NO304556B1

NO304556B1 - FremgangsmÕte og apparat for dyrking av fotosyntetiske mikrober

Info

Publication number: NO304556B1
Application number: NO921371A
Authority: NO
Inventors: Mark E Huntley; Dwight Dean Wahlberg; Donald G Redalje
Original assignee: Aquasearch Inc
Priority date: 1989-10-10
Filing date: 1992-04-08
Publication date: 1999-01-11
Also published as: DK0494887T3; NO921371L; JPH05503418A; DE69030976D1; NO921371D0; KR920703787A; EP0494887A1; BR9007742A; DE69030976T2; AU6438690A; AU654114B2; KR100220310B1; CA2067348A1; ATE154828T1; WO1991005849A1; ES2103745T3; EP0494887A4; EP0494887B1

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for dyrking av fotosyntetiske mikrober og celler av fotosyntetiske makrofytter i et lukket, kontinuerlig, sirkulerende system. Oppfinnelsen vedrører også et apparat for dyrking av fotosyntetiske celler i stor skala inkluderende mikrober og celler av fotosyntetiske makrofytter, i et lukket, kontinuerlig, sirkulerende system.

Fremstillingen av fotosyntetiske mikrober, særlig encellede alger og enkelte bakterier, har lenge vært kjent å ha omfattende kommersielt potensiale for fremstillingen av anvendbare produkter som bulkkjemikalier, farmasøytika og næring for alle kommersielt viktige vanndyr (f.eks. østers, reker og fisk). Videre er fotosyntetiske mikroorganismer i stand til å fjerne og omdanne skadelige forbindelser fra deres omgivelser, inkluderende karbondioksyd, uorganiske salter av nitrogen og fosfor, tungmetaller og en rekke giftige organiske forbindelser.

Den åpenbare nytte av masseproduksjon av fotosyntetiske mikrober ligger i selve fotosynteseprosessen. Med passende tilførsel av lys, vann og karbondioksyd (C02), kan fotosyntetiske mikrober utnytte kilder av essensielle næringsstoffer som nitrogen (N) og fosfor (P) for å omdanne solenergi til kjemisk energi. Fremgangsmåten med dyrking eller kultivering av fotosyntetiske mikrober involverer således (1) innføringen av et næringsmessig fullstendig medium til et holdt kultur-volum, (2) opprettholdelse av optimale vekstforhold i dette volum, og (3) etterfølgende høsting eller fjerning av mikrobecellene fra det brukte medium. Alle dyrkings-programmer må ha metoder for å gjennomføre hver av disse prosesser på en effektiv måte.

Det er ennå ikke funnet at tidligere kjente massekultur-systemer både er pålitelige og økonomiske. Produksjonstall tjener til å sette dette problem i perspektiv. I labora-toriet under svært kontrollerte betingelser og i små volumer (i størrelsesorden en liter) er det oppnådd utbytter som er større enn 75 g tørrvekt/m<2>/døgn (Thomas et al., Solar Energy Research Institute Report nr. CP-231-2341, Aquatic Species Program Review, "Cultural requirements, yields, and light utilization efficiency", 1984, side 7-63). I naturlige omgivelser er produksjonen under uvanlig gunstige forhold ikke større enn 15 til 20 g tørrvekt/m<2>/døgn (Parsons et al.,Biological Oceanographic Processes, 3. utgave, Pergamon Press, NY.). Forsøk med massekultur har generelt ikke vært mere produktivt enn kultur i et naturlig miljø, med oppnåelse av en produktivitet på 20 til 25 g tørrvekt/m<2>/døgn (Goldman, Water Res., "Outdoor Algal Mass Cultures - I. Applications",1979, 13:1-19, Biotechno. Bioengr., "A simple algal production system designed to utilize the flashing light effect", Laws et al., 1983, 25:2319-2335, Weissman et al., Solar Energy Research Institute Report nr. SP-231-2306,Aquatic Species Program Review, "Design and operation of an outdoor microalgae test facility", 1987, side 231-252).

Dyrking av mikrober i åpne kanaler eller dammer er blitt gjennomført på en rekke steder. De åpenbare ulemper ved denne metoden er den mulige kontaminering fra både biogene og abiogene luftbårne partikler, som alle nedsetter kulturens renhet. Kontaminering med uønskede mikrober er en primær trussel som i praksis kan overvinnes for kun en håndfull dyrkede arter som er i stand til å motstå ekstraordinære forhold når det gjelder saltinnhold eller pH.

Åpne kulturer har også lidd under mangel på styring som mangelfull kontroll av fysiske og kjemiske forhold (f.eks. turbulens, næringskonsentrasjoner, oppløste gasser) som vil bestemme optimal vekst av den mikrobielle kultur. På grunn av deres store størrelser er åpne systemer "batch" kulturer som vokser fra lave til høye cellekonsentrasjoner med samtidige forandringer i fysiologisk tilstand og biokjemisk sammensetning.

Endelig er det ikke økonomisk å bygge åpne dyrkingssystemer. Store åpne damsystemer vil kreve kostbar grunnplanering, store voller eller diker og utstrakt anvendelse av plastovertrekksmaterialer. Byggeomkostningene er uoverkommelige i områder med svært variabel topografi eller med hardt underlag. Åpne kanalsystemer kan bedre tilpasses til variabel topografi, men rigide materialer som både omfatter og understøtter kanalsystemet (f.eks. US-PS 4.320.594) er svært kostbare. Generelt har åpne systemer hverken vært driftssikre eller økonomiske.

Mere kompliserte metoder har involvert anvendelsen av horisontalt anbragt fleksibelt rørsystem som inneholder dyrkingsmediumet (f.eks. US-PS 2.732.663, 3.955.317 og 4.473.970, italiensk patentsøknad 21522 A/78). Problemene i forbindelse med slike systemer har inkludert: (1) lav strømningshastighet gjennom systemet som tillater avsetting av mikrober på bunnen av rørene, (2) uegnet for temperaturstyring eller, når det ble gjort forsøk på temperaturstyring ved at systemet fløt i vann (US-PS 3.955.317), oppsto det problemer med lokalisering og reparasjon av eventuelle lekkasjer i systemet og fare for eventuell kontaminering gjennom slike lekkasjer, og (3) mangel på virkningsfulle, automatiserte og rimelige kontrollsystemer som både måler og styrer forholdene i kulturen.

En alternativ metode er nylig foreslått i UK-PS 2.118.572, hvori flate paneler på omtrent 1 m<2>, inneholdende rørledning med liten diameter som er viklet inntil paneloverflaten, er plassert vertikalt. Problemene i forbindelse med dette system inkluderer: (1) panelenes ustabilitet under ugunstige værforhold, (2) høy landutnyttelse på grunn av skyggekasting av de vertikale paneler så vel som panelets manglende evne til å bære et stort volum av en mikrobiell kultur, og (3) høyere energiomkostninger i forbindelse med pumping av dyrkingsmediumet mot tyngdekraften.

En nyere metode som er foreslått i EPO-patentsøknad 87301955.8 omfatter et rør med liten diameter som er viklet oppover som en spiral på en sylinderformet bærerstruktur med diameter på omtrent 2 m. I det gitte eksempel hvor sylinderen er 8 m høy, er det totale dyrkingsvolum 1.269 liter som kun er ensbetydende med en kulturkonsentrasjon på 404 l/m2.

Ufordelaktighetene med et slikt system inkluderer: (1) høye omkostninger i forbindelse med den kompliserte bærerstruktur, (2) høye omkostninger i forbindelse med røropplegg (eksempelet i patentsøknaden krever et røropplegg på 1.347 m med totalt overflateareal på 126 m<2>, eller et røropplegg på 0,099m<2>pr. 1 kultur), (3) høy landutnyttelse og de påfølgende omkostninger fordi skyggene som hver av de vertikale sylindre kaster krever at sylinderenhetene er plassert i god avstand fra hverandre (eksempelet i patentsøknaden foreslår en avstand på 4 m mellom sylindrene, og således bringes det effektive areal okkuperte av hver sylinder til 16 m<2>for1.269 1 kultur, for en endelig kulturkonsentrasjon på 79,3 1 pr.m2), og (4) høye energiomkostninger i forbindelse med pumping av dyrkingsmediumet for å overvinne den store trykkhøyde som skyldes (a) en 8 m statisk trykk og (b) store friksjonstap i røropplegg med liten diameter.

Et viktig og ytterligere problem som har forekommet i forbindelse med alle systemer er det problem som man har erfart i forbindelse med reinokulering av systemer hvor kulturen er kontaminert eller på annen måte har "falt sammen" eller blitt uproduktiv. Ved drift av åpne systemer i stor skala, vil prosessen i forbindelse med å gjenoppta produktiv kapasitet generelt kreve fra tre til fire uker. Oppdemmingsanordningen på tømmes, renses inngående, reinokuleres og må deretter gjenvinne en høy celletetthet.

Den eneste og viktigste indikator på en vellykket drift av det beskrevne system er produktivitet. Det skal forstås at alle de metoder som til nå er anvendt i forbindelse med måling av produktivitet krever at en prøve av kulturen fjernes fysisk og håndteres eksperimentelt. Dette gjelder enten det anvendes gravimetriske målinger av prøvene som er tatt ved bestemte tidsintervaller, eller om det anvendes mere raffinerte teknikker med radioaktive markører, som måling av innlemmelsesgraden av<14>C-bikarbonat i cellene.

Det skal videre forstås at evnen til å regulere fortynningshastigheten av en kultur tillater ikke bare styring av veksthastigheten, men kan også anvendes for å bestemme de biokjemiske egenskaper hos mikrobene som vokser deri. Det er f.eks. kjent at en rekke mikroalger produserer hovedsakelig proteiner når de er i den eksponensielle vekstfase, og hovedsakelig fettstoffer i tettere kulturer i forbindelse med stasjonær vekstfase. Det som er nødvendig er en kontinuerlig styring av fortynningen.

Totalt sett har kjente systemer som er enkle og relativt økonomiske vist seg å være upålitelige, mens de systemer som er mere komplekse og gir en større grad av pålitelighet har vist seg å være uøkonomiske. Denne økonomiske barriere med hensyn til pålitelighet er klart demonstrert i forbindelse med kommersiell anvendelse. Ved kommersiell produksjon i stor skala av fotosyntetiske mikrober er det nesten utelukkende anvendt enkle og relativt økonomiske systemer. Upåliteligheten av disse systemer er klart vist ved det faktum at færre enn ett dusin arter av fotosyntetiske mikrober av kommersiell verdi produseres i slike systemer. Der er ti tusener av arter som ikke kan dyrkes pålitelig i åpne systemer.

Ingen av de tidligere kjente systemer kombinerer både (1) evnen til pålitelig fremstilling av fotosyntetiske mikrober ved automatisk styring og optimalisering av betingelser i kulturen, og (2) tilstrekkelige økonomiske midler til å godtgjøre produksjon i kommersiell skala.

