光生物反應器及其用途的製作方法

2023-08-08 00:14:01

專利名稱：光生物反應器及其用途的製作方法
光生物反應器及其用途交叉參考本申^青要求享有申請曰為2006年2月21曰、申i青號為 No.60/775174的美國臨時專利申請的優先權，以及申請日為2006 年5月12日、申請號為No.60/799930的美國臨時專利申請的優 先權，上述兩篇申請的全部內容在此引入作為參考。
背景技術：
.微藻類與藍細菌(簡稱為藻類)屬於微型植物，它們通常需 要簡單的礦物質營養素用來進行生長和繁殖。通過利用光子能 量，例如日光以及人工照明，藻類經過光合作用將水以及二氧化 碳轉換為高價值的有機化合物(例如，色素，蛋白質，脂肪酸， 碳水化合物，以及次級代i射產物)。由於藻類所具有的格外高效 的光利用以及營養素利用，使得藻類表現出了比高等植物高一個 量級的生長潛力。藻類是一種存在著相當大的差異的生物體集團，已經具有超 過40000種^皮鑑定出的種類。它們自然的生產出許多新的、到目 前為止大部分種類還尚未^皮4吏用的生物產品。在全J求範圍內， 2004年起源於藻類的產品(醫藥製品，保健製品，農用化學製品， 人類食品，以及動物祠料)的年銷售量被估算為達到20億美元。 通過利用分子生物學、代i射工程以及功能性基因研究上的最新突 破，可以將藻類作為一種優秀的基因表達媒介，用來製備重組蛋 白以及有助於人類和動物健康以及營養的其他生物活性化合物。由於藻類所具有的能夠從周圍環境中快速吸收營養素(例如 二氧化碳、氮、以及石粦)並將它們轉化成儲存於細胞之中的有才幾 化合物例如蛋白質的能力，已經提議將藻類應用於自然體系以及 工程化體系中，並且已經進行了試驗，將其用於從廢水中以及從 燃燒化石燃料的發電機中排放出的富含二氧化碳的廢氣中除去並且再生廢棄營養素的體系中。在上述生物fl^復(bioremediation) 過程中作為副產物而生成的藻類生物物質之後可以作為原料用 於生物燃料(例如，生物柴油，乙醇，或者曱烷)、動物飼料添 力口劑、以及有才幾月巴泮+的生產當中。儘管將藻類應用於進行液體形式以及氣體形式的生物燃料 的再生、高價值產品的再生、以及應用於環境的生物〗木息在科學 上以及環境學上都是合理的，但是藻類應用的經濟學可行性是由 工業規模的培養罐、或者所謂的光生物反應器(簡稱為反應器) 的效率以及成本效益來決定的，其中所述的培養罐或者光生物反 應器是藻類在其中生長以及增殖的地方。當前工業化的光生物反應器通常被設計成開》文的通道 (raceway),即每個淺槽(shallow pond )(可以容糹內的7Jc容量是 15釐米至30釐米高)覆蓋了 1000平米至5000平米的面積，所 述的淺槽被構建成 一 個環狀，培養物在所述的環中^f告助 一 個漿壽侖 進行循環(參見Richmond於1986年發表的文章)。這種生產才莫 式具有的優點是在構建以及維護方面相對簡單，但是它具有許多 缺點，這些缺點關係到野外生長的藻類的生產力的控制因素(參 見Richmond於1992年發表的文章；參見Tredici等人於1991年 發表的文章)。上述開放通道的總體生產力低下主要是歸因於缺 乏對溫度的控制以及長的光程和混合的不充分。在所迷開力文通道 中的藻類培養物是暴露於空氣中的，這同樣導致了培養物受到空 氣傳播的微生物以及灰塵的汙染，通常導致培養的失敗或者崩潰(crash )。所述的開放通道的這種重大缺點推動了封閉系統的發 展，所述的封閉系統即由透明管或者容器製成的光生物反應器， 在所述的光生物反應器中，可以通過泵或者空氣氣泡來完成培養 物的混合(參見Lee於1986年發表的文章；參見Chaumont於 1993年發表的文章；參見Richmond於1990年發表的文章；參 見Tredici於2004年發表的文章)。自Tamiya等人(於1953年)以及Pirt等人(於1983年) 進行的先驅研究之後，已經提議並且研發出了許多種管狀的光生 物反應器。這類太陽能受體光生物反應器通常是蜿蟲延形式的或者 是螺旋形式的，由玻璃或者塑料製成，帶有一個氣體交換導管 (vessel),所述的導管連接至管道系統(tubing)的兩端，通過 這個導管向其中加入二氧化碳以及營養素，並且除去其中的氧 氣，並且利用 一個泵(參見Gudin以及Chaumont於1983年發表 的文章)或者一個空氣^是升器(參見Pirt等人於1983年發表的 文章；參見Chaumont等人於1988年發表的文章；參見Richmond 等人於1993年發表的文章)來進行培養液在所述的導管與所述 的管道系統之間的循環。由於它們在光程、培養溫度、以及混合 方面進行的改進， -使得管狀光生物反應器不僅相當水平的增加了 藻類生物物質的生產力，並且使得具有商業利益的更多種類的藻 類能夠在更加受控制的培養條件下進行生長以及增殖。從另 一方面來看，所述的管狀類型的光生物反應器具有它們 自身存在的問題。首先，管狀光生物反應器具有一個明顯的"黑 暗區i或或者黑暗體積"(通常佔全部i咅養物體積的10-15%),所 述的"黑暗區i或或者黑暗體積"與一個脫氣池/罐相互關4關，在這 裡會發生過量的溶解氧與二氧化碳之間的交換。進入所述黑暗區 域的藻類細胞不能夠進行光合作用，但是通過細胞的呼吸作用消 耗細胞團塊(cell mass ),對於這種情形先前已經在光照條件下進行了比擬。因此，管狀反應器將維持的生物物質產量為理_論最大值的85-90%。其次，管狀光生物反應器可能在培養物懸浮液中 聚集通過光合作用而進化得到的高濃度的分子氧，所述的高濃度第三，管狀光生物反應器中通常使用到的用於促進長管道中的細 胞培養物的混合以及循環的機械泵能夠導致嚴重的細胞損傷。例 如，已經報導過細胞損傷中有大約15%的情況是與管狀類型的生 物反應器的操作相關的(參見Shilva等人於1987年發表的文章)。 Gudin以及Chaumont (於1991年)在大規模的管狀光生物反應 器中的紅J求藻(Haematococcus )培養物中同才羊乂見察到其具有顯 著的細胞脆性。由於許多枳4戒泵所產生的劇烈的水動力學應力 (hydrodynamic stress ),〗又〗又存在有限數量的種類的藻類能夠在 管狀生物反應器中存活。同樣的，管狀光生物反應器所具有的高 昂的資金以及維護成本也限制了它們的應用， -使它們 <又能夠應用 於小數量的、高價值的特種產品的生產中。然而，在最近的十年裡，注意力都聚焦在板狀類型的光生物 反應器中。這種類型的反應器第 一次被描述於Samson以及Leduy (於1985年)的文章中以及Ramos de Ortega以及Roux(於1986 年)的文章中，之後在Tredici等人(於1991年、1997年)以及 Hu等人(於1996年、1998年a、 b )的文章中有了進一步的精 確描述。平板類型的設計提供了超越管狀系統的更大的優點1) 在所述的平才反類型的涉及中沒有相關的"黑暗區i或"，所述反應 器全部被照亮，因此提升了光合作用的生產力；2)採用通風手 段促進培養物的混合以及湍流(turbulence ),這對於藻類細胞所 施加的傷害很小，因為由空氣氣泡所產生的水動力學力量是最小 的；3)在平板類型的系統中沒有對氧氣的有害水平進行加強， 因為所述系統的反應器的高度小(即，3英尺至10英尺)；4)可 以將平板反應器設定成各種方向和/或傾斜角度，其目標在於將其最大程度暴露於一年中的太陽能之下，從而進一步增加光合作用的生物物質產量；以及5)與管狀反應器相比，平板反應器需要 相對少的資金和維護成本。然而，平4反類型的反應器的應用遭ii到了主要的工考呈學障 礙，即，很難將所述的平板類型的反應器擴大規模，設計成一種 商業水平的反應器。因此，平^反反應器《又^U皮用作上遊階賴二 (bench-top )的培養裝置以及用於研究藻類的生長生理學的小型 野外培養單元，並且其從來沒有被應用於藻類的工業化培養當 中。