專利名稱：用于輸送氣體到藻類培養(yǎng)物中的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明的實施方案總體上涉及用于輸送氣體到光生物反應器中的系統(tǒng)和方法，更具體地涉及定期和/或間歇地輸送氣體到光生物反應器中。
背景技術：
通過可再生能源生產生物燃料如生物柴油、生物乙醇和/或生物汽油可以提供大量的益處。增加的成本、增加的提取難度以及現(xiàn)有化石燃料儲量的耗竭激勵了替代燃料供給的開發(fā)。已作出努力開發(fā)可再生能源燃料，如來自玉米粒的乙醇或來自卡諾拉、油菜籽和其它來源的生物柴油。能夠從食品加工廠材料得到的生物燃料的量通常有限，且底層的食物商品價格增加通常對發(fā)展中國家的食物可供量和發(fā)達國家的食品價格造成負面影響。正在作出努力以通過非食物材料產生生物燃料，如通過木漿、玉米秸稈或甘蔗渣產生纖維素乙醇。藻類和其它光合微生物可以為生物燃料合成提供原料。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的實施方案，可以通過在預定持續(xù)期中導入一種或多種氣體到培養(yǎng)物中來生長微生物的培養(yǎng)物，其中該持續(xù)期不長于在生長和/或間歇性地輸送藻類期間的時間的90%。工作循環(huán)指相對于一種或多種氣體供給的關閉時間百分比的一種或多種氣體供給的開啟時間的百分比。根據本發(fā)明的一些實施方案，在封閉式光生物反應器頂部的自由空間產生液體培養(yǎng)基和氣體之間的界面，其可控制以交換期望的氣體成分。例如，二氧化碳或氧可以從自由空間交換到培養(yǎng)基中，且溶解的氣體可以從培養(yǎng)基傳輸?shù)阶杂煽臻g中。另外，氣體的輸送和回收可以增加培養(yǎng)物的生長，減少滯后時間，同時降低生長培養(yǎng)物的成本。增加的調節(jié)氣體輸入的效率可以帶來更好的生長、更好的控制和降低的能量消耗。根據本發(fā)明的一些實施方案，以在時間上和/或空間上進行控制的方式將一種或多種氣體導入光生物反應器。根據該實施方案，間歇性導入氣體到光生物反應器中可以涉及噴射一種或多種氣體到光生物反應器中，其中間歇性地導入一種或多種氣體。在一些實施方案中，時間間歇性的氣體到光生物反應器中的導入可隨著時間改變?？臻g間歇性的氣體到光生物反應器中的導入的其它實施方案可以涉及改變硬件的幾何形狀，改變氣體導入的位置和/或氣泡的大小和導入的頻率。其它實施方案同時使用這些間歇性方法來導入一種或多種氣體到光生物反應器中。在本發(fā)明的其它實施方案中，可以再捕集和/或重用導入到培養(yǎng)基中的二氧化碳。這些實施方案可以帶來成本節(jié)約、增加的魯棒性、更好的生長、更好的控制和降低的能量消耗。
雖然公開了多種實施方案，通過示出和描述本發(fā)明的示意性實施方案的下述具體實施方式
，本發(fā)明的其它實施方案將對本領域技術人員明晰可見。相應地，附圖和具體實施方式
應視為本質上是示意性的而非限制性的。


圖I示出根據本發(fā)明實施方案的使用用于氣體輸送的噴射系統(tǒng)的光生物反應器系統(tǒng)。圖2示出根據本發(fā)明實施方案光生物反應器系統(tǒng)的剖視圖，該光生物反應器系統(tǒng)使用用于氣體輸送的噴射系統(tǒng)。圖3示出根據本發(fā)明實施方案的具有集成式噴射的光生物反應器系統(tǒng)。圖4是示出根據本發(fā)明實施方案的光反應器中純水的pH相對于二氧化碳氣體濃度的圖表。圖5示出根據本發(fā)明實施方案的具有集成式噴射的光生物反應器系統(tǒng)。圖6A-6D表不根據本發(fā)明實施方案的導入一種或多種氣體到光生物反應器中的示例模式。圖7A示出根據本發(fā)明實施方案的實驗條件的柱狀圖，其包括氣體百分比、工作循環(huán)和氣體隨時間的流量。圖7B表示根據本發(fā)明實施方案的在不同氣體輸送條件下對照藻類培養(yǎng)物和實驗藻類培養(yǎng)物隨時間的PH水平和干物質量的圖表。圖8示出流程圖，其示出根據本發(fā)明實施方案的用于確定一個或多個光生物反應器的氣體輸送的方法。圖9示出流程圖，其示出根據本發(fā)明實施方案的用于確定一個或多個光生物反應器的二氧化碳輸送的方法。圖IOA和IOB不出根據本發(fā)明實施方案的與輸送空氣和二氧化碳到一個或多個光生物反應器對應的定時模式。圖11表示流程圖，其示出根據本發(fā)明實施方案的用于開環(huán)系統(tǒng)中的氣體輸送的方法。圖12表示流程圖，其示出根據本發(fā)明實施方案的用于閉環(huán)系統(tǒng)中的氣體輸送的方法。圖13示出根據本發(fā)明實施方案的使用可變氣體流速的光生物反應器系統(tǒng)。