CN111200926A - 土壤富集系统和方法 - Google Patents

Abstract

本技术的各种实施例提供了用于土壤富集的方法和系统。该系统可以包括联接到初始处理系统的生物反应器系统，其用于在农业有效规模上培养包含有机营养物的活微生物培养物。该系统可以是自动化的和/或可移式的，以实际应用到目标场地上。可以将活微生物培养物输送到目标场地的土壤上，用有机营养物富集土壤，该有机营养物可被土壤中生长的农作物生物利用。土壤富集系统可以为农业提供可持续的方法，其可以有效地增强任何农作物的自然土壤的自然过程。

Description

土壤富集系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请是序列号为14/049,932的2013年11月1日提交的题为“基于微藻的土壤接种系统和使用方法”的美国专利申请的部分延续申请，该美国专利申请是2012年5月3日提交的指定了美国的国际专利申请PCT/US2012/36293的延续申请，该国际专利申请要求2011年5月3日提交的序列号为61/481,998的美国临时申请的优先权，本申请通过引用将所有这些申请的公开内容并入。但是，当本公开与任何引用的申请冲突时，本公开将被优先考虑。

背景技术

健康农作物的种植需要土壤中足够量的有机物。随着土壤中的微生物分解有机物，各种有益的微量营养素和宏量营养素被释放到植物的根部，并随后被植物的根部吸收。这个过程减少了土壤有机物，影响了土壤可持续支持植物生长的能力。

在诸如森林或草原的自然环境中，当死去的植物(例如，叶子、草等)掉落到地面、腐烂并被动物群耕作到土壤中时，土壤有机物得到补充。实际上，随着每一代植物生命的死亡和腐烂，植物生长所必需的营养物被循环使用。但是，由于农作物被持续不断地收获，土壤不能得到所需腐烂有机物的稳定供应以自然地补充农作物生长所需的营养物。为了使农作物成功可持续地生长，必须将有机物补充到土壤中。

富集农业土壤的主要方法是添加合成化学肥料。尽管合成肥料可以为农作物生长提供营养物，但它们不能持续补充土壤有机物。一些肥料，特别是氮，会提高土壤中的微生物活性，从而加速土壤有机物的消耗。不幸的是，合成肥料在较长时间上的应用已严重导致在一些世界上最重要的农业区的土壤广泛退化。

发明内容

本技术的各种实施例提供了用于土壤富集的方法和系统。该系统可以包括联接到初始处理系统的生物反应器系统，用于在农业有效的规模上培养包含有机营养物的活微生物培养物。该系统可以是自动化的和/或可移式的，以实际应用到目标场地上。可以将活微生物培养物输送到目标场地的土壤上，用有机营养物富集土壤，该有机营养物可被土壤中生长的农作物生物利用。土壤富集系统可以为农业提供可持续的方法，其可以有效地增强任何农作物的自然土壤的自然过程。

附图说明

当结合以下说明性附图考虑时，可以通过参考详细描述来获得对本技术的更完整的理解。在以下附图中，相似的附图标记在所有附图中指代相似的部分和步骤。

为了简单和清楚起见，示出了图中的部分和步骤，并且不一定根据任何特定的顺序或比例来呈现。例如，在附图中示出了可以同时执行或以不同顺序执行的步骤，以帮助提高对本技术的实施例的理解。

所描述的附图仅出于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。通过详细描述和附图，可以更全面地理解本技术的各个方面，其中：

图1代表性地示出了土壤富集系统的示例性实施例；

图2是示例性的远程控制的土壤富集系统的框图；

图3是使用土壤富集系统富集目标场地土壤的示例性方法的流程图；

图4代表性地示出了容纳在可移式外壳内的土壤富集系统的示例性实施例；以及

图5是根据本技术的各个方面的土壤富集系统的框图。

具体实施方式

可以根据功能块组件和各种处理步骤来描述本技术。可以通过被配置为执行指定功能并获得各种结果的任何数量的组件来实现这样的功能块。例如，本技术可以采用各种处理步骤、设备、系统、方法、材料等，以进行过滤、泵送、流量控制、流体存储和转移、以及混合。另外，本技术可以与用于培养微生物、提供营养液、监视培养物的生长特性以及将培养物输送至农作物的任何数量的装置结合实践，并且所描述的系统仅仅是用于技术的示例性应用。

示出和描述的特定实施是对技术及其最佳模式的说明，并不旨在以任何方式限制本技术的范围。为了简洁起见，可能不详细描述常规制造、制备、过程步骤和系统的其他功能方面。此外，各个图中所示的连接线旨在表示各个部分之间的示例性功能关系和/或步骤。在实际的系统和方法中可能存在许多替代或附加的功能关系或过程步骤。

本技术的各种实施例提供了土壤富集系统，用于将诸如活微藻的活微生物有机体培养和输送到土壤上。活微藻可为土壤中生长的农作物的吸收提供营养物，例如蓝绿藻对大气中的氮的固定，能使农作物可利用氮。有益的有机化合物可能在微藻存活、死亡和腐烂时被微藻释放。微藻提供的营养物的具体情况可能取决于土壤富集系统中使用的微藻的菌株或种类。

在各种实施例中，与未处理的农作物相比，使用土壤富集系统可以使农作物的总产量提高约5％至39％或更高。在一些实施例中，与未经处理的农作物相比，从土壤富集系统富集了微藻的土壤可产生在农作物的质地、味道、大小、营养成分和/或产量上表现出改善的农作物。

与未处理的农作物相比，将土壤富集系统应用于土壤，可能会降低以下项中的一种或多种：总能耗、生态污染、温室气体排放、化学肥料的使用、农作物的总生产成本、耕作的成本、杀真菌剂、除草剂和/或杀虫剂的需求和使用、土壤压实、灌溉水的消耗、过度施肥的发生和/或径流及水土流失。同样，与未经处理的农作物相比，使用土壤富集系统可能会带来以下项的增加：农作物的微量营养素和宏量营养素的生物利用度、土壤孔隙率、土壤中的微生物活性、土壤的水/湿度保持力和/或土壤的有机含量，以及带来理想的植物特性的改进。

土壤富集系统的各种实施例可以应用于用于任何植物生长的任何土壤，无论是出于审美原因还是为了食用而生长该植物。例如，土壤富集系统可以应用于任何基于土壤的农场、公园、水培农场、鱼菜共生、苗圃、高尔夫球场、运动场、果园、花园、动物园以及任何生长农作物或植物的地方。

参照图5，根据本发明的各个方面的用于土壤富集的方法和设备500可以与初始处理系统510、生长引发系统512和生物反应器系统514结合操作。初始处理系统510可以例如通过过滤和/或消毒该水来处理进入的水，以提供用于被生长引发系统512和生物反应器系统514处理的水。生长引发系统512向水中添加物质(诸如营养物)以生长活微生物有机体。生物反应器系统514为活微生物有机体提供环境以使其在被分配到目标区域之前生长。土壤富集系统500可以进一步包括控制系统516，用于监视土壤富集系统500的各个部分的状态并控制其运行。

土壤富集系统500的各个实施例可包括一个或多个组件，并且可包括多于一个的任何单个组件。例如，参照图1，示例性土壤富集系统100的实施可以包括示例性初始处理系统510，其包括固体过滤器19、储水箱12、灭菌系统17和中和系统15。示例性生长引发系统512可包括一个或多个营养液进料装置，例如第一和第二营养液容器20、62，以将营养液添加到处理过的水中。示例性生物反应器系统514可包括一个或多个生物反应器16，以促进微生物接种和微生物的生长。该系统和方法可以包括各种附加的系统和子系统，例如一个或多个营养液容器、冰箱、光源、鼓风机、二氧化碳源、泵、阀、流体导管、空气导管、气体导管、空气过滤器、气体过滤器、控制系统、传感器、空调单元、排气系统、可移式外壳和/或外部收集器。

各种部件可以包括用于将流体输送进出的入口和/或出口。入口和/或出口可以联接到一个或多个流体导管，以提供进入和离开每个部件的流体连通。在各种实施例中，每个部件的入口和/或出口可以通过用于连接和适配流体导管的任何合适的配件来联接到其流体导管。例如，配件可包括适当的密封剂(例如PVC水泥或其他粘合剂和/或密封剂)、压缩配件、插入配件、组合配件、摩擦配件和/或适配件。

入口和出口可以被配置为联接至流体导管，使得灌溉水和其他流体可以行进通过土壤富集系统500。示例性土壤富集系统500内的组件的布置可以提供基本上自动的流通系统，用于例如在农业规模上生长一种或多种所需的微生物菌株，以进行土壤富集。

流体导管可包括适合用于输送相关流体的任何合适的空心配管和/或管。例如，流体导管可以包括PVC管、CPVC管、金属管、柔性塑料软管和/或柔性橡胶软管。在一些实施例中，整个土壤富集系统中的流体导管可以相同，或者可以改变流体导管以适应各种规格，诸如用于监视和控制目的(例如，摄像机成像)的透明性，或满足流体导管的内部直径的要求，以使流体缓慢地、快速地和/或按所需压力地移动。