發明內容在第一個方面，本發明提供了光生物反應器，其包括 (a) 適合於承載流體的容器，其包括(i) 相對的第 一側壁以及第二側壁，其中所述的第 一側壁 以及第二側壁中至少有 一 個是透明的；(ii) 相對的第一端壁(endwall)以及第二端壁；(iii) 容器底部；以及(iv) 容器表面，其中所述的第 一側壁以及第二側壁包括許多分離的片段，其 中所述的分離的片段是具有流體連通性的；(b ) 支撐柱，用於連接所述第 一 側壁以及第二側壁上的許 多分離的片段；(c) 與所述的容器具有流體連通性的至少一個進入埠 ；(d) 與所述的容器具有流體連通性的至少 一 個流出埠 ；(e) 與所述的容器具有流體連通性的一個通風系統；以及(f) 與所述的容器相連的一個溫度控制系統，用於控制在 所述容器內的流體的溫度。在一種優選的實施方式中，所述的光生物反應器進一步包括 一個或者一個以上擋4反(baffle),所述的4當玲反與所述第一側壁以 及第二側壁相連^妻，/人而形成一種障礙(barrier),並且將所述的 容器部分的分割成多個間隔。在另外一種實施方式中，本發明提供了光生物反應器模件， 包括兩個或者更多個本發明第一方面所述的光生物反應器，其中 每個光生物反應器中的容器都是具有流體連通性的。也可以將每 個光生物反應器的容器"i殳置為平4於狀態，並且可以通過流出埠 收集每個光生物反應器容器中的流體，其中所述的流出埠都與 一個共同的收集"非》丈層疊集管(manifold)系統相連4妻。在第二個方面，本發明提供了一種光生物反應器的控制;f反 (panel)單元，包括(a ) 適合於承載流體的容器，其包括相對的第 一 側壁以及 第二側壁，和相對的第一端壁以及第二端壁，其中所述的容器定 義了一種內部區i或、 一種頂端開口以及一種底端開口 ，其中所述 的第 一側壁以及第二側壁中至少有一個是透明的，並且其中所述 的第 一側壁以及第二側壁在本質上都是平的；(b) 頂端的蓋子，所述的蓋子安裝於所述的控制板的頂端開口之上；以及(c) 底部的蓋子，所述的蓋子安裝於所述的控制板的底端 開口之下；所述的頂端的蓋子以及底部的蓋子中的至少一個或者兩個 進一步包括一個或者一種通道，從而提供了一種分離的光生物反 應器控制糹反單元的流動連通性。在一種優選的實施方式中，所述的光生物反應器進一步包括「 一個或者一個以上擋板，所述的擋板在所述的第一側壁與第二側 壁之間延伸，這才羊一來，所述的內部區i或包括、午多個間隔。在另外一種實施方式中，本發明提供了光生物反應器模件， 包括兩個或者多個本發明第二方面所述的光生物反應器控制板的其他所有容器是具有流體連通性的。在第三個方面，本發明提供了製備本發明的第一方面或者第二方面的光生物反應器的方法，包括〗吏用本發明所述的第一方面 或者第二方面的光生物反應器的組成部件進行組裝的步驟。在第四個方面，本發明提供了用於藻類生長的方法，包括在 存在於本發明的第一方面或者第二方面所述的光生物反應器中 的生長培養基中對藻類進行培養，並且將所述的藻類暴露於光照 之下。在一個優選的實施方式中，所述的方法進一步包括收集所 述的藻類細力包。在一個進一步優選的實施方式中，所述的方法包 括從所述的收集到的藻類細胞中分離生物產品。在一個進一步的 實施方式中，所述的用於生長藻類的方法包括在存在營養素源的條件下對所述的藻類進行培養，其中所述的營養素源選自下面的組中來自於濃縮動物飼料加工中的廢水，農業灌溉用水，地下 鹽水，工業廢水，家庭廢水，,皮汙染的地下水，發電廠4非出的廢 氣，以及燃燒化石燃津+的發電廠排出的廢氣。


附圖1:所述反應器的一種範例性的幾何學構型。清晰透明 的材料可以是玻璃，或者是剛性/彈性塑料(例如，聚碳酸酯，聚 氯乙烯，丙烯酸，聚乙烯)。附圖2:具有多個間隔的反應器單元，其中所述的間隔是由 擋4反進行部分分離的。附圖3:單個的反應器單元的構型的範例，其中表示的是線 性的構型以及蜿蜒形狀的構型。附圖4:所述反應器的另外一種幾何學構型。可以4吏用塑剩-擠出技術製備反應器單元。 一個反應器單元由三個部分組成控 制4反，以及頂端蓋子和底部蓋子。附圖5:所述反應器的另外一種幾4可學構型，其中所述的反 應器是由多個反應器單元組成的。各個單元中的培養物懸浮液是 經由頂端蓋子結構以及底部蓋子結構相連通的。附圖6:單個的反應器單元的範例，所述的反應器單元具有 不同的光程長度(P1， Pl, P3以及Px)，用來代表具有不同光程 長度的反應器。附圖7:反應器^^莫件的範例，其中所述的反應器具有不同的 光程長度。附圖8:通風系統。可以將純淨的二氧化石友或者富含二氧化 碳的燃料氣體與空氣按照 一 定的比例進行混合，從而促進培養物 的混合，同時為藻類的光合作用4是供-友源。附圖9:蒸發冷卻選項。在夏天中可以將所述的反應器^f呆持 在最佳的培養溫度，或者當溫度高於所述的最佳溫度範圍時，通 過蒸發冷卻使溫度保持在最佳。附圖10:內部溫度控制選項。也可以使用一個內部溫度控制 系統將所述反應器中的溫度保持在最佳的培養溫度。將金屬管道 系統插入到反應器單元內，讓溫水或者冷水在所述管道中流通， 從而影響培養溫度。在冬季裡，或者當期望獲得一個較高的溫度 時，可以利用從燃燒藻渣或者來自於藻類的生物氣體的發電機中 產生的餘熱來保持培養溫度。附圖11:將一個基於計算機的監控系統整合至反應器單元和 /或模件中，用來監控以及調節培養物的pH，溫度，硝酸根/磷酸 根水平，以及氧氣濃度和二氧化> 友濃度。作為藻類收集系統中的 一個被整合的組件，將光密度傳感器插入到反應器模件中的經選 擇的反應器單元中，用於在線監控藻類細胞的密度，隨後將利用 這種細胞密度來控制藻類的收集。附圖12:反應器相對於太陽輻射的傾斜。附圖13:可以將反應器單元和/或反應器沖莫件i殳定至相同的 水平，或者不同的水平。在這種特定的情況當中，所述的反應器 單元#^殳定成階一弟的形式。附圖14: 一種室內反應器的示意圖。用實線表示的反應器片 段表示的是一個單獨的單元。用虛線表示的部分表示的是每個單獨的反應器單元都可能被延伸至任何期望的長度。各個反應器單 元之間可以串耳關的相互連通，並且培養物的流動方向是乂人4交寬的 光程單元流向4交窄的光程單元，反之亦然。附圖15: —個混合的開》文槽(open pond)的密閉反應器系 統。其中開放槽提供了多種功能a)作為承載廢物的槽；b)使初 始的藻類適應周圍環境的場所；以及c)初步的去除營養素以及 生物物質生產的階l殳，而所述的密閉反應器將i)向所述的開》文 通道(open raceway)中提供種子培養物；ii)對廢水進行高純度 水處理(polish),完全除去所述廢水中的營養素；iii)加強生物 物質的生產；以及iv)誘導目標產物(例如高價值的色素，脂質 /油，蛋白質，或者多糖)的細胞堆積。附圖16:反應器的頂端表面的範例。所述的頂端表面優選是 透明材並+，例如玻璃或者透明塑詳牛。附圖17:端部支撐柱(end-strut)的頂^L圖(A)以及側一見 圖(B)。所述的端部支撐柱可以是由例如不鏽鋼或者塑料板製成 的。附圖18:夾角支撐一主(corner-strut)的頂-現圖(A)以及側 視圖(B)。所述的夾角支撐柱可以是由例如金屬或者高強度的塑 料材料製成的。附圖19:支撐柱的構型。所述的支撐柱可以是由例如金屬、 塑料、或者混凝土製成的。側壁可以直4妄與所述的支撐柱相結合， 或者通過一個細條與所述的支撐柱相結合，所述的細條例如可以 是金屬或者塑料板。在後者的情況中，所述的支撐柱僅僅起到一 種支撐的作用。附圖20:固定有擋板的支撐柱的頂視圖(A)以及側視圖(B)。 所述的擋板可以是由例如金屬、玻璃、或者高強度塑料板製成的。附圖21:反應器片段的頂^L圖以及側視圖，其中所述的反應 器片段具有期望的光程長度的變化。所述的Z型連接器可以是由 例如塑料板(例如聚氯乙烯)或者金屬板(例如不4秀鋼)而製成 的。正如所期望的，這樣的設計使得單個的反應器單元具有不同 的光程長度。附圖22:可以在地面上以相同的水平i殳置光生物反應器單元 和/或光生物反應器模件。設置層疊集管系統，其目的在於提供生 長培養基/藻類以及收集和/或從反應器單元/模件中排放藻類培 養物。
具體實施方式
