能夠產生光營養色素、高度不飽和脂肪酸或多糖的藻類的高濃度培養方法
2023-05-03 08:21:21
專利名稱:能夠產生光營養色素、高度不飽和脂肪酸或多糖的藻類的高濃度培養方法
技術領域：
本發明涉及一種培養能夠產生高度不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻類來生產藻類細胞內含有這些物質的藻類的方法，特別涉及利用一定的培養設備在培養基中以高濃度培養在光照射和/或通氣條件下能夠產生高度不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻類來有效生產藻類細胞內含有這些高度不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻類的方法。
背景技術：
對於快速生長的藻類的培養方法的研究是為了穩定、高效生產用作養魚的安全飼料和安全食品添加劑的光合色素和用於醫藥和健康食品的不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖。然而，培養方法只限於幾種，因此，只是對非常有限的種類如小球藻屬和螺旋藻屬進行了研究並且還沒有建立起一種有效的培養方法。
藻類通過吸收二氧化碳的光合作用來進行有用物質的生物合成。另外，重要的是要有效地進行藻類的培養，因此，用於培養的設備對於有效的光合作用是必需的。因此，正在進行培養設備的改進和一種新培養設備的研製。
至今，已知作為藻類培養設備的有，例如，培養池、軌道(raceway)式培養設備、管式培養設備、液膜形成培養設備。就培養池來說，在戶外製作一個混凝土製的培養池或培養箱來建造一個其中注入了培養液的池子並利用陽光在池中培養微藻類(microa1gae)的種例如小球藻屬。然而，這種類型的培養設備需要能形成巨大容積的3000m2這樣的池面積。
另外，利用這種類型的培養設備培養微藻類，在培養液中產生了高濃度的藻類細胞，隨著培養的進行，該培養液變成深綠色，以致於幹擾了陽光到達池底部。由於這些現象，引起了以下問題如果培養所必需的藻類細胞密度不被減小，藻類的總光合效率將被降低。
因此，池的深度必須建成15cm或更小，並且用於大量培養藻類細胞的地面必須寬闊。而且，培養液的濃度不能配製得較高，因此，在從培養液中收集培養物的過程中出現了以下問題培養物必須從大量的低密度培養液中收集。
另一方面，必須攪拌培養池以使藻類的光合作用容易進行。然而，攪拌大量的低濃度液體需要大量的能量。另外，培養池位於戶外並且是開放的狀態，因此，外界的物質如塵土和廢物容易汙染液體並且空氣中的微生物和其他種類的微藻類的細胞汙染池子而繁殖，結果導致以下問題得不到高純度和高質量的培養物。
培養池位於戶外，因此由天氣變化引起的溫度變化使得池子的溫度難以維持恆定。尤其是存在著這樣一個缺陷，即在某一地區的冬季，溫度降得太低。
由於這些情況，利用培養池培養藻類不能適用於除小球藻屬、螺旋藻屬和杜氏藻屬以外的其它藻屬，該藻屬只能生長在高pH和高鹽度這樣的特殊條件下。
軌道式培養設備具有一個用於培養液的循環通道(通過採用直葉片對培養箱內部進行分割而形成)並且該培養設備是通過採用循環裝置使得培養液在循環通道中循環的方式來培養藻類。這個系統是一個改進的培養液循環系統並且與採用培養池的培養方式相類似，隨著培養的進行，藻類的光合速率降低，所以不能有效地利用光能。因此，出現以下問題二氧化碳的效能很低。為了有效地利用光，已經提出通過光學纖維使陽光照射液體(公開號為5-43900的日本實用新型申請)。
在採用這一系統進行的藻類培養操作過程中，通過機械攪拌來使液體循環，因此不可避免地出現了以下問題藻類細胞被打碎並產生剪切應力(其中藻類細胞被剪切應力切割，引起細胞活性降低，結果導致繁殖率下降的現象)。
管式培養設備是通過採用具有光傳導管的培養設備對藻類進行培養的設備。採用這種設備進行的藻類培養不發生非目標細菌對培養液的汙染並且使得培養物濃度高，因此是一種通過從培養液中分離藻類來收集由藻類產生的有用物質的非常有效的方法。
然而，長時間藻類培養後，藻類附著在管內壁上而嚴重幹擾光通過管子。這些實際問題使得藻類培養難以有效並且使得去除附著在管內壁上的藻類很困難。
為了解決這些問題，已提出了以下方法將一個清潔球放入管內，該球總是與培養液一起循環來清潔管內壁(公開號為6-90739的日本專利申請)。然而，即使通過這個方法，仍存在著以下和其它許多許多問題管內壁上附著的汙垢和藻類不能被持續地徹底清除，所述球必須回收清潔並且還必須總在管內循環。另外，用於藻類培養的這個系統進一步存在的問題是在管內進行的培養使得管內蓄積了由藻類的光合作用產生的氧氣，並且氧氣抑制藻類的光合作用。基於這些實際問題，已經提出了一種能夠克服在培養過程中由光合作用產生的氧氣而導致的不利效果的設備裝置(公開號為9-121835的日本專利申請)。
在液膜形成培養設備中，一個圓頂形、通光的蓋體被安裝在培養箱的頂面並且培養液從底部射到圓頂形蓋體頂部的內面上以在蓋體的內面上形成液膜並將光照射在該液膜上(公開號為8-38159的日本專利申請)。
然而，存在的問題是提出的這個系統需要一個用於液膜持續形成的循環泵，因此不適於大量培養，也不能利用陽光。
板式培養設備通過安裝一個細盒狀的裝置來用於藻類的培養，該裝置由兩個帶有傾斜度的樹脂制平板製備而成。
這種設備本身是類似於管式培養設備的封閉型，例如具有培養液不受細菌和廢物汙染的優點。然而，存在下列問題在培養過程中產生的氧氣溶解在培養液中並且保留在設備中而抑制了藻類的光合作用。
另外，當設備被安裝在外面時，太陽的高度和陽光相對設備表面的入射角度隨著日出到日落時間而變化，結果導致單位面積受到的陽光總量不足。
公開號為10-304867的日本專利申請公開了合理設計具有最適光照環境的板式培養設備的方法。在所公開的內容中，通過綜合通光量和物質產生活動之間的關係與通光量和反應器的光徑長度之間的關係，建立了合理設計培養設備光徑長度的方法並且提供了通過該方法設計出的培養設備。
然而，上述主要問題還沒有解決。
藻類通過光合作用在體內積累有用物質並且最重要的主題是藻類光合作用儘可能的有效。加強有效光合作用的因素培養設備的光接收面積，培養液的有效攪拌，培養液厚度或深度的調節，附著在培養設備內表面上的藻類細胞的方便清除，溫度調節，防止細菌、其他種類藻類細胞以及廢物的汙染。
光接收面積的問題是儘可能受較大的光接收面積和培養液上的有效光照的影響。
例如，在培養箱和培養池中，其表面積由培養箱和培養池的表面決定， 因此為了增加表面積，箱和池的尺寸增加是達到該目的的唯一辦法，而沒有其它的辦法。
攪拌培養液對於培養池受到均勻光照是必要的，並且通常使用的方法是頻繁地用泵攪拌或移動液體和在箱和池內進行機械攪拌。
然而，這樣的機械攪拌引起藻類細胞的破碎和使藻類細胞受到剪切應力而導致不好結果的出現。
不同種類藻之間的光合作用速率不同，因此對於具有低速率和高速率的種類，培養液的深度必須有所改變並且深度必須根據目標培養物濃度來改變。如上所述，培養液的厚度或深度必須根據藻的種類和目標培養物濃度這樣的條件隨意進行調節。
附著在培養設備內表面上的藻類的清除通常在戶外開放式培養池和培養箱中進行。然而，封閉式培養設備中，附著的藻類阻礙光的通過，因此必須進行藻類的清除。接著，在完成培養後，為了下次培養，設備必須調整到這樣一個結構，即培養設備的內表面必須被清潔並且附著的物質必須被輕易地除去。
為了避免在夏季中由於液體溫度的急劇上升給培養帶來的麻煩，溫度調節是非常重要的，尤其對於封閉式設備來說。為了解決這個問題，已知有以下方法將冷水混入培養液中。然而，培養液由此而被稀釋，在下一步的收集培養物的過程中需要處理大量被稀釋的培養液。因此這個方法非常不利於工業化的應用。
培養設備是通常用於戶外或室內的設備。由於這個原因，存在著下列問題當將戶外使用的設備用在室內，光的利用效率變低，並且還產生了另一個問題室內設備不能用在戶外。具有簡單結構的培養設備希望既能在室內也能在戶外的正常培養條件下進行培養。
攪拌培養液對於均勻培養是一個非常必要的操作。這是由於以下原因1)液體培養基的表層部分和深層部分的培養速率之間的差別；2)如空氣和二氧化碳這樣的氣體必須均勻地分布在液體培養基中，換句話說，在全部培養液中；3)光必須均勻地分布在培養的藻類中；4)防止在培養過程中在液體底部容易導致集落形成的藻類沉積並且再次分散在培養液中。
需要一直攪拌這種培養液並供給培養液空氣或二氧化碳氣體。然而，這種傳統的培養方法具有上述多種問題，因此並不是一種完善的培養方法。
發明公開本發明克服了上述傳統培養方法的缺陷並且其目的是提供高產率的藻類培養方法和以低成本來生產用作養魚安全飼料及安全食品添加劑的光合色素以及用於醫藥和健康食品的不飽和脂肪酸或多糖和用於有效生產藻細胞中含有高濃度的不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖並且不被雜質所汙染藻類的方法。
為了解決上述主題，根據本發明，將培養基注入由內部透明材料和外部透明材料製成的間隙和空間內，從底部注入空氣或二氧化碳氣體，並且在通氣條件下進行光照，使得藻類進行光合作用以便在藻類細胞中大量產生不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖來製備含有這些物質的藻類。通過這些步驟，可以進行不受其它種類的藻類細胞、廢物和細菌汙染的高濃度培養。
本發明涉及通過採用培養設備、在光照和通氣條件下、在培養基中高濃度培養藻類來製備含有高度不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻類的方法，該藻類具有產生高度不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖的能力，其中上述採用的培養設備選自具有圓頂形狀、圓錐形狀或圓柱形狀中任一形狀的設備；具有圓頂形狀的培養設備包括由透明材料製成的外半球形圓頂、由透明材料製成的內半球形圓頂和連接兩個圓頂底端部分的底部，並且在外半球形圓頂的頂部安裝了一個圓柱形開孔元件和在底部安裝了一個空氣和/或二氧化碳氣體的引導元件和培養液排放元件；具有圓錐形的培養設備包括一個由透明材料製成的外圓錐形圓周壁、一個透明的內圓錐形圓周壁和連接兩個圓周壁底端部分的底部，並且在外圓錐形圓周壁的頂部安裝了一個圓柱形開孔元件和在底部安裝了一個空氣和/或二氧化碳氣體的引導元件和培養液排放元件；或者，具有圓柱形的培養設備包括一個由透明材料製成的且具有上壁的外圓柱形圓周壁，具有一個由透明材料製成的上壁的內圓柱形圓周壁，和連接兩個圓周壁底端部分的底部，並且在外圓柱形圓周壁的上壁的中心部分安裝了一個圓柱形開孔元件和在底部安裝了一個空氣和/或二氧化碳氣體的引導元件和培養液排放元件。
