CN113383065A - 用于蓝绿藻培养的光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于人类直接食用的蓝绿藻的高效、质量控制生产领域，用于提取蛋白质、维生素和氨基酸，以及用于生产装载有特殊同位素13C的有机材料。本发明的目的是描述一种高效光生物反应器。

Description

用于蓝绿藻培养的光生物反应器
技术领域
本发明涉及用于人类直接食用的蓝绿藻的高效、质量控制生产领域，用于提取蛋白质、维生素和氨基酸，以及用于生产装载有特殊同位素13C的有机材料。
背景技术
本领域技术人员已知蓝绿藻，一种被称为蓝细菌的细菌，负责地球大气的早期氧化：它们繁殖消耗二氧化碳(CO2)并产生氧气(O2)，因此它们是进行光合作用的和自养的。蓝绿藻天然存在于淡水湖泊和热带或亚热带水域中。一些天然存在的蓝绿藻在墨西哥和非洲地区用于人类食用。当在受控条件下生长时，例如确保不存在产生毒素的细菌和重金属的任何污染，蓝绿藻可用作膳食蛋白质、维生素、氨基酸和矿物质的极好来源。今天，它们被用于减肥计划，作为素食或纯素饮食的补充，以及对抗许多疾病，如注意力缺陷多动障碍、糖尿病、压力、疲劳、焦虑、抑郁、花粉热和经前综合症。两种特殊的蓝细菌，钝顶节旋藻和极大节旋藻，也称为螺旋藻，对人类食用特别有用。螺旋藻通过二元裂变繁殖，并具有小气泡，使其在水生环境中漂浮。螺旋藻的营养成分(维生素、蛋白质、必需氨基酸、矿物质、无脂肪)含量非常高，是宇航员饮食的理想补充剂；它含有大量的C-藻蓝蛋白，这是一种来自捕光藻胆蛋白家族的色素蛋白复合物，具有强大的抗氧化和抗炎作用，可以降低癌症的风险，并锻炼护脑护肝的功能，尤其是通过减少活性氧(ROS)诱导的氧化应激；螺旋藻还能降低坏的LDL(低密度脂蛋白)，提高好的HDL(高密度脂蛋白)，控制导致糖尿病的血糖，有据可查的抗高血脂和抗高血压作用；它保护坏的低密度脂蛋白免受氧化，氧化是许多疾病的关键驱动因素，包括心血管、神经系统和非酒精性脂肪肝疾病和糖尿病；众所周知，它可以在动物的实验室测试中减少癌症的发生，并逆转人类的口腔黏膜白斑；它降低血压；它可以对抗贫血、疲劳和改善免疫功能；提高肌肉力量和耐力；它降低血糖水平；最后但并非最不重要的是，螺旋藻降低了糖尿病并发症的风险[Shih:2009gb,Farooq:2014hy,Kamarei:1985gk,Parikh:2001fs,Mazokopakis:2013bu,TorresDuran:2007ba,Park:2008ks,Ismail:2015hf,Ku:2013ck,Lee:2008fy,Ismail:2009up,Akao:2009hp,Mathew:1995fj,Bhavana:2013hp,Selmi:2011im,Kalafati:2010ho,Lu:2006je,Ou:2012jw,Ou:2013gf,Jarouliya:2012uy]。螺旋藻还可用作肥料的添加剂。
鉴于其能够轻松消耗CO2并产生有机物质，螺旋藻的生长是生产以稀有稳定同位素13C标记的有机物质的首选方法，从以13C标记的供给碳源开始，这些碳源通常以无机形式13CO和13CO2进行利用。13C标记的蛋白质、维生素和氨基酸可以直接从13C-螺旋藻中提取，并在实验室中进一步加工以产生数千个13C标记的有机分子。13C标记的分子在分子生物学、蛋白质组学和先进药物开发领域的测试程序中具有广泛的用途。作为最近引入的程序的一个例子，由于13C的强核磁矩，13C标记的物质可以通过动态核极化将它们的核磁矩排列在优选方向上而被超极化，然后以液体溶液的形式被注射至活生物体中，在那里它们可以通过超极化磁共振成像(HP-MRI)被追踪，这提供空间和化学信息，允许探测和研究特定的代谢和蛋白质组学途径。
