用于光合微生物大量培养的光生物反应器的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及用于培养光合微生物的光生物反应器，更具体地涉及使用屏障用于光 合微生物大量培养的生物反应器，其中所述屏障允许水，气体和营养物自由通过，但限制光 合微生物的自由扩散。
【背景技术】
[0002] 光合单细胞微生物可以通过光合作用产生多种有机物质，例如蛋白质，碳水化合 物，以及脂质。特别地，最近认为光合单细胞微生物是用于消除二氧化碳（其是导致全球变 暖的主要原因）的目的以及生产附加值产品例如功能性多糖，类胡萝卜素，维生素，以及不 饱和脂肪酸的最佳生物体。另外，已注意到光合单细胞微生物在生物能源生产中取代化石 燃料，即有限能源，因为微藻类可以固定二氧化碳并将其作为脂质积累到机体中。已进行了 大量研究以通过使用因此积累的脂质生产生物能源例如生物柴油。
[0003] 然而，为了使通过采用微藻类获得的有用生成物变得实用，例如，去除二氧化碳或 生产生物能源，需要高浓度培养，大量培养，或高浓度大量培养光合微生物。因此，与大规模 培养设施的建立相关的技术是必需的。
[0004] 典型地，多种类型的置于室内或陆地上的光生物反应器已用作培养设施用于培养 光合微生物，然而光合微生物培养设施的制造，维护，和操作（例如照明单元，以及介质和 气体的补充和混合单元）是昂贵的，导致难以建立商业化所需的大规模设施。因此，对于光 合微生物以商业化规模的大规模培养，收益安全是最重要的和优先的任务，而且迫切需要 开发培养技术，其允许进行低成本的高浓度培养且促进规模扩大。因此，人们尝试通过使用 半透膜，在水（例如海水或湖水）上或水中培养光合微生物。这些技术包括日本特开专利 公布号2007-330215和韩国注册专利号991373等。
[0005] 发明公开
[0006] 抟术问题
[0007] 然而，如上文使用半透膜的光生物反应器具有经济效率的问题，因为半透膜的成 本高；耐用性低；而通过半透膜的材料交换是受限的。
[0008] 本发明将解决包括如上问题的各种问题，且意图提供用于光合微生物大量培养的 生物反应器，其在成本，时间，效率和空间方面是高效的。然而，这些解决方案仅用于说明的 目的，而本发明的范围不限于此。
[0009] 抟术方案
[0010] 根据本发明的一个方面，提供光生物反应器，包括能够容纳待培养的光合微生物 和用于分散所述光合微生物的液体的培养容器，其中所述培养容器全部或至少部分具有屏 障，其允许水，气体和营养物自由通过，但限制光合微生物的自由扩散。
[0011] 所述光合微生物可以分散并培养于所述液体中。
[0012] 所述屏障可以使用允许水，气体和营养物自由通过，但限制光合微生物扩散的材 料制备。例如，所述屏障可以是网片或穿孔板。
[0013] 所述网片可以具有织物结构。由于具有织物结构的网片不限制气体，水，和营养盐 的渗透，但限制光合微生物的自由扩散，可以将网片以经济和方便的方式应用于光合微生 物的大量培养。
[0014] 在光生物反应器中，所述网片的开口尺寸可以根据待培养的光合微生物的尺寸调 整。例如，开 口尺寸可以是 〇· Iym 至 200 μ m, 0· 1 μ m 至 100 μ m, 0· 2 μ m 至 50 μ m, 0· 5 μ m 至 25 μ m, 0· 5 μ m 至 22 μ m, 1 μ m 至 20 μ m, 3 μ m 至 18 μ m,或 4 μ m 至 16 μ m。可选择地，开 口尺寸可以是待培养微生物的尺寸的50%至300% ,70至250% ,85%至200% ,90%至 160%，100%至 150%，100%至 140%，100%至 130%或 110%至 120%。
[0015] 在光生物反应器中，所述网片可以使用聚合物纤维编织。所述聚合物可以是可生 物降解聚合物或难降解聚合物。所述可生物降解聚合物可以是选自下组的一种或至少两 种：聚己内酯，聚乳酸，聚（乳酸共乙醇酸）共聚物，纤维素，甲基纤维素，乙基纤维素，醋酸 纤维素，凝胶多糖，聚谷氨酸，聚赖氨酸，聚羟基链烷酸酯，聚乙二醇，聚乙醇酸，和聚酯，但 不限于此。
[0016] 另外，所述难降解聚合物可以是选自下组的一种或至少两种：特氟隆（聚四氟乙 烯），聚烯烃，聚酰胺，聚丙烯酸酯，硅，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，乙烯醋酸乙烯酯共聚 物，聚乙烯-马来酸酐共聚物，聚酰胺，聚（氯乙烯），聚（氟乙烯），聚（乙烯咪唑），氯磺酸 的聚烯烃，聚对苯二甲酸乙酯（PET)，尼龙，低密度聚乙烯（LDPE)，高密度聚乙烯（HDPE)，丙 烯酸，聚醚酮，聚酰亚胺，聚碳酸酯，聚氨酯，和聚氧化乙烯，但不限于此。
[0017] 所述网片与半透膜的区别在于半透膜限制具有至少一定尺寸的大分子例如蛋白 质的渗透，而网片允许大分子自由渗透，除了具有细胞尺寸的材料。本发明人通过发现甚至 在培养的光合微生物具有比网片的开口尺寸小的情况下，所述光合微生物不扩散到培养容 器外，而营养物包括培养所需的营养盐，水，和气体自由通过这一惊人的事实，证实网片可 以有效地应用于光合微生物的大量培养。
