CN102666835A - 藻类培养方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物过程技术方法，其中将来自厌氧生物净化的有机悬浮液的水相作为培养基组份引入藻类培养中。本发明也涉及厌氧生物净化的有机悬浮液的水相作为藻类培养的培养基组份的应用。本发明也涉及厌氧生物净化的有机悬浮液的水相用于改善光生物反应器中藻类的生长条件的应用。本发明也涉及藻类用于净化厌氧生物净化的有机悬浮液的水相，尤其厌氧生物净化的废水滤液的应用。本发明也涉及生物过程技术装置(100)，其包含生物反应器(1)，尤其是消化塔，和光生物反应器(3)。

Description

藻类培养方法
技术领域
本发明涉及厌氧生物净化的有机悬浮液的水相的进一步净化。本发明也涉及藻类，尤其是微藻的培养。
本发明涉及生物过程技术方法，其中将厌氧生物净化的有机悬浮液的水相作为培养基组份引入藻类培养中。本发明也涉及本发明的方法被设计为制备方法。本发明也涉及厌氧生物净化的有机悬浮液的水相作为藻类培养的培养基组份的应用。本发明也涉及厌氧生物净化的有机悬浮液的水相用于改善光生物反应器中藻类的生长条件的应用。本发明也涉及藻类用于净化厌氧生物净化的有机悬浮液的水相，尤其是厌氧生物净化的废水滤液的应用。本发明也涉及生物过程技术装置以及所述装置用于本发明的方法的应用，所述生物过程技术装置包含生物反应器，尤其是消化塔，和光生物反应器。
背景技术
用于净化废水，主要是来自城市污水处理的废水废水的装置和方法是已知的。其实例是所谓的净化装置或者说污水净化装置。其主要用于净化从公共下水道收集并运输到净化装置的城市废水。废水净化的目的是去除废水中不希望的成分，以获得净化的废水，其可被排放于例如河流和水体(所谓的排水渠)中，而不会由于化学或微生物负荷对环境或居民产生伤害。
通常结合使用机械(物理)、生物和化学的方法，用于去除不希望的成分。相应地，现代净化装置包含至少三级，其中串联连接至少一个物理净化步骤、至少一个生物净化步骤和至少一个化学净化步骤。
生物方法主要用于分解有机负荷高的废水中有机化合物。这通常通过将有机化合物有氧分解为无机终产物如二氧化碳、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐等来进行。为此，将生物质以活性污泥形式用于所谓的曝气池中，或作为细菌菌苔例如以所谓的滴滤池形式使用。在此，待除去的有机化合物不仅被代谢过程能量利用和“贫化”，即通过用空气中的氧气转化而分解，而且在厌氧过程中有利于生物质的生长。富集的生物质必须定期从生物净化阶段去除并在后处理的消化塔中例如进行发酵，其中释放出沼气且尽管如此仍剩余大量污泥废物。该污泥废物可部分地用作肥料。但该污泥废物主要在焚烧装置中被成本高昂地去除。
厌氧生物废水净化也是已知的。其同样用于通过微生物分解过程去除废水中有害的或者有干扰的有机碳化合物，但所述微生物分解过程在无氧存在下进行。在此情况中，厌氧微生物从有机碳化合物的转化中获得对其代谢所必需的能量，并将这些有机碳化合物转化为有机酸、其它烃类和转化为二氧化碳和甲烷。这里，废水净化在空气密封的反应器中进行。
通常人们将厌氧工艺分为生物质未固化的流动体系，其中生物质主要存在于悬浮液中；和生物质固化的流动体系，其中生物质主要固化存在于反应器的内部结构中且为待净化的废水所环流。
一个已知的实例是所谓的“Emscher井”，它是由Immhoff于1906年获得专利的两级净化塔，其可以在位于下部的消化池中进行厌氧消化。
除消化塔而外，流动床反应器、厌氧曝气池、UASB-反应器或固定床反应器也用于已知的厌氧废水净化。
但是厌氧处理的不仅是城市废水和下水道污泥，也有其它废水，例如工业废水，尤其是食品工业的废水，或者来自可重复利用的原料发酵的废水。例如在糖厂加工甜菜时产生高负荷废水，其由已知的厌氧废水净化装置净化。这里使废水两级分解：在第一阶段即所谓的酸化中，废水中所含的高分子量糖和其它有机化合物被微生物转变成有机酸。这些酸是第二阶段，即所谓的产甲醇阶段中的细菌可分解的底物。所述产甲烷阶段是通过将CSB(溶解的可氧化有机物质)转化成气态产物CH4和CO2而净化废水的微生物阶段，这样所述气态产物没有成本且自由地离开水。
在已知的厌氧净化工艺中实现的有机杂质剩余浓度不允许直接导入排水渠中。因此，通常需要进一步的有氧生物、物理和/或化学净化步骤。
用于废水厌氧生物净化并可同时制得沼气的方法和装置公开于例如DE 10 2005 063 228A1中。
厌氧净化的废水也包含一定浓度的生物质，尤其是细菌，该浓度不允许直接导入排水渠中。因此通常借助于物理方法，尤其借助于过滤由废水中去除所述生物质。过滤时特别应用借助于膜进行的分离工艺。膜分离技术中的分离步骤可根据分离限制尺寸分为微滤、超滤和纳滤以及反渗透。在分离过程中，生物质作为固体物质至少直接在膜上积聚，而过滤的液体则流过膜。
已知多种过滤***用于后处理厌氧净化的废水。例如DE 100 04 096A1和DE 10154549A1描述了适于微滤或超滤厌氧处理的废水的过滤***。通常使用动态过滤，其中在浓缩过程中得到浓缩物(截留物)和滤液(透过物)。在此，浓缩物包含悬浮的、分散的或乳化的颗粒以及对应于所选择的过滤***(例如所选择的膜)的分离能力的溶解的物质。通常浓缩物被回流于厌氧净化步骤。滤液是不含有尺寸大于过滤***的分离限制尺寸的颗粒的处理液。
