CN1175279A - 在闭合环路中培养小藻类的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种工业水平培养小藻类的方法是在闭合的水环路中进行的:使含有小藻类的液体循环;使所述液体的温度保持在两个预定值之间;将小藻类进行新陈代谢所需量的二氧化碳和养分引入到所述的液体中;使循环的液体在闭合环路的特定透明部分暴露在阳光的照射下,以使藻类进行叶绿素的光合作用;将所述光合作用过程中产生的氧气提取出来;周期性地从循环的液体中分离出产生的藻类;最后,从闭合的水环路中提取所述的藻类。

Description

在闭合环路中培养小藻类的方法和设备
本发明涉及生物学领域，具体地讲，本发明涉及为工业目的培养小藻类的培养，以便从这些小藻类中提取能为各种目的使用的物质。
例如，长期以来人们已认识到了作为人们食物的某些类型藻类的重要性，并且这些藻类一直而且现在还仍然在露天池中养殖，所述的露天池含有藻类繁殖的物质。
其它类的藻类也以类似的方式被养殖，以便提取应用于药物领域或用作农业肥料或作为动物饲料等的物质。
各种小藻类被用于上述目的，而且这些也是本领域的专业技术人员所熟知的，让我们以例举的方式提一提一些所述的小藻类：鱼腥藻属(anabaena)，含有肥料类的物质；dunaliella，含有可在化学和药物学领域使用的化合物；小球藻属和螺旋藻属(spirulina)，主要含有具有高蛋白值的物质；等等。
所述藻类机体中的活性成分或所需物质的浓度非常高，而且每种藻类中均含有大量的具有特定用途的物质。为了使人们对这种现象的重要性有个认识，下面我们对前文所述的螺旋藻属藻类做更为详细的描述，但是，应注意到的是其它种类的藻类也可能会有类似的情况。
螺旋藻属藻类是单细胞的浮游藻类，其特征为蛋白质占其细胞组成的大部分，以致于它是那些患有局部营养不良患者的优选食品，或者是活性物质和制药工业所用蛋白质的来源。
即便用的是原始的生产方法，在环境条件许可在露天中进行培养的地方人们一直进行着这种藻类的养殖。
等于60-70％的蛋白质效价并不是该藻类所具有的唯一特性。事实上，作为光合营养的活细胞，它还含有不饱和的脂肪酸、维生素(特别是B12，3-9mg/kg的高含量使它被看作是维生素提取的来源)和染料。
因为该藻类的这些性质，它的开发对进行适当生产的各工业部门具有很大的兴趣，例如：
--食品工业，特别是生产替代食品的食品工业，所述替代食品没有任何的饮食营养不足并且绝对不含胆固醇；
--制药工业，该工业通过水解可生产大量的氨基酸、甾醇、维生素和脂肪酸，以及为患有严重的或慢性病的患者提供食品的替代物，作为消化道内或胃肠外服用的营养；
--染料工业，用于生产天然植物染料(绿色、蓝色和桔黄色)的原料，这与适用的国际规定十分相符；
--饲料工业，鉴于所述藻类的生物学价值高进行适当生产的饲料工业，生产作为牛犊食用的人造牛奶、鱼饲料、早期断奶幼畜食用的十分易于消化的食物，并且在所有情况下均需要高繁殖力。
正如今日还在进行的任何小藻类的养殖一样，该养殖如上文所述是在露天池中进行的，亦即，在pH十分高的露天池中进行的，然而条件是所述的养殖是在不需要热量过远传递的地区进行的，并且该地区所具有的温度即便是在冬天的数月里，也不至于下降到低至阻碍小藻类生长和繁殖或者直接导致其死亡的温度。
露天池还具有被其它类型的藻类或其它的厌氧生物入侵的危险，所述的入侵藻类或厌氧生物可在培养物中发育、偷取养分并经常损害在培养条件下所述小藻类的繁殖和可提取物质的组成和数量。
