光生物反应器的制作方法

专利名称：光生物反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于培养光养微生物的封闭光生物反应器的操作方法以及用于培养 光养微生物的封闭光生物反应器。
背景技术：
如今，在许多商业化应用中已发现光养微生物，这一点已为人所知。因此，生产了 藻类以制造胡萝卜素、虾青素等，或将完整的藻类生物质作为营养添加剂销售。目前， 藻类生物质的生产面临两个主要困难。首先，现有生产大部分得自于开放系统(例如所谓 的开放塘(openpond))。这些开放系统对于其他藻类株或有害物的污染敏感，因此只有具有 非常特异的生长条件的藻类才能在这些系统中生长。因此，例如，在极高盐性的条件下培养 杜氏藻属(Dimaliella)的藻类来生产β -胡萝卜素，这种条件不适合大多数其他生物体。 其次，藻类生物质的生产成本相当高(每公吨> 2，000美元)，导致用于许多应用领域、特 别是能源方面或运输方面的商业化生产是无利可图的。特别是，如果使用封闭系统代替开 放系统以避免污染，生产成本通常增加到更高。除了开放塘之外，目前还有大量各种不同的 光生物反应器类型在使用。最熟知的是管式反应器，它可以由一个或多个水平管构成，或其 中管螺旋状缠绕在圆柱或圆锥周围(生物旋管(biocoil))。此外，平板式反应器也经常使 用，这种反应器提供了垂直液体层用于藻类培养。从藻类生成化学物质和能量的主要挑战是污染的风险和制造藻类生物质的高成 本。类似地，从藻类生产精细化学品、营养添加剂、维生素、ω-3脂肪酸、抗氧化剂(例如类 胡萝卜素)、药物活性物质或用于营养添加的干燥生物质的主要挑战同样也是污染的风险 和制造生物质的高成本。当培养藻类用于生物燃料、动物饲料、氨基酸、甲烷生产等时，也面 临同样的挑战。WO 2005/121309公开了用于藻类生产的装置，其中含有藻类的流体位于生长容器 中，向该容器供应含有CO2的气体，气体经气体调节装置循环通过容器。在一个实施方案中， 容器由形成片层袋的两个塑料片层制成。在据说适合于在海水中生产微藻的实施方案中， 将熔焊在一起的片层袋放置成水平漂浮在水表面中。US 4，868，123公开了用于通过光合作用生产微生物的装置。装置包含放置在宽阔 水上的生物反应器，所述反应器具有第一组透光的柔性管，培养基在所述柔性管中循环，以 及第二组可膨胀的管，它们通过规则间隔的可拆卸Y型内插元件放置并维持在第一组管的 底下。根据该文献，当培养基的温度超过参比温度上限时，光生物反应器通过第二组管的缩 小浸没。相反，当培养基的温度低于最低参比温度时，第二组管用压缩空气充气。光生物反 应器的浸没也可以通过在第二组管中引入相对重的液体来确保，而漂浮可以通过注入空气 之外的轻质流体来确保。因为微生物的大规模培养对成本非常敏感，因此对更简单、更廉价的生物反应器 设备存在着需求。

发明内容
目前，光养微生物培养的特征在于生产生物质的高成本。新的光生物反应器将能 够显著降低生物质的生产成本。此外，通过封闭工艺设计，污染的风险与开放系统相比可以 极大降低。为了避免污染，将使用封闭光生物反应器，它可以例如从塑料例如聚乙烯生产。当 光生物反应器在水体、例如人工塘中或其上漂浮时，可以获得成本的极大降低。通过这种构 造原则，避免了用于使光生物反应器在水平方向上精确保持水平的成本。由于光生物反应 器内部流体静水压力得到周围水的部分补偿，光生物反应器壁的强度可以降低，或可以使 用稳定性较低的材料。光生物反应器周围的水能够提供或除去热量，使附加的温度调节成 为多余。通过对光生物反应器使用柔性材料，以及改变光生物反应器在周围水体中的位置 的可能性和改变培养液层厚度的可能性，可以根据环境因素例如太阳辐照或温度调整光生 物反应器的运行条件，这将增加生产率，导致成本的进一步降低。由于在水表面上操作光生 物反应器的可能性，考虑到我们的星球70%以上被水覆盖，因此有非常大的区域可用于实 现这种光生物反应器系统。所描述的光生物反应器可用于从光养生物生产生物质，该生物质可用于制造任何 类型的生物燃料、动物饲料、蛋白质、氨基酸，用于人类基本营养的成分，以及用于从光养生 物生产生物质，该生物质用于制造精细化学品、营养添加剂、维生素、ω-3脂肪酸、抗氧化剂 (例如类胡萝卜素)、药物活性物质成分或用作营养添加剂的干燥生物质。因此，本发明的目的是促进封闭光生物反应器的内含物、例如培养基和其中培养 的微生物的温度调控。本发明的相关目的是利用部分或完全围绕封闭光生物反应器的水的 冷却能力，以便调节其内含物的温度。本发明的另一个目的是允许控制部分或完全被水围绕的封闭光生物反应器的垂 直位置。具体来说，本发明的目的是允许进行这样的位置控制而不需要光生物反应器本身 的内含物例如培养基以及周围的水之外的其他浮力调节机构。本发明的另一个目的是提供光生物反应器，所述光生物反应器当漂浮在水体上时 自动地提供培养液厚度的均勻分布。因为本发明的光生物反应器或其部分优选可以由柔性材料制成，因此反应器的形 状可能受到内部和外部冲击和不均勻性的影响。因此，为了保持光生物反应器的形状和最 适功能，这种冲击和不均勻性的控制可能是重要的。因此，本公开的一个目的是提供用于附 加控制柔性光生物反应器的位置和/或形状的机构。本发明的另一个目的是简化封闭光生物反应器及其外围设备的构造并降低其成 本。对于本领域技术人员来说，在阅读了下面的说明书后，本发明的其他目的和优点 将是显而易见的。本文中使用的术语“光生物反应器”，一般是指光生物反应器的适合于包含藻类 培养液并在其中进行光合作用的区室，包括任何附加的区室或管、子区室或用于控制光生 物反应器的位置和/或形状的机械机构，但是该术语也可以是指更广义的光生物反应器系 统，包括所述包含了任何附加的区室或管、子区室或用于控制光生物反应器的位置和/或 形状的机械机构的藻类区室，以及外围设备例如泵、软管、罐和操作反应器所需的其他设备。在本发明的第一方面，提供了用于培养光养微生物的封闭光生物反应器的操作方 法，所述光生物反应器包含培养液，并且光生物反应器部分或完全被水体的水围绕，其中在 培养液与周围的水之间提供了密度差，以便控制光生物反应器在水体中的位置。本发明所基于的主要原理，是通过控制光生物反应器的密度相对于周围水的密 度，例如通过在反应器的内部和外部提供不同的盐浓度，来控制柔性轻质的光生物反应器 在周围水体中的垂直位置的能力。已经显示，含有淡水或微盐水(低密度)的反应器容易 地漂浮在由盐水(高密度)构成的水体上。此外，已发现，本发明的光生物反应器自身稳 定，这意味着无论它在实验开始时所处位置如何，它都采取完全水平的位置，并且反应器内 部的培养液层厚度变得非常均勻，这同样不依赖于起始点。因此，在光生物反应器含有淡水 而周围水体包含盐水的情况下，通过利用反应器本身和周围水体中的不同盐度以及由此产 生的两种水体中不同的密度，将在周围盐水体上形成由光生物反应器的柔性透明壁所限定 的稳定淡水透镜。本发明的使用密度差稳定反应器以及获得培养液层的均勻厚度的概念，允许提供 非常简单和成本效率极高的光生物反应器系统。首先，系统中的淡水本身将形成最适(水 平)结构，意味着可以将薄的、低成本材料用于反应器。其次，反应器将自动移动到适合于 生长藻类的位置，由此对将反应器布置在优选位置中的机械设备或工艺控制装置的需求最 小化。第三，培养液层的均勻厚度以及通过改变光生物反应器中培养液的量将培养液层厚 度最适化的可能性，允许培养液中的高生物质密度，意味着本发明的光生物反应器可以含 有更多生物质，因此具有更高的能量效率。