CN101443281A - 微生物的模式连续生产 - Google Patents

Abstract

在敞开并且连续的系统内生长微生物的方法，它进一步的特征在于，在所述系统内创建生境的装置，其中自然的、多样化的和异质的微生物群落能够自主地对变化的环境做出反应并适应。

Description

微生物的模式连续生产

发明背景

近半个世纪以来，在欧洲和美国已经进行了关于生长大量微生物(也称为“微生物有机体”)(即：公吨)的可行性的广泛研究。生长如此大量微生物(如藻类)的研究涉及的两个重要问题是，第一，在废物流的处理过程中是否可以利用藻类作为生物组分，以及第二，应用培养的微生物作为原料生成新产品(例如可再生的生物燃料)是否明智。理论上和实践上都已明确地证明，生长的微生物，例如藻类，既有可能高效地大规模处理废物流(如废水)又可以足够大量地生产用于新产品(例如可再生的生物燃料)的原料。

主要困难是寻找高效而经济的生产微生物、特别是大体上藻类和生物量的方法。该问题的基本要求是最优化的接种和生产，包括这些微生物的收获。

本发明这样对付上述困难，即，通过采用所谓的复杂自适应系统(CAS)方法，并且把CAS原理转化为实际可行的工程化、开放和连续的系统，从而实现对生长微生物的自然环境(生境)的模拟。按照本发明的方法，使天然微生物群落动态适应不断变化的模拟环境。在本发明的方法中，所述群落组成自主地变化从而群落可以使它们自己适应不断变化的模拟环境条件。自主适应和局部相互作用导致微生物群落的自组织。因此，本发明创造了一个可以对天然的和多样性的微生物群落能自主作出反应和适应的最佳生境，导致生物量的优化生产。与单一培养技术的常规生产相比，应用天然的和多样性的微生物群落的本发明使更稳定的生境成为可能，反过来导致改善的生物量生产。另外，本发明的方法能在工艺过程内不同的位置产生不同的微生物群落，导致微生物的模式(modular)连续生产。

按本发明方法的第一个实施方案，模拟了天然微生物群落能自主对其作出反应和适应的最佳生境。生长容器中那些最适合环境条件的微生物群落将茁壮生长。与单一培养技术相比，本发明的方法采用了多样化的天然微生物群落，其结果是微生物的生产变得更加稳定(例如，在生物量生产方面)。

与传统的藻类培养技术相比，它使选定的微生物在一个封闭的设施中生长，其中几乎所有的变量都非常狭窄和严格固定的(通常以生产率的函数)，本发明创造了一个模拟自然环境(生境)，从而使微生物自身选择在哪里和如何生长，所以可使微生物群落适应模拟的自然环境。根据本发明，在本体系中如果微生物在给定的时间内不能在系统内的某一位置建群，那么该微生物会被带到下游直到它们可能遇到合适的建群位置或者最后可能因为生长过多而被废弃。如果在一段时间后的某一点，前面给定的特定位置的环境条件改变了，那么这些微生物可能在那个空间位置再次建群。因此，本发明及其包括系统结构的工艺结构能使不同的微生物群落在本发明整个工艺中不同的位置同时存在。

本发明的方法另一个实施方案涉及一个开放和连续的系统，而目前的微生物-藻类培养方法至今都是封闭的循环间歇系统(例如光-生物反应器，高速藻池)。在这方面，本发明可以理解为连续的含义，而以前的技术则限于一个“终点”。本发明的水流处理系统通过它的连续保持的水流对周围的环境敞开。此外，按照本发明方法的横向性，在水中微生物与营养物之间的界面不断更新，而同时避免了在收获以后重新接种(reseeding)系统的必要性。另外，与典型的纵向系统相反，在包括流动路径的入口的水流路径中将连续存在接种体。

按本发明的又一个实施方案，本发明的方法应用置于废物流中的人工基质，使废水流流过或者接近人工基质和附着在其上的微生物群落，这样增大了菌种生长培养基(废物)和微生物群落之间相互作用的表面。

本发明的方法结果是，可应用局部微生物群落，它促进规模化和全球范围的推广应用。与目前的藻类培养技术不同，本发明可改变模拟环境(例如季节性、营养物组成)，于是天然微生物群落可以能动地适应不断变化的环境。

在传统的培养技术中，将微生物引入生长培养基，然而，在本发明中，将菌种生长培养基引入并且通过和穿过微生物群落和富含营养物的水或者在微生物生长的位置连续更新废物流。

另外，发现了通过引入在其上生长附着的微生物的人工基质，大为促进了收获操作。通过提取放置了人工基质的可分离的载体，可以容易并且有效地将微生物与菌种生长培养基(即，水例如废水流)分离。

按本发明，还意外的发现了人工基质的接种对模拟生境中的动力学有积极的影响。本发明的人工基质加强了CAS过程并且能使系统内的区域种库和群落之间相互作用，以及增强系统内的群落之间相互作用的过程。

