[0010]US20110027827A1公开了又一种两阶段混养微藻培养方法。此培养方法包括以下步骤:1)使用微藻的异养培养物进行种子生产，和2)将种子用在光自养培养中进行生物质的积累。[0011]US7687261B2公开了又一种两阶段微藻培养系统。此培养系统包括:1)作为恒化器的开放管道，和2)作为柱塞流反应器的开放管道。将改良的营养混合物加入到柱塞流反应器中，其中氮/磷的限制引起高脂产量。
[0012]US7662616B2公开了具有营养物循环的一体化微藻培养系统。此系统包括:I)用于具有高脂含量的微藻生长的管道，2)微藻分离器，3)用于裂解微藻细胞的装置，和4)用于从剩余细胞物质中回收脂质的分离器。将副产物再循环至管道以支持微藻生长。
[0013]以上方案可在一定程度上改进微藻的脂质产率，但均未涉及对微藻光合作用以及脂质产生和分离过程的监控。
[0014]本发明的一个目的是提供一种通过微藻培养生产脂质的装置，包括:至少一个光自养反应器，所述光自养反应器位于所述罐体的下游并与其连通，且用于微藻的光自养生长；至少一个光异养反应器，所述光异养反应器位于所述光自养反应器的下游并与其连通，且用于所述微藻的光异养生长并积累脂质；微藻浓度控制系统，所述微藻浓度控制系统通过监测所述光异养反应器中的微藻浓度来控制所述光自养反应器的稀释率。
[0015]本发明的另一个目的是提供一种通过微藻培养生产脂质的方法，包括以下步骤:进行光自养反应；进行光异养反应；以及监测所述光异养反应中的微藻浓度，以调节所述光自养反应中的稀释率。
[0016]本发明的装置和方法可以实现微藻的高生长速率和高脂质浓度，占地面积小且资金投入和运行成本低。
[0017]下文将以明确易懂的方式通过对优选实施例的说明并结合附图来对本发明上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
[0018]图1a和Ib为本发明工艺流程和控制系统的示意图。
[0019]图2为本发明的一个示例性实施方式。
[0020]图3为本发明的另一个示例性实施方式。
[0021]图4为间歇式培养模式下微藻生长和液体积累曲线。
[0022]图5a_5c为本发明培养方法的计算机仿真结果。
[0023]附图标记说明:
[0024]O罐体；1进料调节阀；2光自养反应器；3、3b微藻浓度传感器；3a营养物浓度传感器；4光异养反应器；4a搅拌斧；5微藻浓度控制器；5a营养物浓度控制器；；6液位控制器；6a次级液位控制器；7出料调节阀；8脂质浓度传感器；9采集和分离装置；9-1裂解装置；9-2分离装置；10脂质；11水；12生物质；和13清洁和灭菌装置。
[0025]为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照
本发明的，在各图中相同的标号表不相同或结构相似但功能相同的部分。
[0026]为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，为使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。
[0027]本发明中的术语“微藻(algae) ”是指在淡水、咸水或海水等环境中生长的藻类。本发明中的微藻包括选自金藻门、黄藻门、硅藻门、甲藻门、褐藻门、红藻门、裸藻门、绿藻门、轮藻门、蓝藻门等中的藻类，具体地，例如小球藻、金藻、硅藻、山藻等。在一个实施方式中，所述微藻为普通小球藻(Chlorellavulgaris)。
[0028]本发明中的术语“脂质(lipids) ”是指具有不同碳链长度的甘油三酯的混合物。
[0029]本发明中的术语“生物质(biomass) ”是指微藻细胞除去脂质后的残渣，主要包括碳水化合物和蛋白质。
[0030]本发明中的术语“脂质浓度(lipid content) ”是指微藻细胞中脂质所占的质量百分比，可以通过测量微藻细胞浓度和裂解后的脂质浓度来确定。
