用于在扩大式塞流反应器中生长微藻类的方法和系统

摘要

提供了一种用于支持藻类细胞的生长的方法和系统。在该方法中，在封闭生物反应器中生长藻类细胞的接种体。之后，将藻类细胞的接种体传递到开放系统中。具体地，将接种体传递到从第一端到第二端具有增加的宽度的扩大式塞流反应器（EPFR）中。此外，将培养基引入到EPFR中以维持选定的浅深度。重要地，该培养基提供充足的营养物以支持藻类细胞的对数式生长，从而维持藻类细胞的高浓度，即，在EPFR中，至少0.5克每升培养基。在达到期望的生长水平之后，将藻类细胞输送至标准塞流反应器，在该反应器中，在藻类细胞中激活油生产。

说明书

技术领域

本发明大体上涉及用于生长藻类的方法。更具体地，本发明涉及 使用扩大式塞流反应器来降低对使用用于生长藻类的昂贵的封闭系统 的需求。作为用于在包括供给有培养基以维持藻类细胞的高浓度的扩 大式塞流反应器的开放系统中生长藻类的方法，本发明是特别地但不 排它性地有用的。

背景技术

随着全世界的石油储量的下降，存在对与生产烃类产品相关联的 短缺和成本的上升的担忧。因此，正在研究当前从石油加工的产品的 替代品。为此，生物燃料诸如生物柴油已经被识别为基于石油的运输 燃料的可能的替代品。一般地，生物柴油是由源自于植物油或动物脂 肪的长链脂肪酸的单烷基酯构成的燃料。在工业实践中，当植物油或 动物脂肪与醇类诸如甲醇起反应时，产生生物柴油。

对于源自植物的生物燃料，太阳能首先通过光合作用转变成化学 能。化学能随后被提炼成可用燃料。当前，在从植物油产生生物燃料 中所涉及的工艺相对于提取和提炼石油的工艺是昂贵的。然而，可能 的是，加工源自植物的生物燃料的成本能够通过最大化植物源的生长 速率而降低。因为已知藻类是用于将太阳能转变成细胞生长的最为有 效的植物中的一种，所以藻类作为生物燃料源是特别让人感兴趣的。 重要地，藻类作为生物燃料源的使用不存在特殊的问题，即，从藻类 中的油加工出生物燃料可以与从陆地植物中的油加工出生物燃料一样 容易。

虽然藻类能够经高速率的细胞生长而有效地将太阳能变换成化学 能，但是难以创造最优化藻类细胞生长速率的环境。当前，从藻类产 生生物燃料受到不能最大化藻类细胞生长的限制。具体地，已经发现， 在大型操作中创造有利于藻类细胞的快速生长速率所必需的条件是昂 贵的。例如，在提供藻类细胞生长的高速率的时，封闭无菌环境诸如 接种体罐和受控的生物反应器的维持是昂贵的并且在规模上受到限 制。另一方面，室外大规模开放系统诸如开放河床受到污染物-有机体 的困扰，所述有机体为了营养物和日光而与所选定的藻类细胞争抢并 且降低藻类细胞生长的速率。具体地，这些污染物包含非选定的即“废 物的”藻类、病毒、细菌、以及食草动物。直至现在，在开放系统中防 止污染物有机体引起微生物不稳定以及降低所选定的藻类细胞生长速 率实际上是不可能的。事实上，标准开放系统通常提供仅一至两天的 微生物稳定性。

鉴于以上所述，本发明的一个目的是提供一种用于在生物燃料生 产系统中最小化对藻类细胞接种体的封闭系统的需要的方法。本发明 的另一个目的是在开放系统中最大化所选定的藻类细胞的生长速率。 本发明的另一个目的是提供支持藻类细胞的对数式生长的扩大式塞流 反应器。本发明的另一个目的是将培养基选择性地泵送到扩大式塞流 反应器中以维持藻类的高浓度和培养基的选定的浅深度。本发明的又 一个目的是提供一种用于在污染物不能与所选定的藻类细胞竞争的开 放系统中生长所选定的藻类细胞的方法和系统。本发明的再一个目的 是，提供一种用于生长所选定的藻类细胞的系统和方法，该系统和方 法实现起来简单、易于使用、并且相对成本有效。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于在培养基中生长选定的藻类细胞以 及用于防止在培养基中的污染物的生长的系统。在这一努力中，该系 统依赖于对封闭反应器的最初使用以生长微藻类的接种体。重要地， 所述封闭反应器与在已知的藻类产生系统中使用的那些相比小五倍。 具体地，封闭反应器包括本系统的0.4%，而封闭反应器通常包括已知 系统的约2%。为了本发明的目的，封闭反应器是连续流反应器，诸如 光生物反应器。此外，封闭反应器被设计用以将微藻类的接种体生长 到最高浓度。

