技术领域
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
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。
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。
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。
发明公开
技术问题
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。
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。
技术方案
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。
所述光合微生物可以分散并培养于所述液体中。
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。
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。
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0.1μm至200μm,0.1μm至100μm,0.2μm至50μm,0.5μm至25μm,0.5μm至22μm,1μm至20μm,3μm至18μm,或4μm至16μm。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％。
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。
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。
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。
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。
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0.1μm至200μm,0.1μm至100μm,0.2μm至50μm,0.5μm至25μm,0.5μm至22μm,1μm至20μm,3μm至18μm,或4μm至16μm。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％。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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器，其具有真空内部或包括能够提供浮力的空气或气体。另外，所述浮力单元可以覆盖上框架，或所述上框架可以连接到单独的浮力单元。当所述浮力单元覆盖上框架时，该浮力单元可以作为所述培养设施中的工作区，由操作者使用而进行工作。另外，所述漂浮结构可以配置为包括操作者可以进行管理工作的操作者支持单元。所述操作者支持单元作为在其上操作者可以进行工作的支持，而该操作者支持单元可以连接到浮力单元或与浮力单元分离的水下或漂浮设施。在这种情况下，所述光生物反应器可以配置为具有或不具有浮力单元。对于不具有浮力单元的光生物反应器，为了使该光生物反应器不浸没在水面下太深，可以适当调节漂浮结构的底面的深度，以对应光强度或细胞密度的变化。
根据本发明的另一个方面，提供用于光合微生物培养的方法，包括制备光生物反应器；以及向一个或多个光生物反应器中引入光合微生物和培养基，接着将所述光生物反应器放置到培养设施中以进行光合作用。
在所述培养方法中，光合微生物在没有载体时分散并培养于培养基中。
有益效果
根据如上述的本发明的实施方案，有可能实现能够以经济和有效方式进行光合微生物大量培养的光生物反应器。当然，本发明的范围不限于该效果。
附图简述
图1是示意性示出根据本发明的第一个实施方案的光生物反应器的图示。
图2和图3是示意性示出根据本发明的第二个实施方案的光生物反应器的图示。
图4至图8是示意性示出根据本发明的第三个实施方案的光生物反应器的图示。
图9是示意性示出根据本发明的第四个实施方案的光生物反应器的图示。
图10是示意性示出根据本发明的第五个实施方案的光生物反应器的图示。
