或包括人工光源；(c)通過所述氣體入口弓丨入氣體并通過所述氣體出口使氣體排出，其中，通過氣流混合所述培養(yǎng)基；和(d)使光合生物在光存在下生長。發(fā)明詳述通過氣體入口，氣體會進(jìn)入培養(yǎng)室。當(dāng)氣體入口位于含有光合生物的培養(yǎng)基表面的下方時，氣體會被鼓入培養(yǎng)基。從培養(yǎng)基表面的下方引入氣體會使培養(yǎng)基混合并協(xié)助氣體、營養(yǎng)物、光和熱在整個培養(yǎng)基中的分布。在優(yōu)選的實施方式中，在光合生物進(jìn)行光合成時(在光存在下)，所述氣體基本上以連續(xù)的方式被引入。在優(yōu)選的實施方式中，沿著所述培養(yǎng)基容納區(qū)域的底部設(shè)置所述氣體入口。在一個實施方式中，所述培養(yǎng)室的一個或多個壁是由可使所述培養(yǎng)室膨脹的柔性材料組成。這種柔性材料包括，但不限于，塑料類型的膜。在優(yōu)選的實施方式中，所述培養(yǎng)室為封閉的柔性塑料結(jié)構(gòu)的形式，例如塑料袋型結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選的實施方式中，所述培養(yǎng)室的一個或多個壁是光可透過的。在所述培養(yǎng)室是可膨脹的情況下，所述培養(yǎng)室的膨脹可以通過氣體的流動來保持，通過氣體入口將氣體引入到所述培養(yǎng)室和通過氣體出口將氣體排出來實現(xiàn)所述氣體的流動?？梢酝ㄟ^設(shè)置在所述培養(yǎng)基的表面上和/或表面下的一個或多個氣體入口將氣體弓I 入到培養(yǎng)室中。因此，在另一方面，本發(fā)明提供了一種培養(yǎng)光合生物的方法，包括以下步驟(a)提供可膨脹的培養(yǎng)室，所述培養(yǎng)室包括(i) 一個壁或多個壁，其限定氣體空間；禾口在所述氣體空間下面的培養(yǎng)基容納區(qū)域；(ii) 一個或多個氣體入口，所述氣體入口設(shè)置在所述培養(yǎng)基容納區(qū)域內(nèi)以使在使用時氣體通過所述培養(yǎng)基；和(iii) 一個或多個氣體出口，所述氣體出口與所述氣體空間連通；(b)向所述培養(yǎng)室中引入培養(yǎng)基和光合生物的接種物，所述培養(yǎng)室使所述培養(yǎng)基暴露于自然光和/或包括人工光源；(c)通過所述氣體入口弓丨入氣體并通過所述氣體出口使氣體排出，其中，氣流混合所述培養(yǎng)基并保持所述培養(yǎng)室在膨脹的狀態(tài)；和(d)使光合生物在光存在下生長。 優(yōu)選地，在整個培養(yǎng)室設(shè)置許多氣體入口。在優(yōu)選的實施方式中，所述氣體入口被設(shè)置在所述培養(yǎng)室的底部，優(yōu)選沿著培養(yǎng)室底部的長度方向設(shè)置。 在進(jìn)一步的優(yōu)選實施方式中，在所述培養(yǎng)室的底部沿導(dǎo)管設(shè)置所述氣體入口，其中，所述導(dǎo)管適于傳送和分布所述氣流。優(yōu)選地，沿所述導(dǎo)管按間隔設(shè)置所述氣體入口以使沿伸長的培養(yǎng)室的長度基本上均勻的氣流分布。在進(jìn)一步的實施方式中，設(shè)置所述氣體出口以釋放在柔性培養(yǎng)室中積累的過量氣體壓力。在優(yōu)選的實施方式中，所述氣體出口可包括閥體系，優(yōu)選單向閥體系。使用單向閥可降低培養(yǎng)室被外部空氣污染的風(fēng)險。在進(jìn)一步的實施方式中，氣體既通過培養(yǎng)基的表面上的氣體入口又通過培養(yǎng)基的表面下的氣體入口進(jìn)入培養(yǎng)室。通過在培養(yǎng)基的表面上引入氣體容許在培養(yǎng)室中的氣氛的改變。可以將合適的氣體和/或液體營養(yǎng)物引入到本發(fā)明的培養(yǎng)室中來幫助光合生物的生長。所述氣體或液體可選自二氧化碳(CO2)；來自水產(chǎn)和農(nóng)業(yè)的肥料和廢物(例如鱒魚、大麻哈魚、牛、豬和雞養(yǎng)殖場)。所述ω2可來自任何合適的來源并且可來自空氣或以濃縮的形式。合適的濃縮ω2的來源包括，但不限于，煙道氣、窯氣和焚燒氣以及來自厭氧消化的氣體。在優(yōu)選的實施方式中，CO2的來源為煙道氣，更優(yōu)選脫硫的煙道氣(Dre)。引入到培養(yǎng)室中的(X)2的濃度可通過與(X)2混合的空氣的量的改變而改變。例如， 根據(jù)光合生物的(X)2需求，可用空氣稀釋包含(X)2的煙道氣。