在封闭反应器将微藻类生长到最高浓度之后，将在流出物中的微 藻类的接种体传递到开放系统。具体地，开放系统包括扩大式塞流反 应器和标准塞流反应器。为了本发明，扩大式塞流反应器从封闭反应 器连续地接收含有藻类细胞的接种体的流出物。此外，扩大式塞流反 应器包括用于在重力的影响下以几乎无逆混的方式连续地向下游移动 流出物的导管。优选地，扩大式塞流反应器是开放水道。

在结构上，扩大式塞流反应器在宽度上从其第一端到其第二端增 加。另外，扩大式塞流反应器沿着其长度设置有多个用于将生长培养 基引入到导管的泵。最初，泵稀释流出物，直到藻类达到高浓度为止。 为了本发明的目的，“高浓度”被定义为至少约0.5克每升流体。之后， 随着流体蒸发和藻类细胞生长，泵添加生长培养基以维持藻类的高浓 度。此外，生长培养基包含必需的营养物以支持藻类细胞的期望的生 长。

重要地，响应于藻类细胞的生长速率，对泵进行控制。例如，藻 类生长速率可能由于接收的日光量的减少以及较低的空气温度而下 降。因此，随着扩大式塞流反应器的加宽，为了确保藻类的高浓度， 泵将提供较少的培养基。因此，培养基的深度将稍微下降，并且藻类 细胞的流率将由于藻类细胞的粘性而下降。由于减小的流率，随着扩 大式塞流反应器加宽，藻类细胞被提供足够的时间以充分地生长，从 而保持在高浓度下。因为选定的藻类被维持在高浓度，所以在生长培 养基中提供的营养物由选定的藻类迅速地消耗。因此，污染物的生长 的可用的时间受到限制。

当选定的藻类细胞到达扩大式塞流反应器的端部时，它们已经达 到期望的生长水平。之后，将藻类细胞输送至标准塞流反应器。通常， 标准塞流反应器将具有与扩大式塞流反应器的下游端相同的宽度。此 外，可以将触发介质供给到标准塞流反应器中，以激活藻类细胞中的 油生产。可替换地，可以不将培养基供给到标准塞流反应器中。该替 代方法对于触发油生产是有效的，这是因为当缺乏某些或所有的营养 物时，藻类细胞将储存的能量转换成油。此外，随着培养基在标准塞 流反应器中的蒸发，培养基的深度将减小，直到藻类自然地絮凝为止。 以这种方式，标准塞流反应器可以被设计成当已经实现最佳的油生产 时自絮凝。

对于本发明的替代实施例，用于生长藻类细胞的系统包含多个开 放池。以组合的形式，在该多个开放池中的开放池以选择性流体连通 的方式相互连接，并且它们从第一上游池到最后一个下游池被依次布 置。在来自上文描述的扩大式塞流反应器（EPFR）的变型中，本发明 的该替代实施例将每个下游池建立成相对于其相邻的上游池具有以指 数方式增加的表面面积。

在结构上，本发明的替代实施例包含第一输送导管，该第一输送 导管用于将接种体从接种体源输送到第一上游池中。从而，产生培养 液用于藻类在第一上游池中的生长。然后，可以进行将培养液随后从 第一上游池输送到用于进一步的藻类生长的接下来的下游池。对于本 发明，这样的输送被以受控的方式定期地完成，并且允许藻类在连续 的池的每一个中生长预定的时间。最后，充分生长的藻类细胞被从最 后一个下游池经最后一个输送导管输送到油形成池。

在该系统中的每个开放池，无论其相对大小，其都将优选地具有 能够被用来在池中建立液体流动的流体循环装置，诸如桨轮或循环泵。 优选地，每个池也将具有用于将培养基添加到在池中的培养液中的培 养基添加导管。此外，如为本发明所想到的，可以以两种方式中的任 一种来完成将培养液从上游池输送到其相邻的下游池。对于一种，每 个池可以包含用于将培养液从该池向下游输送到其相邻的下游池的输 送泵。对于另一种，可以使这些池形成阶梯状，以使得能够建立从上 游池到下游池的重力流动。

如上文暗示的，固定的乘数被确定，以建立相邻池的表面面积的 比率。更具体地，每个池的表面面积相对于相邻的上游或下游池的表 面面积将通过该乘数建立。实际上，乘数的值可以从系统到系统不同。 具体地，在每种情况下，乘数将由用于在特定的系统中的培养的藻类 的生长速率确定。

