光合生物反应器及其系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了光合生物反应器及系统，该反应器包括：一微藻生长盒，包括：上、下生长盘，所述上、下生长盘组合形成一空间，所述上、下生长盘的边缘设置若干通孔与外部相连；一通气网，设置在所述下生长盘内，所述通气网表面有若干通气孔，所述通气网的两端分别连接一进气口和一出气口。本实用新型公开的光合生物反应器系统包括：一气体和液体的传输模块和一弱光或夜晚照明模块。本实用新型不但可以极大节约输入能耗，还能节约用水，节省空间，可在我国或是其他国家土地贫瘠地区（比如沙漠，盐碱地等）进行推广，并有巨大的经济和能源战略价值。
【专利说明】光合生物反应器及其系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及生物工程，新能源，生物固碳等领域，尤其涉及一种用于大规模培养微藻，油藻或其他光合微生物的低功耗、易维护、可扩容、全天候的光合生物反应器及其系统。
【背景技术】
[0002]过去10多年来，人类消耗石油、煤炭等化石类能源对地球气候的影响引起了越来越多国家、机构和普通民众的担忧。为了经济的可持续发展和环境保护，科技和产业界正致力于两方面的工作:可更新的新能源(renewable energy)和二氧化碳捕捉(carboncapture)ο在相关的众多技术方案中，微生物特别是微藻(algae)引起来了相当多的关注。使用水池(open pond, OP)或生物光合反应器(photob1reactor, PBR),筛选合适的菌种或藻种，不仅可以用来处理城市废水，进行热电厂的生物固碳(www.powerplantccs.com,光合作用吸收二氧化碳并产生氧气。)，还可以同时收获用来生产生物油料(b1fuel)或蛋白质等其他有机质(b1mass)。例如，用微藻生产生物油料，有些藻种的干重含油量可超过70%。干重含油量在50%以上的微藻种类也有不少(en.wikipedia.0rg/wiki/Algae_fuel)。这正是油藻用于能源生产最激动人心的前景。
[0003]不过，过高的生产成本一直是油藻生产进行工业化推广的障碍。美国能源部生物质项目 2012 年发布的报告(energytrendsinsider.com/2012/05/07/current-and-projected-costs-for-b1fuels-from-algae-and-pyrolysis/)比较了几种新型燃油生产技术，发现微藻生物油料比煤液化，燃气液化等技术贵了一倍以上。该报告还比较了现有的OP和PBR两种生产方式，发现PBR比OP生产成本还要贵了 80%以上。所以目前在欧美种植油藻提供生物柴油原料的现状是:0P仅有一些小型试验基地，PBR更是主要还处于在实验室阶段。可是，对于亚洲特别是中国这种人均耕地严重不足的国家来说，OP非常耗水，非常占地，会与粮食作物争地争水，所以不是一个好的发展方向。PBR比较常见的结构是槽式和管式。在槽式PBR中，藻液全部集中在一个大的水槽中，可以方便地进行搅拌和通入二氧化碳；不过由于藻液槽的体积和厚度很大，中间部位的微藻接受不到光照，有效光感面积很小。管式PBR虽然有效利用了小管径的光感深度和光感面积，但是藻液搅拌和清洗维护很不方便。也有一些新型的槽式PBR用埋入光纤的方式实现内部光照来增加藻液的有效光感面积，不过光纤高昂的成本和维护费在大规模工业生产中是个非常不利的因素。
实用新型内容
[0004]针对上述问题，本实用新型提供一种生物光合反应器及其系统，不同于传统的光合反应器，在降低微藻生产成本上有不少改进。
[0005]根据本实用新型的一实施例，提出一种光合生物反应器，其特征在于，包括:
[0006]一微藻生长盒,包括:
[0007]上、下生长盘，所述上、下生长盘组合形成一空间，所述上、下生长盘的边缘设置若干通孔与外部相连；
[0008]一通气网，设置在所述下生长盘内，所述通气网表面有若干通气孔，所述通气网的两端分别连接一进气口和一出气口。
[0009]比较好的是，本实用新型的光合生物反应器，其特征在于，所述光合生物反应器进一步包括:
[0010]一橡胶密封圈，嵌设在所述两生长盘其中之一的边缘的凹槽里。
[0011]比较好的是，在一个较佳的实施例中，本实用新型的光合生物反应器，其特征在于，所述上、下生长盘和所述通气网为透明材料。
[0012]比较好的是，在一个较佳的实施例中，本实用新型的光合生物反应器，其特征在于，所述上、下生长盘的内壁进一步包括一透明的厌水涂层。
[0013]比较好的是，在一个较佳的实施例中，本实用新型的光合生物反应器，其特征在于，所述生长盘的通孔包括一压缩空气/ 二氧化碳进气口，一水和营养剂入口、一尾气和生成氧气出气口以及一传感器接口。
[0014]比较好的是，在一个较佳的实施例中，本实用新型的光合生物反应器，其特征在于，所述传感器接口外接的传感器进一步包括:液位计，氧气/ 二氧化碳浓度计，温度计，或其组合。
[0015]根据本实用新型的一实施例，提出一种光合生物反应器系统，其特征在于，所述系统进一步包括:
[0016]—气体和液体的传输模块，包括一装载营养剂和水的水箱和尾气以及生成氧气的排气管道，所述水箱通过一管道和一调节阀连接所述液体所述生长盘上入水口，所述排气管道连接所述生长盘上出气口，所述入水口和出气口可以用各自的管道组合在同一通孔中。
[0017]比较好的是，在一个较佳的实施例中，本实用新型的光合生物反应器系统，其特征在于，所述系统进一步包括:
[0018]一弱光或夜晚照明模块，包括两个透明盘倒扣在一起合成的照明盒，所述照明盒中排布LED灯自照明模块。
[0019]比较好的是，在一个较佳的实施例中，本实用新型的光合生物反应器系统，其特征在于，所述系统进一步包括:
[0020]所述照明盒的内或外表面包括一层半透明的带色涂层或半透明的带色遮蔽布/膜，用来调节照明光的波长。比较好的是，在一个较佳的实施例中，本实用新型的光合生物反应器系统，其特征在于，所述系统进一步包括:
[0021]若干支撑模块和若干个光合生物反应器，所述支撑模块包括纵横组合的多层支撑架，所述各个光合生物反应器设置在所述各层支撑架上。
[0022]本实用新型不但可以极大节约输入能耗，还能节约用水，节省空间，可在我国或是其他国家土地贫瘠地区(比如沙漠，盐碱地等)进行推广，并有巨大的经济和能源战略价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]下面，参照附图，对于熟悉本【技术领域】的人员而言，从对本实用新型的详细描述中，本实用新型的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
[0024]图1 (I)是本实用新型生物光合反应器的外观结构示意图；
[0025]图1 (2)给出了微藻生物光合反应器内部结构示意图；
[0026]图2 (I)给出了生物光合反应器中通气网24的结构示意图；
[0027]图2 (2)给出了图2 (I)中局部A的放大示意图；
[0028]图3 (I)给出了图1 (I)中微藻生长盒I的端面示意图；
[0029]图3 (2)给出了本实用新型的生物光合反应器与外部管道的连接示意图；
[0030]图4给出了本实用新型中含气体和液体的传输模块和生物光合反应器组成的生物光合反应器系统的不意图；
[0031]图5 (I)给出了本实用新型的弱光或夜晚照明模块的示意图；