Det generelle formål med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et effektivt, pålitelig system for produksjon i stor skala som det er enkelt å bruke og vedlikeholde for dyrking av en rekke fotosyntetiske mikroorganismer, og som maksimaliserer utbyttet og som i stor grad reduserer den eventuelle kontaminering ved biogene eller abiogene partikler.

For å oppnå dette formål omfatter et aspekt av oppfinnelsen en fremgangsmåte for dyrking av fotosyntetiske mikrober og celler av fotosyntetiske makrofytter i et lukket, kontinuerlig, sirkulerende system, idet fremgangsmåten omfatter: a) forbehandling av en vannkilde som skal anvendes som dyrkingsmedium ved filtrering, forvarming og/eller

sterilisering,

b) sirkulering av det nevnte forbehandlede kulturvann i en turbulent form med et Reynolds tall på minst 2000

gjennom et lukket, kontinuerlig rørsystem som er transparent for sollys og som er anbragt på et stasjo-nært reflekterende gulv som i alt vesentlig er horisontalt inne i en beskyttende vekstmodul, som også er transparent for sollys, idet det nevnte kulturvann delvis fyller det nevnte rørsystem,

c) inokulering av det nevnte sirkulerende kulturvann med celler av en fotosyntetisk art, d) måling av en eller flere fysiske, kjemiske eller biologiske egenskaper for nevnte sirkulerende kulturvann som inneholder fotosyntetiske celler i det nevnte lukkede rørsystem, e) automatisk sammenligning av verdien av nevnte observerte fysiske, kjemiske eller biologiske egenskap for nevnte sirkulerende kulturvann med en forhåndsbestemt optimal verdi for nevnte egenskap, f) automatisk justering av nevnte fysiske, kjemiske eller biologiske egenskap for nevnte sirkulerende kulturvann når nevnte observerte verdi avviker fra den nevnte optimale verdi, g) isolering av en konsentrert del av fotosyntetiske celler som er dyrket i det nevnte rørsystem fra det nevnte sirkulerende kulturvann uten å påvirke totalvolumet, og h) separering og utvinning av de nevnte fotosyntetiske celler fra det nevnte sirkulerende kulturvann.

I et annet aspekt omfatter den foreliggende oppfinnelse et apparat for dyrking av fotosyntetiske celler i stor skala, inkluderende mikrober og celler av fotosyntetiske makrofytter i et lukket, kontinuerlig, sirkulerende system, idet apparatet omfatter: a) et vannkilde-system som tilfører forbehandlet kulturvann for dyrking av en kultur av fotosyntetiske celler, idet forbehandlingen omfatter filtrering, forvarming og/eller sterilisering,

b) midler for innføring og opprettholdelse av et passende nivå av nevnte kulturvann i midler for dyrking av den

fotosyntetiske cellekultur,

c) midler for dyrking av den fotosyntetiske cellekultur omfattende: i) en eller flere vekstmoduler inneholdende et hovedsakelig horisontalt anbragt kontinuerlig lukket rørsystem for sirkulasjon av det nevnte kulturvann og som er transparent for sollys, ii) midler for å sirkulere det nevnte kulturvann gjennom det nevnte lukkede rørsystem i en turbulent form med et Reynolds tall på minst 2000 og med delvis fylling av det nevnte rørsystem, iii) midler for å inokulere det nevnte sirkulerende kulturvann med de nevnte fotosyntetiske cellearter, iv) midler for å måle en eller flere fysiske, kjemiske eller biologiske egenskaper for nevnte kulturvann som sirkulerer inne i det nevnte lukkede rørsystem, v) midler for å sammenligne de nevnte observerte fysiske, kjemiske eller biologiske egenskaper for nevnte sirkulerende kulturvann med en forhåndsbestemt optimal verdi for nevnte egenskap, vi) midler for automatisk justering av nevnte fysiske, kjemiske eller biologiske egenskap for nevnte sirkulerende kulturvann når nevnte observerte verdi avviker fra nevnte optimale verdi, vii) utstrømningsmidler for å isolere en del av det sirkulerende kulturvann som inneholder celler fra nevnte midler for dyrking av nevnte fotosyntetiske cellekultur uten at nivået av det kulturholdige sirkulerende vann påvirkes, og d) midler for separasjon av nevnte fotosyntetiske celler fra nevnte isolerte sirkulerende kulturvann.

I det lukkede dyrkingssystem er de kritiske komponenter i forbindelse med innhold, bærerstrukturer, måling og kontroll såvel som metoder for installasjon og drift svært forbedret, forenklet og økonomisk fordelaktig.

Ved fremgangsmåten og apparatet ifølge oppfinnelsen muliggjøres en direkte, automatisk og umiddelbar måling av produktiviteten som gjennomføres in situ uten at prøvene må fjernes fysisk fra dyrkingsmediumet.

Likeledes tilveiebringes muligheten til kontroll av biokjemiske egenskaper, slik som molekyltyper som dannes ved hjelp av de fotosyntetiske mikrober, ved at man tillater kontinuerlig styring av fortynning og følgelig av cellekonsentrasjonen i dyrkingsmediumet.

Ytterligere formål og fordeler med den foreliggende oppfinnelse vil klart fremkomme for den fagkyndige på området ved gjennomlesing av hele beskrivelsen.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 er et flytskjema som viser de grunnleggende prosesser som er involvert i driften av det mikrobielle dyrkingssystem. Fig. 2 er et grunnriss av utstyr for mikrobiell dyrking som

anvender systemet.

Fig. 3 er et skjematisk diagram av utstyr anvendt for

vannpumping og forbehandling.

Fig. 4 er et grunnriss av en "photosynthetron"-enhet som

anvendes i systemet.

Fig.5er en skisse sett i perspektiv, delvis skåret bort, av

en vekstmodul.

Fig.6er et tverrsnitt av et vekstkammer i vekstmodulen som

er tatt i linjen 6-6 i fig. 5.

Fig.7er et grunnriss av kontroilkomponentene i vekst modulen . Fig.8er et tverrsnitt av en monitor/styringsmanifold som er tatt på linjen 8-8 i fig. 7. Fig. 9 er et tverrsnitt av høsteutstyret for en "photho- synthetron"-enhet. Fig. 10 er et tverrsnitt av en sedimentasjonstank som

anvendes i systemet.

De grunnleggende prinsipper og prosedyrer som er involvert i forbindelse med dyrking av fotosyntetiske mikrober i overensstemmelse med oppfinnelsen er vist i flytskjemaet i fig. 1 og i det etterfølgende. Drift av systemet kan deles i tre hovedfunksjoner: (1) vannforbehandling, (2) mikrobe-produksjon og (3) høsting. Fig. 1 viser også at systemet er istand til maksimal konservering av vannressurser ved resirkulering av alt vann som ikke er utsatt for avdamping.

I forbehandlingstrinnet for vann pumpes vann fra et vannførende lag 22 eller annen kilde (ferskvann eller saltvann), føres foretrukket gjennom et filter 6 og pumpes deretter inn i et stort holdereservoar 8. Dekselet for reservoaret som foretrukket er dannet av et mørkt plastmaterial, f.eks. sort polyetylen, forhindrer kontaminering av det prefiltrerte vann og fremmer oppvarming uten at det prefiltrerte vann utsettes for sollys som kan fremme uønsket prematur vekst av fotosyntetiske mikrober i reservoaret. Filtrering kan gjennomføres ved hjelp av en rekke konvensjonelle teknikker som hurtig filtrering gjennom et sandsjikt i forbindelse med store mengder vann eller gjennom diatoméjord for mindre mengder. Under visse betingelser er filtrering ikke nødvendig, slik som når det anvendes dyptliggende sjøvann fra oligotrofe regioner eller når det anvendes partikkelfritt vann fra bestemte vannførende lag. Dersom vannet allerede er partikkelfritt, kan filtreringen selvfølgelig elimineres.

Forvarming av vannet gjennomføres foretrukket ved hjelp av passiv soloppvarming 8 i det tildekte holdereservoar. Forvarmingen kan være nødvendig i forbindelse med en relativ kald vannkilde, som grunnvann, som, dersom det ikke er geotermisk, kan ha en lavere temperatur enn det som kreves for optimal vekst av en rekke mikrobearter (mellom omtrent 24 - 3 5°C). Forvarming tillater derfor at temperaturen i kulturen passende innstilles før innføring i det sirkulerende vekstsystem. Dersom vannkilden allerede har passende dyrkingstemperatur, kan forvarmingstrinnet selvfølgelig elimineres.

Mens solvarme er foretrukket av økonomiske og miljømessige hensyn, kan andre varmekilder som en konvensjonell varmeinn-retning anvendes for å tilveiebringe den nødvendige temperaturinnstilling.

Et steriliseringstrinn 16 kan være nødvendig i det tilfellet at vannkilden forventes å inneholde levende mikrober eller eventuelle skadelige organismer som kan true tilstedeværelsen av mikrobene som dyrkes i kultursystemet. Den foretrukne steriliseringsmetode er behandlingen av mediumet med ultrafiolett lys, men den kan også gjennomføres ved andre konvensjonelle midler. I en rekke tilfeller vil filtrering forventes å fjerne levende partikler. Dersom analyser av vannet indikerer at det ikke er vesentlig kontaminering av vannet med uønskede mikrober eller eventuelle organismer, er steriliseringstrinnet selvfølgelig ikke nødvendig.

Næringsstoffer kan tilsettes til vannet når det føres inn i vekstmodulen som vist i 55. I produksjonstrinnet fordeles vann fra holdereservoaret 8 gjennom steriliseringsprosessoren 16 til individuelle vekstmoduler 18. Dersom oppbevarings-reservoaret holdes på et høyere nivå enn dyrkingsmodulene, kan fordelingen fra holdereservoaret gjennomføres under innvirkning av tyngdekraften. Ellers kreves en pumpe for å innføre vannet i vekstmodulen 18.

Vekstmodulen kan eventuelt være utstyrt med et middel for oppsamling av oppløste gasser 220, som oksygen, som produseres av de fotosyntetiske mikrober som dyrkes deri. Vekstmodulen som er beskrevet mere detaljert i det etter-følgende kan karakteriseres som et lukket, styrt, kontinuerlig vekstmiljø for fotosyntetiske mikrober. Høsting gjennomføres ved hjelp av en separasjonsprosess, foretrukket en flertrinns prosess hvor konsentrasjonen av den mikrobielle biomasse øker i hvert trinn inntil det oppnås et endelig tørt produkt. I det etterfølgende er det imidlertid beskrevet anvendelser hvor det ikke kreves et tørt produkt og den dyrkede kultur i suspensjon anvendes direkte som ved 219.