[0031]本发明中的术语“营养液(media) ”是微藻生长的培养液，主要包括水和各种有机、无机养分。如果本发明与污水处理工艺结合使用，则待处理的污水也可以认为是营养液。
[0032]本发明中的术语“光自养生长(phototrophical growth) ”是指微藻以无机的二氧化碳为碳源，以光能为能量来源合成有机物以供自己的生命活动需要。
[0033]本发明中的术语“光异养生长(heterotrophical growth) ”是指微藻以有机物为碳源，以光能为能量来源合成有机物以供自己的生命活动需要。
[0034]本发明中的术语“稀释率(dilution rate) ”是指反应器的营养液进料速率与反应器容积的比值。
[0035]图1a为本发明装置和工艺流程的示意图。如图1a所示，用于通过微藻培养生产脂质的装置包括罐体(未示出)、1进料调节阀、2光自养反应器、3微藻浓度传感器、4光异养反应器、4a搅拌斧、5微藻浓度控制器、6液位控制器、7出料调节阀、8脂质浓度传感器、以及9米集和分尚装置。
[0036]罐体用于营养液的储存。罐体的形状可为如圆柱体、长方体、正方体等。罐体与位于其下游的光自养反应器2连通,且用于向光自养反应器2中投放营养液。罐体和光自养反应器2之间设置有进料调节阀I。通过调节进料调节阀1，可以控制从罐体向光自养反应器2中的营养液进料的速率。
[0037]光自养反应器2位于所述罐体的下游并与其连通，且用于微藻的光自养生长并固定二氧化碳。本发明中的光自养反应器2可以为一种光生物反应器。例如,封闭式反应器如平板、管道、柱状光生物反应器，也可以是开放式跑道池反应器。在一个示例性实施方式中，本发明采用平板式光生物反应器。
[0038]本发明中的光自养反应器2可为单独一个光自养反应器,也可由多个光自养反应器并行组成。如图1b所示，光自养反应器2可由多个光自养反应器并行组成，例如n=50个、100个、200个或更多，每个光自养反应器2的反应容积可为500m3。
[0039]光自养反应器2中的微藻在营养物充足的条件下进行光自养生长并固定二氧化碳。用于微藻生长的营养物是本领域技术人员已知的，包括氮源等。氮源的实例包括但不限于硝酸盐。通过使微藻在营养充足条件下在光生物反应器中的优化生长，可以实现高的生物质浓度，进而提高生物质的产率。
[0040]进一步地，光自养反应器2还可包括例如营养物添加系统(未示出)，二氧化碳供应系统(未不出)等。
[0041]光异养反应器4位于光自养反应器2的下游并与其连通，且用于微藻的营养限制性生长。本发明中的光异养反应器4可采用工业上普遍应用的发酵设备。在一个实施方式中，光异养反应器4可选自连续搅拌釜反应器、间歇反应器和/或流加反应器。图1a和Ib中的4a为搅拌斧。搅拌斧可通过实际应用来设置。
[0042]投放到光异养反应器4中的微藻在营养物缺乏的条件下进行光异养生长。在一个实施方式中，可以通过减少氮源来使微藻进行营养物缺乏下的生长。通过此营养物限制阶段，可大幅度提高微藻的脂质浓度。
[0043]光异养反应器4内部可包括微藻浓度传感器3，其用于监测所述光异养反应器4内的微藻浓度。微藻浓度传感器3的实例包括例如来自Finesse公司的TruCell (使用NIR测定原理)、分光光度计或流式细胞仪。在本发明的一个实施方式中，可采用的微藻浓度传感器3为TruCell。
[0044]微藻浓度传感器3进一步连接微藻浓度控制器5。微藻浓度控制器5进行的过程控制可由可编程逻辑控制器(PLC)、集散控制系统(DCS)等实现。在本发明的一个实施方式中，采用的微藻浓度控制器5可为西门子SIMATICS7-300PLC。所述微藻浓度控制器5中包括一套控制算法，例如比例-积分控制(PI)。所述控制算法可将微藻浓度测量值与设定值进行比较，计算出一个控制变量。所述控制变量输出到调节器，通过调节器来控制光自养反应器2的稀释率，进而控制进入到光异养反应器4中的微藻浓度。在本发明的一个实施方式中，所述调节器是进料调节阀I。进料调节阀I根据控制变量的指令，改变开度，从而调节进料速率，进而调节稀释率，使光异养反应器4内的微藻浓度达到并稳定在设定值。