在第一個方面，本發明提供了一種光生物反應器，其包括 (a) 適合於承載流體的容器，其包括(i) 相對的第一側壁以及第二側壁，其中所述的第一側壁 以及第二側壁中至少有一個是透明的；(ii) 相對的第一端壁以及第二端壁；(iii) 容器底部；以及(iv ) 容器表面，其中所述的第 一側壁以及第二側壁包括許多分離的片段，其 中所述的分離的片羊殳是具有流體連通性的；(b ) 支撐柱，用於連接所述第 一側壁以及第二側壁上的許多分離的片段；(c) 與所述的容器具有流體連通性的至少一個進入埠 ；(d) 與所述的容器具有流體連通性的至少 一 個流出埠 ；(e )與所述的容器具有流體連通性的一個通風系統；以及(f) 與所述的容器相連的一個溫度控制系統，用於控制在 所述容器內的流體的溫度。本發明第一方面所述的光生物反應器可以4要照期望的目標 通過側壁片段以及支撐柱的使用來進行展開，從而提供 一 種工業 化可應用的平^反控制室光生物反應器，這將實現本領域的 一 個重 大的需求，將在下面的內容中進行更加詳細的描述。本發明所述的光生物反應器、以及包括許多這衝羊的光生物反 應器的模件，被設計成能夠持續高效的進行藻類的大規模培養， 特別是使用太陽能照射法用於商業化生產例如可再生性生物燃 衝牛以及其他具有附加伯、值的產品當中，以及用於對例如來源於工 業、農業以及家庭中的汙染水體進4亍的生物^修復當中。這裡所使用的術語"與......具有流體連通性"指的是在所敘述的組件之間具有一條允許液體或者氣體通過的通3各。本發明第 一方面所述的光生物反應器的一個例子的示意圖 在附圖1中有所表示。所述容器的所述第一側壁以及第二側壁中至少有一個是透 明的。在僅有一個透明側壁的實施方式中，當使用所述的光生物反應器進行藻類的戶外生長時，所述透明的側壁應當是朝向陽光 的側壁。所述容器的透明側壁可以是由任何透明的材料而製成 的，包括但不局限於玻璃或者塑膠板。塑料側壁可以是由包括但不局限於選自下述的材料而製成的，它們是聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯、丙烯酸、或者聚乙烯。不透明的側壁可以是由任何適 當的材料製成的，包括但不局限於塑料(例如聚氯乙烯、聚碳酸 酯、丙烯酸、或者聚乙烯)，3皮璃絲，不《秀鋼，混;疑土以及塑剩-襯管(plastic liner )。當使用所述的光生物反應器進行藻類的戶外 生長時，可以將這樣的不透明的側壁作為背離陽光的側壁進行使 用。這裡所使用的術語"許多的，，指的是兩個或者更多；因此， 所述的側壁包括至少兩個分離的片段。將要朝向陽光的所述透明 側壁("前側壁")包括許多的片^a,而所述的"後側壁"(其可 以是透明的或者不透明的)可以是沿著所述的光生物反應器的長 度的單個片段，或者也可以包括許多的片段。位於上述兩個側壁的內側之間的距離是"光程"，所述的"光 程，，影響其可以維持的藻類濃度、光合作用效率、以及生物物質 的生產力。所述的光程可以在大約5毫米至40釐米的範圍之內； 優選在100毫米至30釐米的範圍之內，更加優選在50毫米至20 釐米的範圍之內，甚至更加優選在l釐米至15釐米的範圍之內， 並且最4尤選在2釐米至IO釐米的範圍之內。，寸於一種《會定的應 用而言，所述的最佳的光程將取決於、至少部分取決於包括下列 因素在內的因素需要進行生長的具體的藻類的種類/菌才朱和/或 需要進行生產的具體目標產物。所述反應器側壁的高度可以在2英尺至8英尺或者更高的範 圍之內，取決於所使用的側壁材料的類型以及厚度。例如，所述 的側壁越高，需要側壁材^牛的厚度越厚，並且所述材衝牛的成本越高。作為選擇的，雖然低的側壁節省了材料的成本，但需要更多數量的分離的側壁片段，從而滿足一定的總體積的要求；除此之 外，還可能需要更多l史量的進入埠以及流出埠 ，和/或更力口復 雜的通風系統以及溫度控制系統。因此，對於每種不同的應用而 言，應當從工程學觀點以及經濟學觀點出發，對所述側壁的高度 進4亍優化。在一種實施方式中，所述的側壁以及端壁在本質上是平的； 當使用玻璃、剛性塑料板、不鏽鋼或者混凝土構建所述的側壁以 及端壁時，這種技術方案是優選的。在另外的實施方式中，特別 是當所述的側壁和/或端壁是由彈性塑料板製成、並且所述的彈性 塑剩-板是由外部支撐柱進4亍支撐的情況中，所述的側壁可以具有 某種彎曲率，所述的彎曲率是由單獨的支撐柱所施加的。本發明第一方面所述的光生物反應器的長度可以在1米至上 百米的範圍之內。取決於本發明的光生物反應器的設計特點，所 述的側壁可以是任意長度的。所述朝陽(前)側壁的高度與所述後側壁的高度可以是相同 的，或者是具有略孩i差別的。例如，當所述的光生物反應器祐:"i殳 計成朝向陽光的方向傾斜某一角度時(其目的在於收集最大的太 陽能量來進行藻類的光合作用，參見下文)，在這種實施方式中， 所述的前側壁可以略孩^氐於所述的後側壁。所述的前側壁與所述的後側壁可以使用相同的透明材料制 成，也可以使用不同的透明材料，基於成本的節約、最大透光能 力、以及最大熱傳導效率來進行優化。例如，在寒冷的冬季區域， 由塑料製成的反應器側壁將具有勝於玻璃板的優點，因為塑料材 料可以降低從培養物懸浮液至所述環境的熱損失。作為選^t奪的， 玻璃具有更高的熱傳導效率，因而在氣候較溫暖的區域，與塑料側壁材料相比，使用玻璃板製作所述的前側壁和/或後側壁將4吏得 所述的反應器能夠更有效率的驅散儲存的太陽光熱量。在另外一個實施例中，如果一種透明材料與另外一種類型的 材料相比更加透明和/或能夠維持更長久的高透明度，但所述的後 者材料更加便宜，那麼，可以使用具有更高質量的材料製作前側 壁，而所述更加^更宜的才才衝牛可以糹皮用來製作後側壁。通過4吏用不 透明的、由具有較低成本和/或較高強度的材料製成的後側壁可以 進一步的降^氐成本，其中所述的材^牛是例如混凝土、不《秀鋼、具有期望形狀的位於路堤(earth bank )頂端的("路肩")塑料村管， 以及玻璃絲。在各種不同的優選實施方式中，所述的第 一側壁以及第二側 壁包括2、 3、 4、 5、 10、 25、 50、 75、 100、 150、 200、 500個 或者更多個分離的片段。在這些不同的實施方式中，所述的前側 壁可以包括2、 3、 4、 5、 10、 25、 50、 75、 100、 150、 200、 500 個或者更多個分離的片l殳，而所述的後側壁可以包4舌單個的片 段，或者同樣可以包括2、 3、 4、 5、 10、 25、 50、 75、 100、 150、 200、 500個或者更多個分離的片段。對於可以使用的分離片^:的 數量沒有上限限制，只要使用了合適的支撐柱即可。在一種優選 的實施方式中，在所述光生物反應器中的支撐柱的數量是n+1, 其中"n"表示的是所述的第一側壁和/或第二側壁中的片^:的數 量。所述的容器底部可以是由任何材料製成的，只要能夠與所述 的側壁形成密封從而定義出所述容器的 一 個內部空間即可，其中 所述的內部空間能夠容納並且保持藻類培養物在所述光生物反 應器中進行生長。這樣的材料包括但不局限於混凝土，瓷磚，玻 璃，或者塑料薄板或者不鏽鋼薄板。所述的容器底部不需要是透 明的，儘管其可以是透明的。在一種優選的實施方式中，製成所述的容器底部的材料與製成所述側壁和/或端壁中的一種或者兩 種的材料相同。所述的光生物反應器還包括一個容器頂部，從而阻止了空氣 傳播的灰塵/微生物有機體進入所述的培養物，並且防止了水分的 蒸發。所述的頂部可以由玻璃材料或者塑料材料製成，並且其優 選是透明的，乂人而允許光透過。(例如，參見附圖16)。在一種最 優選的實施方式中，製成所述頂部的材料與製成所述側壁和/或端 壁中的一種或者兩種的材料相同。同樣優選的是，將所述的頂部 設置成與水平呈一定的角度，或者具有彎曲率。具有傾斜角度或 者彎曲形狀的表面將防止帶有或者不帶有藻類細胞的水滴在所述表面(cover)的內部表面(inner surface)上發生聚集。？Jc滴 和/或生長的藻類細l包在所述表面的內部表面上發生的可能的堵 塞(build up)將減少光在培養物中的滲透。因此，所述的表面 優選被設計成很容易進行移動以及重新放置，使得能夠在需要的 情況下對反應器的內部表面進行清潔。在本發明的第一個方面，使用支撐柱來提供一種框架結構， 從而連接所述第 一 側壁和/或第二側壁中的分離的片,殳。