CN103025860A

CN103025860A - 用于使光合成生物生长的方法和装置

Info

Publication number: CN103025860A
Application number: CN2011800331776A
Authority: CN
Inventors: 马克·勒内·施坦巴内; 洛奇·德尼斯; 基尔斯滕·海曼; 阿诺德·曼戈特; 霍华德·尼伯恩
Original assignee: MBD Energy Ltd
Current assignee: MBD Energy Ltd
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2013-04-03
Also published as: CA2803939A1; WO2012000057A1; AU2011274247A1; WO2012000056A1; US20130109008A1; EP2588590A1; BR112013001218A2; WO2012000056A8

Abstract

一种用于培养光合成生物的生物培养系统，其包括：至少一个允许培养基暴露于自然光和/或人造光的培养室，该培养室包括：一个透光壁或多个壁，其界定了气体空间和在所述气体空间下面的培养基容纳区域；一个或多个设置在所述培养基容纳区域内的流体入口；和一个或多个与所述气体空间相通的气体出口；操作地连接至气体流动控制器件的控制单元，所述气体流动控制器件控制气体通过所述流体入口流入和通过所述流体出口流出以控制在培养室内的条件。

Description

用于使光合成生物生长的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于制备光合成生物，特别是，藻类（并且包括微藻类和大型藻类）的培养室和方法。

背景技术

由于对于微生物的多种应用，培养光合成生物，特别是微藻类和蓝细菌已经成为关注的焦点。首先，培养光合成微生物可以利用废弃的二氧化碳(CO₂)和营养素（例如来自污水或农业产物），以及，在光的存在下，将这些转化为生物质。其次，所生产的生物质具有潜在的多种应用，包括：提取油，然后其可以被转化为生物柴油；作为生物塑料工业的原料；提取营养品、药品和化妆品；用于动物饲料和作为喷气发动机燃料的原料、使植物热解或气化。

本发明目的是针对在本领域中已知的用于培养光合成生物，特别是藻类的系统中的一个或多个难点而作出的。

发明内容

在本发明的第一方面，本发明提供了一种用于培养光合成生物的生物培养系统，其包括：

至少一个允许培养基暴露于自然光和/或人造光的培养室，该培养室包括：

一个透光壁或多个壁，其界定了

气体空间；和

在所述气体空间下面的培养基容纳区域（containment area）；

设置在所述培养基容纳区域内的一个或多个流体入口；和

与所述气体空间相通的一个或多个气体出口；

操作地连接至气体流动控制器件的控制单元，所述气体流动控制装置控制气体通过所述流体入口流入和通过所述流体出口流出以控制在培养室内的条件。

在一个实施方式中，所述生物培养系统可以进一步包括多个培养室。这允许生产的灵活性和系统控制的集中化。所述培养室可以，例如，通过许多方式，以串联或并联的方式相互连接。优选，可以连接10至200个培养室，更优选连接20至60个培养室。所述培养室阵列可以包括使用并联配置的槽或2个或多个不同的生长培养基槽的结合。这可以包括，但是不限于，并联的多个培养室或袋和开放通道（open raceway）的组合。

因此，在本发明的可选的实施方式中，所述生物培养系统可以进一步包括多个培养室，其中，所述培养室包括：

一个或多个由柔性材料形成的室；和

一个或多个包括一对相对的由透光部围成的基本刚性壁的室。

所述刚性培养室可以允许培养的生物放置在需要的相对低光的地方。所述刚性培养室还可以包括如上所述的控制单元和平衡槽。

在本发明的又一方面，其提供了一种培养光合成生物的方法，所述方法可以包括：

(a)提供培养室，其包括：

(i)至少一个透光壁或多个壁，所述壁界定了

气体空间；和

在所述气体空间下面的培养基容纳区域；

(ii)一个或多个气体入口和与所述气体空间相通的一个或多个气体出口；

(iii)一个或多个流体出口和与培养容纳区域相通的出口；和

(iii)气体流动控制装置；

(b)向所述培养室中引入培养基并且接种光合成生物，所述培养室允许培养基暴露于自然光和/或人造光中；

(c)使用气体流动控制器件控制气体通过所述气体入口流入和通过所述气体出口流出，其中，所述气体的流动促使来自于培养基的蒸发和/或控制培养室的温度；和

(d)允许光合成生物在光的存在下生长。

在一个实施方式中，所述培养室包括一个或多个流体端口以允许所述培养基的引入和除去。优选地，所述一个或多个流体端口包括调节器以控制引入或从所述培养室中除去培养基。更优选地，所述调节器为阀，优选为球阀。

光合成生物在光的存在下将二氧化碳、水和营养物转化为生物质。因此，这些光合成生物的生长能够将作为例如从发电厂精炼厂或水泥窑、液化天然气生产或煤层气中排放废气的二氧化碳回收为生物质而非释放到大气中。在所述培养室内控制的条件包括所述培养基的pH和CO₂含量，在所述培养室中的蒸发速率和温度。将富含CO₂的气体加入到藻类淤浆中会降低溶液/淤浆的pH。随着CO₂的消耗，pH将会增加。因此，通过平衡供给CO₂和消耗CO₂的速率，可以保持稳定和最佳的pH，其确保用于发生光合成和随着细胞生长和增殖形成新的生物材料所需的足够的碳浓度。

用于培养基容纳区域的流体入口沿着所述培养基容纳区域的底座部（base portion）设置。

所述光合成生物选自大型藻类、微藻类和蓝细菌。优选所述光合成生物为微藻类。

引入的CO₂浓度可以根据与CO₂混合的空气的量的变化而变化。例如，根据所述光合成生物的CO₂要求，所述包含CO₂的废气可以用空气稀释。在黑暗期，例如当使用自然光时的晚上，通过提高混合物中的空气的量可以减少CO₂的量而保持恒定的气体流动。例如，使用特定的空气过滤器，更优选高效的特定的空气（HEPA）过滤器，可以过滤与所述CO₂源混合的空气以除去某种特定的物质。

所述培养基可以为适合于所需的光合成生物生长的任何合适的基质。所述培养基可以基于新鲜的水或生理盐水，并且可以包括来自工业过程或污水处理系统的废水。所述培养基可以包括包含硫酸铁等的额外的营养物。

所述光合成生物可以选自任何合适的生物，并且可以被培养作为单一培养的单一种或在同一培养室中的两种或多种种。混养是优选的，因为这可以为由于例如温度、营养物的补充和盐浓度引起环境变化提供复原能力。产生用于化学、生物柴油、药物或保健品工业的有用成分的光合成生物是优选的。合适的光合成微生物包括蓝细菌（蓝绿藻）和藻类，优选微藻类或大型藻类。所述微藻类可以在新鲜水或盐水中生长。可以产生有用的成分/原料的光合成微生物的实例包括，但是不限于，属于下面的属的这些：衣藻属（Chlamydomoas）；角毛藻属（Chaetoceros）；杜氏藻属（Dunaliella）；红球藻属（Haematococcus）；等鞭金藻属（Isochrysis）；微藻属（Nannochloropsis）；紫球藻属（Porphyridum）；混营性微藻属（Picochlorum）(synonymNannochloris)；颗石藻属（Pleurochrysis）；红胞藻属（Rhodomoas）；螺旋藻属（Spriulina）。

优选的微藻菌株为快速生长的菌株。所述菌株可以显示高的脂含量，并且可以为耐盐的。特别优选微藻属菌株或菌株的混合物。本发明的方法还可以用于培养大型藻类，例如，石莼属（Ulva）；刚毛藻属（Cladophora）；硬毛藻属（Chaetomorpha）或鞘藻属（Oedoginium）的那些。

根据本发明制备的光合成生物具有许多的潜在用途。可以从微生物中提取油（例如，甘油三酸酯），并且这种油可以用于生物柴油的制备（例如，使用已知的酯交换方法）；作为用于制备塑料和用于合成喷气发动机和其它燃料的原料。在提取油后留下的生物质的饼组分可以用作：家畜养殖业的饲料；肥料的生产；用于生物塑料制备的生物质或用于能源和喷气发动机燃料的制备和/或热解的生物质。光合成生物还可以制备其它有用的产物，例如，营养品（例如，omega3和6脂肪酸；抗氧化剂，例如变胞藻黄素（astaxanthin）和颜料，例如β-胡萝卜素），藻蓝素、甘油三酸酯和用于药品工业和化妆品工业的其它成分。

在优选的实施方式中，流体入口沿着培养基容纳区域的底座部分设置。所述第一和/或第二气体可以为含氧的气体，例如，空气。所述第二气体可以为与第一气体相同或不同。所述第一气体可以包含二氧化碳（CO₂）。在包含CO₂的情况，所述气体可以起到为光合成系统提供碳和/或降低所述循环流体（例如水）的pH的作用。

