專利名稱：光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[I]本發(fā)明涉及培養(yǎng)光合生物的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)及其使用方法。
背景技術(shù)：
[2]本申請要求了美國臨時(shí)申請序列號為No. 61，354,483(2010年6月14日)的申請的優(yōu)先權(quán)。此臨時(shí)申請的主題已納入本申請。[3]光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是決定微藻大規(guī)模培養(yǎng)能否成功的關(guān)鍵研發(fā)問題。微藻培養(yǎng)系統(tǒng)可大致分為兩類開放水道(或開放式池塘)和封閉式光生物反應(yīng)器(Richmond, J.Appl. Phycol. ,4 :281-286,1992 ；Chaumont, J Appl Phycol. ,5 593-604，1993 ;Tredici， Handbook of microalgalculture !biotechnology and appliedPhycology, pp. 178-214，2004)。開放水道是1000至5000平方米的流通渠道，裝備了淺圓槳輪來使環(huán)繞著水溝的培養(yǎng)液循環(huán)流通。開放水道的主要優(yōu)點(diǎn)是相對便宜和易于維護(hù)。然而，這種培養(yǎng)模式藻類產(chǎn)量低(干重5-10g HT2CT1)、生物量質(zhì)量也不穩(wěn)定，主要是由于缺乏溫度控制，光路長(約15-30厘米深度)和混合差。培養(yǎng)液直接暴露于大氣中也使得培養(yǎng)系統(tǒng)極易受到空氣污染。[4]開放水道的缺點(diǎn)促進(jìn)了用透明材料制成的封閉式光生物反應(yīng)器的發(fā)展，并大幅度降低了養(yǎng)殖深度或培養(yǎng)光照表面對養(yǎng)殖容量的比率。根據(jù)系統(tǒng)配置，封閉式光生物反應(yīng)器可主要?jiǎng)澐譃樗拇箢?Borowitzka, J. Biotechnol.，70 :313-321,1999 ；Tredichi,Handbook of microalgal culture !biotechnology and applied Phycology,pp. 178—214,2004) 1)水平管式光生物反應(yīng)器；2)垂直柱式光生物反應(yīng)器；3) “生物線圈”管式光生物反應(yīng)器和4)垂直或傾斜的平板式光生物反應(yīng)器。[5]自 Pirt 等人(J. Chem. Tech. Biotechnol. ,33 :35-58,1983)的開創(chuàng)性工作后，大量的管式光生物反應(yīng)器被提出并得以發(fā)展。這類生物反應(yīng)器形式上一般是蛇紋石或螺旋形，由玻璃或塑料制成，包括用于補(bǔ)充C02和營養(yǎng)物質(zhì)及清除02的氣體交換容器(或除氣器)。容器和管道間的養(yǎng)殖物再循環(huán)體系一般是由各類液體泵組成(例如容積泵、離心水泵、和阿基米德螺旋泵)(Tredichi, Handbook of microalgal culture !biotechnologyand appliedPhycology, pp. 178-214, 2004)。在過去十年中，關(guān)于世界各地各種管式光生物反應(yīng)器性能的眾多實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這類封閉式光生物反應(yīng)器在容積生產(chǎn)率和提高藻類生物量質(zhì)量方面的效果顯著地高于開放水道(Hu, Handbook of microalgal culture biotechnology and applied Phycology, pp. 264-272, 2004)。此外，由于溫度控制技術(shù)得到發(fā)展，封閉式光生物反應(yīng)器可以擴(kuò)展年度種植期，提高年生物量產(chǎn)量。[6]然而，管式光生物反應(yīng)器有著固有的缺點(diǎn)由于存在著由脂泵制造的水力應(yīng)力、剪切力，可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞損傷或死亡。Shilva等(J. Chem. Tech. Biotechnol. ,40 253-264,1987)進(jìn)行了泵相關(guān)流體動(dòng)力學(xué)壓力影響下的杜氏死亡率的徹底研究。Gudin和Chaumont (Bioresour. Technol. , 38,145-151,1991)也觀察到在一個(gè)大型的管式光生物反應(yīng)器中進(jìn)行的鞭毛藻養(yǎng)殖發(fā)生了顯著的細(xì)胞脆性改變。我們的初步研究表明近20%存在細(xì)胞壁缺陷突變的細(xì)胞在一個(gè)40升的臺式管式光生物反應(yīng)器所使用的容積泵中被破壞。