所述的支 撐柱可以是適合於達到這種目的的任何材料，包括但不局限於金 屬以及高強度的塑料，混凝土，或者陶瓷。如上所述，所述支撐 柱可以提供一種支撐功能，並且也為側壁的接合(join)提供了 表面積。支撐柱也可以定義所述反應器的光程長度(深度)以及 反應器單元的構型(例如，線性或者蜿蟲延的形狀)。通常而言， 所述的支撐柱為側壁提供了支撐以及用於進行接合的表面積，或 者在所述的支撐柱上具有接合好的側壁。由側壁形成的內部結構 之間相互4妻合，由所述的前側壁以及後側壁在所述容器內形成了 一個單個的內部空間，可以通過^f吏用擋板將所述的內部空間分割成間隔，這將在下面的內容中進4亍更加完整的描述。因此，支撐柱是用來將側壁一片一片進行接合、 一側一側進 行接合的方式，這使得單個的光生物反應器單元可以具有任意的 長度或者構型。 一 些支撐柱還可以為固定於其上的擋板提供框架 結構(參見下文)，從而在一個單獨的光生物反應器單元中形成 許多內部的間隔。支撐柱同才羊可以一皮用來為端壁以及夾角4是供支 撐，其中所述的端壁可以是線性構型或者蜿^1形構型的(參見附圖17-附圖18,其中對用來支撐端壁或者夾角的支撐柱進行了範例性的描述)。在一種優選的實施方式中，所述的支撐柱位於所述容器的外 部，用來提供支撐作用，從而承載所述的容器，並且也為各個側 壁的接合提供了表面。在一種優選的實施方式中，對於糹會定lt量(n)的側壁而言， 包括端部支撐柱(end-strut)在內的所述支撐柱的數量是"n+l"。有很多種設計的選4奪，可以用來提供支撐柱，從而連接所述 第 一側壁和/或第二側壁中的i午多分離的片,殳，包括^旦不局限於(1 )所述的支撐柱不僅為兩個側壁的邊緣能夠接合其上而 提供表面積，而且能夠從外部方向上提供重量的支撐。在這種實 施方式中，優選所述支撐柱的所述表面是光滑的並且是平的，並 且能夠與用來接合所述側壁材料與所述支撐柱的接合劑的類型 (包括但不局限於膠水，矽樹脂，環氧樹脂，等等)發生兼容。 例如看參見附圖19。(2)所述的支撐柱提供了支撐作用，並且為兩個側壁的邊 》彖4是供了接觸的表面積。然而，所述的側壁並不是直4妄4妄合於所 述支撐柱之上的，而是接合於 一個塑料薄板或者金屬薄板之上 (例如，與所述支撐柱的內部表面具有相同大小的一個薄的塑並牛板條或者不鏽鋼板條)，其中所述的塑料薄板或者金屬薄板是插 入到所述側壁與所述支撐柱之間的。由於所述的支撐柱並沒有直4妻才妻觸以及^妄合於所述的側壁之上，因而對於所述支撐柱材^r牛的 性質和/或所述支撐柱的內部表面的質量的要求不那麼嚴格。同樣 的，當需要對一個側壁進行替換時，可以容易的將其從所述支撐 柱的結構中移開。將所述的側壁接合於一種高質量的、薄的塑料 條或者不鏽鋼條之上能夠確保在所述側壁的接合區域4是供更好的密封性。例如可以參見附圖19。(3)可以在所述的側壁與所述支撐4主的內部表面之間、或者在薄的塑料條或者金屬條的內部表面之間放置一個襯墊(任何 適當的材料，包括橡膠，塑料，或者類似的材料)，/人而防止或 者減輕戶外條件下所產生的熱收縮/膨脹。基於同樣的原因，也可以 一奪所述的S於墊置於所述側壁的邊糹彖與所述反應器的底部蓋 子或者底部基底之間。如上所述，使用到的接合劑的類型取決於在側壁構造中所使 用的材料的類型以及所述支撐柱的設計。本領域技術人員能夠基 於本發明的教導對接合劑的類型進行優化。這類接合劑的非限制 性例子包4舌，^旦不局限於，各種"交水，環氧初M旨，以及石圭4對月交。基於本發明的教導，對於本領域:技術人員而言顯而易見的 是，可以對支撐所述容器片段的支撐柱進行許多其他的類似設 計。所述的光生物反應器含有至少一個進入埠 ，所述的進入端 口與所述的容器具有流體連通性，用於將流體導入所述的容器當 中，其中流體包括j旦不局限於培養基，藻類懸浮液，水/廢水，以 及營養素溶液。在一種優選的實施方式中，所述的進入埠位於 所述光生物反應器的一個端壁上，優選靠近所述容器的頂部。在所述的端壁上或者靠近所述端壁的位置上可以存在一個或者多 個進入埠，用於運送培養基，藻類懸浮液，水/廢水，或者營養 素溶液。不同的溶液也可以經由一個進口進入所述的反應器。將 進口設定於所述端壁的位置上或者靠近端壁的位置上的目的在 於建立一個營養素梯度，在所述的梯度中，最高的營養素濃度靠 近所述的進口，而最低的濃度在所述反應器的遠端。不同的營養 素濃度影響著藻類細胞的生長及其生物化學組成。例如，富含營 養素的培養基可以刺激並JU呆持高的生長速率以及生物物質的 生產力，而缺乏營養素的培養基可以刺激中性脂質、長鏈脂肪酸、 和/或次生類胡蘿蔔素的生物合成以及細胞聚集。因此，在具備這 一設計的反應器中建立的營養素梯度使得藻類從高度的生物物 質生產模式至高度的具體目標產物的聚集模式進行一種連續的 轉換。位於所述反應器的遠端之上或者靠近所述反應器的遠端的 出口將確保對藻類細胞的收集，其中所述的藻類細胞中具有最高 含量的目標化合物/產物。作為選擇的，可以按照彼此間保持一定的間距來設置多個進 入埠 ，從而確保在所述反應器單元中的營養素濃度和/或藻類細 胞濃度變得或多或少的均一。在這種情況中，在一個《會定的反應 器單元或者才莫件中生長的細;9包將具有相同的、令人滿意的生理學 情形，能夠用於特定的用途中。如上所述，當所述的反應器單元 是一種線性的反應器單元時，當需要時，可以沿所述反應器的長 度i殳置多個進入埠 。可以4十^f一種^合定的用途只十進入埠之間 的間距進行優化。可以將所述的進入埠i殳置在相對於所述側壁或者支撐牙主 的任意高度上。當多個光生物反應器單元以串聯形式存在，並且 培養物懸浮液從一 個反應器單元流向下 一 個位於其下遊位點的反應器單元時，優選將所述的進入埠設置在靠近所述光生物反 應器的頂端。本發明第一方面所述的光生物反應器包4舌至少一個與所述 容器具有流體連通性的流出埠 ，用於^f吏流體^v所述的容器中流 出，包括對藻類培養物懸浮液進行收集。在一種優選的實施方式 中，所述的流出埠位於與所述的進入埠相對的所述光生物反 應器的端壁之上。對於所述流出埠的安置是基於使用者的特定 需求的。例如，當^f吏用溢流原理作為收集以及i咅養水平控制的方 式時，優選將所述的流出埠設置在靠近所述光生物反應器頂端 的位置，或者將其設置在能夠保持一種理想的培養水平的位置 上。在這種實施方式中，優選將所述的流出埠設置在所述的遠 端端壁上或者靠近所述遠端端壁的位置上(遠離所述的進入端 口 )。或者，如果是通過例如一個電》茲閥調節的出口對收集工作 進行控制，那麼優選將所述的流出埠設置在靠近所述反應器底 部的位置上。在這種實施方式中，所述的流出埠被設計成既用 來進行收集也用來進行反應器的排放。當所述的流出埠被放置 於靠近所述光生物反應器的頂部，則需要在所述端壁的底部上或 者靠近所述端壁底部的位置處i殳置一個單獨的出口 ，用來進4亍反應器的排放。對於單個的光生物反應器而言，在相對於所述端壁的特定位 置處設置出口不是至關重要的。然而，當存在多個以平行狀態存 在的光生物反應器作為 一個模件時，如果全部的流出埠都位於 所述端壁上並且都連接至一個共同的層疊管道系統上時，可以降低管道/連接材料的資金成本/維護成本(附圖22)。本發明第一方面所述的光生物反應器還包括一個與所述容 器具有流體連通性的通風系統。所述的通風系統包括可以完成下述任務的任何適當的系統(a)向所述容器內導入二氧化石灰的供給；以及(b)導入壓縮空氣從而實現培養物的混合。這樣的通 風系統可以包括，例如，由彈性塑並牛或者剛性塑並+製成的空氣管 道(例如矽樹脂管道或者聚氯乙烯管道)，或者由金屬(例如不 鏽鋼)製成的空氣管道。例如，可以使壓縮空氣流經穿孔的管道 #1送至所述容器的底部，/人而達到通風效果(附圖8)。如果反應 器的側壁非常高(例如，6英尺或者更高)，則可以導入第二條通 風管道，例如在所述反應器的頂端與底部中間，從而促進培養物 的混合。沿所述的管道4安照一定的間隔(優選10毫米至50毫米) 設置一些具有某種直徑(優選在0.1毫米至2.0毫米之間)的孔， 以便提供空氣氣泡來實現培養物的混合。可以按照 一 定的百分比 (優選含有0.1%至20%的二氧化碳)將二氧化碳與壓縮空氣進 行混合，從而為藻類的光合作用提供碳源。