培养生物有机体的系统和方法与流程

本公开大体上涉及用于生长一种或多种生物有机体(biologicalorganisms)的系统或方法，特别是，涉及用于优化能够适合用作人类的食物来源或膳食补充剂的光合作用藻类的生长条件的方法。藻类也可用作用于诸如鸡、牛和猪的农场动物的畜用饲料或畜用饲料成分，以及作为所有形式的水产养殖的食物来源。

尽管本公开主要涉及用于此目的的系统和方法，其也能应用于其他类型的生物有机体、生物质和生物质衍生产品的生长和成长，诸如各种形式的生物燃料、细菌和酵母、维生素和矿物质，以及基本海洋生物食物来源，诸如，孢子(spawn)和浮游生物。

背景技术：

藻类物种栖息于大多数水生环境中，诸如，湖泊、池塘、河流和水库。有时候，藻类能够经历“水华(bloom)”或快速生长期，相对于水道中存在的其他动植物群体占优势地位。诸如蓝绿藻之类的藻类是能够具有对生命既有益又有害的特性的蓝藻。例如，螺旋藻(spirulina)是一种蓝藻形式的膳食补充剂，其可作为人类、农场动物和水产养殖中蛋白质的替代品而安全食用。干螺旋藻可能包含50-70％的蛋白质，取决于其来源，并且螺旋藻也是b族维生素和膳食矿物质(如铁和锰)的供应来源。

在产生螺旋藻的藻类的生长中，也已知一些蓝藻产生诸如微囊藻素之类的毒素。这些毒性化合物不是由螺旋藻本身产生的，而是螺旋藻批次被其他产毒藻类污染的结果。出于此原因，需要高度的质量控制以确保来源于藻类的螺旋藻和其他补充剂的纯度高，并且没有污染。另外，在生产这些食品时，供水是重要的。例如，供水中的铅、汞和砷污染已最终出现在中国生产的螺旋藻补充剂中。

先前培养这种藻类物种的商业化尝试已尝试复制导致快速藻类“水华”条件的相同环境。为此，使用了包括水槽或带衬里池塘或各种形状的生物反应器的示例系统，所有这些都需要暴露于阳光以及接触大气二氧化碳以发生植物光合作用。这样的池塘和反应器可包含淡水或咸水，这取决于所要培养的藻类物种。

这些先前的培养光合作用藻类物种的商业化尝试苦于产量低以及藻类的生长速率变化(这可能是因为环境温度不合适)，或者缺乏穿透阳光，或者携带藻类孢子(algaespawn)的宿主流体与可用营养物的混合不良。为弥补经常观察到的因这些其他因素而导致产量低和生长速率差，包含水和营养物的水槽、池塘和反应器通常需要长停留时间以允许藻类培养。因此，为生产商业规模量的产品，商用池塘或反应器必须变得尺寸非常大。当试图找到适当的大物理场地位置以及资金密集程度过高时，这是有问题的。

此外，当培养池塘或反应器变得过大时，则可能在收获和移除时难以到达反应器中生长的一些藻类。不希望对反应器中生长的藻类进行剧烈泵送，因为这可能会破坏形成的有机材料，因此存在一些用桨式搅拌器或叶轮搅拌生物反应器流体的现有技术实例。然而，这些相对温和的搅拌池塘或反应器的方式通常也不足以悬浮形成的藻类材料和防止其在重力下在反应器中沉降。

在某些已知的藻类生长反应器中，使用了一系列以沟道(raceway)(或者是迷宫样的，或者是蛇形的)构造布置的流体流动通道，所述流体流动通道具有在沟道的不同区段的在通道中建立的多个藻类生长区域/地带。这些生长区域/地带通过使用泵来实现，所述泵将一些通道互相连通以提供至少一些流体流的再循环。在实践中，这样的布置具有许多缺点，因为藻类可能会被过度泵送破坏，并且泵送的操作成本会变得非常高。

使用沟道构造但既不连续再循环流也不连续收获生物质的藻类生长反应器也是已知的。在这样的非再循环系统中，可通过以最小速度移动流连同稀释流以允许阳光穿透以及保持悬浮来实现沿沟道系统长度的始终相对稳定和悬浮的生物质浓度。通过使用设计为连续变宽或变深的沟道通道区段来实现生物质的稀释。除了过高的泵操作成本之外，这样的现有技术系统还苦于大规模资金设备成本的缺点。

仍需要可适于以尽可能最低的操作成本进行有效的生物体生长的生长生物有机体的系统和方法。特别是，对于适于生长藻类的系统，需要能最大化二氧化碳吸收和阳光暴露从而最大化产品产量，并且这样的方式做能够克服所提到的任何水污染问题以及避免昂贵的成本支出和操作费用。

技术实现要素：

在第一方面，在实施方式中公开了培养一种或多种生物有机体的系统，所述系统包括：(a)布置用于运输流体流的流动通路，所述流体包含营养物和悬浮在该流体中的生物有机体；(b)可操作地用于在布置为与流体通道成流体连通时运输所述流通过流动通路的泵送装置；和(c)可操作地用于在布置为与所述流成流体连通时捕获一部分所述流的捕获装置；其中在系统操作过程中，流动通路的构造和泵送装置的操作导致所述流在整个流动通路中以基本均匀的流率运输，并且因暴露于光源而在所述流中被培养的一定量的生物有机体被捕获装置捕获以将其从所述流中去除。

本发明人已开发了一种使用单向流动通路培养诸如藻类的生物有机体的系统，所述单向流动通路在使用过程中提供流体对空气(包含二氧化碳)和阳光的暴露。这样的狭长通路在流体沿其移动时为藻类提供了足够长的停留时间以成长和生长。本发明的系统具有如下泵送布置：其将流体流移动通过通路以使得在通路全长上的流率基本相同。因此，流体(诸如，包含以下的水：营养物形式的溶解和固体物质以及悬浮在水中的生物有机体)流在整个通道系统上基本相同。在系统中不需要较高或较低速度流的多个区域，因此没有使用再循环泵送布置在多个点处反复离开并随后重新进入流动通路的侧通道或再循环流，这种侧通道或再循环流可能会因过度泵送形成的有机材料而导致其破坏或毁坏。在本发明系统的流动通路中建立起的流率足以保持生长的生物有机体免于沉降到流动通路的基面或底板(floor)上。