尽管在分解有机杂质时使用这样的厌氧生物废水净化，尤其结合随后的过滤，净化效率高，但这样净化的废水还含有大量的磷酸盐和氮。因此，为了防止排水渠负荷大量的磷酸盐和氮，必须对环境无害地清除这些废水。
废水的厌氧净化导致产生沼气。废水的厌氧净化导致产生大量CO2。也将获得大量的甲烷，其可以燃烧进一步形成CO2以获得能量。为了减少甚至防止以危害环境的量释放CO2，必须或者减少CO2的产量或者将形成的CO2以与环境相容的方式固定或转化。这里光合作用是自然界中少数几种消耗CO2的过程之一。由CO2、水和作为能源的光，将CO2固定在植物和藻类中，由此生成水和氧气。全球每年通过光合作用固定约3600亿吨CO2。其中在全球海洋中微藻固定约1750亿吨CO2。微藻形成了全球海洋中食物链的基础。
如果光合作用的生物质生产既起碳储存器的作用又起化石燃料或化石原料的替代品的作用，则其可以显著降低大气中CO2的含量。因为在利用光合作用产生的生物质的能量时将只释放与生长期间光合作用固定的一样多的CO2，所以在持续进程的前提条件下，如果替代了用化石原料生产的产物，则减少了CO2。
由于其尺寸小和分布精细，藻类，尤其是微藻，相较于更高等的植物具有更高的光合作用效率的特点。更好的对可用的阳光的利用导致了比陆生植物更高的生物质产量。光生物反应器中的微藻具有1至10倍于陆生植物的更高的生物质产率，这伴随着提高的CO2消耗。此外，微藻可以产生多种高品质的亲酯性或亲水性的物质，如维生素、颜料、脂肪酸、氨基酸和药用活性物质，例如抗生素。在这里，重要的物质类别是例如必需的脂肪酸、脂类、甾醇和类胡萝卜素、多糖、蛋白质或氨基酸和藻胆蛋白(颜料)以及作为富集蛋白质、缺乏核酸的原料的总生物质。这些产物可以作为高品质的食物、食品补充剂、饲料、药品或作为化妆品工业和化学工业中的合成物质的替代品使用。
微藻一方面包括原核蓝细菌，也包括真核微藻类。
相较于较高级的陆生植物，微藻生物质的特征是不含木质素、纤维素含量和核酸含量少以及高达干物质的60％的较高的碳水化合物和蛋白质含量。
使用作为废弃产物的CO2是在净能量产出的条件下使用阳光生产微藻的基本前提，这样藻类生物质的材料-能量利用或甚至纯能量利用变得可持续。由此可对减少由燃烧化石能量载体而产生的大气CO2做出贡献。这已在一些试验设备中结合多种化石能量载体的燃烧进行了研究。
除了太阳能和CO2之外，如同每种其它植物一样，微藻也需要矿物质有用材料(如氮和磷以及其它元素例如痕量元素)用于其生长。它们通常以合成培养基的形式存在。这里，将部分地使用用于针对花或作物需求的农产品的液体肥料。矿物质的成分是培养微藻时生产运行成本的主要因素，因为阳光和CO2是可以无偿获得的。
一般地通过微藻生产生物质的经济效益以及特定的具体物质首先由选定的藻类物种来确定。然而只是，如果同时实现太阳辐射能量向希望的生物质形式的高转化率和使能量费用和装置的制造、安装和运行成本保持非常低。高生物质产量是单位体积最佳光分布的问题。随着层厚度的增加，藻类对光的吸收导致强烈的光线减少，同时发生相互的自我遮蔽。可以使用光生物反应器达到足够高的太阳辐射能量的转化率。光生物反应器是发酵罐，在其中培养光养微生物(phototrophe Mikroorganismen)，尤其是藻类、蓝细菌和紫细菌，即在其中使这些细胞可以生长或增殖，或者借助于光养细胞促进多种物质的生产。一种特别适于培养微藻的光生物反应器公开于DE 199 16 597A1。
发明内容
作为本发明基础的技术问题之一是提供用于从厌氧生物净化的废水去除较高量的氮和磷的方法，尤其是成本低廉的方法。
本发明也以这样的技术问题为基础，即提供用于藻类和微藻的，尤其是在光生物反应器中培养的情况下成本低廉和简单的培养基。
本发明也以这样的技术问题为基础，即提供能够利用(尤其是以成本低廉和能量有利的方式利用)通过厌氧净化废水和有机废物而得到的分解产物的方法和装置。
本发明也以这样的技术问题为基础，即提供允许有机化合物的厌氧分解和有机化合物的光合成构建的能量有利的循环的方法和装置。
本发明也以这样的技术问题为基础，即以生态上和经济上有意义的方式利用在废水净化时生成的废弃产物，尤其是厌氧生物净化的有机悬浮液的水相。
本发明特别也通过提供一种方法(尤其是生物过程技术方法)来解决其作为基础的技术问题，所述方法包括下述步骤：将至少一种厌氧生物净化的有机悬浮液的至少一个水相供给至藻类培养中。
本发明还特别也通过提供一种生物过程技术方法来解决其作为基础的技术问题，其中在主要工艺步骤中将至少一种厌氧生物净化的有机悬浮液的至少一个水相引入藻类培养(尤其是微藻培养)中。
具体实施方式
“主要工艺步骤”是指对于本发明很重要的将至少一种厌氧生物净化的有机悬浮液的至少一个水相作为培养基组分供给至藻类培养中的工艺步骤。
除了该主要工艺步骤而外，本发明的方法中也可以设计其它的工艺步骤。这些其它的工艺步骤可以在主要工艺步骤之前或之后进行，它们也可以作为主要工艺步骤的上游或下游工艺步骤。
根据本发明，优选在主要工艺步骤中将厌氧生物净化的有机悬浮液的水相作为藻类培养的培养基组分而供给。
在本发明的上下文中，生物过程技术方法是指任何使用生物和/或生物化学工艺步骤来转化和/或生产物质的方法。