在某些情況中，如果 需要的話可以將有衝幾石友(例如，以醋酸和/或葡萄糖的形式)加入 到培養基當中，用來支持藻類的生長。可以使用任何適當來源的 二氧化碳，包括^旦不局限於工業級、食品級、以煤為燃並+的發電 機散發出的富含二氧化碳的燃料氣體、生物物質(包括藻類生物 物質和/或經過高1^介值產物4€取之後的生物物質殘留物)、天然氣、 沼氣(例如，乙醇，甲烷，來自於藻類生物物質或者生物物質殘 留物的厭氧消化/發酵和/或廢水的厭氧消化)、以及液體化石燃料 或者生物燃料(包括基於藻類的生物柴油)。本發明第 一方面以及第二方面所述的光生物反應器可以是 線性形狀的，或者是蜿蟲延形狀的；例如可參見附圖3。在所述第一方面的一個進一步的實施方式中，所述的光生物 反應器進一步包4舌至少一個排;改出口 。在一種優選的實施方式 中，所述的排放出口位於與所述的進入埠相對的端壁之上，並 且靠近所述端壁的底部。如上所述，當利用溢流才莫式進^f亍收集時， 那麼所述的排;故裝置具有一個單獨的埠 ，優選位於所述反應器的底部或者4姿近底部，義人而在最小的能量需求條件下促進水/i咅養 物的排放。通常而言，每個反應器單元都將具有一個單獨的排》文 出口。然而，對於具有延長長度的反應器單元而言，多個排放出 口是優選的。例如，對於一個蜿蟲延形狀的反應器單元而言，可以 在每個端壁側設置排放埠 。在所述第一方面的一個進一步的實施方式中，所述的容器進 一步包4舌一個或者多個擋^反，所述的擋^反與所述第一側壁以及第 二側壁相連接，從而形成一個障礙，並且部分的將所述容器分割成多個間隔。當所述的側壁;f艮長時(例如，io米長至1000米長)，擋板是特別優選的，部分的將所述容器分割成多個間隔。對擋板進4亍i殳計，佳j尋每個間隔的上半部分(upper portion )可以通向 另外的間隔。雖然所述的擋板可以是使用者所期望的任何高度， 但優選所述擋板的高度為所述側壁高度的60%至90%,更優選為 所述側壁高度的70%至80%。當使用這樣的擋板時，在每個間隔 中的培養物懸浮液可以/人一個間隔流入另外一個間隔，儘管每個 間隔的下半部分是隔離的(附圖2)。這樣設計的目的在於，當某 一個特定的間隔損壞的時候，所述容器的其餘間隔將仍然能夠容 納大部分的i咅養物懸浮液。所述的擋板可以由適合於與容器相融合(inclusion)的任何 材料製成，其中所述的容器是用於支持藻類生長的容器，這些材 料包括但不局限於玻璃、不鏽鋼板、以及剛性塑料板。 一般而言， 用於製造側壁和/或端壁中的一種或者兩種的材料也同樣可以用 來製造擋板結構。所述擋板的厚度取決於材料的類型及其機械強 度，以及所述擋板的高度。對於與擋板進行接合的支撐柱而言， 所述的支撐柱不僅要提供用於使側壁進行接合的表面，還需要提 供用於安裝所述擋板的表面。所述擋板的側邊以及底邊都可以與 所述的支撐柱框架進4於4妻合，/人而在下半部分對每個間隔進4亍分離，使上半部分開放，使得每個間隔中的培養物懸浮液之間能夠 進行流通以及混合。在一種實施方式中，在所述擋才反的底部或者 靠近底部的位置上》文置一個由電》茲控制的閥門，當需要時，所述的閥門可以開啟或者關閉(參見附圖20)。當所述的閥門開啟時， 在一個反應器單元之內的所有間隔都是內部相連通的，這種連通 不僅僅是經由上半部分的連通，而是整個閥門的開啟。當所述的 閥門關閉時，每個間隔之間僅上半部分是內部相連通的。在正常 的情況下，位於所述擋斧反上的電》茲閥門是處於開啟狀態的。當意 外發生時(例如，容器滲漏，側壁破損)，或者當操作者需要時， 上述閥門是可以被關閉的。^4居本發明第 一方面所述的光生物反應器，在一個非限制性 實施例中，一個單個的線性光生物反應器單元具有100米的長度。 按照相等的間距(10米的間距)插入九個擋板，從而在所述的容 器中形成了 IO個間隔。所述擋板的高度略微低於側壁的高度或 者支撐柱的高度，在每個單獨間隔中的細胞培養物懸浮液通過頂 端部分進行混合。存在於所述的反應器單元中的所述擋板結構的 目的在於當一個側壁由於某種原因發生石皮損時，可以防止全部 培養物的流失。這樣一來，流失的培養物的量僅〗又來自於所述石皮 損的間隔之中位於所述擋板結構的高度之上的一'J、部分培養物。 在每個擋板之間的適當距離建議為10米至50米。換句話說，在 兩個擋板之間形成的反應器間隔應當提供5000升至100000升的 內部空間。在另外一種實施方式中，本發明提供了光生物反應器模件， 包括兩個或者更多個本發明第一方面所述的光生物反應器，其中 所述的光生物反應器的容器之間是具有流體連通性的。在這種實 施方式中，在所述模件中的各個光生物反應器的容器可以在其進 口處(即供應培養基等物質的進口 )與每個光生物反應器容器具有直接的流體連通性；當所述的光生物反應器是以平行狀態存 在時，它們之間可以具有流體連通性，可以經由流出埠對來自 於每個光生物反應器容器中的流體進行收集，這些流出埠與一 個共同的收集/排放層疊集管系統相連接；將每個光生物反應器容 器中的流體進行合併，或者每個光生物反應器容器經由某些其他 方式而具有;危體連通寸生。在一個模件中的所述兩個或者更多個光生物反應器可以具 有相同的或者不同的光程。本發明還提供了光生物反應器群 (cluster),包4舌兩個或者更多個本發明所述的光生物反應器才莫 件。在一個群中的所述兩個或者更多個光生物反應器模件也可以 具有相同的或者不同的光程。附圖7描述的是一個特定的反應器 群的例子，其中每個反應器模件具有的光程長度不同。在這種情 況中，可以在每個反應器模件的端點處進行藻類懸浮液的收集， 或者在多個串聯的反應器群的端點處進行藻類懸浮液的收集。附 圖13表示的是階梯式設置每個光生物反應器的例子，這樣一來， 藻類培養物可以憑藉重力作用從頂端的光生物反應器向下流至 最低水平上的光生物反應器中。所有的光生物反應器、光生物反 應器模件或者光生物反應器群也可以被設置在相同的水平之上。 附圖3表示的是將每個光生物反應器設置在相同水平上的情況。每個光生物反應器"單元"正如本發明第一方面中所描述的， 即為單個的光生物反應器。按照其長度，它可以具有相同的或者 不同的光程長度，可以是線性形狀或者是蜿蜒形狀，通常在所述 反應器的一個端點上具有一個或者多個進口 ，並且在所述反應器 的對立面上具有一個或者多個出口 。參見附圖21,描述的是在一所述的"光生物反應器模件"包括多個光生物反應器單元， 這些光生物反應器單元是平行放置的。當所述的反應器單元具有線性構型時，每個反應器單元的所有進口朝向同一個方向，而每 個反應器單元的出口朝向相反的方向。如果反應器單元具有蜿蟲延 形狀的構型，所有的進口以及出口可以在相同的方向上，或者在 相反的方向上。在一種優選的實施方式中，具有相同的生理學狀 態或者營養學狀態的藻類細胞被保持在 一 個反應器模件中。"光生物反應器群，，包括多個反應器模件。每個模件可以具 有相同的或者不同的光程長度。優選的，培養物從具有最大反應 器光程和/或具有最高營養的生長培養基的反應器模件中流向具 有減小的光程的反應器才莫件再流向具有最窄光程以及具有營養 素缺失的生長培養基的反應器模件。每個反應器模件之間的連接 是靈活的，取決於具體的藻類種類/菌抹和/或生產的具體產物。 例如，當通過某種藍細菌或者微藻類生產高價值的藻膽蛋白或者 長鏈高不飽和脂肪酸時，包括具有長光程的反應器單元/才莫件的反 應器群是優選的。相反，為了最大量的生產中性脂質以及次生類 胡蘿蔔素，所述的反應器群優選包括多個反應器模件，對這些反 應器模件進行安排，使得培養物從大光程的反應器模件中流向光 程較窄的反應器模件中。在第二個方面，本發明提供了一種光生物反應器控制板單元，包括(a) 適合於承載流體的容器，其包括相對的第一側壁以及 第二側壁，和相對的第一端壁以及第二端壁，其中所述的容器定 義了內部區i成、頂端開口以及底端開口，其中所述的第一側壁以 及第二側壁中至少有一個是透明的，並且其中所述的第 一側壁以 及第二側壁在本質上都是平的；(b) 頂端的蓋子，所述的蓋子安裝於所述的控制^1的頂端 開口之上；以及(C) 底部的蓋子，所述的蓋子安裝於所述的控制板的底端開口之下；所述的頂端的蓋子以及底部的蓋子中的至少一個或者兩個 可以進一步包括一個或者多個通道，乂人而^是供了到達一個分離的 光生物反應器的控制板單元的流動連通性。