CN105189725A - 大规模兼养型生产系统 - Google Patents

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T·阿达梅
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Abstract

公开了用于在热稳定的开放系统中大规模地培养兼养型微生物的系统。所述系统的实施方式包括诸如亮部、暗部、有机碳输送系统、气体输送系统、用于混合的可浸入式推进器以及用于引导流体流的导向叶片的特征。导向叶片的多功能实施方式提供了对流体流的引导以及其它功能，诸如热交换、养分输送、气体输送、有机碳输送、光输送以及传感器的参数测量。

Description

大规模兼养型生产系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月15日提交的题为“MixotrophySystemsandMethods(兼养型系统和方法)”的第61/798,969号美国临时申请以及2013年12月20日提交的题为“LargeScaleMixotrophicProductionSystems(大规模兼养型生产系统)”的第61/919,008号美国临时申请的优先权，所述临时申请的全部内容借此通过引用并入本文。
背景技术
已经建立起微生物的大规模培养，主要分两类：光养和异养。光养包括其中微生物利用光作为能量源以及无机碳(例如，二氧化碳、碳酸氢盐)用于光合活性的培养条件，这有利于微生物的生长以及氧的生产。异养包括其中微生物利用有机碳作为能量以及碳源的培养条件，这有利于微生物的生长以及二氧化碳的生产。在开放池中大规模执行的光养以往是在非无菌条件下执行的，但大规模异养以往是在封闭的工业发酵器的无菌条件下执行的。
当微生物有能力使用光和有机碳作为能量源以及有机碳和无机碳作为碳源时，还可使用称为兼养(mixotrophy)的第三类微生物培养。兼养可在封闭的无菌条件下执行，但还可在低成本的开放性非无菌条件下执行。兼养提供了与光合培养相比增加生长速率以及与异养培养相比降低资金成本的潜力。此外，相比于在不接收任何光的异养培养中可能生产的，在兼养中使用光允许生产更多样化的产品分布(例如，色素、类胡萝卜素)。
在现有技术中，兼养在很大程度上已经以实验室或工作台顶级规模(benchtopscale)执行，但还没有在大规模商业生产设定中执行。实验室规模使用具有小的试验培养容积的简单的生物反应器系统，诸如瓶和鼓泡塔。来自这样的实验室规模的生物反应器的信息受限于其对工业的有用性，因为瓶不能容易地扩大以生产商业量的微生物。此外，在实验室和工作台顶级规模的小的培养容积下，容易控制培养条件，诸如pH、温度、溶解气体含量和污染。随着容积增加到商业规模，生物反应器系统和微生物培养面临着在实验室规模下不存在的新的挑战。
用于光合和异养培养的现有的大规模生产系统可用于兼养，但没有充分利用兼养培养条件来产生最佳收益或者以最有效的方式培养出大量的兼养型微生物。供光合培养使用的大型池受限于允许光穿透水培养基且提供给微生物的浅的培养深度。因容积与表面积的比率较低，这样的浅的培养深度导致低效使用土地，并且由此微生物产量以及每土地表面积中微生物生产的产品产量不是优化的。由于做出大的密封容器所需要的材料以及用于合理分配气体和有机碳的机械混合，供异养培养使用的大规模发酵器需要高的资金成本。密封发酵器的高的资金成本降低了盈利的利润率，并且使用机械混合可能对于一些种类的微生物会产生有害的剪切应力。在处理的不同阶段中使用微藻的废水处理系统利用典型深度在1米和10米之间的大的开放池，但该系统的设计是为了优化水处理而非微生物生产，并且由此不利于高的培养密度，这会导致微生物的低生产产量。
为了充分利用兼养型微生物的生产能力和多样化产品分布，需要的是具体到兼养培养方法和条件的高容积的大规模生产系统，其改进了大规模光合、异养和废水系统的现有不足，并且解决了在工作台顶级规模兼养培养中未面临的挑战。因此，本领域中需要的是用于高效生产大量兼养型微生物的大规模兼养型生产系统。
发明内容
本文中描述了用于大规模地培养兼养型微生物的系统。还描述了用于提供对流体流的引导以及诸如热交换、养分输送、气体输送、有机碳输送、光输送和传感器的参数测量的其它功能的导向叶片的多功能实施方式。
在本发明的一个实施方式中，一种兼养型生物反应器系统包括：所述生物反应器系统的至少一个亮部，所述至少一个亮部被构造成将水培养基中的兼养型微生物的培养物容纳在内容积中，并且将所述内容积中的兼养型微生物的所述培养物暴露至来自光源的至少一些光；所述生物反应器系统的至少一个暗部，所述至少一个暗部与所述至少一个亮部流体连通，所述至少一个暗部被构造成将水培养基中的兼养型微生物的所述培养物容纳在没有光的内容积中；至少一个有机碳供给装置，所述至少一个有机碳供给装置被构造成将有机碳供给到兼养型微生物的培养物；以及循环系统，所述循环系统被构造成使兼养型微生物的所述培养物在所述至少一个亮部和所述至少一个暗部之间循环。
在一些实施方式中，所述至少一个亮部可包括选自由罐、槽、池和跑道池(racewaypond)组成的组中的至少一者。在一些实施方式中，所述至少一个暗部可包括选自由泡沫分离装置(foamfractionationdevice)、离心机、电脱水装置(electrodewateringdevice)、气体交换装置和污染装置组成的组中的至少一者。在一些实施方式中，所述生物反应器系统的所述至少一个亮部包括生物反应器的所述内容积的透光层，并且所述生物反应器系统的所述至少一个暗部包括同一生物反应器的所述内容积的不透光层。
在一些实施方式中，所述生物反应器系统可以是开放系统。在一些实施方式中，所述生物反应器系统是封闭系统。在一些实施方式中，所述循环系统包括选自由泵、可浸入式推进器和桨轮组成的组中的至少一者。在一些实施方式中，所述生物反应器系统进一步包括至少一个无机碳供给装置、至少一个气体供给装置、所述生物反应器系统的至少一部分上的盖和它们的组合。所述光源可包括选自由自然光和人工照明装置组成的组中的至少一者。
在本发明的另一实施方式中，一种兼养型生物反应器系统包括：开放式跑道池，该开放式跑道池包括具有一致深度的内容积，所述跑道池包括：两个直线部，所述两个直线部由中央壁分开并且由底板和直的外壁限定边界，两个U形弯曲部，所述两个U形弯曲部连接所述两个直线部以形成连续环并且由底板和弯曲的外壁限定边界；至少一个拱形的导向叶片，所述至少一个拱形的导向叶片被布置在每个U形弯曲部内；至少一个可浸入式推进器，所述至少一个可浸入式推进器被布置在所述内容积中，位于所述直线部中的至少一个直线部的所述外壁与所述中央壁之间，并且由所述内容积中的支撑结构从上方悬置，与所述底板相距一距离；以及至少一个有机碳输送装置。
