專利名稱：微生物的模式連續生產的制作方法
微生物的模式連續生產
背景技術：
近半個世紀以來，在歐洲和美國已經進行了關于生長大量微生物
(也稱為"微生物有機體")(即公噸)的可行性的廣泛研究。生 長如此大量微生物(如藻類)的研究涉及的兩個重要問題是，第一， 在廢物流的處理過程中是否可以利用藻類作為生物組分，以及第二， 應用培養的微生物作為原料生成新產品(例如可再生的生物燃料)是 否明智。理論上和實踐上都已明確地證明，生長的微生物，例如藻類， 既有可能高效地大規模處理廢物流(如廢水)又可以足夠大量地生產 用于新產品(例如可再生的生物燃料)的原料。
主要困難是尋找高效而經濟的生產微生物、特別是大體上藻類和 生物量的方法。該問題的基本要求是最優化的接種和生產，包括這些 微生物的收獲。
本發明這樣對付上述困難，即，通過釆用所謂的復雜自適應系統 (CAS)方法，并且把CAS原理轉化為實際可行的工程化、開放和連續 的系統，從而實現對生長微生物的自然環境(生境)的模擬。按照本 發明的方法，使天然微生物群落動態適應不斷變化的模擬環境。在本 發明的方法中，所述群落組成自主地變化從而群落可以使它們自己適 應不斷變化的模擬環境條件。自主適應和局部相互作用導致微生物群 落的自組織。因此，本發明創造了一個可以對天然的和多樣性的微生 物群落能自主作出反應和適應的最佳生境，導致生物量的優化生產。 與單一培養技術的常規生產相比，應用天然的和多樣性的微生物群落
的本發明使更穩定的生境成為可能，反過來導致改善的生物量生產。 另外，本發明的方法能在工藝過程內不同的位置產生不同的微生物群 落，導致微生物的模式(modular)連續生產。
按本發明方法的第一個實施方案，模擬了天然微生物群落能自主對其作出反應和適應的最佳生境。生長容器中那些最適合環境條件的 微生物群落將茁壯生長。與單一培養技術相比，本發明的方法采用了 多樣化的天然微生物群落，其結果是微生物的生產變得更加穩定(例 如，在生物量生產方面)。
與傳統的藻類培養技術相比，它使選定的微生物在一個封閉的設 施中生長，其中幾乎所有的變量都非常狹窄和嚴格固定的(通常以生 產率的函數)，本發明創造了一個模擬自然環境(生境)，從而使微 生物自身選擇在哪里和如何生長，所以可使微生物群落適應模擬的自 然環境。根據本發明，在本體系中如果微生物在給定的時間內不能在 系統內的某一位置建群，那么該微生物會被帶到下游直到它們可能遇 到合適的建群位置或者最后可能因為生長過多而被廢棄。如果在一段 時間后的某一點，前面給定的特定位置的環境條件改變了，那么這些 微生物可能在那個空間位置再次建群。因此，本發明及其包括系統結 構的工藝結構能使不同的微生物群落在本發明整個工藝中不同的位置 同時存在。
本發明的方法另一個實施方案涉及一個開放和連續的系統，而目 前的微生物-藻類培養方法至今都是封閉的循環間歇系統(例如光-生物反應器，高速藻池)。在這方面，本發明可以理解為連續的含義， 而以前的技術則限于一個"終點"。本發明的水流處理系統通過它的 連續保持的水流對周圍的環境敞開。此外，按照本發明方法的橫向性， 在水中微生物與營養物之間的界面不斷更新，而同時避免了在收獲以
后重新接種(reseeding)系統的必要性。另外，與典型的縱向系統相 反，在包括流動路徑的入口的水流路徑中將連續存在接種體。
按本發明的又一個實施方案，本發明的方法應用置于廢物流中的 人工基質，使廢水流流過或者接近人工基質和附著在其上的微生物群 落，這樣增大了菌種生長培養基(廢物)和微生物群落之間相互作用 的表面。
本發明的方法結果是，可應用局部微生物群落，它促進規模化和 全球范圍的推廣應用。與目前的藻類培養技術不同，本發明可改變模擬環境(例如季節性、營養物組成)，于是天然微生物群落可以能動 地適應不斷變化的環境。
在傳統的培養技術中，將微生物引入生長培養基，然而，在本發 明中，將菌種生長培養基引入并且通過和穿過微生物群落和富含營養 物的水或者在微生物生長的位置連續更新廢物流。
另外，發現了通過引入在其上生長附著的微生物的人工基質，大 為促進了收獲操作。通過提取放置了人工基質的可分離的載體，可以 容易并且有效地將微生物與菌種生長培養基(即，水例如廢水流)分 離。
按本發明，還意外的發現了人工基質的接種對模擬生境中的動力
學有積極的影響。本發明的人工基質加強了 CAS過程并且能使系統內 的區域種庫和群落之間相互作用，以及增強系統內的群落之間相互作