本發明第二方面所述的光生物反應器控制板單元是一個單 獨的單元，這些單元可以經由所述的通道連4妄在一起，形成一個 多個單元的光生物反應器模件，如下文中所述。照這樣，它將平 板類型的反應器的規模擴大，設計成商業化的水平，並且因此滿 足了本領域的 一個重大需求。在所述第二方面的一種優選的實施方式中，所述的容器、所 述的底部蓋子以及所述的頂端蓋子是塑料的，並且所述的光生物 反應器控制板單元是利用塑料擠出技術來製備的，其中通過一個 沖模(die)對塑料進行推進和/或拉出，從而生成具有固定橫截 面的長物體。可以通過例如在所述的沖模上放置一個栓(pin)或 者心軸(mandrel)來形成空心截面。可以進行連續的擠出從而產 生無限長的物質，或者進行半連續擠出，重複的生產出多個略短 的片段。塑料擠出技術的優點在於能夠以相當低的價錢生產出大量 的標準的反應器單元。反應器單元所具有的標準尺寸也將使得能 夠簡單、快速的將反應器單元組裝成^f莫件或者排列。這種方法還 可能將所述反應器的高度增加至10米至20米，從而減少反應器 單元的數量，並且因此降^f氐資金成本/維護成本。本發明第二方面所述的第 一側壁以及第二側壁，以及關於這 些內容的各種實施方式，與本發明第一方面中描述的內容相似。將所述的頂端蓋子安裝於所述控制板的頂端開口之上，防止 空氣傳播的灰塵/樣史生物有機體進入所述的培養物中，防止水分蒸 發、經由藻類光合作用而產生的空氣以及過量氧氣的釋放，並且將相鄰的每個控制板連接在一起。例如，在附圖5中所示的頂端蓋子實際上包括多個4妄合在一起的單獨的頂端蓋子。底部蓋子以 及頂端蓋子都被設計成很容易進行所期望的加長連接。因此，在 每個平板控制板單元中的藻類培養物懸浮液能夠發生混合，並且從一個控制板流向另一個控制板中(附圖5)。所述的底部蓋子安 裝於所述控制板的底端開口之下，與所述的控制板形成一個整 體，從而承載流體，並且因此4是供了作為藻類光生物反應器的能 力。所述頂端蓋子以及所述底部蓋子的實施方式與如上對於所 述容器底端以及頂端的描述相類似。在所述的第二方面，所述頂端蓋子以及所述底部蓋子中的一 個或者兩個可以進一步包4舌一個或者多個通道，從而才是供了到達 一個分離的光生物反應器的控制才反單元的流動連通性，允許;告養 物懸浮液從一個控制板流入另外一個控制板中。在一種優選的實 施方式中，所述的一個或者多個通道存在於所述的頂端蓋子上。在所述第二方面的一種優選的實施方式中，內部包4舌延伸於 所述第一側壁與第二側壁之間的一個或者多個擋壽反，這樣一來， 所述內部包括許多個間隔。擋板之間的距離可以依據使用者的具 體需求而改變，如附圖4中所示。擋板及其實施方式如前文中針 對本發明第一方面所進;f亍的描述。在另外一種優選的實施方式中，所述的底部蓋子進一步包括 一個通風系統，如前文中針對本發明第一方面所進行的描述。在 一種優選的實施方式中，所述的通風系統包4舌空氣氣泡管道，所述的空氣氣泡管道沿所述底部蓋子的底端插入，乂人而提供通風環 境，促進培養物的混合併且提供二氧化碳的供給。通風系統及其 實施方式如前文中針-對本發明第一方面所進^f亍的描述。在另外一種優選的實施方式中，所述頂端蓋子以及底部蓋子 中的一個或者兩個進一步包4舌一個與所述內部具有流體連通性 的進入埠，用於導入流體，將流體導入到所述光生物反應器控 制4反單元的內部，所述流體包括 f旦不局限於培養基，藻類懸浮液， 以及營養素溶液。在一種優選的實施方式中，所述的進入埠位 於所述的頂端蓋子之上。可以理解的是，當本發明第二方面所述 的多個光生物反應器控制板單元相互連接時，僅僅需要一個這樣 的進入埠 ，因而不是所有的個體單元都需要包括一個這樣的端 口。然而，這些個體單元中的4壬<可一個或者全部渚卩可以包4舌一個 進入埠 。進入埠及其優選的實施方式如前文中針對本發明第 一方面所進4於的描述。在所述第二方面的另外一種優選的實施方式中，所述頂端蓋 子以及底部蓋子中的一個或者兩個進一步包4舌至少一個與所述 內部具有流體連通性的流出埠 ，用於排出所述容器內的流體， 包括需要收集的藻類培養物懸浮液。在一種優選的實施方式中， 所述的流出埠位於所述的頂端蓋子之上。可以理解的是，當本 發明第二方面所述的多個光生物反應器控制板單元相互連接時，僅僅需要一個這樣的流出埠 ，因而不是所有的個體單元都需要 包括一個這樣的埠。然而，這些個體單元中的任何一個或者全 部老P可以包4舌一個流出埠 。流出埠及其^尤選的實施方式長口前 文中針對本發明第 一 方面所進行的描述。在所述第二方面的一個進一步的實施方式中，所述頂端蓋子以及底部蓋子中的至少一個進一步包4舌至少一個氺M文出口 。在一 種優選的實施方式中，排放出口位於所述的底端蓋子之上。排放出口及其優選的實施方式如前文中針對本發明第一方面所進4亍 的描述。下面的實施方式將應用於本發明的第一方面以及第二方面 中的一個或者兩個。在一種進一步的實施方式中，在所述光生物 反應器中的不同位置上，所述第 一側壁與第二側壁之間的距離是 變化的。如前文所述，所述第一側壁與第二側壁的內表面之間的 距離構成了所述光生物反應器的光程。在這個實施方式中，所述 的光生物反應器可以具有或者長或者短的相同長度的光程，也可 以沿其水平軸具有變化的光程，即，在一端具有長的光程，當朝 向所述光生物反應器的相對 一端進4於移動時，光程的長度逐漸減小。附圖6中表示的是在所述第一側壁與第二側壁之間具有不同 距離(即，光程不同)的光生物反應器的例子。這種變化的光程可以被用在例如在光生物反應器的不同位 置處培養特定的藻類菌林和/或生產特定的目標終產物(例如，高 價值類胡蘿蔔素，總脂質，以及蛋白質)的情況中，正如前文所 述以及本領域中已知的情形(參見Hu等人於1996年發表於 "Biotechnology and Bioengineering (生物技術與生物工程)"51: 51-60中的文章；參見Hu等人於1998年發表於"European Journal of Phycology (歐洲藻類學雜誌)"33: 165-171中的文章)。在一 個非限制性實施例中， 一種光生物反應器在一端具有100毫米的 光程，而在另外一端具有20釐米的光程；可以應用司(Apopka， FL32703 )購買獲得一種監控系統。通過利用自動控制系統以及方法論，可以實現上述控制系統 以及傳感器中的4壬4可一種。在一種優選的實施方式中，將一個基 於計算機的監測系統整合至所述光生物反應器和/或光生物反應 器才莫件中，從而監測並且調節培養pH，溫度，硝酸根/磷S臾才艮7jc 平，氧氣濃度以及二氧化碳濃度。作為藻類收集系統中被整合的 一個組件，將光密度傳感器插入到反應器模件中的經選擇的光生 物反應器單元中，用於在線監測藻類細胞的密度，隨後將利用這 種細胞密度來控制藻類的收集(附圖11)。在本發明所述第一方面以及所述第二方面的一種進一步的 實施方式中，所述光生物反應器進一步包括一種用於^f吏所述的光 生物反應器發生傾斜的手段。在太陽光能量與生產力之間觀察到 一種直接的關係根據季節改變所述反應器的傾斜角度，所接收 到的太陽光能量越多，在所述培養物中所持續的生產力就越強。 所述反應器的傾斜角度對最佳種群密度以及由此得來的細胞生 物物質的生產力表現出一種顯著的作用，其原因在於所述的傾斜 角度影響了碰撞在所述反應器表面上的太陽光輻射的量。對於一個糹會定的季節性溫度而言，生物物質的生產力耳又決於 所述光生物反應器接收到的太陽光輻射的量。 一般來說，對於一 個朝向赤道的單面光生物反應器而言，能夠最大限度的進行全年 能量的收集的最佳傾斜角是接近於地理綿度的傾斜角。地理緯度 越高，光生物反應器的定向所產生的效果就越發顯著，因為與才妄 近赤道的情況相比，地理緯度越高則可以利用的光線就越有限。 由於這類原因，在夏季選擇10°至30°的小傾斜角、在冬季選 擇接近60°的較大角度能夠達到最大的生產力(附圖12)。每天並且一整年裡朝向太陽以各種角度對反應器進行定向 以及傾斜，其好處在於收穫與太陽光能量的生物轉化相關聯的最大潛能(potential )。