在本发明的替代实施例的操作中，根据设定的程序定期地执行输 送程序。具体地，输送程序通过首先将充分生长的藻类从最后一个下 游池输送到油形成池而启动。一旦完成了该步骤，并且最后一个下游 池已经变空，则然后将来自相邻的上游池的培养液输送到现在是空的 最后一个下游池中。在输送培养液时，也可以将另外的培养基输送到 最后一个下游池中用于在最后一个下游池中的进一步的藻类生长。然 后，现在是空的紧接着的上游池能够接收从其相应的相邻上游池输送 的培养液。从上游池到空的相邻的下游池的这一输送过程继续，直到 第一上游池已经变空并且随后被来自接种体的源的接种体重新充满为 止。在整个输送程序已经完成之后，使所有开放池中的培养液分别循 环，以促进藻类生长。一旦在各个池中的藻类生长已经完成，然后就 可以重复整个输送程序。优选地，本发明的替代实施例的输送程序在 夜间完成。

附图说明

本发明的新颖特征、以及本发明本身（关于其结构和其操作）将 从所附的附图结合所附的描述被最佳地理解，其中相同的参考符号指 示相同的部件，并且其中：

图1是本发明的系统的示意图，图示出根据本发明的藻类从封闭 反应器通过扩大式塞流反应器并且流动到标准塞流反应器的流；

图2是图1中所示的扩大式塞流反应器的未按比例的顶视图；

图3是图2的扩大式塞流反应器的纵向截面图，示出在导管中的 培养基的深度；并且

图4是根据本发明的系统的替代实施例的示意图。

具体实施方式

首先参照图1，用于生长选定的藻类细胞的系统被示出，并且总 体上被指定为10。如图1中所示，系统10包含封闭反应器12，诸如 连续流光生物反应器。如图1中所示，封闭反应器12被供给有接种体 培养基14并且连续地使藻类16的接种体生长。在藻类16的接种体到 达封闭反应器12的端部18时，所述接种体处在最高浓度。然后，藻 类16的接种体以流出物的方式穿出封闭反应器12（箭头20）。

如图1中所示，含有藻类16的接种体的流出物20从封闭反应器 2传递到开放系统22诸如开放水道。在图1中，可以看到的是，开放 系统22包括扩大式塞流反应器（EPFR）24和标准塞流反应器（SPFR） 26。在结构上，EPFR 24包含导管28，该导管28具有用于接纳流出物 20的第一端30和第二端32。此外，开放系统22包含泵34。随着流出 物20进入EPFR 24，泵34向EPFR 24添加生长培养基（箭头36）以 将EPFR 24内的藻类38的浓度稀释到约0.5克每升流体。此外，生长 培养基36包含支持藻类38的期望的生长所必需的营养物。如图1中 所示，开放系统22可以包含用于在沿着EPFR 24的长度的位置40处 供给生长培养基36的多个泵34。

现在参照图2，可以理解EPFR 24的结构与操作。如示出的，EPFR 24的第一端30具有宽度W₁，并且EPFR 24的第二端32具有相当大地 大于W₁的宽度W₂。在图2中，未按比例绘制EPFR 24。在某些实施 例中，W₁将等于十英尺，而W₂将等于300英尺。此外，可以看到EPFR 24包含多个段42。此外，每个段42在宽度上从其近端44扩展到其远 端46。如示出的，每个段42的宽度从其近端44到其远端46加倍。因 此，EPFR 24在宽度上具有大致对数式的增加。尽管图2图示出每个连 续的段的宽度增大，但设想到的是，可以将具有恒定宽度的段42置于 变宽的段42之间。

重要地，流体培养基36和藻类38在重力的影响下流经EPFR 24。 为了本发明的目的，该重力流使用结构化梯度完成。用于与EPFR 24 一起使用的结构化梯度的优选实施例在图3中示出。在那里，将看到 的是，导管28的底板48形成有多个台阶50。详细地，台阶50由近似 3厘米的高度“h”限定，且在台阶50之间的距离“s”优选地为大约近似 100米。通常，EPFR 24可以是超过1000米长，并且藻类38在EPFR 24 中可以具有约三十天的停留时间。

将参照图3理解用于本发明的EPFR 24的重要的方面。这方面是， 在导管28中流体培养基36的深度“d”需要相当浅（即，小于约15cm， 并且优选地大约7.5cm）。然而，为了维持该深度“d”，随着EPFR 24 的变宽，有必要沿着EPFR 24的长度添加流体培养基36。重要地，在 EPFR段42之间的宽度上的增加允许藻类38的对数式生长，同时使藻 类38的浓度维持在至少0.5克每升的高浓度下。

