CN110494546A - 用于生长藻类的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一些方面可以涉及一种藻类培养容器喷射系统，该藻类培养容器喷射系统包括至少一个传感器，该至少一个传感器测量容器内的至少一个参数；至少一个第一喷射器，该至少一个第一喷射器以第一操作流速将第一流体分配到容器中；至少一个第二喷射器，该至少一个第二喷射器基于至少一个测量的参数以第二操作流速将第二流体分配到容器中；至少一个光源，该至少一个光源照明容器的内部；以及至少一个控制器。在一些实施方案中，控制器可以被配置成控制第一操作流速和第二操作流速。控制器还可以被配置成控制至少一个光源。

Description

用于生长藻类的系统和方法
发明领域
本发明总体上涉及藻类生长。更具体地，本发明涉及用于增强藻类生长的系统和方法。
发明背景
近年来，利用生物反应器(例如，利用鼓泡塔)在人工条件下的藻类培养已经变得越来越普遍，例如以便生产生物质。为了最佳条件和加速的生长，藻类(或微藻)被供应有富含CO2的空气气泡和照明(人工照明或来自阳光)。约50％的藻类生物质是碳，其通过光合固定CO2获得，其中二氧化碳需要以液相溶解在培养物中。在向光性藻类培养系统中，用于生长的主要输入(或宏量营养物(macro-nutrients))是光、CO2、营养物(诸如氮、磷等)，以及具有湍流混合的水，以便将这些资源分配给单个藻类培养细胞。
此外，需要良好的流体混合用于在生物反应器中实现高藻类浓度。良好的混合可以通过降低相互遮蔽的程度和最小化光抑制来控制细胞的曝光。有效的混合可以使细胞移动靠近被照射的表面以获得光子输入，并且然后远离它，以便在细胞再次暴露于光之前，给予光子饱和的细胞吸收这种光能以用于光合作用的机会。由于超高的细胞浓度需要使用强的光源，因此不充分的混合可能导致过度暴露于强光，并且也可能由于光抑制导致细胞损伤。
气体喷射(主要是富含CO2的空气或氮气)通常用于光-生物反应器(PBR)，以便产生所需的混合。气泡的上升运动产生与流动方向相切的混合。有效的混合通常需要连续的高流速和大气泡。然而，使用喷射气流用于混合并使其组合物富集有CO2具有固有的低效率，因为CO2以稀释的浓度被引入到大气泡中(混合所需的)，因此导致约10％的差的CO2生物利用率(其中约90％的CO2从生物反应器中排出)。
微藻可以在许多类型的系统诸如平板光生物反应器中光照地生长。用于藻类生长的光源可以是在约400nm-700nm波长的范围内的任何类型的可见光。发光二极管(LED)具有提供特定的波长，例如在可见光(例如，蓝色和/或红色)波长范围内的光的能力。
然而，一些输入变得受限(例如，由于藻类自遮蔽引起的受限制的光)，并且导致给定系统中藻类的确定的最大密度。如果以非限制性可用性供应所有其他输入，则随着藻类培养物的密度增加，细胞遮蔽被阻挡在光路上的细胞。最终，光不能足够远地渗透到培养物中，以允许更多的生长，并且系统达到其最大(光受限)浓度。
发明概述
本发明的一些方面可以涉及藻类培养容器喷射系统。该藻类培养容器喷射系统可以包括至少一个传感器，该至少一个传感器测量容器内的至少一个参数；至少一个第一喷射器，该至少一个第一喷射器以第一操作流速将第一流体分配到容器中；至少一个第二喷射器，该至少一个第二喷射器基于至少一个测量的参数以第二操作流速将第二流体分配到容器中；至少一个光源，该至少一个光源照明容器的内部；以及至少一个控制器。在一些实施方案中，控制器可以被配置成控制第一操作流速和第二操作流速。在一些实施方案中，控制器还可以被配置成控制至少一个光源。在一些实施方案中，第一操作流速可以适于允许培养容器中藻类的湍流混合，并且第二操作流速可以适于允许培养容器中的液体中的材料的同化。
在一些实施方案中，该藻类培养容器喷射系统可以包括至少两个光源，使得至少一个光源可以被控制以与另一个光源不同的强度照明。