后一问题和如果要在质量和数量方面使培养结果最好需要将培养液体的温度保持在预定温度的范围内的必要性，使本发明的发明人提出了一套方法和用于实施所述方法的设备，所述的方法和设备使工业化生产小藻类成为可能，该工业化生产使单位体积的培养液体和单位时间内产生的藻类产量以重量计最适。
为实现这一点，本发明人已经开发出适合在闭合的水环路中养殖小藻类的方法，在该方法中，可对培养液体的温度值以及可影响藻类生长和繁殖的其它相关的物理化学变量(例如，pH和矿物盐含量)进行不断地监测。
该方法的建立考虑了位于佛罗伦萨的意大利国立研究委员会(C.N.R.)(Italian National Research Council)的微生物研究中心研究小藻类(具体地讲是研究螺旋藻属藻类)得出的研究结果，而且本发明的目的包括提供实施小藻类的工业化养殖的方法；事实上所述方法的特征在于所述的养殖是在闭合的水环路中进行的：
使含有小藻类的液体循环；
使所述液体的温度保持在两个预定值之间；
将小藻类进行新陈代谢所需量的二氧化碳和营养引入到所述的液体中；
使循环的液体在闭合环路的特定透明部分暴露在阳光的照射下，以使藻类进行叶绿素的光合作用；
将所述光合作用过程中产生的氧气提取出来；
周期性地从循环的液体中分离出产生的藻类；
最后，从闭合的水环路中提取所述的藻类。
本发明的另一个目的在于提供能实施所述方法的特定类型的设备。
本文所附的附图仅是表示设备的一种可能的实施方案的概要，并不意味着对其它实施方案的约束或限制，正如权利要求所述，其它的实施方案也是以相同的构思为基础的。
上述的方法可在所示的设备中有效地实施，在该方法中，通过下文描述的仪器对培养液体温度的最大值和最小值、用作营养的矿物盐的种类和液体的pH等等做适当的改变，就有可能对任何种类的小藻类进行养殖。一般所用的液体就是水，小藻类在该水中的浓度(以重量计)通常为约2-4％。
在该设备的闭合环路1中，所述的液体由泵2(例如，隔膜泵)驱动循环，液体流过位于冷却塔8中的热交换器10，在下文将对所述的冷却塔作进一步的描述。由于热交换器本身具有相当大的表面积用于与周围空气进行热交换，因此，液体流经所述的热交换器10的过程通常具有使液体的温度降低到一定程度的作用，即使是在冷却塔8没有运行的情况下；当该温度在基准值(例如，对于螺旋藻属藻类而言，该基准值为25℃)以下时，所述的液体不循环为好，为此，在所述的隔膜泵2上装配了电子控制装置2a、2c，所述的电子控制装置仅在所述设备中的液体的温度超过了所述基准值时才启动隔膜泵2并使它保持运行。
所述液体的温度也可超过养殖条件下的藻类的最适生理相容性的临界值(对于螺旋藻属藻类而言，为35-37℃)，达到较高的温度。在此情况下，从所述隔膜泵2泵出的液体流过热交换器10，在该热交换器上由喷淋装置9喷淋或多或少的雾状的水，通过该雾状水的蒸发去掉了循环液体中热量。所述的喷淋装置9还装配有泵9a，仅当液体的温度(由探测器9b感知)达到了第一预定值时，泵9a才启动并保持运行，所述的第一预定值比所述隔膜泵的基准值大些(对于螺旋藻属藻类而言，为36℃)。冷却水蒸发的过程还可由于通风的作用而加速，所述的通风作用由适当的装置11产生，该装置的启动和保持运行是时间的函数，在所述的时间中循环液体被感知的温度超过了第二个预定值，该第二个预定值比所述的第一预定值大(对于螺旋藻属藻类而言，所述的第二个预定值为37℃)。由于有了上述的装置，精确地调节循环液体的温度、使之在养殖条件下保持在对于小藻类的生物周期最适的范围之内是可能的，对于螺旋藻属藻类而言最适的温度范围为35-37℃。
