專利名稱：在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中維持微擬球藻優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及藻類培養(yǎng)系統(tǒng)，更特定涉及在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中維持微擬球藻 (Nannochloropsis)優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
微擬球藻培養(yǎng)物會受到競爭物種和捕食者的污染。優(yōu)化微擬球藻生長的藻類培養(yǎng)系統(tǒng)以提高其對競爭物種和捕食者的抵抗力，使得微擬球藻培養(yǎng)物崩塌或墜落減少。維持微擬球藻的穩(wěn)定大規(guī)模培養(yǎng)物能在最大程度上聚積生物量。這種生物量的聚積對于生物燃料和具有更高價值產(chǎn)品的生產(chǎn)是高度有利的，所述產(chǎn)品包括但不限于動物飼料、魚食配方、 類胡蘿卜素、多不飽和脂肪酸(“PUFA”)、以及美容和醫(yī)藥工業(yè)的產(chǎn)品。本文描述了實現(xiàn)這些目的的示范性實施方式。發(fā)明概述提供了在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中維持微擬球藻維持和提高其生物量生產(chǎn)的系統(tǒng)和方法。 示范性的方法包括施用有效量的臭氧給藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中生長的微擬球藻屬。有效量的臭氧使得進入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流中臭氧起始濃度約0.1微克/升-10微克/升。入口流可包括含有微擬球藻、捕食者和/或侵入者的現(xiàn)有藻類培養(yǎng)物。另一種方法可包括在流入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流中施加超過10微克/升或更高的休克量的臭氧。各種示范性實施方式可包括在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中維持微擬球藻維持和提高其生物量生產(chǎn)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括處理器和含處理器執(zhí)行指令的計算機可讀存儲介質(zhì)。由處理器執(zhí)行的指令使處理器在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中維持微擬球藻優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)。處理器與計算機可讀存儲介質(zhì)連接。處理器執(zhí)行計算機可讀存儲介質(zhì)上的指令，以施加有效量的臭氧到流入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流(可用ORP計測量)。處理器還可執(zhí)行本文所述其它指令，并仍包括在所考慮范實施方式的范圍內(nèi)。附圖簡要說明

圖1顯示了使用臭氧維持藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中微擬球藻優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)的示范性方法的流程圖。發(fā)明詳述通過利用出乎意料的發(fā)現(xiàn)，即微擬球藻與其競爭物種(或侵入者)和捕食者相比對臭氧有較高的接觸耐受，本文所述的示范性系統(tǒng)和方法優(yōu)化了用于微擬球藻優(yōu)勢的藻類培養(yǎng)系統(tǒng)。另外，本文所述的各種系統(tǒng)和方法使微擬球藻生物量生產(chǎn)最大化，這對于大量應用例如生物燃料的生產(chǎn)是高度有利的。圖1顯示了示范性方法100的流程圖，所述方法使用臭氧維持藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中微擬球藻優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)。在任選的步驟105，在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中接種微擬球藻前，可調(diào)節(jié)藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的臭氧濃度。這樣的步驟可視作預防性措施。可通過送入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流調(diào)節(jié)藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的臭氧濃度。例如，可用配有液壓泵、文丘里裝置和空氣干燥器的市售臭氧發(fā)生器在入口流中加入臭氧。入口流可包含淡水、鹽水或其混合物。入口流還可包含微擬球藻、捕食者和/或侵入者。在入口流中加入有效量的臭氧可使得進入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流中臭氧起始濃度為約0.1-10微克/升。在步驟110，用微擬球藻接種藻類培養(yǎng)系統(tǒng)(注意如果微擬球藻已經(jīng)存在，可跳過步驟110，例如具有微擬球藻的現(xiàn)有池塘、容器、光合生物反應器等)。根據(jù)各個示例性實施方式，藻類培養(yǎng)系統(tǒng)可以是開放池塘、封閉池塘和/或光合生物反應器。另外，微擬球藻培養(yǎng)物可包含微擬球藻屬的一種或多種菌株。室外的微擬球藻培養(yǎng)物可從添加起始的少量純微擬球藻單種藻(基本上不含多余的污染生物)開始?？稍谑芸氐沫h(huán)境，如實驗室或封閉系統(tǒng)中產(chǎn)生這類接種物?？蓪⒔臃N物引入更大體積的水中，其中選擇的預定臭氧濃度(例如使用本文所述的步驟105)對于微擬球藻生長最佳和/或?qū)τ诟偁幘甏蝺?yōu)。