CN117083373A - 用于生长微生物质的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
公开了生长微生物质(202)的方法，包括从生物体收集生物废弃物(206)，该生物废弃物包括第一量的水(208)和第一量的固相(210)；将所收集的生物废弃物接收在第一反应器(212)中；使用第一组操作参数处理在第一反应器中的所收集的生物废弃物第一时间段，以使至少一部分固相无机营养物溶解在第一量的水中，从而形成生长介质(216)；洗涤所形成的生长培养介质，洗涤包括灭菌、分离和清洗步骤；将形成的生长介质提供至容纳有微生物质的接种物的第二反应器(228)；从大气中就地收集二氧化碳；收集存在于大气中的第二量的水，并将收集的第二量的水分解成氧气和氢气；将收集的二氧化碳和分解的氧气和氢气提供至第二反应器；在第二组操作参数下使微生物质在第二反应器中生长；及从第二反应器中收获生长的微生物质，以生产用于生物体消耗的食物。
Description
技术领域
整体来讲，本公开涉及在用于循环营养物的闭式循环系统中培养微生物；更具体地说，本公开涉及用于生长微生物质的方法和系统。本公开还涉及在非重力场条件下生长微生物质的方法。
背景技术
微生物已经用在从医学、食品工业、生物废弃物管理等各种应用中。在该方面上，微生物通常在最佳平衡的环境条件下于生物反应器中生长，以产生用于前述应用的微生物生物质，诸如营养素(nutraceuticals)、食物和/或食物成分，或者生物修复手段。最佳平衡的环境条件包括平衡量的营养物、气体、热、pH和压力。最近，微生物已经被用于闭式循环系统(诸如空间站)，来用于生物废弃物管理以及这种系统的营养循环。值得注意的是，微生物的这种用途仅限于从生物的废弃物(或生物废弃物)中生产粪肥或肥料，用于种植植物和减少由于处理生物废弃物而产生的总填埋量。
通常，用于生物废弃物管理的技术通过选择合适的微生物，在生长室中于受控的参数下利用生长的微生物质。此外，在闭式循环系统中生长微生物质的常规技术通过微生物利用来自生物废弃物的营养物而在该生物废弃物上生长。在示例中，常规系统采用连续培养技术，通过在闭式循环系统中利用电解水产生的氢气来生产微生物生物质。用于此目的的微生物可以属于广泛的属，优选那些利用二氧化碳、尿素和水来产生可以用作食物的营养物的微生物。然而，传统系统的问题在于它们不能利用各种生物废弃物(诸如粪便)例如作为系统的输入物。此外，生物废弃物含有尿素、毒素以及对生长介质和人类有毒的其他致病细菌和微生物，因此需要处理生物废弃物，这导致填埋和环境污染。
最近，已经引入了从生物废弃物中回收无机材料的技术。常见的方法是燃烧生物废弃物以回收无机材料，即灰化无机材料。然而，这种技术也不能完全回收无机材料，诸如氮、铁、钙、磷、锰，这是因为在高温下的氧化过程中，无机材料失去了它们的特性，例如元素氮在高温下会流失为氮气。此外，成灰元素形成玻璃样的非活性硅酸盐，不能作为营养物收回。
因此，鉴于前文的讨论，需要克服与用于生长微生物质和实现有效的营养物取回和循环的常规技术相关的缺点。
发明内容
本公开寻求提供生长微生物质的方法。本公开还寻求提供用于生长微生物质的系统。此外，本公开寻求提供用于在非重力场条件下生长微生物质的方法。本公开寻求提供针对闭式循环系统中将生物废弃物有效地转化为人类可食用材料的现有问题的解决方案。本公开的目的是提供至少部分地克服了现有技术中遇到的问题的解决方案，以及提供用于生长微生物质的有效且稳健的技术，从而产生有效且对环境安全的营养物循环。
在一个方面，本公开的实施方式提供了生长微生物质的方法，所述方法包括：
-从生物体收集生物废弃物，所述生物废弃物包含第一量的水和第一量的固相；
-将所收集的生物废弃物接收在第一反应器中；
-使用第一组操作参数在第一反应器中处理所收集的生物废弃物第一时间段，以使至少一部分固相无机营养物溶解在所述第一量的水中，从而形成生长介质；
-洗涤所形成的生长介质，其中所述洗涤包括灭菌、分离和清洗步骤；
-将所形成的生长介质提供至容纳有微生物质的接种物的第二反应器；
-从大气中就地收集二氧化碳；
-收集存在于所述大气中的第二量的水，并将所收集的第二量的水分解成氧气和氢气；
-将所收集的二氧化碳和分解的氧气和氢气提供至第二反应器；
-在第二组操作参数下，使微生物质在所述第二反应器中生长；以及
-从所述第二反应器中收获生长的微生物质，以生产用于所述生物体消耗的食物。
在另一方面，本公开的实施方式提供了用于生长微生物质的系统，所述系统包括：
-第一区段，所述第一区段配置为从生物体收集生物废弃物，所述生物废弃物包含第一量的水和第一量的固相，其中所述第一区段是收集器单元；
-第一反应器，所述第一反应器连接到第一区段以经由入口从所述第一区段接收所收集的生物废弃物，处理所接收的生物废弃物以形成生长介质，并洗涤所形成的生长介质，其中所述洗涤包括灭菌、分离和清洗，并且其中为了处理所述生物废弃物，所述第一反应器包括：
-温度控制器，用于保持所述第一反应器内部的期望温度，
-搅拌器，用于连续混合所述生物废弃物，
-pH传感器，和
-至少一个第一输入端，用于提供用于控制所述第一反应器中生物废弃物的pH的第一组成分；和
-第二反应器，所述第二反应器布置在所述第一反应器的下游，用于接收来自所述第一反应器的生长介质以生长微生物质，其中所述第二反应器包括：
-微生物质的接种物，
-第二入口，用于接收用于生长微生物质的第二组成分，所述第二组成分包含气体、水和化学品，和
-出口，用于从所述第二反应器收获生长的微生物质。
在又一方面，本公开的实施方式提供了用于在非重力场条件下生长微生物质的方法，其中所述方法包括培养至少一种经分离的微生物，包括用氢作为能量源和二氧化碳作为无机碳源以连续培养来培养所述至少一种经分离的微生物。
本公开的实施方式基本上消除或至少部分解决了现有技术中的前述问题，并且能够从生物废弃物中有效地回收无机材料，所述生物废弃物包括多种生物废弃物，包括但不限于粪便和尿液。生物废弃物用于闭式循环系统中微生物的最佳生长。此外，本公开的实施方式能够生产可用于营养素、药品、饲料、食物和/或食物成分中的营养物。
根据附图和结合所附权利要求描述的说明性实施方式的详细描述，本公开的其他方面、优点、特征和目的将变得明显。
应当理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，本公开的特征易于以各种组合进行组合。
附图说明
结合所附附图阅读时，可以更好地理解上面的概述以及下面的说明性实施方式的详细描述。出于说明本公开的目的，在附图中示出了本公开的示例性构造。然而，本公开不限于本文公开的具体方法和手段。此外，本领域技术人员将理解附图不是按比例绘制的。只要有可能，相同的要素用相同的数字表示。
现将参考以下附图，通过仅仅为示例的方式来描述本公开的实施方式，其中：
图1是描绘根据本公开的实施方式的用于生长微生物质的方法的步骤的流程图；和
图2是根据本公开的另一实施方式的用于生长微生物质的系统的框图。
在所附附图中，带有下划线的数字用于表示位于该带有下划线的数字之上的项目或与该带有下划线数字相邻的项目。无下划线的数字涉及由将无下划线的数字链接到项目的线所标识的项目。当一个数字没有下划线并且伴随有相关的箭头时，该无下划线的数字用于标识箭头所指的一般项目。
具体实施方式
以下详细描述阐述本公开的实施方式以及可以实现它们的方式。尽管已经公开了进行本公开的一些模式，但是本领域技术人员将认识到，用于进行或实践本公开的其他实施方式也是可能的。
在一个方面，本公开的实施方式提供了生长微生物质的方法，所述方法包括：
-从生物体收集生物废弃物，生物废弃物包含第一量的水和第一量的固相；
-将所收集的生物废弃物接收在第一反应器中；
-使用第一组操作参数处理在第一反应器中的所收集的生物废弃物第一时间段，以使至少一部分固相无机营养物溶解在第一量的水中，从而形成生长介质；
-洗涤所形成的生长介质，其中所述洗涤包括灭菌、分离和清洗步骤；
-将所形成的生长介质提供至容纳有微生物质的接种物的第二反应器；