蓝绿藻(和螺旋藻)的生长需要培养基，该培养基是通过向富含矿物质的液体培养基中添加CO2获得的。蓝绿藻的受控生长需要封闭的培养基容纳系统，持续监测矿物质的浓度、CO2和pH值，以及最终产品的质量控制。此外，13C标记的蓝绿藻的受控生长需要将培养液与大气完全分离：所有进入培养液的CO2必须以13C进行标记；此外，优选地，所有碳的摄入仅限于13CO2，因此需要抑制所有其他碳摄入途径，因此必须使用脱碳培养基。光合作用过程中产生的过量溶解氧(DO)将CO2固定到有机物质中，通常对蓝绿藻来说是有毒的，并且它在培养流中的存在阻碍了蓝绿藻生物量的产生。蓝绿藻，尤其是螺旋藻的生长只能在狭窄的温度范围内进行：例如，螺旋藻的理想生长范围限制在25-35℃：如果温度升高到40℃以上或下降至10℃以下，培养物就会死亡。
蓝绿藻养殖的两个主要类别是开放系统和封闭系统，开放系统中培养液暴露于大气，封闭系统中培养液与大气在一定程度上分离，允许培养基无菌。开放系统可以包括开放池塘或通道系统。在开放系统中，蓝绿藻的生产在很大程度上取决于环境驱动的参数。封闭系统可以进一步细分为光生物反应器(PBR)，其中大量的光负责触发发酵罐的光合作用，从而允许在黑暗中消耗有机碳(通常是葡萄糖)的蓝绿藻生长。光生物反应器可以以平板反应器、管式反应器或袋式反应器的形式排列：在任何情况下，培养液的容纳系统都必须由透明或半透明材料制成，以允许光的有效传输。光输入可以来自阳光和环境光，也可以来自人造光源。
蓝绿藻是脆弱的生物，需要特殊的条件才能有效生长。
这些光合和自养生物的繁殖是由可见光触发的光合作用驱动的。当光合作用由人造光(而不是阳光)驱动时，通过提供与藻类的特定吸收光谱匹配的光谱来优化蓝绿藻的生长。光生物反应器必须由透明材料制成，以使光线能够传输到培养液中，并且必须注意优化构建材料的透光率和厚度。
为蓝绿藻的增殖设定的温度范围非常精确，通常很窄。例如，对于螺旋藻，它限制在20℃至35℃的范围内；当温度升高至40℃以上或下降至5℃以下时，螺旋藻迅速死亡。因此，重要的是在光生物反应器中提供稳定温度的手段。设计用于维持大量蓝绿藻生产的光生物反应器将有利于安装在发光环境中，例如最大限度地利用阳光，以及在温和气候中。如果工厂打算全年运行，则安装在温和气候中仍需要存在主动热稳定回路。这种操作模式在存在重要的降解热热源的情况下特别有价值，能够提供高达35℃的加热但不适用于工业和/或家庭用途。一些特殊的热源就是这种情况，包括一些从深部矿井中提取的废水流。
培养液的循环速度是另一个重要参数。必须避免使用固定液体以限制表面的生长。循环速度必须相对较高，以抑制容纳系统的表面的生长并限制培养基的生长。驱动培养液循环的系统必须足够温和：例如，与蓝绿藻接触的泵的直接机械作用可以破坏它们的细胞并导致它们的结构永久改变并改变它们的营养成分。
在现有技术中，光生物反应器被开发为封闭系统以允许与大气几乎完全分离并因此实现无菌。光生物反应器与热交换器结合以允许加热培养液。它们由透明或半透明材料制成，以实现光的有效传输。光生物反应器还包括能够引起液体的高速强制再循环的空气驱动机构，特别是所谓的气升机构，在参考文献[AcienFernandez:2001en]中得到了很好的描述：“带有连续运行管状太阳能接收器的气升驱动光生物反应器基本上由两部分组成，即气升系统和环形太阳能接收器。气升装置用于通过太阳能接收器循环培养物。气升塔上部区的气液分离器可防止气泡再循环到太阳能回路中。当太阳能管道中发生光合作用时，氧气会积聚，当流体从太阳能回路返回时，氧气会在气升区中被汽提出来。接下来将分别讨论两个区的相关设计方面。”
