大规模兼养型生产系统的制作方法
【专利说明】大规模兼养型生产系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月15日提交的题为“Mixotrophy Systems and Methods (兼养型系统和方法)”的第61/798，969号美国临时申请以及2013年12月20日提交的题为 “Large Scale Mixotrophic Product1n Systems (大规模兼养型生产系统)”的第61/919，008号美国临时申请的优先权，所述临时申请的全部内容借此通过引用并入本文。
【背景技术】
[0003]已经建立起微生物的大规模培养，主要分两类:光养和异养。光养包括其中微生物利用光作为能量源以及无机碳(例如，二氧化碳、碳酸氢盐)用于光合活性的培养条件，这有利于微生物的生长以及氧的生产。异养包括其中微生物利用有机碳作为能量以及碳源的培养条件，这有利于微生物的生长以及二氧化碳的生产。在开放池中大规模执行的光养以往是在非无菌条件下执行的，但大规模异养以往是在封闭的工业发酵器的无菌条件下执行的。
[0004]当微生物有能力使用光和有机碳作为能量源以及有机碳和无机碳作为碳源时，还可使用称为兼养(mixotrophy)的第三类微生物培养。兼养可在封闭的无菌条件下执行，但还可在低成本的开放性非无菌条件下执行。兼养提供了与光合培养相比增加生长速率以及与异养培养相比降低资金成本的潜力。此外，相比于在不接收任何光的异养培养中可能生产的，在兼养中使用光允许生产更多样化的产品分布(例如，色素、类胡萝卜素)。
[0005]在现有技术中，兼养在很大程度上已经以实验室或工作台顶级规模(bench topscale)执行，但还没有在大规模商业生产设定中执行。实验室规模使用具有小的试验培养容积的简单的生物反应器系统，诸如瓶和鼓泡塔。来自这样的实验室规模的生物反应器的信息受限于其对工业的有用性，因为瓶不能容易地扩大以生产商业量的微生物。此外，在实验室和工作台顶级规模的小的培养容积下，容易控制培养条件，诸如pH、温度、溶解气体含量和污染。随着容积增加到商业规模，生物反应器系统和微生物培养面临着在实验室规模下不存在的新的挑战。
[0006]用于光合和异养培养的现有的大规模生产系统可用于兼养，但没有充分利用兼养培养条件来产生最佳收益或者以最有效的方式培养出大量的兼养型微生物。供光合培养使用的大型池受限于允许光穿透水培养基且提供给微生物的浅的培养深度。因容积与表面积的比率较低，这样的浅的培养深度导致低效使用土地，并且由此微生物产量以及每土地表面积中微生物生产的产品产量不是优化的。由于做出大的密封容器所需要的材料以及用于合理分配气体和有机碳的机械混合，供异养培养使用的大规模发酵器需要高的资金成本。密封发酵器的高的资金成本降低了盈利的利润率，并且使用机械混合可能对于一些种类的微生物会产生有害的剪切应力。在处理的不同阶段中使用微藻的废水处理系统利用典型深度在I米和10米之间的大的开放池，但该系统的设计是为了优化水处理而非微生物生产，并且由此不利于高的培养密度，这会导致微生物的低生产产量。
[0007]为了充分利用兼养型微生物的生产能力和多样化产品分布，需要的是具体到兼养培养方法和条件的高容积的大规模生产系统，其改进了大规模光合、异养和废水系统的现有不足，并且解决了在工作台顶级规模兼养培养中未面临的挑战。因此，本领域中需要的是用于高效生产大量兼养型微生物的大规模兼养型生产系统。
【发明内容】
[0008]本文中描述了用于大规模地培养兼养型微生物的系统。还描述了用于提供对流体流的引导以及诸如热交换、养分输送、气体输送、有机碳输送、光输送和传感器的参数测量的其它功能的导向叶片的多功能实施方式。
[0009]在本发明的一个实施方式中，一种兼养型生物反应器系统包括:所述生物反应器系统的至少一个亮部，所述至少一个亮部被构造成将水培养基中的兼养型微生物的培养物容纳在内容积中，并且将所述内容积中的兼养型微生物的所述培养物暴露至来自光源的至少一些光；所述生物反应器系统的至少一个暗部，所述至少一个暗部与所述至少一个亮部流体连通，所述至少一个暗部被构造成将水培养基中的兼养型微生物的所述培养物容纳在没有光的内容积中；至少一个有机碳供给装置，所述至少一个有机碳供给装置被构造成将有机碳供给到兼养型微生物的培养物；以及循环系统，所述循环系统被构造成使兼养型微生物的所述培养物在所述至少一个亮部和所述至少一个暗部之间循环。
[0010]在一些实施方式中，所述至少一个亮部可包括选自由罐、槽、池和跑道池(racewaypond)组成的组中的至少一者。在一些实施方式中，所述至少一个暗部可包括选自由泡沫分离装置(foam fract1nat1n device)、离心机、电脱水装置(electrodewateringdevice)、气体交换装置和污染装置组成的组中的至少一者。在一些实施方式中，所述生物反应器系统的所述至少一个亮部包括生物反应器的所述内容积的透光层，并且所述生物反应器系统的所述至少一个暗部包括同一生物反应器的所述内容积的不透光层。
