CN1336956A - 能够产生光营养色素、高度不饱和脂肪酸或多糖的藻类的高浓度培养方法 - Google Patents

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Abstract

一种在体内以高浓度有效培养和生产含有有用物质的藻类的方法。在现存培养设备中,施加于藻类的剪切应力使得高浓度培养藻类非常困难。然而,使用由透明材料制成的圆顶形、圆锥形或圆柱形的便利培养设备使得没有剪切应力的高浓度培养的进行成为可能。通过采用与培养设备结合的气体排放装置可以进一步提高培养效率。这种方法适用于广范围的能够产生高度不饱和脂肪酸、光营养色素或多糖的藻类。

Description

能够产生光营养色素、高度不饱和脂肪酸 或多糖的藻类的高浓度培养方法
技术领域
本发明涉及一种培养能够产生高度不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻类来生产藻类细胞内含有这些物质的藻类的方法，特别涉及利用一定的培养设备在培养基中以高浓度培养在光照射和/或通气条件下能够产生高度不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻类来有效生产藻类细胞内含有这些高度不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻类的方法。
背景技术
对于快速生长的藻类的培养方法的研究是为了稳定、高效生产用作养鱼的安全饲料和安全食品添加剂的光合色素和用于医药和健康食品的不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖。然而，培养方法只限于几种，因此，只是对非常有限的种类如小球藻属和螺旋藻属进行了研究并且还没有建立起一种有效的培养方法。
藻类通过吸收二氧化碳的光合作用来进行有用物质的生物合成。另外，重要的是要有效地进行藻类的培养，因此，用于培养的设备对于有效的光合作用是必需的。因此，正在进行培养设备的改进和一种新培养设备的研制。
至今，已知作为藻类培养设备的有，例如，培养池、轨道(raceway)式培养设备、管式培养设备、液膜形成培养设备。就培养池来说，在户外制作一个混凝土制的培养池或培养箱来建造一个其中注入了培养液的池子并利用阳光在池中培养微藻类(microa1gae)的种例如小球藻属。然而，这种类型的培养设备需要能形成巨大容积的3000m2这样的池面积。
另外，利用这种类型的培养设备培养微藻类，在培养液中产生了高浓度的藻类细胞，随着培养的进行，该培养液变成深绿色，以致于干扰了阳光到达池底部。由于这些现象，引起了以下问题：如果培养所必需的藻类细胞密度不被减小，藻类的总光合效率将被降低。
因此，池的深度必须建成15cm或更小，并且用于大量培养藻类细胞的地面必须宽阔。而且，培养液的浓度不能配制得较高，因此，在从培养液中收集培养物的过程中出现了以下问题：培养物必须从大量的低密度培养液中收集。
另一方面，必须搅拌培养池以使藻类的光合作用容易进行。然而，搅拌大量的低浓度液体需要大量的能量。另外，培养池位于户外并且是开放的状态，因此，外界的物质如尘土和废物容易污染液体并且空气中的微生物和其他种类的微藻类的细胞污染池子而繁殖，结果导致以下问题：得不到高纯度和高质量的培养物。
培养池位于户外，因此由天气变化引起的温度变化使得池子的温度难以维持恒定。尤其是存在着这样一个缺陷，即在某一地区的冬季，温度降得太低。
由于这些情况，利用培养池培养藻类不能适用于除小球藻属、螺旋藻属和杜氏藻属以外的其它藻属，该藻属只能生长在高pH和高盐度这样的特殊条件下。
轨道式培养设备具有一个用于培养液的循环通道(通过采用直叶片对培养箱内部进行分割而形成)并且该培养设备是通过采用循环装置使得培养液在循环通道中循环的方式来培养藻类。这个系统是一个改进的培养液循环系统并且与采用培养池的培养方式相类似，随着培养的进行，藻类的光合速率降低，所以不能有效地利用光能。因此，出现以下问题：二氧化碳的效能很低。为了有效地利用光，已经提出通过光学纤维使阳光照射液体(公开号为5-43900的日本实用新型申请)。
在采用这一系统进行的藻类培养操作过程中，通过机械搅拌来使液体循环，因此不可避免地出现了以下问题：藻类细胞被打碎并产生剪切应力(其中藻类细胞被剪切应力切割，引起细胞活性降低，结果导致繁殖率下降的现象)。
管式培养设备是通过采用具有光传导管的培养设备对藻类进行培养的设备。采用这种设备进行的藻类培养不发生非目标细菌对培养液的污染并且使得培养物浓度高，因此是一种通过从培养液中分离藻类来收集由藻类产生的有用物质的非常有效的方法。
然而，长时间藻类培养后，藻类附着在管内壁上而严重干扰光通过管子。这些实际问题使得藻类培养难以有效并且使得去除附着在管内壁上的藻类很困难。
为了解决这些问题，已提出了以下方法：将一个清洁球放入管内，该球总是与培养液一起循环来清洁管内壁(公开号为6-90739的日本专利申请)。然而，即使通过这个方法，仍存在着以下和其它许多许多问题：管内壁上附着的污垢和藻类不能被持续地彻底清除，所述球必须回收清洁并且还必须总在管内循环。另外，用于藻类培养的这个系统进一步存在的问题是在管内进行的培养使得管内蓄积了由藻类的光合作用产生的氧气，并且氧气抑制藻类的光合作用。基于这些实际问题，已经提出了一种能够克服在培养过程中由光合作用产生的氧气而导致的不利效果的设备装置(公开号为9-121835的日本专利申请)。
在液膜形成培养设备中，一个圆顶形、通光的盖体被安装在培养箱的顶面并且培养液从底部射到圆顶形盖体顶部的内面上以在盖体的内面上形成液膜并将光照射在该液膜上(公开号为8-38159的日本专利申请)。
然而，存在的问题是：提出的这个系统需要一个用于液膜持续形成的循环泵，因此不适于大量培养，也不能利用阳光。
板式培养设备通过安装一个细盒状的装置来用于藻类的培养，该装置由两个带有倾斜度的树脂制平板制备而成。
这种设备本身是类似于管式培养设备的封闭型，例如具有培养液不受细菌和废物污染的优点。然而，存在下列问题：在培养过程中产生的氧气溶解在培养液中并且保留在设备中而抑制了藻类的光合作用。
另外，当设备被安装在外面时，太阳的高度和阳光相对设备表面的入射角度随着日出到日落时间而变化，结果导致单位面积受到的阳光总量不足。
公开号为10-304867的日本专利申请公开了合理设计具有最适光照环境的板式培养设备的方法。在所公开的内容中，通过综合通光量和物质产生活动之间的关系与通光量和反应器的光径长度之间的关系，建立了合理设计培养设备光径长度的方法并且提供了通过该方法设计出的培养设备。
然而，上述主要问题还没有解决。
藻类通过光合作用在体内积累有用物质并且最重要的主题是藻类光合作用尽可能的有效。加强有效光合作用的因素：培养设备的光接收面积，培养液的有效搅拌，培养液厚度或深度的调节，附着在培养设备内表面上的藻类细胞的方便清除，温度调节，防止细菌、其他种类藻类细胞以及废物的污染。
光接收面积的问题是尽可能受较大的光接收面积和培养液上的有效光照的影响。
例如，在培养箱和培养池中，其表面积由培养箱和培养池的表面决定，  因此为了增加表面积，箱和池的尺寸增加是达到该目的的唯一办法，而没有其它的办法。
搅拌培养液对于培养池受到均匀光照是必要的，并且通常使用的方法是频繁地用泵搅拌或移动液体和在箱和池内进行机械搅拌。
然而，这样的机械搅拌引起藻类细胞的破碎和使藻类细胞受到剪切应力而导致不好结果的出现。
不同种类藻之间的光合作用速率不同，因此对于具有低速率和高速率的种类，培养液的深度必须有所改变并且深度必须根据目标培养物浓度来改变。如上所述，培养液的厚度或深度必须根据藻的种类和目标培养物浓度这样的条件随意进行调节。
附着在培养设备内表面上的藻类的清除通常在户外开放式培养池和培养箱中进行。然而，封闭式培养设备中，附着的藻类阻碍光的通过，因此必须进行藻类的清除。接着，在完成培养后，为了下次培养，设备必须调整到这样一个结构，即培养设备的内表面必须被清洁并且附着的物质必须被轻易地除去。
为了避免在夏季中由于液体温度的急剧上升给培养带来的麻烦，温度调节是非常重要的，尤其对于封闭式设备来说。为了解决这个问题，已知有以下方法：将冷水混入培养液中。然而，培养液由此而被稀释，在下一步的收集培养物的过程中需要处理大量被稀释的培养液。因此这个方法非常不利于工业化的应用。
培养设备是通常用于户外或室内的设备。由于这个原因，存在着下列问题：当将户外使用的设备用在室内，光的利用效率变低，并且还产生了另一个问题：室内设备不能用在户外。具有简单结构的培养设备希望既能在室内也能在户外的正常培养条件下进行培养。
搅拌培养液对于均匀培养是一个非常必要的操作。这是由于以下原因：1)液体培养基的表层部分和深层部分的培养速率之间的差别；2)如空气和二氧化碳这样的气体必须均匀地分布在液体培养基中，换句话说，在全部培养液中；3)光必须均匀地分布在培养的藻类中；4)防止在培养过程中在液体底部容易导致集落形成的藻类沉积并且再次分散在培养液中。
需要一直搅拌这种培养液并供给培养液空气或二氧化碳气体。然而，这种传统的培养方法具有上述多种问题，因此并不是一种完善的培养方法。
发明公开
本发明克服了上述传统培养方法的缺陷并且其目的是提供高产率的藻类培养方法和以低成本来生产用作养鱼安全饲料及安全食品添加剂的光合色素以及用于医药和健康食品的不饱和脂肪酸或多糖和用于有效生产藻细胞中含有高浓度的不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖并且不被杂质所污染藻类的方法。
为了解决上述主题，根据本发明，将培养基注入由内部透明材料和外部透明材料制成的间隙和空间内，从底部注入空气或二氧化碳气体，并且在通气条件下进行光照，使得藻类进行光合作用以便在藻类细胞中大量产生不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖来制备含有这些物质的藻类。通过这些步骤，可以进行不受其它种类的藻类细胞、废物和细菌污染的高浓度培养。
本发明涉及通过采用培养设备、在光照和通气条件下、在培养基中高浓度培养藻类来制备含有高度不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻类的方法，该藻类具有产生高度不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖的能力，其中上述采用的培养设备选自具有圆顶形状、圆锥形状或圆柱形状中任一形状的设备；
具有圆顶形状的培养设备包括由透明材料制成的外半球形圆顶、由透明材料制成的内半球形圆顶和连接两个圆顶底端部分的底部，并且在外半球形圆顶的顶部安装了一个圆柱形开孔元件和在底部安装了一个空气和/或二氧化碳气体的引导元件和培养液排放元件；