这种特殊的机构在减少螺旋藻上的剪切和应力方面是有效的，但不利的是不允许培养液完全无菌，因为空气被连续注入培养基中，提供了液体的强制再循环(因此也提供了最低二氧化碳浓度)。该系统的一个微不足道的修改将包括注入氮气(N2)或其他无菌气体而不是空气，以提供强制再循环，但不利的是会导致非常高的操作成本。
在现有技术中，特别是在参考文献[AcienFernandez:2003kh]中，相反描述了一种小型光生物反应器，专门设计用于生产装载在13C中的蓝绿藻。为此目的，为蓝绿藻生长提供的所有碳都来自同位素标记的碳，这一点至关重要。为此，植物被喂以储存在专用储液器中的脱碳培养基。气体通过小型光生物反应器起泡，同时在封闭回路中再循环。封闭回路包含连接至13CO2储液器的供给管线，该储液器是同位素标记的碳的来源。该回路方便地包含用于去除DO的处理单元，由单一200mL起泡瓶组成，气体在亚硫酸氢钠溶液中起泡。这种布置可以方便地去除DO，但前提是浓度升高至110％饱和值以上。不方便的是，该装置能够有效地从培养基中完全汽提DO。此外，不方便的是，该装置不包括如配备有气升系统的装置中的培养基再循环系统。因此，它仅限于每年几十或几百克的小批量生产。它不适合每年数千公斤的大生产，因为如同一申请人提交的nr 102017000070755专利申请中所述，随着13C的可用性即将增加，这将变得令人感兴趣。它还缺乏温度稳定机构，因此不适合现场部署和全年运行。
发明内容
本发明的目的是克服背景技术的缺点。
本发明的另一个目的是描述一种高效的光生物反应器，能够每年生产数十至数百公斤的绿/蓝藻，为蓝绿藻的培养提供了容积，其容易和及时地与大气完全隔离并进行泄漏检查，以确保完全不向大气泄漏，对于整个光生物反应器，泄漏检查标准为每个接头<10- 9bar×L/sec且<10-8mbar×L/sec，因此适用于大规模生产以13C标记的绿/蓝藻，而有价值的分离出的同位素在环境中的扩散最小(如果有的话)。
本发明的另一个目的是描述一种高效光生物反应器，其能够与高效脱气装置一起操作，该脱气装置能够将所有溶解气体(包括DO，对藻类培养来说是污染物)汽提，达到至参考亚大气压水平，从而将DO的浓度降低到大气饱和值的一小部分。
本发明的另一个目的是描述一种高效光生物反应器，其中防止藻类在光生物反应器表面生长所需的培养液的连续和快速移动通过创新的惰性气体推动系统的存在来确保，能够有效地完成培养液的强制再循环，同时使蓝绿藻上的剪切和压力最小化，并与真空脱气系统集成。
本发明的另一个目的是描述一种高效光生物反应器，其培养基室由玻璃或透明塑料或其他透明材料构成，以便最大限度地传输负责光合作用过程的光。
本发明的另一个目的是描述一种高效光生物反应器，其特征在于存在热稳定回路，能够全年和昼夜24小时持续维持培养基的温度在考虑特定蓝绿藻最佳生长的狭窄范围内，如此最大化其生产。
本发明的另一个目的是描述一种高效光生物反应器，其特征可能在于存在提供特定蓝绿藻最佳生长所需光谱范围内的光的照明系统，如此最大化其生产。
本发明的另一个目的是描述一种高效光生物反应器，其能够从液体脱碳或非脱碳培养基的供给开始操作，该培养基可以容易地制备以去除来自大气的任何污染物。
本发明的这个和进一步的目的将有利地通过构建一种用于蓝绿藻生长的创新装置来实现，所述装置是光生物反应器，包括至少一个真空额定太阳能接收器，该太阳能接收器容纳培养基，包括：至少一个真空额定太阳能接收器，用于供给脱碳或非脱碳培养基，包括气体回路，其与用于收集最终产品的获取系统连接，其特征在于该装置包括“惰性气体推动”系统，该系统包括至少回路连接管线、回路隔离阀、气体截流阀、降液管，易于通过打开/关闭阀来打开/中断培养基的再循环路径，如此允许交替地且以循环模式使培养基通过阀流动或在系统的竖直回路连接管线下方和阀下方的降液管的竖直部分中快速插入一定体积的惰性气体，惰性气体推动系统因此能够强制培养基的再循环，同时使蓝绿藻分子上的应力和剪切最小化并且避免引入溶解氧。
