專利名稱：用于生長和收獲藻的方法以及使用方法
用于生長和收獲藻的方法以及使用方法與相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2009年6月26日遞交的美國臨時申請?zhí)?1/220，942的權(quán)益，所述申請在此被明確地以其全部通過弓丨用而并入。
背景技術(shù)：
微藻是生物燃料的來源，所述生物燃料為使用傳統(tǒng)的化石燃料提供了備選的方案。微藻是生長在水性懸浮物中的原始植物。微藻包括 單細胞的光合微生物，其利用來自日光的能量使水與二氧化碳結(jié)合以產(chǎn)生可含有大量的類似于在植物油中所找到的脂質(zhì)的生物質(zhì)。所述脂質(zhì)材料可被用于通過已知為?；D(zhuǎn)移作用的化學(xué)過程而生產(chǎn)生物燃料。微藻的繁殖主要是通過無性細胞分裂，然而，在某些生長條件下，可發(fā)生有性繁殖。存在許多組的藻，具有數(shù)千的已知品種。對于生成藻生物燃料而研究的一些主要的類別是硅藻；綠藻；金褐藻；普林藻(Prymnesiophytes)和黃綠藻(Eustigmatophytes)。大量的研究表明光合微藻可在開放跑道池中或光合生物反應(yīng)器中繁殖并被收獲用于生物燃料的生產(chǎn)。微藻也在黑暗中被培育，通過發(fā)酵來生產(chǎn)生物燃料。微藻形成主要為中性甘油三酯形式的儲存脂質(zhì)，可使用醇和酸或堿作為催化劑而通過酰基轉(zhuǎn)移作用使其被用于生產(chǎn)生物柴油。成功地將微藻商業(yè)化作為生物燃料來源取決于許多因素。最顯著的是增加的脂質(zhì)(油)產(chǎn)率和/或生物質(zhì)生長增加以及有成本效益的收獲方法。許多研究表明營養(yǎng)限制(例如氮和/或硅喪失)可誘導(dǎo)藻增加其脂質(zhì)含量。營養(yǎng)喪失的缺點在于細胞分裂和細胞生長的中止以及相應(yīng)地對生物質(zhì)的限制，從而脂質(zhì)生產(chǎn)的凈產(chǎn)率不顯著。此外，從水性環(huán)境中收獲微藻的成本是對于微藻成功商業(yè)化作為生物燃料的限制。一種收獲藻的方法使用微濾器來篩選出藻。在這種方法中，含有來自開放跑道池的懸浮微藻的水流過旋轉(zhuǎn)的或固定的微濾器以收集藻而水通過。通過移動刮刀而掃除或回流在微濾器上收集的微藻，并將其收集用于離心以濃縮藻用于提取脂質(zhì)。收獲微藻的另一種方法涉及允許微藻培養(yǎng)物在聚合物和FeCl3的影響下沉降。所使用的高劑量、對絮凝劑的高耗費(2-6g/kg有機絮凝劑和15-200g/kg FeCl3)以及用于收獲的錯流過濾的高成本是商業(yè)上所不希望的。此方法的其它變體涉及離心經(jīng)沉降的藻，這也是不實際和昂貴的。另一種收獲微藻的方法是化學(xué)絮凝隨后進行溶氣浮選。與通過離心收獲的經(jīng)沉淀的藻相比，通過溶氣浮選收獲的絮凝的藻的脂質(zhì)含量是低的。通過越過沙床過濾而收集藻是收獲微藻的另一種方法，但是由于與從沙床上移除所收集的藻相關(guān)的困難和花費，這種方法是不實際的。鑒于生長和收獲微藻的常規(guī)方法的前述問題，將希望提供方法來增加藻的生長速度和/或增加藻的脂質(zhì)含量而不抑制細胞分裂并且進而允許有效的收獲。發(fā)明概述
提供本概述是為了以簡化的形式介紹所選的概念，在下文的發(fā)明詳述中進一步對它們進行描述。本概述并不意在鑒別出所要求保護的主題的關(guān)鍵性特征，也不意在被用作輔助來確定要求保護的主題的范圍。本公開涉及生長和收獲藻的方法，其通過將有效量的殼聚糖引入適于生長藻的環(huán)境中，而使得所述殼聚糖引起增加的藻生長并且，還可以產(chǎn)生聚集的藻和/或生長的聚集藻的墊。本方法有利地產(chǎn)生這樣的藻當由殼聚糖聚集時，其可被更容易地收獲。殼聚糖的使用引起了藻生長的增加并且可增加藻中的脂質(zhì)量。所述藻和脂質(zhì)可被用作下列的來源生物燃料，特殊化學(xué)品，動物和魚飼料，營養(yǎng)物，乙醇生產(chǎn)，對于農(nóng)業(yè)有用的生物質(zhì)回收，和能量產(chǎn)生,例如甲烷燃燒和乙醇生產(chǎn)。