在本发明的上下文中，厌氧生物净化的有机悬浮液理解为包含有机成分的厌氧生物净化的悬浮液。
在本发明的上下文中，厌氧生物净化的有机悬浮液理解为由液体(例如水)形成的非均相物质混合物，并且在其中精细分布有尤其是有机固体物质，其中悬浮液或悬浮液的至少固体(尤其是有机成分)经过厌氧生物净化。可在净化前、净化过程中或净化后加入液体，尤其是水，以便获得悬浮液。
在本发明的上下文中，厌氧生物净化的有机悬浮液的水相理解为所述悬浮液的液体部分，其主要包含水和溶于其中的物质，但也可包含其它液体。液相可以通过与固相或者与液体和固体的混合物(浓缩物)分离，例如通过过滤来获得。因此，液相可以包含厌氧生物净化的有机悬浮液的一部分液体或者全部液体。
在一个优选的实施方式中，没有将与液相分离的浓缩物用作藻类培养的培养基组分。因此，浓缩物优选不被供给至藻类培养。在一个优选的实施方式中，液相不通过好氧滴滤来进一步净化。
优选的水相的实施方式是滤液。在一个优选的实施方式中，将至少一种滤液作为藻类培养的培养基组分被供给，而没有其它中间步骤，尤其是没有其它净化步骤。
在一个优选的实施方式中，滤液包含少于1重量％的固体。在一个优选的实施方式中，滤液仅包含溶解形式的固体。在一个优选的实施方式中，滤液包含少于1重量％的固体，其中所述固体仅以溶解形式存在。
在一个优选的实施方式中，在供给至藻类培养之前，在另一个步骤中使液相由厌氧生物净化的有机悬浮液分离出来。因此，在一个优选的实施方式中，将在主要步骤之前提供分离步骤，其中将水相与厌氧生物净化的有机悬浮液的其余组分分离。根据本发明优选物理分离。
一个优选的水相的实施方式是滤液。但也可以使用用于从厌氧生物净化的有机悬浮液分离水相的其它工艺步骤，尤其是物理方法，例如水相的倾析(Abdekantieren)。
根据本发明，所述厌氧生物净化优选为厌氧发酵。
在一个优选的实施方式中，水相来自甲烷发酵过程。
在一个实施方式中，在进行本发明的方法之前就已进行厌氧生物净化。则此厌氧生物净化不是本发明的方法的工艺步骤。在一个实施方式中，在进行本发明的方法之前就已进行厌氧生物净化。则此厌氧生物净化不是本发明的方法的工艺步骤。在一个替代的实施方式中，厌氧生物净化是本发明的方法的工艺步骤，其排在主要工艺步骤之前。
在一个优选的实施方式中，在将水相引入至藻类培养之前，在另一个步骤中，厌氧生物净化作为一步或两步的甲烷化来进行。在本发明的一个实施方式中，在将水相引入至藻类培养之前，在另一个步骤中，厌氧生物净化作为一步甲烷化来进行。在本发明的一个实施方式中，在将水相引入至藻类培养之前，在另一个步骤中，厌氧生物净化作为两步甲烷化来进行。在本发明的一个实施方式中，在将水相引入至藻类培养之前，在另一个步骤中，厌氧生物净化作为多步甲烷化来进行。
在本发明的一个实施方式中，在将水相引入至藻类培养之前，在另一个步骤中，厌氧生物净化作为甲烷化级联来进行。因此，甲烷化优选在串联的生物反应器中例如消化塔中进行。
因此，在本发明的一个实施方式中，在步骤a)中将有机悬浮液厌氧生物净化，并且在步骤b)中将厌氧生物净化的有机悬浮液的水相作为培养基组分供给至藻类培养中。
根据本发明，最初的、尤其是未净化的有机悬浮液优选为下水道污泥、有机废物、食品工业的废水、来自城市污水处理的废水和/或可再生原料发酵形成的废水。根据本发明，最初的、尤其是未净化的有机悬浮液优选为下水道污泥、有机废物和/或废水。根据本发明，最初的、尤其是未净化的有机悬浮液优选下水道污泥和/或废水。
根据本发明，水相优选为滤液，即过滤的清澈的液体。根据本发明，水相优选为厌氧生物净化的有机悬浮液的滤液。根据本发明，水相优选为灭菌的滤液。
根据本发明，在供给至藻类培养之前，优选在另一个步骤中将厌氧生物净化的有机悬浮液和/或水相用过滤器过滤至少一次。在本发明的一个替代的实施方式中，在供给至藻类培养之前，在另一个步骤中将厌氧生物净化的有机悬浮液用过滤器过滤至少一次。在本发明的一个替代的实施方式中，在供给至藻类培养之前，在另一个步骤中将水相用过滤器过滤至少一次，例如如果水相是借助于倾析获得的。
因此，在本发明的一个实施方式中，在步骤a)中将有机悬浮液厌氧生物净化，在步骤b)中过滤厌氧生物净化的有机悬浮液并且在步骤c)中将通过过滤得到的厌氧生物净化的有机悬浮液的水相作为培养基组分供给至藻类培养中。
在本发明的一个实施方式中，在供给至藻类培养之前，优选在另一个步骤中将厌氧生物净化的有机悬浮液和/或水相用至少一个过滤装置，特别是微滤装置过滤至少一次，所述过滤装置选自转盘过滤器、聚合物过滤器和陶瓷深层过滤器。
在本发明的一个实施方式中，在供给至藻类培养之前，优选在另一个步骤中将厌氧生物净化的有机悬浮液和/或水相用至少一个过滤装置，特别是微滤装置动态过滤至少一次，所述过滤装置选自转盘过滤器、聚合物过滤器和陶瓷深层过滤器。
在本发明的一个实施方式中，在供给至藻类培养之前，优选在另一个步骤中将厌氧生物净化的有机悬浮液和/或水相用转盘过滤器、聚合物过滤器和陶瓷深层过滤器过滤至少一次。在本发明的一个实施方式中，在供给至藻类培养之前，优选在另一个步骤中将厌氧生物净化的有机悬浮液和/或水相用转盘过滤器过滤至少一次。根据本发明，优选转盘过滤器、聚合物过滤器和陶瓷深层过滤器用于过滤。在本发明的一个实施方式中，使用转盘过滤器用于过滤。在本发明的一个实施方式中，使用聚合物过滤器用于过滤。在本发明的一个实施方式中，使用陶瓷深层过滤器用于过滤。在本发明的一个实施方式中，使用动态转盘过滤器用于过滤。在本发明的一个实施方式中，使用动态聚合物过滤器用于过滤。在本发明的一个实施方式中，使用动态陶瓷深层过滤器用于过滤。
