專利名稱：一種改進(jìn)的漫射光可擴展表面積水支撐式光生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于經(jīng)濟的、高密度的、高度可擴展性的封閉的光生物反 應(yīng)器的方法和裝置，所述光生物反應(yīng)器用于培養(yǎng)支持生物燃料和其它燃料 生產(chǎn)的藻類。在優(yōu)選的實施方案中，為了支持藻類的生長，設(shè)計光生物反 應(yīng)器的結(jié)構(gòu)以優(yōu)化太陽光的利用。其它實施方案涉及設(shè)計光生物反應(yīng)器系 統(tǒng)的元件以優(yōu)化系統(tǒng)的溫度控制，使藻類的密度和產(chǎn)出率最大化，并使光 生物反應(yīng)器的組成材料、結(jié)構(gòu)以及運行的成本最低化。
背景技術(shù)：
對化石燃料至電力傳輸和電網(wǎng)的依賴正引起多重的并發(fā)的能源危機。 煤、石油和天然氣造成全球變暖和氣候變化，同時造成地緣政治的不穩(wěn)定 和能源的不安全。為了解決這些問題，近來很多發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家已 經(jīng)轉(zhuǎn)向生物燃料。
遺憾的是，從植物來源獲得生物燃料呈現(xiàn)其窘境。種植任一英畝的能 源作物有可能排擠一英畝的糧食作物，這轉(zhuǎn)而引起了基本的主要糧食的價 格上漲。農(nóng)業(yè)使用了可觀數(shù)量的能源，其中很多以化石燃料的形式供給， 因而降低了生物燃料作物的總的碳平衡。此外，大多數(shù)的能源作物的產(chǎn)出 率相當(dāng)?shù)汀?一英畝玉米每年僅僅產(chǎn)出大約350加侖乙醇， 一英畝大豆每年 可以產(chǎn)出大約50加侖生物柴油。最后，使用農(nóng)業(yè)邊緣土地種植能源作物則 由于缺少能夠支持作物生長的足夠的水而受到限制。需要將這樣的能源作物轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的能源基礎(chǔ)設(shè)施其能夠在另外 不常用的土地上有效地種植，同時能源輸入最小。傳統(tǒng)的陸地作物不能提 供全面的解決方案。但是，微藻有希望解決生物燃料的各限制因素。封閉 系統(tǒng)的光生物反應(yīng)器可以設(shè)置在其他不常用的土地上，其可以降低與糧食 作物的競爭并將蒸發(fā)導(dǎo)致的失水降至最低。按照規(guī)模而言，藻類的生物燃
料的產(chǎn)出率潛在地超過了土壤植物的產(chǎn)出率(參見，例如，Natl. Renewable Energy Laboratory, "A Look Back at the U.S. Department of Energy's Aquatic Species Program: Biodiesel from Algae," NREL/TP-580- 24190， July 1998)。
藻類細(xì)胞的生長能夠快速地取代其所汲取的養(yǎng)料，有希望一年收割一次。 作為額外的好處，微藻能夠利用化石燃料發(fā)電廠的富含二氧化碳的煙氣以 及其它的工業(yè)廢氣，因此降低了從發(fā)電廠、啤酒廠、葡萄酒廠等排到大氣 中的溫室氣體的數(shù)量。
就目前情況而言，尚未有為生產(chǎn)生物燃料目的而建造的商業(yè)規(guī)模的微 藻農(nóng)場。傳統(tǒng)的工業(yè)光生物反應(yīng)器尚未能重復(fù)出實驗室規(guī)模的光生物反應(yīng) 器所能達(dá)到的高細(xì)胞密度。為了在與石油可競爭的基礎(chǔ)上生產(chǎn)微藻能源作 物，必須在光生物反應(yīng)器內(nèi)種植極高密度的培養(yǎng)物，其可最大限度地利用 可用的太陽光。此外，必須使用于建造這些光生物反應(yīng)器的材料成本合算。 傳統(tǒng)封閉的光生物反應(yīng)器由昂貴的玻璃和鋼組件以及復(fù)雜的水泵和流量分 配系統(tǒng)制成，其將不能實現(xiàn)堪與化石燃料競爭的生物原油成本目標(biāo)。此類 系統(tǒng)在從實驗室規(guī)模裝置到商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的規(guī)模放大方面也不佳(例如， Grima et al.， J. Applied Phycology 12:355-68, 2000)。本領(lǐng)域需要經(jīng)濟有效的 封閉系統(tǒng)的光生物反應(yīng)器，其能夠種植高密度的藻類培養(yǎng)物，其設(shè)計能夠 優(yōu)化太陽光的利用，并且能夠生產(chǎn)出堪與化石燃料競爭的價格水準(zhǔn)的生物 燃料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供用于經(jīng)濟有效的封閉系統(tǒng)的光生物反應(yīng)器的方法、裝 置和組合物，滿足了本領(lǐng)域尚未解決的需求，所述光生物反應(yīng)器能夠種植 高密度的藻類培養(yǎng)物，其設(shè)計能夠優(yōu)化太陽光的利用，并且能夠生產(chǎn)出堪 與化石燃料成本競爭的生物燃料。該光生物反應(yīng)器還可以用于生產(chǎn)除燃料
8之外的其它產(chǎn)品，例如蛋白質(zhì)、淀粉、其它碳水化合物、維生素、類胡蘿 卜素、葉黃素以及纖維素基材料。
下面將詳細(xì)討論一些實施方案，其關(guān)于改進(jìn)的漫射光可擴展表面積水 支撐式光生物反應(yīng)器的設(shè)計。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到，在此公開的設(shè) 計可以被修改以優(yōu)化系統(tǒng)的特定特征，并且所有這些修改被認(rèn)為在本發(fā)明 的范圍之內(nèi)。
在諸多實施方案中，光生物反應(yīng)器可以包含一個或多個封閉的光生物 反應(yīng)器腔室。優(yōu)選地，該腔室由廉價的柔性塑料薄膜組成，所述塑料薄膜 例如可以熱焊接在一起以形成密封的腔室。連接的方式并不限制，并且可 以使用其它已知的連接方法，例如使用粘結(jié)劑。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，考慮 了各種各樣的腔室的設(shè)計。然而，在優(yōu)選的設(shè)計中，所述腔室包含一系列 管狀結(jié)構(gòu)，其在頂部和底部連接以形成連續(xù)的腔室。該管狀結(jié)構(gòu)可以排成 大體上平行的陣列，并且單個管從頂部到底部可以是垂直的或者可選地， 可以是傾斜的(半垂直)。光生物反應(yīng)器內(nèi)的管狀元件的排列和腔室的排 列優(yōu)選這樣的設(shè)計使得管內(nèi)的藻類對漫射的太陽光的暴露最大化。
可選的設(shè)計可以包含平行的薄片，所述薄片以熱焊接或者不同地，以 一系列的點焊接相互連接，所述點焊接其可以以相鄰的列交錯狀排列。薄 片之間的內(nèi)部空間形成了腔室，所述腔室容許流體和空氣泡圍繞點焊接循 環(huán)。
在其它優(yōu)選的實施方案中，光生物反應(yīng)器的腔室可以在其底部包含一 個或多個塑料薄膜空氣管。可以設(shè)計空氣管以將小直徑的空氣泡注入腔室 內(nèi)的藻類生長培養(yǎng)基中。所述空氣泡可以具有多重功能，例如連續(xù)混合腔 室的內(nèi)含物質(zhì)，提供C02氣體以支持藻類生長，以及清潔腔室的塑料表面 以使藻類或其它生物污垢的粘附最小化。該清潔腔室表面的機制還將增加 透過表面的光線透射，并在環(huán)境光線條件下提高光合成的效率。
在更優(yōu)選的實施方案中，可以將該光生物反應(yīng)器腔室浸入到水池中， 以提供對腔室結(jié)構(gòu)的支撐并改善腔室內(nèi)流體的熱調(diào)節(jié)。在一些實施方案中， 水池的加熱或者冷卻例如可以通過這樣的方式將冷卻水循環(huán)通過水池、 將熱泵機組連接至水池、將熱煙氣或熱水循環(huán)通過水池、或者易于加熱或冷卻液體的其它任何已知的方法。此外，水池內(nèi)大量的水本身作為散熱介 質(zhì)將會起到調(diào)節(jié)溫度日變化的作用。在優(yōu)選的實施方案中，水池本身例如 可以封閉在塑料覆蓋物中以減少水池的水汽蒸發(fā)。
在一些實施方案中，該光生物反應(yīng)器腔室可以在腔室的頂部包含一個 或多個氣袋。例如，在管狀設(shè)計中，沿著腔室頂部敷設(shè)并連續(xù)附有垂直或 半垂直排列管件的管子，可以含有空氣。該氣袋可以用來收集因藻類光合 作用產(chǎn)生的氧氣。優(yōu)選地，可以將收集的氧氣提供給附近的發(fā)電廠，例如
在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)工藝中以提高燃燒效率。如前面所述，該 氣袋還可以用于收集過量的C02和/或其它氣體，所述氣體可能穿過管子中 的液體培養(yǎng)基。此外，通過向腔室提供浮力，腔室頂部的氣道將進(jìn)一步支 撐在該水池中的腔室結(jié)構(gòu)。
還有其它的實施方案，其包含的機制是泵送或其它方式，所述方式使 藻類和生長培養(yǎng)基循環(huán)通過光生物反應(yīng)器腔室。下文描述了以低剪切空氣 置換泵方式，但不限于該方式的優(yōu)選泵送機制。
在諸多實施方案中，可以使用一些分系統(tǒng)以連續(xù)監(jiān)視和提高光生物反 應(yīng)器的性能?？梢允褂萌魏我阎募夹g(shù)，例如可商購的探測器、電極、其 它傳感設(shè)備以及一體化的計算機控制系統(tǒng)，來監(jiān)視各種內(nèi)部和外部條件， 例如環(huán)境和光生物反應(yīng)器腔室的溫度、太陽輻射、生長培養(yǎng)基的pH、藻類 細(xì)胞密度、生長培養(yǎng)基中各種養(yǎng)分和所產(chǎn)廢物的濃度、以及任何其它狀況。 優(yōu)選地，可以將光生物反應(yīng)器條件的連續(xù)監(jiān)視提供給遠(yuǎn)程，例如，將實時 監(jiān)視數(shù)據(jù)提供到互聯(lián)網(wǎng)上。諸如加熱、冷卻、遮光、pH調(diào)節(jié)、養(yǎng)分輸入、 C02流量、以及各種其它支持功能的反饋計算機控制機制，可以自動地調(diào)節(jié) 或者可選地可通過操作員控制，。
藻類含有用于合成生物柴油、乙醇或其它生物燃料的脂質(zhì)和/或碳水化 合物?？梢酝ㄟ^一些可選的方法從光生物反應(yīng)器中收獲或收集藻類。在一 些實施方案中，可以使用連續(xù)作業(yè)收獲系統(tǒng)，其中將腔室中藻類被選中的 部分不斷地從系統(tǒng)中移除。在其它的實施方案中，可以使用批處理系統(tǒng)收 集藻類?？梢允褂枚喾N已知的技術(shù)將藻類從生長培養(yǎng)基中分離，例如使用 連續(xù)作業(yè)離心和/或過濾系統(tǒng)。在諸多實施方案中，在收獲之前為了進(jìn)行各種處理，可以將高密度的藻類培養(yǎng)物分流至單獨的腔室或者池槽。例如，
可以在收獲之前使藻類受到一些環(huán)境沖擊(溫度、pH、光、鹽度、 一定濃 度的一種或多種化學(xué)物質(zhì)或調(diào)節(jié)性化合物)以增加脂質(zhì)產(chǎn)量。 一種簡單的