另外還涉及通過採用培養設備、在光照和通氣條件下、在培養基中高濃度培養藻類來製備含有高度不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻類的方法，該藻類具有產生高度不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖的能力，其中上述使用的培養設備是包括該培養設備的主體和一個氣體排放裝置的設備；並且培養設備的主體是具有圓頂形狀、圓錐形狀或圓柱形狀的培養設備，其中具有圓頂形狀的培養設備包括由透明材料製成的外半球形圓頂、由透明材料製成的內半球形圓頂和連接兩個圓頂底端部分的底部，並且在外半球形圓頂的頂部安裝了一個圓柱形開孔元件和在底部安裝了一個培養液排放元件；具有圓錐形的培養設備包括由透明材料製成的外圓錐形圓周壁、由透明材料製成的內圓錐形圓周壁和連接兩個圓周壁底端部分的底部，並且在外圓錐形圓周壁的頂部安裝了一個圓柱形開孔元件和在底部安裝了一個培養液排放元件；或者，具有圓柱形的培養設備包括具有由透明材料製成的上壁的外圓柱形圓周壁，具有由透明材料製成的上壁的內圓柱形圓周壁，和連接兩個圓周壁底端部分的底部，並且在外圓柱形圓周壁的上壁的中心部分安裝了一個圓柱形開孔元件和在底部安裝了一個培養液排放元件；氣體排放裝置由對置的兩塊正方形基板、氣泡引導元件和一個排放噴嘴構成，氣泡引導元件的截面是缺少一條邊的正方形或反U-形，朝下開口，氣泡引導元件被傾斜安裝在正方形基板的上側端面，通過將上端部分折成幾乎水平而由氣泡引導元件上側端面的傾斜壁進行延伸而形成上壁且具有一個從傾斜壁和上壁的兩個側端延伸的側壁，並且兩個側壁的每一底端部分被連接在正方形基板的兩個上側端面上，並且排放噴嘴可旋轉地通過在傾斜壁底部上的一個通路孔連接。
此外還涉及使用所述培養設備的方法，其中透明材料選自以下的任何一種丙烯酸類樹脂、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯和聚氯乙烯。
根據如上所述的培養設備，為了控制培養液的溫度，可分別在圓柱形開孔元件的外側和底部的外周安裝一個噴水元件和噴水接收元件，另外可在內半球形圓頂、內圓錐形圓周壁或內圓柱形圓周壁的空間內安裝一個人造光源。
用在本發明中的藻類培養設備是在一個國際專利申請(PCT/JP99/01585)中描述的藻類培養設備並且在下文中描述。
本發明的用於培養的設備將在下文中描述。
用於本發明的藻類培養設備是選自具有圓頂形狀、圓錐形狀或圓柱形狀中任何一種形狀的圓頂形狀的培養設備，其中具有圓頂形狀的培養設備包括由透明材料製成的外半球形圓頂、由透明材料製成的內半球形圓頂和連接兩個圓頂底端部分的底部，並且在外半球形圓頂的頂部安裝了圓柱形開孔元件和在底部安裝了空氣和/或二氧化碳氣體的引導元件和培養液排放元件，而且必要時，分別在圓柱形開孔元件的外側和底部的外周安裝噴水元件和噴水接收元件；具有圓錐形的培養設備為包括由透明材料製成的外圓錐形圓周壁、由透明材料製成的內圓錐形圓周壁和連接兩個圓周壁底端部分的底部的培養設備，並且在外圓錐形圓周壁的頂部安裝了圓柱形開孔元件和在底部安裝了空氣和/或二氧化碳氣體的引導元件和培養液排放元件；而且必要時，分別在圓柱形開孔元件的外側和底部的外周安裝噴水元件和噴水接收元件；或者，具有圓柱形的培養設備為包括具有由透明材料製成的上壁的外圓柱形圓周壁，具有由透明材料製成的上壁的內圓柱形圓周壁，和連接兩個圓周壁底端部分的底部的培養設備，並且在外圓柱形圓周壁的上壁的中心部分安裝了圓柱形開孔元件和在底部安裝了空氣和/或二氧化碳氣體的引導元件和培養液排放元件，而且必要時，分別在圓柱形開孔元件的外側和底部的外周安裝噴水元件和噴水接收元件。
用於藻類培養設備的氣體排放裝置是由對置的兩塊正方形基板、氣泡引導元件和排放噴嘴構成的裝置，氣泡引導元件的截是缺少一條邊的正方形或反U-形，朝下開口，氣泡引導元件被傾斜安裝在正方形基板的上側端面，通過將上端部分折成幾乎水平而由上側端面的傾斜壁進行延伸而形成上壁且具有從傾斜壁和上壁的兩個側端延伸的側壁，並且兩個側壁的每一底端部分被連接在正方形基板的上側端面上，並且排放噴嘴可旋轉地通過在傾斜壁的底部上的一個通路孔連接，其中必要時，至少任意一個對置的正方形基板在前端部分和/或後端部分彎向相同的方向，並且在至少任意一個對置的正方形基板上安裝重量調節裝置。
通過利用與上述帶有氣體排放裝置的培養設備結合使用培養設備，本發明適用於進行培養。
任何透明和透光性能優異以及具有耐候性和抗紫外線的材料都能用作培養設備的透明材料，並且該材料的實例是如丙烯酸類樹脂、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和玻璃。考慮到加工性，合成樹脂是優選的；特別是具有上述性能的丙烯酸類樹脂是最優選的材料。
此時，內部材料和外部材料可以由同樣的透明材料組成。不同的透明材料如丙烯酸類樹脂和聚氯乙烯能分別用於構建外半球形圓頂和內半球形圓頂。或者，不同的材料用於分層。
導入培養設備的氣體必須含有作為組分的二氧化碳，並且可通過二氧化碳與空氣的混合使二氧化碳的濃度增加，並且空氣和二氧化碳能夠分別導入裝置。這樣，通過採用引導元件或氣體排放裝置和有時同時採用兩者而將氣體導入培養液。
最優選地是，二氧化碳通過與空氣混合來使用。當與二氧化碳混合的空氣上升攪拌培養液時，二氧化碳被分散在培養液中而被吸收並且空氣起到了從培養液中去除由培養產生的氧氣的作用。而且，當二氧化碳被單獨導入培養液中時，由於導入速率的降低而不可避免地引起二氧化碳在培養液中的分散速率延遲的趨向。
圓柱形開孔元件具有分散注入培養液中的空氣、未用二氧化碳氣體和產生到大氣中的氧氣的作用。當開孔元件打開時，雜質如廢物容易侵入。為了防止這類物質的汙染，優選地是在開孔元件中安裝一個濾器元件或在開孔元件上安裝罩蓋元件以起到與濾器元件相同的作用。
這個開孔元件可以是與外半球形圓頂、外圓錐形圓周壁或外圓柱形圓周壁的上壁一體形成，也可以以分隔體的形式進行固定。
作為培養設備的主體的圓頂形、圓錐形或圓柱形培養設備可以由外部元件或內部元件整體形成，也可以是其一整體形成而另外的與適當分成兩決或四塊的元件組裝的那種，還可以是與分開兩種元件形成的元件組裝的那種。裝置的結構可以根據培養設備的大小和形狀來確定。
另外，只要噴水接收元件能夠接收由於噴水而落在裝置外部表面上的水流，噴水接收元件的材料和結構不受限制。材料的實例是金屬材料和塑料材料。
噴水接收元件的結構可以是與培養設備的主體分離的形式，其中接收器是通過沿外周的水平方向延伸培養設備外側元件的底端部分並且前端部分向上彎曲而構成的形式，以及噴水接收元件是通過沿外周的水平方向延伸培養設備內側元件的底端部分並且前端部分向上彎曲而構成的形式。
優選地是將噴水接收元件製成分離於培養設備主體的元件。上面打了多個氣體排放孔的管狀元件可用作引導空氣和/或二氧化碳氣體並安裝在底部的元件，並且其底部具有氣體排放孔的也可以使用。因為培養液是通過在培養液中上升的氣體的上升來進行攪拌的，所以沒有必要通過由這種引導元件導入培養液中的氣體來對培養液進行機械攪拌。因此，根據本方法，可以避免由機械攪拌引起的藻類細胞破裂或剪切應力的產生。
而且，隨著氣體的上升，由光合作用產生的氧氣被有效和迅速地排出培養液。
向培養設備輸入培養液的方法被分為兩種。一種是通過在底部安裝輸入元件(例如，底部開的一個輸入孔)而由該輸入元件輸入培養液。
第二種方法是從頂部的圓柱形開口元件輸入培養液。在設備上安裝多種輸入元件和引導元件導致設備複雜化並且如果改變培養的微藻類的種類，還會出現汙染問題。
因此，較優選的是第二種方法。
培養設備的外部元件和內部元件均由透明材料構成，因此，培養設備內部空間安裝的人造光源使得戶外培養在夜間也能進行。另外，培養設備的內部和外部兩個人造光源使得室內培養能夠有效地連續進行。
圓頂形培養設備佔據的面積小但具有的表面積大，因此光的接收面積大。並且，對於這種設備，攪拌培養液是非常優選的操作。另一方面，如果採用塑料樹脂來製作這種設備，通過真空模塑能夠容易地模塑而使得製作成本最低。
由於這些原因，圓頂形培養設備是最優選的藻類培養設備。
為了控制和監視培養條件，優選地是在培養設備中安裝各種傳感器如一個溫度傳感器、一個液位傳感器、一個pH傳感器和一個溶解氧量傳感器。這些傳感器是通過圓柱形開孔元件或設備的外壁進行安裝的。
本發明中使用的氣體排放裝置以傾斜向下的方向向培養設備的底部排放氣體如空氣，因此象青蛙一樣在設備中進行跳躍。通過這樣的作用，培養液得到劇烈的攪拌並且所排放的氣體在培養液中上升而攪拌了培養液。尤其是，在所培養的藻類易形成集落時，由氣體排放裝置排放出的氣體將集落打碎並且將藻類細胞分散在培養液中而增加了培養效率。
氣體排放裝置通常由塑料樹脂製成並且安裝了重量調節裝置來調節設備的重量。
通過採用這種培養設備而進行的藻類培養具有以下優點1)沒有細菌或外源物質的汙染，2)容易調節培養液的溫度，3)由於具有沒有機械攪拌培養液的液體攪拌能力，不會發生藻類細胞的破裂以及不會產生剪切應力，4)培養物密度增加的能力，5)設備容易清潔，6)培養不受所產生的氧氣的抑制，7)光的利用效率高。另外，如果在培養液中採用氣體排放裝置，通過採用所述裝置將必需的氣體輸入到培養液中而產生以下優點該裝置進行一種移動來攪拌液體並且排放的氣體也攪拌液體以使輸入的氣體與培養液很好地接觸，結果提高了培養效率。
附圖簡述
