CN113302275A - 可扩展的光合微生物生产和培养系统 - Google Patents

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M·阿夫隆
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Abstract

本文提供用于培养和生产光合微生物的可扩展系统和方法。

Description

可扩展的光合微生物生产和培养系统
技术领域
本公开大体上涉及用于培养和生产光合微生物的装置、系统和方法的领域。更具体地说，本发明涉及用于大规模生产微藻的系统和方法。
背景技术
光合微生物，且具体地说是微藻被用作例如蛋白质、氨基酸、碳水化合物、维生素、抗生素、不饱和脂肪酸、多糖和着色剂之类的各种生物活性物质的宝贵资源。已知一些微藻类可产生碳氢化合物，且因此在可再生能源领域具有广阔的应用前景。在全球粮食和能源危机日益严重的今天，微藻资源的开发利用已显示出重要的意义和经济前景。
微藻的典型生产方法可包含将微藻培养成商业尺寸的块体，以及在压力条件下操纵块体以诱导期望分子/产物的生产。当前的大规模生产方法是基于使光合微生物在陆基开放池塘或水道系统中生长，这些系统提供与自然界类似的生长条件。这种方法的显著缺点是无法控制生长条件和确保均匀性，从而导致可变产量、批量污染和随后的经济损失。因此，为光合生物的大规模生产提供通用、易于使用的可扩展系统仍然是长期而未得到满足的需求。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种光合微生物的通用、良好控制、可扩展、易于使用且具有成本效益的生产系统和方法。
本发明提供一种用于培养光合微生物的可扩展竖直单元，其包括：
a)至少一个可密封的光生物反应器；
b)管柱，其与所述光生物反应器操作性地接合；以及，c)至少一个光源，其附接到所述管柱；其中所述至少一个光源和所述管柱沿着所述光生物反应器的纵向轴线对齐；并且，其中所述管柱被配置成控制参数，所述参数包括所述光生物反应器中的温度；由所述光源发射的光的强度；由所述光源进行光照的时长；所述光照的频率；以及由所述光源发射的所述光的波长。
本发明进一步提供一种光合微生物的大规模生产系统，其包括至少两个竖直培养单元，每个单元包括a)四个可密封的光生物反应器；b)管柱，其与所述光生物反应器操作性地接合；c)四个光源，每一个都与所述管柱操作性地接合；其中每个光源与所述管柱沿着每个光生物反应器的纵向轴线对齐并且，其中所述管柱被配置成控制所述光生物反应器中的温度、由所述光源发射的光的强度、由所述光源进行光照的频率、光照的时长，以及由所述光源发射的所述光的波长；并且，其中第一光源沿着第一光生物反应器的纵向轴线对齐；第二光源沿着第二光生物反应器的纵向轴线对齐；第三光源沿着第三光生物反应器的纵向轴线对齐；第四光源沿着第四光生物反应器的纵向轴线对齐；并且，其中由所述第一光源发射的光基本上对所述第一光生物反应器进行光照而不对所述第二、所述第三或所述第四光生物反应器进行光照；由所述第二光源发射的光基本上对所述第二光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第三或所述第四光生物反应器进行光照；由所述第三光源发射的光基本上对所述第三光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第二或所述第四光生物反应器进行光照；并且由所述第四光源发射的光基本上对所述第四光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第二或所述第三光生物反应器进行光照。
本发明进一步提供大规模生产光合生物的方法，其包括：
a)提供根据权利要求中任一项所述的光合微生物的大规模生产系统，其包括多个竖直培养单元，每个单元包括a)四个可密封的光生物反应器；b)管柱，其与光生物反应器中的每一个操作性地接合；c)至少有四个光源，每一个都与所述管柱操作性地接合；其中每个光源与所述管柱沿着所述光生物反应器中的每一个的纵向轴线对齐；并且，其中所述管柱被配置成控制所述光生物反应器中的温度、由所述光源发射的光的强度、由所述光源进行光照的频率、由所述光源进行所述光照的时长，以及由所述光源发射的所述光的波长；并且，其中由第一光源发射的光基本上对第一光生物反应器进行光照而不对第二、第三或第四光生物反应器进行光照；由第二光源发射的光基本上对所述第二光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第三或所述第四光生物反应器进行光照；由第三光源发射的光基本上对所述第三光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第二或所述第四光生物反应器进行光照；并且由第四光源发射的光基本上对所述第四光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第二或所述第三光生物反应器进行光照；以及，d)至少一个控制单元，其与每个管柱进行通信；
b)将所述光合微生物的接种物引入所述光生物反应器；
