專利名稱：：光生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及到了一種培養(yǎng)基的系統(tǒng)及設(shè)備，確切來(lái)說(shuō)，就是供培養(yǎng)基生長(zhǎng)的，用于生物燃料，制藥和食品產(chǎn)業(yè)的藻類培養(yǎng)基的光生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
：隨西方和亞洲的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，世界對(duì)以石油為原料的產(chǎn)品的依賴性也越來(lái)越強(qiáng)。與之相對(duì)的，新的石油儲(chǔ)備的開(kāi)發(fā)已經(jīng)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段，且預(yù)計(jì)在未來(lái)幾十年里將會(huì)減少。此外，燃煤的燃燒排放的含碳?xì)怏w正導(dǎo)致著氣候的變化，也引起了越來(lái)越多的關(guān)注。這種狀況剌激了對(duì)生物燃料，一種從生物體如油菜和小麥制造出來(lái)的油的衍生物的蓬勃需求。然而，這些生物燃料來(lái)源，是靠生產(chǎn)這種生物體的一種相對(duì)低效的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且要求對(duì)原本用于生產(chǎn)糧食的耕地轉(zhuǎn)到非糧食品種生產(chǎn)或者轉(zhuǎn)移到可以生產(chǎn)燃料的食用作物的生產(chǎn)中來(lái)。因此，尋找另一種生產(chǎn)生物燃料的方法迫在眉睫。人們發(fā)現(xiàn)，某些類型的藻類可以產(chǎn)生一種高含油量的生物體。這些藻類的生長(zhǎng)速度大大地超過(guò)了傳統(tǒng)的生物燃料作物的生長(zhǎng)速度。這些類型的藻類被定義為微藻以區(qū)別其它大型的藻類，如海草之類的巨大藻類。下表給出了不同的生物燃料作物的出油量的比較:<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>從藻類提取生物燃料的優(yōu)點(diǎn)包括快速的增長(zhǎng)率和每英畝的高產(chǎn)量。同時(shí)，藻類生物燃料不含硫，不含毒性，而且還具有高度的生物降解性。有些品種的藻類由于他們的高含油量，某些藻種的含油量接近40%，非常適合用于生物柴油的生產(chǎn)。除了選定的營(yíng)養(yǎng)成分，藻類的生長(zhǎng)跟許多植物物種一樣，需要三個(gè)主要條件陽(yáng)光，二氧化碳和水。光合作用是一個(gè)重要的生化過(guò)程，在這一過(guò)程中，植物，藻類以及一些細(xì)菌得以將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。微藻含有可以用作膜成分，存儲(chǔ)產(chǎn)品、代謝物和能源來(lái)源的脂類、脂肪酸，按重量，其脂類/油脂大約占到2%到40%。藻類生產(chǎn)生物燃料的潛力在過(guò)去一直是大量的研究計(jì)劃的對(duì)象。有一個(gè)計(jì)劃因其突出的全面性脫穎而出，這就是在1978到1996年間由美國(guó)能源部的分支機(jī)構(gòu)燃料開(kāi)發(fā)司出資，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)主導(dǎo)的"水生物種計(jì)劃(ASP)"。該計(jì)劃的重心在于調(diào)查可專為大規(guī)模生產(chǎn)生物燃料的目的而種植的高油藻。研究計(jì)劃最開(kāi)始是考察研究怎樣利用快速生長(zhǎng)的藻類吸聚來(lái)自燃煤電廠排放的二氧化碳的碳。在實(shí)驗(yàn)中藻類是用來(lái)控制廢水的，卻發(fā)現(xiàn)它是生產(chǎn)沼氣的好原料，盡管供它們生長(zhǎng)的污泥能產(chǎn)生更多的沼氣。然而,當(dāng)人們注意到有些藻類有很高的含油量時(shí)，計(jì)劃的重點(diǎn)就從種植藻類轉(zhuǎn)移到另一個(gè)目標(biāo)-生產(chǎn)生物燃料。有些品種的藻類因髙含油量(10%40%，取決于許多因素)以及其在實(shí)驗(yàn)室條件下的快速生長(zhǎng)速度被認(rèn)為非常適合生物柴油的生產(chǎn)。ASP計(jì)劃主張?jiān)谟脻{輪攪拌培養(yǎng)基在露天池和溝渠中繁殖藻類，因?yàn)檫@是公認(rèn)的用相對(duì)較低的成本大規(guī)模地生產(chǎn)生物體的最具成本效益的辦法。此外，露天池可以位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，那里的以糧食生產(chǎn)為主的農(nóng)業(yè)不會(huì)受到損害。ASP計(jì)劃遭遇了許多技術(shù)壁壘，最重要的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是露天池的高油量的藻類隨著時(shí)間的推移很容易被咄咄逼人的低油量的本地藻類取代。因此，圖24所示的在實(shí)驗(yàn)室條件下的出油量在實(shí)地條件時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)和保持。同樣,.露天池和溝渠系統(tǒng)也不適合控制和優(yōu)化這些高油藻能茂盛繁殖的環(huán)境。因此，在露天池和溝渠系統(tǒng)種植高油藻的設(shè)想和實(shí)踐雖然十分吸引人并將是許多公司將進(jìn)行的研究項(xiàng)目的主題，在目前卻證明是問(wèn)題多多的。為了消除露天池繁殖藻體的諸多問(wèn)題，在過(guò)去幾年里，好幾家公司就他們研發(fā)出來(lái)的從藻類提取生物燃料的技術(shù)發(fā)布新聞稿。其中多數(shù)項(xiàng)目涉及使用封閉的光生物反應(yīng)器。在這種封閉的反應(yīng)器中，藻體以二氧化碳和營(yíng)養(yǎng)元素為食，在一個(gè)受控制的環(huán)境里生長(zhǎng)。盡管其有可能為制藥和食品工業(yè)產(chǎn)生生物燃料和高附加值的產(chǎn)品的潛力很大，但是藻類生物技術(shù)進(jìn)步相對(duì)緩慢。主要制約因素是缺乏有效的，低成本，大規(guī)模的培養(yǎng)技術(shù)。此外，為生產(chǎn)生物燃料的下游產(chǎn)品的微藻生物體的生產(chǎn)通常需要繁殖單一栽培的高油藻類。這一要求促使越來(lái)越強(qiáng)調(diào)發(fā)展那些封閉的光生物反應(yīng)器。如圖1所示，這是現(xiàn)有一個(gè)典型的氣升式光生物反應(yīng)器，反應(yīng)器10首先包括一根用透明或半透明的材料構(gòu)成的垂直管柱12,另一根垂直管柱14位于垂直管柱12內(nèi)，兩端開(kāi)口，一般由不透明的材料構(gòu)成。垂直管柱14的兩端和相應(yīng)垂直管柱12的兩端有間距。反應(yīng)器10內(nèi)含懸浮著微藻培養(yǎng)基18的溶液16。光源按圖示20的方向斜照在反應(yīng)器10上，在垂直管柱12內(nèi)部和垂直管柱14外部形成一片光區(qū)22，溶液16在此去接受光照；在垂直管柱14內(nèi)部由于垂直管柱14本身的不透明物質(zhì)的遮蔽形成一個(gè)暗區(qū)24。噴管26的第一個(gè)開(kāi)口27位于反應(yīng)器10的底部，垂直管柱14底端開(kāi)口的正下方。氧氣、氮?dú)夂投趸嫉臍怏w混合物經(jīng)噴管26導(dǎo)入溶液16。氣體混合物產(chǎn)生的氣泡在垂直管柱14的內(nèi)部上升流動(dòng)，促使液體按28所示流向從暗區(qū)24流向光區(qū)22再回流至暗區(qū)24。液體的流動(dòng)讓微藻的培養(yǎng)基18經(jīng)歷著光照和黑暗的交替，這有助于它們的生長(zhǎng)。最常見(jiàn)的用于藻類繁殖光生物反應(yīng)器是垂直的噴氣式的反應(yīng)器，根據(jù)它們相對(duì)簡(jiǎn)單的構(gòu)造形式，有氣升式，氣泡柱式和平板式。然而這些系統(tǒng)也有自身的問(wèn)題。