以增强的光合效率大规模培养微藻的方法和系统的制作方法
【专利摘要】一种以最佳光合效率培养光合微生物的方法，包含以下步骤：使在培养液的培养槽中生长的微生物暴露于光和碳源；使用位于所述培养槽内的根据所选培养模式调节的一个或多个循环工具使所述培养液从槽底部垂直地向上循环到槽表面以允许所述微生物短暂暴露于光和碳源；及维持所培养的微生物在300到12,000g/m2的基本上恒定的面积密度范围内以达到所述培养的最佳光合效率。
【专利说明】以增强的光合效率大规模培养微藻的方法和系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种以增强的光合效率大规模培养光合微生物，尤其是微藻的方法和 系统。更具体地说，本发明涉及一种在室外大规模培养微藻期间高度有效地捕获从日光可 获得的能量的方法和系统，其中入射日光能量可以最佳地用于光合作用并且因此防止在培 养物生长期间出现光饱和以及光抑制。
【背景技术】
[0002] 微藻天然地发现于淡水和海洋系统中。它们可以个别地或以链(细丝）或以群组 (菌落)形式存在并且表现出广泛的遗传多样性。微藻展现优越的复制和生长的能力。对于 营养需求，它们可以通过自养方式从二氧化碳或碳酸氢盐或通过异养方式从有机化合物得 到它们的碳。对于能量，它们可以表现为光能营养型并且使用光作为能量源，或表现为化能 营养型以采用氧化还原反应获得能量。当提供光和碳源两者时，微藻的某些物种在混合营 养条件下的生长速率可能看起来是两者的总和。另外，微藻在广泛范围的pH以及气候条件 下生长茂盛。
[0003] 已在全世界在各个方面进行关于微藻大规模培养的研究。主要关注点之一集中在 微藻的表观光合效率，其接近实验室中低光照条件下的理论最佳速率，而另一关注点集中 在来源于微藻的多种有用产品。也已设计出不同系统和设备并且将其用于培养微藻，介于 天然非搅拌池、循环高效池和光生物反应器(其经设计以使到微藻作物的光传递最佳）范围 内。大多数培养在再循环高效开放池中进行。由于装设和操作的成本高，光生物反应器主 要用于实验目的或生产高价值物种，其中应避免污染。鉴于允诺能够避免污染，也使用异养 发酵器，在这些发酵器中可以向微藻作物进给糖。
[0004] 在室外藻类培养系统(其中所有主要养分可以供应到最佳量）中，日光变成光合生 长的限制因素并且光合效率变成瓶颈。可以通过适合于光合作用的入射光的量和光能可以 转化为化学能的速率来估算潜在光合效率。据报告仅有45%的日光照射在光合有效辐射 (PAR)波长范围内，所述波长在400 nm到700 nm范围内。对光合作用应用斯塔克-爱因 斯坦光化当量定律（Stark-Einstein photochemical equivalence law)，光能转化为化学 能的最大转化率为大约27%。因此，理论上估算日光光合作用的最大光合效率通常为大约 11. 8% (47% 的 25%)。
[0005] 但是，在开放池的情况下达到的实际光合效率低得多。举例来说，在美国国家可再 生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory of the USA)赞助下进行的水生 物种计划（Aquatic Species Program)期间，从1987到1989年在从六月到十月的高峰生长 季期间他们的罗斯威尔（Roswell)室外测试设施（0TF)的平均生产率为19克/平方米/天 并且年平均值为9. 8克/平方米/天。但是，在一些场合观测到50克/平方米/天的极高 生产率。在0TF所位于的新墨西哥州的沙漠区域中，日平均日晒可能为大约5. 84千瓦，其 转化为100克/平方米/天的潜在生产率，因此展示对开放池进行改进的可能。提出低光 合效率的原因为存在过量光，导致通过光饱和以及光抑制现象造成大约80%的效率损失。
[0006] 微藻在实验室中的低光照和恒定照明条件(在大致200 μ mol光子m 2 f)下一贯 地显示接近理论最佳值的光合效率，并且持续高效率直到大致400 μ mol光子m 2 s'但 是，一旦经较高光强度，如强度为大致2, 000 μ mol光子m 2 f的全日光照射，生产率有下 降多达80%的趋势。因此，在低光照水平下进行实验室实验以确定最佳生长速率。
[0007] 光合效率的不足已通过光饱和以及光抑制现象来解释。总之，呈光子形式的光能 以超过其可以用来合成碳化合物的速率的速度下捕获。过量能量首先通过热和磷光分散和 消耗。此过程被称作光饱和现象。其它过量能量对感光器产生损害，使其停止捕获能量。 需要在无过量光子的情况下休息一段时间以使感光器回复到功能状态。此现象被称作光抑 制。
[0008] 0TF研究的主要活动似乎为确定水流特征和操作参数以使得需要最少能量来保持 藻类悬浮以最佳地利用入射日光。池设计和培养方案存在三个关键特征，其已在0TF得到 验证，包括光路应尽可能短、培养密度（g/L)应使得存在极小或无相互遮蔽和依赖于水平运 动来保持藻类悬浮以使能量需求最小。为满足所有三个要求，保持浅至大约30 cm的池深 度。最近公开的数据显示以每单位面积藻类生物质的重量(如g/m2)和每单位面积的生产 率形式测量的培养面积密度(或者在本文中可互换地描述为"现存量"）未改进。
[0009] 现有技术中存在几项涉及培养微藻的方法、系统和装置或设备的专利技术。所 述专利技术中有一些披露了通过控制限制因素来促进微藻生产的方法或系统。关于控 制微藻培养的方法受关注的为日本专利号JP6000079 (A)，其涉及检测二氧化碳浓度并且 将其保持在特定酸性pH范围内。通过检测碳酸氢盐来控制此方法的效率。PCT
【发明者】何德胜 申请人:何德胜