c)调节选自由以下各者组成的群组的参数：温度、光强度、光波长、流体含量、营养物、pH、气体含量，以及所述光生物反应器中的湍流；
d)任选地，测量所述光生物反应器中的生物量；并且
e)收集所述光合微生物。
本发明进一步提供一种获得由光合微生物产生的至少一种生物分子的方法，其包括
a)提供根据权利要求15至30中任一项所述的光合微生物的大规模生产系统；
b)使所述光合微生物在所述光合微生物的所述大规模生产系统中生长以获得期望体积的生物量；
c)任选地，通过所述光合微生物诱导所述生物分子的生产以获得富含所述至少一种生物活性物质的生物量；
d)从所述系统收集所述生物量和/或生长培养基；以及
e)获得本发明的至少一种生物分子的额外特征和优点将从以下的附图和描述变得显而易见。
本发明进一步提供获得光合微生物的生物量的方法，其中所述生物量富含至少一种生物分子，所述方法包括：
a)提供根据权利要求15至30中任一项所述的光合微生物的大规模生产系统；
b)使所述光合微生物在根据权利要求15至30中任一项所述的光合微生物的大规模生产系统中生长以获得期望体积的生物量；
c)任选地，通过所述光合微生物诱导所述生物分子的生产以获得富含所述至少一个生物分子的生物量；以及
d)收集所述生物量。
本发明的额外特征和优点将从以下图式和描述变得显而易见。
附图说明
图1(A、B)是用于培养光合微生物的竖直可扩展单元的示例性实施例的示意图；
图2是光合微生物的大规模生产系统的示例性实施例的示意性说明；
图3是表示用于大规模生产光合微生物的方法的示例性实施例的流程图；
图4是表示用于获得由光合微生物产生的至少一种生物分子的方法的示例性实施例的流程图，所述方法包括；以及
图5是表示用于获得光合微生物的生物量的方法的示例性实施例的流程图。
具体实施方式
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解，本发明的应用不限于以下描述中阐述或附图中示出的构造细节和组件布置。本发明适用于其它实施例或以各种方式实践或执行。同样，应理解，本文中所采用的措词和术语是出于描述的目的且不应被视为限制性的。
参考图1A，其展示用于培养光合微生物106a-106d的可扩展竖直单元的示例性实施例。在一个实施例中，用于培养光合微生物106a的可扩展竖直单元包括：a)至少一个可密封的光生物反应器100；b)管柱102，其与至少一个光生物反应器100操作性地接合；c)至少一个光源103a，其与管柱102操作性地接合；其中，光源103和管柱102沿着光生物反应器100的纵向轴线对齐。如本文所使用，短语“光源与管柱操作性地接合”意指但不限于将光源直接或间接地附接到管柱的表面；或嵌入到管柱中；或连接到管柱的一部分。光源与管柱之间的接触可以是连续的，或替代地，仅光源的一部分可附接到管柱。如本文所使用，术语“光生物反应器”是指但不限于使用光源来培养使用光合作用从光和二氧化碳产生生物量的光养微生物的生物反应器。在光生物反应器的人工环境中，对各个物种的特定条件进行了仔细控制，从而使其生长速率和纯度水平高于自然界或与自然界类似的栖息地中的任何地方。在一个实施例中，可扩展竖直单元106b包括两个光生物反应器100和两个光源103，每个光源与管柱102操作性地接合；其中第一光源沿着第一光生物反应器的纵向轴线对齐，并且第二光源沿着第二光生物反应器的纵向轴线对齐；并且其中由第一光源发射的光基本上对第一光生物反应器进行光照而不对第二光生物反应器进行光照；并且由第二光源发射的光基本上对第二光生物反应器进行光照而不对第一光生物反应器进行光照。在另一实施例中，可扩展竖直单元106c包括三个光生物反应器100和三个光源103，每个光源附接到管柱102；其中第一光源沿着第一光生物反应器的纵向轴线对齐；第二光源沿着第二光生物反应器的纵向轴线对齐；第三光源沿着第三光生物反应器的纵向轴线对齐；并且其中由第一光源发射的光基本上对第一光生物反应器进行光照而不对第二或第三光生物反应器进行光照；并且由第二光源发射的光基本上对第二光生物反应器进行光照而不对第一或第三光生物反应器进行光照；并且由第三光源发射的光基本上对第三光生物反应器进行光照而不对第一或第二光生物反应器进行光照。根据一个实施例，可扩展竖直单元106d包括四个光生物反应器100和四个光源103，每个光源附接到管柱102；其中第一光源沿着第一光生物反应器的纵向轴线对齐；第二光源沿着第二光生物反应器的纵向轴线对齐；第三光源沿着第三光生物反应器的纵向轴线对齐；第四光源沿着第四光生物反应器的纵向轴线对齐；并且其中由第一光源发射的光基本上对第一光生物反应器进行光照而不对第二、第三或第四光生物反应器进行光照；并且由第二光源发射的光基本上对第二光生物反应器进行光照而不对第一、第三或第四光生物反应器进行光照；并且由第三光源发射的光基本上对第三光生物反应器进行光照而不对第一、第二或第四光生物反应器进行光照；并且由第四光源发射的光基本上对第四光生物反应器进行光照而不对第一、第二或第三光生物反应器进行光照。根据一个实施例，管柱102被配置成控制光生物反应器100中的多个参数。可由管柱控制的非限制性参数列表包含：光生物反应器中的温度；由光源发射的光的强度；由光源进行光照的时长；光照的频率；以及由光源发射的光的波长。