圖1是一種圓頂形培養設備的截面圖；圖2是表示利用圖1所示的圓頂形培養設備進行培養的狀態的部分示意圖；圖3是圖1所示的圓頂形培養設備的前視圖；圖4是利用圖1至圖3所示的圓頂形培養設備大量培養藻類的系統的示意圖；圖5是本發明的圓錐形培養設備的截面圖；圖6是圖5所示的圓錐形培養設備的前視圖；圖7是本發明的圓柱形培養設備的截面圖；圖8是圖7所示的圓柱形培養設備的前視圖；圖9是氣體排放裝置的側視圖；圖10是圖9所示氣體排放裝置的側視圖；圖11是圖9所示氣體排放裝置的平面圖；圖12是圖9所示氣體排放裝置的截面圖；圖13是圖9所示氣體排放裝置的排放噴嘴的放大截面圖；
圖14是顯示氣體排放裝置向培養液中排放氣體時的狀態的截面示意圖；圖15是結合了圓頂形培養設備本自身與氣體排放裝置的培養設備的截面示意圖；圖16是圖15的頂視圖，為了清楚起見，去掉了一部分；圖17是結合圓錐形培養設備本身與氣體排放裝置的培養設備的截面示意圖；圖18是結合圓柱形培養設備本身與氣體排放裝置的培養設備的截面示意圖；圖19是本發明另一個實施例的氣體排放裝置的側視圖；圖20是本發明另一個實施例的氣體排放裝置的側視圖；圖21是本發明又一實施例的氣體排放裝置的側視圖；和圖22是圖21的X-X』位置的截面圖。
實施本發明的最好方式以下將參考附圖對本發明使用的培養裝置進行描述。
圖1至圖3表示一種圓頂形培養設備1。
圖3是圓頂形培養設備1的前視圖，圓柱形開孔元件4被安裝在外半球形圓頂8的頂部，冷卻圓頂8的噴水元件3被安裝在該圓柱形開孔元件4的外側，接收由噴水元件3噴出的水的噴水接收元件11被安裝在圓頂8的底部，設備1是由多個固定零件16進行固定的。並且，氣體引導元件6和培養液的排放元件7被安裝在培養設備的底部14。
圖1是設備1的截面圖。設備1包括外半球形圓頂8、內半球形圓頂9和連接兩個圓頂底端部分的底部14。圓柱形開孔元件4以分體的形式被安裝在圓頂8的頂部，噴水元件3被安裝在圓柱形開孔元件4的外表面，冷卻水15由噴水元件3噴向圓頂8的表面並以膜的形式降落覆蓋在圓頂8的表面以便到達噴水接收元件11。
冷卻水15調節培養液5的溫度(參照圖2)。
圓頂8、圓頂9、底部14、圓柱形開孔元件4和噴水接收元件11分別由透明材料製成。丙烯酸類樹脂被用作所述的透明材料。金屬材料如不鏽鋼可以方便地用作噴水接收元件11的材料。通過排放元件(未顯示)冷卻水從噴水接收元件11進行排放。排放水被貯存起來以便再次用作冷卻水。
底部14上安裝了將空氣和/或二氧化碳氣體導入培養液5的氣體引導元件6和將培養液5移出培養設備1的排放元件7。在底部14的頂面安裝了多個管頂面上製造了許多個注入孔的氣體注入管10來構成氣體引導元件6的一部分。作為由氣體引導元件6輸入的氣體，與二氧化碳混合的空氣是最優選的；而單獨使用空氣可能是優選的。
人造光源2被安裝在內半球形圓頂的內部空間。如果進行夜間的戶外培養，人造光源2能夠使藻類進行光合作用。另外，如果進行室內培養，藻類也能進行光合作用。而且，如果進行室內培養，光合作用能夠通過利用連接在培養設備的內側和外側的人造光源來進行。在這種情況下，能夠增加培養液的深度或厚度。
圖2以圖式顯示了培養的狀態。從氣體注入管10排放到培養液5的氣體的氣泡12通過浮力作用沿著外半球形圓頂8的內壁在培養液5中上升。氣泡12的上升運動增強了培養液的上升，含在氣泡12中的二氧化碳被輸入到培養液中，並且由藻類光合作用產生的氧氣被氣泡捕獲。氣泡12由培養液的表面被釋放到大氣當中。沿著外半球形圓頂8的內壁上升的培養液液流17沿著內半球形圓頂9的壁下降。
如上所述，從底部或靠近其的位置輸入到培養液中的氣體如空氣給培養液提供了二氧化碳並且另一方面，起到捕獲所產生的氧氣而釋放到大氣中的作用，還起到同時和均勻攪拌培養液的作用。
夏季裡，在培養液的溫度急劇上升而使得培養困難的情況下，可將冷卻水1b輸入到外半球形圓頂8的表面來調節培養液的溫度。用於冷卻的水通過噴水接收元件11被收集起來而再次使用。
對於戶外培養的情況，當在夜間進行培養時，利用安裝在內半球形圓頂9內部空間的人造光源2可以進行24-h的連續培養。
藻類通過吸收陽光進行光合作用、繁殖並產生和積累有用物質如蛋白質、多糖、脂肪酸、色素和維生素。在夜間，這種光合作用不能進行，因此與夏季白天的重量相比，例如通過藻類本身的能量損耗，白天生物合成的物質損失的最大程度達到藻細胞重量的大約20％。這種損失不容忽視。
因此，為了降低損失，可通過利用人造光源的光合作用來補償這個量。所以，人造光源的光量可以維持最小程度的光合作用。然而，也能進行超過最低程度的光合作用。作為人造光源的實例是，例如，螢光、白光和滷素燈。
利用連接在培養設備1的外側和內側的人造光源進行室內培養。如上所述，採用人造光源2能進行24小時的有效連續培養。
為了監測培養狀態，必須一直測量溫度、液位、pH和培養液的溶解氧量(DO)以便將變量維持在最佳範圍。因此，用於測量這些變量的傳感器優選地被安裝在設備中，並且優選的安裝方法是通過頂部圓柱形開孔元件4或通過圓頂8或圓頂9或它們兩者來安裝。連接到圓頂使得設備複雜化而需要較長的清洗時間，因此通過頂部圓柱形開孔元件4的安裝是最優選的。通過具有不同半徑的兩種半球形圓頂的自由組合、兩個圓頂間形成的空間大小和兩個圓頂間距離能夠對圓頂形培養設備1進行改變。因此，能夠輕易決定培養液的體積和培養液的深度或厚度。
藻類附著在與培養液接觸的設備表面上。當去除附著物進行清潔時，結合在一起的兩種半球形圓頂中的外半球形圓頂8可以被移開以便每一個圓頂都能得到清潔並且也可以將兩個圓頂都移開以便在分開的地方進行清潔。
組裝分成兩塊的半球形圓頂是非常方便的。順便提一下，兩種圓頂不能是整體模具狀態，而多塊分離的模具可以被組裝在一起。
半球形圓頂的形狀可以是通過在適當的位置切割一個球形體而製得的半球形圓頂。然而，考慮到光的利用效率和光的接收狀態，最優選的是一個近似的半球形體。
不僅是球形體，一個變形的球形體如雞蛋形狀的也是本發明的目的。
可用圓頂的尺寸範圍是，例如從50cm到200cm的直徑。對於培養設備，具有合適尺寸的圓頂可以根據進行培養的藻的種類、培養條件和培養目的來任意選擇。
兩種圓頂間的距離是根據需要進行培養的藻的種類、培養條件和培養目的來確定的，然而，需要肯定的是能產生最大的光合作用效率。通常，優選的是從2.5cm到10cm，並且更優選的是大約5cm。
接下來，進行半徑為50cm的外半球形圓頂8、半徑為45cm的內半球形圓頂和具有5cm圓頂距離的圓頂形培養設備1的組裝，並且與圓頂8分別模塑製成的且直徑為6cm的圓柱形開孔元件4被安裝在圓頂8的頂部。
通過採用這種培養設備，培養一種藻-Spirulina platensis，結果獲得的培養密度範圍是從10g到20g/L(升)以及產率範圍是從2.0到5.0g/L/天。另一方面，如果採用傳統培養系統，培養密度範圍是從0.3g到0.5g/L(升)以及產率範圍是從0.1到0.2g/L/天。因此發現與傳統培養方法相比，產率提高了大約10倍。
關於對產生蝦青素-一種紅色色素的雨生紅球藻進行的培養，發現以培養密度範圍從5g到10g/L的高密度培養能夠產生含有從4％至8％這樣高含量的色素-蝦青素的藻類細胞(生物質)。通過傳統培養池系統對產生這種紅色色素的雨生紅球藻進行培養是非常困難的。另外，Nannochloropsis Oculata-一種海洋微藻類能夠以高達約5g至10g/L的密度範圍進行培養。傳統方法只允許從0.2g至0.4g/L這樣一個有限的範圍。
圖4顯示了一個通過排列本發明的多個封閉型戶外培養設備能夠同時和大量培養藻類的系統。組成這個系統的單個設備能夠得到相同種類的藻類並一起對它們進行培養，或者單個設備能夠得到不同種類的藻類並對它們進行培養，並且單個設備上連接了多種傳感器以便儘可能地控制培養條件。
因此，如果在單獨的設備中培養不同種類的藻類，可以獨立地控制單個設備的各種培養條件來實現非常有效的狀態。
並且，即使以一定程度的緊密位置排列單個設備，光的利用效率和每一單元佔據面積的光-接收面積也很大，從而對大量培養非常便捷、適合併且產率高。
圖5和圖6表示圓錐形培養設備21。
圖6是圓錐形培養設備21的前視圖，圓柱形開孔元件24被安裝在由透明材料製成的外圓錐形圓周壁28的頂部，冷卻圓周壁28的噴水元件23被安裝在圓柱形開孔元件24的外側，用於接收由噴水元件23噴出的冷卻水的噴水接收元件31被安裝在圓周壁28的底部，採用多個固定元件36支撐設備21。
並且，用於培養液的氣體引導元件26和排放元件27被安裝在培養設備21的底部34上。
圖5是設備21的截面圖。設備21包括由透明材料製成的外圓錐形圓周壁28、由透明材料製成的內圓錐形圓周壁29和連接兩個圓周壁底端部分的底部34。圓柱形開孔元件24以獨立體的形式安裝在外圓錐形圓周壁28的頂部，噴水元件23被安裝在開孔元件24的外側，冷卻水由噴水元件23噴到形圓周壁28的表面並以覆蓋圓周壁28表面的膜形式降落到噴水接收元件31中。冷卻水調節培養液25的溫度。
圓周壁28、圓周壁29、底部34、圓柱形開孔元件24和噴水接收元件31分別由透明材料如丙烯酸類樹脂製成。
冷卻水通過排放元件(沒有顯示)從噴水接收元件31排放出來。
在底部34上安裝了將空氣和/或二氧化碳氣體輸入到培養液25中的氣體引導元件26和將培養液25移出培養設備21的排放元件27。在底部34的頂端面上安裝了多個氣體輸入管30以便構成氣體引導元件26的一部分，其中在管的頂端面上開了許多輸入孔。
人造光源22被安裝在圓周壁29的內部空間裡以便在夜間進行戶外培養時能夠進行連續的光合作用。
圖7和圖8表示圓柱形培養設備41。
圖8是圓柱形培養設備41的前視圖，圓柱形開孔元件44被安裝在具有由透明材料製成的上壁57的外圓柱形圓周壁48上壁的中心部分，冷卻上壁57和圓周壁48的噴水元件43被安裝在圓柱形開孔元件44的外側，用於接收由噴水元件43噴出的冷卻水的噴水接收元件51被安裝在圓周壁48的底部，設備41由多個固定元件56進行支撐。
並且，氣體引導元件46和用於培養液的排放元件47被安裝在培養設備41的底部54上。
圖7是設備41的截面圖。設備41包括具有上壁57的外圓柱形圓周壁48、具有上壁58的內圓柱形圓周壁49和連接兩個圓周壁底端部分的底部54。圓柱形開孔元件44被整體安裝在上壁57的中心部分和其附近的位置，噴水元件43被安裝在開孔元件44的外側，冷卻水由噴水元件43噴到上壁57上並且以膜的形式覆蓋了圓周壁48的表面而後到達噴水接收元件51。