本发明的一些方面可以涉及用于藻类生长的生物反应器照明系统。在一些实施方案中，用于藻类生长的生物反应器照明系统可以包括：至少一个光源，该至少一个光源照明生物反应器的内部；和至少一个控制器，该至少一个控制器控制至少一个光源的照明光子通量密度。在一些实施方案中，生物反应器可以被照明以提供生物反应器内每天超过90％的最大藻类生长的量。在一些实施方案中，至少一个光源的照明光子通量密度可以是1200微摩尔/m2/s。在一些实施方案中，至少一个光源可以是发光二极管。在一些实施方案中，藻类的至少一部分可以是球等鞭金藻。在一些实施方案中，对于每平方米，生物反应器照明系统可以包括至少四个光源。
附图简述
被视为本发明的主题在说明书的结束部分被特别地指出并且被清楚地要求保护。然而，在连同附图阅读时，通过参考下面的详细描述，可以很好地理解本发明关于组织和操作的方法、以及其目的、特征和优点，其中：
图1示意性地图示出了根据本发明的一些实施方案的藻类培养容器喷射系统的框图；
图2A示意性地图示出了根据本发明的一些实施方案的具有至少一个照明单元的藻类培养容器喷射系统的框图；
图2B示意性地图示出了根据本发明的一些实施方案的具有至少一个照明单元201和单个喷射器的藻类培养容器喷射系统200的框图；和
图3示出了根据本发明的一些实施方案的喷射藻类培养容器的方法的流程图。
将理解，为了简单和清楚地说明，附图中示出的元件不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可以相对于其他元件被放大。此外，在认为适当的情况下，参考数字可以在附图中重复以指示相应的或类似的元件。
发明的实施方案的详述
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，没有详细地描述公知的方法、程序、和部件，以便不使本发明模糊。
现在参考图1，其示意性地图示出了根据本发明的一些实施方案的藻类培养容器喷射系统100的框图。应该注意，图1中箭头的方向可以指示信息流的方向。
在一些实施方案中，喷射系统100可以包括至少一个具有多于一个喷嘴的第一喷射器101，该第一喷射器101以第一操作流速将第一预定的流体(例如，空气和/或氮气气泡)分配到水填充的藻类培养容器10(例如，生物反应器)中，以便允许在其中混合。喷射系统100还可以包括至少一个具有多于一个喷嘴的第二喷射器102，该第二喷射器102以第二操作流速将第二预定的流体(例如，包括用于质量传递的具有CO2和/或溶解的磷的气体气泡)分配到容器10中。
在一些实施方案中，喷射系统100可以包括至少一个控制器103，以控制第一操作流速和第二操作流速。根据一些实施方案，第一喷射器101和第二喷射器102的至少一个喷嘴可以基于来自至少一个控制器103的请求将流体分配到培养容器10中，如下文进一步描述的。在一些实施方案中，第一操作流速可以基于第二操作流速。在一些实施方案中，第一操作流速和第二操作流速中的至少一个是预定的。
在一些实施方案中，第一操作流速可以适于允许培养容器10中藻类的湍流混合。在一些实施方案中，第二操作流速可以适于允许培养容器10中的液体中的材料的质量传递和/或同化。
在一些实施方案中，第二预定的流体可以包括具有超过30％CO2浓度的气体气泡。根据一些实施方案，至少一种第一预定的流体和第二预定的流体的来源可以在喷射系统100的外部，例如地热发电站可以为第二预定的流体提供溶解的碳和/或硫的来源。
在一些实施方案中，第一喷射器101的至少一个喷嘴的第一操作流速(例如，100毫米/分钟)可以不同于第二喷射器102的至少一个喷嘴的第二操作流速(例如，5毫米/分钟)。
在一些实施方案中，第一喷射器101的至少一个喷嘴可以具有大于～1毫米的直径。在一些实施方案中，第二喷射器102的至少一个喷嘴可以具有小于～1毫米的直径。在一些实施方案中，第一喷射器101的喷嘴以及第二喷射器102的喷嘴可以分配相同的流体(例如空气)，其中每个喷射器的喷嘴具有不同的直径。