现有技术致力于废水的处理深入描述了微生物，尤其是藻类的生产。本领域一直没有认可应用模拟微生物的天然生境的模式连续法生长生物量的现有技术，也没有认可本发明方法的物种，现有技术也没有启示本文公开的本发明方法产生的益处。

发明概述

本发明涉及微生物的生长，并且涉及生物量生产的改良，于是附着的微生物群落以受控制的和被引导的方式在连续的水流中生长。

根据本发明另一实施方案，本发明的方法应用优选横向置于水流中的人工基质，使水流流过或者接近人工基质和附着在其上的微生物群落，这样增大了菌种生长培养基(废物)和微生物群落之间相互作用的表面，导致优化群落生长的生境。

发明详述

本发明涉及生物量的生产，于是附着的微生物群落以受控制的和被引导的方式在连续的水流中生长。

生物方法和天然群落的应用

根据本发明的方法，使包括废物流的水中天然出现的微生物群落生长。如果所述水流是废水，这意味着大体上可在培养的生物量中观察到水生系统(天然的或者人工的)中出现的所有生物。在本发明中培养的微生物可以是具有野生微生物群落的所有天然动态的天然的、多样化的和异质的群落。本发明在这方面不同于那些只能培养仔细选择的生物菌株，呈单一培养或多培养模式的技术。

根据本发明，以模式连续方式创建了模拟复杂自适应系统(CAS)。就本发明的目的来说，应懂得，起CAS作用的群落具有自适应变化的环境条件的能力。这些环境变化因素包括，但不限于，温度、流速、各种化合物的浓度、光照强度和周期的变化、季节变化等。群落的适应性看似是一种群落对任何环境变化的直接响应。这种响应可能导致，但不限于，群落结构在优势、多样性、产量、总的化学成分...等方面的变化。群落的响应是组成群落的所有单独的生物种类和/或生物个体由于复杂的种群统计变化(例如死亡、出生、迁入、迁出、...)的结果。因此，可以说，微生物群落无需任何人类干扰能够“尽可能的”适应新的环境条件。一个可考虑的成功适应的可能量度是微生物的单个细胞的生存力，但是可为了不同的目的设计很多其它的度量方法。

根据本发明，本申请人成功地证明和模拟了生产微生物的模式连续方式的CAS。具体地说，下文更详细地阐述了两个重要的方面，其中，本发明有效的模拟了CAS的普遍生物原理：

首先，当废物流流经依附有微生群落的人工基质时，废物流中的化学成分被这些微生物群落改变。这是因为微生物群落消耗了水中的某些化合物，所以下游化合物的浓度更低。因此，沿废物流的流径不同的空间位置处的环境条件不同。当微生物群落是CAS时，在各空间位置生长的微生物群落将是最适应特定的空间位置的特殊环境条件的那些。这种局部适应的微生物群落已经变为动态的自组织。因此，在不同的空间位置的微生物群落可能在不同方面如多样化、优势、...随不同的空间位置而不同。一个微生物群落不同于相邻的一个，它们所处的两个空间位置之间的距离不是固定的而是可变的。事实上每一对空间位置(之间的距离)都不同。两个空间位置处的微生物群落之间的差异不一定包括变量和/或参数的相同组合。例如，A群落和B群落之间的差异可能是“多样性”，而B和C之间的差异是反映本发明的模式连续生产微生物的“产率”。

本发明有效地模拟CAS的生物原理的第二个重要方面是，要求连续选择进入本发明的人工基质并且建群的微生物。如前文所示，可在培养的生物量中观察到在一定区域内自然地出现的所有微生物。在天然微生物群落中出现的所有生物有某种分散形式，通过该形式它们能够到达适合建群的新生境。如果到达某一似乎合适的生境时，该生物将成功地建群。因此，任何生境，在一定程度比得上理论上最佳的生境，将被还称为接种体的“建群颗粒”连续地撞击(bombarded)。这些接种体可呈种子、孢子、孢囊、细胞簇、...等形式，并且可以主动地获得它们自己的力量(例如飞虫)或者通过载体(例如空气、风、水、附着在动物身上、...)被动地(获得它们的力量)。

所述废物流中连续的新到达的潜在建群者能使微生物有规律地“吸纳”新的生物并且将它们并入所述微生物群落以便更好地适应给定的环境条件。群落成员之间局部的相互作用在适应群落的自组织中至关重要。当环境条件随时间改变时，另外的生物(种或族)可能被吸纳入群落，而其它生物则从群落脱离。从而，在人工基质上生长的微生物群落通过废物流界定的(bourn)各种复杂的方式与区域群落之间连续接触。一些这种方式的实例(但不限于)是分散、建群、吸纳和灭绝。