在一个实施例中，光生物反应器100包括至少一个流体入口、至少一个流体出口、至少一个气体入口、至少一个气体出口，以及任选地连接到所述光生物反应器的单元105，所述单元被配置成允许收集与光生物反应器功能或光生物反应器含量有关的数据。现在参考图1B。在一个实施例中，可扩展竖直单元包括与管柱102进行通信的控制单元104。在一个实施例中，单元105被配置成将与光生物反应器功能或光生物反应器含量有关的数据传输到控制单元104。在又一实施例中，控制单元104被配置成根据由单元105传输的数据来调节光生物反应器内部和/或外部的条件。在一个实施例中，与光生物反应器功能或光生物反应器含量有关的数据可以是但不限于：pH、温度、溶解O2水平、溶解的CO2水平、生物量、生物分子的浓度、营养物的浓度、污染物浓度、颜料或颜色。根据一个实施例，光生物反应器的外壳101允许光的穿透，或者可以其它方式并入光源以为光合微生物的水培养提供光子能量输入。在一个实施例中，光生物反应器100的外壳101可由柔性薄膜、刚性热塑性材料和/或任何其它适合培养光合微生物的材料制成，但不限于此。可由控制单元调节的非限制性参数列表包含：溶O2水平、溶解CO2水平、温度、光照、气体供应、混合、pH值、施加的剪切力等。
在一个实施例中，光源包括多个发光单元，所述多个发光单元被配置成发射类似或不同波长的光。在另一实施例中，光源的发光单元被配置成发射280-1000nm的光。在一个实施例中，光源的发光单元分组布置，并且其中每组发光单元被配置成发射不同波长的光。如本文所使用，短语“分组布置”是指但不限于被配置成发射特定波长的光或在光源内按一定顺序放置的波长范围的光的两个或更多个发光单元。在一个实施例中，光源的至少一组发光单元被配置成发射光合成有效辐射(PAR)。如本文所使用，术语“光合成有效辐射”是指光合生物能够在光合作用过程中使用的400至700纳米的辐射的光谱范围(波段)。本发明的光源的非限制性实例是含有多个发光单元的管或管道。在一个实施例中，发光单元可以是但不限于镇流器、荧光灯、发光二极管(LED)、激光器、卤素、氖和光纤。在另一实施例中，光源是发光二极管(LED)。任选地，光源包含适合于每种类型的光合生物培养的专用LED。在非限制性实例中，每个光生物反应器配备有光源，例如LED投影线。每个光源可以从相同距离以相同角度提供精确量的光合成有效辐射(PAR)，以保持每个光生物反应器的相同光照条件。根据一个实施例，光合微生物的非限制性列表包含：海洋真核微藻、海洋原核微藻、蓝藻、蓝/绿藻、淡水真核微藻、嗜盐真核微藻、嗜极真核微藻、植物细胞系、植物干细胞，以及无附着大型藻类(海藻)。在一个实施例中，光合微生物是微藻。
现在参考图2，其展示光合微生物107的大规模生产系统的示例性实施例。光合微生物的大规模生产系统包括至少两个竖直培养单元106，每个单元包括a)四个可密封的光生物反应器100；b)管柱102，其与光生物反应器100操作性地接合；c)四个光源103，每一个都与管柱102操作性地接合；其中每个光源与管柱沿着每个光生物反应器的纵向轴线对齐并且，其中管柱被配置成控制光生物反应器中的温度、由光源发射的光的强度、由光源进行光照的频率、光照的时长，以及由光源发射的光的波长；并且，其中第一光源沿着第一光生物反应器的纵向轴线对齐；第二光源沿着第二光生物反应器的纵向轴线对齐；第三光源沿着第三光生物反应器的纵向轴线对齐；第四光源沿着第四光生物反应器的纵向轴线对齐；并且，其中由第一光源发射的光基本上对第一光生物反应器进行光照而不对第二、第三或第四光生物反应器进行光照；由第二光源发射的光基本上对第二光生物反应器进行光照而不对第一、第三或第四光生物反应器进行光照；由第三光源发射的光基本上对第三光生物反应器进行光照而不对第一、第二或第四光生物反应器进行光照；并且由第四光源发射的光基本上对第四光生物反应器进行光照而不对第一、第二或第三光生物反应器进行光照。在一个实施例中，每个光生物反应器包括至少一个流体入口、至少一个流体出口、至少一个气体入口、至少一个气体出口，以及任选地连接到所述光生物反应器的单元，所述单元被配置成允许收集与光生物反应器功能或光生物反应器内容物有关的数据。在一个实施例中，生产系统进一步包括与每个管柱进行通信的至少一个控制单元。在另一实施例中，多于一个的管柱与单个控制单元进行通信。在一个实施例中，光源包括多个发光单元，所述多个发光单元被配置成发射类似或不同波长的光。在一个实施例中，光源的发光单元被配置成发射280-1000nm的光。在另一实施例中，光源的发光单元分组布置，并且每组发光单元被配置成发射不同波长的光。根据一个实施例，光源的至少一组发光单元被配置成发射光合成有效辐射(PAR)。根据一个实施例，四个光源中的每一个可以由管柱彼此独立地控制，并且同时以不同或类似的方式执行。在一个实施例中，发光单元选自由以下各者组成的群组：镇流器、荧光灯、发光二极管(LED)、激光器、卤素、氖和光纤。在一个实施例中，发光单元是发光二极管(LED)。根据一个实施例，光合微生物的非限制性列表包含：海洋真核微藻、海洋原核微藻、蓝藻、蓝/绿藻、淡水真核微藻、嗜盐真核微藻、嗜极真核微藻、植物细胞系、植物干细胞，以及无附着大型藻类(海藻)。在一个实施例中，光合微生物是微藻。在一个实施例中，生产系统包括10至10,000个竖直培养单元。在另一实施例中。