光生物反應(yīng)器，尤其是大型反應(yīng)器的成本意味著只有連續(xù)的高容量的生產(chǎn)力才可以讓這些潛在的方案在經(jīng)濟(jì)上可行。在提高生物體的密度方面，相較露天池技術(shù)，是光生物反應(yīng)器發(fā)展背后的推動(dòng)力，但欲跟縮小培養(yǎng)系統(tǒng)的尺寸一直有點(diǎn)矛盾。這意味著反應(yīng)器必須支持繁殖中的微藻有著高效的光利用率和營(yíng)養(yǎng)吸收率。在這樣對(duì)光照有很強(qiáng)的依賴性的高密度細(xì)胞培養(yǎng)基中，由于光吸收和細(xì)胞間的相互遮蔽，光照的不均衡經(jīng)常發(fā)生。因此，生物體必須持續(xù)混合以達(dá)到最佳的生長(zhǎng)速度。同樣，細(xì)胞必須接觸到養(yǎng)分來(lái)源，特別是二氧化碳，從而實(shí)現(xiàn)脂產(chǎn)量。噴氣式的光生物反應(yīng)器如氣泡柱和平板式的剪切行動(dòng)對(duì)于混合氣體，散熱以及大規(guī)模的光傳導(dǎo)是必要的，且它的重要性隨設(shè)備規(guī)模的提升而增加。然而，過(guò)度的剪切會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)受損，細(xì)胞損害甚至死亡。因剪切應(yīng)力導(dǎo)致的細(xì)胞死亡一度被認(rèn)為是在反應(yīng)器里培養(yǎng)微藻的關(guān)鍵問(wèn)題(Vandanjoneta1.2000)。在這一方面，研究專家們一致達(dá)成共識(shí)微藻本質(zhì)上對(duì)剪切很敏感，這可以解釋微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中的相對(duì)較低的生產(chǎn)力和相對(duì)較低的生長(zhǎng)速率。由于用于藻類培養(yǎng)的露天池系統(tǒng)遇到了諸如污染和缺乏足夠的環(huán)境控制的問(wèn)題，光生物反應(yīng)器的使用則同樣地遭遇了成本效益和技術(shù)壁壘的難題，這些問(wèn)題限制了高密度藻體的持續(xù)性生產(chǎn)。這兩項(xiàng)常規(guī)技術(shù)，或者要求相對(duì)較高的土地成本或者要求與較高的運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)應(yīng)的較高的安裝費(fèi)用。基于這些原因，傳統(tǒng)技術(shù)不能最大限度地和有效地用于大規(guī)模藻類生產(chǎn)。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)以上所述微藻培養(yǎng)存在的不足，提供一種成本低；允許無(wú)限擴(kuò)展，且制造、安裝、操作、更換和維護(hù)都簡(jiǎn)易可行的光生物反應(yīng)器。本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的光生物反應(yīng)器包括一個(gè)管狀的反應(yīng)器組，反應(yīng)器組為管狀的主體梯田交互式設(shè)置形成的；主體由上層部位和下層弧形部位一起組成一個(gè)封閉的管狀包封空間，主體上包括有透明部位和透氣部位。光照可以透過(guò)透明部位進(jìn)入主體結(jié)構(gòu)以讓內(nèi)含的培養(yǎng)種子進(jìn)行光合作用，透氣部位是為了方便光合作用過(guò)程中產(chǎn)生的水分子和氧分子逃逸以及培養(yǎng)基的蒸騰作用，使主體內(nèi)部的氣壓與大氣的氣壓保持均衡，透氣部位同時(shí)也容許二氧化碳逸入主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，供培養(yǎng)基使用以促進(jìn)培養(yǎng)種子的生長(zhǎng)。主體由塑料材料構(gòu)成，要適應(yīng)通過(guò)的包封空間接納種子培養(yǎng)和培養(yǎng)基；主體的管狀包封空間下部的槽，可以用于保留前面提到過(guò)的培養(yǎng)的種子和培養(yǎng)基。所述的主體的上層部位為倒V字形結(jié)構(gòu)，上層部分在倒V字形上層部位的頂點(diǎn)處，兩個(gè)搭接的第一邊沿、第二邊沿分別位于倒V字形的下層；弧形部位上設(shè)置有第一條邊和第二條邊，分別與倒V字形的上層部位的第一邊沿和第二邊沿搭接連接起來(lái)形成一個(gè)具有洞腔的封閉套裝容器。洞腔是用來(lái)接納種子培養(yǎng)和培養(yǎng)基的。所述的反應(yīng)器組包含有輸入閥和輸出閥，輸入閥臨近反應(yīng)器組的上部端口，輸入閥包括完全封閉的閥門，閥門連接一個(gè)泵或者一個(gè)壓縮噴嘴裝置；輸出閥鄰近反應(yīng)器組的下部端口。輸入閥讓培養(yǎng)的種子和培養(yǎng)基進(jìn)入洞腔；輸出閥可以從反應(yīng)器的內(nèi)部萃取培養(yǎng)的種子和培養(yǎng)基；反應(yīng)器組上部端口和下部端口，培養(yǎng)的種子和培養(yǎng)基可以通過(guò)上部端口的輸入閥泵入反應(yīng)器組；在使用過(guò)程中，上部端口所處的位置比下部端口的要高。所述的反應(yīng)器組包括有氣體導(dǎo)入裝置；氣體導(dǎo)入裝置可以為一根氣體滲透管，位于主體內(nèi)部的洞腔底部；氣體滲透管與外部供應(yīng)管連接，氣體滲透管與外部供應(yīng)管之間設(shè)置有調(diào)節(jié)閥。氣體導(dǎo)入裝置可以將氣體引進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)，從而更加精確地調(diào)節(jié)氣體的濃度，例如二氧化碳的濃度，而避免通過(guò)主體的透氣部位從大氣中吸收二氧化碳。對(duì)不同濃度的調(diào)控可以讓種子培養(yǎng)的生長(zhǎng)速度得到控制。外部供應(yīng)管是一個(gè)裝著在反應(yīng)器內(nèi)能促進(jìn)光合作用的氣體(如二氧化碳)的容器。氣體滲透管正好位于洞腔內(nèi)，這樣透氣管就可以被培養(yǎng)基和培育的種子圍住。調(diào)節(jié)閥在使用時(shí)可以用來(lái)調(diào)節(jié)向主體內(nèi)部供氣的速率。所述的弧形部位的下方設(shè)置有次級(jí)層，次級(jí)層與弧形部位的底部連接，弧形部位與次級(jí)層之間形成一個(gè)次級(jí)洞腔。下部引入一個(gè)次級(jí)洞腔考慮到了另一種將氣體，如二氧化碳，導(dǎo)入主體內(nèi)部促進(jìn)光合作用進(jìn)行的方法，以提供藻種所需的適宜的飽和度。所述的反應(yīng)器組上設(shè)置有反射器，反射器具有凹面形狀，安裝在使得光的焦點(diǎn)正好位于主體的洞腔內(nèi)的位置。反射器可以毗鄰主體，可以反射額外的光線，將光照鎖定在培育的種子和培養(yǎng)基上，促進(jìn)光合作用的進(jìn)行。反射器呈凹面形狀，它的位置應(yīng)該使得它的焦點(diǎn)正好位于主體的洞腔內(nèi)。凹面形的光反射器的使用可以增加進(jìn)入反應(yīng)器的光照密度。主體的上部包括至少一個(gè)主要的附加突出部位。這個(gè)部位可以調(diào)節(jié)以連接主要的保持設(shè)備?？梢赃@樣理解，這個(gè)主要的突出部位可能將與主體鑄接到一起，或者以重疊主體上部的某一部份而構(gòu)成。前面所指的主體下部包括至少一個(gè)次級(jí)的附加突出部位，這個(gè)部位可以調(diào)節(jié)以連接次要的保持設(shè)備。所述的反應(yīng)器組至少有一個(gè)位于主體弧形部位內(nèi)墻的混合突出的微阻裝置者一個(gè)沿反應(yīng)器組的縱向長(zhǎng)度大幅延伸的翼式攪流裝置，這個(gè)微阻裝置或者翼式攪流裝置可以干擾培育的種子和培養(yǎng)基的流動(dòng)，有利于它們?cè)诹鬟^(guò)反應(yīng)器時(shí)的混合。這種突出件有一個(gè)沿反應(yīng)器的縱向長(zhǎng)度大幅延伸的縱向的擋板，一個(gè)楔子和一個(gè)位于洞腔內(nèi)的光板。光板可以借助板上的光線的均衡散射提高反應(yīng)器內(nèi)的光照分布。所述的反應(yīng)器組內(nèi)設(shè)置有光板，主體上部延伸至下部，光板上分布有大量的蝕刻孔。