微藻生长池的设计

摘要

一种用于使流体培养基中的微藻循环的跑道池，该跑道池具有多个相互连接的通道。每个通道是直的，并且具有由于倾斜或成梯状而沿着跑道移动流体培养基的结构梯度。在操作中，维持在流体培养基中的微藻的浓度大致恒定，并且维持跑道中的流体培养基的深度在预定水平以下。

说明书

技术领域

本发明涉及一种推流反应器(PFRs)，该推流反应器具有用于使 微藻在流体培养基中生长的循环跑道池。更具体的，本发明涉及如下 推流反应器，所述推流反应器提供了生产具有高达60％的油含量的微 藻的条件。本发明作为如下推流反应器是特别有用的但是并不仅限于 此，所述推流反应器依靠重力，以沿着推流反应器的跑道的长度移动 流体培养基中的微藻。

背景技术

微藻在液体环境中的生长率取决于几个完全不同的因素。其一， 众所周知，微藻在其中生长的流体培养基(即，液体环境)必须循环 以提供微藻的混合，并且使微藻对光暴露以进行光合作用。其二，每 种藻类物种具有最佳的浓度以消耗流体培养基中的所有或者近乎所有 的可用资源。在此重要的是由于微藻对可用资源的高消耗，所以限制 了杂草藻类、细菌或捕食者可用的会降低藻的产量的生长时间。还有 一个因素涉及循环微藻池的深度。实际上，池的深度已经被确定为是 影响微藻生长的一个非常重要的因素。

此前，传统的想法认为提高循环池中的微藻的净产量只能通过增 加池中流体培养基的深度来实现。然而，已确定的是情况并非如此。 与以前的结论相反，大概为7.5至10厘米的深度的浅循环池比更深的 池效率更高，产量也更高。然而，浅池的问题在于，当池的深度在7.5 至10厘米范围中时，用于循环流体培养基的典型装置基本没用。例如， 桨轮在池深度小于20厘米的情况下对于该目的基本上是没有作用的。

在设计用于为商业目的培养微藻的系统时，考虑的另外一个因素 是微藻的产量。在这一点上，显而易见的是能够生产的生物质的量与 能够使用的流体培养基的体积直接成比例。当然，必须符合以上提到 池的深度和浓度的考虑因素。然而，尽管流体培养基浅的深度是至关 重要的，但是构造用于循环池的流体通道的宽度并没有那么地受限制。

在使用传统的具有桨轮的跑道循环池来培养微藻时，还有一个考 虑因素是，池的尺寸被限制在数英亩内以维持相对的平均性。在这一 点上，面积越大，横跨养殖区域的深度越不平均，这会成为生产率方 面的缺陷。

鉴于上述的，本发明的一个目的是提供一种循环池，该循环池的 大小使得提供微藻的最佳生长的条件。本发明的另一个目的是提供一 种具有跑道的循环池，该循环池避免了死区并且由此避免不平均的流 体流动。本发明的还一个目的是提供一种循环池，该循环池促进微藻 的生产，该循环池依靠重力作为主要的力以使流体培养基移动通过池。 本发明的又一个目的是提供一种循环池，该循环池的制造相对简易， 使用方便，并且具有相当的成本效益。

发明内容

一种用于为了培养藻类的目的而循环流体培养基的跑道池，所述 跑道池包括一对大体上直的、细长的通道。这些通道在其相应的端部 彼此流体连通的情况下基本上彼此并排地并列。通道的一些结构性方 面是尤其重要的。其一，通道中的流体培养基具有大体上恒定的并且 相对浅的深度(例如，7.5cm)。其二，通道具有向下游的结构梯度， 所述结构梯度允许流体在重力的作用下连续地从一个通道的上游端流 到另一个通道的下游端。

具体来说，跑道池的每个细长的通道具有第一(上游)端和第二 (下游)端，以及大体上平坦的底板和在两端之间延伸的对置的侧壁部 分。针对公开的目的，在下文中将一个通道称为第一通道，将另一个 通道称为第二通道。转移部以与第二通道的第一(上游)端流体连通 的方式连接第一通道的第二(下游)端。重要的是，该转移部提供了 流体培养基从第一通道到第二通道的重力流。在第二通道的第二(下 游)端处，设置提升装置以将水从第二通道的第二(下游)端处提升 回到第一通道的第一(上游)端。针对本发明的目的，提升装置可以 是现有技术中任何已知的类型，并且优选地，提升装置从由阿基米德 泵、传送带、斗式升降机、桨轮、密封式桨轮或者机电泵组成的组选 择。