在所公開的方法中，適于生長藻的環(huán)境可含有有效量的可溶性甲殼素和/或可溶性殼聚糖，以及任選地，陰離子聚合物，例如黃原膠，藻酸鹽，角叉菜膠，羧甲基纖維素或陰離子聚丙烯酰胺。除了殼聚糖和甲殼素之外的聚陽離子物質(zhì)也可對于藻生長和脂質(zhì)產(chǎn)率和/或聚集的或墊樣的生長顯示出相同的效果。此類聚陽離子物質(zhì)包括聚陽離子丙烯酰胺；陽離子瓜爾膠；陽離子淀粉；某些聚胺類和其它天然的或合成的陽離子聚合物。在包括殼聚糖和/或甲殼素，以及任選地陰離子聚合物的條件下培育藻，所述藻可生長為聚集的團塊和/或墊，其在正常生長條件下對于分離是穩(wěn)定的。在存在單獨的殼聚糖或甲殼素時、或者在存在其與陰離子聚合物(例如陰離子聚糖如黃原膠，藻酸鹽或角叉菜膠)的組合時培育藻，有利地增加了微藻的生長且還可增加微藻的脂質(zhì)產(chǎn)生。在本發(fā)明的一個實施方式中，可在水性環(huán)境內(nèi)的多孔包容(containment)設(shè)備(實例包括合成的和非合成的織造和非織造的織物)中生長經(jīng)殼聚糖-聚集的或經(jīng)殼聚糖-陰離子聚合物聚集的微藻，這通過簡單地將含有聚集的藻/團塊的藻/藻墊的包容設(shè)備從水中移除，并使用壓帶機壓制為糊狀稠度而使得收獲更容易。所述多孔包容設(shè)備(含有聚集的生長的微藻或生長的微藻的墊)可遍及水性環(huán)境而被移動以使藻更接近光能來源(例如太陽)。備選地，可將所述包容設(shè)備從光能來源移開，以提供漫射光來保護微藻避免光能的強烈。本發(fā)明的另一個實施方式包括在跑道池中生長經(jīng)殼聚糖-聚集的或經(jīng)殼聚糖-陰離子聚合物聚集的微藻，所述跑道池含有遍及跑道底部而提供的被封閉的孔?？扇缦聦崿F(xiàn)對所述墊狀或聚集的微藻的收獲打開由滑板覆蓋的孔并允許水排出到位于含有墊狀或聚集的微藻的跑道池之下的包容池中。所述聚集的微藻足夠大而不通過所述孔并將保留在排干的跑道中。然后可使用移動的刮刀或被設(shè)置為適合跑道底部的輪廓的刮刀設(shè)備而從跑道池中收集排干的跑道池中的聚集的微藻。在通過將板蓋滑回原位而閉合所述孔之后可將下面包容池中所收集的水泵回跑道中。本發(fā)明的另一個實施方式包括在一端緩緩傾斜以允許在收獲過程中排干的跑道池中生長經(jīng)殼聚糖-聚集的或經(jīng)殼聚糖-陰離子聚合物聚集的微藻。較低的一端可含有由過濾器覆蓋的排水管以防止聚集的或墊狀的微藻通過進入排水管中，并且所述排水管能夠被隨意開關(guān)。使用殼聚糖和/或甲殼素來生長藻可提供乙酰輔酶A羧化酶(ACCase)的合成的增加，所述酶是催化微藻中的油合成、并由此增加脂質(zhì)的產(chǎn)生的關(guān)鍵的酶。 使用殼聚糖和/或甲殼素來生長藻可提供增加的、由微藻對二氧化碳的利用并由此提供可幫助補償生產(chǎn)消耗的增加的碳信用。殼聚糖和/或甲殼素可被用于影響葉綠素和/或類胡蘿卜素色素含量和/或光合作用中所使用的光收獲分子的含量和/或它們在藻中的比率，從而使得可優(yōu)化在各種光條件下的光合作用和/或生長和/或增加脂質(zhì)的合成。通過選擇生長環(huán)境中的殼聚糖的量，可控制微藻的葉綠素含量并且取決于殼聚糖的量，其可被減少或增加。殼聚糖和/或甲殼素可被用于分離微藻的生長對于光作為能量來源的依賴性。殼聚糖，甲殼素，和/或其它陽離子物質(zhì)可被用于影 響微藻的生長而無需陽光或減少對陽光的需要。有可能的是，殼聚糖激活對于生長和脂質(zhì)產(chǎn)生都是必需的一個或多個通路而不必依賴于葉綠素和光合作用。殼聚糖和/或甲殼素可被用于在具有被引入生物反應(yīng)器中的漫射光的光學(xué)纖維生物反應(yīng)器中提供微藻的有效生長。所公開的方法還可被用于從水中去除顯微組分，例如溶解的物質(zhì)，其可包括藥物，內(nèi)分泌干擾物，非處方藥(例如布洛芬，阿司匹林等)。藻在生長時攝取所述顯微組分。然后可將含有所述顯微組分的藻從水中移除，例如采用本文所述的收獲方法之一。例如，可使用壓力機壓榨藻以從所述藻去除油。然后可將經(jīng)壓制的藻返回水中繼續(xù)生長，并且去除或消耗顯微組分以產(chǎn)生能量同時破壞藻中所含有的顯微組分。經(jīng)壓制的藻可被用作原料來通過發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。也可通過殼聚糖和/或甲殼素的存在而增加發(fā)酵條件下藻的生長。殼聚糖和/或甲殼素可提供由藻產(chǎn)生的氧的增加。殼聚糖和/或甲殼素可提供由藻攝取的化學(xué)物質(zhì)的增加的氧化。作為在殼聚糖的存在下生長的結(jié)果，微藻中增加的氧生成將增加其中所含有的顯微組分的氧化。因此，藻可作為生物凈化單位或水處理單位以清理可被用于飲用、灌溉或工業(yè)應(yīng)用的水。例如，所公開的方法可提供減少廢水中的營養(yǎng)物(例如的氮和磷)，或減少水中溶解的金屬。與在不存在殼聚糖和/或甲殼素或者殼聚糖和/或甲殼素以及聚陰離子聚合物(例如藻酸鹽或角叉菜膠)時生長微藻所實現(xiàn)的蝦青素(astaxanthan)生產(chǎn)相比，殼聚糖和/或甲殼素可提供增加的蝦青素(astaxanthan)生產(chǎn)。殼聚糖和/或甲殼素可增加微藻的生物質(zhì)，目的是使用微藻作為動物和魚飼料、色素提取、維生素生產(chǎn)、作為膳食補充劑、乙醇生產(chǎn)、特殊化學(xué)品生產(chǎn)、抗生素生產(chǎn)和/或通過燃燒或發(fā)酵來產(chǎn)生能量。在上文所述的實施方式中，殼聚糖和/或甲殼素，或其他聚陽離子物質(zhì)可被單獨使用或以任意組合使用，以及任選地與陰離子物質(zhì)一起使用。