-从大气中就地收集二氧化碳；
-收集存在于大气中的第二量的水，并将所收集的第二量的水分解成氧气和氢气；
-将所收集的二氧化碳和分解的氧气和氢气提供至第二反应器；
-在第二组操作参数下，使微生物质在第二反应器中生长；以及
-从第二反应器中收获生长的微生物质，以生产用于生物体消耗的食物。
在另一方面，本公开的实施方式提供了用于生长微生物质的系统，系统包括：
-第一区段(first stage)，第一区段配置为从生物体收集生物废弃物，生物废弃物包含第一量的水和第一量的固相，其中第一区段是收集器单元；
-第一反应器，第一反应器连接到第一区段以经由入口从第一区段接收所收集的生物废弃物，处理所接收的生物废弃物以形成生长介质，并洗涤所形成的生长介质，其中所述洗涤包括灭菌、分离和清洗，并且其中为了处理生物废弃物，第一反应器包括：
-温度控制器，用于保持第一反应器内部的期望温度，
-搅拌器，用于连续混合生物废弃物，
-pH传感器，和
-至少一个第一输入端，用于提供用于控制第一反应器中生物废弃物的pH的第一组成分；和
-第二反应器，第二反应器布置在第一反应器的下游，用于接收来自第一反应器的生长介质以生长微生物质，其中第二反应器包括：
-微生物质的接种物，
-第二入口，用于接收用于生长微生物质的第二组成分，第二组成分包含气体、水和化学品，和
-出口，用于从第二反应器收获生长的微生物质。
在又一方面，本公开的实施方式提供了用于在非重力场条件下生长微生物质的方法，其中方法包括培养至少一种经分离的微生物，包括用氢作为能量源和二氧化碳作为无机碳源以连续培养来培养至少一种经分离的微生物。
本公开提供的上述方法通过利用生物废弃物在闭式循环系统中生长微生物质来生产用于人类(和/或动物)消耗的食物。本公开的方法包括在使用生物废弃物生长微生物质之前对其进行处理。有益的是，生物废弃物的处理过程使得该生物废弃物的无机矿物质的化学组成得以保留，从而矿物质仍然可供微生物在闭式循环系统内的营养循环中利用。因此，该处理过程能够在闭式循环系统内实现有效的营养循环。此外，本发明的方法从生物废弃物中去除了致病细菌和毒素，从而能够利用各种生物废弃物(包括但不限于粪便和尿液)，用于生长微生物，从而解决了与处理这种废弃物材料相关的问题。此外，由于通过去除致病细菌和毒素确保了安全性，因此这种微生物可用于例如食物生产。
在本公开的全文中，本文使用的术语“微生物质(microbial mass)”是指样品(诸如培养介质)中活组分(即微生物)的量的量度。典型地，微生物可包括藻类、细菌、蓝细菌、酵母、真菌、古生菌等。大多数情况下，细菌、藻类和真菌等微生物分解生物废渣，释放出营养物质(诸如氮、碳等)和气体(二氧化碳、氢气、甲烷等)。此外，微生物质具有代谢毒素和外源性物质(xenobiotics)的能力，并生物累积样品中存在的金属离子(诸如锌、铜、镍、铬、铅等)。值得注意的是，微生物具有在从需氧到厌氧以及兼氧条件的不同类型的生长条件下生长的能力。作为微生物质的替代性措辞，可以使用术语微生物生物质(microbialbiomass)。
应当理解的是，微生物在它们合适的自然环境和/或人工系统中生长。人工系统被配置为模拟适合给定微生物的自然环境。典型地，使用微生物的接种物(即，少量微生物作为菌种培养物)作为起始材料在人工系统中于最佳生长条件下生长更多的微生物。任选地，人工系统用于培养原核和真核细胞，包括植物细胞、真菌、杂交瘤细胞系等。最初，用来自无菌保持的微生物培养物的一定量的接种物接种人工系统。进一步地，使微生物在受控环境中生长一段限定的时间段，以实现最佳生长，下文称为“微生物质”。微生物的最佳生长涉及其生物质或微生物生长的副产物，这些被后续收获以备后用，诸如用在人类营养中，包括蛋白、脂类、碳水化合物、维生素、矿物质、纤维等。
任选地，人工系统以例如生物反应器来实施。术语“生物反应器”是指旨在用于生物和/或生化反应的容器，该生物和/或生化反应是用于满足消耗者的营养、药物或能量需求，在受限和受控的物理和化学条件下培养细胞、生长微生物和生产生物分子所需的。生物反应器可具有诸如柱体、锥体、长方体(cuboidal)或立方体(cubical)的形状。任选地，生物反应器的容积例如是10升、100升、200升、1000升(L)等。
任选地，生物反应器由对生物反应器中待处理的内容物呈惰性的材料制成。在示例中，制造材料可以是不锈钢(例如304L、316L或316L型)、其他合适的金属或合金、玻璃材料、纤维、陶瓷、塑料材料和/或它们的组合。此外，制造材料典型地是防水的，并且足够坚固以承受各种生物、生物化学和/或机械过程(诸如微生物浓度、生物质产量、搅拌力、通气力、操作压力、温度、酸、碱等)的磨损影响。典型地，生物反应器具有足够的厚度以支撑其中内容物的重量，并进行各种生物、生物化学和/或机械过程。此外，生物反应器应优选保持灭菌条件，例如在121℃和2.5巴压力下用水蒸气进行蒸汽灭菌。可替代地，可以使用化学灭菌或γ灭菌进行灭菌。
生长微生物质的方法起始于从生物体收集生物废弃物，生物废弃物包含第一量的水和第一量的固相。在本公开的全文中，本文使用的术语“生物废弃物”是指主要由有机物组成的可生物降解的废弃物。典型地，生物废弃物包括可堆肥的食物废弃物、绿色废弃物(诸如来自花园的废弃物，诸如草屑、树叶；厨房废弃物；它们具有高含量的氮)、褐色废弃物(诸如干树叶、松杆、干草、锯屑、枝条等，它们具有高含量的碳)、动物流出物(诸如粪便、奶、尿液、子宫排出物、唾液等)和消化废弃物(诸如人类排泄物，即尿液和粪便)。本公开的生物废弃物主要由从生物体(诸如人类和/或伴随人类的动物)收集的消化废弃物组成。此外，这种生物废弃物包含可能对人和动物都有健康风险的致病细菌和毒素。致病细菌可以包括例如沙门氏菌(Salmonella)、大肠杆菌(E.coli)、沙门氏菌(Salmonella)、志贺氏菌(Shigella)和弧菌(Vibrio)以及其他微生物，它们会引起令人不快且有害的感染。因此，在生长用于生产食物的微生物质之前，需要从生物废弃物中去除致病细菌和/或毒素。
任选地，生物废弃物包括粪便和尿液，并且第一量的水为生物废弃物的50-90重量％。值得注意的是，粪便形成第一量的固相，而第一量的水由尿液、对应于粪便的含水量和/或形成粪便浆液的冲洗水组成。第一量的水可以构成生物废弃物的50、55、60、65、70、75、80或85重量％至55、60、65、70、75、80、85或90重量％。在示例中，第一量的水是生物废弃物的90重量％。重要的是，控制生物废弃物中的水量，以确保在该过程中合适的生长环境。此外，氮、铁、钙、磷、锰是在粪便中大量发现的元素，而不是在尿液或者除了在尿液中发现。这些无机物作为营养物的回收有益于生产用于各种目的的微生物质。
此外，生物废弃物被收集在前述用于生长微生物质的系统内或者作为连接到前述用于生长微生物质的系统的独立装置的收集器单元(下文称为“第一区段”)中。典型地，第一区段包括至少一个入口和出口，以允许其内容物相应地流入第一区段并进入下游接收室(下文称为“第一反应器”)。任选地，第一区段包括在至少一个入口和出口中的粗过滤器，以去除可能干扰系统有效工作的粗悬浮颗粒。
随后，将所收集的生物废弃物接收在第一反应器中。本文使用的术语“第一反应器”是指布置在生物反应器内部或作为与生物反应器连接的独立单元提供的腔室或容器，其被配置为处理所收集的生物废弃物。第一个反应器提供了适于处理生物废弃物的条件，以使其随后用于生长微生物质。第一反应器通常是三维中空结构或容器，具有特定的容积和特定的形状，诸如柱体、锥体、长方体或立方体。
使用第一组操作参数处理在第一反应器中的所收集的生物废弃物第一时间段，以使至少一部分固相无机营养物溶解在第一量的水中，从而形成生长介质。在这点上，第一反应器被配置为用生物废弃物填充至预定水平。任选地，第一反应器中生物废弃物的预定水平可以涉及当使用第一组操作参数有效处理生物废弃物以将至少一部分固相无机营养物溶解到第一量的水中以形成浆状生长介质时的状态。
