大規(guī)模兼養(yǎng)型生產(chǎn)系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】大規(guī)模兼養(yǎng)型生產(chǎn)系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年3月15日提交的題為“Mixotrophy Systems and Methods (兼養(yǎng)型系統(tǒng)和方法)”的第61/798，969號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)以及2013年12月20日提交的題為 “Large Scale Mixotrophic Product1n Systems (大規(guī)模兼養(yǎng)型生產(chǎn)系統(tǒng))”的第61/919，008號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，所述臨時(shí)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容借此通過引用并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]已經(jīng)建立起微生物的大規(guī)模培養(yǎng)，主要分兩類:光養(yǎng)和異養(yǎng)。光養(yǎng)包括其中微生物利用光作為能量源以及無機(jī)碳(例如，二氧化碳、碳酸氫鹽)用于光合活性的培養(yǎng)條件，這有利于微生物的生長(zhǎng)以及氧的生產(chǎn)。異養(yǎng)包括其中微生物利用有機(jī)碳作為能量以及碳源的培養(yǎng)條件，這有利于微生物的生長(zhǎng)以及二氧化碳的生產(chǎn)。在開放池中大規(guī)模執(zhí)行的光養(yǎng)以往是在非無菌條件下執(zhí)行的，但大規(guī)模異養(yǎng)以往是在封閉的工業(yè)發(fā)酵器的無菌條件下執(zhí)行的。
[0004]當(dāng)微生物有能力使用光和有機(jī)碳作為能量源以及有機(jī)碳和無機(jī)碳作為碳源時(shí)，還可使用稱為兼養(yǎng)(mixotrophy)的第三類微生物培養(yǎng)。兼養(yǎng)可在封閉的無菌條件下執(zhí)行，但還可在低成本的開放性非無菌條件下執(zhí)行。兼養(yǎng)提供了與光合培養(yǎng)相比增加生長(zhǎng)速率以及與異養(yǎng)培養(yǎng)相比降低資金成本的潛力。此外，相比于在不接收任何光的異養(yǎng)培養(yǎng)中可能生產(chǎn)的，在兼養(yǎng)中使用光允許生產(chǎn)更多樣化的產(chǎn)品分布(例如，色素、類胡蘿卜素)。
[0005]在現(xiàn)有技術(shù)中，兼養(yǎng)在很大程度上已經(jīng)以實(shí)驗(yàn)室或工作臺(tái)頂級(jí)規(guī)模(bench topscale)執(zhí)行，但還沒有在大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)設(shè)定中執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模使用具有小的試驗(yàn)培養(yǎng)容積的簡(jiǎn)單的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，諸如瓶和鼓泡塔。來自這樣的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生物反應(yīng)器的信息受限于其對(duì)工業(yè)的有用性，因?yàn)槠坎荒苋菀椎財(cái)U(kuò)大以生產(chǎn)商業(yè)量的微生物。此外，在實(shí)驗(yàn)室和工作臺(tái)頂級(jí)規(guī)模的小的培養(yǎng)容積下，容易控制培養(yǎng)條件，諸如pH、溫度、溶解氣體含量和污染。隨著容積增加到商業(yè)規(guī)模，生物反應(yīng)器系統(tǒng)和微生物培養(yǎng)面臨著在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下不存在的新的挑戰(zhàn)。
[0006]用于光合和異養(yǎng)培養(yǎng)的現(xiàn)有的大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)可用于兼養(yǎng)，但沒有充分利用兼養(yǎng)培養(yǎng)條件來產(chǎn)生最佳收益或者以最有效的方式培養(yǎng)出大量的兼養(yǎng)型微生物。供光合培養(yǎng)使用的大型池受限于允許光穿透水培養(yǎng)基且提供給微生物的淺的培養(yǎng)深度。因容積與表面積的比率較低，這樣的淺的培養(yǎng)深度導(dǎo)致低效使用土地，并且由此微生物產(chǎn)量以及每土地表面積中微生物生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量不是優(yōu)化的。由于做出大的密封容器所需要的材料以及用于合理分配氣體和有機(jī)碳的機(jī)械混合，供異養(yǎng)培養(yǎng)使用的大規(guī)模發(fā)酵器需要高的資金成本。密封發(fā)酵器的高的資金成本降低了盈利的利潤(rùn)率，并且使用機(jī)械混合可能對(duì)于一些種類的微生物會(huì)產(chǎn)生有害的剪切應(yīng)力。在處理的不同階段中使用微藻的廢水處理系統(tǒng)利用典型深度在I米和10米之間的大的開放池，但該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了優(yōu)化水處理而非微生物生產(chǎn)，并且由此不利于高的培養(yǎng)密度，這會(huì)導(dǎo)致微生物的低生產(chǎn)產(chǎn)量。