图11和12是示意性示出根据本发明的第六个实施方案的光生物反应器的图示。
图13是示意性示出根据本发明的第七个实施方案的光生物反应器的图示。
图14至图17是示意性示出根据本发明的第八个实施方案的光生物反应器的图示。
图18和19是示意性示出根据本发明的第九个实施方案的光生物反应器的图示。
图20和图21是示意性示出根据本发明的实施方案用于光合微生物的培养设施的图示。
图22是使用扫描电子显微镜拍摄的照片，示出根据本发明的实施方案的网片的结构。
图23是示出实验过程的照片，该实验研究光合微生物是否从根据本发明的实施方案的光生物反应器释放。
图24是示出分析培养容器中颗粒尺寸和细胞数量的结果曲线图，以研究光合微生物是否释放到根据本发明的光生物反应器的培养容器的外部。
图25是示出在细胞培养了一段特定时间后，分析容纳培养容器的外水浴中颗粒尺寸和细胞数量的结果的曲线图，以研究光合微生物是否释放到根据本发明的实施例的光生物反应器的培养容器的外部。
图26是示出依赖于根据本发明的实施方案的光生物反应器的制备中使用的网片和半透膜的种类，比较光合微生物的生长程度的实验过程的图像。
图27是依赖于根据本发明的实施方案的光生物反应器的制备中使用的网片和半透膜的种类，比较光合微生物的生长程度的曲线图：
●,△:聚酯网片；
○,■:尼龙网片；
▼,□:50kDa分子量截止半透膜；
f/2:f/2培养基；和
NSW:附近的海水。
图28是示出根据本发明的实施方案的光生物反应器的营养盐渗透性的曲线图。
图29是示意性示出根据本发明的实施例的光生物反应器用于实际在海中培养藻类的图示。
图30是示出在通过使用根据本发明的实施方案的光生物反应器实际在海中培养藻类所用的非渗透的塑料容器的照片。
图31是示意性地示出通过使用根据本发明的实施方案的光生物反应器实际在海中培养藻类的实验设计示意图。
图32是示出当通过使用根据本发明的实施方案的生物反应器实际在海中培养藻类时，海水和环境温度的变化的曲线图。
图33是示出当通过使用根据本发明的实施方案的生物反应器实际在海中培养藻类时，每日光合有效照射(PAR)的曲线图，而图34是示出当通过使用根据本发明的实施方案的生物反应器实际在海中培养藻类时，光照射时间的曲线图。
图35是示出当通过使用根据本发明的实施方案的生物反应器实际在海中培养光合微生物时，得到的细胞浓度的曲线图，而图36是示出当通过使用根据本发明的实施方案的生物反应器实际在海中培养光合微生物时，得到的新鲜细胞湿重的曲线图。
图37是比较在根据本发明的实施方案的生物反应器中使用的再生的网片与通过使用半透膜制备的生物反应器的再生的网片的硝酸盐渗透性的曲线图。
用于实施本发明的最佳方式
本文使用的术语定义如下。
如本文所使用的，术语“半透的”指其中仅一些材料可以选择性地通过界面例如膜或板的现象，而反作用“可渗透的”表明大多数材料可以通过而“非渗透的”表明大多数材料不可通过。
如本文所使用的，术语“半透明的”指其中一些光穿过界面例如膜或板的现象，而反作用“透明的”表明大多数光穿过，而“不透明的”表明光的穿过基本被阻挡。
如本文所使用的，术语“屏障”指空间上将包括待培养的光合微生物的培养容器内部从培养容器的外部分离的结构。术语“允许水，气体和营养物自由通过，但限制光合微生物的扩散”表示包括大分子的大多数材料例如水，气体和营养物可以自由通过，而不是特定分子经渗透选择性的通过，然而细胞例如光合微生物的自由扩散被限制。虽然一些细胞可能通过屏障，所述屏障两边的细胞浓度不达到相等状态。半透膜与“允许水，气体，和营养物自由通过，但限制光合微生物扩散的屏障”的区别在于半透膜限制气体的渗透，且相当数量的大分子完全不可通过。所述屏障可以是，例如，网片或穿孔板。
如本文所使用的，网片可以使用图案编织，例如平纹编织，斜纹编织，并经纱染色以包括通过使纬线和经线在垂直方向交叉编织的结构，或通过改变使用的处理方法或片材的类型制备，例如复合编织，堆叠编织和沙罗编织。所述网片指通过应用用于编织织物制备中的技术制备的薄片。
如本文所使用的，术语“穿孔板”指具有通过人工打孔平板材料的孔的薄板，其中所述平板材料可以是膜并且所述膜可以是非渗透膜或半透膜。通过人工打孔，所述穿孔板可以提供与网片相同的效果。
如本文所使用的，术语“营养物”是由生物体获取用于营养的材料，其包括矿物盐例如铁盐，钠盐，钾盐，磷酸盐和镁盐，以及有机营养物例如维生素，蛋白质，脂质，和碳水化合物，除了用于呼吸作用的氧和用于光合作用的水和二氧化碳。
