[发明专利]用于生长藻类的系统和方法

说明书

一种藻类培养系统可以包括：培养容器中的多个板，所述多个板沿着垂直于重力的第一轴线被定位，其中培养体积在每对板之间产生，并且其中培养体积被流体地耦接，以便允许在其间沿着第一轴线的水平流动；至少一个第一喷射器，其以第一操作流速将第一流体分配到容器中；至少一个第二喷射器，其以第二操作流速将第二流体分配到容器中；以及至少一个控制器，其控制第一操作流速和第二操作流速。第一操作流速可以适于允许湍流混合在培养容器中的藻类，并且第二操作流速可以适于允许培养容器中的液体中的材料的同化。

发明领域

本发明总体上涉及藻类生长。更具体地，本发明涉及用于增强藻类生长的系统和方法。

发明背景

近年来，利用生物反应器(例如，利用鼓泡塔)在人工条件下的藻类培养(algaecultivation)已经变得越来越普遍，例如以便产生生物质。为了最优条件和加速的生长，藻类(或微藻)被供应有富含CO₂的空气气泡和照明(人工照明或来自阳光)。约50％的藻类生物质是通过光合作用地固定CO₂获得的碳，其中二氧化碳需要以液相被溶解到培养物中。在向光性藻类培养系统中，用于生长的主要输入(或宏量营养素(macro-nutrient))是光、CO₂、营养物(例如氮、磷等)，以及湍流地混合的水，以便将这些资源分配给单个藻类培养细胞。

除了上文外，需要混合用于在生物反应器中实现高藻类浓度。有效的混合可以通过降低相互遮挡的程度(由相邻的细胞造成)和最小化光抑制(photo-inhibition)来增加细胞的光暴露。有效的混合可以使细胞移动靠近被照射的表面以获得光子输入，并且然后远离它，以便在细胞被再次暴露于光之前，给予光子饱和的细胞吸收光能以用于光合作用的机会。由于超高的细胞浓度需要使用强的光源，因此不充分的混合可能导致在一些细胞中过度暴露于(over-exposureto)高剂量的光子，并且由于在其他细胞中的光抑制导致严重损伤。气体喷射(主要是空气或富含CO₂的氮气)通常被用于光生物反应器(photo-bioreactor)(PBR)中，以便产生所需的混合。气泡的上升运动产生与流动方向相切的混合。

微藻可以在许多类型的系统中光照地生长，所述系统例如具有高效的光捕获和光利用以及高表面积与体积比的平板光生物反应器(flat panel photo-bio-reactor)。用于藻类生长的光源可以是在约400nm-700nm的波长范围内的任何类型的可见光。发光二极管(LED)具有提供特定波长，例如在可见光(例如，蓝光和/或红光)波长范围内的光的能力。

对于大多数种类的微藻，生长速率和生物质的组成两者均直接地受培养物的温度的影响。例如，在室外平板系统中，在夜间(即，由于黑暗)和白天(即，由于来自阳光的热)之间存在显著的温度波动(swings in temperature)，其中这些温度波动通过藻类生长系统的小体积和高的光暴露而加剧。

一些平坦的薄膜光生物反应器系统(flat thin film photo-bio-reactorsystem)由每个板(或生物反应器)具有有限体积的模块化的、独立的单元组成。这样的板(panel)在其之间没有水平流动，并且流动是垂直的以允许当一些气泡最终在罐的外部时，气泡上升。因此，大型设施由许多这样的生产单元组成。由于显著地大量的样品和控制(例如，pH、温度、营养素水平、采集端口(harvest port)等)点，这代表大量的资本挑战、操作挑战和可维护性挑战。此外，在具有许多不同的单独单元的大规模设施中，在每个板(或生物反应器)中的化学条件和环境条件以及每个板中的产生的生物过程方面存在不可避免的轻微差异。因此，这些板中的每个必须被单独地管理，并且可以具有彼此不同的生产速率。

此外，一些薄膜藻类培养系统具有比其他非薄膜藻类培养系统少得多的热质量(thermal mass)，并且因此由于暴露于人造光源或天然光源，培养基的温度可以达到高水平。这些高的温度对于优化生长速率和组成可以适得其反，和/或甚至对于藻类培养物可以是致命的。

发明实施方案的概述