专利名称：微藻生长池的设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种推流反应器(PFRs)，该推流反应器具有用于使微藻在流体培养基中生长的循环跑道池。更具体的，本发明涉及如下推流反应器，所述推流反应器提供了生产具有高达60%的油含量的微藻的条件。本发明作为如下推流反应器是特别有用的但是并不仅限于此，所述推流反应器依靠重力，以沿着推流反应器的跑道的长度移动流体培养基中的微藻。
背景技术：
微藻在液体环境中的生长率取决于几个完全不同的因素。其一，众所周知，微藻在其中生长的流体培养基(即，液体环境)必须循环以提供微藻的混合，并且使微藻对光暴露以进行光合作用。其二，每种藻类物种具有最佳的浓度以消耗流体培养基中的所有或者近乎所有的可用资源。在此重要的是由于微藻对可用资源的高消耗，所以限制了杂草藻类、细菌或捕食者可用的会降低藻的产量的生长时间。还有一个因素涉及循环微藻池的深度。实际上，池的深度已经被确定为是影响微藻生长的一个非常重要的因素。此前，传统的想法认为提高循环池中的微藻的净产量只能通过增加池中流体培养基的深度来实现。然而，已确定的是情况并非如此。与以前的结论相反，大概为7.5至10厘米的深度的浅循环池比更深的池效率更高，产量也更高。然而，浅池的问题在于，当池的深度在7.5至10厘米范围中时，用于循环流体培养基的典型装置基本没用。例如，桨轮在池深度小于20厘米的情况下对于该目的基本上是没有作用的。在设计用于为商业目的培养微藻的系统时，考虑的另外一个因素是微藻的产量。在这一点上，显而易见的是能够生产的生物质的量与能够使用的流体培养基的体积直接成比例。当然，必须符合以上提到池的深度和浓度的考虑因素。然而，尽管流体培养基浅的深度是至关重要的，但是构造用于循环池的流体通道的宽度并没有那么地受限制。
在使用传统的具有桨轮的跑道循环池来培养微藻时，还有一个考虑因素是，池的尺寸被限制在数英亩内以维持相对的平均性。在这一点上，面积越大，横跨养殖区域的深度越不平均，这会成为生产率方面的缺陷。鉴于上述的，本发明的一个目的是提供一种循环池，该循环池的大小使得提供微藻的最佳生长的条件。本发明的另一个目的是提供一种具有跑道的循环池，该循环池避免了死区并且由此避免不平均的流体流动。本发明的还一个目的是提供一种循环池，该循环池促进微藻的生产，该循环池依靠重力作为主要的力以使流体培养基移动通过池。本发明的又一个目的是提供一种循环池，该循环池的制造相对简易，使用方便，并且具有相当的成本效益。
发明内容
一种用于为了培养藻类的目的而循环流体培养基的跑道池，所述跑道池包括一对大体上直的、细长的通道。这些通道在其相应的端部彼此流体连通的情况下基本上彼此并排地并列。通道的一些结构性方面是尤其重要的。其一，通道中的流体培养基具有大体上恒定的并且相对浅的深度(例如，7.5cm)。其二，通道具有向下游的结构梯度，所述结构梯度允许流体在重力的作用下连续地从一个通道的上游端流到另一个通道的下游端。具体来说，跑道池的每个细长的通道具有第一(上游)端和第二(下游)端，以及大体上平坦的底板和在两端之间延伸的对置的侧壁部分。针对公开的目的，在下文中将一个通道称为第一通道，将另一个通道称为第二通道。转移部以与第二通道的第一(上游)端流体连通的方式连接第一通道的第二(下游)端。重要的是，该转移部提供了流体培养基从第一通道到第二通道的重力流。在第二通道的第二(下游)端处，设置提升装置以将水从第二通道的第二(下游)端处提升回到第一通道的第一(上游)端。针对本发明的目的，提升装置可以是现有技术中任何已知的类型，并且优选地，提升装置从由阿基米德泵、传送带、斗式升降机、桨轮、密封式桨轮或者机电泵组成的组选择。如上所述，为每个通道设置向下游的结构梯度，所述结构梯度致使流体培养基在重力的作用下流过跑道池。在该向下游的结构梯度的一种构造中，通道的底板设有斜面。例如，在2500英尺长的通道的两端之间的1.3英尺的高度差，就能为本发明提供足够的倾斜。可替换地，能够通过沿着通道的底板的长度构造台阶来完成结构梯度。如果使用台阶，每个台阶能够以大概3厘米高度“h”、以台阶之间大概100米的距离“s”来形成。此外，对于任何的底板构造，都能够将多个涡流发生器安装在通道中的底板上，以在流体培养基中产生将有助于藻类生长的湍流。除了上述提到的通道的结构性方面外，第一通道的侧壁部分可以是具有通过锥角“α ”建立的增加的下游宽度的锥形，所述锥角“α ”大致等于0.002弧度。