Det første trinn i forbindelse med'høsting er flokkuleringen 103. Vann for høsting pumpes eller tillates å strømme ved hjelp av tyngdekraft fra vekstmodulen 18, og skyller ut de fotosyntetiske mikrober som er dyrket deri. Etter at vannet har forlatt vekstmodulen 18 passerer det gjennom en elektro-flokkulator som danner store aggregater av mikrober. Alternativt kan flokkuleringen 103 gjennomføres ved tilsetning av kjemiske flokkuleringsmidler som alun, til mediumet idet det føres inn i sedimentasjonstankene 105. Aggregatene som dannes ved flokkulering bør foretrukket ha sedimentasjons-takter på minst to størrelsesordner større enn dem for de individuelle mikrobeceller som de utgjøres av.

Umiddelbart etter at det har forlatt flokkulatoren 103 blir vannet for høsting som inneholder de store aggregater av mikrober ført inn i en rekke sedimentasjonstanker 105. Sedimentasjonen finner generelt sted i løpet av flere timer, noe som gir oppkonsentrering av algene med en faktor på omtrent 50 og som gir et konsentrert algeflokkulat 107 og en supernatantvæske.

I forbindelse med høsteprosedyren gjennomføres deretter sentrifugering 15. Konsentrert mibrobeflokkulat 107 fjernes fra sedimentasjonstankene 105 og føres inn i en kontinuerlig sentrifuge 15 med stort volum hvori det sentrifugeres, normalt ved 3.000 til 30.000 rpm til å gi en supernatant 213 og en konsentrert algeplugg 212 med 70 til 90 % vann.

Supernatanten 213 som er kombinert fra både sedimentasjonstankene 105 og fra sentrifugen 15 føres foretrukket under jordoverflaten til et filtreringsområde 214 hvor det resirkuleres til det vannførende lag 22. Filtrering under jorden eller på annen måte i fravær av lys vil drepe de fotosyntetiske mikrober som er tilbake i supernatanten slik at de ikke innføres i det vannførende lag 22. Naturlige filtreringsprosesser tjener også til å strippe mediumet for de mest oppløste organiske og uorganiske materialer og tilveiebringer således generelt rent resirkulert vann til det vannførende lag 22.

Den kontinuerlige sentrifugering 15 med høy hastighet tilveiebringer et ytterligere awanningstrinn som konsentrerer den mikrobielle biomasse med en faktor på 20 til 50. I det tilfelle hvor vekstmodulene 18 anvendes for å fjerne kontaminanter eller andre elementer eller forbindelser fra vannet, holdes supernatanten separat fra vannkilden som i 217 og blir ikke sendt tilbake til det vannførende lag 22.

Et eventuelt ytterligere høstetrinn anvender en tørkeplate

17. Mikrobekonsentrat fra sentrifugen fordeles i et tynt lag på toppen av en betongplate. Tørking av slurrykonsentratet 212 gjennomføres ved avdamping. Maksimale avdampingshastig-heter opprettholdes ved at tørkeplaten 17 dekkes og med automatisk styring av den relative fuktighet og av temperaturen inne i det tildekkede platehus.

I det tilfellet at mikrobene ikke må høstes i form av et tørket produkt 218, f.eks. når de skal anvendes som for for fisk, skalldyr eller andre økonomisk verdifulle forbrukere 219, kan innhøstingstrinnet elimineres. I slike tilfeller kan utbyttet som føres ut fra vekstmodulene 18 pumpes eller beveges passivt ved hjelp av tyngdekraften direkte inn i slike oppdemmingssystemer som er tilveiebragt for oppdrett av fisk, skalldyr, eller andre forbrukere 219. Et tilbake-koblingssystem kan eventuelt tilveiebringes hvorved vann som skal høstes inneholdende fotosyntetiske mikrober fordeles etter behov til systemene som inneholder mikrobeforbrukere.

Fig. 2 viser et grunnriss av et typisk anlegg for dyrking av fotosyntetiske mikrober som anvender systemet i oppfinnelsens sammenheng. Uavhengig av den faktiske størrelsen kan an legget omfatte bestemte grunnleggende elementer inkluderende et vannpumpesystem og et filtreringssystem 1, et sol-forvarmingssystem og et steriliseringssystem 2, og en eller flere "photosynthetron"-enheter 3 som omfatter en eller flere vekstmoduler og høsteinnretninger. Veier og gangveier 5 gir lett adkomst til alle deler av anlegget. En sentral lagerbygning 7 og et kontor og databehandlingssystem 9 er vanligvis også en del av anlegget.

Formålet med vannpumpesysternet og filtreringssystemet 1 og med sol- forvarmingssystemet og steriliseringssystemet 2 er å bringe vann fra det vannførende lag eller fra en annen vannkilde, filtrere ut biotiske eller abiotiske partikler, forvarme vannet om nødvendig til omtrent påkrevet dyrkingstemperatur, fjerne levende mikrober som kan ha overlevet filtreringsprosessen og avlevere det forvarmede sterile vann til "photosynthetron" 3.

Fig. 3 viser et skjematisk diagram av vannpumpesystemet og filtreringssystemet. Vann fra det vannførende lag 22 transporteres ved hjelp av en pumpe 4 gjennom en filtreringsenhet 6 til et holdereservoar 8. Holdereservoaret har et mørkt dekke 10 som forhindrer kontaminering av vannet og fremmer sol-forvarming. Dekket som foretrukket er av lett, ugjennomsiktig plast er konstruert på en slik måte at et luftrom opprettholdes mellom dekket og vannoverflaten, og det vender ut mot atmosfæren med en konveks flate hvis form enten opprettholdes på konstruksjonsmessig måte eller ved hjelp av positivt lufttrykk.

Fra holdereservoaret fordeles vannet gjennom en sterilisator 16 til de individuelle vekstmoduler (fig. 5). Dersom reservoaret er på et høyere nivå enn modulene, gjennomføres fordelingen ved hjelp av tyngdekraften. Ellers kreves en pumpe 12.

En"photosynthetron"-enhet 3 som er vist skjematisk i fig. 4, er en enkel uavhengig enhet av systemet i henhold til oppfinnelsen. Det har alt det utstyr som er nødvendig for å produsere og høste mikrobiell biomasse. Det meste av arealet er dekket med rekker 11 av vekstmoduler 18. Resten av arealet i "photosynthetron"-enheten omfatter et høste-avleveringssystem 14, rekker av sedimentasjonstanker 13, en kontinuerlig sentrifuge 15 og rekker av tørkeplater17. Da kun fem høste-avleveringssystemer for fem vekstmodulrekker er vist i fig. 4, skal det forstås at ethvert antall kan anvendes og at det vil være et separat system tilveiebragt for hver rekke. Hver vekstmodul 18 i en "photosynthetron"-enhet er bundet til et reservoar for forbehandling av vann, som beskrevet i det foregående.

Vekstmodulen 18 er den grunnleggende produksjonsenhet i systemet i henhold til oppfinnelsen. Modulen inneholder anordninger for måling og styring av viktige dyrkings-parametre, f.eks. temperatur, pH, karbondioksyd og veksthastighet. Kulturen som er inneholdt i en vekstmodul er lukket, i den betydning at den ikke er eksponert for atmosfæren og også fordi den er i et lukket fluid kretsløp.

Fig. 5 er et oversiktsbilde av en dyrkingsmodul. Huset for modulen er utformet ved hjelp av et rektangulært gulv 19, på hvilket det er montert et halv-ellipseformet rammeverk 21 som understøtter et klart dekke av polyetylen 23 eller et annet passende material. I kjøligere klimaer er gulvet 19 foretrukket oppbygget av betong med et isolerende underliggende lag (ikke vist) for å forhindre betydelig varmetap til grunnen. Tykkelsen av både betonggulvet og det isolerende underliggende lag vil avhenge av forventet ytre omgivelsestemperatur. I temperert klima vil f.eks. gulvet og det underliggende lag hver ha en tykkelse på mellom 5 og10cm. Det skal forstås at i moderat klima der omgivelses-temperaturen omtrent er den som kreves for at fotosyntetiske mikrober skal vokse, behøves ikke det underliggende lag i det hele tatt.

Gulvet 19, enten av betong, jord eller annet material, behandles for å gi maksimal lysreflektivitet mot kulturen som er inneholdt i det transparente røropplegg 33 som er anbragt over gulvet. Et effektivt og økonomisk gunstig middel for å tilveiebringe reflektivitet er anvendelsen av hvit maling på betong. I det tilfelle hvor gulvet er av jord, kan reflektivitet tilveiebringes ved hjelp av et hvitt overtrekks-material som er permeabelt for å gi drenering av vann som er oppsamlet via kondensering eller fra eventuelle lekkasjer i systemet.

Innsiden av modulen er oppdelt i to seksjoner, en monitor/styringsseksjon 25 og et vekstkammer 27. Begge seksjoner er helt innesluttet innen samme omgivelse. Det er i vekstkammeret at vekst av kulturen av fotosyntetiske mikrober finner sted, mens utstyr for måling og styring av dyrkingsparametrene er plassert i monitor/styringsseksjonen.

Endeveggene i modulen er understøttet med en enderamme 29. En vifte 31 er plassert i den øverste delen av en av endeveggene. Automatiske ventiler (ikke vist) er plassert på samme sted i den motsatte endevegg. Viften og ventilene tilveiebringer hurtig utskifting av luft for temperaturregulering av modulmiljøet.

Vekstrør 33 er plassert ved siden av hverandre på gulvet. En eventuelt bevegelig gangbro 3 5 krysser modulen over vekstrørene for å gi lett adgang til ethvert sted inne i vekstkammeret. Et overrislingssystem 37, som henger fra taket i vekstkammeret ved hjelp av bærere 38, tilveiebringer sekundær temperaturregulering for kammeret.

Fig. 6 viser et tverrsnitt av den samme vekstmodulen som er tatt på tvers av vekstkammeret 27. Den bevegelige gangbro 35 sees som hevet over vekstrørene 33 ved hjelp av bærere 3 9 utstyrt med hjul 41 og skinner 4 3 som gjør at gangbroen kan beveges i en retning parallell med lengden av vekstrørene. Det skal forståes at behovet for gangbro i stor grad avhenger av naturen av det material som anvendes for å konstruere vekstrørene. Det er tilrådelig når rørene er fremstilt fra tynnvegget glass eller annet sprøtt material, men valgfritt når rørene er fremstilt fra mere robust eller fleksibelt plastmaterial. Når rørmaterialet er fleksibelt plastmaterial, kan tilgang til arealene i vekstkammeret oppnås ved at rørene forsiktig skyves fra hverandre.med foten og man kan så spasere i det oppnådde mellomrom.

Polyetylenet eller annet passende ytre dekke for vekstmodulen kan likeledes varieres med hensyn til konstruksjon i henhold til de rådende klimaforhold. Fig. 6 viser den foretrukne halvelliptiske utgave som kan anvendes i kjøligere klima. Her er to lag av klart polyetylen separert ved hjelp av rørformede bærere av preformet aluminium eller stål til å gi et område med isolerende luftrom 45. Luftrommet opprettholdes ved et positivt lufttrykk som tilveiebringes ved hjelp av en lavenergiluftpumpe 47, som igjen tilveiebringer ytterligere isolasjon. I mere moderat klima kreves kun ett dekke omfattende et enkelt lag.