在一个实施方式中，所述培养室的一个或多个壁是由柔性材料组成的，其可以允许所述培养室膨胀。在本发明的上下文中，柔性材料为不具有刚性形状的柔软的材料。这种柔性材料包括，但不限于，塑料类膜。在优选的实施方式中，所述培养室为管状构型的密封的柔性塑料结构的形式，例如，塑料袋型结构。在优选的实施方式中，所述培养室的一个或多个壁为透光的，并且所述壁可以以管状整体地形成。所述培养室优选水平地定向产生平板底座。所述底座优选具有朝向所述培养室的排放端的1-5°的斜面。这有助于培养的藻类淤浆向排放出口的流动。

可以选择所述塑料类膜以允许在预定的波长处透光。可以使用聚乙烯膜，例如线性低密度聚乙烯膜和/或中等密度膜。所述塑料类膜可以包含颜料，例如，无机氧化物，例如钛氧化物和/或铁氧化物，和/或其他光控制添加剂以允许控制光的透过。在一个实施方式中，可以使用允许大约20%至65%，优选25%至60%的UV光透过的材料。

在更优选的实施方式中，所述培养室是可膨胀的。在所述培养室是可膨胀的时，所述培养室的膨胀可以通过如下方式保持：经过气体入口向所述培养室中引入气体和经过气体出口使气体流出而实现的气体的流动。经过设置在所述培养基的表面的上方或下方的一个或多个气体入口，所述气体可以被引入到培养室中。

在进一步优选的实施方式中，所述培养室可以包括：

一对相对的基本刚性侧壁；和

连接并提供包围所述侧壁的顶棚的透光部。

基本刚性侧壁的使用可以提高所述培养室的强度和寿命。所述侧壁可以包括一对相对的隔壁，例如，钢隔壁。

因此，在本发明的可选的实施方式中，所述生物培养系统可以包括多个培养室，其中，所述培养室包括：

一个或多个由柔性材料形成的室；和

直接控制在所述培养室的透光部中的光的透过性可以限制光合成生物生长的光抑制，同时在特定的季节和/或一天中的特定的时间可能需要额外的光控制。因此，所述培养室可以进一步包括第二光控制器件。所述光控制器件可以为任何合适的类型。所述第二光控制器件可以为固定的和/或可变化的。可以设置遮阳物或滤光片，例如遮阳帆或布。

由于预先计算的环境光亮级的地理特征，可以固定光亮级遮蔽。

因为变化的地理位置和时间相关的环境光条件，通过外部光可透光的盖（例如遮阳帆）可以调节遮蔽。指示遮蔽的可变的控制的可变的参数可以为，但不限于：

(i)所处的时间和阳光强度

(ii)地理纬度和/或

(iii)在控制生长过程中的藻类的巨型和微型种类的藻菌株的个体种所需求的实际的光。

优选许多流体入口被设置在整个培养室中。在优选的实施方式中，所述流体入口被设置在所述培养室的底座上，优选沿着所述培养室的底座的长度方向设置。

在进一步优选的实施方式中，沿着所述培养室的底座中的管道设置流体入口，其中，所述管道适合于运送并分配所述气流。气体入口优选沿着管道相隔一定距离设置以允许沿着延伸的培养室的长度气流基本均匀的分配。可以设计气流出口以释放在柔性的培养室中增加的过量的气压。

在优选的实施方式中，所述气体出口可以包括阀系统，优选单向阀系统。所述单向阀的使用可以降低来自外面的空气污染所述培养室的风险，同时允许除去过量的氧气等。

在另一实施方式中，气体经过所述培养基的表面的上面的和所述培养基的表面的下面的流体入口进入到所述培养室中。在所述培养基的表面的上面的气体的引入允许改变培养室中的气氛。

任何种类和在任何实施方式中的培养物可以被劣种(不需要的生物)污染。因此，在本发明优选的方面，所述方法可以进一步包括：

提供有效量的选择性的杀生物剂；和

用选择性的杀生物剂处理所述培养基以减缓或除去不想要的生物的生长。

所述不想要的生物可以为寄生虫、细菌、真菌或藻类菌株。所述杀生物剂可以相应地包括杀虫剂、杀细菌剂、杀真菌剂或灭藻剂或其组合。

生物需要光源以进行光合成。可以使用的任何合适的光源包括自然光和人造光或天然光和人造光的组合。通过任何合适的光源可以提供人造光。在一个实施方式中，通过发光二极管（LED）提供所述人造光源。可以提供人造光源以延长每天的光照时间的长度从而所述生物在日光时间外继续光合成。因此，在一个实施方式中，本发明的培养室和方法适合于在使用所需要的自然光和人造光之间的切换（alternate）。

在本发明的进一步优选的方面，培养光合成生物的方法，其中，所述培养室进一步包括气体流动控制器件；所述方法进一步包括使用气体流动控制器件控制经过流体入口的气体的流入和经过流体出口的气体的流出的步骤，其中，气流驱使培养基的蒸发和/或控制培养室的温度。所述气体流动控制器件优选为风扇。所述气体流动控制器件优选位于延伸的培养室的一端上。所述气体流动控制器件可以起到形成所述液态培养基和气体空间之间的正的大气置换差（positive atmospheric displacement differential）的作用。这可以起到延缓第一气体，例如包含CO₂的气体从所述培养基中逃逸并增加其在培养基中的停留时间。例如，CO₂的更长的停留时间可以协助有效定量给料培养基以促进藻类生长。

当使用没有向大气开放的围起的生物反应器时，所述液体培养基和在所述液体界面区域之上围起的大气空间之间的正的压力置换差可以起到延缓CO₂从所述生长培养基液体的溶液中逃逸的作用。CO₂在水溶液中的更长的停留时间将协助更高效地定量给料用于藻类生长的CO₂和更少的CO₂逃逸到大气中而没有被藻类生长所吸收。

由此通过如下步骤实现提高的大气压控制：

(i)测量在输送给料侧的袋/生物反应器内的气体的通风能力（deliveryvolume）和

(ii)通过压力释放机构（例如可控制的或固定的压力点安全阀）从液体培养基上的空隙释放过量的气压。

已经发现培养基的蒸发可以能够一定程度地控制所述培养室内的温度。这将帮助微生物的培养，因为温度控制对于得到最佳的生长和/或由微生物最佳地制备相关的化学品（例如，作为生物柴油成分的甘油三酸酯）是重要的。

在优选的实施方式中，所述气体流动控制器件进一步包括温度控制器。已经发现培养室，例如，光生物反应器，其为封闭单元，可能经历所谓的“温室效应”。暴露于光中可能导致所述培养室内的温度不可接受地升高，其可能抑制藻类的生长或甚至杀死藻类。

所述温度控制器可以起到降低或升高培养室的温度的作用。所述温度控制器可以包括蒸发冷却或空调系统。所述温度控制器可以包括热交换系统。

为了对抗与从培养基中的水的蒸发相关的不需要的盐度的提高，可以将额外的水加入到培养基中。这种额外的水可以为任何合适的形式，例如，作为新鲜水或水产业废水。

使用本发明的上述方面的用于控制培养基的温度的其它的机构为控制气体被引入到培养室中的速率和/或引入的气体的温度。例如，可以通过减少在低于环境温度下被引入到培养基中的气体的量来减少在低于最佳环境温度的热损失，因而减少所述培养基的混合和产生的热交换。因此，在黑暗中，可以减少气流并可以使气流完全停止，以在低的晚间环境温度时至少部分地保持培养基的温度。

而且，通过改变引入到培养室中的气体的温度和组分，可以改变所述液体培养基的温度。例如，如果使用来自废气的富含CO₂的气体作为输入，所述废气可以保持更高的温度以对抗低的环境温度的影响。因此在需要增加所述培养基的温度时，在较高的温度下可以引入废气。相反地，在液体培养基的温度需要下降时，在被引入到培养室中之前，所述废气可以被进一步冷却。

或者，增加被引入到培养室中的空气量可以帮助冷却所述培养基。这种空气可以通过从所述培养基的表面下鼓泡或通过在所述培养基的表面的上面经过而被引入。

或者，所述培养基的温度可以通过使其直接或间接地在合适的热交换器（例如冷却塔或蒸发器）上循环而控制。

所述培养室可以为任何合适的尺寸以培养所需量的光合成生物。

在优选的实施方式中，所述培养室的宽度可以为约1米至约10米，更优选约2米至约6米。在特别优选的实施方式中，所述培养室宽度为约3米。

在可选的实施方式中，所述培养室的长度可以为约5米至250米，更优选约10米至约100米。在特别优选的实施方式中，本发明的培养室的长度为约50米。

在一个实施方式中，可以通过调节经过一个或多个液体端口吸入的培养基控制培养室中的培养基的高度，所述液体端口起到用于液体流入和流出培养室中的通道的入口和/或出口的作用。已经发现通过限制培养基经过培养室中的流速可以实现改善的光合成培养物。作为允许气体经过培养基的结果，这是可能的，而由此提供向其中的充分混合。