[0007]為了充分利用兼養(yǎng)型微生物的生產(chǎn)能力和多樣化產(chǎn)品分布，需要的是具體到兼養(yǎng)培養(yǎng)方法和條件的高容積的大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)，其改進(jìn)了大規(guī)模光合、異養(yǎng)和廢水系統(tǒng)的現(xiàn)有不足，并且解決了在工作臺(tái)頂級(jí)規(guī)模兼養(yǎng)培養(yǎng)中未面臨的挑戰(zhàn)。因此，本領(lǐng)域中需要的是用于高效生產(chǎn)大量兼養(yǎng)型微生物的大規(guī)模兼養(yǎng)型生產(chǎn)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本文中描述了用于大規(guī)模地培養(yǎng)兼養(yǎng)型微生物的系統(tǒng)。還描述了用于提供對(duì)流體流的引導(dǎo)以及諸如熱交換、養(yǎng)分輸送、氣體輸送、有機(jī)碳輸送、光輸送和傳感器的參數(shù)測(cè)量的其它功能的導(dǎo)向葉片的多功能實(shí)施方式。
[0009]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，一種兼養(yǎng)型生物反應(yīng)器系統(tǒng)包括:所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)的至少一個(gè)亮部，所述至少一個(gè)亮部被構(gòu)造成將水培養(yǎng)基中的兼養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)物容納在內(nèi)容積中，并且將所述內(nèi)容積中的兼養(yǎng)型微生物的所述培養(yǎng)物暴露至來自光源的至少一些光；所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)的至少一個(gè)暗部，所述至少一個(gè)暗部與所述至少一個(gè)亮部流體連通，所述至少一個(gè)暗部被構(gòu)造成將水培養(yǎng)基中的兼養(yǎng)型微生物的所述培養(yǎng)物容納在沒有光的內(nèi)容積中；至少一個(gè)有機(jī)碳供給裝置，所述至少一個(gè)有機(jī)碳供給裝置被構(gòu)造成將有機(jī)碳供給到兼養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)物；以及循環(huán)系統(tǒng)，所述循環(huán)系統(tǒng)被構(gòu)造成使兼養(yǎng)型微生物的所述培養(yǎng)物在所述至少一個(gè)亮部和所述至少一個(gè)暗部之間循環(huán)。
[0010]在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)亮部可包括選自由罐、槽、池和跑道池(racewaypond)組成的組中的至少一者。在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)暗部可包括選自由泡沫分離裝置(foam fract1nat1n device)、離心機(jī)、電脫水裝置(electrodewateringdevice)、氣體交換裝置和污染裝置組成的組中的至少一者。在一些實(shí)施方式中，所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)的所述至少一個(gè)亮部包括生物反應(yīng)器的所述內(nèi)容積的透光層，并且所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)的所述至少一個(gè)暗部包括同一生物反應(yīng)器的所述內(nèi)容積的不透光層。
[0011]在一些實(shí)施方式中，所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)可以是開放系統(tǒng)。在一些實(shí)施方式中，所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)是封閉系統(tǒng)。在一些實(shí)施方式中，所述循環(huán)系統(tǒng)包括選自由栗、可浸入式推進(jìn)器和槳輪組成的組中的至少一者。在一些實(shí)施方式中，所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)一步包括至少一個(gè)無機(jī)碳供給裝置、至少一個(gè)氣體供給裝置、所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)的至少一部分上的蓋和它們的組合。所述光源可包括選自由自然光和人工照明裝置組成的組中的至少一者。
[0012]在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，一種兼養(yǎng)型生物反應(yīng)器系統(tǒng)包括:開放式跑道池，該開放式跑道池包括具有一致深度的內(nèi)容積，所述跑道池包括:兩個(gè)直線部，所述兩個(gè)直線部由中央壁分開并且由底板和直的外壁限定邊界，兩個(gè)U形彎曲部，所述兩個(gè)U形彎曲部連接所述兩個(gè)直線部以形成連續(xù)環(huán)并且由底板和彎曲的外壁限定邊界；至少一個(gè)拱形的導(dǎo)向葉片，所述至少一個(gè)拱形的導(dǎo)向葉片被布置在每個(gè)U形彎曲部?jī)?nèi)；至少一個(gè)可浸入式推進(jìn)器，所述至少一個(gè)可浸入式推進(jìn)器被布置在所述內(nèi)容積中，位于所述直線部中的至少一個(gè)直線部的所述外壁與所述中央壁之間，并且由所述內(nèi)容積中的支撐結(jié)構(gòu)從上方懸置，與所述底板相距一距離；以及至少一個(gè)有機(jī)碳輸送裝置。