冷卻水調節培養液45的溫度。
圓周壁48、圓周壁49、上壁57、上壁58、圓柱形開孔元件44和噴水接收元件51分別由透明材料如丙烯酸類樹脂製成。
冷卻水通過排放元件(沒有顯示)從噴水接收元件51排放出來。
在底部54上安裝了將氣體輸入到培養液中的氣體引導元件46和將培養液45移出培養設備41的排放元件47。在底部54的頂端面上安裝了多個氣體輸入管50以便構成氣體引導元件46的一部分，其中在管的頂端面上開了許多輸入孔。
人造光源42被安裝在由上壁58和圓周壁49形成的內部空間以便夜間進行光合作用。
圖9至圖12分別表示氣體排放裝置100的側透視圖、側面圖、示意圖、截面圖，圖13表示氣體排放裝置的排放噴嘴的放大截面圖。
氣體排放裝置100包括對置的兩塊正方形基板101和101』、其截面是缺少一條邊的正方形且開口朝下的氣泡引導元件102和一個排放噴嘴103，氣泡引導元件102被傾斜安裝在正方形基板的上側端面107和107』上，具有通過幾乎水平延伸其上端面和其上端的傾斜壁104而形成的上壁105且具有從傾斜壁104和上壁105的兩個側端部分延伸出的側壁106和106』，並且兩個側壁106和106』的底端部分被連接在兩個正方形基板101和101』的上側端面107和107』上。兩個正方形基板由固定元件108和108』固定。
排放噴嘴103通過傾斜壁104底部上的通路孔109進行旋轉式的安裝。在噴嘴103中，在通路孔109外側相對的位置將閥110和110』連接在噴嘴103的外周部分以防止從通路孔109移開。
在任意一種圓頂形、三角圓錐形或圓柱形培養設備主體中，底部的內端和外端是一個同心圓的圓周，並且表現為通過以圓的形狀移去圓盤的中心部分而製得的圓。為了方便地移動被移去的圓柱形底部，如圖11所示，正方形基板101和101』的前端部分和後端部分以相同的方向彎曲。
傾斜壁104相對於正方形基板上側端面的傾角優選地被設計成45°至60°。
圖14是表示氣體排放裝置將氣體排放到培養液時的狀態的示意圖。
氣體如空氣或混有二氧化碳的空氣從與培養設備分開放置的氣體輸入裝置(沒有顯示)通過氣體導管111流到排放噴嘴103從而由噴嘴的前端釋放到培養設備的底部112。釋放的氣體113與底部112接觸，然後變成氣泡114而沿著氣泡引導元件102的內側即傾斜壁104和上壁105上升，最後從上壁端部出來而進入培養液115。出來的氣泡114在液體中上升而釋放到培養液表面上的大氣中。在氣體與培養液接觸的過程中，二氧化碳被培養液吸收並且另一方面，空氣泡或由藻類光合作用產生的並溶解在培養液中的氧氣被氣體截留。當氣泡114在培養液中上升的同時，氣泡114推動液體向上因而發生對流。
通過由排放噴嘴103的前端釋放的氣體和氣泡114，氣體排放裝置本身具有浮力從而產生了如箭頭所示方向的推力。因此，氣體排放裝置100以如箭頭所示方向在漂浮狀態中移動。移動後，裝置100由於其本身的重量而落到底部並且然後再次漂浮向前；這些運動重複進行，並且這種運動劇烈地攪拌了培養液。氣體排放裝置在培養液中的運動象青蛙往前走的跳躍動作。
構成氣體排放裝置100的元件通常由塑料樹脂製成。然而，由於塑料樹脂本身重量通常很輕並且在培養液中有浮力，所以優選的實例是那種通過加入比塑料重的填充物而增加重量後進行模塑的元件，或者是那種象人工巖石的元件，這種元件是通過將巖石粉或填充物粉粘附到採用了合成樹脂如環氧-基樹脂的正方形基板101和101』上而製備的元件分層模塑而製成，或者是那種由象人工巖石的材料形成的正方形基板101和101』底部和由塑料形成的上部而製成的元件，或者是那種通過製作一個金屬砝碼如可與正方形基板101和101』的相對面的任意位置連結和分離的鉛條而使氣體排放裝置100的總重量為可調節的元件。最優選的是其總重量為可調節的那種元件。
圖15是圓頂形培養設備的主體151與氣體排放裝置100』結合的培養設備150的截面示意圖，而圖16是其頂視圖，為了清楚起見而截去了一部分。
因此，培養設備的主體151包括外半球形圓頂153和內半球形圓頂152和連接兩個圓頂底端部分的底部154，並且圓柱形開孔元件155被安裝在圓頂153的頂部，其它元件的描述被省略。
這些元件的材料都是透明材料如丙烯酸類樹脂。
連接了氣體導管157的氣體排放裝置100』經培養設備的主體151上的圓柱形開孔元件155插入而安裝在底部154的表面。
氣體導管157是由材料如聚氨酯、矽或合成橡膠製成並與半球形圓頂152的表面接觸。
當氣體如空氣被輸入到氣體排放裝置100』時，裝置100』在培養液中按照箭頭所示方向跳躍著前行。這樣，通過排放的氣體和氣體排放裝置的運動，培養液被充分攪拌。
並且，氣體排放裝置100』在環狀底部154上前行，因此如圖16所示，連接的氣體導管157摩擦清潔內半球形圓頂152的表面，同時裝置100』在底部154上作圓周運動。因此，氣體導管157防止藻類粘附在圓頂152的表面上並且還起到了清潔表面的作用。
另外，氣體排放裝置100』運動攪拌培養液156，因此即使存在任何形成集落的藻類，其也能被打碎並重新分散在培養液中而產生非常有效的培養。
這裡，氣體導管中發生了扭曲。然而，如圖13所示，排放噴嘴被製成可旋轉的並且排放噴嘴在通路孔中旋轉從而使扭曲狀態得到復原。
圖17是圓錐形培養設備的主體161與氣體排放裝置100』結合的培養設備160的截面示意圖。
這裡，圓錐形培養設備的主體161包括由透明材料製成的外圓錐形圓周壁163、由透明材料製成的內圓錐形圓周壁162和連接兩個圓周壁底端部分的底部164，以及由透明材料製成的圓柱形開孔元件165被安裝在圓周壁163的底部。而其它元件的描述被省略。
連接了氣體導管167的氣體排放裝置100』經圓柱形開孔元件165插入而安裝在底部164上。
當氣體如空氣被輸到氣體排放裝置100』時，裝置100』在培養液中跳躍而重複推進運動。針對圖15和圖16中的培養裝置解釋了這種運動。
圖18是圓柱形培養設備的主體171與氣體排放裝置100』結合的培養設備170的截面示意圖。
這裡，培養設備的主體171包括具有由透明材料製成的上壁57的外圓柱形圓周壁173、具有由透明材料製成的上壁172的內圓柱形圓周壁49和連接兩個圓周壁底端部分的底部174，以及由透明材料製成的圓柱形開孔元件175被安裝在外圓柱形圓周壁173的上壁的中心部分。而其它元件的描述被省略。
連接了氣體導管177的氣體排放裝置100』經圓柱形開孔元件175插入而安裝在底部174上。
當氣體如空氣被輸到氣體排放裝置100』時，氣體排放裝置100』在培養液中跳躍而重複推進運動。這樣的運動已在圖15和圖16中的培養設備中進行了解釋。
圖19是表示用在本發明中的另一個氣體排放裝置實例的側透視圖。
這個氣體排放裝置200在某一點上具有不同於圖9中的氣體排放裝置100的結構，即在相對的正方形基板201和201』之間，其中的一個正方形基板201的長度比另一個正方形基板201』的長度短並且前端部分和後端部分以同樣的方向彎曲；然而，其它點相同。並且，附圖標記202是氣泡引導元件，附圖標記203是排放噴嘴，附圖標記211是氣體導管，附圖標記201和201』是正方形基板，附圖標記204是傾斜壁，附圖標記205是上壁，附圖標記206是側壁，附圖標記207和207』是上側壁和附圖標記208和208』分別是固定元件。
另一方面，重物(沒有顯示)是重量調節裝置，可連接和可分離地連接在正方形基板201和201』上。
圖20是表示用在本發明中的另一個氣體排放裝置實例的側透視圖。
這個氣體排放裝置300在某一點上具有不同於圖9中的氣體排放裝置100的結構，即兩個相對的正方形基板301和301』在前端部分和後端部分沒有被彎曲；然而，其它點相同。並且，附圖標記302是氣泡引導元件，附圖標記303是排放噴嘴，附圖標記311是氣體導管，附圖標記301和301』是正方形基板，附圖標記304是傾斜壁，附圖標記305是上壁，附圖標記306是側壁，附圖標記307和307』是正方形基板的上側壁和附圖標記308和308』分別是固定元件。
另一方面，重物(沒有顯示)是重量調節裝置，可連接和可分離地連接在正方形基板301和301』上。
圖21是表示用在本發明中的另一個氣體排放裝置實例的側透視圖。
圖22表示圖21中的氣體排放裝置的X-X』方向上的截面圖。
這個氣體排放裝置400包括相對的正方形基板401和401』和具有截面向下開口的和外形彎曲的倒U-形形狀的氣泡引導元件402，以及連接著氣體導管411的排放噴嘴403，其中氣體導管402被傾斜安裝在正方形基板的上側端面407和407』上並具有截面呈倒U-形結構，其中上面的半圓傾斜壁404的上端部分通過在保持半圓形狀的同時幾乎彎曲到水平位置而延伸形成上壁405，並且具有由半圓側端部分延伸的兩個側壁(包括壁406和其它壁(未顯示))以及上述兩個側壁的底端部分被連接在正方形基板的上側面407和407』上。排放噴嘴403通過在具有倒U-形截面的氣泡引導元件402的傾斜壁404下面的半圓頂部上的通路孔409進行了旋轉式的連接，為了防止從通路孔409上移開，在排放噴嘴403的外圓周部分中的通路孔409的外側的相對位置上安裝了兩個閥410和410』。
由上壁405和兩個側壁形成的端部是開口的並且正方形基板401和401』通過固定元件408和408』進行了固定。
在這個實施例中，兩塊正方形基板的前端部分和後端部分沒有彎曲；然而，兩塊正方形基板的前端部分和後端部分可以相同的方向彎曲並且也可以使用具有其中一塊正方形基板的前端部分和/或後端部分彎曲這樣結構的正方形基板。
重物(未顯示)，即重量調節裝置，既可連接式地又可分離式地連接在正方形基板401和401』上。
在培養設備中，作為本發明人研製的用於藻類培養的培養設備，下面通過以用於藻類培養的圓頂型培養設備(下文中稱作培養設備A)作為代表實施例來描述本發明。
首先本發明涉及通過以高密度培養藻類的方法，利用培養設備A來製備藻類細胞(生物質)的方法。