[0032]图5 (2)给出了图5 (I)中下模块的示意图；
[0033]图6 (I)给出了由若干支撑模块、若干个微藻生长池和照明盒装配后形成系统的示意图；
[0034]图6 (2)示意了图6 (I)侧面的连接示意图；
[0035]图7给出了本实用新型的生物光合反应器系统组合示意图；
[0036]图8所示为本实用新型生物光合反应器系统用于大规模电力生产的实施方案示意图；
[0037]图9所示为本实用新型的生物光合反应器系统用于大规模生产电力或汽车燃油等的两种实施方案流程图；
[0038]图10所示为本实用新型的生物光合反应器系统用于大规模生产藻类、苔藓类、菌类等小微农作物的示意图。
【具体实施方式】
[0039]本实用新型揭示了一种低能耗，易维护和全天候、既可以用于实验室又可以用于大规模生产的生物光合反应器及系统。本实用新型的系统主要特点是精简动力驱动组件，可拆卸和模块化。
[0040]本实用新型中的光合生物反应器由生长盒I和通气网24组成。图1 (I)给出生长盒I的结构示意图，两个对称矩形盘状容器构成上、下生长盘21和22，密封扣合在一起组成微藻生长盒1，两生长盘21、22密封时要用六个螺栓固定夹26在周边夹紧，该固定夹26由螺栓、螺母和弹簧片及表面防护垫构成。此外，在上、下生长盘21和22的顶侧边和底侧边开设有四个通孔(图1 (I)上仅示意了通孔251和252)。
[0041]图1 (2)给出了本实用新型的微藻生长盒I内部结构，包括一个布满下生长盘22的通气网24，和嵌设在下生长盘22边缘凹槽里的密封橡胶圈23，其中，密封橡胶圈23要比该凹槽稍高，这样两个生长盘21和22合在一起时可以相对定位并密封。通气网24是网格状结构，上、下生长盘21、22和通气网24都必须用透明材料制作，如玻璃或塑料等。生长盘2U22的内壁可以进行表面改性加工成透明厌水表面涂层，不但可以有效减缓有机物在其表面沉积，从而降低维护频率，而且可以防腐蚀。另外，由于微藻生长盒I是可拆卸的盘子组成，经过一段时间的使用后，清洗维护会很方便。
[0042]上述上、下生长盘21、22和通气网24构成一个微藻生长池，成为本实用新型的光合生物反应器。
[0043]图2 (I)进一步给出了图1 (2)中通气网24的进一步结构示意图。
[0044]通气网24可用成本较低的塑料如聚乙烯等制作，其表面有许多通气孔247 (参见图2 (2))，该通气孔247的孔径可略小于微藻直径。通气网24两端套在下生长盘22两侧的通孔252内，并套着密封圈23与上、下生长盘21、22的内壁紧密接触，以防止漏水。工作时，整个通气网24浸在藻液(微藻，水和营养剂的混合液体)里，通气网24的一个进气口241通过通孔252与外部压缩空气或压缩二氧化碳连接，通气网24的另外一对称侧的一出气口 254密封(用塞子塞住或加工通气网24时该端口实心)。工作时，压缩空气或压缩二氧化碳从进气口 241进入通气网24，然后从通气网24的通气孔247进入藻液中，给藻液的生长提供二氧化碳，多余的气体形成气泡进入微藻生长池上方的空间，并从上生长盘21的通孔253溢出。通气网24的气体压力和气泡还起到搅拌藻液的附属功能。
[0045]图3 (I)给出了本实用新型的生物光合反应器的微藻生长盒I外部通气连接示意图，示意相关气体和液体的流通过程。其短边对称的四个通孔分别连接:下生长盘22的右侧圆柱孔是压缩空气/ 二氧化碳进气口 252，其左侧圆柱孔254密封；上生长盘21的左侧圆柱孔253既是水和营养剂的入口，又是尾气和生成氧气的出气口，分别通过图3 (2)中各自的水管9和气管10连接外部一水槽11，设置在水槽11上方的补水口 13是生成氧气的最终出口 ；上生长盘21的右侧圆柱孔251是一预留的传感器接口。主要的外接传感器包括:液位计，测量藻液水位高低，用来调节进水阀12的开关或大小；氧气/ 二氧化碳浓度计，其采集的数据用来调节和控制压缩空气/ 二氧化碳进气口的流速调节阀大小；温度计，测量藻液温度并反馈给前端的送气模块(参见图4)。藻液温度可由送进的气体和水的温度间接调节，不需要其他的温度控制和相应的能量消耗。
