TW201529843A - 用於微生物大量培養之系統及其所獲得之產物 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種用於在一戶外環境中生長生物質之系統。有利地，可最小化或消除用於清潔該系統之停工時間。本發明之另一優勢包括在不中斷該經培養生物質之該生長的情況下獲取該生物質之一部分。

Description

用於微生物大量培養之系統及其所獲得之產物

本發明係關於一種用於在一戶外環境中生長生物質之系統。有利地，可最小化或消除用於清潔該系統之停工時間。本發明之另一優勢包括在不中斷該經培養生物質之該生長的情況下獲取該生物質之一部分。

光生物反應器(photobioreactor)一直是作為培養物承載器皿、允許光子能量輸入且適合於各種生物學培養物之關鍵組件，且在藻類培養過程中得以利用。光生物反應器為關鍵硬體之處在於：其最小化來自戶外培養之污染風險、最小化培養基蒸發、允許較好培養基營養物且允許較好過程參數控制。

全球媒體幾乎每天皆含有關於針對用以取代化石燃料之可再生能源的極其重要之需要的新聞。多年來一直在開發各種生物燃料以試圖滿足此需要。然而，兩個關鍵問題向其商業化提出挑戰：a)與食物供應競爭且實際上縮減食物供應之土地及相關農作物之使用，及b)生物燃料生產之傳統高成本。

持續增長的基於藻類之產物(諸如，來自藻類之原料及生物 燃料)的生產為極具潛力且有前景之產業。在替代性能源當中，藻類表示準備在無任何環境或經濟損失之情況下大規模地實施的可再生生物質資源，且剩餘生物質副產物為食物給養之潛在來源。歸因於由藻類進行之CO₂固定，在光合處理下將經生物降解之所有有機物質轉化成生物質。藻類之光合效率比陸生植物之光合效率(平均為1.8%至2.2%)高得多(平均為6%至8%)。又，藻類品種為多樣的且可容易適應於在不同條件(包括海水及河流淡水或廢水後處理)下生長。

來自光合微藻類之當代生物燃料為可再生能源之有前景的替代性來源，然而，其實踐性受到低生產率阻礙且因此受到高成本阻礙。

因此，仍需要提供一種克服或至少減輕以上問題之系統。

本發明人已提供一種適合於微藻類生物質之戶外生產的系統。該系統之設計特徵可容易以相對低成本而用於新式光生物反應器系統或現有光生物反應器系統中。此等設計特徵之實施可進一步增強健康的高生長藻類培養生產系統之連續流、高體積及增進的原理，其係經由將培養溫度維持於較低指定範圍內且避免來自生物積垢之污染而達成。因此，可自由生長、獲取、清潔組成之習知光生物反應器過程最小化或消除歸因於清潔之停工時間。此情形允許藻類之總培養體積的極大增加且亦增進藻類培養之最佳生長/成熟。生產系統在連續地構造至變化之體積深度、大小及構型以匹配於待獲取之所需輸出的可擴展性方面具有靈活性。

因此，在本發明之一第一態樣中，揭示一種用於生長生物質之系統。

該系統包括光生物反應器模組，該光生物反應器模組包括彼此以流體方式連接之複數個生物反應器。該光生物反應器模組包括入口端及出口端。

該系統進一步包括冷卻系統，其中該光生物反應器模組經受該冷卻系統以用於調節營養培養基之溫度。

該系統可視情況進一步包括用於容納該用於生物質生長之營養培養基的儲槽，其中該儲槽包括入口端及出口端。該儲槽之出口端可以流體方式連接至該光生物反應器模組之入口端，且該儲槽之入口端可以流體方式連接至該光生物反應器模組之出口端。替代性地，該光生物反應器模組之入口端及出口端可藉由諸如立管之管子而連接。

該光生物反應器模組進一步包括在該複數個生物反應器內可移動以用於清潔該複數個生物反應器之內部表面的至少一個清潔裝置。

在圖式中，類似參考字元通常係指貫穿不同視圖之相同部分。圖式未必按比例繪製，而是通常強調說明各種具體實例之原理。在以下描述中，參看以下圖式來描述本發明之各種具體實例。