在另一实施例中，生产系统包括20至10,000、50至10,000、100至10,000、150至10,000、200至10,000、300至10,000、400至10,000、500至10,000、600至10,000、700至10,000、800至10,000、1000至10,000、1,500至10,000、2,000至10,000，以及5,000至10,000个竖直培养单元。在另一实施例中，生产系统包括50至1000个、100至1,000、150至1,000、200至1,000、300至1,000、400至1,000，以及500到1,000个竖直培养单元。多个培养单元可被布置成用于并行/同时操作。任选地，可个别地操作被配置成用于并行操作的培养单元。这有利于基本单元和/或生产单元的连续操作，同时暂停至少一个PBR的操作，例如在恢复/维护期间(例如，就地清洁)或由于悬停PBR的污染而暂停操作。如本文所使用，术语“就地清洁”是指可以自动化的机构，用于在不拆卸系统/装置的情况下清洁PBR单元。术语缩写为“CIP”。根据一个实施例，每个光生物反应器的容积是5至100升。根据另一实施例，光生物反应器的容积是5至50升。根据一个实施例，光生物反应器的容积是15至35升。根据另一实施例，光生物反应器的容积是约5、10、15、20、25、30、35、40、45和50升。
现在参考图3，其展示用于大规模生产光合微生物的方法的示例性实施例，其包括：提供光合微生物的大规模生产系统[1000]；将光合微生物的接种物引入光生物反应器[2000]；调节选自由以下各者组成的群组的参数：温度、光强度、光波长、流体含量、营养物、pH、气体含量，以及光生物反应器中的湍流[3000]；任选地，测量所述光生物反应器中的生物量[4000]；以及收集光合微生物[5000]。在一个实施例中，光合微生物的大规模生产系统包括多个竖直培养单元，每个单元包括a)四个可密封的光生物反应器；b)与每个光生物反应器操作性地接合的管柱；c)至少有四个光源，每一个都与管柱操作性地接合；其中每个光源与管柱沿着光生物反应器中的每一个的纵向轴线对齐；并且，其中管柱被配置成控制光生物反应器中的温度、由光源发射的光的强度、由光源进行光照的频率、由光源进行光照的时长，以及由光源发射的光的波长；并且，其中由第一光源发射的光基本上对第一光生物反应器进行光照而不对第二、第三或第四光生物反应器进行光照；由第二光源发射的光基本上对第二光生物反应器进行光照而不对第一、第三或第四光生物反应器进行光照；由第三光源发射的光基本上对所述第三光生物反应器进行光照而不对第一、第二或第四光生物反应器进行光照；并且由第四光源发射的光基本上对第四光生物反应器进行光照而不对第一、第二或第三光生物反应器进行光照；以及，d)至少一个控制单元，其与每个管柱进行通信。在一个实施例中，用于大规模生产光合微生物的方法进一步包括从生物反应器收集生长培养基的步骤。在一个实施例中，用于大规模生产光合微生物的方法进一步包括以下步骤：收集与光生物反应器含量或光生物反应器功能有关的数据；以及将所收集的数据传送到控制单元。如本文所使用，短语“大体上进行光照”意指当由本发明的竖直培养单元中的一个光源发射的大部分光被引导到对应PBR而不对单元中的其它PBR进行光照时的情况。在本发明的上下文中，由光源朝向单元中的其它PBR发射的光可能出现一些泄漏。根据一些实施例，由光源朝向对应PBR发射的光的1％至50％可能朝向本发明的竖直培养单元中的一个或多个其它PBR泄漏。
从而维持用于大规模生产光合微生物的最佳条件。在多个PBR单元中的每一个内独立地控制培养/生产条件。在一个实施例中，在每个PBR中独立地维持类似条件。在另一实施例中，所维持的条件在培养/生产阶段期间可控地改变。在另一实施例中，可控地采用所维持的条件以用于培养/生产期望光合微生物物质。
根据一些实施例，竖直单元的每个光源可包括多个发光单元。发光单元可分组布置和/或可单独地位于光源内。根据一些实施例，发光单元的每个组包括发光单元，所述发光单元被配置成发射特定波长或波长范围的光。管柱可彼此独立地控制每组发光单元以发射期望时间间隔和/或强度的光。根据一些实施例，发光单元和/或一组发光单元根据期望几何形状布置在光源内。根据一些实施例，管柱通过以期望时间间隔和/或以期望强度激活特定组和/或单独的发光单元来控制单独的光源以产生期望的光照图案。根据一些实施例，竖直培养单元内的每个光源可独立于具有期望光照图案的单元的其它光源而对对应PBR进行光照。根据一些实施例，光生物反应器的流体入口和流体出口中的每一个可独立地配备有阀门，例如用于引入和释放流体的止回阀和/或电控阀。根据一个实施例，流体入口和流体出口中的每一个可独立地配备有用于分别将流体分别泵入或泵出PBR的泵。任选地，流体入口用于将液体和/或气体引入光生物反应器。任选地，流体出口用于从光生物反应器释放液体和/或气体。任选地，光生物反应器配备有气体出口和液体出口。任选地一个实施例，湍流元件选自搅拌器、混合器、循环泵送、气泡引入及其任意组合。在一个实施例中，经由流体出口从PBR去除的流体包括液体和/或气体。
在一个实施例中，培养单元可安置在管柱中，例如安置在5-10,000个竖直培养单元的层中。