因此，在另一方面，所述控制单元可以进一步包括

培养基输入系统；流动连接至所述控制单元的培养室，液体入口和出口允许所述培养基控制地循环。

优选通过一个或多个阀调节经过一个或两个方向上的流体端口的培养基的通道。所述阀可以通过控制单元控制或者可以为外部控制阀。所述阀可以对培养室中的培养基的高度起作用，因而允许所述培养室排空（例如，为收获所述光合成生物）和再填充。或者或此外，所述阀可以对在生长柱阵列（growth column array）中产生的藻类的高度起作用。在优选的实施方式中，所述阀可以为球阀。

在另一实施方式中，通过一个或多个感应器测量培养室中的培养基的高度。

所述控制单元可以进一步包括：

用于保持流体流动的平衡槽；和任选的

取样单元以允许测试所述培养基。

所述取样单元可以进一步提供输入供料器件。所述输入供料器件可以提供营养物加入和/或其它给料任务的单一的位置。在优选的实施方式中，在提供选择性的杀生物剂时，这种杀生物剂可以通过输入供料器件加入。

在确认藻类生长和收获的过程中使用单一的位置以进行输入供料或给料任务和用于多个池的平行分组阵列、生长柱阵列、光生物反应器（PBR's）、培养室、开放的通道和其它藻类生长培养基、水保留槽（water retention vessel）的过程控制功能可以显著地简化单元设计和功能。

在特别优选的实施方式中，控制单元可以包括与可编程的逻辑控制（PLC）结合的驱动控制器。在该实施方式中，所述驱动控制器可以起到控制培养物生长和泵控制的作用。

(a)所述控制单元可以包括基于矢量的组合驱动和输入/输出(I/O)界面以结合泵和过程控制功能。

(b)所述组合驱动和过程控制器具有能力存在于/被编程于在常规的PLC（可编程的逻辑控制-基于梯形配置或功能块的展示），或编程至集成电路芯片上的背景描述反编译固件，其不能编辑超过常规MMI/HMI现有操作者可变参数。

(c)特别指定的编程语言为：（功能块图）、LD（梯形图）、ST（结构文本）、IL（指令表，类似于汇编语言）和SFC（顺序功能图)和模块化程序设计。

(d)所述VSD控制器可以包括DSP(数字信号处理器)，其可以作为藻类生长过程控制所需的PLC CPU（中央控制单元）和作为可变速度的泵控制器同时运行。

(e)单一的主DSP还可以控制多个从属的泵控制器和生长控制单元。

可以设计控制单元以在AC和/或DC电源输入上作用。所述控制单元可以相应地进一步供给AC输入至DC母线，例如，通过转化为AC输出的整流器。

所述控制单元可以进一步包括驱动控制器以控制所述培养基的泵送速率。优选所述驱动控制器为可变速度的驱动控制器（VSP）。为控制由AC和DC驱动的泵的可变的速率驱动允许在过程控制中使用的藻类生长培养基的可变的泵送速率。水的泵送速率可以根据生长要求或收获/补充输入/输出（I/O）、可变频率驱动（VFD）、脉冲宽度调节（PWM）和/或矢量型泵驱动控制器而变化。DC控制器可以或变化的电压控制或具有脉冲宽度调制。

已经发现：优选在收获前使营养物的生物饥饿一段时间，例如，1至5小时，以提高所实现的整体的脂质含量。

因此，本发明的方法进一步包括如下步骤：在预定的时期内减少或除去所述培养基的营养物含量；和

收获所述光合成生物。

所述用于培养光合成生物的生物培养系统可以进一步包括(i)至少一种竖直定向的生长柱，其包括

透光管道；

与所述管道相通的一个或多个流体入口；和

一个或多个流体出口；以及

其中，所述生长柱的流体出口流动连接至所述培养室的流体入口上。

已经发现通过使用垂直生长柱，所述生物培养系统的生长效率可以得到显著提高。

根据本发明的另一方面，其提供了一种用于培养光合成生物的生物培养系统，其包括：

(i)垂直定向的生长柱，其包括

透光管道；

与所述管道相通的一个或多个流体入口；和

一个或多个流体出口；以及

(ii)允许培养基暴露于自然光和/或人造光的培养室，该培养室包括：

一个透光壁或多个壁，其界定了

气体空间；和

在所述气体空间下面的培养基容纳区域；

设置在所述培养基容纳区域内的一个或多个流体入口；和

与所述气体空间相通的一个或多个气体出口；

在本发明的优选的形式中，所述透光管道包括透光内管道和围绕并与内管道流体相通的透光外管道。为了建立流动循环系统，优选垂直生长柱的流体的一个或多个流体入口被设置在内管道或外管道中的任一管道上，以及流体出口被设置在内管道或外管道中的另一管道上。这样，生物质、培养基和气体上升经过内管道或外管道中的任一管道，然后生物质和培养基在所述内管道或外管道中的另一管道中下降。在逆流以影响到达生物质的光的强度的过程中生物质密度增加的情况下，优选生物质和培养基在外管道中向上移动以及在内管道中向下移动。

合适的气体和/或液体营养物可以被引入到本发明的垂直生长柱和培养室中以帮助所述光合成生物的生长。这种气体或液体可以选自二氧化碳（CO₂）；来自水产业和农业（例如，鳟鱼、鲑鱼、牛、猪和鸡农场）的肥料和废物。所述CO₂可以来自任何合适的源，并且可以来自空气或呈高浓度的形式。合适的CO₂的高浓度源的实例包括，但不限于，废气、烧窑和焚烧烟气和来自厌氧消化的气体。在优选的实施方式中，CO₂源为废气，更优选为脱硫的废气（DFG）。

在其中一个或多个生长柱被包括在生物培养系统中的优选的实施方式中，所述培养基可以包括包含培养基和光合成生物的混合物的高浓度的淤浆（例如，藻类淤浆）。所述培养基可以包含选择的营养物和/或痕量的元素以促进生长。例如，已经发现包含硫酸铁的培养基促进藻类生长。

本发明的方法可以进一步包括如下步骤：

(a)提供

(i)包括透光管道的垂直定向生长柱；和

(b)引入培养基和光合成生物的接种至所述垂直生长柱中；

(c)将第一气体引入到垂直生长柱中；并允许所述光合成生物在光的存在下生长；

(d)将步骤（c）的产物引入到培养室中，所述培养室允许暴露于自然光和/或人造光；

(e)经过在容纳区域的入口引入第一气体，其中，因此，气体的流动混合所述培养基；

(f)经过气体入口将第二气体引入到气体空间中，其中，所述第二气体起到控制所述气体空间温度的作用；和

(g)允许光合成生物在光的存在下进一步生长。

根据本发明的又一方面，提供了一种培养光合成生物的方法，所述方法包括如下步骤：

(a)提供

(i)包括透光管道的垂直定向生长柱；和

(ii)包括一个壁或多个壁的培养室，所述壁界定了气体空间和在所述气体空间下的培养基容纳区域；

(b)引入培养基和光合成生物的接种至垂直生长柱中；

(g)允许光合成生物在光的存在下进一步生长。

如上所述的生物培养系统包括垂直定向的生长柱，其可以被用选择的光合成生物或生物的混合物接种的培养基基本填充。所述垂直定向的生长柱可以包括内导管和外导管。

气体可以通过气体入口进入所述内导管的底座，并且可以鼓泡至培养基中。气体的引入允许培养基的混合并协助气体、营养物、光和热在整个培养基中的分配。在优选的实施方式中，在光合成生物被光合成时（在光的存在下），第一气体以基本连续的方式被引入。所述气流还允许培养基从内管道向外管道的移动。随着在生长过程中，生物浓度的增加，这促进生物的曝光。

所述第一和/或第二气体可以为含氧的气体，例如，空气。所述第二气体可以与第一气体相同或不同。所述第一气体可以包含二氧化碳（CO₂）。在包含CO₂的情况下，所述气体可以起到为光合成系统提供碳和/或降低循环流体（例如水）的pH的作用。