具有圆锥形的培养设备包括一个由透明材料制成的外圆锥形圆周壁、一个透明的内圆锥形圆周壁和连接两个圆周壁底端部分的底部，并且在外圆锥形圆周壁的顶部安装了一个圆柱形开孔元件和在底部安装了一个空气和/或二氧化碳气体的引导元件和培养液排放元件；
或者，具有圆柱形的培养设备包括一个由透明材料制成的且具有上壁的外圆柱形圆周壁，具有一个由透明材料制成的上壁的内圆柱形圆周壁，和连接两个圆周壁底端部分的底部，并且在外圆柱形圆周壁的上壁的中心部分安装了一个圆柱形开孔元件和在底部安装了一个空气和/或二氧化碳气体的引导元件和培养液排放元件。
另外还涉及通过采用培养设备、在光照和通气条件下、在培养基中高浓度培养藻类来制备含有高度不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻类的方法，该藻类具有产生高度不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖的能力，其中上述使用的培养设备是包括该培养设备的主体和一个气体排放装置的设备；并且
培养设备的主体是具有圆顶形状、圆锥形状或圆柱形状的培养设备，其中
具有圆顶形状的培养设备包括由透明材料制成的外半球形圆顶、由透明材料制成的内半球形圆顶和连接两个圆顶底端部分的底部，并且在外半球形圆顶的顶部安装了一个圆柱形开孔元件和在底部安装了一个培养液排放元件；
具有圆锥形的培养设备包括由透明材料制成的外圆锥形圆周壁、由透明材料制成的内圆锥形圆周壁和连接两个圆周壁底端部分的底部，并且在外圆锥形圆周壁的顶部安装了一个圆柱形开孔元件和在底部安装了一个培养液排放元件；
或者，具有圆柱形的培养设备包括具有由透明材料制成的上壁的外圆柱形圆周壁，具有由透明材料制成的上壁的内圆柱形圆周壁，和连接两个圆周壁底端部分的底部，并且在外圆柱形圆周壁的上壁的中心部分安装了一个圆柱形开孔元件和在底部安装了一个培养液排放元件；
气体排放装置由对置的两块正方形基板、气泡引导元件和一个排放喷嘴构成，气泡引导元件的截面是缺少一条边的正方形或反U-形，朝下开口，气泡引导元件被倾斜安装在正方形基板的上侧端面，通过将上端部分折成几乎水平而由气泡引导元件上侧端面的倾斜壁进行延伸而形成上壁且具有一个从倾斜壁和上壁的两个侧端延伸的侧壁，并且两个侧壁的每一底端部分被连接在正方形基板的两个上侧端面上，并且排放喷嘴可旋转地通过在倾斜壁底部上的一个通路孔连接。
此外还涉及使用所述培养设备的方法，其中透明材料选自以下的任何一种：丙烯酸类树脂、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯和聚氯乙烯。
根据如上所述的培养设备，为了控制培养液的温度，可分别在圆柱形开孔元件的外侧和底部的外周安装一个喷水元件和喷水接收元件，另外可在内半球形圆顶、内圆锥形圆周壁或内圆柱形圆周壁的空间内安装一个人造光源。
用在本发明中的藻类培养设备是在一个国际专利申请(PCT/JP99/01585)中描述的藻类培养设备并且在下文中描述。
本发明的用于培养的设备将在下文中描述。
用于本发明的藻类培养设备是选自具有圆顶形状、圆锥形状或圆柱形状中任何一种形状的圆顶形状的培养设备，其中具有圆顶形状的培养设备包括由透明材料制成的外半球形圆顶、由透明材料制成的内半球形圆顶和连接两个圆顶底端部分的底部，并且在外半球形圆顶的顶部安装了圆柱形开孔元件和在底部安装了空气和/或二氧化碳气体的引导元件和培养液排放元件，而且必要时，分别在圆柱形开孔元件的外侧和底部的外周安装喷水元件和喷水接收元件；
具有圆锥形的培养设备为包括由透明材料制成的外圆锥形圆周壁、由透明材料制成的内圆锥形圆周壁和连接两个圆周壁底端部分的底部的培养设备，并且在外圆锥形圆周壁的顶部安装了圆柱形开孔元件和在底部安装了空气和/或二氧化碳气体的引导元件和培养液排放元件；而且必要时，分别在圆柱形开孔元件的外侧和底部的外周安装喷水元件和喷水接收元件；
或者，具有圆柱形的培养设备为包括具有由透明材料制成的上壁的外圆柱形圆周壁，具有由透明材料制成的上壁的内圆柱形圆周壁，和连接两个圆周壁底端部分的底部的培养设备，并且在外圆柱形圆周壁的上壁的中心部分安装了圆柱形开孔元件和在底部安装了空气和/或二氧化碳气体的引导元件和培养液排放元件，而且必要时，分别在圆柱形开孔元件的外侧和底部的外周安装喷水元件和喷水接收元件。
用于藻类培养设备的气体排放装置是由对置的两块正方形基板、气泡引导元件和排放喷嘴构成的装置，气泡引导元件的截是缺少一条边的正方形或反U-形，朝下开口，气泡引导元件被倾斜安装在正方形基板的上侧端面，通过将上端部分折成几乎水平而由上侧端面的倾斜壁进行延伸而形成上壁且具有从倾斜壁和上壁的两个侧端延伸的侧壁，并且两个侧壁的每一底端部分被连接在正方形基板的上侧端面上，并且
排放喷嘴可旋转地通过在倾斜壁的底部上的一个通路孔连接，其中必要时，至少任意一个对置的正方形基板在前端部分和/或后端部分弯向相同的方向，并且在至少任意一个对置的正方形基板上安装重量调节装置。
通过利用与上述带有气体排放装置的培养设备结合使用培养设备，本发明适用于进行培养。
任何透明和透光性能优异以及具有耐候性和抗紫外线的材料都能用作培养设备的透明材料，并且该材料的实例是如丙烯酸类树脂、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和玻璃。考虑到加工性，合成树脂是优选的；特别是具有上述性能的丙烯酸类树脂是最优选的材料。
此时，内部材料和外部材料可以由同样的透明材料组成。不同的透明材料如丙烯酸类树脂和聚氯乙烯能分别用于构建外半球形圆顶和内半球形圆顶。或者，不同的材料用于分层。
导入培养设备的气体必须含有作为组分的二氧化碳，并且可通过二氧化碳与空气的混合使二氧化碳的浓度增加，并且空气和二氧化碳能够分别导入装置。这样，通过采用引导元件或气体排放装置和有时同时采用两者而将气体导入培养液。
最优选地是，二氧化碳通过与空气混合来使用。当与二氧化碳混合的空气上升搅拌培养液时，二氧化碳被分散在培养液中而被吸收并且空气起到了从培养液中去除由培养产生的氧气的作用。而且，当二氧化碳被单独导入培养液中时，由于导入速率的降低而不可避免地引起二氧化碳在培养液中的分散速率延迟的趋向。
圆柱形开孔元件具有分散注入培养液中的空气、未用二氧化碳气体和产生到大气中的氧气的作用。当开孔元件打开时，杂质如废物容易侵入。为了防止这类物质的污染，优选地是在开孔元件中安装一个滤器元件或在开孔元件上安装罩盖元件以起到与滤器元件相同的作用。
这个开孔元件可以是与外半球形圆顶、外圆锥形圆周壁或外圆柱形圆周壁的上壁一体形成，也可以以分隔体的形式进行固定。
作为培养设备的主体的圆顶形、圆锥形或圆柱形培养设备可以由外部元件或内部元件整体形成，也可以是其一整体形成而另外的与适当分成两决或四块的元件组装的那种，还可以是与分开两种元件形成的元件组装的那种。装置的结构可以根据培养设备的大小和形状来确定。
另外，只要喷水接收元件能够接收由于喷水而落在装置外部表面上的水流，喷水接收元件的材料和结构不受限制。材料的实例是金属材料和塑料材料。
喷水接收元件的结构可以是与培养设备的主体分离的形式，其中接收器是通过沿外周的水平方向延伸培养设备外侧元件的底端部分并且前端部分向上弯曲而构成的形式，以及喷水接收元件是通过沿外周的水平方向延伸培养设备内侧元件的底端部分并且前端部分向上弯曲而构成的形式。
优选地是将喷水接收元件制成分离于培养设备主体的元件。上面打了多个气体排放孔的管状元件可用作引导空气和/或二氧化碳气体并安装在底部的元件，并且其底部具有气体排放孔的也可以使用。因为培养液是通过在培养液中上升的气体的上升来进行搅拌的，所以没有必要通过由这种引导元件导入培养液中的气体来对培养液进行机械搅拌。因此，根据本方法，可以避免由机械搅拌引起的藻类细胞破裂或剪切应力的产生。
而且，随着气体的上升，由光合作用产生的氧气被有效和迅速地排出培养液。
向培养设备输入培养液的方法被分为两种。一种是通过在底部安装输入元件(例如，底部开的一个输入孔)而由该输入元件输入培养液。
第二种方法是从顶部的圆柱形开口元件输入培养液。在设备上安装多种输入元件和引导元件导致设备复杂化并且如果改变培养的微藻类的种类，还会出现污染问题。
因此，较优选的是第二种方法。
培养设备的外部元件和内部元件均由透明材料构成，因此，培养设备内部空间安装的人造光源使得户外培养在夜间也能进行。另外，培养设备的内部和外部两个人造光源使得室内培养能够有效地连续进行。
圆顶形培养设备占据的面积小但具有的表面积大，因此光的接收面积大。并且，对于这种设备，搅拌培养液是非常优选的操作。另一方面，如果采用塑料树脂来制作这种设备，通过真空模塑能够容易地模塑而使得制作成本最低。
由于这些原因，圆顶形培养设备是最优选的藻类培养设备。
为了控制和监视培养条件，优选地是在培养设备中安装各种传感器如一个温度传感器、一个液位传感器、一个pH传感器和一个溶解氧量传感器。这些传感器是通过圆柱形开孔元件或设备的外壁进行安装的。
本发明中使用的气体排放装置以倾斜向下的方向向培养设备的底部排放气体如空气，因此象青蛙一样在设备中进行跳跃。通过这样的作用，培养液得到剧烈的搅拌并且所排放的气体在培养液中上升而搅拌了培养液。尤其是，在所培养的藻类易形成集落时，由气体排放装置排放出的气体将集落打碎并且将藻类细胞分散在培养液中而增加了培养效率。
气体排放装置通常由塑料树脂制成并且安装了重量调节装置来调节设备的重量。
通过采用这种培养设备而进行的藻类培养具有以下优点：1)没有细菌或外源物质的污染，2)容易调节培养液的温度，3)由于具有没有机械搅拌培养液的液体搅拌能力，不会发生藻类细胞的破裂以及不会产生剪切应力，4)培养物密度增加的能力，5)设备容易清洁，6)培养不受所产生的氧气的抑制，7)光的利用效率高。另外，如果在培养液中采用气体排放装置，通过采用所述装置将必需的气体输入到培养液中而产生以下优点：该装置进行一种移动来搅拌液体并且排放的气体也搅拌液体以使输入的气体与培养液很好地接触，结果提高了培养效率。
附图简述
图1是一种圆顶形培养设备的截面图；
图2是表示利用图1所示的圆顶形培养设备进行培养的状态的部分示意图；
图3是图1所示的圆顶形培养设备的前视图；
图4是利用图1至图3所示的圆顶形培养设备大量培养藻类的系统的示意图；
图5是本发明的圆锥形培养设备的截面图；
图6是图5所示的圆锥形培养设备的前视图；
图7是本发明的圆柱形培养设备的截面图；
图8是图7所示的圆柱形培养设备的前视图；
图9是气体排放装置的侧视图；
图10是图9所示气体排放装置的侧视图；
图11是图9所示气体排放装置的平面图；
图12是图9所示气体排放装置的截面图；
图13是图9所示气体排放装置的排放喷嘴的放大截面图；
图14是显示气体排放装置向培养液中排放气体时的状态的截面示意图；
图15是结合了圆顶形培养设备本自身与气体排放装置的培养设备的截面示意图；
图16是图15的顶视图，为了清楚起见，去掉了一部分；
图17是结合圆锥形培养设备本身与气体排放装置的培养设备的截面示意图；