圖14示出根據本發(fā)明實施方案的僅使用二氧化碳輸送的光生物反應器系統(tǒng)。圖15示出根據本發(fā)明實施方案的以恒定氣體輸送比率操作的光生物反應器系統(tǒng)。圖16示出根據本發(fā)明實施方案的用于捕獲和再循環(huán)來自系統(tǒng)的排氣的光生物反應器系統(tǒng)。圖17是示出根據本發(fā)明實施方案的僅使用二氧化碳輸送的光生物反應器系統(tǒng)隨時間產生的干物質量和pH的圖表。圖18示出根據本發(fā)明實施方案的具有多種氣體輸送的光生物反應器系統(tǒng)。圖19示出根據本發(fā)明實施方案的具有二氧化碳輸送、混合裝置和流量控制器的光生物反應器系統(tǒng)。圖20示出根據本發(fā)明實施方案的配置為輸送氣體到多個光生物反應器系統(tǒng)的系統(tǒng)。圖21示出根據本發(fā)明實施方案的配置為輸送氣體到多個光生物反應器系統(tǒng)的替代系統(tǒng)。圖22示出根據本發(fā)明實施方案的配置為輸送氣體到多個光生物反應器系統(tǒng)的又一替代系統(tǒng)。圖23示出根據本發(fā)明實施方案的配置為直接輸送氣體到光生物反應器系統(tǒng)的自由空間的系統(tǒng)。圖M示出根據本發(fā)明實施方案的配置為直接輸送氣體到光生物反應器系統(tǒng)的自由空間和/或間歇性地輸送氣體到培養(yǎng)物的培養(yǎng)基中的系統(tǒng)。圖25示出根據本發(fā)明實施方案的具有不同水平的自由空間和培養(yǎng)物培養(yǎng)基的光生物反應器系統(tǒng)的剖視圖。圖沈示出根據本發(fā)明實施方案的在不同內部氣體供給壓力下具有不同水平的自由空間的兩個光生物反應器系統(tǒng)的剖視圖。圖27示出根據本發(fā)明實施方案的配置用于間歇性氣體輸送的光生物反應器袋的孔和裝配。圖觀示出根據本發(fā)明實施方案的在噴射期間在光生物反應器系統(tǒng)內的流體運動。圖四示出根據本發(fā)明實施方案的生長相對于時間的圖表，其示出減少的噴射對生長的影響。圖30示出根據本發(fā)明實施方案的用于生物反應器控制的反饋和/或前饋系統(tǒng)。圖31示出根據本發(fā)明實施方案的光生物反應器系統(tǒng)。圖32示出根據本發(fā)明實施方案的對不具有擴散動力學的光生物反應器使用動態(tài)建模仿真得出的空氣流速。圖33示出根據本發(fā)明實施方案的對不具有擴散動力學的光生物反應器使用動態(tài)建模仿真得出的受控二氧化碳輸入流速。圖34示出根據本發(fā)明實施方案的對不具有擴散動力學的光生物反應器使用動態(tài)建模仿真得出的二氧化碳液面上濃度。圖35示出根據本發(fā)明實施方案的對具有一些擴散動力學的光生物反應器使用動態(tài)建模仿真得出的空氣流速。圖36示出根據本發(fā)明實施方案的對具有一些擴散動力學的光生物反應器使用動態(tài)建模仿真得出的受控二氧化碳輸入流速。圖37示出根據本發(fā)明實施方案的對具有一些擴散動力學的光生物反應器使用動態(tài)建模仿真的二氧化碳液面上濃度。圖38示出根據本發(fā)明實施方案的示出開啟時間的百分比相對于間歇性和連續(xù)噴射的時間的圖表。圖39示出根據本發(fā)明實施方案的示出間歇性和連續(xù)噴射隨時間的碳捕獲效率的圖表。
圖40示出根據本發(fā)明實施方案的示出間歇性和連續(xù)噴射隨時間每天在每英尺長度(per linear foot)袋上的二氧化碳輸送克數(shù)的圖表。圖41示出根據本發(fā)明實施方案的示出在白天時間段期間的pH和與噴射流量相比輸送的二氧化碳百分比和PAR的圖表。圖42示出根據本發(fā)明實施方案的示出在最多一天的時間上pH和與噴射流量相比輸送的二氧化碳百分比和PAR的另一個圖表。圖43示出根據本發(fā)明實施方案的示出在夜間時間段期間的pH和與噴射流量相比輸送的二氧化碳百分比和PAR的另一個圖表。圖44示出根據本發(fā)明實施方案的示出在幾天時間上的培養(yǎng)物密度的另一個圖表，其比較用于二氧化碳輸送的間歇性和連續(xù)噴射。圖45示出根據本發(fā)明實施方案的示出在十二小時時間段上的pH、到液面上空間的流量和PAR的圖表，在該時間段期間，二氧化碳僅間歇性地輸送到光生物反應器的液面上空間而不噴射到光生物反應器中。圖46示出根據本發(fā)明實施方案的示出在幾天的時間段上單位為克每升的藻類培養(yǎng)物密度的圖表，其比較僅間歇性地將二氧化碳輸送到光生物反應器的液面上空間的光生物反應器和將二氧化碳連續(xù)地噴射到光生物反應器中的光生物反應器。雖然本發(fā)明可具有各種修改和替代形式，具體實施方案是作為示例在附圖中示出和并在下文中詳述的。然而，并不意圖將本發(fā)明限制于所描述的特定實施方案。相反，本發(fā)明旨在覆蓋落在本發(fā)明和本公開的范圍內的所有修改、等價和替代。