在黑暗期間，例如在晚上，當(dāng)使用自然光時，在通過增加混合物中的空氣的量來保持恒定的氣流的同時，可以降低(X)2的量?？梢詫⒁cCO2源混合的空氣過濾以除去某些顆粒物質(zhì)，例如，使用空氣微粒過濾器， 更優(yōu)選使用高效微?？諝?HEPA)過濾器。所述培養(yǎng)基可為用于所需的光合生物生長的任何合適的培養(yǎng)基。所述培養(yǎng)基可基于淡水或鹽水并且可以包括來自于工業(yè)過程或污水處理系統(tǒng)的廢水。為使生物體進(jìn)行光合成需要光源?？梢允褂萌魏魏线m的光源，包括自然光和人工光或自然光和人工光的組合?？梢酝ㄟ^任何合適的光源來提供人工光。在一個實施方式中， 通過發(fā)光二極管(LED)來提供人工光源?？梢蕴峁┤斯す庠磥硌娱L每天的時間長度以使生物體在白天以外的時間繼續(xù)進(jìn)行光合成。因此，在一個實施方式中，本發(fā)明的培養(yǎng)室和方法適于根據(jù)需要交替使用自然光和人工光。在另一方面，本發(fā)明提供了一種培養(yǎng)光合生物的方法，包括以下步驟(a)提供培養(yǎng)室，所述培養(yǎng)室包括(i) 一個壁或多個壁，其限定氣體空間；禾口在所述氣體空間下面的培養(yǎng)基容納區(qū)域；(ii)與所述氣體空間連通的一個或多個氣體入口和一個或多個氣體出口 ；和(iii)氣流控制部件；(b)向所述培養(yǎng)室引入培養(yǎng)基和光合生物的接種物，所述培養(yǎng)室使所述培養(yǎng)基暴露于自然光和/或包括人工光源；(c)利用所述氣流控制部件，控制所述氣流通過所述氣體入口進(jìn)入和通過所述氣體出口排出，其中，所述氣流帶動所述培養(yǎng)基的蒸發(fā)；和(d)使光合生物在光存在下生長。所述氣流控制部件優(yōu)選為風(fēng)扇。所述風(fēng)扇優(yōu)選位于伸長的培養(yǎng)室的一端。
在優(yōu)選的實施方式中，所述培養(yǎng)室是可膨脹的。在進(jìn)一步的實施方式中，所述氣流保持培養(yǎng)室在膨脹狀態(tài)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過培養(yǎng)基的蒸發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)培養(yǎng)室中的溫度控制。這有助于微生物的培養(yǎng)，因為溫度控制對于通過微生物獲得相關(guān)化學(xué)品的最佳生長和/或最佳生產(chǎn)是重要的 (例如作為生物柴油的成分的甘油三酸酯)。為了抵消與培養(yǎng)基的水分蒸發(fā)有關(guān)的任何不需要的鹽度升高，可以向培養(yǎng)基中加入另外的水。所述另外的水可為任何合適的形式，例如以淡水或水產(chǎn)廢水的形式。使用本發(fā)明的方法控制培養(yǎng)基的溫度的進(jìn)一步機(jī)制是控制氣體被引入培養(yǎng)室的比率和/或引入的氣體的溫度。例如，通過降低在比環(huán)境溫度低的溫度下引入到培養(yǎng)基中的氣體的量從而降低培養(yǎng)基的混合和結(jié)果的熱量交換，可以降低在比最佳環(huán)境溫度低的溫度下的熱量損失。因此，在黑暗中可以減少氣流以及可以完全停止氣流以在低的夜間環(huán)境溫度期間至少部分地保持培養(yǎng)基的溫度。此外，通過改變引入到培養(yǎng)室中的氣體的溫度和組成可以改變液體培養(yǎng)基的溫度。例如，如果使用來自于煙道氣的富集的(X)2作為輸入，可以將所述煙道氣保持在較高的溫度以抵消低環(huán)境溫度的影響。因此，當(dāng)培養(yǎng)基的溫度需要提高時，可以以較高的溫度引入煙道氣。相反，當(dāng)液體培養(yǎng)基的溫度需要降低時，在被引入到培養(yǎng)室之前，可以將所述煙道氣進(jìn)一步冷卻?？蛇x地，增加引入到培養(yǎng)室中的空氣的量可以幫助培養(yǎng)基的冷卻。這種空氣可通過從培養(yǎng)基的表面的下面鼓入的方式被引入或者通過通入培養(yǎng)基的表面的方式被引入?？蛇x地，通過在合適的熱交換器(例如冷卻塔或熱水器)上直接地或間接地循環(huán)培養(yǎng)基，可以控制培養(yǎng)基的溫度。所述培養(yǎng)室可為任何合適的尺寸以培養(yǎng)所需的光合生物的量。在優(yōu)選的實施方式中，所述培養(yǎng)室的寬度可為大約1米至大約10米，更優(yōu)選為大約2米至大約6米。