如本文所使用的，术语“环境水”指本发明的光生物反应器所引入和进行培养的空间中的水，其中所述水包括海水，淡水和苦咸水，以及人工建立的储水罐或池塘中的水。
如本文所使用的，术语“自由通过”或“自由扩散”指其中特定材料可以没有限制地通过由屏障隔开的两个空间的状态，其中通过是与两个空间中特定材料的浓度差无关的概念，而扩散指其中特定材料从具有高浓度的空间迁移到具有低浓度的空间中的现象。
如本文所使用的，用词“限制自由扩散”是其中特定材料的扩散，其以压倒性高浓度存在于两个由屏障隔开的空间中的一个空间，在所述屏障存在的条件下，进入另一个空间被基本限制的情况，虽然当所述屏障不存在时扩散发生，且该情况不排除一些材料的迁移。因此，用词“限制自由扩散”可以用作与用词“基本限制扩散”相同的概念。
如本文所使用的，术语“开口尺寸”指网状结构中编织为彼此交叉的纬线和经线之间空间的尺寸。
如本文所使用的，术语“光合微生物”指绿藻，红藻，和蓝-绿藻，其能够进行光合作用，例如小球藻(chlorella)，衣藻(Chlamydomonas)，红球(Haematococcus)，葡萄藻(Botryococcus)，栅藻(Scenedesmus)，螺旋藻(Spirulina)，四爿藻(Tetraselmis)和杜氏藻(Dunaliella)等，但不限于此。如上文所述的光合微生物可以在培养容器中产生代谢产物例如类胡萝卜素，地衣共生菌(mycobiont)，藻胆蛋白，脂质，碳水化合物，不饱和脂肪酸，和蛋白质。
在下文中，参照附图描述本发明的实施方案。然而，本发明可以以彼此不同的多种形式实施，其不应解释为限于所公开的附图中所示的实施方案。相反，提供图中所示的实施方案使得本发明的公开将是完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。另外，为了图示的方便，元件的尺寸可以放大或缩小。
图1是示意性示出根据本发明的第一个实施方案的光生物反应器的图示。
使用根据本发明的网片的用于大量培养光合微生物的光生物反应器可以以最小的成本最大化光合微生物的生长程度，使得所述光合微生物可以有效地大量产生。另外，该光生物反应器放置在漂浮于水面上或放置在水下以浸没到一定深度，以提供克服空间限制用于大量培养的效果。
如图1所示，根据本发明的第一个实施方案的光生物反应器101包括培养容器110，其具有屏障以在空间上隔开环境水和待培养的光合微生物，其中所述屏障全部或部分使用网片111制备。对于网片，同样对于穿孔板，允许气体，水，和营养物自由通过，而限制光合微生物自由扩散的任何材料是可用的。
具体地，所述网片的特征在于允许环境水，气体和营养物自由通过，而限制光合微生物或污染微生物的自由扩散。更具体地，由于可以引入环境水，可以提供光合微生物生长所需的营养物，并且光合微生物生长期间排出的废物可以随着环境水被移除。由于不需要另外的营养物供应器和净化器，提供了节省成本，时间和劳动力的效果。此外，可以释放生成的氧气，而光合微生物的光合作用所需的二氧化碳可以通过网片供应。另外，由于光合微生物在可管理和限制性的培养容器中培养，可能防止由光合微生物大量繁殖导致的环境污染，且方便大量培养的环境微生物的收获。具体地，根据本发明的第一个实施方案，通过使用网片111制备的光生物反应器提供增加光合微生物生长的效果，增加通过使用典型的半透膜制备的光生物反应器的光合微生物生长的约1.5至2倍，表明光合微生物的生产效率显著改善。
所述网片的特征在于允许水，营养物，气体，和光合微生物的废物自由引入和释放，而阻止光合微生物的自由扩散。例如，所述网片可以使用聚合物织物编织。所述聚合物可以是可生物降解的聚合物或难降解的聚合物。所述可生物降解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。
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。
通过用所述网片制备的培养容器不作具体限制，但可以制备为任意形状，例如圆形，椭圆形，锥形，或圆柱形，只要该形状能够容纳光合微生物。
另外，所述培养容器的屏障可以全部或部分使用网片制备，而其它部分通过使用非渗透或半透且透明或半透明材料制备，用于当漂浮时维持立体形状。例如，当容纳光合微生物的塑料容器的一端使用网片密封时，由于塑料容器的浮力，所述容器可以漂浮在海水的表面附近。
图2是示意性示出根据本发明的第二个实施方案的光生物反应器的图示。