当术语“基本均匀的流率”在本说明书中使用时，这表示在沿流动通路的所有点处均发现类似的体积流率或质量流率，由于例如摩擦损失、溢出和少量的局部涡流或短路，在其含义内可以包含一些小的流率变化。

在某些实施方式中，系统的流动通路和泵送装置可被布置用于连续再循环从其中通过的所述流。使用连续的再循环闭环系统意味着可连续地在同一流动通路中生长和收获生物有机体，并且具有“分批”式操作的好处，这可以最小化因来自河流、地下水等的任何新引入进料流中未知成分所致的水污染风险。

在一个实施方式中，流动通路包含两个流动通道，每个流动通道的远端区域被布置为与相应的另一个流动通道的远端区域流体连通。在这样一种形式中，所述流动通道是狭长的，基本平行和彼此相邻布置，尽管在其他形式中流动通道可为弯曲的或者为彼此不同的侧壁形状。

当术语“单向”在本说明书中使用时，这是指，即使所述流的实际物理方向取向变化，流体、营养物和生物有机体的整个混合流通常作为一体共同移动，例如如果其在一个方向上移动一段时间，然后在另一个方向上移动随后的时间段(诸如通过使用前述的彼此流体连通的相邻、平行的流动通道，其中该流交替地指向一个方向然后在其之后立即指向180°相反的方向)。

在一个实施方式中，多个所述流动通路被布置为彼此相邻，例如，在周围的地面中或地面上。这种具有两个流动通道的流动通路可用作培养诸如藻类的生物有机体的独立通路，但其也可形成模块化系统的基础单元，所述模块化系统在使用中被布置为具有连在一起的多个这种流动通路用于培养生物有机体。

在这样一种形式中，彼此相邻布置的一些或全部所述流动通路适合于设置为与相应的另一流动通路流体连通。在一个特定实施方式中，所述配置(adaptation)可操作地使得流动通路的流动通道的远端区域被设置为与相邻流动通路的流动通道的相应的另一个远端区域流体连通。例如，这在使用中可通过配有堰(weir)、闸阀或类似流体控制装置的可开放的通道、管路或一些其他类型的流体运载管道来实现。开放和关闭泵也可将通路置于流体连通。

在替代性实施方式中，流动通路包含三个或更多个流动通道，每个流动通道的远端区域被布置为与相应的另一个流动通道的远端区域流体连通。在这样一种形式中，流动通路包含一系列基本平行的相邻流动通道，得到整体为蛇形图案的流动通路，其中单向流交替地指向一个方向然后在其之后立即指向180°相反的方向，以此类推。

在这样的一种具体形式中，流动通道为至少部分地在周围地面中挖掘的开放通道，以提供用于保持流动水的壁稳定性和提供相对于例如在完全地上的混凝土结构中制成的流动通路的较低成本替代方案。

在某些实施方式中，建立生长条件的光源为阳光。使用开放通道既允许水蒸发也允许雨水进入，但是更重要的是，允许白天不间断的光线以进行生物有机体的光合作用。

在某些实施方式中，在整个流动通路中的所述流具有预定最大深度和预定最小速度。

在这样一种形式中，预定最大深度允许所述光基本一直穿透至所述流中以优化生物有机体的培养条件。在某些实施方式中，预定最大深度小于约0.5米。在这样一种形式中，预定最大深度大于约0.2米并小于约0.5米。在一种特定的这种形式中，预定最大深度大于约0.2米并小于约0.4米。现有技术反应器的主要问题之一是缺少足够的光来支持光合作用。通过使用这种示例性流体深度但具有基本均匀的流率的长流动通道，光可穿透藻类，并且流率确保了沿流动通路的长度不会留下任何残余固体材料。

在某些实施方式中，预定最大深度对应于小于约4％w/v或40g/l的生物有机体形式的固体量，以允许所述的光的穿透。在一种形式中，流的预定最大深度足以保持足够量的光到达沿流动通路的整个长度悬浮的生物有机体。

在某些实施方式中，预定最小速度大于约0.3米/分钟并小于约1.0米/分钟。在这样一种形式中，预定最小速度大于约0.3米/分钟并小于约0.5米/分钟。在这样的特定一种形式中，预定最小速度大于约0.3米/分钟并小于约0.4米/分钟。在一种特定形式中，预定最小速度为约0.35米/分钟。当流动通路具有固定的侧向(side-to-side)宽度(米)以及在使用中流经其中的预定最大流体深度(米)时，然后得到的流体流的横截面积(平方米)乘以预定流体速度(米/分钟)，计算得出通过流动通路所需的基本均匀的流率(立方米/分钟)。

在某些实施方式中，预定最小速度对应于小于约4％w/v或40g/l的可保持悬浮的生物有机体形式的固体量。选择最小速度以确保沿通路全长没有任何沉降的残留固体材料。

因此本公开包括一种布置和确定合适的过程处理设备以支持生物有机体培养过程的方法。通过选择可保持悬浮的生物有机体形式的最大固体量，确定了固体悬浮的最大水深，这将允许有足够的光来支持流动通路最大深度处的光合作用。随后选择流动速度以确保没有任何残留固体材料(在该固体密度下)能够在重力下沉降在流动通路中，当流动通路的宽度固定时，这将确定水和悬浮固体的体积流率。