在寒冷的季节，当循环液体的温度趋于下降到预定的临界值以下时，本发明人已能做到给该液体提供热量，即通过使液体在另一适当的热交换器中循环，虽然所述的另一热交换器并未在附图中示出，但是，本领域的专业技术人员根据现有技术可容易地想象出来并实施，或者更加简单地，通过对由喷淋装置9提供的水进行加热而使该装置具有了加热和冷却的两种功能。
所述藻类的生活周期包括熟知的叶绿素的光合作用过程，如人们所知，在光合作用过程中发生了化学反应，简言之，该化学反应涉及使所述藻类生存环境中所包含的二氧化碳量减少和氧气量增多。本发明的闭合环路1就是一种环境，没有与外界空气的交换；当液体的碱性增加，而相关的pH升高到预定的临界值(例如，对于螺旋藻属藻类而言为9-10)以上时，这种环境需要不断地添加必须量的二氧化碳。
在适合于实施本发明方法的设备中，被引入到循环液体中的二氧化碳气体来自于已知类型的压力储罐4，并通过进气阀4a输送，所述的进气阀4a由电子控制装置依据PH值来控制，所述的pH通过适当的探测器6a由后面的控制装置感知。
为了使所述的光合作用能够发生，如我们所知，必须使所述的藻类像任何其它的植物一样暴露在阳光下达适当长的一段时间。在所述设备中，这一点是由环路的一段3来实现的，环路的一段3是由一组管子或螺管组成的，该管子或螺管由合成的或玻璃样的能透过阳光的材料制成。
在所述的管子或螺管中插有螺旋形的片层，当它们运动时，它们起保证含有藻类的液体也按照螺旋形路径运动的作用，因此使所有的藻类完全地和均匀地暴露在阳光的照射下。
如上文所述，归因于光合作用的过程，在所述设备的闭合环路1中有氧气形成；所述的氧气仍以气态的形式溶解在循环液体中，因此随着氧气的形成，所述氧气被不断地从该环路中提取出来。为实现这一点，本发明人已经在所述的闭合环路1中安装了存储罐5，所述的存储罐5具有足够大的容积以保证液体以足够低的速度流经它，以使氧气通过浮力而从携带该氧气的液体中分离出来，使它浮向存储罐5的上部5a，该上部5a处被保持不含所述的液体。氧气从此处由适当的空吸泵6提取出来，所述的空吸泵能产生预定的负压。将由泵6和存储罐5组成的组件定义成脱氧装置。所述空吸泵6是由探测器6a电子控制的，探测器6a测量闭合环路中压力，以便保持后者在预定的数值范围之内。
将在藻类的生活周期中养殖藻类所必需数量的矿物盐引入到后面的罐8或引入到该装置的别处，所述的罐8被称为过滤罐。在过滤罐8中装有机械过滤器7，当携带藻类的循环液体流经该过滤器时，该过滤器能截住所述藻类，所述的罐8由旁路系统按照已知的方法并在已知的拦截装置的帮助下与环路相连，以便仅当感觉到在循环液体中含有的藻类量达到了允许或需要将之提取出来的时候，才使所述的循环液体流过该过滤罐8。
一旦由藻类组成的塑性的十分粘稠的物质被提取出来后，过滤器7重又被装回到过滤罐8里，并使循环液体的流向变换到没有过滤的正常的循环途径。
本发明的发明人已将设备中较易被恶劣天气损害的组件安装在箱12或其它的结构中，实际上可将除了冷却塔8和对太阳光透明的一段3之外的所有组件安装在箱12或其它的结构中，所述的其它的结构由适当的装置14、14a充气，并且将其制成与所述设备的大小相适当的尺寸。
用本发明的方法和设备，发明人设定的目标，即，繁殖力高而且几乎保持恒定的在工业规模上养殖小藻类的目标易于实现。
可由本领域的专业技术人员对已进行了上述描述的本发明方法和实施该方法的设备进行改变，但是，建立在权利要求所述构思基础上的不同的实施方案仍落在本专利所赋予的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种在工业水平上培养小藻类的方法，其特征在于该方法是在闭合的水环路中进行的：