用的過程。
現有技術致力于廢水的處理深入描述了微生物，尤其是藻類的生 產。本領域一直沒有認可應用模擬微生物的天然生境的模式連續法生 長生物量的現有技術，也沒有認可本發明方法的物種，現有技術也沒 有啟示本文公開的本發明方法產生的益處。
發明概述
本發明涉及微生物的生長，并且涉及生物量生產的改良，于是附 著的微生物群落以受控制的和被引導的方式在連續的水流中生長。
根據本發明另一實施方案，本發明的方法應用優選橫向置于水流 中的人工基質，使水流流過或者接近人工基質和附著在其上的微生物 群落，這樣增大了菌種生長培養基(廢物)和微生物群落之間相互作 用的表面，導致優化群落生長的生境。
發明詳述
本發明涉及生物量的生產，于是附著的微生物群落以受控制的和 被引導的方式在連續的水流中生長。生物方法和天然群落的應用
根據本發明的方法，使包括廢物流的水中天然出現的微生物群落 生長。如果所述水流是廢水，這意味著大體上可在培養的生物量中觀 察到水生系統(天然的或者人工的)中出現的所有生物。在本發明中
j樣化的和異;的群落。本發明在這方面不同于那^只^培養;細選 擇的生物菌林，呈單一培養或多培養模式的技術。
根據本發明，以模式連續方式創建了模擬復雜自適應系統(CAS )。 就本發明的目的來說，應懂得，起CAS作用的群落具有自適應變化的 環境條件的能力。這些環境變化因素包括，但不限于，溫度、流速、 各種化合物的濃度、光照強度和周期的變化、季節變化等。群落的適 應性看似是一種群落對任何環境變化的直接響應。這種響應可能導致， 但不限于，群落結構在優勢、多樣性、產量、總的化學成分…等方面 的變化。群落的響應是組成群落的所有單獨的生物種類和/或生物個體 由于復雜的種群統計變化(例如死亡、出生、遷入、遷出、…)的結 果。因此，可以說，微生物群落無需任何人類干擾能夠"盡可能的，， 適應新的環境條件。 一個可考慮的成功適應的可能量度是微生物的單 個細胞的生存力，但是可為了不同的目的設計很多其它的度量方法。
根據本發明，本申請人成功地證明和模擬了生產微生物的模式連 續方式的CAS。具體地說，下文更詳細地闡述了兩個重要的方面，其 中，本發明有效的模擬了 CAS的普遍生物原理
首先，當廢物流流經依附有微生群落的人工基質時，廢物流中的 化學成分被這些微生物群落改變。這是因為微生物群落消耗了水中的 某些化合物，所以下游化合物的濃度更低。因此，沿廢物流的流徑不 同的空間位置處的環境條件不同。當微生物群落是CAS時，在各空間 位置生長的微生物群落將是最適應特定的空間位置的特殊環境條件的 那些。這種局部適應的微生物群落已經變為動態的自組織。因此，在 不同的空間位置的微生物群落可能在不同方面如多樣化、優勢、…隨不同的空間位置而不同。 一個微生物群落不同于相鄰的一個，它們所 處的兩個空間位置之間的距離不是固定的而是可變的。事實上每一對 空間位置(之間的距離)都不同。兩個空間位置處的微生物群落之間
的差異不一定包括變量和/或參數的相同組合。例如，A群落和B群落 之間的差異可能是"多樣性"，而B和C之間的差異是反映本發明的 模式連續生產微生物的"產率"。
本發明有效地模擬CAS的生物原理的第二個重要方面是，要求連 續選擇進入本發明的人工基質并且建群的微生物。如前文所示，可在 培養的生物量中觀察到在一定區域內自然地出現的所有微生物。在天 然微生物群落中出現的所有生物有某種分散形式，通過該形式它們能 夠到達適合建群的新生境。如果到達某一似乎合適的生境時，該生物 將成功地建群。因此，任何生境，在一定程度比得上理論上最佳的生 境，將被還稱為接種體的"建群顆粒"連續地撞擊(bombarded)。這 些接種體可呈種子、孢子、孢嚢、細胞簇、…等形式，并且可以主動
地獲得它們自己的力量(例如飛蟲)或者通過載體(例如空氣、風、 水、附著在動物身上、…)被動地(獲得它們的力量)。
所述廢物流中連續的新到達的潛在建群者能使微生物有規律地 "吸納"新的生物并且將它們并入所述微生物群落以便更好地適應給 定的環境條件。群落成員之間局部的相互作用在適應群落的自組織中 至關重要。當環境條件隨時間改變時，另外的生物(種或族)可能被 吸納入群落，而其它生物則從群落脫離。從而，在人工基質上生長的
間連續接觸:二些這種方式的實例(但不限于)是分i「建群、吸納
和滅絕。
在本發明的方法中出現微生物群落的適應性，并且該方法是連續 的而不是暫時的或者空間上分離的操作或方法。在本發明的方法中生 長的微生物群落是從區域出現的微生物群落吸納的。
