专利名称：在藻类培养系统中维持微拟球藻优势和提高其生物量生产的系统和方法
技术领域：
本发明涉及藻类培养系统，更特定涉及在藻类培养系统中维持微拟球藻 (Nannochloropsis)优势和提高其生物量生产的系统和方法。
背景技术：
微拟球藻培养物会受到竞争物种和捕食者的污染。优化微拟球藻生长的藻类培养系统以提高其对竞争物种和捕食者的抵抗力，使得微拟球藻培养物崩塌或坠落减少。维持微拟球藻的稳定大规模培养物能在最大程度上聚积生物量。这种生物量的聚积对于生物燃料和具有更高价值产品的生产是高度有利的，所述产品包括但不限于动物饲料、鱼食配方、 类胡萝卜素、多不饱和脂肪酸(“PUFA”)、以及美容和医药工业的产品。本文描述了实现这些目的的示范性实施方式。发明概述提供了在藻类培养系统中维持微拟球藻维持和提高其生物量生产的系统和方法。 示范性的方法包括施用有效量的臭氧给藻类培养系统中生长的微拟球藻属。有效量的臭氧使得进入藻类培养系统的入口流中臭氧起始浓度约0.1微克/升-10微克/升。入口流可包括含有微拟球藻、捕食者和/或侵入者的现有藻类培养物。另一种方法可包括在流入藻类培养系统的入口流中施加超过10微克/升或更高的休克量的臭氧。各种示范性实施方式可包括在藻类培养系统中维持微拟球藻维持和提高其生物量生产的系统。该系统可包括处理器和含处理器执行指令的计算机可读存储介质。由处理器执行的指令使处理器在藻类培养系统中维持微拟球藻优势和提高其生物量生产。处理器与计算机可读存储介质连接。处理器执行计算机可读存储介质上的指令，以施加有效量的臭氧到流入藻类培养系统的入口流(可用ORP计测量)。处理器还可执行本文所述其它指令，并仍包括在所考虑范实施方式的范围内。附图简要说明
图1显示了使用臭氧维持藻类培养系统中微拟球藻优势和提高其生物量生产的示范性方法的流程图。发明详述通过利用出乎意料的发现，即微拟球藻与其竞争物种(或侵入者)和捕食者相比对臭氧有较高的接触耐受，本文所述的示范性系统和方法优化了用于微拟球藻优势的藻类培养系统。另外，本文所述的各种系统和方法使微拟球藻生物量生产最大化，这对于大量应用例如生物燃料的生产是高度有利的。图1显示了示范性方法100的流程图，所述方法使用臭氧维持藻类培养系统中微拟球藻优势和提高其生物量生产。在任选的步骤105，在藻类培养系统中接种微拟球藻前，可调节藻类培养系统的臭氧浓度。这样的步骤可视作预防性措施。可通过送入藻类培养系统的入口流调节藻类培养系统的臭氧浓度。例如，可用配有液压泵、文丘里装置和空气干燥器的市售臭氧发生器在入口流中加入臭氧。入口流可包含淡水、盐水或其混合物。入口流还可包含微拟球藻、捕食者和/或侵入者。在入口流中加入有效量的臭氧可使得进入藻类培养系统的入口流中臭氧起始浓度为约0.1-10微克/升。在步骤110，用微拟球藻接种藻类培养系统(注意如果微拟球藻已经存在，可跳过步骤110，例如具有微拟球藻的现有池塘、容器、光合生物反应器等)。根据各个示例性实施方式，藻类培养系统可以是开放池塘、封闭池塘和/或光合生物反应器。另外，微拟球藻培养物可包含微拟球藻属的一种或多种菌株。室外的微拟球藻培养物可从添加起始的少量纯微拟球藻单种藻(基本上不含多余的污染生物)开始。可在受控的环境，如实验室或封闭系统中产生这类接种物。可将接种物引入更大体积的水中，其中选择的预定臭氧浓度(例如使用本文所述的步骤105)对于微拟球藻生长最佳和/或对于竞争菌株次优。在步骤115，微拟球藻在藻类培养系统中生长。根据各实施方式，微拟球藻培养物生长可能需要光(天然或人工供给)以及营养物质。其它参数如PH应在可接受的范围内。 微拟球藻生长所需的典型基本元素可包括碳、氧、氢、氮、硫、磷、钾、镁、铁和痕量的数种其它元素。微拟球藻生长所需营养物质可包含于水中、随后在稀释水中提供或独立于稀释水提供，其浓度足以允许微拟球藻生长并达到所需的最终密度。产生指定微拟球藻密度所需的营养物量可由该营养物质的细胞限额确定。即通过由营养物质所含元素组成的藻类干重的百分比确定。所述细胞限额的倒数称为该营养物质或元素的藻类生长势。