现在参考图4，其展示获得由光合微生物产生的至少一种生物分子的方法的示例性实施例，所述方法包括：提供本发明的光合微生物的大规模生产系统[6000]；使光合微生物在光合微生物的大规模生产系统中生长以获得期望体积的生物量[7000]；任选地，通过光合微生物诱导生物分子的生产以获得富含至少一种生物分子的生物量[8000]；从系统收集生物量和/或生长培养基[9000]；以及，获得至少一种生物分子[10000]。在一个实施例中，生物分子由光合微生物分泌到生长培养基中。在另一实施例中，生物分子是从生物量获得的。在一个实施例中，可通过但不限于提取、分离或本领域中已知用于此类目的的任何其它技术从生物量获得生物分子。在一个实施例中，生物分子的混合物是通过所述方法获得的。根据一些实施例，生物分子的非限制性列表包含：生物碱、类黄酮、类胡萝卜素、糖苷、萜类、吩嗪、蛋白质、肽、多肽、维生素、碳水化合物、脂质、多糖、多元醇、藻胆蛋白、纤维素、半纤维素、果胶、脂多糖、叶绿素、脂肪酸、脂质、油脂、糖、甘油酯、聚甘油酯、醌、木脂素、聚离子、色素和螯合剂。根据一些实施例，生物分子可具有生物效应。根据一些实施例，生物分子可充当抗氧化剂、生物刺激剂、作物保护剂、抗老化剂、抗炎剂、抗病毒剂，以及抗生素。根据一些实施例，由本发明的光合微生物产生的生物分子可在纺织工业中用作但不限于药品、营养剂、药妆品、食品补充剂、农用化学品、香料和植物生长调节剂。
现在参考图5，其展示获得富含至少一种生物分子的光合微生物的生物量的方法的示例性实施例，所述方法包括：[11000]；使光合微生物在光合微生物的大规模生产系统中生长以获得期望体积的生物量[12000]；任选地，通过光合微生物诱导生物分子的生产以获得富含至少一种生物分子的生物量[13000]；以及收集生物量[14000]。如本文所使用，短语“诱发生物分子的生产”是指但不限于应用促进生物分子的生产和/或分泌和/或激活引起生物分子通过光合微生物从头合成的生物学路径的条件。根据一些实施例，诱导生物分子的生产的条件包含但不限于温度、光照和养分供应。根据一些实施例，例如非最佳温度之类的压力条件、通过UV的照射或所属领域中已知的可引起诱导生物分子的产生的任何其它压力条件。
根据一些实施例，在光合微生物繁殖之后，可进行纯化步骤以分离生物量，所述生物量可用于提取额外产品或作为高价值进料出售。任选地，所纯化的产物(例如，生物量和/或其提取物)可进一步经受巴氏杀菌/除菌。
本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，且并不意图限制本发明。如本文所使用，除非上下文另外明确地指示，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述”还意图包含复数形式。应进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”或“包括(comprising)”指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件组件和/或其群组或组合，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组或组合的存在或添加。如本文所使用，术语“包括(comprises、comprising)”、“包含(includes、including)”、“具有(having)”以及它们的同源词意味着“包含但不限于”。术语“由……组成”意指“包含且限于”。
如本文所使用，术语“和/或”包含相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有可能的组合，以及当在替代方案(“或”)中解释时不具有组合。
除非另外定义，否则本文中所使用的所有术语(包含技术和科技术语)具有本发明所属领域的技术人员的通常所理解的相同意义。应进一步理解，例如在常用词典中定义的那些术语应被解释为具有与其在本说明书和权利要求书的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文明确定义，否则不应在理想化或过度正式的意义上解释。为了简洁和/或清楚，可能不会详细描述众所周知的功能或构造。
应理解，当一个元件被称为“在另一元件上”、“附接”到另一元件、“操作性地联接”到另一元件、“操作性地连结”到另一元件、“与另一元件操作性地接合”、“连接”到另一元件、“与另一元件联接”、“接触”另一元件等时，所述元件可以直接在其它元件正上方、附接到其它元件、连接到其它元件、操作性地联接到其它元件、与其它元件操作性地接合，与其它元件联接和/或接触其它元件或也可以存在中间元件。相比而言，当元件被称作“直接接触”另一元件时，不存在中间元件。每当使用术语“约”时，其意指例如量、时间时长等可测量值，并且意在涵盖偏离指定值±20％、±10％、±5％、±1％或±0.1％的变化，因为这些变化适合于执行所公开的方法。
将理解，例如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“确立”、“分析”、“检查”等可以指计算机、计算平台、计算系统或其它电子计算装置的操作和/或过程，前述装置操控和/或将表示为计算机的寄存器和/或存储器内的物理(例如，电子)量的数据变换为类似地表示为计算机的寄存器和/或存储器内的物理量的其它数据或可存储指令以执行操作和/或过程的其它信息非暂时性存储介质。
