使用中空纤维膜的用于培养微藻类的光生物反应器

摘要

本发明公开一种使用中空纤维膜的用于培养微藻类的高速光生物反应器。更具体地，本发明公开一种使用中空纤维膜的用于培养微藻类的高速光生物反应器，其能够通过增加二氧化碳在培养基中的饱和率促进微藻类的生长并使二氧化碳的固定最大化。具体地，使用中空纤维膜的用于培养微藻类的高速光生物反应器包括用于培养微藻类的反应器主体；用于将二氧化碳供应至在反应器主体中的培养基中的中空纤维膜模件；用于使培养基循环的培养基循环泵；及用于去除在培养基中产生的泡沫的消泡器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用中空纤维膜的用于培养微藻类的高速光生物 反应器。更具体地，本发明涉及使用中空纤维膜的用于培养微藻类的 高速光生物反应器，其能够通过增加在培养基中的二氧化碳的饱和率 而促进微藻类的生长并使二氧化碳的固定最大化。

背景技术

已经进行了各种尝试以解决与全球变暖和化石燃料消耗相关的全 球性的环境问题。在这些尝试的一些中是通过利用微藻类的光合作用 生物学地减少CO₂并产生生物柴油的方法，其已被证实具有如下优势： 其可在正常温度和压力实现且以自然碳循环为基础。因此，该方法被 视作用于减少温室气体的最实用的解决方案。

为了使基于微藻类的光合作用的技术成为成功的解决方案，应该 选择具有优异CO₂吸收能力的微藻类，并且须研发用于培养它的光生 物反应器。通常，可以将用于培养微藻类的常规设备分为外荡(open  pond)系统和封闭系统。由于外荡系统使用开放沟渠或池塘，初始投 资费用就相当低。然而，因为每单位面积生产力也低且难以控制养分 量、温度、pH和针对微藻类的生长必需的其它因素，需要大的安装空 间。

为了克服与外荡系统相关的问题，有时使用封闭系统以允许微藻 类在小型反应器中以高密度生长，因此封闭系统可被活跃地研究。典 型地，这些用于培养微藻类的现有设备由养分供应器、微藻光生物反 应器和采集器组成。养分供应器供应针对微藻类的生长必需的养分和 水，并且微藻光生物反应器允许微藻类使用天然光/人造光光合作用以 便于固定CO₂。采集器，如其名称所示，移出生长的微藻类。

在这些构件中，实际实现CO₂固定的微藻光生物反应器是生物学 CO₂固定方法的核心元件。通常，微藻类需要9-10天从初始浓度生长 至最终浓度。微藻类生长得这么慢是因为CO₂气体简单地通过起泡方 法被注入反应器，由此因CO₂在水中的低溶解度而不能保证CO₂与微 藻类长的接触时间。因此，在培养基中停留时间短。另外，由于从培 养基中释放的气体不完全无CO₂，需要另外的收集装置以再使用来自 培养基的气体。而且，由于培养基和微藻类应该分离地管理，所以在 水的再使用和微藻类的采集中也会有问题。

发明内容

本发明涉及提供一种使用中空纤维膜的用于培养微藻类的高速光 生物反应器，其能够促进微藻类的生长并通过使用具有大的膜表面积 的中空纤维膜而使二氧化碳最大化，由此增加在培养基中的二氧化碳 的饱和率。

在一个一般方面，本发明提供使用中空纤维膜的用于培养微藻类 的高速光生物反应器，其包括用于培养微藻类的反应器主体、用于将 二氧化碳供应至在反应器主体中的培养基中的中空纤维膜模件、用于 循环培养基的培养基循环泵、和用于去除在培养基中产生的泡沫的消 泡器。

反应器主体可以配备有分离膜，其分离混合有微藻类的微藻类-混 合的培养基和包括从中空纤维膜模件供应的二氧化碳的循环培养基， 并将包括在循环培养基中的二氧化碳通过浓度梯度转移至微藻类-混合 的培养基。

设置在反应器主体外侧的光源可以配置成将具有活化光合作用的 波长的光照射入反应器主体中。而且，可以将一个或更多个搅拌器设 置在反应器主体中，以保证微藻类的流动性。

更具体地，分离膜可以具有大小为约0.4μm或更小的孔，以阻断 微藻类的移动。中空纤维膜模件的中空纤维膜可以是具有大小为约0.1 μm或更小的孔的疏水膜。中空纤维膜模件的中空纤维膜也可以是孔隙 率为约10-40％的膜。

而且，可以将另一个中空纤维膜模件设置在中空纤维膜模件和反 应器主体之间，并且另一个中空纤维膜模件的气体入口可以与中空纤 维膜模件的气体出口连接以增加二氧化碳与培养基的接触时间。