在本发明的优选的实施方式中，可以使用垂直生长柱的阵列。所述垂直生长柱可以相同或不同。一个或多个垂直生长柱可以包括透光内导管和透光外导管，和/或一个或多个生长柱可以包括单一的透光柱。

所述垂直生长柱可以以任何合适的方式排列。所述柱可以串联或并联排列。当串联时，来自一个柱的藻类淤浆成为相邻柱的原料。由此在整个阵列中所述淤浆的浓度可以增加。

一旦达到例如藻类的选择的浓度时，所述藻类淤浆可以经过流体出口流至培养室。与20-35克DW/平方米的培养室相比，通常所生长柱可以维持30-75克干重（DW）/平方米的藻类的生长。

然后，使气体通过流体入口进入培养室中。在所述流体入口位于包含光合成生物的培养基的表面的下面时，可以将气体鼓泡至所述培养基中。在所述培养基的表面的下面的气体的引入允许培养基的混合并协助气体、营养物、光和热在整个培养基中的分配。在优选的实施方式中，在光合成生物被光合成时（在光的存在下），第一气体以基本连续的方式被引入。

因此，在本发明的另一方面提供了一种从在根据本发明的方法制备的光合成生物中提取的产物。在一个实施方式中，所述产物选自油；甘油；omega3和6脂肪酸；变胞藻黄素；和β-胡萝卜素。在另一实施方式中，所述产物为生物质饼，例如藻类饼。

在所述培养室可膨胀时，气体出口可以被设置在所述培养基的平面的上面以释放经过已经鼓泡经过所述培养基的气体积累的压力，例如，来自所述培养室的底座。

因此，在本发明的又一方面提供了一种将二氧化碳转化为藻类生物质的方法，其包括如下步骤：

在光的存在下通过上述方法培养藻类光合成生物，其中，所述第二气体为二氧化碳。

在另一方面，本发明提供了一种使用本发明的方法通过使用排放的二氧化碳作为制备光合成生物中的输入物而回收排放的二氧化碳的方法。所述排放的二氧化碳可以为废气、窑气、焚烧气体和来自厌氧消化的气体。

在由废气提供CO₂时，所述废气在其被引入到培养室中之前优选被冷却，并且污染物（例如，SO_x、灰尘、重金属等）被部分地洗气。在部分地洗气后残留在所述废气中的重金属、SO_x和灰尘可以提供所述光合成生物所需要的微量营养。然后将这些微量营养加入到培养基中，或者直接或经过额外的处理加入（例如，选择性地除去重金属）。

在本发明的另一方面，其提供了一种将来自水性培养基中的生物质的淤浆中的高浓度的微生物生物质分离为组分的方法，其包括如下步骤：

(1)提供具有基本完整的细胞的高浓度的微生物生物质；

(2)使用机械均质器均化所述生物质以分解所述微生物的细胞；和

(3)将均化的生物质分离为组分。

在本发明的另一方面，提供了一种光合成生长系统，其包括以两个或多个部分排列的多个培养室，其中，所述部分串联连接，并且各部分中的培养室具有比串联的前面的部分的培养室更大的体积/容积，或者各部分中的培养室的总体积/容积比前面的部分的体积/容积大。

在该方面的优选的实施方式中，第一部分的培养室可以为如上所述的垂直生长柱，以及后续的部分可以包括之前所述的任意的培养室。在各部分中，所述培养室可以并联或串联连接。本发明的另一方面可以包括一种在包括如上所述的多个部分的系统中制备光合成生物的方法。

附图说明

图1（A）是根据第一实施方式的袋式培养室的前视图，而图1（B）是图1（A）的实施方式的侧视图。

图2（A）是袋式培养室的第二实施方式的前视图，而图2（B）是图2（A）的实施方式的侧视图。

图3（A）是袋式培养室的第三实施方式的前视图，而图3（B）是图3（A）的实施方式的侧视图。

图4是图3（A）的实施方式的顶视图。

图5是从第1天（接种）至第20天的细胞密度（细胞mL^-1）的图。平均值±标准偏差，n=3。

图6是显示在所述袋式培养室中营养物浓度的时间过程的图。A）亚硝酸盐，B）硝酸盐（红方块）和磷酸盐（黑三角）。平均值±标准偏差，n=3。

图7是显示A）pH、B）温度和C）电导率随微拟球藻（Nannochloropsisoculata）在培养袋中的培养时间而波动的图。WP-81：手持式TPS pH-和电导率测试仪，手动：手持式温度计。

图8是图示带有中心控制单元的一系列培养室的示意图。

图9是图示带有封闭培养室的多个串联培养室的示意图。

图10是图示碳捕获和循环过程概况的示意图。

图11是图示经由在24小时期间的O₂生产量展示的光抑制的图，其中左坐标轴是以百分率表示的O₂生产量，基坐标轴为一天的时间，而右坐标轴是质子流量密度（μmol/（m²*s））。

图12是图示许多垂直生长柱的示意图。

图13是图示如图9所示的带有封闭培养室的串联的多个培养室详细显示控制回路和系统中的输入物的示意图，以及

图14是使用许多不同尺寸的培养室的生物培养系统的示意图。

具体实施方式

实施例1

使用图1中所示的袋式培养系统创建光合成生物的培养室。所述培养室1包括：柔性袋（1），其包含用于繁殖藻（2）的培养基；气体出口（3）；风扇（4）；气体入口（5）；培养基出口（6）；和培养基入口（7）。

袋式培养室10的操作如下：

1、风扇（4）将空培养室（没有培养基（2））充气至操作体积，同时所有多余的压力通过气体出口（3）排出。所述风扇连续运行以确保所述袋（1）不会瘪掉。

2、在所述空培养室中种植在一个单独的光生物反应器中生产的10000l微藻培养物（0.2%藻），并用10000l经过滤和处理的循环废盐水加满。

3、在白天小时内通过气体入口（5）连续注入CO₂。微藻吸收所需量的CO₂，而多余的CO₂通过一直开着的气体出口（3）排出。

4、加入另外20000l的循环废盐水，使培养基的总容量达到40000l。

5、这个工序再继续进行24小时，直至总收获容量达到100000l。在这个阶段，在培养室中的培养基（2）的高度是60cm。

6、在所述藻达到最大收获容量（72小时）后，从培养基出口（6）收获500000l。

7、经由培养基入口（7）将50000l的循环废盐水回送至培养室，使总培养基体积回到100000l。

8、每隔24小时重复所述收获和回送循环一次，同时在白天小时内保持连续注入CO₂。

实施例2

将实施例1中描述的袋式培养室改进成如图2所示。在这个实施方式中，所述培养室20包括：柔性袋（11），其包含用于繁殖藻（12）的培养基；气体出口（13）；带有针刺孔（15）的气体鼓泡轨道（14）；气体入口（16）；培养基出口（17）；培养基入口（18）；排水出口（19）和调节端口（17）、（18）和（19）的浮阀（10a）。

袋式培养室2的操作如下：

1、按照实施例1步骤2、4和5相同的程序在培养室20中种植，在72小时内使收获容量达到100000l。

2、将CO₂与用高效颗粒空气（HEPA）过滤过的空气流预混合并经由气体入口（16）供给到气体鼓泡轨道（14）。这些轨道被以适当的间隔针刺出针刺孔（15）以使得沿所述袋式培养室的长度平均分配空气/CO₂。这个鼓泡连续操作，同时在晚上减少CO₂成分。

注入空气/CO₂起到缓慢充气所述袋（11）并保持在培养基（12）中藻的循环。通过单向阀控制的气体出口（13）释放多余的压力。这创建了一个封闭的环路系统以使染风险最小化。

3、在培养所述微藻72小时后，从球阀（10a）控制的培养基出口（17）(其设定在30cm高度)收获50000l。一旦培养基达到30cm，就会向自动系统发出信号：培养室处于50000容量。

4、经由球阀（10a）控制的培养基入口（18）将50000l处理过的循环盐水或淡水废水回送至培养室中，向自动系统发送一个背压信号：所述培养室现在处于100000l。

5、在污染的情况下或为了进行定期的日常清洁，所述球阀（10a）控制的排水出口（19）允许彻底排干培养室。剩余的培养基或者排放至收获系统以进行处理，或者在污染的情况下，排放至UV处理系统。

实施例3

将实施例1中描述的袋式培养室进一步改进成如图3所示。所述培养室30包括：柔性袋（21），其包含用于繁殖藻（22）的培养基；气体出口（23）；带有针刺孔（25）的气体鼓泡轨道（24）；气体入口（26）；培养基出口（27）；和带有压力传感器（18）和球阀（20a）的培养基入口（20b）。