土壤富集系统500及其各种部件可以是可移式的，例如以允许土壤富集系统在非永久性位置中操作。例如，在一些实施例中，土壤富集系统的全部或部分可以联接到可移式外壳和/或设置在可移式外壳(即，外壳可以移动)内。土壤富集系统500的可移式实施例可以被配置用于远程操作、一种或多种活微生物培养物的基本上连续的生产，和/或活微生物培养物到目标场地上的直接输送。

可移式外壳可以被配置为容纳并支撑土壤富集系统500。例如，可移式外壳可以包括轮式拖车，该轮式拖车可以由车辆从目标场地上的一个地点拖到同一目标场地上的另一个地点或一个完全不同的目标场地。在另一个示例中，可移式外壳可以包括常规的运输容器，例如钢的运输容器，其被配置为通过叉车或起重机被提升到平板卡车、拖车和/或火车上。常规的运输容器可以是任何合适的大小和/或尺寸，以适应土壤富集系统500的大小。土壤富集系统500可以被配置为全部或部分地在可移式外壳内操作。

土壤富集系统500的组件可以诸如经由内壁、地板和/或天花板固定到可移式外壳。可以使用任何合适的紧固件来固定这些组件，例如用于将流体导管固定到可移式外壳的壁的夹具，被螺栓固定到可以固定各种组件(例如消毒系统)的壁和/或天花板上的搁板，以及用于将一个或多个生物反应器固定在地板上的一个或多个框架。紧固件可以在土壤富集系统的运输和操作期间防止组件的相对旋转和/或纵向运动，以确保其完整性和稳定性。

土壤富集系统500可以被配置为允许在土壤富集系统的操作位置中的以及在将微生物培养物输送到接收位置的方法中的灵活性。例如，土壤富集系统500可以远离目标场地操作，例如在仓库、停车场、谷仓等中，在那里微生物培养物可以流动通过出口并进入外部收集器。然后可以将外部收集器运输到目标场地以输送微生物培养物。在另一个示例中，土壤富集系统500可以远程操作，然后被拖到目标场地以继续操作和/或允许微生物培养物流动通过出口并到目标场地上。

在各种实施例中，由土壤富集系统500产生的微生物培养物可以被引导到任何合适的接收位置。接收位置可以包括目标场地、外部收集器和/或任何合适的微生物培养物收获和/或存储设备。在一些实施例中，土壤富集系统500可以在一个位置操作，然后被运输到接收位置。在其他实施例中，土壤富集系统500可以在一个位置操作，并且可以收获微生物培养物并将其运输到接收位置。例如，在目标场地远离与土壤富集系统联接的外部水源而定位的情况下，微生物培养物可以流动通过出口进入位于可移式外壳内和/或位于可移式表面外部的外部收集器中。然后可以将外部收集器运输到目标场地，以输送微生物培养物或进一步脱水和/或存储微生物培养物。在另一个示例中，在目标场地位于外部水源附近的情况下，微生物培养物可以流动通过出口直接到目标场地上。

例如，参照图4，在一些实施例中，土壤富集系统500可以在可移式外壳400内部并联接到可移式外壳400，如常规的运输容器。土壤富集系统500的可移动性可以允许土壤富集系统从一个位置到另一个位置的运输。土壤富集系统500内的任何一个或多个组件可以联接到可移式外壳400。

可移式外壳400可以通过门420进入，使得土壤富集系统500的人员和组件可以进入。在一些实施例中，门420可配备有气密板410，气密板410配置成在门420关闭时提供气密密封。该气密密封可以防止污染生物反应器16。可移式外壳400可以包括环境控制，例如加热通风、空调和湿度控制系统405，以调节可移式外壳400内的周围环境。

在一些实施例中，可移式外壳400可以包括用于联接流体导管或馈送通过流体导管的进入端口415，该流体导管连接到位于可移式外壳400外部的水源5。在一些实施例中，可移式外壳400可以容纳储水器425，其被配置为用于供应灌溉水的水源5。在一些实施例中，可移式外壳400可包括入口430，用于接收诸如来自二氧化碳源的气体导管。在一些实施例中，可移式外壳400可以包括端口435，端口435被配置为流体导管提供开口，该流体导管携带微生物培养物，以输送到目标场地55和/或外部收集器37。

再次参照图5，水源5将水供应到土壤富集系统500。从水源5流出的水可称为“灌溉水”。水源5可以包括适合于植物灌溉的任何合适的灌溉水源。在一些实施例中，水源5可能处于压力下，例如来自井或者城市、城镇或市政当局的公用设施的水。在一些实施例中，水源5可以基本上不加压。例如，水源5可以包括固定的储水器、再生废水、井水、湖水、小溪水、池塘水、雨水、河水和/或淡水。

在各个实施例中，可以通过地下的灌溉管和/或通过存储在灌溉储水箱中的灌溉水，将灌溉水供应到土壤富集系统。灌溉储水箱可以被配置为以任何适当的方式临时保持灌溉水并将水转移到土壤富集系统500。例如，参照图1，当使用基本未加压的水源时，泵18可联接至水源5以在压力下将灌溉水泵到土壤富集系统500中。在一些实施例中，被选择在土壤富集系统500中使用的灌溉水可表现出低盐度和/或不含重金属以支持微生物和/或要在富含微生物的土壤中生长的植物的生长。

在一个实施例中，灌溉储水箱可以放置在可移式表面上或便携式外壳内，使得土壤富集系统被完全容纳在可移式外壳中并且能够在其内操作。在其他实施例中，土壤富集系统可以在可移式外壳中被运输到靠近水源5的出口的位置，并且可以保持在该位置以进行操作。

初始处理系统510处理进入的水，以使该水准备被生长引发系统512和生物反应器系统514处理。初始处理系统510可以根据任何适当的标准处理水，例如过滤水和/或对水消毒以去除可能损害土壤富集系统500的物质和/或抑制水中待生长的有机体生长的物质。在一个实施例中，初始处理系统510从水中过滤污染物并且对水消毒以从水中去除所有活有机体。再次参照图1，示例性的初始处理系统510可以包括一个或多个过滤器18、19、消毒系统17和中和系统15。

过滤器可以例如在灌溉水进入生物反应器系统514之前，从灌溉水中去除固体和/或其他不期望的物质。在一些实施例中，灌溉水通过的土壤富集系统的第一组件可以是第一固体过滤器19。第一固体过滤器19可以配置成从灌溉水中去除固体，例如大于特定尺寸的固体，以形成过滤后的灌溉水。在一些实施例中，第二固体过滤器60可以配置成从经消毒的灌溉水中去除固体，该经消毒的灌溉水是从储水箱12流到中和系统15的。

在各个实施例中，第一固体过滤器19和第二固体过滤器60可包括配置成去除固体的各种合适的过滤器。在各种实施例中，第一固体过滤器19和第二固体过滤器60可包括：介质过滤器、盘式过滤器、筛式过滤器、微孔陶瓷过滤器、碳块过滤器、碳树脂过滤器、粒状碳、碳浸渍的过滤介质、膜过滤器、微孔介质过滤器、反渗透过滤器、慢砂滤床、快砂滤床和/或滤布。在一些实施例中，第一固体过滤器和/或第二固体过滤器可包括流动通过式过滤器。例如，固体过滤器可包括聚丙烯微纤维折叠袋式过滤器，例如可从www.filterbag.com获得的X100折叠袋式过滤器，或带有可重复使用的袋式过滤器的聚丙烯过滤器，例如可从www.pentairaes.com获得的FV1袋式过滤器。在一些实施例中，第一固体过滤器和第二固体过滤器可以是相同类型的过滤器。在其他实施例中，第一固体过滤器可以是与第二固体过滤器不同类型的过滤器。

储水箱12可以存储灌溉水或经过滤的灌溉水。储水箱12可以包括任何合适的容器，并且可以根据尺寸、形状因素、材料或其他合适的标准来选择。储水箱12还可以提供用于处理(例如消毒)水的容器。

在一个实施例中，储水箱12可包括用阀盖住的开口。流体导管可以附接到阀，用于从水源5和/或第一固体过滤器19转移水，例如以提供灌溉水和/或经过滤的灌溉水进入储水箱12的路径。储水箱12可以包括用于保存水的任何合适的容器，例如柔性囊、钢箱、衬有环氧的钢箱、玻璃箱和/或聚乙烯箱。例如，储水箱可以包括高密度或低密度聚乙烯材料。

在一些实施例中，储水箱12可以升高到土壤富集系统500的其他组件上方，从而以重力将灌溉水和/或经过滤的灌溉水供给到输入泵。在一些实施例中，储水箱12可具有锥形底部。在一些实施例中，储水箱12可以包括不透明的、黑色的和/或其他遮光的材料，以减少或消除储水箱12中的灌溉水和/或经过滤的灌溉水暴露于光，以阻止不想要的微生物生长。