如图2所示，根据本发明的第二个实施方案的光生物反应器102包括第一个实施方案的培养容器110，并可以进一步包括从培养容器110延伸的管形浮力单元120。该管形浮力单元可以使用与培养容器的基体材料相同或不同的材料形成，并且考虑到制造过程，优选相同的材料。根据本发明的实施方案，所述管形浮力单元可以通过以下过程形成：引入空气以形成气球形状的培养容器；并通过热压粘附边界。在这种情况下，培养容器110的一部分被浮力单元120包围，而培养容器110的全部或部分可以使用网片111代替。图3是示出根据第二个实施方案的光生物反应器的剖视图的图示。
所述浮力单元可以是物品例如典型泡沫聚苯乙烯，浮标，和空置容器，通过连接单元连接到培养容器(参见图10)。
图3是示意性示出根据本发明的第三个实施方案的光生物反应器103的图示。
如图3所示，根据本发明的第三个实施方案的光生物反应器103包括第一个实施方案的培养容器110，且进一步包括一个或多个连接到培养容器110的连接单元130。连接单元130可以是任意的，不论形状或材料，只要所述连接单元能够将根据本发明的实施方案的培养容器彼此相连或连接和并固定培养容器和浮力单元。例如，可以使用绳索或链。培养容器110可以垂直连接。在这种情况下，浮力单元120仅包括在最上面的培养容器中，而培养容器110’，110’向下连接到最上面的培养容器，不包括浮力单元120(图4)。可选地，根据本发明的实施方案的光生物反应器103具有多个培养容器110，其可以通过浮力单元120彼此串联连接(图5)或并联连接(图6)，不需要单独的连接单元。可选地，如图7和8所示，无浮力单元的多个培养容器110环形连接(图7)或通过漂浮型连接单元(130’)在每个方向连接(图8)，该漂浮型连接单元(130’)可以使用能够漂浮的材料制备(例如，浮标，泡沫聚苯乙烯，或塑料容器或管，其具有真空内部或包括在其中能够提供浮力的空气或气体)以使培养容器110漂浮在水面上。在这种情况下，所述培养容器110可进一步包括浮力单元120(未显示)。在这种情况下，培养容器的连接类型根据待培养的光合微生物的类型和所述培养容器所放置的海水环境而不同。例如，当培养一种或多种类型的光合微生物时，所述培养容器可以垂直连接并随后置于海上。另外，当培养一种类型的光合微生物时，可以使用具有调节的浮力的漂浮型连接单元以边对边或以环形连接容器，使得所述容器定位于培养光合微生物所需的太阳光穿透的水的深度范围内。
图9是示意性示出根据本发明的第四个实施方案的光生物反应器104的图示。
如图9所示，根据本发明的第四个实施方案的光生物反应器104包括第一个实施方案的培养容器110，并且可以进一步括一个或多个连接到培养容器110的沉降单元140，使得培养容器110浸没在适合的水深。沉降单元140可以是铅锤，或放置在水面下或水下的结构。
图10是示意性示出根据本发明的第五个实施方案的光生物反应器105的图示。
如图10所示，根据本发明的第五个实施方案的光生物反应器105包括根据本发明的第一个或第二个实施方案的培养容器110，并且可以进一步包括连接到培养容器110的浮力单元120和沉降单元140。例如，浮力单元120可以通过连接单元130连接到培养容器110的一端，而沉降单元140可以连接到培养容器110的另一端。通过浮力单元120和沉降单元140，可以调节培养容器漂浮和沉降的程度。
图6是示意性示出根据本发明的第六个实施方案的光生物反应器106的图示。
如图11和图12所示，根据本发明的第六个实施方案的光生物反应器106包括根据第一个实施方案的培养容器110，并且可以进一步包括连接到培养容器110的开关单元150。例如，开关单元150包括在培养容器110的一个面中，以允许培养容器110容纳光合微生物，其中所述开关单元可以具有例如拉链(图11)，拉链袋或阀(图12)的形状，以便利开关。
图13是示意性示出根据本发明的第七个实施方案的光生物反应器107的图示。
如图13所示，根据本发明的第七个实施方案的光生物反应器107包括根据第一个实施方案的培养容器110，并且可以在培养容器110的一个面中进一步包括光阻挡区域160。例如，通过在培养容器110的一个面中包括光阻挡区域160，该光生物反应器可以经配置以调节递送到待培养光合微生物的光能的波长或量，其中所述光阻挡区域可以以例如图案的形状包括在培养容器中。
图8是示意性示出根据本发明的第八个实施方案的光生物反应器108的图示。