針對所述傾斜角進行的優化頻率對全部年生 產力的影響的研究表明，在一整年裡頻繁的調整所述優化的反應 器角度將產生最高的全部年生產力。以季節為基礎朝向太陽以各 種適當的角度對光生物反應器進行定向以及傾斜所產生的一個 潛在的好處在於在年生物物質產量方面可以達到40%的^是升。 從實際的立場出發，每年對所述的傾斜角進行兩次調整將顯著的 提升總生產力。當生產位點位於更高的緯度上時，這一理論格外 有效。可以使用能使所述的光生物反應器發生傾殺牛的任4可方式，例 ^口那些在Hu等人(於1998年)在"Journal of Fermentation and Biotechnology (發酵與生物才支術雜誌)"85: 230-236中發表的文 章中所描述的。在另外一種實施方式中，可以將本發明所述的光 生物反應器放置於崖徑(berm)上，例如土堆或者土堤上，其中 所述的崖徑是凸起的並且其尺寸恰好能夠為所述的光生物反應 器提供相對於太陽的適當的傾斜。在這個實施方式中，朝向所述 崖徑的側壁不必須是透明的。在這個實施方式中，所述的崖徑也起到了隔離作用，並且能夠幫助在所述的光生物反應器中保持適 當的培養溫度。對於 一 個大範圍的地理綿度而言，應當將所述的光生物反應 器》文置在一個朝南的方位上，乂人而4妻收最大量的太陽光輻射。然 而，對於某些地理煒度而言(例如以色列)，在夏季月^f分中，垂 直朝東/西的光生物反應器能夠接收到更多的太陽光輸入，甚至比 最優化的朝南傾斜的反應器接收到的更多。對於這些因素進行系 統的使用，能夠使得在任何地理緯度上都可以識別出反應器的優 化構型，允i午對於東-西方向的相對好處進^亍評估。在某些實施方式中，所述的光生物反應器可以淨皮用來進行室 內的藻類培養。在這種情況中，可以提供人工照明，並且一種特定的光線來源是螢光燈管(附圖14)。具有這種設計的室內反應 器與室外反應器之間唯 一 的區別就在於光線的來源。所述的反應 器本身可以是相同的。在一個進一步的實施方式中，本發明第一方面和/或第二方面 所述的光生物反應器可以與一個開;^丈的槽(pond)系統結合l吏用 (附圖15)。其中所述的開放槽可以提供多種功能a)作為承載 廢物的槽；b)〗吏初始的藻類適應周圍環境的場所；以及c)初步 的去除營養素以及生物物質生產的階,殳，而本發明所述的密閉的 光生4勿反應器可以#1用來i)向戶斤述的開》丈通道(open raceway ) 中才是供種子培養物；ii)對廢水進4亍高純度水處理(polish),完 全除去所述廢水中的營養素；iii)力口強生物物質的生產；以及iv) 誘導目標產物(例如高價值的色素，脂質/油，蛋白質，或者多糖) 的細力包堆積。可以在生產環節中將本發明第一方面或者第二方面所述的 光生物反應器作為完整的獨立的反應器進行製備，並且將其運輸 至反應器應用環節中進4亍安裝以及運4亍，也可以作為分離出的某 些部分進行製備以及運輸，運送至所述應用環節中進行組裝以及 運行，行現場(on-site)製備因此，在第三個方面，本發明提供了用於製造本發明第一方 面或者第二方面所述的光生物反應器的方法，包括對本發明第一 方面或者第二方面所述的光生物反應器的組件部分進行組裝的 步驟。基於如上所述的對本發明第一方面以及第二方面所進^亍的在第一個實施方式中，所述的方法包括通過將一個適合於承 載流體的容器組裝至支撐柱上的步驟來組裝一個光生物反應器，其中所述的容器包4舌(a )相對的第 一側壁以及第二側壁，其中所述的第 一側壁 以及第二側壁中至少有一個是透明的；(b) 相對的第一端壁以及第二端壁；(c) 容器底部；以及(d) 容器表面，其中所述的第 一側壁以及第二側壁包括許多分離的片段，並 且其中所述的分離的片段是具有流體連通性的；其中所述的支撐柱經過了組裝，將所述第一側壁以及第二側 壁上的許多分離的片段連接起來。在上述第一個實施方式的範例性的優選實施方式中，所述的 光生物反應器進一步包括至少一個與所述容器具備流體連通性 的進入埠 ；至少一個與所述容器具備流體連通性的流出埠 ； 一個與所述容器具備流體連通性的通風系統；以及一個與所述容 器進行連4妄的溫度控制系統，乂人而控制所述容器內的流體的溫 度。所述的方法可以進一步包4舌加入如上在本發明所述第一種實 施方式以及第二種實施方式中所描述的光生物反應器的其他實施方式o在第四個方面，本發明提供了用於進行藻類生長的方法，特 別是微藻類，包括在存在營養素來源以及光線的條件下，在本發 明第一方面或者第二方面所述的光生物反應器中對藻類進行培養的步驟，其中光線優選為日光。；微藻類(簡稱為藻類)屬於孩吏 型植物，它們通常需要簡單的礦物質營養素用來進行生長和繁 殖。通過利用光子能量，例如日光以及人工照明，藻類經過光合 作用將水以及二氧化碳轉換為高價值的有機化合物(例如，色素，蛋白質，脂肪酸，碳水化合物，以及次級代謝產物)。伴隨著光合作用的發生，廢水中的氮和好u也^皮吸收，並且在藻類細J包中發生同化。由於藻類所具有的格外高效的光利用以及營養素利用， 使得藻類表現出了比高等植物高一個量級的生長潛力。用於這類藻類生長的營養素來源包括，yf旦不局限於，標準藻 類培養基，動物廢水，來自於濃縮動物飼料加工中的廢水，含有 營養素汙染的地下水和/或農業灌溉用水可以;陂用作生長培養基， 前提是在對某些化學試劑進行平4軒之後，所述的化學試劑包括4旦 不局限於磷以及痕量元素，摻入某些化學試劑的地下鹽水，其中 所述的化學試劑包括但不局限於硝酸鹽以及磷酸鹽，工業廢水， 家用廢水，以及被汙染的地下水，還有發電廠排放出的廢氣，其 中所述的發電廠以藻類生物物質殘餘物為燃料，這些殘餘物是經 過目標產物的提取和再生之後得到的，燃燒化石燃料的發電廠排放出的廢氣，含有高濃度氨以及磷酸鹽的乳製品廢水，以及高硝 酸鹽水平的i也下水。如前文中所述，使用不同的營養素濃度會影響藻類細胞的生 長以及生化組成。例如，富含營養素的培養基可以刺^t並且維持 高的生長速率以及生物物質的生產力，而缺乏營養素的培養基可 以刺激中性脂質、長鏈脂肪酸、和/或次生類胡蘿蔔素的生物合成 以及細胞聚集。因此，本發明第一方面或者第二方面所述的光生 物反應器中建立的營養素梯度使得藻類從高度的生物物質生產 模式至高度的具體目標產物的聚集模式進行一種連續的轉換。在本發明所述第四方面的方法中所4吏用到的 一種優選的實 施方式中，使用本發明第一方面或者第二方面所述的光生物反應 器，並且將其放置於崖徑上，例如土堆或者土i是上，其中所述的 崖徑是凸起的並且其尺寸恰好能夠為所述的光生物反應器糹是供 相乂于于太陽的適當的傾殺牛，^前文中所述。所述第四方面進一步包括"使用各種方法(例3口，離心法，溶 氣浮選法，或者膜過濾法)從存在於本發明所述光生物反應器中 的培養物懸浮液中收集藻類細月包的方法。可以4吏用幾種類型的工 業用離心積J人所述的光生物反應器中收集藻類細月包。可以4吏用這 些方法來生產高Y介值的藻類產品，例如長鏈不飽和脂肪酸，類胡 蘿蔔素，藻膽蛋白，葉綠素以及多糖。也可以使用溶氣浮選法從 反應器中收集藻類糹田胞。(Hoffland Environmental, Inc. 10391 Silver Springs Road , Conroe TX 77303-1602 ; SAMCO Technologies, Inc. 160 Wales Avenue, PO Box 906， Tonawanda, NY.14150)。對於將廢水(例如浪費的營養素以及二氧化碳)的 處理與藻類生物物質的生產相結合的情況而言，這種方法是才各外有效的。同才羊可以4吏用月莫過濾的方法來4文集藻類細月包(例3口， US Membranes Corp.)。本發明第四方面所述的方法可以用於各種目的，包糹舌<旦不局 限於來源於藻類的產品(醫藥製品，保健製品，農用化學製品， 人類食品，以及動物飼料)的生產；重組蛋白的生產；環境修復， 包括但不局限於廢營養素的去除和再生，其中所述的廢營養素來 自於廢水以及燃燒化石燃並牛的發電站排;改出的富含二氧化石友的 廢氣；以及藻類生物物質的生產，其中所述的藻類生物物質可以 作為原料應用於生物燃料(例如生物柴油，乙醇，或者甲烷)、 動物飼料添加劑以及有機肥料的生產之中。