初始处理系统510的各种实施例可以包括消毒系统17，该消毒系统17被配置为，当在储水箱12中时对灌溉水和/或经过滤的灌溉水进行基本消毒。用消毒系统17处理灌溉水和/或经过滤的灌溉水可以产生经消毒的灌溉水。在各种实施例中，消毒系统510可以包括产生灌溉水和/或经过滤的灌溉水的消毒作用的任何合适的化学制品和/或设备，例如臭氧发生器、氯发生器、用于沸腾的热源、加压蒸汽、辐射和溶解氧发生器。例如，在一些实施例中，储水箱12可包括联接至阀的出口，以连接至流体导管(诸如软管)，至臭氧发生器或氯发生器(其可分别注入臭氧气体或氯)，进入容纳有灌溉水和/或经过滤的灌溉水的储水箱。灌溉水和/或经过滤的灌溉水可以在储水箱12中保留预定的停留时间，以允许消毒过程杀死水中的所有微生物。

消毒系统17的各种实施例可包括臭氧发生器。在一些实施例中，臭氧发生器可以被配置为从干燥空气中产生臭氧气体O₃。在一些实施例中，臭氧发生器可以联接到被配置为产生90％氧的溶解氧发生器。由臭氧发生器产生的臭氧气体可以杀死灌溉水和/或经过滤的灌溉水中存在的不想要的微生物。臭氧气体还可能降解有机污染物，例如除草剂、杀虫剂和杀真菌剂，如果不降解它们，则可能会损害在生物反应器系统中培养的微生物。臭氧发生器可以包括用于产生臭氧气体的任何合适的系统，例如Pacific Ozone生产的的ModelO1、Absolute Ozone的Nano、Ozotech的OZ8PC20或AirSep Topaz系列。

在各个实施例中，灌溉水和/或经过滤的灌溉水在储水箱12中用于消毒的停留时间可以与它们的数量、存在的微生物的量和/或存在的有机污染物的量中的一个或多个相关。例如，臭氧气体可以存在于储水箱12中的灌溉水和/或经过滤的灌溉水中大约24小时，然后才能使经消毒的灌溉水离开储水箱12并进入进水泵。施加到储水箱12中的灌溉水和/或经过滤的灌溉水的臭氧气体的浓度可以为大约百万分之0.2(0.2ppm)至大约0.5ppm的臭氧气体。通过在储水箱12中使用气体扩散器可以进一步改善消毒，其中气体扩散器被配置为将臭氧气体更有效地分配到灌溉水和/或经过滤的灌溉水。

消毒系统17的各种实施例可包括氯发生器。在一些实施例中，氯发生器可以包括从盐产生次氯酸的氯发生器电池(cell)。在一些实施例中，注入储水箱12中的次氯酸的剂量可以由定量泵和控制系统(例如以下描述的PLC系统)控制。

土壤富集系统500的各种实施例可包括输入泵18，例如常规的水泵。在一些实施例中，经消毒的灌溉水可通过流体导管流出储水箱12，其中流体导管可联接至输入泵18的入口。另一流体导管可联接至输入泵18的出口，其中经消毒的灌溉水可以以比通过输入泵18的入口进入的经消毒的灌溉水更快的速度和/或压力从输入泵18的出口推出。

输入泵18可以被打开以推动经消毒的灌溉水通过中和系统15，并且经中和的灌溉水进入生物反应器系统514。输入泵18可以被关闭以停止经消毒的灌溉水和经中和的灌溉水的流动。输入泵18的控制可以在生物反应器系统514中维持足够的水位。在一些实施例中，流量开关可以联接到输入泵18的出口并且被配置为调节通过输入泵18的流量和/或压力。

土壤富集系统500的各个实施例可包括中和系统15，该中和系统15用于去除或中和用于起消毒作用以产生经消毒的灌溉水的任何化学制品。中和这些化学制品可以防止化学制品杀死和/或阻止在生物反应器系统514中生长的微生物的生长。中和系统15的各种实施例可以被配置为流动通过式系统，其中随着经消毒的灌溉水通过中和系统15，经消毒的灌溉水中的化学制品被中和。

经消毒的灌溉水可通过流体导管进入、通过和/或离开中和系统15。例如，在一个实施例中，经消毒的灌溉水可通过流体导管离开储水箱12并进入第二固体过滤器60，然后通过流体导管离开第二固体过滤器60并进入中和系统15。第二固体过滤器60可包括中和系统15、消毒系统17或储水箱12的一部分，或者它可以是单独的组件。在另一个实施例中，省略了第二固体过滤器60，并且经消毒的灌溉水可以通过流体导管离开储水箱12以进入中和系统15。

经消毒的灌溉水可以由中和系统15处理以形成经中和的灌溉水。在消毒系统17包括臭氧发生器的一些实施例中，由于臭氧的去除和/或降解，用中和系统15处理经消毒的灌溉水可以形成脱臭氧的灌溉水。在消毒系统17包括氯化系统的一些实施例中，由于氯的去除和/或降解，用中和系统15处理经消毒的灌溉水可以形成脱氯的灌溉水。

在各种实施例中，中和系统15可以包括紫外(UV)线系统、碳过滤器或两者的组合。可以使用紫外光系统或碳过滤器来中和臭氧。紫外光系统和碳过滤器的组合可用于中和氯。在一些实施例中，中和系统15可以包括常规的脱氯系统以中和氯。常规的脱氯系统通常可以添加二氧化硫、亚硫酸盐或过氧化氢以去除残留的氯。

紫外光系统可以将经消毒的灌溉水暴露于紫外辐射，以降解臭氧(脱臭氧)或降解氯(脱氯)，从而产生经中和的灌溉水。在一些实施例中，紫外光系统可被配置为流动通过式系统，在其中，当经消毒的灌溉水通过紫外光系统时，其被脱臭氧和/或脱氯。合适的紫外光系统可包括Aquafine生产的的CSL系列和UV Sciences的UVS3XX系列(www.aquafineuv.com；加利福尼亚州巴伦西亚)。在一些实施例中，由于紫外辐射本身杀死微生物并降解有机化合物，所以紫外光系统可以对经消毒的灌溉水进一步进行消毒。

碳过滤器可以被配置为流动通过式系统，在其中，当经消毒的灌溉水通过碳过滤器时，其被脱臭氧或脱氯，从而产生经中和的灌溉水。碳过滤器通常可以使用活性炭，例如颗粒的和/或粉末的活性炭。在一些实施例中，碳过滤器可包含最少约0.65kg的活性炭。合适的碳过滤器可包括，例如，Filter Water的20英寸碳块滤筒系统(Carbon BlockCartridge Filter System)(www.filterwater.com)。

在土壤富集系统500的各种实施例中，中和系统15可以通过生长引发系统512联接到生物反应器系统514。生长引发系统512可以将营养液添加到水中，其包括一种或多种农作物营养物，例如宏量营养素、微量营养素和/或营养基质，例如常规微藻饲料或细菌生长基质。

例如，再次参照图1，在一些实施例中，一个或多个营养液容器20、62可以联接至位于中和系统15与生物反应器系统514之间的流体导管。每个营养液容器20、62可以容纳营养液以输送到生物反应器系统514中。营养液可以包含维生素溶液。另一营养液可以包括矿物质溶液。在一些实施例中，一个或多个营养液容器20、62可以位于中和系统15的下游，以防止营养液降解和/或防止营养液影响中和系统15的效果。

如果需要低于可移式外壳中的环境温度的温度来保持营养液，则溶液容器20、62可以被容纳在冰箱中。例如，维生素溶液可能需要在4℃冷藏，而矿物质溶液可以在环境温度下保存。

在一些实施例中，营养液容器20、62可包括被配置为被消毒并保持其内部容积无菌的任何容器。一个或多个营养液容器20、62可保存一定量的营养液并提供出口以允许将营养液添加到经中和的灌溉水。在一些实施例中，一个或多个营养液容器20、62可以包括可以被高压灭菌的材料，例如聚丙烯、玻璃和/或含氟聚合物。一个或多个营养液容器20、62可包括无菌排气口和/或阀，以维持营养液的无菌性。在各种实施例中，泵18可以联接到一个或多个营养液容器20、62，以将预先选定剂量的营养液提供到经中和的灌溉水中。在一些实施例中，流体导管可包括一个或多个阀，其可控制经中和的灌溉水和/或营养液到一个或多个生物反应器16的输送。

再次参照图5，土壤富集系统500的各种实施例可包括生物反应器系统514。生物反应器系统514可包括一个或多个任何合适的生物反应器，其包括微生物生长室，该微生物生长室配置成接收微生物接种物和/或提供支持微生物接种物生长的内部环境。例如，再次参照图1，生物反应器系统514可以包括500加仑的圆柱形搅拌罐容器，该容器配置成用于维持其内部容积的无菌性以及使微生物接种物作为悬浮培养物生长。在各种实施例中，生物反应器系统514可以包括间歇式生物反应器或连续的生物反应器。经中和的灌溉水和营养液可以通过联接到流体导管的阀进入一个或多个生物反应器16。