發(fā)明內(nèi)容
[7]當(dāng)前發(fā)明公開了一個(gè)新的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)、及其制造和使用方法，包括單個(gè)光生物反應(yīng)器單元的級聯(lián)。每個(gè)光生物反應(yīng)器單元包括前側(cè)和后側(cè)，由透明材料(如玻璃、塑料或其他透光材料)制成。前側(cè)和后側(cè)均安裝在一個(gè)由支撐材料(如玻璃鋼、不銹鋼或其他金屬材料)制成的“U”形架上。單個(gè)光生物反應(yīng)器單元可在形成光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的級聯(lián)中相互連接，可用于大規(guī)模培養(yǎng)微藻及其他光合生物的藻類。每個(gè)單個(gè)光生物反應(yīng)器單元均可具備安裝在底部的循環(huán)管道，使壓縮氣體(如空氣、二 氧化碳、氮?dú)?可以從循環(huán)管道的氣孔中進(jìn)行擴(kuò)散，提供充分的湍流來保持光合生物處于液相并防止沉淀。


[8]圖1是本發(fā)明中光生物反應(yīng)器單元的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。[9]圖2是包含光生物反應(yīng)器系統(tǒng)中互連的光生物反應(yīng)器單元的級聯(lián)的概覽圖。[10]圖3是本發(fā)明中光生物反應(yīng)器單元的另一實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式[11]與在先技術(shù)相比，當(dāng)前發(fā)明提供了一種采用U形框架制造光生物反應(yīng)器的新設(shè)計(jì)，該技術(shù)方案配置更強(qiáng)、尺寸靈活、方便建設(shè)和運(yùn)營，并使多個(gè)單個(gè)光生物反應(yīng)器形成級聯(lián)成為可能。[12]U形框架通常是由不銹鋼(或其他支撐材料)制成，使得光生物反應(yīng)器更堅(jiān)固；光生物反應(yīng)器的尺寸可以有一個(gè)更寬的范圍(使用U型配置使得非常薄或非常長的反應(yīng)器單元成為可能)；[13]此類設(shè)備更容易建造，只需在兩側(cè)添加玻璃或其他透明材料；也使收獲養(yǎng)殖藻類、洗滌和清潔光生物反應(yīng)器變得更加容易。[14]每個(gè)光生物反應(yīng)器單元所具備的互連性使得構(gòu)建許多單個(gè)光生物反應(yīng)器單元的級聯(lián)成為可能，運(yùn)作效率可被大大提高。[15]新型光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和使用方法如下文所述并參考附圖。[16]圖1所示的是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的光生物反應(yīng)器單元的示意圖。單元前側(cè)11和后側(cè)12由透明材料，如玻璃、聚碳酸酯或壓克力板做成。光生物反應(yīng)器單元的前側(cè)11和后側(cè)12安裝在一個(gè)“U”形框架13上，13由支撐材料，如玻璃鋼、不銹鋼、或其他防銹金屬材料制成?！癠”形框架13構(gòu)成光生物反應(yīng)器單元的側(cè)面和底部。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，“U”型框架13的尺寸為長O. 3-100米，高O. 3-10米，深O. 01-1米。玻璃平板和框架13之間通過傳統(tǒng)的生物相容性密封材料,如Polytetrafluoroethyline (聚四氟乙烯)或丙烯酸樹脂進(jìn)行密封。[17]在另一些實(shí)施例中，“U”形框架13的頂部由兩個(gè)水平方向的支撐網(wǎng)格14進(jìn)行連接。數(shù)個(gè)垂直方向的支撐網(wǎng)格14分別位于光生物反應(yīng)器前側(cè)11和后側(cè)12。在一個(gè)實(shí)施例中，垂直方向的支撐網(wǎng)格之間的間隔范圍為O. 5-1. O米。制備垂直和水平方向的支撐網(wǎng)格的材料可與“U”形框架13相同。