在步驟115，微擬球藻在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中生長。根據(jù)各實施方式，微擬球藻培養(yǎng)物生長可能需要光(天然或人工供給)以及營養(yǎng)物質(zhì)。其它參數(shù)如PH應在可接受的范圍內(nèi)。 微擬球藻生長所需的典型基本元素可包括碳、氧、氫、氮、硫、磷、鉀、鎂、鐵和痕量的數(shù)種其它元素。微擬球藻生長所需營養(yǎng)物質(zhì)可包含于水中、隨后在稀釋水中提供或獨立于稀釋水提供，其濃度足以允許微擬球藻生長并達到所需的最終密度。產(chǎn)生指定微擬球藻密度所需的營養(yǎng)物量可由該營養(yǎng)物質(zhì)的細胞限額確定。即通過由營養(yǎng)物質(zhì)所含元素組成的藻類干重的百分比確定。所述細胞限額的倒數(shù)稱為該營養(yǎng)物質(zhì)或元素的藻類生長勢。例如，如果所需最終密度為1克/升，考慮的微擬球藻株系在其生物量中包含10%氮(即細胞限額為 0. 1)，則培養(yǎng)物中的氮原子初始濃度應至少為0. 1克/升?？蓪λ袪I養(yǎng)物質(zhì)進行相同的計算以確定其在培養(yǎng)物中的初始濃度。在各種實施方式中，可對各種用于大規(guī)模培養(yǎng)藻類的系統(tǒng)進行微擬球藻生長優(yōu)化?？赏ㄟ^改變混合強度和設備的光學深度調(diào)整微擬球藻可接觸的時間平均光強度。在板形模塊化光合生物反應器中，后者可通過控制兩個連續(xù)板之間的距離來進行。另一方面，開放池塘中的光學深度可以是池塘深度。類似的，密閉光合生物反應器中的溫度可通過間接熱交換精確控制。在開放的池塘中，可通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)物深度控制溫度。2-10天后，微擬球藻根據(jù)光強度、溫度和起始接種大小可到達生產(chǎn)操作密度。一旦微擬球藻生長到所需密度，根據(jù)一些實施方式，可將其移出(可用新的接種物開始新的培養(yǎng))，或可根據(jù)指定的方案或比率將其稀釋。在所述第一種情況中，可以分批模式進行培養(yǎng)，可能需要進行頻繁的再接種。在所述后一種情況中，可根據(jù)進行稀釋的方式以連續(xù)或半連續(xù)方式進行培養(yǎng)。例如，假設所需稀釋率為每天50%培養(yǎng)物體積，培養(yǎng)物稀釋可通過若干技術中的一種或多種進行。培養(yǎng)物稀釋可以恒定或可變的比率在全天(或全天的一部分)中連續(xù)進行?；蛘吲囵B(yǎng)物稀釋可以每天一次(即每天在短時間內(nèi)移出50%的培養(yǎng)物，并用新的生長培養(yǎng)基代替)的半連續(xù)、每天兩次(即每次移出25%的培養(yǎng)物，每天在不同的時間進行兩次)的半連續(xù)或全天中以任何其它所需頻率的半連續(xù)方式進行。在一些實施方式中，培養(yǎng)物稀釋可包括從生長系統(tǒng)中移出微擬球藻培養(yǎng)基(無論是在開放池塘還是封閉的光生物反應器中)，并用新鮮培養(yǎng)基代替這部分，所述新鮮培養(yǎng)基可包含足以供微擬球藻在兩次連續(xù)稀釋之間生長的所有營養(yǎng)物質(zhì)。在步驟120中，用微擬球藻接種藻類培養(yǎng)系統(tǒng)后且微擬球藻生長到所需密度(例如步驟110和步驟115所述)后，可觀察藻類培養(yǎng)系統(tǒng)(例如裸眼觀察、顯微鏡檢、和/或分析觀察，包括取樣并分析)。這種觀察和采樣可每分鐘、每小時、每天、每隔一天、每周三次、每周、和/或以任何其它合適的間隔進行。與該過程相關，可指定一個或多個測定值作為捕食者和/或侵入者相較微擬球藻的實際和/或所需密度或優(yōu)勢的相對水平或量。在步驟125，測定藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中的微擬球藻優(yōu)勢是否受到捕食者和/或侵入者的挑戰(zhàn)。基于這種測定，可決定是否調(diào)節(jié)藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中的臭氧濃度。如果捕食者和/或侵入者的水平或量低于預定水平，藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的臭氧濃度可能不需要步驟130和/或步驟135所述的調(diào)節(jié)，可如步驟120所述繼續(xù)觀察藻類培養(yǎng)系統(tǒng)。在步驟130中，如果捕食者和/或侵入者的水平或量超過實際或所需水平，可調(diào)節(jié)藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中的臭氧濃度?？赏ㄟ^送入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流調(diào)節(jié)藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的臭氧濃度。例如，可用配有液壓泵、文丘里裝置和空氣干燥器的市售臭氧發(fā)生器在入口流中加入臭氧。入口流可包含淡水、鹽水或其混合物。入口流還可包含微擬球藻、捕食者和/或侵入者。在入口流中加入有效量的臭氧可使進入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流臭氧起始濃度為約 0.1-10微克/升。在步驟135中，如果捕食者和/或侵入者的水平或量超過實際或所需水平，可通過施加有效“休克”量的臭氧調(diào)節(jié)藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中的臭氧濃度?？赏ㄟ^送入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流調(diào)節(jié)藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的臭氧濃度。在入口流中加入有效量的臭氧可使進入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流臭氧起始濃度高于10微克/升。通過本文所述實驗觀察到的意外結(jié)果是接觸極高水平臭氧(高于30微克/升)的微擬球藻培養(yǎng)物恢復(即微擬球藻培養(yǎng)物未被殺死)， 只要臭氧的接觸不延長。特別是，當對藻類培養(yǎng)系統(tǒng)施加高濃度臭氧(例如高于10微克/ 升)時，微擬球藻在加入臭氧的最初兩天內(nèi)會顯示0產(chǎn)率，然后在接下來的數(shù)日內(nèi)顯示生長，直到恢復正常產(chǎn)率。注步驟130和135可以交替或輪流方式進行，只要能正確觀察臭氧濃度。如果對藻類培養(yǎng)系統(tǒng)施加有效量或有效休克量的臭氧，可進行處理后觀察。通常如果微擬球藻的密度或優(yōu)勢上升，可以推定施加臭氧是有效的(即為有效方案)。如果微擬球藻的密度或優(yōu)勢降低，可以推定施加有效量的臭氧無效(即無效方案)，并考慮施加第二