因为由盐度和/或温度差异引起的光生物反应器内部和外部水中的小的密度差 是用于移动反应器的唯一驱动力，因此优选情况下在光生物反应器壁中有薄的柔性材料。 薄的柔性壁将光生物反应器自身稳定的能力最适化。适合用于光生物反应器壁中的材料的 例子是厚度为大约0. Imm的聚乙烯或等价材料。因此，通过在培养液与周围的水之间提供所述密度差以便控制光生物反应器在水 体中的位置，产生了光生物反应器相对于周围水的浮力的变化，这种浮力变化是反应器垂 直位置改变的驱动力。因此，提供的密度差考虑到了光生物反应器自身的重量和浮力。因 此，本发明代表了一种简单廉价的解决方案，以便控制光生物反应器在周围水中的位置。同 样，通过使光生物反应器在周围的水中下降，可以有效地、低成本地实现光生物反应器内含 物的冷却。此外，系统的封闭工艺设计显著降低了污染的风险。光生物反应器被水(部分)包 围这一事实，通过以下各种不同效应降低了生产成本通过使光生物反应器漂浮或悬浮在 水中，不需要昂贵的建筑施工来拉平地形。光生物反应器作为封闭系统漂浮或悬浮在周围 水体中，从而可以非常简单和成本效益高的方式制备体现周围水体的池。在极端情况下，甚 至河流、湖泊和海洋或充水的天然黏土坑都可以用作外部水体。周围水体能够最适地提供 和除去热量，因此不需满足进一步温度调节需求的成本。由于光生物反应器的内部静水压 被周围的水部分补偿，光生物反应器壁的厚度可以降低，或者可以使用稳定性较低的材料， 这有助于进一步降低成本。通过光生物反应器的柔性构造，即改变反应器在周围水体中的位置的可能性和改变光生物反应器中培养液的厚度的可能性，可以根据环境条件例如太阳光辐照的强度和温 度调整光生物反应器的工艺参数，这将导致生产率的增加并将进一步降低成本。培养液的 厚度影响光养生物生长所必需的太阳光的光路。因为光生物反应器可以在水表面上操作，因此有非常大的区域可用于实现这种光 生物反应器系统，因为我们的星球70%以上被水覆盖。可以通过在培养液与周围的水之间提供盐度差异来提供密度差。所述盐度差异可 以通过增加或降低培养液的盐度来提供。所述盐度差异也可以、或可替选地通过增加或降 低周围的水、特别是封闭水体的周围的水的盐度来提供。在本文中，正如专业技术人员所理 解的，术语“封闭水体”是指允许控制其中的水的量或类型、例如淡水、微盐水或盐水的明确 限定的水系统。封闭水体的例子是天然或人造塘或池。可以在提供周围水的盐度降低的同 时提供培养液的盐度增加。可以在提供周围水的盐度增加的同时提供培养液的盐度降低。可以通过在培养液与周围的水之间提供温度差来提供密度差。所述温度差可以通 过改变周围的水、特别是封闭水体的周围的水的温度来提供。“封闭水体”的含义同上。密度差可以通过增加或降低培养液的气体压力来提供。因此，培养液密度可能受 到供应给光生物反应器以被藻类消耗的气体(例如二氧化碳)的压力或由藻类产生的气体 (例如氧气)的压力的影响。影响培养液和/或周围的水的密度的盐度、温度、气体压力和/或其它参数可以单 独或同时被修改，以便提供理想的密度差。培养液的密度和周围的水的密度可以单独或同 时被修改，以便提供理想的密度差。可以提供密度差使得培养液的密度增加或使得周围水的密度降低，由此降低光生 物反应器在水体中的位置。可以提供密度差使得培养液的密度降低或使得周围水的密度增 加，由此升高光生物反应器在水体中的位置。可以提供密度差使得光生物反应器在水体中 的位置得以维持。同样地，培养液的密度和周围水的密度可以同时被改变，以便提供理想的 密度差，用于降低、升高或维持光生物反应器的位置。上述的操作光生物反应器的方法，即其中在培养液与周围的水之间提供密度差以 便控制光生物反应器在水体中的位置的方法，特别适合于位置的长期控制。在本文中，“位 置的长期控制”是指位置的变化(光生物反应器的升高或降低)不需要从变化开始后在几 小时或几天内逆转。但是，在本发明的方法中，光生物反应器可以装备有一个或多个适用于 进一步控制光生物反应器的浮力的区室或管。这种区室或管的优点将在下文陈述。 在本发明的方法中，光生物反应器也可以装备有适用于进一步控制光生物反应器 的垂直位置和/或形状的机械机构。这样的机械机构及其优点将在下文讨论。在本发明的方法中，光生物反应器可以具有平板形状。与例如管型光生物反应器 相比，平板反应器需要较少的建造材料，由于较低的流阻而需要较少的能量输入，并对可缩 放性限制较少。在本发明的方法中，光生物反应器可以进一步包含如下根据本发明的第二方面所 描述的附加特征。在本发明的第二方面，提供了用于培养光养微生物的封闭光生物反应器，所述光 生物反应器适合于包含培养液，并且所述光生物反应器适合于部分或完全被水体的水围 绕，其中光生物反应器包含用于测定培养液与周围的水之间的密度差的机构。
因为由盐度和/或温度差异引起的光生物反应器内部和外部水中的小的密度差 是用于移动反应器的唯一驱动力，因此优选情况下在光生物反应器壁中有薄的柔性材料。 有薄的柔性壁将光生物反应器自身稳定的能力最适化。封闭光生物反应器优选可以包含由水密性透明柔性材料的壁围成的区室，在本文 中称为藻类区室。水密性透明柔性材料优选可以进一步是轻质或低密度材料。优选情况下，材料可 以是基于聚合物的材料，例如基于聚烯烃的聚合物例如聚乙烯或聚丙烯的薄膜。聚合物材 料领域的专业技术人员将会容易地认识到其他适合用于本发明的聚合物。壁的厚度应该 根据所用的具体材料的性质、例如柔性、透明性和耐久性进行选择，可以在例如10-1000 μ m 的范围内，或在25-500 μ m或50-150 μ m的范围内。在考虑了材料的耐久性的前提下，优选 将光生物反应器的壁造得尽可能薄，以便使柔性和透明性最大化。作为非限制性的例子，已 发现厚度为大约100 μ m的聚乙烯膜适合用于光生物反应器的壁。作为例子，光生物反应器的藻类区室可以包含彼此附着的水密性透明柔性材料的 顶面和底面，以便在两个片之间形成封闭区室，但是也考虑到了其它产生由水密性透明柔 性轻质材料的壁围成的密封区室的布置。光生物反应器的藻类区室还可以包含各种不同的入口和出口端口，其上可以连接 软管、泵、液体或气体源以及操作光生物反应器所需或有用的其它附加设备。用于测定密度差的机构可以包含用于测定培养液的盐度和/或温度的机构。用于 测定密度差的机构可以包含用于测定周围的水的盐度和/或温度的机构。本领域技术人员 可以鉴定到用于测定培养液或周围的水的盐度的适合机构，它们的功能可以基于例如对其 中盐度待测定的介质的电导率进行测量。本领域技术人员可以鉴定到用于测定培养液或周 围的水的温度的适合机构，所述机构可以是例如热电偶或用于温度测量以提供表示温度的 电信号的其它装置。光生物反应器可以装备有适合于进一步控制光生物反应器的浮力的一个或多个 附加区室或管。区室或管可以含有气体、水或任何其它液体。因此，附加区室或管增加了控 制光生物反应器在水体中的位置的速度。因此，当例如需要对培养液温度的短期变化作出 响应快速调整光生物反应器的位置时，可以使用附加区室或管。“短期变化”是指在分钟或 小时规模上的变化。光生物反应器可以装备有当例如为了对藻类的生长条件进行最适化，所述生长条 件为例如温度、或由于气候相关条件例如强风而需要快速调整光生物反应器的位置时，用 于加速浸没或漂浮的机械机构。这样的机械机构可以包含例如伸展在光生物反应器上并布 置成可被降低或抬升以帮助光生物反应器的浸没或漂浮的网或至少一个细长的元件，例如 绳索、缆绳或杆。这样的网或至少一个细长元件可以是、也可以不是固定到光生物反应器的 表面上。