間接激發(fā)脂質(zhì)產(chǎn)量的方法是通過C02控制pH，使藻類生長至最大的細(xì)胞 密度，然后在培養(yǎng)基中的氮耗盡之后停止C02控制。
可以在該光生物反應(yīng)器中種植任何已知種類的藻類或光合微生物。在
優(yōu)選的實施方案中，可以單獨地種植以下微生物種類或其混合物司西四
鞭毛藻(re&ase/m/swec/c(3)， UTEX 2286和NREL/Hawaii TETRA 01 ，大四 鞭毛藻(r欲ose/附/s c/zw//)，目艮點微擬球藻(iVa朋oc/z/oro/M/s ocw/ato) UTEX 2164， CCMP525,微擬球藻屬(7Va""oc似ora戸/"p.) UTEX 2341，鹽生微擬 球藻(7V ""oc/^/orapw;s1^//"fl)NANNO01 NREL/Hawaii， CCMP 1776、 1777、 1776，海水小球藻(CWoM〃a sa/Z"a) SAG 8.86，原殼小球藻(C7z/w^/a UTEX 25，橢圓小球藻(C/2/0re〃a e仏^sozVfea) UTEX 20或杜 氏鹽藻(Z)M"^W/a feW/o/ecto)的幾個品系(UTEX LB999, DCCBC5， ATCC 30929)以及鹽生杜氏藻(/^加/^^^//"力?？梢灶A(yù)料，根據(jù)環(huán)境溫度、光強 度、海拔、季節(jié)、地理位置、水礦化度或其它因素，可以選擇不同的藻類 品種進(jìn)行種植。
一些實施方案涉及將藻類組分轉(zhuǎn)化為生物燃料的方法、組合物和/或裝 置。本發(fā)明并不限于生產(chǎn)生物燃料的任何特定技術(shù)，本發(fā)明可以利用任何 已知的從藻類脂質(zhì)、碳水化合物或其它組分生產(chǎn)生物燃料的方法。(參見， 例如美國專禾U Nos. 5,354,878; 6,015,440; 6,712,867; 6,768,015; 6,822,105; 6,979,426以及7,135,308。)在一個示例性實施方案中，如MarkT. Machacek 和Thomas Gordon Smith的序列號為60/952,443的臨時專利申請(題目為 "Continuous Algal Biodiesel Production Facility",于2007年7月27日提交) 所公開，可以在不進(jìn)行藻類脂質(zhì)初步分離或提取的情況下將藻類的甘油三 酯轉(zhuǎn)化為生物燃料，該臨時專利申請的內(nèi)容在此以引用的方式并入。


下面的附圖構(gòu)成本說明書的一部分，其包含在本說明書中用以進(jìn)一步 說明本發(fā)明的某些方面。參照這些附圖中的一個或多個，并結(jié)合在此提供
11的具體實施方案的詳細(xì)描述，可以更好地理解本發(fā)明。 圖1是光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖。
圖2是光生物反應(yīng)器腔室的構(gòu)建——將兩片塑料薄膜連同塑料薄膜的 空氣管部分連接在一起。
圖3 (A)焊管機和(B)得到的焊接圖案
圖4 (A)交錯焊接機，(B)得到的焊接圖案和(C)放大的部分。 圖5 (A)隔板孔位置示意圖，(B)板孔閉合和(C)隔板閉合。 圖6終端立焊位置 圖7進(jìn)氣硬塑料管和插入操作
圖8圍繞光生物反應(yīng)器腔室的四邊的多余塑料的切除 圖9將兩個氣袋熱焊接至頂部的示意圖
圖IO不同的支撐系統(tǒng)的示意圖(A)線，(B)土堤，(C)內(nèi)部框架， (D)氣囊結(jié)構(gòu)
圖11在可選的氣袋設(shè)計中的單個的三角形光生物反應(yīng)器腔室的橫截面 圖12具有直管設(shè)計的光生物反應(yīng)器腔室
圖13 (A)連接至外部水池底部的垂直的光生物反應(yīng)器腔室的橫截面， (B)能夠連接至外部水池底部的垂直的光生物反應(yīng)器腔室的焊接示意圖。 圖14微坑狀光生物反應(yīng)器腔室設(shè)計圖解。
具體實施方案
在此所用的"一種"可以表示一個或多于一個物品。 在此所用的"和"和"或"可以指合取的或分開的，即是指"和域"。 在此所用的"大約"表示在數(shù)值的正負(fù)10%以內(nèi)。例如，"大約IOO"是指
在90和110之間的任何數(shù)字。 光生物反應(yīng)器
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，在此以及下文中討論的方法、組合物和裝 置僅僅是示例性的，并不意味著對所要求保護主題的范圍進(jìn)行限制。具體 而言，任何的尺寸、濃度、成分、時間、溫度和/或其它數(shù)字或數(shù)值僅僅是 示例性的，并且可以理解，在實施本發(fā)明時，在所要求保護主題的范圍內(nèi)， 可以使用每一個的可選的值。本發(fā)明的諸多實施方案涉及高擴展性的、低成本的光生物反應(yīng)器，其 設(shè)計用以高密度種植光合微生物。在具體的實施方案中，該光合微生物是 微藻。高密度的藻類培養(yǎng)容許經(jīng)濟地生產(chǎn)生物燃料，其成本堪與石油基運 輸燃料競爭。通過使暴露于漫射光的表面最大化，最有效地利用到達(dá)光生 物反應(yīng)器表面的光線。通過將整個光生物反應(yīng)器腔室浸入到水池中，可以 使用廉價的柔性塑料，其結(jié)構(gòu)將受到外部水的支撐以及光生物反應(yīng)器腔室 頂部內(nèi)側(cè)的正向浮力的空氣室的支撐。通過將分配氣泡的空氣分布器建在 塑料薄膜型光生物反應(yīng)器中，生成紊流以混合光生物反應(yīng)器腔室的內(nèi)含物， 并使暴露于光線的藻類細(xì)胞的數(shù)目最大化。
圖1示出了示例性的封閉的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。封閉的光生物反應(yīng)器
腔室(110)被水池(115)環(huán)繞。可以通過加熱系統(tǒng)(120)或冷卻系統(tǒng)(125) 主動加熱和冷卻水池(115)中的水以保持某一溫度范圍，或者通過位于控 制箱(130)中的控制器來設(shè)定某一溫度?？梢宰C明，以這種方式主動維持 溫度是能源密集型的，并且可以使用下文中所討論的交替的加熱和冷卻機 制。通過使用低剪切泵(135)，可以使光生物反應(yīng)器腔室(110)內(nèi)的光 合微生物循環(huán)通過光生物反應(yīng)器腔室。多個光生物反應(yīng)器腔室中的流體全 部流入一個公用集箱(140)，該公用集箱通過重力的方式將其供給低剪切 泵的入口。然后低剪切泵的出口將流體引導(dǎo)通過過濾系統(tǒng)(145)。在這個 位置，可以將代謝產(chǎn)物、細(xì)菌等從藻類培養(yǎng)物中除去以保持培養(yǎng)物的整體 健康。在藻類培養(yǎng)物流入另一個公用集箱(150)之前，其經(jīng)過一個接合處， 該接合處將通過培養(yǎng)基混合站(155)向藻類液流提供新鮮的培養(yǎng)基。這補 充了過濾處理(145)期間可能已經(jīng)損耗的任何流體，以維持光生物反應(yīng)器 中恒定的體積。然后藻類培養(yǎng)物再次進(jìn)入封閉的光生物反應(yīng)器腔室(110)。 在公用空氣集箱(170)中還有經(jīng)過濾的空氣源(160)連同經(jīng)過濾的C02 源(165)?？梢酝ㄟ^焊接至光生物反應(yīng)器腔室底部的薄膜管的方式，將該 空氣/C02混合物沿著封閉的光生物反應(yīng)器腔室的整個長度輸送。該薄膜管 具有多個切入或穿入的孔，該孔容許氣泡形成，由此將該氣體混合物傳送 至藻類培養(yǎng)基。通過壓力調(diào)節(jié)器(175)來調(diào)節(jié)鼓泡氣體引起的封閉的光生 物反應(yīng)器腔室中的壓力。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，圖1所公開的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)涉及一個優(yōu)選的實施方案，在要求保護主題的范圍內(nèi)，可以使 用該光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的其它等同組件和排列。 光生物反應(yīng)器腔室
將在該系統(tǒng)中生長的光合微生物保持在一個封閉的光生物反應(yīng)器腔室 內(nèi)。在優(yōu)選的實施方案中，該腔室包含通過熱焊接固定在一起的兩片柔性 的塑料薄膜。其還可以包含塑料薄膜管。盡管該光生物反應(yīng)器腔室的尺寸
可以變化，一個非限制性腔室尺寸的例子是內(nèi)部高度66厘米并且長度為100 米。下面的實施例1提供了示例性光生物反應(yīng)器腔室的額外的細(xì)節(jié)。
如實施例1中所討論， 一個示例性的光生物反應(yīng)器腔室可以包含一系 列的連續(xù)的管子，其在頂部和底部連接在一起并相互大致平行地排列。在 不同的實施方案中，該管子可以與地面以一個角度傾斜，或者可選地，大 體垂直。該腔室還可以在腔室的底部包含一個空氣管，可以設(shè)計該空氣管 以向那些管子提供連續(xù)的小直徑鼓泡流。優(yōu)選地，所述鼓泡向培養(yǎng)基提供 二氧化碳并且所述鼓泡可以包含富含C02的氣體，例如發(fā)電廠的煙氣。將 鼓泡引入到管子中還可以起到擦洗管子內(nèi)側(cè)的作用，以使干擾光穿透至生 長培養(yǎng)基的藻類或其它生物薄膜物質(zhì)的附著，達(dá)到最小化。
在優(yōu)選的實施方案中，可以將腔室浸入水池中以提供改善的熱調(diào)節(jié)和 對腔室結(jié)構(gòu)的浮力支撐?？梢酝ㄟ^位于腔室頂部的一個或多個氣袋提供額 外的結(jié)構(gòu)支撐?？梢蕴峁┻M(jìn)一步的壓力以增加管子內(nèi)部的壓力。通過空氣 管在腔室的底部引入的空氣泡連同光合作用產(chǎn)生的氧氣，將上升并聚集在 腔室的頂部。因此，在白天，腔室頂部的空氣富含氧氣，并且可以收集并 用于提高例如IGCC工廠的燃燒效率。在更優(yōu)選的實施方案中，如實施例1 中所描述，光生物反應(yīng)器腔室可以成對地附在一起。成對的腔室以相互間 成一定角度排列(圖IO)，為光生物反應(yīng)器系統(tǒng)提供進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)支撐。
泵和過濾器
當(dāng)連接至整體的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)時，可以將培養(yǎng)基出口管連接至低 剪切泵。本領(lǐng)域中已知有各種實例的低剪切泵，例如排氣泵、隔膜泵、容 積泵和離心泵，并且它們可以從商業(yè)來源獲得(例如，Wanner Engineering, Minneapolis, MN; PendoTech, Princeton^ NJ; Levitronix, Waltham, MA; Graco,Minneapolis, MN)。