在一些实施方式中，所述开放式跑道池的深度包括0.5米到10米。在一些实施方式中，所述开放式跑道池包括框架结构，所述框架结构具有形成所述开放式跑道池的所述底板、中央壁和外壁的表面的衬里。在一些实施方式中，所述开放式跑道池包括模制结构，所述模制结构具有形成所述开放式跑道池的所述底板、中央壁和外壁的表面的聚合物。在一些实施方式中，所述至少一个可浸入式推进器在所述直线部的端部处布置在所述直线部的长度的20％内。在一些实施方式中，所述至少一个可浸入式推进器被悬置成与所述底板相距的距离是所述开放式跑道池的所述内容积中布置的水性培养物容积的高度的10％至50％。
在一些实施方式中，所述开放式跑道池进一步包括至少一个热交换器。在一些实施方式中，所述至少一个热交换器被布置在所述至少一个拱形的导向叶片中。在一些实施方式中，所述至少一个热交换器被布置在所述开放式跑道池的所述外壁中、所述中央壁中、所述底板中或所述底板下面。在一些实施方式中，所述至少一个有机碳输送装置包括恒pH培养系统(pHauxostatsystem)。
在一些实施方式中，所述开放式跑道池进一步包括至少一个溶解氧输送装置，所述至少一个溶解氧输送装置选自由喷洒器管、形成所述跑道池的所述底板的至少一部分的衬里的膜、微泡发生器、氧浓缩器(oxygenconcentrator)、液体氧喷射器、氧饱和锥(oxygensaturationcone)和具有泡沫分离装置的文丘里喷射装置组成的组。在一些实施方式中，所述开放式跑道池进一步包括：所述开放式跑道池的至少一部分上的盖；选自由自然光和人工照明装置以及它们的组合组成的组的至少一个光源。
在本发明的另一实施方式中，一种导向叶片包括：刚性结构，所述刚性结构包括高度、宽度以及形成拱形平面的曲率；以及至少一个功能部件，所述至少一个功能部件与拱形的所述刚性结构组合。在一些实施方式中，所述至少一个功能部件包括内腔，所述内腔被构造成接收热交换器流体并使该热交换器流体循环。在一些实施方式中，所述至少一个功能部件包括用于输送选自由有机碳、养分和气体组成的组中的至少一者的装置。在一些实施方式中，所述至少一个功能部件包括人工照明装置。在一些实施方式中，所述至少一个功能部件包括至少一个传感器。在一些实施方式中，所述至少一个功能部件包括选自由热交换器、有机碳输送装置、养分输送装置、气体输送装置、人工照明装置和传感器组成的组中的两者或更多者的组合。
附图说明
图1示出了具有拱形导向叶片和浸入式推进器的开放式跑道池生物反应器实施方式的立体图。
图2示出了具有拱形导向叶片和浸入式推进器的开放式跑道池生物反应器实施方式的顶视图。
图3示出了开放式跑道池生物反应器实施方式的侧视图并且标识了横截面A的位置。
图4示出了开放式跑道池生物反应器实施方式在横截面A处的前视图。
图5示出了一对拱形导向叶片。
图6示出了用于拱形导向叶片的支撑结构。
图7示出了具有多个拱形导向叶片和浸入式推进器的开放式跑道池生物反应器实施方式的立体图。
图8示出了多功能导向叶片的实施方式。
具体实施方式
定义
术语“微生物”是指诸如微藻和蓝藻的微观生物。微藻包括微观多细胞植物(例如浮萍)、光合微生物、异养微生物、硅藻、甲藻和单细胞藻类。
术语“微生物学的培养”、“微生物的培养”或“微生物培养”是指用于在预定培养基中通过复制而繁殖微生物的方法或系统，包括在受控的实验室条件下。使用微生物学的培养、微生物的培养和微生物培养来繁殖生物，以确定生物的类型，或生物在被测试的样品中的丰度。在液体培养基中，术语微生物学的、微生物的或微生物培养一般是指整个液体基以及液体基中的微生物，与培养所在的容器无关。液体基常常被称为“介质”、“培养基”或“培养介质”。当强调多元微生物时，培养的行为一般被称为“培养微生物”。当重点放在微生物的种或属时，培养的行为一般被称为“培养微生物”。微生物培养与微生物的培养同义使用。
可在兼养培养条件下生长的微生物包括微藻、硅藻和蓝藻。兼养型微生物的非限制性示例可包括下列属的生物：阿格藻、双眉藻、鱼腥藻、囊藻、顶丝藻、中肋藻、节旋藻(螺旋藻)、葡萄藻、咸胞藻、衣藻、小球藻、绿球藻、十字扁盘石藻、筒柱藻、绿群藻、蓝载藻、小环藻、杜氏藻、艾密里藻、裸藻、无管眼藻、脆杆藻、红藻、角毛藻、红球藻、绿藻、球等鞭金藻、丹麦细柱藻、微星藻、直链藻、蒜头藻、念珠藻、微球藻、微绿球藻、舟形藻、土壤绿藻、新月藻、齿状藻、棕鞭藻、赭球藻、巴夫藻、俄克拉何马绿藻、三角褐指藻、中肋藻、紫球藻、金藻、小三毛金藻、红胞藻、栅藻、骨条藻、泡沫藻、辐节藻、杆状裂丝藻、Auxenochlorella、角毛藻、富油新绿藻、赭球藻、紫球藻、聚球藻、集胞藻、四爿藻、破囊壶菌、海链藻及它们的种。
适合以兼养方式或以异养方式生长微生物的有机碳源可包括：酯、乙酸、亚油酸铵、阿拉伯糖、精氨酸、天冬氨酸、丁酸、纤维素、柠檬酸、乙醇、果糖、脂肪酸、半乳糖、葡萄糖、甘油、甘氨酸、乳酸、乳糖、马来酸、麦芽糖、甘露糖、甲醇、糖蜜、胨、基于植物的水解产物、脯氨酸、丙酸、核糖、蔗糖、淀粉的部分或完全水解物、蔗糖、酒石酸、TCA循环有机酸、稀釜馏物、尿素、工业废溶液、酵母提取物及它们的组合。有机碳源可包括任何单一源、源的组合以及单一源或源的组合的稀释物。
术语“兼养的”和“兼养”是指可将光、有机碳和无机碳(例如，二氧化碳、碳酸盐、碳酸氢盐)应用到微生物的培养上的培养条件。能够在兼养条件下生长的微生物具有光合微生物和异养微生物两者的代谢方式，并且可使用光和有机碳两者作为能量源，以及无机碳和有机碳两者作为碳源。兼养型微生物可同时通过光合代谢和异养代谢来使用光、无机碳和有机碳，或者可在每种代谢的利用之间切换。取决于微生物所利用的能量源和碳源，兼养培养条件下的微生物可以是净氧或二氧化碳生产者。能够兼养生长的微生物包括具有自然代谢和在兼养条件下生长的能力的微生物，以及通过诸如诱变或基因工程等方法通过细胞改造而获得代谢和能力的微生物。
术语“光合”、“光养”、“光合自养”、“光自养”和“自养微生物”是指可将光和无机碳(例如，二氧化碳、碳酸盐、碳酸氢盐)应用到微生物的培养上的培养条件。能够在光合条件下生长的微生物可使用光作为能量源并且使用无机碳(例如，二氧化碳)作为碳源。光合条件下的微生物可生产氧。
术语“异养的”和“异养”是指在没有光的情况下可将有机碳应用到微生物的培养上的培养条件。能够在异养条件下生长的微生物可使用有机碳作为能量源和碳源两者。异养条件下的微生物可生产二氧化碳。
术语“无菌”描述的是完全没有所有其它“污染”的生物(即，对微藻或蓝藻培养的健康有害的生物)的生物培养。在整个说明书中，无菌是指当接种于具有细菌培养基的琼脂板中时培养并不形成除关注的微生物以外的任何菌落。无菌描述的是不被任何其它活生物体(诸如但不限于细菌、蓝藻、微藻和/或真菌)污染或者不与之关联的培养。通常使用无菌来指完全不存在其它的不同生物的微生物的单纯培养。微藻或蓝藻的无菌培养完全没有其它的不同生物。