在一些实施方案中，喷射系统100还可以包括物理屏障104，以分离培养容器10内的由第一喷射器101分配的第一流体和由第二喷射器102分配的第二流体。在一些实施方案中，第一喷射器101和/或第二喷射器102的至少一个喷嘴可以被嵌入到物理屏障104中。在一些实施方案中，物理屏障104可以适于允许在培养容器10的预定(例如，上部和下部)位置从屏障的一侧(具有第一流体分配)流到另一侧(具有第二流体分配)，以便在容器10内产生受控的流动。
在一些实施方案中，喷射系统100还可以包括至少一个传感器105(例如，温度传感器)，该至少一个传感器105被耦接至控制器103并且被配置成检测培养容器10内的至少一个特征。例如，至少一个传感器105可以检测培养容器10内的pH水平、温度和压力条件中的至少一个。在一些实施方案中，至少一个传感器105还可以检测培养容器10外部的参数，例如测量来自培养容器10的气体排出物的质量流量，以通过从被插入容器(例如，通过第二喷射器102)的量中减去排出的量来确定被吸收到藻类细胞中的物质的量。
在一些实施方案中，喷射系统100还可以包括至少一个数据库106(或存储器单元)，其被配置成存储用于操作控制器103的算法，例如用于每个喷嘴和/或每个喷射器的操作速率的数据库。在一些实施方案中，喷射系统100还可以包括电源107，该电源107被耦接至控制器103并被配置成向喷射系统100提供电力，由此电源107适于向至少一个第一喷射器101和至少一个第二喷射器102供电以在不同的速率下操作。
在一些实施方案中，由至少一个传感器105收集的数据可以通过控制器(或处理器)103来分析，以检测属性是否超过预定的阈值，例如容器10内的pH水平和/或温度和/或CO2浓度的阈值。在培养容器10内的条件(例如，如通过传感器105检测的)超过至少一个阈值的情况下，那么控制器103可以以不同的流速操作第一喷射器101的至少一个喷嘴和/或第二喷射器102的至少一个喷嘴。例如，检测容器10内的CO2浓度超过40％(或检测低的pH水平)可以导致第二喷射器102的至少一个喷嘴将第二喷射器102的流速降低到～2毫米/分钟。在一些实施方案中，第二喷射器102的至少一个喷嘴可以仅在从传感器105接收到属性超过预定的阈值的信号时操作，并且不以恒定速率操作。
在一些实施方案中，第一喷射器101的至少一个喷嘴可以仅在从传感器105接收到属性超过预定的阈值的信号时操作，例如随着藻类群体的密度的增加而增加混合流量。根据一些实施方案，第一喷射器101的至少一个喷嘴和/或第二喷射器102的至少一个喷嘴可以以恒定速率操作，由此操作不是连续的。根据一些实施方案，第一喷射器101的至少一个喷嘴和/或第二喷射器102的至少一个喷嘴可以以非恒定速率操作，由此操作也不是连续的。
在一些实施方案中，培养容器10可以具有鼓泡塔构造，其中至少一个第一喷射器101和至少一个第二喷射器102被定位在鼓泡塔容器的同一表面上。在一些实施方案中，培养容器10可以具有气升构造，其中至少一个第二喷射器102被定位在下降管(down-comer)的底部部分，其可以远离传感器105，使得来自至少一个第二喷射器102的气泡的停留时间可以增加。
在一些实施方案中，喷射系统100可以允许容器10内至少20％的有机碳，相比于作为CO2气泡提供的碳计算的。在一些实施方案中，容器10内的至少一部分藻类是小球藻(Chlorella Vulgaris)。在一些实施方案中，容器10内的至少一部分藻类是微拟球藻属(Nannochloropsis)。在一些实施方案中，容器10内的至少一部分藻类是球等鞭金藻(Isochrysis galban)。
现在参考图2A，其示意性地图示出了根据本发明的一些实施方案的具有至少一个照明单元201的藻类培养容器喷射系统200的框图。应该注意，图2A中箭头的方向可以指示信息流的方向。