具體實施例方式生長作為生物柴油原料的藻類涉及在封閉式生物反應器內生長藻類。常常將通常形式為二氧化碳(CO2)的碳添加到生物反應器培養(yǎng)基中以支持光合作用。類似地，光合作用的過程釋放溶解于培養(yǎng)基中的氧(O2)。由于空氣中相對低的二氧化碳含量，依賴于暴露于環(huán)境空氣中以便接收來自空氣的二氧化碳并排出釋放的氧到空氣中的開放式生物反應器通常不能產生足夠的碳以支持有效的藻類生長。將二氧化碳直接鼓泡到生物反應器培養(yǎng)基中通常涉及吸收到培養(yǎng)基中的相對低的二氧化碳，從而與通過藻類生長產生的能量相比，提供二氧化碳通常需要更多能量。另外，使用復雜的膜接觸器以促進二氧化碳到培養(yǎng)基中的吸收通常涉及相對高的開銷，這通常還需要比通過藻類生長產生的能量的價值更高的成本。在下面各節(jié)中，描述了各種示例系統(tǒng)和方法以便詳述各種實施方案。本領域技術人員可以理解，實施各種實施方案不需要使用本文闡述的所有或甚至部分具體細節(jié)，而是可以通過常規(guī)實驗修改時間、系統(tǒng)部件和其它具體細節(jié)。本發(fā)明的實施方案包括輸送和/或捕獲用于生長培養(yǎng)物的各種氣體的系統(tǒng)和方法。在一些實施方案中，該系統(tǒng)和方法輸送和/或捕獲用于在光生物反應器中生長培養(yǎng)物的各種氣體。培養(yǎng)物可以是微生物；例如，培養(yǎng)物可以是藻類培養(yǎng)物。根據本發(fā)明實施方案的系統(tǒng)通過設計用于輸送和/或捕獲光生物反應器的各種氣體的網絡供應單個或多個光生物反應器。研究者們正在探索生長藻類以作為生物柴油的原料。在很多設計中，藻類在由
8玻璃或塑料組成的封閉式反應器內生長。適用于生長藻類和其它微生物的封閉式系統(tǒng)生物反應器的示例在2007年10月12日遞交并于2008年7月3日作為美國專利申請公開2008/0160591號公布的序列號為11/871，7 的美國專利申請中描述，其通過引用整體結合在本文中。本文中的一些實施方案涉及通過允許培養(yǎng)基的自由表面暴露在大氣下，導入二氧化碳到藻類生長的培養(yǎng)基或水中。典型的空氣包含約0.038%體積的二氧化碳。雖然這種配置相對容易實現(xiàn)，但其不允許將很多碳添加到培養(yǎng)基中，且因此藻類生長的效率在這種情況下可能不夠高。光生物反應器可以用于生長藻類。生長在生物反應器中的藻類具有各種需要。例如，如果控制很多系統(tǒng)變量的濃度，則可以獲得提高的生長性能。檢查導入藻類培養(yǎng)物的培養(yǎng)基的各種氣體的量。在一個示例中，添加到培養(yǎng)基中的二氧化碳可以直接控制光生物反應器系統(tǒng)中的培養(yǎng)物的生產率和/或生長。一些光生物反應器系統(tǒng)使用簡單噴射輸送二氧化碳到培養(yǎng)基中；通常，一些光生物反應器系統(tǒng)具有很差的攝取利用，這會浪費氣體，而其它光生物反應器使用復雜且昂貴的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)成本過高而難以大批量生產。藻類或光合微生物可以在光生物反應器中生長。微生物包括但不限于眼點擬微綠球藻(Nannochloropsis oculata)，微綠球藻(Nannochloropsis gaditana)，微擬球藻(Nanno ch loropsis salina)，四肩突四鞭藻(Tetraselmis suecica)，周氏扁藻(Tetraselmis chuii)，微藻(Nannochloropsis sp.)，海水小球藻(Chlorella salina)，原始小球藻(Chlorella protothecoides)，橢圓小球藻(Chlorella ellipsoidea)，杜氏藻(Dunaliella tertiolecta) , !(Dunaliella salina),Η^ΙΙ^η^ (Phaeodactulumtricornutum)，布朗葡萄藻(Botrycoccus braunii)，浮水小球藻(Chlorella emersonii)，極微小球藻(Chlorella minutissima),蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa),小 求 (Chlorella sorokiniana), /J、 求 (Chlorella vulgaris),(Chroomonassalina)，隱秘小環(huán)藻(Cyclotella cryptica)，小環(huán)藻(Cyclotella sp.)