术语“恒pH培养”是指将新鲜培养基(例如，包含诸如乙酸等有机碳的培养基)的添加与pH控制结合的微生物的培养技术。在pH从给定的设定点漂移时，添加新鲜培养基，以将pH带回设定点。pH改变的速率常常是生长的优良指标并且满足生长相关参数的要求。进料将保持残余养分浓度与培养基的缓冲能力平衡。取决于当时存在于培养物中的微生物，pH设定点可改变。存在的微生物可受到生物反应器运转的位置和季节以及安置的培养与其它污染源(例如，其它农场、农业、海洋、湖泊、河流、废水)的距离的驱动。介质添加的速率由限制性养分的缓冲能力和进料浓度确定并且不像常规恒态培养中那样由设定点(pH)直接确定。恒pH培养是稳健的但间接控制养分浓度。pH水平代表在碳及养分摄取期间不同离子物质的产生和离子释放的总和。因此，pH水平可以或上或下地移动，作为微生物生长的函数。最常见的情况是由有机酸产生和氨摄取造成的pH降低。然而，对于蛋白质或富含氨基酸的介质上的微生物生长，因为释放了过量的氨，pH水平将随着生长而上升。
概述
当在兼养条件下培养微生物时，光、无机碳和有机碳的施加提供了多种培养输入，包括可被目标微生物(例如，微藻和蓝藻)和污染生物(例如，真菌、细菌、轮虫、纤毛虫)两者利用的能量源。污染生物的存在、溶解的气体的平衡以及养分和能量源的可用性在利用小容积、短培养时间以及室内控制条件的实验室规模下没必要解决。
在室外大规模兼养生产系统中，污染生物的抑制培养物中的目标微生物的潜力可影响大规模生产的两种途径。第一途径包括未在无菌条件下运转的开放或半封闭系统。在这样的非无菌系统中，生产系统和培养方法可设计成处理污染微生物的量和多样性。第二途径包括在无菌条件下运转的封闭系统。在这样的无菌系统下，生产系统可设计成在没有污染生物的情况下维持封闭系统中的适当的培养条件。在一些实施方式中，所描述的生物反应器可在无菌条件下运转。在一些实施方式中，所描述的生物反应器可在非无菌条件下运转。在一些微生物物种偏爱于仅在非无菌条件下生长的情况下，相比于使用无菌发酵器的系统可得的情况，本文中描述的开放和非无菌的实施方式提供了在兼养条件下培养更大范围的微生物的潜力。
兼养型生物反应器系统可包括：培养容器，所述培养容器具有被构造成包含兼养型微生物的水性培养物的内容积；用于使所述内容积暴露至至少一些光(自然光、人工光或它们的组合)的至少一个照明装置或部件(例如，具有一些透明度的开口或窗口)；以及有机碳供给装置。在一些实施方式中，兼养型生物反应器系统可进一步包括无机碳(例如，二氧化碳、碳酸氢盐)的供给。在一些实施方式中，兼养型生物反应器系统可进一步包括：自动化传感器和控制系统；可编程逻辑控制系统；至少一个传感器，用于检测培养参数，诸如温度、pH、溶解氧、溶解二氧化碳、流量、浊度和感光色素或类胡萝卜素；用于使培养物混合并循环的至少一个部件；气体供给(例如，空气、氧气、氮气)；以及至少一个热交换器。在一些实施方式中，兼养型生物反应器系统可至少部分地布置在室外。在一些实施方式中，兼养型生物反应器系统可至少部分地布置在室内。在一些实施方式中，兼养型生物反应器系统可包括盖，所述盖至少部分地遮蔽微生物培养物使其免受诸如光、温度、热、风、空气传播的颗粒和降水等环境要素的影响。在一些实施方式中，生物反应器可包括：被构造成允许使培养容器的内容积至少部分暴露至人工光或自然光的培养容器，诸如但不限于，罐、袋、池、跑道池或槽；以及有机碳供给装置。
溶解氧(DO)分布
用实验室规模生物反应器未解决的一个挑战是将溶解氧在生物反应器容积内的分布。虽然当利用光作为能量源并且利用无机碳作为碳源时兼养型微生物可生产氧，但是当利用有机碳作为能量和碳源时氧被消耗。因此，维持培养物中的溶解氧水平对于维持由有机碳的利用所驱动的生长速率是重要的。在小容积的生物反应器中，溶解氧含量可能在横跨兼养培养物的深度上是相对均匀的。此外，可以以基本均匀的方式容易地照射小容积的生物反应器，因此允许实验室规模或小型生物反应器中的所有微生物的代谢以基本上相同的方式运作。
当生物反应器的深度增加时，在混合并未充分使溶解气体以均匀的方式分布时，溶解氧的梯度分布可形成在生物反应器的整个深度上。由于生物反应器的深度，大容积的生物反应器的照明还可能不是均匀的。在一个非限制性示例中，光可能在开放池生物反应器的空气/液体界面的短距离(例如，小于10cm)内可用，并且依靠混合来使微生物周期性地循环通过不同深度的培养容积而将微生物暴露至间歇的光。
在光路距离下方，可用的能量源将是兼养培养中的有机碳。因此，在兼养培养中可能有助于溶解气体的分布的因素可包括：1)在生物反应器系统中使用的混合方式，以及该混合方式均匀混合和分布溶解气体的能力；2)空气/液体界面处的气体损失(例如，并未溶解于水性介质中的气泡的爆裂)；3)气体供给在生物反应器系统内的位置(例如，在生物反应器的最深部处，在空气/液体界面与生物反应器的最深部之间，在湍流区域内，在层流区域内)；4)供给的气体气泡在培养物内的驻留时间；5)由于代谢活性和可用的能量源所致的微生物对气体的消耗率；以及6)由于代谢活性和可用的能量源所致的微生物的气体产生。
大规模生物反应器可使兼养型微生物循环通过生物反应器的容积以及溶解氧浓度的分布。循环通过大规模生物反应器的深度可允许兼养型微生物最大化地利用不同位置中的可用能量源以供生长和产品开发，而不会遇到快速改变培养条件的压力。
在一些实施方式中，生物反应器最深部处和空气/液体界面处的培养基中的溶解氧浓度可在10％～500％之间变化，包括最深部处的浓度比空气/液体界面处的溶解氧浓度大1％～500％。当空气或氧引入装置布置在反应器的底部处或附近时，最深部处和空气/液体界面处的溶解氧浓度差可能是最大的。在一个非限制性示例中，生物反应器的深度可能使得溶解氧浓度可在约1g/L～1.1g/L-5g/L之间变化。在一些实施方式中，生物反应器的深度可大于0.5米。在一些实施方式中，生物反应器中的水性培养物的深度可介于0.5米～10米之间，并且优选地介于0.5米～2米之间。在其它实施方式中，培养容积内的混合足以使溶解氧横跨培养容积的深度以基本均匀的浓度(例如，在10％内)分布。
温度波动
在具有小容积的兼养培养条件下实验室或工作台顶级规模生物反应器未解决的另一挑战是改变培养容积的温度。实验室和工作台顶级规模生物反应器能以小的容积(即，热质量)运作，这是因为反应器在受控环境下典型地持续短的时间段。在小容积的生物反应器或出于光路目的具有浅的深度的生物反应器中，培养基的温度当放在商业环境(诸如夜间/白天周期、天气和云可基本改变周围温度历时若干小时的室外)中时可易发生大的改变。温度改变可压迫兼养型微生物，或者减少在温度超出最佳范围时的周期期间生长或产品形成的效率。当培养微生物的温度不能一致地独立维持时，冷却以及加热的方法可能需要添加到生物反应器系统，导致系统的能量效率更低并且资金成本较高。
当增加生物反应器的深度以保持更大的培养容积时，更大的热质量可能对通过在白昼期间加热并且在夜间期间冷却所造成的温度波动较不敏感。通过设计，大规模兼养型生物反应器将具有比实验室和工作台顶级生物反应器设计更有热惯性的培养容积，并且由此可能经受空间和时间两方面的热梯度。这些大规模生物反应器的一些实施方式可通过物理方式定位在室外，由此暴露至大的环境条件变化。在一些实施方式中，大规模生物反应器可使用冷却以及加热的方法来帮助建立受控的生长环境，并且可使用控制系统来帮助热控制。