Vekstrørene 33 er foretrukket dannet av polyetylen, skjønt ethvert rigid eller fleksibelt material som ikke er skadelig for plantevev kan anvendes med den betingelse at det er i alt vesentlig uoppløselig og ugjennomtrengelig for vann, og transparent for synlig lys, men ugjennomtrengelig for ultrafiolett lys nær området for synlig lys. Idet polyetylen med lav tetthet er mest foretrukket for dette formål (særlig dersom det har minimal tykkelse slik at både svekkelse av lyset og omkostninger er redusert), inkluderer andre mulige materialer polypropylen, polyakrylat, polyamid, polykarbonat, vannuoppløselig celluloseester og polyesterfilmer, eller glass.

Gulvet i vekstkammeret er dekket med en rekke vekstrør som er plassert horisontalt ved siden av hverandre. I hver ende av vekstkammeret er vekstrørene forbundet til hverandre ved hjelp av rigide, U-formede returrør 49 på 180° (fig.7), foretrukket dannet av det samme material. Når både rørene og returrørene er dannet av polyetylen, kan de på enkel måte føyes sammen og forsegles i løpet av sekunder ved påføring av varme i en prosess som danner en holdbar binding. Metoden med varmeforsegling av rør og returrør av samme material gir betydelige besparinger av både deler (som ellers ville kreves for en mekanisk forsegling) og arbeid.

Monitor/styringsseksjonen i vekstmodulen er vist i fig.7. Denne seksjon inneholder to blandetanker 51 og 53. Påfyllingsvann innføres gjennom et innløp 65 og føres gjennom en eventuell steriliseringsanordning 69. Det vil forstås at behovet for sterilisering vil avhenge av naturen av påfyl-lingsvannet. Metoder som anvendes for sterilisering kan inkludere ultrafiltrering eller eksponering overfor gamma-bestråling.

Innføring og blanding av inokulumet av fotosyntetiske mikrober, næringsstoffer fra tankene 55 og syre og base for pH-regulering fra henholdsvis tankene 59 og 61 finner sted i en blandetank 51. Sirkulasjon av vannet i systemet gjennom-føres ved hjelp av en pumpe 63 som er plassert mellom de to blandetankene. Vann som skal høstes for mikrober frigis gjennom et utløp 67 etter innføring i tanken 53. Høstingen gjennomføres fullstendig ved hjelp av tyngekraften, da basisnivået for utløpet 67 faller sammen med fluidnivået i systemet. Når en innløpsventil 70 således åpnes for å tillate påfyllingsvann gjennom innløpet 65 og inn i blandetanken 51, øker fluidnivået og skyver vann som skal høstes ut gjennom utløpet 67.

Under sirkulering, når innløpsventilen 7 0 er lukket, opererer pumpen 63 for å holde kulturen sirkulerende i vekstmodulen. Reservoarene tilveiebragt ved hjelp av tankene 51 og 53, som i tillegg til å tilveiebringe midler for innføring og blanding av nødvendige komponenter i systemet, opprettholder et statisk trykk som en buffer mot variasjon i strømning gjennom systemet.

Vekstmodulen opererer på to måter, hvor en er sirkulerende vekst og den andre er høsting/etterfylling. Under begge disse driftsmessige måter holdes flytegenskapene konstante.

Drift med sirkulerende vekst.

Strømningstakter opprettholdes ved hjelp av pumpen 63 som opererer for å gi en turbulent strømning for den sirkulerende kultur, med et Reynolds tall på minst 2.000. Turbulent strømning er nødvendig for å hindre at celler av visse fotosyntetiske mikrober felles ut i det sirkulerende vann. Dette skjer særlig hvis de ikke er flagellert og kan således ikke sørge for egen bevegelse. Turbulent strømning sikrer også at cellene i vekstmediumet er eksponert for lys som, i tette kulturer, vil forventes å være nesten fullstendig borte i en dybde som er lik omtrent 10 % av dybden av kulturen. Sirkulasjonen/veksten får fortsette i en tidsperiode tilstrekkelig til at de fotosyntetiske mikrober kan vokse til en forhåndsbestemt optimal biomasse før de høstes.

Under drift av systemet blir de fysiske, kjemiske og biologiske egenskaper for vekstmediumet kontinuerlig målt på flere monitormanifoldsteder 49. Det som måles er pH, C02-innhold, temperatur, optisk densitet og andre variabler. Hver av disse variabler måles fra sonder i monitormanifolden som vist i fig. 8.

Som det fremgår er hver manifold 49 utstyrt med optiske sonder 71, en termistor 73, pH-sonde 75 og C02-sensor 77. Analoge signaler fra de forskjellige sonder overføres til en programmert mikrobrikke 7 9 (fig. 7) montert på utsiden av monitormanifolden. I mikrobrikken blir disse signalene digitalisert, tolket og registrert, noe som muliggjør aktivering av kontrollsystemene for å opprettholde optimale forhold i modulen og i vekstrørene.

Det skal forstås at mikroprosessorstyring av denne type som beskrevet heri muliggjør både måling og styring av kulturen i vekstmodulen fra et fjerntliggende sted, gjennomført ved standard telekommunikasjon. Dette er en betydelig fordel for en potensiell bruker som eventuelt ønsker å betjene vekstmoduler på flere steder i verden fra et eneste sentralt sted. pH i systemet måles ved hjelp av sonder som er tilstede i hver monitormanifold. Mens det spesielle optimale pH-nivå vil variere med de arter av fotosyntetiske mikrober som dyrkes, kreves generelt pH-nivåer mellom 6,5 til 9,5 for optimal vekst. En høy pH kan nedreguleres ved tilsetning av enten C02(se i det etterfølgende) eller ved tilsetning av syre (foretrukket salpetersyre), mens lav pH kan økes ved tilsetning av base (foretrukket ammoniumhydroksyd). Ved å velge en nitrogenholdig syre og base, vil pH-regulering samtidig tilføre næringsstoffer til mediumet. Avhengig av de næringsstoffer som kreves av de arter som dyrkes, kan fosforylerte syrer og baser anvendes dersom fosfor er foretrukket fremfor nitrogen som det primære begrensende næringsstoff.

Tilsetningen av syre og base finner sted i tanken 53 (fig. 7). Ordre fra mikroprosessorene aktiverer en doseringspumpe 85 på enten syretanken 59 eller basetanken 61. Tidsinter-vallet mellom tilsetninger av syre eller base vil avhenge av oppholdstiden i blandetanken, sirkulasjonshastigheten og tidsforskjellen med hensyn til bevegelse mellom påfølgende monitormanifolder. For et system i stor skala er et intervall på fem minutter vanligvis passende.

Dataanalyser av pH-nivåene i de forskjellige manifolder krever at pH reguleres med to hastigheter. Med referanse til fig.7, er den første hastighet den som er nødvendig for å korrigere til ideelle forhold, basert på måleverdier fra den endelige monitormanifold, dvs. manifolden som er nærmest tanken 53. Innvirkningen av denne syre- eller basetil-setningen kontrolleres ved den første manifolden, dvs. manifolden nærmest blandetanken 51. Dersom pH-verdien ved denne manifolden har nådd det ønskede nivå for ideelle betingelser, fortsetter den første hastigheten av syre- eller basetilsetning for resten av sirkulasjons/vekstsyklusen.

Et annen hastighet vedrørende pH-kontroll bestemmes ved måledata fra manifolden nærmest blandetanken 51. Dersom pH i denne manifold ikke har nådd det ideelle nivå etter at det er gått tilstrekkelig tid for at den tilsatte syre eller base skal nå dette punkt, gjennomføres en annen tilsetnings-hastighet som øker eller nedsetter tilsetningshastigheten med en faktor på 25 %.

Måling og kontroll av C02formidles også via multiple mikroprosessorer. En elektrode i monitormanif olden måler eier-konsentrasjonen i mediumet. Dataene meldes til mikroprosessoren som sammenligner den observerte verdi med det forhåndsbestemte optimale området for C02-konsentrasjon som kreves for å oppnå optimale forhold for fotosyntese i vekstrørene. Det optimale område vil igjen være artsavhengig, men i alle tilfeller vil det være større enn 100 g/m<3>karbon som enten C02, karbonat eller bikarbonat, og det vil uansett ikke overskride oppløseligheten av C02i vann.

Med henvisning til fig. 7, og dersom C02-konsentrasjonen observeres til å være under det optimale område, åpnes en solenoidventil 53 til å frigi C02inn i kontrollmanifoldene som er plassert nær og forut for hver monitormanifold. Som angitt over, kan C02også anvendes til å regulere pH. Dette er den foretrukne metode for økning av surhetsgraden dersom C02-nivåene er lave og næringsstoffkonsentrasjonene er høye, mens tilsetningen av syre er foretrukket når 'C02-nivåene er høye og næringsnivåene er lave.

Biomassen av fotosyntetiske mikrober i kulturen bestemmes ved optiske metoder. I en metode gjennomføres målinger ved avlesing av optisk tetthet (fig. 8), men alternative optiske metoder kan være passende, som in vivo fluorescens av klorofyll eller andre fluorescerende pigmenter. Da optimal tetthet og pigmentkonsentrasjoner er proporsjonale med biomassen for mikrobene, gir disse metoder et mål for konsentrasjonen tilstede på hvert målested i kulturen. Videre tillater konfigurasjonen av systemet en direkte måling av produktivitet. Med henvisning til fig. 7 blir dette gjennomført under hensyntagen til fortynningen av kulturen med påfyllingsvann som innføres gjennom innløpet 65 og som måles med en strømningsmåler 81, kjennskap til systemets strømningstakt som måles med en annen strømningsmåler 83, og kjennskap til de lineære avstander mellom plasseringene49av målemanifolden. Når et fortynnet medium strømmer gjennom systemet fra en blandetank 51 til en annen blandetank 53, øker konsentrasjonen av mikrober. Forskjellen i cellekonsentrasjon mellom to målesteder, adskilt ved en kjent avstand, som tilbakelegges i en kjent tidsperiode, anvendes således ved hjelp av dataanalyser til direkte å flokkulere mengden av cellematerial dannet i denne tidsperiode. Produktiviteten kan således lett bestemmes og forbedres eller optimaliseres av enhver bruker av dette system.

Til forskjell fra ethvert annet system, skal det forstås at metoden hvorved den foreliggende oppfinnelse muliggjør måling av produktiviteten er direkte, automatisk, umiddelbar og, da den gjennomføres in situ, krever den ikke at prøver fjernes fysisk fra dyrkingsmediumet.