在某些实施方式中，用于从所述流中去除一定量的培养生物有机体的捕获装置包括下组中的一种或多种：真空抽吸装置、过滤泵、离心机、旋液分离器、螺旋分级机、带式过滤器、盘式过滤器、压滤机和筛分装置。在一种形式中，捕获装置位于最靠近流动通路长度端部处。在蛇形图案流动通道的实施方式中，流动通路端部位于最后的流动通道处，在该点处，培养的生物有机体在其沿流动通路的整个移动过程中生长并已准备好被收获。

在收获过程中，通过捕获装置从基本均匀的流体流率中物理分离去除一定量的培养生物有机体，随后在某些实施方式中，在已进行了这样的去除之后，将来自捕获装置的残留液体流在捕获装置上游的点处返回到流动通路中。

在某些实施方式中，泵送装置为低固含量水泵(lowsolidswaterpump)。在一种形式中，该泵被布置为在前面所述的去除了一定量的培养生物有机体之后将残留液体流从捕获装置向上游泵送到流动通路中。由于向上游返回的残留液体流包含最少量的生物有机体，其可被泵送回到流动通路的第一部分中，导致对残留生物有机体的相对少或没有伤害。在一种示例性的流动通路中，这种残留流体被泵送回到蛇形流动通路的一系列平行流动通道的第一流动通道中；或者，在具有双重、狭长、基本平行和相邻的流动通道的另一种示例性流动通路中，将这种残留流体从第二流动通道的端部区域泵送回到第一流动通道的起始区域。在本示例系统中，正是这一相同的泵送装置用于将流体流以在流动通路的全长上基本相同的流率移动通过通道。在培养生物有机体的流动通路的其余部分中不需要任何其他泵送布置，因此最小化了因泵送或其他搅动所造成的毁坏。

在某些实施方式中，在捕获装置上游的某一位置处向流中添加絮凝剂以帮助聚集和去除培养生物有机体。在某些实施方式中，生物有机体包括藻类。

在第二方面，在实施方式中公开了培养一种或多种生物有机体的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将泵送装置布置为与位于流体通路中的流体成流体连通，所述流体包含一定量的营养物和悬浮于其中的生物有机体；(b)通过泵送装置的操作运输所述流体的流通过流动通路；和(c)当布置为与所述流成流体连通时通过捕获装置的操作捕获一部分所述流；其中，操作泵送装置的步骤使得以在整个流动通路上以基本均匀的流率运输所述流，并且通过操作捕获装置的步骤来捕获一定量的生物有机体以从所述流中去除，其中所述生物有机体因暴露于光源而在所述流中被培养。

这种使用将流体暴露于空气和阳光的流动通路来培养诸如藻类的生物有机体的方法提供了足够长的停留时间以便在流体沿其移动时成长和生长藻类。在本方法中，将流体流通过通路移动以使得流率在通路全长上基本相同，并且这种泵送布置足以保持生长生物有机体免于沉降到流动通路的基面或底板上，并且最小化所形成的有机材料的破坏或毁坏。

在某些方法实施方式中，连续操作泵送装置，从而产生所述流在整个流动通路和泵送装置中的连续再循环。使用连续再循环的闭环系统意味着可在同一流动通路中连续生长和收获生物有机体，并具有“分批”式操作的好处，这能够最小化因来自河流、地下水等的任何新引入进料流中未知成分所致的水污染风险。

在该方法的一种形式中，泵送装置的操作被布置为在整个流动通路上以预定最大深度和预定最小速度运输所述流。

在某些方法实施方式中，预定最大深度如第一方面的系统中所定义的。通过使用这种示例性流体深度但具有基本均匀的流率的长流动通道，光可穿透藻类，并且流率确保了沿流动通路的长度不会留下任何残留固体材料。

在某些方法实施方式中，预定最小速度如第一方面的系统中所定义。操作者所选择的最小速度确保了沿通路全长不会留下沉降的任何残留固体材料。

在某些方法实施方式中，从所述流中捕获和去除一定量的培养生物有机体的步骤包括操作下组中的一种或多种：真空抽吸装置、过滤泵、离心机、旋液分离器、螺旋分级机、带式过滤器、盘式过滤器、压滤机和筛分装置。在一种形式中，操作者将捕获装置定位于流动通路长度端部的最近处。无论流动通路是由蛇形流动通路的一系列平行流动通道组成，或者在另一个较简单实例中，流动通路仅具有两个狭长的基本平行和相邻的通道，流动通路的端部均存在于最后连接的流动通道的远端区域处，在该点处，培养生物有机体在其沿流动通道的整个移动中生长并已准备好被收获。在具有双重狭长相邻通道的流动通路的一个实例中，这种残留流体从第二流动通道的端部区域经由跨越通道壁的管道移动到位于第一流动通道的起始区域中的流体主体中。

在收获过程中，操作者使用捕获装置从基本均匀的流体流率中分离一定量的培养生物有机体，随后在已进行了这种去除之后，操作者将来自捕获装置的残留液体流在捕获装置上游的点处引导返回到流动通路中。由于在上游返回的残留液体流包含最少量的生物有机体，其可通过泵送返回到流动通路中，使得对残留生物有机体产生相对小或没有伤害(在一个实例中，返回到由一对狭长的、基本平行和相邻的通道形成的流动通路中的第一流动通道中；在另一实例中，返回到蛇形流动通路的一系列平行流动通道中的第一流动通道中)。

在某些实施方式中，方法还包括以下步骤：操作者控制在捕获装置上游位置处向流中添加絮凝剂以帮助通过捕获装置聚集和去除培养生物有机体。

在第三方面，在实施方式中公开了培养一种或多种生物有机体的设备，所述设备包括：(a)包含两个或更多个流动通道的流动通路，所述流动通路被布置用于运输包含营养物和悬浮在流体中的生物有机体的流体；和(b)与流动通路相连的泵送装置，所述泵送装置当在第一操作构造中与流动通路流体连通布置时可操作地运输流体的所述流通过流动通路，其中，在第二操作构造中，所述流动通路适合于设置为与至少一个其他流动通路流体连通，并且所述泵送装置可操作地运输流体的所述流通过所述流动通路和所述其他流动通路。