在本公开的全文中，本文所用的术语“生长介质”是指为生长微生物质提供营养的液体或半固体基质。生长介质包括含或不含营养物的液相和固相。任选地，生长介质的液相包含水和/或尿液，固相包含粪便和固相无机营养物。应当理解的是，正常情况下，尿液中含有约90重量％的水和10重量％的无机盐和有机化合物。尿液的干固体包含碳、氮、磷、钾、尿素和氨。此外，粪便包含约75重量％的水和25重量％的固体物质。此外，固体物质包含约30重量％的微生物(细菌、原生动物、寄生虫卵等)、30重量％的不消化(indigestible)食物、10-20重量％的脂肪、2-3重量％的蛋白和10-20重量％的无机营养物。从粪便中获得的无机营养物是碳、氮、钙、磷、铁、钾、镁、硒等的来源。有益的是，将至少一部分固相无机营养物溶解到第一量的水中能够有效吸收无机营养物，用于其上微生物的生长。
任选地，生长介质可以包含添加的无机营养物，包括碳、镁、钾、磷、硫、铁、锌、锰、氮(例如以氨、尿素、硝酸盐、亚硝酸盐、氨基酸、蛋白(可溶的、不可溶的或水解的)的形式)、动物副产物、乳制品废弃物、酵母、脂肪酸、醇、多糖、矿物质、维生素、生长因子、酸、碱、抗生素、消泡剂、表面活性剂等。任选地，生长介质进一步包含气体，诸如氧气、二氧化碳、一氧化碳、氮气、氢气、惰性气体、氮氧化物、甲烷等。应当理解的是，除了生长介质之外，微生物还需要气体来进行最佳生长。
此外，当操作时，第一反应器容纳有生长介质。应该理解的是，本公开中使用的术语“当操作时”应被解释为不局限于仅当第一反应器由给定用户操作时的第一反应器，而是旨在包括第一反应器的结构和功能方面两者。
任选地，第一反应器可以以水热碳化压力容器来实施。本文使用的术语“水热碳化”或“HTC”是指热化学过程，其具有温度、压力和pH控制，用于将湿生物废弃物的组成(有机和无机化合物)转化为能量和/或化学化合物(诸如结构碳、生物燃料等)，而不需要对生物废弃物进行预干燥。典型地，HTC涉及使用适中的温度、压力和pH来处理生物废弃物和从固相(粪便)和液相(尿液)中回收无机营养物，诸如氮、铁、钙、磷、锰。任选地，HTC还涉及诸如停留时间、加热速率、生物质浓度、水质(aqueous quality)等参数。HTC能够回收无机营养物，用于各种目的的微生物质生长。
任选地，第一反应器是HTC相容的压力容器，诸如10L Hastelloy C276压力反应器。第一反应器使用陶瓷加热元件(6kW)。任选地，从第一反应器的外表面提供加热，诸如通过沿着第一反应器的外表面围绕第一反应器布置陶瓷加热元件。可替代地，从第一反应器的内表面提供加热，诸如通过沿着第一反应器的内表面围绕第一反应器布置陶瓷加热元件。
任选地，第一组操作参数包括：第一反应器内部的温度，其中该温度至少为190摄氏度；生长介质的pH，其中pH小于4。本文所用的术语“第一组操作参数”是指处理生物废弃物所需的一组条件，以将至少一部分固相无机营养物溶解到第一量的水中，用于生长微生物质。第一组操作参数包括第一反应器内的温度、pH和压力条件。应当理解的是，第一反应器内容物的温度条件、压力和pH是确保固体物质破碎以及保持固相无机营养物完整性的重要参数。温度可以例如从150摄氏度(℃)、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃或250℃至160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃或300℃，优选从180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃或240℃至190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃或250℃，更优选从190℃、200℃或210℃到200℃、210℃或220℃。在示例中，温度为220℃。上述温度范围有益于杀死生长介质中的致病细菌，这些致病细菌可能对生长介质和其上生长的微生物质有害，并对所述微生物质的最终消耗者有毒。此外，上述温度范围能够将固相有机物破碎成合适的形式。应该理解的是，温度不应该非常高，因为第一反应器是压力容器，在非常高的温度下使用可能是危险的。此外，生长介质可能在非常高的温度下会沸腾。pH可以是例如从例如2、2.5、3或3.5至2.5、3、3.5或4的酸性pH。在示例中，pH值是2.3。任选地，使用酸，诸如硫酸，调节第一反应器内容物的pH。应当理解的是，HTC过程中较低的pH条件使得固相无机营养物在液相中更可溶，即第一量的水中。压力可以从10、12、14、16或18巴至12、14、16、18或20巴。在示例中，压力是10巴。
任选地，该方法还包括以至少100RPM的速度搅拌第一反应器中的生物废弃物。应当理解的是，搅拌生物废弃物使得生物废弃物中的固体物质破碎成更小的颗粒，从而引起固相无机营养物有效溶解在第一量的水中以形成生长介质。此外，搅拌生物废弃物引起生物废弃物的有效通气(aeration)，从而防止第一反应器中的危险爆炸。典型地，搅拌速度可以是例如100RPM、200RPM、500RPM、1000RPM、2000RPM等。任选地，搅拌速度为200RPM。任选地，生物废弃物的搅拌可以是单向的或漩涡动作。
任选地，第一时间段是1小时至18小时。通过采用HTC工艺对在第一反应器中生物废弃物的处理进行预定的时间段，即第一时间段。本文所用的术语“第一时间段”是指将一部分固相无机营养物基本溶解到第一量的水中以产生适合微生物质在其上生长的生长介质所需的持续时间。典型地，第一时间段可以在1、1.5、2、3、6或12小时至2、3、6、12或18小时的范围内。在示例中，第一时间段是1小时。应当理解的是，第一时间段是搅拌生物废弃物的速度的函数。就该点而言，对于高搅拌速度，第一时间段较短，而对于低搅拌速度，第一时间段较长。另外，任选地，第一时间段是第一反应器内部温度的函数。就该点而言，对于第一反应器中的高温，处理生物废弃物所需的第一时间段较短，而对于第一反应器中的低温，处理生物废弃物所需的第一时间段较长。
有益的是，HTC能够从生物废弃物中回收无机营养物，诸如氮、铁、钙、磷、锰，而不涉及能量密集的干燥过程和/或补偿所需无机营养物的结构或功能完整性，这与传统的灰分形成方法或涉及在酸存在下进行数小时处理的化学过程相反。此外，有利的是，在第一反应器中放热反应期间产生的热量有助于其中的温度条件，从而显著降低保持第一反应器内部温度条件所需的能量消耗。此外，HTC过程是具有时间有效性的。
任选地，如果生长介质中的水量低于生长介质的20重量％，则通过向第一反应器中加入第三量的水来调节生长介质中的水量，如果生长介质中的水量高于生长介质的20重量％，则加入更多的固相。值得注意的是，预定浓度(即第一量的水和第一量的固相)和稠度的生长介质是生长微生物质所需要的。就该点而言，通过调节第一反应器中的水量，可以适当改变生长介质的浓度和稠度。预定浓度的生长介质包含20重量％的水量和80重量％的固相。因此，如果生长介质中的水量低于生长介质的20重量％，则可使用第三量的水，如果生长介质的水量高于生长培养基的20重量％，则可以添加更多的固相来相应地适当稀释或浓缩生长介质。任选地，第三量的水可得自于尿液或正常水。根据替代实施方式，添加第三量的水或添加更多固相材料的限制可以在15-25重量％之间。
该方法进一步包括在将所形成的生长介质提供至第二反应器之前，洗涤所形成的生长介质。本文所用术语“洗涤”是指从生长介质中清除生物废弃物中存在的致病细菌和毒素。洗涤(或清洗)生长介质包括灭菌、分离和清洗步骤。就该点而言，对含有溶解在第一量的水中的至少一部分固相无机营养物的生长介质进行灭菌和分离步骤，以便相应地从生长介质中杀死治病细菌和其它毒素，并分离生长介质中未溶解的固相。值得注意的是，灭菌和分离步骤是在生长介质被引入生长室之前进行的，该生长室在下文中被称为“第二反应器”。事实上，由于在本公开中没有使用诸如热解或燃烧的过程，因此能够回收诸如氮、铁、钙、磷、锰等无机材料。任选地，分离步骤利用过滤器(即筛、网或膜)来分离生长介质中未溶解的固相。更任选地，过滤器(即筛、网或膜)布置在第一反应器通向第二反应器的出口处。分离步骤可以利用膜分离技术，诸如微滤、超滤、纳米过滤和反渗透。本公开的清洗步骤包括洗涤生长介质中的碳化残余物(由HTC过程产生)。碳化残余物的所述洗涤对于进一步改进生长介质液相中盐和营养物的回收率是重要的。任选地，清洗步骤例如在搅拌或不搅拌下，通过用水(去离子水、蒸馏水、热水或冷水)洗涤来进行。可替代地，任选地，清洗步骤通过用化学品，诸如盐酸、硝酸、硫酸、氢氧化钠、碱等洗涤来进行。