[0013]在一些實(shí)施方式中，所述開放式跑道池的深度包括0.5米到10米。在一些實(shí)施方式中，所述開放式跑道池包括框架結(jié)構(gòu)，所述框架結(jié)構(gòu)具有形成所述開放式跑道池的所述底板、中央壁和外壁的表面的襯里。在一些實(shí)施方式中，所述開放式跑道池包括模制結(jié)構(gòu)，所述模制結(jié)構(gòu)具有形成所述開放式跑道池的所述底板、中央壁和外壁的表面的聚合物。在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)可浸入式推進(jìn)器在所述直線部的端部處布置在所述直線部的長(zhǎng)度的20%內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)可浸入式推進(jìn)器被懸置成與所述底板相距的距離是所述開放式跑道池的所述內(nèi)容積中布置的水性培養(yǎng)物容積的高度的10%至50%。
[0014]在一些實(shí)施方式中，所述開放式跑道池進(jìn)一步包括至少一個(gè)熱交換器。在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)熱交換器被布置在所述至少一個(gè)拱形的導(dǎo)向葉片中。在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)熱交換器被布置在所述開放式跑道池的所述外壁中、所述中央壁中、所述底板中或所述底板下面。在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)有機(jī)碳輸送裝置包括恒PH培養(yǎng)系統(tǒng)(pH auxostat system)。
[0015]在一些實(shí)施方式中，所述開放式跑道池進(jìn)一步包括至少一個(gè)溶解氧輸送裝置，所述至少一個(gè)溶解氧輸送裝置選自由噴灑器管、形成所述跑道池的所述底板的至少一部分的襯里的膜、微泡發(fā)生器、氧濃縮器(oxygen concentrator)、液體氧噴射器、氧飽和錐(oxygen saturat1n cone)和具有泡沫分離裝置的文丘里噴射裝置組成的組。在一些實(shí)施方式中，所述開放式跑道池進(jìn)一步包括:所述開放式跑道池的至少一部分上的蓋；選自由自然光和人工照明裝置以及它們的組合組成的組的至少一個(gè)光源。
[0016]在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，一種導(dǎo)向葉片包括:剛性結(jié)構(gòu)，所述剛性結(jié)構(gòu)包括高度、寬度以及形成拱形平面的曲率；以及至少一個(gè)功能部件，所述至少一個(gè)功能部件與拱形的所述剛性結(jié)構(gòu)組合。在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)功能部件包括內(nèi)腔，所述內(nèi)腔被構(gòu)造成接收熱交換器流體并使該熱交換器流體循環(huán)。在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)功能部件包括用于輸送選自由有機(jī)碳、養(yǎng)分和氣體組成的組中的至少一者的裝置。在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)功能部件包括人工照明裝置。在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)功能部件包括至少一個(gè)傳感器。在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)功能部件包括選自由熱交換器、有機(jī)碳輸送裝置、養(yǎng)分輸送裝置、氣體輸送裝置、人工照明裝置和傳感器組成的組中的兩者或更多者的組合。
【附圖說明】
[0017]圖1示出了具有拱形導(dǎo)向葉片和浸入式推進(jìn)器的開放式跑道池生物反應(yīng)器實(shí)施方式的立體圖。
[0018]圖2示出了具有拱形導(dǎo)向葉片和浸入式推進(jìn)器的開放式跑道池生物反應(yīng)器實(shí)施方式的頂視圖。
[0019]圖3示出了開放式跑道池生物反應(yīng)器實(shí)施方式的側(cè)視圖并且標(biāo)識(shí)了橫截面A的位置。
[0020]圖4示出了開放式跑道池生物反應(yīng)器實(shí)施方式在橫截面A處的前視圖。
[0021]圖5示出了一對(duì)拱形導(dǎo)向葉片。
[0022]圖6示出了用于拱形導(dǎo)向葉片的支撐結(jié)構(gòu)。
[0023]圖7示出了具有多個(gè)拱形導(dǎo)向葉片和浸入式推進(jìn)器的開放式跑道池生物反應(yīng)器實(shí)施方式的立體圖。
[0024]圖8示出了多功能導(dǎo)向葉片的實(shí)施方式。
【具體實(shí)施方式】
[0025]定義
[0026]術(shù)語(yǔ)“微生物”是指諸如微藻和藍(lán)藻的微觀生物。微藻包括微觀多細(xì)胞植物(例如浮萍)、光合微生物、異養(yǎng)微生物、娃藻、甲藻和單細(xì)胞藻類。
[0027]術(shù)語(yǔ)“微生物學(xué)的培養(yǎng)”、“