本發明通過人工基質模擬天然生境(例如形狀)，微生物群落對 這些人工基質和水的一般環境條件(例如營養物)和地域(例如氣候)的自然適應性，本發明中一些額外的環境變量得以控制。為了能動地 調控微生物群落的各種性能(例如，物理的、化學的、產量、組成…)， 小心地控制和調節這些額外的變量。例如，通過調節光照可以改變藻 類的組成和顯性。典型的變量有，但不限于，溫度，光譜，流速和體
積，營養物和微量元素濃度，溶解氣體氧氣、二氧化碳等(見圖21)。 一些特殊的設定，這些額外變量的調控和在線控制被認為是一組 對生境添加的額外的量綱，微生物群落因此將再次通過CAS的原理自 主調整。如此我們將這種方法稱為在廢物流中人工基質上生長的微生 物群落的"調變，，或者"微調"，它導致微生物的模式連續生產。
微生物群落
按本發明，生長或培養的生物量主要包括微生物。關于本發明應 懂得，微生物是包括單細胞的和多細胞的生物的所有生物，其中最大 的尺寸小于2固。但是，天然微生物群落通常隱匿很多尺寸顯然超過 2mm判據的生物，例如，絲狀藻類，線蟲類。因此，就本發明來說， 術語"微生物群落"應理解為包括在這些群落里或者群落周圍出現的 所有更大的生物。這包括但不限于，例如絲狀藻類、線蟲類、甲殼類、 昆蟲等。
按本發明生長的生物量包括通常的微生物群落和某些特定的微生 物族。"族"的確定可基于分類學，生態學或者其它分類形式。
本發明生產的生物量的一個可能的優選實例是由附著的微生物群 落組成并且以藻類硅藻門(Bacillariophyta)或"硅藻，，為主的生物
量。 水流
水流例如廢物流是連續流中存在的化合物的任意聚集體。所述流 可呈液體和氣相。所述化合物可用作所述微生物群落的必需生長營養 物或者被它們以物理或化學方式再次固定化，固定于微生物群落的細 胞內或基質內。因此，應懂得，例如廢物流是微生物群落的生長培養基的液體或氣體流。在本發明中任何給定的空間位置，這種菌種生長 培養基的流體連續補充生長所需的營養物或將被固定的化合物。
在所述廢物流中生物量的生長及其存在對廢物流具有有益的影 響，因為它從所述流體中除去了某些化合物所以凈化了這些化合物的 廢物流。這些化合物可能是有害的或無害的，例如硝酸鹽或者毒性金 屬。
人工基質
根據本發明，以這種方式引導生物量的生長，即，僅僅附著的微 生物群落在本發明的方法中生長。這些微生物群落附著在并且生長于 基質內或基質上，優選是空間隔離的人工基質，它模擬那些微生物群 落自然附著的基質(例如沙粒、植物、石頭…)。理論上，人工基質 在一定的體積下有最大的附著表面，呈不規則的碎片或具有不規則的 碎片形狀，并非與天然基質很不同以致微生物群落不再附著在它們上 面。
根據本發明，將所述基質放在所述流中，按照這種方式使水流流 過基質允許系統的橫段結構。常規使用的基質的關鍵問題是，隨著生 物量在基質上出現，系統被阻塞并且流動停止，甚至到水流通道被完 全阻塞的程度。本發明的方法中的流動不斷，因為我們的基質類似碎 片的性質可使生物量出現在部分基質上，而還有更加寬的開口使流體 繼續流向基質的其它部分。實施的一個實例是保持形成所述基質的一
組隔板的栽體。這些隔板是多孔的，呈碎片的形狀(所謂的Serpienski Gasket)。該形狀把一個三角形分成4個同樣大的三角形。中間的三 角形敞開，而外面的3個三角形則又是多孔的，呈Serpienski形狀。 理論上該結構形式可以無止境的重復下去。生物量將開始在最小的多 孔區域聚集，它將逐漸阻塞，隨后更大的多孔區域將阻塞，但是總是 中央的開口將使水流繼續流動。在給定的某點表面將被阻塞到一定的 程度，并且水流將在所述隔板上留下痕跡。可由設備測量該痕跡并且 可用作收獲的理想時刻的指示。然后通過提取器提取具有所述基質的載體。這個內部碎片形狀的結構能橫向定位所述具有基質的載體。可 同樣選擇除三角形表面以外的碎片形狀，例如正方形、六邊形等。如
本領域熟知，在表面的外部可呈現碎片形狀(例如，Koch Curve)。 另一種結構將是，所述碎片形狀不是分布在單一的隔板上(或者一個 平面上)而是在一些連續的隔板上。大體上這就是'3D fractaloid， 或者立體的，而上述在一個平面上的形狀被稱作'2D fractaloid，或 者平面的。從所述圖形，通過非限制性實例進一步闡釋所述基質的詳 細碎片性質和使水流過的橫向位置。