光板將光線以均衡的方式散射至反應(yīng)器內(nèi)部，光線的均衡散射提高反應(yīng)器內(nèi)的光照分布。蝕刻孔將光線以均衡的方式散射至反應(yīng)器內(nèi)部。光板由聚丙烯酸酯塑料或樹脂玻璃組成。使用時(shí)，光板的被閑置的一端被改造成可以混合培養(yǎng)的種子和培養(yǎng)基的形狀，浸入包含培養(yǎng)基的溶液中。所述的反應(yīng)器組上至少含有一個(gè)遮光部件，遮光部件與主體外部連接。由不透明材料構(gòu)成，遮光部件可以當(dāng)培養(yǎng)的種子和培養(yǎng)基穿行在反應(yīng)器內(nèi)時(shí)促成光照和黑暗的循環(huán)。培養(yǎng)種子和培養(yǎng)基在反應(yīng)器的透明墻部分流動(dòng)時(shí)形成曰周期；在反應(yīng)器被遮光部件覆蓋的部分流動(dòng)時(shí)形成夜周期。所述的反應(yīng)器組的主體本身可以有交互式的透明部分和不透明部分。光生物反應(yīng)器的主體的透明部分包括一個(gè)光過(guò)濾層以防止特定波長(zhǎng)光進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)。在反應(yīng)器的透明部位使用選擇性光過(guò)濾器可以防止可明顯抑制反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的光合作用的紫外線或紅外線侵入。所述的光生物反應(yīng)器含有一個(gè)與主體連接的熱交換器，熱交換器通過(guò)地源熱泵與接地回路連接，熱交換器與反應(yīng)器組連接。熱交換器可以調(diào)節(jié)主體內(nèi)的培養(yǎng)基的溫度。使用熱交換器可以準(zhǔn)確，高效和無(wú)菌地調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的溫度，影響光合作用進(jìn)程。反應(yīng)器主體設(shè)置了一根管道，縱伸進(jìn)入主體的洞腔，與熱交換器相連。這根管道可以過(guò)濾，讓培養(yǎng)基經(jīng)由這根管道通過(guò)培養(yǎng)基溶液而阻止培養(yǎng)種子通過(guò)。使用過(guò)濾手段阻止培養(yǎng)的種子通過(guò)熱交換器意味著只有培養(yǎng)基在熱交換器里被加熱，然后回到反應(yīng)器主體的內(nèi)部。所述的光生物反應(yīng)器還包括培養(yǎng)種子的貯留箱、營(yíng)養(yǎng)箱、無(wú)菌水箱、一套跟營(yíng)養(yǎng)箱和無(wú)菌水箱相連的混合設(shè)備；與培養(yǎng)種子貯留箱相連的光生物反應(yīng)器，反應(yīng)起的第一端亦與前面提到過(guò)的混合設(shè)備相連；生物反應(yīng)器的另一端連接收存站，這樣使用過(guò)程中混合設(shè)備可以混合大量的來(lái)自營(yíng)養(yǎng)箱的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和來(lái)自無(wú)菌水箱的無(wú)菌水，組成培養(yǎng)基溶液。培養(yǎng)種子的貯留箱與混合設(shè)備一起可以為反應(yīng)器提供大量的培養(yǎng)種子和培養(yǎng)溶液，而收存站可以收存生物反應(yīng)器生產(chǎn)的大量的生物體。本實(shí)用新型還包含了一個(gè)位于混合設(shè)備和反應(yīng)器之間的泵，它可以將培養(yǎng)基從混合設(shè)備中泵入反應(yīng)器內(nèi)。另外包含了一個(gè)位于種子貯留箱和反應(yīng)器之間的泵，它可以將將種子從貯留箱泵入反應(yīng)器內(nèi)。反應(yīng)器組最好斜置，第一端比第二端高。光生物反應(yīng)器兩端之間的這種高度差異，使內(nèi)含的種子和培養(yǎng)基溶液在重力的作用下在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)。許多支撐桿與反應(yīng)器組連接，支撐桿的保持設(shè)備與反應(yīng)器組連接以保持反應(yīng)器。支撐桿在反應(yīng)器上部突出，其主要保持設(shè)備與反應(yīng)器的主要附加突出部位連接。支撐桿的次級(jí)保持設(shè)備與反應(yīng)器的次級(jí)保持設(shè)備相連。支撐桿安放在支柱上，是可以調(diào)節(jié)。支撐桿的可調(diào)節(jié)性使反應(yīng)器的離地高度隨時(shí)都可以透過(guò)操作支撐桿的垂直高予以調(diào)整。或者反應(yīng)器的高度也可以通過(guò)反應(yīng)器的傾斜度調(diào)節(jié)，這樣可能影響種子和培養(yǎng)基溶液在反應(yīng)器的流動(dòng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)1、運(yùn)行成本低下，可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)作；2、允許無(wú)限擴(kuò)展；3、制造、安裝、操作、更換和維護(hù)都簡(jiǎn)易可行;4、充分利用了地?zé)岬瓤稍偕Y源，極大的節(jié)約了運(yùn)行成本；5、藻體培養(yǎng)過(guò)程可控，極大的提高來(lái)藻體培養(yǎng)效率；6、實(shí)現(xiàn)了無(wú)廢棄物產(chǎn)生的生產(chǎn)過(guò)程。圖1為現(xiàn)有典型的光生物反應(yīng)器的縱剖面圖2為本實(shí)用新型中種子生長(zhǎng)系統(tǒng)整個(gè)的平面圖;圖3為圖2所示的系統(tǒng)的平緩梯度的透視圖4為可調(diào)節(jié)的支柱和支撐桿的構(gòu)造局部放大圖5為圖2所示的系統(tǒng)的陡峭梯度的透視圖；—圖6為本實(shí)用新型的反應(yīng)器組的剖面圖7A為圖6中的反應(yīng)器組的透視圖7B為帶擴(kuò)散管道的圖6所示的反應(yīng)器組的透視圖7C為與二氧化碳供氣管相連的圖7B所示的二氧化碳的透視圖8為顯示反應(yīng)器閥門的圖6中的反應(yīng)器組的透視圖9為帶含次級(jí)洞腔的次級(jí)層機(jī)構(gòu)的圖6所示的反應(yīng)器組的透視圖10為帶光反射器的圖6所示的反應(yīng)器逛的透視圖11為帶有凹面形的光反射器和人造光源的圖6所示的反應(yīng)器組的透視圖12為與熱交換器相連的圖6所示的反應(yīng)器組的透視圖；圖13為與圖12所示的系統(tǒng)配套使用的熱交換器管道的放大透視圖；圖14為與圖6所示的反應(yīng)器組配套使用的微阻裝置的放大透視圖；圖15為帶大幅平衡形翼式攪流裝置的圖6所示的反應(yīng)器組的透視圖；.圖16為帶光板的圖6所示的反應(yīng)器組的剖面圖17為帶大量遮光部件的圖6所示的反應(yīng)器組的透視圖；圖18為圖2所示系統(tǒng)中的收存站的透視圖19-23為圖2所示系統(tǒng)的大量的不同的改進(jìn)型設(shè)備的圖示；具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖2和圖3所示，光生物反應(yīng)器的全局圖標(biāo)注為30。光生物反應(yīng)器30包括一個(gè)藻種箱32。藻種箱32活動(dòng)的經(jīng)泵36與封閉的反應(yīng)器組34相連。藻種在藻種箱32中培養(yǎng)形成，根據(jù)所必需的培養(yǎng)密度，足夠密度的藻種周期性地被泵36輸進(jìn)反應(yīng)器組34內(nèi)。光生物反應(yīng)器30包括一個(gè)營(yíng)養(yǎng)箱38和無(wú)菌水箱40。營(yíng)養(yǎng)箱38和無(wú)菌水箱40活動(dòng)的與混合箱42相連，混合箱42再與培養(yǎng)基溶液泵44連接，培養(yǎng)基溶液由培養(yǎng)基溶液泵44泵入封閉的反應(yīng)器組34。分別來(lái)自營(yíng)養(yǎng)箱38和無(wú)菌水箱40的營(yíng)養(yǎng)成分和無(wú)菌水在混合箱42中按照最佳的藻種生長(zhǎng)所需要的比率混合，形成的混合物的培養(yǎng)基溶液，在重力的作用下或者經(jīng)培養(yǎng)基溶液泵44注入封閉的反應(yīng)器組34內(nèi)。如圖2和圖3所示，反應(yīng)器組34的主體是梯田式的交互式結(jié)構(gòu)。