[0046]前述介绍的涉及生物光合反应器，对于整个生物光合反应器系统，还包括另外如图4至图6所示的三个模块。
[0047]第一，气体和液体的传输模块2,该传输模块2包裹在封闭空间17里,用冷暖空调装置18把温度调节到适宜微藻生长的区间内。因为生长系统处在不间断的日光或灯光照射下，大部分时间藻液温度会有升高的趋势，所以除了冬天，多数季节需要一定程度的降温。这个降温是主要是通过进气时的气温进行调节，进水也能起到一定调温作用。进水系统已经在图3 (2)中描述过。需要补充说明的是:当尾气和氧气通过气管10溢出时，因为气管10是回绕方式埋在水中的，尾气在溢出前有很长的路程通过管壁和较低温的水进行热交换，尾气中的水蒸气会冷凝并回流到生长池中，这是一个低能耗的节水过程。该传输模块2还包括一气体压缩机19，把空气/ 二氧化碳压入气缸20中，通过管道21和调节阀22进入微藻生长盒I内的通气网4，然后吹入藻液中。为了保持用于调节藻液温度的进气温度，管道21需要用隔热层包裹。在设置气管和水管的分布路线时要尽量做到最短路程，如果温度在传输中有一定损失，需要在空调装置18中设置一些温度调节余量。这个藻液温度，进气温度和空调设置温度都需要用温度计的测量值按季节或月份进行标定。
[0048]图5 (I)给出了生物光合反应器系统的第二个模块:弱光或夜晚照明模块3，该模块3是在阴雨天或夜晚等日光暗弱时候给微藻生长池提供额外光源的照明模块。它也是由两个透明盘状结构倒扣在一起合成的长方形照明盒23。其上、下两个盘子24A和24B对称设置，可以用透明塑料如poly carbonate制作，如果需要调节人工光照的波长，可以在外表面涂布一层有颜色的半透明涂层或半透明的遮蔽布/膜31，用来调节照明光的波长。这个涂层31需要由微藻的种类决定，可以有也可以没有。如果有，其颜色由微藻的种类决定，因为有研究表明:单一种类的微藻吸收某些特定波长的光后能够更快生长，而光波的波长反映为不同颜色的光。图5 (2)给出了照明盒23内部的示意图，其中需排布一个LED自照明模块25，由若干个LED灯并联组成，然后用电线插头26连接外部电源。照射光的波长也可以用红，绿，黄等彩色LED灯调和出来，这种选择不需要涂层。相邻的LED灯每间隔一排设置成反方向面对照明盒23的上下平面，如第一排面对24A，第二排就应该面对24B，这种反方向的对称排列是为了照明盒23上下表面均匀发光。
[0049]图6 ( I)给出了由若干支撑模块4搭设的支架和置放在该支架上多个微藻生长盒
1、照明盒23装配后形成的示意图。图示中支撑模块4包括纵横组合的支撑架27，可用铝合金或碳钢制作。
[0050]其具体的连接由图6 (2)示意，纵向的骨架是有几个等距孔的板材28。横向的骨架是多层的井字形金属框架，其中每一层都有上下对齐的两个井字金属架29A和29B，其四边正好卡住照明盒23和微藻生长盒I的边缘。金属架29A的四个角是半圆形的钩子，而金属架29B的四角是圆圈。这些钩子和圆圈用垫圈30A、30B、30C和螺帽31A螺栓31B与板材28、金属架29A和29B形成的骨架相连。系统需要维护时，拧松螺帽3IA螺栓3IB，抬起金属架29A的钩子，就可以拆卸微藻生长池或照明盒。装配各层时，交替选择微藻生长盒I和照明盒23，总的层数由厂房空间决定。交替层叠微藻生长盒I和照明盒23以及前述的照明盒23上下表面均匀发光是为了微藻生长盒I两面接受等量光照。比方说使用十层微藻生长盒1，就需要十一层照明盒23，这样每个微藻生长盒I的上下表面都能够接受光照，这样可以提高藻液的光感厚度。由于光在藻液中传输时会有损耗，进入藻液一定深度后，光强会被减弱到无法被微藻吸收的程度，这个有效光照深度被定义为藻液的光感厚度。两边照射的光感厚度是一边照射的一倍以上。