在优选实施例中，惰性气体推动培养基循环系统与由汽提塔组成的真空脱气系统相结合，汽提塔在与主循环顶部接口的亚大气压下操作，两者的联合作用立即提供培养基的强制再循环和几乎完全去除溶解氧和其他气体。
在特别优选的实施例中，选择阀，使其具有大的横截面开口和最小尺寸的密封座部的唇缘。
在特别有利的实施例中，回路连接管线和降液管的直径为1～30厘米；优选地，阀将是具有与竖直回路连接管线和降液管相同的直径的截流阀，其密封座部的唇缘减小到尽可能小的尺寸，优选地小于几毫米。
在优选实施例中，“惰性气体推动”是利用氮气作为惰性气体来实现的，因此提供了使用最广泛用于工业用途的惰性气体的优点。
在优选实施例中，“惰性气体推动”是利用氩气作为惰性气体来实现的，因此提供了使用最广泛用于工业用途的第二惰性气体的优点。
在优选实施例中，“惰性气体推动”是利用二氧化碳气体或氮气、氩气和二氧化碳的混合物作为惰性气体来实现的，因此提供了直接提供蓝绿藻的光合作用过程所需的原料作为推动的惰性气体的优点。
在优选实施例中，具有“惰性气体推动”的光生物反应器由获取系统补充，获取系统包含筛子，筛子允许通过过滤分离蓝绿藻，并在去除藻之后保存残留的培养液，残留的培养液能够重新插入太阳能接收器和顶部容器系统。
惰性气体推动系统和脱气系统的组合是创新的，它允许以非常有利的方式构建和操作光生物反应器：立即将培养基中增殖的蓝绿藻分子上的剪切和应力减少至最小值，并将溶解氧的浓度减小至最小值，至几乎完全去除的点，溶解氧会危及蓝绿藻的生长。
这种创新装置是通过对“气升式”光生物反应器的传统设计进行两项重要修改来实现的：首先，不是使用空气将培养基通过提升管提升，而是使用气体回路通过插入一定体积的惰性气体将培养基推下降液管，由于引入了小阀座面积的开关阀，使蓝绿藻分子上的剪切和应力最小化；其次，通过插入惰性气体而移动的一定量的培养液同时将气体从循环顶部移走，汽提塔将亚大气压(sub-atmospheric)基础压力的气体从循环顶部通过汽提塔泵送，从底部上升到顶部，培养基通过汽提塔流入循环顶部内，从顶部下降至底部，因此与气体流逆流，从而使表面到液体的交换量最大化，并允许有效去除由于光合作用过程产生的扩散到培养液中的氧。
特别地，本发明描述了一种用于蓝绿藻培养的管状光生物反应器，由透明的、密封的管状容积形成，与气体处理系统联接，气体处理系统设计成通过惰性气体推动系统或传统的气升系统强制培养液的再循环，气体处理系统还能够去除蓝绿藻生长所产生的氧，并且用氮气或其他惰性气体使其移动，气体处理系统也易于保存和回收蓝绿藻生长所需的微量二氧化碳气体，管状系统的管在其核心处包含第二不透明管，用作用于稳定培养液中的温度的热交换器。
这种创新装置设计成允许从低温热源回收热量以将培养液的温度稳定在最适合蓝绿藻生长的范围内，并允许它们在需要气态氧含量的流体中最佳地生长。这种创新装置也允许以稳定同位素(13C)标记的蓝绿藻生长，同时消除或最小化13C标记的二氧化碳(13CO2)的损失。
在一个特别优选实施例中，光生物反应器的创新功能可以重新表述并描述为根据以上描述的光生物反应器，与上述光生物反应器相关的创新方法，这包括在本发明的内容中。
附图说明
由于这里描述的用于生产蓝绿藻的创新装置而获得的这个和更多优点将在下文中参考非限制性实施例进一步描述，这些实施例在附图中提供用于解释性、非限制性目的。这些附图示出了本发明的不同方面和实施例，并且在适当的情况下，结构、部件、材料和/或类似的元件在不同的图中用类似的附图标记表示。