本发明人已经开发了一种用于使用单向流动通路培养诸如藻类的生物有机体的模块化系统，其在使用中提供流体对空气(包含二氧化碳)和阳光的暴露。这样的模块化设备提供了在流体通过其中移动时调整可用于藻类成长和生长的停留时间的简单方法。正如前文中所解释的，为简化操作以及防止产品的过度泵送和破坏或者藻类沉降，流体流可以在通路全长上以基本相同的流率移动通过通路。为给藻类生长过程提供额外的灵活性程度，本方面的流动通路也可构造为包含串联布置的任何数量的双通道流动通路单元。

在某些实施方式中，如果设备具有第二操作构造，则泵送装置可操作地连续再循环所述流通过每个流动通路。使用连续的再循环闭环系统意味着可连续地在任何一个流动通路中生长和收获生物有机体，并且具有“分批”式操作的优点。

在某些实施方式中，每个流动通道的远端区域适合于与另一个流动通道的远端区域流体连通。在一个实施方式中，流动通路包含两个流动通道，它们是狭长的、基本平行的和彼此相邻布置。这种具有两个流动通道的流动通路可用作用于培养生物有机体的独立通路，或者其也可形成模块化系统的基础单元，所述模块化系统布置用于具有连接在一起使用的多个这种流动通路。

在其他形式中，流动通道可为弯曲的或具有彼此不同的侧壁形状。在仍然其他的实施方式中，每个流动通路可包含多于两个流动通道。例如，流动通路可包含三个或四个基本平行的相邻流动通道，每个流动通道在其任一端与另一个流动通道流体连通。

在某些实施方式中，所述流动通路的配置可操作地使得流动通路的流动通道的远端区域被设置为与另一个流动通路的流动通道的相应的另一个远端区域流体连通。这使得被布置为彼此相邻的一些或全部所述流动通路有效地形成用于在单向流动通路中培养诸如藻类的生物有机体的连续系统，所述系统在使用过程中提供了流体对空气(包含二氧化碳)和阳光的暴露。

连接(以及事实上为隔离)独立生长通路的能力也在流体通过其中移动时为操作者提供了很大的灵活性以选择足够长的停留时间用于成长和生长特定类型的藻类和或其他生物质产品。例如，快速生长型藻类可能在能够收获之前仅需要流动通过两个流动通路(每个流动通路包含两个流动通道)。在其他情况中，较慢生长的产品可能需要经过在大量相连的流动通路上成长。流动通路通常在使用中通过配有堰、闸阀或类似流体控制装置(诸如可促动泵)的可开放通道、管路或一些其他类型的流体运载管道相连。

在某些实施方式中，捕获装置可操作地在布置为与流成流体连通时捕获一部分所述流并从所述流去除一定量的培养生物有机体。这样的装置可为下组中的一种：真空抽吸装置、过滤泵、离心机、旋液分离器、螺旋分级机、带式过滤器、盘式过滤器、压滤机和筛分装置。该装置可被置于任何流动室内。

在某些实施方式中，第三方面的设备也如第一方面的系统的特征的定义。

在某些实施方式中，第三方面的设备还可使用第二方面的方法的步骤操作。

当与附图共同考虑时，从以下详细描述可明显得知其他方面、特征和优点，所述附图为本公开的一部分，并且通过举例的方式说明了所公开的发明的原理。

附图说明

附图有利于理解将要描述的多个实施方式：

图1是用于根据本公开第一实施方式的培养生物有机体的系统的开放通道形式的流动通路的一部分的透视侧视图；

图2是根据图1的开放通道形式的流动通路的一部分的透视顶视图；

图3是根据图1的开放通道形式的流动通路的另一个透视顶视图；

图4是根据图1的开放通道形式的流动通路的一部分的另一个透视顶视图，以及用于定位用来从流动通路收获生物有机体的捕获装置的相邻工作区；

图5是在使用捕获装置从根据图1的流动通路物理去除之后的藻类形式的一定量的一些生物有机体的视图；

图6是根据图1的开放通道形式的流动通路的一部分的透视顶视图，其中将包含营养物和一些生物有机体和补充水的流体流添加到流动通路的第一通道中，并且在使用捕获装置从流体流收获生物有机体的步骤之后，将流体流再循环到流动通路的第一通道中；

图7是藻类培养设施的透视顶视图，所述藻类培养设施用于产生藻类或生物质培养物并随后将这些物质引入到根据图1的流动通路中；

图8是根据图1的流动通路的示意性主视图；

图8b是当沿剖面线b-b观察时根据图8的流动通路的示意性截面端视立视图；

图8c是当沿箭头c的方向观察时根据图8的流动通路的示意性截面端视立视图；

图9是用于根据本公开第二实施方式的培养生物有机体的系统中的两个开放通道形式的流动通路的一部分的透视侧视图；

图10是根据图9的两个开放通道形式的流动通路的一部分的透视顶视图；

图11是根据图9和10的流动通路的示意性主视图；

图11b是当沿剖面线bb-bb观察时根据图11的流动通路的示意性截面端视立视图；

图11c是当在箭头cc的方向观察时根据图11的流动通路的示意性端视立视图；

图11d是在箭头dd的方向观察时根据图11的流动通路的示意性侧视立视图；和

图12是根据图11的流动通路的示意性主视图，显示了其与也根据图11的一系列相邻的类似流动通路相连时。

图13显示了当流体经过根据图9、10和11中所示的本公开实施方式的用于培养生物有机体的系统时藻类生长速率(g/l/hr)随流体速度(m/s)变化的测量结果；所述图还显示了泵的功耗(瓦特)随同一流体速度(m/s)的变化；

图14显示了当流体经过根据图9、10和11中所示的本公开实施方式的用于培养生物有机体的系统时藻类生长速率(g/l/hr)随流体流率(l/hr)变化的测量结果；所述图还显示了泵的功耗(瓦特)随同一流体速度(m/s)的变化；和