在一些实施方式中，生物反应器可包括在不使用热交换器的情况下足以在24小时周期内使平均温度改变降低至小于1℃-20℃差并且优选地降低至小于1℃-10℃差的容积和深度。在一些实施方式中，生物反应器中的水性培养物的深度可大于0.5米。在一些实施方式中，生物反应器中的水性培养物的深度可介于0.5米和10米之间，优选地介于0.5米和2米之间。因此，由于大容积培养的更大热质量，大容积培养可能不需要更大比例地使用热交换器作为小容积培养来维持最佳温度，并且控制培养温度中的时间改变所需要的每培养容积的能量的量可能小于小容积培养。
在一些实施方式中，被动冷却、自然蒸发冷却或者在微生物培养容积的表面上由风扇强制的空气流辅助的蒸发冷却可增加微生物培养的热稳定性。可能影响生物反应器系统上的被动或蒸发冷却系统的参数可包括：白昼时间、一年中的白昼、地理位置、太阳的位置、太阳能加热负载、湿度、水分含量、温度、水分压、盖的菲涅耳定律反射率、盖的透射率、生物反应器系统内的反射、生物反应器与天空之间的能量的夜间再辐射、水分蒸发和生物反应器空气流湍流。还可使用与生物反应器表面接触的热交换器、培养容积或者它们的组合通过加热或冷却来辅助维持一致的温度或影响空间温度分布。
具有光部和暗部的兼养型生物反应器
为微生物在水性培养物中的光合生长而设计的常规生物反应器聚焦于具有短光路的系统。在水性微生物培养中，光仅可穿透培养物中少至2cm-5cm的距离。通过使用具有短光路的生物反应器，在生物反应器系统中更大百分比的微生物暴露至在光合作用过程中用于能量的光，并且可减轻微生物的自遮光。短的光路可通过降低培养物的深度或光必须穿透的距离来实现，实质指出长的以及浅或窄的反应器必须覆盖大量的表面积以提供高的容积。
为微生物的异养生长而设计的常规生物反应器没有关注于光的可用性，并且可包括比光合反应器的可比较容积更大和更深的容积(在更小覆盖区中)。在这些异养系统中，系统的机械混合和封闭重要的是确保微生物：维持悬浮；接收被给予的溶解氧和有机碳；并且防止引入竞争和污染生物。虽然机械混合可能对分配有机碳源和气体转移是有效的，但是一些类型的机械混合(例如，开放式推进器、搅拌器)还可将剪切应力施加在微生物上，如果剪切应力水平高于该微生物的耐受性水平，这可能潜在危害微生物。通过限制光路、混合装置的特征或者使系统封闭，兼养型微生物利用多个能量源的灵活性允许兼养型生物反应器系统的设计约束较少。
在一些实施方式中，用于在水培养基中培养微生物的兼养型生物反应器系统可包括：有机碳供给装置、接收至少一些光的至少一个亮部以及不接收光的至少一个暗部。在一些实施方式中，至少一个亮部和至少一个暗部可以是单一设备(诸如其中亮部可在暗部的顶部或下方分层的深生物反应器)的部件。在一些实施方式中，至少一个亮部和至少一个暗部可以是以流体连通的方式连接的独立设备。在一些实施方式中，生物反应器系统可包括至少一个开放部。在一些实施方式中，生物反应器系统可包括至少一个封闭部。兼养型微生物的培养可经由诸如推进器、泵、桨轮和重力的任何已知手段在至少一个亮部和至少一个暗部之间循环。在一些实施方式中，亮部和暗部可以是生物反应器系统的物理部件，并且通过定时以及使用人工光装置来控制光暗性质。
在替代实施方式中，混合的方法可实现竖直流动模式，使得流体能以旋转的方式从顶部扫到底部，以更快的频率将细胞带至光。在一个非限制性示例中，使用浸入式推进器创建出旋转、垂直或回旋流，其将微藻或蓝藻细胞带至水性培养物的空气/液体界面，以在返回至包括暗部的水性培养物的深度之前提供几次暴露至光(即，亮部)。在微藻或蓝藻的兼养培养中提供额外的光的一个优点是降低驱动生长的碳能量、形成色素、形成蛋白质、形成在存在光的情况下优先形成的其它产品以及它们的组合。
在一些实施方式中，至少一个亮部和至少一个暗部之间的循环创建出兼养型微生物的光占空比(lightdutycycle)达2％至25％，并且优选地为5％。光占空比被定义为使单独微生物暴露至光的总的光暗微循环的分数。通过使微生物暴露至光的时间除微生物花费在生物反应器系统中的总时间来计算光占空比。所计算的光占空比表示为百分比。在一些实施方式中，生物反应器可包括多个战略间隔的亮部和暗部，用于当使微生物的培养循环时创建重复的光占空比，这可由培养微生物的流量控制。在一些实施方式中，光占空比还可通过定时以及使用人工照明装置来控制。
至少一个亮部将兼养型微生物的培养物暴露至来自光源的至少一些光。在一些实施方式中，光源可包括提供人工光的至少一个照明装置。至少一个人工照明装置可包括能够将光提供给微生物的培养物的任何照明装置，诸如但不限于荧光管、发光二极管(LED)、微LED、高压钠灯、高强度放电灯、氖灯、金属蒸气灯、卤素灯、硫等离子体灯和白炽灯泡。在一些实施方式中，至少一个照明装置可被选择或调整以提供特定波长光谱或光谱组合的光，诸如但不限于紫(约380-450nm)、蓝(约450-495nm)、绿(约495-570nm)、黄(约570-590nm)、橙(约590-620nm)、红(约620-750nm)以及远红(约700-800nm)、红外(IR)(约1,000-20,000nm)和紫外(UV)(约10-400nm)。在一些实施方式中，光的施加可以是连续的、间断的、闪烁的或脉冲的，用以创建任何期望的光/暗周期。在一些实施方式中，由至少一个照明装置供给的光的强度可包括恒定的强度或可变的强度。至少一个照明装置可安装在生物反应器模块上的任何地方，悬置或浸入在培养容积中，或者可与生物反应器模块分开。
在一些实施方式中，光源可包括诸如阳光的自然光。在一些实施方式中，接收阳光的亮部可包括盖，所述盖被构造成阻挡至少一部分阳光以防止接触微生物的培养物。在一些实施方式中，盖可阻挡5％-95％之间的光。盖可包括：半透明的光伏电池板、选择性地阻挡具体波长范围内的光的薄膜、被动式遮阳布(例如，aluminet遮阳布、阻挡一些光或阻挡具体波长的遮阳布)、半透明聚合物、有色玻璃以及它们的组合。在一些实施方式中，亮部可以是大容积以及深池、槽或罐的光穿透诸如但不限于空气/水表面界面和遇到光穿透的深池或罐的顶部的部分。至少一个亮部能以100-2,500微摩尔光子/m2s接收光，优选为200-500微摩尔光子/m2s。在一些实施方式中，光源可包括提供人工光和自然光(例如，阳光)的至少一个照明装置的组合。
至少一个暗部包括缺乏用于培养兼养型微生物的光。在一些实施方式中，至少一个暗部可包括由不透明材料制成的盖，所述盖被构造成防止光接触微生物的培养物。在一些实施方式中，至少一个暗部可包括大容积的深度，光可穿透其下方。在一些实施方式中，至少一个暗部可包括与至少一个亮部流体连通的功能设备。功能设备可包括泡沫分离装置(例如，蛋白质撇渣器、鼓泡塔、溶解空气浮罐)、离心机、电脱水装置(例如，将培养物暴露至电场的反应器)、脱水装置(例如，过滤设备、沉淀池)、污染控制装置(例如，用于施加臭氧或其它污染控制溶液的装置)、气体交换装置(例如，除气罐)、保持罐及它们的组合。
在一个非限制性示例中，至少一个暗部包括具有可调整设定的蛋白质撇渣器，所述蛋白质撇渣器在遮蔽微生物的培养物使其免受光的影响的同时提供多种功能，诸如：气体喷射；除气；以及经由泡沫分离从培养物去除泡沫和组分，诸如污染微生物、悬浮固体、杂物以及超过阈值大小的成群微生物。从培养物去除泡沫和组分可降低与兼养型微生物竞争资源并且延长兼养型微生物的培养物的寿命。
