使用固定化藻类生产和收获藻类生物质和产物的方法

使用固定化藻类生产和收获藻类生物质和产物的方法
【专利摘要】提供了组合物、物品、设备、方法和系统用于固定化在一种载体上的藻类在一种气体环境中的生长、并且用于后续的收获和生物质处理，该气体环境提供了获取二氧化碳源和光源的途径。
【专利说明】使用固定化藻类生产和收获藻类生物质和产物的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年6月13日提交的美国临时申请号61/496，171并且标题为“关于藻类生物质的组合物、物品、设备、方法和系统”的优先权，出于所有目的将其全部内容通过引用结合在此。
【技术领域】
[0003]本发明涉及关于藻类生物质的组合物、物品、设备、方法和系统以及藻类生物质的用途。
【背景技术】
[0004]全球对石油需求的增长导致了两个主要问题:价格增长，以及由于大气中释放的二氧化碳(C02)、一氧化碳(CO)、和其他有毒气体造成的日益增加的空气污染。最近，在湿润培养中单细胞藻类的生长已经被提议用来生产藻类生物质，这些藻类生物质包括能够转化成商业上有用的生物柴油的脂类，或者可以转化成醇类的生物质。已有报道55种被调查的微藻物种的脂类含量的平均值为23%。当使用来自藻类而非来自石油的生物柴油时，碳平衡得到改善，因为藻类生物质消耗大气中的碳利用天然太阳光能量来产生其脂类含量。
[0005]已知的制造藻类燃料的工艺的商业化遭受各种问题。开放池生产系统在一些地理区域中是可实践的，但是其他区域不行。已知的封闭的具有较高光合作用效率的光生物反应器正在被开发和评估，但是似乎远远不能商业化。已知的生长和收获过程显现为能源密集、水密集、并且昂贵的，因此希望找到解决一个或多个这些缺陷的方案以便可以大规模地、成本有效地生产藻类生物质和所得燃料。

【发明内容】

[0006]本披露描述了涉及关于藻类生物质的组合物、物品、设备、方法和系统以及其用途的若干实施例和实施例的多个方面或特征。
[0007]在一个方面，本披露是一种培育和收获藻类生物质的方法。该方法包括将藻类细胞用于一种基底以便在基底内或之上生长。该基底和藻类可以处于包含二氧化碳和水的一种气体环境中，用以支持藻类的生长，包括用以水化藻类。可以将液体施加于该基底以进一步水化该藻类。可以将营养物施加于该基底以供给该藻类。在将营养物施加到基底之前的一段时间可以减少施加该液体至基底，并且在将营养物施加到基底之后的一段时间可以减少施加该液体至基底。可以施加光到藻类和基底以支持藻类的生长。
[0008]其他实施例及其多个方面或特征包括结构、组合物、方法学、和执行以上所述的方法实施例的手段。另外尽管披露了具有多种要素或方面的多个实施例，但是从以下显示并且说明了本发明的示例性实施例的详细说明，本发明的其他实施例、要素、和方面对于本领域的普通技术人员将变得清楚。因此，附图和详细说明本质上被认为是示例性的而不是限制性的。【专利附图】

【附图说明】
[0009]图1是本披露的一种物品、设备、方法和系统的一个实施例的不意图。
[0010]图2是提供一种液体储存器的一个基底夹子的一个实施例的示意图。
[0011]图3是在其上有孔穿过的一种基底的一个实施例的不意图。
[0012]图4是使用展开和卷起来的滚轴的一个实施例的示意图。
[0013]图5是近似于图4所示实施例的一个实施例的示意图。
[0014]图6是使用一个连续环的一个实施例的示意图。
[0015]图7是近似于图1和6中所示实施例的一个实施例的示意图。
[0016]图8是近似于图1、6和7中所示实施例的一个实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0017]本披露的具体实施例如下描述，包括与培育和(否则的话)处理藻类细胞和微藻细胞(或藻类)相关的组合物、物品、设备、方法和系统实施例。这些实施例和它们不同的要素只是本披露的技术的实例。应理解，在任何这种实际实施的开发中，如在任何工程或设计计划中，可以做出很多具体执行决定以实现开发者的具体目标，例如符合系统相关的和业务相关的规定，这些可以对于每个执行都不同。另外，应理解，这样一个开发工作可能会耗费很多时间，虽然如此，但是将会是受益于本披露的那些普通技术人员的一项设计、制造、和生产的常规事业。
[0018]当引入本披露的各个实施例的要素时，冠词“一”、“一个”和“该”旨在表示有一个或多个这样的因素。术语“包含”，“包括”，和“具有”旨在是包括在内的并且表示可以具有没有列在此处的其他要素，并且并非旨在表示所包括的每一个要素都是必要的。另外，应理解的是，对于本披露的“一个实施例”或“一实施例”的引用并非旨在解释为排除也包括所列要素的其他实施例的存在。
[0019]图1展不了这样一个实施例:该实施例包括悬挂构件10,悬挂托12,提供气体环境的围场14或温室，生物质容器15，通过悬挂构件10和悬挂托12悬挂在围场14中的藻类生长基底片层16，以及用于将已经生长在基底16上的藻类转移到生物质容器15的收获装置17。悬挂构件可以是金属线或缆线，并且悬挂托可以是夹子，夹子握持着片层处于大体垂直位置，同时藻类在片层16上生长。