利用该锥形，第一通道将在跑道池中建立微藻的对数生长阶段。另外，第二通道的侧壁可彼此大体上平行地定向以提供微藻的油累积阶段。本发明的一个重要方面是它的规模。具体来说，这方面关注的是第一和第二通道的物理尺寸。例如，每个通道能够具有大致2500米的长度以及能够大于大概100米的宽度。此外，不管跑道池的其它尺寸如何，重要的是将通道中的流体培养基的深度维持在大概15厘米的水平以下。并且优选地，流体培养基的深度是7.5厘米左右。跑道池能够设有至少一个注射器，以在沿着跑道的长度的选定点处添加流体培养基到池中。添加流体培养基的目的是双重的。第一，进行添加流体培养基以维持流体培养基的深度在通道中大体上恒定(例如，7.5厘米)。第二，流体培养基的受控的添加与第一通道的锥形结构一起提供了在流体培养基中的微藻的预定的浓度(例如，大概1.5克每升)的维持。这些考虑因素以及上述给出的通道的尺寸和结构性方面旨在确保跑道池中的来自藻类生长的可操作的净油生产率，该净油生产率在15-50g/m2/天的范围内。
结合所附的说明书根据附图将更好地理解本发明新颖性特征以及发明本身及其结构和操作两者，其中相同的参考符号代表相同的部件，并且其中:图1是根据本发明的循环池的俯视图；图2A是当沿着图1的线2-2看时，用于本发明的跑道的结构梯度的侧截面图；图2B是当沿着图1的线2-2看时，用于跑道的结构梯度的可替换实施例的侧截面图；以及图3是用于本发明的循环池的可替换实施例的俯视图。
具体实施例方式首先参考图1，图1示出了根据本发明的跑道池并且总体地指定为10。具体地，在图1中能够看到池10包括第一通道12和第二通道14，第一通道12和第二通道14被以并排的关系彼此并列地示出。此外，示出的是通道12和14彼此间流体流通，流体培养基16连续地从一个通道流向另一个通道。本领域技术人员应明白，图1中示出的通道12和14的布置仅仅是示例性的。根据使用池10的地带的地形特征以及满足本发明的其它要求的能力，通道12和14能够具有不同布置中的任何一种。更详细地说，图1示出了流体培养基16在第一通道12中从上游端18流向下游端20，如由箭头22指示的。流过第一通道12后，流体培养基16通过转移部24从第一通道12过渡到第二通道14，如 由箭头26a和26b指示的。在第二通道14中，流体培养基16从上游端28流向下游端30，如由箭头32指示的。在第二通道14的下游端30处，流体培养基16进入收集槽34。接着使用提升装置36将流体培养基16从收集槽34 (通道14)提升，并且提升到分配槽38 (通道12)中。如针对本发明设想的，藻类生物每2-4小时会通过循环泵(例如，提升装置36)。由于细胞尺寸大体上是小的(直径为1-20微米)且可能具有厚的细胞壁，所以由泵(提升装置)产生的切应力对生长几乎没有或者没有任何影响。然而，对于昆虫幼体，该切应力是显著的，因为幼体的尺寸大体上是大的(IOmm)且没有细胞壁。因此该设计还有助于防止藻类被昆虫污染。此外，对于敞开的水体，该设计由于该昆虫控制机构而是环境友好型的。因此，为了通过跑道池10的流体培养基16的再循环，流体培养基16从第二通道14的下游端30转移到第一通道12的上游端18。优选地，提升装置36是本领域公知的类型，例如传送带、斗式升降机、桨轮、密封式桨轮或者机电泵。如以上所暗指的，除了在收集槽34(通道14)和分配槽38(通道12)之间的提升装置36外，流体培养基16在重力的作用下流过整个池10。为了本发明的目的，该重力流使用结构梯度来实现。与池10—起使用的结构梯度的优选实施例如图2A所示。能够看到的是通道12和14各自的底板40形成有多个台阶42 (台阶42a和42b是示例性的)。具体来说，台阶42通过大概3厘米的高度“h”和台阶42之间的优选地在大致100米量级上的距离“s”来限定。图2A还示出的是，可以沿着通道12和14各自的底板40定位的多个涡流发生器44，用于为流体培养基16提供湍流。在如图2B所示的结构梯度的可替换实施例中，底板46设有斜面。例如，该斜面的斜率为“e/L”，如图2B所示。并且“e”优选地约等于I米，且“L”约等于2500米。尽管该斜面的尺寸可以变化，但重要的是在任何情况下通过斜面提供所期望的容积流率。并且，可以采用涡流发生器44。隐含地，这里给出的尺寸是近似的，并且为提供用于本发明的规模的概念而给出所述尺寸。因此，实际尺寸可以选择成适合跑道池10的个别需要。