该方法包括将所形成的生长介质提供至容纳有微生物质接种物的第二反应器。本文使用的术语“第二反应器”是指布置在第一反应器下游的腔室或容器。第二反应器被配置用于在从第一反应器接收的生长介质中生长微生物质。第二反应器提供适于生长微生物质的条件。任选地，第二反应器垂直位于第一反应器的下方。前述布置使得生长介质能够从第一反应器流向第二反应器。由于重力的作用，生长介质从第一反应器流向第二反应器。任选地，第一反应器以使得第一和第二反应器共享共同垂直轴的方式位于第二反应器的顶部。可替代地，第一反应器可以使得第一和第二反应器不不共享共同的垂直轴的方式位于第二反应器的顶部，即第二反应器位于第一反应器的下游附近。在这种情况下，第一和第二反应器垂直间隔开。在另一实施方式中，第二反应器不是位于第一反应器下方，而是垂直间隔开，使得第二反应器的顶表面高于第一反应器的底表面。任选地，在将所形成的生长介质提供给第二反应器之前，可以使用例如膜来过滤生长介质。
任选地，典型地，第二反应器是三维中空结构或容器，具有特定容积和特定形状，诸如柱体、锥体、长方体或立方体。任选地，第一和第二反应器在结构上彼此相似，例如基于容积、尺寸、其制造材料等。可替代地，第一和第二反应器可以在结构上不同。应当理解的是，第一和第二反应器可以在功能上彼此相似或不同。
此外，第二反应器在操作期间容纳处于延滞期(其中微生物质的生长即将开始或刚刚开始)、对数期(其中微生物质的生长以快速速率增加)或稳定期(其中微生物质的生长已经停止或即将停止)的至少一个生长期中的微生物质的接种物。任选地，本公开的系统是连续培养系统，其中生长介质被不断地添加并且生长介质被不断地移除，微生物质的生长可以达到生长速率恒定的稳态。
任选地，微生物生物质的接种物包含至少一种经分离的微生物，其中所述微生物具有利用氢气作为能量源和二氧化碳作为无机碳源生长的能力。任选地，经分离的微生物可以从其自然栖息地获得。可替代地，任选地，经分离的微生物可以从其实验室培养物中获得，其在良好制造工艺(GMP)和无菌条件的指导下生产和储存。经分离的微生物具有利用氢气和二氧化碳分别作为能量源和碳源的能力。基于碳源，微生物可能是自养生物(碳从二氧化碳获得)、异养生物(碳从有机化合物获得)或混养生物(碳从有机化合物和通过固定二氧化碳获得)。基于能量源，微生物可以是自养生物、光自养生物(能量从阳光中获得)、无机营养菌(lithotrophs)(从无机化合物中获得电子受体，诸如氢)、有机营养生物(从有机化合物中获得电子受体，诸如氢)或化学营养菌(从外部化学化合物中获得能量)。应当理解的是，在实践中，前述术语可以自由组合以指基于其能量和碳源的微生物，诸如化能无机营养生物(chemolithotrophs)、化能无机自养生物(chemolithoautotrophs)、化能无机异养生物(chemolithoheterotrophs)等。
任选地，用于接种物的微生物选自由以下项组成的组：永达尔梭菌(Clostridiumljungdahlii)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、Knallgas细菌(诸如Cupriavidusnecator、Rhodococcus opacus、Hydrogenobacter thermophilus、Hydrogenovibriomarinus、Alcaligenes eutropha等)、Caminibacter属、产水菌(Aquifex)属、副球菌(Paracoccus)属、黄杆菌(Xanthobacter)属、氢单胞菌(Hydrogenomonas)属、甲烷氧化菌(methanotrophs)、产甲烷菌(methanogens)、地杆菌(Geobacter)属、蓝细菌(Cyanobacterium)属、醋酸杆菌(Acetobacterium)属、颤螺旋菌(Oscillospira)属、Pleomorphomonas属。永达尔梭菌是在合成气和二氧化碳/氢气混合物中生长的厌氧同型产乙酸菌。永达尔梭菌(C.ljungdahlii)能够发酵糖、其他有机化合物、二氧化碳/氢气混合物和/或合成气来生产蛋白和化学品。在该过程中，永达尔梭菌能够持续降低大气中的二氧化碳和一氧化碳。已知Knallgas细菌在化能无机自养条件下利用氧气固定二氧化碳并且氧化氢气(oxidize hydrogen gas)来生长其生物质。Knallgas细菌在有氧或兼氧性化能无机自养条件下产生蛋白和其他高能分子。属于Caminibacter属的微生物是嗜热、厌氧、化能无机自养的细菌。它们利用氢气和二氧化碳分别作为其生长的能量源和碳源。属于产水菌属的微生物是极端嗜热生物，在85℃至95℃的温度范围内以及通过减少氧气或氮气而相应地在有氧(氧气水平非常低)或无氧条件下生长最佳。属于副球菌属的微生物是具有将硝酸盐还原成分子氮能力的兼氧细菌。副球菌种能够利用各种有机和无机基质进行生长，因此在生物修复过程中具有潜在的用途。属于黄杆菌属的微生物是固氮生物，其可以化能无机自养地(在其环境中存在氢、二氧化碳和氧的情况下使用分子氮作为氮源)以及化学有机异养地(使用甲醇、乙醇和各种有机酸作为唯一碳源)生长。属于氢单胞菌属的微生物是一组能够利用氢作为电子供体的兼氧自养生物。甲烷氧化菌是厌氧生物，其在缺氧条件下产生甲烷作为代谢副产物，因此在废水处理中得到应用。属于地杆菌属的微生物是厌氧细菌，其将有机化合物和金属氧化成二氧化碳，从而在生物降解和生物修复中得到应用。属于蓝细菌属的微生物是自由生活的光合细菌和内共生细菌。已知蓝细菌种将大气中的氮固定为氨、硝酸盐或亚硝酸盐，这些最终在厌氧条件下转化为蛋白。属于醋酸杆菌属的微生物是厌氧细菌，其利用二氧化碳或一氧化碳产生乙酸。属于颤螺旋菌属的微生物是利用糖作为碳源的厌氧生物。属于Pleomorphomonas属的微生物利用甲烷作为碳源和能量源。Pleomorphomonas种也能固定氮。酿酒酵母是兼性厌氧酵母，可使糖(诸如葡萄糖、麦芽糖、海藻糖等)发酵来产生蛋白和其他有用的化合物(诸如生物乙醇)。已知甲烷氧化菌是利用甲烷的细菌，能够在氧存在的条件下生长，产生蛋白和化学品，作为微生物质的一部分。
任选地，微生物质的生长包括用无机碳源并用氢作为能量源以连续培养来培养黄杆菌属的细菌菌株，其中无机碳源包括二氧化碳。如上所述，黄杆菌属的细菌菌株是固氮细菌，其在作为能量源的氢和作为碳源的二氧化碳存在下固定氮。初始时，将黄杆菌属的细菌菌株接种到第二反应器中，以在连续培养物中生长预定的时间段和/或直到微生物质已经生长到预定的大小。
任选地，微生物质包含经分离的细菌菌株VTT-E-193585或其衍生物，其中所述衍生物保留了利用氢气作为能量源并利用二氧化碳作为唯一碳源来生长的能力。经分离的细菌菌株VTT-E-193585或其衍生物在遗传上是稳定的，并且通过利用氢气作为能量源和二氧化碳作为碳源，可以随时间在从最佳到压力条件的广泛的工艺条件下生长。本文使用的术语“遗传上稳定的”是指物种或菌株/分离体抵抗变化并在多代或细胞分裂中，理想的是数百到数千代中保持其基因型的特征。
该方法包括收集二氧化碳。由于微生物使用二氧化碳作为其生长的碳源，从大气中收集或者可替代地从其他过程中提供二氧化碳。应当理解的是，可以使用本领域技术人员已知的各种技术来收集二氧化碳。具体地，在诸如闭式循环系统的系统中，从诸如被所述系统的壁覆盖的大气中就地收集二氧化碳。例如，可以使用化学介质、功能吸附剂或二氧化碳提取剂来收集二氧化碳。有益的是，微生物持续利用大气中的二氧化碳，从而消耗大气中的二氧化碳量。由于所述系统中的人类居住者呼吸产生越来越多的二氧化碳作为其呼吸副产物，所以对于微生物对呼出的二氧化碳的利用，来自大气的二氧化碳永不枯竭，因此作为微生物生长的容易获得的碳源。任选地，可替代地，二氧化碳和能量从外部大气获得，诸如通过太阳能电池板，在这种情况下，系统可以是再生系统。