，細小裸藻(Euglena gracilis)，納爾遜裸甲藻(Gymnodinium nelsoni)，雨生紅球藻(Haematococcuspluvialis)，球等鞭金藻(Isochrysis galbana)，單殼縫藻(Monoraphidium minutum)，單針藻(Monoraphidium sp·)，新綠球藻(Neochloris oleoabundans)，娃藻(Nitzschialaevis)，單針藻(Onoraphidium sp.)，魯茲巴夫藻(Pavlova lutheri)，三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)，紫球藻(Porphyridium cruentum)，斜生 ft 藻(Scenedesmus obliquuus),四尾柵藻(Scenedesmus quadricaula)，柵藻(Scenedesmussp.)，桿狀裂絲藻(Stichococcus bacillaris)，鈍頂螺旋藻(Spirulina platensis)，和海鏈藻(Thalassiosira sp.)。這些培養(yǎng)物可以單獨生長，或作為組合培養(yǎng)物生長。本發(fā)明的實施方案包括光生物反應器系統(tǒng)，其特點是通過使用能夠高效、具成本效益地輸送各種氣體到生物反應器的系統(tǒng)，提供改進的或最優(yōu)化的生物質生長、油生產、能量消耗、二氧化碳利用效率和/或其它重要的操作度量。根據本發(fā)明的一些實施方案，將反應器中液體-氣體界面的自由表面用于導入二氧化碳和其它氣體到培養(yǎng)基中。在其它實施方案中，間歇性地例如通過噴射將氣體導入光生物反應器中。這種用于生長培養(yǎng)物的過程可以具有顯著的能量和成本節(jié)約。根據本發(fā)明的實施方案，間歇性氣體導入包括時間上的間歇性氣體導入和/或氣體收集，其中導入隨著時間改變，和/或空間上的間歇性氣體導入，其中一種或多種氣體的導入隨著在生物反應器系統(tǒng)內的位置改變。在其它實施方案中，光生物反應器系統(tǒng)增加水或培養(yǎng)物的培養(yǎng)基中的碳含量。例如，可以通過鼓泡或噴射氣體二氧化碳到培養(yǎng)基或水中來實現(xiàn)碳含量增加。例如，二氧化碳可以按純粹的形式或與其它氣體例如空氣混合噴射到培養(yǎng)基中。形成的氣泡將從培養(yǎng)基中浮出且一部分二氧化碳將被吸收到培養(yǎng)基中，將碳添加到培養(yǎng)基或水中。根據這種實施方案，可以通過改變二氧化碳與或不與其它氣體一起的導入，調節(jié)或改變培養(yǎng)基和水的pH。通常，二氧化碳氣泡在到達系統(tǒng)內的培養(yǎng)基表面之前沒有足夠的時間被吸收。在很多情況下， 很小的一部分二氧化碳被吸收，而未吸收的二氧化碳通過培養(yǎng)基或水表面或排放的空氣排出，造成相對低的攝取效率。通常，在這種情況下預處理和泵送二氧化碳氣體的成本相對較聞。在氣泡到達自由表面之前,氣泡在培養(yǎng)物系統(tǒng)的培養(yǎng)基中的停留時間增加。例如， 可以在培養(yǎng)基從頂部向底部流動的垂直定向的管道底部注入作為氣泡的二氧化碳，從而培養(yǎng)基在管道中的平均速度近似地相同于或稍慢于氣泡上升的速度。雖然這增加了氣泡在培養(yǎng)基中的停留時間，但能量消耗在連續(xù)地泵送流體上，因此注入氣泡到逆流中的成本通常較聞。圖I不出用于生長微生物的光生物反應器102的氣體輸送系統(tǒng)100的不意圖。反應器102由膜袋組成，并可以包括具有孔110的氣體輸送管道109。生物反應器102可以部分地加注有培養(yǎng)基和微生物的混合物，并可以在培養(yǎng)基104的自由表面105上方具有一定體積的氣體103。微生物在光照下使用光合作用進行生長，該光通常為陽光，但也可以由人造光源如電燈提供。微生物需要各種不同營養(yǎng)物以進行生長，一種營養(yǎng)物是碳，通常通過將二氧化碳溶解到質104中以輸送到微生物。在一些實施方案中，培養(yǎng)基104可以包括但不限于水、大量營養(yǎng)物和微量營養(yǎng)物， 且可選地包括鹽。例如，如果培養(yǎng)基預期用于生長通常生長在鹽水中的微生物，則將鹽添加到培養(yǎng)基中。在一些實施方案中，典型的鹽濃度量級為千分之15-36 (ppt)，但可以取決于有機體的需要改變。在其它實施方案中，大量營養(yǎng)物可以包括但不限于氮和磷酸鹽。根據本發(fā)明的實施方案，可以添加量級為約O. 05-0. 05克/升的大量營養(yǎng)物濃度。微量營養(yǎng)物濃度可以包括但不限于痕量金屬，如鋅、鐵和銅?？梢蕴砑永缌考墳榧s20-3000微克/升濃度的微量營養(yǎng)物濃度。