在本发明的方法中出现微生物群落的适应性，并且该方法是连续的而不是暂时的或者空间上分离的操作或方法。在本发明的方法中生长的微生物群落是从区域出现的微生物群落吸纳的。

本发明通过人工基质模拟天然生境(例如形状)，微生物群落对这些人工基质和水的一般环境条件(例如营养物)和地域(例如气候)的自然适应性，本发明中一些额外的环境变量得以控制。为了能动地调控微生物群落的各种性能(例如，物理的、化学的、产量、组成...)，小心地控制和调节这些额外的变量。例如，通过调节光照可以改变藻类的组成和显性。典型的变量有，但不限于，温度，光谱，流速和体积，营养物和微量元素浓度，溶解气体：氧气、二氧化碳等(见图21)。

一些特殊的设定，这些额外变量的调控和在线控制被认为是一组对生境添加的额外的量纲，微生物群落因此将再次通过CAS的原理自主调整。如此我们将这种方法称为在废物流中人工基质上生长的微生物群落的“调变”或者“微调”，它导致微生物的模式连续生产。

微生物群落

按本发明，生长或培养的生物量主要包括微生物。关于本发明应懂得，微生物是包括单细胞的和多细胞的生物的所有生物，其中最大的尺寸小于2mm。但是，天然微生物群落通常隐匿很多尺寸显然超过2mm判据的生物，例如，丝状藻类，线虫类。因此，就本发明来说，术语“微生物群落”应理解为包括在这些群落里或者群落周围出现的所有更大的生物。这包括但不限于，例如丝状藻类、线虫类、甲壳类、昆虫等。

按本发明生长的生物量包括通常的微生物群落和某些特定的微生物族。“族”的确定可基于分类学，生态学或者其它分类形式。

本发明生产的生物量的一个可能的优选实例是由附着的微生物群落组成并且以藻类硅藻门(Bacillariophyta)或“硅藻”为主的生物量。

水流

水流例如废物流是连续流中存在的化合物的任意聚集体。所述流可呈液体和气相。所述化合物可用作所述微生物群落的必需生长营养物或者被它们以物理或化学方式再次固定化，固定于微生物群落的细胞内或基质内。因此，应懂得，例如废物流是微生物群落的生长培养基的液体或气体流。在本发明中任何给定的空间位置，这种菌种生长培养基的流体连续补充生长所需的营养物或将被固定的化合物。

在所述废物流中生物量的生长及其存在对废物流具有有益的影响，因为它从所述流体中除去了某些化合物所以净化了这些化合物的废物流。这些化合物可能是有害的或无害的，例如硝酸盐或者毒性金属。

人工基质

根据本发明，以这种方式引导生物量的生长，即，仅仅附着的微生物群落在本发明的方法中生长。这些微生物群落附着在并且生长于基质内或基质上，优选是空间隔离的人工基质，它模拟那些微生物群落自然附着的基质(例如沙粒、植物、石头...)。理论上，人工基质在一定的体积下有最大的附着表面，呈不规则的碎片或具有不规则的碎片形状，并非与天然基质很不同以致微生物群落不再附着在它们上面。

根据本发明，将所述基质放在所述流中，按照这种方式使水流流过基质允许系统的横段结构。常规使用的基质的关键问题是，随着生物量在基质上出现，系统被阻塞并且流动停止，甚至到水流通道被完全阻塞的程度。本发明的方法中的流动不断，因为我们的基质类似碎片的性质可使生物量出现在部分基质上，而还有更加宽的开口使流体继续流向基质的其它部分。实施的一个实例是保持形成所述基质的一组隔板的载体。这些隔板是多孔的，呈碎片的形状(所谓的SerpienskiGasket)。该形状把一个三角形分成4个同样大的三角形。中间的三角形敞开，而外面的3个三角形则又是多孔的，呈Serpienski形状。理论上该结构形式可以无止境的重复下去。生物量将开始在最小的多孔区域聚集，它将逐渐阻塞，随后更大的多孔区域将阻塞，但是总是中央的开口将使水流继续流动。在给定的某点表面将被阻塞到一定的程度，并且水流将在所述隔板上留下痕迹。可由设备测量该痕迹并且可用作收获的理想时刻的指示。然后通过提取器提取具有所述基质的载体。这个内部碎片形状的结构能横向定位所述具有基质的载体。可同样选择除三角形表面以外的碎片形状，例如正方形、六边形等。如本领域熟知，在表面的外部可呈现碎片形状(例如，Koch Curve)。另一种结构将是，所述碎片形状不是分布在单一的隔板上(或者一个平面上)而是在一些连续的隔板上。大体上这就是‘3D fractaloid’或者立体的，而上述在一个平面上的形状被称作‘2D fractaloid’或者平面的。从所述图形，通过非限制性实例进一步阐释所述基质的详细碎片性质和使水流过的横向位置。