在特別優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明的培養(yǎng)室的寬度為大約3米。在進(jìn)一步的優(yōu)選實施方式中，所述培養(yǎng)室的長度可為大約5米至大約250米，更優(yōu)選為大約10米至大約100米。在特別優(yōu)選的實施方式中，所述培養(yǎng)室的長度為大約50米。為了光合生物的最佳培養(yǎng)，所述培養(yǎng)基可以以任何合適的體積存在于所述培養(yǎng)室中。在優(yōu)選的實施方式中，所述培養(yǎng)基的體積為使得其在培養(yǎng)室中的深度為大約20厘米至大約120厘米，更優(yōu)選為大約30厘米至大約100厘米而存在。在特別優(yōu)選的實施方式中， 所述培養(yǎng)基在培養(yǎng)室中的深度為大約60厘米。在一個實施方式中，通過經(jīng)由一個或多個液體口調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的進(jìn)入來控制培養(yǎng)室中的培養(yǎng)基的水平，所述液體口作為用于液體進(jìn)入和排出所述培養(yǎng)室的通道的入口和/或出口。優(yōu)選通過一個或多個閥調(diào)節(jié)以一個或兩個方向通過所述液體口的培養(yǎng)基的通道，所述閥對所述培養(yǎng)室中的培養(yǎng)基的水平作出反應(yīng)，從而使培養(yǎng)室排空(例如，為了收獲光合生物)和再充填培養(yǎng)室。在優(yōu)選的實施方式中，所述閥為球閥。在進(jìn)一步的實施方式中，通過一個或多個壓力傳感器來測量培養(yǎng)室中培養(yǎng)基的水平。所述光合生物可選自任何合適的生物體并且可以在同一培養(yǎng)室中作為單一物種來單一培養(yǎng)或者作為兩種以上物種來培養(yǎng)。優(yōu)選產(chǎn)生用于化學(xué)品、生物柴油、藥物或營養(yǎng)制品工業(yè)的有用成分的光合生物。合適的光合微生物包括藍(lán)細(xì)菌(藍(lán)綠藻)和藻類，優(yōu)選微藻。所述微生物可在淡水或鹽水中生長?？梢援a(chǎn)生有用的成分/原料的光合微生物的實例包括，但不限于，屬于下列屬的那些光合微生物衣藻(Chlamydomoas)、角毛藻 (Chaetoceros)、剛毛藻(Cladophora)、硬毛藻(Chaetomorpha)、杜氏藻(Dunaliella)、 紅球藻(Haematococcus)、等鞭金藻(Isochrysis)、微綠球藻(Nannochloropsis)、紫球藻(Porphyridum)、Picochlorum(異名，Nannochloris)、顆石藻(Pleurochrysis)、擬衣藻 (lihodomoas)、螺旋藻(Spriulina)。本發(fā)明的方法還可用于培養(yǎng)巨藻(macroalgae)，例如石莼屬(genus Ulva)的那些光合微生物。根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的光合生物具有許多潛在的用途。可以從微生物中提取油(例如，甘油三酸酯)并且這種油可以用于生物柴油生產(chǎn)(例如，使用已知的酯交換工藝)；作為用于生產(chǎn)塑料的原料和用于合成噴氣式發(fā)動機(jī)燃料和其他燃料的原料。在提取油以后剩下的生物質(zhì)的餅成分可以用作畜牧業(yè)的飼料；肥料生產(chǎn)；用于生物塑料生產(chǎn)的生物質(zhì)或用于能量生產(chǎn)和/或熱解的生物質(zhì)。光合生物還可以生產(chǎn)其他有用的產(chǎn)品，例如，營養(yǎng)制品 (例如，ω-3和ω-6脂肪酸；抗氧化劑，例如蝦青素；和色素，例如，β-胡蘿卜素)、藻膠、 甘油三酸酯和其他用于藥物和化妝品工業(yè)的成分。因此，在另一方面，本發(fā)明提供了從根據(jù)本發(fā)明的方法生產(chǎn)的光合生物中提取的產(chǎn)品。在一個實施方式中，所述產(chǎn)品選自油；甘油；ω-3和ω-6脂肪酸；蝦青素；和β-胡蘿卜素。在另一實施方式中，所述產(chǎn)品為生物質(zhì)餅，例如藻餅。在所述培養(yǎng)室是可膨脹的情況下，可以在所述培養(yǎng)基的水平之上設(shè)置氣體出口以釋放通過已鼓入到培養(yǎng)基(例如，從所述培養(yǎng)室的底部)中的氣體所積累的壓力。