将理解，尽管本文中可以使用术语第一、第二等来描述各种元件、组件、区域、层和/或区段，但是这些元件、组件、区域、层和/或区段不应受到这些术语的限制。而是，这些术语仅用以将一个元件、组件、区域、层和/或区段与另一元件、组件、区域、层和/或区段区分开来。
出于清楚的目的在单独实施例的上下文中描述的本发明的某些特征还可以组合形式提供于单个实施例中。相反，本发明出于简洁的目的在单个实施例的情形中描述的各个特征还可以单独地或以任何合适的子组合提供或在本发明的任何其它描述的实施例中提供为合适的。在各个实施例的上下文中描述的某些特征不应被认为是那些实施例的必要特征，除非所述实施例在没有那些元件的情况下不起作用。
贯穿本申请，本发明的各种实施例可以范围格式呈现。应理解，范围格式的描述仅为了方便和简洁起见，并且不应被解释为对本发明范围的固定限制。因此，对范围的描述应被视为已经特定揭示所有可能的子范围以及所述范围内的个别数值。例如，例如1至6的范围描述应被视为已经具体地公开了例如1至3、1至4、1至5、2至4、2至6、3至6等的子范围，以及所述范围内的个别数字，例如1、2、3、4、5和6。无论范围的宽度如何，这都适用。
本文中每当指示数字范围时，其意味着包含所指示范围内的任何引用数字(分数或整数)。短语“在第一指示数字与第二指示数字之间的范围变化/范围”以及“从第一指示数字到第二指示数字的范围变化/范围”在本文中互换使用并且意图包含第一指示数字和第二指示数字以及其间的所有分数和整数数字。
每当使用术语“多个(plurality或a plurality)”时，意味着包含例如“多个”或“两个或多于两个”。贯穿本说明书可使用术语“多个(plurality或a plurality)”描述两个或更多个组件、装置、元件、单元、参数等。当本文中使用时，术语“集合”可包含一个或多个项目。除非明确陈述，否则本文中所描述的方法实施例不限制为特定次序或顺序。另外，所描述的方法实施例或其元件中的一些可同时、同时间点或同时发生或执行。
提及了所有公开案、专利申请、专利和其它参考文献。为了更充分地描述本发明所涉及的现有技术水平，这些公开案的公开内容特此以全文引用的方式并入本申请中。倘若有冲突，将以包含定义的本专利说明书为准。另外，材料、方法和实例仅是说明性的，并不意图是限制性的。本申请通篇参考各种公开案、公开的专利申请案和公开的专利。
所属领域的技术人员将了解本发明不限于上文中已经具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围由所附权利要求书限定，并且包含上述各种特征及其变型和修改的组合和子组合，这是所属领域技术人员在阅读前述描述后将想到的。

Claims (42)

1.一种用于培养光合微生物的可扩展竖直单元，其包括：
a)至少一个可密封的光生物反应器；
b)管柱，其与所述光生物反应器操作性地接合；以及，
c)至少一个光源，其与所述管柱操作性地接合；其中所述至少一个光源和所述管柱沿着所述光生物反应器的纵向轴线对齐；并且，其中所述管柱被配置成控制参数，所述参数包括所述光生物反应器中的温度；由所述光源发射的光的强度；由所述光源进行光照的时长；光照的频率；以及由所述光源发射的所述光的波长。
2.根据权利要求1所述的可扩展竖直单元，其中所述光生物反应器包括至少一个流体入口、至少一个流体出口、至少一个气体入口、至少一个气体出口，以及任选地连接到所述光生物反应器的单元，所述单元被配置成允许收集与光生物反应器功能或光生物反应器含量有关的数据。
3.根据权利要求1或2所述的可扩展竖直单元，其进一步包括与所述管柱进行通信的控制单元。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的可扩展竖直单元，其包括两个光生物反应器和两个光源，每个光源与所述管柱操作性地接合；其中第一光源沿着第一光生物反应器的纵向轴线对齐，并且第二光源沿着第二光生物反应器的纵向轴线对齐；并且其中由所述第一光源发射的光基本上对所述第一光生物反应器进行光照而不对所述第二光生物反应器进行光照；并且由所述第二光源发射的光基本上对所述第二光生物反应器进行光照而不对所述第一光生物反应器进行光照。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的可扩展竖直单元，其包括三个光生物反应器和三个光源，每个光源与所述管柱操作性地接合；其中所述第一光源沿着所述第一光生物反应器的所述纵向轴线对齐；所述第二光源沿着所述第二光生物反应器的所述纵向轴线对齐；第三光源沿着第三光生物反应器的纵向轴线对齐；并且其中由所述第一光源发射的所述光基本上对所述第一光生物反应器进行光照而不对所述第二或第三光生物反应器进行光照；并且由所述第二光源发射的所述光基本上对所述第二光生物反应器进行光照而不对所述第一或第三光生物反应器进行光照；并且由所述第三光源发射的光基本上对所述第三光生物反应器进行光照而不对所述第一或第二光生物反应器进行光照。