图1图示了称为光生物反应器的用于生产蓝绿藻的装置的优选实施例。
虽然本发明易于进行各种修改和替代构造，但在附图中示出了一些所示实施例并将在下面详细描述。
然而，必须理解的是，本发明无意将本发明限制于具体说明的实施例，相反，本发明旨在涵盖落入权利要求中所限定的本发明范围内的所有修改、替代结构和等同物。
除非另有说明，否则“例如”、“等”、“或”的使用表示没有限制的非排他性替代方案。
除非另有说明，否则“包括”的使用意味着“包括但不限于”。
图1图示了称为光生物反应器的用于生产蓝绿藻的装置100的优选实施例。
具体实施方式
根据下文描述的实施例的光生物反应器100具体地包括至少：一个真空额定太阳能接收器800，其容纳如1001所示的培养基并且完全填充所述太阳能接收器800，位于太阳能接收器上方的顶部容器系统700，部分填充培养基1001，部分填充惰性气体；培养基供给系统400，用于供给脱碳或非脱碳培养基1002；二氧化碳供给系统500，允许插入二氧化碳1004，优选标记有稳定同位素13C，其能够使蓝绿藻进行光合作用；获取系统600，用于收集成熟为最终产品1003的培养基1002，准备好加工以提取蓝绿藻；气体回路300；其特征在于存在“惰性气体推动”系统200，包括连接顶部容器系统700和回路隔离阀202的竖直回路管线201，回路隔离阀202又连接到连接到太阳能接收器800的降液管203，系统200还包括气体截流阀204，所述惰性气体推动系统200实现通过打开/关闭阀202和204来打开/中断培养基1001的再循环路径，以允许(交替地，以循环形式)培养基1001通过阀202流动或使一定量的惰性气体快速插入到所述系统200的竖直回路连接管线201下方和阀202下方的降液管203的竖直部分中，惰性气体推动系统因此能够强制培养基再循环，同时使蓝绿藻分子上的应力和剪切最小化并避免引入溶解氧，选择阀202，使其具有大的横截面开口和最小尺寸的密封座部的唇缘。
太阳能接收器800包含大部分培养液并且由透明玻璃管810或透明塑料管或其他材料管制成，布置成覆盖非常大的表面。它通常由直管和通过接头连接的“U”管制成，可以轻松组装和拆卸整个接收器，以便进行初始安装以及日常维护和/或清洁程序。它由至少一对连接端口801提供，内部蛇形802通过连接端口被引入，携带热交换流体以允许温度稳定在最适合的感兴趣的蓝绿藻生长的范围内。
顶部容器系统700包括顶部容器710，顶部容器710配备有防爆盘(burst disk)701、连接到阀702的排空端口、产品管线705以及连接到培养基注入管线704的供给阀703，通过该培养基注入管线704，培养基1002被注入容器顶部并从那里注入太阳能接收器以成为培养基1001。顶部容器710通过提升管(riser)204和降液管(downcomer)203连接到太阳能接收器800。
由于存在主再循环阀202，具有高重复率的受控开关阀，以及通过气体注入阀204连接到降液管的气体注入管线304，这里描述的惰性气体推动系统不同于传统的气升系统。
与传统气升系统的不同之处还在于存在集成到顶部容器的顶部的汽提塔720。包含在光生物反应器100中并直接连接到汽提塔(stripping column)720顶部的是气体回路300，其至少包括气体提取管线301、具有反馈管线311和背压调节阀312的真空/泵压缩机310、DO去除容器320(DO去除容器320配备有防爆盘321、连接到阀322的排空端口、原料供给阀323和排放阀324)以及缓冲罐19，缓冲罐19通过连接管线303连接到除氧容器330，该连接管线303又通过阀204连接到降液管。
