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(lái)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(yíng)養(yǎng)物、藥品和化妝品；用作動(dòng)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(guò)到包含藻的培養(yǎng)基的其他房屋。一般來(lái)說(shuō)，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(shí)上，對(duì)環(huán)境開放的這些體系會(huì)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(xiǎn)的問(wèn)題。此外，在開放的池塘或水溝體系下，通過(guò)混合培養(yǎng)基來(lái)保持營(yíng)養(yǎng)物與氣體的分布會(huì)更加困難。雖然在封閉的光生物反應(yīng)器體系下對(duì)溫度和營(yíng)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(yíng)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(gè)或多個(gè)問(wèn)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(gè)壁或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(shí)氣體通過(guò)所述培養(yǎng)基；和(c) 一個(gè)或多個(gè)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(gè)壁或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(shí)氣體通過(guò)所述培養(yǎng)基；和(iii) 一個(gè)或多個(gè)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(guò)所述氣體入口弓丨入氣體并通過(guò)所述氣體出口使氣體排出，其中，通過(guò)氣流混合所述培養(yǎng)基；和(d)使光合生物在光存在下生長(zhǎng)。發(fā)明詳述通過(guò)氣體入口，氣體會(huì)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(shí)，氣體會(huì)被鼓入培養(yǎng)基。從培養(yǎng)基表面的下方引入氣體會(huì)使培養(yǎng)基混合并協(xié)助氣體、營(yíng)養(yǎng)物、光和熱在整個(gè)培養(yǎng)基中的分布。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，在光合生物進(jìn)行光合成時(shí)(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(shí)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(gè)實(shí)施方式中，所述培養(yǎng)室的一個(gè)或多個(gè)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(shí)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(shí)施方式中，所述培養(yǎng)室的一個(gè)或多個(gè)壁是光可透過(guò)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(guò)氣體的流動(dòng)來(lái)保持，通過(guò)氣體入口將氣體引入到所述培養(yǎng)室和通過(guò)氣體出口將氣體排出來(lái)實(shí)現(xiàn)所述氣體的流動(dòng)。可以通過(guò)設(shè)置在所述培養(yǎng)基的表面上和/或表面下的一個(gè)或多個(gè)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(gè)壁或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(shí)氣體通過(guò)所述培養(yǎng)基；和(iii) 一個(gè)或多個(gè)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(guò)所述氣體入口弓丨入氣體并通過(guò)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(zhǎng)。 優(yōu)選地，在整個(gè)培養(yǎng)室設(shè)置許多氣體入口。在優(yōu)選的實(shí)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(zhǎng)度方向設(shè)置。 在進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)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(zhǎng)的培養(yǎng)室的長(zhǎng)度基本上均勻的氣流分布。在進(jìn)一步的實(shí)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(guò)量氣體壓力。在優(yōu)選的實(shí)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(xiǎn)。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，氣體既通過(guò)培養(yǎng)基的表面上的氣體入口又通過(guò)培養(yǎng)基的表面下的氣體入口進(jìn)入培養(yǎng)室。通過(guò)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(yíng)養(yǎng)物引入到本發(fā)明的培養(yǎng)室中來(lái)幫助光合生物的生長(zhǎng)。所述氣體或液體可選自二氧化碳(CO2)；來(lái)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(chǎng))。所述ω2可來(lái)自任何合適的來(lái)源并且可來(lái)自空氣或以濃縮的形式。合適的濃縮ω2的來(lái)源包括，但不限于，煙道氣、窯氣和焚燒氣以及來(lái)自厭氧消化的氣體。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，CO2的來(lái)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(guò)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(shí)，在通過(guò)增加混合物中的空氣的量來(lái)保持恒定的氣流的同時(shí)，可以降低(X)2的量?？梢詫⒁cCO2源混合的空氣過(guò)濾以除去某些顆粒物質(zhì)，例如，使用空氣微粒過(guò)濾器， 更優(yōu)選使用高效微?？諝?HEPA)過(guò)濾器。所述培養(yǎng)基可為用于所需的光合生物生長(zhǎng)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(lái)自于工業(yè)過(guò)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^(guò)任何合適的光源來(lái)提供人工光。在一個(gè)實(shí)施方式中， 通過(guò)發(fā)光二極管(LED)來(lái)提供人工光源。可以提供人工光源來(lái)延長(zhǎng)每天的時(shí)間長(zhǎng)度以使生物體在白天以外的時(shí)間繼續(xù)進(jìn)行光合成。因此，在一個(gè)實(shí)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(gè)壁或多個(gè)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(gè)或多個(gè)氣體入口和一個(gè)或多個(gè)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(guò)所述氣體入口進(jìn)入和通過(guò)所述氣體出口排出，其中，所述氣流帶動(dòng)所述培養(yǎng)基的蒸發(fā)；和(d)使光合生物在光存在下生長(zhǎng)。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(zhǎng)的培養(yǎng)室的一端。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述培養(yǎng)室是可膨脹的。在進(jìn)一步的實(shí)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(guò)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?yàn)闇囟瓤刂茖?duì)于通過(guò)微生物獲得相關(guān)化學(xué)品的最佳生長(zhǎng)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(guò)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(guò)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(lái)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(shí)，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(shí)，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(guò)從培養(yǎng)基的表面的下面鼓入的方式被引入或者通過(guò)通入培養(yǎng)基的表面的方式被引入?？