本專利或申請文件含有至少一副彩圖。帶有彩圖的本專利或?qū)＠暾埞_的副本將在請求和繳付必要費用后由專利局提供。當與附圖相結(jié)合時，通過參考下文的詳細描述將使得本發(fā)明的前述方面以及許多所伴隨的優(yōu)勢更易被領(lǐng)會且變得更好理解，其中圖IA的圖示顯示了跑道池的主視圖；圖IB的圖示顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的跑道池的橫斷面視圖；圖IC的圖示顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的跑道池的橫斷面視圖；圖ID的圖示顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的跑道池的橫斷面視圖2是用殼聚糖處理的聚集的微藻樣品(實驗的)和未處理的微藻樣品(對照)的照片；圖3是用殼聚糖處理的、生長成為墊結(jié)構(gòu)的微藻樣品的照片；圖4是用殼聚糖處理的微藻樣品(未標記的)和未處理的樣品(C)的照片，其中經(jīng)處理的樣品顯示更多的氣泡生成；圖5的圖表顯示了殼聚糖濃度與藻生長(如由吸光度所測量的)的關(guān)系；
圖6的圖表顯示了殼聚糖濃度與藻生長(按重量)的關(guān)系；圖7是以不同量的殼聚糖、在黑暗和光照條件下生長的微藻樣品的照片；圖8是在濾紙上收集的微藻樣品的照片，其中所述微藻是以不同量的殼聚糖、在黑暗和光照條件下生長的；圖9的圖表代表以不同量的殼聚糖、在黑暗和光照條件下生長的微藻生長物的量(按重量)和微藻樣品的吸光度；以及圖10是薄層色譜板的照片，其顯示的是含有和不含有殼聚糖時、在光照和黑暗條件下生長的藻的脂質(zhì)特征譜。發(fā)明詳述本公開涉及生長和收獲藻的方法，其是通過向適于生長藻的環(huán)境中引入有效量的殼聚糖和/或甲殼素，和培育所述藻而使得殼聚糖增加藻的生長并引起藻生長成為聚集的生長物和/或墊。所述殼聚糖和/或甲殼素可以是可溶的。備選地，可加入陰離子多糖，例如藻酸鹽、角叉菜膠、果膠、陰離子聚丙烯酰胺和黃原膠。所述方法有利地產(chǎn)生這樣的藻當為聚集的或生長成為墊時，其可更容易地被收獲。然后，所述藻可被用作下列的來源生物燃料、特殊化學(xué)品、動物和魚飼料、營養(yǎng)物、乙醇生產(chǎn)、對于農(nóng)業(yè)有用的生物質(zhì)回收，和能量產(chǎn)生，例如甲烷燃燒和乙醇生產(chǎn)。在第一個實施方式中，公開了生長藻的方法。所述方法包括向適于生長藻的水性環(huán)境中引入一定量的殼聚糖；在殼聚糖的存在下、在所述環(huán)境中培育藻一段時間；以及與沒有殼聚糖的藻生長相比，以殼聚糖增加藻生長。在第二個實施方式中，公開了生長藻的方法。所述方法包括向適于生長藻的水性環(huán)境中引入一定量的殼聚糖；在殼聚糖的存在下、在所述環(huán)境中培育藻一段時間；和在水性環(huán)境中生產(chǎn)聚集的藻。在第三個實施方式中，公開了用于增加藻的脂質(zhì)含量的方法。所述方法包括向適于生長藻的水性環(huán)境中引入一定量的殼聚糖；向所述環(huán)境中提供藻，其中所述藻具有初始的脂質(zhì)含量/單位質(zhì)量的藻；在殼聚糖的存在下、在所述環(huán)境中培育藻一段時間；以及與藻的初始脂質(zhì)含量相比，增加了以殼聚糖生長的藻的脂質(zhì)含量/單位質(zhì)量。在第四個實施方式中，公開了用于改變藻的脂質(zhì)特征譜的方法。所述方法包括向適于生長藻的水性環(huán)境中引入一定量的殼聚糖；向所述環(huán)境中提供藻，其中所述藻具有包含多種脂質(zhì)的初始脂質(zhì)特征譜；在殼聚糖的存在下、在所述環(huán)境中培育藻一段時間；與所述藻的初始脂質(zhì)特征譜相比，改變以殼聚糖生長的藻的脂質(zhì)特征譜。在第五個實施方式中，公開了從水中去除組分的方法。所述方法包括向適于生長藻的水性環(huán)境中引入殼聚糖，其中所述環(huán)境含有希望被去除的組分；在殼聚糖的存在下、在所述環(huán)境中培育藻一段時間，其中所述組分被所述藻攝?。灰约笆斋@所述藻以從水中去除所述組分。第一至第五個實施方式還可包括，其中與沒有殼聚糖時的藻生長相比，藻生長增加至少5% (按重量)。第一至第五個實施方式還可包括，其中與沒有殼聚糖時的藻生長相比，藻生長增加至少10% (按重量)。第一至第五個實施方式還可包括，其中與沒有殼聚糖時的藻生長相比，藻生長增加至少18% (按重量)。