根据本发明，将这些人工基质以使废物流必然穿过或者靠近人工基质的方式放置在废物流中，从而通过或靠近附着在这些基质上的微生物群落。仔细的控制和操纵所述废物流的流动。

本发明的方法还包括收获所述微生物群落的方法。优选的收获所述微生物群落包括，首先通过提取器从废物流中提取所述人工基质。本发明还涉及用于提取保持所述基质的载体的提取器，所述基质附着在载体上，它有助于该系统的碎片结构。可这样实施，即，通过在引入废水流前直接保持人工基质或者保持固定人工基质的载体。另外，可将人工基质固定在已经引入废物流的载体上。所述提取器将所述人工基质带到收获装置。

随后在收获装置内将附着的微生物群落与人工基质分离。在收获装置中，应用引力为基本原理浓缩分离的微生物群落。在人工基质的提取和从人工基质分离生物量之间有可能但不必添加额外的处理步骤。该处理(例如沉浸在处理液中)旨在增大生物量中某化合物的浓度(例如油浓度)。该处理称为两步收获法。应懂得，生物量生产中应用的刮擦法会导致沿纵向区过多的刮擦。相反，本发明首先提取带有基质的载体，这导致横向去除生物量，然后从基质去除生物量其实可使用刮擦等方法。根据本发明，通过从废物流中有意的去除带有基质的特定载体组监控收获，于是减少无意中的过多收获。

实施例

本发明的一个实施方案的实施例如下：

在放入来自通常的废水处理装置的生活污水连续流中的刷子上生长附着的微生物藻类。当废水流过这些刷子时，生长的藻类主动减小废水中的例如硝酸盐和磷酸盐的浓度。通过在洗刷机中收获藻类，其中，通过喷水管喷射藻类。从刷子上分离后，藻类将沉降(即通过重力)在洗刷机的底部，所以可被取出供进一步处理。该两步收获法的中间步骤例如要求将刷子浸在一个缺乏营养物的菌种生长培养基中。

一个可能的实施方案的操作描述

通过生长微生物群落的废水流处理

流出水来自包括初次或二次处理过程的任何水净化系统。所述流出水可来自生活的、工业的和农业的废水。在一个理想的情况下，所述流出水在操作区域完全符合要求的环境标准，因为它被正常的排放入水道。最差的情况下，本发明甚至可用直接来自污染源的没有经过处理的废水进行操作。

随后按本发明所述方法处理废水。如果经过常规废水处理设施后再进行本发明的方法，就可正常的排放处理过的废水，本发明的处理应当可称为“第三次水处理阶段”。就第三次处理来说，将所述废水泵送通过包括一个或多个容器的循环系统。下文称这些容器为“生长容器”(‘growth recipients’)，它们可呈任何形式或形状，并且可能对天然的或人造的水道是敞开的、封闭的或部分敞开的。它们可能是深的或浅的，依赖于环境和要求。它们的形状的一个简单实例是水槽，与常用于高速藻池系统(High Rate Algal Pond systems)中的水槽相当。

一种情况下泵送的水直接来自以前第二次处理阶段的出水通道，再通过标准的可商购的离心泵或蠕动泵泵入外加的循环系统进行第三次处理。可将第三个系统连接到或者独立于输送它的前处理阶段。将所述水泵送通过该系统后，将它排放回到所述出水通道或者直接排入水道。随着时间延长，也可能将处理过的废水部分地或者全部再循环入第三次废水处理程序的部分或全部。可进行更短或者更长的时间。这样做的目的是为了弥补暂时的缺陷，规则的或者不规则的，换句话说，来自本发明以前的废水处理装置的废水连续流。

第三次废水处理包括，将第三次循环系统中的废水作为附着的微生物群落的生长培养基。在一个实施方案中，这些(微生物群落)可能包括占优势的藻类生物量。应用的废水可能含有或不含另外的化合物(例如微量元素)，或者所述废水可能经过或没有经过其它方法(如紫外光照射、微波、超滤)的另外的改良或预处理。

循环经过本发明之后，被处理过的废水会失去一部分营养物载荷(硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐)，以及其它化合物，是由于生物量生长的缘故。这将会使水净化厂家满足要求的环境标准甚至更好，例如，水中更低的营养物或毒素含量。

部分微生物群落包括藻类，它们是光合作用的有机体并且被认为是植物性的。植物性生物量的生长称为初级生产。初级生产是自然过程，通过它利用光合作用的过程将太阳的入射能转化为生物量。对于这个过程来说，基本结构单元，或者营养物，都是有机体需要的，这些都是生长培养基(该情况下是废水)中存在的营养物。

本文讨论的第三次处理包括连续水流中的生长微生物。所述废水是将必需营养物带给微生物的传输介质。这些微生物仅仅通过生长(即繁殖)就能吸收废水中的营养物，所以减小废水中的这些营养物的浓度。通过该初步生产过程，就除去了水中的过量营养物。除了减少营养物，微生物群落还可以固定或减少存在于微生物群落细胞内的或基质中的潜在的有害物质。