圖1展示本系統之設置。

以下詳細描述參看作為說明而展示可供實踐本發明之特定細節及具體實例的隨附圖式。此等具體實例經足夠詳細地描述以使熟習此項技術者能夠實踐本發明。在不脫離本發明之範圍的情況下，可利用其他具體實例，且可作出結構改變、邏輯改變或電氣改變。各種具體實例未必 互斥，此係因為一些具體實例可與一或多個其他具體實例組合以形成新具體實例。

本發明大體上係關於生物學生物質之連續流、高體積、高生長的生產。舉例而言，微藻類培養可用於萃取用於產生生物燃料之脂質，且更特定言之，在諸如光生物反應器(或在本文中簡單地稱為生物反應器)、管狀器皿之圍封式環境中以及在培養模式為光合自養及/或異養之環境中生產藻類。所培養之藻類可有用於其油脂內含物及其他應用，諸如，保健營養品、燃料、散裝化學品、原料及水產養殖。

根據如圖1所說明的本發明之一個態樣，在本文中描述用於生長生物質之系統100。生產系統特別適合用於戶外環境中，但生產系統亦可用於室內。

有利地，系統100提供承載生物質培養物之生物反應器或連續流器皿，其由以下設計元件組成以改良培養生物質生長特性及效能(亦可與利用類似器皿及生物反應器之其他生物生長應用相關)：- 緩解日常操作期間之加溫效應且經由對器皿之表面的冷卻效應而將培養物維持於一溫度區中；- 最小化維護停工時間以及清潔器皿內部所需要之停工清潔持續時間及頻率。因此縮減每一生產獲取循環之間的維護清潔停工時間，從而允許由光生物反應器系統組成之資本設備的較長生產率週期及較好利用率；- 最小化歸因於對所培養之生物質之生物膜及微生物污染效應的隨著時間之生長積聚。此情形確保培養物健康且促進其生長速率；- 隨著必要營養物之裝滿而回收及再用培養基以用於下一生長循環； - 提供添加連續流線內獲取系統以將微藻類獲取物有效地脫水及濃縮之靈活性。

系統100包括光生物反應器模組10，光生物反應器模組10包括彼此以流體方式連接之複數個生物反應器。光生物反應器模組包括入口端12及出口端14。

生物反應器為用於在自然環境外部但在人工環境內部生產微生物之設施。前置詞「光」特定地描述生物反應器培養藉由利用光能而生長之光養微生物或生物的性質。此等生物使用光合過程以自光及二氧化碳生成其自有生物質。此群組之成員可包括植物、苔蘚、大型藻類、微藻類、藍藻細菌及紫色細菌。光生物反應器或PBR之關鍵目標為針對各別物種之特定環境條件的受控制供應。因此，光生物反應器允許比自然或類似於自然之棲息地中之任何地方高得多的生長速率及純度。基本上，光生物反應器可甚至自營養物污染廢水使向光生物質生長。

系統100進一步包括冷卻系統20。光生物反應器模組10經受冷卻系統20以用於調節營養培養基之溫度。

系統100可視情況進一步包括用於容納用於生物質生長之營養培養基的儲槽30。儲槽30包括入口端32及出口端34。儲槽30之出口端34可以流體方式連接至光生物反應器模組10之入口端12，且儲槽30之入口端32可以流體方式連接至光生物反應器模組10之出口端14。在此配置中，儲槽30中之新鮮營養培養基可在儲槽30之出口端34處退出儲槽30，且可在光生物反應器模組10之入口端12處進入光生物反應器模組10。類似地，來自光生物反應器模組10之廢營養培養基可在光生物反應器模組10 之出口端14處退出，且可在儲槽30之入口端32處進入儲槽30。替代性地，光生物反應器模組之入口端及出口端可簡單地藉由諸如立管之管而連接。

在圖1所說明之具體實例中，展示置於儲槽30與光生物反應器模組10之間的中間管道區段50。中間管道區段50可包括旁路管52，旁路管52將光生物反應器模組10之出口端14以流體方式連接至光生物反應器模組10之入口端12，使得在光生物反應器模組10之出口端14處退出的廢營養培養基之一部分在光生物反應器模組10之入口端12處再進入光生物反應器模組10而不進入儲槽30。在其他具體實例中，可不存在中間管道區段50。