可以將低剪切橫流膜式過濾器，連接至泵的生長培養(yǎng)基的出口管。該 過濾器將細(xì)胞(濾渣)與生長培養(yǎng)基(濾液)分離。通過過濾器上的空氣 泵生產(chǎn)真空，由此將生長培養(yǎng)基吸進(jìn)過濾室。液泵沿著過濾室的橫軸產(chǎn)生 一個壓力差，將濾過膜跨越該軸設(shè)置。這提供了產(chǎn)生低剪切培養(yǎng)基過濾單 元的機理；所述過濾單元不會傷害生長在光生物反應(yīng)器中光合微生物的脆 弱細(xì)胞膜或細(xì)胞壁。盡管可以將系統(tǒng)設(shè)為在24小時期間過濾多達(dá)100%的 培養(yǎng)基，但在任何給定的時間內(nèi)，只有一小部分生長培養(yǎng)基被過濾。將根 據(jù)如下因素設(shè)定過濾單元的實際流速將要種植在光生物反應(yīng)器中的所需 光合微生物的物種和/或品系容許的剪切應(yīng)力水平、具體藻類物種的生長速 率以及所選的藻類細(xì)胞的收獲速率。
一旦濾出光生物反應(yīng)器，可以將生長培養(yǎng)基傳送至循環(huán)室，在此將其 消毒并將其輸送通過一個過濾器，以除去任何否則可能傷害培養(yǎng)物生長的 顆粒。在重新添加到光生物反應(yīng)器腔室之前，可以向該使用過的生長培養(yǎng) 基中補給耗盡的養(yǎng)分。
對整個過濾/培養(yǎng)基循環(huán)單元進(jìn)行設(shè)定，使循環(huán)培養(yǎng)基的再注入與培養(yǎng) 基的濾出速率相同，由此維持光生物反應(yīng)器腔室單元內(nèi)的恒定的流體水平。
光生物反應(yīng)器腔室單元的排列
可以將上述題為"光生物反應(yīng)器腔室"部分所描述的每一個光生物反應(yīng) 器腔室單元，在其頂部與一個相同并鄰近的光生物反應(yīng)器腔室單元連接， 在其底部與另一個相同并鄰近的光生物反應(yīng)器腔室單元連接?？梢詫⒃撨B 接的腔室單元設(shè)置一個角度。由此頂部相互固定的兩個腔室單元，其橫截 面視圖類似于一個三角形(圖9)，并且該三角形的頂點是連接的頂部。
可以通過在每一個光生物反應(yīng)器腔室單元頂部存在的氣袋，以及通過 其它方法的物理支撐(例如通過腔室內(nèi)可調(diào)節(jié)的壓力提供的室壁的張力)， 維持光生物反應(yīng)器腔室形狀結(jié)構(gòu)。 一個非限定性的示例性支撐方法包含， 從光生物反應(yīng)器的一端至另一端的繃緊的金屬線(圖10A)。另一個非限 定性的例子是制作一個土堤，將每一個腔室單元依附其安置(圖10B)。 另一個非限定性的例子是放置一個三角形框架(圖10C)，其由金屬、熱固塑料、混凝土、磚或本領(lǐng)域己知的任何其它材料構(gòu)成，將光生物反應(yīng)器 腔室單元依附其安置。另一個非限定性的例子是在頂部連接的兩個光生物
反應(yīng)器的頂點下面放置一個封閉管(圖10D)，其由塑料薄膜構(gòu)成，并充 滿空氣。
通過以一個角度放置光生物反應(yīng)器腔室單元，該光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的 有效光合作用表面積將超出系統(tǒng)安裝給定的占地面積數(shù)量。在一個非限定 性的實施方案中，將光生物反應(yīng)器腔室單元以與地面60至90度的角度放 置，由此可以超出給定的地表面積。通過將表面積擴展至上面所述的程度， 由此該光生物反應(yīng)器能夠種植的生物量顯著多于相同數(shù)量土地上的平板反 應(yīng)器所能夠種植的生物量。
通過調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器腔室單元角度而擴展表面積的一個必然的結(jié)果 是，光線變得更加發(fā)散，這是因為光線以非直射的角度透過腔室單元。這 有助于微藻的生長，因為對于支持光合作用而言，漫射光系統(tǒng)通常比集中 的直射光更有效(例如，Alton et al., Global Change Biology, 12:776-87, 2007; Smart, J. Applied Ecology, 11 :997-1006; 1974)。此外，由于光的漫射，光 抑制現(xiàn)象(其中作為對過量的直射光的反應(yīng)，光合作用和生長被關(guān)閉)下 降。
水池
可以將排列成角度的光生物反應(yīng)器腔室單元與水池接觸放置。在一個 非限定性的例子中，將光生物反應(yīng)器腔室浸入水池，以使外部水充滿圍繞
光生物反應(yīng)器腔室單元的空間。該外部水池起到數(shù)個作用，包括溫度調(diào) 節(jié)、對光生物反應(yīng)器腔室單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)支撐、或光漫射。
外部圍墻可以圍繞整個光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，以使外部水池被包含在其 中。用于圍墻的一種示例性的非限定性材料可以是夯土，盡管可以使用本 領(lǐng)域己知的任何其它材料(包括但不限于，木材、混凝土、水泥、磚、熱 固塑料或金屬)。
一旦完成圍墻和水池造景，可以使用底襯以覆蓋光生物反應(yīng)器范圍內(nèi) 的全部地表，以防止水從水池至地面被吸收。用于底襯的一個非限定性的 示例性材料可以是塑料薄膜，盡管可以使用任何其它的己知材料，例如混凝土、水泥、熱固塑料、金屬或密封的粘土。
可以將殺菌劑化合物添加到外部池水中，以確保污染的藻類、細(xì)菌、 真菌或微生物物種不侵染外部水體，并因此降低其光學(xué)透明度?？蛇x地， 可以使外部水池中的水通過高流速、高剪切的過濾單元過濾，以除去任何 污染微生物。
溫度控制
外部水池中的水提供了熱質(zhì)，其有助于光生物反應(yīng)器腔室保持在一個 恒定的溫度范圍，所述溫度范圍是生長在光生物反應(yīng)器系統(tǒng)中的光合微生 物的物種和品系的最適溫度范圍。為了加熱水，可以將來自附近的工業(yè)熱 源(例如發(fā)電廠或工廠)的低級的廢熱加至外部水池。也可以使用外部加 熱系統(tǒng)直接將水加熱，所述外部加熱系統(tǒng)使水在加熱器和外部水池之間循 環(huán)。 一個冷卻水池中的水的選擇，可以是從既存的水體(例如湖泊、河流 或海洋)抽取冷水。將新鮮較冷的水加至外部水池，將水池中較暖的水放 回至水體中。
一個既加熱又冷卻外部池水的非限定性的方法可以是使之穿過管道，
所述管道在光生物反應(yīng)器系統(tǒng)下面、在距地表下方4英尺至400英尺的水 平面處進(jìn)行挖掘。該范圍內(nèi)的土壤的溫度通常大約為57華氏度。該系統(tǒng)可 以既用于在熱天使水冷卻，當(dāng)環(huán)境溫度變得極低時又可以使水變暖?？蛇x 地，可以將熱泵連接至光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，使用地溫差作為散熱器。
可以向該光生物反應(yīng)器系統(tǒng)添加一個覆蓋外部水池和光生物反應(yīng)器腔 室單元的塑料頂層。該頂層包含一層相對薄的塑料薄膜。通過添加該頂層， 將水分蒸發(fā)損耗降至最低。該頂層可以包含兩層密封在一起的塑料薄膜， 其可以充有熱空氣或冷空氣而作為整個系統(tǒng)熱調(diào)節(jié)的方法。此外，該空氣 可以包含染料或煙幕，通過空氣的變色可以減少從大氣空氣到光生物反應(yīng) 器系統(tǒng)的熱傳遞。
所述頂層還可以浸漬有染料或其它添加劑，其阻擋光譜中的紫外線部 分，減少紫外線引起的光合微生物和光生物反應(yīng)器腔室單元中塑料薄膜的 損傷。可選地，所述頂層可以包含涂層或浸漬有染料或其它添加劑，其可 使光譜的光合作用的無效部分(例如綠光)的波長位移至光合作用有效的光波部分(紅光或藍(lán)光)。所述頂層還可以包含另外的涂層或浸漬有添加 劑，其可阻擋紅外輻射以減少從陽光中進(jìn)入該系統(tǒng)的熱量。
在某些實施方案中，可以在水池的底部放置葉輪系統(tǒng)?？梢韵蛩刑?加膠體物質(zhì)，允許其沉淀至池底。當(dāng)太陽到達(dá)最高點時，可以起動葉輪以 在池水中產(chǎn)生紊流，由此使膠體物質(zhì)懸浮。然后該物質(zhì)慢慢絮凝，因此阻 擋了一些一天中最亮部分的太陽光，由此減少了來自過量的直射太陽光和/ 或熱量對藻類或光生物反應(yīng)器材料的損傷。該膠體物質(zhì)可以包含，例如， 紅粘土，其可最大限度地反射光譜中紅外部分的光線。以這種方式通過最 小化能量輸入，可以將正午高溫的不利影響降至最小化。
控制器和傳感器
在優(yōu)選的實施方案中，可以在光生物反應(yīng)器腔室單元每一端的傳感器 接口處設(shè)置多種傳感器，其可監(jiān)視能夠影響藻類生長的各種不同環(huán)境條件。 所用傳感器可以包括溶解二氧化碳傳感器、溶解氧傳感器、流體溫度傳 感器、圖像捕捉單元、pH傳感器、分光光度測定濁度傳感器、電導(dǎo)傳感器、 溶解固體傳感器、以及熒光傳感器。該傳感器清單并非是排他的，可以使 用本領(lǐng)域己知的其它傳感器。此類已知的傳感器可以監(jiān)視，例如，鹽度或 者各種離子種類(例如鈣離子、鎂離子、磷酸根、鈉離子、鉀離子、氯離 子、硝酸根等)的濃度。
傳感器可以將數(shù)據(jù)傳輸至中央計算機控制單元，所述中央計算機控制 單元可提供即時的環(huán)境測量。針對給定的環(huán)境測量，可以調(diào)節(jié)光生物反應(yīng) 器的各種輸入(例如生長培養(yǎng)基、二氧化碳、其它養(yǎng)分、氣壓、泵流量、 酸性或堿性溶液)。例如，當(dāng)pH水平升至不是最適于光合微生物生長的堿 性水平時，可以向空氣流中添加二氧化碳以使生長培養(yǎng)基更具酸性?；蛘?， 可以通過減少C02輸入或通過向培養(yǎng)基中添加堿基物質(zhì)，來調(diào)節(jié)過度的酸 性。
泵入封閉的空氣管和作為通過光生物反應(yīng)器腔室單元的鼓泡的空氣， 可以包含氮氣、環(huán)境空氣、二氧化碳、來自工業(yè)生產(chǎn)的廢氣、固定的燃燒 室的燃燒排氣、發(fā)電廠的煙氣、或任何其它可選的氣體來源。可以根據(jù)所 選擇的在光生物反應(yīng)器系統(tǒng)中種植的光合微生物確定氣體的比例、壓力、和預(yù)處理。從光生物反應(yīng)器腔室單元泵出的排氣含有高濃度的氧氣，可以 儲存于外部的容器中。可以將氧氣收集并出售給其它的工業(yè)生產(chǎn)(例如
IGCC)使用。
可選的光生物反應(yīng)器腔室設(shè)計
在可選的實施方案中，光生物反應(yīng)器腔室可以包含兩層柔性塑料，例 如聚乙烯?？梢詫⑸蠈诱郫B成類似波紋的形狀("手風(fēng)琴風(fēng)格")。塑料中的 每一個折疊是一個單獨的光生物反應(yīng)器腔室(圖11)。通過將兩層熱焊接 在一起(盡管可以使用本領(lǐng)域中已知的連接塑料薄片的任何其它方法)， 可以將折疊的頂層連接至塑料底層。從剖視圖來看，這產(chǎn)生了一系列連接 至塑料底層的突起(圖11)。 一旦充滿生長培養(yǎng)基并外部環(huán)繞有液體，該 突起呈大致的三角形，其由于外部和內(nèi)部液體區(qū)域的壓力相等而保持相對 剛性。根據(jù)所用材料和根據(jù)具體位置和物種所選的尺寸，其它可以形成的 可能的形狀是矩形、直線形、梯形、圓頂形和拱形。此外，由于氣袋的浮 力，位于每一個光生物反應(yīng)器部分的指狀物或者伸長物上面的氣隙，為結(jié) 構(gòu)提供了向上的張力。