一般来说，具有两个或多个平行布置或以适合距离跨过光生物反应器的长度而分 布的细长元件，是有用的。细长元件可以同时或相继被降低或抬升，例如使得整个光生物反 应器同时浸没，或使得反应器的一个侧面首先浸没，反应器的另一个侧面随后浸没。光生物反应器可以具有平板形状。与例如管型光生物反应器相比，平板反应器需 要较少的建造材料，由于较低的流阻而需要较少的能量输入，并对可缩放性限制较少。光生物反应器的藻类区室也可以包含两个或多个适合于包含培养液的子区室。所述子区室可以适合于包含光生物反应器中存在的培养液的一部分。优选情况下，当光生物 反应器包含两个或多个这样的子区室时，培养液可以在子区室之间均衡分布。当光生物反 应器部分或完全被浸没时，在光生物反应器中使用子区室可以帮助稳定反应器，因为正如 将在本文中更详细讨论的，子区室帮助减少培养液附聚和大气泡的潜在不利效应。子区室可以彼此密封。如果子区室彼此密封，子区室将作为较小的光生物反应器 的阵列。这将进一步减轻当光生物反应器被浸没时与附聚和大气泡相伴的问题。子区室也可以连通，以允许子区室之间受限的液体和/或气体运输。这将减轻当 光生物反应器被浸没时与附聚和大气泡相伴的问题，同时保持光生物反应器的柔性以及将 CO2和其它营养物共分配到培养液并从反应器除去氧气的优点。光生物反应器还可以包含用于将光生物反应器的藻类区室暂时分成两个或多个 子区室的机构。暂时划分光生物反应器的藻类区室，允许将当光生物反应器漂浮在水表面 上时具有不受限的平板结构以及当光生物反应器处于部分或完全浸没位置时具有子区室 结构的益处相结合。光生物反应器或其藻类区室，当漂浮在周围水的表面上时，一般将至少 包含面朝大气的柔性顶面和面朝水的柔性底面，藻类培养物维持在两个片之间。用于暂时 划分光生物反应器的藻类区室的机构，可以包含例如适合于将光生物反应器的顶面压向光 生物反应器的底面的元件，以便在光生物反应器内部，在凹陷处的每个侧面上形成子区室。 在一个实施方案中，所述用于将光生物反应器的藻类区室分成两个或多个子区室的机构， 包含至少一个细长的元件，例如绳索、缆绳或杆，它们伸展在光生物反应器上并布置成可被 降低以将光生物反应器的顶面压向光生物反应器的底面，使得在光生物反应器内部，在所 述至少一个细长元件的每个侧面上形成子区室。在另一个实施方案中，所述用于将光生物反应器分成两个或多个子区室的机构包 含至少一个附加的区室或管，它们与藻类区室分开，布置成与光生物反应器的顶面接触，适 合于填充比培养液密度更高的液体，使得当附加区室或管填充有高密度液体时，填充的区 室或管能够将光生物反应器的顶面压向光生物反应器的底面，使得在光生物反应器的藻类 区室内部，在所述填充区室的每个侧面上形成子区室。


图Ia是光生物反应器系统的示意图。图Ib是光生物反应器系统的横截面图。图2a显示了带有由于其低密度而漂浮在培养液区室上的CO2供应管的光生物反 应器的三维图。图2b显示了带有由于其低密度而漂浮在培养液上的CO2供应管的光生物反应器 的垂直截面图。图3显示了带有用于控制反应器的垂直位置和/或形状的附加区室的光生物反应器。图4a是光生物反应器的示意图，带有用于产生暂时子区室和用于加速浸没过程 的绳索。图4b是图4a的垂直轮廓的放大图，带有引导反应器移动的导轨。图5显示了具有密封子区室的光生物反应器。
图6a是光生物反应器的示意图，其中反应器的顶面和底面在不同点相通。图6b是光生物反应器的横截面示意图，其中反应器的顶面和底面在不同点相通。图7是在反应器的顶侧面上带有区室的光生物反应器的横截面示意图，该反应器 可以填充有高密度液体，以在光生物反应器内部形成子区室。本发明的优选实施方案的详细描述本发明的实现的非限制性例子可以在随附的图中发现，并在下文中进一步描述。 术语培养液与培养基可以互换使用，可以是指整个藻类培养物，即藻类与其中悬浮了藻类 的水性介质的混合物，或仅仅是指用于悬浮藻类的水性介质。图Ia是完整的光生物反应器系统的视图。板形光生物反应器1(在本文中也称为 “反应器”)漂浮在水体上，在这里是人工塘2。这种光生物反应器1的尺寸可变，长度50米、 宽度大约10米可以是可能实现的。光生物反应器1由柔性透明材料制造，在光生物反应器 内部是培养液，藻类悬浮在其中。借助光生物反应器1上的太阳辐照，藻类能够通过光合作 用生产生物质。在该过程中使用二氧化碳并产生氧气。因此，在光照时培养基总是移动的， 以便提供新的二氧化碳并除去可能对藻类有毒的氧气。培养基将通过泵3移动。因此，培 养基通过光生物反应器移动，并经管4返回。气体交换将在罐5内发生，管系统6将利用压 缩机7稳定地向其提供富含二氧化碳的气体混合物。富含二氧化碳的气体混合物的来源， 可以来自例如使用化石燃料的发电厂。排出的氧气将通过装备有无菌过滤器的管8导出。 带有藻类生物质的培养液可以经阀9从系统中取出，并储存在罐10中直到对该收获的量进 行进一步加工。新的培养基通过另一个阀11从储存罐12提供到系统中。这用于消除由收 获导致的液体的损失，并向培养液供应新的营养物。在可替选实施方案中(未显示)，从位于反应器中的管或软管向生长的藻类提供 二氧化碳，所述管或软管具有一个或多个用于二氧化碳的出口。因此，在该实施方案中，培 养液不必移动通过罐5就能补充二氧化碳。用于测定培养液的盐度和温度的传感器13和用于测定周围的水的盐度和温度的 传感器14，与控制单元15相连。控制单元15根据来自传感器13、14的信息以及其他参数 和储存的数据，确定培养液与周围的水之间的密度差。控制单元控制分别向塘2供应海水 和淡水的泵(未显示)。在另一个实施方案中(未显示)，控制单元15控制用于改变光生 物反应器1中培养液的盐度的机构。图Ib显示了通过这种系统的横截面。光生物反应器1以侧向方式切开，在该图中， 光生物反应器漂浮在水体2上。光生物反应器中培养液的垂直厚度典型地在1到30cm之 间。水体2的深度可以显著变化。在侧切图中也可以看到用于循环培养液的管4。光生物反应器的培养液藻类培养物位于光生物反应器的培养液中。培养液是含有不同盐和其他营养物质 例如碳源例如CO2、葡萄糖或琥珀酸的水性溶液，以便藻类能够生产生物质或特定分子。培 养液的具体营养物含量可以随着光生物反应器中培养的藻类的类型或希望藻类培养物生 产的不同分子而变化。通过将新鲜培养液以任何流速泵过光生物反应器，可以更换光生物 反应器中的培养液，以便为藻类培养物提供新鲜营养物。如果将培养液泵过光生物反应器， 优选情况下调整泵送培养液的流速，以便使藻类从光生物反应器的任何损失最小化。光生 物反应器中的培养液和周围的水的温度被连续测量。将测量到的温度与预定的温度值相比较，该预定温度值可以是其中对于藻类培养来说条件最适的温度范围、例如促进藻类培养 物的最高生长率或特定分子的最高产率的温度范围内的温度。向光生物反应器的培养液供应CO2藻类需要大量CO2用于其生长，因为它们将CO2作为关键碳源。此外，在光合作用 过程中产生氧气，它们可能对藻类有毒。因此，这些气体跨过液-气边界的质量传递对于高 生产率是关键的。在下文中，将描述向藻类培养物提供CO2以及从其中除去形成的氧气的 多种可能方式。本文描述的方法不应该被解释为对本发明的限制。其他对于本公开所属技 术领域的技术人员来说也可能显而易见的方法，也被考虑在本发明的范围内。在实施方案中(未显示)，CO2向培养基的质量传递通过气态CO2在培养基的大表 面上的被动扩散来实现。