用于本发明的跑道池10的一个重要的方面可参考图2A并且再次参考图1来理解。该方面是流体培养基16在通道12和14中的深度“d”需要相当的浅(即，小于约15厘米，优选的是7.5厘米左右)。然而，为了维持该深度“d”，可能有必要沿着通道12和14的长度“L”补充流体培养基16。这可能是为了多个原因中的任何一个(例如，蒸发损失)。然而，不管原因如何，能够通过沿着通道12和14定位注射器48 (注射器48a，48b, 48c仅为不例性的)来完成补充。对于本发明的操作来说，微藻(未示出)在池10中生长。出于这个目的，池10有必要具有对数生长阶段(即，通道12)以及油累积阶段(即，通道14)。然而，对数生长阶段需要构造有将容纳微藻的生长的构造。因此，能够使通道12的侧部50相对于通道12的侧部52稍微成角度，以由此为通道12提供从上游端18到下游端20增加的锥形。由于通道12相对极端的长度，所以发生的是，需要进行此的锥角“ α ”的大小仅处在大概0.002弧度的量级上。因此，将来自注射器48的流体营养基16添加到对数生长阶段(即，通道12)的目的是双重的。除了维持在通道12中的流体培养基16的大体恒定的深度“d”外，流体培养基16的添加可被控制成维持在流体培养基16中的微藻的预定浓度。优选地，该预定的浓度是大概1.5克每升。不像通过通道12提供的对数生长阶段，通过通道14提供的油累积阶段与微藻的生长无关，而是与微藻成熟有关系。因此，尽管需要如上所述地维持深度“d”，但主要关心的是通道14要保持流体培养基16的移动。这能够利用通道14的被大致彼此平行地构造的相应侧部54和56来完成。对于本发明的跑道池10的一个改型来说，代替如图1中示出的转移部24的构造，能够提供如图3中示出的转移部24’。具体地，图3中示出的转移部24’提供了从通道12到通道14的连续的拐弯。然而，不管构造如何，跑道池10中的流体培养基16的深度“d”、流体培养基16中微藻的预定浓度以及围绕跑道池10的流体培养基16的容积流率均被计算成提供来自藻类生长的处于大概15-50g/m2/天的范围内的可操作的油生产率。尽管在此详细示出和公开的具体的微藻生长池的设计完全能够实现目的并且提供此前所陈述的优点，但应明白的是，其仅图示本发明的目前优选的实施例，并且不意在将本发明限制于在此示出的结构或设计的细节，除了`如所附权利要求描述的。
权利要求
1.一种用于使流体培养基循环的跑道池，所述跑道池包括: 大致直的、细长的通道，所述通道具有带有壁的第一端和带有壁的第二端，以及在所述第一端和所述第二端之间延伸的对置的侧壁部分，其中所述第一通道包括大致平坦的底板以为流体流建立大致矩形的横截面，并且所述底板具有从所述通道的第一端到第二端的向下游的结构梯度；以及 至少一个注射器装置，用于在选定的点处将流体培养基添加到所述池中，以在循环期间维持所述通道中的流体培养基的大致恒定的深度“d”，其中“d”小于所建立的最大深度。
2.按权利要求1所述的池，其中所述通道是第一通道，并且所述池还包括: 第二通道，其中所述第二通道是大致直的、细长的，并且所述第二通道具有带有壁的第一端和带有壁的第二端，以及在所述第一端和所述第二端之间延伸的对置的侧壁部分，并且其中所述第二通道包括大致平坦的底板，所述底板具有从所述第二通道的第一端到所述第二通道的第二端的向下游的结构梯度； 转移部，所述转移部以流体连通的方式将所述第一通道的第二端与所述第二通道的第一端相连接；以及 提升装置，所述提升装置被定位成将流体培养基从所述第二通道的第二端提升到所述第一通道的第一端，用于使所述流体培养基循环通过所述池。
3.按权利要求1所述的池，其中，所述通道具有宽度“W”，并且通过沿着所述通道的底板的多个台阶提供所述结构梯度，其中每个台阶分别形成有高度“h”并且与相邻的台阶以沿着所述通道的长度“L”的距离“s”分开。
4.按权利要求3所述的池，其中，“w”大于100m，“h”大概是3cm，“s”大概是100m，“L”大概是2500m，并且“d”大概是7.5cm。
5.按权利要求1所述的池，还包括多个涡流发生器，所述多个涡流发生器被安装在所述通道的底板上以在所述流体培养基中产生湍流。
6.按权利要求1所述的池，其中，所述提升装置选自由传送带、斗式升降机、桨轮、密封式桨轮以及机电泵组成的组。