如上所述，为每个通道设置向下游的结构梯度，所述结构梯度致 使流体培养基在重力的作用下流过跑道池。在该向下游的结构梯度的 一种构造中，通道的底板设有斜面。例如，在2500英尺长的通道的两 端之间的1.3英尺的高度差，就能为本发明提供足够的倾斜。可替换地， 能够通过沿着通道的底板的长度构造台阶来完成结构梯度。如果使用 台阶，每个台阶能够以大概3厘米高度“h”、以台阶之间大概100米的 距离“s”来形成。此外，对于任何的底板构造，都能够将多个涡流发生 器安装在通道中的底板上，以在流体培养基中产生将有助于藻类生长 的湍流。

除了上述提到的通道的结构性方面外，第一通道的侧壁部分可以 是具有通过锥角“α”建立的增加的下游宽度的锥形，所述锥角“α”大致等 于0.002弧度。利用该锥形，第一通道将在跑道池中建立微藻的对数生 长阶段。另外，第二通道的侧壁可彼此大体上平行地定向以提供微藻 的油累积阶段。

本发明的一个重要方面是它的规模。具体来说，这方面关注的是 第一和第二通道的物理尺寸。例如，每个通道能够具有大致2500米的 长度以及能够大于大概100米的宽度。此外，不管跑道池的其它尺寸 如何，重要的是将通道中的流体培养基的深度维持在大概15厘米的水 平以下。并且优选地，流体培养基的深度是7.5厘米左右。

跑道池能够设有至少一个注射器，以在沿着跑道的长度的选定点 处添加流体培养基到池中。添加流体培养基的目的是双重的。第一， 进行添加流体培养基以维持流体培养基的深度在通道中大体上恒定 (例如，7.5厘米)。第二，流体培养基的受控的添加与第一通道的锥 形结构一起提供了在流体培养基中的微藻的预定的浓度(例如，大概 1.5克每升)的维持。这些考虑因素以及上述给出的通道的尺寸和结构 性方面旨在确保跑道池中的来自藻类生长的可操作的净油生产率，该 净油生产率在15-50g/m²/天的范围内。

附图说明

结合所附的说明书根据附图将更好地理解本发明新颖性特征以及 发明本身及其结构和操作两者，其中相同的参考符号代表相同的部件， 并且其中：

图1是根据本发明的循环池的俯视图；

图2A是当沿着图1的线2-2看时，用于本发明的跑道的结构梯度 的侧截面图；

图2B是当沿着图1的线2-2看时，用于跑道的结构梯度的可替换 实施例的侧截面图；以及

图3是用于本发明的循环池的可替换实施例的俯视图。

具体实施方式

首先参考图1，图1示出了根据本发明的跑道池并且总体地指定为 10。具体地，在图1中能够看到池10包括第一通道12和第二通道14， 第一通道12和第二通道14被以并排的关系彼此并列地示出。此外， 示出的是通道12和14彼此间流体流通，流体培养基16连续地从一个 通道流向另一个通道。本领域技术人员应明白，图1中示出的通道12 和14的布置仅仅是示例性的。根据使用池10的地带的地形特征以及 满足本发明的其它要求的能力，通道12和14能够具有不同布置中的 任何一种。

更详细地说，图1示出了流体培养基16在第一通道12中从上游 端18流向下游端20，如由箭头22指示的。流过第一通道12后，流体 培养基16通过转移部24从第一通道12过渡到第二通道14，如由箭头 26a和26b指示的。在第二通道14中，流体培养基16从上游端28流 向下游端30，如由箭头32指示的。在第二通道14的下游端30处，流 体培养基16进入收集槽34。接着使用提升装置36将流体培养基16从 收集槽34(通道14)提升，并且提升到分配槽38(通道12)中。如 针对本发明设想的，藻类生物每2-4小时会通过循环泵(例如，提升装 置36)。由于细胞尺寸大体上是小的(直径为1-20微米)且可能具有 厚的细胞壁，所以由泵(提升装置)产生的切应力对生长几乎没有或 者没有任何影响。然而，对于昆虫幼体，该切应力是显著的，因为幼 体的尺寸大体上是大的(10mm)且没有细胞壁。因此该设计还有助于 防止藻类被昆虫污染。此外，对于敞开的水体，该设计由于该昆虫控 制机构而是环境友好型的。因此，为了通过跑道池10的流体培养基16 的再循环，流体培养基16从第二通道14的下游端30转移到第一通道 12的上游端18。优选地，提升装置36是本领域公知的类型，例如传 送带、斗式升降机、桨轮、密封式桨轮或者机电泵。