Temperaturstyring er også svært viktig. Alle fotosyntetiske mikrober vokser optimalt innen ganske snevre temperatur-områder, idet veksten ofte faller betydelig når temperaturen faller 2 til 3°C utenfor det optimale område. De hurtigst voksende arter vokser vanligvis optimalt i området fra 25 til 35°C. Generelt øker veksthastigheten sakte med økende temperatur, og avtar deretter raskere ved temperaturer over den optimale. I de fleste tilfeller vil problemet med temperaturstyring være å holde temperaturene i vekstmodulen lave i stedet for høye. Dette er fordi en utforming av vekstmodulen av typen veksthus kan holde temperaturen inne i modulen ved 20 til 25°C når temperaturen utenfor nærmer seg 0°C. Når det påføres isolasjon, som det doble lag av polyetylendekke som vist i fig. 6, kan optimale temperatur-forhold oppnås selv om vinteren med barskt klima.

Det å holde temperaturen i dyrkingsmediumet i vekstrørene fra å stige over optimalnivået gjennomføres ved primære, sekundære og tertiære avkjølingsmidler. Under henvisning til fig.5omfatter det primære avkjølingsmiddel en avtrekksvifte35som er plassert i den ene ende av modulen. Ved å velge en vifte med passende størrelse kan hele luftmengden i vekstkammeret erstattes med frisk luft innen få minutter.

Det primære avkjølingsmiddel aktiveres ved hvilken som helst av mikroprosessorene i målemanifoldene, men foretrukket ved den som er lengst borte fra innløpet 65 (mediumet vil forventes å ha nådd en høyere temperatur på dette punkt enn i hvilken som helst annen målemanifold i systemet) ved dennes mottak av et signal fra en passende temperatursensor i en målemanifold, som indikerer at temperaturen i dyrkingsmediumet har overskredet en angitt grense. Dersom, til tross for den primære avkjøling, temperaturen i dyrkingsmediumet fortsetter å øke, aktiveres det sekundære avkjølingsmiddel.

Under henvisning til fig. 5 omfatter det sekundære avkjølingsmiddel overrislingsrør som fordeler en fin tåke over vekstkammeret, og som er hengt opp over vekstrørene. Temperaturene nedsettes ved fordampningskjøling. Dersom temperaturen fortsetter å øke til tross for anvendelse av sekundær avkjøling, kan tertiært avkjølingsmiddel anvendes. Dette middel omfatter innføring av påfyllingsvann gjennom innløpet 65 idet man forutsetter at vannet har en temperatur som er betydelig lavere enn den i det isolerte vekstkammeret. Dette tertiære avkjølingsmiddel vil selvfølgelig føre til høsting og vil ha den virkning at det fortynner kulturen under de cellekonsentrasjoner som er stipulert for maksimal produksjon. Idet dette gir mindre enn optimale forhold, forventes dette ikke å skulle anvendes ofte fordi det kun vil anvendes som en siste utvei. Dessuten foretrekkes det å tape en del av kulturen i stedet for å tape hele kulturen på grunn av overoppheting.

Idet fig. 8 kun illustrerer sonder for måling av pH, C02, temperatur og optimal tetthet, skal det forstås at en rekke andre variabler vil kunne måles på samme måte. Elektro-kjemiske sensorer for analysering av konsentrasjonen av uorganiske og organiske forbindelser kan f.eks. innlemmes for å måle næringsstoffer, produkter og/eller kontaminanter som kan være tilstede i kulturen. I tillegg kan sensorer for

måling av oppløste gasser forskjellig fra C02inkluderes.

Det kan f.eks. være ønskelig å måle oksygenkonsentrasjoner, da graden av forandring av 02-konsentrasjon er direkte proporsjonal med produksjonshastigheten av fotosyntetiske mikrober i kulturen. Lysemittere og detektorer som måler fluorescensen av pigmenter inneholdt i mikrober ved bølgelengder som er valgt på forhånd, er nyttige for å sikre at de ønskede mikrobearter produseres, da hver art har pigmenter med godt definerte fluorescensegenskaper.

Som angitt i det foregående er de optimale områder for de forskjellige prosessparametre, dvs. pH, C02-konsentrasjon, temperatur, osv., artsavhengige. De spesielle parametre for individuelle arter av fotosyntetiske mikrober er vel kjent eller kan lett konstateres av fagkyndige på området.

Vekstmodulen er utformet til å konservere varme. Varme-mengden i gulvet, dersom det er fremstilt fra betong, er omtrent en tredjedel av den for dyrkingsmediumet. Når omgivelsestemperaturer synker om natten vil således gulvet virke som en varmekilde.

Under spesielle forhold kan viftesystemet også anvendes for å øke temperaturen i vekstkammeret. Når luften på utsiden er varmere enn luften inne i modulen, generelt om morgenen, kan avtrekksviften skrues på for å bringe varm luft inn i vekstkammeret. I motsatt fall, dersom modulen skal drives i omgivelser som generelt er svært varme i forhold til det mikrobene som skal dyrkes krever, kan det være foretrukket, som omtalt i det foregående, at gulvet virker som en varmenedsetter i stedet for en varmekilde. Dette vil kunne gjennomføres ved at man klarer seg uten betonggulv og kun anvender flere lag jord som gulv.

Drift vedrørende høsting/etterfylling.

Den andre driftsmåte med hensyn til vekstmodulen er høsting/etterfylling. Denne omfatter fire grunnleggende trinn, som virker samtidig: (1) avleding av en del av det sirkulerende medium til utbytte (høsting), (2) tilsetning av påfyllingsvann (etterfylling), (3) tilsetning av næringsstoffer, og (4) kondisjonering av mediumet. Under henvisning til fig.7, for høsting, avledes en del av det sirkulerende mediumet til utløpet 67 ved tilsetning av påfyllingsvann til blandetanken 51. Denne tilsetning av nytt vann til systemet vil føre til at nivået i systemet øker til over det nivå som normalt opprettholdes under den sirkulerende vekst, og fører til at dyrkingsmediumet renner over gjennom utløpet 67 som er plassert i blandetanken 53, lengst borte fra innløpet av påfyllingsvann uttrykt ved rørsystemet. Som angitt i det foregående gjennomføres denne metoden med høsting ved hjelp av gravitasjon fordi høyden på utløpet 67 faktisk definerer driftsnivået for systemet under den sirkulerende vekst.

Denne prosess rommer tre viktige fordeler i forhold til andre fotobioreaktorer. Ved anvendelse av gravitasjon i stedet for pumper eller andre mekaniske anordninger for å gjennomføre høsting, er det for det første økt pålitelighet da gravitasjon alltid virker selv når mekaniske anordninger ikke gjør det. For det andre er kostnadene i forbindelse med høsting redusert betraktelig. For det tredje vil prosedyren med høsting i den effektive enden av rørkulturen, dvs. fra tanken 53, resultere i høsting av den delen av kulturen med den høyest mulige cellekonsentrasjon. I forbindelse med den foreliggende oppfinnelse er den laveste cellekonsentrasjon funnet i blandetanken 51 hvor påfyllingsvann innføres. Idet kulturen beveger seg gjennom systemet mot tanken 53 fortsetter cellene å dele seg og når deres største konsentrasjon ved tidspunktet for høsting.

Denne høstingsmetoden er ikke mulig med typiske laboratoriebioreaktorer eller med åpne dammer, fordi friskt påfyllingsvann i begge tilfeller røres inn i kulturen, og fører til at denne blir homogen og følgelig må man høste en fortynnet kultur.

Tidspunktet for høsting kan forhåndsbestemmes som enten et fastsatt tidspunkt eller ved oppnåelse av en fastsatt cellekonsentrasjon i kulturen. Dersom f.eks. mikrober dyrkes for å kunne anvendes direkte som for for fisk som fores om natten vil det være foretrukket kun å høste om natten. Dersom imidlertid mikrober dyrkes for maksimal produksjon av biomasse eller et ønskelig produkt er det fornuftig å opprettholde cellekonsentrasjonen på et nivå som betraktes å være optimalt for en slik produksjon.

I begge tilfeller er det klart for den fagkyndige på området at fortynningshastigheten (som er lik innhøstingshastigheten) vil diktere veksthastigheten for mikrobene i systemet, opp til grensen for deres reproduksjonsevne. Dersom kulturen f.eks. fortynnes i en hastighet som er lik to fulle volumer av systemet pr. døgn, vil cellene i kulturen gjennomgå en veksthastighet på to doblinger (delinger) pr. døgn.

I den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen tilsettes friskt påfyllingsvann kontinuerlig, men det kan om ønskes tilsettes i porsjoner. Således, under høstingen, vil to kilder av vann føres inn i blandetanken 51, det sirkulerende vann som inneholder den mikrobielle kultur som strømmer fra tanken 53, og friskt påfyllingsvann som kommer fra vannforbehandlingsenheten. Disse to vannkildene går inn i tanken 51 og blandes i de forhold som er nødvendige til å fortynne kulturen til den passende konsentrasjon.

Dersom fortynningshastigheten skal bestemmes ved kulturkon-sentrasjonen i stedet for ved hjelp av en forhåndsbestemt

tid, indikerer signaler fra sondene 71 (fig. 8) for måling av optisk tetthet om den forhåndsbestemte konsentrasjon er nådd. Disse signalene tolkes av mikroprosessoren som kan effektuere tilsetningen av friskt påfyllingsvann ved aktivering av

solenoidventilen 70 for variabel strømning og tillate at påfyllingsvann føres inn gjennom røret 65. Hastigheten

hvorved friskt vann tilføres bestemmes ved i hvilken grad solenoidventilen 70 er åpen. I et utførelseseksempel vil tilsetningshastigheten av påfyllingsvann, som målt ved strømningsmåleren 81, settes til halvparten av strømningshas-tigheten av det resirkulerende vann som målt ved en annen strømningsmåler 83. Denne hastighet vil resultere i fortynning av kulturen til en konsentrasjon som er nøyaktig halvparten av den som høstes fra tanken 53.

Som angitt i det foregående skal det forståes at evnen til å styre fortynningshastigheten i kulturen ikke bare tillater styring av veksthastigheten, men kan også anvendes for å bestemme de biokjemiske egenskaper av mikrobene som dyrkes deri. Det er f.eks. vel kjent at en rekke mikroalger hovedsakelig danner proteiner når de er i den eksponensielle vekstfasen, og hovedsakelig fettstoffer i tettere kulturer i forbindelse med vekst i den stasjonære fasen. Ved således å tillate kontinuerlig styring av fortynningen og følgelig av selve konsentrasjonen i vekstmediumet, vil systemet i henhold til oppfinnelsen omfatte en evne til å styre cellenes biokj emi ske egenskaper.

Tilsetning av næringsstoffer er en enkel manøver som gjennom-føres ved at doseringspumpen 85 for næringsstoffer aktiveres i næringsstofftankene 55. Doseringspumpene for næringsstoff avgir næringsstoffer som er nødvendig for optimal vekst av en spesiell mikrobeart som dyrkes. F.eks. vil superfosfat, urea, silikat, spormetaller som sink, jern, vanadium, osv., vitaminer og andre vekstøkende materialer tilsettes fra næringstankene 55 som er plassert ved siden av tanken51. Disse næringsstoffene er konsentrert med en faktor på omtrent4.000i forhold til sluttkonsentrasjonen i vekstsystemet.