[0045]因此，在一个实施方式中，微藻浓度控制系统包括微藻浓度传感器3、微藻浓度控制器5和进料调节阀1，其中传感器3位于光异养反应器4内，用于监测光异养反应器4内的微藻浓度；微藻浓度控制器5分别连接传感器3和进料调节阀I ;且进料调节阀I位于光自养反应器2的进料端，用于调节光自养反应器2内营养物补料速率，从而调节光自养反应器2的稀释率。
[0046]在一个实施方式中，微藻浓度设定值可为0.5-10kg/m3。如果微藻浓度传感器3监测到的微藻浓度测量值大于此设定值，则微藻浓度控制器5会指令进料调节阀I增大开度，以调节光自养反应器2的稀释率。如果微藻浓度传感器3监测到的微藻浓度测量值小于此设定值，则微藻浓度控制器5会指令进料调节阀I降低开度，以调节稀释率。在一个优选实施方式中，所述设定值可为2kg/m3。
[0047]虽然图1a仅示意出一个光自养反应器，但实际中通常是同时有很多并联的光自养反应器。例如，在工业生产中，光自养反应器的数量可为50个、100个、200个或更多。请参见图1b,图1b表不出η个光自养反应器2并联后与光异养反应器4串联的不意图。如果采用在光自养反应器2中的控制系统来监测并调控其内部的微藻浓度，则需要很多独立的控制回路，例如，在每个光自养反应器2中放入一个传感器，即共需η个传感器，导致成本很高。本发明的控制系统可通过用一个微藻浓度控制回路，即仅测量光异养反应器4中的微藻浓度，从而来调节多个并行的光自养反应器2，极大地降低了仪表成本。
[0048]采集和分离装置9位于光异养反应器4的下游并与其连通，且用于微藻的采集和裂解以及脂质的分离。采集和分离装置9可包括一在线细胞裂解装置和液体-水-生物质分离器。采集和分离装置9将破碎微藻细胞，并将破碎物分离为脂质、生物质和水。微藻裂解可使用包括超声、化学溶剂或微波的方法。微藻分离可使用包括沉降、离心脱水-分离的方法。
[0049]采集和分离装置9内部可包括脂质浓度传感器8，其用于监测所述采集和分离装置中的脂质浓度。脂质浓度传感器8的实例包括物位传感器、多相流量计或脂质浓度分析仪器。在本发明的一个实施方式中(请参见图2)，可采用在线多相流量计作为脂质浓度传感器来测定在进入分离器9-2前，来自裂解装置9-1出料中的脂质浓度，由此可消除沉淀、分离过程中的时间延迟。
[0050]脂质浓度传感器8进一步可连接液位控制器6。液位控制器6进行的过程控制可由可编程逻辑控制器(PLC)、集散控制系统(DCS)等实现。液位控制器6中可包括一套控制算法。脂质浓度传感器8将监测的脂质浓度值输入给液位控制器6，液位控制器6计算出微藻细胞在光异养反应器4中需要的平均停留时间，以作为光异养反应器4液位控制的设定值。所述设定值被输出到调节器，通过调节器来控制光异养反应器4中的液位，进而调节光异养反应器的采出率。在本发明的一个实施方式中，所述调节器是出料调节阀7。出料调节阀7根据液位控制的设定值，改变开度，把液位控制在合适的位置。
[0051]因此，在一个实施方式中，所述液位控制系统包括脂质浓度传感器8、液位控制器6和出料调节阀7，其中脂质浓度传感器8位于采集和分离装置9内，用于监测采集和分离装置9内的脂质浓度；且液位控制器6分别连接脂质浓度传感器8和出料调节阀7。
[0052]在一个实施方式中，脂质浓度被设定为30%_70%。如果脂质浓度传感器8监测到得脂质浓度大于此设定值，则液位控制器6会指令出料调节阀7提高开度，以降低光异养反应器4中微藻的液位，减少微藻细胞在光异养反应器4中的停留时间，进而减少脂质的积累。如果脂质浓度传感器8监测到的脂质浓度小于此设定值，则液位控制器6会指令出料调节阀7降低开度，以提高光异养反应器4中微藻的液位,增加微藻细胞在光异养反应器4中的停留时间，进而增加脂 质的积累。在一个优选实施方式中，所述脂质浓度被设定为50%。