生物反应器系统实施方式
以下生物反应器系统实施方式整合了所描述的常规光合或异养系统与兼养系统之间以及小容积与大容积兼养培养之间关于溶解氧分布、温度波动和进入光的差异，以在具有亮部和暗部的生物反应器系统中成功地大规模兼养培养。在第一非限制性实施方式中，被构造成在水培养基中培养微生物的大规模兼养型生物反应器系统可包括：提供亮生物反应器的跑道池、槽或罐生物反应器，其被构造成将水溶性培养物包含在接收来自光源的至少一些光的内容积中；以及提供生物反应器系统的暗部的泡沫分离设备(例如，蛋白质撇渣器、鼓泡塔)，其具有不透明的罐区段，被构造成将水溶性培养物包含在不接收光的内容积中。亮生物反应器可经由附接至该亮生物反应器的进口和出口的管道与泡沫分离设备流体连通，以使水培养基在亮部和暗部之间循环。亮生物反应器的深度可被设计成培养容积大小，具有足以帮助控制温度波动的热质量。
微生物的培养物可由亮生物反应器中的泵、桨轮或推进器循环，并且在经由出口退出亮生物反应器时，培养物流向泡沫分离设备。在一些实施方式中，用于被溶解气体操纵的气体喷射(例如，氧气、空气、二氧化碳、氮气)可通过文丘里喷射装置、喷洒器、空气消声器、微泡发生器等由泡沫分离设备执行。在退出泡沫分离设备时，培养物返回至亮生物反应器。通过允许在驻留时间可以由循环的流量控制的单一点待喷射的气体回到可使水性介质彻底混合的亮生物反应器，使用泡沫分离设备的气体喷射可帮助控制溶解氧浓度。在一些实施方式中，有机碳可由计量泵配料到泡沫分离设备的排出管线中，排出管线将培养物返回到亮生物反应器并且完成生物反应器系统内的培养物循环路径。在一些实施方式中，有机碳可被直接配料到亮生物反应器中，或者直接配料到泡沫分离设备内。在一些实施方式中，有机碳可包括乙酸，并且可使用恒pH培养系统进行配料。
在一些实施方式中，培养物参数(例如，pH、温度、溶解氧、溶解二氧化碳)可由探针和传感器检测，探针和传感器位于沿着循环路径的各种位置，诸如但不限于：在泡沫分离装置内，在泡沫分离装置的进口处，在泡沫分数装置的出口处以及在亮生物反应器内。在一些实施方式中，可用阻挡至少一些光的盖至少部分地覆盖亮生物反应器。在一些实施方式中，盖可包括篷或温室。在一些实施方式中，盖可包括低轮廓盖。在一些实施方式中，盖可包括阻挡1％和99％之间的光透射至培养物的材料，诸如但不限于被动遮阳布。在一些实施方式中，盖可包括选择性地阻挡某些波长的光透射至培养物或半透明光伏电池板的膜。
在一些实施方式中，至少一个风扇可布置在系统的盖中，以有利于横跨水性培养物的表面以及盖与水性培养物表面之间的头部空间的强制性空气循环。在一些实施方式中，使水性培养物循环通过生物反应器系统可被调整至期望的占空比，包括与生物反应器系统中的总时间比较的培养物花费在泡沫分离设备中的时间量。
在一些实施方式中，除了由泡沫分离设备供给的气体，气体可经由布置在亮生物反应器内的曝气管被供给到培养物。在一些实施方式中，热交换器(例如，馈送有热交换器流体的线圈)可浸入到亮生物反应器的培养物容积或泡沫分离设备的不透明罐区段中。泡沫分离设备还可提供从水性培养物去除泡沫的功能(因为泡沫已知带有污染)，并且由此去除泡沫有助于维持微生物培养物的健康。
在亮生物反应器的另一实施方式中，生物反应器可包括：开放式跑道池，其具有由中央壁分开的两个直线部、将直线部连接成封闭环的两个U形弯曲部；至少一个有机碳输送装置；以及至少一个可浸入式推进器，用于提供水性培养物穿过封闭环的混合和循环。开放式跑道池的直线部和U形弯曲部形成用于水性培养物的连续环形流体循环路径，该连续环形流体循环路径由U形弯曲部和直线部的外壁表面以及中央壁的外表面限定。沿着该连续环形流体循环路径，给培养物提供了至少一些光、养分和有机碳。开放式跑道池可接收来自自然光源(例如，阳光)、人工光源或其组合的光。开放式跑道池可在地上建造有框架或模制体，或者可建造在地面中。
在一些实施方式中，开放式跑道池的宽度总计可包括约3米到12米(约10英尺到40英尺)并且优选地约为9米(约30英尺)，长度取决于期望的培养物容积。在一些实施方式中，生物反应器的高度可为1米到12米，以允许培养物深度为0.1米到10米，优选地介于0.5米和2米之间。在一些实施方式中，培养物可开始于第一深度，然后随着接种之后培养物密度的增加而增加到最大培养物深度。开放式跑道池生物反应器的深度整合之前描述的概念：以相同的培养物容积使暗部与亮部分层(例如，暗部在使光穿透顶部培养物表面的距离下方，暗部超出使来自浸入式照明装置的光到达培养物容积内的距离)，以及更大培养物容积的热稳定性，用于降低或消除对热交换器的需要。
在一些实施方式中，分开直线部的中央壁的宽度可约为0.1米-0.6米(约为6-24英寸)，优选地约为0.25米(约10英寸)，并且高度突出超过水性培养物的深度。开放式跑道池的底板可以是平的、起伏状的或它们的组合。在一些实施方式中，跑道池的起伏状的底板为V形或U形。在一些实施方式中，底板可以是平的，以创建沿着环形培养物流动路径具有一致深度的开放式跑道池的内容积。
在用于培养兼养型微藻的系统中可一起使用一系列不同大小的开放式跑道池生物反应器，池的容积增加以适应不同阶段培养物密度的增加。第一池生物反应器可包括15,000升到20,000升的培养物容积。第二池生物反应器可包括100,000升到130,000升的培养物容积。第三池生物反应器可包括超过500,000升的培养物容积。对于每个池生物反应器，深度可以是相同的，而与容积无关，但针对不同的容积，宽度和长度可改变。例如，100,000升的池生物反应器可包括约4.5米(约15英尺)的宽度和约27米(约89英尺)的长度，包括宽度与长度的比率约为1:6；并且500,000升的池生物反应器可包括约9米(约30英尺)的宽度和大于27米(约90英尺)的长度。
在一些实施方式中，开放式跑道池可由聚合物模制而成，作为一件或分成联接到一起的各段。在一些实施方式中，跑道池可包括覆盖有衬里材料的刚性框架。衬里材料可被选择成抵抗由低pH培养物溶液、有机碳以及微生物培养物的其它组分造成的降解。合适的衬里的示例包括LakeTahoe衬里、F-CleanNEW软光泽白色(100μm)、Raven(南达科他州57104苏福尔斯的821WAlgonquin街道)20mil灰色/黑色/Raven20mil白色/白色以及WesternEnvironmentalLiner(亚利桑那州85353托尔森的8121W.Harrison)聚丙烯衬里(45mil)。刚性框架可包括木材、塑料、金属及类似合适的材料。