所述初步生产过程还释放了大量氧气，提高了水塔中的氧含量。这对于所有那些依赖于呼吸作用而生存的水产生物(例如鱼)是有利的，并且也是通常检测以评价水质的重要参数(如化学需氧量COD，生物需氧量BOD)。

如前所述，根据本发明，连续的废水流流过人工基质，该基质是微生物的生物量可以在自然条件下(即，可见于例如本地区的河流和水渠中)生长的天然基质的模拟物。可将所述人工基质直接放入或者附着在某种载体上后再放入生长容器。

以使废水流必然流过和/或很接近它们的方式放入所述人工基质。所以，废水流很接近生长在人工基质上的微生物群落。这里的关键问题是使生长培养基与微生物群落之间的接触界面最大化。以不随水流带走的方式将人工基质放入所述循环系统。该人工基质可用PVC、聚碳酸酯、玻璃或天然有机材料(例如马鬃)制备。还可应用任何其它适合微生物的材料。

理论上，所述人工基质呈碎片或碎片状(或fractaloid)。简单的二维平面是两维的(n＝2)，但是可认为fractaloid是这样的，即，它的片状性质(fractal nature)是0(n＝2，0)。这里可认为人工基质具有一维、二维或三维性质的基础，而另外的fractaloid的维数可能是0(1，0；2，0；3，0)或者大于0而小于1。主要的目的是在给定的空间体积内最大化附着微生物的有效表面，而同时优化水流的流动。

理论上所述人工基质应当是完全透明的，可使光合成上的有效辐射(PAR)到达光合生物将繁衍生长的基质上、基质周围或基质内的所有位置。

可通过提取装置放置、去除人工基质以及与循环系统的生长容器交换。可人工的、半自主的或全自主的操作所述提取装置。可通过直接保持它们或者通过保持它们所附着的载体而移去所述人工基质。在一种可能的形式中，所述生长容器可能具有一条脊线，带有夹具、钩子或其它固定件的传送装置可沿该脊线移动以便收集、放置或交换来自所述受体的人工基质。另一种形式是，所述提取装置独立移动和穿过生长容器，以及悬挂在上层结构或者在地上直接移动(例如轮式结构)。

人工基质上生长的微生物生物量主要由该地区的水生系统中自然出现的微生物构成。这些微生物例如包括从该地区的天然新鲜动态水或静态水中的藻类。根据本发明，在本发明中微生物群落的定向生长导致附着在人工基质上生长的微生物群落。这些附着的微生物群落可通过控制各种关键变量而进一步调整，导致实现微生物的连续模式生产。如果例如希望在微生物群落中创建某一族附着的藻类(例如黄藻门(Xanthophyta))的优势种，那么可通过改变一些关键变量例如，但不限于温度、水流速度和光照周期的设置来实现。可根据不同目的这样做，例如，但不限于改变群落的组成、多样性、产率或化学组成。另一个实例可能是定向除去对定向培养所需组成的微生物群落有害的某些族的生物。例如，调节某些变量可能导致对消耗所需微生物的某些族的放牧者(grazer)不利的条件。所以，通过CAS系统的原理，微生物群落将表现这些放牧者的减少。

在提取生长有微生物群落的人工基质时，将它们传送到收获装置。在该装置中将微生物群落与人工基质分离。一个实例是可应用水流喷射。分离后就可回收人工基质，在再次使用之前可进行或者不进行另外的预处理。被分离后的微生物群落首先在收集装置中被浓缩，即，通过沉降(即重力作用)到底部，如果必要的话，可以预备一个收集容器。残留的冲洗水或上清液(super-natans)可通过倾析、排放或任何其它方法弃去。从收获装置中收集微生物，再根据所需的终产品进一步加工。

它是以其最初未经处理的形式为这种收获物(crop)固有的，它包括动物、植物和微生物，因此不能含糊的称为动物或植物。通过本发明得到的第一种终产品是水净化方法。

根据所需的另外终产品进一步加工收获后的微生物生物量。可将它作为干产品呈粉末、片状或其它形状(比得上目前的“螺旋藻属”(‘Spirulina’)市场产品)或呈液体形式销售。此外，可从所述生物量提取有商用价值的产品然后销售。

例如，目前在微生物生物量中存在的藻类富含ω3型多不饱和脂肪酸(PUFA)(例如EPA、DHA)。这些产品将被提取出来作为食品增补剂出售。所述藻类也可能富含色素，例如虾青素，它也可被提取作为食品(人、动物)，食品增补剂，食品添加剂，药物和化妆品销售。目标市场既有人类食品增补剂又有动物饲料，包括水生的和陆生的。从微生物藻类提取的油被认为是植物性的，所以是植物性食品的ω3型油可接受的源。还可提取其它有商用价值的产品后销售。