第一至第五個實施方式還可包括，其中與沒有殼聚糖時的藻生長相比，藻生長增加至少400% (按重量)。第一至第五個實施方式還可包括，其中所述藻為微藻。第一至第五個實施方式還可包括，其中所述藻生長是通過殼聚糖聚集的。第一至第五個實施方式還可包括，其中所述藻選自下列的至少一種硅藻、綠藻、藍綠藻、金褐藻、普林藻或黃綠藻。第一至第五個實施方式還可包括，其中所述藻包含脂質(zhì)。第一至第五個實施方式還可包括，進一步包括使水性環(huán)境排水以收獲藻。第一至第五個實施方式還可包括，在可在水性環(huán)境內(nèi)轉(zhuǎn)運的多孔包容設(shè)備中培育藻。第一至第五個實施方式還可包括將藻加工成為燃料。第一至第五個實施方式還可包括,其中殼聚糖的量為大約25ppm至lOOppm。第一至第五個實施方式還可包括,其中殼聚糖的量為大約150ppm至250ppm。第一至第五個實施方式還可包括，其中殼聚糖的量大于250ppm。第一至第五個實施方式還可包括，向水性環(huán)境中引入可溶性陰離子聚合物。第一至第五個實施方式還可包括，向所述環(huán)境中引入下列的至少一種藻酸鹽、角叉菜膠、黃原膠和陰離子聚丙烯酰胺。第一至第五個實施方式還可包括，其中所述水性環(huán)境包括跑道池，所述跑道池在其底部具有一個或多個孔以排水。第一至第五個實施方式還可包括，從所述環(huán)境中減少或去除光源。第一至第五個實施方式還可包括，從所述環(huán)境中減少或去除光源而不引入引起藻生長的含碳或含蛋白質(zhì)的物質(zhì)。第一至第五個實施方式還可包括，通過至少一個選自下列的步驟來培育藻向水性環(huán)境中引入水，向水性環(huán)境中引入營養(yǎng)物，控制水性環(huán)境的鹽度，控制水性環(huán)境的PH，以及使水性環(huán)境暴露于光源。第一至第五個實施方式還可包括，允許有時間使藻生長成為一個或多個藻墊。第一至第五個實施方式還可包括，收獲所聚集的藻。第一至第五個實施方式還可包括，使藻生長成為墊。第一至第五個實施方式還可包括，向由于在殼聚糖的存在下生長的藻的增加的生長而由所述藻消耗的二氧化碳分配碳信用?？蓽y量由沒有殼聚糖時生長的藻群體所使用的二氧化碳的量，并將其與由存在殼聚糖時生長的藻群體所使用的二氧化碳的量進行比較，并且可向被去除的二氧化碳的差異分配碳信用值。
關(guān)于圖1A，提供了開放的常規(guī)“跑道”池15的圖示。在藻的培育中常常采用跑道池。跑道池15是適于生長藻的環(huán)境的一個實施方式的示例。其它通常用于生長藻的環(huán)境包括槽和環(huán)狀池。雖然相關(guān)于開放跑道池描述了用于生長藻的方法，也可使用適于提供用于生長藻的環(huán)境的其它設(shè)備，例如但不限于閉合的光合生物反應(yīng)器。跑道池的優(yōu)勢在于，所述池容易構(gòu)建和操作?？稍谒闹艿牡孛?0上建造跑道池15。在藻培育中所采用的跑道池可具有用于水、藻和營養(yǎng)物圍繞跑道池連續(xù)循環(huán)的工具。用于循環(huán)的典型設(shè)備是漿輪?？上蚺艿莱刂屑尤霠I養(yǎng)物(包括二氧化碳和水)，而去除含有藻的水。跑道池通常是淺的，以允許陽光穿過池的深度?？扇菀椎貜奈墨I中獲得對于跑道池的構(gòu)建和操作的詳細描述。本文中所公開的是用于生長和收獲藻的方法，其包括在藻的生長過程中使用殼聚糖和/或甲殼素以及任選地陰離子聚合物。如本文中所使用的，"藻"是指微藻。用于所公開的方法中的藻可包括海洋藻和淡水藻。用于所公開的方法中的藻包括但不限于硅 藻(硅藻綱(BaciIIariophyceae))；綠藻(綠藻綱(Chlorophyceae));金褐藻(金藻綱(Chrysophyceae));普林藻(普林藻綱(Prymnesiophyceae)),黃綠藻(黃綠藻綱(Eustigmatophyceae))以及藍綠藻也稱作藍細菌(藍藻綱(Cyanophyceae))。用于本公開的方法中的優(yōu)選的藻包括微藻。微藻，如本文中所使用的，是指單細胞的光合微生物，其利用來自日光的能量，或者使水、營養(yǎng)物以及二氧化碳相結(jié)合以產(chǎn)生可含有脂質(zhì)的生物質(zhì)。在所公開的方法中，可在適于藻生長的環(huán)境中同時培育一種或多種藻。適于特定藻品種生長的條件可從文獻中確定。如本申請中所公開的，在向環(huán)境中引入藻之前或之中可加入有效量的可溶性殼聚糖和/或甲殼素。雖然任意量的殼聚糖可如所希望地產(chǎn)生藻的增加的生長和/或聚集的生長，已發(fā)現(xiàn)約25ppm至IOOppm以及約150ppm至250ppm范圍內(nèi)的殼聚糖增加生長。也可以任意量加入殼聚糖,然后可通過重量分析來確定生長速度以確定對于特定的藻實現(xiàn)最高的生長產(chǎn)率所需的最佳殼聚糖濃度?？梢匀我饬考尤霘ぞ厶?，然后可使用目測來確定藻是否聚集或生長為墊。在視覺確定了藻未聚集之后，可加入更多的殼聚糖。任選地，可加入陰離子多糖，例如藻酸鹽、果膠、角叉菜膠和黃原膠。然后，可培育藻，例如但不限于引入水、營養(yǎng)物、二氧化碳、暴露于日光或模擬日光的其它光源，以及使經(jīng)受PH控制或鹽度控制。