可以用多種不同方式將碳添加到培養(yǎng)基中。一種方法是添加化學形式為糖(例如蔗糖)或醇類(例如乙醇)的碳。以此方式生長微生物通常稱為異養(yǎng)(heterotoophic)。 在光生物反應器中生長的微生物使用二氧化碳自養(yǎng)地生長?；祓B(yǎng)生長涉及向微生物例如藻類提供來自二氧化碳以及其它碳來源的碳。本發(fā)明的實施方案允許微生物的自養(yǎng)和/或混養(yǎng)生長。 在本發(fā)明的一些實施方案中，通過有孔或無孔膜導入二氧化碳，該膜允許二氧化碳從膜的一側滲透到膜另一側的培養(yǎng)基中。2008年6月9日遞交的美國專利臨時申請 61/059，863號詳細闡述了結合塑料膜光生物反應器使用膜。 有孔膜具有微孔，該微孔允許膜一側的氣體跨過孔形成氣泡。這允許膜另一側的液體直接接觸氣體。氣體混合物中氣體和培養(yǎng)基中的氣體的分壓差異使得氣體混合物中的氣體從膜的一側擴散到另一側，直到分壓差異達到平衡。由于氣體和液體之間的這些界面僅出現(xiàn)在膜中有孔的地方，在每單位面積基礎上氣體到培養(yǎng)基的擴散速率或相反總體上小于用氣體和液體的連續(xù)界面在類似條件下可以達到的程度。無孔膜通過允許二氧化碳或其它氣體有效地溶解到膜中，然后通過膜擴散并溶解到培養(yǎng)基中來工作。在一些實施方案中，一種有孔膜可以是硅橡膠膜，其可以有效地用于添加二氧化碳到培養(yǎng)基中。類似于有孔膜，氣體通過無孔膜的擴散速率傾向于小于自由表面在相當條件下可以達到的程度。雖然使用膜可以是使二氧化碳進入培養(yǎng)基的非常有效的方法，但膜較昂貴、難以處理，且滲透性小于用純液體/氣體界面獲得的程度。此外，將膜集成到光生物反應器中會使制造過程復雜化，產生潛在地更加昂貴且可能較不耐用的產品?？梢杂镁哂衅谕麧舛鹊臍怏w進行噴射以將二氧化碳導入培養(yǎng)基。圖2示出反應器200的橫截面，其中具有噴射管110。可以向噴射管110供給來自一個或多個加壓氣體源的氣體。圖3示出類似的系統(tǒng)300。圖3示出用于保持培養(yǎng)基和微生物(例如藻類)的反應器袋104、至少一個噴射管110、加壓二氧化碳源305和用于通過管道或管101、307、308、309供給一種或多種氣體(例如二氧化碳)的空氣壓縮機303。壓力調節(jié)器395可以用于控制輸送二氧化碳的壓力。控制閥396可以用于打開和關閉輸送的二氧化碳的供給。孔或節(jié)流閥304可以用于控制氣體的流速。在本發(fā)明的一些實施方案中，空氣壓力可以由一個或多個壓力調節(jié)器301控制，且可選地，由用于打開和關閉空氣供給的空氣控制閥302控制?？谆蚬?jié)流閥304可以用于在空氣控制閥打開時控制空氣的流量。二氧化碳控制閥396和空氣控制閥302可以協(xié)同操作或獨立操作，以對系統(tǒng)的氣體供給提供靈活性。節(jié)流閥304可以是手動、被動或電子控制閥。在一個實施方案中，節(jié)流閥為質量流量控制器(MFC)。在本發(fā)明的一些實施方案中，當控制閥302處在“開啟，，位置時，加壓氣體流至輸送管(例如噴射管109)并從輸送管110中的孔流出。一旦到管109外，氣體就形成氣泡，該氣泡在培養(yǎng)基中上升直至到達袋102的自由表面界面105。在一些實施方案中，一個或多個輸送管109可以按各種不同方式制造并由各種不同材料制成。例如，輸送管109可以包括具有孔的管道或管，該孔可以通過打孔、機械加工、激光打孔或通過其它手段產生；多孔巖石；由各種材料模制而成的起泡器；內在地多孔的天然材料；和/或在其中具有小孔的塑料膜管。在一些實施方案中，輸送管109由具有小孔的塑料膜形成，所述小孔可通過手動打孔形成或使用激光形成。當氣泡在培養(yǎng)基中上升期間，如果二氧化碳氣體的分壓高于在培養(yǎng)基中溶解的二氧化碳的等價分壓，則二氧化碳將從氣體擴散并吸收到培養(yǎng)基中。對于給定的培養(yǎng)基和溫度，擴散到培養(yǎng)基中的二氧化碳的量是氣泡中的氣體的分壓、培養(yǎng)基中的等價分壓、氣泡的表面積、氣泡在培養(yǎng)基中的停留時間、氣泡在培養(yǎng)基中的移動或運動，和其它因素，如出現(xiàn)在培養(yǎng)基中的氣泡的數(shù)量的函數(shù)。到達培養(yǎng)基表面的氣泡通常破裂，然后氣泡中的氣體與培養(yǎng)基上方的氣體合并。然后氣體和培養(yǎng)基之間的擴散繼續(xù)，直至分壓和等價分壓達到平 在很多生物反應器中，培養(yǎng)基的深度足夠淺，從而氣泡上升到表面的時間非常短。在一些實施方案中，生物反應器具有約十二英寸的培養(yǎng)基深度，且氣泡可以在1至2秒內上升到表面。該短時間段通常不允許很多二氧化碳擴散到培養(yǎng)基中，且會造成二氧化碳使用的低效率，除非可以按某種方式捕獲和重用二氧化碳。