可以通过将清洁液例如通过阀和/或流体导管引入生物反应器来清洁生物反应器16。清洁液可包括用于对一个或多个生物反应器16的内部消毒的任何合适的化学漂洗液，例如稀释的漂白液或硫酸溶液。清洁液可以在一个或多个生物反应器16中保留足够的时间，以杀死可能在一个或多个生物反应器16中的任何微生物，例如细菌和/或藻类。然后可以将清洁液从一个或多个生物反应器16中去除，例如通过抽吸和/或通过联接到一个或多个生物反应器16的出口。在一些实施方案中，一个或多个生物反应器16的内壁可以手动擦洗。在一些实施方案中，在用微生物接种物接种之前，可以用清洁液对生物反应器16消毒。例如，可在接种前用清洁液对一个或多个生物反应器16消毒约一个小时。

生物反应器系统514的一些实施例可以包括由控制系统516控制的自动清洁系统70。自动清洁系统70可以包括用于保存清洁液的清洁液容器68和用于将清洁液从清洁液容器68泵送到流体导管和/或一个或多个生物反应器16中的泵18。在一些实施例中，一个或多个生物反应器16中的每个可包括专用阀，用于连接通向清洗液的清洁液容器68的流体导管。

在各种实施例中，生物反应器系统514中的一个或多个生物反应器16中的每个可以在生物反应器的容量和/或类型上彼此相同或不同。每个生物反应器16可以包括任何合适的材料，例如玻璃和/或塑料。在一些实施例中，该材料可以是基本上透明的，以允许光穿透到生物反应器16中，以支持包含光合微生物(如藻类和/或光合细菌)的微生物接种物的生长，以生长成微生物培养物。

在各种实施例中，生物反应器系统514中的每个生物反应器16可包括任何数量的端口，这些端口提供到生物反应器16的内部容积的通道。例如，在一个实施例中，端口可以联接至流体导管。在另一个实施例中，端口可以提供到微生物培养物的各种传感器通道。

在一些实施例中，生物反应器系统514包括多个生物反应器16，其可以被配置为生长多种不同的微生物接种物。例如，每个生物反应器16可以生长：a)相同的微生物接种物，例如微藻的无菌培养物，或b)两种或更多种不同类型的微生物接种物，例如两种或更多种不同的微藻菌株。在一些实施例中，每个生物反应器16可容纳不同的微生物接种物。例如，一个生物反应器16可以容纳一种微藻菌株，另一生物反应器16可以容纳两种不同的细菌菌株，又一生物反应器16可以容纳两种不同微藻菌株的混合物。微生物接种物的选择可以基于可将所得微生物培养物释放到其上的农作物或植物的营养需要。

可调节经中和的灌溉水和营养液的体积和/或流量，以提供到土壤中的适当程度的微生物培养物渗透。例如，一个200英亩的目标场地可以4.17至8.33加仑/小时的输送速度，接收每天总体积为100至200加仑的微生物培养物，其可在施加到土壤之前用额外的灌溉水和/或经中和的灌溉水稀释。

在一个示例性的实施例中，微生物培养物可以包含一个或多个生物反应器16的每一个中的细胞滴度(细胞计数)，其可能随时间波动。细胞滴度可以包括与微生物培养物的健康和生产率有关的度量。细胞滴度以及微生物细胞重量可用于测量输送至土壤的生物量。细胞滴度和细胞重量可能是菌株和/或种类特定的，可能需要测量不同的度量以确定每个种类作为微生物接种物的生存力。例如，微生物培养物可以包含微藻作为微生物。微藻细胞滴度可包含每毫升微生物培养物至少约1,000,000细胞到每毫升微生物培养物大约25,000,000细胞。细胞滴度也可以是菌株特定的，并且可以高于或低于上述范围。

生物反应器系统514的各种实施例可以包括二氧化碳源66，以将碳源供应给微生物培养物。二氧化碳可以直接和/或间接地添加到一个或多个生物反应器。二氧化碳源66可以是容纳二氧化碳气体的罐、二氧化碳发生器、用于隔离和临时存储大气二氧化碳的二氧化碳-隔离，其组合。在一些实施例中，可以使用从空气中捕获的二氧化碳，例如使用在专利号为8,083,836(2010年10月13日提交)的“从空气中提取二氧化碳的方法和装置”中公开的方法。二氧化碳源66可通过联接至端口的气体导管联接至一个或多个生物反应器。一个或多个生物反应器可包括阀，其用于调节来自二氧化碳源66的二氧化碳的进入。

大气包含约0.035-0.04％wt.(重量百分比)的二氧化碳。尽管大气可以用作微生物培养物的二氧化碳源，但是二氧化碳的浓度通常太低而无法在一个或多个生物反应器中维持微生物的快速增殖。因此，如下所述，可以将二氧化碳添加到可以通过鼓风机注入到一个或多个生物反应器中的空气中。被加到一个或多个生物反应器的空气中的二氧化碳的浓度可以在以下范围内：约1-3％wt.、1.5-2.5％wt.、1.8-2.2％wt.或约2％wt.。在一些实施例中，可以将二氧化碳直接添加到一个或多个生物反应器中，并且可以通过pH控制器来控制二氧化碳的体积。当微生物培养物的pH升高到高于pH 8.0时，控制系统516可以打开阀以允许二氧化碳流入一个或多个生物反应器。二氧化碳可溶于水中，产生碳酸，从而降低了微生物培养物的pH。

生物反应器系统514的各种实施例可包括增强微生物生长的系统，例如混合系统和/或通气系统。例如，生物反应器系统514可以包括通气系统，例如空气泵或鼓风机30，其通过空气导管联接到生物反应器16并且被配置为对生物反应器16中的微生物培养物通气。在一些实施例中，鼓风机30可以被配置成通过阀将无菌空气注入一个或多个生物反应器16，该阀被配置成调节无菌空气进入一个或多个生物反应器16。该阀可以由控制系统516控制。例如，来自鼓风机30的空气可在其进入一个或多个生物反应器16之前，被过滤以对空气消毒。在一些实施例中，来自鼓风机30的空气可与来自二氧化碳源的二氧化碳结合，通过空气导管输送到一个或多个生物反应器16中。

在一些实施例中，鼓风机30可以联接至土壤富集系统500的其他部分以产生正压。贯穿土壤富集系统500的正压可以减少或防止组件被空气浮尘、微生物和/或湿气污染。例如，鼓风机30还可以向储水箱12和/或外部收集器提供空气流。在一些实施例中，来自鼓风机30的空气可以在将空气输送到储水箱12之前与臭氧结合。

生物反应器系统可以进一步包括环境控制系统或与环境控制系统协作。例如，土壤富集系统500的各种实施例可以包括一个或多个加热器，以在灌溉水、经消毒的灌溉水和/或经中和的灌溉水通过流体导管被引导时对它们加热。在一些实施例中，加热器可以加热生物反应器16中的微生物培养物，例如以在寒冷天气维持微生物培养物的最佳温度。

在一些实施例中，土壤富集系统500可以包括空调系统，以调节可移式外壳内的环境空气的温度。在炎热的夏季可能需要冷却环境空气，或在寒冷的天气需要加热环境空气，以保持在土壤富集系统500的组件中使用的各种材料和电子设备完好。

在各种实施例中，一个或多个生物反应器16可用于生长包含光合微生物的微生物培养物。为了生长光合微生物，可以将一个或多个生物反应器16配置为允许光源穿透到微生物培养物中。在一些实施例中，光源可以包括自然阳光。自然阳光可以被反射和/或弯曲以到达一个或多个生物反应器16。在一个实施方案中，生物反应器16可以包括可对光至少部分透明的壁，以允许自然光穿透到微生物培养物中。

在另一个实施例中，光源可以包括人造光源。人造光源可以包括被配置为提供强度和波长足够的光以生长光合微生物的任何合适的光源。例如，在一些实施例中，人造光源可以包括多个发光二极管(LED)，诸如LED管和/或片。在另一个实施例中，光源可以包括常规灯泡、荧光灯管、光纤灯等。人造光源可以设置在一个或多个生物反应器16的内部，嵌入到一个或多个生物反应器16的壁中，和/或联接到一个或多个生物反应器16。在一实施例中，人造光源可以在微生物培养物在生物反应器16中生长时被浸没在微生物培养物中，如“藻类培养系统和方法”(US 8,033,047，2008年10月23日申请)中所描述的那样。

在一些实施例中，联接至一个或多个生物反应器16的出口和/或联接至外部收集器的入口的流体导管也可以使用自然光和/或人造光。例如，流体导管可以包括光源以照亮导管的内容物。在另一个实施例中，流体导管可以暴露于自然阳光(包括反射和/或弯曲的阳光)。