在一些实施方案中，藻类培养容器喷射系统200可以包括至少一个被耦接至控制器103的照明单元201，以照明培养容器10。在一些实施方案中，至少一个照明单元201和控制器103(或另一个控制器)可以被包括在用于藻类生长的生物反应器照明系统208中。在一些实施方案中，培养容器10和至少一个照明单元201之间的距离可以被修改，以便控制由培养容器10接收的照明。例如，使至少一个照明单元201更靠近培养容器10，以便增加其中的藻类的照明。在一些实施方案中，培养容器10和至少一个照明单元201之间的距离可以由例如包括在照明系统208中的控制器103控制。根据一些实施方案，除了或代替改变照明单元201距培养容器10的距离，可以控制照明单元201中的照明强度光源202。
在一些实施方案中，至少一个照明单元201可以包括至少一个光源202(例如，LED)，使得每个光源202可以由控制器103单独地控制。在一些实施方案中，至少一个光源202可以被控制以与另一个光源202不同的强度照明。根据一些实施方案，所有光源202可以被控制以手动地或根据预设的定时和/或培养容器10中感测的条件来改变照明强度。
在一些实施方案中，具有物理屏障104的培养容器10可以包括被嵌入到物理屏障104中的至少一个光源202(如图1中示出的)，使得容器10可以从内部，即从被嵌入到物理屏障104中的至少一个光源202被照明。根据一些实施方案，培养容器10可以包括多于一个物理屏障104，每个物理屏障包括至少一个光源202，使得可以创建模块化系统，其中藻类在相邻的物理屏障104之间生长，其中至少一个控制器103可以控制被嵌入到物理屏障104中的所有光源202的照明。
如对于本领域普通技术人员可以明显的是，输送到培养容器10的光的量可以被定义为输送到培养容器10的表面的光通量的平均值。因此，对于超高密度培养物(例如，密度高于～5克/升)的喷射系统200，至少一个照明单元201可以具有至少一个光源202的光分配，以便提供基本上等于低密度培养物(例如，密度低于～5克/升)的平均光通量的平均光通量，实现类似的光渗透，同时至少一个照明单元201对于每个光源202可以具有较高的强度。在一些实施方案中，培养容器10内的光强度可以用至少一个传感器105来测量。
例如，对于超高密度培养物，光通路可以是短的(例如，～1毫米-5毫米的照明区域以及～20毫米-30毫米的黑暗区域)，使得邻近照明单元201的藻类细胞可以被光抑制(对藻类的亚致死效应)和/或被光漂白(对藻类的致死效应)，因此照明单元201可以最初与容器10保持一定的距离以允许藻类的一些生长，并且然后更靠近(例如，一天一次)，以便进一步增加藻类生长。在一些实施方案中，由于短的光通路，超高密度培养物可能需要混合，以便允许用于藻类的照明循环(在照明区域和黑暗区域之间)。在一些实施方案中，超高密度培养物可以用各种波长照明，因为在这样的密度下，由于短的光通路，波长可能对生长几乎没有影响。应该注意，根据通常的实践，藻类用特定的波长(例如，用蓝光)照明，用于正常的生长，因为藻类应该对光不同地响应，然而由申请人进行的实验已经示出用任何波长的照明可以用于超高密度培养物。
根据一些实施方案，光渗透到培养容器10中可以对应于光强度、光波长、特定的藻类株和/或藻类培养物密度中的至少一种。应该注意，光渗透到培养容器10中可以确定培养容器10内的照明区域和黑暗区域之间的分配(ration)，并且因此可以影响由照明单元201提供的光强度、通过第一喷射器101的气体流速、通过第二喷射器102的气体流速等。
在一些实施方案中，培养容器10可以由至少一个照明单元201照明，以提供在培养容器10内每天超过90％的最大藻类生长的量。
在一些实施方案中，至少一个照明单元201可以包括高强度光源202的低分配配置。与具有低强度光源的均匀分配的通常的实践配置相比，这样的配置可以允许增强的藻类生长。在一些实施方案中，至少一个光源202的照明光子通量密度是1200微摩尔/米2/秒。在一些实施方案中，对于每平方米，至少一个照明单元201可以包括至少四个光源202。例如，具有约6平方米的表面积、约4cm的光路的照明单元201可以包括24个LED光源202，每个LED光源202具有1200微摩尔/米2/秒的光通量。在一些实施方案中，容器10内的至少一部分藻类是球等鞭金藻。