图18是结合圆柱形培养设备本身与气体排放装置的培养设备的截面示意图；
图19是本发明另一个实施例的气体排放装置的侧视图；
图20是本发明另一个实施例的气体排放装置的侧视图；
图21是本发明又一实施例的气体排放装置的侧视图；和
图22是图21的X-X’位置的截面图。
实施本发明的最好方式
以下将参考附图对本发明使用的培养装置进行描述。
图1至图3表示一种圆顶形培养设备1。
图3是圆顶形培养设备1的前视图，圆柱形开孔元件4被安装在外半球形圆顶8的顶部，冷却圆顶8的喷水元件3被安装在该圆柱形开孔元件4的外侧，接收由喷水元件3喷出的水的喷水接收元件11被安装在圆顶8的底部，设备1是由多个固定零件16进行固定的。并且，气体引导元件6和培养液的排放元件7被安装在培养设备的底部14。
图1是设备1的截面图。设备1包括外半球形圆顶8、内半球形圆顶9和连接两个圆顶底端部分的底部14。圆柱形开孔元件4以分体的形式被安装在圆顶8的顶部，喷水元件3被安装在圆柱形开孔元件4的外表面，冷却水15由喷水元件3喷向圆顶8的表面并以膜的形式降落覆盖在圆顶8的表面以便到达喷水接收元件11。
冷却水15调节培养液5的温度(参照图2)。
圆顶8、圆顶9、底部14、圆柱形开孔元件4和喷水接收元件11分别由透明材料制成。丙烯酸类树脂被用作所述的透明材料。金属材料如不锈钢可以方便地用作喷水接收元件11的材料。通过排放元件(未显示)冷却水从喷水接收元件11进行排放。排放水被贮存起来以便再次用作冷却水。
底部14上安装了将空气和/或二氧化碳气体导入培养液5的气体引导元件6和将培养液5移出培养设备1的排放元件7。在底部14的顶面安装了多个管顶面上制造了许多个注入孔的气体注入管10来构成气体引导元件6的一部分。作为由气体引导元件6输入的气体，与二氧化碳混合的空气是最优选的；而单独使用空气可能是优选的。
人造光源2被安装在内半球形圆顶的内部空间。如果进行夜间的户外培养，人造光源2能够使藻类进行光合作用。另外，如果进行室内培养，藻类也能进行光合作用。而且，如果进行室内培养，光合作用能够通过利用连接在培养设备的内侧和外侧的人造光源来进行。在这种情况下，能够增加培养液的深度或厚度。
图2以图式显示了培养的状态。从气体注入管10排放到培养液5的气体的气泡12通过浮力作用沿着外半球形圆顶8的内壁在培养液5中上升。气泡12的上升运动增强了培养液的上升，含在气泡12中的二氧化碳被输入到培养液中，并且由藻类光合作用产生的氧气被气泡捕获。气泡12由培养液的表面被释放到大气当中。沿着外半球形圆顶8的内壁上升的培养液液流17沿着内半球形圆顶9的壁下降。
如上所述，从底部或靠近其的位置输入到培养液中的气体如空气给培养液提供了二氧化碳并且另一方面，起到捕获所产生的氧气而释放到大气中的作用，还起到同时和均匀搅拌培养液的作用。
夏季里，在培养液的温度急剧上升而使得培养困难的情况下，可将冷却水1b输入到外半球形圆顶8的表面来调节培养液的温度。用于冷却的水通过喷水接收元件11被收集起来而再次使用。
对于户外培养的情况，当在夜间进行培养时，利用安装在内半球形圆顶9内部空间的人造光源2可以进行24-h的连续培养。
藻类通过吸收阳光进行光合作用、繁殖并产生和积累有用物质如蛋白质、多糖、脂肪酸、色素和维生素。在夜间，这种光合作用不能进行，因此与夏季白天的重量相比，例如通过藻类本身的能量损耗，白天生物合成的物质损失的最大程度达到藻细胞重量的大约20％。这种损失不容忽视。
因此，为了降低损失，可通过利用人造光源的光合作用来补偿这个量。所以，人造光源的光量可以维持最小程度的光合作用。然而，也能进行超过最低程度的光合作用。作为人造光源的实例是，例如，荧光、白光和卤素灯。
利用连接在培养设备1的外侧和内侧的人造光源进行室内培养。如上所述，采用人造光源2能进行24小时的有效连续培养。
为了监测培养状态，必须一直测量温度、液位、pH和培养液的溶解氧量(DO)以便将变量维持在最佳范围。因此，用于测量这些变量的传感器优选地被安装在设备中，并且优选的安装方法是通过顶部圆柱形开孔元件4或通过圆顶8或圆顶9或它们两者来安装。连接到圆顶使得设备复杂化而需要较长的清洗时间，因此通过顶部圆柱形开孔元件4的安装是最优选的。通过具有不同半径的两种半球形圆顶的自由组合、两个圆顶间形成的空间大小和两个圆顶间距离能够对圆顶形培养设备1进行改变。因此，能够轻易决定培养液的体积和培养液的深度或厚度。
藻类附着在与培养液接触的设备表面上。当去除附着物进行清洁时，结合在一起的两种半球形圆顶中的外半球形圆顶8可以被移开以便每一个圆顶都能得到清洁并且也可以将两个圆顶都移开以便在分开的地方进行清洁。
组装分成两块的半球形圆顶是非常方便的。顺便提一下，两种圆顶不能是整体模具状态，而多块分离的模具可以被组装在一起。
半球形圆顶的形状可以是通过在适当的位置切割一个球形体而制得的半球形圆顶。然而，考虑到光的利用效率和光的接收状态，最优选的是一个近似的半球形体。
不仅是球形体，一个变形的球形体如鸡蛋形状的也是本发明的目的。
可用圆顶的尺寸范围是，例如从50cm到200cm的直径。对于培养设备，具有合适尺寸的圆顶可以根据进行培养的藻的种类、培养条件和培养目的来任意选择。
两种圆顶间的距离是根据需要进行培养的藻的种类、培养条件和培养目的来确定的，然而，需要肯定的是能产生最大的光合作用效率。通常，优选的是从2.5cm到10cm，并且更优选的是大约5cm。
接下来，进行半径为50cm的外半球形圆顶8、半径为45cm的内半球形圆顶和具有5cm圆顶距离的圆顶形培养设备1的组装，并且与圆顶8分别模塑制成的且直径为6cm的圆柱形开孔元件4被安装在圆顶8的顶部。
通过采用这种培养设备，培养一种藻-Spirulina platensis，结果获得的培养密度范围是从10g到20g/L(升)以及产率范围是从2.0到5.0g/L/天。另一方面，如果采用传统培养系统，培养密度范围是从0.3g到0.5g/L(升)以及产率范围是从0.1到0.2g/L/天。因此发现与传统培养方法相比，产率提高了大约10倍。
关于对产生虾青素-一种红色色素的雨生红球藻进行的培养，发现以培养密度范围从5g到10g/L的高密度培养能够产生含有从4％至8％这样高含量的色素-虾青素的藻类细胞(生物质)。通过传统培养池系统对产生这种红色色素的雨生红球藻进行培养是非常困难的。另外，Nannochloropsis Oculata-一种海洋微藻类能够以高达约5g至10g/L的密度范围进行培养。传统方法只允许从0.2g至0.4g/L这样一个有限的范围。
图4显示了一个通过排列本发明的多个封闭型户外培养设备能够同时和大量培养藻类的系统。组成这个系统的单个设备能够得到相同种类的藻类并一起对它们进行培养，或者单个设备能够得到不同种类的藻类并对它们进行培养，并且单个设备上连接了多种传感器以便尽可能地控制培养条件。
因此，如果在单独的设备中培养不同种类的藻类，可以独立地控制单个设备的各种培养条件来实现非常有效的状态。
并且，即使以一定程度的紧密位置排列单个设备，光的利用效率和每一单元占据面积的光-接收面积也很大，从而对大量培养非常便捷、适合并且产率高。
图5和图6表示圆锥形培养设备21。
图6是圆锥形培养设备21的前视图，圆柱形开孔元件24被安装在由透明材料制成的外圆锥形圆周壁28的顶部，冷却圆周壁28的喷水元件23被安装在圆柱形开孔元件24的外侧，用于接收由喷水元件23喷出的冷却水的喷水接收元件31被安装在圆周壁28的底部，采用多个固定元件36支撑设备21。
并且，用于培养液的气体引导元件26和排放元件27被安装在培养设备21的底部34上。
图5是设备21的截面图。设备21包括由透明材料制成的外圆锥形圆周壁28、由透明材料制成的内圆锥形圆周壁29和连接两个圆周壁底端部分的底部34。圆柱形开孔元件24以独立体的形式安装在外圆锥形圆周壁28的顶部，喷水元件23被安装在开孔元件24的外侧，冷却水由喷水元件23喷到形圆周壁28的表面并以覆盖圆周壁28表面的膜形式降落到喷水接收元件31中。冷却水调节培养液25的温度。
圆周壁28、圆周壁29、底部34、圆柱形开孔元件24和喷水接收元件31分别由透明材料如丙烯酸类树脂制成。
冷却水通过排放元件(没有显示)从喷水接收元件31排放出来。
在底部34上安装了将空气和/或二氧化碳气体输入到培养液25中的气体引导元件26和将培养液25移出培养设备21的排放元件27。在底部34的顶端面上安装了多个气体输入管30以便构成气体引导元件26的一部分，其中在管的顶端面上开了许多输入孔。
人造光源22被安装在圆周壁29的内部空间里以便在夜间进行户外培养时能够进行连续的光合作用。
图7和图8表示圆柱形培养设备41。
图8是圆柱形培养设备41的前视图，圆柱形开孔元件44被安装在具有由透明材料制成的上壁57的外圆柱形圆周壁48上壁的中心部分，冷却上壁57和圆周壁48的喷水元件43被安装在圆柱形开孔元件44的外侧，用于接收由喷水元件43喷出的冷却水的喷水接收元件51被安装在圆周壁48的底部，设备41由多个固定元件56进行支撑。
并且，气体引导元件46和用于培养液的排放元件47被安装在培养设备41的底部54上。
图7是设备41的截面图。设备41包括具有上壁57的外圆柱形圆周壁48、具有上壁58的内圆柱形圆周壁49和连接两个圆周壁底端部分的底部54。圆柱形开孔元件44被整体安装在上壁57的中心部分和其附近的位置，喷水元件43被安装在开孔元件44的外侧，冷却水由喷水元件43喷到上壁57上并且以膜的形式覆盖了圆周壁48的表面而后到达喷水接收元件51。
冷却水调节培养液45的温度。
圆周壁48、圆周壁49、上壁57、上壁58、圆柱形开孔元件44和喷水接收元件51分别由透明材料如丙烯酸类树脂制成。
冷却水通过排放元件(没有显示)从喷水接收元件51排放出来。
在底部54上安装了将气体输入到培养液中的气体引导元件46和将培养液45移出培养设备41的排放元件47。在底部54的顶端面上安装了多个气体输入管50以便构成气体引导元件46的一部分，其中在管的顶端面上开了许多输入孔。
人造光源42被安装在由上壁58和圆周壁49形成的内部空间以便夜间进行光合作用。
图9至图12分别表示气体排放装置100的侧透视图、侧面图、示意图、截面图，图13表示气体排放装置的排放喷嘴的放大截面图。
气体排放装置100包括对置的两块正方形基板101和101’、其截面是缺少一条边的正方形且开口朝下的气泡引导元件102和一个排放喷嘴103，气泡引导元件102被倾斜安装在正方形基板的上侧端面107和107’上，具有通过几乎水平延伸其上端面和其上端的倾斜壁104而形成的上壁105且具有从倾斜壁104和上壁105的两个侧端部分延伸出的侧壁106和106’，并且两个侧壁106和106’的底端部分被连接在两个正方形基板101和101’的上侧端面107和107’上。两个正方形基板由固定元件108和108’固定。
排放喷嘴103通过倾斜壁104底部上的通路孔109进行旋转式的安装。在喷嘴103中，在通路孔109外侧相对的位置将阀110和110’连接在喷嘴103的外周部分以防止从通路孔109移开。