蛇x地，通過(guò)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(shí)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(shí)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(shí)施方式中，所述培養(yǎng)室的長(zhǎng)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(shí)施方式中，所述培養(yǎng)室的長(zhǎng)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(shí)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(shí)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(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)液體口調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的進(jìn)入來(lái)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(guò)一個(gè)或多個(gè)閥調(diào)節(jié)以一個(gè)或兩個(gè)方向通過(guò)所述液體口的培養(yǎng)基的通道，所述閥對(duì)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(shí)施方式中，所述閥為球閥。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，通過(guò)一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器來(lái)測(cè)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(lái)單一培養(yǎng)或者作為兩種以上物種來(lái)培養(yǎng)。優(yōu)選產(chǎn)生用于化學(xué)品、生物柴油、藥物或營(yíng)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(zhǎng)?？梢援a(chǎn)生有用的成分/原料的光合微生物的實(shí)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?？梢詮奈⑸镏刑崛∮?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(dòng)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(yíng)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(gè)實(shí)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(shí)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(guò)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(gè)壁或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)氣體入口；(c)其中，在使用時(shí)，氣體通過(guò)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(shí)，過(guò)量的氣體通過(guò)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(gè)實(shí)施方式中，所述培養(yǎng)室包括一個(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(guò)歧管可以將任何合適數(shù)量的培養(yǎng)室連接起來(lái)，因而對(duì)每個(gè)歧管可以集中調(diào)節(jié)培養(yǎng)基和氣體的移動(dòng)。例如，通過(guò)控制培養(yǎng)基流動(dòng)的自動(dòng)閥，可以實(shí)現(xiàn)所述的集中調(diào)節(jié)。 通過(guò)使用一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器來(lái)監(jiān)視培養(yǎng)基的水平，其然后可以作出自動(dòng)響應(yīng)來(lái)注入或排空所述培養(yǎng)室到所需的水平，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)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(gè)培養(yǎng)室；更優(yōu)選地20-60個(gè)。
在光的存在下光合生物將二氧化碳、水和營(yíng)養(yǎng)物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)。因此，這些光合生物的生長(zhǎng)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(gè)壁或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(shí)氣體通過(guò)所述培養(yǎng)基；和(iii) 一個(gè)或多個(gè)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(guò)所述氣體入口引入包含二氧化碳的氣體并通過(guò)所述氣體出口使過(guò)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(zhǎng)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(guò)利用排放的二氧化碳作為在生產(chǎn)光合生物中的輸入來(lái)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(lái)自厭氧消化的氣體。當(dāng)從煙道氣來(lái)提供(X)2時(shí)，在所述煙道氣被引入培養(yǎng)室之前，優(yōu)選對(duì)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(zhǎng)所需的微量營(yíng)養(yǎng)物。然后可以直接地或者通過(guò)另外的處理(例如，選擇性地除去重金屬)將所述微量營(yíng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)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(yíng)養(yǎng)物濃度的時(shí)間過(guò)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(duì)所述袋中的擬微球藻(Narmochloropsis oculata)的培養(yǎng)時(shí)間的波動(dòng)。WP-81 手持式TPS ρΗ計(jì)和電導(dǎo)率儀，手控手持式溫度計(jì)。
具體實(shí)施例方式實(shí)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(méi)有培養(yǎng)基O))充氣至運(yùn)行體積，所有過(guò)量的壓力通過(guò)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(guò)濾和處理過(guò)的回收的含鹽廢水加滿。3.通過(guò)氣體入口(5)在白天時(shí)間連續(xù)地注入C02。微藻吸收所需數(shù)量的CO2并通過(guò)一直開放的氣體出口(3)釋放過(guò)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(guò)程繼續(xù)另外的M小時(shí)，直到總收獲容量達(dá)到100 OOOL0在這個(gè)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(shí))以后，從培養(yǎng)基出口(6)收獲50 OOOOL07.通過(guò)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(shí)，所述收獲和返回的循環(huán)每M小時(shí)重復(fù)一次。實(shí)施例2如圖2所示，對(duì)實(shí)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(shí)施例1的步驟2、4和5相同的方法對(duì)培養(yǎng)室2接種，使在72小時(shí)內(nèi)收獲容量達(dá)到100 OOOLo2.將(X)2與通過(guò)高效微?？諝?HEPA)過(guò)濾器過(guò)濾的氣流預(yù)混合并通過(guò)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(zhǎng)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(guò)由單向閥調(diào)節(jié)的氣體出口(3)釋放過(guò)量的壓力。