根據本發明，將這些人工基質以使廢物流必然穿過或者靠近人工 基質的方式放置在廢物流中，從而通過或靠近附著在這些基質上的微 生物群落。仔細的控制和操縱所述廢物流的流動。
本發明的方法還包括收獲所述微生物群落的方法。優選的收獲所 述微生物群落包括，首先通過提取器從廢物流中提取所述人工基質。 本發明還涉及用于提取保持所述基質的載體的提取器，所述基質附著 在載體上，它有助于該系統的碎片結構。可這樣實施，即，通過在引 入廢水流前直接保持人工基質或者保持固定人工基質的載體。另外， 可將人工基質固定在已經引入廢物流的栽體上。所述提取器將所述人 工基質帶到收獲裝置。
隨后在收獲裝置內將附著的微生物群落與人工基質分離。在收獲 裝置中，應用引力為基本原理濃縮分離的微生物群落。在人工基質的 提取和從人工基質分離生物量之間有可能但不必添加額外的處理步 驟。該處理(例如沉浸在處理液中)旨在增大生物量中某化合物的濃 度(例如油濃度)。該處理稱為兩步收獲法。應懂得，生物量生產中 應用的刮擦法會導致沿縱向區過多的刮擦。相反，本發明首先提取帶 有基質的載體，這導致橫向去除生物量，然后從基質去除生物量其實 可使用刮擦等方法。根據本發明，通過從廢物流中有意的去除帶有基 質的特定載體組監控收獲，于是減少無意中的過多收獲。
實施例本發明的一個實施方案的實施例如下
在放入來自通常的廢水處理裝置的生活污水連續流中的刷子上生 長附著的微生物藻類。當廢水流過這些刷子時，生長的藻類主動減小 廢水中的例如硝酸鹽和磷酸鹽的濃度。通過在洗刷機中收獲藻類，其 中，通過噴水管噴射藻類。從刷子上分離后，藻類將沉降(即通過重 力)在洗刷機的底部，所以可被取出供進一步處理。該兩步收獲法的 中間步驟例如要求將刷子浸在一個缺乏營養物的菌種生長培養基中。
一個可能的實施方案的操作描述 通過生長微生物群落的廢水流處理
流出水來自包括初次或二次處理過程的任何水凈化系統。所述流 出水可來自生活的、工業的和農業的廢水。在一個理想的情況下，所 述流出水在操作區域完全符合要求的環境標準，因為它被正常的排放 入水道。最差的情況下，本發明甚至可用直接來自污染源的沒有經過 處理的廢水進行操作。
隨后按本發明所述方法處理廢水。如果經過常規廢水處理設施后 再進行本發明的方法，就可正常的排放處理過的廢水，本發明的處理 應當可稱為"第三次水處理階段"。就第三次處理來說，將所述廢水 泵送通過包括一個或多個容器的循環系統。下文稱這些容器為"生長 容器"('growth recipients')，它們可呈任何形式或形狀，并且 可能對天然的或人造的水道是敞開的、封閉的或部分敞開的。它們可 能是深的或淺的，依賴于環境和要求。它們的形狀的一個簡單實例是 水槽，與常用于高速藻池系統(High Rate Algal Pond systems)中
的水槽相當。
一種情況下泵送的水直接來自以前第二次處理階段的出水通道， 再通過標準的可商購的離心泵或蠕動泵泵入外加的循環系統進行第三 次處理。可將第三個系統連接到或者獨立于輸送它的前處理階段。將 所述水泵送通過該系統后，將它排放回到所述出水通道或者直接排入 水道。隨著時間延長，也可能將處理過的廢水部分地或者全部再循環入第三次廢水處理程序的部分或全部。可進行更短或者更長的時間。 這樣做的目的是為了彌補暫時的缺陷，規則的或者不規則的，換句話 說，來自本發明以前的廢水處理裝置的廢水連續流。
第三次廢水處理包括，將第三次循環系統中的廢水作為附著的微 生物群落的生長培養基。在一個實施方案中，這些(微生物群落)可 能包括占優勢的藻類生物量。應用的廢水可能含有或不含另外的化合 物(例如微量元素)，或者所述廢水可能經過或沒有經過其它方法(如 紫外光照射、微波、超濾)的另外的改良或預處理。
循環經過本發明之后，被處理過的廢水會失去一部分營養物栽荷 (硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽)，以及其它化合物，是由于生物量生長 的緣故。這將會使水凈化廠家滿足要求的環境標準甚至更好，例如， 水中更低的營養物或毒素含量。
部分微生物群落包括藻類，它們是光合作用的有機體并且被認為 是植物性的。植物性生物量的生長稱為初級生產。初級生產是自然過 程，通過它利用光合作用的過程將太陽的入射能轉化為生物量。對于 這個過程來說，基本結構單元，或者營養物，都是有機體需要的，這 些都是生長培養基(該情況下是廢水)中存在的營養物。