袋式培养室30的操作如下：

1、按照实施例1步骤2、4和5相同的程序在培养室30中种植，在72小时内使收获容量达到100000l。

2、将CO₂与用高效颗粒空气（HEPA）过滤过的空气流预混合并经由空气入口（26）供给到气体鼓泡轨道（24）。这些轨道被以适当的间隔针刺出针刺孔（25）以使得沿所述培养室的长度平均分配空气/CO₂。这个鼓泡连续操作，同时在晚上减少CO₂成分。

注入空气/CO₂起到缓慢充气所述袋（21）并保持在培养基（22）中藻的循环。通过单向阀控制的气体出口（23）释放多余的压力。这创建了一个封闭的环路系统以使污染风险最小化。

3、在培养所述微藻72小时后，经由球阀控制的收获出口（27）从所述培养室收获50000l。通过测量与压力水头传感器（28）相关的体积测定所要求的体积。

4、经由带有压头传感器（28）的由球阀（29）控制的培养基入口（20b）将50000l处理过的循环盐水或淡水废水回送至培养室中，向自动系统发送一个背压信号：所述培养室现在处于100000l。

图4提供了可以包括在所述改进型培养室中的气体鼓泡装置的进一步细节（顶视图）。该图显示，在具有带有压缩配件（32）的气体入口（31）的袋式培养室底座中的气体鼓泡轨道（35），将气体输运到节流式流量孔（34）和各个轨道（35）的末端的管道（33）和允许排出气体的针刺孔（36）。

该图显示6个带有针刺孔（36）的气体鼓泡轨道（36），其进料通过气体入口（31）和压缩配件（32）经由气体管道（33）和在各个轨道末端的节流式流量孔（34）导入的气体。所述节流式流量孔用于在空气分配器叶片间均匀地分配气流。所述气体通过所述气体入口的流量为约100kg/hr，通过所述节流式流量孔的流量为17kg/hr。

实施例4

使用实施例1中描述的袋式培养室检测微藻微拟球藻的生长。这个培养袋长10m，宽3m，并在一端配置有六叶片风扇以保持该袋充气并促使蒸发。沿着该袋的顶部，四个孔（直径13cm）允许热空气和水蒸汽排出。这个蒸发有助于将藻培养物保持在更稳定的温度。

在这个试验中，淡水和经过滤的海水养殖废水（A3）都被加入到所述培养物中来补偿液体的盐度增加和蒸发损失。所述袋式培养室被填充至约0.30m深，得到略小于9m³的最终培养体积。所述藻被培养在经过20μm、5μm和1μm过滤器过滤的海水中。

通过设计用于气体扩散的管道经由传输至液体介质中提供通气和CO₂富集。这个管道具有25mm的外径，10mm的内径和7.5mm厚的多孔壁。

所述袋式培养室系统以2.1x10⁴细胞mL^-1的显然较低的细胞浓度用微拟球藻进行种植，并且没有填充至全容量。24h以后，细胞密度已经显著增加，表明需要完全混合接种物和培养基的时间到了（不完全混合影响细胞浓度的正确测定），并且在第2天将所述袋充满至其最大深度。图5显示，在第20天培养物生长至所述藻的收获时节。

营养物消耗

亚硝酸盐从接种日（0.5mg L^-1）至第8日（2.5mg L^-1）存在稳定的增加（图6A）。在处于稳定浓度几天后，亚硝酸盐在第13天达到峰值3.7mg L^-1，然后被快速利用。在几天内，亚硝酸盐就被耗尽并保持这种状态直至培养崩溃。硝酸盐在该时期的开始处为较高的90mg L^-1，并且被稳定地利用（图6B）。从第13天开始，硝酸盐浓度保持稳定在约10mg L^-1。在开始的几天磷酸盐浓度增加（通过加入经过滤的A3水至将该系统加满）（图6B）。从第3天开始，磷酸盐被显著地吸收掉，并在2mg L^-1至完全耗尽之间波动。没有像所述袋系统中加入营养物，但是定期加入新鲜过滤的A3水，同时加入淡水以补偿蒸发。所加入的A3水提供了营养物浓度的定期小增长。

物理和化学参数

在培养物中，pH在开始的三天里快速增加至9以上（图7）。在第3天后，连接CO₂供应，现在当记录到pH值大于8.4时可以通过加入CO₂来调节pH。

在该时期的开始阶段在所述袋中的光合成活性较高，由于光合作用过程中摄取CO₂导致pH变化快，因此pH波动大。

温度以昼夜节奏波动，最高温度在下午（4pm）测到（图7B）。类似于罐式系统，温度仅仅升至高于30℃，并且相当稳定。

由于蒸发，所述袋中的电导率在32至36mS之间波动，并且定期加入淡水和额外的经过滤的A3水（图7C）。

下面将参考图8、9和10描述根据本发明的碳捕获和循环方法。图8和9显示根据本发明的培养系统的实施方式。所述系统包括多个培养室100。所述培养室100显示为并联配置成四个培养部分101、102、103、104，它们也并联连接至泵站105。所述泵站105包括收获泵106和回送泵107。

每个培养部分都设置有阀分流管组件111，其包括计量仪108a和108b来监控往来培养室100的各个培养部分的CO₂、营养物和介质（水）的流量以及可编程逻辑控制器（PLC）109来控制所述流量以优化培养室100中的光合成生物的生长。此外，在供应侧设置平衡罐113以确保保持用于泵送的水头。来自各个培养部分的各个阀分流管组件111的操作由主控制器112控制。

所述控制单元105可以包括下列中的一种或多种：

（a）移动或固定平衡罐113和/或取样点，其具有用于生产藻的水生长介质的贮藏容量。

（b）处理单元，循环、收获和补偿水泵106、107。

这些泵或者直接经由管道或者经由阀分流管组件111从控制单元112连接至所述培养室。

（c）罐或贮藏体积113，其可以作为营养物、化学品和CO₂的定量供料点，用于工艺收集和测量的测量仪器的数据收集点。所述罐或贮藏体积113可以允许一定时期的黑暗以使得所述藻有休息时间。

（d）用于上述功能需要的离散电源。

（e）工艺控制设备109，即离散的IO虚拟PLC和常规的PLC以及SCADA设备型装置。

在另一个实施方式（图13）中，所述控制单元可以包括下列中的一种或多种：

（a）固定平衡罐和/或取样点，其具有用于生产藻的水生长介质的贮藏容量。该设备可以是固定的地面四面水密结构200，其带有隔离壁，所述隔离壁将允许牢固地安装阀、泵和用于生长藻的其他辅助装置。取决于工艺需要，该设备可以用不透光的遮盖物遮盖以阻止光照射到培养基中的藻，或者用透光的遮盖物遮盖以使光照射到所述藻。

（b）处理单元，循环、收获和补偿水泵212。该设备将直接经由管道或者经由阀分流管组件从刚性培养室200泵送至大培养室200。

（c）罐或贮藏体积213，其将作为营养物、化学品和CO₂的定量供料点，用于工艺收集和测量的测量仪器的数据收集点。

（d）用于上述功能需要的离散电源。

（e）工艺控制设备，即离散的IO虚拟PLC和常规的PLC以及SCADA设备型装置。

（f）蒸发冷却组件（未显示），其安装在内部来冷却并联培养室的所有小队（组），例如经由太阳辐射，将被通过所述刚性室传送并经由蒸发水下落和空气移动而冷却。

(g）空气移动装置，例如鼓风机，安装到所述刚性室的隔离壁上。

（h）所述刚性室200还可以加上水再循环和/或空气鼓泡网状结构设备，允许空气和水来

a）循环工艺流程的藻以确保所述藻在整个生长系统中的均匀分配

b）保持藻悬浮以促进整个生长介质水中均匀的藻分布并防止藻分层

c）作为文氏（venturi）传输系统用于加入额外的空气或CO₂。

所述控制单元可以进一步包括驱动控制器以控制所述培养基的泵送速度。优选所述驱动控制器为变速驱动控制器（VSP）。变速驱动以控制用AC和DC供电的泵允许改变藻生长介质的泵送速度用于工艺控制。水的泵送速度可以根据下列方面而变化：生长需求或者收获/补偿，输入/输出（I/O）变频驱动（VFD）、脉冲宽度调制（PWM）和/或向量型泵送驱动控制器。DC驱动控制器可以是变压控制或者带有脉冲宽度调制的。

上面提及的基于VSD的控制器对输入到DC总线的AC输入到AC输出的变化起作用。变化组合可以包括：

（a）经由用于稳定供电AC输出的电压的逆变器的整流器输入DC总线的AC输入-这将允许用于再生能源的AC发电源（例如三相风轮机）或常规电源提供动力以驱动或供能并控制AC供能的电动机、泵、鼓风机或频率发射器。这可以非限制性地用于操作泵、鼓风机或溶菌操作。