有效量的臭氧。各種實施例可包括在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中維持微擬球藻優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可包括通訊界面、計算機可讀存儲介質(zhì)、處理器、臭氧施加裝置例如臭氧發(fā)生器和相關設備。計算機可讀存儲介質(zhì)還可含有由處理器執(zhí)行的指令。由處理器執(zhí)行的指令使處理器在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中維持微擬球藻優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)。例如，處理器可執(zhí)行計算機可讀介質(zhì)上的指令，以在流入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流中施加有效量或有效休克量的臭氧。處理器還可執(zhí)行本文所述其它指令，并仍包括在所考慮實施方式的范圍中。另一個實施方式可包括含有計算機可讀編碼的計算機可讀存儲介質(zhì)，該編碼用于操縱計算機執(zhí)行在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中維持微擬球藻優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)的方法。例如，所述方法可包括在流入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流中施加有效量或有效休克量的臭氧的步驟。計算機可讀存儲介質(zhì)的例子可包括盤片、記憶卡、服務器和/或計算機盤?？捎商幚砥魇栈夭?zhí)行指令。指令的一些例子包括軟件、程序編碼和固件。當由處理器執(zhí)行時指令通常是可操作的，以指導處理器根據(jù)本發(fā)明的實施方式操作。雖然各模塊可配置成進行一些或全部本文所述的各種步驟，可提供更少或更多的模塊且仍然屬于各種實施方式的范圍內(nèi)。
實施例在下列實施例中，微擬球藻在佛羅里達韋羅海灘的戶外開放的三平方米的池塘中生長。韋羅海灘的氣候為半熱帶，具有溫和涼爽的冬天和炎熱潮濕的夏天。這樣的氣候?qū)τ诰S持戶外藻類培養(yǎng)物穩(wěn)定且生產(chǎn)是個挑戰(zhàn)。溫暖的夜間促進原生動物、輪蟲以及甲殼動物生長。濕度引起競爭性藻類空氣傳播，因此提高了侵入率。實施例1用配有液壓泵、文丘里裝置和空氣干燥器的市售臭氧發(fā)生器在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中加入臭氧。所用的機器是每小時能產(chǎn)生10克臭氧的小型機器。通過發(fā)生器的液體流速為約 16升/分鐘。當在最大臭氧發(fā)生的50%時，穿過臭氧發(fā)生器一次后液體中的臭氧濃度為 4. 6mg/L,而在 100 % 時是 9. 6mg/L。啟動兩個三平方米的池塘，從更大的池塘中取出5001培養(yǎng)物，使其通過臭氧發(fā)生器一次。一個池塘開始時臭氧機設定在50%，另一個池塘開始時臭氧機設定為100%。原始藻類培養(yǎng)物有許多微擬球藻團、細胞碎片、各種硅藻和一些纖毛原生食草動物。穿過臭氧發(fā)生器一次后，僅有微擬球藻的單細胞存活。團塊完全破碎，硅藻和原生食草動物被殺死， 細胞碎片被氧化。兩種藻類培養(yǎng)物生長兩日而不稀釋，但加入營養(yǎng)物，以觀察臭氧處理是否改變了培養(yǎng)物的生物量生產(chǎn)和隨后的穩(wěn)定性。批量生長2日后，每日每個池塘稀釋1/3，每日用臭氧發(fā)生器重新循環(huán)30分鐘。在該時間期，處理約500L或相當于1體積。如上，通過一個池塘時機器設定為50%，另一個設定為100%。該處理持續(xù)三天，此時兩個池塘的生物量生產(chǎn)大致相當，比對照池塘的水平高20 %，未顯示來自臭氧的任何有害影響。實施例2利用能產(chǎn)生10g/h臭氧的干燥空氣送料臭氧發(fā)生器原位裝配臭氧滑道。該測試的目的是為了證明臭氧消毒效果和微擬球藻對臭氧濃度的抗性。小泵與系統(tǒng)連接，通過Mazzei氣體到液體注入器在液體循環(huán)管線中加入臭氧，其流速可以是在15-25psi壓力范圍內(nèi)的13. 2-28. 351pm0在流速為20psi下13. 2和15. 61pm 時，對鹽度為20-24ppt的池塘D4 (3m2表面積)、MP1 (3m2表面積)和25A (25m2表面積)進行了測試。臭氧機裝有可變轉(zhuǎn)化器，能夠在0-100%之間改變臭氧劑量。在臭氧濃度為25%、 50^^75%和100%時，以流速為13. 2和15. 61pm進行了測試。這些流速下的各臭氧劑量列于下表。
權利要求
1.一種用于在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中維持微擬球藻優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)的方法，其特征在于，所述方法包括對藻類培養(yǎng)系統(tǒng)施加有效量的臭氧。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，有效量的臭氧使得進入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流中臭氧起始濃度約0. 5微克/升-10微克/升。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述入口流還包括微擬球藻。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述入口流還包括侵入者。