可使用殼聚糖和/或甲殼素來使藻生長成為聚集的生長物或墊而使得收獲較不復(fù)雜。此外，與沒有殼聚糖而所有其它條件都相同時藻的生長速度相比，可使用殼聚糖和/或甲殼素來增加藻的生長速度(按重量)。其它的優(yōu)勢可包括當在含有殼聚糖和/或甲殼素的環(huán)境中生長時，藻中更高的脂質(zhì)含量。然而，根據(jù)一個實施方式，相信可通過減少或完全去除日光或其它光源而在殼聚糖的存在下生長藻。沒有光照時，含有或不含有殼聚糖時葉綠素的產(chǎn)生都大大減少。雖然在黑暗中生長的藻的葉綠素含量可能是低的，仍有可能在殼聚糖的存在下生長大量的藻生物質(zhì)。在黑暗中和殼聚糖的存在下生長時，藻可生長為白色的、接近透明的藻生長物而不含綠色色素或葉綠體。藻在沒有光合作用時的生長表示光合作用可能被分離了，這有可能是由殼聚糖的存在驅(qū)使的。藻可以為了化學(xué)營養(yǎng)而放棄葉綠素生產(chǎn)。甲殼素是廣泛存在于自然中的聚合物并且是許多節(jié)肢動物和昆蟲的外骨骼、以及許多真菌的細胞壁的主要組分。其經(jīng)常在含有蛋白質(zhì)和鈣化合物的混合物中被發(fā)現(xiàn)。甲殼素主要是以P _1，4方式連接的、2-脫氧-2-乙酰氨基葡糖單體單元的聚合物，雖然少部分的單元可能被水解為2-脫氧-2-氨基葡糖單元。術(shù)語殼聚糖通常被應(yīng)用于具有大于50% 2-脫氧-2-氨基葡糖單體單元且其余的單體單元為2-脫氧-2-乙酰氨基葡糖單元的共聚物。殼聚糖源自甲殼素，其是通過將一些2-脫氧-2-乙酰氨基葡糖單元水解為2-脫氧-2-氨基葡糖單元。由于較大數(shù)量的自由氨基的存在，殼聚糖在水性酸性溶液中是可溶的并且在此種介質(zhì)中作為聚陽離子存在，具有帶正電荷的質(zhì)子化的氨基。用于本文所公開的方法中的殼聚糖通常具有的分子量在20,000道爾頓至兩百萬道爾頓的范圍內(nèi)，例如50，000道爾頓至一百萬道爾頓，或例如100，000道爾頓至900，000道爾頓。用于本文所公開的方法中的殼聚糖通常具有50 %至100 %的脫乙?；俜直龋?0 %至95 %，或70 %至90%。用于所公開的方法中的殼聚糖可以作為殼聚糖與C1至C18單或多羧酸的鹽被提供，例如殼聚糖乙酸鹽或殼聚糖乳酸鹽。作為非限制性的實例，在本發(fā)明的實施中有用的殼聚糖鹽包括殼聚糖谷氨酸鹽，殼聚糖鹽酸鹽，殼聚糖琥珀酸鹽，殼聚糖延胡索酸鹽，殼聚糖己二酸鹽，殼聚糖乙醇酸鹽，殼聚糖酒石酸鹽，殼聚糖甲酸鹽，殼聚糖蘋果酸鹽，殼聚糖乳酸鹽，殼聚糖丙酮酸鹽和殼聚糖檸檬酸鹽。 殼聚糖(在溶液中或作為固體被提供)可以被持續(xù)地或間歇地引入適于生長藻的環(huán)境中。相信有效的濃度(基于殼聚糖與其中生長藻的水性介質(zhì)的重量百分比)在大約25ppm至IOOppm以及大約150ppm至250ppm的范圍內(nèi)。雖然任意量的殼聚糖可顯示出對于藻的所希望的效果。相信的是，當在藻的生長和培育中被使用時，殼聚糖可提供一種或多種優(yōu)勢。殼聚糖可引起微藻生長為對于分離是穩(wěn)定的、聚集的生長物或墊，并且相比于目前所使用的設(shè)備，其允許使用較不復(fù)雜的設(shè)備來收獲藻。與未以殼聚糖處理的藻相比，殼聚糖可引起藻的生長速度增加，使得在相等的時間段內(nèi)產(chǎn)生更大量的生物質(zhì)累積。一個實驗測試產(chǎn)生了大約18% (按重量)的增加。另一個實驗測試產(chǎn)生了大約412% (按重量)的增加(見下文的實施例5)。因此，在全尺寸的商業(yè)池中可能實現(xiàn)5% (按重量)、10% (按重量)、18% (按重量)、400% (按重量)和更多的增加。殼聚糖可引起由藻產(chǎn)生的脂質(zhì)的量的增加。因此，可能實現(xiàn)更高的脂質(zhì)產(chǎn)率。殼聚糖可改變以殼聚糖生長的藻的脂質(zhì)特征譜。殼聚糖可引起藻中乙酰輔酶A羧化酶的合成的增加。殼聚糖可增加微藻對二氧化碳的利用。殼聚糖可影響光合作用色素(例如葉綠素和/或類胡蘿卜素色素)含量和/或它們的比率。除了殼聚糖和甲殼素之外，其它的聚陽離子物質(zhì)能夠顯示出相同的對于微藻生長和脂質(zhì)產(chǎn)率的影響和/或產(chǎn)生類似的聚集的或墊生長物結(jié)構(gòu)。其它代表性的聚陽離子物質(zhì)包括但不限于聚陽離子丙烯酰胺；陽離子瓜爾膠；陽離子淀粉；某些聚胺和其它天然或合成的陽離子聚合物。此外，本文中所公開的方法還包括在存在殼聚糖與黃原膠或其它陰離子多糖(例如藻酸鹽、角叉菜膠、果膠和羧甲基纖維素)的結(jié)合時生長藻?，F(xiàn)在將描述代表性的生長環(huán)境，其促進收獲在殼聚糖的存在下生長的藻。要理解，除了下文中特別提及的開放跑道池之外，可使用其它的環(huán)境。對于代表性環(huán)境的公開不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限制為任何一種特定的實施方式。