在任意一种圆顶形、三角圆锥形或圆柱形培养设备主体中，底部的内端和外端是一个同心圆的圆周，并且表现为通过以圆的形状移去圆盘的中心部分而制得的圆。为了方便地移动被移去的圆柱形底部，如图11所示，正方形基板101和101’的前端部分和后端部分以相同的方向弯曲。
倾斜壁104相对于正方形基板上侧端面的倾角优选地被设计成45°至60°。
图14是表示气体排放装置将气体排放到培养液时的状态的示意图。
气体如空气或混有二氧化碳的空气从与培养设备分开放置的气体输入装置(没有显示)通过气体导管111流到排放喷嘴103从而由喷嘴的前端释放到培养设备的底部112。释放的气体113与底部112接触，然后变成气泡114而沿着气泡引导元件102的内侧即倾斜壁104和上壁105上升，最后从上壁端部出来而进入培养液115。出来的气泡114在液体中上升而释放到培养液表面上的大气中。在气体与培养液接触的过程中，二氧化碳被培养液吸收并且另一方面，空气泡或由藻类光合作用产生的并溶解在培养液中的氧气被气体截留。当气泡114在培养液中上升的同时，气泡114推动液体向上因而发生对流。
通过由排放喷嘴103的前端释放的气体和气泡114，气体排放装置本身具有浮力从而产生了如箭头所示方向的推力。因此，气体排放装置100以如箭头所示方向在漂浮状态中移动。移动后，装置100由于其本身的重量而落到底部并且然后再次漂浮向前；这些运动重复进行，并且这种运动剧烈地搅拌了培养液。气体排放装置在培养液中的运动象青蛙往前走的跳跃动作。
构成气体排放装置100的元件通常由塑料树脂制成。然而，由于塑料树脂本身重量通常很轻并且在培养液中有浮力，所以优选的实例是那种通过加入比塑料重的填充物而增加重量后进行模塑的元件，或者是那种象人工岩石的元件，这种元件是通过将岩石粉或填充物粉粘附到采用了合成树脂如环氧-基树脂的正方形基板101和101’上而制备的元件分层模塑而制成，或者是那种由象人工岩石的材料形成的正方形基板101和101’底部和由塑料形成的上部而制成的元件，或者是那种通过制作一个金属砝码如可与正方形基板101和101’的相对面的任意位置连结和分离的铅条而使气体排放装置100的总重量为可调节的元件。最优选的是其总重量为可调节的那种元件。
图15是圆顶形培养设备的主体151与气体排放装置100’结合的培养设备150的截面示意图，而图16是其顶视图，为了清楚起见而截去了一部分。
因此，培养设备的主体151包括外半球形圆顶153和内半球形圆顶152和连接两个圆顶底端部分的底部154，并且圆柱形开孔元件155被安装在圆顶153的顶部，其它元件的描述被省略。
这些元件的材料都是透明材料如丙烯酸类树脂。
连接了气体导管157的气体排放装置100’经培养设备的主体151上的圆柱形开孔元件155插入而安装在底部154的表面。
气体导管157是由材料如聚氨酯、硅或合成橡胶制成并与半球形圆顶152的表面接触。
当气体如空气被输入到气体排放装置100’时，装置100’在培养液中按照箭头所示方向跳跃着前行。这样，通过排放的气体和气体排放装置的运动，培养液被充分搅拌。
并且，气体排放装置100’在环状底部154上前行，因此如图16所示，连接的气体导管157摩擦清洁内半球形圆顶152的表面，同时装置100’在底部154上作圆周运动。因此，气体导管157防止藻类粘附在圆顶152的表面上并且还起到了清洁表面的作用。
另外，气体排放装置100’运动搅拌培养液156，因此即使存在任何形成集落的藻类，其也能被打碎并重新分散在培养液中而产生非常有效的培养。
这里，气体导管中发生了扭曲。然而，如图13所示，排放喷嘴被制成可旋转的并且排放喷嘴在通路孔中旋转从而使扭曲状态得到复原。
图17是圆锥形培养设备的主体161与气体排放装置100’结合的培养设备160的截面示意图。
这里，圆锥形培养设备的主体161包括由透明材料制成的外圆锥形圆周壁163、由透明材料制成的内圆锥形圆周壁162和连接两个圆周壁底端部分的底部164，以及由透明材料制成的圆柱形开孔元件165被安装在圆周壁163的底部。而其它元件的描述被省略。
连接了气体导管167的气体排放装置100’经圆柱形开孔元件165插入而安装在底部164上。
当气体如空气被输到气体排放装置100’时，装置100’在培养液中跳跃而重复推进运动。针对图15和图16中的培养装置解释了这种运动。
图18是圆柱形培养设备的主体171与气体排放装置100’结合的培养设备170的截面示意图。
这里，培养设备的主体171包括具有由透明材料制成的上壁57的外圆柱形圆周壁173、具有由透明材料制成的上壁172的内圆柱形圆周壁49和连接两个圆周壁底端部分的底部174，以及由透明材料制成的圆柱形开孔元件175被安装在外圆柱形圆周壁173的上壁的中心部分。而其它元件的描述被省略。
连接了气体导管177的气体排放装置100’经圆柱形开孔元件175插入而安装在底部174上。
当气体如空气被输到气体排放装置100’时，气体排放装置100’在培养液中跳跃而重复推进运动。这样的运动已在图15和图16中的培养设备中进行了解释。
图19是表示用在本发明中的另一个气体排放装置实例的侧透视图。
这个气体排放装置200在某一点上具有不同于图9中的气体排放装置100的结构，即在相对的正方形基板201和201’之间，其中的一个正方形基板201的长度比另一个正方形基板201’的长度短并且前端部分和后端部分以同样的方向弯曲；然而，其它点相同。并且，附图标记202是气泡引导元件，附图标记203是排放喷嘴，附图标记211是气体导管，附图标记201和201’是正方形基板，附图标记204是倾斜壁，附图标记205是上壁，附图标记206是侧壁，附图标记207和207’是上侧壁和附图标记208和208’分别是固定元件。
另一方面，重物(没有显示)是重量调节装置，可连接和可分离地连接在正方形基板201和201’上。
图20是表示用在本发明中的另一个气体排放装置实例的侧透视图。
这个气体排放装置300在某一点上具有不同于图9中的气体排放装置100的结构，即两个相对的正方形基板301和301’在前端部分和后端部分没有被弯曲；然而，其它点相同。并且，附图标记302是气泡引导元件，附图标记303是排放喷嘴，附图标记311是气体导管，附图标记301和301’是正方形基板，附图标记304是倾斜壁，附图标记305是上壁，附图标记306是侧壁，附图标记307和307’是正方形基板的上侧壁和附图标记308和308’分别是固定元件。
另一方面，重物(没有显示)是重量调节装置，可连接和可分离地连接在正方形基板301和301’上。
图21是表示用在本发明中的另一个气体排放装置实例的侧透视图。
图22表示图21中的气体排放装置的X-X’方向上的截面图。
这个气体排放装置400包括相对的正方形基板401和401’和具有截面向下开口的和外形弯曲的倒U-形形状的气泡引导元件402，以及连接着气体导管411的排放喷嘴403，其中气体导管402被倾斜安装在正方形基板的上侧端面407和407’上并具有截面呈倒U-形结构，其中上面的半圆倾斜壁404的上端部分通过在保持半圆形状的同时几乎弯曲到水平位置而延伸形成上壁405，并且具有由半圆侧端部分延伸的两个侧壁(包括壁406和其它壁(未显示))以及上述两个侧壁的底端部分被连接在正方形基板的上侧面407和407’上。排放喷嘴403通过在具有倒U-形截面的气泡引导元件402的倾斜壁404下面的半圆顶部上的通路孔409进行了旋转式的连接，为了防止从通路孔409上移开，在排放喷嘴403的外圆周部分中的通路孔409的外侧的相对位置上安装了两个阀410和410’。
由上壁405和两个侧壁形成的端部是开口的并且正方形基板401和401’通过固定元件408和408’进行了固定。
在这个实施例中，两块正方形基板的前端部分和后端部分没有弯曲；然而，两块正方形基板的前端部分和后端部分可以相同的方向弯曲并且也可以使用具有其中一块正方形基板的前端部分和/或后端部分弯曲这样结构的正方形基板。
重物(未显示)，即重量调节装置，既可连接式地又可分离式地连接在正方形基板401和401’上。
在培养设备中，作为本发明人研制的用于藻类培养的培养设备，下面通过以用于藻类培养的圆顶型培养设备(下文中称作培养设备A)作为代表实施例来描述本发明。
首先本发明涉及通过以高密度培养藻类的方法，利用培养设备A来制备藻类细胞(生物质)的方法。
根据本发明，以高密度进行的藻类细胞(生物质)培养包括各种形式并且没有特别限定和随着以下条件而变化：培养设备的结构，培养设备的体积，所用藻类的种类，藻类细胞的起始密度，培养溶液的种类，培养溶液的组成，培养溶液的pH，培养温度，照射在培养箱上的光量，照射时间，培养持续时间，通气的组成(空气以及空气和二氧化碳的混合气体)，通气速度，有或无添加剂如调节植物生长的植物生长激素，有或无用于除去活性氧的净化剂等。通常培养是在1g至10g/L(升)的培养密度范围内进行的，优选地是在3g至6g/L(升)的培养密度范围内，更优选地是在5g至6g/L(升)的培养密度范围内。
根据本发明，优选使用的藻的种类通过Chihara Mitsuo的“藻类多样性的生物学”(1997)中的描述进行了举例说明，其能够产生高度不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖并能进行高密度培养。尤其是，蓝藻门(Myxophyta)蓝藻纲(Nostocophyceae)、原绿藻门原绿藻纲、灰胞藻门(Glaucophyta)(Glaucocystophyta)、灰胞藻纲(Glaucocystophyceae)、红藻门、红藻纲(Bangiophyceae)、隐藻门、隐藻纲、甲藻门(Pyrrhophyta)甲藻纲、黄藻门、杂色藻门金藻纲、黄藻纲(Tribophyceae)、秀柱花藻纲(Eustigmatophyceae)、针丝藻纲(Raphidophyceae)、硅藻纲(Diatomophyceae)、褐藻纲(Fucophyceae)、定鞭藻门(Prymnesiophyta)、定鞭藻纲(Prymnesiophyceae)、裸藻门裸藻纲、绿蜘藻门(Chlorarachniophyta)绿蜘藻纲(Chlorarachniophyceae)、绿藻门绿藻纲(sensulzta)、绿枝藻纲、ClassPedinophyceae、绿藻门、绿枝藻纲、Class Pedinophyceae(sensustricto)、绿藻纲、共球藻纲(Trebouxiophyceae)和Class Ulvophyceae。
更特别地是，属于蓝藻纲的藻分类群(algal taxa)是那些既是原核生物，又具有氧气释放型光合作用的能力并且被分类到以下目和科。