培養(yǎng)基溶液和藻種在反應(yīng)器組34中穿行，最終生成的藻體被位于反應(yīng)器組34的底部的收存站46回收。如圖3所示，光生物反應(yīng)器30可以安裝在相對(duì)平緩的斜坡48上，面朝光源。封閉的反應(yīng)器組34固定在由支柱52支撐的電樞50上。支柱52和電樞50可調(diào)整高度。如圖4所示，支柱52由主體54和位于主體54的上端的支撐桿56組成，一組電樞50跟支撐桿56耦合。支撐桿56被電樞50耦合拴住，這樣就可以調(diào)節(jié)電樞50的位置。另外，主體54上設(shè)有一個(gè)栓孔58與支撐桿56連接。因此，支撐桿56相對(duì)主體54的位置和耦合到支撐桿56上的電樞50的高度都是可以按照需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的。可調(diào)節(jié)的電樞50和支柱52的使用意味著反應(yīng)器組34的傾斜坡度可以通過(guò)調(diào)節(jié)支柱52和電樞50的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就可以形成一個(gè)面對(duì)光源的梯度。在一個(gè)持續(xù)的收獲成熟藻體的過(guò)程中，譬如說(shuō)以一天為基數(shù)，培養(yǎng)基溶液的流速，反應(yīng)器組34的傾斜梯度，反應(yīng)器組34的長(zhǎng)度都可以根據(jù)細(xì)胞體的生長(zhǎng)周期加以調(diào)節(jié)，這樣就能在藻體到達(dá)收存站46之前實(shí)現(xiàn)一個(gè)最大的生物量密度和成熟度。"一條緩慢移動(dòng)的藻類輸送帶"最好的形容了這種現(xiàn)象。容易理解的是，反應(yīng)器組34的梯度有助于藻體的輸送，可以不再需要外力或驅(qū)動(dòng)力。這一連續(xù)過(guò)程的另一種替換方法是，調(diào)整這種反應(yīng)器組34以成批的生產(chǎn)生物體，這樣或者在整個(gè)反應(yīng)器一次填入一批種子，或者在不同的時(shí)間間隔里將單獨(dú)批次的種子投入反應(yīng)器中直到它整個(gè)塞滿。后者可以讓藻種在一段時(shí)間內(nèi)聚集在一起，有助于一些藻種的繁殖。如圖5所示，光生物反應(yīng)器30在一個(gè)相對(duì)陡峭的坡度上形成垂直的陣列設(shè)置。這種設(shè)計(jì)是為了增加反應(yīng)器組34在特定地區(qū)的密度。一系列的反應(yīng)器組34可好好規(guī)劃以實(shí)現(xiàn)藻體區(qū)域和光的入射(如箭頭60所示方向)的最大化。這種類型的安排非常適合在工廠，倉(cāng)庫(kù)，大棚內(nèi)部配養(yǎng)的藻類生物體的生長(zhǎng)，但是需要提供人工光源。圖6和圖7為反應(yīng)器組34的構(gòu)造。反應(yīng)器組34包括主體34a,主體34a帶有一個(gè)倒V字形的上層部位62。上層部分62a在倒V字形上層部位62的頂點(diǎn)處，兩個(gè)搭接的第一邊沿62b、第二邊沿62c分別位于倒V字形的上層部位62的雙臂的開(kāi)口處。上層部位62是由透明的透氣塑料膜構(gòu)成的。反應(yīng)器組34還包括了一個(gè)下層的弧形部位64?；⌒尾课?4上設(shè)置有第一條邊64a和第二條邊64b，其都是由第二層透氣膜構(gòu)成?；⌒尾课?4的第一條邊64a和第二條邊64b與倒V字形的上層部位62兩邊第一邊沿62b和第二邊沿62c分別搭接連接起來(lái)，將弧形部位64固定在上層部位62。這樣反應(yīng)器組34的主體34a成為一個(gè)封閉的套裝容器，其斷面形狀類似圓周的一部分。如圖6和圖7A所示，一對(duì)側(cè)翼突出部位，第一側(cè)翼突出部位63b和第二側(cè)翼突出部位63c固定在倒V字型的上層部位62的搭接邊第一邊沿62b和第二邊沿62c上，與上層部位62的兩邊的墻壁正交。第一側(cè)翼突出部位63b和第二側(cè)翼突出部位63c提供多余的表面區(qū)域以完成下層部位64的粘結(jié)，使下層的弧形部位64與上層部位62搭接在一起。主體34a由一張連續(xù)的透氣膜構(gòu)成的。主體34a的封套結(jié)構(gòu)是為了保留藻種或者藻體66和供藻類生長(zhǎng)的培養(yǎng)基溶液68。洞腔70由主體34a內(nèi)的墻壁構(gòu)成，位于藻體66和培養(yǎng)基溶液68之上，以利藻類進(jìn)行蒸騰作用和呼吸作用。透氣膜則方便反應(yīng)器組34內(nèi)含的藻體66進(jìn)行光合作用和蒸騰作用時(shí)產(chǎn)生的氧氣分子和水分子散逸出去。此外，隨著主體34a內(nèi)含的氣體的溫度升高，氣體會(huì)擴(kuò)散。透氣膜則可以充當(dāng)一個(gè)釋放閥，讓內(nèi)部的氣壓和大氣壓保持一個(gè)比較穩(wěn)定的氣壓差。透氣膜的相對(duì)較小的孔徑可以阻止其他形式的污染物，尤其是藻類不需要的，進(jìn)入反應(yīng)器組34的主體內(nèi)部。如有必要，二氧化碳可以被泵入主體34a，以促進(jìn)光合作用。氣體滲透膜允許大氣中的二氧化碳分子滲入。在標(biāo)準(zhǔn)壓力和常溫下，二氧化碳的密度約為1.98公斤/立方米，約為空氣的1.5倍。二氧化碳是易溶于水，在水中自發(fā)地進(jìn)行C02和H2C03(碳酸)兩種形式之間轉(zhuǎn)換，形成動(dòng)態(tài)平衡。C02、H2C03、非質(zhì)子化形式的HCCV(碳酸氫鹽)和C032—(碳酸鹽)的相對(duì)濃度在很大程度上取決于溶液的pH值。在中性或弱堿性水(pH值〉6.5)中，以碳酸氫鹽的形式為主(比重高于50%);在等同海水pH值的溶液中則達(dá)到最高，高于95%。而在強(qiáng)堿性水(pH值〉10.4)占主要地位(比重高于50%)的形式是碳酸鹽。碳酸氫鹽和碳酸鹽都十分易溶于水，因而，舉例說(shuō)，空氣分布均衡的海水(弱堿性，通常pH值為8.2-8.5)每公升含有大約120毫克的碳酸氫鹽。因此，選擇一個(gè)含油量高，耐輕度堿性的藻株，反應(yīng)器組34就只容許二氧化碳分子通過(guò)透氣膜，可以用來(lái)濾出大氣中的二氧化碳；同時(shí)膜的小尺寸的孔徑可以阻止其他形式的污染物進(jìn)入反應(yīng)器的封套內(nèi)。反應(yīng)器組34內(nèi)含的藻體66和培養(yǎng)基溶液68的藻體的混合物的深度可變動(dòng)以確保入射到藻體上的光照的強(qiáng)度最大。通常的規(guī)率是培養(yǎng)基溶液愈淺，培養(yǎng)基內(nèi)部單個(gè)藻類細(xì)胞承受的入射光線愈多。如圖2、圖3和圖5所示，營(yíng)養(yǎng)箱38和無(wú)菌水箱40的營(yíng)養(yǎng)成分在混合箱42中按照藻類最佳生長(zhǎng)條件所需的比率混合。其最終產(chǎn)物，培養(yǎng)基溶液68可以依靠重力或者借由培養(yǎng)基溶液泵44通過(guò)輸入閥72注入反應(yīng)器組34內(nèi)。輸入閥72，如圖8所示，位于反應(yīng)器組34的主體34a的一面壁上，從主體34a的內(nèi)部延伸至洞腔70的內(nèi)部。輸入閥72臨近反應(yīng)器組的上部端口，輸入閥72包括完全封閉的閥門，閥門連接一個(gè)泵或者一個(gè)壓縮噴嘴裝置。如上所述，藻種66在藻種箱32中形成。根據(jù)所需要的種子密度，充足的藻種定期地被泵36加入反應(yīng)器組34，或者通過(guò)如圖8所示的與位于主體34a的一面壁上的輸入閥72相連的壓縮噴管注入反應(yīng)器組。另外，主體34a還包含有輸出閥74，以從反應(yīng)器的內(nèi)部萃取培養(yǎng)的種子和培養(yǎng)基；輸出閥74從主體34a的內(nèi)部延伸至洞腔70的內(nèi)部。如圖6和圖7A所示，一個(gè)箝型突出部位76在倒V字形的上層部位62的條邊62a上。這個(gè)箝型突出部位76可以通過(guò)將組成上層部位62的透氣膜折疊成為在條邊62a上的一個(gè)重疊物。同樣地，下層的弧形部位64也可以用類似的方法使邊線超出上層部位62的第一邊沿62b、第二邊沿62c。如圖7A所示，箝型突出部位76與連接件78連接，連接件78固定于支撐桿50上，這便可以將反應(yīng)器組34固定在與支柱52相接的支撐桿50上。