因此，在另一方面，本發(fā)明提供了一種用于培養(yǎng)光合生物的可膨脹培養(yǎng)室，包括(a) 一個壁或多個壁，其限定氣體空間；禾口在所述氣體空間下面的培養(yǎng)基容納區(qū)域；(b)與所述氣體空間連通的一個或多個氣體出口與設(shè)置在所述培養(yǎng)基容納區(qū)域內(nèi)的一個或多個氣體入口；(c)其中，在使用時，氣體通過所述培養(yǎng)基并進(jìn)入所述氣體空間使所述室膨脹；和(d)其中，在使用時，過量的氣體通過所述氣體出口排出；所述培養(yǎng)室使所述培養(yǎng)基暴露于自然光和/或包括人工光源。在一個實施方式中，所述培養(yǎng)室包括一個或多個液體口，所述液體口容許培養(yǎng)基的引入和去除。優(yōu)選地，所述一個或多個液體口包括控制向培養(yǎng)室引入培養(yǎng)基和從培養(yǎng)室去除培養(yǎng)基的調(diào)節(jié)部件。更優(yōu)選地，所述調(diào)節(jié)部件為閥，例如球閥。可以將本發(fā)明的培養(yǎng)室連接在一起以形成在連續(xù)的體系中用于培養(yǎng)光合生物的培養(yǎng)室組。通過歧管可以將任何合適數(shù)量的培養(yǎng)室連接起來，因而對每個歧管可以集中調(diào)節(jié)培養(yǎng)基和氣體的移動。例如，通過控制培養(yǎng)基流動的自動閥，可以實現(xiàn)所述的集中調(diào)節(jié)。 通過使用一個或多個壓力傳感器來監(jiān)視培養(yǎng)基的水平，其然后可以作出自動響應(yīng)來注入或排空所述培養(yǎng)室到所需的水平，還可以實現(xiàn)對培養(yǎng)室中的培養(yǎng)基水平的集中調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明可以使用歧管來流通連接任何合適數(shù)量的的培養(yǎng)室。優(yōu)選地，可以連接10-100個培養(yǎng)室；更優(yōu)選地20-60個。
在光的存在下光合生物將二氧化碳、水和營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)。因此，這些光合生物的生長能夠使作為例如從發(fā)電廠、精煉廠或水泥窯、液化天然氣生產(chǎn)的煙道氣或煤層氣排出的二氧化碳被作為生物質(zhì)再利用，而不是被釋放到大氣中。因此，在另一方面，本發(fā)明提供了一種用于將二氧化碳轉(zhuǎn)化為藻類生物質(zhì)的方法， 包括以下步驟(a)提供培養(yǎng)室，其包括(i) 一個壁或多個壁，其限定氣體空間；禾口在所述氣體空間下面的培養(yǎng)基容納區(qū)域；(ii) 一個或多個氣體入口，所述氣體入口設(shè)置在所述培養(yǎng)基容納區(qū)域內(nèi)以使在使用時氣體通過所述培養(yǎng)基；和(iii) 一個或多個氣體出口，所述氣體出口與所述氣體空間連通；(b)向所述培養(yǎng)室中引入培養(yǎng)基和藻類的接種物，所述培養(yǎng)室使所述培養(yǎng)基暴露于自然光和/或包括人工光源；(c)通過所述氣體入口引入包含二氧化碳的氣體并通過所述氣體出口使過量的氣體排出，其中，由此產(chǎn)生的氣流混合所述培養(yǎng)基；和(d)使所述藻在光存在下生長以生產(chǎn)藻類生物質(zhì)。在另一方面，本發(fā)明提供了使用本發(fā)明的方法通過利用排放的二氧化碳作為在生產(chǎn)光合生物中的輸入來再利用釋放的二氧化碳的方法。所述排放的二氧化碳可為煙道氣、 窯氣、焚燒氣和來自厭氧消化的氣體。當(dāng)從煙道氣來提供(X)2時，在所述煙道氣被引入培養(yǎng)室之前，優(yōu)選對其進(jìn)行冷卻并部分地除去污染物，例如SOx和NOx、灰塵、重金屬等。在部分清除以后煙道氣中剩余的重金屬、SOx和NOx和灰塵可以提供用于光合生物的生長所需的微量營養(yǎng)物。然后可以直接地或者通過另外的處理(例如，選擇性地除去重金屬)將所述微量營養(yǎng)物加入到培養(yǎng)基中。


在附圖中圖1 :(A)袋培養(yǎng)室1的正視圖和(B)側(cè)視圖，包括包含用于藻類生長的培養(yǎng)基