此外，可能消耗相當多的能量以將包含二氧化碳的氣體混合物升高至噴射壓力。通過增加氣泡到達表面的時間，可以使用富集二氧化碳的氣體的較大部分。這可以通過向氣泡在其中上升的培養(yǎng)基施加向下的流量來實現(xiàn)。該向下的流量反作用于上升氣泡的移動，且通過仔細的設計，可以將流量設定在與氣泡上升速率匹配的速率，因此有效地使氣泡朝向表面具有很低的速度或沒有凈速度。雖然這的確增加了二氧化碳利用效率，但其能量成本對于商品產品例如基于微生物的運輸燃料來說過高。根據本發(fā)明的其它實施方案，可以出于其它原因將氣體導入到培養(yǎng)基中。例如，生物反應器可能使用特定的氣體輸送方法以減少來自懸浮液的培養(yǎng)物沉淀。另外，用于攪拌培養(yǎng)物的方法可以用于最小化死物質或死微生物的累積并對培養(yǎng)物的負面影響。攪拌可以增加營養(yǎng)物的可供量并減少培養(yǎng)物死亡，且還減少死物質在生物反應器底部的累積。在其它實施方案中，造成攪拌的氣體輸送可以用于混合營養(yǎng)物，減少溫度、pH和/或會影響培養(yǎng)基的其它條件的分層。造成攪拌的氣體輸送(例如噴射)可以是減少培養(yǎng)基中溶解的氧量的有效方法。由于關聯(lián)于噴射的成本，在本發(fā)明的一些實施方案中，可以按更加受限和/或時間上受控的方式將氣體輸送到一個或多個培養(yǎng)物。例如，可以按需執(zhí)行氣體的噴射。在其它實施方案中，光生物反應器允許氣體在附加的時間中保持懸浮在培養(yǎng)基上方，顯著地允許氣體在更長時間中從培養(yǎng)基上方的空間擴散到培養(yǎng)基中。根據這種實施方案，氣體通過液體-氣體界面或自由表面的傳輸，以及氣體輸送的定時和控制及其化學成分可以增強培養(yǎng)基中的二氧化碳吸收。如圖3所示，氣泡在培養(yǎng)基中上升到生物反應器的頂部，在該處收集氣體103。產生自由表面105，在該處氣體可以擴散到生物反應器中。取決于生物反應器300，氣體可以在培養(yǎng)基上方駐留在生物反應器300內，其中氣體可以擴散到培養(yǎng)基中直至達到期望的結果。這種方法可以有效地以增加的攝取效率和減少的能量使二氧化碳進入培養(yǎng)基。根據本發(fā)明的實施方案，這種方法可以稱為使用自由表面。在一些實施方案中，二氧化碳從氣泡中的氣體以上升通過培養(yǎng)基的形式或作為在培養(yǎng)基上方收集的氣體擴散的速率是二氧化碳的分壓和液體培養(yǎng)基中的氣體的等價分壓之間的差異的函數(shù)。例如，在海平面和25°C的環(huán)境條件下，大氣近似地包含O. 038%的二氧化碳，并具有約為38. 5Pa的分壓。在本發(fā)明的其它實施方案中，擴散入或擴散出培養(yǎng)基的二氧化碳的總量是可用表面積和氣體中的二氧化碳和培養(yǎng)基中的二氧化碳在培養(yǎng)基/氣體界面處的分壓差異的函數(shù)。例如，較大的培養(yǎng)基/氣體界面面積可以具有較高的二氧化碳傳輸速率。在給定溫度和鹽度下給定培養(yǎng)基中的PH和二氧化碳的量是氣體和生物反應器中的培養(yǎng)基中的二氧化碳的分壓的函數(shù)。這些變量中的每個可以由生物反應器中的培養(yǎng)基和液面上空間之間的界面面積影響。在一些實施方案中，在生物反應器中生長的微生物消耗來自培養(yǎng)基的二氧化碳并釋放氧到培養(yǎng)基中。這種實施方案的系統(tǒng)不一定平衡。在這種實施方案中，改變自由表面105的面積會通過影響二氧化碳進入和離開培養(yǎng)基的相對速率來影響培養(yǎng)基中的pH。 因此改變表面積可以控制培養(yǎng)基和培養(yǎng)物的pH,即使將恒定濃度的二氧化碳用于氣體輸送 (例如噴射)，或用作留在封閉式光生物反應器中的培養(yǎng)基上方的自由空間中的氣體。下面的公式可以用于確定包含指定濃度二氧化碳的在其自由表面上方的氣體平衡時蒸餾水的pH。根據本發(fā)明的實施方案，這些公式用于評估、監(jiān)視，和/或編程光生物反應器中的氣體輸送。例如，這些公式中的一個或多個可以用于編程光生物反應器系統(tǒng)，以保 持恒定的PH，其中保持恒定的PH可以是調節(jié)到系統(tǒng)的ニ氧化碳或其它氣體輸送的函數(shù)。tempc:=16Patm:=1 atmtempK: = (tempc+273.15) KConcc02 = 0%, . 001%,.100%Pc02 (Concc02) = Patm Concc02Cc02 = 2400 K
權利要求