這形成了閉環(huán)系統(tǒng)以使污染的風(fēng)險(xiǎn)最小化。3.在培養(yǎng)微藻72小時(shí)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(hào)就被送到自動(dòng)系統(tǒng)。4.通過(guò)球閥(10)調(diào)節(jié)的培養(yǎng)基入口(8)使50 000L處理過(guò)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(hào)送回到自動(dòng)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(shí)施例3如圖3所示，對(duì)實(shí)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(shí)施例1的步驟2、4和5相同的方法對(duì)培養(yǎng)室3接種，使在72小時(shí)內(nèi)收獲容量達(dá)到100 OOOLo2.將(X)2與通過(guò)高效微?？諝?HEPA)過(guò)濾器過(guò)濾的氣流預(yù)混合并通過(guò)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(zhǎng)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(guò)由單向閥調(diào)節(jié)的氣體出口(3)釋放過(guò)量的壓力。這形成了閉環(huán)系統(tǒng)以使污染的風(fēng)險(xiǎn)最小化。3.在培養(yǎng)微藻72小時(shí)以后，通過(guò)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(guò)測(cè)量容積確定所需的體積。4.通過(guò)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(guò)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(hào)送回到自動(dòng)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(gè)氣體鼓入軌道(5)，其中，經(jīng)過(guò)氣體導(dǎo)管C3)和在各軌道的末端的節(jié)流口⑷將通過(guò)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(guò)氣體入口的氣體的流速為大約100kg/hr和通過(guò)節(jié)流口的氣體的流速為大約17kg/hr。實(shí)施例4使用實(shí)施例1描述的袋培養(yǎng)室測(cè)試微藻(擬微球藻)的生長(zhǎng)。這種培養(yǎng)袋為IOm 長(zhǎng)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(dòng)蒸發(fā)。沿著所述袋的頂部， 有四個(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)中，將淡水和過(guò)濾的含鹽水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水m都加入到培養(yǎng)物中以說(shuō)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(guò)20μπι、5μπι和Ιμπι的過(guò)濾器過(guò)濾的海水中培養(yǎng)。通過(guò)設(shè)計(jì)用來(lái)通過(guò)輸送進(jìn)入液體介質(zhì)的氣體擴(kuò)散的渦輪來(lái)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(gè)細(xì)胞mL—1的細(xì)胞密度并且沒(méi)有注入到滿載的體積。在過(guò)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(zhǎng)示于圖5中。營(yíng)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(guò)加入過(guò)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(dòng)。沒(méi)有向所述袋體系中加入營(yíng)養(yǎng)物，然而， 定期地加入新鮮的A3水和淡水來(lái)補(bǔ)償蒸發(fā)。加入的A3水引起營(yíng)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(guò)9(圖7)。3天后，連接CO2供應(yīng)并且當(dāng)前可以通過(guò)加入(X)2來(lái)調(diào)節(jié)PH值，這時(shí)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(guò)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(dòng)。在晝夜節(jié)律中溫度波動(dòng)，在下午Gpm)測(cè)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(dòng)，定期地加入淡水和另外的過(guò)濾的A3水(圖7C)。應(yīng)該理解在本說(shuō)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?qǐng)文本或附圖顯而易見(jiàn)的兩個(gè)以上的單個(gè)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(gè)壁或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(shí)氣體通過(guò)所述培養(yǎng)基；和(c)一個(gè)或多個(gè)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(zhǎng)的，并且進(jìn)一步包括適于沿所述培養(yǎng)室的長(zhǎng)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(jì)用來(lái)釋放來(lái)自所述培養(yǎng)室內(nèi)的過(guò)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(gè)或多個(gè)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(duì)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(gè)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(gè)壁或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(shí)氣體通過(guò)所述培養(yǎng)基；和(iii) 一個(gè)或多個(gè)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(guò)所述氣體入口弓丨入氣體并通過(guò)所述氣體出口使氣體排出，其中，通過(guò)氣流混合所述培養(yǎng)基；和(d)使光合生物在光存在下生長(zhǎng)。
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(jì)用來(lái)釋放來(lái)自所述培養(yǎng)室內(nèi)的過(guò)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(gè)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(lái)源選自煙道氣、 窯氣、焚燒氣和來(lái)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(shí)，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(gè)壁或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(shí)氣體通過(guò)所述培養(yǎng)基；和(iii) 一個(gè)或多個(gè)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(guò)所述氣體入口引入包含二氧化碳的氣體并通過(guò)所述氣體出口使過(guò)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(zhǎng)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(lái)源選自煙道氣、窯氣、焚燒氣和來(lái)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(gè)壁或多個(gè)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(gè)或多個(gè)氣體入口和一個(gè)或多個(gè)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(guò)所述氣體入口進(jìn)入和通過(guò)所述氣體出口排出，其中，所述氣流帶動(dòng)所述培養(yǎng)基的蒸發(fā)；和(d)使光合生物在光存在下生長(zhǎng)。
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(hào)C12M1/04GK102421887SQ200980159226
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:Mbd能源有限公司