CN103025861A - 光生物反应器系统 - Google Patents

Abstract

一个光生物反应器系统，以及使用此系统培养光合生物，包括藻类、蓝细菌、植物和植物细胞的方法。单个光生物反应器单元包括透明材料(如玻璃、玻璃纤维或塑料)和非透明材料(如不锈钢或其他金属)。两个或以上的光生物反应器单元可互联形成光生物反应器系统，用于光合生物的培养。

Description

光生物反应器系统

技术领域

[1]本发明涉及培养光合生物的光生物反应器系统及其使用方法。

背景技术

[2]本申请要求了美国临时申请序列号为No.61,354,483(2010年6月14日)的申请的优先权。此临时申请的主题已纳入本申请。

[3]光生物反应器系统的设计和优化是决定微藻大规模培养能否成功的关键研发问题。微藻培养系统可大致分为两类：开放水道(或开放式池塘)和封闭式光生物反应器(Richmond，J.Appl.Phycol.，4：281-286，1992；Chaumont，J Appl Phycol.，5：593-604，1993；Tredici，Handbook of microalgalculture：biotechnology and applied Phycology，pp.178-214，2004)。开放水道是1000至5000平方米的流通渠道，装备了浅圆桨轮来使环绕着水沟的培养液循环流通。开放水道的主要优点是相对便宜和易于维护。然而，这种培养模式藻类产量低(干重5-10g m^-2d^-1)、生物量质量也不稳定，主要是由于缺乏温度控制，光路长(约15-30厘米深度)和混合差。培养液直接暴露于大气中也使得培养系统极易受到空气污染。

[4]开放水道的缺点促进了用透明材料制成的封闭式光生物反应器的发展，并大幅度降低了养殖深度或培养光照表面对养殖容量的比率。根据系统配置，封闭式光生物反应器可主要划分为四大类(Borowitzka，J.Biotechnol.，70：313-321，1999；Tredichi，Handbook of microalgal culture：biotechnology and applied Phycology，pp.178-214，2004)：1)水平管式光生物反应器；2)垂直柱式光生物反应器；3)“生物线圈”管式光生物反应器和4)垂直或倾斜的平板式光生物反应器。

[5]自Pirt等人(J.Chem.Tech.Biotechnol.，33：35-58，1983)的开创性工作后，大量的管式光生物反应器被提出并得以发展。这类生物反应器形式上一般是蛇纹石或螺旋形，由玻璃或塑料制成，包括用于补充CO2和营养物质及清除O2的气体交换容器(或除气器)。容器和管道间的养殖物再循环体系一般是由各类液体泵组成(例如容积泵、离心水泵、和阿基米德螺旋泵)(Tredichi，Handbook of microalgal culture：biotechnology and appliedPhycology，pp.178-214，2004)。在过去十年中，关于世界各地各种管式光生物反应器性能的众多实验结果表明，这类封闭式光生物反应器在容积生产率和提高藻类生物量质量方面的效果显著地高于开放水道(Hu，Handbook of microalgal culture：biotechnology and applied Phycology，pp.264-272，2004)。此外，由于温度控制技术得到发展，封闭式光生物反应器可以扩展年度种植期，提高年生物量产量。

[6]然而，管式光生物反应器有着固有的缺点：由于存在着由脂泵制造的水力应力、剪切力，可能会导致细胞损伤或死亡。Shilva等(J.Chem.Tech.Biotechnol.，40：253-264，1987)进行了泵相关流体动力学压力影响下的杜氏死亡率的彻底研究。Gudin和Chaumont(Bioresour.Technol.，38，145-151，1991)也观察到在一个大型的管式光生物反应器中进行的鞭毛藻养殖发生了显著的细胞脆性改变。我们的初步研究表明近20％存在细胞壁缺陷突变的细胞在一个40升的台式管式光生物反应器所使用的容积泵中被破坏。