假定由Fick' s第一和第二定律所描述的扩散过程，以及随后的 水合和脱质子化过程的动力学快得足以向藻类培养物提供足够的CO2并通过光氧化作用避 免O2的毒性效应，则CO2通过大表面的被动扩散将是足够的。被动扩散的优点是不需要能 量来移动水或迫使CO2进入水中。此外，因为不需要主动通气，投资成本将降低。在这种情 况下，CO2转移将在水与CO2气体之间的界面层处发生，不再需要添加任何更多的能量。在 更具体的实施方案中，这可以通过在光生物反应器内的培养基上产生富含CO2气体的气泡 来实现。在另一个实施方案中(未显示)，将CO2鼓泡通过培养基。优选情况下，可以通过 延伸到培养基中的管或管状装置供应气态co2。这样的系统可以包含孔，通过从外部装置施 加压力将富含CO2的气体通过所述孔压入。管或管状装置可以例如固定在反应器底部，孔 的典型方向将是进入水表面的方向。在光生物反应器操作过程中，可以向培养基连续供应富含CO2的气体。本实施方 案也具有附加优点，即它导致接近新生状态的氧气的连续去除，即产生的氧气在其形成后 很快从培养基中除去。或者，可以短脉冲方式添加富含CO2的气体。有各种不同的手段用于确定脉冲的 持续时间、压入的气体量、压入气体所用的压力以及脉冲之间的时间。在实施方案中，气体 可以通过定时器脉冲，所述定时器给出规则信号，例如每5分钟脉冲1分钟。在另一个实施 方案中，脉冲由特殊单元控制，该单元能够估算藻类使用的CO2量，并计算脉冲的最适持续 时间、将被压入的气体的量、将气体压入所用的压力以及脉冲之间的时间。为了估算所需的 CO2量，单元可以包含不同的传感器，例如测量光强度的传感器、测量温度的传感器和测量 光生物反应器中的生物质密度的传感器。使用通过这些传感器接收的数据点，过程控制器 能够计算用于光生物反应器系统的最适脉冲模式。添加的CO2量也可以与反应器中的pH关联。将pH电极安装在培养基中，该电极 连续测量跨过半透膜的电压，该电压允许质子逆着确定的氧化还原系统、例如逆着Ag/AgCl 电极而通过膜。电压被过程控制单元记录。一旦电压达到预定点，过程控制单元将添加CO2 脉冲。脉冲的参数，例如时间、每分钟的脉冲量、停止脉冲的电压，可以输入到过程控制单元 中。在图2a和2b显示的另一个实施方案中，可以通过延伸到光生物反应器中并由于 其较低的密度而布置成漂浮在培养基表面顶部上的管或管状装置向培养基供应气态co2。 与上述情况相同地进行气态CO2的鼓泡，其中管或管状装置延伸到培养基中。但是，通过其供应CO2的管或管状装置将被特殊设计，以漂浮在光生物反应器中培养基的表面上。这通 过使整个(16)通气系统的密度低于藻类培养基(17)的密度来实现。在本实施方案中，为 了获得最佳的可能的气体转移，管或管状装置中通过其将CO2压入培养基中的孔(18)，可以 优选指向下方。因此，孔将位于培养基表面处或略低的位置。在光生物反应器操作过程中，可以向培养基连续供应富含CO2的气体。该实施方 案也具有附加优点，它导致接近新生状态的氧气的连续去除，即产生的氧气在其形成后很 快从培养基中除去。或者，可以短脉冲方式添加富含CO2的气体。有各种不同的手段用于确定脉冲的 持续时间、压入的气体量、压入气体所用的压力以及脉冲之间的时间。在实施方案中，气体 可以通过定时器脉冲，所述定时器给出规则信号，例如每5分钟脉冲1分钟。在另一个实施 方案中，脉冲由特殊单元控制，该单元能够估算藻类使用的CO2量，并计算脉冲的最适持续 时间、将被压入的气体的量、将气体压入所用的压力以及脉冲之间的时间。为了估算所需的 CO2量，单元可以包含不同的传感器，例如测量光强度的传感器、测量温度的传感器和测量 光生物反应器中的生物质密度的传感器。使用通过这些传感器接收的数据点，过程控制器 能够计算用于光生物反应器系统的最适脉冲模式。添加的CO2量也可以与反应器中的pH关联。将pH电极安装在培养基中，该电极 连续测量跨过半透膜的电压，该电压允许质子逆着确定的氧化还原系统、例如逆着Ag/AgCl 电极而通过膜。电压被过程控制单元记录。一旦电压达到预定点，过程控制单元将添加CO2 脉冲。脉冲的参数，例如时间、每分钟的脉冲量、停止脉冲的电压，可以输入到过程控制单元 中。0)2不是必须以气态CO2的形式向光生物反应器中的培养基供应。也可以在光生物 反应器外部制备富含CO2的培养基，例如通过将气态CO2鼓泡通过水性培养基。换句话说， 代替在光生物反应器的透明部分中供应C02，这可以在真实的光生物反应器外部进行。在实 施方案中，这样的系统可以使用含有水性培养基的垂直罐，其中富含CO2的气体在罐的底部 处或接近底部处供应。当CO2气泡通过水性介质上升时，CO2将从气泡转移到水性介质中， 同时可以从培养基中除去氧气。在优选实施方案中，其中富含CO2的水性介质是来自光生 物反应器的培养基，该培养基富集CO2并随后返回到光生物反应器中。因为罐可以具有几 米的高度，CO2的持留时间可能相对较长，允许进行良好的质量传递。为了将C02鼓泡到垂 直罐中，需要能量以例如克服静水压做功。用于加压气体而输入的能量，也可用于将水性介 质从藻类区室移动到CO2富集装置中并返回到藻类区室。在另一个实施方案中，代替将CO2鼓泡通过光生物反应器内部或外部的藻类培养 基，通过使用半透膜促进CO2的供应。使用这样的膜与鼓泡相比具有各种不同的优点a)这样的膜将用作单向阀，意味着膜允许CO2进入培养基，但是阻止水进入CO2供 应系统，因为这样的膜可以透过CO2但是不透水。b)能量消耗较低。因为不需要产生气泡，膜方法与鼓泡工艺相比允许以较低的能 量消耗供应CO2。c)低剪切应力。通过避免鼓泡，降低了藻类细胞上的剪切应力。藻类上较低的剪 切应力导致藻类培养基中死亡的藻类细胞较少，因此倾向于分解的有机材料较少，这种分 解可能降低光生物反应器的效率。此外，这将显著降低异养生物污染的风险。
d)增加质量传递率。膜的使用与上述利用被动扩散的实施方案相比允许更高的 CO2压力，这是因为作用在膜上的CO2压力不像在被动扩散情况下那样限于环境大气压。此 外，膜与具有与膜相同尺寸的平面表面、例如培养基表面相比，可能具有更高的表面积。也可以通过移动光生物反应器，例如通过使反应器倾斜，来促进CO2和/或氧气的 质量传递。封闭水体中的光生物反应器术语“封闭水体”是指允许控制例如其中水的量或类型、例如淡水、微盐水或盐水 的定义明确的水系统。封闭水体的例子是天然或人工塘或池。在一个实施方案中，作为起始位置，光生物反应器位于海水、即盐水的封闭水体表 面上。当光生物反应器位于或漂浮在海水体表面上时，光生物反应器的密度比海水体的密 度低。如果需要降低光生物反应器的位置，调整光生物反应器与海水体之间的密度差。例 如，当测量到的培养液的温度高于或预计将高于预定温度值时，可能需要降低光生物反应 器的位置。为了调节光生物反应器与海水体之间的密度差，降低海水体的盐度。这通过用 淡水替代海水来实现。当海水被淡水替代时，封闭水体的盐度逐渐降低，即光生物反应器周 围的水的密度降低。作为可替选方案，海水可以用微盐水替代。连续测量培养液的密度、光 生物反应器的总密度以及周围的水的密度，以便连续确定光生物反应器与周围的水之间的 密度差。由于与周围的水相比密度较高，光生物反应器沉入封闭水体中，光生物反应器的位 置降低。光生物反应器的位置可以降低到测量到的培养液温度在所需温度范围之内。在另一个实施方案中，光生物反应器位于作为起始位置的淡水封闭水体表面上。 当光生物反应器位于或漂浮在淡水体表面上时，光生物反应器的密度比淡水体的密度低。 如果需要降低光生物反应器的位置，可以调整光生物反应器与淡水体之间的密度差。