土壤富集系统500的各种实施例可包括用于收获微生物培养物的脱水装置64。脱水装置64可以将微生物培养物浓缩成任何期望密度的浓缩的微生物浆液。脱水装置64可联接至生物反应器系统514，例如通过连接至一个或多个生物反应器16的出口和脱水装置64的入口的一个或多个流体导管。在一些实施例中，土壤富集系统500可包括一个以上的脱水装置64。脱水装置64可配置成将浓缩的微生物浆料输送到目标场地55和/或外部收集器37。脱水装置64可通过任何合适的过程浓缩微生物培养物，例如但不限于：1)絮凝和沉淀；2)浮选与收集；和/或3)离心。

在一些实施例中，脱水装置64可以被配置为通过向微生物培养物中添加化合物(其使微生物细胞凝集在一起并沉到脱水装置64的槽底部)，来通过絮凝和沉降过程产生浓缩的微生物浆料。可以从脱水装置64的槽顶部除去澄清的水，而将浓缩的微生物浆液留在脱水装置64的槽底部。然后可以将浓缩的微生物浆料泵送到目标场地和/或外部收集器中。

在一些实施例中，脱水装置64可以被配置为通过向微生物培养物中添加化合物(其使每个微生物细胞具有少量电荷)，来通过浮选和收集来产生浓缩的微生物浆料。随后，脱水装置64可以将微泡添加到微生物培养物中。带电的微生物细胞可能被吸引到气泡并漂浮到微生物培养物的表面，在那里它们被从表面撇去并被泵送到目标场地和/或外部收集器中。

在一些实施例中，脱水装置64可以被配置为通过离心过程产生浓缩的微生物浆料。在各种实施例中，可以使用固体碗式离心机和/或圆盘堆叠式离心机将微生物培养物离心。固体碗式离心机可以将微生物培养物中的微生物收集在旋转碗的内表面中。所得的微生物浆液可以是稠的，并且可以从旋转碗刮下来，并输送到目标场地和/或外部收集器上。圆盘堆叠式离心机可包括一大叠旋转不锈钢漏斗形件。微生物可能会聚集在漏斗形件的表面上，并可能流向收获盆，在此处微生物浆液聚集，直到被移除。旋转盘的速度可以确定产生的浓缩的微生物浆液的密度。排出的浓缩的微生物浆料可以被输送到目标场地和/或外部收集器上。

土壤富集系统的各种实施例可以包括配置成接收微生物培养物的外部收集器。土壤富集系统的一些实施例可以包括一个以上的外部收集器。外部收集器可以被配置成保存微生物培养物和/或浓缩的微生物浆液并且可以保持它们的无菌性。

在一些实施例中，外部收集器可以被配置成支持微生物培养物和/或浓缩的微生物浆液中的微生物的持续生长。例如，在一些实施例中，经中和的灌溉水和/或营养液可以被输送到外部收集器中以支持光合微生物的持续生长和/或健康，直到其被输送到目标场地上。

再次参照图1，在各个实施例中，微生物培养物可通过出口从一个或多个生物反应器16释放，流动通过一个或多个流体导管，并流到外部收集器37中以被储存。在各种实施例中，外部收集器37可包括至少部分透明的材料，例如高密度或低密度聚乙烯、聚碳酸酯、丙烯酸和/或PVC，以允许自然光或人造光穿透外部收集器37并进入微生物培养物。在一些实施例中，外部收集器37可包括无菌通气系统以支持微生物培养物的健康。在一些实施例中，外部收集器37可包括锥形底部，以确保当微生物培养物释放到目标场地上时被完全排出。

在一些实施例中，外部收集器37可以包括诸如冰箱的冷却系统，以在储存期间冷却微生物培养物。冷藏的外部收集器可以配置成接收微生物培养物和/或微生物浆液，保持其无菌性，并且将其储存在任何合适的温度下。例如，在一些实施例中，冷藏的外部收集器可以将微生物培养物和/或微生物浆料保持在最佳生长温度，其中外部温度比最佳生长温度高。在一些实施例中，冷藏的外部收集器可以将微生物培养物和/或微生物浆保持在足够低的温度下以减慢或停止微生物的生长。例如，冷藏的外部收集器可以将微生物培养物和/或微生物浆液保持在4°或刚好在冰点以上的温度。

微生物培养物可以通过任何合适的输送方法分配在目标场地上。例如，在一些实施例中，外部收集器37的出口可以联接至任何常规的灌溉系统，以便利于将微生物培养物输送至目标场地，例如喷洒器、滴灌系统和/或喷雾器系统。在一些实施例中，可通过溢流目标场地来分配微生物培养物。在另一个实施例中，可以通过空中施用将微生物培养物分配到目标场地上。在一些实施例中，例如在通过喷雾器或空中施用输送微生物培养物的情况下，可以将额外的水输送至目标场地以将微生物驱入土壤中。

再次参照图5，控制系统516例如根据用户定义的参数自动监视和控制土壤富集系统。控制系统可以包括用于监视和控制土壤富集系统500的任何合适的系统，例如传感器和自动化控制器。在一个实施例中，控制系统包括响应于各种其他系统的状况的多个传感器，并且自动化控制器从传感器接收信号并相应地调节土壤富集系统的操作。

例如，在一些实施例中，土壤富集系统500可以包括一个或多个传感器，其适于检测土壤富集系统500的各个方面，以监视各种组件的功能和/或监视生物反应器和其他系统内的条件。例如，在各个实施例中，一个或多个传感器可以包括pH计、温度传感器、盐度传感器、流量传感器、营养物浓度传感器、浊度传感器、光合有效辐射(PAR)计、密度计、生物反应器容量传感器、液体速度传感器、溶解气体传感器和/或摄像机系统。

在各种实施例中，传感器可以检测土壤富集系统500的各个方面，例如但不限于：a)生物反应器内的生长条件，例如光照程度和/或温度；b)水中的微生物细胞滴度/细胞计数；c)水的pH；d)水的盐度；e)生物反应器中不需要的微生物的存在，例如使用产生生物反应器中微生物培养物图像的流动成像装置；f)水位；g)生物反应器的经中和的灌溉水中的营养物的程度；h)经过滤的灌溉水、经消毒的灌溉水和/或经中和的灌溉水中的固体的程度；i)生物反应器的经中和的灌溉水中不需要的化合物的程度；j)生物反应器的经中和的灌溉水中的氧、臭氧和/或二氧化碳含量；k)生物反应器的经中和的灌溉水中的含氮化合物的程度；l)生物反应器的经中和的灌溉水的透明度或不透明度；m)生物反应器的经中和的灌溉水中需要的化合物的程度；n)经中和的灌溉水进入生物反应器的流量；o)生物反应器中杂草藻类的存在；p)生物反应器中藻类捕食者的存在；r)生物反应器中其他污染物的存在；和/或q)设备状态。

在本技术的各种实施例中，传感器可以用于例如通过反馈调节来控制系统的操作。任何传感器都可以基于在土壤富集系统中感测到的状况来生成一个或多个信号，并且可以将该一个或多个信号发送到一个或多个离散控制器。控制器可以控制物质流入和/或流出土壤富集系统的组件。

例如，在一个实施例中，传感器可以检测生物反应器内的微生物细胞滴度，并且可以将与微生物细胞滴度相对应的一个或多个信号发送至一个或多个流动控制器。流动控制器可以基于该一个或多个信号来改变经中和的灌溉水和/或营养液进入生物反应器的流动和/或微生物培养物离开生物反应器的流动。在特定示例中，流动控制器可以在接收到对应于微生物细胞滴度的足够高(对于收获微生物培养物而言)的信号时，激活微生物培养物离开生物反应器的流动。流动控制器然后可以激活经中和的灌溉水和/或营养液的流动，以填充生物反应器以用于随后的接种。

在另一个示例中，包括pH监控器的传感器可以检测生物反应器中的微生物培养物的pH。如果pH监控器检测到不需要的高(碱性)pH，则pH监控器可向二氧化碳流动控制器(其控制向生物反应器添加的二氧化碳的量或速率)发送一个或多个信号，从而使二氧化碳流动控制器将二氧化碳添加到生物反应器中，以将pH降低至所需程度。在另一个实施例中，pH监控器可以将一个或多个信号发送至酸或碱滴定单元，该酸或碱滴定单元被配置为控制流入生物反应器的酸和/或碱的量或速率以维持期望的pH。

在另一个示例中，包括水位监控器的传感器可以检测生物反应器中微生物培养物的体积。在一些实施例中，水位监控器可以将一个或多个信号发送到水流控制器，以响应于生物反应器中微生物培养物的状态而改变流入土壤富集系统的灌溉水、流入生物反应器的经中和的灌溉水和/或离开生物反应器的微生物培养物的量或速率。