色球藻目包括微囊藻科(Microcystaceae)、色球藻科、石囊藻科、管孢藻科(Chamaesiphoniaceae)、皮果藻科(Dermocarpellaceae)、异球藻科(Xenococcaceae)和Hydrococcaceae，颤藻目包括颤藻科、Pseudanabaenaceae、颤藻科(Schizotrichaceae)、颤藻科(Phormidiaceae)、颤藻科和肢须藻科(Homoeotrichaceae)、念珠藻目包括伪枝藻科、微毛藻科、胶须藻科(Rivulariaceae)和念珠藻科，并且真枝藻目包括石囊藻科(Chlorogloeopsaceae)、蒴链藻科、真枝藻科、多裂藻科、双线藻科、拟珠藻科(Nostochopsaceae)和鞭枝藻科。
属于原绿藻纲的藻分类群是那些既是原核生物，又具有氧气释放型光合作用的能力并且被分类到下列目和科。原绿藻目包括原绿藻科和Prochlorotrichaceae。
属于灰胞藻纲的藻分类群是那些具有单细胞或群体结构和通过生存在藻类细胞内的蓝藻门共生生物取代叶绿体进行光合作用的能力，并且被分类到下列目和科。蓝藻目包括蓝藻科，胶毛藻目(Gloeochaetales)包括Glaucosphaeraceae和胶毛藻科(Gloeochataceae)，灰胞藻目(Glaucocystales)包括灰胞藻科。
红藻纲具有600个属和5000个种并且被分类到下列亚纲、目和科。红藻纲广泛分布于淡水和咸水中并且包括红毛菜亚纲和海索面亚纲(Nemaliophycidae)。
红毛菜亚纲包括紫球藻目、紫球藻科、Cyanidiaceae、角毛藻科和Erythropeltidales。
属于海索面亚纲的顶丝藻目包括顶丝藻科，Palmariaceae包括Phodophysemataceae和Palmariaceae，海索面目(Nemaliales)包括海索面科(Nemaliaceae)。
属于隐藻纲的藻分类群是单细胞鞭毛藻类(flagellates)，分布于任何淡水、咸水和海水中并且被分类到下列目和科。隐藻目包括隐藻科、隐金藻科、Gonimonadaceae、尖眼藻科和Hemiselmidaceae。
属于甲藻纲的藻分类群分布于任何淡水、咸水和海水中并且被分类到下列目和科。液光藻目(Noctilucales)、原甲藻目、甲藻目、裸甲藻目、多甲藻目、膝沟藻目、囊沟藻目(Blastdiniales)和植甲藻目(Phytodiniales)。
属于黄藻门金藻纲的藻分类群被分类到下列目和科。棕鞭藻目包括棕鞭藻科、Dynobryaceae、Chlomulinaceae、Chsamoebaceae、根金藻科和鳞金藻科(Lepochromulinaceae)，金枝藻目(Phaeothamiales)包括金枝藻科，Thallochrysidales包括Thallochrysidaceae，水树藻目(Hydrurales)包括水树藻科(Hydrudaceae)，以及黄群藻目(Synurales)包括黄群藻科。
分布在淡水域的黄藻纲是属于黄藻门的藻分类群并且被分类到下列的目。绿变形藻目、根黄藻目、丙球藻目、黄丝藻目、和无隔藻目。
属于秀柱花(Eustigmatophyceae)的藻分类群是单细胞，主要分布于淡水域并在海水中也发现了几种，并且被分类到下列目和科。Eustigmatales包括金丝藻纲(Raphidophyceae)、硅藻纲(Diatomophyceae)和褐藻纲(Fucophyceae)。
在上述藻分类群中，当高密度培养藻并且通过采用本发明的培养设备而产生高的光利用率时，特别优选使用的是小球藻属、螺旋藻属和杜氏藻属(Dunaliella)。
用于本发明培养的藻类可以是上述各个藻分类群中的那些分类群，基于尺寸大小和容易培养的藻类是最优选的，并且尺寸非常大的藻类也能被培养。
上述螺旋藻属属于蓝藻纲念珠藻目颤藻科并且是丝状的和浮游生物。更特别地，作为实例的是Spirulina platensis、极限螺旋藻(Spirulina maxima)、Spirulina geitleri、Spirulina siamise、大螺旋藻、盐泽螺旋藻、Spirulina princeps、宽松螺旋藻、Spirulina curta和Spirulina spirulinoides，优选的是容易得到的Spirulinaplatensis、极限螺旋藻(Spirulina maxima)、Spirulina geitleri、Spirulina siamise。
下面将描述根据本发明通过采用培养设备A进行高密度培养上述藻类的方法。
本发明高密度培养藻类细胞(生物质)的生产方法没有特别限定并且随着培养设备的结构、培养设备的体积、所用藻类的品种、藻类细胞的初始密度、培养液的种类、培养液的组成、培养液的pH、培养温度、照射在培养箱上的光量、照射时间、培养持续的时间、所通气体的组成(空气和空气与二氧化碳的混合气体)、通气速率、添加剂的有或无、调节植物生长的植物生长激素、去除活性氧的净化剂的有或无等而变化；然而，通常，培养是在1g/L到10g/L(升)、优选的是3g/L到10g/L、更优选的是5g/L到10g/L的培养密度范围内进行的。
根据以实用规模常规进行的培养方法(开放式池系统)，藻类细胞的初始培养密度是从0.05到0.1g/L(升)并且最终(收集)培养密度是从0.5到0.8g/L。培养密度在1.0g/L以上的被称作高密度培养。
本说明书中，高密度培养被定为1.0到10.0g/L(升)的范围。当生物圆顶(biodome)上的光径缩短时，10g/L的培养成为可能。
上述培养设备可以从本发明人作为申请(PCT/JP99/1585)提交的说明书中描述的多种培养设备中选择。优选地，它是圆顶形状的结构。
培养设备的体积没有特别限定；然而，为了维护和管理，通常是60至150升(L)并且优选地是80至120升(L)。
对于所用藻类的藻类细胞初始培养密度随着培养液的种类、培养液的组成、培养液的pH、培养温度、照射在培养箱上的光量、照射时间、培养持续的时间、所通气体的组成(空气和空气与二氧化碳混合气体的比例)而变化，并且没有限制；然而，优选的范围通常是0.03到0.5g/L。
培养液随着藻类而变化，可使用的是淡水、海水，和通过稀释的海水、咸水制备的培养液，和公知作为人工培养基或通过下列公知方法制备的培养基。
培养液的pH随着培养液的种类和使用的藻类的品种而变化，并且没有限制；然而，优选的范围是从pH5.5到pH9.0，优选地从pH7.0到pH8.0。特别是，对于螺旋藻属的品种，使从8到11，优选地是从8.5到接近10，对于鞭毛藻，pH是从6.0到8.5，优选地是从6.5到接近7.5，对于Nannnochloropsis oculata，pH是从6.5到8.5，优选地是从7.0到接近8.0。
培养基的温度随着藻类的品种而变化并且没有限制；然而，优选地，通常以从15℃到35℃作为合适的温度进行变化。例如，对于螺旋藻属的种，优选地从25℃到35℃进行变化，对于鞭毛藻，优选的温度变化范围是从20℃到28℃，对于Nannnochloropsis oculata，优选的温度变化范围是从25℃到30℃。
阳光照射量随着所使用的藻类而变化并且不受限制；然而，例如，对于以120升培养体积培养螺旋藻属的种的情况来说，大约18MJ是优选的。
阳光照射的持续时间随着培养的藻类而变化并且不受限制；然而，从10小时到14小时的范围是优选的。
通气速率随着培养箱的体积、空气以及空气和二氧化碳的混合气体(二氧化碳浓度是2.0％)而变化并且不受限制；然而，例如，对于120升的培养体积，变化范围从20升/分钟到30升/分钟，优选的地，变化范围从25升/分钟到30升/分钟。
培养周期大约是10天并且优选地是少于10天。
产生的藻类细胞(生物质)可通过公知方法例如通过过滤、离心、洗涤和干燥含在培养液中的藻类细胞来分离。
本发明的第二方面涉及通过采用培养设备A的高密度培养方法生产含有高含量光合色素的藻类细胞的方法。
根据本发明，含有光合色素的藻类细胞的高密度培养没有特别限定并且随着培养设备、培养设备的体积、所用藻的品种、藻类细胞的初始密度、培养液的种类、培养液的组成、培养液的pH、培养温度、照射在培养箱上的光量、照射时间、培养持续时间、通气组成(空气和空气与二氧化碳的混合气体)、通气速率、胞囊形成的方法、添加剂的有或无、调节植物生长的植物生长激素、去除活性氧的净化剂的有或无等而变化；然而，通常，培养是在1g/L到10g/L(升)、优选的是3g/L到10g/L、更优选的是5g/L到10g/L的培养密度范围内进行的，并且单位干重的藻类细胞所产生的光合色素的含量范围是0.8％到9％，优选地4％到9％，更优选地7％到9％。
上述光合色素是类胡萝卜素色素例如虾青素、花药黄质、双阿脲、三色堇黄质、海胆酮、颤藻黄素(oscillaxanthin)、胡萝卜素、鸡油菌黄质、隐黄质、chloroxanthin、管藻黄质、管藻素、玉米黄质、脱二氢环氧二氢胡萝卜二醇、硅藻黄质、双鞭藻黄质、新黄质、新岩藻黄质、岩藻黄素、prasinoxanthin、heteroxanthin、无隔藻黄质(vaucheriaxanthin)、vaucherian xanthin ester、混合叶黄质(mixoxanthin)、混合叶黄素(mixoxanthophyll)、monadoxanthin和叶黄素，藻胆色素例如别藻蓝蛋白、藻红蛋白、藻蓝蛋白，和叶绿素例如叶绿素(a，b，c1，c2，c3和d)和多甲藻素，优选地是上述胡萝卜素色素，更优选地是虾青素、三色堇黄素、海胆酮、胡萝卜素、鸡油菌黄质、玉米黄质、新黄质和叶黄素，特别优选地是虾青素、鸡油菌黄质、新黄质等。
在上述能够进行藻类细胞高密度培养的藻类中，作为适合于生产光合色素的藻类，主要生产光合色素的藻类是优选的。特别是，已知例如含有叶绿素a、c-蓝藻蛋白、c-藻红蛋白、别藻蓝蛋白、β-胡萝卜素、海胆酮、玉米黄质、鸡油菌黄质、混合叶黄质、混合叶黄素和颤藻黄质的蓝藻门的蓝藻纲，含有叶绿素(a和b)、β-胡萝卜素和玉米黄质的原核绿藻门的原核绿藻纲，含有叶绿素a、藻蓝蛋白、别藻蓝蛋白、β-胡萝卜素、玉米黄质和隐黄质的灰胞藻门的灰胞藻纲，含有叶绿素a、γ-藻蓝蛋白、c-藻蓝蛋白、γ-藻红蛋白(γ-phycoerythriene)、b-藻红蛋白(γ-phycoerythriene)、别藻蓝蛋白、α-和β-胡萝卜素、叶黄素、三色堇黄质、玉米黄质、花药黄质、和新黄质的红藻门的红藻纲，含有叶绿素(a和c2)、α-和β-胡萝卜素、藻蓝蛋白、藻红蛋白、双阿脲、chloroxanthin、玉米黄质和monadoxanthin的隐藻门的隐藻纲，含有叶绿素(a和c2)、β-胡萝卜素、多甲藻素、双鞭藻黄质和硅藻黄质的甲藻门的甲藻纲，含有叶绿素(a、c1、c2和c3)、β-胡萝卜素、玉米黄质、隐黄质、花药黄质、三色堇黄质、岩藻黄素、新岩藻黄质、硅藻黄质、脱二氢环氧二氢胡萝卜二醇和新黄质的黄藻门的金藻纲，含有叶绿素(a、c1和c2)、β-胡萝卜素、无隔藻黄质、硅藻黄质、heteroxanthin和玉米黄质的黄藻纲，含有叶绿素a、β-胡萝卜素、鸡油菌黄质、花药黄质、三色堇黄质、无隔藻黄质和新黄质的秀柱花纲，含有叶绿素(a、c1和c2)、β-胡萝卜素、脱二氢环氧二氢胡萝卜二醇、无隔藻黄质、heteroxanthin、硅藻黄质、新黄质、岩藻黄素、玉米黄质和三色堇黄质的金丝藻纲，含有叶绿素(a、c1、c2和c3)、β-胡萝卜素、海胆酮、鸡油菌黄质、岩藻黄素、新岩藻黄质、硅藻黄质、脱二氢环氧二氢胡萝卜二醇和新黄质的硅藻纲，含有叶绿素(a、c1、c2和c3)、β-胡萝卜素、花药黄质、三色堇黄质、岩藻黄素、硅藻黄质、脱二氢环氧二氢胡萝卜二醇和新黄质的褐藻纲，含有叶绿素(a、c1和c2)、α-和β-胡萝卜素、岩藻黄素、海胆酮、鸡油菌黄质、硅藻黄质、脱二氢环氧二氢胡萝卜二醇和双鞭藻黄质的定鞭藻门的定鞭藻纲，含有叶绿素a和b、Isochrysis、玉米黄质、海胆酮、脱二氢环氧二氢胡萝卜二醇和新黄质的裸藻门的裸藻纲，含有叶绿素(a和b)、β-胡萝卜素、玉米黄质、海胆酮、脱二氢环氧二氢胡萝卜二醇和新黄质的绿蜘藻门的绿蜘藻纲，含有叶绿素(a和b)、α-、β-和γ-胡萝卜素、玉米黄质、叶黄素、花药黄质、三色堇黄质、新黄质、管藻素(发现于管藻目的某些种类的叶绿素)和管藻黄质的绿藻门的绿藻纲，以及含有叶绿素(a和b)、α-和β-胡萝卜素、prasinoxanthin、管藻素和管藻黄质的绿枝藻，以及含有叶绿素(a和b)的Pedinophyceae。