根據本發明，以高密度進行的藻類細胞(生物質)培養包括各種形式並且沒有特別限定和隨著以下條件而變化培養設備的結構，培養設備的體積，所用藻類的種類，藻類細胞的起始密度，培養溶液的種類，培養溶液的組成，培養溶液的pH，培養溫度，照射在培養箱上的光量，照射時間，培養持續時間，通氣的組成(空氣以及空氣和二氧化碳的混合氣體)，通氣速度，有或無添加劑如調節植物生長的植物生長激素，有或無用於除去活性氧的淨化劑等。通常培養是在1g至10g/L(升)的培養密度範圍內進行的，優選地是在3g至6g/L(升)的培養密度範圍內，更優選地是在5g至6g/L(升)的培養密度範圍內。
根據本發明，優選使用的藻的種類通過Chihara Mitsuo的「藻類多樣性的生物學」(1997)中的描述進行了舉例說明，其能夠產生高度不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖並能進行高密度培養。尤其是，藍藻門(Myxophyta)藍藻綱(Nostocophyceae)、原綠藻門原綠藻綱、灰胞藻門(Glaucophyta)(Glaucocystophyta)、灰胞藻綱(Glaucocystophyceae)、紅藻門、紅藻綱(Bangiophyceae)、隱藻門、隱藻綱、甲藻門(Pyrrhophyta)甲藻綱、黃藻門、雜色藻門金藻綱、黃藻綱(Tribophyceae)、秀柱花藻綱(Eustigmatophyceae)、針絲藻綱(Raphidophyceae)、硅藻綱(Diatomophyceae)、褐藻綱(Fucophyceae)、定鞭藻門(Prymnesiophyta)、定鞭藻綱(Prymnesiophyceae)、裸藻門裸藻綱、綠蜘藻門(Chlorarachniophyta)綠蜘藻綱(Chlorarachniophyceae)、綠藻門綠藻綱(sensulzta)、綠枝藻綱、ClassPedinophyceae、綠藻門、綠枝藻綱、Class Pedinophyceae(sensustricto)、綠藻綱、共球藻綱(Trebouxiophyceae)和Class Ulvophyceae。
更特別地是，屬於藍藻綱的藻分類群(algal taxa)是那些既是原核生物，又具有氧氣釋放型光合作用的能力並且被分類到以下目和科。
色球藻目包括微囊藻科(Microcystaceae)、色球藻科、石囊藻科、管孢藻科(Chamaesiphoniaceae)、皮果藻科(Dermocarpellaceae)、異球藻科(Xenococcaceae)和Hydrococcaceae，顫藻目包括顫藻科、Pseudanabaenaceae、顫藻科(Schizotrichaceae)、顫藻科(Phormidiaceae)、顫藻科和肢須藻科(Homoeotrichaceae)、念珠藻目包括偽枝藻科、微毛藻科、膠須藻科(Rivulariaceae)和念珠藻科，並且真枝藻目包括石囊藻科(Chlorogloeopsaceae)、蒴鏈藻科、真枝藻科、多裂藻科、雙線藻科、擬珠藻科(Nostochopsaceae)和鞭枝藻科。
屬於原綠藻綱的藻分類群是那些既是原核生物，又具有氧氣釋放型光合作用的能力並且被分類到下列目和科。原綠藻目包括原綠藻科和Prochlorotrichaceae。
屬於灰胞藻綱的藻分類群是那些具有單細胞或群體結構和通過生存在藻類細胞內的藍藻門共生生物取代葉綠體進行光合作用的能力，並且被分類到下列目和科。藍藻目包括藍藻科，膠毛藻目(Gloeochaetales)包括Glaucosphaeraceae和膠毛藻科(Gloeochataceae)，灰胞藻目(Glaucocystales)包括灰胞藻科。
紅藻綱具有600個屬和5000個種並且被分類到下列亞綱、目和科。紅藻綱廣泛分布於淡水和鹹水中並且包括紅毛菜亞綱和海索麵亞綱(Nemaliophycidae)。
紅毛菜亞綱包括紫球藻目、紫球藻科、Cyanidiaceae、角毛藻科和Erythropeltidales。
屬於海索麵亞綱的頂絲藻目包括頂絲藻科，Palmariaceae包括Phodophysemataceae和Palmariaceae，海索麵目(Nemaliales)包括海索麵科(Nemaliaceae)。
屬於隱藻綱的藻分類群是單細胞鞭毛藻類(flagellates)，分布於任何淡水、鹹水和海水中並且被分類到下列目和科。隱藻目包括隱藻科、隱金藻科、Gonimonadaceae、尖眼藻科和Hemiselmidaceae。
屬於甲藻綱的藻分類群分布於任何淡水、鹹水和海水中並且被分類到下列目和科。液光藻目(Noctilucales)、原甲藻目、甲藻目、裸甲藻目、多甲藻目、膝溝藻目、囊溝藻目(Blastdiniales)和植甲藻目(Phytodiniales)。
屬於黃藻門金藻綱的藻分類群被分類到下列目和科。棕鞭藻目包括棕鞭藻科、Dynobryaceae、Chlomulinaceae、Chsamoebaceae、根金藻科和鱗金藻科(Lepochromulinaceae)，金枝藻目(Phaeothamiales)包括金枝藻科，Thallochrysidales包括Thallochrysidaceae，水樹藻目(Hydrurales)包括水樹藻科(Hydrudaceae)，以及黃群藻目(Synurales)包括黃群藻科。
分布在淡水域的黃藻綱是屬於黃藻門的藻分類群並且被分類到下列的目。綠變形藻目、根黃藻目、丙球藻目、黃絲藻目、和無隔藻目。
屬於秀柱花(Eustigmatophyceae)的藻分類群是單細胞，主要分布於淡水域並在海水中也發現了幾種，並且被分類到下列目和科。Eustigmatales包括金絲藻綱(Raphidophyceae)、硅藻綱(Diatomophyceae)和褐藻綱(Fucophyceae)。
在上述藻分類群中，當高密度培養藻並且通過採用本發明的培養設備而產生高的光利用率時，特別優選使用的是小球藻屬、螺旋藻屬和杜氏藻屬(Dunaliella)。
用於本發明培養的藻類可以是上述各個藻分類群中的那些分類群，基於尺寸大小和容易培養的藻類是最優選的，並且尺寸非常大的藻類也能被培養。
上述螺旋藻屬屬於藍藻綱念珠藻目顫藻科並且是絲狀的和浮遊生物。更特別地，作為實例的是Spirulina platensis、極限螺旋藻(Spirulina maxima)、Spirulina geitleri、Spirulina siamise、大螺旋藻、鹽澤螺旋藻、Spirulina princeps、寬鬆螺旋藻、Spirulina curta和Spirulina spirulinoides，優選的是容易得到的Spirulinaplatensis、極限螺旋藻(Spirulina maxima)、Spirulina geitleri、Spirulina siamise。
下面將描述根據本發明通過採用培養設備A進行高密度培養上述藻類的方法。
本發明高密度培養藻類細胞(生物質)的生產方法沒有特別限定並且隨著培養設備的結構、培養設備的體積、所用藻類的品種、藻類細胞的初始密度、培養液的種類、培養液的組成、培養液的pH、培養溫度、照射在培養箱上的光量、照射時間、培養持續的時間、所通氣體的組成(空氣和空氣與二氧化碳的混合氣體)、通氣速率、添加劑的有或無、調節植物生長的植物生長激素、去除活性氧的淨化劑的有或無等而變化；然而，通常，培養是在1g/L到10g/L(升)、優選的是3g/L到10g/L、更優選的是5g/L到10g/L的培養密度範圍內進行的。
根據以實用規模常規進行的培養方法(開放式池系統)，藻類細胞的初始培養密度是從0.05到0.1g/L(升)並且最終(收集)培養密度是從0.5到0.8g/L。培養密度在1.0g/L以上的被稱作高密度培養。
本說明書中，高密度培養被定為1.0到10.0g/L(升)的範圍。當生物圓頂(biodome)上的光徑縮短時，10g/L的培養成為可能。
上述培養設備可以從本發明人作為申請(PCT/JP99/1585)提交的說明書中描述的多種培養設備中選擇。優選地，它是圓頂形狀的結構。
培養設備的體積沒有特別限定；然而，為了維護和管理，通常是60至150升(L)並且優選地是80至120升(L)。
對於所用藻類的藻類細胞初始培養密度隨著培養液的種類、培養液的組成、培養液的pH、培養溫度、照射在培養箱上的光量、照射時間、培養持續的時間、所通氣體的組成(空氣和空氣與二氧化碳混合氣體的比例)而變化，並且沒有限制；然而，優選的範圍通常是0.03到0.5g/L。
培養液隨著藻類而變化，可使用的是淡水、海水，和通過稀釋的海水、鹹水製備的培養液，和公知作為人工培養基或通過下列公知方法製備的培養基。
培養液的pH隨著培養液的種類和使用的藻類的品種而變化，並且沒有限制；然而，優選的範圍是從pH5.5到pH9.0，優選地從pH7.0到pH8.0。特別是，對於螺旋藻屬的品種，使從8到11，優選地是從8.5到接近10，對於鞭毛藻，pH是從6.0到8.5，優選地是從6.5到接近7.5，對於Nannnochloropsis oculata，pH是從6.5到8.5，優選地是從7.0到接近8.0。
培養基的溫度隨著藻類的品種而變化並且沒有限制；然而，優選地，通常以從15℃到35℃作為合適的溫度進行變化。例如，對於螺旋藻屬的種，優選地從25℃到35℃進行變化，對於鞭毛藻，優選的溫度變化範圍是從20℃到28℃，對於Nannnochloropsis oculata，優選的溫度變化範圍是從25℃到30℃。
陽光照射量隨著所使用的藻類而變化並且不受限制；然而，例如，對於以120升培養體積培養螺旋藻屬的種的情況來說，大約18MJ是優選的。
陽光照射的持續時間隨著培養的藻類而變化並且不受限制；然而，從10小時到14小時的範圍是優選的。
通氣速率隨著培養箱的體積、空氣以及空氣和二氧化碳的混合氣體(二氧化碳濃度是2.0％)而變化並且不受限制；然而，例如，對於120升的培養體積，變化範圍從20升/分鐘到30升/分鐘，優選的地，變化範圍從25升/分鐘到30升/分鐘。
培養周期大約是10天並且優選地是少於10天。
產生的藻類細胞(生物質)可通過公知方法例如通過過濾、離心、洗滌和乾燥含在培養液中的藻類細胞來分離。
本發明的第二方面涉及通過採用培養設備A的高密度培養方法生產含有高含量光合色素的藻類細胞的方法。