在一些实施方式中，取决于生物反应器的容积和大小，生物反应器系统在每个U形弯曲部中可包括至少一个拱形的导向叶片，并且在每个U形弯曲部中可包括两个或更多个导向叶片。导向叶片包括高度、宽度以及形成拱形平面以用于引导水性微生物培养物的流动的曲率。导向叶片被设计成有利于水性培养物流过U形弯曲部，并且在退出U形弯曲部时改变流动方向达180度而转动进入直线部。在一些实施方式中，导向叶片的下游端可包括不对称的弯曲设计，该弯曲设计延伸过导向叶片的上游部的起始位置并且进入直线部的起始。在一些实施方式中，导向叶片包括对称的弯曲设计。在一些实施方式中，导向叶片的上游端可开始，其中直线部终结且U形弯曲部开始。在一些实施方式中，导向叶片还可通过端壁边界层迁移而创建被动漩涡，这帮助在循环期间使水性培养物混合。在一些实施方式中，布置在相同或不同的U形弯曲部中的导向叶片可具有相同的曲率分布。在一些实施方式中，布置在相同或不同的U形弯曲部中的导向叶片可具有不同的曲率分布，包括具有不同曲率分布的相同的U形弯曲部中的导向叶片组。
导向叶片的高度可大于水性培养物的深度。在一些实施方式中，导向叶片可固定到开放式跑道池的底板，并且在顶部由支撑构件固定到中央壁和U形弯曲部的外壁，并在基部固定到U形弯曲部的底板。导向叶片和支撑构件可包括由平滑固体材料形成的适合微生物培养的合适的聚合物或金属(例如，不锈钢)，或者具有包括衬里材料的表面的刚性框架，安装到框架的聚合物片材或金属片材。
开放式跑道池生物反应器的一个设计重点是使布置在可提供用于污染的积累和扩散的表面的培养物容积内的装备最小化。随着导向叶片已经布置在培养物容积中，至少一个其它功能部件可添加到、组合到或整合到导向叶片的刚性结构中，以提供超出引导流体流的功能性并且使布置在培养物容积中的分开部件的数量最小化。在一些实施方式中，导向叶片的刚性结构可包括拱形的刚性结构框架，其具有形成诸如但不限于衬里材料、聚合物或片材金属的表面的材料。覆盖框架的材料在框架内提供了足够的间距，以容纳至少一个功能部件。刚性框架可包括木材、金属、塑料或类似合适的材料。在一些实施方式中，至少一个功能部件可形成导向叶片的表面。
在一些实施方式中，至少一个其它功能部件可包括热交换器，诸如但不限于管状或板式热交换器，其被构造成接收热交换器流体并使该热交换器流体循环。在一些实施方式中，至少一个其它功能部件可包括诸如但不限于管道、喷嘴、喷射器、起泡器和泵的装置，用于输送养分介质、有机碳或其它养分。在一些实施方式中，至少一个其它功能部件可包括诸如但不限于管道、喷嘴、喷射器、起泡器和泵的装置，用于输送气体(例如，氧气、二氧化碳、空气)。在一些实施方式中，至少一个其它功能部件可包括人工照明装置，诸如但不限于LED。在一些实施方式中，至少一个其它功能部件可包括传感器或探针。
在一些实施方式中，导向叶片可包括不包括分开式框架的拱形的刚性结构，诸如单件、两件成形或模制结构。在一些实施方式中，至少一个其它功能部件可与导向叶片的无框刚性结构整合。与包括框架的导向叶片比较，将至少一个其它功能部件整合到刚性结构中可减少导向叶片的厚度。在一个非限制性实施方式中，导向叶片可包括带有空腔的拱形结构，诸如结合到边缘处以形成内腔的材料(例如，金属，塑料)的片材，这可使流体循环或用作流体(例如，加热流体、气体、有机碳溶液、养分溶液)的管道。材料的片材的表面可以是平滑的或起伏状的。
在一些实施方式中，导向叶片的整合结构可仅包含用于允许流体从贮存器引入到内腔中、在空腔内循环并且返回到贮存器的开口，诸如通过在不引入到培养物容积中的情况下使培养物热转移的空腔内循环而提供功能的热交换器流体。空腔可包括额外的内部分区，用于引导交换流体穿过流动路径或者分配流体均匀地贯穿空腔。在一些实施方式中，导向叶片的整合结构可包括额外的开口，比如当内腔用作用于将气体、有机碳或养分引入到培养容积中的管道时允许流体退出内腔以引入到培养物容积中。在一些实施方式中，多功能导向叶片可包括超出引导流体流的功能的组合，诸如选自由热交换、有机碳输送、养分输送、气体输送、人工照明和参数感测组成的组的两个或更多个功能的组合。
在一些实施方式中，生物反应器系统可包括板式或管状热交换器，该热交换器布置在跑道池中的衬里底下、外壁中、中央壁中、底板中、底板下面及它们的组合。在一些实施方式中，热交换器可包括布置在导向叶片内以及跑道池中的衬里底下、外壁中、中央壁中、底板中、底板下面的热交换器的组合。通过将热交换器定位在导向叶片内或衬里底下，浸入于水性培养物中、污染物可能生长在上面或附着到上面的部件的数量可最小化，由此提供培养微生物的更健康环境。取决于热交换器的位置，布置在跑道池生物反应器表面内或下面的板式热交换器可提供比管状热交换器更大的热交换表面积。用于在热交换器中循环以使水性培养物冷却或加热的热交换流体可由热交换器和流体贮存器之间的管道提供。在其它实施方式中，生物反应器可包括布置在生物反应器容积外侧的热交换器(例如，管和壳热交换器)，水性培养物的容积循环通过该热交换器进行热交换。
可浸入式推进器可购自许多来源，诸如生产可浸入式喷射环推力混合器产品的Flygt品牌的Xylem(纽约10573RyeBrook第一国际大道)。可浸入式推进器的数量可由水性培养物的容积和开放式跑道池的直线部的长度指出，并且可包括至少1个、至少2个、至少4个、至少8个或更多个来充分混合培养物容积。例如，具有20,000升容积的开放式跑道池生物反应器可使用总计两个浸入式推进器，由布置在两个不同位置处的单一推进器组成；并且具有500,000升容积的开放式跑道池生物反应器可使用总计至少四个浸入式推进器，由布置在至少两个不同位置处的至少两个推进器组成。
在一些实施方式中，可浸入式推进器可布置在导向叶片的下游，位于跑道池的U形弯曲部的合适位置，诸如但不限于位于U形弯曲部退出处以及直线部的中间通道。在一些实施方式中，至少一个可浸入式推进器可在直线部的端部处布置在U形弯曲部附近，位于这一端部处直线部的长度的20％内。例如，如果直线部为100米长，则至少一个可浸入式推进器可布置在直线部的一端部的20米内(即，直线部的这一端部和可浸入式推进器之间的距离为20米或以下)。
在一些实施方式中，至少一个可浸入式推进器可布置成与中央壁和直线部的外壁等距。在一些实施方式中，至少一个可浸入式推进器可布置在直线部中与两个U形弯曲部之间等距的位置处。在一些实施方式中，位于生物反应器中的单一位置处的多个可浸入式推进器可在相同的轴向位置平行，彼此偏移，或者取决于期望的流体运动而交错。在一些实施方式中，多个可浸入式推进器可布置在生物反应器的相反侧或相反两端，或者沿着生物反应器的长度间隔开。
通过将可浸入式推进器定位在U形弯曲部退出处，所产生的推力可在培养物通过直线部的直线流动中最大化，并且动量可添加到退出U形弯曲部的培养物流，其中由于流动方向的改变，培养物流的一些速度可能损失。在一些实施方式中，至少一个可浸入式推进器可由支撑结构从上方悬置在开放式跑道池的内容积中，与开放式跑道池的底板相距一段距离。在一些实施方式中，推进器可布置成，从跑道池的底板开始测量，距离为培养物容积高度的10％-50％，优选地，从跑道池的底板开始测量，距离约为水性培养物容积的高度的20％-30％。例如，如果培养物容积高度为2米，则可浸入式推进器可定位在底板上方的0.2米-1米之间。将推进器定位到跑道池中的深度还有利于混合培养物，这样培养池深度的底部处的微生物被周期性地循环至空气/液体界面。