[0051]图7给出了本实用新型的完整系统示意图。即将前述微藻生长盒1、气体和液体的传输模块2、弱光或夜晚照明模块3和支撑模块4组成的整个生物光合反应器系统。在图不的左侧，生成的尾气/氧气通过气管10进入水槽11，图示的右侧，通过传输模块2的气体压缩机19，把空气/ 二氧化碳压入气缸20中，通过管道21和调节阀22进入微藻生长盒I内的通气网4，然后吹入藻液中。
[0052]图中只画了一个支撑组构成的支撑模块4，当需要扩大生产规模时，可以等比例的增加光合反应器系统数目以形成阵列，增加水槽11和气缸20的尺寸，增加气体和液体的管道数目以及空调18的功率等。通过合理的管道线路布置，可以把水槽11，空调18和气缸20等组成的给料模块布置到一个封闭空间17中(如图7所示的外部封闭框内)。图7中的封闭空间17的不规则形状仅仅是为了更清楚地示意整个系统，该封闭空间17可以形状规则也可以形状不规则。
[0053]上述结构的生物光合反应器及其系统既可用于工业化生产，也可单个或小规模用于实验室进行微藻或其他微生物的培养及研究。
[0054]实施例一
[0055]请参见图8，所示为本实用新型的生物光合反应系统用于大规模工业化生产的一个可能实施方案。可用厂房屋顶的光伏面板阵列81和厂区高处竖立的风机群82发电，发出的电充入蓄电池93。根据资金实力，可设计发电量和蓄电池93缓冲时间8到16小时左右。在傍晚和夜间给位于厂房中的生物光合反应器100的LED供电，提供自身光照，是LED放电循环。为了利用自然光照，厂房除结构支撑外，所有非光伏面板墙面都用透明材料搭建(玻璃或塑料)，生物光合反应器100产出的氧气02通过管道84进入燃油发电机87和焚化炉89中，由该焚化炉89生成的脱烟废气C02再通过管道85返回生物光合反应器100中，另外该实施例还包括回收利用生产需要的水861、产出的油862和其他有机质863。
[0056]在光照充足的白天，生物光合反应器100不开LED自身光照，是光伏充电循环。风速大的任何时间，是风机充电循环。一般的阴雨天，风都比较大，这和光伏发电能形成比较好的配合。通过日光和LED自身光照的耦合，可以实现24小时不间断的油藻生产。因为生长时间的不间断，本实用新型的生物光合反应器比传统的生物光合反应器的产量要高两到三倍。
[0057]图9给出了图8所示生物光合反应器用于大规模电力生产的实施方案。
[0058]当油藻成熟后，油藻和水的混合液通过分离机83的破碎、过滤、沉积，能够得到水861、油(植物油脂)862和其它固体有机杂质863。水861可以重新输入到生物光合反应器100中进行再生产。油864经过滤清，使用催化剂和甲醇等转化成生物柴油后，可以在燃油发电机87中燃烧发电。有机杂质863用燃油发电机87的余热干燥，然后用焚化炉89燃烧发电。油864和有机质863燃烧产生的二氧化碳85也会重新输入到生物光合反应器100中进行再生产。这样，整个体系没有污染，碳平衡，而且实现了对分散的，难预测的光能和风能的高效利用和稳定转换输出电能。
[0059]上述大规模生产需要多个如图7所示的生物光合反应器形成阵列，图3中提到的液位计、氧气/ 二氧化碳浓度计、温度计等传感器不需要给每个反应器都配置。可以任意选择一个反应器，用传感器分不同的气候时间段对温度、进气速度和进水速度进行标定。这样可以极大节约设备成本和能源消耗。