发明内容

[7]当前发明公开了一个新的光生物反应器系统、及其制造和使用方法，包括单个光生物反应器单元的级联。每个光生物反应器单元包括前侧和后侧，由透明材料(如玻璃、塑料或其他透光材料)制成。前侧和后侧均安装在一个由支撑材料(如玻璃钢、不锈钢或其他金属材料)制成的“U”形架上。单个光生物反应器单元可在形成光生物反应器系统的级联中相互连接，可用于大规模培养微藻及其他光合生物的藻类。每个单个光生物反应器单元均可具备安装在底部的循环管道，使压缩气体(如空气、二氧化碳、氮气)可以从循环管道的气孔中进行扩散，提供充分的湍流来保持光合生物处于液相并防止沉淀。

附图说明

[8]图1是本发明中光生物反应器单元的一个实施例的示意图。

[9]图2是包含光生物反应器系统中互连的光生物反应器单元的级联的概览图。

[10]图3是本发明中光生物反应器单元的另一实施例的示意图。

具体实施方式

[11]与在先技术相比，当前发明提供了一种采用U形框架制造光生物反应器的新设计，该技术方案配置更强、尺寸灵活、方便建设和运营，并使多个单个光生物反应器形成级联成为可能。

[12]U形框架通常是由不锈钢(或其他支撑材料)制成，使得光生物反应器更坚固；光生物反应器的尺寸可以有一个更宽的范围(使用U型配置使得非常薄或非常长的反应器单元成为可能)；

[13]此类设备更容易建造，只需在两侧添加玻璃或其他透明材料；也使收获养殖藻类、洗涤和清洁光生物反应器变得更加容易。

[14]每个光生物反应器单元所具备的互连性使得构建许多单个光生物反应器单元的级联成为可能，运作效率可被大大提高。

[15]新型光生物反应器系统的设计、制造和使用方法如下文所述并参考附图。

[16]图1所示的是本发明的一个实施例中的光生物反应器单元的示意图。单元前侧11和后侧12由透明材料，如玻璃、聚碳酸酯或压克力板做成。光生物反应器单元的前侧11和后侧12安装在一个“U”形框架13上，13由支撑材料，如玻璃钢、不锈钢、或其他防锈金属材料制成。“U”形框架13构成光生物反应器单元的侧面和底部。在本发明的一个实施例中，“U”型框架13的尺寸为：长0.3-100米，高0.3-10米，深0.01-1米。玻璃平板和框架13之间通过传统的生物相容性密封材料，如Polytetrafluoroethyline(聚四氟乙烯)或丙烯酸树脂进行密封。

[17]在另一些实施例中，“U”形框架13的顶部由两个水平方向的支撑网格14进行连接。数个垂直方向的支撑网格14分别位于光生物反应器前侧11和后侧12。在一个实施例中，垂直方向的支撑网格之间的间隔范围为0.5-1.0米。制备垂直和水平方向的支撑网格的材料可与“U”形框架13相同。

[18]在另一些实施例中，光生物反应器单元的每个侧面有两个连接孔15，底部有一个收获孔16。连接孔15可被用于将本发明中的光生物反应器连接在一起形成级联。根据光生物反应器单元方向的不同，连接孔15也可能被用于从微藻培养液中收获终产物。在一个实施例中，U形框架底部和两侧的的孔的直径约0.01米至0.5米之间。底部的收获孔16的网点数量可视光生物反应器单元的长度加以调整，较长的光生物反应器单元的反应器单元底部可有2个或更多的孔16。

[19]在图2所示的其他实施例中，光生物反应器系统由一系列彼此相连形成级联的光生物反应器21组成。两个光生物反应器单元21之间的连接是由连接管22(由非透明材料制成)通过在“U”形框架13底部或侧面的连接孔15进行连接。因此，该光生物反应器系统可通过增加或减少系统23中的光生物反应器单元数量来改变其总体积。反应器中培养液水平保持低于网格14的水平。