Næringsstoffene tilsettes vanligvis til det friske vandige dyrkingsmedium i tanken 51 i en takt på omtrent 1/2 ml/sek. i løpet av en høste/oppfyllingsperiode på tre timer. Takten for tilsetning av næringsstoffer styres for raskt å kunne bringe næringskonsentrasjonene i dyrkingsmediumet til forhåndsbestemte optimale nivåer. Disse nivåene er valgt på det grunnlag at alle næringsstoffer vil være oppbrukt ved endt vekst. Alternativt kan tilsetning av næringsstoffer styres ved hjelp av mikroprosessorer basert på avlesinger ved hjelp av sensorer som er plassert i monitormanifoldene, på samme måte som for pH og C02-regulering som beskrevet i det foregående. Næringsstofftankene 55 inneholder tilstrekkelig næringsstoff til at vekstmodulen kan drives i flere måneder.

Kondisjonering av det nye mediumet finner også sted i blandetanken 51. Et annet sett med kontrollparametre anvendes til å justere pH og C02-nivåer under høstingen/etterfyllingen. Basert på de kjente pH og C02-nivåene i det friske påfyl-lingsvannet blir C02og syre eller base tilsatt i konstante, forhåndsbestemte hastigheter under høstingen/etterfyllingen. Som beskrevet i det foregående gjennomføres tilsetningene av syre og base i tanken 51, mens tilsetning av C02finner sted i separate C02-styringsmanifolder som er lokalisert på forskjellige steder i vekstrørsystemet. Tilsetningshastigheten er slik at friskt påfyllingsvann bringes opp til optimale spesifikasjoner for pH og C02ved slutten av syklusen for høsting/etterfylling. Således vil styring av pH og C02i lukket sløyfe utelukkes under høstingen/etter-fyllingen .

Fysiske parametre for vekstmodulen.

Det skal forstås at det er både øvre og nedre grenser for antall vekstrør som kan anvendes i en typisk vekstmodul, skjønt fremgangsmåter og prinsipper når det gjelder drift er identiske uavhengig av antall anvendte rør. Den nedre grensen på to rør er satt ved det minimale antall som kan passe til den konfigurasjon som kreves for å resirkulere, måle og styre kulturen som beskrevet mer detaljert i det foregående.

Den typiske øvre grense på 32 rør reguleres ved flere faktorer, inkluderende rørsystemets trykkapasitet, mengden positivt trykk som tilveiebringes av pumpen som anvendes for å resirkulere kulturen, og omfanget av dynamisk trykkhøyde som dannes ved friksjonstapene som akkumuleres under resirkulasjonen. Rørmaterial med en lav trykkapasitet, som tynnvegget fleksibelt polyetylen, vil kreve et mindre antall rør i systemet enn rørmaterial med større trykkapasitet, som tykkvegget glass eller polyakrylat.

Jo større den totale lengden av rørene i systemet, og særlig jo flere sløyfer på 180° som det er i systemet, jo større vil de friksjonsmessige tap for trykket være. Jo større de friksjonsmessige tap er, desto høyere trykk vil bli dannet ved hjelp av pumpen og følgelig vil risikoen for å overskride trykkverdien for rørmaterialet være større.

Systemet i henhold til oppfinnelsen kan omfatte et middel til å overkomme friksjonstap gjennom anvendelse av tyngdekraft. Dersom f.eks. friksjonstap i en gitt konfigurasjon er beregnet til å generere en dynamisk trykkhøyde som er lik15cm, kan dette overkommes ved at gulvet i vekstmodulen bygges i en vinkel slik at røret som inneholder den mest fortynnede del av kulturen, dvs. nærmest tanken 51, er nøyaktig 15 cm høyere enn røret som inneholder den mest konsentrerte delen av kulturen, dvs. røret som går inn i tanken 53. Gulvet er planert på en lineær stigning fra en side av vekstmodulen til den andre. Denne metoden med anvendelse av tyngdekraft for å overvinne potensiell dynamisk trykkhøyde vil ha den virkning at det reduserer energikravene til pumpen og vil også redusere totaltrykket i systemet, noe som tillater et lengre rørsystem enn det som ellers er gj ennomførbart.

Inokulering av mikroorganismer.

Når en vekstmodul først er satt i produksjon er det nødvendig å inokulere den med de ønskede arter av fotosyntetisk mikrobe. Det har vært to grunnleggende metoder for gjennomføring av dette, inokulering fra en laboratoriekultur og inokulering fra en annen vekstmodul. Inokulering fra en laboratoriekultur medfører en gradvis økning av volumet av systemet etter tilsetning av inokulum.

Under henvisning til fig. 7 reforsegles systemet først temporært slik at utløpet av blandetanken 51 knyttes sammen med det andre røret som er mest nærliggende blandetanken 53, idet det således dannes en lukket sløyfe som omfatter tank53, pumpe 63, tank 51 og kun to vekstrør. Reforseglingen gjennomføres raskt ved hjelp av den samme metode som beskrevet i det foregående og som anvendes til å forbinde vekstrør til de rigide polyetylensløyfer på 180°, dvs. ved hjelp av varmefusjon. '

Idet systemet nå er begrenset til to vekstrør helles friskt påfyllingsvann inn i tanken 53 gjennom en forbikobling 64ved åpning av en ventil 66. Det tilsettes bare nok påfyllingsvann til å fylle en liten del av vekstrøret som er festet til tanken 53. Vannet holdes i en avgrenset del av røret ved at det plasseres et objekt under det slik at høyden av røret på dette punkt er hevet over vannivået i røret.

Påfyllingsvannet kondisjoneres nå med næringsstoffer og andre ønskede tilsetningsmidler ved at disse innføres gjennom en åpning 68 som er plassert på den øvre flaten av tanken 53. Inokulumet innføres deretter gjennom den samme åpning, og åpningen lukkes. Som et eksempel kan det anvendes en kultur på 30 1 for inokulering, idet det initiale volum av påfyllingsvann vil være omtrent 150 1. Skjønt forholdene mellom konsentrert laboratorieinokulum og friskt påfyllingsvann vil være artsavhengig, og optimale forhold vil bestemmes empirisk, vil forholdet generelt være i området fra 5:1 til 10:1.

Under den initiale vekstperiode av inokulum i to-rørsystemet, som generelt vil vare kun noen få døgn, økes volumet i systemet ved kontinuerlig tilsetning av friskt påfyllingsvann gjennom forbikoblingen 64, og næringsstoffer tilsettes manuelt gjennom åpningen 68. Kulturen av mikroorganismer tillates så å øke i konsentrasjon. Når begge vekstrørene er fulle med medium, kan pumpen 63 deretter anvendes for åresirkulere dyrkingsmediumet. Fra dette punkt er kontinu erlig ekspansjon av systemet til full driftskapasitet et enkelt spørsmål om replikasjon.

Når kulturen har nådd den ønskede cellekonsentrasjon i to-rørsystemet, blir den midlertidige kobling fra utløpet av tanken 51 til det andre røret fjernet, en 180° U-formet returledning anvendes til å knytte sammen rør nr. 2 til rør nr. 3, og det midlertidige koblingsstykke flyttes til et nytt rør lenger borte i systemet. Friskt påfyllingsvann tilsettes nå gjennom innløpet 65, og kondisjoneres for innhold av næringsstoffer og pH ved metoden som er beskrevet for driften av det fullstendige system, dvs. med tilsetning av påkrevde mengder fra næringsstofftankene 55 og fra syre- og basereservoarene 59 og 61.

Denne prosess gjentas, med vekst til ønsket konsentrasjon, tilkobling av koblingsstykket på nytt og tilsetning av friskt påfyllingsvann inntil hele systemet opererer med full kapasitet.

Et overslag av tiden som kreves for denne inokulerings-prosess, idet man går fra et system med to rør til et system med full kapasitet omfattende 32 rør, kan lett gis. Dersom de ønskede arter som dyrkes har en veksthastighet på to fordoblinger pr. døgn, vil det ta to døgn til å nå full kapasitet. I det første døgnet vil systemet kunne ekspandere fra to til åtte rør (to fordoblinger) og i det andre døgn fra åtte til trettito rør (to fordoblinger).

Den annen metode for inokulering er tilsetning av inokulum fra en annen modul. Denne metode kaster lys over en av de viktigste fordeler med dyrking i et modulformat. Som et eksempel antas det at en rekke moduler skal opereres, men at kun den første av disse er inokulert med de ønskede mikro-organismearter.

Under henvisning til fig. 7 er den foretrukne metode for systemet å tilkoble nærliggende moduler til hverandre ved at utløpet 67 for den første modul knyttes til innløpet 65 for den andre modul osv. Disse tilknytninger (ikke vist) gjøres på en slik måte at ventiler som er plassert mellom modulene tillater en temporær avledning av høstingsvannet i en modul til innløpet for påfyllingsvann i en annen modul.

Inokuleringen gjennomføres f.eks. ved at et volum av en vekstkultur som er ekvivalent med fra 10 til 20 % av totalvolumet, overføres fra den første modul til den andre modul. De temporære inokuleringsventiler lukkes deretter og den første modul får være i fortsatt drift på normal måte. Den andre modul bringes deretter til full driftskapasitet ved tilsetning av friskt påfyllingsvann gjennom innløpet 65.

Det skal forstås at denne metoden med inokulering tillater ekstraordinær rask ekspansjon av hele systemet til full driftskapasitet.

I tilfellet med funksjonsfeil eller kontaminering av vekstmodulen slås pumpen 63 av og resirkuleringen stoppes, og friskt påfyllingsvann tilsettes gjennom innløpet 65 uten tilsetning av næringsstoffer eller kondisjonering på annen måte. Dette vann spyler så systemet inntil alt dyrkingsmedium som inneholder mikrobene er fjernet. Dersom funksjonsfeilen er slik at det ikke kreves at friskt påfyllingsvann fjernes kan næringsstoffer tilsettes og systemet kan reinokuleres fra en nærliggende modul som beskrevet i det foregående.

Dersom funksjonsfeilen imidlertid krever at det friske påfyllingsvann fjernes, tømmes vekstrørene ved hjelp av tyngdekraften ved at det siste røret kobles fra sitt koblingspunkt til tanken 53 og vannet får strømme ut. Funksjonsfeilen kan deretter repareres. Om nødvendig kan noen eller alle vekstrørene erstattes. Som et eksempel kan alle vekstrørene i et 32-rør system erstattes i løpet av noen timer av et enkelt individ. Vekstmodulen bringes tilbake i drift ved inokulering med hvilken som helst av inokulerings-prosedyrene som er beskrevet i det foregående.

Hvis funksjonsfeilen skyldes tilstedeværelsen av en kontaminant i kulturen steriliseres systemet ved at etylenoksydgass pumpes inn i systemet som nå ikke inneholder mikroorganismer, gjennom C02-innløpet 57.