如以上所暗指的，除了在收集槽34(通道14)和分配槽38(通道 12)之间的提升装置36外，流体培养基16在重力的作用下流过整个 池10。为了本发明的目的，该重力流使用结构梯度来实现。与池10一 起使用的结构梯度的优选实施例如图2A所示。能够看到的是通道12 和14各自的底板40形成有多个台阶42(台阶42a和42b是示例性的)。 具体来说，台阶42通过大概3厘米的高度“h”和台阶42之间的优选地 在大致100米量级上的距离“s”来限定。图2A还示出的是，可以沿 着通道12和14各自的底板40定位的多个涡流发生器44，用于为流体 培养基16提供湍流。

在如图2B所示的结构梯度的可替换实施例中，底板46设有斜面。 例如，该斜面的斜率为“e/L”，如图2B所示。并且“e”优选地约等于1 米，且“L”约等于2500米。尽管该斜面的尺寸可以变化，但重要的是 在任何情况下通过斜面提供所期望的容积流率。并且，可以采用涡流 发生器44。隐含地，这里给出的尺寸是近似的，并且为提供用于本发 明的规模的概念而给出所述尺寸。因此，实际尺寸可以选择成适合跑 道池10的个别需要。

用于本发明的跑道池10的一个重要的方面可参考图2A并且再次 参考图1来理解。该方面是流体培养基16在通道12和14中的深度“d” 需要相当的浅(即，小于约15厘米，优选的是7.5厘米左右)。然而， 为了维持该深度“d”，可能有必要沿着通道12和14的长度“L”补充流 体培养基16。这可能是为了多个原因中的任何一个(例如，蒸发损失)。 然而，不管原因如何，能够通过沿着通道12和14定位注射器48(注 射器48a，48b，48c仅为示例性的)来完成补充。

对于本发明的操作来说，微藻(未示出)在池10中生长。出于这 个目的，池10有必要具有对数生长阶段(即，通道12)以及油累积阶 段(即，通道14)。然而，对数生长阶段需要构造有将容纳微藻的生 长的构造。因此，能够使通道12的侧部50相对于通道12的侧部52 稍微成角度，以由此为通道12提供从上游端18到下游端20增加的锥 形。由于通道12相对极端的长度，所以发生的是，需要进行此的锥角 “α”的大小仅处在大概0.002弧度的量级上。因此，将来自注射器48的 流体营养基16添加到对数生长阶段(即，通道12)的目的是双重的。 除了维持在通道12中的流体培养基16的大体恒定的深度“d”外，流体 培养基16的添加可被控制成维持在流体培养基16中的微藻的预定浓 度。优选地，该预定的浓度是大概1.5克每升。

不像通过通道12提供的对数生长阶段，通过通道14提供的油累 积阶段与微藻的生长无关，而是与微藻成熟有关系。因此，尽管需要 如上所述地维持深度“d”，但主要关心的是通道14要保持流体培养基 16的移动。这能够利用通道14的被大致彼此平行地构造的相应侧部 54和56来完成。

对于本发明的跑道池10的一个改型来说，代替如图1中示出的转 移部24的构造，能够提供如图3中示出的转移部24’。具体地，图3 中示出的转移部24’提供了从通道12到通道14的连续的拐弯。然而， 不管构造如何，跑道池10中的流体培养基16的深度“d”、流体培养基 16中微藻的预定浓度以及围绕跑道池10的流体培养基16的容积流率 均被计算成提供来自藻类生长的处于大概15-50g/m²/天的范围内的可 操作的油生产率。

尽管在此详细示出和公开的具体的微藻生长池的设计完全能够实 现目的并且提供此前所陈述的优点，但应明白的是，其仅图示本发明 的目前优选的实施例，并且不意在将本发明限制于在此示出的结构或 设计的细节，除了如所附权利要求描述的。