（b）输入到逆变器的DC总线的直接DC输入，例如太阳能电池板和/或DC风轮机，所述逆变器将把DC转换成AC来驱动AC供能的电动机。这可以非限制性地用于操作泵、电动鼓风机、工艺控制器或与藻生产/收获相关的任何其他设备。

（c）AC和DC输入的组合，共同起到上述作用以驱动依赖于再生DC能源或常规电源能源（AC？）的AC供能设备，例如泵、电源、工艺控制器或藻溶解设备。

（d）（a）、（b）和（c）的组合，允许基于逆变器的设备来驱动DC或AC PWM输出用于藻溶解（裂解）。

图10显示生产和收获藻和其他光合成生物的工艺流程图。所述生物藻生长系统（BAGS）50最初用淡/盐水51填充，同时从计量单元52进行营养物定量给料。然后将这些袋子用现存的在收获密度的藻源接种。

在所述藻的生长循环过程中，将用于辅助生物质生长的CO₂/废气53和用于进行循环和排出溶解O₂的过滤空气传输至所述BAGS。

一旦达到藻收获密度（最高1.0wt%，但是通常0.2至0.7wt%），收获所述BAGS并传输至脱水阶段54。

所述脱水阶段将浓缩物/过滤水传输至处理工厂，然后经由营养物定量给料和将水补充所述水循环回至所述BAGS中。

所述来自脱水阶段的藻浓缩物进行增密阶段56以进一步浓缩所述藻。

然后可以将这个浓缩物传输到脂质提取57和产物分离58以得到高质量的藻油59和粗粉60用于进一步产物处理和分配。

功能要求

对于计算机辅助网状系统（computerised reticulation system，CRS）的主要功能要求如下：

·提供足够流量以实现藻生物质的最佳生长速度

·容纳用于所有局部阀、泵、仪器、冷却系统和网状系统的控制系统和动力源。

·确保在所述藻的再循环操作阶段过程中有效的流量平衡。

·确保对于循环和收获阶段保持泵连续处于最佳状态。

·整合和受控的二氧化碳（CO₂）注射分流管以通过防止碳限制来确保藻的最佳生长。

·整合的气体排放机构，由此可以将废气（例如，溶解O₂）从系统中排放出去。

·确保根据发电站和DERM要求适当地排放气体。

·包括藻液体培养基温度控制机构来保持藻在预定的生长限度内。

·安装保护协议和系统以确保可能来自其他微生物的藻污染最小化。

·与所有的现场测量仪器整合来收集相关生长数据。

·设计足够稳定和强健以应对连续室外暴露。

·使能量使用最小化。

·易于维护，特别是易于清洁。

·易于连接和断开集装块（skid）及其各个铅垂电子元件

藻生长系统设计

图9图示了一个单独的培养部分，其由三个50m BAGS100和一个50mTAGS100的分流管构成。所述BAGS100由半透明的聚丙烯制成，而所述TAGS由用透明的LaserliteTM覆盖并衬里的地面池塘构成。所述BAGS用小型电动机驱动风扇充气。在所述BAGS100和TAGS100a上的通风口允许自由释放多余的气体和在藻的光合成生长阶段过程中产生的多余溶解氧（O₂）。

工序

用于所述BAGS/TAGS的最初水注入或水补充，以及接种藻流，都将现场从其他地方传输到平衡罐中。

泵P1用于从所述平衡罐113中泵送进入所述组合分流管中，然后沿着所述四个生长容器的长度泵送（经由在所述藻溶液中的多孔喷射棒）。

然后泵P2用于从所述生长容器中泵送回所述平衡罐113。经由下面的环路保持循环：容器>P2>平衡罐>P1>容器。

在所述循环阶段过程中加入过滤空气以去除在所述生长阶段过程中产生的溶解O₂。这可以是加入所述缓冲罐，直接加入所述生长系统或同时加入两者。

在所述循环阶段过程中加入CO₂，在其进入容器之前直接加入到所述液流中。这根据所述藻的光合成需求进行调节。

在所述循环阶段过程中根据所述藻的光合成需求还将营养物定量供料到所述平衡罐中。

当收获藻时，将所述生物质脱水得到每单位体积高浓度的生物体，泵P3将所述藻溶液从所述平衡罐中现场传输到所述脱水系统用于产物浓缩。

接口

下列连接与所述受控释放系统（controlled release system，CRS）接口。

输入

·水/接种管线，用于补偿淡水/盐水和从其他藻生长系统接种。

·收获管线从BAGS/TAGS到集装块（skid）

·0.4巴的过滤空气用于排出溶解O₂。

·9巴的CO₂用于藻生长。

·控制来自主PLC（可编程逻辑控制）的输入。

·用于集装块装置、相关阀和测量仪器和BAGS风扇的电力。

输出

·收获管线，用于当处于收获密度时收获藻生物质。

·回送管线，从集装块至BAGS/TAGS

·测量仪器和泵和阀门状态输出

展示设施

概念

所述多组件生长系统图示在图8中。

工序

各个循环工序如上面所概述发生，仅使用更大容积的BAGS。在所述展示级生长系统中，所述CRS意图控制最多8个BAGS，使用一个主控制系统监控来自各个单元的输出。所有收获的藻和回送水都经由该主系统传输来分配至所述局部CRS。

系统数据

所有系统数据都基于研究规模的藻生长系统。

网状结构

生长系统技术规范

用于所述藻生长系统的技术规范

周转率

许多因素影响所需生长系统周转（一个完整的系统循环）时间。这些因素包括藻的循环率、关键生长参数的响应时间和在整个生长时期内的光合成循环。下面讨论这些因素如何影响周转率以控制在集装块上的循环泵的尺寸。

目前为止的实验结果

所述基于10米BAGS的光生物反应器（Photo Bio Reactor，PBR）已经以每小时3-5个容量周转的流量保持稳定的藻生长。

藻循环率

优选以大约1Hz（每秒1个循环）的速度保持所述藻在所述BAGS内部循环。这允许所述藻接收更均匀的光、营养物和CO₂分配，同时确保所述藻不会沉淀到所述生长系统的底部并发展成生物污垢。

产生充分生物质循环方式的两种方法为经由空气鼓泡或高速流体注入。

关键生长参数

■营养物添加：要求精确控制营养物注入液体培养基中，因为这对脂质生产具有显著影响。已经建议保持营养物进料在饥饿的边缘以增加所给定种类的整体脂质含量。

完全的营养物消耗可能在12小时的短时间内发生，而在收获前可以将藻饥饿约1至5小时的时间以促进脂质生产。对于营养物控制，估计可接受的响应时间是30-60分钟。（即，每小时至少1-2个容量周转）

■CO₂添加：向液体培养基中加入CO₂有两个主要目的：作为控制pH水平的机制（为了降低高pH，加入更多CO₂），以及在所述光合成活性生长时期过程中确保所述藻不受碳限制。定期监控pH和碳以确保最大细胞繁殖并最小化收获时间，这是很重要的。估计可接受的响应时间是15分钟（即，每小时至少4个容量周转）。

■减少溶解O₂：流体移动的增加能够有助于通过增加空气至水表面的接触面积来减少溶解O₂，这对于确保所述藻不经受氧过饱和（中毒效应）是必要的。估计可接受的流速是每小时1个容量周转。

光合成响应

昼夜循环（白天/夜晚）在周转率循环中是一个重要控制因素。在夜间和低光合成响应（厚云层（heavy clouds）、阴天等）时期，应用下列变化：

·CO₂消耗降至接近零

·呼吸O₂输出减少

·营养物消耗减少

·生长速度变慢（晚上）

因此参数响应时间和循环速度变得不太关键，并且在这些期间没有相同的周转率要求。在晚上，主要变量变为由于缺乏藻液体培养基的循环导致的生物污染风险。这意味着在CRS上的循环泵将要求大范围的流速或两个单独的泵（一个用于高速日间循环，而另一个用于低速夜间循环）。

影响上述变化的所述生长循环其他因素是光限制和光抑制（图11），其发生在高能流（光暴露）期间。所有藻类都有一个消弱光系统的光保护机制（随种类而变化）来保护光合成作用器官。本质上其意味着在非常高的光强期间（即，在该天的中间）光合成作用也受限制。这进一步支持了下述观点：一定范围的循环流量或两个单独的循环流量会是有用的，以允许足够控制在高光合成作用活性期间的关键参数，同时在剩余的时间使能量消耗最小化。