在本发明的一个实施方式中，使用动态过滤工艺。
在本发明的一个实施方式中，所述过滤器是陶瓷过滤器或是聚合物膜。根据本发明，过滤器优选为陶瓷过滤器。
在本发明的一个实施方式中，过滤器是在DE101 54 549A1中描述的装置。DE101 54 549A1的公开内容将全文并入本发明的说明书中。在本发明的一个实施方式中，过滤器是用于从液体分离物质(尤其是固体、不同密度的液相和/或气体)的装置，该分离是通过与多个过滤单元一起旋转，所述过滤单元允许过滤的液体通过并且其容纳于可绕转轴旋转的外壳内，所述外壳具有用于液体的进口、至少一个用于通过旋转分离的重物质的出口和至少一个用于滤液的出口，其中在过滤单元的转轴范围或附近设置有用于密度小于所述液体的物质的通道。
在本发明的一个实施方式中，在供给至藻类培养之前，在另一个步骤中将厌氧生物净化的有机悬浮液和/或至少一个水相过滤。在本发明的一个实施方式中，在供给至藻类培养之前，在另一个步骤中将厌氧生物净化的有机悬浮液和/或至少一个水相微滤或超滤。在本发明的一个实施方式中，在供给至藻类培养之前，在另一个步骤中将厌氧生物净化的有机悬浮液和/或至少一个水相微滤。在本发明的一个实施方式中，在供给至藻类培养之前，在另一个步骤中将厌氧生物净化的有机悬浮液和/或至少一个水相超滤。
所述过滤特别用于分离可能的有机固体，尤其是分离微生物。由此，会避免藻类培养被其它微生物污染。这样的污染会一方面阻碍藻类的生长，而另一方面需要净化藻类培养，以便能把藻类培养的废水倒入海中。应该由藻类获得的物质的提纯也会变得困难。
在本发明的一个实施方式中，可以如此设计：将过滤时从滤液分离的浓缩物(也被称作发酵残留物)再供给至厌氧生物净化步骤。但是，或者也可以将该浓缩物排放。
在本发明的一个实施方式中，所述浓缩物是浓稠液体。
根据本发明，水相优选为不含***物细菌。在本发明的一个实施方式中，水相是完全无菌或几乎完全无菌的。根据本发明，水相优选是不含***物细菌的滤液，尤其是无菌的滤液。根据本发明，水相优选为无真菌或几乎无真菌的。根据本发明，水相优选为无病毒或几乎无病毒的。这样能够确保贫菌的微藻生物质产品，由此可以以高利用率供给微藻生物质。
已令人惊讶地证明，可将水相如此没有困难地净化，使得它不包含细菌或至少只包含如此低浓度的细菌，使得细菌既不造成对藻类生长的损害也不导致危害健康。尤其已令人惊讶地证明，厌氧生物净化的有机悬浮液的滤液几乎无菌或甚至完全无菌。
此外，已令人惊讶地证明，所述水相，尤其是滤液，包含如此低浓度的来自净化过程的有毒物质，使得其不防碍藻类的生长。
已令人惊讶地证明，来自厌氧生物净化的有机悬浮液的水相可以用作培养基的替代品或部分替代品，例如用于培养藻类尤其是微藻的矿物盐培养基。使用来自厌氧生物净化的有机悬浮液的水相作为培养基组分令人惊讶地导致藻类生物质生长速度比使用具有非常好的供氮量的传统合成培养基更快。
因此，通过本发明的方法可以减少向藻类培养添加由昂贵、成本高且耗能的Haber-Bosch法制备的氮或者甚至在藻类培养时完全不使用这种氮。
已令人惊讶地证明，来自厌氧生物净化的有机悬浮液的水相通过其组成向藻类供给足够的(即使不完全理想的)矿物质尤其是氮和磷的量。未与理论相联系，但据估计，不仅存在于水相中的铵的浓度而且可用的碳酸盐的量都刺激藻类的生长。
根据本发明，厌氧生物净化的有机悬浮液的水相优选包含0.5-5g/l铵离子，尤其是1-3g/l铵离子。
根据本发明，厌氧生物净化的有机悬浮液的水相优选包含1-500mg/l磷酸盐，尤其是10-200mg/l磷酸盐。在本发明的一个实施方式中，厌氧生物净化的有机悬浮液的水相包含至少1mg/l磷酸盐。在本发明的一个实施方式中，厌氧生物净化的有机悬浮液的水相包含至少10mg/l磷酸盐。在本发明的一个实施方式中，厌氧生物净化的有机悬浮液的水相包含至多500mg/l磷酸盐。在本发明的一个实施方式中，厌氧生物净化的有机悬浮液的水相包含至多200mg/l磷酸盐。
也已证明，通过藻类的选择性异养代谢(fakultativen heterotrophenStoffwechsel)也可以进一步减少水相中的CSB(化学需氧量)。
因此，本发明的生物过程技术方法也可以例如尤其包含以下步骤：
a)有机悬浮液的厌氧生物净化，
b)过滤厌氧生物净化的有机悬浮液，和
c)将厌氧生物净化的有机悬浮液的滤液作为培养基组份供给至藻类培养。
在本发明的上下文中，将藻类培养的培养基组分理解为液体组合物的一定比例，其适用于藻类尤其是微藻的培养。所述比例可以为藻类培养总介质的1％-100％。本领域技术人员已知多种现有技术的藻类培养介质。
根据本发明，用于藻类培养的总介质优选包含至少50重量％的所述水相作为介质组分。