由于根据本发明的使用中空纤维膜的高速光生物反应器能够将微 藻类以高速生长所必需的CO₂供应至培养基，并能使用分离膜从无微 藻类的培养基中分离微藻类-混合的培养基，供应养分并去除有害物质 就很容易，由此促进微藻类的生长。而且，通过模块化，放大是可能 的，并且可以使微藻生长和二氧化碳固定最大化。

下文将描述本发明的上述和其它的方面和特征。

附图说明

现在将参考本发明的某些示例性实施方式来详细地说明本发明的 上述和其它目的、特征和优势，其在所附附图中说明，下文给出的这 些实施方式仅仅用于说明，因此不是对本发明的限制，其中：

图1显示根据本发明的示例性实施方式的使用中空纤维膜的用于 培养微藻类的高速光生物反应器的构造；

图2显示根据本发明的另一个示例性实施方式的使用中空纤维膜 的用于培养微藻类的高速光生物反应器的构造；

图3a和3b显示根据本发明的示例性实施方式的模块化的高速光 生物反应器的构造；且

图4显示使用根据本发明的示例性实施方式的中空纤维膜模件或 使用现有的起泡反应器将二氧化碳以恒定速度供应至培养基之后比较 溶解在各培养基中的二氧化碳的浓度的结果。

应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明 基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发 明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部 分取决于具体的既定用途和使用环境。

在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本发明的相同或等同部 件。

具体实施方式

现在将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在附图 中，并在下文加以说明。尽管本发明将结合示例性实施方式进行描述， 但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。 相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖各种替换方 式、变化方式、等同方式和其它实施方式，其均可以包括在所附权利 要求限定的本发明的精神和范围之内。

除非特别说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语“约” 理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准偏差内。 约可以理解为在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、 2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文清楚得 到，本文提供的所有数值都由术语约修饰。

本发明涉及使用中空纤维膜的用于培养微藻类的高速光生物反应 器。通过使用具有增加的膜表面积的中空纤维膜增加供应至培养基的 二氧化碳的饱和率，可以促进微藻类的生长且可以增加二氧化碳的固 定。

除了增加二氧化碳在培养基中的饱和率之外，中空纤维膜的使用 还使在培养微藻类的过程中产生的氧气去除，从而促进微藻类的新陈 代谢。而且，通过在反应器主体中设置能够阻断微藻类移动的分离膜， 可以独立地控制培养基的运输，且可以提高整个系统的效率。

也就是说，本发明使用中空纤维膜比使用在现有技术中采用的常 规的起泡，使二氧化碳气体供应更快。而且，通过经由设置在反应器 主体中的分离膜将二氧化碳作为用于使用光源(自然光或人造光)的 光合作用的养分供应至微藻类，可以控制溶解在混合有微藻类的培养 基(下文称作微藻类-混合的培养基)中的二氧化碳的浓度，由此防止 微藻类长出反应器主体，因此防止微藻类附着至中空纤维膜模件。而 且，通过循环在分离膜下在反应器主体与中空纤维膜模件之间的培养 基，使得二氧化碳的浓度维持为恒量，并从微藻类-混合的培养基中分 离培养基(此后，称作循环培养基)，可以分离地管理微藻类和培养基。

由于反应器主体和中空纤维膜模件均可以模块化，可以容易地将 本发明的高速光生物反应器放大，由此可以使二氧化碳的固定最大化。

如图1和图2所示，根据本发明的示例说明的实施方式的高速光 生物反应器包括具有预定容积的圆柱形状的反应器主体10；用于运输 材料的中空纤维膜模件20，例如向培养基中供应二氧化碳和从培养基 中去除氧气；用于防止供应至反应器主体10和中空纤维膜模件20的 培养基起泡的消泡器30；设置在反应器主体10外侧并将具有适用于培 养植物的波长的光照射至培养基主体10中的光源16；及用于循环培养 基的培养基循环泵18。

设计反应器主体10以在其中培养微藻类，并将其填充用于供应养 分的培养基。在反应器主体10的底部，设置能够从循环培养基中分离 微藻类-混合的培养基并阻断微藻类移动的平板式(plate-type)分离膜 12。

所述分离膜12可以是孔径约0.4μm或更小的平板式膜，使得微藻 类不能通过而同时允许培养基通过分离膜12。也就是说，分离膜12 在反应器主体10中在从培养基(尤其是循环培养基)中分离微藻类的 同时允许材料(例如，二氧化碳和氧气)的运输。分离膜12优选具有 与反应器主体10的内径相应的直径。