循环流速总结

收获流速

用于收获泵的流速也必须考虑。已经提出每隔24或48小时收获所述BAGS容量的25-50%。所述在该时间上必须收获所需BAGS容量的时间约为8小时；在所要求的收获系统大小和时间长度之间存在一个协调，操作者必须在场。

·对于0.3m深度的BAGS，要在8小时内收获25%，所需流量为6.25kL/hr；在50%，所需流量为12.5kL/hr。

·对于0.6m深度的BAGS，要在8小时内收获25%，所需流量为12.5kL/hr；在50%，所需流量为25kL/hr。

水头要求

为了循环所述藻，要求使用低水头高流量泵。

对泵1进行一些近似计算以粗略测定对于各种流速所需的管径和水头。

注意：对于1600kL/小时的流量（每小时4个容量周转）的大约管径几乎为充满的BAGS中的水深的一半，并且几乎为在收获BAGS中的全部深度。

对泵2进行类似的计算。作为一个实例，在400kL/小时使用上面给出的相同管尺寸（280mm分流管，140mm喷射棒），需要大约1.4m的水头以将所述藻从0.3m深度的BAGS中传输到最高0.3m的罐中。显然，随着所述罐顶层高度的增加，对水头的要求将相应增加。需要注意确保对于所述泵存在足够的吸入水头。对于使用这些管尺寸的重力流，所述罐顶层高度应当为比所述BAGS的顶层水高高出至少1.4m。

还需要注意泵的选择以确保所述藻能够应付在泵送中涉及的剪切力。

平衡罐系统

在CRS上可以使用内置的平衡罐：

·为泵P1保持足够的水头并平衡泵P1和P2之间的循环流

·用于营养物监控和注入的点

·用于测量仪器包装来接合的点

·收获点

·电位用于排气溶解O₂

·用于手动分析的取样点

注意：可能需要混合或循环配置以确保藻没有沉降。还需要仔细考虑阀，因为将会需要双向压力调节同时防止污染物进入所述罐中。

生长参数

营养物添加

对于所研究的植物，所需的营养物将以预先制备和消毒后溶液的形式供应--一个用于硝酸盐，而另一个用于磷酸盐。

将使用两个单独的计量泵系统，以便可以容易地调节比例。定量给料可以是直接进入所述在BAGS集装块上的平衡罐或和液体流一起，同时所述定量给料流根据液体培养基流速和营养物监控自动控制比例。

所要求的营养物浓度为：

CO₂和空气注入

如之前已经提及的，向藻溶液中加入CO₂有两个主要目的：在光合成作用活性期间确保所述藻不受碳限制以及作为pH水平的控制机制。这可以从包含纯CO₂的压力容器直接供应，但是这也可以来自废气并且由此将被大大稀释。

经由文氏（venturi）配置直接注入到所述藻溶液循环流中会是增加溶解CO₂的最有效方法。另一种方法是与下述的空气鼓泡相结合将CO₂鼓泡通过所述溶液。

此外，如之前已经提及的，多余的溶解O₂可以从水中除去，因为这会毒害所述藻。帮助去除溶解O₂的一个方法是简单的流体循环，这增加了空气与水表面的接触面积并由此使得更多O₂从溶液中出来。

帮助减少溶解O₂的第二种方法是从所述BAGS的底座鼓泡空气通过所述藻溶液。假设在溶液中剩余足够的溶解O₂（如果鼓泡空气通过水，则CO₂能够容易地被氧气和氮气置换掉），则空气鼓泡通过所述BAGS可以有助于将溶解氧引出所述溶液。注意分子从气态形式至溶解形式的转化依赖于溶解度和相对浓度水平；在所述气态和溶解形式之间存在一个平衡条件。例如，氮气分子可以容易地置换掉CO₂气体分子。为了保持平衡，这导致更多的CO₂从溶液中出来。

最后，前面也已经提及，所述藻应当保持在所述溶液中循环以接受更均匀的光、营养物和CO₂分配并确保所述藻不从悬浮液中沉降出来。空气鼓泡的第二个优点（除了降低溶解CO₂以外）是它可以用于帮助藻在所述BAGS中的这种内循环。

温度控制

可以非必需地包括温度控制系统。

系统管理

操作

操作技术规范：

·24小时连续泵操作

控制要求

阀和泵要求和在场电磁阀中

与CRS PLC接合的相关测量仪器的列表：

垂直生长柱

图12图示了与根据本发明的基本上水平的培养室系统结合使用的一排垂直生长柱60的一个实施方式。每个柱都包含垂直配置的基本上圆柱形的外管道61和基本上圆柱形的内管道62。所述内管道和外管道是能够流动交流的以使得构成所述藻料浆的生长介质和藻能够在它们之间循环。所述生长柱60设置有流体入口63和流体出口64，用于加入生长介质和接种藻并排出藻料浆。所述柱60还设置有气体入口65用于加入CO₂和空气和气体出口用于排出气体。所述气体出口设置有CO₂传感器以监控在出气中的CO₂含量。

设置泵66以将所述流体循环至所述柱。一旦在所述柱中，进入所述生长柱中心的气体流入物造成所述藻料浆上升至内管道的顶部，然后转到外管道中，在这里其沿所述柱下降。另一种配置可以是将所述气体加入到外管道并使所述藻料浆在内管道中下降。配置的选择将取决于在循环过程中所述藻的生长速度、所述藻的密度以及在循环的不同阶段所述藻料浆的透光性。一旦所述藻料浆已经达到适当的密度，则将其通过出口67排出，或者用作产品或者在所述生长系统的培养室中用作接种物。

虽然所述生长柱显示为以并联连接，但是如果在柱中所得的生长速度足够高并且对于所要求的目的可以生长足够的产品，所述柱可以是串联连接的，并且任选用作独立的生长系统。本申请人已经发现，与早先讨论的在培养室中每平方米大约20-35克DW相比，在所述垂直生长柱中能够承受高至每平方米介质30-75克DW的藻密度。

虽然藻的生长是众所周知的，但是工业中的困难之一在于在商业时期内生长商业可用量的藻生物质。当藻料浆的密度增加时，透光性随距离介质表面的距离而显著降低。因此，对于大规模生产，光必须穿越的藻料浆的深度严重影响藻的生长速度，同时远在表面下面的藻的生长速度远远小于接近表面的藻的生长速度。因此，为了最大化生长，藻距离介质的表面必须不大于约30cm。图14显示在商业化时期用于大容量生长藻的组合培养系统。在这个实施方式中，在各个阶段都增加了各个培养室的容量。

在第一阶段，在混合罐70等设备中与水溶液营养物介质混合的含有CO₂的气体69被供应到垂直生长柱60中以首先将所述藻生长至足够浓度，用于进料至更大容量的培养室。这确保了将足够的藻培养物加入到所述小培养室100中以使在商业可接受的时期内生长足够的生物质。培养室100通常长10m，并且是早先描述的TAG结构。培养室100被按照一定尺寸建造和控制以使得在小型培养室100中的驻留时间产生足够量的生物质用作大型培养室200,200a的进料。所述按照一定尺寸建造和控制将取决于在所述植物的位置上预期和实际接收的阳光水平，在所述室内可接受驻留时间（通常24小时）以及培养物的生长速度。

然后将所述藻料浆传送到培养室200，然后循环通过培养室200a以保持足够容量的介质和藻暴露于阳光下，来使光合作用以可接受的速度继续。这些培养室的长度优选为50m。一旦所述藻料浆已经达到可接受的密度，则将其送往收获系统71。

本领域技术人员应当理解，培养室的大小将随可利用土地的可利用空间而变化。但是根据本实施方式，与在在先区域的培养室相比，培养室的大小是越来越大。

应当理解，在本说明书中公开和定义的本发明延伸至在正文或附图中提及或可以明显看出的两个或更多个单独特征的所有替代组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种替代方面。

Claims

1.一种用于培养光合成生物的生物培养系统，其包括：

一个透光壁或多个壁，其界定：

气体空间；和

在所述气体空间下面的培养基容纳区域；

一个或多个设置在所述培养基容纳区域内的流体入口；和

一个或多个与所述气体空间相通的气体出口；

操作地连接至气体流动控制器件的控制单元，所述气体流动控制器件控制气体通过所述流体入口流入和通过所述流体出口流出以控制在培养室内的条件。

2.根据权利要求1所述的生物培养系统，其进一步包括串联或并联相互连接的多个培养室。

3.根据权利要求1所述的生物培养系统，其进一步包括多个培养室，其中，所述培养室包括

一个或多个由柔性材料形成的室；和

一个或多个室，其包括一对相对的由透光部围成的基本刚性壁。

4.根据权利要求1所述的生物培养系统，其中，所述培养室包括一个或多个流体端口以允许引入或除去培养基，所述一个或多个流体端口包括调节器以控制引入培养基或从所述培养室中除去培养基。