例如，如果所需最终密度为1克/升，考虑的微拟球藻株系在其生物量中包含10%氮(即细胞限额为 0. 1)，则培养物中的氮原子初始浓度应至少为0. 1克/升。可对所有营养物质进行相同的计算以确定其在培养物中的初始浓度。在各种实施方式中，可对各种用于大规模培养藻类的系统进行微拟球藻生长优化。可通过改变混合强度和设备的光学深度调整微拟球藻可接触的时间平均光强度。在板形模块化光合生物反应器中，后者可通过控制两个连续板之间的距离来进行。另一方面，开放池塘中的光学深度可以是池塘深度。类似的，密闭光合生物反应器中的温度可通过间接热交换精确控制。在开放的池塘中，可通过调节培养物深度控制温度。2-10天后，微拟球藻根据光强度、温度和起始接种大小可到达生产操作密度。一旦微拟球藻生长到所需密度，根据一些实施方式，可将其移出(可用新的接种物开始新的培养)，或可根据指定的方案或比率将其稀释。在所述第一种情况中，可以分批模式进行培养，可能需要进行频繁的再接种。在所述后一种情况中，可根据进行稀释的方式以连续或半连续方式进行培养。例如，假设所需稀释率为每天50%培养物体积，培养物稀释可通过若干技术中的一种或多种进行。培养物稀释可以恒定或可变的比率在全天(或全天的一部分)中连续进行。或者培养物稀释可以每天一次(即每天在短时间内移出50%的培养物，并用新的生长培养基代替)的半连续、每天两次(即每次移出25%的培养物，每天在不同的时间进行两次)的半连续或全天中以任何其它所需频率的半连续方式进行。在一些实施方式中，培养物稀释可包括从生长系统中移出微拟球藻培养基(无论是在开放池塘还是封闭的光生物反应器中)，并用新鲜培养基代替这部分，所述新鲜培养基可包含足以供微拟球藻在两次连续稀释之间生长的所有营养物质。在步骤120中，用微拟球藻接种藻类培养系统后且微拟球藻生长到所需密度(例如步骤110和步骤115所述)后，可观察藻类培养系统(例如裸眼观察、显微镜检、和/或分析观察，包括取样并分析)。这种观察和采样可每分钟、每小时、每天、每隔一天、每周三次、每周、和/或以任何其它合适的间隔进行。与该过程相关，可指定一个或多个测定值作为捕食者和/或侵入者相较微拟球藻的实际和/或所需密度或优势的相对水平或量。在步骤125，测定藻类培养系统中的微拟球藻优势是否受到捕食者和/或侵入者的挑战。基于这种测定，可决定是否调节藻类培养系统中的臭氧浓度。如果捕食者和/或侵入者的水平或量低于预定水平，藻类培养系统的臭氧浓度可能不需要步骤130和/或步骤135所述的调节，可如步骤120所述继续观察藻类培养系统。在步骤130中，如果捕食者和/或侵入者的水平或量超过实际或所需水平，可调节藻类培养系统中的臭氧浓度。可通过送入藻类培养系统的入口流调节藻类培养系统的臭氧浓度。例如，可用配有液压泵、文丘里装置和空气干燥器的市售臭氧发生器在入口流中加入臭氧。入口流可包含淡水、盐水或其混合物。入口流还可包含微拟球藻、捕食者和/或侵入者。在入口流中加入有效量的臭氧可使进入藻类培养系统的入口流臭氧起始浓度为约 0.1-10微克/升。在步骤135中，如果捕食者和/或侵入者的水平或量超过实际或所需水平，可通过施加有效“休克”量的臭氧调节藻类培养系统中的臭氧浓度。可通过送入藻类培养系统的入口流调节藻类培养系统的臭氧浓度。在入口流中加入有效量的臭氧可使进入藻类培养系统的入口流臭氧起始浓度高于10微克/升。通过本文所述实验观察到的意外结果是接触极高水平臭氧(高于30微克/升)的微拟球藻培养物恢复(即微拟球藻培养物未被杀死)， 只要臭氧的接触不延长。特别是，当对藻类培养系统施加高浓度臭氧(例如高于10微克/ 升)时，微拟球藻在加入臭氧的最初两天内会显示0产率，然后在接下来的数日内显示生长，直到恢复正常产率。注步骤130和135可以交替或轮流方式进行，只要能正确观察臭氧浓度。如果对藻类培养系统施加有效量或有效休克量的臭氧，可进行处理后观察。通常如果微拟球藻的密度或优势上升，可以推定施加臭氧是有效的(即为有效方案)。如果微拟球藻的密度或优势降低，可以推定施加有效量的臭氧无效(即无效方案)，并考虑施加第二