[0011]在一些实施方式中，所述生物反应器系统可以是开放系统。在一些实施方式中，所述生物反应器系统是封闭系统。在一些实施方式中，所述循环系统包括选自由栗、可浸入式推进器和桨轮组成的组中的至少一者。在一些实施方式中，所述生物反应器系统进一步包括至少一个无机碳供给装置、至少一个气体供给装置、所述生物反应器系统的至少一部分上的盖和它们的组合。所述光源可包括选自由自然光和人工照明装置组成的组中的至少一者。
[0012]在本发明的另一实施方式中，一种兼养型生物反应器系统包括:开放式跑道池，该开放式跑道池包括具有一致深度的内容积，所述跑道池包括:两个直线部，所述两个直线部由中央壁分开并且由底板和直的外壁限定边界，两个U形弯曲部，所述两个U形弯曲部连接所述两个直线部以形成连续环并且由底板和弯曲的外壁限定边界；至少一个拱形的导向叶片，所述至少一个拱形的导向叶片被布置在每个U形弯曲部内；至少一个可浸入式推进器，所述至少一个可浸入式推进器被布置在所述内容积中，位于所述直线部中的至少一个直线部的所述外壁与所述中央壁之间，并且由所述内容积中的支撑结构从上方悬置，与所述底板相距一距离；以及至少一个有机碳输送装置。
[0013]在一些实施方式中，所述开放式跑道池的深度包括0.5米到10米。在一些实施方式中，所述开放式跑道池包括框架结构，所述框架结构具有形成所述开放式跑道池的所述底板、中央壁和外壁的表面的衬里。在一些实施方式中，所述开放式跑道池包括模制结构，所述模制结构具有形成所述开放式跑道池的所述底板、中央壁和外壁的表面的聚合物。在一些实施方式中，所述至少一个可浸入式推进器在所述直线部的端部处布置在所述直线部的长度的20%内。在一些实施方式中，所述至少一个可浸入式推进器被悬置成与所述底板相距的距离是所述开放式跑道池的所述内容积中布置的水性培养物容积的高度的10%至50%。
[0014]在一些实施方式中，所述开放式跑道池进一步包括至少一个热交换器。在一些实施方式中，所述至少一个热交换器被布置在所述至少一个拱形的导向叶片中。在一些实施方式中，所述至少一个热交换器被布置在所述开放式跑道池的所述外壁中、所述中央壁中、所述底板中或所述底板下面。在一些实施方式中，所述至少一个有机碳输送装置包括恒PH培养系统(pH auxostat system)。
[0015]在一些实施方式中，所述开放式跑道池进一步包括至少一个溶解氧输送装置，所述至少一个溶解氧输送装置选自由喷洒器管、形成所述跑道池的所述底板的至少一部分的衬里的膜、微泡发生器、氧浓缩器(oxygen concentrator)、液体氧喷射器、氧饱和锥(oxygen saturat1n cone)和具有泡沫分离装置的文丘里喷射装置组成的组。在一些实施方式中，所述开放式跑道池进一步包括:所述开放式跑道池的至少一部分上的盖；选自由自然光和人工照明装置以及它们的组合组成的组的至少一个光源。
[0016]在本发明的另一实施方式中，一种导向叶片包括:刚性结构，所述刚性结构包括高度、宽度以及形成拱形平面的曲率；以及至少一个功能部件，所述至少一个功能部件与拱形的所述刚性结构组合。在一些实施方式中，所述至少一个功能部件包括内腔，所述内腔被构造成接收热交换器流体并使该热交换器流体循环。在一些实施方式中，所述至少一个功能部件包括用于输送选自由有机碳、养分和气体组成的组中的至少一者的装置。在一些实施方式中，所述至少一个功能部件包括人工照明装置。在一些实施方式中，所述至少一个功能部件包括至少一个传感器。在一些实施方式中，所述至少一个功能部件包括选自由热交换器、有机碳输送装置、养分输送装置、气体输送装置、人工照明装置和传感器组成的组中的两者或更多者的组合。
【附图说明】
[0017]图1示出了具有拱形导向叶片和浸入式推进器的开放式跑道池生物反应器实施方式的立体图。
[0018]图2示出了具有拱形导向叶片和浸入式推进器的开放式跑道池生物反应器实施方式的顶视图。
[0019]图3示出了开放式跑道池生物反应器实施方式的侧视图并且标识了横截面A的位置。
[0020]图4示出了开放式跑道池生物反应器实施方式在横截面A处的前视图。
[0021]图5示出了一对拱形导向叶片。
[0022]图6示出了用于拱形导向叶片的支撑结构。
[0023]图7示出了具有多个拱形导向叶片和浸入式推进器的开放式跑道池生物反应器实施方式的立体图。
[0024]图8示出了多功能导向叶片的实施方式。
【具体实施方式】
[0025]定义
[0026]术语“微生物”是指诸如微藻和蓝藻的微观生物。微藻包括微观多细胞植物(例如浮萍)、光合微生物、异养微生物、娃藻、甲藻和单细胞藻类。
[0027]术语“微生物学的培养”、“