生物反应器中的微生物培养物的状态可以对应于微生物培养物达到的生物反应器柱的高度(或程度)和/或微生物培养物的健康状况。较低的柱高度可能对应于低体积的微生物培养物，从而触发水流控制器的激活，以允许经中和的灌溉水和/或营养液进入生物反应器。同样，对应于生物反应器中微生物培养物的期望体积的柱高度可以触发水流控制器以停止经中和的灌溉水和/或营养液进入生物反应器的流动。类似地，在另一个实施例中，营养物监控器可以将一个或多个信号发送到营养物流动控制器，该控制器可以控制将营养液添加到生物反应器的量或速率。

在一些实施例中，包括水压监控器的传感器可以检测行进通过土壤富集系统中的流体导管的流体的压力。水压监控器可以将一个或多个信号发送到水压调节器，该水压调节器可以控制流动进入土壤富集系统的灌溉水的量或速率。在一个实施例中，水压力调节器可联接至水源的出口或至储水箱的入口。

在另一个实施例中，包括臭氧监控器的传感器可以向臭氧发生器发送一个或多个信号，其控制被添加到储水箱中以对经过滤的灌溉水消毒的臭氧量或速率。在另一个实施例中，包括透明度监控器的传感器可以将一个或多个信号发送到水透明度控制器，其可控制固体过滤器的效率。

控制系统516的各种实施例可以包括自动化控制器，例如可编程逻辑控制器(PLC)系统，以自动控制土壤富集系统500的操作。在各种实施例中，自动化控制器包括PLC系统，其包括模块化工业计算机控制系统，该控制系统被配置为提供土壤富集系统500的过程控制。PLC系统可通信链接到土壤富集系统的组件，其包括但不限于传感器、生物反应器系统514、消毒系统17、中和系统15、鼓风机30、二氧化碳源、灯、阀、摄像机、泵18和/或自动清洁系统。PLC系统可以利用从传感器和组件接收的数据来控制土壤富集系统500的组件。

在各个实施例中，PLC系统可以提供用于操作员的接口或另一控制系统的接口中的至少一个，接口可以是本地的、远程的或两者，以启动、停止或改变土壤富集系统500的各种参数。在一些实施例中，PLC系统可以通信链接到其他计算机或PLC系统，作为主、从或同等系统。PLC系统可以通信链接到外部计算机，以向操作员提供远程编程功能、附加的用户界面选项、数据存储、附加的安全性和/或附加的计算能力。

PLC系统的各种实施例可以采用任何合适类型的有线和/或无线通信系统，例如光波、无线电波、声波、红外波、紫外波，其他这样的波长/频率、介质及其组合。在一些实施例中，PLC系统还可以采用IP网络(例如因特网)、GSM(全球移动通信系统)网络、SMS(短消息服务)网络及其组合。

PLC系统的各种实施例可以包括一个或多个控制器。该一个或多个控制器可以控制土壤富集系统的一个或多个组件的功能。例如，一个或多个控制器可以控制营养液进入生物反应器的流动和/或控制二氧化碳从二氧化碳源到生物反应器的输送。在一些实施例中，一个或多个控制器可以便利于反馈回路。例如，臭氧处理不当的灌溉水可以路由回来通过储水箱，以再进行臭氧处理。在另一示例中，一个或多个控制器可以便利于反馈回路，其中未经充分过滤的灌溉水可以路由回来进入第一固体过滤器，以进一步去除固体。

在各种实施例中，PLC系统可以包括其上可以安装PLC系统的组件的可移式平台(或主体或框架，未示出)。PLC系统的每个组件都可以单独更换。尽管可以将组件指示为单个组件，但是每个组件可以独立于系统的其他组件而以多个的形式存在。PLC系统的各种操作可以在直接手动控制下和/或自动地执行。在一些实施例中，PLC系统可以包括PLC代码，其可以针对PLC系统定制并且可以不时地更新以改变其功能。

当与适当的远程联网硬件和软件结合使用时，可以从具有Internet访问权限的任何位置远程控制PLC系统。在一些实施例中，可以从单个位置协调和控制在不同位置的土壤富集系统中的多个PLC系统，从而给予比任何单个PLC系统可以提供的更大能力。

参照图2，适合于实现一个或多个本实施例的示例性控制系统200可以包括通信链接到PLC系统34的计算机系统265。PLC系统34可以通信链接到一个或多个传感器33并且可以将由一个或多个传感器33获得的测量值提供给处理器205和/或数据库260，以用于土壤富集系统100的远程监视、远程数据访问和/或远程控制。PLC系统34可以类似地通信链接并配置为控制泵18、阀、消毒系统17、中和系统15、鼓风机30、灯50和/或二氧化碳源270。

计算机系统265可以包括与存储装置(诸如只读存储器(ROM)210、随机存取存储器(RAM)215和辅助存储器230)通信的处理器205。处理器205也可以连接至一个或多个输入/输出(I/O)装置220和/或网络连接装置225。

处理器205可以包括逻辑电路，以响应于输入来执行各种功能。处理器205可执行可以从任何合适的源接收或访问的指令、代码、计算机程序、脚本和/或诸如此类。例如，处理器205可以包括任何常规的数字处理器，其响应并处理经由一组输入提供的基本指令。在一个实施例中，处理器205可以包括常规的中央处理单元(CPU)，诸如常规的微处理器。处理器205可以被实现为一个或多个CPU芯片。在一个实施例中，处理器205可以从辅助存储器230检索指令，将它们存储在RAM 215中以进行快速访问，并执行用于各种任务的指令，例如从各种源检索和处理数据。

在一个实施例中，处理器205可以被配置为处理从PLC系统34接收的信息和/或数据，其可以用于操作泵、阀、矿物质溶液泵235、二氧化碳源66、自动清洁系统70、维生素溶液泵240和/或各种传感器33。处理器205可以通过网络连接装置225接收信息和/或数据，该网络连接装置225配置成与网络250(例如云网络、本地网络和/或全球网络)交互。例如，PLC系统34可以首先将其从传感器33收集的信息和/或数据发送到处理器205以进行处理。处理器205然后可以经由网络连接装置225将PLC系统34的信息和/或数据发送到土壤富集系统500的其他系统和/或其他组件。

在一个实施例中，处理器205可以使用配置为从第一源向第二源传输信息和/或数据的任何合适的系统或装置，以将信息和/或数据传输到网络250。例如，处理器205可以被配置为无线地(WIFI、蓝牙TM等)传输信息和/或数据或非无线地传输信息和/或数据，诸如经由PLC系统34与网络250之间的固线连接。

在一个实施例中，计算机系统200可以被配置为与数据库260交互。数据库260可以包括被配置为接收、存储和/或发送与计算机系统及其各个组件相关的信息和/或数据的任何合适的系统。数据库260可以被配置为经由网络250发送和/或接收信息和/或数据。例如，可以将PLC系统34接收或使用的信息和/或数据配置为存储在数据库260中。

在一个实施例中，用户界面255可以被配置为显示由PLC系统34接收的信息和/或数据。在另一示例中，用户界面255可以被配置为从数据库260接收信息和/或数据。用户接口255可以无线地(WIFI、蓝牙(Blutooth^TM))发送和/或接收信息和/或经由固线连接发送和/或接收信息。

I/O装置220可以在计算机265和外围装置(未示出)之间传送信息。例如，I/O装置可以包括打印机、视频监控器(诸如液晶显示器(LCD)和触摸屏显示器)、键盘、小键盘、开关、转盘、鼠标、跟踪球、语音识别器、读卡器等。计算机系统265可以包括接口系统，以便利于与I/O装置220的通信，诸如网卡、图形卡、USB端口等。

网络连接装置225可以便利于计算机系统265与一个或多个网络之间的通信。网络连接装置可以包括任何合适的网络连接装置，例如网络接口卡、集线器、交换机、网桥、路由器、网关、中继器、调制解调器、调制解调器组、以太网卡、通用串行总线(USB)接口卡、串行接口、令牌环卡、光纤分布式数据接口(FDDI)卡、无线局域网(WLAN)卡和无线收发卡(例如码分多址(CDMA)和/或全球移动通信系统(GSM)无线收发卡)。网络连接装置225还可包括一个或多个用于无线地或以其他方式发送和接收信号的发射机和接收机。

网络连接装置225可以使处理器205能够与网络250通信，例如因特网或一个或多个内部网。通过与网络250结合操作，计算机系统265可以在执行土壤富集系统的监视过程和操作功能的过程中从网络250接收信息和/或向网络250输出信息。

可以经由传输介质从网络250接收以及向网络250输出这样的信息，该信息可以包括将使用处理器205执行的指令序列。传输介质可以包括用于传达信息的任何适当的介质，例如电信号、光信号、无线连接和/或RF通信。在一个实施例中，以计算机数据基带信号或包含在载波中的信号的形式来传达信息。

参照图1和图3，操作土壤富集系统100(300)的示例性方法可包括在接种微生物接种物(305)之前首先对一个或多个生物反应器16消毒。例如，可以用漂白剂或酒精溶液对一个或多个生物反应器16消毒。