關(guān)于圖1B，顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的跑道池102的橫斷面視圖。在所公開的實施方式中，提供了包容設(shè)備104，其中允許藻生長。如上文中所公開的，藻的培育可包括引入水、營養(yǎng)物、二氧化碳、暴露于日光或其它模擬日光的光源，以及使經(jīng)受PH控制或鹽度控制。還向跑道池102中加入有效量的殼聚糖或甲殼素或兩者，以及任選地一種或多種陰離子聚合物。包容設(shè)備104是由多孔的合成和/或非合成的織造或非織造織物制成的。可在多個多孔包容設(shè)備104中生長由殼聚糖-聚集的或由殼聚糖-陰離子聚合物聚集的藻，所述多孔包容設(shè)備104被置于跑道池102中。多孔織物允許營養(yǎng)物通過并允許藻在包容設(shè)備104內(nèi)部生長。然而，經(jīng)殼聚糖-聚集的或經(jīng)殼聚糖-黃原膠聚集的藻對于分離是穩(wěn)定的并且比多孔織物所允許通過的更大。包容設(shè)備104可通過簡單地將含有聚集的藻/團塊的藻/藻墊的包容設(shè)備104從水中移除，并使用壓帶機106或其它合適的脫水設(shè)備壓制到糊狀稠度，而使得收獲更容易。包容設(shè)備104允許流體、營養(yǎng)物、氧和日光通過所述包容設(shè)備104的多孔織物。含有聚集的藻的多孔包容設(shè)備104可被轉(zhuǎn)運通過水性介質(zhì)以使藻更接近光能來源(例如太陽)。備選地，可將包容設(shè)備104從光能來源移開從而提供漫射光并保護藻避免光能的強烈。為了收獲藻，可將包容設(shè)備104置于壓帶機上。壓力將水從包容設(shè)備104內(nèi)擠出，而使水與藻分離。此后，可打開包容設(shè)備104以收集微藻。本發(fā)明的另一個實施方式包括在含有遍 及跑道底部的封閉的孔的跑道池中生長經(jīng)殼聚糖-聚集的或經(jīng)殼聚糖-陰離子聚合物聚集的藻。如圖IC中所示，向跑道池110提供遍及跑道池110的底部的孔112。每個單獨的孔112可被滑板114封閉。備選地，大的板可封閉多個孔112。在跑道池110之下，在孔112之下提供了包容池116以捕集從跑道池110排出的水。可批次地操作跑道池110，包括生長藻的時期和收獲藻的時期。在生長時期中，孔112保持是封閉的。如上文中所公開的，藻的培育可包括引入水、營養(yǎng)物、二氧化碳、暴露于日光或其它模擬日光的光源以及使經(jīng)受PH控制或鹽度控制。還向跑道池110中加入有效量的殼聚糖或甲殼素或二者，以及任選地黃原膠。在生長時期，藻生長為對于分離是穩(wěn)定的聚集的生長物或墊結(jié)構(gòu)。可通過在一個方向上滑動板114而打開被覆蓋的孔112并允許水排入位于跑道池110之下的包容池116中而實現(xiàn)收獲沉降在跑道底部之上的經(jīng)殼聚糖-聚集的或經(jīng)殼聚糖-黃原膠聚集的藻。讓孔112的尺寸足夠大，從而使得經(jīng)殼聚糖-聚集的或經(jīng)殼聚糖-黃原膠聚集的藻大于所述孔且避免通過孔112，而將在排水后保留在跑道池110中。當清空了跑道池110的水時，藻保留在跑道池110的底部表面上。然后可使用移動的刮刀或被設(shè)置為適合跑道池底部的輪廓的刮刀設(shè)備122而從跑道池110中收集排干的跑道池110中的聚集的藻。在通過將板114滑回原位而閉合孔112之后可將在包容池116中所收集的水泵回跑道池110中，且可培育新一批的藻。本發(fā)明的另一個實施方式包括在具有排水管的、傾斜的跑道池中生長經(jīng)殼聚糖-聚集的或經(jīng)殼聚糖-黃原膠聚集的藻。如圖ID中所示，跑道池118的一端相關(guān)于相對端是升高的，以在跑道池118的整個長度中提供斜坡。向高度上較低的一端提供排水管120。板122封閉排水管120，其在藻的生長循環(huán)過程中是閉合的。如上文中所公開的，藻的培育可包括引入水、營養(yǎng)物、二氧化碳、暴露于日光或其它模擬日光的光源、以及使經(jīng)受pH控制或鹽度控制。還可向跑道池118中加入有效量的殼聚糖或甲殼素或二者，以及任選地黃原膠。在生長時期，藻生長為對于分離是穩(wěn)定的聚集的生長物或墊結(jié)構(gòu)。為了清空跑道池118的水,將板122滑到側(cè)面，因而允許水排出跑道池118。排水管孔120足夠小,從而使得經(jīng)殼聚糖-聚集的或經(jīng)殼聚糖-黃原膠聚集的藻將保留在跑道池118的底部表面上而不通過排水管孔120。類似于圖IC中所示的實施方式，然后可使用移動的刮刀或被設(shè)置為適合跑道池底部的輪廓的刮刀設(shè)備而從跑道池118中收集排干的跑道池118中的聚集的藻。雖然闡釋和描述了示例性的實施方式，將領(lǐng)會可在其中作出各種變化而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。