根据本发明，用于藻类培养的总介质优选包含至少50重量％的所述水相。根据本发明，用于藻类培养的总介质优选包含至少60重量％的所述水相。在本发明的一个实施方式中，用于藻类培养的总介质优选包含至少75重量％的所述水相。在本发明的一个实施方式中，用于藻类培养的总介质优选包含至少80重量％的所述水相。在本发明的一个实施方式中，用于藻类培养的总介质优选包含至少90重量％的所述水相。供给至藻类培养的总介质可以包含高至99.9％的所述水相。用于藻类培养的总介质也可以由至少一种水相构成。用于藻类培养的总介质也可以仅由所述水相构成。
因此，根据本发明，可以提供以所述水相完全或部分取代传统的藻类培养基。因此，根据本发明，可以提供以所述水相完全取代传统的藻类培养基。因此，根据本发明，可以提供以所述水相部分地例如50％、70％或90％取代传统的藻类培养基。
因为来自厌氧生物净化的有机悬浮液的水相的组成取决于起始悬浮液的组成，例如取决于废水的组成，所以还可以在需要时通过添加痕量元素进一步改善生长刺激。
根据本发明，也可以提供将痕量元素添加至至少一种水相。根据本发明，也可以提供将磷(例如磷酸盐)添加至至少一种水相。
类似于那些确保具体藻类物种的最大产物生长速率的矿物盐介质的组成，在本发明的实施方式中可以平衡根据本发明作为介质使用的水相和最佳生长培养基之间成分的差异。
根据本发明，也可以设计，在至少一个水相中将磷和氮的比例调节为约3∶1，例如2∶1-4∶1，尤其是3∶1。该调节可以通过相应地添加磷或氮进行。
根据本发明，所述藻类培养优选为微藻培养。
根据本发明，所述藻类培养优选为三角褐指藻(Phaedodactylumtricornutum)培养、或雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)培养、或小麦根腐小球藻(Chlorella sorokiniana)培养、或普通小球藻(Chlorellavulgaris)培养、或亚心形扁藻(Platymonas subcordiformis)培养、或四鞭片藻(Tetraselmis suecica)培养、或眼点拟微绿球藻(Nannochloropsisoculata)培养、或等鞭金藻(Isochrysis spec.)培养、或湖沼微绿球藻(Nannochloropsis limnetica)培养、或席藻(Phormidium spec.)培养、或假鱼腥藻(Pseudoanabaena spec.)培养、或杜氏藻(Dunaliella spec.)培养、或蒜头藻(Monodus subterraneus)培养。
在本发明的一个实施方式中，所述藻类培养是三角褐指藻(Phaedodactylum tricornutum)培养。在本发明的一个实施方式中，所述藻类培养是雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)培养。在本发明的一个实施方式中，所述藻类培养是小麦根腐小球藻(Chlorella sorokiniana)培养。在本发明的一个实施方式中，所述藻类培养是普通小球藻(Chlorellavulgaris)培养。在本发明的一个实施方式中，所述藻类培养是亚心形扁藻(Platymonas subcordiformis)培养。在本发明的一个实施方式中，所述藻类培养是四鞭片藻(Tetraselmis suecica)培养。在本发明的一个实施方式中，所述藻类培养是眼点拟微绿球藻(Nannochloropsis oculata)培养。在本发明的一个实施方式中，所述藻类培养是等鞭金藻(Isochrysis spec.)培养。在本发明的一个实施方式中，所述藻类培养是湖沼微绿球藻(Nannochloropsis limnetica)培养。在本发明的一个实施方式中，所述藻类培养是席藻(Phormidium spec.)培养。在本发明的一个实施方式中，所述藻类培养是假鱼腥藻(Pseudoanabaena spec.)培养。在本发明的一个实施方式中。所述藻类培养是杜氏藻(Dunaliella spec.)培养。在本发明的一个实施方式中，所述藻类培养是蒜头藻(Monodus subterraneus)培养。
在本发明的一个实施方式中，藻类培养用于制备再生材料，尤其是必需的脂肪酸、脂类、甾醇和类胡萝卜素、多糖、蛋白质或氨基酸以及藻胆蛋白。
所述藻类培养也可用于获得，即生产作为原料的生物质。这里所述生物质由生长的藻类物质形成。所述藻类培养也可以用于获得蛋白质丰富的、核酸贫乏的生物质作为原料。所述藻类培养也可以用于获得碳水化合物丰富的、核酸贫乏的生物质作为原料。
在本发明的一个实施方式中，所述藻类培养，尤其是光生物反应器中的藻类培养可以作为原料用于生物质精炼厂。在本发明的一个实施方式中，可以设计，在光生物反应器中的藻类培养作为原料用于生物质精炼厂，在所述生物精炼厂中生产至少一种再生材料，尤其是选自必需的脂肪酸、脂类、甾醇和类胡萝卜素、多糖、蛋白质或氨基酸以及藻胆蛋白或其混合物的至少一种再生材料作为第一产品，且生产生物质作为第二产品。
根据本发明，在这种情况中，优选生产1-10％再生材料和90-99％生物质，尤其是4-6％再生材料和94-96％生物质。
因此，根据本发明培养的藻类培养可以产生令人惊讶的良好的再生材料与生物质的比例。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述再生材料是至少一种Ω-3-脂肪酸，尤其是一种Ω-3-脂肪酸。所述再生材料尤其可以是二十碳五烯酸(EPA)。所述再生材料也可以是例如二十二碳六烯酸(DHA)。在一个替代的实施方式中，所述再生材料也可以是类胡萝卜素，尤其是叶黄素。