同樣地，進(jìn)一步的附加在支撐桿50上的護(hù)持80(標(biāo)注80僅給出了其中的一種實(shí)施例)可以將支撐桿50與下部弧形部位64的邊線聯(lián)結(jié)起來(lái)，使反應(yīng)器組34懸空?？梢岳斫獾氖沁B接件78和護(hù)持80可以用合適的連接裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，如箝位法，粘結(jié)法，網(wǎng)衣釘合法等。而二氧化碳可用空氣蒸餾法獲得，但這僅能收集相對(duì)較少量的二氧化碳。因此，空氣蒸餾可能需要加以擴(kuò)充，以改善藻類生物量的增長(zhǎng)率。相對(duì)的，許多種化學(xué)反應(yīng)均能產(chǎn)生二氧化碳，如許多酸和金屬碳酸鹽反應(yīng)。舉個(gè)例子，硫酸和碳酸鈣(石灰?guī)r或粉筆)的反應(yīng)方程式描繪如下H2S04+CaC03—CaS04+H2C03圖7B及7C表現(xiàn)了對(duì)反應(yīng)器組34的一些改進(jìn)措施。主體34a內(nèi)部設(shè)置了氣體滲透管86沿反應(yīng)器組34的長(zhǎng)度延伸。氣體滲透管86與下層弧形部位64綁在一起，浸在藻體66和培養(yǎng)基溶液68的混合物中。氣體滲透管86是氣體滲透膜構(gòu)成的，這種膜允許二氧化碳分子通過(guò)卻能防止水分或培養(yǎng)基溶液68分子的浸入。這種類型的氣體滲透管在水族館中經(jīng)?？梢钥吹?。通過(guò)控制壓力，泵入氣體滲透管86的氣體在管內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生泡沫。氣體滲透管86通過(guò)一個(gè)調(diào)節(jié)閥88連接到一個(gè)二氧化碳的外部供應(yīng)管90。用調(diào)節(jié)閥88控制釋放的二氧化碳?xì)怏w，培養(yǎng)基溶液68內(nèi)的二氧化碳濃度可以在需要時(shí)擴(kuò)充。由于藻體66生長(zhǎng)所需的二氧化碳可以人工供應(yīng)而不是通過(guò)透氣膜從大氣中彌散進(jìn)入培養(yǎng)基溶液68，從外部供應(yīng)管90通過(guò)氣體滲透管86持續(xù)供應(yīng)二氧化碳的狀況使主體34a的下層弧形部位64可以由氣體防滲膜構(gòu)成。氣體滲透管86連接到一個(gè)與上層部位62或者下層弧形部位64組成一體的密封的閥門，因此，不需要的污染物不能進(jìn)到反應(yīng)器組34內(nèi)。二氧化碳外部供應(yīng)管90跟密封的閥門入口連接。有一點(diǎn)很關(guān)鍵，不論使用透氣的下層弧形部位64或氣體滲透管86，二氧化碳混合物進(jìn)入藻體66和培養(yǎng)基溶液68的混合物中擴(kuò)散的速率、藻體66生物量和生長(zhǎng)介質(zhì)中的培養(yǎng)基溶液68是可以控制的。同樣重要的是，將二氧化碳輸入與藻體66的生物量增長(zhǎng)率比對(duì)，以確保二氧化碳的耗竭或供過(guò)于求不會(huì)造成藻類生長(zhǎng)受阻或受到抑制。圖9提供了對(duì)反應(yīng)器組34的一些備用的改進(jìn)措施。在反應(yīng)器組34中，一個(gè)膜的次級(jí)虔幼與下層的弧形部位64在反應(yīng)器組34主體34a的下方聯(lián)結(jié)。這個(gè)次級(jí)層82有第一條邊線82a和第二條邊線82b分別通過(guò)與相應(yīng)的下層弧形部位64的第一條邊64a和第二條邊64b聯(lián)結(jié)而與下層弧形部位64聯(lián)結(jié)起來(lái)。次級(jí)層82的寬度選擇應(yīng)大于下層弧形部位64。這樣，當(dāng)次級(jí)層82與下層的弧形部位64相連時(shí)，中間就可以形成一個(gè)次級(jí)洞腔84。如果必要，可以往次級(jí)洞腔泵入二氧化碳以提供藻種所需的適宜的飽和度。二氧化碳通過(guò)一種透氣膜(如下層的弧形部位64)或透氣管(如氣體滲透管86)擴(kuò)散，可以用費(fèi)克的擴(kuò)散規(guī)律(Fick，sLawofDiffusion)來(lái)解釋。假設(shè)透氣膜或透氣管的表面積A(m2)和接觸的培養(yǎng)基溶液68，將二氧化碳的供應(yīng)源頭隔離在所指的培養(yǎng)基溶液68之外的膜厚度為By。由上層部位62和下層弧形部位64組成的封套結(jié)構(gòu)包囊了培養(yǎng)基溶液68，培養(yǎng)基溶液68所含的溶解的二氧化碳濃度為Ce。在透氣膜或氣體滲透管86的另一側(cè)的二氧化碳的濃度Cx比封套內(nèi)的二氧化碳濃度Ce高。那么運(yùn)用費(fèi)克的第一和第二擴(kuò)散定律，二氧化碳在封套內(nèi)的累積率(hPA)可描述為5c:AK《CX-Ce、5tByV其中K為C02在膜內(nèi)擴(kuò)散的滲透速率(平方米/小時(shí))，V為套內(nèi)培養(yǎng)基溶液68的體積(立方米)。在時(shí)間t=0時(shí)，二氧化碳在培養(yǎng)基溶液68的濃度為Ce,二氧化碳在培養(yǎng)基溶液68的累積率可以通過(guò)整合上述公式得出(Ce-QByV因此，變動(dòng)膜的厚度或透氣表管面積以及二氧化碳在套外或管內(nèi)收到的靜態(tài)壓力或局部壓力Pco，都可以控制C02擴(kuò)散到培養(yǎng)基溶液的速率。優(yōu)化藻體生物量的增長(zhǎng)也需要逸散進(jìn)入培養(yǎng)基溶液68的二氧化碳接近于藻類吸收的二氧化碳。培養(yǎng)基溶液68內(nèi)的二氧化碳不足意味著生長(zhǎng)延緩。高濃度二氧化碳造成的藻類生長(zhǎng)速度減慢的原因是二氧化碳的抑制作用(AmmanandLynch1967;Goldmanetal.1981，SilvaandPirt1984)。在一個(gè)有限量二氧化碳的藻種里，逸散進(jìn)入培養(yǎng)基溶液68的二氧化碳被消耗掉并轉(zhuǎn)化為藻體的一部分。這樣，生物量的密度S(g/m3)的增加與時(shí)間t(h)的關(guān)系可以建立如下的公式i7—3t其中y為由二氧化碳消耗掉(g/m3.hpa)而產(chǎn)生的生物量的增量。因此得到AK(Cx-CelY可見(jiàn)，一旦某一個(gè)藻種的藻體生長(zhǎng)收益率(Y)已經(jīng)設(shè)定，進(jìn)入培養(yǎng)基溶液68的二氧化碳的擴(kuò)散速度可以匹配藻體的最佳的生長(zhǎng)速度。為不同藻設(shè)定藻體增長(zhǎng)收益率是一個(gè)并不怎么復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，只不過(guò)是消耗每毫巴的二氧化碳所生產(chǎn)的生物體數(shù)量不同而已。因此，可以對(duì)光生物反應(yīng)器30加以調(diào)整，使之配合特定藻種對(duì)二氧化碳的最佳要求，這可通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)。即確定該特定藻類的藻體生長(zhǎng)收益率，然后使下列因素相互關(guān)聯(lián)作為響應(yīng)1透氣膜或氣體滲透管86與培養(yǎng)基溶液68接觸的表面積A(m2);2透氣膜或氣體滲透管86的二氧化碳的滲透性K;3膜內(nèi)培養(yǎng)基溶液68的二氧化碳濃度和膜外或氣體滲透管86內(nèi)的二氧化碳的濃度之差(Cx-Ce);4透氣膜或氣體滲透管86的厚度By;5培養(yǎng)基溶液的體積V。所有以上因素結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)在藻類擁有最理想的生長(zhǎng)速度時(shí)，二氧化碳的逸散速度十分接近藻體66對(duì)二氧化碳的吸收速度。人們也認(rèn)識(shí)到其他的特征對(duì)藻體的優(yōu)化生產(chǎn)很重要。這其中，最主要的是光照的功效，即藻類結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒆畲罅康墓饽苻D(zhuǎn)化為藻體。正常情況下，光生物反應(yīng)器內(nèi)最佳的細(xì)胞密度可以通過(guò)調(diào)節(jié)光照密度和液體的循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐后w循環(huán)將藻體混合，讓單個(gè)細(xì)胞接觸光照和營(yíng)養(yǎng)成分。