本領域技術人員熟知利用光生物反應器進行標準的藻類培養的方法。例如，可參見Gitelson等人(於1996年)發表於"Applied and Environmental Microbiology (應用微生物學和環境微生物 學)，，62: 1570-1573中的文章；Hu以及Richmond (於1994年) 發表於"Journal of Applied Phycology (應用藻類學雜誌)"6: 391-396中的文章；Hu等人(於1998年)發表於"Journal of Fermentation and Biotechnology (發酵和生物4支術雜誌)"85: 230-236中的文章；Hu等人(於1996年)發表於"Biotechnology andBioengineering(生物技術與生物工程)'，51: 51-60中的文章； Hu等人(於1996年)發表於"Journal of Phycology (藻類學雜 志)"32: 1066-1073中的文章；Hu等人(於1998年)發表於"Applied 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權利要求
1.一種光生物反應器，其包括(a)適合於承載流體的容器，其包括(i)相對的第一側壁以及第二側壁，其中所述的第一側壁以及第二側壁中至少有一個是透明的；(ii)相對的第一端壁以及第二端壁；(vii)容器底部；以及(viii)容器表面，其中所述的第一側壁以及第二側壁包括許多分離的片段，其中所述的分離的片段是具有流體連通性的；(b)支撐柱，用於連接所述第一側壁以及第二側壁上的許多分離的片段；(c)與所述的容器具有流體連通性的至少一個進入埠；(d)與所述的容器具有流體連通性的至少一個流出埠；(e)與所述的容器具有流體連通性的通風系統；以及(f)與所述的容器相連的溫度控制系統，用於控制在所述容器內的流體的溫度。
2. 根據權利要求1所述的光生物反應器，其中所述的第一側壁 以及第二側壁包括至少5個分離的片^:。
3. 根據權利要求1所述的光生物反應器，其中所述的第一側壁 以及第二側壁包4舌至少50個分離的片l殳。
4. 才艮據權利要求1所述的光生物反應器，其中所述的支撐柱的 數量等於(n+l),其中n表示的是第一側壁以及第二側壁的 數量。
5. 才艮據權利要求1所述的光生物反應器，其中在所述容器內的 所述兩個側壁之間的距離在100毫米至300毫米的範圍之 內。
6. 根據權利要求1所述的光生物反應器，其中進一步包括與所 述的容器具有流體連通性的排;改出口 。
7. 根據權利要求1所述的光生物反應器，其中進一步包括一個 或者一個以上與所述的第一側壁以及第二側壁相連4妄的擋 ^反，/人而形成了一種障礙，部分的將所述容器分割成多個間 隔。
8. —種光生物反應器模件，包括兩個或者更多個權利要求1所 述的光生物反應器，其中每個光生物反應器中的容器之間具 有流體連通性。
9. 一種光生物反應器控制板單元，其包括(a) 適合於承載流體的容器，其包括相對的第一側壁以 及第二側壁，和相對的第一端壁以及第二端壁，其中所述的 容器定義了一種內部區域、 一種頂端開口以及一種底端開 口 ，其中所述的第一側壁以及第二側壁中至少有一個是透明 的，並且其中所述的第一側壁以及第二側壁在本質上都是平 的；(b) 頂端的蓋子，所述的蓋子安裝於所述的控制板的頂端開口之上；以及(C)底部的蓋子，所述的蓋子安裝於所述的控制板的底端開口之下；所述的頂端的蓋子以及底部的蓋子中的至少一個或者兩 個進一步包括一個或者一個以上通道，從而4是供了一種分離 的光生物反應器的控制糹反單元的流動連通性。
10. 根據權利要求9所述的光生物反應器控制板單元，其中所述 的頂端蓋子以及所述的底部蓋子中至少一個或者兩個進一 步包括一個或者一個以上通道，從而提供一種分離的光生物 反應器的控制糹反單元的流動連通性。
11. 根據權利要求9所述的光生物反應器控制板單元，其中進一 步包括延伸於所述第一側壁與第二側壁之間的一個或者一 個以上擋^反，/人而僅:得所述的內部區域包括3午多的間隔。
12. —種光生物反應器模件，包括兩個或者更多個權利要求10 所述的光生物反應器控制板單元，其中每個光生物反應器的 容器與所述光生物反應器模件中的其他所有容器間都具有 流體連通性。
13. 根據權利要求12所述的光生物反應器模件，其中進一步包 :括通風系統。
14. 根據權利要求12所述的光生物反應器模件，其中所述的光 生物反應器中的至少一個包括進入埠 ，所述的進入埠與 所述光生物反應器的內部區域具有流體連通性。
15. 根據權利要求12所述的光生物反應器模件，其中所述的光 生物反應器中的至少 一個包4舌流出埠 ，所述的流出埠與 所述光生物反應器的內部區域具有流體連通性。
16. 根據前述權利要求1-15中任意一項所述的光生物反應器或 者光生物反應器模件，其中在所述光生物反應器中的所述的 第 一側壁與第二側壁之間的距離隨著位置的不同而發生變 化。
17. 根據前述權利要求1-16中任意一項所述的光生物反應器或 者光生物反應器模件，其中進一步包括溫度控制系統。
18. 才艮據前述4又利要求1-17中任意一項所述的光生物反應器或 者光生物反應器模件，其中進一步包括pH控制系統。
19. 根據前述權利要求1-18中任意一項所述的光生物反應器或 者光生物反應器模件，其中進一步包括硝酸根/磷酸根水平控 制系統。
20. 才艮據前述片又利要求1-19中任意一項所述的光生物反應器或 者光生物反應器模件，其中進一步包括一個氧氣水平控制系統。
21. 才艮據前述4又利要求1-20中任意一項所述的光生物反應器或 者光生物反應器模件，其中進一步包括二氧化碳水平控制系統。
22. 根據前述權利要求1-20中任意一項所述的光生物反應器或 者光生物反應器模件，其中進一步包括光密度傳感器。
23. 糹艮據前述權利要求1-22中任意一項所述的光生物反應器或 者光生物反應器模件，其中進一步包括一種使所述光生物反 應器發生傾斜的手段。
24. 根據前述權利要求1-23中任意一項所述的光生物反應器或 者光生物反應器模件，其中所述的光生物反應器或者光生物 反應器模件是線性的。
25. 才艮據前述4又利要求1-23中任意一項所述的光生物反應器或 者光生物反應器模件，其中所述的光生物反應器或者光生物 反應器模件是蜿蜒形狀的。
26. 根據前述權利要求1-25中任意一項所述的光生物反應器或 者光生物反應器模件，其中可操作性的連接至一種開放槽生 物反應器系統。
27. 藻類生長的方法，包括將藻類培養在放置於權利要求1-25 中任意一項所述的光生物反應器中的生長培養基中，並且將 所述的藻類暴露於光下。
28. 根據權利要求27所述的方法，其中進一步包括藻類細胞的 收集。
29. 根據權利要求28所述的方法，其中進一步包括從所述的收 集到的藻類細胞中分離生物產品。
30. 才艮據權利要求29所述的方法，其中所述的生物產品選自由 下列物質組成的組長鏈不飽和脂肪酸，類胡蘿蔔素，藻膽 蛋白，葉l錄素，以及多糖。
31. 根據權利要求28所述的方法，其中所述的藻類細胞包括重 組藻類細胞，並且其中所述的方法進一步包^^人所述的藻類 細月包中分離重組多肽產品。
32.根據權利要求27所述的方法，其中進一步包括在存在營養 素來源的條件下對藻類進行培養，所述的營養素來源選自由 下列物質組成的組來自於濃縮動物飼並十加工中的廢水，農 業灌溉用水，；也下鹽水，工業廢水，家庭廢水， 一皮汙染的;也 下水，發電廠排出的廢氣，以及燃燒化石燃料的發電廠排出 的廢氣。
全文摘要
本發明提供了新的光生物反應器，其模件，以及使用所述的光生物反應器對藻類以及藍細菌進行培養並且收集的方法。
文檔編號C12N1/12GK101405385SQ200780009753
公開日2009年4月8日 申請日期2007年2月20日 優先權日2006年2月21日
發明者M·薩默爾費爾德, 強 胡 申請人:亞利桑那州立大學董事會，代表亞利桑那州立大學法人團體利益