[18]在另一些實(shí)施例中，光生物反應(yīng)器單元的每個(gè)側(cè)面有兩個(gè)連接孔15，底部有一個(gè)收獲孔16。連接孔15可被用于將本發(fā)明中的光生物反應(yīng)器連接在一起形成級聯(lián)。根據(jù)光生物反應(yīng)器單兀方向的不同，連接孔15也可能被用于從微藻培養(yǎng)液中收獲終產(chǎn)物。在一個(gè)實(shí)施例中，U形框架底部和兩側(cè)的的孔的直徑約O. 01米至O. 5米之間。底部的收獲孔16的網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量可視光生物反應(yīng)器單元的長度加以調(diào)整，較長的光生物反應(yīng)器單元的反應(yīng)器單元底部可有2個(gè)或更多的孔16。[19]在圖2所示的其他實(shí)施例中，光生物反應(yīng)器系統(tǒng)由一系列彼此相連形成級聯(lián)的光生物反應(yīng)器21組成。兩個(gè)光生物反應(yīng)器單元21之間的連接是由連接管22 (由非透明材料制成)通過在“U”形框架13底部或側(cè)面的連接孔15進(jìn)行連接。因此，該光生物反應(yīng)器系統(tǒng)可通過增加或減少系統(tǒng)23中的光生物反應(yīng)器單元數(shù)量來改變其總體積。反應(yīng)器中培養(yǎng)液水平保持低于網(wǎng)格14的水平。[20]圖3顯示了本發(fā)明的實(shí)施例的一種變形。在此實(shí)施例中的反應(yīng)器單元不包括支撐網(wǎng)格14,其具備一個(gè)蓋24。蓋上的開口 25可用于向反應(yīng)器中添加培養(yǎng)基。 [21]在其他實(shí)施例中，每一個(gè)光生物反應(yīng)器單元包括一個(gè)安裝在底部的循環(huán)管17。該循環(huán)管最好是多孔管，使壓縮氣體(如空氣、二氧化碳、氮?dú)?可以從循環(huán)管的氣孔進(jìn)行擴(kuò)散，以提供充分的湍流來保持光合生物處于液相并防止出現(xiàn)沉淀。[22]在另一些實(shí)施例中，光生物反應(yīng)器系統(tǒng)可被前后兩側(cè)的人工光源(如熒光燈)照亮。需要適當(dāng)?shù)闹慰蚣転闊襞萏峁┲С?，使光生物反?yīng)器系統(tǒng)能夠由頂部到底部被均勻的照亮。[23]在另一些實(shí)施例中，光生物反應(yīng)器系統(tǒng)由自然的陽光提供照明。這里同樣需要一個(gè)適當(dāng)?shù)目蚣芤灾С止馍锓磻?yīng)器系統(tǒng)，使每個(gè)光生物反應(yīng)器具有與地面呈45° -60°的夾角。這個(gè)角度可確保最大程度的吸收陽光。[24]在另一些實(shí)施例中，在夏季使用噴水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，在冬季使用電加熱棒進(jìn)行加熱，以控制光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的溫度。[25]在另一些實(shí)施例中，光生物反應(yīng)器系統(tǒng)中使用不同的培養(yǎng)介質(zhì)。培養(yǎng)液的高度介于光生物反應(yīng)器高度的70-90%之間。通過空氣管沿生物反應(yīng)器底部釋放空氣使得培養(yǎng)液進(jìn)行混合，速率為O. 1-0. 5升空氣每公升培養(yǎng)液每分鐘。壓縮后的細(xì)氣泡富含O. 5-1%CO2，不僅能促進(jìn)光合作用，而且也能維持良好的培養(yǎng)液pH值(pH值7. 5-8. O)。該光生物反應(yīng)器系統(tǒng)可配備監(jiān)控系統(tǒng)(無插圖)測量溶解氧、PH值、電導(dǎo)率和溫度。每個(gè)監(jiān)視器通過TCP/IP通信端口進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)連接，并被設(shè)置為發(fā)送基于瀏覽器的HTML文本。[26]上文已描述了若干本發(fā)明的實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，由本發(fā)明的內(nèi)涵和范圍出發(fā)，可能做出多種多樣的變型。