[0018] 在光生物反应器中，除了网片外，培养容器剩下的部分可以使用半透或非渗透的， 且透明的或半透明的材料制备。
[0019] 穿孔板与典型的半透膜的区别在于，穿孔板通过人工穿孔非渗透或半透聚合物 膜制备。所述穿孔板可以通过使用微穿孔装置，不规则或规则地穿孔聚合物膜制备。孔 的尺寸可以根据待培养的光合微生物的尺寸调整。例如，孔的尺寸可以是0.1 ym至 200 μ m, 0· 1 μ m 至 100 μ m, 0· 2 μ m 至 50 μ m, 0· 5 μ m 至 25 μ m, 0· 5 μ m 至 22 μ m, 1 μ m 至 2〇4111，3以1]1至18以1]1，或4以1]1至16以1]1。可选择地，开口尺寸可以是待培养微生物的尺 寸的 50 % 至 300%，70 至 250%，85 % 至 200%，90 % 至 160%，100 % 至 150%，100 % 至 140%，100%至 130%或 110%至 120%。
[0020] 所述非渗透聚合物膜可以是选自下组的一种或至少两种：特氟隆（聚四氟乙烯）， 聚烯烃，聚酰胺，聚丙烯酸酯，硅，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，乙烯醋酸乙烯酯共聚物，聚 乙烯-马来酸酐共聚物，聚酰胺，聚（氯乙烯），聚（氟乙烯），聚乙烯基咪唑，氯磺酸聚烯烃， 聚对苯二甲酸乙酯（PET)，尼龙，低密度聚乙烯（LDPE)，高密度聚乙烯（HDPE)，丙烯酸，聚醚 酮，聚酰亚胺，聚碳酸酯，聚氨酯，和聚氧化乙烯，但不限于此。
[0021] 所述半透聚合物膜可以使用亲水性聚合物和用于形成上述非渗透膜的聚合物纤 维的复合材料制备，其中所述亲水性聚合物可以是选自下组的一种或至少两种：纤维素，甲 基纤维素，乙基纤维素，醋酸纤维素，聚乙烯醇，玻璃纸，硝基纤维素和聚酯。
[0022] 在所述光生物反应器中，所述培养容器可以设置有一个或多个进口，其中所述进 口可以设置有开关单元，所述开关单元可以是拉链，拉链袋，阀，止回阀，桶帽，胶带，夹子， 或爪夹的形式。
[0023] 在光生物反应器中，所述培养容器可以允许通过浮力单元漂浮在水面上，或通过 沉降单元浸没在水面下一定深度。所述浮力单元可以是浮子，例如单独置于培养容器外的 浮标，或者可以是以空气喷射管的形状，其不单独放置而是从培养容器延伸出来。另外，所 述沉降单元可以是连接到培养容器下部的铅锤，或置于水下或水面下的水下结构，以允许 培养容器浸没在水面下一定深度。
[0024] 在这种情况下，所述培养容器可以是封闭式培养容器，或者具有顶面开口的开放 式培养容器，其中所述开放式培养容器可以具有滚型水池结构，并且可以进一步包括培养 基循环器以循环培养基。根据本发明的实施方案，所述开放式培养容器可以包括上框架，以 及屏障，其连接到上框架以容纳光合微生物。所述屏障的全部或部分使用允许水，气体和营 养物自由通过，但限制光合微生物自由扩散的材料制备。此外，所述开放式培养容器可以另 外包括垂直框架和下框架。所述上框架可以使用浮力材料制备，或另外包括浮力单元。当 所述上框架使用浮力材料制备时，所述框架可以是塑料框架或管，其具有内部真空或包括 能够提供浮力的空气或气体。必要时，所述框架可以容纳屏障，从而调节培养容器的深度。
[0025] 另外，所述培养容器的一端可以连接到浮力单元，而另一端可以连接到沉降单元。
[0026] 在光生物反应器中，培养容器的一个面可以配制成通过光阻挡区域调节提供给光 合微生物的光能。所述光阻挡区域具有光过滤功能，以便提供给所述光生物反应器的太阳 能灯中的特定波长区域，可以选择性地穿透或被阻挡。所述波长区域可以是，例如，太阳能 光波长中划分为蓝色，红色，或绿色系列等。穿透或被阻挡的波长区域可以根据待培养的光 合微生物适当地选择。具有光过滤功能的膜可以通过将塑料或聚合物材料与能够吸收特定 波长区域的光波长的化学成分混合而制备。所述化学成分可以是颜料染料。
[0027] 在光生物反应器中，所述培养容器可以配置为由水或风力通过连接到所述培养容 器的一个面上的风扇而在轴向方向上旋转。所述风扇可以配置为包括两个或更多延伸到彼 此不同方向的风扇，且风扇可以彼此交叉。另外，所述风扇可以具有曲线以允许培养容器在 垂直轴向上旋转。
[0028] 根据本发明的另一个方面，提供用于光合微生物的培养设施，其包括包含光生物 反应器的漂浮结构。
[0029] 所述漂浮结构包括一个分区，其连接到框架和框架之间，并安装以放置光生物反 应器的损失，其中所述分区分隔出所述培养设施的内部和外部。所述分区可以使用多种材 料制备，例如塑料，木板，胶合板，网，但考虑到成本和环境水的自由交流，优选网。由此形成 的所述用于光合微生物的培养设施具有有点类似于漂浮鱼箱的结构。可以将浮力单元附接 到在水面上形成的漂浮结构的框架，使所述漂浮结构漂浮在水面上。所述浮力单元可以考 虑例如培养待培养的光合微生物所需的太阳光能和营养盐的条件而调节浮力。所述浮力单 元可以使用多种材料制备，例如泡沫聚苯乙烯或塑料容