例如， 当测量到的培养液的温度高于或预计将高于预定温度值时，可能需要降低光生物反应器的 位置。为了调节光生物反应器与淡水体之间的密度差，增加培养液的盐度。这通过用较高 盐度的培养液替代或补充培养液、即通过将较高盐度的培养液泵入光生物反应器来实现。 培养液的流速被设定为允许藻类适应于培养液中的较高盐浓度，并将光生物反应器中藻类 的任何损失最小化。当培养液被较高盐度培养液替代或补充时，光生物反应器的密度增加。 连续测量培养液的密度、光生物反应器的总密度以及周围的水的密度，以便连续确定光生 物反应器与周围的水之间的密度差。由于与周围的水相比密度较高，光生物反应器沉入封 闭水体中，光生物反应器的位置降低。光生物反应器的位置可以降低到测量到的培养液温 度在所需温度范围之内。在另一个实施方案中，光生物反应器位于作为起始位置的海水、即盐水的封闭水 体表面的下方。当光生物反应器位于海水体表面下时，光生物反应器的密度比海水体的密 度高。如果需要升高光生物反应器的位置，调整光生物反应器与海水体之间的密度差。例 如，当测量到的培养液的温度低于或预计将低于预定温度值时，可能需要升高光生物反应 器的位置。为了调节光生物反应器与海水体之间的密度差，降低培养液的盐度。这通过用 较低盐度的培养液替代或补充培养液、即通过将较低盐度的培养液泵入光生物反应器来实 现。培养液的流速被设定为允许藻类适应于培养液中的较低盐浓度，并使光生物反应器中 藻类的任何损失最小化。当培养液被较低盐度培养液替代或补充时，光生物反应器的密度 降低。连续测量培养液的密度、光生物反应器的总密度以及周围的水的密度，以便连续确定
13光生物反应器与周围的水之间的密度差。由于与周围的水相比密度较低，光生物反应器在 封闭水体中的位置升高。光生物反应器在水体中的升高可以持续到测量到的培养液温度在 所需温度范围之内。在另一个实施方案中，光生物反应器位于作为起始位置的淡水封闭水体表面的下 方。当光生物反应器位于淡水体表面下时，光生物反应器的密度比淡水体的密度高。如果 需要升高光生物反应器的位置，调整光生物反应器与淡水体之间的密度差。例如，当测量到 的培养液的温度低于或预计将低于预定温度值时，可能需要升高光生物反应器的位置。为 了调节光生物反应器与周围淡水体之间的密度差，增加周围的水的盐度。这通过用海水、即 盐水替代淡水来实现。当淡水被海水替代时，封闭水体的盐度逐渐升高，即光生物反应器周 围的水的密度增加。连续测量培养液的密度、光生物反应器的总密度以及周围的水的密度， 以便连续确定光生物反应器与周围的水之间的密度差。由于与周围的水相比密度较低，光 生物反应器在封闭水体中的位置升高。光生物反应器在水体中的升高可以持续到测量到的 培养液温度在所需温度范围之内。在一个实施方案中，特别是当光生物反应器在封闭水体中时，培养液的密度和周 围水的密度同时改变。因此，当培养液的盐度增加时周围水的盐度同时降低，或当培养液的 盐度降低时周围水的盐度同时增加。优选封闭的水体和培养液的盐度的同时调节，增加了 调节光生物反应器与周围水之间的密度差的速度，从而增加了光生物反应器在周围水中下 降或上升的速度。在一个实施方案中，特别是当光生物反应器在封闭水体中时，水体的温度被用作 附加手段用于提供所需密度差，即温度调节作为调节培养液或反应器周围的水的盐度的补 充或可替选方案。当光生物反应器的位置需要降低时，升高封闭水体的温度，从而降低周围 水的密度。此外，当光生物反应器的位置需要升高时，降低封闭水体的温度，从而增加周围 水的密度。因此，调节反应器周围的水的温度影响了光生物反应器在周围水中降低或升高 的速度。在光生物反应器位于作为起始位置的海水、即盐水的封闭水体表面上的实施方案 中，为了降低反应器周围的介质的密度，向周围的水中加入淡水之外的其他添加物。例如， 向封闭水体中加入密度低于水的非水性液体，以便降低反应器周围介质的密度。在光生物反应器位于作为起始位置的淡水的封闭水体表面下的实施方案中，为了 增加反应器周围的介质的密度，向淡水封闭水体中加入海水、即盐水之外的其他添加物。例 如，向封闭水体中加入密度高于水的非水性液体，以便增加反应器周围介质的密度。开放水中的封闭光生物反应器术语“开放水”是指自然水体，例如湖泊、河流或海洋，其中水的化学或物理性质的 有效控制困难或不可能。在一个实施方案中，光生物反应器位于作为起始位置的开放淡水的表面上。当光 生物反应器位于或漂浮在开放淡水的表面上时，光生物反应器的密度低于淡水的密度。如 果光生物反应器的位置需要降低，调节光生物反应器与开放淡水之间的密度差。例如，当测 量到的培养液的温度高于或预计高于预定温度值时，可能需要降低光生物反应器的位置。 为了调节光生物反应器与周围的水之间的密度差，增加培养液的盐度。这通过用较高盐度 的培养液替代或补充培养液，即通过将较高盐度的培养液泵入光生物反应器来实现。培养液的流速被设定为允许藻类适应于培养液中的较高盐浓度，并使光生物反应器中藻类的任 何损失最小化。当培养液被较高盐度培养液替代或补充时，光生物反应器的密度增加。连 续测量培养液的密度、光生物反应器的总密度以及开放淡水的密度，以便连续确定光生物 反应器与周围的水之间的密度差。由于与周围的水相比密度较高，光生物反应器沉入开放 淡水中，光生物反应器的位置下降。光生物反应器的位置可以下降到测量到的培养液温度 在所需温度范围之内。在另一个实施方案中，光生物反应器位于作为起始位置的开放海水、即盐水的表 面下。当光生物反应器位于开放海水的表面下时，光生物反应器的密度高于海水。如果光生 物反应器的位置需要升高，调节光生物反应器与海水之间的密度差。例如，当测量到的培养 液的温度低于或预计低于预定温度值时，可能需要升高光生物反应器的位置。为了调节光 生物反应器与海水之间的密度差，降低培养液的盐度。这通过用较低盐度的培养液替代培 养液，即通过将较低盐度的培养液泵入光生物反应器来实现。培养液的流速被设定为允许 藻类适应于培养液中的较低盐浓度，并使光生物反应器中藻类的任何损失最小化。当培养 液被较低盐度培养液替代时，光生物反应器的密度降低。连续测量培养液的密度、光生物反 应器的总密度以及海水的密度，以便连续确定光生物反应器与周围的水之间的密度差。由 于与周围的水相比密度较低，光生物反应器在海水中的位置上升。光生物反应器在海水中 的上升可以持续到测量到的培养液温度在所需温度范围之内。控制系统在一个实施方案中，培养液的盐度以及因而间接地光生物反应器的位置，由多用 途系统调控。该系统编程有与光生物反应器相关的信息，例如光生物反应器的总重量和密 度，以及光生物反应器中包含的生物质和培养液的量。此外，系统连续测量培养液的温度、 盐度和密度以及周围的水的密度，由此连续确定光生物反应器与周围的水之间的密度差。 系统还控制培养液不同成分的浓度，例如盐浓度。然后系统可以对培养液的温度变化做出 响应，自动地调节光生物反应器在周围水中的位置，以便将藻类培养物保持在恒定温度。因 此，系统可以装备有已知的控制电路或算法，例如具有反馈机制的控制算法，以便当调节光 生物反应器的位置时允许最适的稳定性。在另一个实施方案中，当光生物反应器处于封闭水体中时，周围的水的盐度和温 度受到上述多用途系统的调控。在光生物反应器具有附加区室或管的实施方案中，控制系 统也调节区室或管的气体、水和其他液体的填充和排空。在一个实施方案中，多用途系统不 仅控制与光生物反应器的定位相关的参数，而且控制与藻类生长相关的参数。因此，控制系 统也测量并调节藻类培养物的O2和CO2含量。用于控制光生物反应器的位置和/或形状的附加机构本发明的光生物反应器的垂直位置和/或形状可以通过在培养液与其中悬浮有 反应器的周围水之间提供适合的密度差来控制。但是，有时用于控制光生物反应器的位置 和/或形状的附加机构可能是有用的。例如，当光生物反应器需要快速浸没时可能是这种 情况。这样的机构可以包括能够填充高或低密度介质以便帮助光生物反应器的浸没或漂浮 的附加区室或管，用于帮助光生物反应器的浸没或漂浮的机械机构，以及在光生物反应器 的藻类区室中用于当反应器浸没时控制其形状的子区室。这三种类型的机构将在下文中详 细讨论。