在优选实施例中，除氧容器将包含作为除氧剂的化学流体，例如亚硫酸氢钠或可能的其他流体，能够通过化学反应选择性地除去氧而不除去允许强制再循环培养基而引入的惰性气体以及允许蓝绿藻进行光合作用而引入的二氧化碳1004。
在优选实施例中，图中所示的除氧系统/气体回路300可以由变压吸附单元和/或蒸馏塔的组合代替。
反应器100还包括培养基供给系统400，该培养基供给系统400包括培养基罐404，培养基罐404配备有防爆盘401、连接至阀402的排空端口、原料供给阀403、惰性气体吹扫注入阀405、排放阀407以及两条连接管线408和409，分别连接到惰性气体吹扫阀405和供给泵410。还示出了培养基1002。在系统调试期间和每当太阳能接收器800和头部容器710中的培养液需要补充时，培养基供给系统被激活。抽空端口402允许在制备阶段对培养基容器进行抽空和泄漏检查；它还允许在开始第一次装载培养基之前抽空培养基罐，以最小化来自大气气体的任何残留污染。在培养基供给系统的第一次装载期间，流体通过原料供给阀403装载；然后，通过将惰性气体(氮气、氩气等)从阀405经连接管线408泵送到容器中，惰性气体在流体中剧烈起泡，最终通过抽空端口402而逸出，从而再次使来自大气气体的任何残留污染最小化，为此可以配备防止气体回流的系统，例如油起泡器。培养基被装载到顶部容器710中，然后通过管线409、泵410、管线704和阀703装载到太阳能接收器810中。
在常规操作期间，包含在顶部容器710和太阳能接收器800/810中的培养基经受连续和强制再循环。具体地，培养基从顶部容器710通过阀202通过降液管203再循环到太阳能接收器810，然后进入提升管204和汽提塔720，返回到顶部容器710。这种强制再循环通过称为惰性气体推动系统的创新系统来实现。
惰性气体推动系统通过循环交替打开和关闭阀202来工作，从而强制系统在交替的静止和推动阶段之间工作，每个阶段仅持续几秒钟。
在常规操作期间，在静止和推动阶段期间，泵310处于恒定且连续的操作中，并且将容器循环顶部710维持在部分真空下，顶部容器中的基础压力在目标值设定反馈管线311和背压调节阀312之间在最小值和最大值之间振荡。
在常规操作期间，在静止阶段期间，在前一推动阶段后且在下一推动阶段开始前，阀202打开，阀204关闭，培养液1001完全充满惰性气体系统200的降液管203。培养液是静止的。该阶段持续几秒钟，直到下一推动阶段开始。
在常规操作期间，在前一稳定阶段后和下一稳定阶段前发生的推动阶段开始时，阀203关闭并且是紧接在阀204打开之后。气体从气体注入管线304注入到降液管203中，该降液管在其竖直延伸部的大部分(但短于其完全竖直延伸部，以防止在太阳能接收器区域中注入气体)中移动液体培养基。培养基是一种几乎不可压缩的流体，它在降液管203中通过阀204注入的气体而被移动，结果它通过提升管太阳能接收器810通过竖直提升管204向上推动流体，使其进入汽提塔720，并最终进入顶部容器710中。从提升管204一次注射顶部容器中的培养基体积等于使降液管203中的培养液移动的气体的体积。上面提及并量化的一次注射体积的培养液进入汽提塔720和顶部容器710中，由于阀202被堵塞，必须从容器顶部除去等体积的气体：这是通过泵310完成的，泵310通过DO去除容器320将气体从顶部容器710中抽走并最终到达缓冲罐330。
惰性气体推动系统的一个关键特征是从循环顶部710泵出的气体相对于培养基以逆流的方式移动通过汽提塔720：气体在低于大气压的压力下通过塔上升，从底部到顶部，而培养液通过塔从其注入点落到底部。由于培养基和气体的逆流运动，净作用是在部分真空状态下以围绕由反馈管线311和背压调节阀312设置的压力循环振荡的压力值下提供培养基的最佳汽提。