光生物反應器模組10進一步包括在複數個生物反應器內可移動以用於清潔複數個生物反應器之內部表面的至少一個清潔裝置40。內部清潔裝置之使用允許在培養活動期間或在維護例程期間的生物反應器之內部表面的獨立、自給且連續之清潔過程。清潔裝置可典型地在操作期間藉由現有培養基或水之流動壓力提供動力及輸送，從而免除針對額外或複雜清潔機構之需要。

在圖1所說明之具體實例中，清潔裝置40可沿著光生物反應器模組10中之營養培養基之流而自上游生物反應器移動至下游生物反應器，從而隨著其往前移動而清潔每一生物反應器之內部表面。當清潔裝置40到達最遠下游生物反應器時，可推進清潔裝置40以移動至旁路管52中，使得清潔裝置40隨著經再循環廢營養培養基之部分而在光生物反應器模組10之入口端12處再進入光生物反應器模組10。以此方式，可使清潔裝置40在光生物反應器模組10中之複數個生物反應器內移動且連續地清潔該等 生物反應器之內部表面，從而縮減或甚至消除系統之停工時間。

在替代性具體實例中，清潔裝置40可經電池供電以在光生物反應器模組10中移動。在此等具體實例中，清潔裝置40可或可不藉由循環營養培養基之流而移動。清潔裝置40可經控制成使得其保持及清潔生物反應器之經選擇部分歷時較長時段。舉例而言，清潔裝置40亦可經控制成使得其跳過對生物反應器之經選擇部分的清潔。

在其他具體實例中，清潔裝置40可經在外部控制以在光生物反應器模組10中移動。在此等具體實例中，清潔裝置40可或可不藉由循環營養培養基之流而移動。舉例而言，清潔裝置40可磁性上耦合至置於生物反應器之外部上的控制裝置，且可被手動地控制並在生物反應器中四處移動。

清潔裝置40允許在培養活動期間的生物反應器之內部表面的線上攪動及清潔，且可在正常操作期間藉由培養基輸送。現在可藉由此自清潔系統而縮減或甚至消除歸因於對內部清潔之需要的停工時間。

在各種具體實例中，光生物反應器模組10可包括3個至10個生物反應器。該等生物反應器可串聯地連接。除了最上游生物反應器及最下游生物反應器以外，中間生物反應器係以流體方式連接，使得上游生物反應器之各別出口以流體方式連接至相鄰下游生物反應器之各別入口。複數個生物反應器可藉由彎管而接合。最上游生物反應器之入口端可形成光生物反應器模組10之入口端12。最下游生物反應器之出口端可形成光生物反應器模組10之出口端14。雖然圖1中已說明將營養培養基自光生物反應器模組10之底部泵送至頂部，但生物反應器之其他連接形式亦可為可能 的。舉例而言，生物反應器可經配置成使得營養培養基被泵送達一垂直高度且接著被允許經由重力而自頂部向下流動至底部。

在各種具體實例中，光生物反應器模組10可包括複數個管狀生物反應器。

在某些具體實例中，光生物反應器模組10可包括複數個平面生物反應器。

在其他具體實例中，光生物反應器模組10可包括其他形狀及組態之生物反應器。舉例而言，光生物反應器模組10可包括管狀生物反應器與平面生物反應器之混合物。

在各種具體實例中，系統100可進一步包括用於使營養培養基循環之至少一個泵。舉例而言，該泵可置於儲槽之出口端附近或之前。該泵之其他位置亦可為可能的。

儲槽30可為用於包括營養培養基之藻類培養物之供應及返回兩者的單一容器。儲槽30可包括混合機以攪動或攪拌其中之內含物來改良混合。替代性地，儲槽30可包括一個以上容器。

在各種具體實例中，冷卻系統20可包括在光生物反應器模組10上方之冷卻水供應噴淋器。冷卻水噴淋器有助於針對高光合效率維持適當且最佳之藻類培養物溫度。可提供冷卻水貯槽以用於儲存水(例如，雨水)，且在需要冷卻或維持光生物反應器模組10之表面溫度時將水泵送至冷卻系統20。

本系統可使用自然資源以用於正常操作。作為一實例，海水、河水或雨水可經獲取/收集及濾過以用於培養基中。日光可用以供應感 測器及泵所需要之電。

因此，在各種具體實例中，系統100可進一步包括用以調節泵送系統及監控感測器之主控制台。

有利地，系統100允許臨界參數之線上監控與記錄及離線監控與記錄兩者，該等參數係諸如pH值、溫度、硝酸鹽量、氨量、溶解二氧化碳量、流動速率、渾濁度、溶解氧量、或光強度。基於經量測讀數，系統100進一步允許根據一組預定控制參數而自動化地調整所需臨界參數。