5.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述入口流還包括捕食者。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括視覺觀察藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中捕食者或侵入者的存在。 、
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在如果捕食者或侵入者的存在危及藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中生長的微擬球藻優(yōu)勢時，施加有效量的臭氧。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述有效量是休克量的臭氧，使得進入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流中臭氧起始濃度高于約10微克/升。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述入口流還包括微擬球藻。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述入口流還包括侵入物。
11.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述入口流還包括捕食者。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻類培養(yǎng)系統(tǒng)包含海水。
13.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻類培養(yǎng)系統(tǒng)包含淡水。
14.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻類培養(yǎng)系統(tǒng)包含海水和淡水的混合物。
15.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻類培養(yǎng)系統(tǒng)是光合生物反應器。
16.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻類培養(yǎng)系統(tǒng)在開放的池塘中。
17.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻類培養(yǎng)系統(tǒng)在開放的容器中。
18.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻類培養(yǎng)系統(tǒng)在密閉的容器中。
19.一種用于在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中維持微擬球藻優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包含處理器；包含處理器執(zhí)行指令的計算機可讀存儲介質(zhì)，所述指令使處理器維持藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中微擬球藻優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)；其中處理器與計算機可讀存儲介質(zhì)連接，處理器執(zhí)行計算機可讀存儲介質(zhì)上的指令，以對藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中生長的微擬球藻施加有效量的臭氧，其中有效量的臭氧使得流入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流中臭氧起始濃度約為0. 5-10微克/升之間。
20.如權利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述入口流還包括微擬球藻。
全文摘要
提供了在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中維持微擬球藻優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)的系統(tǒng)和方法。示范性的方法包括對藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中生長的微擬球藻施加有效量的臭氧。另一種方法可包括在流入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的入口流中施加超過10微克/升或更高的休克量的臭氧。各種示范性實施方式可包括在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中維持微擬球藻優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括處理器和包含處理器執(zhí)行指令的計算機可讀存儲介質(zhì)。由處理器執(zhí)行的指令使處理器在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中維持微擬球藻優(yōu)勢和提高其生物量生產(chǎn)。
文檔編號C12M3/00GK102348793SQ201080012755
公開日2012年2月8日 申請日期2010年2月4日 優(yōu)先權日2009年2月4日
發(fā)明者D·賴斯, G·拉達埃利, J·韋斯曼 申請人:奧羅拉生物燃料股份有限公司