任选地，该方法进一步包括从至少一部分生长介质中提取二氧化碳。就该点而言，二氧化碳从生长介质中被固定。此外，来自生长介质的无机碳(以二氧化碳的形式)被微生物固定或转化为有机化合物。然后有机化合物被用来储存微生物生长所需的能量。
该方法包括收集第二量的水并将所收集的第二量的水分解成氧气和氢气。本文使用的术语“第二量的水”是指大气中存在的水或湿气的量。应当理解的是，系统的居住者，诸如人，呼吸时会在大气中产生二氧化碳和水蒸气。典型地，第二量的水通过冷凝大气空气、尿素中的湿气等从本地大气中收集。诸如使用电解过程将所收集的第二量的水分解成氢气和氧气。在该过程中释放的氢气被微生物用作其生长的能量源。此外，通过分解第二量的水产生的氧气提高了兼氧或需氧微生物水解生长介质中有机物的速率。有益的是，将第二量的水分解成氢气和氧气消除了安装用于储存氢气和氧气的气相容器的需要，该氢气和氧气可用于生长微生物质。
该方法包括将所收集的二氧化碳和分解得到的氧气和氢气提供至第二反应器。应当理解的是，除了生长介质之外，微生物还需要气体来进行最佳生长。将气体溶解在第二个反应器内的生长介质中。将分解得到的氧气和氢气以及所收集的二氧化碳供应至第二反应器，以向第二反应器中的微生物质提供通气和必要的能量和碳源。此外，氧气以溶解的形式提供给微生物。典型地，溶解氧通过称为通气的过程连续提供至微生物。生长介质中溶解的气体与气体的停留时间成正比。在本公开的全文中，本文使用的术语“停留时间”是指气体在生物反应器中花费的持续时间。在示例中，气泡形式的气体在生长介质中的停留时间可以在10至30分钟的范围内。任选地，与大气泡相比，小气泡具有更高的单位体积表面积，因此具有更小的浮力，从而具有更长的停留时间。任选地，可以将所述气体喷射到生长介质中，以使气体与生长介质有效混合，并增加每种气体在生长介质中的停留时间，以便微生物有效利用。应当理解的是，生长介质的通气能够保持生长介质的新鲜度，从而引起有效的微生物生长。任选地，除了二氧化碳、氧气和氢气之外，可以向第二反应器提供其他气体。其他气体包括但不限于一氧化碳、氮气、惰性气体、氮氧化物、甲烷等。
典型地，基于预定量向第二反应器提供气体，该预定数量基于生长介质中存在的微生物的数量。换句话说，基于待生长的微生物质的期望数量和已知的微生物利用气体的能力，确定气体和生长介质的量。任选地，气体的量取决于微生物生长期的不同长度。任选地，气体的量取决于用于微生物质生长的策略，诸如需氧生长、厌氧生长、兼氧生长等。
该方法包括在第二组操作参数下在第二反应器中生长微生物质。第二反应器配置有第二组操作参数，使得微生物质能够有效生长。本文使用的术语“第二组操作参数”是指在第二反应器中生长微生物质所需的一组条件。第二组操作参数包括由前述生长介质提供的营养需求、通气(溶解的氧浓度)和搅拌(通过定期搅拌生长介质实现混合)、渗透压、pH和第二反应器内的温度条件。应当理解的是，微生物的高生长率引起第二组操作参数的快速变化，从而需要持续监控第二组操作参数，诸如通过控制器装置、调节器和/或传感器。典型地，营养需求包括大分子(诸如碳、氢、氧、氮、硫、磷)和小分子(诸如微量元素和有机生长因子，例如镁、钾、钠、钙和铁)。此外，温度范围会因不同类型的微生物而不同。基于优选的温度范围，将微生物典型地分为嗜冷菌(最佳温度在0至30℃之间的喜冷微生物)、嗜温菌(最佳温度在25至40℃之间的喜中温微生物)和嗜热菌(最佳温度在50至80℃之间的喜热微生物)。此外，范围在5.4和8.5之间的中性pH最适合微生物生长。然而，一些被称为嗜酸菌的微生物可以在酸性pH(低于45.4)下生长，而另一些被称为嗜碱菌的微生物可以在7和14之间的碱性pH下生长。值得注意的是，霉菌和酵母在5和6之间的pH范围内生长最好。此外，微生物质的生长也根据生长介质的渗透压(由微生物外部环境中的盐浓度决定)而变化。此外，生长介质需要定期通气和搅拌，以溶解生长培养基中的气体(诸如氧气)供微生物吸收。应当理解的是，生长介质包含足够的液相(诸如水)，以促进微生物质的生长。应当理解的是，第二反应器中的微生物接种物处于早期滞后期和/或对数生长期。
该方法包括从第二反应器收获生长的微生物质，以生产用于生物体消耗的食物。本文使用的术语“收获(harvest)”或“收获(harvesting)”是指从第二反应器中的生长介质中去除生长的微生物质的过程。任选地，连续进行或者逐批进行生长的微生物质的收获。生长的微生物质通常处于其稳定生长期，即微生物不再生长时。可以使用本领域技术人员已知的技术对所收获的生长的微生物质进行进一步处理，以从中获得期望的产物。来自所收获的生长的微生物质的期望产物包括蛋白、脂类、碳水化合物、纤维、维生素、矿物质和/或抗氧化剂。任选地，期望的产物可以作为食物、食物成分、营养素、药物、消费品(aconsumable)和/或应用产品等被消耗。事实上，这些方法步骤提供了协同效应，并使得微生物质能够生长。根据实施方式，该方法适用于在闭式系统(诸如空间站)中培养微生物质，这是因为可以从空间站中的宇航员收集生物废弃物，可以从空间站的大气中收集二氧化碳，并且可以将收获的生长的微生物质作为食物提供给宇航员，从而完成循环。
任选地，微生物质可操作以将生物废弃物和气体再循环到用于生物体消耗的食物中，并且其中所述食物富含以下中的至少一种：蛋白、碳水化合物、脂肪酸、抗氧化剂、纤维内容物(fibre content)。处于早期延滞期和/或对数生长期的微生物利用生长介质中的有机化合物和提供给第二反应器的气体将生物废弃物和气体再循环成可消耗的产物，优选营养物。任选地，微生物质包括能够产生蛋白、脂类、碳水化合物、纤维、维生素、矿物质和/或抗氧化剂的微生物。应当理解的是，来自收获的微生物质的营养物对于生物体(诸如人和动物)来说是安全的，优选地对于人来说是安全的，以满足低成本的营养需求。
任选地，该方法进一步包括从生物体中收集尿素，将所收集的尿素提供至第三反应器以对其进行处理，并将来自第三反应器的经处理的尿素提供至第二反应器作为用于微生物质生长的额外生长介质组分。应当理解的是，尿素水解提供氨形式的尿素氮，以及二氧化碳。微生物在存在氢和来自生长介质的氧的情况下利用氮进行生长。任选地，第三反应器平行于第一反应器布置，或者可替代地，布置在第一区段的下游，以收集尿素。任选地，第三反应器配置为处理收集的尿素，以使其可安全地用作生长介质。任选地，第三反应器是三维中空结构或容器，具有特定容积和特定形状，诸如柱体、锥体、长方体或立方体。任选地，第一、第二和第三反应器在结构上彼此相似，例如基于容积、尺寸、其制造材料等。可替代地，第一、第二和第三反应器可以在结构上不同。应当理解的是，第一和第三反应器可以在功能上彼此相似或不同。
本公开还涉及如上所述的系统。上文公开的各种实施方式和变型在加以必要的修正后适用于该系统。
值得注意的是，第一反应器通过入口与第一区段相连，经由该入口，从第一区段收集的生物废弃物被接收在用于其处理的第一反应器中。任选地，入口是具有一定长度的管状结构，其用作将收集的生物废弃物从第一区段提供到第一反应器的通道。此外，可以使用泵来使所收集的生物废弃物从第一区段流向第一反应器。此外，入口可以可操作地连接到调节器，用于调节所收集的生物废弃物通过入口进入第一反应器的供应。