Høste<p>rosed<y>re.

Høsteprosedyren, dvs. prosedyren for gjenvinning av fotosyntetiske mikrober fra utløpet av vekstmodulen, omfatter i de fleste tilfeller tre grunnleggende trinn: (1) flokkulering, etterfulgt av (2) sedimentering, og til slutt (3) passiv soltørking. Hele prosedyren finner sted i høstingsområdet for hver "photosynthetron"-enhet. Generelt omfatter høsteprosessen en konsentrasjon av den mikrobielle biomasse i flere trinn.

Vann fra vekstmodulene strømmer gjennom en flokkulator og inn i en sedimentasjonstank hvor flokkulat avsetter seg. Konsentrert flokkulat pumpes deretter inn i en kontinuerlig sentrifuge hvor det avvannes. Den oppnådde slurry spres deretter på en plate for soltørking for å avslutte høsteprosessen. Fordi høsteprosedyren er avhengig av de arter som dyrkes vil det eventuelt ikke være nødvendig å anvende noen eller alle av separasjonstrinnene.

Når det f.eks. gjelder filamentaktige arter, som en rekke blå-grønnalger, kan et roterende trommelfilter passende erstatte både trinnene med flokkulering og sentrifugering. Som et annet eksempel, når modulene anvendes for tilførsel av næringsstoffer til høyere organismer som invertebrater eller fisk, vil disse organismene effektivt gjennomføre høsteprosedyren selv fra den konsentrerte kultur som er ledet til deres forområde, og det er ikke behov for noen endelig tørking og mekanisk høstemetode.

Høsteutstyret for hver "photosynthetron"-enhet omfatter en rekke sedimentasjonstanker. Hver tank tjener flere vekstmoduler hvortil den er knyttet ved innstrømningsrør. Et innstrømningsrør kan bære utstrømningen fra flere vekstmoduler. Som et eksempel kan hvert "photosynthetron" innlemme totalt tyve sedimentasjonstanker, idet hver tank tjener nitti vekstmoduler, knyttet sammen ved hjelp av innstrømningsrør med diameter på 15,2 cm. Hvert innstrøm-ningsrør med diameter på 15,2 cm samler utstrømning fra femten vekstmoduler. I dette eksempel er således totalt seks innstrømningsrør knyttet til hver sedimentasjonstank.

Antallet sedimentasjonstanker som kreves i et system vil avhenge av gjennomstrømningsvolumet i systemet og mengden kultur som høstes pr. dag. I det foregående eksempel, dersom kun ti sedimentasjonstanker kreves for hver høsting vil systemet kunne tilpasses to høstinger pr. dag da. det er tyve sedimentasj onstanker.

Fig. 9 gir et tverrsnitt av høsteanordningen i en "photosynthetron" -enhet . Utstrømningen for høsting strømmer ut av vekstmodulen gjennom utløpet 67 og inn i innstrømningsrøret 101. Utstrømningen for høsting føres ved hjelp av inn-strømningsrøret til en flokkulator 103 hvor mikrobielt flokkulat formes for å forenkle sedimentasjon. Utstrømningen fra flokkulatoren 103 samles og føres inn i en sedimentasjonstank 105 hvor mikrobielt flokkulat 107 konsentreres ytterligere ved sedimentasjon.

Det konsentrerte mikrobielle flokkulat fjernes deretter fra sedimentasjonstanken gjennom et dreneringsrør 109 ved hjelp av en pumpe 111. Utstrømningen fra alle sedimentasjonstankene føres deretter gjennom et utstrømningsrør 113 til en sentral sentrifuge (ikke vist) som tjener alle sedimentasjonstankene i systemet. Hver sedimentasjonstank har også drenering 115 for supernatant, som føres inn i et hovedrør 117 for supernatant for resirkulering av supernatant til det vannførende lag for anvendelse på nytt i systemet eller, i det tilfellet hvor systemet anvendes for biofiltrering eller for å fjerne transparent renset vann, for resirkulering til et nytt sted.

Fra den sentrale sentrifuge pumpes en mikrobiell slurry til en tørkeplate 119 for sluttrinnet i høsteprosessen. Fig. 10 gir et mere detaljert tverrsnitt av en sedimentasjonstank. I tverrsnittet er den koniske tank 105 triangulær. Helnings-vinkelen for tankveggen er foretrukket 60°. Mens en vinkel helt ned til 3 0° er tilstrekkelig for sedimentasjon av fine kornpartikler, er vinkelen på 60° foretrukket da mikrobielt flokkulat forventes til å avsette seg mindre effektivt enn det fine kornmaterial, som sand.

Veggen i sedimentasjonstanken 121 er foretrukket dannet av betong. Tanken er dekket med et mørkt dekkmaterial 123. Dekkmaterialet sikrer at vann ikke tapes til atmosfæren gjennom avdamping.

Som vist i fig. 9 vil to dreneringer betjene hver sedimentasjonstank. Den første drenering 109 tjener til å pumpe sedimentert flokkulat 110 ut fra bunnen av tanken.Flokkulatdreneringen er et perforert rør som fjerner konsentratet ved hjelp av en pumpe 110 som en utstrømning til sentrifugen. Den andre drenering 115 i sedimentasjonstanken er en supernatantdrenering. Når konsentrert flokkulat er fjernet fra tanken åpnes en sluseventil 118 ved hjelp av en lineær aktuator 119 på et underlag 120, noe som fører til at supernatantvann strømmer gjennom supernatantdreneringen 115og inn i hovedsupernatantdreneringen 117. Utstrømningen av supernatant gjennom supernatantdrenering reguleres ved tyngden alene, men kan gjennomføres ved aktiv pumping dersom vann skal tilbake til bunnivå eller over.

Før innføring i sedimentasjonstanken blir høsteutstrømningen fra vekstmodulene underkastet flokkulering. Flokkulerings-metoder er vel kjente og en rekke teknikker kan anvendes som elektroflokkulering, eller anvendelse av uorganiske flokkuleringsmidler som alun, eller organiske flokkuleringsmidler som chitosan.

Som beskrevet tidligere under henvisning til fig. 9 og10blir den flokkulerte mikrobielle utstrømning fra sedimentasjonstanken pumpet til en sentral sentrifuge. I de fleste tilfeller vil en enkelt sentrifuge for hver "photosynthetron"-enhet være tilstrekkelig til å sedimentere den kombinerte flokkulatutstrømning fra alle sedimentasjonstankene under høstesyklusen. En rekke kontinuerlige sentrifuger er tilgjengelige for denne anvendelse. Foretrukket anvendes flere, f.eks. to eller tre, av relativt liten kapasitet i stedet for en enkelt sentrifuge med en høy kapasitet slik at en reserve er tilgjengelig dersom utstyret svikter. Med enten en enkelt eller flere sentrifuger anvendes, plasseres denne mest passende på et sentralt sted 15 som vist i fig. 4.

Den mikrobielle slurry som dannes ved hjelp av sentrifugen pumpes gjennom rørene til tørkeplatene 17 som vist i fig.4. En tørkeplate kan være så enkel som en flat betongplate som er åpen mot atmosfæren for fordampningstørking av slurrien. Alternativt kan tørkeplatene være konstruert til å ha et moduldekke, avtrekksvifte og lufttilførsel på samme måte som en vekstmodul. Denne konstruksjon har fordelen med at den beskytter den tørkende algebiomasse under dårlig vær og tillater styring av tørkeoperasjonen.

Tørkeplater betraktes til å være et alternativt trinn for anvendelse når det kreves et svært tørt mikrobielt bio-masseprodukt. For en rekke anvendelser kan den mikrobielle biomasse som tas ut av sentrifugen og har en TSS mellom 15 og 20 % være tilstrekkelig tørr. I denne forbindelse kan tørkeplatene fullstendig fjernes fra systemet.

Høsteprosedyren gir to kilder med supernatantvann som enten resirkuleres ved filtrering inn i det vannførende lag eller inn i en annen vannkilde. Den første kilden av supernatantvann er fra sedimentasjonstankene. Den annen er fra sentrifugeinnretningen. Både sedimentasjonstankene og sentrifugen er forbundet til en supernatanthovedledning som bærer supernatantvannet under jorden til en filtreringstank hvor det på nytt kan innføres i det vannførende lag eller fjernes som renset vann. En av de viktigste fordeler med systemet i henhold til oppfinnelsen i forhold til konvensjonelle mikrobielle åpne bioreaktorsystemer er den voldsomme reduksjon i fordampningstap. Det er antatt at så mye som99% av daglig vannforbruk kan resirkuleres til det vannførende lag eller frigis som renset vann.

Det skal forstås at gjennom metoden med lukket, kontinuerlig dyrking oppnås en rekke fordeler i forhold til konvensjonelle, mikrobielle reaktorsystemer. F.eks. kan systemet i henhold til oppfinnelsen anvendes for fremstilling av molekylært oksygen, det viktigste gassbiproduktet fra fotosyntesen. I konvensjonelle dyrkingssystemer med åpne dammer tapes molekylært oksygen til atmosfæren, men i dette system kan praktisk talt rent molekylært oksygen samles direkte via rør (ikke vist) som utgår fra forskjellige punkter langs lengden av vekstrørene.

Som et annet eksempel gjør denne kontinuerlige dyrkingsmetode det mulig å produsere celler med ensartet biokjemisk sammensetning, noe som er en klar fordel når disse celler skal anvendes som en kjemisk kilde eller som næring for invertebrater eller fisk med spesifikke næringsmessige krav. I konvensjonelle batch-kultursystemer vil det være mulig å produsere celler med konsistent biokjemisk kvalitet, men disse kan ikke produseres kontinuerlig.

Som et annet eksempel tilveiebringer vekstmodulen i systemet muligheten til rask inokulering eller reinokulering av kulturen av fotosyntetiske mikrober i en vekstmodul ved anvendelse, som et inokulum, av høsteutstrømningen fra en annen vekstmodul som er i full drift. På grunn av metodens modulnatur overvinnes en av de største vanskeligheter som man til nå har støtt på i forbindelse med drift av konvensjonelle dyrkingssystemer.

Som et annet eksempel har vekstmodulen i systemet, i kraft av sin utforming, eliminert en rekke av ufordelaktighetene med åpne dyrkingssystemer, f.eks. kontamineringspotensial og mangel på styring av miljøet. Samtidig sørger imidlertid denne vekstmodul for optimal vekst av fotosyntetiske mikrober ved anvendelse av metoder og materialer som er svært virkningsfulle, slik som anvendelse av tyngdekraft der det er mulig og anvendelse av reserverte mikroprosessorer for måling og styring av miljømessige variabler, slik at lukket kultur for kommersiell bruk for første gang er gjort økonomisk fordelaktig.

