專利名稱：藻類生長系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長并收獲該光合培養(yǎng)物的生物反應器系統。本發(fā)明進一步涉及一種用于在水性液體中生長光合培養(yǎng)物并收獲該光合培養(yǎng)物的方法。更進一步地，本發(fā)明涉及一種用于生物反應器系統的光照系統，和用于光合培養(yǎng)物的收獲系統。本發(fā)明進一步涉及一種用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長的方法，和一種為光合培養(yǎng)物提供光照的方法，以及收獲該光合培養(yǎng)物的方法。
背景技術：
藻類屬于光合微生物種類，屬于能夠利用光合作用有效地將光轉化為生物量的生物體。光合作用過程是通過活的生物體將光能轉化為化學能。原料是二氧化碳和水；能量來源是光；最終產物是氧和(能量豐富的)碳水化合物。藻類和其他光合生物體被認為是生物量(特別是可以制造生物柴油和其他燃料的油)的有效生產者。在光合作用期間，藻類和其他光合生物體在吸收水的基礎上吸收二氧化碳(CO2)和光(光子)，并產生氧和生物量。溶解的營養(yǎng)物有助于這一過程。藻類和其他光合生物體可產生油脂或植物油，其可被收獲并轉化為生物柴油或其他生物燃料，或被直接利用。人們早就知道利用藻類來有效地生長生物量并生產生物燃料的好處，并已經利用了各種方法在實驗室和小規(guī)模實驗單元中使藻類生長。但是，已經證明很難有效地使藻類生長以形成商業(yè)規(guī)模。已經采用開放池塘系統(open pond system)來大規(guī)模使藻類生長。大多數用來種植微藻類的這種系統是淺池塘。在這些池塘中，可以僅為PAR范圍內日光的大約2%的效率種植微藻類。PAR是可被藻類或其他光合生物體利用的光合作用有效區(qū)，即波長在400nm 和700nm之間的日光。日光分布在寬得多的頻譜上，但PAR區(qū)域中日光的能含量僅為日光總能含量的大約43%。藻類理論上可將收集的輻射(PAR內的)約20%轉化為生物量。然而在大多數情況下，這一效率更低，因為光被吸收的速度比光子能被轉化為生物量的速度要快得多。然而，在開放池塘系統中，很難控制溫度和PH值，且很難避免外來的藻類和細菌入侵池塘并與需要的藻類培養(yǎng)物競爭。此外，很大一部分日光被水的表面反射，而進入池塘的日光僅穿透水中一小段距離，因為藻類變得十分密集從而阻擋了光，因此日光僅到達池塘表面附近生長的藻類薄層。也已經采用生物反應器，其中通過暴露在日光中的塑料或玻璃管道或板子抽取富有營養(yǎng)物的水。該反應器可參見例如Singh等，Journal of Applied Phycology 12: 269-275,2000 ；Usui,Energy Convers. Mgmt,vol. 38,Supple. ,pages S487-S492，1997。光生物反應器系統，特別是平板玻璃反應器的光化學效率，可達到大約16 %，其比池塘中的微
藻類高得多。然而，基于該技術發(fā)展水平的這種已知生物反應器仍具有一些缺點。這種生物反應器比開放池塘系統更昂貴且更難以操作，且這種生物反應器也遭遇使日光到達其可被吸
8收的藻類的問題。大部分日光在管道或板子的表面被反射。只有少量日光進入管道或板子中的水中，而該少量日光僅穿透進入管道或板子的體積的一小段距離。這種生物反應器系統的其他缺點是難以進行溫度控制，以及依賴于日光來培養(yǎng)物生長。藻類最好在受控條件下生長。藻類對溫度和光條件敏感。通過控制培養(yǎng)過程的所有方面，例如溫度，CO2水平，光和營養(yǎng)物，可獲得非常高的產量。一種已知的用于光合培養(yǎng)物的反應器參見Kondo等的US6287852。這種反應器的缺點是采用了固定的收集器，這意味著在大多數時間，太陽輻射不能被有效收集。W02005068605描述了一種用于培養(yǎng)光合微生物體的反應器，其中通過利用一個或多個可移動瞄準儀將日光引入間隔壁。該間隔壁是透明的，光可從該間隔壁分配到反應器中。這種反應器具有改進的輻射收集，以及改進的輻射在反應器中的分布，因此提供了更有效率的反應器和更有效率的光合微生物體培養(yǎng)過程。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一方面提供了一種用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長(這里也稱為 “培養(yǎng)物”)和收獲該光合培養(yǎng)物的可選的光生物反應器系統，該光生物反應器系統(這里也稱為“生物反應物器”或“反應器”)包括a.容器，布置為包含所述水性液體；b.光照系統，布置為至少部分淹沒在該水性液體中，并布置為在水性液體的表面之下照射光合培養(yǎng)物；c.收獲器系統，包括鏟子結構，該鏟子結構包括鏟子，該鏟子結構布置為從水性液體中鏟出至少部分光合培養(yǎng)物，以及收集系統，布置為收集至少部分所鏟出的光合培養(yǎng)物。收獲部分光合培養(yǎng)物可將剩余的培養(yǎng)物置于更優(yōu)化的生長條件中，并且有利地能夠針對生長條件持續(xù)優(yōu)化生物反應器系統，從而提高產量。該系統的優(yōu)點是可以生長和收獲所有種類的培養(yǎng)物。光合培養(yǎng)物可以是微生物培養(yǎng)物，更特別地是藻類培養(yǎng)物，例如螺旋藻糕狀培養(yǎng)物(cake-culture)0水性液體可僅為水，更特別地為水和營養(yǎng)物(和CO2)的混合物，用于培養(yǎng)物及其光合作用。包含水性液體的容器可以是容器(例如池塘)。取決于光照系統，該容器的深度通常從30cm到深得多的深度，例如深達大約200cm。更特別地，容器是一系列分開的容器，更特別地，是一系列互聯的容器。因此，在一特定實施例中，該容器包括多個容器。光照系統至少部分淹沒在水性液體中。特別地，光照系統基本淹沒在水性液體中以照射其中的光合培養(yǎng)物。淹沒的光照系統可實現對培養(yǎng)物更好的照射，從而進一步提高光合培養(yǎng)物的生長條件。本發(fā)明的另一方面提供了一種光生物反應器系統，其中該光生物反應器系統集成在受控的和/或封閉的環(huán)境中，例如溫室中。因此，在一特定實施例中，本發(fā)明還提供了一種受控的和/或封閉的環(huán)境，例如包括光生物反應器系統的溫室。該受控的和/或封閉的環(huán)境，例如溫室，能夠使得在受控環(huán)境下操作該生物反應器。在一特定實施例中，其中容器包括多個容器，并且其中該受控的和/或封閉的環(huán)境，例如溫室，包括多個單獨的間隔間，每個單獨的容器可包圍在其自己的受控和/或封閉環(huán)境的間隔間中，例如控制每個單獨容器的環(huán)境的溫室。在本發(fā)明的又一方面提供了一種光生物反應器系統，其中鏟子結構包括具有至少一個槳葉的槳輪結構，其中該槳葉包括鏟子，且其中該鏟子結構布置為在水性液體的表面之上的位置和水性液體的表面之下的位置之間移動或旋轉該鏟子。在一特定實施例中，鏟子結構包括多個槳輪，更特別地多個槳輪布置為順指針 (cw)旋轉，另外多個槳輪布置為逆時針旋轉(CCW)，甚至更特別地，一種多個槳輪的布置為，其中一槳輪布置為順時針旋轉，相鄰槳輪布置為逆時針旋轉。換言之，相鄰的槳輪布置為以相反方向旋轉。在一特定實施例中，槳葉包括鏟子，更特別地槳葉基本上就是鏟子，甚至更特別地槳葉就是鏟子。在水性液體的表面之下的位置上，槳輪鏟出水性液體。在水性液體的表面之上的位置上，槳輪脫水以在鏟子中保留光合培養(yǎng)物。在液體中，鏟子可集中培養(yǎng)物，特別是當鏟子是布置為從液體中篩出部分培養(yǎng)物的篩子時。本發(fā)明的光生物反應器布置有利地允許培養(yǎng)物的連續(xù)收獲，而不是已知光生物反應器系統中的批量收獲，從而提高系統產量。然而，本發(fā)明的布置和方法也可用于批量收獲。進一步地，本發(fā)明通過利用用于收獲的槳輪，以有效方式同時進行收獲和漩渦。本發(fā)明的另一方面提供了一種用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長并收獲該光合培養(yǎng)物的可選方法，該方法包括a.提供包括該光合培養(yǎng)物的水性液體；b.在該水性液體的表面之下照射該光合培養(yǎng)物；c.從該水性液體中鏟出至少部分該光合培養(yǎng)物；以及d.收集至少部分所鏟出的光合培養(yǎng)物。收集至少部分光合培養(yǎng)物可將光生物反應器中剩余的培養(yǎng)物置于更優(yōu)化的生長條件，并能夠針對生長條件實現生物反應器系統的持續(xù)優(yōu)化，從而提高產量。本發(fā)明的另一方面提供了一種收獲器系統的應用，該收獲器系統包括具有鏟子的鏟子結構，其布置為從水性液體中鏟出至少部分光合培養(yǎng)物；以及收集系統，其布置為收集至少部分所鏟出的光合培養(yǎng)物，在用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長的光生物反應器系統中用于在水性液體中產生擾動并收獲至少部分光合培養(yǎng)物?？梢詭追N方式實現收集。在一實施例中，收獲器系統將收集的培養(yǎng)物提供給溝槽。該溝槽可布置在反應器的壁上或面板上。本發(fā)明也涉及該收獲器系統本身和該光照系統本身。本發(fā)明的另一方面提供了一種用于根據本發(fā)明的光生物反應器系統的流動增強系統，該流動增強系統包括流動增強主體，其具有用于接合水性液體從而將擾動流引入該水性液體的側部(profile)。在一特定實施例中，該流動增強系統包括多個用于接合水性液體從而將擾動流引入該水性液體的主體。在一特定實施例中，該流動增強主體包括用于將該水性液體與圓柱體的圓柱形壁接合的圓柱體。在一特定實施例中，該流動增強主體包括用于將流體從導管的入口傳送到出口的導管；在更特定的實施例中，該側部包括與用于傳送通過該導管的水性液體的導管耦合的流體入口?？蛇x地，該入口可與供給導管耦合(例如液體接觸)，該供給導管用于將淡水、營養(yǎng)物等的一種或多種提供給水性液體。在更特別的實施例中，流動增強主體包括另一入口， 用于將導管和供給導管流體耦合。在一特定實施例中，出口布置為將流體朝向相鄰的流動增強主體引導。在一特定實施例中，出口布置為向上引導流體。本發(fā)明的另一方面提供了一種包括根據本發(fā)明的流動增強系統的光生物反應器系統。本發(fā)明也涉及該流動增強系統本身。本發(fā)明的另一方面提供了一種用于光生物反應器系統的光照系統的光照面板，例如本文所述，該光照面板包括形成間隔間的透明側壁、位于該間隔間中用于照射藻類的光源、用于將光照面板容納在包含耦合光面板的壁之中的耦合裝置。包括耦合光面板的壁適用于在光生物反應器系統的容器中形成溝渠部分，也稱為水槽。光照面板可包括透明側壁， 如上文所示。然而，該光照面板也可包括壁，其中光源集成和/或結合于所述壁中。由此， 光可從該壁提供給液體。