根據(jù)具體位置的環(huán)境條件和所選的藻類或藍(lán)細(xì)菌種類，可以改變光生 物反應(yīng)器的尺寸。下面給出了用于設(shè)置在沙漠或其它干旱地區(qū)的示例性尺 寸，其中例如，所種植的物種是微擬球藻屬(AAfl""oc/z/orap^手)，眼點微 擬球藻(/Va朋oc/z/ora/ ^ ocw/ata),鹽生微擬球藻(A^""oc/ /ora戸/s 司西四鞭毛藻(r欲ose/脂S swec/ca)，大四鞭毛藻(7^raye/w/s c/zw//),原殼小 球藻(C7 /o 〃a / ratoAecozVfes)禾B橢圓小球藻(C/z/ore〃a e仏;^yo/cfea)以及木土氏 鹽藻(/^加/&//" teW/o/ecto)的幾個品系。每一個光生物反應(yīng)器腔室的高度為 8英尺(包含1英寸的氣隙高度和7英寸的光生物反應(yīng)器液體高度)，底部 寬度為2英寸并且長度為100米。在該設(shè)計中，相鄰的指狀光生物反應(yīng)器 的焊縫相互接觸，并且逐漸變窄，從指狀物的底部2英寸至頂部1英寸。 因此該光生物反應(yīng)器腔室，截面呈三角形。
如圖12所示， 一個光生物反應(yīng)器腔室設(shè)計的可選的實施方案是生成垂 直的管子焊接而非斜紋管子焊接。垂直設(shè)計還增加了光生物反應(yīng)器腔室整 體結(jié)構(gòu)的剛性。另一個光生物反應(yīng)器設(shè)計的可選的實施方案是制作一組塑料薄膜的光 生物反應(yīng)器腔室，其直立并垂直于外部水池的底面。通過包括但不限于焊 接、利用重力、利用塑鐵的方法，將這些腔室錨定至底面。這些腔室包含 兩層連接在一起的塑料薄膜，從而形成一個封閉的艙室。這些袋子上部的
空氣鼓泡的正向浮力，可使它們保持直立。為了水平擴展該設(shè)計，如圖13A 所示，將更多的光生物反應(yīng)器腔室，平行于第一個腔室放置成一排。
該設(shè)計的一個優(yōu)點是涉及的焊接數(shù)目較少，因此降低了焊接失敗的幾 率，并且降低了制造成本。如圖13B所示，除了腔室單元的頂部、底部和 側(cè)面的焊接，以及鼓泡空氣管頂部和底部的焊接，沿著腔袋長度，還有一 系列的間歇焊接。
如圖14所示，另一個光生物反應(yīng)器腔室設(shè)計的可選的實施方案是，將 兩片塑料薄膜的上部、下部和兩側(cè)連接在一起，并通過使用布滿腔袋表面 的交替點焊，使腔室具有剛性的結(jié)構(gòu)，同時產(chǎn)生微坑狀外觀。
該設(shè)計的另一個優(yōu)點是沒有管狀焊接，這容許培養(yǎng)物在光生物反應(yīng)器 系統(tǒng)內(nèi)的更大的分散。這又為微生物創(chuàng)造了更健康的生長環(huán)境。
該設(shè)計的運作類似于第一個實施方案中描述的腔室，盡管它們比第一 個實施方案中所述設(shè)計制成的長的斜管具有更少的焊接點。點焊微坑的設(shè) 置可以為上升氣泡的向上運動提供阻礙，因此增加了所述氣泡的停留時間， 并可優(yōu)化氣體交換，或者可選地，當(dāng)充有培養(yǎng)基時，其可用于控制腔室單 元的形狀。
設(shè)計在接種期間的優(yōu)點
在傳統(tǒng)的光生物反應(yīng)器設(shè)計中，接種過程可能遭遇種種問題。例如， 以少量的接種物開始培養(yǎng)導(dǎo)致所選的接種物種，被細(xì)菌、真菌、原生動物 或其它不需要的藻類物種勝出的幾率較大，或者可導(dǎo)致藻類繁殖期間最嚴(yán) 重的問題之一——光抑制。然而，以大量的接種物開始，需要很大的光生 物反應(yīng)器養(yǎng)殖場而顯著增加了系統(tǒng)的成本。
使用柔性光生物反應(yīng)器腔室的設(shè)計，可以在接種之前將光生物反應(yīng)器 腔室放氣，因此它們占據(jù)了較小的體積。在這種情況下，在系統(tǒng)中加入小 量的接種物，提供了所需藻類比例較大的起始濃度。隨著培養(yǎng)物生長和密
20度增加，可以向光生物反應(yīng)器腔室中添加額外的生長培養(yǎng)基。因此該光生 物反應(yīng)器腔室能夠隨著培養(yǎng)物生長而擴展。在其它的變形設(shè)計中，系統(tǒng)中 光生物反應(yīng)器腔室的數(shù)目可以隨著培養(yǎng)物的生長而增加。
這在早期的指數(shù)生長階段可能是重要的。生物群落的種群增長通常遵
循s形曲線，開始是遲滯期，此時它們逐步適應(yīng)新環(huán)境，接著是指數(shù)生長
期，之后是種群密度保持在相對恒定水平的平穩(wěn)期。在起始的遲滯期和指 數(shù)生長期的早期，培養(yǎng)物處于被細(xì)菌或其它不需要的物種在競爭中勝出的 高風(fēng)險。因此使用較小體積的反應(yīng)器開始接種過程，并且在培養(yǎng)物密度增 加時擴大體積，可以確保所需的物種在光生物反應(yīng)器中占據(jù)支配地位。一 旦實現(xiàn)了高密度，來自其它物種污染和競爭的風(fēng)險就相當(dāng)?shù)土?。此外，隨 著種群生長，光生物反應(yīng)器腔室的體積按比例擴大，也起到了延長指數(shù)生 長期和延緩平穩(wěn)期到來的作用，這可增加藻類培養(yǎng)物的產(chǎn)出率。類似地， 在生長階段將光生物反應(yīng)器腔室可每隔一段時間增加一次，以使生長曲線 隨著整個系統(tǒng)的加大，達(dá)到最大化。 光合微生物
該光生物反應(yīng)器系統(tǒng)設(shè)計為非物種依賴性?？梢哉{(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)置、構(gòu) 造、尺寸、子系統(tǒng)和容量，以容許多種光合微生物生長。 一個示例性的微
生物是屑^殼V、4e^;其是一種能夠在光養(yǎng)(光合的)和異養(yǎng)(以外部碳源 為生)模式之間轉(zhuǎn)換的非游動性綠藻。該微生物還具有在其細(xì)胞質(zhì)中積累 大量中性脂質(zhì)的能力，所述脂質(zhì)可以用作生物燃料生產(chǎn)的原料。但是，本 領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，多種藻類或其它光合微生物已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并被表征， 而且在可選的實施方案中，為了支持生物燃料的生產(chǎn)，任何此類的己知物
種都可以在光生物反應(yīng)器中種植。非限定性的示例性物種包括微擬球藻 屬(7Va""oc/z/ora戸/s sp.)、鹽生微擬球藻(A/a""oc/z/ora/M7's犯//"")、目艮點微擬 球藻(A^""oc/z/orap^ occw/ato)、司西四鞭毛藻(7^加<^/脂^ swe"'ca)、大四鞭 毛藻(7Wrase/m/s c/w//) 、 ■布朗葡萄藻(Bo"coccws 6rawm7)、 小球藻屬 (C/2/we//a平)、橢圓小球藻(C似OM〃" e〃z)wo/^")、浮水小球藻(02/0^//" emeraom7)、 微小小球藻(C7z/ore〃a w她"肌7wa)、 原殼小球藻(C7z/ore〃a 戶to^cozVfes)、蛋白核小球藻(C/z/ore〃ap戸wo/d畫)、海水小球藻(C72/or函■s<a//"a)、禾草小球藻(C7z/ore〃a soraA7.m.a—、普通小球藻(C7 /ore〃a vw/gar&)、 鹽生隱藻(C7zraowo"os犯/z'"a)、隱秘小環(huán)藻((^^/0&//" co^"ca)、小環(huán)藻屬 (Cyc/ote〃a平)、鹽生杜氏藻(￡)"""http://6〃" 5"/z'"a)、 巴氏杜氏藻(/)""<3//6〃" 6animW/)、杜氏鹽藻CDw"a/Ze〃a feWo/ecto)、纖細(xì)目艮蟲(五wg/e"a gracz7&)、尼 氏裸甲藻(Gymwod/w/wm we/sow/)、 雨生*工球藻(//"<36附<3^^0￡^"15 p/wv/a//《)、球 等鞭金藻(/50(^ ^>^/1 ga/6awa)、 d、單殼纟逢藻(^fo"ora/ /z/d/MW附/"wfw仿)、單殼 縫藻屬(M "orap/zWw附平)、微小綠藻屬(7Va""oc脇r/s平)、A^oc/z/o〃j c(/eoaZmw(i"m1藻、左彎菱形藻(iWfesc/z/a /aev/力、(9"ora/ /zWw附取藻、魯茲 帕夫藻(尸av/ova /wf/zeW)、三角褐指藻(/V (3eoabc^y/Mm Wcor"wf"m)、紫球藻 CPor/ /z_yrzV//ww cn/ewftwz)、 余斗生珊藻(5be"^feymw51 、 四尾珊藻
(iSce"^/as附M5《w(3(ir/caw/a)、棚藻屬(5be"ecfes附ws 骨條藻(5"^e/6^ "ewa)、 桿裂絲藻(5Wc/wcocciw 6"c/〃a〃;s)、鈍頂螺旋藻(6^/n^/"" p/atera/力、或者海 鏈藻(7Tz"/os^/oy/ra j/ .)。
在本領(lǐng)域中，已經(jīng)開發(fā)并己知有多種生長培養(yǎng)基，并且在各個實施方 案中，可以使用優(yōu)選最適于所選藻類或微生物物種的任何此類的已知生長 培養(yǎng)基。在一個示例性實施方案中，所用生長培養(yǎng)基為Guillard f/2培養(yǎng)基 的改進(jìn)型(Guillard， 1960， J. Protozool. 7:262-68; Guillard, 1975, In Smith and Chanley, Eds. Culture of Marine Invertegrate Animals, Plenum Press, New York; Guillard and Ryther， 1962， Can. J. Microbiol. 8:229-39)，其包含22 g/L NaCl, 16 g/L水方矣箱合成海鹽(Instant Ocean Aquarium Salt, Aquarium Systems Inc., Mentor, OH), 420 mg/L NaN03, 20 mg/L NaH2P04.H20, 4.36 mg/L Na2EDTA, 3.15 mg/L FeCl3.6H20, 180 pg/L MnCl2.4H20， 22 pg/L ZnS04.7H20， 10嗎/L CuS04.5H20, 10 (xg/L CoCl2.6H20, 6.3 10 pg/L Na2Mo04.2H20, 100 pg/L維生素Bl -HC1, 0.5嗎/L生物素以及0.5 (ig/L維 生素B12。用于種植微擬球藻屬(A^w20c/2/ora/w;s w.)、 ；^^"微擬球藻 (iVa""oc/z/ora/w/s ocw/"to)、鹽生微擬球藻(A^""oc/z/ora，'s sWwa)、 司西四 鞭毛藻(r掛ose/w^廳c/ca)、大四鞭毛藻(r掛ose/脂's c/m")、海水小球藻 (C/z/ore〃a m""g)、和杜氏鹽藻(Z)M"a/Ze〃a ter"o/ecto)幾個品系該培養(yǎng)物的培 養(yǎng)基，在一些情況下，添加有NaHC03或Tris緩沖液，有或沒有維生素，并且在某些情況下添加有KN03而非NaN03。其它用于培養(yǎng)藻類或其它微 生物的培養(yǎng)基組合物，是本領(lǐng)域中己知的(但不限于)(參見，例如，Provasoli et al, Archiv fUr Mikrobiologie 25:392-428, 1957; Harrison & Taylor, J. Phycol. 16:28-35, 1980; Keller et al.， J. Phycol. 23:633-38， 1987)。