有效量的臭氧。各种实施例可包括在藻类培养系统中维持微拟球藻优势和提高其生物量生产的系统。所述系统可包括通讯界面、计算机可读存储介质、处理器、臭氧施加装置例如臭氧发生器和相关设备。计算机可读存储介质还可含有由处理器执行的指令。由处理器执行的指令使处理器在藻类培养系统中维持微拟球藻优势和提高其生物量生产。例如，处理器可执行计算机可读介质上的指令，以在流入藻类培养系统的入口流中施加有效量或有效休克量的臭氧。处理器还可执行本文所述其它指令，并仍包括在所考虑实施方式的范围中。另一个实施方式可包括含有计算机可读编码的计算机可读存储介质，该编码用于操纵计算机执行在藻类培养系统中维持微拟球藻优势和提高其生物量生产的方法。例如，所述方法可包括在流入藻类培养系统的入口流中施加有效量或有效休克量的臭氧的步骤。计算机可读存储介质的例子可包括盘片、记忆卡、服务器和/或计算机盘。可由处理器收回并执行指令。指令的一些例子包括软件、程序编码和固件。当由处理器执行时指令通常是可操作的，以指导处理器根据本发明的实施方式操作。虽然各模块可配置成进行一些或全部本文所述的各种步骤，可提供更少或更多的模块且仍然属于各种实施方式的范围内。
实施例在下列实施例中，微拟球藻在佛罗里达韦罗海滩的户外开放的三平方米的池塘中生长。韦罗海滩的气候为半热带，具有温和凉爽的冬天和炎热潮湿的夏天。这样的气候对于维持户外藻类培养物稳定且生产是个挑战。温暖的夜间促进原生动物、轮虫以及甲壳动物生长。湿度引起竞争性藻类空气传播，因此提高了侵入率。实施例1用配有液压泵、文丘里装置和空气干燥器的市售臭氧发生器在藻类培养系统中加入臭氧。所用的机器是每小时能产生10克臭氧的小型机器。通过发生器的液体流速为约 16升/分钟。当在最大臭氧发生的50%时，穿过臭氧发生器一次后液体中的臭氧浓度为 4. 6mg/L,而在 100 % 时是 9. 6mg/L。启动两个三平方米的池塘，从更大的池塘中取出5001培养物，使其通过臭氧发生器一次。一个池塘开始时臭氧机设定在50%，另一个池塘开始时臭氧机设定为100%。原始藻类培养物有许多微拟球藻团、细胞碎片、各种硅藻和一些纤毛原生食草动物。穿过臭氧发生器一次后，仅有微拟球藻的单细胞存活。团块完全破碎，硅藻和原生食草动物被杀死， 细胞碎片被氧化。两种藻类培养物生长两日而不稀释，但加入营养物，以观察臭氧处理是否改变了培养物的生物量生产和随后的稳定性。批量生长2日后，每日每个池塘稀释1/3，每日用臭氧发生器重新循环30分钟。在该时间期，处理约500L或相当于1体积。如上，通过一个池塘时机器设定为50%，另一个设定为100%。该处理持续三天，此时两个池塘的生物量生产大致相当，比对照池塘的水平高20 %，未显示来自臭氧的任何有害影响。实施例2利用能产生10g/h臭氧的干燥空气送料臭氧发生器原位装配臭氧滑道。该测试的目的是为了证明臭氧消毒效果和微拟球藻对臭氧浓度的抗性。小泵与系统连接，通过Mazzei气体到液体注入器在液体循环管线中加入臭氧，其流速可以是在15-25psi压力范围内的13. 2-28. 351pm0在流速为20psi下13. 2和15. 61pm 时，对盐度为20-24ppt的池塘D4 (3m2表面积)、MP1 (3m2表面积)和25A (25m2表面积)进行了测试。臭氧机装有可变转化器，能够在0-100%之间改变臭氧剂量。在臭氧浓度为25%、 50^^75%和100%时，以流速为13. 2和15. 61pm进行了测试。这些流速下的各臭氧剂量列于下表。
权利要求