[0060]本实用新型提出的生物光合反应器用于大规模工业化生产时，第一种实施例可以是将产出的油脂864进行精炼，生产运输燃油和航空生物柴油等。第二中实施例可以将产出的其他固体有机杂质863用作农牧林业的有机肥，这第二种实施例和前述的第一种实施例综合采用图9示意。
[0061]实施例二
[0062]如图10所示为生物光合反应器用于大规模生产藻类、苔藓类，菌类等小微农作物的示意图。本申请所涉及的生物光合反应器除了用于生产油藻外，还能用来培育其他微藻，苔藓类或菌类等其它微小生物品种。相应的，生物光合反应器100的生长池中的作物系统可能是生物加土壤或培养基等。作物成熟后，经过萃取等加工过程，能够产出营养品(如蛋白质)，动物饲料，护肤品，药品原料等高附加值产品。根据这些微小农作物的品种和类别不同，需要的光照条件、气氛、水灌溉、温度各不相同，这些统称为环境控制，只需把图3和图4的各个模块调整参数即可。
[0063]前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本实用新型。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本实用新型将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。
【权利要求】
1.光合生物反应器，其特征在于，包括: 一微藻生长盒，包括: 上、下生长盘，所述上、下生长盘组合形成一空间，所述上、下生长盘的边缘设置若干通孔与外部相连； 一通气网，设置在所述下生长盘内，所述通气网表面有若干通气孔，所述通气网的两端分别连接一进气口和一出气口。
2.根据权利要求1所述的光合生物反应器，其特征在于，所述光合生物反应器进一步包括: 一橡胶密封圈，嵌设在所述两生长盘其中之一的边缘的凹槽里。
3.根据权利要求2所述的光合生物反应器，其特征在于， 所述上、下生长盘和所述通气网为透明材料。
4.根据权利要求3所述的光合生物反应器，其特征在于， 所述上、下生长盘的内壁进一步包括一透明的厌水涂层。
5.根据权利要求4所述的光合生物反应器，其特征在于， 所述生长盘的通孔包括一压缩空气/ 二氧化碳进气口，一水和营养剂入口、一尾气和生成氧气出气口以及一传感器接口。
6.根据权利要求5所述的光合生物反应器，其特征在于，所述传感器接口外接的传感器进一步包括: 液位计，氧气/ 二氧化碳浓度计，温度计，或其组合。
7.一种应用权利要求1至6中其中任一项所述光合生物反应器的系统，其特征在于，所述系统进一步包括: 一气体和液体的传输模块，包括一装载营养剂和水的水箱和尾气以及生成氧气的排气管道，所述水箱通过一管道和一调节阀连接所述液体所述生长盘上入水口，所述排气管道连接所述生长盘上出气口，所述入水口和出气口可以用各自的管道组合在同一通孔中。
8.根据权利要求7所述的光合生物反应器系统，其特征在于，所述系统进一步包括: 一弱光或夜晚照明模块，包括两个透明盘倒扣在一起合成的照明盒，所述照明盒中排布LED灯自照明模块。
9.根据权利要求8所述的光合生物反应器系统，其特征在于，所述系统进一步包括: 所述照明盒的内或外表面包括一层半透明的带色涂层或半透明的带色遮蔽布/膜，用来调节照明光的波长。
10.根据权利要求9所述的光合生物反应器系统，其特征在于，所述系统进一步包括: 若干支撑模块和若干个光合生物反应器，所述支撑模块包括纵横组合的多层支撑架，所述各个光合生物反应器设置在所述各层支撑架上。
【文档编号】C12M1/04GK203923159SQ201420071027
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年2月19日 优先权日:2014年2月19日
【发明者】董荆山 申请人:董荆山