在各種具體實例中，系統100可進一步包括與營養培養基或培養基接觸之至少一個監控裝置。該監控裝置可監控營養培養基或培養基中之參數，諸如，pH值、溫度、硝酸鹽量、氨量、溶解二氧化碳量、流動速率、渾濁度、溶解氧量、或光強度。作為一實例，若經量測pH值降至低於由操作者設定之預定pH值，則可引入鹼性溶液以調整及增加pH值直至達成及維持預定pH值為止。在另一實例中，可存在複數個注入器，該等注入器經組態以將流體及固體放出至可包括藻類生長及培養所需要之營養物、二氧化碳及其他材料的營養培養基或培養基中。用於固定的含有二氧化碳之氣體亦可通過氣體供應導管而引入至培養貯槽中。該氣體可來自諸如發電廠之來源，且可包括諸如氮、一氧化碳、含硫化合物(SO_x)及含氮化合物(NO_x)之其他組份。作為另一實例，二氧化碳可有效地添加至系統作為溶解碳酸鹽或碳酸氫鹽。在一些具體實例中，二氧化碳可溶解於含水營養物混合物中且接著添加至培養系統。為了增加可用於藻類在培養系統中之生長的持續時間，安裝複數個光透射元件以在照明條件經偵測為不良或不足(諸如，在夜裏)時或在存在陰天時之時期期間提供對日光之替代。 為了維持經獲取藻類之一致品質及產量，可需要監控培養貯槽或生物反應器內之條件以便確保維持最佳生長條件。作為實例，可需要監控諸如流體培養基量、流動與循環速率、溫度、營養物濃度、二氧化碳濃度、pH值及藻類群體密度等等之參數，以便相應地調整此等參數以匹配於所需設計操作剖面。

在各種具體實例中，系統100可進一步包括用於對營養培養基進行滅菌之滅菌模組。滅菌模組可被整合為系統100之一部分，或被整合為在培養基之回收及再用中操作以用於後續循環階段的獨立模組。滅菌模組可位於光生物反應器模組10之入口端12抑或出口端14處。

系統100可進一步包括被整合至光生物反應器模組10或被整合為獨立模組之獲取器單元。獲取器可在藻類培養基之獲取期間操作。在獲取期間，可將循環培養基之經分配部分引導出光生物反應器模組10、藉由滅菌模組進行滅菌，且收集於獲取器單元中。可以各種技術來獲取藻類，該等技術係諸如沈降、絮凝、過濾、溶解空氣浮選、氫氣鼓泡或離心。舉例而言，獲取器單元可經由一系列過濾網而利用溶解空氣或氫氣氣泡以聚集(或濃縮)藻類塊狀物且朝向獲取器單元之頂部提昇藻類塊狀物。清透的水可聚集於獲取器單元之底部處且經分離出獲取器單元並收集於單獨腔室中，從而允許藻類之方便收集及培養基之再用。

以培養生長過程期間之經排程時序，可將藻類細胞/體積之一部分或全部引導至線內獲取器及滅菌模組。此情形允許藻類培養基之剩餘部分繼續在獲取過程期間不中斷地生長。所獲取之經脫水藻類可視需要經收集以用於其他處理。在此情況下，新培養物體積及營養物之裝滿可添 加至光生物反應器模組以補給所獲取之藻類培養基。

在本整合式生產模組中發生之線內獲取及清潔過程可在對光生物反應器模組內部正在進行之藻類生長過程無任何中斷的情況下發生。因此，在運用藻類之高體積培養及藻類生長條件之持續監控之此模式的情況下，可極大地增加日常生產量。