可以在相同的單元或在低剪切過濾單元中，收獲在光生物反應(yīng)器中生 長的藻類或其它微生物，然后轉(zhuǎn)移至可暴露或不暴露于光線的單獨壓力反 應(yīng)器中?？梢詫⑦@樣的壓力生物反應(yīng)器放置在光生物反應(yīng)器腔室單元下面 的囊袋中，或者將其放置在光生物反應(yīng)器系統(tǒng)外部單獨的生物反應(yīng)器中。 在某些實施方案中，在收獲和轉(zhuǎn)化成生物燃料之前，可以將藻類或其它微 生物進(jìn)行增加脂質(zhì)產(chǎn)量的處理。例如，對于兼性的異養(yǎng)生物如原殼小球藻 (C/2/ow//flpratoAecwVfes)，可以將碳源底物(例如磨碎的干玉米或任何其它 經(jīng)濟的碳水化合物源)添加給細(xì)胞。該底物可剌激細(xì)胞內(nèi)中性脂質(zhì)的快速 形成，所述中性脂質(zhì)可以收集用于生物燃料的生產(chǎn)。在其它的情況下，可 以使藻類承受設(shè)計的環(huán)境壓力條件以提高脂質(zhì)產(chǎn)量，例如氮饑餓或處于其 它營養(yǎng)缺陷條件。根據(jù)所用培養(yǎng)基和施壓的藻類類型，耗盡的培養(yǎng)基中的 氮的數(shù)量可以在正常數(shù)量的0至75%內(nèi)變化。在可選的實施方案中，還可 以將二氧化碳的耗盡用于藻類施壓。對于不同的藻類，可以使用不同類型 的壓力因素或其組合以提高脂質(zhì)產(chǎn)量。
除了氮耗盡或短缺，有很多其它的壓力因素，例如光線、溫度、二 氧化碳、磷、鐵、NaCl、硫、硅、和鉬酸鹽。另一個實施方案是用含有受 限數(shù)量的含氮化合物的生長培養(yǎng)基，進(jìn)行培養(yǎng)基的循環(huán)和置換。例如，置 換生長培養(yǎng)基可以含有0至75%的任何值的含氮化合物，以誘導(dǎo)氮短缺狀 態(tài)從而用于脂質(zhì)生產(chǎn)和/或儲存油料積累。
當(dāng)使用含硝酸根(N03—)的化合物作為氮源時，實現(xiàn)氮短缺或氮饑餓 類似狀態(tài)的另一種方法是限制生長培養(yǎng)基中的鉬酸鹽。為了融入氨基酸等 有機化合物，NCV必須被還原為NH/。 N(V首先被硝酸鹽還原酶(NR)轉(zhuǎn) 化為亞硝酸根(N(V)，然后亞硝酸根(N(V)立即被亞硝酸鹽還原酶(MR) 轉(zhuǎn)化為銨離子(NH/)。鉬(Mo)是NR酶的輔助因子。鉬不足的一個結(jié) 果是NR酶的活性降低，以及由此導(dǎo)致氮短缺或饑餓。一個在生物反應(yīng)器中刺激藻類產(chǎn)油的簡單方法是種植例如司西四鞭毛
藻(7^raye/脂:s wec/ca)或不同品系的微擬球藻(A/aw"oc/2/ora戸&)等物種，它 們在生長時積累脂質(zhì)。另一個簡單的方法是，例如，在由C02控制pH的穩(wěn) 定狀態(tài)下種植這些物種。 一旦達(dá)到最大生長，不再提供額外的C02控制， 由此藻類產(chǎn)生可轉(zhuǎn)化為生物燃料的脂質(zhì)。上升的pH是脂質(zhì)生產(chǎn)的指針。該 程序可以在批量生產(chǎn)的一個單獨的階段完成?？蛇x地，其也可以是一個光 生物反應(yīng)器腔室中的連續(xù)或半連續(xù)生長的一個兩階段程序，并在其它的光 生物反應(yīng)器腔室中發(fā)生C02添加的中斷。脂質(zhì)的數(shù)量在0至80%之間變化。
另一個方法是通過沉降、絮凝或離心收獲并脫水藻類生物體，然后用 不同數(shù)量的氮或其它限制性因素進(jìn)行生長培養(yǎng)基的替換。
在諸多實施方案中，可以在光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)多種光合物種，每一 種在氣候和環(huán)境條件最適于其生長時，在培養(yǎng)物中占據(jù)支配地位。例如， 可以將微擬球藻屬或眼點微擬球藻或鹽生微擬球藻或司西四鞭毛藻或大四 鞭毛藻、以及海水小球藻一起培養(yǎng)。在太陽光照和環(huán)境溫度達(dá)到最大的夏 季月份，四鞭毛藻可以在培養(yǎng)物中占據(jù)支配地位。在較溫暖的秋季和春季 月份，海水小球藻可以在培養(yǎng)物中占據(jù)支配地位。在寒冷的冬季月份，微 擬球藻能夠在很低的溫度下繁榮生長，可以使其在與其它物種的競爭中勝 出。因此，每一個物種可以在一年中的所有時間存在，但是不同物種的比 例可以隨季節(jié)變化。
藻類的遺傳工程改造
在某些實施方案中，可以對用于生產(chǎn)生物柴油或其它生物燃料的藻類 進(jìn)行遺傳工程改造(轉(zhuǎn)基因)，以使其含有一個或多個獨立的核酸序列， 所述核酸序列可以提高脂質(zhì)產(chǎn)量，或者可以提供用于藻類培養(yǎng)、生長、收 獲或使用的其它所需的特征。藻類物種穩(wěn)定轉(zhuǎn)化的方法和含有所用獨立的 核酸的組合物在本領(lǐng)域中廣為熟知，并且在本發(fā)明的實施中可以使用任何
的此類方法和組合物。所用的示例性的轉(zhuǎn)化方法可以包括微粒轟擊、電
穿孔、原生質(zhì)體融合、PEG介導(dǎo)的原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化、DNA包覆的碳化硅須晶、 或使用病毒介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化、或在含有將要轉(zhuǎn)化至藻類細(xì)胞的DNA的溶液中用 玻璃珠振蕩原生質(zhì)體(參見，例如，Sanford et al.， 1993, Meth. Enzymol.
24217:483-509; Dunahay et al, 1997, Meth. Molec. Biol. 62:503-9;美國專利 Nos. 5,270,175; 5,661,017，在此以參考文獻(xiàn)的方式并入)。
例如，美國專利No. 5,661,017公開了含葉綠素C藻類的藻類轉(zhuǎn)化方法， 例如Bacillariophyceae 、 Chiysophyceae 、 Phaeophyceae 、 Xanthophyceae 、 Raphidophyceae、 Prymnesiophyceae、 Cryptophyceae、 Q/c/ote〃a、 iVaw'cw/a、 C_y//"<irc^eca 、 尸Aaeocfa外/Mw 、 ^4m/ /2ora 、 C7wfetocems 、 iW加c/zfa 或 77za/o^os/ra。還公開了含有所用核酸(例如乙酰輔酶A羧化酶)的組合物。
在諸多實施方案中，為了篩選被轉(zhuǎn)化的藻類，可以將選擇性標(biāo)記插入 至分離的核酸或載體中。使用的選擇性標(biāo)記可以包括(但不限于)新霉 素磷酸轉(zhuǎn)移酶、氨基糖苷磷酸轉(zhuǎn)移酶、氨基糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶、氯霉素乙酰 轉(zhuǎn)移酶、潮霉素B磷酸轉(zhuǎn)移酶、博來霉素結(jié)合蛋白、草安膦乙酰轉(zhuǎn)移酶、 溴草腈水解酶、抗草甘膦的5-烯醇式丙酮酸-3-磷酸莽草酸合酶、抗小穗寧 麻素的核糖體蛋白S14、抗吐跟堿的核糖體蛋白S14、抗磺酰脲類的乙酰乳 酸合酶、抗咪唑啉酮的乙酰乳酸合酶、抗鏈霉素的16S核糖體RNA、抗大 觀霉素的16S核糖體RNA、抗紅霉素的23S核糖體RNA或抗甲基苯并咪 唑的微管蛋白。
增強轉(zhuǎn)基因表達(dá)的核酸調(diào)控序列是已知的，例如隱秘小環(huán)藻的乙酰輔 酶A羧化酶的5'端非翻譯的調(diào)控序列，隱秘小環(huán)藻的乙酰輔酶A羧化酶的 3'端非翻譯的調(diào)控序列，以及它們的組合。此外，可以將ct-微管蛋白的基 因或與該物種共有的組成型表達(dá)的任何其它基因，置于要轉(zhuǎn)化給藻類的基 因的前面，以實現(xiàn)高水平的表達(dá)。
迄今，調(diào)節(jié)藻類脂質(zhì)生產(chǎn)的代謝途徑尚未被完全表征。清楚的是，某 些環(huán)境條件可以觸發(fā)代謝中的開關(guān)以提高脂質(zhì)產(chǎn)量。在原理上，觸發(fā)機制 可以通過一個或一些基因或蛋白(例如，轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶或磷酸酶、 受體蛋白、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白、激素、細(xì)胞因子、或其它的調(diào)控元^fO的活性 來調(diào)節(jié)。己經(jīng)有建議轉(zhuǎn)化可催化脂質(zhì)合成的限速步驟的酶，例如乙酰輔 酶A羧化酶，可提高藻類中的脂質(zhì)產(chǎn)量(參見，例如，Dunahay et al., "Manipulation of microalgal lipid production using genetic engineering," in Applied Biochemistry and Biotechnology, Humana Press, Totowa NJ， 2007 )。然而，可能更有效的似乎是改變涉及脂質(zhì)產(chǎn)出的全部級聯(lián)的酶，以創(chuàng) 造出在不延緩生物體生長過程的情況下，能產(chǎn)出大量脂質(zhì)的"新的"藻類微生 物。
優(yōu)選的實施方案
在諸多實施方案中，要求保護的方法、組合物和裝置可以包含
一種光生物反應(yīng)器，其中，基于對建造在光生物反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的計算 機控制傳感器網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)，環(huán)境空氣流的額外入口可以被打開或關(guān)閉，其 中所述入口可以添加二氧化碳或來自內(nèi)燃原動機的廢氣。
一種光生物反應(yīng)器，其中，基于對增加的堿性的響應(yīng)，可以添加額外 的二氧化碳或來自內(nèi)燃原動機的廢氣，其可以作為調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器的pH 水平和使其保持最適于微藻生長的一個手段。
一種光生物反應(yīng)器，其中，基于對光生物反應(yīng)器培養(yǎng)基內(nèi)所溶解二氧 化碳的平衡設(shè)定的響應(yīng)，可以添加額外的二氧化碳或來自內(nèi)燃原動機的廢 氣。
一種光生物反應(yīng)器，其中，將下列氣體的組合鼓泡通過光生物反應(yīng)器 培養(yǎng)基發(fā)電廠煙氣、二氧化碳、環(huán)境空氣、氮氣、工業(yè)內(nèi)燃室的廢氣和/ 或來自其它工業(yè)生物反應(yīng)器的廢氣。
一種光生物反應(yīng)器，其中，光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的頂層和光生物反應(yīng)器 腔室的頂層由玻璃制成。
一種光生物反應(yīng)器，其中，將熒光傳感器固定在光生物反應(yīng)器腔室的 內(nèi)部，并將熒光傳感器的葉綠素?zé)晒鉁y量結(jié)果傳送至中央控制單元和/或集 散控制單元。
一種光生物反應(yīng)器，其中，將圖像捕獲單元固定在光生物反應(yīng)器腔室 內(nèi)部，并將圖像傳輸至中央控制單元和/或集散控制單元用于圖像分析。