从上方悬置可浸入式推进器的支撑结构可包括联接到生物反应器的中央壁和外壁的支撑构件。在一些实施方式中，支撑结构可包括以允许竖直(即，在培养物容积的深度上)以及水平(即，在外壁和中央壁之间)调整可浸入式推进器的位置的方式(例如，滑动以及锁定、离散锁定位置、摩擦配合、夹紧)联接到一起的多个支撑构件。通过利用可在培养物容积上方从支撑结构悬置的推进器，该推进器提供了优于固定到位使马达位于跑道池外侧的浸入式常规推进器混合器的优点。常规推进器混合器紧固到由马达驱动的旋转轴，并且在跑道池中，此轴需要平行于流动方向，这将需要此轴通过使其中一个壁穿透至连接到布置在池外侧的马达而被浸入。穿透池壁提供了泄漏的机会并且还限制了推进器定位的调整。相比穿过池壁固定到位的推进器，从止方悬置的完全可浸入式推进器可更容易地竖直以及水平调整，以最佳放在培养物容积中进行混合。此外，悬置的可浸入式推进器不会引入在开放式跑道池外壁中泄漏的额外机会。
可浸入式推进器可基于培养物容积大小和跑道池生物反应器大小进行设计，以在跑道池生物反应器的整个深度上充分混合培养物并且推进培养物。例如，在20,000升的池生物反应器中，推进器可设计成产生25磅的推力。在培养剪切敏感的微藻或蓝藻过程中，可浸入式推进器可更换为不同的混合装置，诸如桨轮。
有机碳源可由至少一个有机碳输送装置在生物反应器内的多个点处配料。在一些实施方式中，有机碳可在混合装置(例如，推进器、桨轮、泵)的上游的位置处配料，以允许有机碳充分混合在水性培养物中。
在一些实施方式中，被配料的有机碳可以是乙酸。在其它实施方式中，乙酸的配料可用恒pH培养系统进行，以同时控制pH并且维持微生物生长速率。例如，在培养小球藻的情况下，乙酸流量可包括6.3L/分钟的20％乙酸，以便实现每天6g/L的生长速率。在一些实施方式中，取决于微生物，被配料的有机碳源可以是葡萄糖、甘油或任何其它合适的有机碳源。在一些实施方式中，至少一个有机碳输送装置可包括布置在开放式跑道池内的出口，所述出口被构造成将有机碳输送到水性培养物。在一些实施方式中，至少一个有机碳输送装置可包括布置在开放式跑道池上方的出口，所述出口被构造成将有机碳输送到水性培养物。在一些实施方式中，有机碳可被输送穿过多功能导向叶片。
在一些实施方式中，诸如空气、氧气、二氧化碳和氮气的气体可通过用于确保维持期望的被溶解气体水平的装置被供给到生物反应器系统中的培养物，所述装置诸如是：位于生物反应器底部的喷洒器管、位于跑道池的内径和外径的基部的喷洒器管、形成跑道池的至少一部分的底部的衬里的膜(例如，PrototypeTyvek)、微泡发生器、氧浓缩器、液体氧喷射装置、氧饱和锥、多功能导向叶片和它们的组合。在一些实施方式中，诸如具有文丘里喷射装置的蛋白质撇渣器的泡沫分离装置可与生物反应器池流体连通，并且在经由文丘里喷射装置将空气或氧气循环并引入到培养基中期间处理水性培养物。在一些实施方式中，氧供给装置可设计成维持微生物的水性培养物中的溶解氧含量高于3mg/L。
在一些实施方式中，开放式跑道池生物反应器可至少部分地覆盖有阻挡至少一些光的盖。在一些实施方式中，盖可包括篷或温室。在一些实施方式中，盖可包括低轮廓盖。在一些实施方式中，盖可包括阻挡1％和99％之间的光透射至培养物的材料，诸如但不限于被动遮阳布。在一些实施方式中，盖可包括选择性地阻挡某些波长的光透射至培养物的膜。在一些实施方式中，盖可包括半透明的光伏电池板。
在一些实施方式中，生物反应器系统可包括探针或传感器，用于测量并监测pH、温度、NO3、溶解氧、溶解二氧化碳、浊度、培养物浓度、流动速度、流量、光和感光色素或类胡萝卜素中的至少一者。探针或传感器可位于生物反应器系统内的一个或多个位置，并且布置在培养物容积的中等深度。在一些实施方式中，通过直接将有机碳添加在可浸入式推进器的上游的位置而使用pH传感器来控制pH。可基于探针或传感器所测量的值，根据需要，手动或用自动化装备来添加NO3。
在图1至图4中示出了开放式跑道池生物反应器的一个非限制性实施方式。开放式跑道池生物反应器100包括外壁101、中央壁102、拱形导向叶片103、浸入式推进器104和支撑结构105(水平)、106(竖直)或浸入式推进器。外壁101和中央壁102形成图1至图4中的生物反应器的直线部120和U形弯曲部130的边界。在图1至图4中，出于观察目的，中央壁102被示出为框架，但在实践中，面板被插入到框架的开放区段中，或者衬里被放置在框架上，以形成实心的壁表面。另外，图1至图4中的生物反应器的外壁101被描绘为以一定角度连接的多个直段，以形成U形弯曲部130的弯曲部；但外壁101还可形成连续的曲线或弧，如图7中所示出的。图4示出了生物反应器100在如图3中标识的横截面A处的剖视图，其进一步显示了浸入式推进器104，该浸入式推进器布置在生物反应器的内容积中，位于生物反应器的底板115上方的一段距离处并且与外壁101和中央壁102间隔开。
图2进一步示出了拱形导向叶片103的不对称形状，导向叶片的第一端140位于U形弯曲部130的起点，第二端141延伸超过U形弯曲部而进入直线部120。培养物在图2的开放式跑道池生物反应器100中的流动路径将是逆时针的，培养物首先遇到导向叶片的第一端140，再遇到导向叶片的第二端141，然后当行进通过U形弯曲部130并进入直线部120时遇到浸入式推进器104。拱形导向叶片103在图1和图3中还示出为至少与中央壁102一样高，以允许拱形导向叶片103的一部分在操作时从培养容积突出。
供开放式跑道池生物反应器的U形弯曲部使用的一对拱形导向叶片的实施方式在图5中示出为具有内导向叶片200和外导向叶片300。图5中示出的两个导向叶片是不对称的，但导向叶片还可以是对称的或者是对称和不对称的组合。导向叶片还可具有相同的曲率半径或不同的曲率半径。
在图6的视图中示出了结构性地支撑拱形导向叶片的实施方式。拱形导向叶片603由紧固至外壁601和中央壁602的多个结构化支撑构件607支撑，以稳定拱形导向叶片603并且维持由外壁601、拱形导向叶片603和中央壁602限定的穿过U形弯曲部的流动路径的边界。
在图7中示出了具有多个导向叶片和多个浸入式推进器的大容积的位于地面上方的开放式跑道池生物反应器的实施方式。开放式跑道池生物反应器700包括外壁701、中央壁702、拱形导向叶片703、用于拱形导向叶片的支撑结构707、浸入式推进器704以及用于浸入式推进器704的支撑结构705(水平)、706(竖直)。外壁701和中央壁702形成生物反应器的直线部720和U形弯曲部730。对于生物反应器700的两端，拱形导向叶片703、用于拱形导向叶片的支撑结构707、浸入式推进器704和用于浸入式推进器704的支撑结构705(水平)、706(竖直)的构造是相同的。
在图8中示出了还用作布置在跑道池生物反应器的U形弯曲部中的热交换器的导向叶片的实施方式。进口流体管道810和出口流体管道812与包括用于使热交换流体循环的内腔的热交换器导向叶片803流体连通。进口流体管道810包括阀811，以用于控制热交换流体的流动。热交换器导向叶片803以与常规导向叶片相同的方式布置在外壁801和中央壁802之间。