[0020]藻类可以是微藻和大型藻类。微藻的实例包括硅藻类(硅藻纲)，绿藻类(绿藻纲)，红藻类(红藻纲)，黄藻类(黄藻纲)，金藻类(金藻纲)，褐藻类(褐藻纲)，和眼虫藻。两种具体的微藻是斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)和小球藻(Chlorella vulgaris)。
[0021]作为悬挂托12的一个替代方案，如图2所示的单一悬挂托18可以握持或压紧片层16的两面的较大的表面积。另外，托18可以包括一个内部储存器，该储存器可以接收液体(例如水和/或营养物组合物)，并且将该液体提供至夹住的基底16以便液体可以靠重力流下基底以润湿藻类细胞，为它们提供营养物，或者既润湿藻类又提供营养物。
[0022]使用一种或多种先前记录的方法可以，例如，用来为温室14的每平方米占地面积提供80平方米或更多的藻类生长表面积。可以使用，例如十个基底16的组或模块。在进入自然光的温室中， 基底可以连接至能够将片层旋转以增加基底16上的藻类接触阳光的量的一个装置(没有显示)。
[0023]可以使用各种方法以将藻类细胞施加于基底16。一种方法包括将基底16浸入藻类细胞的容器中(没有显示)。另一种方法包括将藻类/藻酸盐悬浮液喷涂到基底16上(本文稍后显示)。当施用时，可以将藻类细胞悬浮于一种藻酸盐或其他凝胶中，或者可以用水或其他液体润湿以便藻类粘附于和/或留在基底16之上和/或之内。取而代之，藻类当施用于基底16时可以是干的或相对干的，并且将其随后在基底16之上和/或之内润湿一次。
[0024]营养物可以例如使用一种瞬间突增(spike)方法每天添加1、2、3或4次。营养物可以在一种基于水的营养物组合物的雾状或喷雾内被施加于基底和/或藻类。取而代之或另外，通过利用重力将一种营养物组合物从悬挂的基底10的上部流向下部而将其施加至悬挂的基底16。在施加营养物之前和之后，以上披露的向藻类提供水可以暂时中止以增加藻类对营养物的吸收。
[0025]可以在供给营养物溶液中使用一定量的大量营养物和微量营养物以便能够或者甚至优化细胞生长和分化。一些营养物包括碳(C)，氮(N)，磷(P)和钾(K)。碳可以从空气中或溶解在水中的二氧化碳提供。氮可以通过可商购的硫酸铵或硝酸铵提供。磷可以通过可商购的磷酸盐类或正磷酸盐类提供。钾可以通过可商购的硫酸钾、氯化钾或硝酸钾提供。这些元素可以用特定的比例提供或制备，例如C:N:P为200:10:1或300:5:2，这取决于每个物种的生长条件。N:P:K的比例还可以对于一组藻类与另一组藻类之间是不同的。例如，该比例可以是4:2:2或5:2:1。
[0026]另外，可以添加例如铜、锌、钥、钴、镁、锰、铁和其他元素的元素以适合所选的藻类物种。从所添加的营养物溶液中除去营养物之后可以监测从微藻生长基底16滤出的残余氮源。[0027]如在此所指出的，营养物可以间歇地提供，例如使用一种瞬间突增方法，而不是连续提供，从而有益于脂类合成过程和/或藻类细胞生产。提供营养物之间的时间间隔可以是，例如一个小时、六个小时，十二个小时，或更短的持续时间。
[0028]尽管藻类在围场内提供的气体环境下生长，但是在藻类生长期间可以向藻类提供足够的水。除了上面披露的使用一个储存器灌溉基底16的方法之外，可以通过雾化或喷雾液态水将水添加到基底16上或者添加到基底16的上部，从而使得重力引起雾化的或喷雾的水流向并灌溉基底16的下部。取而代之或另外，片层10周围的环境可以具有高的相对湿度，例如80%或更高或更低，以维持或向基底16上的藻类添加希望量的水。提供给藻类的水的量可以取决于藻类流失的水量或温室蒸发的水量。处于液相的水的递送和处于气相的水的递送可以配合以提供足够的水，并且如果希望的话，提供少量或不超过足量的水，这导致减少了预期递送给藻类的水的浪费和/或减少了对预期递送给藻类的光能和/或二氧化碳的阻断。施加给藻类但是没有被藻类使用的水，例如从基底16滴落的水或温室中凝缩的水，可以再捕获，如果希望的话将其进行过滤，并且再使用。
[0029]在藻类生长期间，二氧化碳浓度可以增加至高于空气中的标准浓度。例如，二氧化碳浓度可以是空气中的二氧化碳浓度的五倍、十倍或更高倍。另外，在一部分生长期间一个浓度在光被施加于藻类的情况下可以是每百万6000份，并且在该部分生长期间在更少的或没有光施加于藻类的情况下使用更低的浓度。
[0030]可以控制温室中的温度，也就是，保持基本上恒定或按照希望地来变化，或者可以随着温室外面的条件而改变。使用披露的实施例，接触或围绕藻类的气体和液体的温度，与涉及在一个池子或其他大量液体生长环境中培育藻类的方法相比，可以更加快速地(并且以更少的能量)升高或降低。还有，藻类的选择可以取决于温室温度的(和其他条件)的变化，例如某些藻类在更高的温度下比其他藻类生长更好。气体环境和/或所施加的液体的温度可以是，例如在10°c与35°C之间。一些藻类物种在16°C与27°C之间的温度下生长。该温度可以更加特定地是在18°C -20°C之间的范围内，但是可以变化。