在一個(gè)密集的微藻結(jié)構(gòu)內(nèi)，由于自身的遮擋和光的吸收，光照強(qiáng)度隨與受輻照表面積之間的距離增加成對(duì)數(shù)下降。根據(jù)Beer-Lambert法則，可以用如下公式表示I=Ioexp(-ap5)其中I表示通過(guò)光吸收介質(zhì)傳送的光的強(qiáng)度。Io是光源處的初始強(qiáng)度，CJ是吸收系數(shù)，p是在光吸收系統(tǒng)中的微型有機(jī)物的濃度，S是光吸收系統(tǒng)的厚度。不同種藻類，需要不同的光能量水平以實(shí)現(xiàn)最佳生長(zhǎng)狀況。當(dāng)光能量值相對(duì)較高，藻體數(shù)量的增長(zhǎng)被發(fā)現(xiàn)受到抑制。沒(méi)有用于光合作用的光能被轉(zhuǎn)化為熱能。研究表明，光照水平在30W/m2and80W/1112范圍內(nèi)對(duì)一系列藻種的快速生長(zhǎng)是非常理想的。一些從事園藝研究的塑料公司已成功地制造具有光反射和衰減特性的薄膜以及促進(jìn)植物反感作用提高植物生長(zhǎng)速度(IGR)的塑料薄膜(Katan1987;Chenetal.，1991;StapletonandDeVay,1995)。利用光的選擇性薄膜作為外封套的密封連續(xù)反應(yīng)器組34，該系統(tǒng)可調(diào)節(jié)以滿足生長(zhǎng)在不同的氣候和太陽(yáng)密度下的不同藻種的個(gè)性化需求。此外，這些薄膜也可以用做隔離的工具，將藻體從不良的光照強(qiáng)度中篩出。據(jù)了解，藻類在主要由色素吸收而非葉綠素吸收的光譜區(qū)域表現(xiàn)出相當(dāng)活躍的光合活動(dòng)。除了葉綠素，這些色素也參與光合作用。多數(shù)藻類由于其內(nèi)含有類胡蘿卜素、葉綠素a、葉綠素b和葉綠素c，在它們的外圍均有吸收藍(lán)光及紅光的捕光觸角。同樣，據(jù)了解，入射率高的UV光抑制藻類生長(zhǎng)。因此，有光選擇性的塑料薄膜，可用于減少由UV引起的藻類損傷，并允許紅色和藍(lán)色光帶的最佳波長(zhǎng)的傳輸。在進(jìn)行光合作用過(guò)程組成的實(shí)驗(yàn)中，目前已發(fā)現(xiàn)入射光的光譜分布應(yīng)有利于相關(guān)光感受器體的吸收和興奮度。注意，也必須考慮到光源強(qiáng)度。一方面，應(yīng)用的入射光強(qiáng)度必須提供足夠的凈光合作用；但另一方面，必須盡量避免入射光強(qiáng)度會(huì)誘導(dǎo)光抑制，甚至破壞藻類內(nèi)的色素復(fù)合蛋白質(zhì)。因此，建議對(duì)處于繁殖狀態(tài)的藻類應(yīng)用略超出光合作用的光飽和點(diǎn)的輻射照度。這既確保了最佳生長(zhǎng)速度，又節(jié)省能源。光飽和點(diǎn)通常用對(duì)逆光進(jìn)行光合放氧的進(jìn)度來(lái)確定。由于光飽和點(diǎn)因藻種不同相差很大，有必要對(duì)各個(gè)有興趣的品種進(jìn)行這項(xiàng)測(cè)試。在藻類繁殖期間使用人工光源的這種情形下，產(chǎn)生的波長(zhǎng)主要在紅光和藍(lán)光帶區(qū)的照明系統(tǒng)是首選。為了進(jìn)一步改進(jìn)本實(shí)用新型，在因季節(jié)變化或云層密布造成的相對(duì)較低的光照水平時(shí)候，可以利用到反光裝置和/或人工照明裝置。如圖10所示，一個(gè)太陽(yáng)能反射器92設(shè)置在鄰近反應(yīng)器組34的上層部位62。這個(gè)太陽(yáng)能反射器92，可以增加對(duì)反應(yīng)器34內(nèi)的藻體66的入射光照。如圖11所示，一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能反射器94和一個(gè)人造光源96組合起來(lái)，安裝在反應(yīng)器組34上以促進(jìn)在光線較暗的時(shí)期進(jìn)行的光合作用。人造光源96可安裝在鄰近反應(yīng)器組34的位置或在反應(yīng)器組34的內(nèi)部，在主體34a內(nèi)的洞腔以內(nèi)。在圖ll中可以看到，太陽(yáng)能反射器94是凹面型的，焦點(diǎn)位于反應(yīng)器組34的內(nèi)部，以便將光照強(qiáng)度集中在反應(yīng)器組34內(nèi)的藻體66上。藻類對(duì)溫度是敏感的。研究顯示，針對(duì)某一特定的藻類，在溫度過(guò)低或過(guò)高的情況下都可導(dǎo)致藻類的脂生產(chǎn)下跌。舉例來(lái)說(shuō)，Ca幼devalleta1.(1985)，F(xiàn)emandesetal.(1989)，Lupietal.(1991)andVladislavetal.(1994)等人都表明，產(chǎn)烴葡萄藻株(BotryococcusBraunii)的最適溫度為25°C左右。而Oliveiraetal.(1999)等人指出，螺旋藻(SpirulenaMaximus)和鈍頂螺旋藻(SpirulenaPlatensis)需要更高一點(diǎn)的溫度，32。C以內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)最大量的脂生產(chǎn)速度。因此，藻類的化學(xué)組成對(duì)溫度的光合性回應(yīng)的是因具體藻種而異的(Thompsonetal，(1992).)。如果光生物反應(yīng)器30露天使用，利用陽(yáng)光作為主要的能源來(lái)源，那么在特定的氣候帶選用何種藻類繁殖就顯得重要了。在溫帶地區(qū)繁殖有高溫需求的藻種是沒(méi)有效率的，而在熱帶地區(qū)種植需要較低溫度作為最佳生長(zhǎng)環(huán)境的藻種是不理性的。因此，培養(yǎng)基溶液68的溫度，以及藻體66的溫度可能會(huì)通過(guò)一些間接手段降低。這些間接手段包括上面已經(jīng)討論過(guò)的陽(yáng)光遮蔽，風(fēng)的過(guò)濾，在將二氧化碳泵入次級(jí)洞腔84或氣體滲透管86之前將其冷卻，以及往反應(yīng)器組34的主體34a內(nèi)噴灑冷卻劑，如冷水。如果需要對(duì)培養(yǎng)基溶液68的溫度保持封閉式調(diào)節(jié)，就會(huì)需要更多直接的冷卻系統(tǒng)。這種應(yīng)用地源熱泵和熱交換器的系統(tǒng)如圖12所示。利用地源熱泵系統(tǒng)特別適合于反應(yīng)器組34內(nèi)的培養(yǎng)基溶液68和藻體66的溫度控制，因?yàn)檫@是一種可以非常高效使利用能源的方式。同樣，熱交換器的使用意味著在加熱時(shí)對(duì)培養(yǎng)基溶液68不可以發(fā)生任何交叉式污染。如圖12所示的結(jié)構(gòu)圖，一個(gè)地源熱泵98耦合到一個(gè)埋在地下的接地回路100。當(dāng)外界大氣溫度降低時(shí)，接地回路100可以從地里吸取熱量。地源熱泵98與熱交換器102相接，熱交換器102接觸培養(yǎng)基溶液68和藻體66形成的混合物。熱交換器102利用一組延伸進(jìn)入反應(yīng)器組34內(nèi)部的管104和管106耦合到反應(yīng)器組34。溫度相對(duì)較低的培養(yǎng)基溶液68通過(guò)管104提取到熱交換器102內(nèi)加熱。加熱后的培養(yǎng)基溶液68通過(guò)管106回到反應(yīng)器組34內(nèi)。反過(guò)來(lái)說(shuō)，當(dāng)外界的溫度過(guò)高，不利藻類的最優(yōu)生長(zhǎng)時(shí)，這個(gè)過(guò)程可逆轉(zhuǎn)。地源熱泵98和熱交換器102可以降低培養(yǎng)基溶液68和藻體66的混合物的溫度。如圖13所示，為一個(gè)簡(jiǎn)單的熱交換管108與上述描述的反應(yīng)器組34連接的實(shí)施例。在圖13中，培養(yǎng)基溶液68和藻體66的混合物，按照?qǐng)D中所繪制的方向從左向右流動(dòng)。熱交換管108通過(guò)用熱焊的方式固定在反應(yīng)器主體34a的下層部位64。