一種光生物反應(yīng)器，其中，中央或集散控制單元接受來自光生物反應(yīng) 器腔室內(nèi)部的各個傳感器的數(shù)據(jù)，并向人類操作員或自動反饋系統(tǒng)發(fā)送信 號，以改變光生物反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境條件，例如，當(dāng)光生物反應(yīng)器培 養(yǎng)基變得過冷時增加溫度，當(dāng)光生物反應(yīng)器培養(yǎng)基變得過堿時降低pH，當(dāng) 溶解的二氧化碳水平變得過低時增加鼓泡通過光生物反應(yīng)器培養(yǎng)基的二氧化碳的比例，等等。
一種光生物反應(yīng)器，其中，將環(huán)境傳感器布滿于光生物反應(yīng)器腔室并 通過電線、無線發(fā)射器和/或纖維光纜連接，并將數(shù)據(jù)傳輸至中央或集散控 制單元。
一種光生物反應(yīng)器，其中，將環(huán)境傳感器布滿于指狀的光生物反應(yīng)器 腔室并通過無線傳輸數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至中央和/或集散控制單元。
一種光生物反應(yīng)器，其中，通過從外部水池移除液體，在外置于光生 物反應(yīng)器系統(tǒng)的熱交換器對液體加熱或冷卻，然后再將液體放回至外部水 池，來調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器腔室內(nèi)部的溫度。
一種光生物反應(yīng)器，其中，通過漂浮在外部水池中的管子來調(diào)節(jié)溫度， 其中已通過外置于光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的熱交換器進(jìn)行加熱或冷卻的熱交換 流體，通過所述管子。
一種光生物反應(yīng)器，其中，通過在外部水池底部的管子來調(diào)節(jié)溫度， 其中已通過外置于光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的熱交換器進(jìn)行加熱或冷卻的熱交換 流體，通過所述管子。
一種光生物反應(yīng)器，其中，通過其下填充有液體的囊袋內(nèi)所漂浮的管 子來調(diào)節(jié)溫度，其中已通過外置于光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的熱交換器進(jìn)行加熱 或冷卻的熱交換流體，通過所述管子。
一種光生物反應(yīng)器，其中，通過位于光生物反應(yīng)器腔室最頂部的氣袋 收集過量的氧氣和其它廢氣，然后用外置空氣泵抽取并在外部存儲以作為 高純度的氧氣出售。
一種光生物反應(yīng)器，其中，僅使用低剪切泵將培養(yǎng)基泵入系統(tǒng)或泵出 系統(tǒng)。
一種光生物反應(yīng)器，其中，為了將生物代謝物、異種微生物和其它雜
質(zhì)過濾出培養(yǎng)基，通常以連續(xù)或半連續(xù)的方式，每天將多達(dá)90%的(或多 或少)培養(yǎng)基抽出。
一種光生物反應(yīng)器，其中，有一個單獨的培養(yǎng)基循環(huán)系統(tǒng)，其在所述 培養(yǎng)基返回至光生物反應(yīng)器系統(tǒng)之前，可將污染物過濾出培養(yǎng)基，并可殺 死不需要的生物生長物，以及可將代謝物調(diào)節(jié)至合適的水平。
27一種光生物反應(yīng)器，其中，為了控制溫度和創(chuàng)造一個平面，可將外部的填充有液體的囊袋，放置于光生物反應(yīng)器腔室的下面。
一種光生物反應(yīng)器，其中，額外的囊袋還起第二生物反應(yīng)器的作用，可以將從光生物反應(yīng)器系統(tǒng)收獲的微生物轉(zhuǎn)移至其中，并且還可以將額外的囊袋用作所需微藻的異養(yǎng)生長的第二生物反應(yīng)器，或者其中可以發(fā)生養(yǎng)分的限制或耗盡以引發(fā)培養(yǎng)的細(xì)胞中油類的積累。
一種光生物反應(yīng)器，其中，額外的囊袋含有腔室，可以將從光生物反應(yīng)器系統(tǒng)收獲的微生物轉(zhuǎn)移至其中，并且還可以將其用作所需培養(yǎng)物的異養(yǎng)生長的第二生物反應(yīng)器，或者其中可以發(fā)生養(yǎng)分的限制或耗盡以引發(fā)培養(yǎng)的細(xì)胞中油類的積累。
一種光生物反應(yīng)器，其中，通過控制流體靜壓力而非氣體浮力來保持結(jié)構(gòu)的形狀。
一種光生物反應(yīng)器，其中，可以將多個柔性的平行管的每一個當(dāng)作一個單獨的光生物反應(yīng)器。
一種光生物反應(yīng)器，其中，可以將光生物反應(yīng)器腔室的一些或全部串聯(lián)，以增加光生物反應(yīng)器的表觀全長。
一種光生物反應(yīng)器，其中，可以通過外部的傳焰管或通過相鄰或附近的光生物反應(yīng)器腔室之間的內(nèi)部通道，將光生物反應(yīng)器腔室進(jìn)行串聯(lián)。
一種光生物反應(yīng)器，其中，可以通過外部傳焰管和/或集箱，或通過內(nèi)部通道，或通過內(nèi)部集箱，將光生物反應(yīng)器腔室進(jìn)行并聯(lián)。
一種光生物反應(yīng)器，其中，在沿著光生物反應(yīng)器的長度的特定位置或沿著單個柔性光生物反應(yīng)器筒管的長度的特定位置，抽取培養(yǎng)物和/或添加新鮮培養(yǎng)基。
一種光生物反應(yīng)器，其中，為了誘導(dǎo)可增加脂質(zhì)含量的營養(yǎng)壓力條件，沿著光生物反應(yīng)器的長度的特定位置或沿著單個柔性光生物反應(yīng)器筒管的長度的特定位置，可添加或以不同濃度添加某些養(yǎng)分。
一種光生物反應(yīng)器，其中，通過攪拌而非空氣注入的方法，使培養(yǎng)物通過透光區(qū)循環(huán)。
一種光生物反應(yīng)器，其中，以周期性間隔向培養(yǎng)物中添加新鮮的培養(yǎng)基，以稀釋培養(yǎng)物并隨著細(xì)胞繁殖而保持恒定密度。
一種光生物反應(yīng)器，其包含一個生長階段的光生物反應(yīng)器和一個壓力階段的生物反應(yīng)器，所述壓力階段的生物反應(yīng)器特別用于脂質(zhì)的積累，以生產(chǎn)生物燃料。
一種光生物反應(yīng)器，其中，壓力生物反應(yīng)器與用于生長的光生物反應(yīng)器之間相互鄰近，其利用太陽光進(jìn)行微藻細(xì)胞的自養(yǎng)培養(yǎng)。
一種光生物反應(yīng)器，其中，生長和壓力生物反應(yīng)器包含一個單獨的通道，其由過濾裝置隔離，并且通過該通道，泵流將藻類細(xì)胞推經(jīng)生長和脂質(zhì)積累的不同階段，以使在準(zhǔn)備收獲它們時，它們到達(dá)連續(xù)系統(tǒng)的末端。
一種光生物反應(yīng)器，其中，生物反應(yīng)器通道的壓力階段部分，位于該通道的光生物反應(yīng)器部分的下游，并在黑暗中以異養(yǎng)的方式運行。
一種光生物反應(yīng)器，其中，生物反應(yīng)器的壓力部分，是位于鄰近光生物反應(yīng)器的塔狀結(jié)構(gòu)，并在黑暗中以異養(yǎng)的方式運行。
實施例
下面所包含的實施例用以說明本發(fā)明優(yōu)選的實施方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，按照本發(fā)明人所發(fā)現(xiàn)代表性技術(shù)進(jìn)行構(gòu)思撰寫的實施例所公開的技術(shù)，在本發(fā)明的實施中運行良好，并因此被認(rèn)為構(gòu)成了其實施的優(yōu)選方式。但是，根據(jù)本發(fā)明的公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對公開的具體實施方案做很多改變并可仍然獲得同樣或類似的結(jié)果。
實施例l:光生物反應(yīng)器構(gòu)建和使用
光生物反應(yīng)器構(gòu)建
設(shè)計并建造一個示例性的光生物反應(yīng)器。在如圖2所示的示例性實施方案中，將一張高26厘米，長20米的塑料薄膜平放在桌子上。然后將旋轉(zhuǎn)式穿孔機沿著塑料薄膜的長度碾過薄片的中點。如此在塑料薄膜上每隔2厘米制作直徑0.25111111的孔。然后將塑料薄膜對折為兩半，孔在折線下方5毫米，以形成空氣管。
然后將該空氣管置于兩張塑料薄膜之間，每一片塑料薄膜高91厘米長20米。塑料空氣管的底部與兩張大的塑料薄膜的底部齊平。下一步使用為該程序特別設(shè)計的脈沖熱焊機。該機器包含上臺板和下
臺板(圖3A)。上臺板上下移動，而下臺板保持靜止?？梢詫⑺芰媳∧な謩铀腿牒笝C，所述焊機每次焊接光生物反應(yīng)器系統(tǒng)有76厘米。上臺板包含兩個69厘米的制作水平頂焊的水平加熱元件，兩個69厘米的制作水平底焊的水平加熱元件，以及5個傾斜31度角的傾斜的垂直加熱元件。下臺板包含與上述上臺板中的每一個加熱元件對準(zhǔn)的相應(yīng)的加熱元件。該焊機由氣動活塞控制，當(dāng)啟動時，所述氣動活塞向焊接元件施加相等的壓力。在焊接期間以及焊接后的冷卻期間，焊機保持該壓力。然后釋放壓力并收縮臺板。根據(jù)具體使用的材料和焊接工的設(shè)定，通常焊接時間大約4-10秒。在可選的實施方案中，可以設(shè)計類似的機器以利用自動化代替手動輸入薄膜。
隨著機器壓制薄膜，其在距離薄膜底部6.35厘米處沿著塑料薄膜長度制作連續(xù)的水平熱焊。同時在距離塑料薄膜頂部19厘米處沿著腔袋長度，同時對上部進(jìn)行水平焊接。使用特別用于該用途的焊機，將塑料薄膜的中部順序焊接成末端開口的傾斜的管子(圖3B)。所述焊tl包含有固定至臺板的5個平行的焊接元件，其加速了制作光生物反應(yīng)器腔室的過程。管子脈沖焊機形成5個平行的傾斜的部分焊接，所述焊接并不到達(dá)光生物反應(yīng)器腔室底部或頂部的焊縫。在距離塑料薄膜頂部38厘米和距離塑料薄膜底部18厘米處，進(jìn)行傾斜的部分焊接。以傾斜31度角設(shè)置管子焊縫。在該熱焊機中，總共進(jìn)行26次壓制，以在光生物反應(yīng)器腔室20米的長度上制作總共130處焊縫。
使用該焊機如此制作了總共130個管子，其依次包含130處管子焊縫。當(dāng)增加光生物反應(yīng)器的末端的豎直端時，制作額外的2個管子。因此，在示例性實施方案中， 一個20米長的光生物反應(yīng)器腔室包含132個傾斜的管子。
為了在填充和加壓時使反應(yīng)器具有最適宜的形狀，使用交錯焊機(圖4A)以沿著外部塑料薄膜和空氣管的長度，焊接3厘米高的鋸齒狀焊縫。沿著光生物反應(yīng)器腔室的長度，制作起始的"鋸齒"焊縫。該"鋸齒"焊縫的頂部在距離塑料薄膜底部7.6厘米處開始，在距離塑料薄膜底部6.6厘米處終止。然后將腔袋翻轉(zhuǎn)并在相反方向上沿著相同的長度，進(jìn)行相同的焊接，以制作與"正向鋸齒"圖案重疊的"反向鋸齒，，圖案。 一旦完成，其圖案類似于
鋸齒狀(圖4C)。為了制作該焊接，操作人員應(yīng)該根據(jù)所用材料和其它條件，施加適宜的4-10秒鐘的壓力，之后對塑料制品以等量的接觸時間施加等量的壓力。
可選地，可以使用恒溫焊機制作鋸齒狀圖案，所述恒溫焊接的焊頭被加工或形成有鋸齒狀或類似圖案。圖4A示出了這樣的一個例子。