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的可扩展竖直单元，其包括四个光生物反应器和四个光源，每个光源与所述管柱操作性地接合；其中所述第一光源沿着所述第一光生物反应器的所述纵向轴线对齐；所述第二光源沿着所述第二光生物反应器的所述纵向轴线对齐；所述第三光源沿着所述第三光生物反应器的所述纵向轴线对齐；第四光源沿着第四光生物反应器的纵向轴线对齐；并且其中由所述第一光源发射的所述光基本上对所述第一光生物反应器进行光照而不对所述第二、所述第三或所述第四光生物反应器进行光照；并且由所述第二光源发射的所述光基本上对所述第二光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第三或所述第四光生物反应器进行光照；并且由所述第三光源发射的所述光基本上对所述第三光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第二或所述第四光生物反应器进行光照；并且由所述第四光源发射的光基本上对所述第四光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第二或所述第三光生物反应器进行光照。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的可扩展竖直单元，其中所述光源包括多个发光单元，所述多个发光单元被配置成发射具有类似或不同波长的光。
8.根据权利要求7所述的可扩展竖直单元，其中所述光源的所述发光单元被配置成发射280-1000nm的光。
9.根据权利要求7或8所述的可扩展竖直单元，其中所述光源的所述发光单元分组布置，并且其中每组发光单元被配置成发射不同波长的光。
10.根据权利要求9所述的可扩展竖直单元，其中所述光源的至少一组发光单元被配置成发射光合成有效辐射(PAR)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的可扩展竖直单元，其中所述发光单元选自由以下各者组成的群组：镇流器、荧光灯、发光二极管(LED)、激光器、卤素、氖和光纤。
12.根据权利要求11所述的可扩展竖直单元，其中所述发光单元是发光二极管(LED)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的可扩展竖直单元，其中光合生物选自由以下各者组成的群组：海洋真核微藻、海洋原核微藻、蓝藻、蓝/绿藻、淡水真核微藻、嗜盐真核微藻、嗜极真核微藻、植物细胞系、植物干细胞，以及无附着大型藻类(海藻)。
14.根据权利要求13所述的可扩展竖直单元，其中所述光合生物是微藻。
15.一种光合微生物的大规模生产系统，其包括至少两个竖直培养单元，每个单元包括a)四个可密封的光生物反应器；b)管柱，其与所述光生物反应器操作性地接合；c)四个光源，每一个都与所述管柱操作性地接合；其中每个光源与所述管柱沿着每个光生物反应器的纵向轴线对齐，并且其中所述管柱被配置成控制所述光生物反应器中的温度、由所述光源发射的光的强度、由所述光源进行光照的频率、光照的时长，以及由所述光源发射的所述光的波长；并且，其中第一光源沿着第一光生物反应器的纵向轴线对齐；第二光源沿着第二光生物反应器的纵向轴线对齐；第三光源沿着第三光生物反应器的纵向轴线对齐；第四光源沿着第四光生物反应器的纵向轴线对齐；并且，其中由所述第一光源发射的光基本上对所述第一光生物反应器进行光照而不对所述第二、所述第三或所述第四光生物反应器进行光照；由所述第二光源发射的光基本上对所述第二光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第三或所述第四光生物反应器进行光照；由所述第三光源发射的光基本上对所述第三光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第二或所述第四光生物反应器进行光照；并且由所述第四光源发射的光基本上对所述第四光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第二或所述第三光生物反应器进行光照。
16.根据权利要求15所述的生产系统，其中每个光生物反应器包括至少一个流体入口、至少一个流体出口、至少一个气体入口、至少一个气体出口，以及任选地连接到所述光生物反应器的单元，所述单元被配置成允许收集与光生物反应器功能或光生物反应器含量有关的数据。
17.根据权利要求15或16所述的生产系统，其进一步包括与每个管柱进行通信的至少一个控制单元。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的生产系统，其中所述光源包括多个发光单元，所述多个发光单元被配置成发射具有类似或不同波长的光。
19.根据权利要求18所述的生产系统，其中所述光源的所述发光单元被配置成发射280-1000nm的光。
20.根据权利要求18或19所述的生产系统，其中所述光源的所述发光单元分组布置，并且其中每组发光单元被配置成发射不同波长的光。
21.根据权利要求20所述的生产系统，其中所述光源的至少一组发光单元被配置成发射光合成有效辐射(PAR)。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的生产系统，其中所述发光单元选自由以下各者组成的群组：镇流器、荧光灯、发光二极管(LED)、激光器、卤素、氖和光纤。