因此，在本发明的一个实施方式中，可以设计使用来自至少一种厌氧生物净化的有机悬浮液(例如废水或下水道污泥)的水相作为本发明的方法的原料，并且作为产物得到再生材料例如EPA或叶黄素。
因此，本发明还涉及本发明的方法，尤其是生物过程技术方法，其中在主要工艺步骤中，供给来自至少一种厌氧生物净化的有机悬浮液的至少一种水相作为藻类培养的培养基组分，以生产生物质和/或至少一种再生材料。
因此，本发明也涉及被设计为生产方法的本发明的方法。
本发明也涉及本发明的方法用于由藻类培养生产生物质和/或用于生产再生材料。因此，本发明也涉及本发明的方法用于由藻类培养生产生物质。因此，本发明也涉及本发明的方法用于生产再生材料。
本发明也涉及通过本发明的方法生产的生物质和/或再生材料。
所述藻类培养也可以用于进一步净化厌氧生物净化的有机悬浮液的水相。所述藻类培养尤其可以用于减少厌氧生物净化的有机悬浮液的水相中的氮、磷和/或化学需氧量(CSB)。
本发明也涉及本发明的方法，尤其是生物过程技术方法，其中在主要工艺步骤中供给至少一种厌氧生物净化的有机悬浮液的至少一个水相作为藻类培养的培养基组分，用于生产氮、磷和/或CSB含量减少的净化的有机悬浮液。
因此，本发明也涉及本发明的方法用于净化厌氧生物净化的有机悬浮液的水相。
厌氧生物净化的有机悬浮液的水相可以用于改善藻类尤其是光生物反应器中的微藻的生长条件。厌氧生物净化的有机悬浮液的水相也可以用于减少与藻类尤其是光生物反应器中的微藻的培养相关的与底物有关的运行费用。
藻类培养也可以用于结合游离CO2。
在本发明的一个实施方式中，可以设计不仅将厌氧生物净化的有机悬浮液的水相作为培养基组分供给至藻类培养，另外也将有机悬浮液厌氧生物净化时产生的CO2供给至藻类培养。本发明的生物过程技术也可以尤其包含例如以下步骤：
a)有机悬浮液的厌氧生物净化，
b)过滤厌氧生物净化的有机悬浮液，
c)将来自厌氧生物净化的有机悬浮液的滤液作为培养基组份供给至藻类培养，
d)将厌氧生物净化时产生的CO2供给至藻类培养。
任选地，将厌氧生物净化时产生的甲烷燃烧以获得能量，并且同样将燃烧时产生的CO2供给至藻类培养。
因此，本发明的生物过程技术可以尤其包含例如以下步骤：
a)有机悬浮液的厌氧生物净化，
b)过滤厌氧生物净化的有机悬浮液，
c)将来自厌氧生物净化的有机悬浮液的滤液作为培养基组份供给至藻类培养，
d)将厌氧生物净化时产生的CO2供给至藻类培养，
e)燃烧厌氧生物净化时产生的甲烷以获得能量，
f)将甲烷燃烧时产生的CO2供给至藻类培养。
因此，本发明的生物过程技术可以尤其包含例如以下步骤：
a)有机悬浮液的厌氧生物净化，
b)过滤厌氧生物净化的有机悬浮液，
c)将来自厌氧生物净化的有机悬浮液的滤液作为培养基组份供给至藻类培养，
d)燃烧厌氧生物净化时产生的沼气以获得能量，
f)将甲烷燃烧时产生的CO2供给至藻类培养。
因此，本发明提供了可以循环使用CO2吸收过程的方法。在前置的无机生物净化工艺步骤中作为最终产物生成水相和在发酵和燃烧生成的甲烷和生成的生物质时生成CO2。在后续工艺步骤中，即藻类的培养中，这些产物即水相和CO2可以作为反应物使用，尤其是也被完全使用。通过培养藻类，这些反应物任选地生成再生材料和此外尤其是生物质。所述生物质又可以用作为反应物，其中在使用能量和之后的净化后生成水相和CO2。因此，本发明的方法可以循环使用，其中产生的能量和再生材料可被留出一部分来用。
此外，在本发明的方法中节约了藻类培养尤其是在光生物反应器中培养的运行费用，因为反应物CO2和水相形式的营养物质通过有机悬浮液的厌氧生物净化生成。因此，可以例如使用在工厂中生成的净化形式的废水作为培养基用于藻类培养，而通过工厂中的燃烧过程生成的CO2同样可以被供给至该藻类培养。
因此，厌氧生物净化的有机悬浮液(尤其是废水或下水道污泥)的水相的低成本而同时环境友好的应用是可能的。
根据本发明，所述藻类培养优选为在光生物反应器中培养。
本领域技术人员很熟悉用于培养藻类尤其是微藻的光生物反应器。
在本发明的一个实施方式中，所述光生物反应器是描述于DE199 16597A1中的光生物反应器。DE199 16 597A1的公开内容被全文并入本发明的说明书中。
根据本发明，优选具有由透光材料制成的反应室的光生物反应器。根据本发明，优选的光生物反应器的反应室所具有的表面扩展大于其容积的直面包覆面积(die
Figure BPA00001545652300161
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Figure BPA00001545652300162
根据本发明，优选具有用于湍流流量控制的装置的光生物反应器。根据本发明，优选具有将光从外界导入反应室的单元的光生物反应器。
本发明也涉及厌氧生物净化的有机悬浮液的水相作为藻类培养尤其是微藻培养的培养基组分的应用。
本发明也涉及厌氧生物净化的有机悬浮液的水相用于改善藻类尤其是微藻在光生物反应器中的生长条件的应用。
本发明也涉及藻类尤其是微藻用于净化厌氧生物净化的有机悬浮液的水相，尤其是厌氧生物净化的废水滤液的应用。