图15显示了当流体经过根据图9、10和11中所示的本公开实施方式的用于培养生物有机体的系统时藻类生长速率(g/l/hr)随流体深度(m)变化的测量结果。

具体实施方式

本公开涉及在流动通路中培养诸如藻类的生物质的系统和方法的特征，在所述流动通路中围绕其泵送流体，并且该流动通路暴露于阳光以有利于藻类生长。

参考附图，特别是参考图8，流动通路10显示为如下形式：布置为蛇形构造的八个连续相连的、基本平行的、相邻的、顶部开放的通道(显示为部件编号12、14、16、18、20、22、24和26)。除了仅有一个远端具有相同布置的第一通道12之外，对于其他七个通道14、16、18、20、22、24和26中每个，所述通道的每个远端均经由相应的短的横向流动通道部(在附图中每个均编号为28)直接流动流体连通到另一个紧邻的通道。

蛇形构造的流动通路10包括顶部开放的流动通道12、14、16、18、20、22、24、26，它们至少部分在周围地面32中挖掘，该特征在图1、2、3和4中更清楚地示出。当从通道侧壁34、36的上表面边缘38、40向下移动时，通道12、14、16、18、20、22、24、26中每个的相对的狭长内侧壁34、36向内倾斜，在向下方向上逐渐变细以与通道12、14、16、18、20、22、24、26的平坦基板42相接。除了最外面的通道12和26之外，流动通路的每个通道的相对的狭长侧壁(例如，通道14的壁34a、36a)与相邻通道的另一个相应的狭长侧壁(例如，通道16的壁34b、36b)背靠背(back-to-back)地布置以形成稳定的阻隔壁(例如，具有锥形侧面34a、36b的阻隔壁44a)以将流动水保持在顶部开放的通道12、14、16、18、20、22、24、26中的每个中。

将通道12、14、16、18、20、22、24、26布置为部分处于周围地面32中提供了相对于完全构筑在地上的流动通路(诸如，例如，混凝土壁围成的结构)的较低成本替代方案。八个狭长通道12、14、16、18、20、22、24、26以及短的横向流动通道部分28中的每个可通过如下方式形成：成排挖掘周围地面32，随后将挖掘出的泥土堆积在那些排之间的空地上，随后用道路工程聚合物密封和稳定那些土堆，以便例如形成阻隔壁44的倾斜内侧壁34、36。最后，每个通道12、14、16、18、20、22、24、26中的倾斜的内侧壁34、36和平坦基板42用耐uv的连续不透水阻隔材料覆盖，诸如厚pvc片46(在图中显示为白色，这是有利的，因为这种颜色具有阳光反射特性)。这个阻隔片46确保了在蛇形流动通路10内流动的水不会从通道12、14、16、18、20、22、24、26中漏出，例如，通过泄露到周围地面32中，而是如将要描述地连续再循环。

在其他实施方式中，通道的内侧壁与图中显示相比可以其他角度倾斜，在仍然另外的实施方式中，内侧壁也可为垂直定向的，并且由混凝土或其他材料形成。这些通道实施方式中任一种的内表面可涂布有粘附性密封化合物以形成不透水阻隔，或者配有pvc片，如上文中所概述的。

参考图8，蛇形流动通路10还包括另一个顶部开放的通道30，其被布置为相对于其他顶部开放通道(12、14、16、18、20、22、24和26)中的每个成横向，但是该横向的顶部开放通道30仅在其远端48处与相邻的通道26的远端47直接流动流体连通。在所有其他方面中，横向的顶部开放通道30在狭长内侧壁构造方面类似于其他顶部开放通道(12、14、16、18、20、22、24和26)，并且其构筑方法(通过挖掘、密封等)以类似于对其他顶部开放通道(12、14、16、18、20、22、24和26)所述的方式实施。

在使用中，横向的顶部开放通道30形成了蛇形流动通路10的最后阶段。其另一个远端50邻近于第一通道12的远端52(但不会经由通道与其直接流动流体接触)。横向的顶部开放通道30的远端50是在流动通路10中进行培养生物有机体的物理收获的一般位置，如将要描述的那样。

在一个非限制性的示例性实施方式中，从相对的侧壁通道34、36中每个的上表面边缘38、40处测量，八个平行顶部开放通道12、14、16、18、20、22、24、26和横向的顶部开放通道30中的每个的横向宽度为5米。短的横向流动通道部分28的相对垂直侧壁间的横向宽度也为5米。平行顶部开放通道12、14、16、18、20、22、24、26中每个的端距长度为约50米，并且横向的顶部开放通道30的端距长度为约40米。包含悬浮生物有机体和藻类的流体在整个流动通路10中的示例性平均停留时间大概为24小时到72小时。

在使用中，为开始培养生物有机体的过程，将蛇形流动通路10部分充满水，这些水将用于跟随标记为“a”的箭头以向前流动的方向再循环通过流动通路10的每个通道，顺序通过平行的顶部开放通道12、14、16、18、20、22、24和26，随后进入横向的顶部开放通道30，如图8中所示。培养过程的起始点如图6中所示在通道12的远端52处，在该点处将营养物(诸如液体肥料)和培养的生物有机体经由软管55添加到流中，并悬浮于其中。该点处的水不包含大量的任何培养有机体，诸如藻类。从经批准的来源获得纯的细胞培养物，随后将其在独立的培养槽56中接种(如图7中所示)，经历数周使其建立，然后用于流动通路10中。