在对生物反应器16和/或土壤富集系统500的各种其他部分消毒之后，可以用经中和的灌溉水和营养液(310)填充生物反应器16。例如，多个泵18(例如蠕动泵)可以推动来自水源5的灌溉水通过流体导管10。灌溉水可以通过联接至水源5的第一固体过滤器19过滤并存储在储水箱12中。储水箱12可以联接至消毒系统17，例如臭氧发生器。臭氧发生器可以联接到氧浓缩器(未示出)。臭氧发生器可以被配置为产生臭氧并将臭氧输送到储水箱12中的经过滤的灌溉水中以形成经消毒的灌溉水。

经消毒的灌溉水可以离开储水箱12并通过另一个泵18推动到直接置位在储水箱12和泵18下游的第二固体过滤器60。第二固体过滤器60可以配置成去除经消毒的灌溉水中的固体。

在过滤之后，经消毒的灌溉水可通过中和系统15。中和系统15可包括碳过滤器和/或紫外光系统。中和系统15可以直接置位在第二固体过滤器60的下游，并且被配置成从过滤的经消毒的灌溉水中去除臭氧以形成经中和的灌溉水。

包含营养液的第一营养液容器20可以直接置位在中和系统15的下游。另一个泵18可以配置为将第一营养液容器20中的营养液引导到直接在中和系统15的下游的流体导管10中。如上所述，第一营养液容器20可以置位在中和系统15的下游，以避免营养液的降解。在一些实施例中，营养液可能需要冷藏。例如，可以将以上讨论的维生素溶液冷藏以保存维生素。第一营养液容器20可以保持在冰箱20内。

包含第二营养液的第二营养液容器62也可以直接置位在中和系统15的下游。第二营养液可能不需要冷藏，例如以上讨论的矿物质溶液。另一个泵18可以被配置成将第二营养液容器62中的第二营养液引导到直接在中和系统15下游的流体导管10中。

可以将含有营养液的经中和的灌溉水引导到生物反应器16中的任何一个或多个中，直到达到预先选定的填充程度40。然后可以针对微生物的生长优化一个或多个生物反应器的生长条件，包括温度、pH和/或光强度(315)。

可以用微生物接种物对一个或多个生物反应器中的经中和的灌溉水和营养液接种，并使其生长以形成微生物培养物(320)。可以通过任何合适的方法，例如通过生物反应器16中的端口35手动接种，用微生物接种物对一个或多个生物反应器16接种。

光源45/50可以被配置为将光投射到一个或多个生物反应器16中的每一个之上和/或之中。在一些实施例中，光源45/50可以包括以任何合适配置对微生物培养物提供光的LED灯。例如，在一个实施例中，第一光源45可以置位在一个或多个生物反应器16内。在另一个实施例中，第一光源45可以覆在一个或多个生物反应器16的外表面上。在另一个实施例中，第二光源50可以在一个或多个生物反应器16的外表面之外并与其邻近。

在各种实施例中，可通过使用鼓风机30产生的气泡来使一个或多个生物反应器16的内容物混合。鼓风机30可将空气引导至一个或多个生物反应器16底部中的空气扩散器(未显示)。如以上讨论的，一个或多个生物反应器16中的一个或多个传感器33可以测量各种参数，例如pH、温度、细胞密度、水混合速度、溶解的气体和蛋白质。土壤富集系统100的这一示例性实施例可能适合于低、中和高体积的对目标场地55的灌溉施用和/或到外部收集器37的流动。在一些实施例中，为了可移动，外部收集器37可以位于拖车上(拖车未示出)。

可以例如通过传感器33和PLC系统34监视微生物培养物的生长，并且可以根据需要调节一个或多个生物反应器16内的生长条件。可以使微生物培养物生长直到其达到适合农业应用的密度，例如每毫升至少100万个细胞(325)。

一旦微生物培养物达到期望的密度，就可以收获微生物培养物(330)。可以打开一个或多个生物反应器16的排放阀，并且可以激活排放泵以将微生物培养物输送到目标场地上(345)和/或到外部收集器中(335)。在一些实施例中，排放阀可以包括由PLC系统34控制的致动球阀。随后，可以将输送到外部容收集器中的微生物培养物排放到目标场地(340)。在一些实施例中，可将微生物培养物输送至离心机中脱水以产生稠密的微生物浆液(350)。稠密的微生物浆料可以被存储(355)并且最终被输送到目标场地(360)。

土壤富集系统的每个组件的大小或操作能力可以根据需要改变。在一个示例性的实施例中，包括约500加仑的微生物培养物的总生物反应器能力的土壤富集系统可以支持约500英亩土地(即目标场地)的处理，并且通常可以包括以下针对所示组件的最小操作能力：a)臭氧源——约12克/小时；(O₃)约每小时10标准立方英尺(scfh)O₂；b)第一固体过滤器——最大流量约55加仑/分钟，其中最小表面积约2平方英尺(ft²)；c)第二固体过滤器——最小流量约25加仑/分钟，其中最小表面积约1平方英尺(ft²)；d)碳过滤器——最小约2立方英尺(ft³)，或紫外过滤器，其最小约25加仑/分钟(GPM)；e)水泵——最低流量约25加仑/分钟；f)鼓风机——流量约每分钟50实际立方英尺(ACFM)的，其中最小约每平方英寸绝对值14磅(PSIA)；g)微生物培养物——最小约1.0x 10⁶个细胞/毫升；h)液态二氧化碳源——约80升/周。

在前面的描述中，已经参考特定示例性实施例描述了本技术。然而，在不脱离所阐述的本技术的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。要以说明性的方式而不是限制性的方式来理解本描述和附图，并且所有这样的修改旨在被包括在本技术的范围内。因此，技术的范围应该由所描述的一般实施例及其法律上的等同物来确定，而不是仅由上述特定示例来确定。例如，在任何方法或过程实施例中叙述的步骤可以以任何适当的顺序执行，并且不限于在特定示例中呈现的明确顺序。另外，在任何系统实施例中叙述的组件和/或部分可以以各种排列组合以产生与本技术基本相同的结果，因此不限于在特定示例中叙述的特定配置。

上面已经关于特定实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，不应将任何特定益处、优点、问题的解决方案，或可以使得任何益成、优势或解决方案发生或变得更加明显的元素解释为关键的、必需的或必要的特征或组件。

术语“包括”，“包含”或其任何变体旨在表示非排他性包含，使得包括一系列要素的过程、方法、物品、组合物、系统或设备不是仅包括列举的那些要素，而可以包括此类过程、方法、物品、组合物，系统或设备未明确列出的或固有的其他要素。除了那些没有具体叙述的，在本技术的实践中使用的上述结构、布置、施用、比例、元素、材料或组件的其他组合和/或修改可以被改变或另外特别地适于特定环境、制造规格、设计参数或其他操作要求，而不会背离其一般原则。

上面已经参考示例性实施例描述了本技术。然而，可以在不脱离本技术范围的情况下对示例性实施例进行改变和修改。这些和其他改变或修改旨在被包括在本技术的范围内。

Claims (35)

1.一种用微生物接种物接种灌溉水的土壤富集系统，其特征在于，所述土壤富集系统包括：

初始处理系统，其包括：

第一固体过滤器，其联接到水源并被配置为从所述水源去除固体以形成经过滤的灌溉水；

联接到所述水源的储水箱，其中所述储水箱被配置成从所述水源接收所述经过滤的灌溉水；和

消毒系统，其联接到所述储水箱并包括臭氧发生器，其中所述臭氧发生器被配置为产生臭氧并将所述臭氧输送到所述储水箱中的所述经过滤的灌溉水中以形成经消毒的灌溉水；

中和系统，其直接置位于所述消毒系统的下游，并被配置为从所述经消毒的灌溉水去除臭氧以形成经中和的灌溉水，其中所述中和系统包括碳过滤器和紫外光系统中的至少一个；生物反应器系统，其在所述中和系统下游联接到所述初始处理系统，其中所述生物反应器系统被配置成：