本文討論的第三次處理包括連續水流中的生長微生物。所述廢水 是將必需營養物帶給微生物的傳輸介質。這些微生物僅僅通過生長(即 繁殖)就能吸收廢水中的營養物，所以減小廢水中的這些營養物的濃 度。通過該初步生產過程，就除去了水中的過量營養物。除了減少營 養物，微生物群落還可以固定或減少存在于微生物群落細胞內的或基 質中的潛在的有害物質。
所述初步生產過程還釋放了大量氧氣，提高了水塔中的氧含量。 這對于所有那些依賴于呼吸作用而生存的水產生物(例如魚)是有利
的，并且也是通常檢測以評價水質的重要參數(如化學需氧量C0D， 生物需氧量B0D)。
如前所述，根據本發明，連續的廢水流流過人工基質，該基質是 微生物的生物量可以在自然條件下(即，可見于例如本地區的河流和水渠中)生長的天然基質的模擬物。可將所述人工基質直接放入或者 附著在某種載體上后再放入生長容器。
所以:廢水流很'接ii長在二工基質上的微生:群落。這里的^鍵問 題是使生長培養基與微生物群落之間的接觸界面最大化。以不隨水流
帶走的方式將人工基質放入所述循環系統。該人工基質可用pvc、聚
碳酸酯、玻璃或天然有機材料(例如馬鬃)制備。還可應用任何其它 適合微生物的材料。
理論上，所述人工基質呈碎片或碎片狀(或fractaloid)。簡單 的二維平面是兩維的(n=2)，但是可認為fractaloid是這樣的，即， 它的片狀性質(fractal nature)是0 (n=2， 0)。這里可認為人工 基質具有一維、二維或三維性質的基礎，而另外的fractaloid的維數 可能是0(1，0; 2,0; 3， 0)或者大于0而小于1。主要的目的是在給 定的空間體積內最大化附著微生物的有效表面，而同時優化水流的流 動。
理論上所述人工基質應當是完全透明的，可使光合成上的有效輻 射(par )到達光合生物將繁衍生長的基質上、基質周圍或基質內的所 有位置。
可通過提取裝置放置、去除人工基質以及與循環系統的生長容器 交換。可人工的、半自主的或全自主的操作所述提取裝置。可通過直 接保持它們或者通過保持它們所附著的載體而移去所述人工基質。在 一種可能的形式中，所述生長容器可能具有一條脊線，帶有夾具、鉤 子或其它固定件的傳送裝置可沿該脊線移動以便收集、放置或交換來 自所述受體的人工基質。另一種形式是，所述提取裝置獨立移動和穿 過生長容器，以及懸掛在上層結構或者在地上直接移動(例如輪式結 構)。
人工基質上生長的微生物生物量主要由該地區的水生系統中自然 出現的微生物構成。這些微生物例如包括從該地區的天然新鮮動態水 或靜態水中的藻類。根據本發明，在本發明中微生物群落的定向生長導致附著在人工基質上生長的微生物群落。這些附著的微生物群落可 通過控制各種關鍵變量而進一步調整，導致實現微生物的連續模式生 產。如果例如希望在微生物群落中創建某一族附著的藻類(例如黃藻
門(Xanthophyta))的優勢種，那么可通過改變一些關鍵變量例如， 但不限于溫度、水流速度和光照周期的設置來實現。可根據不同目的 這樣做，例如，但不限于改變群落的組成、多樣性、產率或化學組成。 另一個實例可能是定向除去對定向培養所需組成的微生物群落有害的 某些族的生物。例如，調節某些變量可能導致對消耗所需微生物的某 些族的放牧者(grazer)不利的條件。所以，通過CAS系統的原理， 微生物群落將表現這些放牧者的減少。
在提取生長有微生物群落的人工基質時，將它們傳送到收獲裝置。 在該裝置中將微生物群落與人工基質分離。 一個實例是可應用水流噴 射。分離后就可回收人工基質，在再次使用之前可進行或者不進行另 外的預處理。被分離后的微生物群落首先在收集裝置中被濃縮，即， 通過沉降(即重力作用)到底部，如果必要的話，可以預備一個收集 容器。殘留的沖洗水或上清液(super-natans)可通過傾析、排放或
任何其它方法棄去。從收獲裝置中收集微生物，再根據所需的終產品 進一步加工。
它是以其最初未經處理的形式為這種收獲物(crop)固有的，它 包括動物、植物和微生物，因此不能含糊的稱為動物或植物。通過本 發明得到的第 一種終產品是水凈化方法。
根據所需的另外終產品進一步加工收獲后的微生物生物量。可將 它作為干產品呈粉末、片狀或其它形狀(比得上目前的"螺旋藻屬" ('Spirulina')市場產品)或呈液體形式銷售。此外，可從所述生物 量提取有商用價值的產品然后銷售。