根據本發明，含有光合色素的藻類細胞的高密度培養沒有特別限定並且隨著培養設備、培養設備的體積、所用藻的品種、藻類細胞的初始密度、培養液的種類、培養液的組成、培養液的pH、培養溫度、照射在培養箱上的光量、照射時間、培養持續時間、通氣組成(空氣和空氣與二氧化碳的混合氣體)、通氣速率、胞囊形成的方法、添加劑的有或無、調節植物生長的植物生長激素、去除活性氧的淨化劑的有或無等而變化；然而，通常，培養是在1g/L到10g/L(升)、優選的是3g/L到10g/L、更優選的是5g/L到10g/L的培養密度範圍內進行的，並且單位乾重的藻類細胞所產生的光合色素的含量範圍是0.8％到9％，優選地4％到9％，更優選地7％到9％。
上述光合色素是類胡蘿蔔素色素例如蝦青素、花葯黃質、雙阿脲、三色堇黃質、海膽酮、顫藻黃素(oscillaxanthin)、胡蘿蔔素、雞油菌黃質、隱黃質、chloroxanthin、管藻黃質、管藻素、玉米黃質、脫二氫環氧二氫胡蘿蔔二醇、硅藻黃質、雙鞭藻黃質、新黃質、新巖藻黃質、巖藻黃素、prasinoxanthin、heteroxanthin、無隔藻黃質(vaucheriaxanthin)、vaucherian xanthin ester、混合葉黃質(mixoxanthin)、混合葉黃素(mixoxanthophyll)、monadoxanthin和葉黃素，藻膽色素例如別藻藍蛋白、藻紅蛋白、藻藍蛋白，和葉綠素例如葉綠素(a，b，c1，c2，c3和d)和多甲藻素，優選地是上述胡蘿蔔素色素，更優選地是蝦青素、三色堇黃素、海膽酮、胡蘿蔔素、雞油菌黃質、玉米黃質、新黃質和葉黃素，特別優選地是蝦青素、雞油菌黃質、新黃質等。
在上述能夠進行藻類細胞高密度培養的藻類中，作為適合於生產光合色素的藻類，主要生產光合色素的藻類是優選的。特別是，已知例如含有葉綠素a、c-藍藻蛋白、c-藻紅蛋白、別藻藍蛋白、β-胡蘿蔔素、海膽酮、玉米黃質、雞油菌黃質、混合葉黃質、混合葉黃素和顫藻黃質的藍藻門的藍藻綱，含有葉綠素(a和b)、β-胡蘿蔔素和玉米黃質的原核綠藻門的原核綠藻綱，含有葉綠素a、藻藍蛋白、別藻藍蛋白、β-胡蘿蔔素、玉米黃質和隱黃質的灰胞藻門的灰胞藻綱，含有葉綠素a、γ-藻藍蛋白、c-藻藍蛋白、γ-藻紅蛋白(γ-phycoerythriene)、b-藻紅蛋白(γ-phycoerythriene)、別藻藍蛋白、α-和β-胡蘿蔔素、葉黃素、三色堇黃質、玉米黃質、花葯黃質、和新黃質的紅藻門的紅藻綱，含有葉綠素(a和c2)、α-和β-胡蘿蔔素、藻藍蛋白、藻紅蛋白、雙阿脲、chloroxanthin、玉米黃質和monadoxanthin的隱藻門的隱藻綱，含有葉綠素(a和c2)、β-胡蘿蔔素、多甲藻素、雙鞭藻黃質和硅藻黃質的甲藻門的甲藻綱，含有葉綠素(a、c1、c2和c3)、β-胡蘿蔔素、玉米黃質、隱黃質、花葯黃質、三色堇黃質、巖藻黃素、新巖藻黃質、硅藻黃質、脫二氫環氧二氫胡蘿蔔二醇和新黃質的黃藻門的金藻綱，含有葉綠素(a、c1和c2)、β-胡蘿蔔素、無隔藻黃質、硅藻黃質、heteroxanthin和玉米黃質的黃藻綱，含有葉綠素a、β-胡蘿蔔素、雞油菌黃質、花葯黃質、三色堇黃質、無隔藻黃質和新黃質的秀柱花綱，含有葉綠素(a、c1和c2)、β-胡蘿蔔素、脫二氫環氧二氫胡蘿蔔二醇、無隔藻黃質、heteroxanthin、硅藻黃質、新黃質、巖藻黃素、玉米黃質和三色堇黃質的金絲藻綱，含有葉綠素(a、c1、c2和c3)、β-胡蘿蔔素、海膽酮、雞油菌黃質、巖藻黃素、新巖藻黃質、硅藻黃質、脫二氫環氧二氫胡蘿蔔二醇和新黃質的硅藻綱，含有葉綠素(a、c1、c2和c3)、β-胡蘿蔔素、花葯黃質、三色堇黃質、巖藻黃素、硅藻黃質、脫二氫環氧二氫胡蘿蔔二醇和新黃質的褐藻綱，含有葉綠素(a、c1和c2)、α-和β-胡蘿蔔素、巖藻黃素、海膽酮、雞油菌黃質、硅藻黃質、脫二氫環氧二氫胡蘿蔔二醇和雙鞭藻黃質的定鞭藻門的定鞭藻綱，含有葉綠素a和b、Isochrysis、玉米黃質、海膽酮、脫二氫環氧二氫胡蘿蔔二醇和新黃質的裸藻門的裸藻綱，含有葉綠素(a和b)、β-胡蘿蔔素、玉米黃質、海膽酮、脫二氫環氧二氫胡蘿蔔二醇和新黃質的綠蜘藻門的綠蜘藻綱，含有葉綠素(a和b)、α-、β-和γ-胡蘿蔔素、玉米黃質、葉黃素、花葯黃質、三色堇黃質、新黃質、管藻素(發現於管藻目的某些種類的葉綠素)和管藻黃質的綠藻門的綠藻綱，以及含有葉綠素(a和b)、α-和β-胡蘿蔔素、prasinoxanthin、管藻素和管藻黃質的綠枝藻，以及含有葉綠素(a和b)的Pedinophyceae。
上述多種藻類含有的光合色素可以利用本發明人的藻類培養設備通過在合適培養液中以高密度和高純度進行生產培養。
用於本發明的生產蝦青素的藻優選地是例如pulyialis鞭毛藻、lacustris鞭毛藻、屬於chlorococcum的綠藻如小球藻例如Chlorellafusca、Chlorella zofingiensis、Chlorella homospphaera和Scenedesmus種。
生產β-胡蘿蔔素和玉米黃質的藻是例如platensis螺旋藻、極限螺旋藻、鹽澤螺旋藻，並且更優選地是platensis螺旋藻。
用於生產蝦青素的培養液的有關條件，已知是綠藻如鞭毛藻在缺乏營養的環境如氮缺乏下生產蝦青素(2mg/g)。
光合色素可以通過孢囊的形成和色素沉著由藻生產。孢囊的形成和色素沉的條件如下所述。(1)增加光強度。例如強光(50000至1500001x)。(2)使培養液中的PO4-P缺陷。(3)使培養液中的N(氮)如NO3-N缺陷(0ppm)。(4)增加培養物的溫度(提高植物細胞培養溫度大約到20至28℃。優選地，溫度被設置在30至35℃)。(5)添加活性氧產生劑(過氧化氫H2O2、臭氧O3)。(6)鹽應力(培養液中加入0.5％至0.8％的NaCl)。(7)通過除去含在培養液中的MgSO4或替換成MgCl2導致硫酸鹽飢餓。(8)加入細胞分裂抑制劑，例如，作為細胞分裂抑制劑的長春花鹼的添加導致了蝦青素量的增加。
根據本發明，分別採用任何一種上述孢囊形成和色素沉著的條件或者優選地，兩種或三種方法的結合將產生更好的效果。例如，增加光強度、N飢餓和PO4飢餓的結合可以作為優選的實施例。
另外，已知小球藻和Scenedesmus，綠藻屬通過在N飢餓和鎂飢餓的條件下進行培養產生了蝦青素(1.5mg)。而且，已經公開了下列報告具有蝦青素生物合成能力的小球藻和Scenedesmus，綠藻屬在含有0.2至1M的一種或多種鈉鹽和鉀鹽的培養液中進行培養來生產含有高含量蝦青素(4至10mg/g)的綠藻。
適合於積累光合色素的藻類是例如小球藻屬、螺旋藻屬、杜氏藻屬、Nannochloropsis(例如，Nannochloropsis Oculata)、Thraustochytrium(例如，Thraustochytrium aureum)、Crypthecodinium(例如，Crypthecodinium Cohnii)、Isochrysis(Isochrysis galbana)。
杜氏藻屬(綠藻綱的Volvocales的杜氏藻屬)在藻類細胞中含有豐富的β-胡蘿蔔素並且優選地是鹽生杜氏藻、Dunaliella bardawil和杜氏藻。
通過利用本發明的培養設備A的藻培養，可以有效地生產用於醫藥材料的多糖。
本發明意義上的多糖是分子量上萬或更高的水不溶的或水溶的多糖，特別是，由一種單糖組成的同多糖(簡單多糖)和兩種或多種單糖組成的雜多糖(複雜多糖)。同多糖例如是葡聚糖如纖維素、澱粉、糖原、charonin、昆布糖和右旋糖酐，果聚糖如阿蘭粉和左聚糖、甘露聚糖、木聚糖、聚半乳糖醛酸如果膠、聚甘露糖醛酸(mannuronans)如海藻酸，以及N-乙醯葡糖胺聚合物如殼多糖和雜聚糖例如是guaran、甘露聚糖、肝素、硫酸軟骨素，雙雜聚糖(diheteroglycans)如透明質酸、巖藻多糖和瓊脂糖並且是通過藻培養產生的。
已報導了由藻產生的多糖的有用性實例即作為從褐色藻中獲得的硫酸鹽多糖表現出抗凝集活性、血淨化活性(脂蛋白脂酶活性)和抗腫瘤活性，以及從褐色藻中提取的巖藻甾醇能增強血管內皮細胞中纖溶酶原激活因子的產生。
藻多糖經常用於健康食品。
適合於生產多糖的藻類是例如藍-綠藻(藍藻類細菌)、紅藻、定鞭藻綱屬種、stigmatophycean種、黃藻屬種、硅藻屬種、褐色藻、綠藻和輪藻屬種。
優選的屬是小球藻屬如小球藻和念珠藻屬如地木耳。
關於分離多糖的方法，多糖可以通過從以一般方式培養的藻中提取多糖的方法來獲得，例如，從培養液中分離藻類細胞後通過酶反應裂解藻類細胞。另外，如果需要，細胞裂解後，用水-混合的有機溶劑處理脂溶細胞中的成分並去除該成分來提取多糖。
下面將描述利用培養設備A生產含有光合色素的藻的方法。
根據本發明，用於培養含有光合色素的藻類細胞的培養液可以是公知的那些培養液或公知方法以後的那些培養液。含有光合色素的藻類細胞的高密度培養包括各種方式，沒有限制，並且隨著培養設備的結構、培養設備的體積、所用藻的種類、藻類細胞的初始密度、培養液的種類、培養液的組成、培養液的pH、培養溫度、照射在培養箱上的光量、照射時間、培養持續時間、通氣組成(空氣和空氣和二氧化碳的混合氣體)、通氣速率、孢囊形成的方法、有或無添加劑如調節植物生長的植物生長激素、有或無去除活性氧的淨化劑等而變化；然而，通常，培養是以1g至10g/L的培養密度變化範圍進行，優選3g至10g/L，更優選5g至10g/L，並且以幹基得到的光合色素的含量變化範圍是0.8％至9％，優選地是4％至9％，和更優選地是7％至9％。
使用的培養基是水、人工培養基、天然淡水、鹹水和海水以及通過稀釋這些培養基來製備的那些。海藻具有一個優點，例如，可以使用直接獲得的低溫、營養豐富和無汙染的深層水或通過採用低溫深層水來調節培養溫度。另外，稀釋度適當的深層水被用於製備培養液。而且，如果需要，可以加入硝酸鉀、磷酸氫二鈉、磷酸氫二鉀、硼酸、氯化鎂、氯化錳、鉬酸鈉、硫酸鋅、硫酸銅和硫酸鐵。
利用培養設備A，這些藻能以高密度和高光利用效率進行培養。
培養溫度隨著要進行培養的藻的種類而變化並且不受限制；然而，通常變化範圍是從15℃至35℃，優選地，從20℃至30℃，更優選地，從20至25℃。