用于处理所接收的生物废弃物的第一反应器包括：用于保持第一反应器内部所需温度的温度控制器、用于连续混合生物废弃物的搅拌器、pH传感器和至少一个用于提供第一组成分以控制第一反应器中生物废弃物的pH的第一输入端。任选地，第一反应器包括控制器装置(controller arrangement)，用于控制第一反应器内的第一组操作参数，以提供用于处理生物废弃物的受控条件。就该点而言，控制器装置包括多个传感器和调节器(或它们的组合)，用于基于传感器数据感测和调节第一反应器内的第一组操作参数。控制器装置包括例如温度控制器、湿度传感器、气体浓度传感器、pH传感器等，用于分别检测(或感测)第一反应器内的温度、湿度、气体浓度(至少两种气体，诸如二氧化碳、氧气和其他气体的相对浓度)和pH。应当理解的是，该至少一个第一输入端用作第一反应器的入口点，从该入口点添加用于控制第一反应器中生物废弃物pH的第一组成分，诸如碱性或酸性化合物或溶液。应当理解的是，如果生物废弃物的pH大于预定的pH值，例如大于2.3，则添加酸性化合物或溶液；如果生物废弃物的pH小于预定的pH值，即大于2.3，则添加碱性化合物或溶液，以使生物废弃物的pH达到预定的范围。任选地，控制器装置被配置为在整个处理时间内连续地感测和调节第一反应器内的第一组操作参数，或者间歇地，即在预定的持续时间内，诸如以5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟、60分钟等中的至少一个间隔内的持续时间，例如1小时至18小时之间的时间或如前所述的任何范围内感测和调节第一反应器内的第一组操作参数。
任选地，对于处理生物废弃物而言最佳的第一组操作参数从数据库中获得，其中数据库可通信地连接到控制器装置。此外，数据库涉及数字信息的有组织的主体，而不管数据或其有组织的主体被表示的方式。更任选地，数据库可以是硬件、软件、固件和/或其任意组合。数据库包括任何数据存储软件和系统，诸如像IBM DB2和Oracle 9这样的关系数据库。更任选地，控制器装置经由通信网络通信地连接到数据库。在示例中，通信网络包括但不限于蜂窝网络、短程无线电(例如，诸如)、因特网、无线局域网和红外局域网或其任意组合。
第一反应器具有第一出口，用于向第二反应器提供生长介质形式的经处理的生物废弃物。类似于第一入口，第一出口是具有一定长度的管状结构，其用作来自第一反应器的生长介质的出口或通道。任选地，第一出口可以可操作地连接到用于调节生长介质经由第一出口的流出的调节器。
第二反应器包括：微生物质的接种物；用于接收用于生长微生物质的第二组成分的第二入口；包括气体、水和化学品的第二组成分；用于从第二反应器收获生长的微生物质的出口。典型地，微生物质的接种物在过程开始时通过进料入口一次性进料到第二反应器中。应当理解的是，除了从第一反应器接收的生长介质之外，微生物还需要其他成分来生长。第二组成分被配置为提供生长微生物质所需的必要元素。第二组成分包括气体(诸如氧气、二氧化碳、氢气等)，水，和化学品，诸如用于保持生长培养基的最佳pH的碱性和/或酸性化合物或溶液。
任选地，第二入口是具有一定长度的管状结构，其用作向第二反应器提供第二组成分的入口。第二入口可设置在第二反应器的侧壁上。此外，第二入口可设置在第二反应器的底端。用于第二入口的气体可由气体储存单元提供，该气体储存单元可以位于第二反应器外部。此外，可以使用泵来使气体从气体储存单元流向第二反应器。此外，第二入口可以可操作地连接到用于调节气体经由第二入口进入第二反应器的供应的调节器。任选地，气体可以在压力下储存在气体储存单元中，即处于压缩状态。此外，气体的流速可以由控制器装置控制，即控制器装置可以调节从气体储存单元流向第二反应器的气体的数量和/或速度。在示例中，气体的流速在0.1至2体积气体/生长介质的体积/分钟(vvm)的范围内。
任选地，第二入口可以包括具有多个用于产生气泡的开口的喷嘴。喷嘴，例如喷射器，可以用作第二入口端部的突起部，并且包括许多开口，诸如小孔，以将气体以气泡的形式分散到第二反应器中。通过喷嘴的多个开口喷射的气体引起小气泡和大气泡的结合。此外，喷嘴中开口的直径可以是例如0.5至200μm(微米)，优选1至30μm，更优选3至10μm。喷嘴中开口的直径可以是例如0.5、0.7、1、2、3、5、7、10、15、20、22、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、110、120、130、140或150μm至1、2、3、5、7、10、15、20、22、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190或200μm。任选地，气泡的形状是管状、球形、半球形、椭圆形、半椭圆形和/或其组合中的任何一种。术语“喷射(sparge)”、“喷射(sparged)”或“喷射(sparginig)”是指通过使用喷射器(或扩散器或喷嘴)将气体注入到液体，诸如生长介质中的过程。任选地，喷射用于将气体溶解到液相中，诸如在通气和碳酸化中，用于在诸如发酵、臭氧化、氧化、氢化等应用中的进一步反应。可替代地，喷射用于从生长介质中除去污染物，诸如在剥离应用等中。
任选地，第二入口包括多个通道，每个通道用于运送待提供至第二反应器的第二组成分中的单种成分。值得注意的是，第二反应器可设置有多个单独的第二入口，用于将第二组成分中的每一种提供至第二反应器。可替代地，第二反应器可设置有共同的第二入口，用于将第二组成分中的每一种提供至第二反应器。在示例中，在第二入口用于向第二反应器提供气体的情况下，第二入口包括至少一个分隔物，用于产生针对两种或更多种气体的两个或更多个通道，其中多个通道中的每一个都用作用于运送待提供至第二反应器的气体中的单种气体的专用输入端。专用输入端防止气体混合，气体混合可能导致不期望的反应，诸如放热反应。在示例中，第二入口包括运送氧气的第一通道、运送二氧化碳的第二通道、运送氢气的第三通道等。任选地，第二入口可以由布置在第二反应器中不同位置的一组第二入口构成。
任选地，第一反应器和第二反应器中的每一个进一步包括搅拌机装置(agitatorarrangement)，用于混合生物废弃物和其中包含微生物质和第二组成分的生长介质。搅拌器被配置为搅拌第一反应器中的生物废弃物，以混合生物废弃物的液相和固相，从而在第二反应器中形成生长介质，以及包含微生物质和第二组成分的生长介质。本文所用的术语“搅拌器(stirrer)”是指用于混合生物废弃物以形成生长介质的浆液，并进一步混合生长介质以对其进行通气的旋转装置。在示例中，搅拌器被配置和可操作以顺时针方向、逆时针方向或这两个方向旋转。典型地，第一反应器中搅拌器的搅拌速度可以是例如100RPM、200RPM、500RPM、1000RPM、2000RPM等。任选地，搅拌速度为200RPM。任选地，搅拌器包括马达、连接到马达的轴和布置在轴上的叶片。任选地，叶片是锚型叶片。叶片刚性地连接在搅拌机装置的轴上，并且可操作以随着轴的旋转而旋转。任选地，叶片包括一组或一套以垂直间隔开的方式刚性连接到轴上的叶片。更任选地，每组叶片可以包括两个或更多个叶片。
任选地，第一和第二反应器各自包含独立的搅拌器。可替代地，第一和第二反应器可以包括共同的搅拌器，即具有贯穿第一和第二反应器的轴。此外，叶片连接到轴上，并且轴连接到共同马达上(直接或者使用皮带和滑轮装置)。
此外，第二反应器包括用于从第二反应器收获经生长的微生物质的出口。典型地，类似于第二入口，该出口是具有一定长度的管状结构，其用作来自第二反应器的经生长的微生物质的出口。任选地，该出口可以可操作地连接至用于调节生长介质经由出口流出的调节器。任选地，该出口可以设置在第二反应器的侧壁上。此外，该出口可以设置在第二反应器的底端。任选地，使用泵从第二反应器中收获生长的微生物质。应当理解的是，从第二反应器收获的经生长的微生物质具有处于高级生长期，即对数生长期的微生物质。具体而言，由第二入口提供的气体主要与第二反应器的生长介质接触，从而允许存在于第二反应器的生长介质中的微生物大量消耗气体并使其大量生长。任选地，第二反应器的生长介质被不断地从反应器中移除，以容纳来自第一反应器的新鲜生长介质，从而使得第二反应器中的微生物质能够最佳生长。任选地，从第二反应器中移除的生长介质储存在输出生长介质储存单元中。
任选地，该系统进一步包括气体循环装置，其布置在第一反应器和第二反应器之间，用于循环过量气体。应当理解的是，气体循环装置基本上包括将第一反应器与第二反应器流体连接的细长通道或管状结构。任选地，气体循环装置连接到气体储存单元。气体循环装置可以包括用于控制过量气体流量的阀和调节器。此外，气体循环装置可包括本领域已知的气体分离装置。气体分离装置可用于将气体混合物分离成随后将被输送到第二反应器的第二入口的单种的气体。在示例中，气体循环装置移除了可能存在于过量气体中的任何杂质。