1.一種用于在光生物反應器中導入二氧化碳的方法，所述光生物反應器具有培養(yǎng)基和相鄰于所述培養(yǎng)基的液面上空間，所述方法包括確定所述培養(yǎng)基中的二氧化碳不足；和基于所述確定，根據工作循環(huán)輸送二氧化碳到所述光生物反應器中，其中所述工作循環(huán)包括開啟時間和關閉時間，其中在所述開啟時間期間將供給二氧化碳輸送到所述光生物反應器且排出已在所述液面上空間中的至少一部分氣體，以及其中在所述關閉時間期間駐留在所述液面上空間中的二氧化碳擴散到培養(yǎng)基中。
2.—種用于在生物反應器中生長微生物的方法，包括在所述生物反應器中生長微生物的培養(yǎng)物；和在預定持續(xù)期中導入一種或多種氣體到所述生物反應器中，其中所述持續(xù)期不長于工作循環(huán)的90%。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述微生物包括藻類。
4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，導入一種或多種氣體包括通過噴射一種或多種氣體到所述微生物的培養(yǎng)物中來導入一種或多種氣體。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，噴射器可操作地連接到控制器系統(tǒng)，其中所述控制器系統(tǒng)可操作地連接到反饋中繼系統(tǒng)以確定所述培養(yǎng)物的生理條件。
6.一種用于在光生物反應器中生長藻類培養(yǎng)物的方法，包括在所述光生物反應器中生長藻類的培養(yǎng)物；和在預定持續(xù)期中導入一種或多種氣體到所述生物反應器中，其中所述持續(xù)期不長于生長的工作循環(huán)的90%。
7.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述一種或多種氣體包括二氧化碳、空氣或惰性氣體。
8.一種用于導入一種或多種氣體到光生物反應器中的控制系統(tǒng)，包括閉環(huán)控制器，其能夠接收來自一個或多個傳感器的信號；和所述一個或多個傳感器，能夠接收二氧化碳濃度、O2濃度、空氣水平、培養(yǎng)物密度、培養(yǎng)物溫度和PH中的一個或多個的數(shù)據。
9.一種光生物反應器，包括一個或多個控制器，其用于控制一種或多種氣體到所述光生物反應器的輸送；一個或多個噴射器，其用于輸送所述一種或多種氣體到所述光生物反應器；所述一個或多個控制器能夠接收來自一個或多個傳感器的信號；所述一個或多個傳感器能夠接收二氧化碳濃度、O2濃度、惰性氣體水平、空氣水平、光學密度和PH中的一個或多個的數(shù)據；一個或多個閥，其用于輸送所述一種或多種氣體，其中所述一個或多個閥能夠從完全開啟位置改變到完全關閉位置，且其中所述一個或多個閥可操作地連接到所述一個或多個控制器；一個或多個壓力調節(jié)器，其可操作地連接到所述一個或多個閥和所述一個或多個控制器；和可選的一個或多個流量控制裝置。
10.根據權利要求9所述的光生物反應器，其特征在于，所述一個或多個噴射器包括用于輸送二氧化碳的至少一個噴射器和用于輸送空氣的至少一個噴射器。
11.根據權利要求9所述的光生物反應器，其特征在于，所述一個或多個噴射器同時打開、同時關閉，或以改變的時間間隔打開和關閉，其中一個或多個噴射器在不同的工作循環(huán)期間從打開或關閉循環(huán)。
12.一種用于一個或多個光生物反應器的控制系統(tǒng)，包括一個或多個控制器，其能夠接收來自所述一個或多個光生物反應器的一個或多個傳感器的信號；所述一個或多個傳感器能夠接收二氧化碳濃度、O2濃度、惰性氣體水平、空氣水平、光學密度和PH中的一個或多個的數(shù)據；和分配器，其可操作地連接到所述一個或多個控制器以輸送一種或多種氣體到所述一個或多個光生物反應器，其中所述分配器可操作地連接到一個或多個閥，且其中所述分配器通過所述一個或多個閥輸送所述一種或多種氣體到所述一個或多個光生物反應器。
13.根據權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述分配器還包括能夠輸送氣體的混合物到所述一個或多個光生物反應器的分配器。
14.根據權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述分配器還包括用于同時或以預定時間間隔輸送一種或多種氣體到光生物反應器的分配器，其中預定時間間隔包括類似的時間間隔或改變的時間間隔，但其中所述一種或多種氣體不連續(xù)地輸送到所述一個或多個光生物反應器。
15.根據權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述一個或多個閥包括手動控制的閥、定時器控制的閥、電子控制的閥、被動控制的閥、傳感器控制的閥或其組合。