在图1和图2的交叉参照中，在培养基36和藻类38到达EPFR 24 的第二端32时，它们被输送至SPFR26。在这个阶段，藻类38停止生 长，并且可替换地，开始生产油以存储能量。为了引发藻类38中的油 生产，泵52可以将触发介质54引入到SPFR26中。具体地，触发介质 54可缺乏所期望的营养物，诸如氮或磷，这使藻类38生产油。可替换 地，SPFR 26可以从EPFR 24仅接收培养基36和藻类38，无任何另 外的介质54。在任一情况下，藻类38中的油生产因缺乏用以支持生长 的营养物而被触发。

在图4中，本发明的替代实施例被示出并且总体上被指定为60。 如示出的，系统60包含数量为“n”的开放池62，且最小的开放池62₍₁₎ 被指定为“第一上游池”，并且最大的开放池62_(n)被指定为“最后一个下 游池”。中间开放池62根据大小被依次布置，且沿下游方向具有以指数 方式增加的表面面积。在这种情况下，下游方向从第一上游池62₍₁₎延 伸到最后一个下游池62_(n)。对于系统60，各个开放池62的相邻表面面 积之间的比率由固定的乘数建立。重要地，该固定的乘数由将在系统 60中培养的特定的藻类38的生长速率确定。

对于本发明，应理解，在系统60中的所有的开放池62是大致相 互类似的。在此，唯一的例外是在它们的相应的表面面积的大小方面。 因此，每个池62将具有流体循环装置64，该流体循环装置64被设置 用于在池62中四处移动（搅拌）藻类38。在功能上，这样做是为了在 具体的开放池62中存在藻类38的养殖时促进藻类38的生长。适当的 流体循环装置64的例子将是标准循环泵或桨轮。这两种类型的装置在 相关技术中都是熟知的。

在图4中还将看到的是，每个开放池62具有培养基添加导管（由 箭头66表示），该培养基添加导管被设置用以根据需要将培养基添加 到相应的开放池62中。此外，开放池62经相应的输送导管以选择性 连通的方式相互连接。例如，上游开放池62_(n-1)经输送导管与其相邻的 下游开放池62_(n)以流体连通的方式相连接。优选地，输送导管是输送 泵68。如图4中所示，开放池62_(n-1)与开放池62_(n)之间的输送导管是输 送泵68_(n-1)。然而，如上文所暗示的，该具体的结构仅是示例性的。作 为使用输送泵68的替代，可以使系统60中的开放池62成阶梯状，以 为流体在各对上下游开放池62之间的重力流作准备。

除了上文描述的系统60的特定结构组件之外，可以将在接种体培 养基14中的接种体藻类16经第一输送导管（由箭头70表示）供给到 第一上游开放池62₍₁₎中。在系统60的下游端处，在通过系统60之后， 可以经最后一个输送导管（例如，输送泵68_(n)）将现在充分生长的藻 类38从最后一个下游开放池62_(n)移走。

在系统60的操作中，藻类38随着它们被选择性地从一个开放池 传递到另一个而逐渐生长。由藻类38在一系列的每个开放池62中花 费的实际时间将是大致相同的，并且将依赖于所培养的藻类38的类型。 作为实际问题，由藻类38在具体的开放池62中花费的时间可以是差 不多几（例如，3）天。结果，藻类38通过系统60的输送被有系统地 完成。并且优选地，将在夜间完成输送，这时藻类38的生长由于缺乏 太阳光而延迟。

用于移动藻类38通过系统60的输送程序以首先排空最后一个下 游池62_(n)开始。为了做到这样，将在其中充分地生长的藻类38通过输 送导管（例如，输送泵68_(n)）输送到油形成池（即，SPFR26）。接着， 将相邻的上游开放池62_(n-1)的内含物随后排空到现在是空的最后一个 下游开放池62_(n)中。这时，可以将另外的培养基经培养基添加导管66(n) 添加到最后一个下游开放池62_(n)。具体地，这样做是为藻类38在开放 池62_(n)中的进一步生长建立合适的条件。继而，将开放池62_(n-2)（未 示出）的内含物排空到开放池62_(n-1)中，并且添加适当量的培养基。 这以每个上游开放池（例如，池62₍₂₎）的内含物被输送到刚刚排空的 相邻的下游开放池（例如，池62₍₃₎）中而依次继续。当第一上游开放 池62₍₁₎的内含物已经被排空到开放池62₍₂₎中并且现在排空的上游开放 池62₍₁₎已经被藻类16的接种体重新充满时，该输送序列最终结束。系 统60然后使藻类38在相应的开放池62中继续生长，直到另一输送序 列被启动为止。

虽然如在此处示出并且详细地公开的用于在扩大式塞流反应器中 生长微藻类的特定的方法和系统完全能够达到目的并且在此处提供之 前陈述的优势，但是需理解的是，其仅仅是本发明的目前的优选实施 例的说明，并且不旨在限于此处示出的结构或设计的细节，除了如在 所附的权利要求书中所描述的。