[0031]向藻类添加水和营养物的周期的实例是:在0-9小时之内添加水；在9-10小时之内什么都不加；在10-11小时之内施加一种营养物组合物(可以包括水)；在11-12小时之内什么都不加；在12-21小时之内添加水；在21-22小时之内什么都不加；在22-23小时之内施加一种营养物组合物；在23-24小时之内什么都不加；在24-33小时之内添加水；在33-34小时之内什么都不加，以此类推。这个营养物组合物可以通过,例如液体的瞬间突增雾化、喷雾或流动到基底16上来递送给藻类种群。当希望时，藻类或一部分藻类可以按照在此详细披露的从基底16中收获。
[0032]在藻类生长期间，可以使用自然光和人工光中的一种或者二者。如所指出的，在一天中可以移动基底16以更好地利用阳光。使用一种或多种人工光源22可以连续地施加人工光，或者藻类可以暴露于一段或多段光照期和黑暗期(更少光或没有光)。这样的时期的一个实例是16小时光照期和8小时黑暗期。
[0033] 一种人工光的光源是荧光灯，其可以提供全光谱、部分光谱、选择光谱、或组合光谱。可以使用白炽光，例如发光二极管(LED)和高压钠灯。一些光源可以例如发射特定波长的蓝(400至500nm)、绿(500至600nm)、和红(600至780nm)光。人工光源可以按能够照射基底16上的生长藻类的方来式设置。可以将光源的位置选择为引导光垂直于藻类生长的基底16的表面上，或者可以选择为引导光更多地面向基底16的侧面。藻生长的亮度通常可以在20-400 μ mol/m2/秒的范围内，并且更加特定地是在80-140 μ mol/m2/秒的范围内。如在此所指出的，光暴露的时期和没有(或减少的)光暴露的时期，即光照期和黑暗期，可以在用(或不用)人工光源的情况下来采用。光照-黑暗循环的持续时间可以根据不同的藻类组而不同。一个这样的循环可以包括12至14小时的光照期。其他循环可以例如包括5小时的更短的光照期或19小时的更长的光照期。也可以调整黑暗期以便更好地适应正培育的具体藻类和/或生长过程的其他方面，包括使用能源。
[0034]另外，红光源，例如红光LED可以用于达到叶绿素a和b的第一个激发态。蓝光，例如蓝光LED也可以用做蓝光光子，提供比红光可见光光子高40%的能量。因为其他波长的光可以帮助调节细胞生长和代谢，同样可以使用其他波长的光源。可以闪烁光源以模拟光照/黑暗循环以防止或减少光抑制。因为通量密度和时间频率可以影响藻类生长速率，可以设置其中的每一个来适应生长的藻类。一种具体的方法可以涉及短持续时间的闪光(〈10 μ S)，其中黑暗间隔期长大约10倍(>100 μ S)。
[0035]在此披露了各种方法来解决光合作用的能效以及光可利用性的内在限制，例如由于用于湿润培养的容器内的上层藻类阻挡光造成的内在限制。也就是，光合作用的光抑制和弱光胁迫可以减少藻类生物质产生。另外，光合色素(叶绿素)可以展现出更优化的光吸收，例如，但不限于，在大约440和680nm波长处。具有全光谱覆盖的白光不能被完全吸收但是对于用作一种光源可以是合适的，然而在一些情况下部分光将被反射或作为浪费的能量被传输。在这两个波长附近提供的人工光源可以用作藻类生长可以使用的光效。
[0036]光传感器24可以用于用例如一种可编程的控制器(没有显示)感测光，可以被打开和关闭，和/或人工光的强度和波长可以根据例如感测的光强度、波长、基底16上(或附近)光暴露的持续时间、和/或希望的强度、波长和持续时间而改变。这种控制方法，通过在阳光充足期期间使用天然光并且在晚上、多云的天、或当希望不同强度、波长、和持续时间时使用补充的人工光，可以用于提供希望的光暴露和更加有效的能源使用。
[0037]太阳能收集器可以与以上披露的光源结合使用。也就是，天然阳光可以在温室或围场之内或之外收集，并且可以用于直接为人工光源供能或者给电池充电，然后电池可以为人工光源供能。
[0038]很多材料和配置可以用于基底16的实施例。基底16可以具有有利于接种、培育和收获藻类并且经得起此处披露的基底16的用途的一种结构和组合物。基底16可以是一种单一材料，例如单一纺织或非纺织的纤维层，一种筛网或格栅基底，单一非纺织基底的一个实例是纺粘型聚酯，例如可以从杜邦(DuPont)和其他公司获得的那种。另一个实例是纺粘型聚丙烯，例如可以从Johns Mansville和其他公司获得的那种。其他非纺织型可以是熔喷非纺织物和水刺非纺织物。
[0039]可替代地，基底16可以是几种材料的组合，例如多种纺织或非纺织纤维层、具有薄膜层的一种非纺织纤维层、以及具有格栅层的纺织或非纺织层。非纺织层的组合可以是由纺粘型聚丙烯或聚酯纤维制成的第一层和熔喷纤维制成的第二层。纺粘法可以提供强度，熔喷法提供容积以及更精细的其中可以存放更多藻类细胞的开放基体。格栅材料同样可以为一种组合纤维提供强度。格栅可以是具有例如I与IOmm之间间隔的尼龙格栅。
[0040]取而代之或除了以上指出的各种基底的实施例之外，基底16可以包括藻类可以在其上或内部生长的一个主要层(例如以上所披露的)以及提供对生长藻类的保护或防护或支持的一个薄的顶部覆盖层 (例如薄的非纺织层)。可以添加一个薄的底层以便进一步保护、防护或支持。顶层或底层还可以提供强度，非常像先前披露的实施例。一个这样的三层实施例可以是两个外层聚酯纺粘型非纺织层和它们之间的一纤维胶非纺织层。该纤维胶非纺织层可以提供亲水性，如其他非纺织材料包括基于人造纤维的非纺织物和基于其他纤维质的非纺织物可以提供的。该聚酯外层，为热塑性的，可以热结合，例如点结合以将该三层构造结合在一起。其他构造可以提供相似的结果，例如使用取代先前指出的纤维胶非纺织层的或在先前指出的纤维胶非纺织层之外的表面活性剂处理的熔喷非纺织层的一个构造。还有，不是多层基底，其他基底可以是单层构造，包括多纤维类型和/或组合物，例如纺粘纤维、熔喷纤维、热塑性纤维、基于纤维质的纤维、和其他纤维类型和组合物的混合物。