能够填充高或低密度介质的附加区室或管在一个实施方案中，光生物反应器装备有附加区室或管，提供了增加光生物反应 器位置的改变速度的机构。区室或管可以含有气体，水或者任何其他液体。当光生物反应 器位于水表面上时，区室或者管只含气体。如果需要降低光生物反应器的位置，将区室或管 用水或高密度液体填充，由此增加光生物反应器的总密度。当光生物反应器低于水的表面， 光生物反应器的位置需要上升时，将区室或管中的水或高密度液体推出，用气体替换，由此 降低光生物反应器的总密度。因此，附加区室或管增加了光生物反应器与周围的水之间密 度差的调节速度。因此，当例如对培养液温度的短期变化做出响应需要快速调整光生物反 应器的位置时，可以使用附加区室或管。“短期改变”是指分钟或小时规模上的变化。附加 区室或管可以安排在光生物反应器上任何位置。附加区室或管可以与光生物反应器的其余 部分采用相同材料，或采用更刚性以及可能也更耐用的不同材料。附加区室或管也可以包 含彼此液体连通的几个管的系统，或它们可以包含更宽的区室，具有内部胶粘或焊接点或 由相似技术进行的连接，以提供结构稳定性。在图3显示的实施方案中，附加区室安排在光生物反应器的顶部。在该实施方案 中，可以通过在与藻类区室(20)分开的附加区室(19)中加入具有高密度的液体、优选为盐 水，来改变总反应器系统的密度。区室在填充后将增加整个反应器系统的密度，使得下沉过 程加速。在该实施方案中，附加区室安排在光生物反应器的顶部。附加区室包含内部胶粘 点(21)以提供结构稳定性。附加区室或管可以通过位于反应器一侧的一个或多个提供有 阀(23)的软管(22)与高密度液体供应源相连，在反应器的相反一侧具有类似连接。当按 照本实施方案用于加速光生物反应器的浸没时，附加区室将从一侧用水填充，在另一侧上 的阀也将打开。通过从一侧开始填充过程，该侧将首先浸没。因此，附加区室中的残余空气 可以收集在光生物反应器的一侧并被更有效地推出。填充过程将持续到所有空气都被排 出，整个反应器开始沉没。然后关闭与填充软管相对的阀。填充过程可以在该点停止，或填 充过程可以继续一会儿。继续填充过程增加了附加区室中的压力，从而增加了该区室的刚 性，允许它在浸没过程中以及在部分或完全浸没状态下为光生物反应器提供附加的结构稳 定性。当反应器系统应该上升时，将通过泵将附加区室的盐水泵出，同时关闭与泵相对 的阀以避免空气泡进入新的区室。为了加速上升过程，将与泵相对的阀打开，并通过相应的 软管压入压缩空气或烟道气。有助于光生物反应器的浸没或漂浮的机械机构光生物反应器可以装备有当为了例如使藻类的生长条件例如温度最适化或由于 与气候相关的条件例如强风而需要快速调整光生物反应器的位置时，用于加速浸没或漂浮 的机械机构。这样的机械机构可以例如包含网或至少一个细长元件例如绳索、缆绳或杆，它 们伸展在光生物反应器上并布置成可被降低或抬升以帮助光生物反应器的浸没或漂浮。一 般来说，具有两个或多个平行布置并以适合的距离跨过光生物反应器的长度分布的细长元 件，将是有用的。细长元件可以例如同时或相继降低或抬升，例如，使得整个光生物反应器 同时浸没，或使得反应器的一侧首先浸没，反应器的另一侧随后浸没。具体的实施方案描述在图4a中。在生物反应器(24)的上方以固定距离安装有绳 索(25)，这可以例如每1-2米的距离进行。绳索的最小长度为反应器的尺寸，它们在两端与垂直剖面(26)相连。当光生物反应器将被浸没时，分别在反应器每一侧上的垂直剖面处将 绳索拉下，使得反应器(27)被绳索推下。为了固定和移动绳索，可以使用各种不同的布置 方式。在如图4b显示的一个具体实施方案中，绳索可以被固定成T状结构(29)，它可以沿 着塑料或金属剖面垂直移动。塑料或金属剖面垂直固定到底面上，含有可移动结构可以在 其上上下移动的导轨。绳索固定到可移动结构上。为了移动结构，需要能量和机械系统。机 械系统可以是位于每个剖面处的活塞(30)，或一个中央活塞可以为几个剖面提供机械力。 每个活塞可以由压缩气体(31)提供动力。压缩气体可以由例如气体管、压缩机提供，或者 它可以是来自发射源(emitter)例如发电厂的富含CO2的加压气体。CO2源优选可以与用 于为培养液提供CO2的源相同。在具有两个或多个绳索的实施方案中，绳索的移动可以各种不同的方式进行。所 有绳索可以同样的速度向下移动，使得整个光生物反应器同时下降。但是，已经发现，首先 使反应器一侧上的绳索向下移动从而使反应器在该侧首先下降，然后再将另一侧向下移 动，通常是有利的。这样的分步过程具有几个优点。如果反应器的一侧首先向下移动，那么 捕获在反应器内部的所有气体将移动到另一侧。在这种的系统中，气体出口可以专门安排 在该另一侧上。这种布置允许通过反应器的移动推出多余气体。这与整个光生物反应器同 时下降，由此可能在反应器内部随机位置出现气泡或聚集物的情况相比，可能是有利的。根 据同样原理，所有的培养基将收集在给定位置，培养基位置的控制将使随后可能进行的分 区更加容易。此外，收获过程也变得容易，因为所有的生物质附聚在反应器的一侧。最后， 使反应器在一侧首先下降需要较少的力，并允许周围的水以更加受控的方式在反应器周围 流动，产生更少的湍流，这使得该工艺与使整个反应器同时下降的工艺相比更加稳定。因为 光生物反应器是非常柔性的，可能受到湍流和快速移动的水的不利影响，因此这是重要的 优点。附加区室或管，以及上面描述的机械机构，除了加速浸没或漂浮之外，还可以提供 在浸没过程中以及在部分或完全浸没状态下稳定光生物反应器的物理形状的附加优点。子区室因为本发明的光生物反应器非常柔软，反应器的形状可能受到内部和外部冲击以 及不均勻性的影响。因此，为了保持光生物反应器的形状和最适功能，控制这些冲击和不均 勻性可能是重要的。因此，下文中描述了本发明的许多实施方案，用于处理本发明的光生物 反应器操作的不同情况。通过使用薄的柔性反应器材料，反应器当其漂浮在宽阔水域上时形成了非常平以 及均勻的系统。但是，有两种主要的作用可能造成反应器系统的不稳定。a)光生物反应器 的形状和行为可能受到光生物反应器内部大气泡形成的影响。气态CO2鼓泡通过培养基，对 于供应足够的CO2以支持藻类培养物的最适生长率，可能是理想的。气体恒定内流到光生 物反应器中，可能导致在培养液上形成一个或多个大气泡。为了控制气泡，可以考虑各种不 同的解决方案。一个或多个气体出口可以与光生物反应器相连。出口的数量和位置以及出 口的内径是影响气泡尺寸的重要因素。控制气泡的尺寸和行为的另一种方法是将光生物反 应器分成较小的子区室。这可以通过多种不同方式实现，其几个例子在下文中更详细描述。 b)可能发生培养基的附聚。只要反应器漂浮在宽阔水域上，培养基将在光生物反应器内部 均勻分布。当反应器被降低到周围的水中时，例如因为需要降低培养基的温度或因为强风，这种均勻分布可能变形改变。这种问题本身一般发生在将藻类培养基收集在光生物反应器 内部的一个地方，从而形成大的附聚物时。