23.根据权利要求22所述的生产系统，其中所述光源是发光二极管(LED)。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的生产系统，其中所述光合生物选自由以下各者组成的群组：海洋真核微藻、海洋原核微藻、蓝藻、蓝/绿藻、淡水真核微藻、嗜盐真核微藻、嗜极真核微藻、植物细胞系、植物干细胞，以及无附着大型藻类(海藻)。
25.根据权利要求24所述的生产系统，其中所述光合生物是微藻。
26.根据权利要求15至25中任一项所述的生产系统，其包括10至10,000个竖直培养单元。
27.根据权利要求26中任一项所述的生产系统，其包括50至8,000个竖直培养单元。
28.根据权利要求27中任一项所述的生产系统，其包括100至1,000个竖直培养单元。
29.根据权利要求15至28中任一项所述的生产系统，其中每个光生物反应器的容积是5至50升。
30.根据权利要求29所述的生产系统，其中每个光生物反应器的容积是15至35升。
31.一种用于大规模生产光合微生物的方法，其包括：
a)提供光合微生物的大规模生产系统，其包括多个竖直培养单元，每个单元包括a)四个可密封的光生物反应器；b)管柱，其与光生物反应器中的每一个操作性地接合；c)至少有四个光源，每一个都与所述管柱操作性地接合；其中每个光源与所述管柱沿着所述光生物反应器中的每一个的纵向轴线对齐；并且，其中所述管柱被配置成控制所述光生物反应器中的温度、由所述光源发射的光的强度、由所述光源进行光照的频率、由所述光源进行所述光照的时长，以及由所述光源发射的所述光的波长；并且，其中由第一光源发射的光基本上对第一光生物反应器进行光照而不对第二、第三或第四光生物反应器进行光照；由第二光源发射的光基本上对所述第二光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第三或所述第四光生物反应器进行光照；由第三光源发射的光基本上对所述第三光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第二或所述第四光生物反应器进行光照；并且由第四光源发射的光基本上对所述第四光生物反应器进行光照而不对所述第一、所述第二或所述第三光生物反应器进行光照；以及，d)至少一个控制单元，其与每个管柱进行通信；
b)将所述光合微生物的接种物引入所述光生物反应器；
c)调节选自由以下各者组成的群组的参数：温度、光强度、光波长、流体含量、营养物、pH、气体含量，以及所述光生物反应器中的湍流；
d)任选地，测量所述光生物反应器中的生物量；并且
e)收集所述光合微生物。
32.根据权利要求31所述的方法，其进一步包括从所述生物反应器收集生长培养基的步骤。
33.根据权利要求31或32所述的方法，其进一步包括以下步骤：收集与光生物反应器含量或光生物反应器功能有关的数据；以及将所收集的数据传送到所述控制单元。
34.根据权利要求31至33中任一项所述的方法，其中所述光合微生物选自由以下各者组成的群组：海洋真核微藻、海洋原核微藻、蓝藻、蓝/绿藻、淡水真核微藻、嗜盐真核微藻、嗜极真核微藻、植物细胞系、植物干细胞，以及无附着大型藻类(海藻)。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述光合微生物是微藻。
36.一种获得由光合微生物产生的至少一种生物分子的方法，其包括
a)提供根据权利要求15至30中任一项所述的光合微生物的大规模生产系统；
b)使所述光合微生物在所述光合微生物的所述大规模生产系统中生长以获得期望体积的生物量；
c)任选地，通过所述光合微生物诱导所述生物分子的生产以获得富含所述至少一种生物分子的生物量；
d)从所述系统收集所述生物量和/或生长培养基；以及
e)获得所述至少一种生物分子。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述生物分子是从所述生长培养基获得的。
38.根据权利要求36所述的方法，其中所述生物分子是从所述生物量获得的。
39.根据权利要求37所述的方法，其中所述生物分子是通过提取获得的。
40.根据权利要求36至38中任一项所述的方法，其包括获得生物分子的混合物。
41.根据权利要求36至38中任一项所述的方法，其中所述生物分子选自由以下各者组成的群组：生物碱、类黄酮、类胡萝卜素、糖苷、萜类、吩嗪、蛋白质、肽、多肽、维生素、碳水化合物、脂质、多醣、多元醇、藻胆蛋白、纤维素、半纤维素、果胶、脂多糖、叶绿素、脂肪酸、脂类、油脂、糖、甘油酯、聚甘油酯、醌类、木脂素、聚离子和螯合剂。
42.一种获得光合微生物的生物量的方法，其中所述生物量富含至少一种生物分子，所述方法包括：
a)提供根据权利要求15至30中任一项所述的光合微生物的大规模生产系统；
b)使所述光合微生物在所述光合微生物的所述大规模生产系统中生长以获得期望体积的生物量；
c)任选地，通过所述光合微生物诱导所述生物分子的生产以获得富含所述至少一个生物分子的生物量；以及
d)收集所述生物量。
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