主體的下層弧形部位64的一部分制造出一個(gè)對(duì)應(yīng)的凹陷形狀輪廓的容器110，使熱交換管108內(nèi)的流體可以跟反應(yīng)器組34內(nèi)的培養(yǎng)基溶液68和藻體66的混合物相接。一個(gè)分隔體112貫穿熱交換管108的截面，進(jìn)入容器110，橫向連接反應(yīng)器組34的主體34a。這個(gè)分隔體112將容器110分隔成第一個(gè)囊114和第二個(gè)囊116，兩個(gè)囊均以微細(xì)纖維網(wǎng)格118加蓋。微細(xì)纖維網(wǎng)格118是這樣配置的網(wǎng)目尺寸太小使藻體66不能通過(guò)，卻足以讓培養(yǎng)基溶液68順利通過(guò)。管104通過(guò)輸出閥門120與第一個(gè)囊114相連，而管106則通過(guò)輸入閥門122與第二個(gè)囊116相連。培養(yǎng)基溶液68經(jīng)輸出閥門120提取出來(lái)，穿過(guò)管104流向熱交換器102，在熱交換器102內(nèi)根據(jù)需要進(jìn)行加熱或冷卻之后經(jīng)管106通過(guò)輸入閥門122回流到反應(yīng)器組34內(nèi)。如果反應(yīng)器組34在內(nèi)部使用，例如大廈內(nèi)，更大幅度的溫度控制是可以實(shí)現(xiàn)的。不過(guò)，這可能需要次級(jí)加熱和冷卻系統(tǒng)方面的支出以保持藻體66生物量處于一個(gè)最合適的溫度。允許二氧化碳分子通過(guò)的下層弧形部位64及氣體滲透管86的透氣膜有助紓緩正常情況下與反應(yīng)器組相關(guān)的一個(gè)主要問(wèn)題，即透氣膜的小孔徑消除了當(dāng)氣體逸散通過(guò)膜的整個(gè)表面時(shí)噴氣式反應(yīng)器的剪切應(yīng)力問(wèn)題，并大幅度減少了氣泡的形成和消除了從氣體噴射管的噴嘴產(chǎn)生的氣壓度。同樣地，氣體滲透膜上孔隙的數(shù)目可以根據(jù)光合作用產(chǎn)生氧氣的速率，藻體66的蒸騰作用速率和要求的二氧化碳的飽和度而變化。將藻體66高效但不具破壞性地混合是維持高效率的藻類光合作用的一個(gè)重要因素。如圖14和圖15顯示了為加強(qiáng)藻體66的混合效率而對(duì)光反應(yīng)器組34作出的進(jìn)一步改進(jìn)措施。圖14給出了一系列微阻裝置124、微阻裝置126和微阻裝置128的示例。它們被設(shè)計(jì)成是引進(jìn)或組成反應(yīng)器組34的主體34a的下層弧形部位64的。微阻裝置124主要是一個(gè)燈泡座式的突出件，微阻裝置126是起伏坡?tīng)畹耐怀黾?，?28是一個(gè)橫楔突出件。微阻裝置124，微阻裝置126和微阻裝置128誘發(fā)足以造成改變?cè)弩w66群流向混合的小湍流。圖15列舉了安裝在下層弧形部位64的許多大幅平行形的翼式攪流裝置130。這種翼式攪流裝置130布滿整個(gè)反應(yīng)器組34,幫助其內(nèi)含的藻體66和培養(yǎng)基溶液68的混合。以上圖14所示的微阻裝置和圖15所示的翼式攪流裝置只是示例，而還有很多的攪拌設(shè)備可用于混合藻群。如圖16所示，為增加反應(yīng)器組內(nèi)的光線分布，在反應(yīng)器組34內(nèi)還包括一個(gè)讓光照在反應(yīng)器組34內(nèi)均勾分布的光板132。光板132沿著上層弧形部位62的上部邊沿62a朝下層弧形部位64伸展，這樣光板132的末端132a那一部分被浸入藻體66和培養(yǎng)基溶液68的混合物中。光板132包括一個(gè)可以誘發(fā)攪拌的鉤狀端口。當(dāng)然，在這其中也可以使用其它形狀的光板，圖16所示的只是一個(gè)范例。光板132是由聚丙烯酸酯塑料或樹脂玻璃板做成。光板132的背面有微小的蝕刻，可以朝一個(gè)可控制的方向散射太陽(yáng)光。光板132也可以構(gòu)造成允許太陽(yáng)光在培養(yǎng)基溶液68中散射的結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)藻群得到最大的照明度和藻體的生產(chǎn)。已證實(shí)，光、暗周期可以增強(qiáng)光合作用的功效，從而提高反應(yīng)器的生產(chǎn)力。強(qiáng)光照和黑暗周期的快速切換，比較典型的是40微秒到1秒之間，可以大幅度地增強(qiáng)光合效應(yīng)。光的間歇與兩個(gè)基本參數(shù)相關(guān)1、光組分(光照時(shí)間和整個(gè)周期時(shí)長(zhǎng)的比率)；2、光照、黑暗周期的時(shí)長(zhǎng)。通常的光生物反應(yīng)器，其反應(yīng)器組的設(shè)計(jì)，光源的長(zhǎng)度和藻種的密度，藻種湍流的跨度和光照強(qiáng)度都會(huì)影響周期的頻率和光組分。所以，這種光、暗的混合程度對(duì)反應(yīng)器組的生產(chǎn)力的影響相當(dāng)顯著。根據(jù)其他的設(shè)計(jì)，通常的光生物反應(yīng)器不能容納不到一秒的快速轉(zhuǎn)換的光/暗周期，而那個(gè)時(shí)間限制是提高光合效率所必需的。通常情況下，光生物反應(yīng)器顯示在10秒到100秒的范圍之間的液體循環(huán)次數(shù)。如圖17所示，反應(yīng)器組34被調(diào)整了以適應(yīng)光、暗周期的引進(jìn)。大量的遮光部件134被安裝在反應(yīng)器組34上。這些遮光部件134包括了一個(gè)主體134a，主體134a耦合到反應(yīng)器組34的主體34a上。遮光部件134的主體134a包括了與反應(yīng)器組34的上層部位62連接的第一個(gè)結(jié)合部件136、第二個(gè)結(jié)合部件138、第三個(gè)結(jié)合部件140，這三個(gè)部件分別耦合到上層部位62的箝型突出部位76上和下層弧形部位64的一邊64a上，將遮光部件134固定在靠近反應(yīng)器主體34a的位置上。這些遮光部件也可以用從部件底部凸伸出來(lái)的支架142固定。遮光部件134也可采用其他設(shè)計(jì)，例如完全覆蓋生物反應(yīng)器34的主體的一部分的遮光部件。遮光部件134由任何合適的不透光的材料構(gòu)成，防止光線穿過(guò)部件進(jìn)入光生物反應(yīng)器34的內(nèi)部。利用這種配置，各種光、暗周期均可實(shí)現(xiàn)。設(shè)想這樣一種情境持續(xù)封閉的100米長(zhǎng)的光生物反應(yīng)器的一段，其內(nèi)含的培養(yǎng)基溶液的流速是O.5米每秒，陽(yáng)光或人工光源照射。通過(guò)引入固定在支撐架的獨(dú)立遮光部件，每片約0.25米長(zhǎng)，以0.25米的間距安裝在反應(yīng)器上，如圖17所示，一個(gè)0.5秒的光、暗周期就實(shí)現(xiàn)了。正如所能理解的，周期時(shí)間可以在更緊密的間距里通過(guò)引入更短或更長(zhǎng)一點(diǎn)的遮光片加以變化。另外，獨(dú)立遮光部件134可用反光或不透光塑料板取代。這些可以納入有大致清澈或透明的透氣膜的上層部位62。在這種情況下，可以給沿著反應(yīng)器組34內(nèi)流動(dòng)的藻體66和培養(yǎng)基溶液68設(shè)立一個(gè)特定流量以控制光照和蔭蔽的間隔時(shí)間。因而，通過(guò)調(diào)節(jié)所含的藻種和培養(yǎng)基溶液的流速可控制光、暗周期。參照?qǐng)D3和圖5，收集階段通常在坡下進(jìn)行。當(dāng)一段藻體66正待收集時(shí)，反應(yīng)器34的主體34a可能在收集藻體66的位置雙層熱焊。含有收集起來(lái)的藻體66的那一段可以被取下處理。在反應(yīng)器主體34a的上層部位62施行熱焊是為了再次封閉系統(tǒng)，防止污染物入侵。如果用熱焊法收集藻體66，主體34a的上端可以按與泵齊平的高度加進(jìn)系統(tǒng)，從而保證反應(yīng)器組34的整個(gè)長(zhǎng)度最適合藻體的生產(chǎn)。另外，應(yīng)該讓收集起來(lái)的藻體66流向無(wú)菌收存站46中的收存箱來(lái)收集，如圖18所示。收存箱46的組成包括一個(gè)與反應(yīng)器34的主體34a有著相同形狀的輸入管144，這樣反應(yīng)器組34恰好與輸入管144相接，阻止污染物進(jìn)入收存箱46和反應(yīng)器組34。