在一特定實施例中，間隔間包括多個光源，更特別地，這些光源的每一個布置為提供具有特定波長，例如400-450nm之間和/或640-680nm之間的光，甚至更特別地，該一個或多個光源包括發(fā)光二極管。本發(fā)明的另一方面提供一種包括根據本發(fā)明的光面板的光生物反應器系統，特別地耦合光面板形成壁。在所述壁的一特定實施例中，所述壁包括用于耦合和支撐光照面板的框架。在又一實施例中，本發(fā)明提供用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長的光生物反應器系統，該光生物反應器系統包括a.容器，布置為包含該水性液體；b.光照系統，布置為至少部分地淹沒在該水性液體中，并布置為在該水性液體的表面之下照射該光合培養(yǎng)物；c.槳輪結構，布置為在該液體中產生擾動。由此，可在該生物反應器中產生擾動，特別是流動。這種反應器可進一步包括如本文所述的一個或多個流動增強系統。可用本領域已知的方法進行收獲，但是也可利用槳輪結構和收集系統進行收獲。在又一實施例中，本發(fā)明提供了一種用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長并收獲該光合培養(yǎng)物的方法，該方法包括a.提供包含該光合培養(yǎng)物的水性液體；b.在該水性液體的表面之下照射該光合培養(yǎng)物；c.在該水性液體中產生擾動，特別是流動；d.從該水性液體中移除至少部分該光合培養(yǎng)物，以及e.收集至少部分所移除的光合培養(yǎng)物?？商貏e采用如本文所述的收獲系統來移除培養(yǎng)物，但是也可采用本領域已知的方法來移除。特別地，擾動是利用如本文所述的槳輪結構產生的。在一實施例中，收獲系統用于在液體中產生擾動并從該液體中移除(鏟出)培養(yǎng)物?？蛇x地或附加地，也可通過在該
11液體中注入水和/或營養(yǎng)物來產生流動。在一特定實施例中，(也)利用擾動增強系統，特別是漏斗類型的擾動增強系統，通過向液體提供水和/或營養(yǎng)物來產生擾動。本發(fā)明也涉及一種在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長并收獲該光合培養(yǎng)物的方法， 該方法包括a.提供包含該光合培養(yǎng)物的水性液體；b.在該水性液體的表面之下照射該光合培養(yǎng)物，其中從包含該光合培養(yǎng)物的反應器的壁，可選地也可從障礙物照射該光合培養(yǎng)物，其布置在反應器中和布置在液體中，其中該障礙物是圓柱形障礙物(且其中該障礙物不布置為壁)。作為進一步的示例，從壁發(fā)射出的光的類型是不同于從障礙物發(fā)出的光的另一種類型。例如，從障礙物發(fā)出的光的藍色成分比從壁發(fā)出的光的藍色成分多。特別地，該壁包括產生藍色光和紅色光的一個或多個光源，但是一個或多個障礙物可包括產生藍色光的一個或多個光源。本專利討論的各個方面可組合在一起從而提供更多的優(yōu)點。本發(fā)明的又一方面的目的是提供一種采用LED光照系統的改進的生物反應器，從而至少部分地為藻類提供光。為達此目的，本發(fā)明的實施例涉及用來照射水性液體中的光合培養(yǎng)物的光照系統，該系統包括包含多個LED的光源、用于支撐所述LED的安裝結構、和用于容納該光源和該安裝結構的外罩，至少部分該外罩對于由光源發(fā)出的光是透明的，其中該外罩至少部分地填充有冷卻液，從而在使用中，通過對流的方式利用冷卻液將來自LED的熱量從LED傳送出去。在實施例中，本發(fā)明涉及一種用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長的反應器，該反應器包括用于容納其中具有光合培養(yǎng)物的水性液體的蓄水池；以及上文所述的用于照射光合培養(yǎng)物的光照系統，其中該光照系統至少部分地淹沒在水性液體中。在實施例中，本發(fā)明涉及一種用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長的反應器，該反應器包括用于容納其中具有光合培養(yǎng)物的水性液體的蓄水池；以及包括具有多個LED 的光源的光照系統，用于支撐該LED的安裝結構，以及用于容納該光源和該安裝結構的外罩，至少部分該外罩對于由光源發(fā)出的光是透明的，其中該外罩的透明部分基本上全部淹沒在該水性液體中，從而從光照系統發(fā)射的光基本上全部進入位于該水性液體的上表面之下的水性液體中。在實施例中，本發(fā)明涉及一種用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長的方法，該方法包括提供其中包含光合培養(yǎng)物的水性液體；提供至少部分淹沒在該水性液體中的光照系統，該光照系統包括多個LED，提供用于冷卻光照系統的LED的冷卻液，以及利用由LED產生的光照射光合培養(yǎng)物，該光傳輸通過冷卻液并進入到位于水性液體的上表面之下區(qū)域中的水性液體中。在實施例中，本發(fā)明涉及一種將發(fā)光二極管產生的光向著包含光合培養(yǎng)物的水性液體傳送的方法，該方法包括通過發(fā)光二極管發(fā)射光，該發(fā)光二極管具有第一折射率；通過具有第二折射率的液體媒介傳送該光；通過具有第三折射率的固體媒介繼續(xù)傳送該光； 以及將光傳送進入該水性液體，該水性液體具有第四折射率，其中第一、第二、第三和第四折射率的值成遞減順序排列。


下面將僅通過示例方式描述本發(fā)明的實施例，參考以下示意性附圖，其中相應的附圖標記表示相應的部分，其中圖1是示意性地描述了根據本發(fā)明的生物反應器系統透視圖；圖2A是示意性地描述了根據本發(fā)明的包含在生物反應器系統中的容器和收獲器系統的實施例的細節(jié)的俯視圖；圖2B是示意性地描述了根據本發(fā)明的包含在生物反應器系統中的容器和收獲器系統的實施例的剖視圖；圖3是示意性地描述了根據本發(fā)明的包含在生物反應器系統中的收獲器系統的實施例的側視圖；圖4A是示意性地描述了根據本發(fā)明的包含在生物反應器系統中的鏟子的實施例的側視圖；圖4B是示意性地描述了圖4A的鏟子的俯視圖；圖5A是示意性地描述了根據本發(fā)明的包含在生物反應器系統中的光照面板的實施例的側視圖；圖5B是示意性地描述了圖5A的光照面板的剖視圖5C是示意性地描述了圖5A的光照面板的俯視圖6是示意性地描述了包括(X)2施放器的容器的實施例的細節(jié)的剖視圖
圖7是示意性地描述了流動增強系統的透視圖8是示例性地描述了流動增強系統的俯視圖9A是示意性地描述了包含光照面板的壁的透視圖9B是示意性地描述了圖9A的壁的俯視圖10是示意性地描述了包含光照面板的多個壁的透視圖IlA是具有光面板的生物反應器的實施例的簡化俯視圖IlB是圖IlA的生物反應器的透視圖12是光照面板的實施例的透視圖13是生物反應器中的光照面板的布置的俯視圖14A是光照面板中的LED的布置的簡化俯視圖14B是光照面板中的LED的另一布置的簡化俯視圖15A是LED雙側安裝布置的剖視圖15B是LED的單側安裝布置的剖視圖16是LED的安裝布置的透視圖17是顯示了冷卻液的循環(huán)的光照面板的剖面?zhèn)纫晥D18是漫射器布置的剖視圖19A是LED的反射器布置的俯視圖19B是LED的反射器布置的剖視圖19C是LED的反射器布置的透視圖20是光照面板的可選布置的剖視圖21是具有透明頂部的光照面板的另一可選布置的剖視圖；圖22是具有管狀外罩的可選光照面板的側視圖和頂部剖視圖；圖23是圖22的光照面板被部分拆除后的透視圖；圖24是圖22的光照面板的剖視圖；圖25是包含具有管狀外罩的光照面板的生物反應器的簡化示意圖；圖26A是生物反應器的盤泵的剖視圖；以及圖^B是圖^A的盤泵的另一剖視圖。
具體實施例方式以下是參照附圖僅以示例方式給出的對本發(fā)明的各個實施例的描述。在根據本發(fā)明的光生物反應器系統的特定實施例中，光照系統包括光源，該光源被布置為照射水性液體的表面之下的光合培養(yǎng)物。這可以意味著在該光生物反應器系統的使用過程中，光源被布置在水性液體的表面之下。在更特別的實施例中，光源至少部分地淹沒在水性液體的表面之下的水性液體中。在甚至更特別的實施例中，光源淹沒在水性液體中。在一實施例中，光源基本上發(fā)射光合作用有效輻射(PAR)頻譜內的光，并可選自包含白熾燈、LED(固態(tài) LED或0LED)、熒光燈、氣體放電燈、冷陰極燈等組成的組群中的一個或多個。特別是可采用 LED。特別地，光源可布置為充分發(fā)射具有選自大約600-730nm范圍內(例如 620-665nm)，且特別在640-680nm范圍內的波長的光。在另一實施例中，光源被布置為提供 400-500nm范圍內，特別是400-450nm的光。特別地，提供紅色和藍色兩種光。這將顯著提高光合作用效率(因此也提高能效)。在根據本發(fā)明的光生物反應器系統的特定實施例中，光照系統包括反射器，該反射器被布置為將水性液體的表面之下的光源的光反射到水性液體中。這可以意味著在光生物反應器系統的使用過程中該反射器被布置為位于液體的表面之下。這種情況下，光源的光可至少部分地反射到液體中。在更特別的實施例中，將一個或多個反射器(分別地)布置在一個或多個光源之下，并布置為將至少部分光引導到水性液體(特別是在光源之下)。 這種情況下，光可更深地穿透進入液體。在甚至更特別的實施例中，反射器被布置為在光生物反應器系統的使用過程中旋轉以將光在水性液體中“散開”從而增強光合培養(yǎng)物的生長條件。反射器可被布置為鏡面反射或漫反射。在光生物反應器系統的一特定實施例中，鏟子包括篩子，其配置為鏟出預定部分的光合培養(yǎng)物。在一特定實施例中，鏟出(收獲)的部分為10-60wt. %的培養(yǎng)物/天，這取決于光合培養(yǎng)物的生長速度。有利地，光生物反應器系統可允許連續(xù)收獲。連續(xù)收獲相對于已知的完整容器的批量收獲來說是有利的。這使得容器能夠保持在最佳培養(yǎng)物生長條件，并提高生物反應器系統的整體產量。光合培養(yǎng)物可包括微藻類，以及其它能將(太陽)輻射轉化為例如光合細菌本身(photosynthetic purper bacteria)的生物量的種類。在本發(fā)明中，光合培養(yǎng)物可包括由藍藻門、紅藻門(紅藻)、綠藻門(綠藻)、甲藻門、金藻門(金褐藻)、定鞭金藻門 (定鞭藻)、硅藻門(硅藻)、黃藻門、Eustigatophya、針胞藻門、褐藻門(褐藻)和光合細菌本身構成的組群中的至少一個或多個。還可采用葡萄藻；特別是為獲得油而應用這些種類的時候。然而，根據本發(fā)明的光合培養(yǎng)物(有時也指光合微生物體)還可包括其他生物體的細胞培養(yǎng)物，例如微藻類、基因修正微藻類、基因改良微藻類等等。在光生物反應器系統的一特定實施例中，鏟子包括網格，在實施例中所述網格具有大約0. 5-10 μ m范圍內，例如0. 5-20 μ m,特別是例如0. 5-10 μ m的網格尺寸，利用預定尺寸來鏟出部分光合培養(yǎng)物，例如成熟的藻類。在更特別的實施例中，網格尺寸是可調節(jié)的， 例如通過調節(jié)鏟子本身，或通過更換具有不同網格的鏟子。在光生物反應器系統的一特定實施例中，收獲器系統進一步包括收獲器傳送器， 其配置為允許鏟子結構在水性液體中的不同位置進行鏟出。在更特別的實施例中，傳送器包括軌道。這有利于在整個水性液體中均勻地收獲培養(yǎng)物。在光生物反應器系統的一特定實施例中，收集器系統進一步包括產品傳送器，其布置為將收集到的所鏟出的光合培養(yǎng)物傳送到存儲單元。在光生物反應器系統的一特定實施例中，光生物反應器系統進一步包括干燥器， 其布置為干燥收集到的所鏟出的光合培養(yǎng)物。在光生物反應器系統的一特定實施例中，鏟子結構包括槳輪結構，且收集器系統被布置為接收從鏟子落下來的所鏟出的光合培養(yǎng)物。在培養(yǎng)物離開其在水性液體的表面之下的位置時，鏟子使該培養(yǎng)物脫水。當鏟子處于水性液體的表面之上的其第二位置時，更具體地，當鏟子處于其滴落位置時，剩余的脫水的培養(yǎng)物落在收集器系統中，這意味著鏟子位于收集器系統之上并處于適當的傾斜，從而鏟出的光合培養(yǎng)物可落在收集器系統之中/之上，更特別地，落在來自收集器系統的接收器，例如盛裝容器之中/之上。在光生物反應器系統的一特定實施例中，收獲器系統進一步被布置為在水性液體中產生擾動，特別是鏟子結構被布置為產生擾動，更特別地，鏟子被布置為在水性液體中產生擾動。與層流相比，擾動流為培養(yǎng)物建立更好的生長條件。在一特定實施例中，CO2施放器也被布置為在水性液體中提供擾動。CO2施放器的目的是向水性液體提供C02。更特別地，可沿著水槽的長度方向放置不同的施放器來提供C02。CO2是以增加量和速度的方式施放的，并且以保持水槽中的最佳生長條件的形式(液態(tài)或氣態(tài))及時地并在水槽的所有位置上施放?？蓪O2的增加與其他元素(淡水、營養(yǎng)物、鹽)的增加相結合?？刂艭O2的增加有兩個主要目的。首先，(X)2以這樣的方式增加(量、速度、形式、位置)，其目的是控制液體的PH值。 更特別地，CO2以保持最佳的PH值的方式增加。(X)2以使PH值在8和12之間的方式增加。第二，CO2以這樣的方式增加(量、速度、形式、位置)，即確定水性液體中不同種類 (CO2、營養(yǎng)物、鹽)的最佳濃度。最佳濃度將根據微藻類對CO2和營養(yǎng)物的最佳吸收(uptake) (量和速度)來確定。為了能夠生長的各種藻類保持最佳pH值水平，需要能夠滿足在藻類生長系統中對(X)2的增量的需求。因此，來自流出物，例如農場和含有(X)2的廢水的處于液態(tài)、干燥態(tài)或泡沫態(tài)的營養(yǎng)物可比水多吸收10-20倍的CO2,或直接從空氣中吸收C02。進一步地，將(X)2 以液態(tài)、干燥態(tài)或泡沫態(tài)增加到生長媒介中，能夠將ω2無泡地傳送到系統中，氣泡產生剪應力且可能破壞藻類。營養(yǎng)物，特別是液體營養(yǎng)物，其中包括硝酸鹽，可吸收比例如(“純”)水高得多的 CO2濃度，這樣可以提高到更高的吸收濃度，并將之保持為液體以更快和更容易地被藻類吸收，同時具有最小或無剪應力，所述剪應力通常由(過多的)氣泡產生。圖1示意性地描述了光生物反應器系統1(這里也表示為“光生物反應器”或“生物反應器”)，用于使水性微生物體大規(guī)模生長，特別是光合生物培養(yǎng)物，特別是藻類。生物反應器系統1可容易地延續(xù)幾公頃，甚至高達上百公頃。在該實施例中，生物反應器系統1 包括多個容器3，藻類在該容器中生長。各個容器3通過容器壁4分隔開。如圖2B所示，容器3的深度為30cm到幾米的范圍內。容器3被受控的和/或封閉的環(huán)境包圍，例如提供受控環(huán)境以生長藻類的溫室2，可能為每個單獨的容器3提供受控環(huán)境。圖2A(俯視圖)和2B(剖視圖；前視圖)示意性地描述了根據本發(fā)明的包含在生物反應器系統1中的池塘3或容器3和收獲器系統沈的實施例。容器壁4和容器底部5 構成了包含水性液體6的容器3。容器3通過隔離物8被分割為溝渠部分7。收獲器系統沈被布置為在容器3上延伸。可以想到，收獲器系統沈在多個容器 3上延伸。收獲器系統沈可以可移動地與容器3連接，更特別地，與容器壁4連接，甚至更特別地與隔離物8連接。在一特定實施例中，收獲器系統沈通過載體12，更特別地通過兩個相對的載體12可移動地與容器3連接?？赏ㄟ^軌道13或滑道13沿著容器壁4引導載體12。軌道13或滑道13也可有利地包含于隔離物8的頂面(見下文)。在該示例性描述的實施例中，收獲器系統沈包括多個槳輪9。槳輪9被布置為在使用中(至少部分時間)至少部分地延伸進入水性液體6，更特別地槳輪9被布置為在使用中(至少部分時間)基本上一半延伸進入水性液體6。這里，槳輪9包括延長輪部件27，其圍繞水平旋轉軸11旋轉。此外，實施例中的槳葉包括鏟子10，特別是位于輪部件27的末端的兩個相對的鏟子?？梢韵氲剑瑯?包括多個輪部件27。鏟子10鏟挖包含光合培養(yǎng)物 (例如藻類)的水性液體6。在收獲過程中，鏟子10通過篩子(例如參見圖4)進行脫水。 篩子可具有網格，網格尺寸選自大約0. 5-35 μ m的范圍，例如0. 5-10 μ m (直徑)，從而使成熟的光合培養(yǎng)物與未成熟的光合培養(yǎng)物和水分離。篩子的網格可確定收獲的光合培養(yǎng)物的尺寸，并部分地確定收獲的部分，從而確定整個生長條件從而確定生物反應器系統的產量。 網格尺寸也可取決于特定的光合培養(yǎng)物。在光生物反應器系統1的一實施例中，該系統進一步包括CO2施放器，用來向水性液體提供CO2。在一特定實施例中，該施放器是在容器底部5上延伸的CO2襯墊(在圖2B中未示出，參見圖6)。該襯墊具有多個孔從而在水性液體中分散和溶解CO2，并同時在其中產生擾動。增加CO2的優(yōu)選方法是以溶解的形式增加。更特別地，通過施放器加入到水槽中的CO2被液體吸收。CO2以這樣的形式加入，即液體總是CO2飽和的。液體中吸收的加入的 CO2將使氣泡的出現最小化。這將避免水性液體中出現剪應力。在一實施例中，溝渠部分7可以彼此液體接觸，如圖8和10中示意性地描述的那樣。如圖2A所示的收獲器系統沈可服務于每個溝渠部分7或水槽，但是收獲器系統 26也可服務于交互的溝渠。收獲器系統沈還可服務于相鄰的溝渠。由于溝渠部分7可以是液體接觸的，在第一溝渠部分7中產生的流動也可在與該第一溝渠部分液體接觸的第二溝渠部分中產生流動。在這種情況下，收獲器系統26無需服務于每個溝渠部分。圖3是示意性地描述了根據本發(fā)明的包含在生物反應器系統中的收獲器系統沈的一實施例的側視圖。附圖標記表示其他附圖中相同的部分，將主要說明增加的標記。在
16槳輪9的中間，該收獲器系統沈包括具有多個盛裝容器18的收集器系統18。該收集器系統18可通過構件16、17、19連接到收獲系統沈。在一特定實施例中，盛裝容器18具有脫水裝置，更具體地具有篩子。例如，盛裝容器18的底部可包括篩子，特別是布置為允許水流出但將光合培養(yǎng)物保留在盛裝容器18中。在軌道13中(或上)運轉的輪15使收獲器系統 26能夠相對于水性液體6運動。可選地或附加地，收集器系統18可包括溝槽，其例如布置在側面。收獲系統可布置為使收獲的產品滑入或落入溝槽中。例如，該溝槽可布置在壁4的部分上。圖4A和圖4B示意性地描述了根據本發(fā)明的包含在生物反應器系統中的鏟子10 的實施例。該鏟子10包括具有網格的篩子部件14，網格例如在0.5-10 μ m范圍內或更大， 例如0.5-35 μ m范圍內。事實上根據培養(yǎng)物，網格尺寸可以在0.5到大于6μπι范圍內?？烧{節(jié)鏟子10的位置以影響收獲的培養(yǎng)物的部分和/或由鏟子10在水性液體6中的運動引起的擾動的量?？赏ㄟ^圍繞軸32旋轉鏟子來調節(jié)鏟子10的相對于延長輪部件27的位置。 可進一步通過控制鏟子10與軸33之間的角度X來選擇性地調節(jié)鏟子10與水性液體接合的突出表面，軸33是垂直于軸32的軸。圖5A-5C示意性地描述了根據本發(fā)明的包含于生物反應器系統中的光照系統M 的實施例。光照系統對，或更特別地光照面板觀(也稱為面板)被布置在隔離物8中，或包含于容器壁4中(或兩者兼有)。在一實施例中，光照面板觀就是間隔物8。容器可包括多個面板觀以照射水性液體6 (通過整個容器幻。由于PAR輻射可能僅以有限方式穿透水性液體，光照面板觀的高度和容器3的深度可基本相對應。光照面板觀可包括一個或多個光源20，更特別地，一個或多個熒光光源20 (示意性描述)和/或一個或多個白熾燈(電燈泡)(未描述)和/或一個或多個LED，例如具有一系列分開的LED 34的LED條23 (示意性描述)。為了將光分散和導入所有水性液體中，光照面板觀可具有反射器22。例如，反射器22位于光照面板觀的頂部和/或底部。在一特定實施例中，反射器22可旋轉地與光照面板觀連接，更特別地，通過致動器(未示出)旋轉反射器22，并可圍繞旋轉軸25旋轉。在光生物反應器系統1的一實施例中，光照系統M包括布置為引導圖3的收獲器系統沈的軌道13。在該實施例中，軌道13位于光照面板觀的頂部(如上文所述，其可布置為隔離物8)。軌道13可選擇性地具有邊36以引導收獲器系統沈，特別是引導其輪子 15。由此，收獲器系統沈可行駛在隔離物9上，特別是在光照面板觀(的頂部)上。軌道13可包括天窗37，使光照系統對，更特別地使光照面板28能夠通風，從而有助于光源20的冷卻。光照面板觀可包括吸熱設備以將熱量傳送到水性液體6并有利于提高光照面板28的冷卻能力。在一特定實施例中，光照面板28包括入口 38和出口 39，以為光照面板觀提供冷卻液，該冷卻液將熱量從光照面板觀移除到例如熱交換器40。在更特別的實施例中，冷卻液包括水，在進一步的實施例中，冷卻液不包括水性液體6。熱交換器 40可進一步被布置為(均勻地)在液體6中分散熱量，或將熱量提供給熱存儲系統(未描述)，該系統可用于在需要加熱的時候(例如夜間)將熱量提供給液體6。在光生物反應器系統1的一實施例中，收獲器系統沈包括清潔單元(未示出)，其布置為清潔光照系統24，更特別地清潔光照面板觀，從而進一步增強光合培養(yǎng)物的照射。 更特別地，清潔單元包括可拆除的刷子。例如，鏟子可布置為配有可拆除的槳葉和/或刷子型材料/裝置，以與光照面板摩擦從而保持鏟子清潔，避免任何類型的組織生長的捕獲或堆積和/或通過該面板建立最佳光合作用。圖6示意性地描述了容器的實施例的細節(jié)的剖視圖，該容器包括(X)2施放器四，用來將(X)2 30提供給水性液體6。在一特定實施例中，施放器四是沿著容器底部5延伸的 CO2襯墊四。該襯墊四具有多個孔31，用來將(X)2 30在水性液體6中分散和溶解，并同時在水性液體6中產生擾動。光合培養(yǎng)物的生長條件是一組參數的函數，參數包括收獲器系統的速度、槳輪的速度、鏟子的角度、篩子的網格、光照系統。至少所有這些參數構成了受控環(huán)境，以保持光合培養(yǎng)物處于生長曲線的陡峭部分。因此，本發(fā)明的有利方面是自由地控制所有類型的參數， 從而根據例如光生物反應器的緯度、光合培養(yǎng)物的類型、溫度等影響生長并選擇最佳條件。下面參考圖7和8描述流動增強系統100的實施例。圖7示意性地描述了流動增強系統100的一些實施例的透視圖。圖8示例性地描述了流動增強系統100的實施例的俯視圖。流動增強系統100可包括流動增強主體102，其具有用于接合水性液體6的側部 103，用于將擾動流引入水性液體6。在一實施例中，由附圖標記102表示的流動增強主體包括漏斗(也稱為流動增強主體或漏斗102)。流動液體可加速地進入入口 107并離開出口 108。因此，可引入擾動。這里，舉例來說，流動增強系統100包括多個流動增強主體102，具有漏斗形結構， 用于接合水性液體6從而將擾動流引入水性液體6。可選地或附加地，流動增強系統可包括障礙物。在另一實施例中，流動增強主體100包括障礙物104，例如圓柱體，用例如圓柱體的圓柱形壁103接合水性液體。圓柱形壁103也稱為側部103。在一特定實施例中，反應器3包括多個流動增強主體。在進一步的實施例中，反應器包括漏斗102和障礙物104的結合，其中障礙物104與漏斗102的出口 108布置成行。這樣可以更進一步地增強擾動。這里，流動增強主體102包括導管105，用于將流體從導管105的入口 107傳送到導管105的出口 108。側部103可包括流體入口 107，其與導管105耦合用于使水性液體6 流過該導管105?？蛇x地，入口 107可與供給導管110耦合，用來為水性液體6提供淡水、 營養(yǎng)物等。這里，流動增強主體102包括另一入口 109，用于將導管105流體耦合到供給導管110。流體可以是水性液體6，或者水性液體6和來自供給導管110的淡水的混合物。這里，出口 108將流體引導到相鄰的流動增強主體102。這里，出口 108將流體向上引導從而避免藻類在容器3的底部結塊。關于這一點，向上的意思是朝向包含在光生物反應器系統的容器3中的水性液體6的表面。圖8(俯視圖)示意性地描述了障礙物104水平布置(左下)和垂直布置(左上) 的實施例，其中布置了漏斗102。在一特定實施例中，障礙物104可進一步包括一個或多個光源。由于障礙物104 布置在反應器中，其障礙物表面被水包圍，這些光源可進一步用于照射液體中的生物體。特別地，由于紅色光比藍色光穿透液體更遠，該壁可包括藍色和紅色發(fā)光光源，然而障礙物可特別地包括藍色發(fā)光光源。因此，障礙物也可具有輔助光源的功能。
本發(fā)明的另一方面在于提供一種包含根據本發(fā)明的流動增強系統100的光生物反應器系統。下面將參考圖9A、9B和10描述光照面板1。圖9A是示意性地描述了包括光照面板1的壁2的透視圖。圖9B是示意性地描述了圖9A的壁2的俯視圖。圖10是示意性地描述了包括光照面板1的多個壁2的透視圖。光照面板包括構成間隔間204的透明側壁203、位于間隔間204中用于照射藻類的光源5、用于將光照面板1容納在包含耦合光面板1的壁2中的耦合裝置206、以及以附圖標記207-209表示的選擇性連接裝置和/或電源。壁2包括耦合光面板1，并適用于形成光生物反應器系統的容器中的溝渠部分7，也稱為水槽7。這里，間隔間204包括多個光源5，更特別地，每個光源5提供具有特定波長的光， 甚至更特別地，一個或多個光源5包括發(fā)光二極管。在壁的一特定實施例中，該壁包括用于耦合和支撐光面板1的框架211。在本發(fā)明的一實施例中，光合培養(yǎng)物可在包含水性液體(特別是水)(包含該光合培養(yǎng)物)的容器中生長，更特別地，在包圍在受控和/或封閉環(huán)境中的一系列容器中生長， 該環(huán)境例如為提供受控環(huán)境以最優(yōu)化光合培養(yǎng)物的生長條件的溫室。收獲器系統連續(xù)地收獲該該培養(yǎng)物，收獲器系統每天可鏟出大約達到約10wt%的光合培養(yǎng)物；也可采用更低的收獲量，例如每天達到約或達到約0. 1%，或達到約0.01%的培養(yǎng)物。因此，鏟子包括具有適當的網格的篩子，用來收獲成熟的培養(yǎng)物，并將水性液體和剩余的培養(yǎng)物留在容器中。 進一步地，收獲器系統位于收獲器傳送器上，其使收獲器在整個容器上移動，從而在整個容器上實現均勻收獲。收集器系統收集收獲的培養(yǎng)物，并將培養(yǎng)物運送到倉庫中。用鏟子收獲光合培養(yǎng)物的好處是有助于在水性液體中產生擾動流。擾動流有助于光合培養(yǎng)物的最佳生長條件。也可通過(X)2施放器產生擾動流，CO2施放器在容器的底部分配(X)2從而上升的氣泡在包含于容器中的水性液體中產生擾動流。擾動流也可由(X)2施放器產生，其在容器的底部提供包括至少CO2、營養(yǎng)物、鹽的額外的水流，從而上升水流在水槽中產生擾動流。通過光照系統進一步增強光合培養(yǎng)物的生長條件，該光照系統有助于水性液體中的光合培養(yǎng)物的照射。包含在光照系統中的光源在整個容器中照射培養(yǎng)物，特別是針對容器的較深部分。反射器，特別是旋轉反射器有助于光在整個容器中的均勻分布。光面板可構成將池塘劃分成(多個)水槽的壁，水槽的個數取決于光面板之間所需的期望距離，從而獲得針對任何特定種類的藻類的最佳生長的特定密度的最佳光穿透性和期望的最佳動態(tài)流動。可在池塘的底板上穩(wěn)固地安裝框架或結構，從而接收并固定光面板，該光面板可包括防水裝置和/或用于為每個單獨的光面板提供電源和冷卻劑的固定裝置。光面板可以是防水的，或者是密封的，或者具有可移除的蓋子，并且可與冷卻劑的入口、電源和冷卻劑的出口匹配。光面板中可采用不同的液體，一種用于光在光面板中的傳輸，另一種可循環(huán)并僅用于冷卻光。在一實施例中，可安裝光面板可與水槽的玻璃壁集成。為了最佳的藻類生長，可為水槽提供特定顏色(一個或多個波長或一個或多個波長范圍)的光。為能夠提供具有特定顏色的光，可采用包含提供不同顏色的一個或多個光源的光面板。光面板可插入水槽的壁中，并包括多個光源。由此，可最優(yōu)化媒介中每個特定顏色的光的強度、波長和空間分布。面板的尺寸可例如固定為大約2X1 = 2m2，但是可根據不同應用來調節(jié)每個面板上光源的數量，即根據藻類的類型/張力和生長媒介類型來調節(jié)。特別地a)每個面板的光源的數量可調節(jié)，例如對于每兩個紅色光源有8個藍色光源，b)每個顏色的光源的尺寸和/或強度可調節(jié)，以及c)光源之間的距離可調節(jié)。面板包括提供不同顏色的至少兩個光源。不同顏色的光源包括產生藍色光 G00-500nm或更特別地400-450nm)和紅色光^00_730nm或更特別地640_680nm)的光源。 在一實施例中，光源是LED(發(fā)光二極管)燈。光源的光強度，光子通量密度(PFD)可高達每平方米每秒2000微摩爾光子(μ mol photons IrT2iT1)。進一步地，通過調節(jié)(每個面板中)光源之間的距離和/或光源的列數，可控制(藻類的)對具有特定波長的光的有效曝光時間。可通過調節(jié)每單位長度的光源數量和主流體的(循環(huán))流速來實現高強度-低強度周期的最優(yōu)化。通常，主流體流速為0. 6m/s量級，平均PDF在50和500 (ymol photons HT2s-1)之間，而針對最大光強度的曝光時間將不會超過5ms。為了保持藻類懸浮物的恒定循環(huán)流動，需要延水槽長度方向的附加注入點。在藻類懸浮物的循環(huán)速度過低的情況下，藻類可能開始沉淀，并形成結塊，這對藻類是有害的。為了避免微藻類的沉淀，會采用由額外液體流產生的上涌，該額外液體流可通過所謂的注入點或增流器進入水槽。在一實施例中注入點的目的有兩方面。第一，注入點可用來增加淡水、營養(yǎng)物、(X)2 和藻類的恒定生長所需的選擇性的其他成分中的一種或多種。第二，通過控制流體的方向，或通過控制流速，可引起所謂的上涌。額外液體流的方向可通過注入點的角度和注入點的位置來確定。注入點可放置為垂直于水槽中的流體， 或者注入點可以一角度放置。注入點可位于水槽的底部(底增流器)并在水槽的壁中(側增流器)。對于在壁中成一角度放置的增流器，該角度要滿足獲得向上的流動。在一實施例中，液體流以1-15巴(每表面)的升壓加入。由此，主流體和局部引入的額外液體流之間的壓力差將(局部地)影響藻類的運動。處于升壓的液體可導致藻類的運動和吸入。這一現象稱為文氏管(Venturi)效應。更特別地，調節(jié)附加流(由增流器提供)至藻類懸浮物的粘性。這樣，可提高循環(huán)速度。如果需要，可采用抽取系統以特定的流速和特定密度和粘性來傳送附加液體流。為了藻類的恒定和穩(wěn)定的生長速率，很重要的是用于曝光藻類的光照條件是可控的。為了實現這一點，藻類的輻射運動與光照面板呈橫向是有益的，也就是說藻類應該從水槽的中間運動到水槽的壁，并運動回到中心。當然同時，應進行沿著水槽的長度方向的運動 (軸向運動)以避免沉淀。
將通過采用沿著水槽長度方向的內部構件或靜態(tài)混合器來引起輻射方向的附加運動，也稱為漩渦或渦流。渦流是圍繞軸的穩(wěn)定旋轉流。由“圓柱形”內部構件構成的可能的結構立在主流體中。一種可能的方法是基于圓柱體，例如位于水槽的中心線。由此，主流體將“一分為二”，結果在(軸中心線的)兩側都形成漩渦。這些漩渦將確保輻射運動，且藻類可以移動，在連續(xù)的循環(huán)運動中，從水槽的中心到壁再回到中心?？赏ㄟ^采用所謂的靜態(tài)混合器來實現更復雜的解決方案，其將確保輻射運動同時確保上涌。用作障礙物的圓柱形結構(參見上文)可布置為水平、垂直或與反應器的底部成一角度。特別地，他們被布置為水平或垂直，在一實施例中，一個或多個被布置為垂直。此外，內部構件可用于通過在該內部構件上安裝光源從而從水槽的中心提供附加的水下光照。具體地，內部構件可以具有LED燈，從而在水槽的中間建立優(yōu)化的光混合和生長環(huán)境。在這種情況下，可得到附加“參數”用于微調流速(實際上是水槽的在長度和寬度 (兩者)方面的尺寸)和光強度(高-低強度周期)之間的關系。在內部構件上裝備光面板使設計更有靈活，因為水槽的尺寸不再由位于水槽的壁上(或其中)的光源的穿透深度 (單獨)決定。在一特定實施例中，收獲器的一個或多個鏟子使可圍繞鏟子軸旋轉和/或可服從于振動裝置的振動和/或可服從于空氣流，特別是當各個鏟子位于液體表面之上時利用吹風機實現；和/或可由水噴射，特別是當各個鏟子位于液體表面之上時利用洗滌裝置實現； 和/或可服從于反沖洗，例如通過液體流發(fā)生器。這些實施例可用于移除鏟子中剩余的固體，特別是網格上/中。由此，可為鏟子特別是篩子鏟提供一種反沖洗。在這里描述和示出的實施例中，可選擇地，收獲器系統可“僅”由槳輪結構代替，即槳輪結構不用作收獲器系統，但是基本上僅用于建立擾動，特別是流動。因此，在特定實施例中，除非文中明確說明，收獲器系統26可涉及布置為在液體中建立擾動的槳輪結構，而不特別布置為收獲培養(yǎng)物。本文描述的技術也可稱為Algae-Sphere TM。Algae-Sphere TM概念背后的驅動力為-提高每個單位時間、體積和表面積的生物量產量，作為提高單位投入資本的成果；-提高藻類產品的凈產量，例如油、維生素、抗氧化劑等等；-利用成本有效生產降低投資風險；-盡量利用證實的、簡單的、耐用的技術；-獨立于氣候和環(huán)境的受控生產；-模塊化和商業(yè)可升級。Algae-SphereTM生產設備具有利用自然日光照射的優(yōu)點，生產潛力大約為150 t/ ha/year，輔助以特別的Algae-SphereTM設計的生長光照技術。光照效率可高達光照系統和自然光的PPF密度的30到50%。典型Algae-SphereTM設備中的有效PAR表面積相比與開放池塘系統提高了 270%，相比于PBR提高的倍數更多?？筛鶕孱惿L、開發(fā)要求和要獲得的產品來調節(jié)光照質量和數量。得到的生產潛力比其他藻類生產技術有顯著的提高。
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一個或多個優(yōu)點在于-在Algae-SphereTM中，可針對幾乎每個可想到的種類和期望的藻類產品來優(yōu)化處理條件；-Algae-SphereTM生產設備通常包括模型化系統，其具有1公頃的基本模塊，該系統是實用的、易管理的、并可擴展到幾百公頃；-單個模塊本身包括20個單獨的生產單元，可彼此充分分開以實現生產靈活性；-單個模塊可實現各種生產目的，在每個分開的單元中采用不同的藻類或保持不同的生長條件；-在擴大系統中的養(yǎng)料、飼料和/或藥物質量；-在充分優(yōu)化的光照氣候下的每平方米的生產力的潛力是封閉的PBR的5倍，是開放池塘系統的10倍；-最新的最有效的LED技術；-用于簡易操作和低維護的最新工程和技術；-可捕獲不同工業(yè)源的CO2并高度集中地饋送給藻類，而不會產生對細胞有害的剪應力；-高能效收獲技術；以及-通過對能量、CO2和流出物的一攬子解決方案獲得降低成本的潛力。圖IlA是具有光面板的生物反應器的實施例的簡化俯視圖，圖IlB是該生物反應器的透視圖。生物反應器301包括容器，進一步指蓄水池301，其容納水性液體，藻類或其他光合培養(yǎng)物在該水性液體中生長。水性液體可以是淡水或鹽水或其他一些合適的水性溶液，但是為了簡單，本文指水。光合培養(yǎng)物可以是藻類或細菌或其他合適的光合生物體，但為了簡單，本文指藻類。光照面板303至少部分地淹沒在水中。這樣通過位于從水的上表面之下的一點處的光照面板的壁發(fā)射光，使得更多的光照系統發(fā)出的光能夠傳輸到水中。光照面板可用作生物反應器中的壁，從而形成溝渠部分，進一步指水槽302。當光照面板用作壁時，它們可穩(wěn)固地安裝在生物反應器的底板上?？蛇x地，相鄰的水槽302可彼此液體接觸。采用淹沒在水中的光照面板303使得光到水中的傳輸得到改善且更加靈活，這是通過將面板布置得足夠近從而使光到達蓄水池中的水體中的所有藻類中的大多數來實現的。生物反應器可分為多個水槽，水槽的數量和尺寸可取決于面板的尺寸、生物反應器的尺寸、光照面板采用的光照的穿透深度、和該生物反應器中生長的藻類的特定種類中的一個或多個。采用水槽可實現藻類的可控運動，從而來自壁的光均勻地分配在水中的藻類上。這種運動可以包括圍繞光面板壁的運動，例如以順時針或逆時針方式，以及藻類的交替上下運動的方式。在生物反應器蓄水池內部使用人造光避免了利用透明材料建造該蓄水池的需要。 這減少了成本，并能夠利用更便宜且更耐用的材料來制造生物反應器蓄水池，并且使得蓄水池制造更簡單。例如，生物反應器蓄水池可用鋼、不銹鋼等來制造。蓄水池也可比池塘或傳統的依靠日光的生物反應器高的多。這使得對于相同體積的藻類培養(yǎng)物，蓄水池的占地要小的多，這節(jié)約了地面空間，并使得藻類生長設備更緊湊。 這在城市環(huán)境或土地成本很高的地方有特別的重要性。
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利用圖IlAUlB的生物反應器，蓄水池中的水的精確溫度控制也更加容易得到。 依賴于日光曝光的生物反應器需要很大的表面積。具有更小的表面積的更緊湊的布置減少了外部溫度變化的作用，且非透明的蓄水池壁減小了由于從白天到夜晚以及從夏到冬的溫度變化和日光變化而造成的溫度變化。利用圖IlAUlB的生物反應器，藻類接收到的光的精確控制可更加容易得到。依賴日光的池塘或生物反應器在白天或夜晚之間、陰天或晴天條件之間、長夏日或短冬日之間受到曝光的大幅變化的影響。通過采用人造光，曝光時間增加到每天M小時，且不論外部環(huán)境如何，一年之中都能提供恒定光照?？烧{試光照系統以提供藻類生長可用的特定波長的光。還可調試光照系統以提供適當強度的光從而獲得高生長速度，同時避免傷害藻類的過度曝光。圖12是光照面板303的一實施例的透視圖。光照面板具有包括有透明壁305的構件304的外罩?？蛇x地，框架本身可以由適當的透明材料構成。透明壁305可由玻璃、聚碳酸酯、或其他合適的堅固透明材料構成。在一實施例中，例如玻璃的透明材料的折射率為 1. 3或更高。圖13是生物反應器中的光照面板的布置的俯視圖。光照面板具有耦合裝置306， 在該實施例中是凸緣的形式，用來將光照面板耦合在一起以形成生物反應器中的壁部分。 凸緣306與柱或梁310合作以定位光照面板。這導致了一種光照面板垂直滑入生物反應器中的位置的布置。由端到端布置的幾個光照面板形成的壁可以這種方式形成，例如光照面板之間的界面形成平滑壁以避免阻礙水沿著由面板形成的壁的長度方向的流動。光照面板是防水的，從而在光照面板303中形成內部空腔308，在光照面板放置在水中時該內部空腔 308與生物反應器中的水隔離。光照面板303可包括LED 320的布置。本文中，LED的表述也指代LED芯片或LED 沖模。LED 320可安裝在陶瓷載體上，例如陶瓷印刷電路板，該載體安裝在光照面板303中的安裝結構上。在一實施例中，安裝結構是平面結構。陶瓷載體可以是金屬芯PCB以承載大量的LED，例如60個LED。具有裸結合LED的陶瓷載體可以通過粘貼或熔化結合在安裝結構上。LED 320形成用于照射生物反應器蓄水池301中的藻類的光源?？蓪⒐庠吹墓鈴姸日{試為能基本上避免光合培養(yǎng)物或藻類在外罩的透明部分的表面上生長的足夠的強度。 光源可包括不同類型的LED，發(fā)射最適合促進藻類生長的某些特定波長的光。例如，光源可包括用于發(fā)射波長在400-500nm范圍內，或更特別地在400-450nm范圍內的光的一個或多個LED (例如藍色LED)，以及用于發(fā)射波長在600-730nm范圍內，或更特別地在640_680nm 范圍內的光的一個或多個LED (例如紅色LED)的組合。用于發(fā)射紅色光的LED可以是磷化鋁銦鎵LED。在一些實施例中，光源是這樣布置的，即在操作中光源發(fā)射的多數光，例如80%或更多，波長在400-450nm和640-680nm范圍內。選擇這些波長是為了與葉綠素和色素的吸收最大化相匹配，所述色素是供生長的各種類型的藻類和光合生物體使用的。圖14A是光照面板303中的LED的布置的簡化俯視圖。安裝盤312布置在光照面板的內部空間308中的垂直位置。LED 320布置在該盤上以發(fā)射通過透明壁305的光。安裝盤312例如為剛性的和良好的熱導體，例如鋁、銅或鋼，從而將熱量從工作中會變熱的LED導出。內部空間308可填充有冷卻液319，其與LED直接接觸從而將熱量從LED傳送走。附加地或可選地，盤312可具有一個或多個冷卻通道，用于循環(huán)用來增強從LED移除熱量的第二冷卻流體。圖14B顯示了 LED的一可選布置，其中LED安裝在垂直布置在光照面板中的安裝支架314上。圖15A顯示了雙側安裝布置的剖視圖。安裝支架314具有用來循環(huán)用于冷卻LED 的冷卻流體的內部通道316。安裝支架也可在每側具有凹槽317，LED 320安裝在每側中。 該設計使LED安裝穩(wěn)固，所述LED面朝外對著光照面板的每一側上的透明壁305發(fā)射最大光，同時向LED的背部提供冷卻。安裝支架例如由良好的熱導體構成，例如鋁或銅，從而有效地將熱量從LED導出。圖15B顯示了可選的LED單側安裝布置。圖16顯示了沿光照面板的長度方向并排垂直布置的安裝支架314的透視圖。采用垂直布置的安裝支架314提供了更靈活的光照面板模塊化結構，其在將光照面板的需求與被照射的藻類種類相匹配的靈活性和能力方面是有好處的。圖17顯示了光照面板和安裝支架的剖視圖，其顯示了用于冷卻LED的兩股冷卻流體的循環(huán)。LED 320安裝在安裝支架314的兩側，安裝支架中有通道316。所有上述實施例可采用兩股冷卻流體，第一冷卻液直接與LED的前側接觸，第二冷卻流體在通道中流動從而從LED的背側除去熱量。下文將第一冷卻流體稱為第一冷卻液。第一冷卻液319充入LED 320和光照面板的透明壁305之間的內部空間308。該冷卻流體流過LED的外部前表面，例如直接與LED接觸。冷卻液319例如為油。冷卻液319 例如在自然對流下循環(huán)，隨著冷卻液與LED接觸而變熱，其從光照面板的底部升起。LED芯片例如垂直安裝，其中LED的底部電極靠著安裝盤312或安裝支架314從而促進熱量從LED 傳輸到安裝結構。LED的頂部電極面向外并由冷卻液319冷卻。LED沖模可具有非常薄的保護或鈍化膜，從而在實現從LED到冷卻液的良好的熱傳輸的同時提供物理保護。藍色 LED (在400-450nm范圍內發(fā)射)例如只在上表面具有保護或鈍化膜，從而保護它們免受冷卻液319的影響。紅色LED (在640-680nm范圍內發(fā)射)例如不具有任何保護或鈍化膜，因為他們不會受到冷卻液的不良影響。也可采用冷卻液319的強制對流，盡管額外的流動會破壞垂直布置的LED的結合線。此外因此，LED 320的結合線沿著平行于冷卻液319的方向延伸。第一冷卻液319例如為具有高折射率的油，例如Dow Corning (道康寧)C5或C51。 例如選擇具有有利的折射率的材料來構成光照系統，從而使光從LED到包含藻類的水中的傳輸最大化。LED芯片通常具有對紅色LED大約3. 3的折射率和對藍色LED 2. 2的折射率。 如果第一冷卻液直接與LED接觸并具有與LED盡可能接近地匹配的折射率，則非常有利。這減少了光在LED 320和冷卻液319之間的邊界處的反射，從而導致來自LED的光子的提取最大化。合適的冷卻液319具有折射率、良好的透明度、以及足夠低的粘性從而易于在自然對流下流過LED。第一冷卻液319例如具有1. 5-1. 7范圍內的折射率，特別是高達1. 62。 可在油319中溶解具有例如大約1. 8的折射率的高折射二氧化鈦(TiO2)納米粒子，從而將懸浮物的折射率提高到大約1. 7。第一冷卻液319也有其他優(yōu)點。冷卻液/油319的膜確保LED320、安裝結構312
24或314以及透明壁305之間的良好熱接觸。用冷卻液319濕潤LED芯片的前表面改善了熱量從LED的傳出。合適的冷卻液319也可用于降低LED密封劑的退化。冷卻液319也可使用于光照面板的透明壁更薄，特別是對于放置在高生物反應器蓄水池的深水(例如an或更深)中的深光照面板，因為冷卻液壓迫光照面板的內部從而幫助抵消來自水的外部壓力。第二冷卻流體318可在LED后面的安裝盤312或安裝支架314內的通道中循環(huán)， 從而提高系統的冷卻能力。冷卻流體318可以是水，例如不與生物反應器蓄水池301中的水接觸的水。在一優(yōu)選實施例中，冷卻流體的溫度低于0°C。在這種情況下，冷卻液318可以是制冷劑或冷卻氣體，例如冷卻的的二氧化碳氣體。通過通道316利用相對低溫的，例如低于10°C，例如低于0°C的冷卻流體冷卻LED，使得LED也在相對低溫下工作，這會提高LED 320的性能。此外，冷卻流體318類型的可選擇性有助于將生物反應器中的水的溫度調整到適合藻類或光合培養(yǎng)物的特定種類的溫度。在圖17中，第二冷卻流體318在通道316中循環(huán)，其被沿著與第一冷卻液319的對流方向相反的方向引導。盡管這種布置是優(yōu)選的，第二冷卻流體318也可以沿著與第一冷卻液319的方向相似的方向在通道316中傳輸。淹沒的光照系統的整體結構例如被設計為使從LED到包含藻類的水中的光的傳輸最大化。這是通過使材料的折射率盡量接近地匹配，并避免這些材料的折射率之間的較大差異來實現的，其中所述材料是指光從LED傳到包含藻類的水中所通過的材料。如上文所述，在一實施例中第一冷卻液319具有高折射率以減小LED和冷卻液之間的邊界處的反射。透明壁305例如由具有與第一冷卻液319接近或匹配的折射率的材料構成，例如具有高鉛含量的玻璃或任何其他透明材料，例如聚碳酸酯或環(huán)氧樹脂。玻璃的典型折射率是1. 52， 可通過添加鉛來提高該折射率從而匹配冷卻液319的優(yōu)選范圍為1. 5到1. 7。水的折射率約為1. 33。因此匹配冷卻液319和透明壁305的折射率將減少上述邊界處的反射，但是可能增加透明壁和包含藻類的水之間的邊界處的反射。在一實施例中，由LED發(fā)射的光在從外罩的透明部分發(fā)射之前不通過空氣。在該實施例中，光在該發(fā)射之前僅通過液體和固體媒介。換言之，淹沒的光照系統在LED和包含藻類的水之間沒有低折射率層，例如空氣。因此，盡管光通過的材料層的折射率降低了，其并沒有提高折射率。例如，一個實施例中的近似折射率為LED 3.3(紅色LED)或2.2(藍色LED)，冷卻液1. 7，透明壁1. 7 (含鉛玻璃)或1. 52 (無鉛玻璃)或1. 42 (聚碳酸酯)，以及水1. 33。在這種布置下，光照面板可獲得從LED到水的光耦合的改善為2. 5或更高微摩爾光子每瓦特輸入光照面板的能量。相反，利用空氣隙的光照系統僅能獲得大約1.0微摩爾每瓦特的值。具有這種類型的光照布置的生物反應器可獲得的藻類生長是每6小時得到雙倍的藻類，相比之下，依賴于日光的之前的系統通常每M小時獲得雙倍的藻類。藻類在光照面板的外罩的透明部分的外表面上的生長降低了光照系統的效力。粘附在透明壁上的藻類將不會在水中循環(huán)，且阻礙來自LED的光到達在水中循環(huán)的大部分藻類?？赏ㄟ^調節(jié)光源的強度來減少或消除這種不期望的藻類生長。在操作中，通過透明壁 305傳輸的光例如具有足夠的強度從而基本上避免藻類在透明壁的表面生長。已示出在透明壁的外表面的1000微摩爾每秒每平方米或更高的光通量足以達到這一目的。光不應過強，以避免傷害在水中循環(huán)的藻類。圖18是具有漫射器布置322的光面板305的剖視圖。透明壁305例如包括漫射
25器裝置322從而將來自LED 320的光分散到水中。漫射器布置322可以是位于外罩的透明壁305外側的凸起形狀的形式?？蛇x地或附加地，漫射器布置可以是位于外罩的透明壁的表面上的漫射膜或片的形式。圖19A是可與一個或多個LED 320組合使用的反射器布置的俯視圖，而19B顯示了這種反射器布置的一特定實施例的剖視圖。圖19C是不同于圖19B的反射器布置的反射器布置的透視圖。反射器布置包括一個或多個反射器328，其用在LED 320的周圍，可通過沿著基本垂直于透明壁305的方向引導從LED發(fā)射的光來提高從LED到水中的光傳輸。一個或多個反射器3 可以是環(huán)繞LED的凹進結構的形式，例如像圖19B或19C所示的籃筐 (rim)結構。該凹進結構可以由金屬制成，或由具有與冷卻液319顯著不同的低折射率的材料制成，從而對來自LED的光實現良好反射，例如采用類似合適的環(huán)氧樹脂的易成型材料， 例如具有大約1. 1的折射率?；@筐結構可定形為如19B所示，從而確?；@筐結構材料的形狀和折射率的組合能夠反射由LED 320發(fā)射的光。在一實施例中反射器布置包括圍繞每個 LED的環(huán)形反射表面，用以增強光發(fā)射的均勻性。反射器布置可設計為限制由LED發(fā)射的光朝向水的角度。由LED發(fā)射的光到達冷卻流體和透明壁之間的界面的外角可布置為在該界面處全反射，并且例如在透明壁和水之間的界面則盡量避免這樣。通過以這種方式限制LED的出射角，反射器布置降低了由于全反射造成的效率損失。由于相似的原因，例如，反射器被布置為將從LED發(fā)出的光以與透明壁的表面基本成直角的方式朝著光照面板的透明壁反射。圖20是光照面板303的可選布置。在該布置中，沒有沿著光照面板303中的盤或支架安裝LED 320，而是將LED 320安裝在框架4的頂部，且方向相對于光照面板303向內。 在該實施例中，光照面板303的透明壁305的表面，例如外表面，覆蓋有漫射布置，例如漫射膜或片323。漫射布置被布置為將LED 320發(fā)射的光漫射，從而使光在生物反應器蓄水池中盡可能均勻地分配。圖21是光照面板的另一可選布置。在該布置中，LED 320安裝在安裝支架314上。 框架304包括對外部光(例如日光)基本透明的頂部或覆蓋結構325。透明頂部325可包括反射器，用于將日光(重新)引導到外罩中。在一實施例中，透明頂部325包括過濾器。 該過濾器可濾除具有被認為對于照射光合培養(yǎng)物無用的波長的光，例如因為這些波長不能被光合培養(yǎng)物吸收。過濾器可濾除具有被認為有害的波長的光，例如因為這些波長會限制光合培養(yǎng)物的生長。過濾器可以是可替換的，且可以是對于生長中的藻類或光合培養(yǎng)物的類型來說合適的。通過覆蓋結構325耦合到光面板中的外部光被通過光照面板的透明壁305提供給蓄水池中的水性液體。在一實施例中，因為以與參照圖20所示實施例所討論的相同的方式，光照面板的透明壁305的(外)表面具有漫射膜或片323。圖21的光照面板的實施例的優(yōu)點是除了由LED提供的光之外，可通過例如日光的外部光對光進行平衡，從而為生物反應器蓄水池中的藻類提供最優(yōu)化的光條件。因此，可在更低的LED 320能耗的藻類生長的前提下獲得相同的結果，因為外部光提供了額外的光通量。外部光可通過光收集器和反射器來收集，并以可控的方式在面板中分配，例如利用透鏡、例如光纖的光導體、以及漫射光學器件中的一個或多個。這些光學元件中的一些或全部可包含在覆蓋結構325中。由此，可為每種藻類建立最優(yōu)化的光條件。
圖22是具有管狀外罩的可選的光照面板的側視圖和頂部剖視圖。該光照面板包括用于支撐光源330的管狀安裝結構315，管狀安裝結構具有用于冷卻光源的冷卻液的循環(huán)的內部通道316。外罩包括管狀形狀的透明壁305，該管狀安裝結構315和管狀透明壁305被共中心地布置。光源330形成于在管狀安裝結構315的外表面中形成的平面部分中。光源包括安裝在陶瓷印刷電路板上的LED 320條帶，該陶瓷印刷電路板安裝在該平面部分上。陶瓷載體可以是金屬芯PCB，用來支撐大量LED芯片，例如60個芯片。具有裸結合LED沖模的陶瓷載體可以是粘貼結合或熔化結合于安裝結構315的平坦的平面部分。多于一個光源330可位于沿管狀安裝結構長度方向的特定位置上。在圖22所示的實施例中，三個光源330以等間距圍繞管狀安裝結構315的周圍布置。管狀安裝結構315 可形成很長的長度，光源布置在其長度方向上的幾個位置上。管狀安裝結構315也可構造為較短的長度，并且利用連接套管332與其他安裝結構連接。在安裝結構315的兩個管子和透明壁305之間的空隙中形成內部空腔308，該空腔填充有冷卻液319，例如具有高折射率的油。在一個實施例中，用于該小空腔的油量為最少。冷卻液的量小可使得空腔308中油的循環(huán)最小，這會降低對結合線或LED芯片的破壞的機會，并減小由冷卻液中的污染粒子造成的破壞或磨損和折損。在另一實施例中，在空腔308中有足夠的冷卻液，從而在冷卻液中造成自然對流， 從而增強熱量從LED的傳出。光照面板例如將其縱軸設置為垂直方向，以在光源330的長度上提供足夠的垂直距離，從而促進冷卻液319中的自然對流。對于透明壁、安裝結構、冷卻液等，可采用與前述圖12的實施例相同的材料用于光照面板的該實施例。用于該實施例的材料例如具有使得LED和包含藻類的水之間的光耦合最大化的折射率，如針對前文實施例所述。對于該實施例的考慮與對于前文實施例的考慮相同。高折射率的冷卻液對于光從LED到水/藻類的輸出耦合有正效應，且LED芯片表面的濕潤能改善熱傳輸。冷卻液也可減少LED密封劑惡化的問題。冷卻液的薄膜也環(huán)繞整個管子，確保安裝結構315和透明壁305之間的最優(yōu)化熱接觸。冷卻液也可避免光源和連接處的任何電解效應。向LED提供恒定驅動電流的連接線和電子件可集成在管子的平坦部分上的相同的安裝結構315上。圖23是圖22的光照面板被部分拆除的透視圖，顯示了端蓋334和密封環(huán)335，用于密封形成于安裝結構315和透明壁305之間的空腔8的端部。端蓋334和密封環(huán)335的功能是將空腔308與生物反應器的水隔離開，從而避免冷卻液從空腔泄露，并避免水進入空腔?？涨?08初始填充冷卻液319可利用粗注射針通過穿過透明壁和安裝結構的平坦平面部分之間的孔的來完成。然后將透明壁移動到橡膠密封環(huán)335的上方，油的最后部分可利用細注射針通過該環(huán)來填充。圖M是光照面板的剖視圖，顯示了管狀安裝結構315的平坦平面部分，其中光源的LED 320安裝在該平坦平面部分上。圖25是具有包含多個LED燈的光照面板303的生物反應器的簡化示意圖。LED燈可容納在如圖14A、14B所述的光面板中，或者容納在如圖22- 所述的管狀外罩中。生物反應器包括(X)2提供系統340，該系統包括將二氧化碳(CO2)提供給包含藻類的水中的施放器341。在一些實施例中，該施放器是(X)2襯墊341，其可沿生物反應器蓄水池301的底部延伸。該襯墊具有多個孔，用來在水中分散和溶解CO2，同時在其中產生擾動。 例如，CO2以可溶解的形式加入，例如，從而使(X)2被吸收于由(X)2施放器添加到水槽中的液體之中。CO2可以這樣的形式添加，即由CO2施放器添加的液體總是CO2飽和的。通過添加被液體吸收的CO2降低了氣泡的產生。由于這種氣泡可能導致水中的可破壞藻類的剪應力， 它們的出現例如被保持最小化。在包括(X)2施放器的生物反應器蓄水池301的實施例中，LED 320垂直布置，例如如圖16或22所示，從而隨著(X)2通過水上升而提供恒定的光水平。通過分開的冷卻流體提供系統343將冷卻流體提供給LED光源。冷卻流體對應于上述第二冷卻流體318。生物反射器進一步包括加熱器342，其用于在(X)2以(X)2氣體的形式提供給生物反應器蓄水池之前加熱C02，CO2氣體由圖25中的氣泡示意性地表示。生物反應器進一步包括用于冷卻冷卻流體的熱交換器344。熱交換器被布置為在冷卻流體通過生物反應器中的光照面板303之后從冷卻流體中移除熱量，并將從冷卻流體移除的熱量提供給包含藻類的水，和/或提供給用于加熱提供給生物反應器的(X)2的加熱器，和/或提供給其他媒介，從而將熱量從系統移除。來自冷卻液318的熱量的再利用使得生物反應器具有更有效的性能。優(yōu)選地，分別控制LED的溫度和包含藻類的水的溫度。盡管熱交換器可重新利用來自冷卻液318的熱量來加熱水或注入的CO2，優(yōu)選地，保持分別控制冷卻流體溫度和水溫。生物反應器也可具有用于為LED光照系統供電的控制系統350。藻類中的碳固定作為光合作用過程的一部分在黑暗中發(fā)生?？刂葡到y可使LED快速地循環(huán)開和關，從而提高藻類中的碳固定，并提高藻類的生長速度，例如以10毫秒開和10毫秒關的周期來切換 LED的開和關。例如在光照面板303的頂部形成到LED的電連接351，從而該連接在水之上。在本發(fā)明的一些實施例中，可提供一種或多種進一步的布置，來避免藻類對LED 320發(fā)射的光的持續(xù)曝光。一種達到這種效果的布置是可在生物反應器蓄水池中提供適當的水性液體的運動。例如，前文所述的沿著水槽的運動或上下運動都符合這種運動。附加地或可選地，可在蓄水池中引入漩渦運動，從而在不同時刻曝光藻類或光合培養(yǎng)物的不同部分。取代或附加于包含藻類的水性液體的適當運動，LED 320可周期性地開和關從而實現不連續(xù)的曝光。水性液體的適當運動和/或LED320的開/關周期造成的不連續(xù)曝光可提高藻類中的碳固定。為了推動生物反應器蓄水池1中的水性液體運動，可通過在適當位置注入液體來引入流動，該適當位置在下文中稱作注入點。注入點可位于水槽的底部(底部增流器)，和水槽的壁中(側部增流器)。對于位于壁中成一角度的增流器，該角度使得能夠獲得向上的流動。在一實施例中，以1-15巴(每表面)的升壓加入液體流。由此，主流體和局部引入的外部液體流之間的壓力差可影響藻類的運動。如果需要可調節(jié)附加液體流至包含藻類的水性液體的粘性，可利用抽取系統來傳送具有特定流速和特定密度和粘性的附加液體流。在一實施例中，抽取系統是盤泵。盤泵是包含一個或多個實現抽取功能的盤的泵。 由于使用了這些盤，避免了對藻類的破壞。圖26k顯示了盤泵的實施例的剖視圖。圖26B顯示了相同的泵的縱向剖視圖。泵401包括具有前板403、中板404和后板405的外罩402。這些板可由鋼或塑料構成。這些板通過螺釘等(未示出)壓在一起。中板404具有環(huán)形的圓柱凹槽，其與前板403和后板 405 一起限定了腔室406。該后板405包括軸承外罩407，合成軸408通過兩個軸承410，例如雙密封球軸承旋轉地容納在軸承外罩407中。軸承410夾在兩個內螺紋環(huán)411中，其內部環(huán)411通過環(huán)狀襯墊412密封。軸408具有鍵溝409，通過該鍵溝該軸408可連接到驅動單元，例如電動馬達。轉子414安裝在軸408的中心部分413，該轉子414包括多個平面圓盤415。所述盤可由鋼、不銹鋼或例如PVC或聚碳酸酯的塑料制成。所述盤415通過環(huán)形間隔器416彼此分開。此外，盤通過箝位件417壓迫內部環(huán)411。箝位件按照其順序通過螺釘418安裝在軸108的中心部分413上。盤415和腔室406 —起形成了所謂的Tesla(泰斯拉)泵。該設計的細節(jié)和Tesla泵的操作參見US專利No. 1，061，142，其全文以引用方式結合于本文。 盤的表面積和/或數量越大，所述泵的傳送和推進力越大。前板403包括與箝位件117相適應的圓形開口，與之形成環(huán)形軸入口 419。如圖 26A所示，盤415可具有多個孔420。進一步地，在外罩402上安裝楔形插入物421，該插入物與前板403、中板404和后板405 —起形成了出口通道422。泵具有基本成切線的旁路通道423，該旁路通道的第一端通向泵401的出口通道 422，其第二端形成入口 424。旁路通道423形成于中板404中，且與腔室406具有相同的寬度A。為了確保來自腔室的流動強到足以產生通過該旁路通道423的強流，通道423在出口通道422的高度B等于或小于橫向于轉子414的外圍的假想線和腔室406的內壁之間的距離C，在出口通道422也一樣。旁路通道423可具有用于將二氧化碳氣體提供給水性液體的入口。通過以這種方式提供二氧化碳氣體，二氧化碳氣泡的尺寸非常小。這種小(X)2氣泡使得對光合培養(yǎng)物的破壞最小化。很明顯，上文的說明書和附圖描述了本發(fā)明的一些實施例，但不限制保護范圍?；谶@些公開內容，更多的實施例對于本領域技術人員來說是顯而易見的，這些實施例在本發(fā)明的保護范圍和實質之內，且為現有技術和本發(fā)明公開內容的顯而易見的組合。本領域技術人員應該能夠理解本文中的術語“基本上”，例如“基本上包括”。術語 “基本上”也可包含采用“完全”、“全部”、“所有”等來描述的實施例。因此，在實施例中，形容詞基本上也可刪除。在適當的時候，術語“基本上”也可指90%或更高，例如95%或更高， 特別是99%或更高，甚至更特別地99. 5%或更高，包括100%。術語“包括”也包含其中的術語“包括”意味著“由……組成”的實施例。進一步地，說明書和權利要求書中的術語第一、第二、第三等，適用于區(qū)分相似的元件，而不是為了描述前后順序或時間順序。應理解在適當的環(huán)境下，這些術語可互換使用，本文所描述的本發(fā)明的實施例可以按照除本文所描述和示出的順序以外的其他順序操作。本文中的裝置處于所描述的操作當中的其他裝置之中。本領域技術人員應該清楚，本發(fā)明不限于操作方法或操作中的裝置。應注意，上述實施例僅描述本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明，本領域技術人員應能夠設計很多可選的實施例，而不會超出權利要求書的范圍。在權利要求書中，括號中的任何附圖標記不應解釋為對權利要求的限制。使用動詞“包括”及其變形不排斥除了在權利要求書中記載的元件之外還存在的元件或步驟。元件前面的冠詞“一”(a或an)不排斥存在多個該元件。 事實上，在彼此不同的從屬權利要求中引用的某些測量值并不意味著這些測量值的組合不能獲益。
權利要求
1.一種光生物反應器系統(1)，該光生物反應器系統(1)用于在水性液體(6)中使光合培養(yǎng)物生長并收獲該光合培養(yǎng)物，該光生物反應器系統(1)包括a.容器(3)，布置為包含該水性液體(6)；b.光照系統(M)，布置為至少部分地淹沒在該水性液體(6)中，并布置為在該水性液體(6)的表面之下照射該光合培養(yǎng)物；以及c.收獲器系統(沈)，包括具有鏟子(10)的鏟子結構，該鏟子結構布置為從該水性液體 (6)中鏟出至少部分該光合培養(yǎng)物，以及收集器系統(18)，布置為收集至少部分所鏟出的光合培養(yǎng)物。
2.根據權利要求1所述的光生物反應器系統，其中該光生物反應器系統(1)包括受控和/或封閉環(huán)境，例如包圍該容器(3)的溫室O)。
3.根據權利要求1或2所述的光生物反應器系統，其中該光照系統04)包括光源 (20)，該光源00)布置為照射在該水性液體(6)的表面之下的該光合培養(yǎng)物。
4.根據權利要求3所述的光生物反應器系統，其中所述光照系統04)包括反射器 (22)，該反射器0 布置為將該水性液體(6)的表面之下的光源OO)的光反射到該水性液體(6)中。
5.根據權利要求4所述的光生物反應器系統，其中該反射器02)布置為在該光生物反應器系統(1)的使用過程中旋轉。
6.根據前述任意一項權利要求所述的光生物反應器系統，其中該鏟子(10)包括篩子 (14)，該篩子布置為鏟出預定部分的該光合培養(yǎng)物。
7.根據權利要求6所述的光生物反應器系統，其中該鏟子(10)包括網格，其中該網格具有約0. 5-35 μ m范圍內的網格尺寸。
8.根據前述任意一項權利要求所述的光生物反應器系統，其中該鏟子結構包括具有至少一個槳葉的槳輪結構(9)，其中該槳葉包括該鏟子(10)，且其中該鏟子結構布置為使該鏟子(10)在該水性液體(6)的表面之上的位置和該水性液體(6)之下的位置之間運動。
9.根據權利要求8所述的光生物反應器系統，其中該鏟子結構布置為使該鏟子(10)旋轉。
10.根據前述任意一項權利要求所述的光生物反應器系統，其中該收獲器系統06)進一步包括收獲器傳送器(12)，該收獲器傳送器(1 布置為允許該鏟子結構在該水性液體 (6)的不同位置鏟出。
11.根據權利要求10所述的光生物反應器系統，其中該收獲器傳送器包括軌道(13)。
12.根據前述任意一項權利要求所述的光生物反應器系統，其中該收獲器系統06)包括布置為清潔該光照系統04)的清潔單元。
13.根據前述任意一項權利要求所述的光生物反應器系統，其中該收集器系統(18)進一步包括產品傳送器，該產品傳送器布置為將所收集的鏟出的光合培養(yǎng)物傳送到存儲單元中。
14.根據前述任意一項權利要求所述的光生物反應器系統，進一步包括干燥器，該干燥器布置為干燥所收集的鏟出的光合培養(yǎng)物。
15.根據前述任意一項權利要求所述的光生物反應器系統，其中該鏟子結構包括根據權利要求8所述的該槳輪結構，以及其中該收集器系統布置為接收從該鏟子(10)落下的所鏟出的光合培養(yǎng)物。
16.根據前述任意一項權利要求所述的光生物反應器系統，其中該收獲器系統06)進一步布置為在該水性液體中產生擾動。
17.根據前述任意一項權利要求所述的光生物反應器系統，進一步包括用來將CO2提供給該水性液體的(X)2施放器09)。
18.根據前述任意一項權利要求所述的光生物反應器系統，進一步包括具有流動增強主體的流動增強系統，該流動增強主體具有用于接合該水性液體(6)的側部來增大該水性液體(6)中的擾動。
19.根據前述任意一項權利要求所述的光生物反應器系統，其中該光照系統04)包括光照面板，該光照面板包括a)形成間隔間的透明側壁，該間隔間包含用于照射該藻類的光源，以及b)用于將該光照面板容納在包含耦合光面板的壁中的耦合裝置。
20.根據前述任意一項權利要求所述的光生物反應器系統，進一步包括具有流動增強主體的流動增強系統(100)，該流動增強主體具有用于接合該水性液體(6)的側部來增大該水性液體(6)中的擾動。
21.根據權利要求20所述的光生物反應器系統，其中該流動增強系統(100)包括漏斗型系統，該漏洞型系統包括用于液體的入口和用于營養(yǎng)物的入口，以及用于液體和營養(yǎng)物的出口。
22.根權利要求所述20的光生物反應器系統，其中該流動增強系統(100)包括布置在該容器中的障礙物。
23.根據權利要求21至22中任意一項所述的光生物反應器系統，其中該障礙物與該漏斗型系統的出口排列成行。
24.一種用于根據權利要求1至23中任意一項所述的光生物反應器系統的該光照系統 (24)的光照面板，包括a)形成間隔間的透明側壁，該間隔間包含用于照射該藻類的光源， 以及b)用于將該光照面板容納在包含耦合光面板的壁中的耦合裝置。
25.一種受控和/或封閉環(huán)境，例如溫室O)，包括根據權利要求1至23中任意一項所述的該光生物反應器系統(1).
26.一種用于在水性液體(6)中使光合培養(yǎng)物生長并收獲該光合培養(yǎng)物的方法，該方法包括a.提供包含該光合培養(yǎng)物的該水性液體(6)；b.照射在該水性液體(6)的表面之下的該光合培養(yǎng)物；c.從該水性液體(6)中鏟出至少部分該光合培養(yǎng)物，以及d.收集至少部分該鏟出的光合培養(yǎng)物。
27.根據權利要求沈所述的方法，其中應用根據權利要求1至23中任意一項所述的該光生物反應器系統。
28.根據權利要求沈或27所述的方法，其中該方法應用在受控和/或封閉環(huán)境，例如溫室ο
29.收獲器系統06)的應用，該收獲器系統06)包括具有鏟子(10)的鏟子結構，該鏟子結構布置為從水性液體(6)中鏟出至少部分光合培養(yǎng)物；以及收集器系統(18)，布置為收集至少部分該鏟出的光合培養(yǎng)物，該收獲器系統06)應用于用于在該水性液體(6)中使該光合培養(yǎng)物生長的光生物反應器系統(1)中，用于在該水性液體(6)中產生擾動并用于收獲至少部分該光合培養(yǎng)物。
30.一種光照系統，用于照射水性液體中的光合培養(yǎng)物，該光照系統包括 包括多個LED的光源；用于支撐所述LED的安裝結構；用于容納該光源和該安裝結構的外罩，至少部分該外罩對于由該光源發(fā)射的光是透明的；其中該外罩至少部分地填充有冷卻液，從而在使用中，利用該冷卻液通過對流將來自所述LED的熱量從所述LED傳出。
31.根據權利要求30所述的光照系統，其中所述LED布置在該安裝結構上的垂直條帶上。
32.根據權利要求30或31所述的光照系統，其中在操作中，由LED產生的光被傳送通過該冷卻液和該外罩的透明部分。
33.根據權利要求32所述的光照系統，其中在操作中，由所述LED產生的光在從該外罩發(fā)射出去之前僅通過液體和固體媒介。
34.根據權利要求30至33中任意一項所述的光照系統，其中該光源布置成在操作中， 從該光源發(fā)射出的80%以上的光的波長在400-450nm和640_680nm范圍內。
35.根據權利要求30至34中任意一項所述的光照系統，其中該光源包括用于發(fā)射具有 400-450nm范圍內的波長的光的至少一個LED，和用于發(fā)射具有在640-680nm范圍內的波長的光的至少一個LED。
36.根據權利要求30至35中任意一項所述的光照系統，其中所述LED的至少一部分是磷化鋁銦鎵LED。
37.根據權利要求30至36中任意一項所述的光照系統，進一步包括反射器，該反射器用于將從LED發(fā)射的光基本上與該外罩的透明部分呈直角地朝向該透明部分的表面反射。
38.根據權利要求37所述的光照系統，其中該反射器包括圍繞每個LED的圓形反射表
39.根據權利要求37或38所述的光照系統，其中該反射器包括由環(huán)氧樹脂構成的反射表面。
40.根據權利要求30至39中任意一項所述的光照系統，其中該冷卻液與所述LED直接接觸。
41.根據權利要求30至40中任意一項所述的光照系統，其中該冷卻液是油。
42.根據權利要求41所述的光照系統，其中該油包括溶解在其中的TiO2粒子。
43.根據權利要求30至42中任意一項所述的光照系統，其中該冷卻液對于由該光源發(fā)射的光基本上是透明的。
44.根據權利要求30至43中任意一項所述的光照系統，其中該冷卻液的折射率為1.5 或更高。
45.根據權利要求44所述的光照系統，其中該冷卻液具有1.5至1. 7范圍內的折射率。
46.根據權利要求30至45中任意一項所述的光照系統，其中該冷卻液具有足夠低的粘性從而由于自然對流在所述LED上提供流動。
47.根據權利要求30至46中任意一項所述的光照系統，進一步包括用于該冷卻液和該水性液體之間的熱量傳輸的第一熱交換器。
48.根據權利要求30至47中任意一項所述的光照系統，其中該外罩是防水的，從而使該光照系統能夠淹沒于水中。
49.根據權利要求30至48中任意一項所述的光照系統，其中該外罩的透明部分包括具有1. 3或更高的折射率的玻璃。
50.根據權利要求49所述的光照系統，其中該玻璃含鉛。
51.根據權利要求30至50中任意一項所述的光照系統，其中該外罩的透明部分包括聚碳酸酯。
52.根據權利要求30至51中任意一項所述的光照系統，其中該外罩的透明部分的折射率基本上等于該冷卻液的折射率。
53.根據權利要求30至52中任意一項所述的光照系統，進一步包括漫射器，該漫射器布置在該外罩的透明部分用于將來自所述LED的光從該外罩散射出去。
54.根據權利要求53所述的光照系統，其中該漫射器包括位于該外罩的透明部分的至少一部分上的漫射片。
55.根據權利要求53所述的光照系統，其中該漫射器包括位于該外罩的透明部分的外側的凸壁部分。
56.根據權利要求30至55中任意一項所述的光照系統，其中該外罩包括用于將日光引入該外罩的透明頂部。
57.根據權利要求56所述的光照系統，其中該透明頂部包括用于將日光引導到該外罩中的反射器。
58.根據權利要求56或57所述的光照系統，其中該透明頂部具有過濾器，該過濾器用來避免具有特定波長的光進入該外罩。
59.根據權利要求30至58中任意一項所述的光照系統，進一步包括光照控制裝置，用于使所述LED在操作中快速循環(huán)開和關。
60.根據權利要求30至59中任意一項所述的光照系統，其中該安裝結構包括通道，該通道用于循環(huán)將熱量從所述LED的安裝側傳出的冷卻流體。
61.根據權利要求30至60中任意一項所述的光照系統，進一步包括另一熱交換器，用于該冷卻流體和該水性液體之間的熱量傳輸。
62.根據權利要求30至61中任意一項所述的光照系統，其中該外罩包括管狀結構，在操作中，該冷卻液流過該管狀結構。
63.根據權利要求62所述的光照系統，其中該光源包括LED條帶，該條帶平行于該管狀結構的中心軸放置。
64.根據權利要求63所述的光照系統，其中該光源包括多個LED條帶，所述條帶平行于該管狀結構的中心軸放置，且以相對于彼此基本上相等的角度圍繞在該管狀結構的周圍。
65.一種用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長的反應器，該反應器包括用于容納包含該光合培養(yǎng)物的該水性液體的蓄水池；以及根據權利要求30至64中任意一項所述的光照系統，用于照射該光合培養(yǎng)物；其中該光照系統至少部分地淹沒在該水性液體中。
66.根據權利要求65所述的反應器，其中該外罩的該透明部分基本上全部淹沒在該水性液體中，從而從該光照系統發(fā)出的光基本上全部進入位于該水性液體的上表面之下的該水性液體中。
67.根據權利要求65或66所述的反應器，其中在操作中，由所述LED產生的光傳輸通過該冷卻液和該外罩的該透明部分進入該水性液體。
68.根據權利要求65至67中任意一項所述的反應器，其中在操作中，由所述LED產生的光在從所述外罩發(fā)射出來并進入該水性液體之前僅通過液體和固體媒介。
69.根據權利要求65至68中任意一項所述的反應器，其中在操作中，傳輸通過該外罩的透明部分的光具有足夠的強度，從而基本上避免光合培養(yǎng)物在該外罩的該透明部分的表面上生長。
70.根據權利要求65至69中任意一項所述的反應器，進一步包括用于藻類在該蓄水池中的循環(huán)的循環(huán)系統。
71.根據權利要求70所述的反應器，其中該循環(huán)系統包括無刃泵。
72.根據權利要求71所述的反應器，其中該無刃泵包括盤泵。
73.根據權利要求65至72中任意一項所述的反應器，進一步包括二氧化碳源，和用于通過該無刃泵將二氧化碳饋送到該蓄水池的入口。
74.根據權利要求65至73中任意一項所述的反應器，其中該蓄水池包括對日光不透明的側壁。
75.根據權利要求65至74中任意一項所述的反應器，其中該蓄水池具有對日光透明的頂部。
76.一種用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長的反應器，該反應器包括用于容納包含該光合培養(yǎng)物的該水性液體的蓄水池；以及包括光源的光照系統，該光源包括多個LED ；用于支撐所述LED的安裝結構，以及用于容納該光源和該安裝結構的外罩，該外罩的至少一部分對由該光源發(fā)射的光透明；其中該外罩的透明部分基本上全部淹沒在該水性液體中，從而光照系統發(fā)射的光基本上全部進入位于該水性液體的上表面之下的該水性液體中。
77.根據權利要求76所述的反應器，其中該外罩至少部分地填充有冷卻液，從而通過該冷卻液將來自所述LED的熱量從所述LED傳出。
78.根據權利要求77所述的反應器，其中在操作中，由所述LED產生的光傳輸通過該冷卻液和該外罩的該透明部分進入該水性液體。
79.根據權利要求76至78中任意一項所述的反應器，其中在操作中，由所述LED產生的光在從該外罩發(fā)射出來并傳入該水性液體之前僅通過液體和固體媒介。
80.根據權利要求79所述的反應器，其中在操作中，由所述LED產生的光通過多個媒介，從LED到包含該光合培養(yǎng)物的該水性液體，該光所通過的每個媒介的折射率等于或小于該光所通過的前一個媒介。
81.根據權利要求76至80中任意一項所述的反應器，其中在操作中，傳輸通過該外罩的該透明部分的該光具有足夠的強度，從而基本上避免該光合培養(yǎng)物在該外罩的該透明部分的表面上生長。
82.一種用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長的方法，該方法包括提供包含光合培養(yǎng)物的水性液體；提供至少部分淹沒在該水性液體中的光照系統，該光照系統包括多個LED ；提供用于冷卻該光照系統的所述LED的第一冷卻液；以及用所述LED產生的光照射該光合培養(yǎng)物，該光傳輸通過該冷卻液并在該水性液體的上表面之下的一點處進入該水性液體。
83.根據權利要求82所述的方法，進一步包括使該水性液體循環(huán)。
84.根據權利要求82或83所述的方法，其中通過依據開/關周期切換LED的開和關來實現對該光合培養(yǎng)物的照射。
85.根據權利要求82至84中任意一項所述的方法，其中該方法進一步包括在該水性液體上表面之下的區(qū)域中漫射由所述LED產生的光。
86.根據權利要求82至85中任意一項所述的方法，其中該方法進一步包括向該水性液體提供二氧化碳氣體。
87.根據權利要求82至86中任意一項所述的方法，其中該方法進一步包括提供具有旁路通道的無刃泵，該旁路通道具有入口，以及通過該泵的該旁路通道中的該入口實現所述二氧化碳的提供。
88.根據權利要求82至87中任意一項所述的方法，其中該方法進一步包括提供用于將熱量從所述LED傳出的冷卻流體，該冷卻流體與用于冷卻LED的冷卻液分開。
89.根據權利要求88所述的方法，其中該方法進一步包括利用由該冷卻流體從所述 LED傳出的熱量加熱該水性液體。
90.一種用于將由發(fā)光二極管產生的光向包含光合培養(yǎng)物的水性液體傳輸的方法，該方法包括通過該發(fā)光二極管發(fā)射光，該發(fā)光二極管具有第一折射率；通過具有第二折射率的液體媒介傳輸該光；進一步通過具有第三折射率的固體媒介傳輸該光；以及將光送入該水性液體中，該水性液體具有第四折射率；其中該第一、第二、第三和第四折射率的值成遞減順序排列。
91.根據權利要求90所述的方法，其中該第一折射率的值在2.2至3. 3之間。
92.根據權利要求90或91所述的方法，其中該液體媒介是冷卻流體，且該第二折射率的值在1.5至1.7之間。
93.根據權利要求90至92中任意一項所述的方法，其中該固體媒介包括具有1.3或更高的折射率的玻璃。
全文摘要
本發(fā)明包括一種用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長并收獲該光合培養(yǎng)物的生物反應器系統。本發(fā)明進一步涉及一種用于在水性液體中使光合培養(yǎng)物生長并收獲該光合培養(yǎng)物的方法。本發(fā)明進一步涉及布置為收集從生物反應器系統中產出的光合培養(yǎng)物的至少一部分的收獲器系統的用途。
文檔編號C12M1/00GK102203233SQ200980138996
公開日2011年9月28日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權日2008年8月1日
發(fā)明者D·D·克倫布林克, J·O·羅伊曼斯, T·W·尼布 申請人:藻類技術(英國)有限公司