[20]图3显示了本发明的实施例的一种变形。在此实施例中的反应器单元不包括支撑网格14，其具备一个盖24。盖上的开口25可用于向反应器中添加培养基。

[21]在其他实施例中，每一个光生物反应器单元包括一个安装在底部的循环管17。该循环管最好是多孔管，使压缩气体(如空气、二氧化碳、氮气)可以从循环管的气孔进行扩散，以提供充分的湍流来保持光合生物处于液相并防止出现沉淀。

[22]在另一些实施例中，光生物反应器系统可被前后两侧的人工光源(如荧光灯)照亮。需要适当的支撑框架为灯泡提供支持，使光生物反应器系统能够由顶部到底部被均匀的照亮。

[23]在另一些实施例中，光生物反应器系统由自然的阳光提供照明。这里同样需要一个适当的框架以支持光生物反应器系统，使每个光生物反应器具有与地面呈45°-60°的夹角。这个角度可确保最大程度的吸收阳光。

[24]在另一些实施例中，在夏季使用喷水系统进行冷却，在冬季使用电加热棒进行加热，以控制光生物反应器系统的温度。

[25]在另一些实施例中，光生物反应器系统中使用不同的培养介质。培养液的高度介于光生物反应器高度的70-90％之间。通过空气管沿生物反应器底部释放空气使得培养液进行混合，速率为0.1-0.5升空气每公升培养液每分钟。压缩后的细气泡富含0.5-1％CO²，不仅能促进光合作用，而且也能维持良好的培养液pH值(pH值7.5-8.0)。该光生物反应器系统可配备监控系统(无插图)测量溶解氧、pH值、电导率和温度。每个监视器通过TCP/IP通信端口进行互联网连接，并被设置为发送基于浏览器的HTML文本。

[26]上文已描述了若干本发明的实施例。然而，应当理解，由本发明的内涵和范围出发，可能做出多种多样的变型。因此，其他的实施方式应体现在权利要求的范围之内。

Claims (15)

1.一个在液体培养基中培养光合生物的光生物反应器单元，包括：

(a)由透明材料制成的两块平行板，具备前侧和后侧的U形框架；(b)平行板被安装并密封在U形框架的前侧和后侧，形成用于保持光合生物悬浮在液相中的容器；(c)光生物反应器的长度约0.3米至100米；高约0.3米至10米；深约0.01米至1米。

2.根据权利要求1所述的光生物反应器单元，进一步包括位于所述框架前后两侧的水平或垂直的支撑网格。

3.根据权利要求1所述的光生物反应器单元，进一步包括一个直径为0.01米至0.5米，位于U形框架底部和两侧的孔。

4.根据权利要求3所述的光生物反应器单元，具备通过U形框架底部和/或两侧的孔的管道，与相邻的光生物反应器单元进行连接。

5.根据权利要求1所述的光生物反应器单元，进一步包括安装在单元底部的多孔循环管道，可通过循环管道的气孔释放压缩气体，提供充分的湍流，使光合生物保持在液相并防止沉淀。

6.根据权利要求1所述的光生物反应器单元，在所述U形框架的每一侧至少有一个连接孔。

7.根据权利要求1所述的光生物反应器单元，在所述U形框架的底部包括至少一个孔。

8.根据权利要求1所述的光生物反应器，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.根据权利要求8所述的光生物反应器，其中所述密封材料是丙烯酸树脂。

10.一个光生物反应器级联，包括复数个权利要求1中的光生物反应器单元，通过所述光生物反应器单元旁的连接管道进行相互连接。

11.一个光生物反应器，包括：

前侧和后侧相互平行的U形框架，

安装在U形框架的前侧和后侧的透明板，

位于平行板和框架之间的生物相容性密封材料。

12.如权利要求11所述的光生物反应器，在所述U形框架的一侧具备至少一个连接孔，在所述U形框架底部具备一个排水孔。

13.如权利要求11所述的光生物反应器，包括一个盖，将反应器的内容物进行密封与大气隔离。

14.如权利要求11所述的光生物反应器，还包括一个人工光源。

15.如权利要求13所述的光生物反应器，其中所述盖子包括至少一个开口，以便向反应器单元中添加或撤销培养基。

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