用于使藻溶液暴露于光的装置、相关的光生物反应器和实施方法与流程

只能通过显著降低光生物反应器的成本和操作它们的成本而大规模开发用于由藻类生物质生产光合生物燃料或营养保健品的藻培养物，特别是微藻培养物。此外，藻类生产不仅仅独属于温暖和阳光充足的地区，有必要设想在位于温带地区纬度的国家增加藻类生产的技术解决方案。

在现有技术中已知光生物反应器使用由刚性壁隔开的不同形状的隔室，该刚性壁特别是由聚碳酸酯或其他单体或聚合物材料制成。因此，文献de10315750示出了一种光生物反应器，其包括多排刚性透明垂直管，在其中流动的藻溶液经受穿过管的光辐射，这使得能够进行光合作用。然而，对于可以覆盖数十公顷的光生物反应器的工业应用而言，这些材料是昂贵的并且部件的制造时间长。此外，这些材料易燃并且它们的生态足迹对于制造和处置都很重要。

还有已知的地上光生物反应器，其需要高额的财政投资并且其高度会导致不利于建筑的风阻。由于它们大面积与外部空气接触，因此地上光生物反应器对气候条件非常敏感，这影响了它们在寒冷、多风或过热地区的性能。

根据现有技术文献wo2013011448a1，还已知一种基于非常薄的柔性管的暴露于光的装置，该柔性管仅因为管内部的液体与培养微藻的池中的液体之间存在静压差而呈现圆柱形状。浸没在培养池中的管的柔性特性使得能够仅由于内部液体和池的水位之间的高度差而使它们具有圆柱形状。因此，在没有任何机械应力的情况下，静压在管的所有高度上是均匀分布的，这使得可以在保持良好机械强度的同时减小管的厚度。这种类型的解决方案使得可以设想使用极其轻质和低成本材料制造紧凑型光生物反应器。

它们可以用于适合连续培养微藻的现有天然或人工池中。通过在池上方的固定支撑结构上安装多孔板来获得套管的规则间隔。

然而，由于培养面积和管中包含的液体电荷，这种支撑结构的固定通常是关键的。

此外，在充满水的池上方安装和固定该支撑结构受到与处理和使用培养所需的大量管和附件相关的限制。

这就是为何本发明的一个目的是避免由支撑结构施加的限制并且特别是简化支撑结构的组装并将其固定在池上的原因。

为此，本发明提出了一种用于光生物反应器的使藻溶液暴露于光的装置，该装置适于通过使其漂浮在池中受阿基米德原理和托里切利原理的组合和平衡影响来使用。

更确切地说，本发明提出了一种用于光生物反应器的使藻溶液暴露于光的装置，该暴露于光的装置包括扁平支撑件，该扁平支撑件包括能够接收至少一个管的至少一个开口，所述管由柔性、不透液且半透明或甚至透明的材料制成并且包括能够接收套管的开口端，所述套管是半透明的、或甚至透明的并且适于封住所述管并将其固定到支撑件上，特征在于暴露于光的装置具有在水中的正浮力，在这种意义上，扁平支撑件和管的非浸没部分的实际重量小于其浸没时引起的阿基米德浮力。

在下文中陈述了本发明的任选的、补充的或替代的特征。

暴露于光的装置可包括至少一个浮力浮标或浮动结构，其设置在所述支撑件下方，以便在所述支撑件和藻溶液的高度之间限定自由空间。

扁平支撑件可以具有在水中的正浮力，在这种意义上，扁平支撑件和管的非浸没部分的实际重量小于其浸没时引起的阿基米德浮力。

支撑件可以是由比重小于2，优选小于1的材料构成的结构。

支撑件可以是由比重小于2，优选小于1的材料构成的多孔板。

套管可包括光学集中器，其适于将光集中到至少一个管的内部。

套管可包括用于使液体进入管中的阀门。

暴露于光的装置还可包括系泊和/或锚泊装置。

本发明主题还涉及用于产生藻溶液的光生物反应器，其包括池和至少一个暴露于光的装置，该暴露于光的装置包括支撑件，所述支撑件包括能够接收至少一个管的至少一个开口，所述管由柔性、不透液且半透明或甚至透明的材料制成并且包括能够接收套管的开口端，所述套管是半透明的、或甚至透明的并且适于封住所述管并将其固定至支撑件，特征在于所述至少一个暴露于光的装置是根据本发明任一实施方案的暴露于光的装置。