⑵的柔性袋⑴；氣體出口⑶；風(fēng)扇⑷；氣體入口(5)；培養(yǎng)基出口(6)；和培養(yǎng)基入口 ⑵。圖2:(A)袋培養(yǎng)室2的正視圖和(B)側(cè)視圖，包括包含用于藻類生長的培養(yǎng)基 ⑵的柔性袋⑴；氣體出口⑶；具有針刺孔(5)的氣體鼓入軌道⑷；氣體入口(6)；培養(yǎng)基出口 (7)；培養(yǎng)基入口 (8)；排放出口 (9)和調(diào)節(jié)口 (7)、(8)和(9)的球閥(10)。圖3:(A)袋培養(yǎng)室3的正視圖和(B)側(cè)視圖，包括包含用于藻類生長的培養(yǎng)基 ⑵的柔性袋⑴；氣體出口⑶；具有針刺孔(5)的氣體鼓入軌道⑷；氣體入口(6)；培養(yǎng)基出口(7)；具有壓力傳感器⑶和球閥的培養(yǎng)基入口(10)。圖4 在袋培養(yǎng)室的底部的氣體鼓入軌道( 的俯視圖，所述袋培養(yǎng)室具有帶壓合接頭O)的氣體入口(1)、向在各軌道(5)的末端的節(jié)流口(4)以及使氣體排出的針刺孔 (6)傳輸氣體的導(dǎo)管(3)。
圖5 從第1天(接種)到第20天的細(xì)胞密度(個細(xì)胞ml/1)，平均士標(biāo)準(zhǔn)偏差， η = 3。圖6 在袋培養(yǎng)室中的營養(yǎng)物濃度的時間過程。Α)亞硝酸鹽，B)硝酸鹽(紅色正方形)和磷酸鹽(黑色三角形)。平均士標(biāo)準(zhǔn)偏差，η = 3。圖7 :Α) ρΗ、B)溫度和C)電導(dǎo)率對所述袋中的擬微球藻(Narmochloropsis oculata)的培養(yǎng)時間的波動。WP-81 手持式TPS ρΗ計和電導(dǎo)率儀，手控手持式溫度計。
具體實施例方式實施例1如圖1所示使用袋培養(yǎng)體系產(chǎn)生用于培養(yǎng)光合生物的室。袋培養(yǎng)室1的運(yùn)行如下1.風(fēng)扇(4)將空培養(yǎng)室(沒有培養(yǎng)基O))充氣至運(yùn)行體積，所有過量的壓力通過氣體出口( 排出。所述風(fēng)扇連續(xù)地運(yùn)行以保證所述袋不泄氣。2.用10 000L在單獨(dú)的光生物反應(yīng)器中生產(chǎn)的微藻培養(yǎng)物(0.2%藻)接種所述空培養(yǎng)室并用10 000L過濾和處理過的回收的含鹽廢水加滿。3.通過氣體入口(5)在白天時間連續(xù)地注入C02。微藻吸收所需數(shù)量的CO2并通過一直開放的氣體出口(3)釋放過量的C02。4.加入另外的20000L回收的含鹽廢水，使培養(yǎng)基的總?cè)萘恐?0 OOOL05.此過程繼續(xù)另外的M小時，直到總收獲容量達(dá)到100 OOOL0在這個階段，在培養(yǎng)室中的培養(yǎng)基O)的水平為60cm。6.在所述藻達(dá)到最大收獲容量(72小時)以后，從培養(yǎng)基出口(6)收獲50 OOOOL07.通過培養(yǎng)基入口(7)使50 000L回收的含鹽廢水返回到培養(yǎng)室中，使總的的培養(yǎng)基體積回到100 000L。8.在白天期間，在保持連續(xù)的(X)2注入的同時，所述收獲和返回的循環(huán)每M小時重復(fù)一次。實施例2如圖2所示，對實施例1描述的袋培養(yǎng)室進(jìn)行改進(jìn)。袋培養(yǎng)室2的運(yùn)行如下1.按照與實施例1的步驟2、4和5相同的方法對培養(yǎng)室2接種，使在72小時內(nèi)收獲容量達(dá)到100 OOOLo2.將(X)2與通過高效微?？諝?HEPA)過濾器過濾的氣流預(yù)混合并通過氣體入口 (6)供應(yīng)到氣體鼓入軌道G)。這些軌道以適當(dāng)?shù)拈g隔具有針刺孔(5)以使沿所述袋培養(yǎng)室的長度均勻地分布空氣/C02。所述鼓入連續(xù)地進(jìn)行，在夜間降低(X)2成分。所述空氣/CO2注入使袋(1)緩慢充氣并保持所述藻在培養(yǎng)基( 中循環(huán)。通過由單向閥調(diào)節(jié)的氣體出口(3)釋放過量的壓力。這形成了閉環(huán)系統(tǒng)以使污染的風(fēng)險最小化。3.在培養(yǎng)微藻72小時以后，從球閥(10)調(diào)節(jié)的培養(yǎng)基出口(7)收獲50 000L，所述培養(yǎng)基出口(7)被設(shè)置在30cm高處。一旦培養(yǎng)基達(dá)到30cm，培養(yǎng)室在50 000L容量的信號就被送到自動系統(tǒng)。4.通過球閥(10)調(diào)節(jié)的培養(yǎng)基入口(8)使50 000L處理過的回收的含鹽廢水返回到培養(yǎng)室中，將當(dāng)前培養(yǎng)室為100 000L的壓力信號送回到自動系統(tǒng)。5.