[发明专利]光合培养物的连续培养、收获和油提取

说明书

相关申请

本申请要求享有美国临时申请号61/086,106的优先权，并将其全部内容纳入本文作为参考。

技术领域

本发明涉及光合微生物的连续培养、收获和油提取。

背景技术

对化石燃料替代品来说具有目前和日益增长的需求。主要的兴趣和投资已集中在生物燃料领域上，其为适合于在来源于生物源的标准内部燃烧引擎燃烧的燃料。特别有吸引力的生物燃料生物源是藻类，部分原因是当与其它原料(300-700加仑/英亩/年)相比时，其具有更好的产量(5000-10,000加仑/英亩/年)。某些藻株由于其理想的脂质性质(如脂质组分，质量百分比脂质浓度)特别适合用作燃料产品。

目前可用的藻类生物燃料生产系统是昂贵的且不可扩大化的，导致每加仑生物燃料的生产成本为$30至$60。这些现有的藻类生产系统面临两个重大挑战-(1)使用成本高昂的封闭培养系统，和(2)后培养过程能源密集，高度复杂。

培养系统必须为光合过程的发生提供接触阳光的机会以及必须让占有优势的微藻种群无障碍地生长而不受“入侵”菌株的威胁。今天，要实现这两个目标，很多封闭系统使用清洁塑料袋或清洁玻璃管材。

这些封闭系统通常旨在为防止“入侵”物种的威胁而提供受保护环境，所述物种允许具有理想性状的藻株单一培养的培养方式。但是，封闭系统由于暴露于自然环境下而无法长时间维持菌株稳定。尽管系统旨在排除入侵的、野生型菌株，但入口点确实存在(例如阀门、连接器以及其他机械部件)。在给定的时间内，单一培养最终被一种或多种地方性野生型藻株入侵，该藻株对生物燃料产品来说不具备有利的性状。一旦发生这种情况，封闭系统不再是理想菌株的单一培养，基本上使得培养过程“崩溃”。崩溃的系统需要昂贵和耗时的灭菌，造成生产成本增加和产量下降。

此外，对于单一培养来说，玻璃管系统必须定期停止运转(taken off line)，以去除发生在培养过程中的生物膜堵塞。未清理的管材逐渐变得不透明，限制了太阳辐射，并变得不适合于光合微生物的生长。袋系统通常不清洗，而是被处理掉并被新袋取代。由于塑料的基材为石油，虽然袋系统消除管系统清理的要求，但它既昂贵而且环保效果较差。

另一个在封闭系统中发现的问题是昂贵的冷却要求来维持最佳的培养基温度。在培养周期过程中，光合过程产生大量的热量然后由于温室效应将其保留。如果发生在开放系统中没有自然通风(即热量自然地通过暴露于空气中而消散)，封闭生产系统陷入困境并保留热量，这将大大破坏培养并降低生长率。因此，冷却系统对需要额外的成本和负面影响能源效率的封闭系统来说是需要的。

与封闭培养系统相关的这些挑战的整体影响造成了与高资本成本及高经营成本。因此，在封闭系统中为生物燃料培养的微藻并不是经济上可行的。

现今的后培养系统是能源密集的、高度复杂的和成本高昂的。此外，该过程是批量化和非连续的，给大规模商业化造成了障碍。应当指出，目前实行的过程中，各种添加剂，经营成本和资本成本推高了过程的成本。另外处理时间的成本非常高。

现在的后培养系统中的第一个步骤是收获过程。收获通常需要絮凝来集中微藻，以便它可以随后从培养基中去除。诱导絮凝是最常用的方法，其要求加入表面活性剂通常为硫酸铝和氯化铁或商业产品壳聚糖。絮凝可以采用密度低至0.02-0.07％的藻类(～1gm藻类/5000gm水)进行培养，取得高达1％藻类悬浮体和98％藻类回收。第二收获步骤是进一步要求实现高达3-4％藻类的浆料浓度。经常使用溶气气浮，其是通过去除悬浮微藻来清理培养基的过程。通过在压力下溶解培养基中的空气，然后大气压下在浮选槽或盆中释放空气来实现去除。被释放的空气形成微小气泡，其粘附于微藻上引起悬浮物浮到水的表面，然后在那里可被除渣设备去除。

后培养的第二个重要步骤是初次和再次脱水。大规模商业化的一个重要瓶颈是，提取之前需要脱水获得糊状物如粘稠物。初次脱水发生时使用一些微滤和离心的组合来将微藻密度提高到至少6-8％培养基体积。更多的离心和带式过滤挤压可以实现额外增加(高达20％藻类)，但要增加的能源输入和成本。干燥须达到较高的提取所需的干质量浓度。由于干燥通常需要热量，已使用沼气滚筒式干燥机和其他炉式的干燥机。不过，随着增量温度和/或时间增加，成本急剧攀升。空气干燥在低湿度的气候是可能的，但将需要额外的空间和大量的时间。干燥后，剩余的脱水生物质为提取做准备。