5.根据权利要求1所述的生物培养系统，其中，用于所述培养基容纳区域的流体入口沿着所述培养基容纳区域的底座部设置。

6.根据权利要求5所述的生物培养系统，其中，所述培养室为管状构型的封闭的弹性塑料结构的形式。

7.根据权利要求5所述的生物培养系统，其中，所述培养室的一个或多个壁是透光的，并且所述壁以管状整体地形成。

8.根据权利要求5或6所述的生物培养系统，其中，所述培养室水平地定向产生平板底座。

9.根据权利要求8所述的生物培养系统，其中，所述底座具有朝向所述培养室的排放端的1-5°范围内的斜面。

10.根据权利要求6所述的生物培养系统，其中，由材料形成的一个或多个壁以允许预定波长的光透过，所述材料允许大约20%至65%的UV光透过。

11.根据权利要求1所述的生物培养系统，其中，所述培养室是可膨胀，所述培养室的膨胀通过如下方式保持：经过气体入口向所述培养室中引入气体和经过气体出口流出而实现的气体的流动，所述气体入口被设置在所述培养基的表面的上面和/或下面。

12.根据权利要求1或3所述的生物培养系统，其进一步包括第二光控制器件以控制经过所述培养室的壁透过的光的量。

13.根据权利要求12所述的生物培养系统，其中，所述第二光控制器件被固定和/或可变，并且包括遮阳帆或布。

14.根据权利要求5所述的生物培养系统，其中，多个流体入口沿着所述培养室的底座的长度设置。

15.根据权利要求14所述的生物培养系统，其中，所述流体入口沿着所述培养室的底座处的管道设置，其中，所述管道适合于运送并分配所述气流，所述气体入口沿着管道以规则的间隔设置以允许沿着培养室的长度气流基本均匀分配。

16.根据权利要求16所述的生物培养系统，其中，所述气体出口包括单向阀系统以允许气体从容纳室中释放。

17.根据权利要求1所述的生物培养系统，其进一步包括：

(i)至少一个垂直定向的生长柱，其包括

透光管道；

一个或多个与所述管道相通的流体入口；和

一个或多个流体出口；以及

其中，所述生长柱的流体出口流动连接至所述培养室的流体入口。

18.根据权利要求1所述的生物培养系统，其中，所述透光管道包括透光内管道和围绕并与内管道流体相通的透光外管道。

19.根据权利要求1所述的生物培养系统，所述控制单元进一步包括：

培养基输入系统；和流动连接至所述控制单元的至少一个培养箱和/或至少一个垂直定向的生长柱，培养箱的流体入口和出口和生长柱允许所述培养基控制地循环。

20.根据权利要求19所述的生物培养系统，其中，所述控制单元进一步包括驱动控制器以结合可编程的逻辑控制（PLC）控制所述培养基的泵送速率。

21.根据权利要求20所述的生物培养系统，其中，所述驱动控制器起到控制培养物生长和泵控制的作用。

22.根据权利要求20所述的生物培养系统，其中，所述控制单元包括基于矢量的组合驱动和输入/输出(I/O)界面以结合泵和过程控制功能。

23.一种培养光合成生物的方法，该方法包括

(a)提供培养室，其包括：

(i)至少一个透光壁或多个壁，其界定：

气体空间；和

在所述气体空间下面的培养基容纳区域；

(ii)一个或多个气体入口和一个或多个与所述气体空间相通的气体出口；

(iii)一个或多个流体出口和与培养容纳区域相通的出口；和

(iii)包括气体流动控制器件的控制单元；

(c)使用气体流动控制器件控制气体通过所述气体入口流入和通过所述气体出口流出，其中，所述气体的流动促使培养基蒸发和/或控制培养室的温度；和

(d)允许光合成生物在光的存在下生长。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，流体入口沿着培养基容纳区域的底座部设置。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，第一气体包含二氧化碳（CO₂）以向光合成生物提供碳和/或降低循环流体的pH。

26.根据权利要求24所述的方法，其中，气体经过在所述培养基的表面的上面和所述培养基的表面的下面的流体入口进入到所述培养室中，

所述培养基的表面的上面的气体的引入允许改变所述培养室中的气氛。

27.根据权利要求23所述的方法，其进一步包括如下步骤

提供有效量的选择性的杀生物剂；和

用所述选择性的杀生物剂处理所述培养基以减缓或除去不需要的生物的生长。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述不需要的生物为寄生虫、细菌、真菌或藻类菌株，以及所述杀生物剂选自杀虫剂、杀细菌剂、杀真菌剂或灭藻剂或其组合。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述杀生物剂为亚硫酸铜。

30.根据权利要求23所述的方法，其中，所述气体流动控制器件起到形成液态培养基和气体空间之间的正的大气置换差的作用。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述气体流动控制器件实施如下步骤：

(i)测量在输送给料侧上的培养室内的气体的通风能力，和

(ii)通过压力释放机构从液体培养基上的气体空间中释放过量的气体压力。

32.根据权利要求23所述的方法，其中，控制所述培养基的蒸发提供对所述培养室内的温度的一定程度的控制。

33.根据权利要求34所述的方法，其中，所述气体流动控制器件进一步包括温度控制。

34.根据权利要求32所述的方法，气体被引入到所述培养室中的速率和/或引入的气体的温度被用于控制培养室中的培养基或气体空间的温度。

35.根据权利要求19所述的方法，该方法进一步包括如下步骤：在预定的时期内减少或除去所述培养基的营养物含量；和

收获所述光合成生物。

36.一种根据权利要求23所述的培养光合成生物的方法，其进一步包括如下步骤：

(a)将培养基和光合成生物的接种引入至至少一个垂直生长柱，；所述至少一个垂直定向的生长柱包括

透光管道；和

培养室，其包括一个或多个界定如下的壁：气体空间和在所述气体空间下的培养基容纳区域；

(b)将第一气体引入到垂直生长柱中；并允许所述光合成生物在光的存在下生长以形成藻类淤浆；

(c)将步骤（b）的藻类淤浆引入到培养室中，所述培养室允许暴露于自然光和/或人造光；

(d)经过在容纳区域的入口引入第一气体，其中，因此，气体的流动混合所述培养基；

(e)经过气体入口将第二气体引入到气体空间中，其中，所述第二气体起到控制所述气体空间的温度的作用；和

(f)允许所述光合成生物在光的存在下进一步生长。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述垂直定向的生长柱包括透光的内管道和透光的外管道。

38.根据权利要求36所述的方法，其中，气体通过气体入口进入所述内管道的底座，并且鼓泡至培养基中。

39.根据权利要求36或37所述的方法，其中，使用垂直生长柱的阵列，在阵列中的垂直生长柱相同或不同，以及所述柱串联或并联排列。

40.根据权利要求36所述的方法，其中，所述生长柱串联排列，培养基和来自一个柱的藻类淤浆形成的光合成生物成为相邻柱的原料。

41.根据权利要求22所述的方法，其中，所述藻类淤浆经过所述流体出口进入所述培养室。

42.根据权利要求36所述的方法，其中，气体随后通过位于所述培养容纳区域中的流体入口进入所述培养室。

43.一种将二氧化碳转化为藻类生物质的方法，其包括如下步骤：

在光的存在下通过权利要求23所述的方法培养藻类光合成生物，其中，所述第一气体为二氧化碳。

44.一种通过使用排放的二氧化碳而回收排放的二氧化碳的方法，该方法包括如下步骤：使用权利要求23所述的方法使用包含排放的二氧化碳的气体作为在制备光合成生物的过程中输入物。

45.根据权利要求44所述的方法，其中，所述包含排放的二氧化碳的气体被冷却，并且在其被引入到所述培养室之前污染物被部分地洗气。

46.根据权利要求23所述的方法，其进一步包括如下步骤

(g)从步骤（f）回收光合成生物，其包括如下步骤：

(i)提供光合成生物作为具有基本完整细胞的高浓度的光合成生物生物质；

(ii)使用机械均质器均化所述生物质以分解所述微生物的细胞；和

(iii)将均化的生物质分离为组分。

47.一种光合成生长系统，其包括以两个或多个部分排列的多个权利要求1所述的培养室，其中

所述部分串联连接，以及第一部分的所述培养室包括

至少一个垂直定向的生长柱，其包括

透光管道；

以及，各部分的培养室

比串联的前面部分的培养室的体积/容量大；或

各部分的培养室的总体积/容量大于前面部分的培养室的总体积/容量。