收存箱46還包括了一個(gè)用于過(guò)濾大的藻種的微小網(wǎng)格過(guò)濾板146，這樣培養(yǎng)基溶液68和相對(duì)較小的藻種可以通過(guò)過(guò)濾板146進(jìn)入收存箱的底部148。溶液68和相對(duì)較小的藻種通過(guò)管150進(jìn)入藻種箱32，開(kāi)始作為下一批藻類接種物或藻種的下一次循環(huán)，如圖2所示。這種配置確保了資源的充分利用。圖19圖23是對(duì)圖2中所示的光生物反應(yīng)器所做的許多不同的改進(jìn)措施。圖19顯示了可用于小規(guī)模季節(jié)性的藻體油類生產(chǎn)的設(shè)置。其中詳細(xì)顯示了過(guò)程的組成部分，其中包括藻種箱A;無(wú)菌水箱B;微量營(yíng)養(yǎng)素箱C;混合箱D;反應(yīng)器入口E;藻類采收站F;油類回收站G;油類儲(chǔ)配站H;藻體殘余物I。油類可以從生產(chǎn)出來(lái)的藻體中使用各種不同的程序采收。規(guī)模較小的原油采收通常使用壓縮或榨油機(jī)壓擠的方式。因?yàn)樵弩w風(fēng)干之后仍保有一定的含油量，這時(shí)候可以用搾油機(jī)擠出這部分油量。剩下的藻體被出售到藥劑或營(yíng)養(yǎng)品生產(chǎn)工業(yè)，也可以用作動(dòng)物飼料原料或用于發(fā)電廠燃燒產(chǎn)生能量。圖20顯示了在圖19中的基本配置的基礎(chǔ)上增加了唯一的附件設(shè)施地源熱泵J。地源熱泵J具有兩個(gè)功能1、保持培養(yǎng)基溶液的溫度在藻類生長(zhǎng)的最適宜溫度；2、延長(zhǎng)整個(gè)藻體生產(chǎn)的生長(zhǎng)季節(jié)。圖21顯示了在圖20所示的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)藻類酶轉(zhuǎn)化器K。采用酶提取法降解在壓縮或壓搾程序后剩余的藻體殘余物。這使得分流回收油簡(jiǎn)便了許多，也使從藻體中采集的油量最大化。這個(gè)過(guò)程是對(duì)壓縮或壓搾步驟的一種補(bǔ)充或者替換。圖22顯示了在圖21所示的基礎(chǔ)上加入了一個(gè)額外的氣體調(diào)節(jié)裝置L。氣體調(diào)節(jié)裝置L從液體中將一種氣體析出，而代之以另一種備用氣體。如當(dāng)無(wú)菌水箱內(nèi)的自由氧分子將要抑制藻類生長(zhǎng)時(shí)，這些氧氣就會(huì)被氣體調(diào)節(jié)裝置L用二氧化碳替代。由于二氧化碳是藻類光合作用過(guò)程的一個(gè)必不可少的組分，氣體調(diào)節(jié)裝置L就消除了遏制的氧氣，為藻類生長(zhǎng)提供了一種興奮劑。圖23顯示了跟圖22所示的相同的進(jìn)程安排。但是，加入了2個(gè)額外的過(guò)程因素硫回收裝置M和氫氣回收裝置N。目前已發(fā)現(xiàn)，如果在藻類生長(zhǎng)的一個(gè)相對(duì)成熟的階段里把所有含硫的微量元素從培養(yǎng)基溶液中脫去，結(jié)果會(huì)改變?cè)弩w的光合過(guò)程。在功效方面，在一個(gè)無(wú)硫環(huán)境的壓力下，藻體會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)數(shù)量的氫氣，而不是通常產(chǎn)生的氧氣，作為光合作用的副產(chǎn)品。這些氫氣可以通過(guò)氫氣回收裝置回收并壓縮成液態(tài)以備運(yùn)輸和將來(lái)的使用。本實(shí)用新型并不局限于上述描述的一些具體實(shí)施例，而是只要沒(méi)有偏離本發(fā)明的研究范圍，均為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。權(quán)利要求1、光生物反應(yīng)器，包括一個(gè)管狀的反應(yīng)器組，其特征在于反應(yīng)器組為管狀的主體梯田交互式設(shè)置形成的；主體由上層部位和下層弧形部位一起組成一個(gè)封閉的管狀包封空間，主體上包括有透明部位和透氣部位。2、如權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的主體的上層部位為倒V字形結(jié)構(gòu)，上層部分在倒V字形上層部位的頂點(diǎn)處，兩個(gè)搭接的第一邊沿、第二邊沿分別位于倒V字形的下層；弧形部位上設(shè)置有第一條邊和第二條邊，分別與倒V字形的上層部位的第一邊沿和第二邊沿搭接連接起來(lái)形成一個(gè)具有洞腔的封閉套裝容器。3、如權(quán)利要求2所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器組包含有輸入閥和輸出閥，輸入閥臨近反應(yīng)器組的上部端口；輸出閥鄰近反應(yīng)器組的下部端口。4、如權(quán)利要求1或2所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器組包括有氣體導(dǎo)入裝置；氣體導(dǎo)入裝置為一根氣體滲透管，位于主體內(nèi)部的洞腔底部；氣體滲透管與外部供應(yīng)管連接，氣體滲透管與外部供應(yīng)管之間設(shè)置有調(diào)節(jié)閥。5、如權(quán)利要求2所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的弧形部位的下方設(shè)置有次級(jí)層，次級(jí)層與弧形部位的底部連接，弧形部位與次級(jí)層之間形成一個(gè)次級(jí)洞腔。6、如權(quán)利要求4所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器組上設(shè)置有反射器，反射器具有凹面形狀，安裝在使得光的焦點(diǎn)正好位于主體的洞腔內(nèi)的位置。7、如權(quán)利要求6所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器組至少有一個(gè)位于主體弧形部位內(nèi)墻的混合突出的微阻裝置者一個(gè)沿反應(yīng)器組的縱向長(zhǎng)度大幅延伸的翼式攪流裝置。8、如權(quán)利要求7所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器組內(nèi)設(shè)置有光板，從主體上部延伸至下部，光板上分布有大量的蝕刻孔。9、如權(quán)利要求8所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器組含有一個(gè)遮光部件，遮光部件與主體外部連接，或者主體本身有交互式的透明部分和不透明部分；主體透明部位使用選擇性光過(guò)濾膜。10、如權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的光生物反應(yīng)器含有一個(gè)與主體連接的熱交換器，熱交換器通過(guò)地源熱泵與接地回路連接，熱交換器與反應(yīng)器組連接。專利摘要光生物反應(yīng)器包括一個(gè)管狀的反應(yīng)器組，反應(yīng)器組為管狀的主體梯田交互式設(shè)置形成的；主體由上層部位和下層弧形部位一起組成一個(gè)封閉的管狀包封空間，主體上包括有透明部位和透氣部位。本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)1、運(yùn)行成本低下，可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)作；2、允許無(wú)限擴(kuò)展；3、制造、安裝、操作、更換和維護(hù)都簡(jiǎn)易可行；4、充分利用了地?zé)岬瓤稍偕Y源，極大的節(jié)約了運(yùn)行成本；5、藻體培養(yǎng)過(guò)程可控，極大的提高來(lái)藻體培養(yǎng)效率；6、實(shí)現(xiàn)了無(wú)廢棄物產(chǎn)生的生產(chǎn)過(guò)程。文檔編號(hào)C12M1/04GK201309929SQ20082020071公開(kāi)日2009年9月16日申請(qǐng)日期2008年9月19日優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日發(fā)明者謝仕賢申請(qǐng)人:謝仕賢