接收并容纳：

来自所述中和系统的所述经中和的灌溉水；和

微生物接种物；

在所述经中和的灌溉水中培养所述微生物接种物以形成微生物培养物；以及

将所述微生物培养物暴露于自然光和人造光中的至少一个；鼓风机，其联接到所述生物反应器系统，其中所述鼓风机被配置成对所述微生物培养物通风；和

联接到所述生物反应器系统的二氧化碳源，其中所述二氧化碳源被配置成添加二氧化碳到所述微生物培养物。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括第二固体过滤器，所述第二固体过滤器直接置位于所述储水箱的出口的下游，并且被配置成在所述经消毒的灌溉水进入所述中和系统之前从其中去除固体。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水源包括以下中的至少一个：连续的供水、固定的储水器和适于暂时保存所述灌溉水的灌溉水储水箱。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微生物接种物包括至少两种不同的微藻种类。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括联接到一个或多个生物反应器的自动清洁系统。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括包含营养液的营养液容器，其中所述营养液容器直接置位于所述中和系统的下游。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括通信链接到一个或多个传感器的PLC系统，所述一个或多个传感器在以下的一个或多个中：臭氧发生器、第一固体过滤器、第二固体过滤器、中和系统、营养液的泵、生物反应器系统、鼓风机和二氧化碳源，其中所述PLC系统被配置为通过网络将所述一个或多个传感器得到的测量值传达到通信链接到所述网络的数据库。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述一个或多个传感器包括以下中的至少一个：pH计、温度传感器、盐度传感器、流量传感器、营养物浓度传感器、浊度传感器、PAR计、密度计、生物反应器容量传感器、液体速度传感器、溶解气体传感器和摄像机。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括至少一个流体导管，其连接水源、储水箱、第一固体过滤器、第二固体过滤器、中和系统、营养液容器以及生物反应器系统中的至少一个。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括泵，所述泵联接到所述水源并且被配置成便利于灌溉水流动通过所述至少一个流体导管。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括光源，所述光源包括LED灯，其中所述光源置位成以下中的至少一个：在所述一个或多个生物反应器内、覆在所述一个或多个生物反应器的外表面上，以及邻近于所述一个或多个生物反应器的外表面。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述臭氧发生器被配置成使用干燥空气和来自氧浓缩器的90％的氧气中的至少一个来产生臭氧。

13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二氧化碳源包括容纳二氧化碳气体的罐、二氧化碳发生器和用于隔离和临时存储大气二氧化碳的二氧化碳-隔离中的至少一个。

14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微生物接种物包括以下中的至少一个：微藻的无菌培养物和两种或更多种微藻的混合物。

15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括被配置成容纳并支撑所述土壤富集系统的可移式外壳，其中所述可移式外壳包括内表面。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述可移式外壳包括常规的运输容器。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述土壤富集系统被固定到所述可移式外壳的内表面，并且在所述可移式外壳内操作。

18.一种用微生物接种物接种来自水源的灌溉水的土壤富集系统，其特征在于，所述土壤富集系统包括：

第一固体过滤器，其联接到所述水源并被配置成从所述灌溉水中去除固体以形成经过滤的灌溉水；

储水箱，其联接到所述第一固体过滤器，其中：

所述储水箱被配置成接收来自所述第一固体过滤器的所述经过滤的灌溉水；

所述储水箱联接到包括臭氧发生器的消毒系统；以及

所述臭氧发生器被配置成产生臭氧并将所述臭氧输送到所述储水箱中的所述经过滤的灌溉水中以形成经消毒的灌溉水；

第二固体过滤器，其直接置位于所述储水箱的出口的下游，并被配置成从所述经消毒的灌溉水去除固体；

中和系统，其包括直接置位于所述第二固体过滤器下游的紫外光系统，并被配置成：

从所述第二固体过滤器接收所述经消毒的灌溉水；以及

从所述经过滤的灌溉水中去除臭氧，以形成经中和的灌溉水；

生物反应器系统，其直接置位于所述紫外光系统下游，其中所述生物反应器系统被配置成：

接收并容纳：

来自所述紫外光系统的所述经中和的灌溉水；和

所述微生物接种物；

在所述经中和的灌溉水中培养所述微生物接种物以形成微生物培养物；以及

使所述微生物培养物暴露于自然光和人造光中的至少一个；

光源，其置位成以下中的至少一个：在一个或多个生物反应器内、覆在所述一个或多个生物反应器的外表面上，以及邻近于所述生物反应器系统的外表面；

鼓风机，其联接到所述生物反应器系统，其中所述鼓风机被配置成对所述微生物培养物通气。

二氧化碳源，其联接到所述生物反应器系统，其中所述二氧化碳源被配置成添加二氧化碳到所述微生物培养物；

泵，其被配置成使灌溉水从所述水源向一个或多个生物反应器循环；和

外部容纳罐，其联接到所述生物反应器系统的出口，并被配置成从所述生物反应器系统接收所述微生物培养物。

19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述微生物接种物包括以下中的至少一个：微藻的无菌培养物和两种或更多种微藻的混合物。

20.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述生物反应器系统包括至少一个透光壁。

21.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，还包括可移式外壳，所述可移式外壳被配置成容纳并支撑所述土壤富集系统，其中所述可移式外壳包括内表面。

22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述土壤富集系统被固定到所述可移式外壳的内表面，并且在所述可移式外壳内操作。

23.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，还包括至少一个流体导管，所述至少一个流体导管连接水源、第一固体过滤器、储水罐、第二固体过滤器、紫外过滤器和所述生物反应器系统中的至少一个。

24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，还包括泵，所述泵联接到所述水源并且被配置成便利于灌溉水流动通过所述至少一个流体导管。

25.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器连接到所述生物反应器系统并且被配置成测量以下中的至少一个：一个或多个生物反应器中的微生物细胞滴度、微生物培养物的pH、温度、灌溉水的盐度、污染有机体的存在、水压、水的透明度以及微生物培养物中的臭氧、二氧化碳、营养物、氮和氧中至少一个的浓度。

26.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，还包括通信链接到所述一个或多个传感器的PLC系统，其中所述PLC系统被配置成通过网络将所述一个或多个传感器得到的测量值传达到通信链接到所述网络的数据库。

27.一种使用来自水源的灌溉水在目标场地生长农作物的方法，其特征在于，包括：

引导所述灌溉水通过土壤富集系统，其中所述土壤富集系统包括：

第一固体过滤器，其联接到所述水源并被配置成从所述灌溉水去除固体以形成经过滤的灌溉水；

储水箱，其直接置位于所述第一固体过滤器下游，其中：

所述储水箱被配置成从所述水源接收所述经过滤的灌溉水；

所述储水箱联接到臭氧发生器；且

所述臭氧发生器被配置成产生臭氧并将所述臭氧输送到所述储水箱中的所述经过滤的灌溉水中，以形成经消毒的灌溉水；

第二固体过滤器，其直接置位于所述储水箱的出口的下游，并被配置成从所述经消毒的灌溉水去除固体；

中和系统，其包括碳过滤器和紫外光系统中的至少一个，其直接置位于所述第二固体过滤器的下游，并且被配置成从所述经消毒的灌溉水去除臭氧以形成经中和的灌溉水；

一个或多个生物反应器，其置位于所述中和系统的下游，其中所述生物反应器被配置为：

接收并容纳：

来自所述中和系统的所述经中和的灌溉水；和微生物接种物；

在所述经中和的灌溉水中培养所述微生物接种物以形成微生物培养物；以及

使所述微生物培养物暴露于自然光和人造光中的至少一个；

鼓风机，其联接到与所述一个或多个生物反应器，其中所述鼓风机被配置成对所述微生物培养物通气；和

二氧化碳源，其联接到所述一个或多个生物反应器，其中所述二氧化碳源被配置成添加二氧化碳到所述微生物培养物；以及

用所述经中和的灌溉水填充所述一个或多个生物反应器；

在所述一个或多个生物反应器中用所述微生物接种物接种所述经中和的灌溉水；

在所述经中和的灌溉水中生长所述微生物接种物以形成微生物培养物，其中所述微生物培养物生长到每毫升经中和的灌溉水中至少一百万个细胞的浓度；以及

收获所述微生物培养物。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，通过打开所述一个或多个生物反应器中的排放阀并将所述微生物培养物输送到所述目标场地上或外部收集器中来收获所述微生物培养物。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，通过打开所述一个或多个生物反应器中的排放阀，将所述微生物培养物输送至离心机，来收获所述微生物培养物，其中所述离心机被配置成使所述微生物培养物脱水以形成稠密的微生物浆液。

30.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述土壤富集系统还包括通信链接到一个或多个传感器的PLC系统，所述一个或多个传感器在以下的一个或多个中：臭氧发生器、第一固体过滤器、中和系统、泵、一个或多个生物反应器、鼓风机和二氧化碳源，其中所述PLC系统被配置成通过网络将所述一个或多个传感器得到的测量值传达到通信链接到所述网络的数据库。

31.根据权利要求30所述的系统，其特征在于，所述一个或多个传感器包括以下中的至少一个：pH计、温度传感器、盐度传感器、流量传感器、营养物浓度传感器、浊度传感器、PAR计、密度计、生物反应器容量传感器、液体速度传感器、溶解气体传感器和摄像机。

32.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述土壤富集系统还包括至少一个流体导管，所述至少一个流体导管连接以下中的至少一个：水源、第一固体过滤器、中和系统、第二固体过滤器、一个或多个生物反应器和外部收集器。

33.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述土壤富集系统还包括包含营养液的营养液容器，其中所述营养液容器直接置位于所述中和系统中的至少一个的下游。

34.根据权利要求33所述的系统，其特征在于，所述土壤富集系统还包括泵，所述泵被配置成将所述营养溶液泵送到所述一个或多个生物反应器中。

35.如权利要求33所述的系统，其特征在于，还包括在经中和的灌溉水进入所述一个或多个生物反应器之前，添加营养液到所述经中和的灌溉水。

Images