通常坐落于流动通路10外面的在周围地面32上的低固含量水泵(未示出)用于运载水流离开横向的顶部开放通道30的远端50，随后经由软管54将该流通入通道12的相邻远端52中(如图6和8中所示)。也可使用任何类型的管道甚至固定管路连接系统代替软管54。水的向前流动以箭头“a”的方向顺序通过蛇形流动通路10的各个顶部开放通道12、14、16、18、20、22、24和26中的每一个(图8)，并且返回横向的顶部开放通道30，随后从这里被再循环回到通道12，以此类推。当系统中的水再循环时，添加的营养物、大气二氧化碳、阳光和流体流的搅动的组合促进(encourage)了持续悬浮在流动水中的生物有机体的生长培养。水沿整个流动通路10的单相流动由低固含量水泵(未示出)驱动，所述水泵在整个流动通路10上以基本均匀的流率运输所述水和悬浮固体流。水和悬浮固体流能在该闭环系统中持续进行连续再循环，这意味着给予了足够的停留时间以连续地在同一流动通路10中生长和随后收获生物有机体，然而使用了本质上为“分批”式的培养操作，后者具有产品纯度和水质控制的益处。

当水流到达横向的顶部开放通道30的远端52，并且因为在此点处已在液体流中保持了培养过程，至多但少于约4％w/v或40g/l的生物有机体形式的固体量保持悬浮，并且已准备好从液体中去除。为避免阻塞或其他操作问题，不希望残留的生物固体材料沿流动通道10的长度在某个地方沉降，例如在通道12、14、16、18、20、22、24和26的基板42上。以基本均匀流率的单向流起到防止发生这种沉降的作用，并且避免所形成的生物有机体的‘过度泵送’，后者能导致所形成的有机体的破坏乃至毁坏。

在顶部开放通道30的远端52，可将抽吸提取和过滤系统形式的捕获装置设置为与横向的顶部开放通道30中的流相接触，随后由使用者操作去除一些液体，同时还提取(或收获)悬浮液中存在的固体生物有机体。过滤系统还涉及使用布置在图4中所示的工作平台60上的低固含量水泵与某种筛网、过滤器或其他分离膜的组合以捕获生物固体材料，在此之后过滤系统将提取水经由低固含量水泵释放回到上游的流动通道12的远端52中，如前文所述和如图4和6中所示的。

在替代性实施方式中，捕获和分离步骤可通过重力分离乃至通过离心或涡旋设备实现，例如小型阿法拉伐(alfalaval)牌离心机，以脱水藻类产品。操作者也可在此时添加可能有助于将固体与液体分离的特定试剂，例如使用凝聚剂或絮凝剂。随后将分离的湿渣滤饼从分离装置中取出以进一步干燥，在图5中显示了湿渣污泥58的典型实例。经过滤和干燥的固体材料将随后经历其他处理步骤，诸如纯化、分类和包装等，然后投入商用。

系统的操作者需要在整个流动通路10上保持流体和悬浮固体的流动具有预定最大深度和预定最小速度。预定最大深度足以使光基本一直穿透流动通路10中的流以优化生物有机体的光合作用培养条件。对于悬浮在示例性流中的藻类生物固体载荷类型(小于约4％w/v或4g/l)来说，通常所用的流体深度小于约0.5米和多于约0.2米。根据需要，可使用自动监控流深度和浊度的设备，以及用于通过添加或去除水来调节这些流参数的响应控制系统。

预定最小速度需要足以保持流体中存在的固体生物有机体悬浮而不沉降，对于预期的悬浮在示例性流中的藻类生物固体载荷(即小于约4％w/v或40g/l)来说，其可用范围是大于约0.3米/分钟并小于约1.0米/分钟的速度。流深度、速度和通道宽度的参数将确定通过流动通路10所需的基本均匀流率(立方米/分钟)，而该值又将确定从在横向的顶部开放通道30中的水流中捕获和分离生物固体材料并随后将水向上游返回到流动通道12的步骤中所用的低固含量水泵的体积容量。根据需要，可使用监测体积流率的设备，以及用于调节泵速的响应控制系统。

参考附图，特别是图11，显示了两个连续相连、基本平行、相邻的顶部开放通道形式的流动通路70(显示为部件编号12a和14a)。在所有方面，这些通道类似于通道12、14、16、18、20、22、24和26，后者已在前文中针对例如图8中较早显示的藻类培养系统实施方式进行描述。

为避免不必要的重复，在本说明书中，具有与先前已进行描述的实例或实施方式的类似功能的类似部件应当给予相同的部件编号，但是在其后添加字母“a”。

在使用中，顶部开放通道14a形成了流动通路70的最后阶段。其远端50a接近于第一通道12a的远端52(但是不经由通道与后者直接流动流体接触)。顶部开放通道12a的远端50a是在流动通路70中进行培养生物有机体的物理收获的一般位置。

在一个非限制性示例性实施方式中，当从相对的通道侧壁34a、36a中每个的上表面边缘38a、40a测量时，顶部开放通道12a、14a中每个的横向宽度为5米。平行顶部开放通道12a、14a中每个的端距为约50米。包含悬浮生物有机体和藻类的流体在整个流动通路70中的平均停留时间远短于前文所述的蛇形实施方式。

培养生物有机体的方法类似于前面给出的关于流动通路10的描述。为保持再循环，将低固含量水泵90(图9)坐落于流动通路70的壁上(或者可在周围地面32a上)，并被布置用于从顶部开放通道14a的远端50a抽取水流，随后经由软管92将该流排放到通道12a的相邻远端52a中。在其他配置中甚至可以通过地下管路的方式连接两个通道12a、14a，所述地下管路连接至位于通道12a、14a的相应远端52a、50a处的地面集水坑80、81。

水的向前流动以箭头“a”的方向顺序通过流动通路70的各个顶部开放通道12a和14a，随后再循环回到通道12a中，以此类推。当系统中的水再循环时，所添加的营养物、大气二氧化碳、阳光和流体流的搅动的组合促进了持续悬浮在流动水中的生物有机体的生长培养。水由低固含量水泵90驱动的沿流动通路70的单相流动在整个流动通路70上以基本均匀的流率运输水和悬浮固体流。水和悬浮固体流可在该闭环系统中持续地连续再循环，由此为生物有机体提供足够的停留时间以便连续地在同一流动通路70中生长和收获，并且使用了本质上为“分批”式的培养操作，后者具有产品纯度和水质控制的益处。