另外，可将所述微生物生物量用作重要的可再生能源。可通过标准技术将微生物生物量转化为电或沼气。也可将它转化为液体油(或生物油)，例如通过热解或热化学转化。还可从所述生物量中提取油。这种油通常称为PPO：纯植物油或PsPO，仿植物油。我们可将它称为藻类油。

它可直接用作燃烧用的液体燃料或润滑油，主要用作石油的代用品及其相关产品。或者可将所述藻类油处理并转化为生物燃料，包括生物柴油、沼气和生物酒精。例如可通过酯交换反应方法进行转化。可展望生物量的其它应用，例如生物量肥料或者用作代替石化产品的化学加工终产品的原料。

基本图表说明

本发明的工程部分图。

图1：通过生长容器的菌种生长培养基的连续流。

1：入射光的光源，人工的或自然的。

1a：入射光。

2：注入的水源，作为微生物的生长培养基例如废水。

2a：注入的水。

3：通过各种方法添加的营养物的源(例如，CO₂作为另外的碳源)。

3a：添加的营养物。

4：流出的水，通过本发明的处理后排放的水。

5：T0，时间零，本发明重新开始的计时点或者新引入的人工基质计时点(9)。

6：T1，时间一，收获在人工基质(9)上生长的微生物的第一时间点。

7：流出的水(4)的任何进一步的应用，例如(7a)作为工业水，生长的鱼类，软体动物类或任何其它活的有机体，...

8：微生物在(5)和(6)之间的人工基质(9)上建群和后续生长的过程。

9：人工基质。人工基质是任何基质，全部或部分的浸入生长培养基中，微生物附着在它上面并且增生。人工基质就这样可从生长容器分离，作为整体或者通过基质所固定的“载体装置”(如金属框架)。

10：流过人工基质的连续的水流。

11：生长容器。生长培养基流过的和微生物在其中生长的任何容器。

图2：通过微生物天然的和各异的群落进行人工基质的接种。

12：区域种库。在给定的区域内，在该区域出现的天然群落和可能在理论上进入所述生长容器的所有微生物(天然的或人工的)。

13：连续的生物种的水流。连续到达区域种库的生物种的生长容器。

14：在人工基质上成功的建群并且被它们所处的环境自然选择的微生物群落。这些群落内在地保持自己进一步使它们的种族成分适应变化的环境条件的能力。

图3：环境变量的调节以便调整微生物群落的成分。

15：与(8)一样的过程，而另外控制各种环境变量以便主动地调整群落成分、产率和多样性。所得的工艺过程包括微生物群落的可控生长。

16：将根据(15)的要求精确控制生长容器内的环境变量的全部或任何方法或装置。

图4：

17：P0空间位置零。这是理论上起菌种生长培养基作用的注入水的入口的第一个点。

18：P1空间位置1。这是理论上生长容器的第一个点，此处，微生物群落能在人工基质上成功地建群并且发展成为成熟的群落。本文将这些空间位置描述为在各生长容器内谨慎地出现，但是它受压制，这也可能见于包含数种人工基质的单个大的生长容器内或者甚至在单个人工基质中。

19：PN菌种生长培养基的流中任意给定的后续空间位置点。

每一个点N被认为是这样的空间位置，即，微生物群落在先前确定的各种变量方面与点N-1和N+1处的群落完全不同。这些变量可能是但不限于：种族组成，多样性，区域优势或化学组分的浓度。前述定义的两个空间位置点之间的距离可能与每一对位置的距离不同。

20：空间位置点零处的群落。

21：空间位置点1处的群落。

22：空间位置点N处的群落。

图5：阐释群落渐次变迁的过程以及反馈、捷径和快速出口响应变化的条件和/或要求的应用。

23：位置N。生长容器内水流中的任何给定的位置，始于空间位置1(17)。

24：位置N+12。该图阐释了空间位置(23)与(24)之间的十二个独立的群落。描绘的所述空间位置出现在单独的生长容器内，但是应该清楚这些位置还可能出现在一种生长容器或者甚至一种人工基质上。

25：在人工基质上和在空间位置N生长的微生物群落，具有一组给定的群落性质，例如，但不限于多样性、区域优势、组成、化学成分的浓度...