陽光量(光量)隨著所用藻的種類而變化並且不受限制；然而，通常變化範圍是從500至1000001x，優選地，從5000至1000001x，更優選地，從75000至1000001x。
以高濃度積累光合色素如蝦青素需要強光；然而，對於綠藻類細胞的培養，則不需要如此強的光。
培養持續的時間隨著培養藻類的種類、培養溫度和陽光量(光量)而變化並且不受限制；然而，通常變化範圍是從7至14天並且優選地是大約10天。相反，如果採用常規的螺旋藻培養方法，通常需要一個星期至數個星期才能生產得到同於通過本發明的培養方法獲得的量，因而可以得知本發明的生產方法在持續的時間方面有了明顯的改進。
有關利用培養設備A培養含有光合色素的藻類的方法，可以採用能夠增加光合色素含量的公知方法。例如，為了改善蝦青素的生產能力，可採用這樣的方法，即在高溫下培養綠藻種，雨生紅球藻來積累大量的蝦青素。根據該方法，當上述藻在30℃下培養時，蝦青素的產量是20℃下培養的產量的3倍，並且如果補入乙酸，合成了兩倍於沒有補入乙酸的量的類胡蘿蔔素(Tjahjoho A.E.等，生物技術通訊(BiotechnolLett.)，16卷第2期，133-138頁，1994)。
在上述培養條件下利用培養設備A時，發現在藻類細胞中不但增加了生物質，而且還增加了蝦青素的積累量。
通過本發明的生產方法得到的光合色素在進行了通常的程序後，可以通過過濾和離心含在培養基中的藻類細胞、洗滌和乾燥來進行分離，而且如果需要，藻類細胞可以常規方法進行破碎，然後通過採用合適的有機溶劑例如具有高極性的溶劑如甲醇、乙醇和丙酮或者將這些溶劑的任何一種與己烷和二氯甲烷結合來進行提取並利用矽膠柱層析和HPLC等分離和純化。
從藻類細胞中收集目標光合色素的方法沒有特別限制，但是可以按照公知的方法。作為從藻類細胞中收集目標光合色素的方法，可以採用，例如下列方法(公開號為3-83577的日本專利申請)從培養液中回收高蝦青素含量的藻類細胞並採用粒度範圍是0.25至5.0mm的玻璃珠、在樣品密度範圍為0.1至10％(重量)的條件下機械粉碎5至60分鐘。
為了從藻中提取類胡蘿蔔素(光合色素)，可以採用下列方法，例如通過湍流將雨生紅球藻的細胞壁於高壓下進行破碎，然後用有機溶劑提取，再乾燥來獲得蝦青素類胡蘿蔔素。有關藻類細胞壁破碎後的提取，通常可以採用上述合適的有機溶劑來進行提取。
本發明的第三個方面涉及利用培養設備A、通過高密度培養能產生高度不飽和脂肪酸的藻的方法來生產含有高度不飽和脂肪酸的藻類細胞的方法。
高密度培養含有高度不飽和脂肪酸的藻類細胞的方法包括許多種，沒有限定，並且隨著培養設備的結構、培養設備的體積、所用藻的種類、藻類細胞的初始密度、培養液的種類、培養液的組成、培養液的pH、培養溫度、照射在培養箱上的光量、照射時間、培養持續時間、通氣組成(空氣和空氣和二氧化碳的混合氣體)、通氣速率、有或無添加劑如調節植物生長的植物生長激素、有或無去除活性氧的淨化劑等而變化；然而，通常，培養是以1g至10g/L的培養密度變化範圍進行，優選3g至10g/L，更優選5g至10g/L，並且以幹基得到的高度不飽和脂肪酸的含量變化範圍是0.8％至9％，優選地是4％至9％，和更優選地是7％至9％。
按照本發明的高密度培養藻的方法得到的高度不飽和脂肪酸沒有特別限定；然而，通常提供由18至22個碳原子組成且具有4至6個不飽和鍵的脂肪酸。特別地，實例是具有6個不飽和鍵並由22個碳原子組成的二十二碳六烯酸(DHA)、具有5個不飽和鍵並由20個碳原子組成的二十碳五烯酸(EPA)，和具有4個不飽和鍵並由20個碳原子組成的花生四烯酸(ARA)。
關於高度不飽和脂肪酸，例如DHA及其酯已被報導用作腦功能增強劑(公開號為1-153629的日本專利申請)、腦功能改進劑、學習能力增強劑、記憶增強劑、預防痴呆劑、痴呆治療藥或具有改進腦功能效果的功能性食品(公開號為2-49723的日本專利申請)的有效成分。
據報導，下列方法作為生產高度不飽和脂肪酸的常規方法。
通過利用Mortierella種的轉化反應生產高度不飽和脂肪酸(DHA)的方法(公開號為63-185389的日本專利申請)，通過能夠產生花生四烯酸的微生物生產含增量的高度不飽和脂肪酸的方法(公開號為1-304892的日本專利申請)，生產含有源自於海洋微生物的高度不飽和脂肪酸的類脂的方法(公開號為2-142486的日本專利申請)，通過利用刺孢囊黴屬的種生產高度不飽和脂肪酸的方法(公開號為2-23878的日本專利申請)，從橫斷刺孢囊黴(Echinosporangium Transversalie)ATCC16960和18036(歐洲未審申請公開35597)、細菌、真菌破囊壺菌屬、蟲黴屬、Japonochytrium種ATCC28207的培養物中獲得高度不飽和脂肪酸的方法(公開號為1-199588的日本專利申請)。
已報導了通過藻培養獲得DHA的方法，甲藻綱藻和定鞭藻綱藻的培養方法(Joseph，J.D.脂質，10，395(1975)，Nichols，P.D.等；植物化學231043(1984))。
然而，上面所述的是一種自然的繁殖方法或一種簡單靜止的培養方法， 因此在工業實用過程中存在技術問題。
可以從上述藻種中自由選擇能夠產生高度不飽和脂肪酸的藻種作為利用本發明的培養設備A、通過高密度培養來生產含有高度不飽和脂肪酸的藻的優選藻種。
特別是，可以作為實例的是能夠產生高度不飽和脂肪酸(DHA)的Isochrysis galvana和能夠產生高度不飽和脂肪酸(EPA)的Nannochloropsis oculata和Monodus subterraneus。在本發明的高密度培養方法中，上述藻的任何一個種或兩個種或多個種可以結合使用。
上述Isochrysis galvana屬於定鞭藻綱，是海洋微藻類種群。另外，屬於角毛藻屬屬的Chaetoceros gracilis和Chaetoceros calcitrans，屬於隱藻屬的隱藻屬種以及Pavlova lutheri和卡氏球蓋板藻也是優選的。
Isochrysis galbana的特定實例是Isochrysis galvana LB2307和LB9807，Chaetoceros gracilis的特定實例是2375，Chaetoceroscalcitrans的特定實例是CCAL1315，隱藻屬種的特定實例是LB2423，Pavlova lutheri的特定實例是LB1293，和卡氏球蓋板藻的特定實例是LB1014和LB2167。這些藻種能以一個種或兩個種或多個種結合的混合物形式來進行使用。
對於高度不飽和脂肪酸是EPA的情況，例如，優選地是單細胞藻Monos、Eustigmatopceae的種和為浮遊生物並含有豐富EPA的Nannochloropsis oculata。
培養條件按照上述藻類細胞(生物質)的生產方法中的辦法。
根據本發明，通過利用培養設備A作為簡單的方法，能夠將培養液中的光環境最佳化，因此，通過持續照射和間歇照射可以進一步增加培養速度。
根據本發明，通過高密度培養，能以高純度和高收率來生產藻。另外，如果需要，培養液可以接受公知的植物激素如茁長素、赤黴素和細胞分裂素來加強藻類如裸藻屬的生長。
通過本發明的生產方法得到的高度不飽和脂肪酸在進行了通常的程序後，可以通過過濾和離心含在培養基中的藻類細胞、洗滌和乾燥來進行分離，而且如果需要，藻類細胞可以常規方法進行破碎，然後通過採用合適的有機溶劑例如高極性的溶劑如甲醇、乙醇或丙酮或者將這些溶劑的任何一種與已烷和二氯甲烷混合來進行提取並利用矽凝膠柱層析和HPLC等進行分離和純化。
實施例實施例1能夠產生DHA的Isochrysis galbana利用培養設備A，一種藻種，Isochrysis galbana以初始藻培養密度(0.3g/L)和在下列條件下進行培養培養液的體積是120升、培養液的組成如表1所示，培養溫度範圍15℃至25℃，陽光量和光照時間是14.3MJ和12.5小時，空氣和二氧化碳的混合氣體(二氧化碳濃度2.0％)的通氣速率是30升/分鐘，培養液的pH是7.0至8.0，培養周期為10天。
結果，從10.0g/L的培養密度能夠得到含有8％幹基的高度不飽和脂肪酸(DHA)的高含量藻類細胞(生物質)。
培養基的組成表1
pH採用的範圍從7.5至8.0。
實施例2能夠產生DHA的Isochrysis galbana利用本發明培養設備，在實施例1的培養條件下，將培養基的組成中的ZnCl2替換為8.4mg/L的ZnSO4-7H2O，將FeCl3-4H2O替換為2.77mg/L的FeCl3-6H2O來培養藻種Isochrysis Galbana。結果，從5.0g/L的培養密度能夠得到含有7.5％幹基的高度不飽和脂肪酸(DHA)的高含量藻類細胞(生物質)。
實施例3生產Spirulina platensis的方法利用培養設備A，一種藻種，Spirulina platensis以初始藻培養密度(0.5g/L)和在下列條件下進行培養培養液的體積是120升、培養液的組成如表2所示，培養溫度範圍25℃至35℃，陽光量和光照時間18MJ/m2和14.5小時，空氣和二氧化碳的混合氣體(二氧化碳濃度2.0％)的通氣速率是25升/分鐘，培養液的pH是8.5至10.0，培養周期為10天。結果，通過10至20g/L的培養密度可以實現的產率範圍是2.0至5.0g/L/天。
與下面對比實施例1所述的常規培養方法相比，產率大約為10倍。
表2
上述表中的Na2EDTA表示EDTA的二鈉鹽。
對比實施例1常規培養方法(Spirulina platensis)在上述實施例1的培養條件下，其中培養設備被替換成常規培養池系統，結果Spirulina platensis的培養密度是0.3至0.5g/升及其產率是0.1至0.2g/L/天。
實施例4利用雨生紅球藻生產蝦青素的方法利用培養設備A，一種藻種，雨生紅球藻以初始藻培養密度(0.5g/L)和在下列條件下進行培養培養液的體積是80升、培養液的組成如表3所示，培養溫度範圍25℃至30℃，陽光量和光照時間17.5MJ/m2和13.5小時，空氣和二氧化碳的混合氣體(二氧化碳濃度2.0％)的通氣速率是25升/分鐘，培養液的pH是7.5至8.5，培養周期為10天。停止通氣，收集沉澱的藻類細胞，將從上述培養基中除去了N和P所製備的培養基加到強光照射4天的培養物中。結果，通過培養密度為5g至10g/L的高培養密度可以得到含4％至8％的色素蝦青素的高含量藻類細胞(生物質)。