然后在距離塑料薄膜頂部28厘米處沿著腔袋的長度，用交錯焊機制作鋸齒狀圖案的焊縫。該焊縫并非連續(xù)并且因此容許空氣和液體經(jīng)過焊縫之間的空隙，但它向光生物反應(yīng)器腔室中最上層的氣袋提供了結(jié)構(gòu)支撐。
然后在光生物反應(yīng)器圖5A所示的位置上，打7個安裝塑料隔板的孔。每一個隔板(圖5C)具有內(nèi)徑32毫米的孔。
然后將塑料隔板(圖5C)安裝至光生物反應(yīng)器腔室。將隔板置于光生物反應(yīng)器腔室內(nèi)部，使得有螺紋的部分露在外面。將硬墊圈放置在有螺紋的部分上方，所述硬墊圈以其軟的一側(cè)貼塑料隔板放置。然后將塑料螺母緊緊擰在螺紋上。將一個蓋罩放在開口上面，以確保在運輸和安裝期間，灰塵和微生物不能進(jìn)入隔板。 一個可選的固定方法是，將隔板直接熱焊接至塑料薄膜。
如圖5A所示，然后用直線帶狀脈沖焊機，以對所用材料合適量的時間和壓力，對空氣出口部分焊接。在外部塑料薄膜的圖5A所示的點上進(jìn)行打孔，圍繞該孔的邊緣放置高溫?zé)崛勰z的微珠。然后將板口 (圖5B)固定于該孔，并在適當(dāng)?shù)奈恢帽３謳酌腌姡源_保膠水的均勻分布。該板口是光生物反應(yīng)器腔室的空氣出口?？梢允褂冒ê附雍驼辰Y(jié)劑在內(nèi)的其它固定方法，將板口連接至塑料薄膜。
在光生物反應(yīng)器腔室終端的這一點上，用直線帶狀脈沖焊機，以對所用材料合適量的時間和壓力，制作最終的傾斜焊接。這些制作終端和最后兩個管子的終端焊接，如圖6所示。
然后將包含內(nèi)徑1厘米長度10厘米的硬塑料進(jìn)氣管，在空氣管的入口固定(圖7)。為此，將一片矩形的塑料從該部分(在此處切割掉4層塑料)
31切割掉(圖7)。該切割恰好終止于垂直焊縫的末端。將進(jìn)氣的硬塑料管插入進(jìn)空氣管至7.5厘米處。將足量的高溫?zé)崛勰z施加至硬塑料管和光生物反應(yīng)器腔室之間的界面，并在適當(dāng)?shù)奈恢幂p握5秒鐘以確保其密封。
如圖8所示，將多余的塑料圍繞光生物反應(yīng)器切割掉。這產(chǎn)生了單個完整的光生物反應(yīng)器腔室。應(yīng)該注意的是，在整個光生物反應(yīng)器系統(tǒng)中，只有一些光生物反應(yīng)器腔室需要7個用于傳感器測量和樣品收集的隔板。大多數(shù)腔袋將只需要進(jìn)氣管，用于排氣的板口以及兩個隔板配件(一個用于液體進(jìn)入， 一個用于液體流出)。
將光生物反應(yīng)器腔室配對，并且沿著兩個腔袋長度進(jìn)行最終熱封，以將它們在頂部連接(圖9)。然后將成對的光生物反應(yīng)器腔室預(yù)備好，以放置在光生物反應(yīng)器系統(tǒng)中。
光生物反應(yīng)器腔室的材料應(yīng)該是柔性、耐久和透明的。在優(yōu)選的實施方案中，腔室材料包含多層復(fù)合材料聚合物，其包含一層尼龍塑料薄膜，所述尼龍塑料薄膜以其任一面與一層粘結(jié)劑粘結(jié)層和一層低密度聚乙烯層(LDPE)相結(jié)合。當(dāng)進(jìn)行加熱和施壓時，所述粘結(jié)劑可將LDPE和尼龍進(jìn)行粘合。
根據(jù)光合微生物的種類以及按照光循環(huán)、剪切應(yīng)力限制等所要求的相應(yīng)紊流水平，尼龍-LDPE塑料薄膜的厚度可以變化。尼龍-LDPE薄膜的優(yōu)選例子是，千分之三點五英寸厚。在該厚度，光生物反應(yīng)器腔室內(nèi)的適度紊流，對薄膜結(jié)構(gòu)的完整性影響甚微。可用于示例性實施方案實施的其它厚度是，千分之一點五英寸、千分之二點五英寸、千分之五英寸、千分之七英寸和千分之十英寸。這些厚度為光生物反應(yīng)器腔室內(nèi)的各種水平的紊流，提供了足夠的結(jié)構(gòu)完整性。
可以使用的塑料薄膜的其它例子有單層LDPE、線性低密度聚乙烯(LLDPE)、纖維強化型LDPE、高密度聚乙烯(HDPE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、單層尼龍、聚酯(PET)、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)、聚偏二氯乙烯(PVLC)、乙烯乙烯醇共聚物(EVA)、聚苯乙烯(PS)，以及本領(lǐng)域已知的任何其它透明的塑料薄膜。此外，可以任何組合使用上述塑料薄膜，以制作多層型雜化聚合物。上述薄膜的厚度，可以根據(jù)所選的種植在光生物反應(yīng)器系統(tǒng)中的光合微生物的種類而變化。為了降低構(gòu)建光 生物反應(yīng)器中腔袋材料的成本，優(yōu)選地，所選厚度為容許結(jié)構(gòu)完整性的最 小厚度。
用于連接塑料薄膜的優(yōu)選的實施方案是使用恒熱焊機，其可設(shè)定適于 所用材料的合適時間、壓力和溫度。壓制時間取決于塑料薄膜的厚度、所 用材料和層的數(shù)目。
在示例性實施方案中使用的將塑料薄膜連接在一起的脈沖焊機，其包括
一個貫穿有千分之一英寸厚、68.5厘米長鎳鉻合金條的30伏的脈沖焊結(jié)部 件。 一個將兩張千分之五英寸厚的尼龍-LDPE五層聚合物薄膜，連接在一 起的非限制性的示例性設(shè)定是壓力為50磅每平方英寸，持續(xù)時間為4至 IO秒鐘。
當(dāng)填充有生長培養(yǎng)基時，光生物反應(yīng)器腔室單元膨脹，并且平行的垂 直熱焊縫之間的區(qū)域凸起，由此產(chǎn)生了頂部和底部開口的一系列的管子。 這樣，連續(xù)的流體穿過該光生物反應(yīng)器腔室，同時由于熱焊接和光生物反 應(yīng)器腔室內(nèi)相對于周圍水壓力的較高壓力能夠提供結(jié)構(gòu)支撐，所以，該光 生物反應(yīng)器腔室還具有剛性的結(jié)構(gòu)。
將生長培養(yǎng)基保持在鋸齒狀熱焊縫略微靠下的水平，所述鋸齒狀熱焊 縫位于頂部熱焊縫下方。以足以阻止生長培養(yǎng)基進(jìn)入密封的空氣管的壓力 將空氣泵入空氣管，并將氣泡從每一個穿孔中鼓出。然后鼓泡在培養(yǎng)基中 上升，并在氣液界面上破裂。
上部的氣袋(其由鼓泡提供)提供了增加光生物反應(yīng)器腔室單元的結(jié) 構(gòu)完整性的正向浮力。因此重要的是上部氣袋的體積要大于密封的空氣管， 否則密封的空氣管將競爭性地上浮腔室單元。如果不使用外部水池，可以 增加光生物反應(yīng)器腔室內(nèi)部的生長培養(yǎng)基的內(nèi)部流體靜壓力，以保持光生 物反應(yīng)器腔室的結(jié)構(gòu)剛性。
可以以微坑的形式將額外的熱焊接施加至平行的垂直管子，作為用于 產(chǎn)生更長過程的鼓泡上升的方法。.這有助于延長鼓泡的停留并因此使每一 給定量的鼓泡的氣體交換最大化。
另一個制造所需的鼓泡過程的方法是，將熱風(fēng)槍應(yīng)用于管子的外部，以制造類似折皺的塑料變形。這些折皺同樣減緩了鼓泡的上升，并增加了 每一給定量的鼓泡的氣體交換。該效果也可以通過給塑料薄膜在真空中形 成折皺來實現(xiàn)。
將以橫截面為三角形排列(圖10)的光生物反應(yīng)器腔室成對地連接在 一起(圖9)，并放置于用于熱調(diào)節(jié)和結(jié)構(gòu)支撐的水池中。所述水池被上述 的外部圍墻圍繞。按照上面的詳細(xì)描述部分的描述，將泵、傳感器和控制 系統(tǒng)集成至系統(tǒng)中。
實施例2.藻類培養(yǎng)
將眼點微擬球藻、微擬球藻、司西四鞭毛藻、大四鞭毛藻、海水小球 藻、或杜氏鹽藻接種至實施例1中描述的示例性光生物反應(yīng)器中。將杜氏 鹽藻藻類培養(yǎng)物在光生物反應(yīng)器系統(tǒng)中培養(yǎng)并生長。杜氏鹽藻可實現(xiàn)多達(dá) 但并不限于每毫升四千五百萬個細(xì)胞(1.5-2.3 g/L)的細(xì)胞密度。
將在具有類似特征的不同光生物反應(yīng)器中生長的藻類，收獲并從藻類 中提取脂質(zhì)。使用連續(xù)酯交換工藝，將甘油三酯轉(zhuǎn)化成生物柴油。
實施例3.通過養(yǎng)分限制來提高脂質(zhì)產(chǎn)量
將司西四鞭毛藻在添加有0.5g-2g/L的NaHC03， pH為7.2-7.5的M培 養(yǎng)基中生長5-8天，直至最大細(xì)胞密度達(dá)到10-62xl()S細(xì)胞/ml的范圍。在 不同的連續(xù)C02 (1-2%)的攪拌下，其干重可達(dá)到1.4-11 g/L。根據(jù)需要， 添加NaN03和NaH2P04.H20。達(dá)到最大細(xì)胞密度后，不再通入額外的C02。 在達(dá)到最大細(xì)胞密度和停止供應(yīng)C0224小時后，中性脂質(zhì)形成。pH從7.5 上升至10-11。 pH的上升是脂質(zhì)產(chǎn)生的標(biāo)志。
使用Nile Red.熒光測量，來監(jiān)視24小時后的脂質(zhì)形成動態(tài)。將藻類樣 品稀釋至在750 nm波長下光學(xué)密度為0.1 。將35pL溶于DMSO的Nile Red 加入至3.5ml的稀釋藻類，直至終濃度為l ^g/ml。將樣品完全混合并在室 溫下培育5分鐘后(對其它物種可能需要更長的培育時間)，通過在激發(fā) 波長525 nm處、發(fā)射波長在540至800 nm范圍內(nèi)用Perkin Elmer LS55熒 光計，進(jìn)行讀數(shù)。中性脂質(zhì)發(fā)射波長為580-600 nm。通過薄層層析，分析 所積累的脂質(zhì)類型。通過氣相色譜法，確定脂肪酸甲酯的總量。
3權(quán)利要求
1.一種封閉系統(tǒng)的光生物反應(yīng)器，包含一個或多個被水池圍繞的封閉的光生物反應(yīng)器腔室，所述光生物反應(yīng)器能夠生長光合微生物。
2. 權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，其中所述光生物反應(yīng)器腔室包含 柔性、透明的塑料或復(fù)合材料薄膜。
3. 權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，其中所述光生物反應(yīng)器設(shè)計為通 過向光生物反應(yīng)器腔室提供漫射光而提高光合效率。
4. 權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，其中所述光生物反應(yīng)器腔室暴露 于光線的表面積大于該光生物反應(yīng)器的占地面積。
5. 權(quán)利要求2所述的光生物反應(yīng)器，其中通過水池中的水、光生物反 應(yīng)器腔室中的氣袋的正向浮力、和/或塑料或復(fù)合材料薄膜上的結(jié)構(gòu)性熱焊 接，為光生物反應(yīng)器腔室提供結(jié)構(gòu)支撐。
6. 權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，還包含使藻類和生長培養(yǎng)基循環(huán) 通過腔室的低剪切泵。
7. 權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，還包含低剪切過濾器。
8. 權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，還包含在光生物反應(yīng)器腔室中的 生長培養(yǎng)基和光合微生物。