26：在空间位置N+1处的微生物群落，至少有一个相关变量与空间位置N和N+2处的群落不同。

27：在空间位置N+2处的微生物群落，至少有一个相关变量与空间位置N+1和N+3处的群落不同。

28：在空间位置N+3处的微生物群落，至少有一个相关变量与空间位置N+2和N+4处的群落不同。

29：在空间位置N+4处的微生物群落，至少有一个相关变量与空间位置N+3和N+5处的群落不同。

30：在空间位置N+5处的微生物群落，至少有一个相关变量与空间位置N+4和N+6处的群落不同。

31：在空间位置N+6处的微生物群落，至少有一个相关变量与空间位置N+5和N+7处的群落不同。

32：在空间位置N+7处的微生物群落，至少有一个相关变量与空间位置N+6和N+8处的群落不同。

33：在空间位置N+8处的微生物群落，至少有一个相关变量与空间位置N+7和N+9处的群落不同。

34：在空间位置N+9处的微生物群落，至少有一个相关变量与空间位置N+8和N+10处的群落不同。

35：在空间位置N+10处的微生物群落，至少有一个相关变量与空间位置N+9和N+11处的群落不同。

36：在空间位置N+11处的微生物群落，至少有一个相关变量与空间位置N+9处的群落不同。

37：菌种生长培养基从后一个空间位置到前一个空间位置反馈的一个可能的实施例。此反馈环进料菌种生长培养基，从位置N+9(34)出来至位置N+1处的群落(26)。该实施例显示一种逆流反馈，但是应懂得，还可沿菌种生长培养基的正常流出现反馈。

38：菌种生长培养基从前一个空间位置到后一个不相邻的空间位置的捷径的一个可能的实施例。此捷径环从空间位置N+5(30)进料菌种生长培养基到空间位置N+10处的群落(35)。

39：正常出口位置，此处将菌种生长培养基作为流出物排出。

40：快速出口的一个可能的实施例，它能使从其它位置提取或排放菌种生长培养基，而不是菌种生长培养基作为流出物的正常排放出口(39)。

图6：阐释人工基质提取的示意图。

41：人工基质，在其上生长微生物群落并且达到可收获的群落发育阶段。

42：在提取过程中连续的水流不必停止。

53：提取装置。通过提取装置将人工基质从培养基中提取出来。

43：提取装置可通过保持附着了人工基质的载体或者直接保持人工基质而提取人工基质。

44：更换装置。更换装置带入一种新的人工基质。应懂得，该更换装置可能与提取装置相同，但是它也可能是独立的装置。两种装置的特征可能是单一的机器，但不必如此。

45：该更换装置将人工基质引入生长容器而不停止所述连续的水流。

46：新的或循环的人工基质。该人工基质可被预处理。

47：微生物的两步收获程序。为了最大化某些化合物的产量，有可能在最后收获之前将生物量经历另外的处理。

47b：将具有人工基质的载体输送到和置于处理容器中(49)。该输送需要及时地进行。即，在随着从其生长培养基提取生物量而发生的任何不利过程之前进行。

47c：将所述载体浸入另一种液体培养基，它可能相同也可能不同于提取它的生长培养基(例如化学成分)。该处理培养基不必是流动的液体或敞开的体系。

47d：另一方面，也可用一步收获法，其中，在收获机械内直接加工所述生物量而不用预处理。

48：微生物的实际收获过程。将微生物群落从人工基质分离。该过程可按脱除全部群落的一步法进行或者分步进行，每一步涉及脱除特定部分的群落(即，某些族)或生物量(即，某些化合物)。这些独立的步骤可能包括各种生物的、物理的或化学的分离技术。