使含有小藻类的液体循环；
使所述液体的温度保持在两个预定值之间；
将小藻类进行新陈代谢所需量的二氧化碳和营养引入到所述的液体中；
使循环的液体在闭合环路的特定透明部分暴露在阳光的照射下，以使藻类进行叶绿素的光合作用；
将所述光合作用过程中产生的氧气提取出来；
周期性地从循环的液体中分离出产生的藻类；
最后，从闭合的水环路中提取所述的藻类。
2.一种适于在工业水平上培养小藻类的设备，其特征在于该设备包括：
a)闭合的水环路(1)，在该环路内部是适于所述藻类生长的液体；
b)用来使所述的含藻类的液体循环通过所述的闭合环路的泵装置(2)；
c)监测和保持所述液体的温度在预定值范围内的装置(8、9、10、11)；
d)环路的一段(3)，该部分是用对阳光透明的材料制成的而且它里面具有螺旋形的片层，使所述的藻类能在其中进行叶绿素的光合作用；
e)能将预定量的二氧化碳引入到所述循环液体中的装置(4)；
f)装置(5、6)，该装置通过从所述的环路(1)中提取氧气能感知叶绿素进行光合作用所形成的氧气；
g)装置(7)，该装置能将所述藻类从所述的液体中机械分离出来并把它们从闭合的环路(1)中提取出来。
3.根据权利要求2的设备，该设备包括：
-闭合的循环环路(1)，该环路的内部是含有藻类的液体；
-隔膜式循环泵(2)；
-冷却塔(8)，该塔由热交换器(10)、喷淋装置(9)和通风装置(11)组成，含有藻类的液体流过所述的热交换器(10)，所述的喷淋装置可用水喷淋热交换器(10)，所述通风装置(11)的布置方式为使空气循环通过所述的热交换器(10)以便使喷淋的水加速蒸发；
-含有加压二氧化碳的储罐(4)，该储罐与所述的环路(1)相连，连接的方式为使预定量的气态的二氧化碳通过进气阀(4a)而引入到环路(1)中；
-脱氧装置(5、6)，该装置包括存储罐(5)和空吸泵(6)；所述的泵能在所述的罐中产生预定的负压，以便将溶解在循环液体中的氧气除去；
-过滤罐(8)，该过滤罐中的过滤装置(7)通过把藻类阻挡在它的里面而能将藻类从循环液体中机械地分离出来，而且该过滤层可反复地从过滤罐(8)中拆装；
-由对阳光透明的材料制成的并具有预定长度的一组管子(3)。
4.根据权利要求3的设备，在该设备中，所述的将二氧化碳气体引入到所述环路中由电子控制装置调节，所述的电子控制装置能改变流过所述进气阀(4a)的气体的流量，该流量是循环液体pH值的函数，它由适当的探测器(6b)感知。
5.根据权利要求3或4的设备，在该设备中，所述的隔膜式循环泵(2)带有电子控制装置(2a)，仅当闭合环路(1)中含有的液体的温度超过了预定的基准值时，该电子控制装置(2a)才启动所述的循环泵(2)并保持其运行，其中所述的温度由适当的探测器(2c)感知。
6.根据权利要求3、4或5的设备，在该设备中，为在存储罐(5)的内部产生预定的负压，所述的空吸泵(6)由测压探测器(6a)电子控制。
7.根据权利要求3、4、5或6的设备，在该设备中，所述的喷淋装置(9)带有泵(9a)，仅当由探测器(13)感知的循环液体的温度超过了第一个预定值时，该泵(9a)才自动启动并保持运行，所述的第一个预定值比所述隔膜泵的基准值大，而仅当上述的温度超过了第二个预定值时，所述的冷却塔(8)的通风装置(11)才自动启动并保持运行，所述的第二个预定值比上述的第一个预定值大。
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