根据本发明的第八个实施方案的光生物反应器108的特征在于具有摆动结构，允许培养容器110通过风或波浪摆动。例如，如图14所示，其包括根据第一个实施方案的培养容器110，并且在摆动结构中可以进一步包括连接到培养容器的风扇170。风扇170配置为附接到培养容器的下或上表面，以允许培养容器通过风或水产生的力在垂直方向上旋转。一个或两个交叉的风扇70可以附接到培养容器的下或上表面。另外，如图15所示，所示风扇可以配置为弯曲的形状以扩大风到达的横截面以促进旋转。此外，所述摆动结构可以应用于培养容器110自身的形状。如图16所示，培养容器110的两边延长，从而形成与风车类似的风扇170，使得培养容器110能够通过风或波浪摆动。在这种情况下，为了培养容器110的高效摆动，两个突起的风扇170定向为彼此呈180度的角度。可选地，所述摆动结构可以包括外旋风扇170’，其附接到穿透培养容器的轴112并通过风或波浪旋转，以及联锁到外旋风扇170’并在培养容器内部旋转的内旋风扇170”。外旋风扇170’的形状可以是任意结构，例如风车，螺旋桨，或水车，只要该结构可以通过风或流动的水旋转。
图18和19是示意性示出根据本发明的第九个实施方案的光生物反应器109的图示。图18示意性地示出了笼式光生物反应器，而图19示意性地示出了滚道式光生物反应器。
如图18和19所示，根据本发明的第九个实施方案的光生物反应器109可以具有开放式培养容器110’，其具有开放的上表面。在这种情况下，培养容器110’可以包括上框架113和连接到它的屏障，其中所述屏障部分或全部使用材料111例如网片和穿孔板制备，其允许气体，水，营养物自由通过，而限制光合微生物的自由扩散。上框架113可以具有任意形状例如椭圆形，圆形，或多边形，例如矩形或正方形，能够形成开放式培养容器110’的立体结构，且所述屏障可以使用与捞网类似的形状连接到上框架113(未示出)。可选地，为了最大化开放式培养容器110’的体积并稳定结构，可以另外提供连接到上框架的垂直框架114和/或下框架115。在下文中，如图18所示，更详细的描述开放式培养容器110’，其中所述培养容器设有矩形的上框架113，在矩形的四个边缘处的垂直框架114，用于连接垂直框架114的下框架115，用于将框架连接到框架的底壁116，和各个方向的四个侧壁117。底壁116部分或全部可以使用材料111例如网片和穿孔板制备，其允许气体，水，营养物自由通过，而仅限制光合微生物的自由扩散，且其余部分可以使用能够基本限制光合微生物的不透明膜材料制备。或者，底壁116可以使用不透明膜材料制备，而四个侧壁117的部分或全部可以使用材料111例如网片和穿孔板制备，其允许气体，水，营养物自由通过，而仅限制光合微生物的自由扩散，或者底壁116和四个侧壁117两者都可以使用材料111例如网片和穿孔板制备，其允许气体，水，营养物自由通过，而仅限制光合微生物的自由扩散。然而，具有这种结构的开放式培养容器110’，可能难以漂浮在水面上，因此上框架113的部分或全部设有单独的浮力单元120。任选地，开放式培养容器110’可以具有一种结构，其中上框架113自身使用浮力材料制备，或上框架113直接和间接连接到浮力单元120。在前一种情况下，培养容器110’的上框架113可以制备为一个或多个向其中引入空气的管，或空塑料框架。在后一种情况下，浮力单元(例如，泡沫聚苯乙烯，或具有真空内部或包括能够提供浮力的空气或气体的塑料容器)可以附接到上框架113的侧部或下部。可以将工作台添加到上框架113，以便于由操作者接种或收集光合微生物的过程。任选地，当上框架113自身直接作为浮力单元起作用，或者上框架113覆盖有浮力单元120的情况下，可以省略工作台。必要时，上框架113可以容纳底壁116或四个侧壁117以调整培养容器110’的深度。也就是说，在多云天气或弱太阳光的季节，上框架113可以容纳底壁116或四个侧壁117，使得培养容器110’的深度可以变得更小，而在晴朗天气或强太阳光的季节，底壁116或四个侧壁117从上框架113突出，使得培养容器110’的深度可以变得更大。