在反应器主体10中设置分离膜12允许将对微藻类的光合作用必 需的二氧化碳从反应器主体10的底部部分的循环培养基供应至在其上 的微藻类-混合的培养基，并允许将由光合作用产生的氧气运输至循环 培养基使得可以去除氧气。也就是说，分离膜12允许从供应自中空纤 维膜模件20的含二氧化碳的循环培养基中分离微藻类-混合的培养基， 并允许将二氧化碳从循环培养基经浓度梯度运输至微藻类-混合的培养 基。

换句话说，通过由分离膜12分离的培养基的浓度梯度，将供应自 中空纤维膜模件20的二氧化碳运输至微藻类-混合的培养基。通过浓度 梯度对培养基材料运输的控制提高整个系统的效率。因而，分离膜12 可以是能够阻断微藻类移动而且允许微藻类需要的各种养分以及例如 二氧化碳、氧气等有害物质的运输的膜。

由于在反应器主体10中的分离膜12的该分离，可以防止例如当 将二氧化碳供应至中空纤维膜模件20时由于微藻类而发生的中空纤维 膜23的积垢，可以方便地采集微藻类，且再使用残余的培养基变得更 加容易，因而将有可能在常规的封闭系统中补充不足的养分。

而且，可以将搅拌器14设置在反应器主体10中，以防止由浓度 梯度引起的分离膜12的絮凝和结垢。可以将搅拌器14以单个或多个 设置在分离膜12之上，以便于在反应器主体10中通过搅拌培养基尤 其是微藻类-混合的培养基保证微藻类的充分的流动性，从而防止分离 膜12的絮凝和结垢。

光源16是靠近反应器主体10设置以照射出具有活化适用于培养 植物的光合作用的波长的光的灯。具体地，光源16可以发射波长为约 450nm或约660nm的、活化用于光合作用的叶绿素的光。光源16连 同自然光一起从反应器主体10的外侧供应光能。光的强度为约200 μmol m^-2s^-1，其适用于光合作用。

中空纤维膜模件20包括多个插在管形模件壳体中的、与模件壳体 平行的中空纤维膜23。可以将中空纤维膜23的两端通过环氧层固定 至模件壳体。

中空纤维膜23由疏水材料制成，使得膜的孔不会由培养基弄湿， 以保证好的材料运输。而且，中空纤维膜可以具有预定大小和孔隙率 为约10-40％的孔。例如，中空纤维膜23可以是具有大小为约0.1μm 或更小的孔的疏水膜。

取决于微藻类的生长水平和浓度，供应至中空纤维膜模件20的含 二氧化碳的气体可以是纯二氧化碳或者二氧化碳与氮气或二氧化碳与 空气的混合物。

大多数现有的封闭光生物反应器使用配备在反应器主体上的通风 管供应作为气泡的二氧化碳。然而，在这种情况下，从培养基中释放 的气体包括相当大量的二氧化碳，且该反应器难于完全去除供应的二 氧化碳。而且，二氧化碳的供应通常缓慢，并且不考虑通过微藻类由 光合作用产生的氧气的去除。

另一方面，根据本发明的光生物反应器能够有效地将二氧化碳供 应至培养基，这是因为通过中空纤维膜23的大小为约0.1μm或更小的 微孔提供增加的有效膜表面积。而且，由于其可以去除通过微藻类由 光合作用产生的氧气，可以促进由微藻类引起的新陈代谢。

在中空纤维膜模件20的两端，设置用于流入循环培养基的培养基 入口24、用于排出循环培养基的培养基出口25、用于流入含二氧化碳 的气体的气体入口26和用于排出混合有从培养基中释放的氧气的含二 氧化碳的气体的气体出口27。

经由培养基入口24，流入循环培养基，在已经将二氧化碳供应至 在反应器主体10中的培养基之后，由微藻类的光合作用产生的氧气已 向该循环培养基转移。经由培养基出口25，排出循环培养基，在该循 环培养基通过中空纤维膜23时由经由气体入口26供应的二氧化碳饱 和，且从其中已经将氧气排出中空纤维膜23。

也就是说，当由于通过微藻类的光合作用，其中的二氧化碳的水 平已经降低且氧气的水平已经增高的循环培养基流入时，中空纤维膜 23起到从循环培养基中去除氧气和增加二氧化碳的浓度的作用。

中空纤维膜23通常起到用于供应二氧化碳和气体的装置的作用， 但是，当在培养基(循环培养基)中的氧气的浓度由于光合作用增加 时，其可以用作去除在运输氮气或混合气体时已通过分离膜12的溶解 在反应器主体10中的氧气的模件。