例如，目前在微生物生物量中存在的藻類富含o)3型多不飽和脂肪 酸(PUFA)(例如EPA、 DHA)。這些產品將被提取出來作為食品增補 劑出售。所述藻類也可能富含色素，例如蝦青素，它也可被提取作為 食品(人、動物)，食品增補劑，食品添加劑，藥物和化妝品銷售。目標市場既有人類食品增補劑又有動物飼料，包括水生的和陸生的。
從微生物藻類提取的油被認為是植物性的，所以是植物性食品的 3 型油可接受的源。還可提取其它有商用價值的產品后銷售。
另外，可將所述微生物生物量用作重要的可再生能源。可通過標 準技術將微生物生物量轉化為電或沼氣。也可將它轉化為液體油(或 生物油)，例如通過熱解或熱化學轉化。還可從所述生物量中提取油。 這種油通常稱為PP0:純植物油或PsPO,仿植物油。我們可將它稱為
藻類油o
它可直接用作燃燒用的液體燃料或潤滑油，主要用作石油的代用 品及其相關產品。或者可將所述藻類油處理并轉化為生物燃料，包括 生物柴油、沼氣和生物酒精。例如可通過酯交換反應方法進行轉化。 可展望生物量的其它應用，例如生物量肥料或者用作代替石化產品的 化學加工終產品的原料。
基本圖表說明 本發明的工程部分圖。
圖1:通過生長容器的菌種生長培養基的連續流。 1:入射光的光源，人工的或自然的。 la:入射光。
2:注入的水源，作為微生物的生長培養基例如廢水。 2a:注入的7JC。
3:通過各種方法添加的營養物的源(例如，C02作為另外的碳源)。 3a:添加的營養物。
4:流出的水，通過本發明的處理后排放的水。
5: TO，時間零，本發明重新開始的計時點或者新引入的人工基質計時 點(9 )。
6: Tl，時間一，收獲在人工基質(9)上生長的微生物的第一時間點。 7:流出的水(4)的任何進一步的應用，例如(7a)作為工業水，生
16長的魚類，軟體動物類或任何其它活的有機體，…
8:微生物在(5 )和(6 )之間的人工基質(9 )上建群和后續生長的過程。
9:人工基質。人工基質是任何基質，全部或部分的浸入生長培養基中， 微生物附著在它上面并且增生。人工基質就這樣可從生長容器分離， 作為整體或者通過基質所固定的"載體裝置"(如金屬框架)。 10:流過人工基質的連續的水流。
11:生長容器。生長培養基流過的和微生物在其中生長的任何容器。
圖2:通過微生物天然的和各異的群落進行人工基質的接種。
12:區域種庫。在給定的區域內，在該區域出現的天然群落和可能在
理論上進入所述生長容器的所有微生物(天然的或人工的)。
13:連續的生物種的水流。連續到達區域種庫的生物種的生長容器。
14:在人工基質上成功的建群并且被它們所處的環境自然選擇的微生
物群落。這些群落內在地保持自己進一步使它們的種族成分適應變化
的環境條件的能力。
圖3:環境變量的調節以便調整微生物群落的成分。
15:與(8)—樣的過程，而另外控制各種環境變量以便主動地調整群
落成分、產率和多樣性。所得的工藝過程包括微生物群落的可控生長。
16:將根據(15)的要求精確控制生長容器內的環境變量的全部或任
何方法或裝置。
圖4:
17: PO空間位置零。這是理論上起菌種生長培養基作用的注入水的入 口的第一個點。
18: Pl空間位置l。這是理論上生長容器的第一個點，此處，微生物 群落能在人工基質上成功地建群并且發展成為成熟的群落。本文將這 些空間位置描述為在各生長容器內謹慎地出現，但是它受壓制，這也可能見于包含數種人工基質的單個大的生長容器內或者甚至在單個人 工基質中。
19: PN菌種生長培養基的流中任意給定的后續空間位置點。 每一個點N被認為是這樣的空間位置，即，微生物群落在先前確定的 各種變量方面與點N - 1和N+l處的群落完全不同。這些變量可能是但 不限于種族組成，多樣性，區域優勢或化學組分的濃度。前述定義 的兩個空間位置點之間的距離可能與每一對位置的距離不同。 20:空間位置點零處的群落。 21:空間位置點1處的群落。 22:空間位置點N處的群落。
圖5:闡釋群落漸次變遷的過程以及反饋、捷徑和快速出口響應變化 的條件和/或要求的應用。
23:位置N。生長容器內水流中的任何給定的位置，始于空間位置1 (17)。
24:位置N+12。該圖闡釋了空間位置(23)與(24)之間的十二個獨 立的群落。描繪的所述空間位置出現在單獨的生長容器內，但是應該 清楚這些位置還可能出現在一種生長容器或者甚至一種人工基質上。 25:在人工基質上和在空間位置N生長的微生物群落，具有一組給定 的群落性質，例如，但不限于多樣性、區域優勢、組成、化學成分的 濃度...