此外，如图19所示，根据本发明的另一个实施方案的光生物反应器209可以包括开放式培养容器，其具有放置以漂浮在水面上的滚道池210。在这种情况下，如图19所示，可以将隔板218放置在具有滚道池210的开放式容器的中间，使得所述培养容器具有其中培养基可以在一个方向上旋转的结构。在这种情况下，为了培养基的平滑旋转，可以另外包括培养基旋转器219例如水车或泵。基本上，培养基旋转器219可以通过风或波浪旋转，并且另外可以设有通过独立电源提供旋转力的电动机(例如电池或光伏电力发电机)用于一个方向的持续旋转(未示出)。具有滚道池210的开放式培养容器的基本结构和图18所示的开放式培养容器110’类似。具有滚道池210的开放式培养容器可以包括上框架213，以及连接到上框架213的屏障，其中上框架可以形成椭圆形，纵向拉长的椭圆形或圆形。为了最大化具有滚道池210的开放式培养容器的体积并稳定结构，所述容器可以进一步设有连接到上框架的垂直框架214和/或下框架215。在下文中，如图19所示，更详细地描述具有滚道210的开放式培养容器，其中所述培养容器包括纵向拉长的椭圆形的上框架213，向下连接到所述椭圆形上框架213的垂直框架214，连接到垂直框架214的下框架215，用于连接框架的侧壁217和底壁216。底壁216可以部分或全部使用材料211例如网片和穿孔板制备，其允许气体，水，营养物自由通过，而仅限制光合微生物的自由扩散，且其余部分可以使用能够基本限制光合微生物的不透明膜材料制备。或者，底壁216可以使用不透明膜材料制备，而侧壁217可以部分或全部使用材料211例如网片和穿孔板制备其允许气体，水，营养物自由通过，而仅限制光合微生物的自由扩散，或者底壁216和侧壁217两者都可以使用材料211例如网片和穿孔板制备其允许气体，水，营养物自由通过，而仅限制光合微生物的自由扩散。然而，具有这种结构的滚道池210的开放式培养容器，可能难以漂浮在水面上，因此上框架213的部分或全部设有单独的浮力单元220。或者，具有滚道池210的开放式培养容器可以具有一种结构，其中上框架213自身使用浮力材料制备，或上框架213直接使用浮力单元220覆盖。在前一种情况下，具有滚道池210的培养容器的上框架213可以制备为一个或多个向其中引入空气的管，或空塑料框架。可以将工作台添加到上框架213，以便于由操作者接种或收集光合微生物的过程。或者，当上框架213自身直接作为浮力单元起作用，或者上框架213覆盖有浮力单元220的情况下，可以省略工作台。
如上，当培养容器具有开放的上部和屏障时，所述屏障放置在全部或部分侧面和/或底面，允许气体，水，和营养物自由通过，而限制光合微生物的自由扩散，更有效地培养光合微生物是可能的，因为原料成本大大降低；气体更自由地交换；光合作用期间生成的废物容易移除；且容易从环境水中供给营养物。
图20和图21是示意性示出根据本发明的实施方案用于光合微生物的培养设施的图示。图20示意性地示出包括不具有浮力单元的光生物反应器的培养设施，而图21示意性地示出包括具有浮力单元的光生物反应器的培养场地。
根据本发明的实施方案，用于光合微生物的培养设施1000可以包括光生物反应器1100和容纳所述光生物反应器的漂浮结构1200，其中，在所示培养设施中，多个能够培养光合微生物的培养设施固定在水面的特定位置，以方便培养后无损失采集。为了防止光生物反应器1100的损失，漂浮结构1200包括培养设施的上框架1210和用于连接培养场地的上框架1210的围栏1220，从而将培养设施1000的内部和外部分隔。如图20所示，除了漂浮在水面上的培养场地上框架1210外，根据本发明的实施方案用于光合微生物的培养设施1000可以进一步包括培养场地的垂直框架2011和培养设施的下框架1212，其浸没在水面下，其中培养设施的上框架1210可以具有任意形状，例如椭圆形，圆形，或多边形，例如矩形，或正方形，能够立体地形成培养容器1110的结构，而在这种情况下围栏1220像捞网一样连接到培养场地的上框架1210(未示出)，可以省略培养设施的垂直框架1211和下框架1212。围栏1220可以使用多种材料制备，例如塑料，木材，胶合板，网，且考虑到成本和环境水的自由交流，优选网。用于光合微生物的培养设施1000因此形成具有与漂浮鱼笼相似的结构。水面上的漂浮结构1200的培养设施的上框架1210可以设有培养设施的漂浮单元1213，从而将漂浮结构1200漂浮在水面上。考虑到环境例如培养待培养的光合微生物所需的太阳光能和营养盐，培养场地的漂浮结构1213可以调节浮力。培养设施的浮力单元1213可以使用多种材料制备例如泡沫聚苯乙烯，和空的塑料容器，并可以覆盖培养设施的上框架1210或者使用独立的连接单元连接到培养设施的上框架1210。另外，漂浮结构1200可以配置为包括操作者支持单元(未示出)，允许操作者进行管理工作。所述操作者支持单元作为支持物发挥作用，在其上管理者可以进行工作，且所述管理者支持单元也可以连接到培养设施的浮力单元1213或者连接到独立于培养场地的漂浮单元1213的水下或漂浮设施(未示出)。所述操作者支持单元自身可以使用浮力材料制备，从而取代培养场地的浮力单元1213。也就是说，当使用浮力材料制备的支持单元(未示出)覆盖培养场地的上框架1210时，培养场地的浮力单元1213可以省略。如图21所示，当培养设施1210的上框架使用浮力材料制备时(例如，管或空塑料框架)，可以省略培养场地浮力单元1213和操作者支持单元。当光生物反应器1000不设有浮力单元时，可以调节漂浮结构1200的底面1221的深度，以防止光生物反应器1000浸没在水下太深。不过，当光生物反应器1100设有浮力单元时，如图21所示，漂浮结构1200的底面1221和培养设施的下框架1212可以省略。