[0041]基底16可以是亲水的，如以上所指出的，可以使得基底16与水、藻类、和/或营养物组合物之间具有更好的粘附性。基底还可以具有有利于藻类生长的pH，例如4.5至11之间的范围。可以将基底16选择为避免或降低对藻类的任何毒性。
[0042]基底16的不同实施例的组合物和/或结构可以促成大量光暴露于藻类。基底16可以允许大量的和高比例的光传播到基底16之上、之内和/或穿过该基底，从而为基底16上或之内的大部分藻类提供大量的光。促成光暴露的因素包括，例如，组成基底16的材料的透明性或半透明性(并且，如果是半透明的，基底16的颜色可以是白色或另一种浅色)、以及组成基底16的材料的开放性。一个实例是包括白色纺粘聚酯纤维的基底。另一个实例是包括白色纺织聚酯纤维的基底。如果使用了一种聚合薄膜层与一纺织或非纺织层，该聚合薄膜层可以是透明或半透明的而允许光传播(并且，如果是半透明的，基底可以是白色或其他浅色)。
[0043]基底16的各种实施例的组合物和/或结构可以促成藻类大量暴露于二氧化碳。基底16 (例如一种纺织或非纺织纤维)的开放性使得例如二氧化碳等气体能够进入和/或通过基底16。如此处所披露的，环绕基底16和藻类的环境中的二氧化碳的浓度可以增加至高于空气中的标准浓度。尽管没有显示，例如可以从连接至二氧化碳供给处的一个或多个喷嘴，纯二氧化碳或具有高浓度二氧化碳的气体混合物流动到基底16之上、之内和/或通过该基底。除了二氧化碳，气态水也可以流动至基底16之上、之内或通过该基底。另外，气体中的一部分被强加通过基底16的气体可以用一个真空装置收集，作为除去藻类放出的氧气的一种手段以及控制温室中的气体组成的一种手段。
[0044]基底16可以具有对以上披露的方法的一个方面有利的其他方面，例如对藻类接种、生长和/或收获有利的。基底16A的一个实施例如图3所示。基底16A是在其上有孔穿过的非纺织纤维。这些孔可以增加气体、液体和阳光的通过。这些孔的一种形状可以是菱形，虽然孔可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形或具有某些其他形状。在一个实施例中，每个孔具有10.5毫米X 3毫米的尺寸(但图3中为放大显示)，相当于17.4平方毫米的空间。例如，一个实施例在具有58，500平方毫米的面积的片层上包括42个这样尺寸的孔，这些孔的尺寸、形状、间隔、和其他方面可以根据希望的进行改变。
[0045]用于润湿基底16或用于营养物组合物中的液体可以是水，例如自来水、过滤水、蒸馏水、去离子水、和/或废水。废水包括允许或甚至促成藻类生长的某些污染流出物，可以提供两种结果:保持藻类足够水化以及利用废水。从基底16滴走的任何废水可以处于更少污染的状况，这是藻类吸收水中的组合物的结果。为了利用富含营养物的废水，披露的设备和系统可以位于这样的废水源附近。
[0046]在从基底16收获细胞进行后续处理之前的生长期间可以是不同的时间长度。例如，第一次收获可以是接种三天之后。连续的后续收获可以是第一次收获之后每隔一天、两天或更多天进行。
[0047]图1中所示的每个收获装置17是由两个滚轴组成，这些滚轴将第一部分或第一量的藻类从基底16压除，并且将第二部分或第二量留下以有效地作为一次或多次后续培育的接种物。尽管对基底16的每个片层都显示了一个收获装置17，但是取而代之，一个收获装置17可以用于收获一个温室中的所有或若干片层，并且或者可以将收获装置17在片层之间移动或者可以例如使用一个传输器将片层输送至收获装置17。取代从基底16压出藻类或除了从基底16压出藻类之外，可以通过使用一个或多个喷嘴或气刀(没有显示)将藻类吹落而将其从基底上移除，这些喷嘴或气刀将空气或其他气体或气体混合物引导至基底16处。
`[0048]在此披露的各种实施例可以产生大量浓度或数量的细胞，达到每平方厘米的基底IO9个细胞，每平方厘米的基底101°个细胞，或更高。另外，在此的披露指示了用于生产藻类的水的有效使用，即出于高的氮含量而使用城市、农业废水流出物。所披露的系统、设备、方法、物品和组合物还可以用于很多地点，包括设置在不肥沃的、干旱的、和/或斜坡土地上的温室。[0049]在此披露的方法可以在不需从收获的藻类中去除水(例如使用离心机)的情况下进行。然而，如果希望的话，可以将收获的浓缩藻类使用离心机进一步浓缩和/或用各种方法干燥，例如，通过将藻类放置进一个干燥炉或简单地将藻类暴露于较干燥的空气和/或阳光下使藻类脱水。脱水的藻类可以放在袋子中，例如聚乙烯袋，并且储存用于以后使用。以后使用可以例如包括提取、分馏、或对该藻类的特殊部分例如脂质进行的其他分离，在此将更加详细地披露。