「包含」意謂包括但不限於在詞語「包含」之後的任何事物。因此，術語「包含」之使用指示所列出元件為所需的或強制的，但其他元件為選用的且可或可不存在。

「由……組成」意謂包括且限於在片語「由……組成」之後的任何事物。因此，片語「由……組成」指示所列出元件為所需的或強制的，且不可存在其他元件。

本文中說明性地描述之本發明可在不存在本文中未特定地揭示之任何一或多個元件、一或多個限制的情況下合適地實踐。因此，舉例而言，術語「包含」、「包括」、「含有」等等應被廣泛地且無限制地理解。另外，本文中使用之術語及表達已用作描述而非限制之術語，且在使用此等術語及表達時不存在排除所展示及所描述之特徵或其部分之任何等效者的意圖，但應認識到，在所主張的本發明之範圍內的各種修改為可能的。因此，應理解，雖然已藉由較佳具體實例及選用特徵而特定地揭示本發明，但在此所揭示的體現於本文中的本發明之修改及變化可由熟習此項技術者採用，且認為此等修改及變化在本發明之範圍內。

關於給定數值之「約」(諸如，針對溫度及時段)意謂包括在指定值之10%內的數值。

本發明已在本文中廣泛地且一般地加以描述。屬於一般揭示內容之較窄物種及亞屬分組中之每一者亦形成本發明之部分。此情形包括本發明之通用描述，其限制條件或負面限制自該屬中移除任何主題，而不管所刪除之材料是否在本文中被特定地敍述。

其他具體實例在以下申請專利範圍及非限制性實例內。另外，在本發明之特徵或態樣係根據馬庫什(Markush)群組加以描述之情況下，熟習此項技術者將認識到，本發明亦由此根據馬庫什群組之任何個別成員或成員子群組加以描述。

Claims (20)

1. 一種用於生長生物質之系統，其包含：光生物反應器模組，其包含彼此以流體方式連接之複數個生物反應器，其中該光生物反應器模組具有入口端及出口端，及冷卻系統，其中該光生物反應器模組經受該冷卻系統以用於調節營養培養基之溫度；其中該光生物反應器模組進一步包含在該複數個生物反應器內可移動以用於清潔該複數個生物反應器之內部表面的至少一個清潔裝置。
2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該至少一個清潔裝置係藉由在該光生物反應器模組中循環的營養培養基之流而可移動。
3. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該至少一個清潔裝置係經電池供電以在該光生物反應器模組中移動。
4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該至少一個清潔裝置係經在外部控制以在該光生物反應器模組中移動。
5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之系統，其中該冷卻系統包含在該光生物反應器模組上方之冷卻水供應噴淋器。
6. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該光生物反應器模組包含複數個管狀生物反應器。
7. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該光生物反應器模組包含複數個平面生物反應器。
8. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項之系統，其中該複數個生物反應器係藉由彎管而接合。
9. 如申請專利範圍第1項至第8項中任一項之系統，其中該光生物反應器模組之每一生物反應器具有入口端及出口端，其中上游生物反應器之出口端以流體方式連接至下游生物反應器之入口端。
10. 如申請專利範圍第9項之系統，其中第一上游生物反應器之入口端形成該光生物反應器模組之入口端。
11. 如申請專利範圍第9項之系統，其中一最下游生物反應器之出口端形成該光生物反應器模組之出口端。
12. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項之系統，其進一步包含用於使該營養培養基循環之至少一個泵。
13. 如申請專利範圍第1項至第12項中任一項之系統，其進一步包含與該營養培養基接觸之監控裝置。
14. 如申請專利範圍第13項之系統，其中該監控裝置量測以下各者中之至少一者：在該營養培養基中之pH值、溫度、硝酸鹽量、氨量、溶解二氧化碳量、流動速率、渾濁度、及溶解氧量、以及光強度。
15. 如申請專利範圍第1項至第14項中任一項之系統，其進一步包含用於對該營養培養基進行滅菌之滅菌模組。
16. 如申請專利範圍第15項之系統，其中該滅菌模組置於該光生物反應器模組之入口端或出口端處。
17. 如申請專利範圍第1項至第16項中任一項之系統，其進一步包含用於獲取該生物質之獲取器單元。
18. 如申請專利範圍第1項至第17項中任一項之系統，其進一步包含用於容納該用於生物質生長之營養培養基的儲槽，其中該儲槽具有入口端 及出口端，該儲槽之出口端以流體方式連接至該光生物反應器模組之入口端，且該儲槽之入口端以流體方式連接至該光生物反應器模組之出口端。
19. 如申請專利範圍第1項至第17項中任一項之系統，其中該光生物反應器模組之入口端及出口端係藉由管子而連接。
20. 如申請專利範圍第19項之系統，其中該光生物反應器模組之入口端及出口端係藉由立管而連接。