消泡器30将在培养微藻类的过程中在培养基中可能产生的泡沫去 除，从而保证经由膜(分离膜和中空纤维膜)的有效的材料运输，并 允许快速的微藻类采集和养分供应。

例如，消泡器30可以如图1或图2所示配置。即，如图1所示， 消泡器30可以延着培养基流动线设置多个，使得在将泡沫从由反应器 主体10排出的培养基(含有相对大量的氧气的培养基)中去除之后， 可以再次从已经通过中空纤维膜模件20的培养基(用二氧化碳饱和的 培养基)中去除泡沫。或者，消泡器30可以延着培养基流线设置单个， 使得可以将泡沫从由反应器主体10排出的培养基中去除，如图2所示。

当消泡器30如在图2中以单个设置使得已经通过中空纤维膜模件 20的培养基直接循环至反应器主体10时，流速相比于图1可以相对更 低，以防止膜结垢。然而，优势在于，可以将二氧化碳直接(不通过 消泡器)供应至微藻类。

而且，根据本发明的示例说明的实施方式的高速光生物反应器可 以如图3a和图3b所示，通过将中空纤维膜模件21、22和/或反应器主 体10模块化而配置。当反应器主体10以多个设置时，反应器主体10 可以串联地排列并通过培养基流动线连接，使得循环培养基可以连续 地通过反应器主体10。

当反应器主体以多个设置时，可以以比当使用单个反应器主体时 更大的量使用培养基。由此，中空纤维膜模件21、22可以以多个串联 设置，以便于增加二氧化碳饱和时间(或与二氧化碳和培养基的接触 时间)。也就是说，如图3a所示，从反应器主体10排出的培养基经由 第一中空纤维膜模件21的培养基入口24流入中空纤维膜23，然后在 供应二氧化碳并去除氧气之后，经由第一中空纤维膜模件21的培养基 出口25排出。

随后，经由第一中空纤维膜模件21的培养基出口25排出的培养 基再次经由第二中空纤维膜模件22的培养基入口24流入，然后在供 应二氧化碳并去除氧气之后，经由第二中空纤维膜模件22的培养基出 口25排出。通过该过程，将培养基用二氧化碳饱和，然后再次循环至 反应器主体10。

或者，如图3b所示，可以配置系统使得从第一中空纤维膜模件21 的气体出口27排出的混合气体流入第二中空纤维膜模件22的气体入 口26，以便于增加二氧化碳与培养基的接触时间。在这种情况下，可 以再使用在将二氧化碳转移至在第一中空纤维膜模件21的培养基之后 排出的混合气体。通过该过程，可以增加在培养基中的二氧化碳的饱 和度和在混合气体中的二氧化碳的去除(固定)效率。

不使用另外的收集器(collector)，也可以再使用含二氧化碳的气 体并固定二氧化碳。也就是说，通过在第一中空纤维膜模件21和反应 器主体10之间进一步设置第二中空纤维膜模件22，然后将第一中空纤 维膜模件21的气体出口27与第二中空纤维膜模件22的气体入口26 连接，可以增加二氧化碳与培养基的接触时间。同样地，通过以多个 串联设置中空纤维膜模件21、22，可以增加培养基与二氧化碳气体的 接触时间，且可以将培养基用二氧化碳饱和。

在将用二氧化碳饱和的培养基供应至反应器主体10之后，由于通 过浓度梯度的扩散，经由分离膜12实施材料运输。同时，由于不仅二 氧化碳扩散，而且通过光合作用产生的氧气也扩散，提高在分离膜12 之上的培养基中(微藻类-混合的培养基)的微藻类的生长。

图4显示使用根据本发明的示例性实施方式的中空纤维膜模件或 使用现有的起泡反应器将二氧化碳以恒定速度供应至培养基之后，比 较溶解在各培养基中的二氧化碳的浓度的结果。结果显示为图，在培 养基中的二氧化碳浓度显示在纵座标中，且培养基暴露于二氧化碳的 时间(即，将含二氧化碳的气体从中空纤维膜模件供应至培养基并溶 解的时间)显示在横座标中。

如图4所示，当将二氧化碳经由中空纤维膜供应至培养基时，可 以更快地在培养基中将二氧化碳溶解并饱和。

如所述的，由于根据本发明的高速光生物反应器使用具有增加的 膜表面积的中空纤维膜，可以增加二氧化碳在循环培养基中的饱和率， 且可以将分离膜安装在反应器主体中，以通过温度梯度将二氧化碳供 应至微藻类-混合的培养基并从微藻类-混合的培养基中去除氧气。而 且，由于可以将中空纤维膜模件和反应器主体通过模块化放大，可以 使微藻类的生长速率和二氧化碳的固定最大化。

本发明参考其具体实施方式进行了详细描述。然而，本领域技术 人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实 施方式进行各种改变和变更，本发明的范围由所附的权利要求及其等 同方式限定。