任选地，该系统进一步包括从大气中提取二氧化碳的二氧化碳提取器，其中二氧化碳提取器经由入口连接至第二反应器。二氧化碳提取器通常是吸收二氧化碳的装置，诸如直接空气捕获。任选地，二氧化碳提取器是吸附剂材料，其吸收气态形式、压缩和螯合(sequestered)(诸如碳酸盐形式)的二氧化碳。将收集的(吸收的或提取的)二氧化碳提供至第二反应器，用于在其中微生物质的生长。
任选地，该系统进一步包括收集和处理来自生物体的尿素的第三反应器，其中第三反应器与第二反应器相连，用于向第二反应器提供经处理的尿素，作为微生物质生长的额外生长介质成分。
任选地，该系统是闭式循环系统。本文使用的术语“闭式循环系统”是指用于居住者(诸如人类和伴随人类的动物)的闭环生物再生生命保障系统。值得注意的是，闭式循环系统被配置和操作成在空气、水和营养物再循环方面实现完全自给自足。就该点而言，闭式循环系统利用生物废弃物，例如人类排泄物，来使负责营养物再循环的微生物质生长。任选地，闭式循环系统可以配备有循环动物、可食用动物、植物系统，来用于为所述系统的功能提供额外的保障。例如，闭式循环系统可以是执行长期任务的航天飞机、灾难管理舱、战争安全隧道、极端气候住所、连续生物反应罐等等。
任选地，该系统被配置为在范围为重力场和非重力场之间的一个或多个环境条件下使用。应当理解的是，本公开的系统配置有控制器装置，用于分别控制第一反应器的第一组操作参数和第二反应器中的第二组操作参数。因此，所述系统可以被配置用于(从系统内部或通过外部控制系统)分别调节第一反应器的第一组操作参数和第二反应器中的第二组操作参数，以使所述系统在任何大气条件下，即重力、失重、部分重力(诸如低重力或微重力)和完全无重力的合适操作。任选地，该系统包括重力传感器。
任选地，第二反应器包括旋转器，以在非重力场条件下使用时使生长介质产生离心效应。任选地，旋转器可以在功能和结构上类似于第二反应器的搅拌器。旋转器的数量可以是至少一个，并且可以布置在第二反应器的壁上，以使得能够在失重、部分重力或非重力场条件下混合生长介质。应当理解的是，在部分重力或非重力条件下，生长介质将不会在第二反应器的底部，因此搅拌器可能不足以混合生长介质。在这种情况下，除了第二容器的搅拌器之外，第二反应器的壁上的旋转器使得能够高效且有效地混合用于生长微生物质的生长介质。任选地，旋转器的速度可以与搅拌器的速度近似。可替代地，旋转器在功能和结构上可能与第二反应器的搅拌器不同。实际上，所述为反应室产生的人造重力使得能够控制微生物质的生长。没有人工重力效应(由离心力引起)的情况下，例如向生长介质中添加气体和营养物将是不可行的。
任选地，第二反应器包括一组叶片，用于在非重力场条件下使用时形成生长介质的液滴。任选地，这组叶片可以与搅拌器和/或旋转器一起布置。可替代地，任选地，该组叶片可以布置在第二反应器的壁上。应当理解的是，水在非重力场条件下形成球形液滴。因此，当使用搅拌器、旋转机和/或叶片组来进行混合时，生长介质的液相形成液滴。任选地，生长介质的液相分成液滴，使得能够从第二反应器的出口收获生长的微生物质的絮凝物(flocculation)。此外，如果没有这组叶片，生长介质可能在第二反应器内形成单一球形液体物体。这将使得难以控制诸如向生长介质施用CO2。可以使小液滴在第二反应室周围移动，从而能够向反应室气体入口附近的那些液滴提供CO2。
本公开还涉及如上所述的方法。上文公开的各种实施方式和变型在加以必要的修正后适用于该方法。
用于在非重力场条件下生长微生物质的方法，其中所述方法包括培养至少一种经分离的微生物，包括用氢作为能量源和二氧化碳作为无机碳源以连续培养来培养所述至少一种经分离的微生物。如前所述，该系统是闭式循环系统，因此将包含至少一种经分离的微生物的微生物质接种物引入该系统并在其中连续培养，其中该至少一种经分离的微生物能够利用氢气作为能量源，二氧化碳作为无机碳源。值得注意的是，所述方法在重力场和非重力场条件下均可操作地提供期望的结果。经分离的微生物在系统的第二反应器中于最佳的第二组操作参数下连续培养，用于生长所述经分离的微生物的微生物质。
任选地，至少一种经分离的微生物是黄杆菌属的细菌菌株。
任选地，经分离的细菌菌株是VTT-E-193585或其衍生物，并且其中所述衍生物保留了利用氢气作为能量源并利用二氧化碳作为唯一碳源生长的能力。
此外，当在非重力场条件下操作时，利用施加至第一反应器的压力将经处理的生物废弃物从第一反应器提供至第二反应器。
在实现方式中，本公开的方法和系统可用于培养包括植物、动物或人类的任何类型的细胞。
附图的详细描述
参照图1，其示出了根据本公开的实施方式的流程图100，该流程图示出了用于生长微生物质的方法的步骤。在步骤102，从生物体收集生物废弃物，生物废弃物包括第一量的水和第一量的固相。在步骤104，将所收集的生物废弃物接收在第一反应器中。在步骤106，使用第一组操作参数在第一反应器中处理所收集的生物废弃物第一时间段，以使至少一部分固相无机营养物溶解在第一量的水中，从而形成生长介质。在步骤107，洗涤所形成的生长介质，其中洗涤包括灭菌、分离和清洗步骤。在步骤108，将所形成的生长介质提供至容纳有微生物质的接种物的第二反应器。在步骤110，收集二氧化碳。在步骤112，收集第二量的水并分解成氧气和氢气。在步骤114，将所收集的二氧化碳和分解得到的氧气和氢气提供至第二反应器。在步骤116，在第二组操作参数下，使微生物质在第二反应器中生长。在步骤118，从第二反应器中收获生长的微生物质，以生产用于生物体消耗的食物。
步骤102、104、106、107、108、110、112、114、116和118仅仅是说明性的，并且在不脱离本文权利要求范围的情况下，也可提供其中增加一个或多个步骤，去除一个或多个步骤，或者以不同的顺序提供一个或多个步骤的其他替换方案。
参考图2，其示出了根据本公开的实施方式的用于生长微生物质202的系统200的框图。系统200包括配置为从生物体收集生物废弃物206的第一区段204，生物废弃物206包括第一量的水208和第一量的固相210。第一反应器212连接至第一区段204，以经由入口214从第一区段204接收所收集的生物废弃物206，并在其中处理所接收的生物废弃物206以形成生长介质216。
用于处理生物废弃物的第一反应器206包括：用于保持第一反应器212内部的期望温度的温度控制器218、用于连续混合生物废弃物206的搅拌器220、pH传感器222和至少一个第一输入端，例如第一输入端224、226，用于提供用于控制第一反应器212中生长介质216的pH的第一组成分。
第二反应器228布置在第一反应器212的下游，用于通过第一出口230接收来自第一反应器212的生长介质216，以生长微生物质202。第二反应器228包括微生物质202的接种物、用于接收用于生长微生物质202的第二组成分的第二入口232和用于从第二反应器228收获生长的微生物质202的出口234，第二组成分包括气体、水和化学品。
在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，对前文描述的本公开的实施方式的修改是可能的。用于描述和要求本公开的诸如“包含”、“包括”、“并入”、“具有”、“是”的表达意在以非排他性的方式解释，即允许还存在未明确描述的项目、组分或要素。对单数的引用也应被解释为涉及复数。
Claims (25)
1.一种生长微生物质(202)的方法，所述方法包括：
-从生物体收集生物废弃物(206)，所述生物废弃物包含第一量的水(208)和第一量的固相(210)；
-将所收集的生物废弃物接收在第一反应器(212)中；
-使用第一组操作参数在所述第一反应器中处理所收集的生物废弃物第一时间段，以使至少一部分固相无机营养物溶解在所述第一量的水中，从而形成生长介质(216)；