在顶部开放通道14a的远端50a处，抽吸提取和过滤系统形式的捕获装置94可被设置为与流相接触，随后由使用者操作以去除一些液体，同时还提取(或收获)悬浮液中存在的固体生物有机体，在此之后过滤系统将经提取的水向上游释放回到流动通道12a的远端52a中，如前文所述的。

这种具有两个流动通道12a、14a的流动通路70可用作作为培养生物有机体的系统的一部分使用的独立通路，或者其也可形成模块化系统的一个基础单元，所述模块化系统被布置用于具有连接在一起使用的数个这种流动通路，如现在将描述的。

现在参考图12，显示了串联布置的四个相同流动通路70、71、72、73，其用于将包含营养物和悬浮在该流体中的生物有机体的流体流以流动方向(其也以箭头“a”标明)从流动通路70、71、72、73中的一个运输到下一个。该系统中的流体通过泵83来运输，所述泵被布置为与所有四个流动通路70、71、72、73流体连通，并且位于流体返回管线86上,所述流体返回管线86经由软管从流动通路73的通道14a的集水坑81出口延伸回到流动通路70的通道12a的集水坑80的入口。四个流动通路70、71、72和73中的每个也通过一定长度的管路或软管84连接到紧邻的流动通路70、71、72和73，所述管路或软管84通过连接到低固含量水泵85的管路在其间延伸，所述低固含量水泵坐落于各个流动通路70、71、72、73之间的地面32a上，并且布置为用于从顶部开放通道14a的远端50a提取出水流，随后经由软管92将该流排放到下一相邻流动通路的通道12a的相邻远端52a中。在其他设置中甚至可以通过地下管路来连接通道，所述地下管路连接到位于通道12a、14a的相应远端52a、50a处的地面集水坑80、81。

在其他实施方式中，这些两通道流动通路70、71、72、73中的任何数量可被设置为通过促动泵85和位于返回管线86上的泵83而流体连通。这些泵可连续操作以再循环液体和营养物流一个接一个地通过流动通路70、71、72、73中的每个，由此使得流动通路70、71、72、73可串联操作并有效地成为单一藻类生长反应器的多个阶段。如果连续再循环闭环系统由使用者设置，则生物有机体可连续地在流动通路70、71、72、73中的任何中生长和收获。

在藻类种植操作中，在同一时间生长多种不同菌种藻类的能力对于符合消费者需要来说是有用的。动物畜用饲料可包含多种不同藻类产品的掺和物，例如包含高油、高蛋白或高碳水化合物的那些。这些中的一些是快速生长的，而其他可能耗费更长时间来成长。

用于使用单向流动通路来培养生物有机体的模块化系统的使用为使用者提供了一种简单的方式以调整在流体通过其移动时可用于特定藻类生长的停留时间。某些藻类产品可能仅需要通过使用两个相连的流动通路(每个流动通路包含两个流动通道)再循环液体、孢子和营养物一小段时间来生长，随后即可收获。在其他情况中，较慢生长的产品可能需要经过更多数量的相连流动通路来成长。本发明的可重构的设备为使用者提供了单独和同时培养不同产品的能力。与需要停止整个设施以切换到生长新产品的现有技术操作相比，这也允许使用者相当快地提高某些藻类的产量。没有任何现有技术系统具有这种对多种藻类物种操作的灵活性。

实验结果

培养生物有机体的实验结果已由发明人使用根据本公开的图9-11的流动通路实施方式得到。在该流动通路中，两个连续相连、基本平行、相邻的顶部开放通道的横向宽度为5米，每个平行顶部开放通道的端距长度为约50米。

图13显示了当流体通过该系统时，藻类生长速率(g/l/hr)随流体速度(m/s)变化的测量结果。图13还显示了泵的功耗(瓦特)随同一流体速度(m/s)的变化。

图14显示了当流体通过该系统时，藻类生长速率(g/l/hr)随流体流率(l/hr)变化的测量结果。图14还显示了泵的功耗(瓦特)随同一流体速度(m/s)的变化。

结果表明，在流动通路中存在这样的(液体和悬浮固体的)速度：在该速度下藻类的生长速率最优化，随后经历平台期，因此将流体速度(以及所得的功耗)提高到该点以上没有任何益处。对于预期的藻类生物固体载荷(即，小于约4％w/v或40g/l)来说，这一最小速度(约0.4m/s)看起来足以保持流体中存在的固体生物有机体悬浮而不沉降。由于流动通路的通道内的流体横截面和深度相当恒定，因此还观察到最佳的藻类生长速率对应于约40,000l/hr的液体流率。

结果还表明，当流动通路中所用的速度和流率进一步提高时，生长速率平台开始下降，这可能表示藻类最终被过度泵送破坏，并且泵送的操作成本变得高的离谱。

图15显示了当流体通过该用于培养生物有机体的系统时，藻类生长速率(g/l/hr)随流体深度(m)变化的测量结果。

结果表明，过浅或者过深的流体深度对于藻类生长速率来说都不是最佳的。当池塘深度很浅时，流体的流动非常容易因沿流动通路底板的表面力而过于紊乱，并且藻类生长被干扰。当池塘深度过深时，很可能其不能允许光基本一直穿透到流通通路的流中而优化生物有机体的光合作用培养条件。介于0.2和0.5米之间的某个流体深度对于本实施例中的藻类的预期生物固体载荷(即，小于约4％w/v或40g/l)来说是理想的。

发明人已开发了用于培养藻类的系统和方法，其使用沟道式流动通路，所述流动通路包括一个，两个或多个互相连接的狭长通道模块化系统，其中流体被泵送通过其中，这导致相对于已知现有技术的许多操作优点。