这可能使光生物反应器的形状和正常功能的行 使发生改变。为了保持反应器的形状和确保正常行使功能，特别是在大规模反应器中，应该 避免这样的附聚作用。已经发现，通过将光生物反应器分成较小的子区室，可以减少或消除附聚和形成 大气泡的问题。在最通用的实施方案中，光生物反应器包含一个大的藻类区室，它通常包含顶面 和底面，沿着其外周彼此附着，形成了封闭的囊状区室。在图5显示的实施方案中，代替包含一个大的区室的生物反应器，通过分隔物 (33)将藻类区室分成了许多不同的封闭区室(32)，这可以通过例如将光生物反应器的顶 面和底面胶粘或焊接到一起而形成两个或多个较小的子区室来产生。如此形成的子区室将 作为一排小的光生物反应器工作，即带有藻类的培养基只能够在一个子区室中附聚。因为 子区室具有较小体积，因此避免了大的附聚。光生物反应器也可以通过例如在特定位置将顶面和底面胶粘或焊接在一起而进 行部分分隔。部分分隔可以限制但不一定完全终止光生物反应器中培养基和可能的气泡的 流动。图6a和6b显示了本发明的其中光生物反应器被部分分隔的实施方案。围住藻类 区室(36)的光生物反应器的顶面(34)和底面(35)，在光生物反应器(37)的边缘相连。在 中间，两个片在光生物反应器内部的各种不同点(38)相连，例如通过胶粘或焊接相连。根 据该实施方案，藻类区室仍将具有必需的柔性以便当漂浮时均勻地铺展开，但是也将防止 反应器内部的培养基形成大的附聚物，这是因为底层和覆盖层相连，从而在两层之间只允 许有限体积的流体进入。顶面和底面的胶粘或焊接可以任何数量的不同模式进行，以获得 不同形状的形成的光生物反应器子区室。首先，相连区域的形状、即胶粘或焊接点可以改变。仅仅是提供例子而不排除其它 可能性，上层和下层的连接可以采取小圆，例如具有Icm的直径的形状(即采取简单胶粘点 的形状)。形状也可以是长方形的，意味着胶粘或焊接的部分能够形成完整线或虚线或其一 部分。其次，光生物反应器内部胶粘或焊接的部分的位置可以改变。胶粘或焊接点可以 规则分布在整个反应器上，或它们可以集中在一侧，以利于例如在另一侧收集生物质或空 气。通过同样的方式，胶粘或焊接线可以规则布置，以便将形成管状样式。也可以构建成其 他样式，以便例如通过提供胶粘或焊接线，可以预先决定液体在光生物反应器中的流动。这 可以与希腊(英国花园变体)迷宫的结构相似，其中流体流过反应器系统只存在一种可能 路线。添加这样的样式可能具有各种优点。限定某个流动方向可能便于收获生物质或添加 新的营养物，因为这可以在反应器中的预定位置进行。在另一个实施方案中，光生物反应器的藻类区室由一个大的柔性区室构成。当光 生物反应器漂浮在宽阔水域上时，该区室像一个大的区室那样反应，液体和气体可以在其 中自由移动。当光生物反应器被降低到周围的水中时，为了避免可能的形成大气泡或培养 基附聚的问题，可以在反应器下降到周围的水中之前，将光生物反应器的藻类区室暂时分 区成两个或多个不同的子区段。这种分区可以例如通过向光生物反应器的柔性顶面施加力，以便将光生物反应器的顶面向底面压下，使得在反应器的藻类区室内形成两个或多个 虚拟子区室来实现。力可以例如通过至少一个细长元件例如绳索、缆绳或杆施加，所述细长元件布置 成跨过光生物反应器的顶表面并布置成向下牵拉。具体的实施方案描述在图4a中。在光 生物反应器(24)上方以固定的距离安装有绳索(25)，这可以例如每隔1-2米的距离进行。 绳索的最小长度为反应器的尺寸，它们在两端与垂直剖面(26)相连。在减少反应器的浮力 之前，绳索将被降低到低于水表面的位置，以便绳索将“切”入柔性光生物反应器中，使得反 应器的顶面向反应器的底面压下。通过绳索产生了虚拟子区室(27)，其中培养基(28)倾向 于保持在上方，因为它仍然具有低于周围的水的密度的较低密度并且不跟随绳索。当光生 物反应器的密度、以及因此浮力降低，反应器开始下沉时，产生的虚拟子区室起较小的分隔 区室的作用。为了固定和移动绳索，可以使用各种不同的布置方式。在图4b中显示的一个具体 实施方案中，绳索可以固定到T状结构(29)上，该结构可以沿着塑料或金属剖面垂直移动。 塑料或金属剖面垂直固定到底面上，含有可移动结构可以在其上上下移动的导轨。绳索固 定到可移动结构上。为了移动结构需要能量和机械系统。机械系统可以是位于每个剖面处 的活塞(30)，或一个中央活塞可以为几个剖面提供机械力。每个活塞可以由压缩气体(31) 提供动力。压缩气体可以由例如气体管、压缩机提供，或者它可以是来自发射源例如发电厂 的富含CO2的加压气体。CO2源优选可以与用于为培养液提供CO2的源相同。图8中显示了基于在反应器下降到周围的水中之前将光生物反应器暂时分区成 两个或多个不同子区段或区室的通用原理的另一个实施方案。在该实施方案中，区室(39) 不通过绳索产生。相反，区室由附加区室或管(40)产生，所述区室或管位于藻类区室(41) 上方并可以填充有具有比光生物反应器的藻类区室中的培养基更高密度的液体。当用高密 度液体填充时，这些附加区室或管将下沉，将光生物反应器的顶面压向底面，在藻类区室中 产生虚拟子区室。其他实施方案的详细列举名单本发明的其他实施方案公开在下列编号的项目名单中。la.用于培养光养微生物的光生物反应器，其特征在于a)光生物反应器由非管状单元构成，代表了封闭系统，外部部分被水围绕，使得光 生物反应器漂浮在水体(例如人工塘、河流、湖泊、海洋或储水坑)上，悬浮在水中，或位于 水体的底面处；b)产生光养生物体的生物质，所述生物质可用于生产任何类型的生物燃料、动物 饲料、蛋白质、氨基酸、用于人类基本营养的成分(例如蛋白质、油)，但是不用作营养添加 剂例如维生素或ω-3-脂肪酸。lb.用于培养光养微生物以生产精细化学品和药物的光生物反应器，其特征在于a)光生物反应器由非管状单元构成，代表了封闭系统，外部部分被水围绕，使得光 生物反应器漂浮在水体(例如人工塘、河流、湖泊、海洋或储水坑)上，悬浮在水中，或位于 水体的底面处；b)产生光养生物体的生物质，所述生物质可用于生产精细化学品、营养添加剂、维 生素、ω-3-脂肪酸、抗氧化剂(例如类胡萝卜素)、药物活性物质或用于营养增补的干生物
19质。2.条目Ia或Ib的光生物反应器，其特征在于光生物反应器由管状单元而不是非 管状单元构成。3.条目Ia或Ib的光生物反应器，其特征在于光生物反应器具有平面形状(平 板)。4.条目Ia或Ib的光生物反应器，其特征在于光生物反应器周围的水体可用于控 制光生物反应器中培养液的温度。5.条目Ia或Ib的光生物反应器，其特征在于光生物反应器周围的水体可用于使 光生物反应器变平，使得光生物反应器维持在水平位置。6.条目Ia或Ib的光生物反应器，其特征在于光生物反应器周围的水体抵消了光 生物反应器的内部静水压。7.条目Ia或Ib的光生物反应器，其特征在于光生物反应器周围的水体通过由其 自身重量产生的静水压，用于降低光生物反应器材料的机械应力。8.条目Ia或Ib的光生物反应器，其特征在于提供了光生物反应器中的培养液与 (部分)围绕的水体之间的密度差(由例如盐度或温度差产生)，以控制光生物反应器在周 围的水中的位置(例如漂浮在表面上，悬浮在周围水体中，沉入周围水体中)。9.条目Ia或Ib的光生物反应器，其特征在于光生物反应器由柔性材料构成，以便 可以通过改变光生物反应器中存在的培养液的量来改变光生物反应器中培养液的垂直厚 度。10.条目Ia或Ib的光生物反应器，其特征在于光生物反应器可以在水表面例如湖 泊、河流或海洋上操作，因此不是必需需要陆地。11.条目Ia或Ib的光生物反应器，其特征在于光生物反应器中的培养基具有> Ocm/s的水平速度，并通过气动提升机、泵或类似装置移动。12.条目Ia或Ib的光生物反应器，其特征在于光生物反应器周围的水体有助于在 光生物反应器的整个水平维度上将其中的培养液维持在几乎相同的垂直厚度。