[0050]使用以上披露的结构的一个实例如下。非纺织的基底被用来培育两种微藻的混合物，斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)和小球藻(Chlorella vulgari)。基底的表面积是558平方厘米，通过用1%的包含这两种微藻的混合物的藻酸盐溶液覆盖该基底来进行接种。藻类细胞密度是每毫升IO5个细胞。将基底垂直悬挂在温室中，温室的温度保持在20与26摄氏度之间，并且相对湿度在90%与95%之间。光照期是每天16小时，并且黑暗期是每天8小时。二氧化碳浓度在每百万500和1500份之间。将营养物以基于水的营养物组合物形式递送给藻类。允许藻类生长35天。通过每天对基底进行称重来监测生长。使用以上披露的压紧滚轴方法每三天进行收获。每三天在由基底覆盖的每平方米占地面积上收获20g与80g之间的藻类。在初次接种之后没有添加藻类细胞，表明接种、生长和收获方法为藻类生物质的生产提供了可持续的方法。
[0051]一个相似的实例涉及接种和向基底添加水和营养物，并且当估计藻类达到每平方厘米的基底4X IO8个细胞时收获大约一半的藻类，留下另外一半作为用于后续收获的接种物。当再次估计藻类达到每平方厘米的基底4X IO8个细胞时进行后续收获。这个实例和先前的实例可以改变以允许收获之间更多或更少的生长。
[0052]有很多其他实施例可以用来取代以上指出的实施例或以上指出的实施例的要素或方面或与以上指出的 实施例或以上指出的实施例的要素或方面结合使用。一个这样的实施例包括使用褶状或波状的基底16A而取代平坦的基底(没有显示)。非平坦的形状提供了用于增加基底表面积的一种手段。各种形状的皱状是可能的。
[0053]另一个实施例包括向基底16、16A的非双侧而仅仅是侧面之一施加藻类、液体和/或营养物。这可以用先前披露的喷涂方法完成。
[0054]另一个实施例或者先前实施例的其他披露包括基底16的长度，该基底是通过以在此披露的方式向更长长度的材料施加藻类而制备。可以将更长的长度剪切成先前提到的图中所显示的减短的长度。
[0055]另一个实施例或先前实施例的其他披露包括使用一个展开的滚轴并且施用本文后面披露的结构将藻类、液体和/或营养物组合物施加到基底16。
[0056]图4展示了藻类生长和收获系统110的实施例。这个实施例可以使用在此披露的实施例的一种或多种要素。系统Iio可以包括一种或多种以下要素。一个系统围场112(像一个温室)包含生长和收获设备114中的一个或多个部分以及藻类可以在其上生长的基底116。在这个实施例中的设备114包括一个展开的构件118，一个藻类施用器120，一个液体施用器122，一个营养物施用器124，一个处理装置126，两个方向转动构件128、130，一个收获装置132 (在这种情况下是一把固定的机械刀),一个藻类输送器134,—个藻类容器136,和一个卷曲构件138。没有显示但是在此提及过并且描述过的是藻类、液体和营养物。
[0057]以上披露的系统围场112可以为以下项提供保护并且包含以下项:生长和收获设备114的一部分或多个部分以及其他组合物、物品、和设备。该系统围场112可以由不锈钢或其他能够承受由系统110的其他要素创造的条件的金属或材料制成。系统围场112可以促成保持相对于藻类生长和收获的控制的环境。控制的环境可以例如包括具体组成和条件，例如室温下的空气，大气压和80%的相对湿度。取而代之，空气或其他气体或气体/液体组合物可以处在更高或更低的温度、压力或相对湿度下。
[0058]可以使用其他气体组成，例如不同浓度的二氧化碳、氧气、和/或氮气，以及更高的相对湿度。例如，如先前所披露的，二氧化碳的浓度可以比空气中的标准浓度高很多倍，例如高五倍或十倍或甚至更高。相对湿度可以增加至高于80%，包括当藻类通过环境湿度摄取所有水的大部分时，也就是从一些液体递送器具摄取更少水或者没有摄取水。
[0059]另外，环境可以包括初级气体，例如包括气态水，以及次级液体，例如雾化或喷雾形式的液体(比如水)。取决于液体的雾化、喷雾或其他应用形式的量和频率，相对湿度可以降低或允许降至例如低于80%。
[0060]还有，环境的组成和/或条件在生长期间可以变化，例如改变二氧化碳、氧气、氮气和相对湿度中的一种或多种。例如，如果在一个生长循环中使用了光照期和黑暗期，可以将二氧化碳(CO2)的密度在光照期期间调整为300与6000ppm之间，并且可以将其在黑暗期期间调整为300与600ppm之间。
[0061]各种气体可以用每种气体的罐提供，并且相对湿度可以用加湿器提供。可以使用气体密度计和相对湿度计来测量和控制环境。
[0062]除了保持所希望的气体组成，控制的环境可以使得藻类不接触或作用于或者减少接触或作用于某些这样的材料:这些材料可以不利地影响藻类、其生长、或披露的系统、组合物、物品、设备、或方法的其他方面。例如，由于某些细菌可减少藻类生长同时某些其他细菌可有益于藻类生长，温室环境中包含或者排除细菌可以按照所希望的进行控制。可以将空气过滤包含在控制细菌以及其他材料的过程中。
[0063]在此披露了关于围场12以及它可以包括或者与它相互作用以控制环境的设备的其他细节，例如空气过滤。
[0064]以上披露的基底116可以是具有有利于藻类生长的结构和组合物的一个物品。例如并且如在此其他地方所披露的，该基底可以是单一材料，例如一种单一纺织或非纺织纤维层，或者多种材料例如多纺织或非纺织纤维层的组合，具有一个薄膜层的非纺织纤维层。