在wo2014/197919中所描述的一个现有技术实例中，藻类的过度-泵送和破坏是使用所要求保护的藻类生长反应器构造的实践结果，本申请人所知的现有技术系统在技术上和商业上的使用都是失败的。商业失败的另一个因素是泵送的操作成本被证明是非常高的。现有技术藻类生长反应器的目的是在流动流开始时提供生物材料(诸如孢子)和水流的输入，以及在同一水流动流的端部区域(或收获区)去除藻类——换言之，对于这种“端到端”系统的最佳操作，在藻类通过整个系统并到达进行物理去除的收获区时，其必须完全形成和准备好被收获。在该点处，随后将留在流动流中的水通过狭长、小管道直接泵送返回位于迷宫式反应器远端的流动流的开始处。

wo2014/197919的专利申请人尝试通过利用具有沟道(或者迷宫样，或者蛇形)构造的流体流动通路来减小藻类形成反应器的尺寸，所述构造在沟道的多个通道上建立多个藻类生长区域/区。使用互连泵的布置为沟道的某些部分提供了预定水平的流体流再循环，从而产生了反应器操作区(为一个或两个生长区以及收获区)。使用泵进行流体再循环的目的在于根据需要实现流体和藻类在不同反应器生长区的特定停留时间。例如，在沟道第一阶段中的高再循环比提供了足够的停留时间以进行藻类的快速早期生长。然而，除了过高的泵运行成本之外，同一区内水-藻类流的过度泵送还有物理破坏所生长的藻类的作用。

同一现有技术系统也遇到以下问题：如果藻类在到达收获区时没有完全形成和准备好被收获，则没有机会允许其进一步生长，例如，通过将半形成的植物材料和液体返回到沟道的生长区而不会通过狭长、小的管道围绕沟道外周被泵送回流动流起始处。例如，在阳光变得有限的某些日子里(诸如阴天或暴风雨天气)，则必须降低现有技术系统中藻类和液体的流率以补偿因阳光少所致的预期降低的藻类生长速率。当然，较少的流可能会达到液体速度不足以悬浮部分形成的藻类的程度，这样的固体会在通道中沉降，因此阻塞沟道。保持藻类在沟道中悬浮的另一种可能方式可以是提高再循环泵的流的速率，但是这也将具有不利操作结果(已被描述过)。控制该现有技术沟道系统响应于天气的操作充满了困难。

使用沟道构造的藻类生长反应器也是已知的，但其不连续再循环流，也不连续收获生物质。在这样的非再循环系统中，始终沿沟道系统长度的相对稳定和悬浮的生物质浓度可通过使流以最小速度移动来实现。然而，当藻类生物质沿沟道路径移动时，其可快速生长。

在具有固定通道尺寸(宽度和深度)的非再循环沟道中，为保持光合作用藻类以最佳速率生长，将流稀释可有助于阳光穿透流，并且确保存在足够的水，以使得不断增长的藻类质量可保持悬浮。当在这种类型的沟道系统中必须对流进行稀释时而不是提高流速时(后者可提高浊度，这对于藻类生长是不合适的)，生物质的稀释也可通过如下方式实现：不改变流速，而是使用连续变宽或变深的沟道通道部分。

这样的现有技术系统具有以下缺点：除了泵操作成本过高之外，还有大规模的资本设备成本。

本发明人现开发了一种用于在流体围绕其泵送的流动通路中培养藻类的系统和方法，其具有以下有利特征和成果中的至少一些：

·使用单向开放通道流动通路提供了在使用期间移动流体对空气和阳光的暴露，并且提供了足够长的停留时间以供藻类或其他生物有机体成长和生长；

·使用开放通道流动通路允许操作者设定流体深度，由此使得光能够穿透流以优化培养光合作用条件；

·通过在流动通路的全长上以基本相同的流率(经计算其对应于最小流速)泵送流体流确保了没有残留固体沿流动通路的长度留下或沉降；

·通过对整个流动通路使用单个泵送位置且以基本相同的流率泵送流体流通过流动通路，这意味着本发明的系统不像现有技术系统那样复杂，这是因为不需要循环或再循环侧流的辅助泵送，因此使用相对少数量的泵，本发明的系统使用较少的能量，因此操作成本较低；

·对于流动通路使用单个泵送位置并且将该泵送位置布置在从收获培养生物有机体的步骤返回到流动通路的残留液体流动流中，这意味着泵送步骤几乎不会或不会对收获的生物有机体造成损坏；和

·使用蛇形形状的流动通路最小化了场地面积，并且操作连续循环的闭环系统也意味着流动通路中水污染的风险低于允许来自外部输入的不断变化的流组成的开放系统。

在前述某些实施方式的描述中，为清楚起见使用了特定术语。然而，本公开并非意图限制于所选择的特定术语，应理解每个特定术语包含以类似方式操作以实现类似技术目的的其他技术等同物。诸如“上”和“下”、“之上”和“之下”等的术语可用作方便术语以提供参考点，其不应被解释为限制性术语。

在本说明书中，词语“包括”应被理解为其“开放式”含义，即，含义为“包含”，因此不应限制于其“封闭式”含义，即“仅由……组成”。在使用时，相应的含义也适用于相对应词语“含有”、“具有”和“涵盖”。

关于可享有共同特性和特征的若干实施方式提供前述说明。应理解任一实施方式的一个或多个特征可与其他实施方式的一个或多个特征结合。另外，任一实施方式中的任何单一特征或特征组合可构成其他实施方式。

此外，前文中仅描述了本发明的一些实施方式，并且可对其作出改变、修改、增补和/或变化而不会背离所公开的实施方式的范围和精神，实施方式为说明性而不是限制性的。

此外，本发明以结合目前被认为最实用和优选的实施方式进行描述，应理解本发明并非限制于所公开的实施方式，而是相反，其意图涵盖本发明精神和范围内所包含的多种修改和等同布置。而且，上面所述的多个实施方式可与其他实施方式联合实施，例如，一个实施方式的方面可与另一个实施方式的方面相结合以实现又一个实施方式。另外，任何给定组件的每个独立特征或组分可构成其他的实施方式。