因此，其他的實(shí)施方式應(yīng)體現(xiàn)在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一個(gè)在液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)光合生物的光生物反應(yīng)器單元，包括 (a)由透明材料制成的兩塊平行板，具備前側(cè)和后側(cè)的U形框架；(b)平行板被安裝并密封在U形框架的前側(cè)和后側(cè)，形成用于保持光合生物懸浮在液相中的容器；(C)光生物反應(yīng)器的長度約0. 3米至100米；高約0. 3米至10米；深約0. 01米至I米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器單元，進(jìn)一步包括位于所述框架前后兩側(cè)的水平或垂直的支撐網(wǎng)格。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器單元，進(jìn)一步包括一個(gè)直徑為0.01米至0. 5米，位于U形框架底部和兩側(cè)的孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光生物反應(yīng)器單元，具備通過U形框架底部和/或兩側(cè)的孔的管道，與相鄰的光生物反應(yīng)器單元進(jìn)行連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器單元，進(jìn)一步包括安裝在單元底部的多孔循環(huán)管道，可通過循環(huán)管道的氣孔釋放壓縮氣體，提供充分的湍流，使光合生物保持在液相并防止沉淀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器單元，在所述U形框架的每一側(cè)至少有一個(gè)連接孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器單元，在所述U形框架的底部包括至少一個(gè)孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，其中所述透明材料制成的平行板是由生物相容性材料密封在所述框架上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光生物反應(yīng)器，其中所述密封材料是丙烯酸樹脂。
10.一個(gè)光生物反應(yīng)器級聯(lián)，包括復(fù)數(shù)個(gè)權(quán)利要求1中的光生物反應(yīng)器單元，通過所述光生物反應(yīng)器單元旁的連接管道進(jìn)行相互連接。
11.一個(gè)光生物反應(yīng)器，包括 前側(cè)和后側(cè)相互平行的U形框架， 安裝在U形框架的前側(cè)和后側(cè)的透明板， 位于平行板和框架之間的生物相容性密封材料。
12.如權(quán)利要求11所述的光生物反應(yīng)器，在所述U形框架的一側(cè)具備至少一個(gè)連接孔，在所述U形框架底部具備一個(gè)排水孔。
13.如權(quán)利要求11所述的光生物反應(yīng)器，包括一個(gè)蓋，將反應(yīng)器的內(nèi)容物進(jìn)行密封與大氣隔離。
14.如權(quán)利要求11所述的光生物反應(yīng)器，還包括一個(gè)人工光源。
15.如權(quán)利要求13所述的光生物反應(yīng)器，其中所述蓋子包括至少一個(gè)開口，以便向反應(yīng)器單元中添加或撤銷培養(yǎng)基。
全文摘要
一個(gè)光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，以及使用此系統(tǒng)培養(yǎng)光合生物，包括藻類、藍(lán)細(xì)菌、植物和植物細(xì)胞的方法。單個(gè)光生物反應(yīng)器單元包括透明材料(如玻璃、玻璃纖維或塑料)和非透明材料(如不銹鋼或其他金屬)。兩個(gè)或以上的光生物反應(yīng)器單元可互聯(lián)形成光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，用于光合生物的培養(yǎng)。
文檔編號C12N1/12GK103025861SQ201180029626
公開日2013年4月3日 申請日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月14日
發(fā)明者盧凡, 鄧中洋 申請人:美國科樂生物能源有限公司