本发明也涉及通过本发明的藻类培养获得的产品。
本发明也涉及包含生物反应器(例如消化塔)和光生物反应器的生物过程技术装置。
所述生物反应器尤其是适用于悬浮液的厌氧生物净化的反应器，即厌氧反应器。
根据本发明，所述装置优选包含过滤装置。
根据本发明，所述过滤装置是微滤装置。
根据本发明，所述过滤装置或所述微滤装置优选具有用于清除固体的措施。
根据本发明，所述生物反应器优选具有导向过滤装置的供给管道，且所述过滤装置具有导向光生物反应器的供给管道。
根据本发明，所述生物反应器优选具有导向过滤装置的液体供给管道。根据本发明，所述过滤装置优选具有导向光生物反应器的液体供给管道。根据本发明，所述过滤装置优选具有导向生物反应器的供给管道用于运送在过滤装置中由滤液分离出的浓缩物(也称作发酵残留物)。根据本发明，也可以设计或尤其额外设计，所述过滤装置具有用于浓缩物(即发酵残留物)的排出管道。
一个优选的实施方式是包含生物反应器、过滤装置和光生物反应器的生物过程技术装置，其中所述生物反应器具有导向过滤装置的液体供给管道，并且所述过滤装置具有导向光生物反应器的液体供给管道。
一个优选的实施方式是包含生物反应器、过滤装置和光生物反应器的生物过程技术装置，其中所述生物反应器具有导向过滤装置的液体供给管道，并且所述过滤装置具有导向光生物反应器的液体供给管道，且其中所述过滤装置具有去除固体的措施和/或其中所述过滤装置具有导向生物反应器的固体供给管道用于输送浓缩物。
根据本发明，所述生物反应器优选具有排气管道用于排放发酵时生成的气体例如沼气、甲烷和/或CO2。
根据本发明，所述光生物反应器优选具有进气管道用于供给CO2。
在本发明的一个实施方式中，所述装置具有燃烧室，用于燃烧在生物反应器中生成的沼气或甲烷。根据本发明，所述燃烧室优选经由排气管道与生物反应器相连并经由进气管道与光生物反应器相连。根据本发明，在燃烧室中的气体燃烧优选用于获得能量。
根据本发明，生物反应器优选具有用于混合反应内容物的装置。
本发明也涉及用于进行本发明的方法的特殊设计的本发明的生物过程技术装置。
本发明也涉及用于进行本发明的方法的本发明的生物过程技术装置的应用。
对本发明的方法的根据本发明的替代的和/或优选的实施方式的说明也涉及本发明的应用、本发明的产品和本发明的装置的实施方式。
对本发明的应用的根据本发明的替代的和/或优选的实施方式的说明也涉及本发明的方法、本发明的产品和本发明的装置的实施方式。
对本发明的装置的根据本发明的替代的和/或优选的实施方式的说明也涉及本发明的应用、本发明的产品和本发明的方法的实施方式。
本发明的其它实施方式可在从属权利要求中找到。
本发明将通过下述实施例和附图进一步说明。
图1显示了本发明的装置的实施方式，其包含生物反应器、过滤装置和光生物反应器。
图2显示了具有不同N源的三角褐指藻的生物质生产率对相对的光可使用性(图2A)和反应器中的干物质(TS)浓度(图2B)的依赖性的比较。
图3显示了三角褐指藻在平板气升式光生物反应器(FPA)-反应器中，在400μEm-2s-1的光密度下的生长。
实施例：
用于实施本发明的方法的装置
在图1中显示了本发明的的装置(100)的一个示例性实施方式。该装置由生物反应器(1)、过滤装置(2)和光生物反应器(3)构成。生物反应器(1)和过滤装置(2)经由管道(12)相互连接。过滤装置(2)和光生物反应器(3)也经由管道(23)相互连接。
生物反应器(1)可以例如设计为消化塔，且具有用于混合反应器内容物的装置，例如搅拌装置(11)。在生物反应器(1)中对有机悬浮液例如废水进行厌氧生物净化。可以将在此生成的沼气导出并用于产生能量。在由沼气产生能量时生成的CO2可以被供给至光生物反应器(3)，在那里将CO2通过光生物反应器(3)中包含的藻类的光合作用固定。厌氧生物净化的有机悬浮液(例如废水)通过液体供给管道(12)被导向过滤装置(2)例如转盘过滤器、聚合物过滤器或陶瓷深层过滤器。在那里进行进一步的净化去除固体。所述固体，也称作浓缩物或发酵残留物，或者可以通过供给管道(24)被重新供给至生物反应器(1)中，或者可以通过排出管道(25)从体系中去除。把滤液通过液体供给管道(23)供给至光生物反应器(3)。在光反应器(3)中培养藻类例如微藻。光反应器(3)可以是例如平板-升气型反应器(FPA)，其通过其静止搅拌器(31)的特殊设计允许在高细胞浓度情况下较高的生产率。
供给的滤液被在光生物反应器(3)中培养的藻类用作培养基。这导致特别良好的藻类生长且同时导致滤液进一步的净化，因为磷和氮被吸收。
藻类可以用于制造生物质或用于制造特殊原料。
来自厌氧过程的滤液试样的分析
测试用于下水道污泥的两级高负荷消化的滤液试样(TBB6.12.08/29.4.08)的磷、铵氮和CSB的含量。分析得到下列值：
PO4-P： 26.25mg/l
铵氮：  855mg/l
CSB：   200mg/l
pH：    7.8
水的硬度14.2°dH
Ca：    71.8mg/l
Mg：    17.8mg/l
在平均30mg/OD(光密度)的NH4-需求用于微藻三角褐指藻的生长时，在使用废水滤液作为培养基组分的条件下，在20％培养基交换时，在藻类培养中达到7.8单位/每天的OD-增长。
比较使用多种已知氮源与使用来自厌氧过程的滤液试样培养微藻