如上所述，对于培养基供给系统的情况，可以在光生物反应器调试的初始准备期间使用抽空阀702、322和402将其完全抽空，这也是执行详细泄漏检查所必需的以去除任何大气污染。使该系统做好准备所需的一批惰性气体可以通过培养基罐中的阀405插入，并且从那里通过隔离阀406、管线409、泵410、管线704和隔离阀703进入顶部容器710和太阳能接收器810中。也可以在阀405打开，隔离阀406关闭，阀402打开并且没有连接回流气体系统(例如油起泡器)的情况下使用惰性气体，以在其通过隔离阀406、管线409、泵410、管线704和隔离阀703从培养基容器404泵送至循环顶部710之前吹扫培养基1002。
获取系统600包括获取容器610，其通过管线705和阀603连接到主循环顶部710，配备有防爆盘601、连接到阀602的排空端口和排放阀604。
同样重要的是二氧化碳插入系统500的存在，该系统被设计成向培养基装载常规的13C标记的二氧化碳1004，包括压力容器503、连接到太阳能接收器810/800的阀501和阀502，它可以同时用于初始抽真空和泄漏检查以及供给阀。
请注意，对于本发明的光生物反应器系统，它也可以涉及一种执行所述操作的方法：由于该方法本质上是系统功能的一部分，申请人在此并未将方法描述为单独的内容，但它也将可以描述与光生物反应器系统相关的操作方法，这当然落入本发明的范围内，并受本发明的描述的保护。因此，可以插入对本文描述的光生物反应器系统的操作方法的描述而不向本发明添加任何主题，而仅描述进一步的实施例以最终更好地阐明本发明的范围。
因此，由于本发明描述的创新光生物反应器系统100，特别参考这里描述的优选实施例，本发明如何允许如此解决所有上述技术问题显得很清楚，请注意，部件顺序的任何变化、操作的非实质性细节、阀的数量、管道的数量/类型、使用的气体种类、生产量、设备尺寸、操作温度、操作循环的次数、单个构成元件的尺寸、用于实现系统的材料都仅被视为对本发明的一些实现实施例的非显著修改，并且必须被认为被本发明的目的所覆盖，如上文所述并且参考所附权利要求进行了更好的解释。
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Claims (10)

1.一种用于蓝绿藻生长的装置(100)，所述装置是光生物反应器(100)，包括：至少一个真空额定太阳能接收器(800)，所述太阳能接收器(800)容纳培养基(1001)并且完全充满所述太阳能接收器(800)；位于所述太阳能接收器上方的顶部容器系统(700)，所述顶部容器系统(700)部分填充所述培养基(1001)并且部分填充惰性气体；培养基供给系统(400)，用于供给脱碳或非脱碳培养基(1002)；二氧化碳供给系统(500)，允许插入二氧化碳(1004)，所述二氧化碳(1004)使得所述蓝绿藻能够进行光合作用；获取系统(600)，用于收集作为最终产品(1003)成熟的培养基(1002)，准备用于处理以提取所述蓝绿藻；气体回路(300)；其特征在于所述装置包括“惰性气体推动”系统(200)，所述“惰性气体推动”系统(200)包括至少回路连接管线(201)、回路隔离阀(202)、气体截流阀(204)、降液管(203)，易于通过打开/关闭所述阀(202，204)来打开/中断所述培养基(1001)的再循环路径，如此允许交替地且以循环模式使所述培养基(1001)通过阀(202)流动或在所述系统(200)的所述竖直回路连接管线(201)下方和阀(202)下方的所述降液管(203)的竖直部分中快速插入一定体积的惰性气体，所述惰性气体推动系统(200)因此能够强制所述培养基的再循环，同时使蓝绿藻分子上的应力和剪切最小化并且避免引入溶解氧。