在發(fā)生污染或者例行的常規(guī)清理的情況下，球閥(10)調(diào)節(jié)的排放出口(9)使培養(yǎng)室完全排空。剩余的培養(yǎng)基或者被排到進(jìn)行處理的收獲系統(tǒng)，或者在污染的情況下被排放到UV處理系統(tǒng)。實施例3如圖3所示，對實施例1描述的袋培養(yǎng)室作進(jìn)一步的改進(jìn)。袋培養(yǎng)室3的運(yùn)行如下1.按照與實施例1的步驟2、4和5相同的方法對培養(yǎng)室3接種，使在72小時內(nèi)收獲容量達(dá)到100 OOOLo2.將(X)2與通過高效微?？諝?HEPA)過濾器過濾的氣流預(yù)混合并通過氣體入口 (6)供應(yīng)到氣體鼓入軌道G)。這些軌道以適當(dāng)?shù)拈g隔具有針刺孔(5)以使沿所述袋培養(yǎng)室的長度均勻地分布空氣/C02。這種鼓入連續(xù)地進(jìn)行，在夜間降低(X)2成分。所述空氣/CO2注入使袋(1)緩慢充氣并保持所述藻在培養(yǎng)基( 中循環(huán)。通過由單向閥調(diào)節(jié)的氣體出口(3)釋放過量的壓力。這形成了閉環(huán)系統(tǒng)以使污染的風(fēng)險最小化。3.在培養(yǎng)微藻72小時以后，通過球閥調(diào)節(jié)的收獲出口(7)從培養(yǎng)室中收獲50 000L。參照壓力頭傳感器(8)通過測量容積確定所需的體積。4.通過球閥(9)調(diào)節(jié)的具有壓力頭傳感器⑶的培養(yǎng)基入口⑶使50 000L處理過的回收的含鹽廢水返回到培養(yǎng)室中，將當(dāng)前培養(yǎng)室為100 000L的壓力信號送回到自動系統(tǒng)。圖4提供了可以包括在改進(jìn)的培養(yǎng)室中的氣體鼓入裝置的進(jìn)一步細(xì)節(jié)(俯視圖中)。該圖顯示了具有針刺孔(6)的六個氣體鼓入軌道(5)，其中，經(jīng)過氣體導(dǎo)管C3)和在各軌道的末端的節(jié)流口⑷將通過氣體入口⑴和壓合接頭⑵引入的氣體供應(yīng)到所述氣體鼓入軌道(5)。所述節(jié)流口用于在空氣分配器的葉片之間均勻地分配氣流。通過氣體入口的氣體的流速為大約100kg/hr和通過節(jié)流口的氣體的流速為大約17kg/hr。實施例4使用實施例1描述的袋培養(yǎng)室測試微藻(擬微球藻)的生長。這種培養(yǎng)袋為IOm 長和:3m寬并且在一端裝配有六葉風(fēng)扇以使所述袋被充氣并帶動蒸發(fā)。沿著所述袋的頂部， 有四個孔(直徑13cm)使熱空氣和蒸氣逸出。這種蒸發(fā)幫助在更穩(wěn)定的溫度下維持藻的培養(yǎng)。在這個實驗中，將淡水和過濾的含鹽水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水m都加入到培養(yǎng)物中以說明液體的鹽度增加和蒸發(fā)損失的原因。將袋培養(yǎng)室填充至大約0. 30cm深，使最終的培養(yǎng)體積稍微小于9m3。所述藻在已經(jīng)通過20μπι、5μπι和Ιμπι的過濾器過濾的海水中培養(yǎng)。通過設(shè)計用來通過輸送進(jìn)入液體介質(zhì)的氣體擴(kuò)散的渦輪來提供充氣和(X)2富集。 這種渦輪具有25mm的外徑、IOmm的內(nèi)徑和7. 5mm厚的多孔壁。所述袋培養(yǎng)室體系用擬微球藻接種至較低的2. IX IO4個細(xì)胞mL—1的細(xì)胞密度并且沒有注入到滿載的體積。在過了 Mh以后，細(xì)胞的密度急劇提高，并且在第2天將所述袋注入至其最大深度。直到第20天收獲藻的培養(yǎng)的生長示于圖5中。營養(yǎng)物消耗從接種(0. 5mg L—1)的那天到第8天(2. 5mg L—1)亞硝酸鹽平穩(wěn)地升高(圖6A)。在幾天平穩(wěn)的濃度以后，在第13天亞硝酸鹽達(dá)到峰值3. 7mg L—1，然后快速地被利用。在幾天內(nèi)，亞硝酸鹽被耗盡并保持這種狀況直到培養(yǎng)基完結(jié)。在開始的階段，硝酸鹽在高的90mg 并平穩(wěn)地被利用(圖6B)。從第13天起，硝酸鹽的濃度平穩(wěn)地保持在約IOmg L—1。在最初的幾天，磷酸鹽升高(通過加入過濾的A3水注滿系統(tǒng))(圖6B)。從第3天起，磷酸鹽明顯地被吸收并且在ang L—1和完全耗盡之間波動。沒有向所述袋體系中加入營養(yǎng)物，然而， 定期地加入新鮮的A3水和淡水來補(bǔ)償蒸發(fā)。加入的A3水引起營養(yǎng)物濃度的規(guī)則的小的增加。