[0065]以上披露的展开构件可以是一个展开滚轴118，该展开滚轴提供了用于供给基底16的手段。展开的滚轴18可以通过一个电动机驱动，该电动机的旋转速度和/或张力通过手动控制或通过可编程的控制器控制。展开的滚轴118的速度可以与本文后面描述的卷曲滚轴的速度配合。以上披露的藻类施用器可以是一个藻类施用滚轴120，该藻类施用滚轴提供了用于将藻类施加到基底116的手段。如所指出的，藻类细胞可以悬浮在凝胶或其他载体中或者在一个载体内使用。一旦使用，藻类(在此稍后描述)可以保持在基底116的顶表面上，在基底116之内移动，移动至接近或至基底16的底部，或者它们的一些组合。藻类施用滚轴120可以是一个泡沫滚轴，从藻类供给处取走或接收藻类并且将那些藻类的一些或全部转移至基底116。施加藻类的其他手段可以包括将藻类细胞(再次用载体或者在载体之内)喷涂到基底116上的一个或多个喷雾器。另一种手段是在基底116上挤出或流动一定量的藻类细胞。如先前所披露的，可以将藻类细胞施加到基底116的一面或多面。[0066]以上披露的液体施用器可以是一种液体或润湿滚轴122，该液体或润湿滚轴提供了用于将液体或润湿(例如水)施加到基底116之上的手段。该滚轴可以包括一个亲水泡沫层，该层从一个液体供给处取走或接收液体并且将液体转移至基底116。取而代之或者除了滚轴122之外，施加的其他手段包括一个雾化或喷雾装置，它们在此被进一步披露。
[0067]以上披露的营养物施用器可以是一个营养物施用滚轴124，该营养物施用滚轴提供了用于将藻类生长营养物施加到基底的手段。滚轴124可以包括一个亲水泡沫层，其从一个营养物组合物供给处取走或接收营养物组合物并且将其转移至基底116。施加营养物的其他手段包括以上披露的用于施加藻类和/或液体的那些。
[0068]输送基底116的所希望的速度可以用于设置系统110的不同结构间的距离，包括藻类施用器、液体施用器、和营养物施用器之间的距离，从而使得每个当希望时被使用。取而代之或另外，系统110的各个结构之间的距离可以相对于或不相对于基底116的速度进行任何调整。尽管在上文显示和披露了每种类型的仅一个施用器，任何类型的一种或多种其他施用器可以提供于系统110中。例如，其他液体施用器可以用来控制藻类细胞的水分。另外，如果在藻类生长期间希望有多个供给，可以使用一种或多种营养物施用器。
[0069]以上披露的处理装置可以是一个处理围场126,该围场提供了用于处理基底116或者基底上的一种或多种物质以达到希望的一种或多种处理程度的手段。该处理围场可以进行一种或多种不同的处理。作为一个实例，处理围场126可以防止或减少光进入以便藻类经历一个黑暗期。或者取而代之，处理围场126可以提供比围场126之外可得的或提供的光更多的光。另一个实例是在处理围场126中的气体或气体-液体环境不同于其外面的环境，例如不同浓度的二氧化碳或其他气体、湿度、温度、其他另外的条件。
[0070]以上披露的方向转动构件可以是转向滚轴128、130，各自提供了用于将基底转成不同方向的手段。用于旋转基底16的其他结构包括非旋转杆或其他非移动构件，这些非移动构件具有基底116可以在其上滑动的表面。
[0071]对于这个实施例以上披露的收获构件可以是一个固定的机械刀132，该机械刀提供了用于从基底116收获或移除藻类的手段。该刀可以是例如一个不锈钢的、具有一个刀刃的固定构件，该刀相对于基底116`来定位以切掉或擦掉在基底上生长的藻类。从基底116收获藻类的另一种结构是气刀，该气刀将足够的流动或空气或其他气体施加到藻类上以从基底116移除藻类。如在此先前指出和说明的，可以使用压紧滚轴来收获藻类。其他方法是将藻类从基底刷掉或者从基底将藻类真空处理掉。
[0072]以上披露的输送器可以是一个传输器134，该传输器提供了用于接收藻类并将藻类输送到可以将其储存或者进一步处理的一个位置的手段。输送器134可以包括一个输送带、前滚轴和后滚轴以及一个电动机，以及用于驱动这些滚轴其中一个或两个的控制器。输送藻类的其他结构包括具有足够流速的空气(或其他流体组合物)的导管，以便按照希望的移动藻类。
[0073]以上披露的容器136提供了用于保存有待进一步处理的藻类的手段。这个容器可以是一个塑料管或者塑料袋。除了保存在所示的容器136中，取而代之，收获的藻类可以被输送至其他位置的其他容器中以便后面处理或者立即输送至一个进一步处理的设备中或者步骤，例如在此披露的那些。此类进一步输送的手段可以由一个较长的传输器、一个其他传输器、具有足够空气流动的导管来提供，从而移动藻类。[0074]以上披露的卷曲构件可以是一个卷曲滚轴138，该卷曲滚轴提供了用于在从基底116收获一部分或全部藻类之后将基底116卷起的手段。卷曲滚轴138由例如一个电动机来驱动。