在FPA-光生物反应器中培养三角褐指藻属的微藻。在不同的时间点改变提供给微藻的氮源。在最初的九天中，使用氯化铵作为氮源。在第10-43天中使用碳酸铵作为氮源起。在第44-60天中使用上述来自厌氧过程的滤液试样作为氮源。在第61-74天中使用碳酸铵作为氮源。也使用尿素作为氮源。
在不同的时间段测量藻类培养的生产速率。
试验结果总结于图2和3中。在图2A和2B中画出了碳酸铵测量点的多项式的趋势线。废水的测量点在该趋势线以上。
已证实，使用来自厌氧过程的滤液试样作为氮源得到了最好的结果。通过使用滤液试样，可以达到高生物质生产率，同时达到高的干物质浓度，尽管相对光可使用性相当低。

Claims (25)

1.生物过程技术方法，其包含以下步骤：将至少一种厌氧生物净化的有机悬浮液的至少一个水相作为培养基组分供给至藻类培养。
2.根据权利要求1的方法，其中在另一个步骤中将所述水相在供给至藻类培养之前从所述厌氧生物净化的有机悬浮液分离出来。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所述水相是滤液。
4.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述水相源自甲烷发酵过程。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其中在另一个步骤中将所述厌氧生物净化的有机悬浮液和/或所述水相在供给至藻类培养之前用转盘过滤器、聚合物过滤器或陶瓷深层过滤器过滤至少一次。
6.根据前述权利要求中任一项的方法，其中在另一个步骤中将所述厌氧生物净化的有机悬浮液和/或所述水相在供给至藻类培养之前用动态转盘过滤器、动态聚合物过滤器或动态陶瓷深层过滤器过滤至少一次。
7.根据前述权利要求中任一项的方法，其中在另一个步骤中将所述厌氧生物净化的有机悬浮液和/或所述水相在供给至藻类培养之前微滤或超滤。
8.根据前述权利要求中任一项的方法，其中在将所述水相供给至藻类培养之前，在另一个步骤中，所述厌氧生物净化作为一步或两步的甲烷化来进行。
9.根据前述权利要求中任一项的方法，其中在将所述水相供给至藻类培养之前，在另一个步骤中所述厌氧生物净化作为多步甲烷化来进行。
10.根据前述权利要求中任一项的方法，其中未净化的有机悬浮液是下水道污泥、有机废物、食品工业的废水、来自城市污水处理的废水和/或可再生原料发酵形成的废水。
11.根据前述权利要求中任一项的方法，其中用于藻类培养的总培养基包含至少50重量％的所述水相作为培养基组分。
12.根据前述权利要求中任一项的方法，其中向所述水相添加痕量元素。
13.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述藻类培养是微藻培养。
14.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述藻类培养是三角褐指藻(Phaedodactylum tricornutum)培养、或雨生红球藻(Haematococcuspluvialis)培养、或小麦根腐小球藻(Chlorella sorokiniana)培养、或普通小球藻(Chlorella vulgaris)培养、或亚心形扁藻(Platymonassubcordiformis)培养、或四鞭片藻(Tetraselmis suecica)培养、或眼点拟微绿球藻(Nannochloropsis oculata)培养、或湖沼微绿球藻(Nannochloropsis limnetica)培养、或席藻(Phormidium spec.)培养、或假鱼腥藻(Pseudoanabaena spec.)培养、或杜氏藻(Dunaliella spec.)培养、或蒜头藻(Monodus subterraneus)培养或等鞭金藻(Isochrysis spec.)培养。
15.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述藻类培养在光生物反应器中培养。
16.根据前述权利要求中任一项的方法，其用于由藻类培养制备生物质和/或用于制备再生物质。
17.根据前述权利要求中任一项的方法，其用于净化厌氧生物净化的有机悬浮液的水相。
18.厌氧生物净化的有机悬浮液的水相作为藻类培养的培养基组分的应用。
19.厌氧生物净化的有机悬浮液的水相用于改善光生物反应器中藻类生长条件的应用。
20.藻类在净化厌氧生物净化的有机悬浮液的水相，尤其是厌氧生物净化的废水滤液中的应用。
21.生物过程技术装置(100)，其包含生物反应器(1)和光生物反应器(3)。
22.根据权利要求21的装置(100)，其中所述装置包含过滤装置(2)。
23.根据权利要求22的装置(100)，其中所述过滤装置(2)是微滤装置(2)。
24.根据权利要求21或权利要求22的装置(100)，其中所述生物反应器(1)具有导向所述过滤装置(2)的液体供给管道(12)且所述过滤装置(2)具有导向所述光生物反应器(3)的液体供给管道(23)。
25.根据权利要求21-24中任一项的装置(100)，其用于实施权利要求1-17中任一项的方法。
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