26:在空間位置N+l處的微生物群落，至少有一個相關變量與空間位 置N和N+2處的群落不同。
27:在空間位置N+2處的微生物群落，至少有一個相關變量與空間位 置N+l和N+3處的群落不同。
28:在空間位置N+3處的微生物群落，至少有一個相關變量與空間位 置N+2和N+4處的群落不同。
29:在空間位置N+4處的微生物群落，至少有一個相關變量與空間位 置N+3和N+5處的群落不同。30:在空間位置N+5處的微生物群落，至少有一個相關變量與空間位 置N+4和N+6處的群落不同。
31:在空間位置N+6處的微生物群落，至少有一個相關變量與空間位 置N+5和N+7處的群落不同。
32:在空間位置N+7處的微生物群落，至少有一個相關變量與空間位 置N+6和N+8處的群落不同。
33:在空間位置N+8處的微生物群落，至少有一個相關變量與空間位 置N+7和N+9處的群落不同。
34:在空間位置N+9處的微生物群落，至少有一個相關變量與空間位 置N+8和N+10處的群落不同。
35:在空間位置N+10處的微生物群落，至少有一個相關變量與空間位 置N+9和N+11處的群落不同。
36:在空間位置N+11處的微生物群落，至少有一個相關變量與空間位 置N+9處的群落不同。
37:菌種生長培養基從后一個空間位置到前一個空間位置反饋的一個 可能的實施例。此反饋環進料菌種生長培養基，從位置N+9 (34)出 來至位置N+1處的群落(26)。該實施例顯示一種逆流反饋，但是應 懂得，還可沿菌種生長培養基的正常流出現反饋。 38:菌種生長培養基從前一個空間位置到后一個不相鄰的空間位置的 捷徑的一個可能的實施例。此捷徑環從空間位置N+5 (30)進料菌種 生長培養基到空間位置N+10處的群落(35)。 39:正常出口位置，此處將菌種生長培養基作為流出物排出。 40:快速出口的一個可能的實施例，它能使從其它位置提取或排放菌 種生長培養基，而不是菌種生長培養基作為流出物的正常排放出口 (39)。
圖6:闡釋人工基質提取的示意圖。
41:人工基質，在其上生長微生物群落并且達到可收獲的群落發育階段。42:在提取過程中連續的水流不必停止。
53:提取裝置。通過提取裝置將人工基質從培養基中提取出來。
43:提取裝置可通過保持附著了人工基質的載體或者直接保持人工基
質而提取人工基質。
44:更換裝置。更換裝置帶入一種新的人工基質。應懂得，該更換裝 置可能與提取裝置相同，但是它也可能是獨立的裝置。兩種裝置的特 征可能是單一的機器，但不必如此。
45:該更換裝置將人工基質引入生長容器而不停止所述連續的水流。 46:新的或循環的人工基質。該人工基質可被預處理。 47:微生物的兩步收獲程序。為了最大化某些化合物的產量，有可能 在最后收獲之前將生物量經歷另外的處理。
47b:將具有人工基質的載體輸送到和置于處理容器中(49)。該輸送 需要及時地進行。即，在隨著從其生長培養基提取生物量而發生的任 何不利過程之前進行。
47c:將所述栽體浸入另一種液體培養基，它可能相同也可能不同于提 取它的生長培養基(例如化學成分)。該處理培養基不必是流動的液 體或敞開的體系。
47d:另一方面，也可用一步收獲法，其中，在收獲機械內直接加工所 述生物量而不用預處理。
48:微生物的實際收獲過程。將微生物群落從人工基質分離。該過程 可按脫除全部群落的一步法進行或者分步進行，每一步涉及脫除特定 部分的群落(即，某些族)或生物量(即，某些化合物)。這些獨立
的步驟可能包括各種生物的、物理的或化學的分離技術。
49:處理容器。在該容器中，它可能類似或不同于生長容器，將生物
量處理更短或更長的時間，通常是數小時至數天。
50:經過所需的處理之后，通過提取裝置(42)提取生物量仍然附著
在人工基質上的栽體。
51:將具有人工基質的載體輸送到和置于收獲裝置(52)中。該輸送 需要及時地進行，即，在隨著從其生長培養基提取生物量而發生的任
20何不利過程之前進行。
52:所述收獲裝置將微生物的生物量與人工基質分離，也可見(48)。
圖7:從人工基質分離微生物群落的詳細方案 54:收獲裝置或機械。
55:通過提取裝置將生長了微生物群落的人工載體帶到所述收獲裝置。 56:將所述人工載體引入所述收獲裝置。
57:將所述生物量與人工基質分離后，排放收獲液(如果這樣應用的 話)。
58:如果這樣應用的話，采集所述收獲液。 59:可排放所述收獲液。
60:可再循環所述收獲液，例如在收獲裝置中。 61:將微生物群落的生物量與人工基質分離。 62:所述生物量通過重力沉降到底部。
63:分離之后，從所述收獲裝置提取所述人工栽體。這可通過提取裝 置進行。
64:將所述人工載體廢棄或返回所述生長容器中。
65:沉降之后從所述收獲機械提取所述分離后的生物量。
66:分離后的生物量。
67:將所述生物量進一步處理。
圖8:本發明的一個可能的實施方案。凈化來自養魚設施的廢水并且
在養魚業中再循環凈化后的水和生長的生物量。
68:將所述生物量加工成魚祠料
69:排放流出液。
70:將流出液用作二次處理液。
71:將流出液用于在養魚設施中祠養魚類
78:將流出液用作收獲液。
72:魚類養殖設施。73:從魚類養殖設施中排出廢水。
74:收集魚類養殖的廢水用作本發明的流入水。