7.按权利要求2所述的池，其中所述流体培养基包括微藻，并且所述第一通道的侧壁部分形成锥形，所述锥形具有用于所述第一通道的、在从所述第一通道的第一端朝向第二端的方向上的增加的宽度“W”，以建立所述微藻的对数生长阶段，。
8.按权利要求7所述的池，其中所述第二通道的侧壁部分大致彼此平行以建立所述微藻的油累积阶段。
9.一种用于使流体培养基循环的跑道池，所述跑道池包括: 第一通道，其中所述第一通道是大致直的、细长的，并且所述第一通道具有带有壁的第一端和带有壁的第二端，以及在所述第一端和所述第二端之间延伸的对置的侧壁部分，并且其中所述第一通道包括底板，所述底板具有从所述第一端到所述第二端的向下游的结构梯度； 第二通道，其中所述第二通道是大致直的、细长的，并且所述第二通道具有带有壁的第一端和带有壁的第二端，以及在所述第一端和所述第二端之间延伸的对置的侧壁部分，并且其中所述第二通道包括底板，所述底板具有从所述第二通道的第一端到所述第二通道的第二端的向下游的结构梯度；转移部，所述转移部以流体连通的方式将所述第一通道的第二端与所述第二通道的第一端相连接；以及 提升装置，所述提升装置被定位成将流体培养基从所述第二通道的第二端提升到所述第一通道的第一端，用于使所述流体培养基循环通过所述池。
10.按权利要求9所述的池，其中所述提升装置选自由传送带、斗式升降机、桨轮、密封式桨轮以及机电泵组成的组。
11.按权利要求9所述的池，其中所述流体培养基包括微藻，并且所述第一通道的侧壁部分形成由角“ α ”限定的锥形，所述锥形具有用于所述第一通道的、在从所述第一通道的第一端朝向第二端的方向上的增加的宽度“W”，以建立所述微藻的对数生长阶段。
12.按权利要求11所述的池，其中，所述第二通道的侧壁部分大致彼此平行以建立所述微藻的油累积阶段。
13.按权利要求11所述的池，还包括多个涡流发生器，所述涡流发生器安装在所述第一通道和第二通道各自的底板上，用于在所述流体培养基中产生湍流以提供所述微藻的竖直提升。
14.按权利要求11所述的池，其中，通过沿着所述通道的底板的多个台阶提供所述结构梯度，其中每个台阶分别形成有高度“h”并且与相邻的台阶以沿着所述通道的长度“L”的距离“s”分开。
15.按权利要求14所述的池，其中“α ”是约等于0.002弧度的角，“w”大于100m，“h”大约是3cm, “s”大约是100m, “L”大约是2500m,并且“d”大约是7.5cm。
16.一种用于提高来自流体培养基中的微藻的净油生产率的系统,所述系统包括: 多个细长的通道，所述通道端对端地连接以形成跑道，每个通道具有上游端和下游端，其中每个通道具有矩形的横截面，并且具有用于引起所述流体培养基流过所述通道的向下游的结构梯度，并且其中每个通道具有与相邻通道的上游端连接的下游端；以及 注射器装置，所述注射器装置用于在沿着所述跑道的选定点处添加流体培养基，以通过将所述流体培养基中的微藻的浓度维持在预定的浓度水平以下，并且通过在循环期间将所述通道中的流体培养基的深度“d”保持在所建立的最大深度以下，来提高所述流体培养基中的微藻生长率。
17.按权利要求16所述的系统，其中所述预定的浓度水平小于约1.5克/升，其中“d”小于约15cm，并且其中所述净生产率在15-50g/m2/天的范围内。
18.按权利要求16所述的系统，其中所述多个通道包括: 第一通道，所述第一通道形成有锥形，所述锥形具有在从所述第一通道的第一端朝向第二端的方向上的增加的宽度“w”以建立所述微藻的对数生长阶段；以及 第二通道，所述第二通道具有大致恒定的宽度以建立所述微藻的油累积阶段。
19.按权利要求16所述的系统，其中通过沿着所述通道的底板的多个台阶来提供所述结构梯度，并且其中每个台阶分别形成有高度“h”并且与相邻的台阶以沿着所述通道的长度“L”的距离“s”分开。
20.按权利要求19所述的系统， 其中“w”大于100m，“h”大约是3cm，“s”大约是100m，“L”大约是2500m,并且“d”大约是7.5cm。
全文摘要
一种用于使流体培养基中的微藻循环的跑道池，该跑道池具有多个相互连接的通道。每个通道是直的，并且具有由于倾斜或成梯状而沿着跑道移动流体培养基的结构梯度。在操作中，维持在流体培养基中的微藻的浓度大致恒定，并且维持跑道中的流体培养基的深度在预定水平以下。
文档编号C12M3/00GK103096708SQ201180025160
公开日2013年5月8日 申请日期2011年5月2日 优先权日2010年5月20日
发明者大卫·A·哈茨勒贝克 申请人:通用原子公司