上述多种藻类含有的光合色素可以利用本发明人的藻类培养设备通过在合适培养液中以高密度和高纯度进行生产培养。
用于本发明的生产虾青素的藻优选地是例如pulyialis鞭毛藻、lacustris鞭毛藻、属于chlorococcum的绿藻如小球藻例如Chlorellafusca、Chlorella zofingiensis、Chlorella homospphaera和Scenedesmus种。
生产β-胡萝卜素和玉米黄质的藻是例如platensis螺旋藻、极限螺旋藻、盐泽螺旋藻，并且更优选地是platensis螺旋藻。
用于生产虾青素的培养液的有关条件，已知是绿藻如鞭毛藻在缺乏营养的环境如氮缺乏下生产虾青素(2mg/g)。
光合色素可以通过孢囊的形成和色素沉着由藻生产。孢囊的形成和色素沉的条件如下所述。(1)增加光强度。例如强光(50000至1500001x)。(2)使培养液中的PO4-P缺陷。(3)使培养液中的N(氮)如NO3-N缺陷(0ppm)。(4)增加培养物的温度(提高植物细胞培养温度大约到20至28℃。优选地，温度被设置在30至35℃)。(5)添加活性氧产生剂(过氧化氢H2O2、臭氧O3)。(6)盐应力(培养液中加入0.5％至0.8％的NaCl)。(7)通过除去含在培养液中的MgSO4或替换成MgCl2导致硫酸盐饥饿。(8)加入细胞分裂抑制剂，例如，作为细胞分裂抑制剂的长春花碱的添加导致了虾青素量的增加。
根据本发明，分别采用任何一种上述孢囊形成和色素沉着的条件或者优选地，两种或三种方法的结合将产生更好的效果。例如，增加光强度、N饥饿和PO4饥饿的结合可以作为优选的实施例。
另外，已知小球藻和Scenedesmus，绿藻属通过在N饥饿和镁饥饿的条件下进行培养产生了虾青素(1.5mg)。而且，已经公开了下列报告：具有虾青素生物合成能力的小球藻和Scenedesmus，绿藻属在含有0.2至1M的一种或多种钠盐和钾盐的培养液中进行培养来生产含有高含量虾青素(4至10mg/g)的绿藻。
适合于积累光合色素的藻类是例如小球藻属、螺旋藻属、杜氏藻属、Nannochloropsis(例如，Nannochloropsis Oculata)、Thraustochytrium(例如，Thraustochytrium aureum)、Crypthecodinium(例如，Crypthecodinium Cohnii)、Isochrysis(Isochrysis galbana)。
杜氏藻属(绿藻纲的Volvocales的杜氏藻属)在藻类细胞中含有丰富的β-胡萝卜素并且优选地是盐生杜氏藻、Dunaliella bardawil和杜氏藻。
通过利用本发明的培养设备A的藻培养，可以有效地生产用于医药材料的多糖。
本发明意义上的多糖是分子量上万或更高的水不溶的或水溶的多糖，特别是，由一种单糖组成的同多糖(简单多糖)和两种或多种单糖组成的杂多糖(复杂多糖)。同多糖例如是葡聚糖如纤维素、淀粉、糖原、charonin、昆布糖和右旋糖酐，果聚糖如阿兰粉和左聚糖、甘露聚糖、木聚糖、聚半乳糖醛酸如果胶、聚甘露糖醛酸(mannuronans)如海藻酸，以及N-乙酰葡糖胺聚合物如壳多糖和杂聚糖例如是guaran、甘露聚糖、肝素、硫酸软骨素，双杂聚糖(diheteroglycans)如透明质酸、岩藻多糖和琼脂糖并且是通过藻培养产生的。
已报道了由藻产生的多糖的有用性实例即作为从褐色藻中获得的硫酸盐多糖表现出抗凝集活性、血净化活性(脂蛋白脂酶活性)和抗肿瘤活性，以及从褐色藻中提取的岩藻甾醇能增强血管内皮细胞中纤溶酶原激活因子的产生。
藻多糖经常用于健康食品。
适合于生产多糖的藻类是例如蓝-绿藻(蓝藻类细菌)、红藻、定鞭藻纲属种、stigmatophycean种、黄藻属种、硅藻属种、褐色藻、绿藻和轮藻属种。
优选的属是小球藻属如小球藻和念珠藻属如地木耳。
关于分离多糖的方法，多糖可以通过从以一般方式培养的藻中提取多糖的方法来获得，例如，从培养液中分离藻类细胞后通过酶反应裂解藻类细胞。另外，如果需要，细胞裂解后，用水-混合的有机溶剂处理脂溶细胞中的成分并去除该成分来提取多糖。
下面将描述利用培养设备A生产含有光合色素的藻的方法。
根据本发明，用于培养含有光合色素的藻类细胞的培养液可以是公知的那些培养液或公知方法以后的那些培养液。含有光合色素的藻类细胞的高密度培养包括各种方式，没有限制，并且随着培养设备的结构、培养设备的体积、所用藻的种类、藻类细胞的初始密度、培养液的种类、培养液的组成、培养液的pH、培养温度、照射在培养箱上的光量、照射时间、培养持续时间、通气组成(空气和空气和二氧化碳的混合气体)、通气速率、孢囊形成的方法、有或无添加剂如调节植物生长的植物生长激素、有或无去除活性氧的净化剂等而变化；然而，通常，培养是以1g至10g/L的培养密度变化范围进行，优选3g至10g/L，更优选5g至10g/L，并且以干基得到的光合色素的含量变化范围是0.8％至9％，优选地是4％至9％，和更优选地是7％至9％。
使用的培养基是水、人工培养基、天然淡水、咸水和海水以及通过稀释这些培养基来制备的那些。海藻具有一个优点，例如，可以使用直接获得的低温、营养丰富和无污染的深层水或通过采用低温深层水来调节培养温度。另外，稀释度适当的深层水被用于制备培养液。而且，如果需要，可以加入硝酸钾、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、硼酸、氯化镁、氯化锰、钼酸钠、硫酸锌、硫酸铜和硫酸铁。
利用培养设备A，这些藻能以高密度和高光利用效率进行培养。
培养温度随着要进行培养的藻的种类而变化并且不受限制；然而，通常变化范围是从15℃至35℃，优选地，从20℃至30℃，更优选地，从20至25℃。
阳光量(光量)随着所用藻的种类而变化并且不受限制；然而，通常变化范围是从500至1000001x，优选地，从5000至1000001x，更优选地，从75000至1000001x。
以高浓度积累光合色素如虾青素需要强光；然而，对于绿藻类细胞的培养，则不需要如此强的光。
培养持续的时间随着培养藻类的种类、培养温度和阳光量(光量)而变化并且不受限制；然而，通常变化范围是从7至14天并且优选地是大约10天。相反，如果采用常规的螺旋藻培养方法，通常需要一个星期至数个星期才能生产得到同于通过本发明的培养方法获得的量，因而可以得知本发明的生产方法在持续的时间方面有了明显的改进。
有关利用培养设备A培养含有光合色素的藻类的方法，可以采用能够增加光合色素含量的公知方法。例如，为了改善虾青素的生产能力，可采用这样的方法，即在高温下培养绿藻种，雨生红球藻来积累大量的虾青素。根据该方法，当上述藻在30℃下培养时，虾青素的产量是20℃下培养的产量的3倍，并且如果补入乙酸，合成了两倍于没有补入乙酸的量的类胡萝卜素(Tjahjoho A.E.等，生物技术通讯(BiotechnolLett.)，16卷第2期，133-138页，1994)。
在上述培养条件下利用培养设备A时，发现在藻类细胞中不但增加了生物质，而且还增加了虾青素的积累量。
通过本发明的生产方法得到的光合色素在进行了通常的程序后，可以通过过滤和离心含在培养基中的藻类细胞、洗涤和干燥来进行分离，而且如果需要，藻类细胞可以常规方法进行破碎，然后通过采用合适的有机溶剂例如具有高极性的溶剂如甲醇、乙醇和丙酮或者将这些溶剂的任何一种与己烷和二氯甲烷结合来进行提取并利用硅胶柱层析和HPLC等分离和纯化。
从藻类细胞中收集目标光合色素的方法没有特别限制，但是可以按照公知的方法。作为从藻类细胞中收集目标光合色素的方法，可以采用，例如下列方法(公开号为3-83577的日本专利申请)：从培养液中回收高虾青素含量的藻类细胞并采用粒度范围是0.25至5.0mm的玻璃珠、在样品密度范围为0.1至10％(重量)的条件下机械粉碎5至60分钟。
为了从藻中提取类胡萝卜素(光合色素)，可以采用下列方法，例如：通过湍流将雨生红球藻的细胞壁于高压下进行破碎，然后用有机溶剂提取，再干燥来获得虾青素类胡萝卜素。有关藻类细胞壁破碎后的提取，通常可以采用上述合适的有机溶剂来进行提取。
本发明的第三个方面涉及利用培养设备A、通过高密度培养能产生高度不饱和脂肪酸的藻的方法来生产含有高度不饱和脂肪酸的藻类细胞的方法。
高密度培养含有高度不饱和脂肪酸的藻类细胞的方法包括许多种，没有限定，并且随着培养设备的结构、培养设备的体积、所用藻的种类、藻类细胞的初始密度、培养液的种类、培养液的组成、培养液的pH、培养温度、照射在培养箱上的光量、照射时间、培养持续时间、通气组成(空气和空气和二氧化碳的混合气体)、通气速率、有或无添加剂如调节植物生长的植物生长激素、有或无去除活性氧的净化剂等而变化；然而，通常，培养是以1g至10g/L的培养密度变化范围进行，优选3g至10g/L，更优选5g至10g/L，并且以干基得到的高度不饱和脂肪酸的含量变化范围是0.8％至9％，优选地是4％至9％，和更优选地是7％至9％。
按照本发明的高密度培养藻的方法得到的高度不饱和脂肪酸没有特别限定；然而，通常提供由18至22个碳原子组成且具有4至6个不饱和键的脂肪酸。特别地，实例是具有6个不饱和键并由22个碳原子组成的二十二碳六烯酸(DHA)、具有5个不饱和键并由20个碳原子组成的二十碳五烯酸(EPA)，和具有4个不饱和键并由20个碳原子组成的花生四烯酸(ARA)。
关于高度不饱和脂肪酸，例如DHA及其酯已被报道用作脑功能增强剂(公开号为1-153629的日本专利申请)、脑功能改进剂、学习能力增强剂、记忆增强剂、预防痴呆剂、痴呆治疗药或具有改进脑功能效果的功能性食品(公开号为2-49723的日本专利申请)的有效成分。