[0053]通过将微藻在采集和分离装置9中破碎并分离，得到脂质10、水11和生物质12。采集脂质10和生物质12，且可选地将水11循环至最初的工艺步骤阶段，进入营养液罐体0，实现水的再利用。
[0054]图2为本发明的一个示例性实施方式，其中与图la-b相同的部分不再重述。
[0055]如图2所示，通过微藻培养生产脂质装置可包括一个微藻浓度串级控制回路(即含两个微藻浓度控制器5)。串级微藻浓度控制器5分别连接位于光自养反应器2内微藻浓度传感器3b和位于光异养反应器4内的微藻浓度传感器3。微藻浓度传感器3b和微藻浓度传感器3可以为相同或不同类型的传感器。当η个光自养反应器并联时(如图1b所示)，每个光自养反应器可能都会连接有一个微藻浓度控制器5，它们之间可并联。而与光异养反应器4连接的微藻浓度控制器5，可为所有这些光自养反应器的5提供一个相同的设定值，例如如上所述2kg/m3。裂解装置9-1和分离装置9-2构成了采集和分离装置9。分离装置9-2内部安装有与液位控制器6相连的脂质浓度传感器8。液位控制器6可通过串联的次级液位控制器6a调节出料调节阀7的开度，把光异养反应器4内的液位控制在合适的位置。
[0056]在图2所示的实施方式中，主要包括两个控制回路。在第一个控制回路中，光异养反应器4中的微藻浓度测量值作为主被控变量(Controlled Variable) CV，光自养反应器2中的微藻浓度测量值作为次级被控变量CV，光自养反应器2中的稀释率作为操纵变量(Manipulated Variable) MV ;在第二个控制回路中，分离器中的脂质浓度作为主被控变量CV，光异养反应器中稀释率作为次级被控变量CV (通过调节培养物的液位)，光异养反应器的采出率作为操纵变量MV。
[0057]在光自养反应器2中可具有pH控制系统，其中所述pH控制系统通过监测所述光自养反应器中的pH值来控制所述光自养反应器中的CO2进料速率。
[0058]图3为本发明的另一个示例性实施方式，其中与图1和图2相同的部分不再重述。在图3中，通过微藻培养生产脂质的装置包括两个串联的光异养反应器，每个具有2天的标称停留时间。
[0059]如图3所示，位于上游的光异养反应器4用于从光自养反应器2的出料中消耗掉残留的少量限制性营养物，例如氮源。位于上游的光异养反应器4进一步安装有营养物浓度控制系统。营养物浓度控制系统包括位于上游的光异养反应器4内的营养物浓度传感器3a，营养物浓度控制器5a和出料调节阀7。营养物浓度传感器3a监测位于上游的光异养反应器4内的营养物浓度，并通过位于上游的营养物浓度控制器5a调节位于上游的出料调节阀7的开度来调节液位，进而调节光异养反应器4的稀释率。位于下游的光异养反应器4用于在营养物限制条件下培养微藻以积累脂质。
[0060]本发明提供了一种通过微藻培养生产脂质的装置和方法，其具有以下优点:
[0061]I)高脂质产率:高微藻产率在光自养反应器中实现，其中营养物充足，细胞生长速度快。而脂质浓度在异养反应器中得到显著提高，如从35%提高至50%。
[0062]2)占地面积小:异养反应器比具有相同产率的光自养反应器占用更小的面积。
[0063]3)改进的整体性能:控制系统有效地操控连续培养方法在最佳条件下运行。诸如每日和季节性光照变化等对光自养反应器的干扰可通过控制系统来补偿。
[0064]4)节约仪表投资:过程变量可在异养反应器和分离器中进行测定和控制。当光自养反应器中平行光生物反应器的数量很大时，仪表硬件成本可大为节约。
[0065]实施例
[0066]实施例1.培养体系的参数设计
[0067]被控变量(CVs)可选自光自养反应器和光异养反应器的细胞浓度,光异养反应器的脂质浓度，和光异养反应器中的营养物(优选N)浓度。在本发明的实例中，系统具有30吨/公顷-年的脂质产率，对应于60吨/公顷-年的微藻干重产率。表1总结了此方法的参数和标称运行点。为了易于采集和下游加工，优选2kg/m3的细胞浓度和50%的脂质浓度。
[0068]表1.培养体系的设计参数
[0069]