圖9:本發明的一個可能的實施方案。經過微生物群落對來自生活污
水的廢水處理裝置中排出的水第三次處理。
75:將生物量加工成各種終產品。
76:生活污水的廢水處理裝置。
77:收集從76排出的水用作本發明的流入水。
一個可能的實施方案的原型圖示 圖10
廢水可能流過的三層管道原型。將人工基質放入管道中。 圖11
多層階式結構，廢水可通過它從頂部流到底部。這些層由人工基質.構 成。
圖12
廢水可通過它流動的傾斜多層管道原型。將人工基質放入管道中。 圖13:
管道連接系統的詳細圖。 圖14:
人工基質在管道系統中的詳細布置圖。 圖15:
階式生長容器的原型，它利用重力除去廢水流。將人工基質放入寬生 長容器內的廢水流中。圖16:
這幅圖示意描繪了廢水、液流、下層流和紊流的主流在將水導引通過 或靠近生長容器中的人工基質時的重要作用。
圖17
一個說明CAS機理的調制性和應用的實施方案的一個實施例。每個系
統本身可能包括一個或多個例如呈平行結構的子系統。
78:能使CAS自組織成普通定向群落的通常的環境結構。
79:特定的環境子結構A，能使CAS自組織成更多特定的定向群落，
以特定的產量為目的。
80:特定的環境子結構B，能使CAS自組織成更多特定的定向群落， 以特定的產量為目的。
81:特定的環境子結構C，能使CAS自組織成更多特定的定向群落，
以特定的產量為目的。 82:所得具有目標性能的特定群落A 83:所得具有目標性能的特定群落B 84:所得具有目標性能的特定群落C
85:位置A，在該位置的局部作用是導致自組織的操作上的。 86:位置B，在該位置的局部作用是導致自組織的操作上的。 87:位置C，在該位置的局部作用是導致自組織的操作上的。
圖18
一個說明CAS機理的調制性和應用的實施方案的一個實施例。該實施 方案與上述不同之處在于，它將一些人工基質放入一個系統，而將下 一組不同的人工基質放入處于前一個的下游位置的下一個系統。 88:位置A，在該位置的局部作用是導致自組織的操作上的。 89:位置B，在該位置的局部作用是導致自組織的操作上的。 位置A和B處于一個系統中。在一個系統中包含兩組人工基質。90:位置C，在一個系統中包含一系列毗連放置的人工基質。
在位置C,在該位置的局部作用是導致自組織的操作上的。
91:能使CAS自組織成普通定向群落的通常的環境結構。
92:特定的環境子結構A，能使CAS自組織成更多特定的定向群落，
以特定的產量為目的。
93:特定的環境子結構B，能使CAS自組織成更多特定的定向群落， 以特定的產量為目的。
94:特定的環境子結構C，能使CAS自組織成更多特定的定向群落，
以特定的產量為目的。
95:所得具有目標性能的特定群落A
96:所得具有目標性能的特定群落B
97:所得具有目標性能的特定群落C。該群落被分布于一系列基質上， 在其上生長的子群落相互影響。
98:箭頭代表上游群落A和B與下游群落C之間的相互作用。群落A 和B的性能影響群落C,根據CAS它已適應表現出特定的目標性能。
圖19:
99: Serpienski襯墊(也翻為Sierpinski )的分部圖形。 圖20
100:簡化的Serpienski襯墊圖形 101:表示流過人工基質的最大流體
102/表示流過人工基質的更小流體，穿過基質的更小開口。 圖21:
通過系統內選定的基本環境參數調節的野生型多培養物的可控藻類生 長。這些群落包括生物的優選族(例如硅藻門)物種組成(例如， Fragilaria capucina)。
2權利要求
1. 在敞開并且連續的系統內生長微生物的方法，它進一步的特征在于在所述系統內創建生境的裝置，其中，自然的、多樣化的和異質的微生物群落能夠自主地對變化的環境做出反應、自組織并適應。
2. 權利要求1的方法，其中所述裝置包括至少一種人工基質，附 著的微生物群落生長在所述基質上。
3. 權利要求l-2的方法，其特征在于，在所述系統內保持連續的流體流o
4. 權利要求1 - 3的方法，其中，所述流體為廢水流。
5. 權利要求2的方法，其特征還在于，將所述人工基質置于所述 水流的流動中，迫使該水流通過或者靠近人工基質和附著在基質上的 微生物群落。
6. 權利要求l-5的方法，其特征在于，所述微生物群落分別存在 于所述系統內的不同位置。
7. 權利要求1 - 6的方法，其中控制一個或多個環境變量以便調節 所述系統中每一個位置處的微生物群落的至少一項性能。
8. 生產微生物的方法，它包括權利要求1-7中定義的操作步驟， 所述方法進一步包括借助提取保持所述基質的載體的提取裝置來收獲 微生物群落的步驟。
9. 生產生物量的方法，它包括權利要求1-8中定義的操作步驟。
10.用于生產微生物和/或生物量的提取裝置，它具有將人工基質輸送到收獲裝置的設備，其特征在于，所述裝置包括人工基質固定于 其上的栽體。
全文摘要
在敞開并且連續的系統內生長微生物的方法，它進一步的特征在于，在所述系統內創建生境的裝置，其中自然的、多樣化的和異質的微生物群落能夠自主地對變化的環境做出反應并適應。
文檔編號C02F3/32GK101443281SQ200780017146
公開日2009年5月27日 申請日期2007年3月15日 優先權日2006年3月15日
發明者肯內拉德·瓦努特, 讓·瓦努特 申請人:Sbae工業股份有限公司