16.根據權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述一個或多個傳感器接收所述一個或多個光生物反應器的一個或多個培養(yǎng)基和自由空間中的二氧化碳濃度、O2濃度、惰性氣體水平、空氣水平、光學密度和PH中的一個或多個的數(shù)據。
17.根據權利要求16所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述分配器基于由所述傳感器接收的數(shù)據分配所述一種或多種氣體。
18.一種用于在光生物反應器中生長微生物的方法，包括在光生物反應器的培養(yǎng)基中生長微生物的培養(yǎng)物；評估所述培養(yǎng)基的PH ；和基于培養(yǎng)基的PH調節(jié)所述微生物的培養(yǎng)物的自由表面積。
19.根據權利要求18所述的方法，還包括在預定持續(xù)期中間歇性地導入二氧化碳、惰性氣體或空氣中的一個或多個到所述培養(yǎng)物中，其中基于培養(yǎng)基的PH，所述持續(xù)期不長于工作循環(huán)的90%。
20.根據權利要求19所述的方法，其特征在于，所述微生物包括藻類。
21.一種用于在基于膜的光生物反應器中生長微生物的方法，包括在光生物反應器的培養(yǎng)基中生長微生物的培養(yǎng)物；評估所述培養(yǎng)基的PH ；和基于所述培養(yǎng)基的PH，調節(jié)所述培養(yǎng)基和所述培養(yǎng)基上方的液面上空間之間的表面積。
22.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，通過改變所述光生物反應器上的背壓調節(jié)所述膜的表面積。
23.一種用于一個或多個光生物反應器的控制系統(tǒng)，包括一個或多個控制器，其能夠指令輸送一種或多種氣體到一個或多個光生物反應器；所述一個或多個控制器編程至用于所述一個或多個光生物反應器的二氧化碳濃度、O2 濃度、惰性氣體、空氣水平和PH中至少一個的預定水平；所述一個或多個控制器編程為接收來自所述一個或多個光生物反應器的二氧化碳濃度、O2濃度、空氣水平、惰性氣體水平和pH中的一個或多個的數(shù)據；和分配器，其可操作地連接到所述一個或多個控制器以基于所述預定水平和從所述一個或多個光生物反應器接收的數(shù)據，輸送所述一種或多種氣體到所述一個或多個光生物反應器。
24.根據權利要求23所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述分配器可操作地連接到一個或多個閥，其中所述分配器通過所述一個或多個閥輸送所述一種或多種氣體到所述一個或多個光生物反應器。
25.根據權利要求23所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述一個或多個光生物反應器設定至二氧化碳濃度、O2濃度、惰性氣體水平、空氣水平和pH中至少一個的不同的預定水平。
26.根據權利要求23所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述一種或多種氣體中的一個或多個在被輸送到所述一個或多個光生物反應器之前混合。
27.—種用于在光生物反應器中生長藻類的方法,包括在光生物反應器中生長藻類的培養(yǎng)物；和在預定持續(xù)期中導入一種或多種氣體到所述光生物反應器的自由空間中，其中所述持續(xù)期不長于生長的工作循環(huán)的90%。
28.根據權利要求27所述的方法，其特征在于，攪拌所述光生物反應器中的培養(yǎng)基，但不通過噴射氣體的方式。
全文摘要
根據本發(fā)明實施方案的光生物反應器間歇性地輸送營養(yǎng)物氣體到光生物應器培養(yǎng)基。在一些實施方案中，根據工作循環(huán)或定時模式輸送一種或多種氣體。根據一些實施方案，使用二氧化碳的間歇性導入在光生物反應器中生長藻類。在其它實施方案中，完全地或部分地從光生物反應器的培養(yǎng)基上方的液面上空間向光生物反應器中生長的藻類供給二氧化碳。
文檔編號C12M1/36GK102597211SQ201080022718
公開日2012年7月18日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權日2009年3月19日
發(fā)明者克里斯多夫·韋恩·特納, 克里斯蒂納·韋耶-蓋格爾, 大衛(wèi)·伊萊·謝爾曼, 大衛(wèi)·雅各布·勞森, 布萊恩·丹尼斯·威爾森, 彼得·邁克爾·楊, 理查德·查爾斯·斯庫諾弗, 蓋伊·羅伯特·巴比特, 詹森·查爾斯·奎因, 邁克爾·賴安·布赫納 申請人:Solix生物系統(tǒng)公司, 科羅拉多州大學研究基金會