Som et annet eksempel gjør metoden for drift av vekstmodulen i systemet det mulig å direkte måle produktiviteten av de fotosyntetiske mikrober som er inneholdt deri ved hjelp av metoder som er automatiske og økonomiske. Dette gjennomføres ved å kombinere automatiske målinger av cellekonsentrasjoner på forskjellige steder langs lengden av systemet, med målinger av den tid som kreves for transitt fra et punkt til et annet.

De etterfølgende tabeller angir konstruksjonsmessige spesifikasjoner og driftsparametre for kommersielt utstyr som anvender systemet i henhold til oppfinnelsen, og er i stand til å produsere 5.555 tonn fotosyntetisk mikrobiell biomasse pr. år i en "photosynthetron"-enhet.

Claims

1. Fremgangsmåte for dyrking av fotosyntetiske mikrober og celler av fotosyntetiske makrofytter i et lukket, kontinuerlig, sirkulerende system, karakterisert vedat den omfatter: a) forbehandling av en vannkilde (22) som skal anvendes som dyrkingsmedium ved filtrering (6), forvarming (8) og/eller sterilisering (16), b) sirkulering av det nevnte forbehandlede kulturvann (22) i en turbulent form med et Reynolds tall på minst 2000 gjennom et lukket, kontinuerlig rørsystem (33) som er transparent for sollys og som er anbragt på et stasjo-nært reflekterende gulv (19) som i alt vesentlig er horisontalt inne i en beskyttende vekstmodul (18), som også er transparent for sollys, idet det nevnte kulturvann (22) delvis fyller det nevnte rørsystem, c) inokulering av det nevnte sirkulerende kulturvann med celler av en fotosyntetisk art, d) måling av en eller flere fysiske, kjemiske eller biologiske egenskaper for nevnte sirkulerende kulturvann (22) som inneholder fotosyntetiske celler i det nevnte lukkede rørsystem (33), e) automatisk sammenligning av verdien av nevnte observerte fysiske, kjemiske eller biologiske egenskap for nevnte sirkulerende kulturvann (22) med en forhåndsbestemt optimal verdi for nevnte egenskap, f) automatisk justering av nevnte fysiske, kjemiske eller biologiske egenskap for nevnte sirkulerende kulturvann når nevnte observerte verdi avviker fra den nevnte optimale verdi, g) isolering av en konsentrert del av fotosyntetiske celler som er dyrket i det nevnte rørsystem fra det nevnte sirkulerende kulturvann uten å påvirke totalvolumet, og h) separering og utvinning av de nevnte fotosyntetiske celler fra det nevnte sirkulerende kulturvann.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat nevnte inokulering av det nevnte lukkede rørsystem (33) av en vekstmodul (18) i trinn c) bevirkes ved fjerning av en del av det nevnte sirkulerende kulturvann (22) i det nevnte lukkede rørsystem av en annen vekstmodul, og idet dette innføres i det nevnte lukkede rørsystem av den nevnte første vekstmodul til å effektuere umiddelbar full operasjonskapasitet av nevnte første vekstmodul.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat egenskapen som måles, sammenlignes og justeres automatisk i trinn d, e og f er C02konsentrasjonen av nevnte sirkulerende kulturvann, og omfatter ytterligere justering av C02konsentrasjonen ved frigivelse av C02(220) inn i systemet ved hjelp av ventiler og diffusjon derav inn i det sirkulerende kulturvann.

4. Apparat for dyrking av fotosyntetiske celler i stor skala inkluderende mikrober og celler av fotosyntetiske makrofytter, i et lukket, kontinuerlig, sirkulerende system,karakterisert vedat det omfatter: a) et vannkilde-(22)-system som tilfører forbehandlet kulturvann for dyrking av en kultur av fotosyntetiske celler, idet forbehandlingen omfatter filtrering (6), forvarming (8) og/eller sterilisering (16), b) midler (65) for innføring og opprettholdelse av et passende nivå av nevnte kulturvann (22) i midler for dyrking av den fotosyntetiske cellekultur, c) midler for dyrking av den fotosyntetiske cellekultur omfattende: i) en eller flere vekstmoduler (18) inneholdende et hovedsakelig horisontalt anbragt kontinuerlig lukket rørsystem (33) for sirkulasjon av det nevnte kulturvann og som er transparent for sollys, ii) midler (63) for å sirkulere det nevnte kulturvann gjennom det nevnte lukkede rørsystem (33) i en turbulent form med et Reynolds tall på minst 2000 og med delvis fylling av det nevnte rørsystem (33), iii) midler (51) for å inokulere det nevnte sirkulerende kulturvann med de nevnte fotosyntetiske cellearter, iv) midler (49, 71, 73, 75, 77) for å måle en eller flere fysiske, kjemiske eller biologiske egenskaper for nevnte kulturvann som sirkulerer inne i det nevnte lukkede rørsystem, v) midler (79) for å sammenligne de nevnte observerte fysiske, kjemiske eller biologiske egenskaper for nevnte sirkulerende kulturvann med en forhåndsbestemt optimal verdi for nevnte egenskap, vi) midler (31, 51, 53, 81, 83) for automatisk justering av nevnte fysiske, kjemiske eller biologiske egenskap for nevnte sirkulerende kulturvann når nevnte observerte verdi avviker fra nevnte optimale verdi, vii) utstrømningsmidler (15, 67, 105) for å isolere en del av det sirkulerende kulturvann som inneholder celler fra nevnte midler for dyrking av nevnte fotosyntetiske cellekultur uten at nivået av det kulturholdige sirkulerende vann påvirkes, og d)'midler (15, 17, 103, 105, 107, 212) for separasjon av nevnte fotosyntetiske celler fra nevnte isolerte sirkulerende kulturvann.

5. Apparat som angitt i krav 4, karakterisert vedat nevnte system med tilførsel av forbehandlet vann omfatter et vannførende lag (22) , et reservoar (8) , et filter (6), en blandetank (51, 53) og eventuelt pumpe (63) som er anbragt i et rør (33) som forbinder disse sammen i serie og til det nevnte lukkede kultur-rørsystem.

6. Apparat som angitt i krav 4, karakterisert vedat nevnte fotosyntetiske cellekultur-vekstmodul (18) er innelukket i en transparent beskyttelse (33).

7. Apparat som angitt i krav 6, karakterisert vedat nevnte transparente beskyttelse (33) ytterligere er omsluttet av en annen transparent beskyttelse som omfatter minst ett lag av polyetylen (23) eller lignende plastmaterial og som er understøttet ved hjelp av en rigid rammestruktur (29).

8. Apparat som angitt i krav 4, karakterisert vedat nevnte lukkede rør-system (33) for sirkulering av vann omfatter en rekke rørformede elementer (33) som i alt vesentlig er anbragt horisontalt og parallelt med hverandre og som er koblet til naboelementet ved hjelp av U-formede rørreturer (49) på 180°.

9. Apparat som angitt i krav 8, karakterisert vedat nevnte rørformede elementer (33) er dannet fra et material valgt fra gruppen som utgjøres av polyetylen, polypropylen, polyakrylater, polyamider, polykarbonater, vannuoppløselige celluloseestere, polyesterfilmer og glass.

10. Apparat som angitt i krav 8,karakterisert vedat middelet anvendt for å koble de nevnte parallelle rørformede elementer (33) til de nevnte U-formede rørreturer (49) på 180° er termisk fusjon som oppnås ved påføring av en jevn varme med en temperatur som er passende til å smelte det anvendte material.

11. Apparat som angitt i krav 4,karakterisert vedat sirkulasjon av vann gjennom det nevnte lukkede rørsystem (33) gjennomføres i det minste delvis ved hjelp av tyngdekraft som er oppnådd ved helning av overflaten hvorpå det nevnte lukkede rørsystem hviler slik at tyngdekraften overkommer dynamisk trykkhøyde dannet innen det nevnte rørsystem.

12. Apparat som angitt i krav 4,karakterisert vedat det nevnte middel (51) for inokulering av det nevnte sirkulerende vann med celler av de nevnte ønskede arter slik at det raskt oppnås full operasjonskapasitet, omfatter et rørformet element (33) som binder sammen uavhengige midler for dyrking av den fotosyntetiske cellekultur.

13. Apparat som angitt i krav 12,karakterisert vedat det nevnte middel (51) for inokulering er ved innføring, fra en uavhengig fotosyntetisk cellekultur, av en del av det sirkulerende vann med celler av de nevnte ønskede arter, gjennom den nevnte rør-formede koblingsenhet (49), til den nevnte fotosyntetiske cellekultur som skal inokuleres.

14. Apparat som angitt i krav 12,karakterisert vedat de nevnte midler for måling av en eller flere fysiske, kjemiske eller biologiske egenskaper i det nevnte sirkulerende vann omfatter en eller flere sonder (71) som er satt inn i det nevnte lukkede rørsystem for sirkulerende vann.

15. Apparat som angitt i krav 14,karakterisert vedat det nevnte middel for sammenligning av nevnte observerte fysiske, kjemiske eller biologiske egenskap med en forhåndsbestemt optimal verdi for den nevnte egenskap er en mikroprosessor (69) og en passende programvare.

16. Apparat som angitt i krav 15,karakterisert vedat den nevnte målte fysiske, kjemiske eller biologiske egenskap er C02og at nevnte middel for automatisk justering av C02-innholdet er en trykksatt C02-tank med en ventil (53) som aktiveres ved hjelp av et signal fra den nevnte mikroprosessor (69) til å innføre C02i nevnte sirkulerende vann.

17. Apparat som angitt i krav 15,karakterisert vedat den nevnte målte fysiske, kjemiske eller biologiske egenskap er temperaturen og at nevnte middel for automatisk justering av den nevnte temperatur er en avtrekksvifte (31) som er anbragt over det nevnte lukkede rørsystem (33) for sirkulerende vann og som aktiveres ved hjelp av et signal fra nevnte mikroprosessor (69) .

18. Apparat som angitt i krav 15,karakterisert vedat den nevnte målte fysiske, kjemiske eller biologiske egenskap er temperaturen og at nevnte middel for automatisk justering av temperaturen er et overrislingssystem (37) som er hengt opp over det nevnte middel for den fotosyntetiske cellekultur og med en ventil som aktiveres ved hjelp av et signal fra den nevnte mikroprosessor (69) til å frigi vanndråper på det nevnte lukkede rørsystem for sirkulerende vann.

19. Apparat som angitt i krav 15,karakterisert vedat den nevnte målte fysiske, kjemiske eller biologiske egenskap er temperaturen og at nevnte middel (65) for automatisk justering av temperaturen er tilsetnings-ferskvann med en lavere temperatur enn det som er inneholdt i middelet for dyrking av den fotosyntetiske cellekultur, og som innføres i det nevnte lukkede rørsystem for sirkulerende vann gjennom en ventil som aktiveres ved hjelp av nevnte mikroprosessor.

20. Apparat som angitt i krav 4,karakterisert vedat det ytterligere omfatter et middel (214) for rensing og resirkulering, til nevnte vannkilde, av nevnte isolerte kulturvann som er separert fra nevnte fotosyntetiske celler.