49：处理容器。在该容器中，它可能类似或不同于生长容器，将生物量处理更短或更长的时间，通常是数小时至数天。

50：经过所需的处理之后，通过提取装置(42)提取生物量仍然附着在人工基质上的载体。

51：将具有人工基质的载体输送到和置于收获装置(52)中。该输送需要及时地进行，即，在随着从其生长培养基提取生物量而发生的任何不利过程之前进行。

52：所述收获装置将微生物的生物量与人工基质分离，也可见(48)。

图7：从人工基质分离微生物群落的详细方案

54：收获装置或机械。

55：通过提取装置将生长了微生物群落的人工载体带到所述收获装置。

56：将所述人工载体引入所述收获装置。

57：将所述生物量与人工基质分离后，排放收获液(如果这样应用的话)。

58：如果这样应用的话，采集所述收获液。

59：可排放所述收获液。

60：可再循环所述收获液，例如在收获装置中。

61：将微生物群落的生物量与人工基质分离。

62：所述生物量通过重力沉降到底部。

63：分离之后，从所述收获装置提取所述人工载体。这可通过提取装置进行。

64：将所述人工载体废弃或返回所述生长容器中。

65：沉降之后从所述收获机械提取所述分离后的生物量。

66：分离后的生物量。

67：将所述生物量进一步处理。

图8：本发明的一个可能的实施方案。净化来自养鱼设施的废水并且在养鱼业中再循环净化后的水和生长的生物量。

68：将所述生物量加工成鱼饲料

69：排放流出液。

70：将流出液用作二次处理液。

71：将流出液用于在养鱼设施中饲养鱼类

78：将流出液用作收获液。

72：鱼类养殖设施。

73：从鱼类养殖设施中排出废水。

74：收集鱼类养殖的废水用作本发明的流入水。

图9：本发明的一个可能的实施方案。经过微生物群落对来自生活污水的废水处理装置中排出的水第三次处理。

75：将生物量加工成各种终产品。

76：生活污水的废水处理装置。

77：收集从76排出的水用作本发明的流入水。

一个可能的实施方案的原型图示

图10

废水可能流过的三层管道原型。将人工基质放入管道中。

图11

多层阶式结构，废水可通过它从顶部流到底部。这些层由人工基质构成。

图12

废水可通过它流动的倾斜多层管道原型。将人工基质放入管道中。

图13：

管道连接系统的详细图。

图14：

人工基质在管道系统中的详细布置图。

图15：

阶式生长容器的原型，它利用重力除去废水流。将人工基质放入宽生长容器内的废水流中。

图16：

这幅图示意描绘了废水、液流、下层流和紊流的主流在将水导引通过或靠近生长容器中的人工基质时的重要作用。

图17

一个说明CAS机理的调制性和应用的实施方案的一个实施例。每个系统本身可能包括一个或多个例如呈平行结构的子系统。

78：能使CAS自组织成普通定向群落的通常的环境结构。

79：特定的环境子结构A，能使CAS自组织成更多特定的定向群落，以特定的产量为目的。

80：特定的环境子结构B，能使CAS自组织成更多特定的定向群落，以特定的产量为目的。

81：特定的环境子结构C，能使CAS自组织成更多特定的定向群落，以特定的产量为目的。

82：所得具有目标性能的特定群落A

83：所得具有目标性能的特定群落B

84：所得具有目标性能的特定群落C

85：位置A，在该位置的局部作用是导致自组织的操作上的。

86：位置B，在该位置的局部作用是导致自组织的操作上的。

87：位置C，在该位置的局部作用是导致自组织的操作上的。

图18

一个说明CAS机理的调制性和应用的实施方案的一个实施例。该实施方案与上述不同之处在于，它将一些人工基质放入一个系统，而将下一组不同的人工基质放入处于前一个的下游位置的下一个系统。

88：位置A，在该位置的局部作用是导致自组织的操作上的。

89：位置B，在该位置的局部作用是导致自组织的操作上的。

位置A和B处于一个系统中。在一个系统中包含两组人工基质。

90：位置C，在一个系统中包含一系列毗连放置的人工基质。

在位置C，在该位置的局部作用是导致自组织的操作上的。

91：能使CAS自组织成普通定向群落的通常的环境结构。

92：特定的环境子结构A，能使CAS自组织成更多特定的定向群落，以特定的产量为目的。

93：特定的环境子结构B，能使CAS自组织成更多特定的定向群落，以特定的产量为目的。

94：特定的环境子结构C，能使CAS自组织成更多特定的定向群落，以特定的产量为目的。

95：所得具有目标性能的特定群落A

96：所得具有目标性能的特定群落B

97：所得具有目标性能的特定群落C。该群落被分布于一系列基质上，在其上生长的子群落相互影响。

98：箭头代表上游群落A和B与下游群落C之间的相互作用。群落A和B的性能影响群落C，根据CAS它已适应表现出特定的目标性能。

图19：

99：Serpienski衬垫(也翻为Sierpinski)的分部图形。

图20

100：简化的Serpienski衬垫图形

101：表示流过人工基质的最大流体

102/表示流过人工基质的更小流体，穿过基质的更小开口。

图21：

通过系统内选定的基本环境参数调节的野生型多培养物的可控藻类生长。这些群落包括生物的优选族(例如硅藻门)物种组成(例如，Fragilaria capucina)。

Claims (10)

1.在敞开并且连续的系统内生长微生物的方法，它进一步的特征在于在所述系统内创建生境的装置，其中，自然的、多样化的和异质的微生物群落能够自主地对变化的环境做出反应、自组织并适应。

2.权利要求1的方法，其中所述装置包括至少一种人工基质，附着的微生物群落生长在所述基质上。

3.权利要求1-2的方法，其特征在于，在所述系统内保持连续的流体流。

4.权利要求1-3的方法，其中，所述流体为废水流。

5.权利要求2的方法，其特征还在于，将所述人工基质置于所述水流的流动中，迫使该水流通过或者靠近人工基质和附着在基质上的微生物群落。

6.权利要求1-5的方法，其特征在于，所述微生物群落分别存在于所述系统内的不同位置。

7.权利要求1-6的方法，其中控制一个或多个环境变量以便调节所述系统中每一个位置处的微生物群落的至少一项性能。

8.生产微生物的方法，它包括权利要求1-7中定义的操作步骤，所述方法进一步包括借助提取保持所述基质的载体的提取装置来收获微生物群落的步骤。

9.生产生物量的方法，它包括权利要求1-8中定义的操作步骤。

10.用于生产微生物和/或生物量的提取装置，它具有将人工基质输送到收获装置的设备，其特征在于，所述装置包括人工基质固定于其上的载体。

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