例如，在殼聚糖和/或甲殼素以及任選地黃原膠的存在下，可使藻生長在任何跑道池或槽中并且通過常規(guī)的手段收獲藻，例如本公開的背景技術(shù)部分所公開的。實施例實施例I(以殼聚糖生長聚集的藻)將相等的淡水綠微藻懸浮物加入兩個水容器中，所述容器含有相等濃度的、如下文的表11和12中所不的大量營養(yǎng)物和微量營養(yǎng)物,其中加入IOml而非4ml每種營養(yǎng)物/升水。向標記為“實驗的”的容器中加入殼聚糖乙 酸鹽溶液(1% (按重量)殼聚糖、I % (按重量)冰醋酸、98% (按重量)水)以達到150ppm(按重量)殼聚糖的濃度，其足以引起微藻的絮凝。標記為“對照”的容器沒有接受到殼聚糖。一周后，與對照相比，經(jīng)殼聚糖處理的樣品顯示出顯著更多的、大的聚集的團塊樣物質(zhì)形式的生長物，而對照顯示出的生長物為容器底部上的薄層，如圖2中所示。當通過同等地攪動容器而進行擾亂時，與對照容器中傾向于分散在水中的微藻相比，在實驗容器中、在聚集的團塊樣物質(zhì)中生長的微藻聚在一起。實施例2(以殼聚糖使藻生長成為墊)通過添加殼聚糖乙酸鹽溶液(1% (按重量)殼聚糖乙酸鹽、I % (按重量)冰醋酸、98% (按重量)水)以達到在微藻的生長懸浮物中大約130-150ppm(按重量)的殼聚糖濃度，而使淡水綠微藻以墊樣結(jié)構(gòu)生長。在殼聚糖的存在下生長的微藻，在加入殼聚糖后起初形成絮凝物和松散的聚合物。在大約4周中，當繼續(xù)在殼聚糖的存在下生長時，藻以類似于在圖3中所見的叢(turf)的、聚集的墊的形式生長。實施例3(以殼聚糖增加藻的生長速度)測試I :在此測試中，將稀釋的綠微藻儲液用于樣品。由于藻是經(jīng)稀釋的，可隨時間監(jiān)測其生長和結(jié)構(gòu)。制備了兩瓶稀釋的藻樣品。向一瓶(實驗的)中加入殼聚糖乙酸鹽溶液(1% (按重量)殼聚糖乙酸鹽、1% (按重量)冰醋酸、98% (按重量)水)以達到150ppm(按重量)的殼聚糖濃度。另一瓶作為對照且不含殼聚糖。向?qū)φ蘸蛯嶒炂恐芯尤氲攘康?、包含如實施例I中所述的營養(yǎng)物的肥料作為營養(yǎng)物來源。從對照中移取5個20ml的樣品，并從實驗者中移取10個20ml的樣品。將所有的樣品置于窗臺上。隨著藻生長，可見到經(jīng)殼聚糖處理的樣品和不含殼聚糖的對照樣品之間的差異。含有殼聚糖的實驗樣品在小瓶底部具有大團的藻生長物。不含殼聚糖的對照在小瓶的底部具有扁平的生長物。14天后檢查所述小瓶。如在圖4中所見，帶有“C”的小瓶是不含殼聚糖的對照小瓶，而未標記的小瓶是實驗的并且是經(jīng)殼聚糖處理的。如在實施例I中所觀察到的，經(jīng)殼聚糖處理的樣品具有大的聚集的微藻生長物而對照樣品沒有。然后劇烈地混合樣品，以充分地分散微藻。然后使用UV-Vis分光光度計來測量每個樣品在600nm處對光能的吸光度。結(jié)果顯示在下面的表I中。假設(shè)吸光度越大，存在的藻越多。對于對照的平均吸光度為I. 159，而實驗的是I. 441，如在600nm處通過吸光度所測量的，這顯示出經(jīng)殼聚糖處理的樣品具有更多的生長。還觀察到，與不含殼聚糖的微藻對照相比，在存在可溶性殼聚糖時生長的、聚集的團塊微藻產(chǎn)生更多的氧氣氣泡。通過比較編號為2、6、7、9和10的實驗小瓶與編號為1、4和8的對照小瓶，在圖4中可清楚地見到含有微藻和殼聚糖的實驗小瓶中水表面處的氣泡。
表I樣品吸光度
權(quán)利要求
1.其中要求排他的性質(zhì)或特權(quán)的本發(fā)明的實施方式限定如下用于生長藻的方法，其包括 向適于生長藻的水性環(huán)境中引入一定量的殼聚糖； 在殼聚糖的存在下，在所述環(huán)境中培育藻一段時間；和 與沒有殼聚糖的藻生長相比，以殼聚糖增加藻生長。
2.權(quán)利要求I的方法，其中與沒有殼聚糖的藻生長相比，藻生長增加至少5%按重量。
3.權(quán)利要求I的方法，其中與沒有殼聚糖的藻生長相比，藻生長增加至少10%按重量。
4.權(quán)利要求I的方法，其中與沒有殼聚糖的藻生長相比，藻生長增加至少18%按重量。
5.權(quán)利要求I的方法，其中與沒有殼聚糖的藻生長相比，藻生長增加至少400%按重量。
6.權(quán)利要求I的方法，其中所述藻為微藻。
7.權(quán)利要求I的方法，其中藻生長是由殼聚糖聚集的。
8.權(quán)利要求I的方法,其中所述藻選自下列的至少一種硅藻、綠藻、金褐藻、藍綠藻、普林藻或黃綠藻。
9.權(quán)利要求I的方法，其中所述藻包含脂質(zhì)。
10.權(quán)利要求I的方法，還包括使水性環(huán)境排水以收獲所述藻。
11.權(quán)利要求I的方法，還包括在可在水性環(huán)境內(nèi)轉(zhuǎn)運的多孔包容設(shè)備中培育藻。
12.權(quán)利要求I的方法，還包括將藻加工成為燃料。