据报道，下列方法作为生产高度不饱和脂肪酸的常规方法。
通过利用Mortierella种的转化反应生产高度不饱和脂肪酸(DHA)的方法(公开号为63-185389的日本专利申请)，通过能够产生花生四烯酸的微生物生产含增量的高度不饱和脂肪酸的方法(公开号为1-304892的日本专利申请)，生产含有源自于海洋微生物的高度不饱和脂肪酸的类脂的方法(公开号为2-142486的日本专利申请)，通过利用刺孢囊霉属的种生产高度不饱和脂肪酸的方法(公开号为2-23878的日本专利申请)，从横断刺孢囊霉(Echinosporangium Transversalie)ATCC16960和18036(欧洲未审申请公开35597)、细菌、真菌破囊壶菌属、虫霉属、Japonochytrium种ATCC28207的培养物中获得高度不饱和脂肪酸的方法(公开号为1-199588的日本专利申请)。
已报道了通过藻培养获得DHA的方法，甲藻纲藻和定鞭藻纲藻的培养方法(Joseph，J.D.：脂质，10，395(1975)，Nichols，P.D.等；植物化学23：1043(1984))。
然而，上面所述的是一种自然的繁殖方法或一种简单静止的培养方法，  因此在工业实用过程中存在技术问题。
可以从上述藻种中自由选择能够产生高度不饱和脂肪酸的藻种作为利用本发明的培养设备A、通过高密度培养来生产含有高度不饱和脂肪酸的藻的优选藻种。
特别是，可以作为实例的是能够产生高度不饱和脂肪酸(DHA)的Isochrysis galvana和能够产生高度不饱和脂肪酸(EPA)的Nannochloropsis oculata和Monodus subterraneus。在本发明的高密度培养方法中，上述藻的任何一个种或两个种或多个种可以结合使用。
上述Isochrysis galvana属于定鞭藻纲，是海洋微藻类种群。另外，属于角毛藻属属的Chaetoceros gracilis和Chaetoceros calcitrans，属于隐藻属的隐藻属种以及Pavlova lutheri和卡氏球盖板藻也是优选的。
Isochrysis galbana的特定实例是Isochrysis galvana LB2307和LB9807，Chaetoceros gracilis的特定实例是2375，Chaetoceroscalcitrans的特定实例是CCAL1315，隐藻属种的特定实例是LB2423，Pavlova lutheri的特定实例是LB1293，和卡氏球盖板藻的特定实例是LB1014和LB2167。这些藻种能以一个种或两个种或多个种结合的混合物形式来进行使用。
对于高度不饱和脂肪酸是EPA的情况，例如，优选地是单细胞藻Monos、Eustigmatopceae的种和为浮游生物并含有丰富EPA的Nannochloropsis oculata。
培养条件按照上述藻类细胞(生物质)的生产方法中的办法。
根据本发明，通过利用培养设备A作为简单的方法，能够将培养液中的光环境最佳化，因此，通过持续照射和间歇照射可以进一步增加培养速度。
根据本发明，通过高密度培养，能以高纯度和高收率来生产藻。另外，如果需要，培养液可以接受公知的植物激素如茁长素、赤霉素和细胞分裂素来加强藻类如裸藻属的生长。
通过本发明的生产方法得到的高度不饱和脂肪酸在进行了通常的程序后，可以通过过滤和离心含在培养基中的藻类细胞、洗涤和干燥来进行分离，而且如果需要，藻类细胞可以常规方法进行破碎，然后通过采用合适的有机溶剂例如高极性的溶剂如甲醇、乙醇或丙酮或者将这些溶剂的任何一种与已烷和二氯甲烷混合来进行提取并利用硅凝胶柱层析和HPLC等进行分离和纯化。
实施例
实施例1
能够产生DHA的Isochrysis galbana
利用培养设备A，一种藻种，Isochrysis galbana以初始藻培养密度(0.3g/L)和在下列条件下进行培养：培养液的体积是120升、培养液的组成如表1所示，培养温度范围15℃至25℃，阳光量和光照时间是14.3MJ和12.5小时，空气和二氧化碳的混合气体(二氧化碳浓度2.0％)的通气速率是30升/分钟，培养液的pH是7.0至8.0，培养周期为10天。
结果，从10.0g/L的培养密度能够得到含有8％干基的高度不饱和脂肪酸(DHA)的高含量藻类细胞(生物质)。
培养基的组成
表1
   组分名称     使用量
NaCl  35.1g/L
MgSO4·7H2O   6.6g/L
MgCl2·6H2O   5.6g/L
CaCl2·2H2O   1.5g/L
KNO3   1.0g/L
KH2PO4   70mg/L
维生素(1)  1.0ml/L
痕量元素(2)  1.0ml/L
铁(3)  1.0ml/L
水    1L
组分名称 使用量
(1)维生素的组成
  盐酸硫胺 400mg/L
   生物素 100mg/L
  维生素B12 10mg/L
 (1)痕量元素的组成
ZnSO4·7H2O 8.4mg/L
H3BO3 60.0mg/L
CoCl2·6H2O 1.5mg/L
CuCl2·2H2O 4.0mg/L
MnCl2·4H2O 40.0mg/L
(NH4)6Mo7O24·4H2O 37.0mg/L
 (3)铁的组成
Na2EDTA 18.60mg/L
FeCl3·4H2O 2.40mg/L
  pH：采用的范围从7.5至8.0。
实施例2
能够产生DHA的Isochrysis galbana
利用本发明培养设备，在实施例1的培养条件下，将培养基的组成中的ZnCl2替换为8.4mg/L的ZnSO4-7H2O，将FeCl3-4H2O替换为2.77mg/L的FeCl3-6H2O来培养藻种Isochrysis Galbana。结果，从5.0g/L的培养密度能够得到含有7.5％干基的高度不饱和脂肪酸(DHA)的高含量藻类细胞(生物质)。
实施例3
生产Spirulina platensis的方法
利用培养设备A，一种藻种，Spirulina platensis以初始藻培养密度(0.5g/L)和在下列条件下进行培养：培养液的体积是120升、培养液的组成如表2所示，培养温度范围25℃至35℃，阳光量和光照时间18MJ/m2和14.5小时，空气和二氧化碳的混合气体(二氧化碳浓度2.0％)的通气速率是25升/分钟，培养液的pH是8.5至10.0，培养周期为10天。结果，通过10至20g/L的培养密度可以实现的产率范围是2.0至5.0g/L/天。
与下面对比实施例1所述的常规培养方法相比，产率大约为10倍。
表2
  组分名称   使用量
NaCl 1.00g/L
NaNO3 2.50g/L
CaCl2 0.04g/L
FeSO4·7H2O 0.01g/L
Na2EDTA 0.08g/L
K2SO4 1.00g/L
MgSO4·7H2O 0.20g/L
KHPO4 0.50g/L
NaHCO3 16.80g/L
A-溶液(1) 1.00Ml/L
B-溶液(2) 1.00ml/L
水 1L
组分名称 使用量
(1)A-溶液的组成
    ZnSO4·7H2O 222mg/L
    CuSO4·5H2O 79mg/L
  MoO3 15mg/L
  H3BO3 2860mg/L
  MnCl2·2H2O 1810mg/L
  (2)B-溶液的组成
  NH4NO3 23mg/L
  K2Cr2(SO4)2·24H2O 96mg/L
  NiSO4·7H2O 48mg/L
  Na2WO4·2H2O 18mg/L
  Co(NO3)2·6H2O 44mg/L
  Ti2(SO4)3
上述表中的Na2EDTA表示EDTA的二钠盐。
对比实施例1
常规培养方法(Spirulina platensis)
在上述实施例1的培养条件下，其中培养设备被替换成常规培养池系统，结果Spirulina platensis的培养密度是0.3至0.5g/升及其产率是0.1至0.2g/L/天。
实施例4
利用雨生红球藻生产虾青素的方法
利用培养设备A，一种藻种，雨生红球藻以初始藻培养密度(0.5g/L)和在下列条件下进行培养：培养液的体积是80升、培养液的组成如表3所示，培养温度范围25℃至30℃，阳光量和光照时间17.5MJ/m2和13.5小时，空气和二氧化碳的混合气体(二氧化碳浓度2.0％)的通气速率是25升/分钟，培养液的pH是7.5至8.5，培养周期为10天。停止通气，收集沉淀的藻类细胞，将从上述培养基中除去了N和P所制备的培养基加到强光照射4天的培养物中。结果，通过培养密度为5g至10g/L的高培养密度可以得到含4％至8％的色素虾青素的高含量藻类细胞(生物质)。
表3
    组分名称   使用量
NaNO3 1.50g/L
CaCl·2H2O 0.036g/L
Na2CO3 0.02g/L
MgSO4·7H2O 0.075g/L
EDTA 0.001g/L
K2HPO4 0.039g/L
柠檬酸 0.006g/L
柠檬酸铁铵(AmmoniumCitrate iron) 0.006g/L
A-溶液(1) 1.0ml/L
pH：7.0
组分名称 使用量
(1)A-溶液的组成
    ZnSO4·7H2O 222mg/L
    CuSO4·5H2O 79mg/L
  MoO3 15mg/L
  H3BO3 2860mg/L
  MnCl2·2H2O 1810mg/L
对比实施例2
培养雨生红球藻的方法
在上述实施例4的培养条件下，其中将培养设备替换成常规培养池系统来培养雨生红球藻。
结果发现培养雨生红球藻本身就非常困难。
实施例5
通过培养Nannochloropsis oculata的方法生产EPA
利用培养设备A，一种藻种，Nannochloropsis oculata，一种海洋微藻类以初始藻培养密度(0.4g/L)和在下列条件下进行培养：培养液的体积是120升、培养液的组成如分离表5所示，培养温度范围25℃至30℃，阳光量和光照时间是16.3MJ/m2和13.5小时，空气和二氧化碳的混合气体(二氧化碳浓度2.0％)的通气速率是30升/分钟，培养液的pH是7.0至8.0，培养周期为10天。
结果，从8g/L的高密度培养液能够得到含有10％干基的高度不饱和脂肪酸(EPA)的高含量藻类细胞(生物质)。
表4
  组分名称   使用量
NaCl   35.1g/L
MgSO4·7H2O   6.6g/L
MgCl2·6H2O   5.6g/L
CaCl2·2H2O   1.5g/L
KNO3   1.0g/L
KH2PO4   70mg/L
维生素(1)   1.0ml/L
痕量元素(2)   1.0ml/L
铁(3)   1.0ml/L
水   1L
组分名称 使用量
(1)维生素的组成
       盐酸硫胺 400mg
        生物素 100mg
      维生素B12 10mg
(1)痕量元素的组成
ZnSO4·7H2O 4.0mg/L
H3BO3 60.0mg/L
CoCl2·6H2O 1.5mg/L
CuCl2·2H2O 4.0mg/L