[0075]图4显示的实施例的一个变体(没有显示)是这样一个系统:在该系统中，将藻类接种到基底116上可以不按藻类生长的习惯路线进行。例如，可以将一大卷基底116通过展开滚轴来展开，可以将藻类细胞接种在基底116上，并且可以将基底116用卷曲滚轴卷起并且放在一边以用于后来的生长过程。藻类可以保持足够润湿以防止或减少细胞损失，同时接种的基底的卷等待这个过程的生长部分。后续的生长部分可以涉及将基底116切成离散的长度或片层，例如如图1所示，或者可以涉及保持该卷粘住并且使用图4中所示的连续网状物方法。如图5所示，系统200包括与图4中所示的实施例类似的几个要素。这包括一个系统围场212,该系统围场围住一个藻类生长和收获设备214。基底216通过一个展开的滚轴218提供，该滚轴支撑基底216的大卷。上部和下部的藻类施用器220A、220B将藻类细胞施加至基底216的上部和下部。液体施用器222将液体(例如水或包含水的一个组合物)喷雾或雾化至基底216。营养物施用器224将营养物组合物喷雾到基底216上。转向滚轴226被垂直地分离以显著增加由基底216移动的距离。人工光源228 (例如荧光灯)显示放置在滚轴226与基底216的相应跨区之间。可以使用另一种和其他人工光源。另一种人工光可以提供给转向滚轴226，这些滚轴为透明的和被照亮的(没有显示)。包括两个亚围场230以保持光泻出(或者减少)以便为藻类生长提供黑暗期(并且允许其他条件改变，例如气体组成和温度)。将收获装置232定位于从基底移除或收获藻类，并且显示藻类通过邻近于收获装置232的抽吸构件234而聚集。在收获之后，基底216可以卷曲到卷曲滚轴236上。因为收获之后一些藻类可以保留在基底216上，可以将卷曲滚轴236上的基底216的卷筒放置在展开的滚轴218上并且再使用或储存用于以后使用。由此可见，滚轴226的位置可以用于提供藻类可以在其上生长的基底的较长的长度。可以加热或冷却一个或多个滚轴226以便按照希望的从基底216上的藻类添加热量或移除热量。由于滚轴226接触基底216的双面，基底上的压力可以通过控制基底216上的张力、选择滚轴226的希望直径和希望的基底路径、和/或使用具有可压缩的表面材料(例如泡沫)的滚轴226来控制。
[0076]图6展不了类似于图4和5中所不实施例的一个实施例，不同之处在于这个实施例展示了系统310，该系统使用了一个连续环的基底316来取代如上所披露的呈展开和卷起的基底116和216。这个连续环或传输器系统310显示具有多个输送滚轴318、浴器320、液体施用器322、收获滚轴324、生物质容器326、温室围场328、和人工光源330。以上披露的关于其他实施例的各种其他方面也可以被包括在内，例如光的控制，湿度控制，气体控制，和允许控制系统310和/或系统310的部分周围的条件的围场。
[0077] 可以操作这个系统310以便按照希望的启动、停止、减慢、和加速该基底316以适应该系统310的接种、生长和收获方面。例如，为了接种基底316，可以用一种藻类组合物(如上所披露)填充或部分填充浴器320，并且基底316可以通过浴器320输送，然后停止以便藻类可以暴露于围场328中的光和气体二氧化碳中。为了在希望时润湿藻类，基底316可以再次被输送以便液体施用器可以将水或另一种液体施加(例如喷雾)到基底316上。为了在希望时供给藻类，基底316再次被输送以便液体施用器322可以将一种营养物组合物施加 (例如喷雾)到基底316上。取代使用液体施用器322或者除了使用该液体施用器之外，可以将液体和营养物组合物添加至浴器320以便使得基底316的输送可以导致润湿和供给藻类。在基底316被输送用于润湿和供给之后，基底可以再次被停止以便再次暴露于围场328中的光和二氧化碳中。润湿、供给和生长步骤可以按照希望的重复。为了收获藻类，可以输送基底316，并且可以将收获滚轴324收集在一起以压除从基底316上或之内生长的一部分藻类，这些藻类可以被捕获在生物质容器326内(并且从这移除)。收获之后，基底316可以再次被接种，再次被润湿，或者被再次供给，它们的一些组合，准备后续的收获。
[0078]图6所示的实施例的一个更简单的版本显示在图7。这个实施例的系统410类似于图1中所示的实施例，但是具有一个移动的、连续环基底416，如系统310中提供的基底316。输送滚轴418、浴器420、液体施用器422、收获滚轴424、生物质容器426、围场428、和人工光源430提供了如图6中所示的对应结构类似的手段。在这个实施例和其他先前指出的实施例中，不允许阳光进入的围场428的部分(例如地板)可以具有浅颜色(例如白色)，从而将已经进入围场428的阳光(和围场428中的人工光)反射至基底416。
[0079]图8展示了另一个实施例，类似于图1、6和7中展示的实施例。这个系统510包括具有悬吊架514的一个传输器512,显不其每个悬吊架悬挂四片基底516。系统510可以用于出于一个或多个原因输送基底516,这些原因包括基底516的片层暴露于光可以控制，可以在沿着传输器提供的路径的一个位置处施加(例如喷涂或浸溃到片层上；没有显示，但是在此先前已经披露)藻类，可以相似地将水和营养物组合物施加在其他位置上(没有显示但是先前已经披露)，以及可以在一个或多个其他位置(没有显示，但是先前已经披露)处收获藻类。还有，系统510可以被围在温室中(没有显示)，该温室具有控制的环境，包括湿度、温度、气体组成、和如先前披露的类似物。
[0080]与如果藻类在水体内或以其他方式浸入水中生长时相比，以上披露的实施例和其要素引起藻类暴露于更大量的光和二氧化碳。如所披露的，本披露的一个方面涉及减少或最小化用水量以增加对藻类而言可利用的光和二氧化碳。披露的实施例可以与二氧化碳捕获手段结合使用，例如从一个燃烧器，例如用于邻近建筑的一个燃气炉中取走二氧化碳。另外，在本披露中减少和集中的使用水允许有效使用营养物，这降低了成本并且可以利用由污染材料提供的营养物。还有，环方法中和其他披露的方法中(例如所指出的输送步骤；施加藻类、水和营养物；施加光；控制温度、气体组成，和其他条件)所用的一部分电力可以通过太阳能收集器和电池提供。