本领域技术人员将认识到或者能够确定使用不超过常规的实验的本文中具体描述的具体实施方式的许多等同物。这样的等同物旨在涵盖于所附权利要求书的范围内。
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Claims (30)

1.一种兼养型生物反应器系统，所述系统包括：
a.所述生物反应器系统的至少一个亮部，所述至少一个亮部被构造成将水培养基中的兼养型微生物的培养物容纳在内容积中，并且将所述内容积中的兼养型微生物的所述培养物暴露至来自光源的至少一些光；
b.所述生物反应器系统的至少一个暗部，所述至少一个暗部与所述至少一个亮部流体连通，所述至少一个暗部被构造成将水培养基中的兼养型微生物的培养物容纳在没有光的内容积中；
c.至少一个有机碳供给装置，所述至少一个有机碳供给装置被构造成将有机碳供给到兼养型微生物的培养物；以及
d.循环系统，所述循环系统被构造成使兼养型微生物的所述培养物在所述至少一个亮部和所述至少一个暗部之间循环。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个亮部包括选自由罐、槽、池和跑道池组成的组中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个暗部包括选自由泡沫分离装置、离心机、电脱水装置、气体交换装置和污染控制装置组成的组中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述生物反应器系统的所述至少一个亮部包括生物反应器的所述内容积的透光层，并且所述生物反应器系统的所述至少一个暗部包括同一生物反应器的所述内容积的不透光层。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述生物反应器系统是开放系统。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述生物反应器系统是封闭系统。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述循环系统包括选自由泵、可浸入式推进器和桨轮组成的组中的至少一者。
8.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括至少一个无机碳供给装置。
9.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括至少一个气体供给装置。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源包括选自由自然光和人工照明装置组成的组中的至少一者。
11.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括所述生物反应器系统的至少一部分上的盖。
12.一种兼养型生物反应器系统，所述系统包括：
a.包括一致深度的内容积的开放式跑道池，所述跑道池包括：
i.两个直线部，所述两个直线部由中央壁分开并且由底板和直的外壁限定边界；
ii.两个U形弯曲部，所述两个U形弯曲部连接所述两个直线部以形成连续环并且由底板和弯曲的外壁限定边界；
b.至少一个拱形的导向叶片，所述至少一个拱形的导向叶片被布置在每个U形弯曲部内；
c.至少一个可浸入式推进器，所述至少一个可浸入式推进器被布置在所述内容积中，位于所述两个直线部中的至少一个直线部的所述外壁与所述中央壁之间，并且由所述内容积中的支撑结构从上方悬置，与所述底板相距一距离；以及
d.至少一个有机碳输送装置。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述开放式跑道池的深度为0.5米到10米。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述开放式跑道池是框架结构，所述框架结构具有形成所述开放式跑道池的所述底板、中央壁和外壁的表面的衬里。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述开放式跑道池是模制结构，所述模制结构具有形成所述开放式跑道池的所述底板、中央壁和外壁的表面的聚合物。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个可浸入式推进器在所述直线部的端部处布置在所述直线部的长度的20％内。
17.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个可浸入式推进器被悬置成与所述底板相距的距离是所述开放式跑道池的所述内容积中布置的水性培养物容积的高度的10％至50％。
18.根据权利要求12所述的系统，其中，所述开放式跑道池进一步包括至少一个热交换器。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述至少一个热交换器被布置在所述至少一个拱形的导向叶片中。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述至少一个热交换器被布置在所述开放式跑道池的所述外壁中、所述中央壁中、所述底板中或所述底板下面。
21.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个有机碳输送装置包括恒pH培养系统。
22.根据权利要求12所述的系统，所述系统进一步包括至少一个溶解氧输送装置，所述至少一个溶解氧输送装置选自由喷洒器管、形成所述跑道池的所述底板的至少一部分的衬里的膜、微泡发生器、氧浓缩器、液体氧喷射器、氧饱和锥和具有泡沫分离装置的文丘里喷射装置组成的组。
23.根据权利要求12所述的系统，所述系统进一步包括所述开放式跑道池的至少一部分上的盖。
24.根据权利要求12所述的系统，所述系统进一步包括至少一个光源，所述至少一个光源选自由自然光和人工照明装置组成的组。
25.一种导向叶片，所述导向叶片包括：
a.刚性结构，所述刚性结构包括高度、宽度以及形成拱形平面的曲率；以及
b.至少一个功能部件，所述至少一个功能部件与拱形的所述刚性结构组合。
26.根据权利要求25所述的导向叶片，其中，所述至少一个功能部件包括内腔，所述内腔被构造成接收热交换流体并使该热交换流体循环。
27.根据权利要求25所述的导向叶片，其中，所述至少一个功能部件包括用于输送选自由有机碳、养分和气体组成的组中的至少一者的装置。
28.根据权利要求25所述的导向叶片，其中，所述至少一个功能部件包括人工照明装置。
29.根据权利要求25所述的导向叶片，其中，所述至少一个功能部件包括至少一个传感器。
30.根据权利要求25所述的导向叶片，其中，所述至少一个功能部件包括选自由热交换器、有机碳输送装置、养分输送装置、气体输送装置、人工照明装置和传感器组成的组中的两者或更多者的组合。
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