MnCl2·4H2O 40.0mg/L
(NH4)6Mo7O24·4H2O 37.0mg/L
(3)铁的组成
Na2EDTA 18.60g/L
FeCl3·4H2O 2.40g/L
pH：7.6
实施例6通过Nannochloropsis oculata的培养方法生产EPA
利用培养设备A，在与实施例5相同的培养条件下培养Nannochloropsis oculata。
结果，从3g/L的高密度培养液能够得到含有8％干基的高度不饱和脂肪酸(EPA)的高含量藻类细胞(生物质)。
对比实施例3
通过Nannochloropsis oculata的培养方法生产EPA
在上述实施例5的培养条件下，其中将培养设备替换成常规培养池系统来培养Nannochloropsis oculata。
结果，这种生产方法显示了一个生物质范围为0.2至0.4g/L的培养密度极限。
实施例7
通过培养雪藻种生产ARA
利用培养设备A，一种雪藻种，Paietochloris inciss以初始藻培养密度(0.5g/L)和在下列条件下进行培养：培养液的体积是120升、培养液的组成如表5所示，培养温度25℃，阳光量15MJ/m2，空气和二氧化碳的混合气体(二氧化碳浓度2.0％)的通气速率是30升/分钟，培养液的pH是7，培养周期为两个星期。结果，藻类细胞被培养到0.5g/L的最终生物质密度。过滤和干燥藻类细胞得到含有6.5重量％(w/w％)干重的花生四烯酸的产品。花生四烯酸(ARA)的量是通过将含在藻类细胞中的甘油三花生四烯酸酯、花生四烯酸单酯和花生四烯酸双酯转化为花生四烯酸所计算的量。
表5
    组分名称     使用量
NaNO3 20g/L
MgSO4·7H2O 0.075g/L
NaCl 0.025g/L
K2HPO4 0.075g/L
KH2PO4 0.175g/L
CaCl2·2H2O 0.025g/L
组分名称 使用量
痕量元素溶液
ZnSO4·7H2O 8.82mg/L
MnCl2·4H2O 1.44mg/L
MoO3 0.71mg/L
CuSO4·5H2O 1.57mg/L
CoNO3·6H2O 0.49mg/L
H3BO3 11.42mg/L
EDTA-KOH溶液
Na2EDTA 50mg/L
KOH 31mg/L
FeSO4·7H2O 4.98mg/L
浓硫酸 0.001ml
实施例8
利用培养设备A，一种念球藻属的种，地木耳以初始藻培养密度(0.5g/L)和在下列条件下进行培养：培养液的体积是120升、培养液的组成如表6所示，培养温度是25℃，阳光量是7至10MJ，培养液的pH是7.6至7.8，培养周期为两个星期。
结果，藻类细胞的最终生物质密度是4至5g/L。
获得的生物质用热水进行提取并且得到10至15％干重的多糖。作为提取到的多糖的分析结果，检测到4％干重的β-1，3-葡聚糖。
表6
            组分名称     使用量
K2HPO4 0.04g/L
MgSO4·7H2O 0.075/L
CaCl2·2H2O 0.036g/L
柠檬酸 0.006g/L
柠檬酸铵绿(Ammonium citrate green) 0.006g/L
Na2EDTA 0.001g/L
Na2CO3 0.02g/L
储备溶液 1.0ml
下列表7显示了储备溶液。
表7
    储备溶液的组分名称     使用量
  H3BO3   2.86g/L
  MnCl2·4H2O   1.81g/L
  ZnSO4·7H2O   0.22g/L
  Na2MoO4·2H2O   0.89g/L
  CuSO4·5H2O   0.08g/L
  CoNO3·6H2O
Nannochloropsis属的藻种，例如，Nannochloropsis oculata被用于作为养殖小鱼饲料的Rotifera种的繁殖。
属于褐指藻属的藻，例如三角褐指藻、角毛藻属的种，例如，Chaetoceros gracilis以作为双壳类、鲍和甲壳动物如虾的饲料而著名。在自然界中，这些藻类的增加和减少(趋势)取决于季节和环境的变化，因此，目前为止，藻类生物质的这种变化通过在开放池中培养来补偿。然而，开放池受自然环境变化的影响，因此，不能稳定地提供藻类细胞并且必需的目标种的有效生产是困难的。
通过利用封闭型的生物圆顶，可以生产高质量的藻并且能稳定地进行提供。
实施例9
利用培养设备A，三角褐指藻以初始藻培养密度(0.3g/L)和在下列条件下进行培养：培养液的体积是120升、培养液(人造海水)的组成如表8所示，培养温度是26℃，光强度是5MJ，培养液的pH是7.5至8.5，培养周期为两个星期。
结果，产生的藻类细胞的最终生物质密度是5g/L。
获得的生物质被用作海上养殖中的饲料(进食饲料)。
表8
  人造海水的组分名称    每升
储备溶液1 8.75ml
储备溶液2 2.5ml
食盐 88.6g
土壤提取物 25.0g
麦黄酮 0.5g
在表中，储备溶液1和储备溶液2的组成被列于表9和表10中。
表9
  储备溶液1的组分名称     使用量
NaNO3 30.0g/L
Na2HPO4 1.2g/L
K2HPO4 1.0g/L
表10
储备溶液2的组分名称     使用量
生物素     0.0002g/L
泛酸钙     0.02g/L
维生素B12     0.004g/L
叶酸     1.0g/L
肌醇     1.0g/L
烟酸     0.02g/L
盐酸硫胺     0.1g/L
胸腺嘧啶     0.6g/L
本发明的效果
利用本发明人的培养设备提供了以高纯度和高产率获得藻类细胞(生物质)的方法。另外，产生的生物质能提供含有高浓度的光合色素和/或高度不饱和脂肪酸和/或多糖的藻类细胞。因此，通过比较简单的设备就能容易地生产光合色素和/或高度不饱和脂肪酸和/或多糖。

Claims (11)

1.一种培养藻类的方法，该藻类具有产生高度不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖的能力，通过采用培养设备、在光照和通气条件下、在培养基中以高密度培养来制造含有高度不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻类，其中所述培养设备是选自具有圆顶形状、圆锥形状或圆柱形状中任一形状的设备；
具有圆顶形状的培养设备包括由透明材料制成的外半球形圆顶、由透明材料制成的内半球形圆顶和连接两个圆顶底端部分的底部，并且在外半球形圆顶的顶部安装了一个圆柱形开孔元件和在底部安装了一个用于空气和/或二氧化碳气体的引导元件和培养液排放元件；
具有圆锥形的培养设备包括一个由透明材料制成的外圆锥形圆周壁、一个透明的内圆锥形圆周壁和连接两个圆周壁底端部分的底部，并且在外圆锥形圆周壁的顶部安装了一个圆柱形开孔元件和在底部安装了一个空气和/或二氧化碳气体的引导元件和培养液排放元件；
或者，具有圆柱形的培养设备包括具有一个由透明材料制成的上壁的外圆柱形圆周壁，具有一个由透明材料制成的上壁的内圆柱形圆周壁，和连接两个圆周壁底端部分的底部，并且在外圆柱形圆周壁的上壁的中心部分安装了一个圆柱形开孔元件和在底部安装了一个空气和/或二氧化碳气体的引导元件和培养液排放元件。
2.如权利要求1所述的方法，使用至少一种选自丙烯酸类树脂、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯和聚氯乙烯的材料作为构成培养设备的透明材料。
3.如权利要求1所述的方法，其中培养是通过采用培养设备进行的，该培养设备的圆柱形开孔元件的外侧还有一个喷水元件并且底部的外周具有一个喷水接收元件。
4.如权利要求1所述的方法，其中通过利用培养设备进行连续培养，所述培养设备的内半球形圆顶内以及内圆锥形圆周壁或内圆柱形圆周壁的内部空间进一步安装了一个人造光源。
5.一种培养藻类的方法，该藻类具有产生高度不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖的能力，通过采用培养设备、在光照和通气条件下、在培养基中以高浓度培养来制备富含高度不饱和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻类，其中所述培养设备包括一个培养设备的主体和一个气体排放装置；并且
培养设备的主体是具有圆顶形状、圆锥形状或圆柱形状的培养设备，其中
具有圆顶形状的培养设备包括由透明材料制成的外半球形圆顶、由透明材料制成的内半球形圆顶和连接两个圆顶底端部分的底部，并且在外半球形圆顶的顶部安装了一个圆柱形开孔元件和在底部安装了一个培养液排放元件；
具有圆锥形的培养设备包括由透明材料制成的外圆锥形圆周壁、由透明材料制成的内圆锥形圆周壁和连接两个圆周壁底端部分的底部，并且在外圆锥形圆周壁的顶部安装了一个圆柱形开孔元件和在底部安装了一个培养液排放元件；
或者，具有圆柱形的培养设备包括具有由透明材料制成的上壁的外圆柱形圆周壁，具有由透明材料制成的上壁的内圆柱形圆周壁，和连接两个圆周壁底端部分的底部，并且在外圆柱形圆周壁的上壁的中心部分安装了一个圆柱形开孔元件和在底部安装了一个培养液排放元件；
气体排放装置由对置的两块正方形基板、气泡引导元件和一个排放喷嘴构成，气泡引导元件的截面是缺少一条边的正方形或反U-形，朝下开口，气泡引导元件被倾斜安装在正方形基板的上侧端面，通过将上端部分折成几乎水平而由气泡引导元件上侧端面的倾斜壁进行延伸而形成上壁且具有一个从倾斜壁和上壁的两个侧端延伸的侧壁，并且两个侧壁的每一底端部分被连接在正方形基板的两个上侧端面上，并且排放喷嘴可旋转地通过在倾斜壁底部上的一个通路孔连接。
6.如权利要求5所述的方法，构成培养设备主体的透明材料是选自丙烯酸类树脂、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯和聚氯乙烯的一种或多种材料。
7.如权利要求5所述的方法，其中通过利用培养设备进行培养，该设备上进一步在圆柱形开孔元件的外侧安装一个喷水元件和进一步在培养设备主体底部的外周安装了喷水接收元件。
8.如权利要求5所述的方法，其中通过利用培养设备进行连续培养，所述培养设备的内半球形圆顶中以及内圆锥形圆周壁或内圆柱形圆周壁的内部空间进一步安装了一个人造光源。
9.如权利要求5所述的方法，其中通过利用培养设备进行培养，所述培养设备主体的底部进一步安装了空气和/或二氧化碳气体的引导元件。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于通过利用气体排放装置进行培养，其中至少任意一个正方形基板在前端部分和/或后端部分和/或后端部分被弯成相同的方向。
11.如权利要求5所述的方法，其特征在于通过利用气体排放装置进行培养，其中至少任意一个正方形基板具有重量调节装置。
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