实施例将由柔性聚乙烯薄膜制成的、维度为7米x5米的柔性封闭平板光生物反应器，放 置在含有盐度为35g/L的水的水槽表面上。光生物反应器的藻类区室装有1，800升用甲基 蓝着色的淡水。将含有有色溶液(代表培养液)的光生物反应器布置成使其自身漂浮在周 围的水的表面上，培养基在反应器的整个底表面上均勻分布。通过将用盐饱和的水补入位于藻类区室顶侧的附加区室中，使光生物反应器下降 到周围的水中。盐水只从附加区室的一侧，通过沿着附加区室的较长侧均等分布的5个液 体端口泵入。反应器系统在较重的盐水被泵入的一侧开始下沉。在此过程中，随着更多的 盐水被泵入，附加区室完全充满，藻类区室的另一侧也开始下沉。当完全浸没时，光生物反 应器重新恢复其通常的平板形状。然后，通过经上面描述的5个液体端口除去盐水，使光生物反应器返回到其漂浮 在周围的水的表面上的原始位置。为了完全除去盐水，将压缩空气推过附加区室。
权利要求
用于培养光养微生物的封闭光生物反应器的操作方法，所述光生物反应器包含培养液，所述光生物反应器部分或完全被水体的水围绕，其中在培养液与周围的水之间提供密度差，以便控制光生物反应器在水体中的位置。
2.权利要求1的方法，其中适合于包含培养液的所述光生物反应器的壁包含水密性柔 性材料。
3.权利要求2的方法，其中所述水密性柔性材料是基于聚合物材料的薄膜。
4.前述权利要求任一项的方法，其中通过在培养液与周围的水之间提供盐度差来提供S度差ο
5.前述权利要求任一项的方法，其中通过在培养液与周围的水之间提供温度差来提供S度差ο
6.前述权利要求任一项的方法，其中通过增加或降低培养液的气体压力来提供密度差。
7.前述权利要求任一项的方法，其中提供了密度差，使得培养液的密度增加或使得周 围水的密度降低，由此降低光生物反应器在水体中的位置。
8.权利要求1-6任一项的方法，其中提供了密度差，使得培养液的密度降低或使得周 围水的密度增加，由此升高光生物反应器在水体中的位置。
9.权利要求1到6任一项的方法，其中提供了密度差，使得光生物反应器在水体中的位 置得以维持。
10.前述权利要求任一项的方法，其中光生物反应器装备有一个或多个适合于进一步 控制光生物反应器的垂直位置和/或形状的区室或管。
11.前述权利要求任一项的方法，其中光生物反应器装备有适合于进一步控制光生物 反应器的垂直位置和/或形状的机械机构。
12.前述权利要求任一项的方法，其中光生物反应器具有平板形状。
13.前述权利要求任一项的方法，其中光生物反应器包含两个或多个适合于包含培养 液的子区室。
14.权利要求13的方法，其中所述子区室彼此密封。
15.权利要求13的方法，其中所述子区室是连通的，以允许子区室之间受限的液体和/ 或气体运输。
16.前述权利要求任一项的方法，其中光生物反应器包含用于暂时将光生物反应器分 成两个或多个子区室的机构。
17.权利要求16的方法，其中所述用于将光生物反应器分成两个或多个子区室的机 构，包括用于将光生物反应器的顶面压向光生物反应器底面的机构，以便在光生物反应器 内部凹陷处的每个侧面上形成子区室。
18.权利要求16-17任一项的方法，其中所述用于将光生物反应器分成两个或多个子 区室的机构，包括至少一个细长的元件，所述细长元件伸展在光生物反应器上，并布置成能 被降低以将光生物反应器的顶面压向光生物反应器的底面，使得在光生物反应器内部所述 至少一个细长元件的每个侧面上形成子区室。
19.权利要求16-18任一项的方法，其中所述用于将光生物反应器分成两个或多个子 区室的机构，包括至少一个区室，所述区室布置成与光生物反应器的顶面接触，并且适合于2填充比培养液密度更高的液体，使得当区室填充有高密度液体时，填充的区室能够将光生 物反应器的所述顶面压向光生物反应器的底面，使得在光生物反应器内部所述填充区室的 每个侧面上形成子区室。
20.用于培养光养微生物的封闭光生物反应器，所述光生物反应器适合于包含培养液， 并且所述光生物反应器适合于部分或完全被水体的水围绕，其中光生物反应器包含用于测 定培养液与周围的水之间的密度差的机构。
21.权利要求20的光生物反应器，其中适合于包含培养液的所述光生物反应器的壁包 含水密性柔性材料。
22.权利要求21的光生物反应器，其中所述水密性柔性材料是基于聚合物材料的薄膜。
23.权利要求20-22任一项的光生物反应器，其中用于测定密度差的机构包含用于测 定培养液的盐度和/或温度的机构。
24.权利要求20-23任一项的光生物反应器，其中用于测定密度差的机构包含用于测 定周围的水的盐度和/或温度的机构。
25.权利要求20到24任一项的光生物反应器，其中光生物反应器装备有一个或多个适 合于进一步控制光生物反应器的垂直位置和/或形状的区室或管。
26.权利要求20到25任一项的光生物反应器，其中光生物反应器装备有适合于进一步 控制光生物反应器的垂直位置和/或形状的机械机构。
27.权利要求20到26任一项的光生物反应器，其中光生物反应器具有平板形状。
28.权利要求20到27任一项的光生物反应器，其中光生物反应器包含两个或多个适合 于包含培养液的子区室。
29.权利要求28的光生物反应器，其中所述子区室彼此密封。
30.权利要求28的光生物反应器，其中所述子区室是连通的，以允许子区室之间受限 的液体和/或气体运输。
31.权利要求20到30任一项的光生物反应器，其中光生物反应器包含用于暂时将光生 物反应器分成两个或多个子区室的机构。
32.权利要求31的光生物反应器，其中所述用于将光生物反应器分成两个或多个子区 室的机构，包括用于将光生物反应器的顶面压向光生物反应器底面的机构，以便在光生物 反应器内部凹陷处的每个侧面上形成子区室。
33.权利要求31-32任一项的光生物反应器，其中所述用于将光生物反应器分成两个 或多个子区室的机构，包括至少一个细长的元件，所述细长元件伸展在光生物反应器上，并 布置成能被降低以将光生物反应器的顶面压向光生物反应器的底面，使得在光生物反应器 内部的所述至少一个细长元件的每个侧面上形成子区室。
34.权利要求31-32任一项的光生物反应器，其中所述用于将光生物反应器分成两个 或多个子区室的机构，包括至少一个区室，所述区室布置成与光生物反应器的顶面接触，并 适合于填充比培养液密度更高的液体，使得当区室填充有高密度液体时，填充的区室能够 将光生物反应器的所述顶面压向光生物反应器的底面，使得在光生物反应器内部的所述填 充区室的每个侧面上形成子区室。
全文摘要
本申请提供了用于培养光养微生物的封闭光生物反应器的操作方法。光生物反应器包含培养液，部分或完全被水体的水围绕。在培养液与周围的水之间提供密度差，以便控制光生物反应器在水体中的位置。本申请还提供了用于培养光养微生物的封闭光生物反应器。光生物反应器适合于包含培养液，并部分或完全被水体的水围绕。光生物反应器包含用于确定培养液与周围的水之间的密度差的机构。
文档编号C12M1/00GK101918529SQ200980102321
公开日2010年12月15日 申请日期2009年1月19日 优先权日2008年1月18日
发明者安德烈亚斯·梅泽尔, 米格尔·维尔海因 申请人:埃维斯通-格列弗有限公司