1.一种用于在藻类培养系统中维持微拟球藻优势和提高其生物量生产的方法，其特征在于，所述方法包括对藻类培养系统施加有效量的臭氧。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，有效量的臭氧使得进入藻类培养系统的入口流中臭氧起始浓度约0. 5微克/升-10微克/升。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述入口流还包括微拟球藻。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述入口流还包括侵入者。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述入口流还包括捕食者。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括视觉观察藻类培养系统中捕食者或侵入者的存在。 、
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在如果捕食者或侵入者的存在危及藻类培养系统中生长的微拟球藻优势时，施加有效量的臭氧。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有效量是休克量的臭氧，使得进入藻类培养系统的入口流中臭氧起始浓度高于约10微克/升。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述入口流还包括微拟球藻。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述入口流还包括侵入物。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述入口流还包括捕食者。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻类培养系统包含海水。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻类培养系统包含淡水。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻类培养系统包含海水和淡水的混合物。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻类培养系统是光合生物反应器。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻类培养系统在开放的池塘中。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻类培养系统在开放的容器中。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻类培养系统在密闭的容器中。
19.一种用于在藻类培养系统中维持微拟球藻优势和提高其生物量生产的系统，其特征在于，所述系统包含处理器；包含处理器执行指令的计算机可读存储介质，所述指令使处理器维持藻类培养系统中微拟球藻优势和提高其生物量生产；其中处理器与计算机可读存储介质连接，处理器执行计算机可读存储介质上的指令，以对藻类培养系统中生长的微拟球藻施加有效量的臭氧，其中有效量的臭氧使得流入藻类培养系统的入口流中臭氧起始浓度约为0. 5-10微克/升之间。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述入口流还包括微拟球藻。
全文摘要
提供了在藻类培养系统中维持微拟球藻优势和提高其生物量生产的系统和方法。示范性的方法包括对藻类培养系统中生长的微拟球藻施加有效量的臭氧。另一种方法可包括在流入藻类培养系统的入口流中施加超过10微克/升或更高的休克量的臭氧。各种示范性实施方式可包括在藻类培养系统中维持微拟球藻优势和提高其生物量生产的系统。该系统可包括处理器和包含处理器执行指令的计算机可读存储介质。由处理器执行的指令使处理器在藻类培养系统中维持微拟球藻优势和提高其生物量生产。
文档编号C12M3/00GK102348793SQ201080012755
公开日2012年2月8日 申请日期2010年2月4日 优先权日2009年2月4日
发明者D·赖斯, G·拉达埃利, J·韦斯曼 申请人:奥罗拉生物燃料股份有限公司