如上，当通过使用光合微生物的培养场地限制根据本发明的实施方案的光生物反应器进行培养时，可以没有特别的防卫设施而防止光生物反应器的损失，且便于放置和收集光生物反应器。
实施本发明的方式
在下文中，将参考实验实施例更详细地描述本发明。然而，本发明可以以彼此不同的各种形式实施，且不应受限于下文所列的实验实施例，提供所述实验实施例使得本发明的公开将是完整的，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。
实验实施例1：测量使用网片制备的光生物反应器的光合海洋微生物渗透性
进行了实验以研究光合海洋微生物是否穿过网片释放。通过分别使用PET，聚酯和尼龙制备的网片附接到具有总体积100ml的塑料容器底部构建培养容器。将60ml光合微生物(湿重：0.5g/L)(四爿藻(Tetraselmis sp.))置于所述培养容器中，且所述容器允许漂浮在含有1L f/2-Si培养基的塑料容器上，以研究光合微生物是否释放到使用网片制备的培养容器的外部。尼龙和PET的开口尺寸为5μm，而聚酯的开口尺寸为15μm。如果光合微生物释放到网片的外部，所述光合微生物将使用外部的培养基生长。在光合微生物的培养期间，温度维持在20℃，并使用荧光灯提供100μE/m2/s的光强度。培养五天后，使用库尔特计数器(型号：multi-sizer 3,Beckman Inc.,USA)测量反应器内部和外部的光合微生物的浓度。图22示出了本实验中使用的尼龙，聚酯，PET网片和具有分子量截止值为6-8kDa的半透膜的扫描电子显微镜结果。
使用的网片的特征和培养容器中含有的培养基体积列于以下的表1中。
如图23所示，塑料培养容器的一面使用PET网片密封，将光合微生物引入所述容器并培养以研究所述光合微生物是否释放。结果，可以发现培养容器中的光合微生物的细胞尺寸和分散度如图24所示，具有平均尺寸约11μm的光合微生物分散于培养容器中。另外，如图25所示，可以发现虽然在所述培养容器的外部具有尺寸为约5μm或更小的细胞，培养的光合微生物不释放到培养容器的外部(见图24和25)。
【表1】
实验实施例2：测量使用网片制备的光生物反应器的光合微生物的生长程度
通过实际使用网片制备的培养容器培养光合微生物，且也使用纤维素材料的半透膜作为对照培养光合微生物。
将1L f/2-Si和1L附近的海水(NSW)倒入两个具有2L水溶液容量的塑料水盆，其中为了调节氮和磷浓度与溶解于仁川的海水中的相似，通过将f/2-Si培养基稀释到1/30制备NSW。将聚酯或尼龙材料的网片(0.003m2)附接到塑料反应器的底部。100ml培养基，向其接种0.05g/l(湿重)的光合微生物，倒入所述塑料容器中，接着使所述容器漂浮在水盆上，同时培养光合微生物(图26)。作为对照，附接相同宽度的纤维素材料半透膜，其具有50kDa的分子量截止，接着进行实验以比较光合微生物的生长程度。为了维持培养容器内部和外部的营养盐的浓度差，每天一次定期更换培养基。培养期间通过使用荧光灯24小时提供100μE/m2/s。培养温度维持在20℃。培养持续18天。在培养后第0,3,6,9,12,15和18天，通过放置在培养容器上部的取样口取出1-2ml培养基，以测量细胞的生长程度和培养基的氮浓度。
结果，如图27所示，可以发现与培养基的类型无关，当使用聚酯或尼龙网片时，光合微生物的生长比当使用纤维素半透膜(即对照)时好。具体地，已表明光合微生物的湿重，相对于当使用50kDa纤维素半透膜时微生物的湿重，即对照，在f/2中培养的微生物生长程度高约25％，而在含有NSW的水盆中的微生物的生长程度高约60-80％(见图27)。这些结果证明在培养容器外部的营养盐比半透膜容易地穿透网片，因此网片可以促进光合微生物的生长。
实验实施例3：测量使用网片制备的光生物反应器的盐渗透性
接着，发明人测量了使用网片制备的培养容器的营养盐渗透性。作为对照，使用了纤维素材料的半透膜来培养光合微生物。