物理和化學(xué)參數(shù)在培養(yǎng)中，在最初的三天中pH值快速升高至超過9(圖7)。3天后，連接CO2供應(yīng)并且當(dāng)前可以通過加入(X)2來調(diào)節(jié)PH值，這時記錄到了大于8. 4的值。在開始階段，在所述袋中的光合成活性較高，在光合成過程中由于CO2的攝取pH 值快速地變化，導(dǎo)致PH值的大的波動。在晝夜節(jié)律中溫度波動，在下午Gpm)測量到最高溫度(圖7B)。與罐體系相似， 溫度很少升高到30°C以上，并且相當(dāng)穩(wěn)定。由于蒸發(fā)，所述袋中的電導(dǎo)率在32和36mS之間波動，定期地加入淡水和另外的過濾的A3水(圖7C)。應(yīng)該理解在本說明書中公開和定義的本發(fā)明延伸至所提及的或?qū)Ρ旧暾埼谋净蚋綀D顯而易見的兩個以上的單個特征的可選擇的組合。所有這些不同的組合構(gòu)成本發(fā)明的各種可選的方案。
權(quán)利要求
1.一種用于培養(yǎng)光合生物的培養(yǎng)室，其包括(a)一個壁或多個壁，其限定氣體空間；和在所述氣體空間下面的培養(yǎng)基容納區(qū)域；(b)一個或多個氣體入口，所述氣體入口設(shè)置在所述培養(yǎng)基容納區(qū)域內(nèi)以使在使用時氣體通過所述培養(yǎng)基；和(c)一個或多個氣體出口，所述氣體出口與所述氣體空間連通；所述培養(yǎng)室使所述培養(yǎng)基暴露于自然光和/或包括人工光源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的培養(yǎng)室，其中，所述培養(yǎng)室是可膨脹的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的培養(yǎng)室，其中，沿著所述培養(yǎng)基容納區(qū)域的底部設(shè)置所述氣體入口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的培養(yǎng)室，其中，所述光合生物選自巨藻、微藻和藍(lán)細(xì)菌。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的培養(yǎng)室，其中，所述光合生物為微藻。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的培養(yǎng)室，其中，所述培養(yǎng)室是伸長的，并且進(jìn)一步包括適于沿所述培養(yǎng)室的長度的至少一部分傳送和分布?xì)饬鞯膶?dǎo)管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的培養(yǎng)室，其中，所述氣體出口包括設(shè)計用來釋放來自所述培養(yǎng)室內(nèi)的過量氣體壓力的閥體系。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的培養(yǎng)室，進(jìn)一步包括一個或多個液體口，所述液體口作為用于液體進(jìn)入和排出所述培養(yǎng)室的通道的入口和/或出口以對所述培養(yǎng)室進(jìn)行收獲和再充填。
9.一種用于培養(yǎng)光合生物的培養(yǎng)室體系，其包括兩個以上流通連接的根據(jù)權(quán)利要求8 所述的培養(yǎng)室。
10.一種培養(yǎng)光合生物的方法，其包括以下步驟(a)提供培養(yǎng)室，所述培養(yǎng)室包括(i) 一個壁或多個壁，其限定氣體空間；和在所述氣體空間下面的培養(yǎng)基容納區(qū)域；( ) 一個或多個氣體入口，所述氣體入口設(shè)置在所述培養(yǎng)基容納區(qū)域內(nèi)以使在使用時氣體通過所述培養(yǎng)基；和(iii) 一個或多個氣體出口，所述氣體出口與所述氣體空間連通；(b)向所述培養(yǎng)室中引入培養(yǎng)基和光合生物的接種物，所述培養(yǎng)室使所述培養(yǎng)基暴露于自然光和/或包括人工光源；(c)通過所述氣體入口弓丨入氣體并通過所述氣體出口使氣體排出，其中，通過氣流混合所述培養(yǎng)基；和(d)使光合生物在光存在下生長。