在一些实施方案中，控制器103可以被配置成控制至少一个光源202的照明波长，例如利用适于修改发射的照明的波长的专用的照明模块。在一些实施方案中，可以在容器10内维持27℃的恒定温度。
在一些实施方案中，控制器103可以被配置成控制至少一个光源202以用650纳米的波长进行照明。应该注意，根据通常的实践，藻类用特定的波长(例如，用蓝光)照明，用于最佳生长，然而由申请人进行的实验已经示出用其他波长(例如，用红光)的照明可以用于增强的生长。
现在参考图2B，其示意性地图示出了根据本发明的一些实施方案的具有至少一个照明单元201和单个第三喷射器211的藻类培养容器喷射系统210的框图。应该注意，图2B中箭头的方向可以指示信息流的方向。
在一些实施方案中，喷射系统210可以包括至少一个具有至少一个第三喷射器211(具有至少一个喷嘴)的照明单元201，该第三喷射器211被配置成将预定的流体分配到培养容器10中。在一些实施方案中，至少一个第三喷射器211可以包括分配第一预定的流体的至少一个喷嘴和分配第二预定的流体的至少一个喷嘴(例如，具有不同的直径)。在一些实施方案中，至少一个第三喷射器211可以适于允许在培养容器10中湍流混合藻类，以及适于允许容器10中的液体中CO2的同化。
现在参考图3，其示出了根据本发明的一些实施方案的喷射藻类培养容器10的方法的流程图。在一些实施方案中，该方法可以包括控制301至少一个第一喷射器101以在第一操作流速将第一流体分配到容器10中。在一些实施方案中，该方法还可以包括控制302第二喷射器102以在第二操作流速将第二流体分配到容器10中。在一些实施方案中，至少一个第一喷射器101的第一操作流速可以不同于至少一个第二喷射器102的第二操作流速。在一些实施方案中，该方法还可以包括测量303容器10内的至少一个参数，并且根据至少一个测量的参数的变化来改变304至少一个第二喷射器102中的至少一个的操作流速。
在一些实施方案中，第一操作流速可以适于允许在培养容器中湍流混合藻类，并且第二操作流速可以适于允许培养容器中的液体中的材料的同化。
除非明确地说明，否则本文描述的方法实施方案不限于特定的时间次序或时间顺序。此外，在方法的操作顺序期间，可以跳过所描述的方法要素中的一些，或者可以重复它们。
已经呈现了各种实施方案。这些实施方案中的每一个当然可以包括来自所呈现的其他实施方案的特征，并且未具体地描述的实施方案可以包括本文描述的各种特征。

Claims (7)

1.一种藻类培养容器喷射系统，包括：
至少一个传感器，所述至少一个传感器测量容器内的至少一个参数；
至少一个第一喷射器，所述至少一个第一喷射器以第一操作流速将第一流体分配到所述容器中；
至少一个第二喷射器，所述至少一个第二喷射器基于至少一个测量的参数以第二操作流速将第二流体分配到所述容器中；
至少一个光源，所述至少一个光源照明所述容器的内部；和
至少一个控制器，所述至少一个控制器控制所述第一操作流速和所述第二操作流速，
其中所述控制器被配置成控制所述至少一个光源，其中所述第一操作流速适于允许在所述培养容器中湍流混合藻类，并且其中所述第二操作流速适于允许所述培养容器中的液体中的材料的同化。
2.如权利要求1所述的系统，包括至少两个光源，其中至少一个光源被控制成以与另一个光源不同的强度照明。
3.一种用于藻类生长的生物反应器照明系统，所述系统包括：
至少一个光源，所述至少一个光源照明生物反应器的内部；和
至少一个控制器，所述至少一个控制器控制所述至少一个光源的照明光子通量密度，
其中所述生物反应器被照明以提供所述生物反应器内每天超过90％的最大藻类生长的量。
4.如权利要求3所述的系统，其中至少一个光源的所述照明光子通量密度是1200微摩尔/m2/s。
5.如权利要求3所述的系统，其中至少一个光源是发光二极管。
6.如权利要求3所述的系统，其中所述藻类的至少一部分是球等鞭金藻。
7.如权利要求3所述的系统，每平方米包括至少四个光源。
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