表3
對比實施例2培養雨生紅球藻的方法在上述實施例4的培養條件下，其中將培養設備替換成常規培養池系統來培養雨生紅球藻。
結果發現培養雨生紅球藻本身就非常困難。
實施例5通過培養Nannochloropsis oculata的方法生產EPA利用培養設備A，一種藻種，Nannochloropsis oculata，一種海洋微藻類以初始藻培養密度(0.4g/L)和在下列條件下進行培養培養液的體積是120升、培養液的組成如分離表5所示，培養溫度範圍25℃至30℃，陽光量和光照時間是16.3MJ/m2和13.5小時，空氣和二氧化碳的混合氣體(二氧化碳濃度2.0％)的通氣速率是30升/分鐘，培養液的pH是7.0至8.0，培養周期為10天。
結果，從8g/L的高密度培養液能夠得到含有10％幹基的高度不飽和脂肪酸(EPA)的高含量藻類細胞(生物質)。
表4
實施例6通過Nannochloropsis oculata的培養方法生產EPA
利用培養設備A，在與實施例5相同的培養條件下培養Nannochloropsis oculata。
結果，從3g/L的高密度培養液能夠得到含有8％幹基的高度不飽和脂肪酸(EPA)的高含量藻類細胞(生物質)。
對比實施例3通過Nannochloropsis oculata的培養方法生產EPA在上述實施例5的培養條件下，其中將培養設備替換成常規培養池系統來培養Nannochloropsis oculata。
結果，這種生產方法顯示了一個生物質範圍為0.2至0.4g/L的培養密度極限。
實施例7通過培養雪藻種生產ARA利用培養設備A，一種雪藻種，Paietochloris inciss以初始藻培養密度(0.5g/L)和在下列條件下進行培養培養液的體積是120升、培養液的組成如表5所示，培養溫度25℃，陽光量15MJ/m2，空氣和二氧化碳的混合氣體(二氧化碳濃度2.0％)的通氣速率是30升/分鐘，培養液的pH是7，培養周期為兩個星期。結果，藻類細胞被培養到0.5g/L的最終生物質密度。過濾和乾燥藻類細胞得到含有6.5重量％(w/w％)乾重的花生四烯酸的產品。花生四烯酸(ARA)的量是通過將含在藻類細胞中的甘油三花生四烯酸酯、花生四烯酸單酯和花生四烯酸雙酯轉化為花生四烯酸所計算的量。
表5
實施例8利用培養設備A，一種念球藻屬的種，地木耳以初始藻培養密度(0.5g/L)和在下列條件下進行培養培養液的體積是120升、培養液的組成如表6所示，培養溫度是25℃，陽光量是7至10MJ，培養液的pH是7.6至7.8，培養周期為兩個星期。
結果，藻類細胞的最終生物質密度是4至5g/L。
獲得的生物質用熱水進行提取並且得到10至15％乾重的多糖。作為提取到的多糖的分析結果，檢測到4％乾重的β-1，3-葡聚糖。
表6
下列表7顯示了儲備溶液。
表7
Nannochloropsis屬的藻種，例如，Nannochloropsis oculata被用於作為養殖小魚飼料的Rotifera種的繁殖。
屬於褐指藻屬的藻，例如三角褐指藻、角毛藻屬的種，例如，Chaetoceros gracilis以作為雙殼類、鮑和甲殼動物如蝦的飼料而著名。在自然界中，這些藻類的增加和減少(趨勢)取決於季節和環境的變化，因此，目前為止，藻類生物質的這種變化通過在開放池中培養來補償。然而，開放池受自然環境變化的影響，因此，不能穩定地提供藻類細胞並且必需的目標種的有效生產是困難的。
通過利用封閉型的生物圓頂，可以生產高質量的藻並且能穩定地進行提供。
實施例9利用培養設備A，三角褐指藻以初始藻培養密度(0.3g/L)和在下列條件下進行培養培養液的體積是120升、培養液(人造海水)的組成如表8所示，培養溫度是26℃，光強度是5MJ，培養液的pH是7.5至8.5，培養周期為兩個星期。
結果，產生的藻類細胞的最終生物質密度是5g/L。
獲得的生物質被用作海上養殖中的飼料(進食飼料)。
表8
在表中，儲備溶液1和儲備溶液2的組成被列於表9和表10中。
表9
表10
本發明的效果利用本發明人的培養設備提供了以高純度和高產率獲得藻類細胞(生物質)的方法。另外，產生的生物質能提供含有高濃度的光合色素和/或高度不飽和脂肪酸和/或多糖的藻類細胞。因此，通過比較簡單的設備就能容易地生產光合色素和/或高度不飽和脂肪酸和/或多糖。
權利要求
1.一種培養藻類的方法，該藻類具有產生高度不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖的能力，通過採用培養設備、在光照和通氣條件下、在培養基中以高密度培養來製造含有高度不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻類，其中所述培養設備是選自具有圓頂形狀、圓錐形狀或圓柱形狀中任一形狀的設備；具有圓頂形狀的培養設備包括由透明材料製成的外半球形圓頂、由透明材料製成的內半球形圓頂和連接兩個圓頂底端部分的底部，並且在外半球形圓頂的頂部安裝了一個圓柱形開孔元件和在底部安裝了一個用於空氣和/或二氧化碳氣體的引導元件和培養液排放元件；具有圓錐形的培養設備包括一個由透明材料製成的外圓錐形圓周壁、一個透明的內圓錐形圓周壁和連接兩個圓周壁底端部分的底部，並且在外圓錐形圓周壁的頂部安裝了一個圓柱形開孔元件和在底部安裝了一個空氣和/或二氧化碳氣體的引導元件和培養液排放元件；或者，具有圓柱形的培養設備包括具有一個由透明材料製成的上壁的外圓柱形圓周壁，具有一個由透明材料製成的上壁的內圓柱形圓周壁，和連接兩個圓周壁底端部分的底部，並且在外圓柱形圓周壁的上壁的中心部分安裝了一個圓柱形開孔元件和在底部安裝了一個空氣和/或二氧化碳氣體的引導元件和培養液排放元件。
2.如權利要求
1所述的方法，使用至少一種選自丙烯酸類樹脂、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯和聚氯乙烯的材料作為構成培養設備的透明材料。
3.如權利要求
1所述的方法，其中培養是通過採用培養設備進行的，該培養設備的圓柱形開孔元件的外側還有一個噴水元件並且底部的外周具有一個噴水接收元件。
4.如權利要求
1所述的方法，其中通過利用培養設備進行連續培養，所述培養設備的內半球形圓頂內以及內圓錐形圓周壁或內圓柱形圓周壁的內部空間進一步安裝了一個人造光源。
5.一種培養藻類的方法，該藻類具有產生高度不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖的能力，通過採用培養設備、在光照和通氣條件下、在培養基中以高濃度培養來製備富含高度不飽和脂肪酸、光合色素和/或多糖的藻類，其中所述培養設備包括一個培養設備的主體和一個氣體排放裝置；並且培養設備的主體是具有圓頂形狀、圓錐形狀或圓柱形狀的培養設備，其中具有圓頂形狀的培養設備包括由透明材料製成的外半球形圓頂、由透明材料製成的內半球形圓頂和連接兩個圓頂底端部分的底部，並且在外半球形圓頂的頂部安裝了一個圓柱形開孔元件和在底部安裝了一個培養液排放元件；具有圓錐形的培養設備包括由透明材料製成的外圓錐形圓周壁、由透明材料製成的內圓錐形圓周壁和連接兩個圓周壁底端部分的底部，並且在外圓錐形圓周壁的頂部安裝了一個圓柱形開孔元件和在底部安裝了一個培養液排放元件；或者，具有圓柱形的培養設備包括具有由透明材料製成的上壁的外圓柱形圓周壁，具有由透明材料製成的上壁的內圓柱形圓周壁，和連接兩個圓周壁底端部分的底部，並且在外圓柱形圓周壁的上壁的中心部分安裝了一個圓柱形開孔元件和在底部安裝了一個培養液排放元件；氣體排放裝置由對置的兩塊正方形基板、氣泡引導元件和一個排放噴嘴構成，氣泡引導元件的截面是缺少一條邊的正方形或反U-形，朝下開口，氣泡引導元件被傾斜安裝在正方形基板的上側端面，通過將上端部分折成幾乎水平而由氣泡引導元件上側端面的傾斜壁進行延伸而形成上壁且具有一個從傾斜壁和上壁的兩個側端延伸的側壁，並且兩個側壁的每一底端部分被連接在正方形基板的兩個上側端面上，並且排放噴嘴可旋轉地通過在傾斜壁底部上的一個通路孔連接。
6.如權利要求
5所述的方法，構成培養設備主體的透明材料是選自丙烯酸類樹脂、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯和聚氯乙烯的一種或多種材料。
7.如權利要求
5所述的方法，其中通過利用培養設備進行培養，該設備上進一步在圓柱形開孔元件的外側安裝一個噴水元件和進一步在培養設備主體底部的外周安裝了噴水接收元件。
8.如權利要求
5所述的方法，其中通過利用培養設備進行連續培養，所述培養設備的內半球形圓頂中以及內圓錐形圓周壁或內圓柱形圓周壁的內部空間進一步安裝了一個人造光源。
9.如權利要求
5所述的方法，其中通過利用培養設備進行培養，所述培養設備主體的底部進一步安裝了空氣和/或二氧化碳氣體的引導元件。
10.如權利要求
5所述的方法，其特徵在於通過利用氣體排放裝置進行培養，其中至少任意一個正方形基板在前端部分和/或後端部分和/或後端部分被彎成相同的方向。
11.如權利要求
5所述的方法，其特徵在於通過利用氣體排放裝置進行培養，其中至少任意一個正方形基板具有重量調節裝置。
專利摘要
一種在體內以高濃度有效培養和生產含有有用物質的藻類的方法。在現存培養設備中,施加於藻類的剪切應力使得高濃度培養藻類非常困難。然而,使用由透明材料製成的圓頂形、圓錐形或圓柱形的便利培養設備使得沒有剪切應力的高濃度培養的進行成為可能。通過採用與培養設備結合的氣體排放裝置可以進一步提高培養效率。這種方法適用於廣範圍的能夠產生高度不飽和脂肪酸、光營養色素或多糖的藻類。
文檔編號C12M1/00GKCN1336956SQ00802906
公開日2002年2月20日 申請日期2000年9月26日
發明者平林徵四郎, A·普裡魯特斯基, 貞松久人 申請人:有限公司邁可羅凱雅導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan