用于生产及收获微藻类的生物反应器的制作方法

本发明涉及用于生产及收获微藻类的生物反应器，该生物反应器包括呈储槽的形式并设置成接纳co2和水以及藻类的反应器池，并且该反应器池配备有用于收获的藻类生物质的至少一个出口。

背景技术：

根据专利文献，参照wo2010013998a1和wo2010117726a1。wo2010013998a1涉及用于培养和收获藻类的生物反应器，其中，该装置包括旋转式混合机构，该旋转式混合机构也可以用作收获机构，因为过滤器叶片可推动一部分藻类物质向上进入收集器。混合/收获机构整体可以在生物反应器装置上沿着轨道移动，并且因此覆盖装置的整个长度。反应器其本身位于温室内并且包括若干通道。还描述了用于对装置进行照明和加热以及供给co2的系统。wo2010117726a1涉及圆形的浮式生物反应器，该生物反应器包括具有旋转杆的混合系统。

此外，参照us20110201102a1、us20120329147a1和us8642326b1。us20110201102a1涉及用于连续培养藻类的简单生物反应器。该生物反应器包括储槽，该储槽具有用于供给营养液、co2和藻类的培养基的相关联的泵和管线。储槽放置在类温室的结构中并且具有安装在储槽上方的灯。此外，储槽具有用于循环藻类溶液的系统，其中，在底部中两个侧壁之间紧固有流动导向件，该流动导向件包括具有孔的柔性软管，所述孔用于在富含co2的水中形成气泡。us20120329147a1描述了用于培养藻类的装置，该装置包括在浮式结构中的多个被覆盖的生物反应器。该装置具有用于水、营养物和藻类培养基的供给和循环的不同的泵和管线。此外，生物反应器具有收获经脱水的藻类悬浮物的装置，并且已收获的藻类被导引至储罐。us8642326b1涉及用于在反应器中生产和收获藻类的系统。该系统除了被覆盖的反应器储槽之外还包括用于将co2混合至进水中的湍流器、具有用于确保反应器的运动的一体式灯的导引板、用于收获的出口通道、用于测量反应器储槽中的物位的浮体以及用于收获的藻类的脱水装置。被覆盖的反应器还具有用于向外排放所产生的氧气的系统。

用于在反应器中生产微藻类的许多系统和装置是已知的，比如进行藻类生产本身所在的管路装置，以及用于收获藻类的单独的设备。

这些系统需要相当大的区域并且通常成本很高。此外，这些系统在持续操作时由于清洁和维护将会特别昂贵。另外，这些系统在构造方面非常复杂并且效率很低。此外，这些系统会受到污染并且将通常与差的基础结构一起安置到位并且与移除co2的操作所在的位置处的烟气装置相关联，除了光之外，co2是获得微藻类的基本生长的先决条件。

技术实现要素：

通过本发明，一个目标是解决目前复杂且昂贵的装置并且同时具有封闭式系统，在封闭式系统中，可以高效地使用海水作为co2来源，并且此外在同一个单元中获得封闭式生产和收获装置。

一个目标是将藻类的生产和收获合并在同一个单元中。

此外，一个目标是将反应器封闭在由玻璃材料或其他材料制成的封闭室中，使光进入但是同时避免来自外界的污染物，并且该反应器具有呈小的构造尺寸的紧凑体积。

这将使得能够将藻油和产品输送到广阔的市场，例如化妆品、用于养殖业的饲料生产以及输送到制药产业。此外，一个目标是以简单的方式利用来自养殖装置的废料，同时可以从藻类的生产中提取压缩的氧气。

使反应器盖是气密性的可以解决上述问题，而且确保了对于从藻类的生产中产生的氧气的利用。这种情况能够实现是因为壳体或盖子连接至具有封闭式管系统的风扇而不是将氧气排放到大气中。

然后，可以将氧气带到例如直接地压缩氧气的发生器和/或压缩机，并且能够将氧气连续地储存在瓶中并作为完整的氧气瓶电池，并且该氧气瓶电池进而可以是针对养殖产业的另一可销售的产品，以及此外用于与氧气瓶(flask)有关的选择性目的。

这意味着本发明实现了非常高效的生产过程，并且还获得了准备好从生产单元本身递送的呈氧气形式的额外产品。

这将是一种优势并且将是在鱼类养殖业与鱼类养殖装置中的灭虱(delousing)、水母的入侵相关联使用的巨大资源，并作为用于封闭式及陆上养殖设施的补充和备用方案。

此外，根据本发明，可以在藻类反应器以及藻类生产中实现更高的温度，例如在基本藻类培养罐中实现更高的温度，该基本藻类培养罐也可以安装在反应器单元上并用于加热藻类培养基。这可以例如通过以下方式实现，例如使由氧气的压缩产生的热与被引入反应器中的海水进行热交换，而该海水将用于冷却氧气产品本身。

一个目标是提供下述技术方案：提供了用于对藻类生产的良好控制、低的投资成本和高效、紧凑且维护友好型的实施方式，还提供一种用于生产和收获藻类的与当前的解决方案相比更连续的、卫生且高效的方法。

此外，根据本发明的解决方案将确保可以非常简单地满足所有的消防法规，同时尝试实现用于控制藻类本身的生产和围绕藻类生产的过程的符合人体工程学的功能性的解决方案。

此外，根据本发明，显著的优点是收获导管在外边缘处尽可能大，在外边缘处，藻类生物质能够沿周向滑过并且离开反应器，因为导管略微倾斜并且以锥形的方式向内朝向与以澄清器、离心机和可能的压力机的形式的脱水单元相连接的拐角或出口，以能够进一步将纯藻油分离为欧米伽3饱和酸，该欧米伽3饱和酸具有比藻类生物质本身更高的价格。

藻类生物质可以进一步用作喷气燃料和动物饲料。

上述目标是通过用于生产和收获微藻类的生物反应器获得的，该生物反应器包括反应器池，该反应器池呈储槽的形式并设置成接纳co2和水以及藻类，并且该反应器池配备有用于收获的藻类生物质的至少一个出口，其特征在于，该反应器池包括旋转梁，该旋转梁配备有一个或更多个可倾斜的混合格栅和收获格栅。

在相应的从属权利要求中给出了替代性的实施方式。

所述混合格栅和收获格栅可倾斜并布置成停放在位于反应器池中的水上方的位置中。

旋转梁优选地配备有多个臂，其中，所述混合格栅和收获格栅安装在相应的臂上。替代性地，所述混合格栅和收获格栅可以安装在同一个臂上。

支承组件可以居中地安装在通路中，该通路延伸越过反应器池，并且其中旋转梁在支承组件处悬置于反应器池的上方。

此外，旋转梁的端部可以配备有机动式驱动轮，所述机动式驱动轮在邻近于反应器池的上水平表面部段上滚动。

收获格栅优选地形成为细格栅或栅格以允许水通过而不允许生物质通过，并且收获格栅可以包括下部部段，该下部部段抵靠于反应器的底部刮擦以带动藻类物质。

混合格栅优选地形成为粗栅格以允许水和藻类物质通过，并且布置成混合或搅拌反应器池中的藻类物质。

混合格栅可以在下部部段上以及可能地在侧边缘上配备有刷子等，用于清洁反应器池的侧壁和底部。

此外，混合格栅可以配备有多个扩散器，用于将惰性气体注入反应器池水中，其中，惰性空气促进藻类生物质的生长。

反应器池可以包括一个或更多个倾斜的收获导管，所述一个或更多个倾斜的收获导管从邻近于反应器池的中央的区域延伸并且穿出反应器池的外周，其中，收获的藻类生物质被布置成经由收获导管流出并流至收集储槽。

收获导管可以包括在邻近于反应器池中的水面的区域中的升高部段，其中，在收获导管的前方，反应器池的底部的第一部段以一定角度或以弓形的方式朝向收获导管向上伸延，并且在收获导管的后方，第二部段以弓形的方式向下延伸以再次到达底部。

用于灯的框架可以安装至梁并且可以与梁一起被驱动而旋转，其中，灯框架安装有多个呈灯棒形式的灯，该灯棒悬垂到反应器池中以刺激藻类生产。

此外，反应器池可以由顶部或盖子覆盖，使得在反应器池的上方设定封闭的空间，其中，顶部是透明的并且由塑料或玻璃制成以使刺激藻类生产的光穿过。

生物反应器可以安装在配备有浮箍的浮式结构中，使得该结构被布置成浮在水中或水面上，并且浮式结构包括泵和用于生物反应器的操作的其他设备。

附图说明

现在，将借助附图对本发明进行更详细地描述，在附图中：

图1示出了具有根据本发明的生物反应器的浮式结构。

图2示出了穿过图1中所示的结构截取的局部截面。

图3更详细地示出了图2中所示的反应器。

图4示出了从上方观察的根据本发明的封闭式生物反应器的轮廓。

图5至图7示出了从上方观察的根据本发明的生物反应器的更多细节。

图8至图9示出了作为根据本发明的生物反应器的一部分的混合格栅。

图10至图11示出了作为根据本发明的生物反应器的一部分的收获格栅。

图12更详细地示出了安装在反应器池中的混合格栅的截面。

具体实施方式

如图1中所示，本发明的一实施方式包括浮式结构10，该浮式结构10可配备有浮箍12使得该结构被布置成浮在水中或水面14上。为了锚固，浮箍12可以配备有锚固线16，该锚固线16向下延伸入水中至锚固点(未示出)。因此，浮式结构10可以以与普通浮式渔业养殖装置相同的方式被锚固。此外，浮式结构10可包括一个或更多个码头18、20，轮船可以停泊在所述码头处，并且所述浮式结构10可包括泵和用于安装在浮式结构中的生物反应器30的操作的其他设备。

在图2中更详细地示出了生物反应器30，并且该生物反应器30包括具有侧壁34和底部36的反应器池32，从而形成以水填充的储槽。表述“生物反应器”指的是反应器池和相关的泵及用于藻类生产的设备，并且还有其他设备。反应器池32被充水至高于、低于周围的水14的水平面或与周围的水14的水平面对应的给定高度，并且被连接至用于供给水的进水管40。水可以借助于泵42被向上泵送并且被导引至过滤器系统44。然后，水被导引至用于供给藻类基本培养基、即初始培养基的生产装置46，所述初始培养基被进一步导引至反应器池32。泵42或多个泵以及过滤器系统44可以安置在码头18的下部中，而生产装置46可以安置在同一码头18上的壳体48中。

优选的是，多个通路24延伸越过反应器池32并且在反应器池上方的中心点处相接。在中心点处可以安置有中央控制室22。通路和控制室确保了对生物反应器的清楚的且符合人体工程学(ergonometric)的操作。供给至反应器池32的水和藻类经由管线50或安装在通路24上的管被导引至生产装置46，或者水从泵42和过滤器系统44经由管50被直接地泵送至反应器池32。

通路24、或更具体地通路相接处的中心点部还将用作用于旋转梁54的支承件，其中，梁被安装在支承组件52中。为了操作梁54，支承组件52可以是机动化的(motorised)，但是更优选的是，梁的端部56配备有机动式驱动轮58，该驱动轮58在邻近于反应器池32的上水平表面部段38上滚动。这意味着该结构制造起来非常简单，因为支承组件52可以具有非常小的直径并且梁54被支承且以受控的速度被驱动而旋转。通过管线50供给的水和任何藻类可以经由支承组件52被分配在反应器池32中。相应地，肥料或营养盐也可以经由支承组件52供给。此外，支承组件52可包括电动滑环，该电动滑环用于将电流传输至安装在旋转梁54上的多个混合格栅60和多个收获格栅62。稍后将对混合格栅60和收获格栅62进行更详细地阐述。

图4示出了从上方观察的具有生物反应器30的浮式结构10，并且如能够观察到的，在所示实施方式中该浮式结构10具有圆形形状。在具有旋转梁54的情况下，优选的是反应器池32是圆形的，但是反应器池自然也可以具有其他形状。因此，通路24在如所示的圆形形状的中心相接，并且其中，所述控制室22可以安置在所提到的圆形形状的中心处。反应器池32优选地由顶部26或盖子覆盖，使得在反应器池上方提供了封闭的室，这意味着反应器池的底部36、壁34和顶部26形成了封闭的空间。顶部26优选地是透明的并且由塑料或玻璃制成以使刺激藻类的生产的光穿过。由于透明的顶部26安装得尽可能低，并且优选地处于通路24和控制室22下方的高度处，这使得根据本发明的解决方案在水14中浮于非常低的位置，这样的解决方案除了具有以环境友好且清洁的方式生产的优点之外还具有美观的优点并且是相当便宜的解决方案。另外，该实施方式的示例需要较少的维护。此外，该实施方式的示例承受较小的风力，这样可以简化其锚固并扩大了可以进行生产的区域。

顶部26可以配备有排气窗口，以防万一吸气风扇84停机或者达到相对于专家或其他人的需求而言过高的氧气水平的情况。并且，这些窗口可以被铰接并能够通过扭力马达自动地打开，其中，该扭力马达在氧气水平过高的情况下打开该排气窗口。这确保了无爆炸危险的生物反应器，该生物反应器由此可以在爆炸安全方面得到常规批准。风扇84可以由电动马达驱动。

旋转梁54可(如图3中所示)具有两个臂。在更优选的实施方式中，比如图5和图6中所示的示例，梁可以包括多个臂，在该情况下为三个臂54a、54b、54c，其中所有的臂如上所述安装在支承组件52中并且被驱动轮58驱动而旋转。通过使用多个臂，确保了藻类物质在反应器池32中的更平顺且更好的混合，并且还确保了更快且更好地收获藻类物质。

如图4和图7中所示，并且参照图3，用于灯的框架28可以安装至梁54(或梁的臂54a、54b、54c)并且与梁一起被驱动而旋转。框架28优选地安装在梁54的上方并且位于通路24的下方。框架也可以安装在梁54的下方。框架28可以包括多个圆环，其中，环以在径向方向上一者在另一者的外侧且直径平稳地增大的方式安装。然而，如果需要，框架28可独立地安装在支承组件52中，并且独立于梁54的旋转独自被驱动而旋转。

在灯框架28上安装有多个灯以刺激反应器池32中藻类的生产。灯可以呈灯棒64的形式，该灯棒64悬垂到反应器池32中。灯也可以安装在混合格栅60上。

为了收获藻类物质，反应器池32优选地包括一个或更多个收获导管70，在所示的实施方式中反应器池32包括一个导管。收获导管70优选地从邻近于反应器池32的中央的区域并朝向反应器池32的外周径向向外地延伸并且延伸穿过反应器池32的外周，并且导管70的截面能够稳定地增大。此外，收获导管70例如放置在位于反应器池32的底部的升高部段72上，并且使得收获导管70的上部位于池32中的表面区域32a中。收获导管70或收获导管的底部径向向上地斜倚或倾斜、穿过且离开反应器池32的外周并且终止于收集储槽74中。以这种方式，在同一个单元中可以获得对藻类生物质的非常灵活且高效的生产和收获。由于导管70从中央向外且向下略微地倾斜，并且之后导管如图6中所示向内成角度，因此收获变得甚至更高效。以这种方式，藻类生物质可以在收获导管70中自由地向外且向下行进并且向下进入收集储槽74，该收集储槽74进而可以连接到泵和/或离心机和/或澄清槽76。压机78可用于将藻类生物质脱水，同时分离出纯藻类油，该纯藻类油可以储存在潜水式储槽90中。同时，会产生剩余的藻类生物质，该剩余的藻类生物质可以经由管线80a传输至储槽80并储存在储槽80中。该管线80a在某种程度上可以是用于流动的泵送管线或者传送器螺杆。另外，过量的生物质可以经由管线82进一步泵送回到反应器池32以在藻类生产中再次使用。以这种方式，可以生产呈价值高昂的藻油的形式的有吸引力的产品，并且其中生产变得特别高效并且没有浪费藻类培养物。

如上所述，本发明包括多个混合格栅60和多个收获格栅62，所述多个混合格栅60和多个收获格栅62安装至旋转梁54或更具体地安装至臂54a、54b、54c。在图10和图11中，收获格栅62示意性地示出为被紧固至梁54，并且包括在安装点62a处可倾斜地紧固至梁54的格栅或栅格等。收获格栅62可以借助于可以由例如控制室22控制的马达、气缸或齿轮(cogwheel)/齿形杆系统而是可倾斜的并且停放在位于反应器池中的水的上方的上部位置中。如图所示，收获格栅62可以形成为呈l形形状等，其中，收获格栅62的下部63刮擦反应器池32的底部以带动藻类物质。收获格栅的剩余部分进一步布置成捕获和带动藻类物质，但是优选地形成为使得所述收获格栅的剩余部分仅允许水通过而不允许藻类物质通过，并且因此可以配备有例如细网或细栅格。收获格栅62可以包括一个或更多个格栅，并且可以沿着梁54的整个长度或长度的一部分布置。

因此，收获格栅62用于将藻类物质导引至收获导管70。为了简化该工作，收获导管70的每侧的区域可以包括升高部段72，例如图10和图11中所示的部段72a、72b。在收获导管70的前方，反应器池32的底部36的第一部段72a以一定角度或以弓形的方式朝向收获导管70向上延伸。线32a示出了反应器池中的水位。在收获导管70的后方，第二部段72b以弓形的方式向下延伸并再次到达底部36。图10示出了靠近反应器池32的中央的升高部段72a、72b，而图11示出了周向地远离反应器池32的中央设置的升高部段72a、72b。为了使收获格栅62不落入或卡入收获导管70中，收获导管优选地在顶部侧配备有通道格栅、导杆等，收获格栅62的下部63可以滑动穿过所述通道格栅、导杆等。

收获格栅62在不使用时可以停放在如图9中所示的上部位置。

在图8和图9中，混合格栅60被示意性地示出为紧固至梁54，并且包括通过安装点60a以可倾斜的方式紧固至梁54的格栅、栅格等。混合格栅60可以借助于可以由例如控制室22控制的马达、气缸或齿轮/齿形杆系统而是可倾斜的并且停放在位于反应器池中的水的上方的上部位置中，停放在位于反应器池中的水的上方的上部位置中的混合格栅60对应于收获格栅62，并且混合格栅60可以如图所示的形成为呈l形形状等，其中，混合格栅60的弯折的下部61抵靠于反应器池32的底部以混合或搅拌反应器池32中的藻类物质。混合格栅的剩余部分也布置成混合或搅拌藻类物质，并且形成为使水和藻类物质穿过混合格栅的剩余部分。由于这个原因，混合格栅60可以配备有或形成为粗栅格，例如图3或图12中所示的，并且也具有直的形状。

混合格栅60和收获格栅62可以以可倾斜的方式安装至梁54的相应的部分或臂54a、54b、54c使得多个混合格栅60安装在一个臂上，而多个收获格栅62安装在另一个臂上。未使用的格栅60、62向上倾斜。替代性地，多个混合格栅60和多个收获格栅62可安装在相同的臂或梁上。在多个混合格栅60和多个收获格栅62可安装在相同的臂或梁上的情况下，收获格栅62可以如图8和图9中所示的向上倾斜，而混合格栅60在使用中。与此相反，混合格栅60可以以与收获格栅相反的方式容易地向上倾斜，并且收获格栅62下落到反应器池32中以如早先所述的用于收获藻类物质，而混合格栅60向上倾斜。

混合格栅60还可以在下部上并且能够在其侧边缘上配备有刷子65，使得反应器池的底部32和侧壁34可以被连续地清洁并且因此构成几乎免维护的解决方案。以这种方式，生产可以以几乎自动的过程在白天和黑夜进行，并且反应器池本身不需要被手动地排空或清洁。

此外，混合格栅60可配备有用于将空气注入反应器池32中的喷嘴/扩散器66。注入反应器池32中的空气可以是借助于空气泵(未示出)被泵入的惰性空气，即氧气含量减少的空气。混合格栅60还可以配备有呈例如螺旋桨状装置68的形式的搅拌装置以增加藻类的产量。这确保在整个24小时期间连续地搅拌反应器内容物并防止藻类生物质在反应器中的沉积。

主要有三种不同的技术用于生产惰性空气：膜技术、psa(变压吸附)技术和vsa(真空变压吸附)技术。无论何种技术的惰性气体发生器均将氧气从标准空气分离出。剩余的贫氧惰性空气被供给/按计量加入生物反应器30中。生物反应器30可以经由其空气泵提供搅拌并且经由安装在混合格栅60上或反应器池32的底部中的扩散器66通过根据需要连续地供给惰性空气(超纯空气)而对微藻培养基充气，使得氧气水平保持在惰性空气的给定的最小/最大极限值内。在反应器池32中的光合作用期间产生的氧气最初是副产品。如果氧气的减少会促进生长或抑制生长，则在生物反应器30中使用惰性空气来增进藻类生物质的生长是合适的。二磷酸核酮糖羧化酶(enzymerubisco)调节co2的吸收并且在低温下效果最好。这表明北欧的/北极的硅藻非常适合“碳捕获”。简而言之，二磷酸核酮糖羧化酶吸收co2和o2。为了获得快速和大量的co2吸收，因此重要的是微藻类吸收与二氧化碳co2相比相对少的o2。这意味着适应低温的北方藻类物种在吸收co2方面比在高温下生长的(南方)物种更高效。这进而增强了与二氧化碳相结合的藻类二磷酸核酮糖羧化酶的效率。因此，使用惰性空气可以使藻类的生长增速。

以这种方式，获得了可以自动化的且受到连续控制的连续且灵活的生产和收获。通过收获一部分培养物并重新填充新的生长培养基，可以将培养基保持在获得最大产率的生长期。该方法还可以通过泵入生长培养基并从生物反应器30中的培养物于出口中收获藻类而连续进行。以这种方式，原则上可以获得不受限于时间的恒定产量。由于藻类在整个过程中保持处于同一生长阶段，藻类生物质的组成和质量是相对恒定的。

生产设备46还可以在单独的培养站/海洋生物库中使用惰性空气，该海洋生物库用于将海洋微生物再填充到反应器池32中。在培养站中可以使用培养室，超纯空气被连续地供给至培养室以提高生长率。当在室中实现完全饱和时，藻类培养物被泵送到反应器中。培养站中的生产在给送最佳营养物的情况下进行，并且可以被驱动为连续操作，该连续操作具有使藻类生物质的出料(outtake)平衡的稀释速度。

如上所述，生物反应器30可以配备有吸气风扇84。这些吸气风扇84也可以用于从生物反应器中抽出经分离的氧气，并且所述氧气可以经由管线86导引至压缩机88，并且可能经由氧气发生器导引，该氧气发生器将自由的氧气压缩至更高压，该氧气可以存储在压力罐87(图7)中用以随后填充气瓶，该氧气进而可以用作例如沿着海岸的渔业养殖设施的氧气。压缩机88可以被冷却器环绕，冷却器的冷却水连接到海水入口管40，从而确保被泵送到反应器30中的海水不被过冷，否则会损害藻类产品的价值。以这种方式，可以实现经压缩的氧气的生产和储存以及通过海水进行的热吸收。

用于储存所产生的藻类生物质的潜水式储槽90可以如所示的包括提供浮力的浮箍92，该浮箍92可以经由线缆96和锚固元件94锚固到海床。此外，储槽90可以是经由管线98a、98b连接到码头20中的藻类生产装置，以接纳和输出藻类生物质。