9. 權(quán)利要求5所述的光生物反應(yīng)器，其中將所述腔室以相互間成一個 角度放置，并將其與相鄰腔室在頂部和底部處固定，以從橫截面看形成手 風(fēng)琴形狀。
10. 權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，還包含圍繞水池的圍墻，水池下 面的底襯和水池上面的塑料頂層，以減少水池的水損耗。
11. 權(quán)利要求10所述的光生物反應(yīng)器，其中水池中的水提供了降低光 生物反應(yīng)器腔室溫度波動的熱質(zhì)。
12. 權(quán)利要求8所述的光生物反應(yīng)器，其中所述光合微生物是微藻或藍(lán) 細(xì)菌，并且選自下列物種眼點微擬球藻、鹽生微擬球藻、微擬球藻屬、 司西四鞭毛藻、大四鞭毛藻、布朗葡萄藻、小球藻屬、橢圓小球藻、浮水 小球藻、微小小球藻、原殼小球藻、蛋白核小球藻、海水小球藻、禾草小球藻、普通小球藻、鹽生隱藻、隱秘小環(huán)藻、小環(huán)藻屬、鹽生杜氏藻、巴 氏杜氏藻、杜氏鹽藻、纖細(xì)眼蟲、尼氏裸甲藻、雨生紅球藻、球等鞭金藻、小單殼縫藻、單殼縫藻屬、微小綠藻屬、A^ocWor/so/eoa^"cbra藻、左彎 菱形藻、0"orap/2^Mm w.藻、魯茲帕夫藻、三角褐指藻、紫球藻、斜生柵 藻、四尾柵藻、柵藻屬、骨條藻、桿裂絲藻、鈍頂螺旋藻、以及海鏈藻。
13. 權(quán)利要求2所述的光生物反應(yīng)器，其中所述光生物反應(yīng)器腔室包含 連接在一起的塑料薄膜的底層和頂層，在該腔室頂部具有氣袋以提供正向 浮力，其中通過結(jié)構(gòu)張力保持光生物反應(yīng)器腔室的形狀。
14. 權(quán)利要求5所述的光生物反應(yīng)器，其中氣袋收集通過光合作用產(chǎn)生 的氧氣并且其中收集富含氧氣的空氣，以提高發(fā)電廠或燃燒室的燃燒效率。
15. 權(quán)利要求10所述的光生物反應(yīng)器，其中頂層塑料含有染料、涂層 或添加劑，以阻擋部分或全部的紫外光或紅外光的透射，同時容許可見光 的透射以支持光合作用。
16. 權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，還包含一個或多個傳感器接口， 每一個傳感器接口含有選自下列的一個或多個傳感器溶解二氧化碳傳感 器、溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器、濁度傳感器、溶解固體傳感 器以及熒光傳感器，其中將來自一個或多個傳感器的信號傳輸至中央控制 單元。
17. 權(quán)利要求16所述的光生物反應(yīng)器，其中中央控制單元通過響應(yīng)傳 感器的信號，來調(diào)節(jié)一個或多個控制單元發(fā)揮其功能，以控制光生物反應(yīng) 器腔室內(nèi)的一個或多個環(huán)境條件。
18. 權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，還包含一個第二生物反應(yīng)器，可 以將收獲的微生物運送至所述第二生物反應(yīng)器，并將收獲的微生物經(jīng)受條 件處理以提高脂質(zhì)產(chǎn)量。
19. 權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，其中當(dāng)向腔室接種新的培養(yǎng)物 時，光生物反應(yīng)器腔室的流體的體積可以增加或減小。
20. 權(quán)利要求12所述的光生物反應(yīng)器，其中在光生物反應(yīng)器腔室中保 持多種藻類。
21. 權(quán)利要求2所述的光生物反應(yīng)器，其中光生物反應(yīng)器腔室內(nèi)的壓力可以調(diào)節(jié)，以控制光生物反應(yīng)器腔室的尺寸和形狀。
22. —種封閉系統(tǒng)的光生物反應(yīng)器，包含一個或多個封閉的光生物反應(yīng) 器腔室，所述光生物反應(yīng)器腔室由柔性、透明的塑料或復(fù)合材料薄膜組成， 每一個光生物反應(yīng)器腔室的底部有由塑料薄膜組成的空氣管，以向腔室提 供空氣鼓泡。
23. 權(quán)利要求22所述的光生物反應(yīng)器，其中提供給空氣管的空氣含有 二氧化碳，所述二氧化碳選自下列來源大氣二氧化碳、二氧化碳罐、發(fā) 電廠的廢氣、或燃燒室的廢氣。
24. 權(quán)利要求22所述的光生物反應(yīng)器，其中，為了從光生物反應(yīng)器的 生長培養(yǎng)基中除去溶解氧，提供給空氣管的氣體的氧氣含量按體積計在0 至2%之間。
25. 權(quán)利要求23所述的光生物反應(yīng)器，其中可以控制二氧化碳的濃度， 以調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器腔室中的生長培養(yǎng)基的pH。
26. —種制備生物燃料的方法，包含下列步驟a. 在封閉系統(tǒng)的光生物反應(yīng)器的生長培養(yǎng)基中種植光合微生物，所述 光生物反應(yīng)器包含被水池圍繞的一個或多個封閉的光生物反應(yīng)器腔室；b. 以連續(xù)、半連續(xù)或批處理方式的方法收獲光合微生物；和c. 將來自光合微生物的脂質(zhì)或碳水化合物轉(zhuǎn)換成生物燃料。
27. 權(quán)利要求26所述的方法，其中所述光合微生物是藻類。
28. 權(quán)利要求27所述的方法，其中使所述藻類承受環(huán)境壓力，以提高 脂質(zhì)產(chǎn)量。
29. 權(quán)利要求28所述的方法，其中使所述藻類承受兩種或多種不同環(huán) 境壓力的組合，以提高脂質(zhì)產(chǎn)量。
30. 權(quán)利要求28所述的方法，其中所述環(huán)境壓力為二氧化碳耗盡。
31. 權(quán)利要求29所述的方法，其中不向光生物反應(yīng)器腔室提供二氧化碳0
32. 權(quán)利要求28所述的方法，其中所述環(huán)境壓力為氮耗盡。
33. 權(quán)利要求28所述的方法，其中所述環(huán)境壓力為減少或增加光照。
34. 權(quán)利要求26所述的方法，還包含向光生物反應(yīng)器腔室提供漫射光，以提高光合效率。
35. 權(quán)利要求26所述的方法，其中所述光合微生物是微藻或藍(lán)細(xì)菌， 并且選自下列物種眼點微擬球藻、鹽生微擬球藻、微擬球藻屬、司西四 鞭毛藻、大四鞭毛藻、布朗葡萄藻、小球藻屬、橢圓小球藻、浮水小球藻、 微小小球藻、原殼小球藻、蛋白核小球藻、海水小球藻、禾草小球藻、普 通小球藻、鹽生隱藻、隱秘小環(huán)藻、小環(huán)藻屬、鹽生杜氏藻、巴氏杜氏藻、 杜氏鹽藻、纖細(xì)眼蟲、尼氏裸甲藻、雨生紅球藻、球等鞭金藻、小單殼縫 藻、單殼縫藻屬、微小綠藻屬、A^x^/wlyo/eoaZww^ms藻、左彎菱形藻、 (9"ora/7/z^"m w.藻、魯茲帕夫藻、三角褐指藻、紫球藻、斜生柵藻、四尾 柵藻柵藻屬、骨條藻、桿裂絲藻、鈍頂螺旋藻、以及海鏈藻。
36. 權(quán)利要求26所述的方法，其中所述光合微生物是^^處V、4^湊或^ 鵬 。
37. 權(quán)利要求27所述的方法，其中在光生物反應(yīng)器腔室內(nèi)保持多種藻類。
38. 權(quán)利要求26所述的方法，其中所述光生物反應(yīng)器腔室包含柔性、 透明的塑料或復(fù)合材料的薄膜。
39. 權(quán)利要求38所述的方法，其中所述光生物反應(yīng)器腔室包含位于每 一個光生物反應(yīng)器腔室底部的由塑料薄膜組成的空氣管，以向腔室提供空 氣鼓泡。
40. 權(quán)利要求37所述的方法，其中提供給空氣管的空氣含有二氧化碳， 所述二氧化碳選自下列來源大氣二氧化碳、二氧化碳罐、發(fā)電廠的廢氣、 或燃燒室的廢氣。
41. 權(quán)利要求40所述的方法，其中可以控制二氧化碳的濃度，以調(diào)節(jié) 光生物反應(yīng)器腔室中的生長培養(yǎng)基的pH。
42. 權(quán)利要求26所述的方法，其中水池中的水提供了降低光生物反應(yīng) 器腔室溫度波動的熱質(zhì)。
43. 權(quán)利要求42所述的方法，還包含向封閉系統(tǒng)的光生物反應(yīng)器，提 供外部熱源或冷源。
44. 權(quán)利要求39所述的方法，其中在位于光生物反應(yīng)器腔室頂部的氣袋中，收集來自空氣管的過量氣體或通過光合作用產(chǎn)生的氧氣。
45. 權(quán)利要求44所述的方法，還包含從氣袋中移除富含氧氣的空氣， 用于提高發(fā)電廠或燃燒室的燃燒效率。
46. 權(quán)利要求44所述的方法，還包含在封閉系統(tǒng)的光生物反應(yīng)器的一 端從氣袋排放氣體。
47. 權(quán)利要求44所述的方法，還包含沿著封閉系統(tǒng)的光生物反應(yīng)器的 長度從氣袋排放氣體，以降低生長培養(yǎng)基中的氧氣濃度。
48. 權(quán)利要求46所述的方法，其中廢氣從水下排放。
49. 權(quán)利要求48所述的方法，還包含通過水面下的排氣口的深度，來 調(diào)節(jié)封閉的光生物反應(yīng)器腔室中的氣壓。
50. 權(quán)利要求26所述的方法，還包含泵送生長培養(yǎng)基通過光生物反應(yīng) 器腔室，其中所述生長培養(yǎng)基從光生物反應(yīng)器的一端離開，并被泵送至光 生物反應(yīng)器的另一端，以產(chǎn)生通過光生物反應(yīng)器腔室的單向流動。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于高效生產(chǎn)光合微生物(例如微藻和藍(lán)細(xì)菌)的可擴展性的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。在諸多實施方案中，該系統(tǒng)可以包括使用擴展的表面積以減小光強度和提高光合效率，用于以低成本提供結(jié)構(gòu)和熱量調(diào)節(jié)的外置水池，當(dāng)部分沒入水中時連接在一起而形成橫截面為三角形或其它形狀的柔性塑料或復(fù)合材料的腔室單元，使用正向的氣體浮力和壓力以保持光生物反應(yīng)器腔室的結(jié)構(gòu)完整性，以及使用優(yōu)化漫射光分布的結(jié)構(gòu)。其它實施方案涉及由塑料薄膜構(gòu)成的空氣管，其在每個光生物反應(yīng)器腔室的底部，以向反應(yīng)腔室提供鼓泡。該光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的設(shè)計還包含如下方法氣體交換、溫度控制、抽氣、抽液體、過濾、培養(yǎng)基循環(huán)、以及收獲。對于生物燃料的生產(chǎn)，該光生物反應(yīng)器系統(tǒng)可以包含分置的生長光生物反應(yīng)器和第二壓力反應(yīng)器。
文檔編號C12M1/36GK101636484SQ200780051628
公開日2010年1月27日 申請日期2007年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者克里斯多佛·特納, 克里斯蒂納·韋耶-蓋格爾, 安娜·埃廷格, 尼古拉斯·蘭西斯, 布賴恩·威爾森, 彼得·利特文, 蓋伊·巴比特, 艾米·博克森, 詹姆士·默菲 申請人:索利克斯生物燃料公司;科羅拉多州大學(xué)研究基金會