[0081 ] 藻类生物质包含20%_40%蛋白质，30%-50%脂类，20%碳水化合物，和10%其他化合物。取决于转化方法，从藻类生物质可以获得一系列产品。如果采取一个系统方法来处理藻类生物质，有可能使得生物质的利用最大化以达到最大的经济和环境效益。生物精制就是这样一种系统方法。生物精制是源自石油精制的一个概念。生物精制使用生物质作为原料，相对的是在石油生物精制中使用化石资源。生物精制的目标是从一种或多种生物资源生产广泛的产品，例如燃料、材料、化学品等等。因为生物质不是异质原料，已经提出若干生物精制平台，例如生物平台和热化学平台。生物精制使用的是转化和精炼技术的组合并且可以与生物质原料生产整合。整合的生物精制能够生产多个产品流并且因此从单个生物质原料得到多个收入流，并且因此与基于单个产品的生产方案相比在经济上是更加可行的。就能量而言，产生的热和能量可以用于在使得该系统部分自给自足。
【权利要求】
1.一种培育和收获藻类生物质的方法，包括 将藻类细胞施加于一个基底以便细胞在该基底内或之上生长； 使该基底和藻类处于一种包括二氧化碳和水的气体环境中用以支持该藻类的生长，包括用以水化该藻类； 将液体施加于该基底以进一步水化该藻类； 将营养物施加于该基底以便供给该藻类； 在施加该营养物至该基底之前的一段时间减少施加该液体至该基底； 在施加该营养物至该基底之后的一段时间减少施加该液体至该基底； 施加光至该藻类和该基底以支持该藻类的生长。
2.如权利要求1所述的方法，其中该气体环境仅仅包括气体或包括该气体和一种液体的一种混合物。
3.如权利要求2所述的方法，其中该气体包含处于气相的二氧化碳和水，并且其中该气体环境的该液体包含通过喷雾或雾化提供的水。
4.如权利要求1所述的方法，其中以一个每百万300与10，000份之间的浓度提供二氧化碳气体。
5.如权利要求1所述 的方法，进一步包括在该藻类和基底处强加二氧化碳气体以增加该藻类对二氧化碳的吸收。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括在该藻类和基底处强加气态水汽。
7.如权利要求1所述的方法,其中施加到该藻类和基底的该液体包括水、自来水、过滤水、蒸馏水、去离子水、和污水中的至少一种。
8.如权利要求1所述的方法，其中该基底包含一种纺织织物和一种非纺织织物中的至少一种。
9.如权利要求8所述的方法，其中该基底包含一种聚酯纺粘非纺织织物。
10.如权利要求1所述的方法，其中该基底包含具有I和IOmm的间隔的一种格栅基底。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包括从该基底收获一部分该藻类。
12.如权利要求1所述的方法，其中该基底具有可变的多孔性、纹理或毛细管特性，并且具有在一与十毫米之间的厚度。
13.如权利要求1所述的一种方法，进一步包括在该藻类生长期间移动该基底以增加该藻类于日光中的暴露。
14.如权利要求1所述的方法，其中施加光包括施加来自非日光光源的光。
15.如权利要求1所述的方法，其中将该基底和藻类在该藻类生长期间进行输送。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括从该基底收获一部分该藻类，同时该基底和藻类被输送并且留下一部分藻类以继续生长以用于后续的收获。
17.如权利要求1所述的方法，进一步包括减少光暴露于该藻类和基底上，从而使得该藻类和该基底暴露于至少一个光照期和至少一个黑暗期。
18.如权利要求17所述的方法，其中在该气体环境中的二氧化碳的气体密度在至少一个光照期期间比在至少一个黑暗期期间的更高。
19.如权利要求18所述的方法，其中在该气体环境中的二氧化碳的气体密度在光照期期间是在每百万300与6000份之间，并且在黑暗期期间是在每百万300与600份之间。
20.如权利要求1所述的方法，其中该基底在每平方米围场占地面积上提供了80或更多平方米的表面积。
21.如权利要求11所述的方法，其中该收获留下了至少50%的原初生物质作为用于进一步生长的接种物。
22.如权利要求11所述的方法，其中该收获包括以下项中的至少一者:用一种机械刀、气刀、或锯子剪切，刷，或用滚轴真空处理和压除该藻类。
23.如权利要求11所述的方法，进一步包括干燥所收获的藻类。
24.如权利要求11所述的方法，进一步包括处理所收获的藻类以产生中间产物和最终使用产物中的至少一种。
25.如权利要求24所述的方法，其中这些中间产物和最终使用产物中的该至少一种包括脂类、蛋白质、生物柴油、醇、食品级微藻。
26.如权利要求1所述的·方法，其中该藻类是微藻和大型藻类中的至少一种。
【文档编号】C12P7/64GK103717728SQ201280036660
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年6月13日 优先权日:2011年6月13日
【发明者】加斯顿·皮卡德 申请人:Al-G技术公司