2.根据权利要求1所述的用于蓝绿藻生长的装置，其特征在于，所述惰性气体推动培养基循环系统(200)与由汽提塔(720)组成的顶部容器系统/真空脱气系统(700)相结合，所述汽提塔(720)在与主循环顶部(710)接口的亚大气压下操作，两者的联合作用立即提供所述培养基的强制再循环和几乎完全去除溶解氧和其他气体。
3.根据前述权利要求所述的用于蓝绿藻生长的装置，其特征在于，所述阀(202)具有大的横截面开口和最小尺寸的密封座部的唇缘。
4.根据前述权利要求所述的用于蓝绿藻生长的装置，其特征在于，所述回路连接管线(201)和所述降液管(203)的直径为1～30厘米；阀(204)将是具有与所述竖直回路连接管线和所述降液管(203)相同的直径的截流阀，其密封座部的唇缘减小到尽可能小的尺寸，优选地小于几毫米。
5.根据前述权利要求所述的用于蓝绿藻生长的装置(100)，其特征在于，所述“惰性气体推动”(200)是利用氮气作为惰性气体或利用氩气作为惰性气体来实现的，或者是利用二氧化碳气体或氮气、氩气和二氧化碳的混合物作为惰性气体来实现的，直接将推动的惰性气体提供为所述蓝绿藻的光合作用过程所需的原料。
6.根据前述权利要求所述的用于蓝绿藻生长的装置(100)，其特征在于，具有“惰性气体推动”(200)的光生物反应器由获取系统补充，所述获取系统包含筛子，所述筛子允许通过过滤分离蓝绿藻，并在去除所述藻之后保存残留的培养液，所述残留的培养液能够重新插入所述太阳能接收器和所述顶部容器系统。
7.根据前述权利要求所述的用于蓝绿藻生长的装置(100)，其特征在于，所述惰性气体推动系统(200)和所述脱气系统的组合允许所述光生物反应器的构造和操作将所述培养基中增殖的所述蓝绿藻分子的剪切和应力减少至最小值，并将溶解氧的浓度减小至最小值，至几乎完全去除的点，所述溶解氧会危及所述蓝绿藻的生长。
8.根据前述权利要求所述的用于蓝绿藻生长的装置，其特征在于，所述装置的所述“气升式”光生物反应器使用气体回路(300)，通过插入一定体积的惰性气体将所述培养基推下所述降液管,包括带有小阀座面积的开关阀，以使蓝绿藻分子的剪切和应力最小化，并且更多的是通过插入所述惰性气体而移动的一定量的培养液同时将气体从所述循环顶部移走，汽提塔将亚大气压基础压力的气体从所述循环顶部通过所述汽提塔泵送，从底部上升到顶部，所述培养基通过所述汽提塔流入所述循环顶部内，从顶部下降至底部，因此与气体流逆流，从而使表面到液体的交换量最大化，并允许有效去除由于所述光合作用过程产生的扩散到所述培养液中的氧。
9.根据前述权利要求所述的用于蓝绿藻生长的装置(100)，其特征在于，所述光生物反应器是用于蓝绿藻培养的管状光生物反应器，由透明的、密封的管状(810)容积形成，与气体处理系统联接，所述气体处理系统设计成通过惰性气体推动系统或传统的气升系统强制所述培养液的再循环，所述气体处理系统还能够去除蓝绿藻生长所产生的氧，并且用氮气或其他惰性气体使其移动，所述气体处理系统也易于保存和回收蓝绿藻生长所需的微量二氧化碳气体，所述管状系统的管在其核心处包含第二不透明管，用作用于稳定所述培养液中的温度的热交换器。
10.根据前述权利要求所述的用于蓝绿藻生长的装置(100)，其特征在于，所述装置允许从低温热源回收热量以将所述培养液的温度稳定在最适合蓝绿藻生长的范围内，并允许它们在需要气态氧含量的流体中最佳地生长，并且所述装置允许以稳定同位素(13C)标记的蓝绿藻生长，同时消除或最小化13C标记的二氧化碳(13CO2)的损失。
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