-洗涤所形成的生长介质，其中所述洗涤包括灭菌、分离和清洗步骤；
-将所形成的生长介质提供至容纳有微生物质的接种物的第二反应器(228)；
-从大气中就地收集二氧化碳；
-收集存在于所述大气中的第二量的水，并将所收集的第二量的水分解成氧气和氢气；
-将所收集的二氧化碳和分解的氧气和氢气提供至第二反应器；
-在第二组操作参数下，使微生物质在所述第二反应器中生长；以及
-从所述第二反应器中收获经生长的微生物质，以生产用于所述生物体消耗的食物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过以下方式调节所述生长介质(216)中的水量：
-当所述生长介质中的水量小于所述生长介质的20重量％时，向所述第一反应器(212)中添加第三量的水；以及
-当所述生长介质中的水量大于所述生长介质的20重量％时，添加更多的固相(210)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一组操作参数包括：
-所述第一反应器(212)内部的温度，其中所述温度为至少190摄氏度；以及
-所述生长介质(216)的pH，其中所述pH小于4。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括：在所述第一反应器(212)中以至少100RPM的速度搅拌所述生物废弃物(206)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一时间段为1小时至18小时。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述生物废弃物(206)包括粪便和尿液，并且所述第一量的水(208)为所述生物废弃物的50至90重量％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括：从所述生长介质(216)的至少一部分中提取二氧化碳。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，微生物生物质(202)的所述接种物包括至少一种经分离的微生物，其中所述微生物具有利用氢气作为能量源并利用二氧化碳作为无机碳源来生长的能力。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，用于所述接种物的微生物选自由以下项组成的组：永达尔梭菌(Clostridium ljungdahlii)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、Knallgas细菌、Caminibacter属、产水菌(Aquifex)属、副球菌(Paracoccus)属、黄杆菌(Xanthobacter)属、氢单胞菌(Hydrogenomonas)属、甲烷氧化菌、产甲烷菌、地杆菌(Geobacter)属、蓝细菌(Cyanobacterium)属、醋酸杆菌(Acetobacterium)属、颤螺旋菌(Oscillospira)属、Pleomorphomonas属。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述微生物质(202)的生长包括：用无机碳源并用氢作为能量源以连续培养来培养黄杆菌属的细菌菌株，其中所述无机碳源包括二氧化碳。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述微生物质(202)包含经分离的细菌菌株VTT-E-193585或其衍生物，其中所述衍生物保留了利用氢气作为能量源并利用二氧化碳作为唯一碳源来生长的能力。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括：从所述生物体收集尿素；将所收集的尿素提供至第三反应器以对其进行处理；以及将来自所述第三反应器的经处理的尿素提供至所述第二反应器(228)作为用于微生物质(202)生长的额外的生长介质组分。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述微生物质(202)能够操作以将所述生物废弃物(206)和气体再循环至用于所述生物体消耗的食物中，并且其中所述食物富含以下项中的至少一种：蛋白、碳水化合物、脂肪酸、抗氧化剂、纤维内容物。
14.一种用于生长微生物质(202)的系统(200)，所述系统包括：
-第一区段(204)，所述第一区段配置为从生物体收集生物废弃物(206)，所述生物废弃物包含第一量的水(208)和第一量的固相(210)，其中所述第一区段是收集器单元；
-第一反应器(212)，所述第一反应器连接至第一区段以经由入口(214)从所述第一区段接收所收集的生物废弃物，处理所接收的生物废弃物以形成生长介质(216)，并洗涤所形成的生长介质，其中所述洗涤包括灭菌、分离和清洗，并且其中为了处理所述生物废弃物，所述第一反应器包括：
-温度控制器(218)，用于保持所述第一反应器内部的期望温度，
-搅拌器(220)，用于连续混合所述生物废弃物，
-pH传感器(222)，和
-至少一个第一输入端(224，226)，用于提供用于控制所述第一反应器中生物废弃物的pH的第一组成分；和
-第二反应器(228)，所述第二反应器布置在所述第一反应器的下游，用于接收来自所述第一反应器的生长介质以生长微生物质，其中所述第二反应器包括：
-微生物质(202)的接种物，
-第二入口(232)，用于接收用于生长微生物质的第二组成分，所述第二组成分包含气体、水和化学品，和
-出口(234)，用于从所述第二反应器收获经生长的微生物质。
15.根据权利要求14所述的系统(200)，所述系统进一步包括：二氧化碳提取器，以从大气中提取二氧化碳，其中所述二氧化碳提取器经由入口连接至所述第二反应器(228)。
16.根据权利要求14或15所述的系统(200)，其中，所述系统进一步包括：第三反应器，以收集并处理来自所述生物体的尿素，其中所述第三反应器连接至所述第二反应器(228)，用于向所述第二反应器提供经处理的尿素作为用于微生物质(202)生长的额外的生长介质组分。
17.根据权利要求14至16所述的系统(200)，其中，所述第二入口(232)包括多个通道，每个通道用于运送待提供至所述第二反应器(228)的所述第二组成分中的单种成分。
18.根据权利要求14至17所述的系统(200)，其中，所述第一反应器(212)和所述第二反应器(228)中的每一个进一步包括搅拌机装置，用于混合所述生物废弃物和其中包含微生物质和所述第二组成分的生长介质。
19.根据权利要求14至18所述的系统(200)，其中，所述系统配置用于在重力场和非重力场之间的一个或多个环境条件下使用。
20.根据权利要求19所述的系统(200)，其中，所述第二反应器(228)包括旋转器，以在非重力场条件下使用时使所述生长介质(216)产生离心效应。
21.根据权利要求19至20所述的系统(200)，其中，所述第二反应器(228)包括一组叶片，用于在非重力场条件下使用时形成所述生长介质(216)的液滴。
22.根据权利要求14至21所述的系统(200)，其中，所述系统是闭式循环系统。
23.一种用于在非重力场条件下生长微生物质(202)的方法，其中，所述方法包括培养至少一种经分离的微生物，包括用氢作为能量源和二氧化碳作为碳源以连续培养来培养所述至少一种经分离的微生物。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述至少一种经分离的微生物是黄杆菌属的细菌菌株。
25.根据前述权利要求23至24中任一项所述的方法，其中，经分离的细菌菌株是VTT-E-193585或其衍生物，并且其中所述衍生物保留了利用氢气作为能量源并利用二氧化碳作为唯一碳源生长的能力。
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