13.權(quán)利要求I的方法，其中殼聚糖的量為大約25ppm至lOOppm。
14.權(quán)利要求I的方法，其中殼聚糖的量為大約150ppm至250ppm。
15.權(quán)利要求I的方法，其中殼聚糖的量大于250ppm。
16.權(quán)利要求I的方法，還包括向所述水性環(huán)境中引入可溶性的陰離子聚合物。
17.權(quán)利要求I的方法，還包括向所述環(huán)境中引入下列的至少一種藻酸鹽、角叉菜膠、黃原膠和陰離子聚丙烯酰胺。
18.權(quán)利要求I的方法，其中水性環(huán)境包括在其底部具有一個或多個孔以排水的跑道池。
19.權(quán)利要求I的方法，還包括從所述環(huán)境中減少或去除光源。
20.權(quán)利要求I的方法，還包括從所述環(huán)境中減少或去除光源而不引入引起藻生長的含碳或含蛋白質(zhì)的物質(zhì)。
21.權(quán)利要求I的方法，其中培育包括選自下列的至少一個步驟向水性環(huán)境中引入/K，向水性環(huán)境中引入營養(yǎng)物，控制水性環(huán)境的鹽度，控制水性環(huán)境的PH，和使水性環(huán)境暴露于光源。
22.權(quán)利要求I的方法，包括允許有時間使藻生長成為一個或多個藻墊。
23.權(quán)利要求I的方法，還包括向由于在殼聚糖的存在下生長的藻的增加的生長而由所述藻消耗的二氧化碳分配碳信用。
24.生長藻的方法，包括 向適于生長藻的水性環(huán)境中引入一定量的殼聚糖； 在殼聚糖的存在下，在所述環(huán)境中培育藻一段時間；和 在水性環(huán)境中產(chǎn)生聚集的藻。
25.權(quán)利要求23的方法，還包括收獲聚集的藻。
26.權(quán)利要求23的方法，其中所述藻選自下列的至少一種硅藻、綠藻、藍綠藻、金褐藻、普林藻或黃綠藻。
27.權(quán)利要求23的方法，還包括使所述藻生長成為墊。
28.權(quán)利要求23的方法，還包括使所述水性環(huán)境排水以收獲藻。
29.權(quán)利要求23的方法，還包括在可在水性環(huán)境內(nèi)轉(zhuǎn)運的多孔包容設(shè)備中培育藻。
30.增加藻的脂質(zhì)含量的方法，包括 向適于生長藻的水性環(huán)境中引入一定量的殼聚糖； 向所述環(huán)境提供藻，其中所述藻具有初始的脂質(zhì)含量/單位質(zhì)量的藻； 在殼聚糖的存在下，在所述環(huán)境中培育藻一段時間；和 與所述藻的初始脂質(zhì)含量相比，增加以殼聚糖生長的藻的脂質(zhì)含量/單位質(zhì)量。
31.權(quán)利要求29的方法，還包括從所述環(huán)境中減少或去除光源。
32.用于改變藻的脂質(zhì)特征譜的方法，包括 向適于生長藻的水性環(huán)境中引入一定量的殼聚糖； 向所述環(huán)境提供藻，其中所述藻具有包括多種脂質(zhì)的初始脂質(zhì)特征譜； 在殼聚糖的存在下，在所述環(huán)境中培育藻一段時間；和 與藻的初始脂質(zhì)特征譜相比，改變以殼聚糖生長的藻的脂質(zhì)特征譜。
33.權(quán)利要求31的方法，還包括從所述環(huán)境中減少或去除光源。
34.用于從水中去除組分的方法，包括 向適于生長藻的水性環(huán)境中引入殼聚糖，其中所述環(huán)境含有希望去除的組分； 在殼聚糖的存在下，在所述環(huán)境中培育藻一段時間，其中所述組分被藻攝取；和 收獲所述藻以從水中去除所述組分。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于增加藻的生長和生物質(zhì)以及藻脂質(zhì)的方法，其是通過在聚陽離子物質(zhì)，例如可溶或不可溶的殼聚糖和/或甲殼素，的存在下生長藻。還公開了用于從水性環(huán)境中收獲藻的方法，其是通過使藻生長為可容易地從水性環(huán)境中被移除的聚集的團塊和/或墊(通過包括可溶或不可溶的殼聚糖和/或甲殼素或其它聚陽離子或陽離子物質(zhì)而形成的)，所述移除是通過過濾、表面鏟削、和/或在多孔包容設(shè)備(例如天然或合成的織物)中生長以及從含有聚集的藻的水性環(huán)境中移除織物。所公開的方法在下列中具有直接的應(yīng)用生物燃料和能量生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)原料生產(chǎn)、營養(yǎng)物生產(chǎn)、溫室氣體減少、從水中去除顯微組分、以及水改良。
文檔編號C12N1/12GK102803469SQ201080028323
公開日2012年11月28日 申請日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者E·J·尼克爾斯, J·R·斯科特 申請人:哈洛資源公司