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述培養(yǎng)室是可膨脹的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述氣流保持所述培養(yǎng)室在膨脹的狀態(tài)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述氣體出口設(shè)計用來釋放來自所述培養(yǎng)室內(nèi)的過量氣體壓力。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述培養(yǎng)室包括多個沿所述培養(yǎng)室的底部設(shè)置的氣體入口。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述引入的氣體包含二氧化碳。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述包含二氧化碳的氣體的來源選自煙道氣、 窯氣、焚燒氣和來自厭氧消化的氣體。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，在所述生物進(jìn)行光合成時，所述氣體基本上以連續(xù)的方式被引入。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述光合生物選自巨藻、微藻和藍(lán)細(xì)菌。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述培養(yǎng)基為含鹽水和/或廢水。
20.一種用于將二氧化碳轉(zhuǎn)化為藻類生物質(zhì)的方法，其包括以下步驟(a)提供培養(yǎng)室，所述培養(yǎng)室包括 (i) 一個壁或多個壁，其限定氣體空間；和在所述氣體空間下面的培養(yǎng)基容納區(qū)域；( ) 一個或多個氣體入口，所述氣體入口設(shè)置在所述培養(yǎng)基容納區(qū)域內(nèi)以使在使用時氣體通過所述培養(yǎng)基；和(iii) 一個或多個氣體出口，所述氣體出口與所述氣體空間連通；(b)向所述培養(yǎng)室中引入培養(yǎng)基和藻類的接種物，所述培養(yǎng)室使所述培養(yǎng)基暴露于自然光和/或包括人工光源；(c)通過所述氣體入口引入包含二氧化碳的氣體并通過所述氣體出口使過量的氣體排出，其中，由此產(chǎn)生的氣流混合所述培養(yǎng)基；和(d)使所述藻類在光存在下生長以生產(chǎn)藻類生物質(zhì)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述二氧化碳的來源選自煙道氣、窯氣、焚燒氣和來自厭氧消化的氣體。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述藻類為微藻。
23.一種培養(yǎng)光合生物的方法，其包括以下步驟(a)提供培養(yǎng)室，所述培養(yǎng)室包括 (i) 一個壁或多個壁，其限定氣體空間；和在所述氣體空間下面的培養(yǎng)基容納區(qū)域；( )與所述氣體空間連通的一個或多個氣體入口和一個或多個氣體出口 ；和 (iii)氣流控制部件；(b)向所述培養(yǎng)室引入培養(yǎng)基和光合生物的接種物，所述培養(yǎng)室使所述培養(yǎng)基暴露于自然光和/或包括人工光源；(c)利用所述氣流控制部件，控制所述氣流通過所述氣體入口進(jìn)入和通過所述氣體出口排出，其中，所述氣流帶動所述培養(yǎng)基的蒸發(fā)；和(d)使光合生物在光存在下生長。
24.一種從根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法培養(yǎng)的光合生物中提取的產(chǎn)品。
25.一種從根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法生產(chǎn)的藻類生物質(zhì)中提取的產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于培養(yǎng)光合生物(尤其是藻類)的培養(yǎng)室和方法。
文檔編號C12M1/04GK102421887SQ200980159226
公開日2012年4月18日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月18日
發(fā)明者亞歷克絲·羅杰斯, 基爾斯滕·海曼, 彼得·德內(nèi)斯, 馬克·勒內(nèi)·施坦巴內(nèi) 申請人:Mbd能源有限公司