使用硝酸盐的转移速率来测量营养盐的渗透性，其对于培养光合微生物是一个重要因素。用于测量网片的营养盐渗透性的方法如下：在矩形水盆中制备包括浓度为100，200或400mg/L硝酸盐的海水；将含有100ml没有硝酸盐的海水的矩形塑料容器漂浮在所述水盆上；随着时间推移测量由于氮从水盆中进入塑料容器中浓度差的变化。
结果，如表2和图28所示，可以发现相对于纤维素半透膜，硝酸盐化合物穿过尼龙，聚酯或PET材料的网片进入培养容器约更容易30倍。半透膜并不同等地表现出这一趋势。甚至在分子量截止增加到3.5kDa,6-8kDa,15kDa和50kDa的情况下，穿透量不增加，且最大值仅为网片的约1/28。这些结果证明，通过单独使用半透膜在环境水中直接培养光合微生物有限制，而根据本发明的实施方案使用网片制备的培养容器可以提供光合微生物生长所需的营养盐，而不释放光合微生物，从而有效地增加光合微生物的生产力。
【表2】
实施例4：测量使用网片制备的光生物反应器用于海洋培养光合微生物的生长程 度
发明人将根据本发明的实施方案的光生物反应器放置在海洋培养场地Yeongheung-Do。接着，四爿藻(Tetraselmis sp.)(KCTC12236BP)培养9天来研究该菌株的生长和氮源的渗透程度。在通过使用非渗透膜(聚乙烯)和半透膜制备的光生物反应器和根据本发明的实施方案使用网片制备的反应器中培养相同类型的光合微生物。所述光生物反应器具有如图29所示的结构。使用如图30所示的塑料容器。网片，非渗透膜和半透膜应用于底部用于比较。光合微生物引入到培养容器中(参见图30和31)。具体地，对应非渗透膜，使用了聚乙烯，而对于网片，使用了PET，尼龙，和聚酯。通过添加三次f/2-Si培养基和4g/L碳酸氢钠用于碳源供给进行培养。作为半透膜(SPM)，使用具有分子量截止为6-8kDa和15kDa的纤维素材料半透膜(产品编号132544，spectrumlabs,USA)(图31)。
在培养四爿藻(Tetraselmis sp.)9天期间，Yeongheung-Do海洋培养设施的温度，水温，测量水温，和测量温度记录于图32中。开始培养光合微生物的那天确定为时间0。另外，每天光合有效辐射(PAR)和光辐射时间总结于图33和图34中。综上所述，在培养光合微生物期间，平均水温为9.9℃；平均温度为4.2℃；平均PAR为295.5μE/m2/s；而平均光辐射时间为7.4小时(参见图32至34)。
光生物反应器中光合微生物的生长程度基于细胞浓度和光合微生物的湿重确定。当使用通过使用聚酯和PET材料网片制备的光生物反应器时，光合微生物的生长分别增加至1.68X 106和1.77X 106个细胞/ml(图35)。另外，当使用聚酯和PET材料的网片时，湿重增加使用15kDa的半透膜的1.14-1.48倍(图36)。有趣的是，具有6-8kDa低截止值的半透膜表现出比其中使用非渗透膜的对照更低的最低值(参见表3)。
【表3】
实验实施例5：测量使用网片制备的培养容器的再用效率
为了研究根据本发明的实施方案的网片的再用效率，收集了实验实施例4中使用的网片。接着，清洗或不清洗网片，并用于在Yeongheung-Do海洋中的培养装置中培养四爿藻(Tetraselmis sp.)菌株9天，同时测量硝酸盐转移效率。作为对照，在实验实施例4中使用的具有分子量截止6-8kDa和15kDa的纤维素材料半透膜，在清洗或不清洗后使用。另外，对于整个实验，未使用的膜作为对照。具体地，使用流动的自来水如下进行清洗：将每个使用过的膜浸入填充1L自来水的2L水盆中约五分钟；所述膜的前侧和后侧使用流动的自来水手动清洗约1分钟而不使用另外的清洗工具。
当培养四爿藻(Tetraselmis sp.)菌株9天时，通过与实验实施例3相同的方法比较硝酸盐穿过膜的转移速率。结果，如图37所示，使用再用的聚酯和PET网片制备的光生物反应器的硝酸盐渗透效率相对于半透膜更好，并且通过使用自来水简单清洗而没有其它步骤，渗透效率增加。这些结果表明根据本发明的实施方案的网片可以通过使用自来水简单的清洗步骤再用，从而具有极好的工业可用性。
本发明已参照仅用于示例目的而在附图中示出的实施方案和实验实施例而描述，应当理解的是，本领域技术人员可以对其完成多种变型和其它等效的实施方案。因此，本发明的技术保护范围应当由所附的权利要求的技术精神确定。
工业实用性
根据本发明的实施方案的光生物反应器允许以低成本和高效率培养光合微生物，因此可以应用于生产生物柴油和有用产品例如衍生于微藻类的虾青素，以及使用微藻类生产食品。