在下文中陈述了本发明的任选的、补充的或替代的特征。

光生物反应器可包括多个暴露于光的装置，这些暴露于光的装置以增加藻溶液暴露于光的面积的方式组装在一起。

光生物反应器还可包括适于抽吸包含在至少一个管中的液体的抽吸装置。

光生物反应器还可包括用于替换“至少一个管”的装置，该替换装置包括滚筒并且适于将“至少一个管”卷绕到滚筒上和/或将“至少一个管”从滚筒上解绕。

光生物反应器可以包括在池的下部的用于分配加压气体，特别是与空气混合或不与空气混合的二氧化碳的装置，该装置搅动藻溶液。

光生物反应器还可包括设置在所述光生物反应器周边的可定向反射器，以便增加光线的捕获面积和强度，特别是当太阳光线的方位角和角度较低时。

本发明主题还涉及使用根据本发明任一实施方案的光生物反应器的方法，其特征在于其依次包括：

-组装至少一个暴露于光的装置的步骤，

-在光生物反应器的空池中安装至少一个暴露于光的装置的步骤，

-使用产生藻溶液的液体填充池的步骤。

在下文中陈述了本发明的任选的、补充的或替代的特征。

该方法还可以包括，在填充池之后，为了在管意外破裂的情况下不降解藻溶液，用对藻溶液呈中性的液体填充至少一个暴露于光的装置的至少一个管的步骤。

在填充至少一个管的步骤之后并且当至少一个管浸没在藻溶液中时，管中液体的高度可以大于藻溶液的高度，以提供液体静压差用于保持管的形状而无应力。

该方法还可以包括，在填充至少一个管之后，系泊和/或锚泊至少一个暴露于光的装置的步骤。

该方法还可以包括，在填充池之后，用微藻菌株接种液体以产生藻溶液的步骤。

通过阅读非限制性使用和实施方案的详细描述以及根据以下附图，本发明的其他优点和特定特征将变得显而易见：

图1是根据本发明的光生物反应器的示意性垂直剖面图，该光生物反应器具有含有藻溶液的池。

图2是沿图1中的线ii-ii截取的水平剖面图。

图3是安装在垂直柔性管的支撑结构上的垂直柔性管的较大比例图。

图4和图5是光生物反应器池的较小比例的可能形状的垂直截面图。

图6是用于将柔性管固定到其支撑结构的部件的示意性剖面图。

图7是支撑柔性管的结构的第一实施方案的主视图。

图8是支撑柔性管的结构的第二实施方案的俯视图。

图9是支撑柔性管的结构的第三实施方案的示意性垂直剖面图。

为了清楚和简明，附图中的参考标记对应于相同的元件。

在下文中所述的实施方案决不是对本发明的限制，特别地，可以认为本发明的变体仅包括所描述特征的选择，与所描述的其他特征分开(即使该选择在包括那些其他特征的句子中是孤立的)，只要选择的特征足以赋予技术优势或将本发明与现有技术区分开。所述选择包括至少一个特征，优选地是功能性的且不具有结构细节或者仅具有一些结构细节，只要这些足以单独赋予技术优势或将本发明与现有技术区分开。

参考附图的图1，可以看到用于产生浓缩的藻溶液2的用缩写pbr表示的光生物反应器1。pbr包括含有藻溶液的池3和用于使藻溶液暴露于光的装置。

根据本发明，暴露于光的装置包括至少一个支撑结构或一个扁平支撑件6，其包括至少一个开口、至少一个柔性材料管5，所述柔性材料管5是不透液的且半透明或甚至透明的并包括能够接收套管10的开口端，所述套管是半透明的或甚至透明的并且适于封住所述管并将其固定到支撑件上。

半透明是指管5和套管10适于使光线能够穿过，所述光线使得池中的光合作用反应成为可能。

透明是指管5和套管10适于使光线能够穿过(通过折射来透射光)。此外，透过管5和套管10能够看得清楚。

仍然根据本发明，暴露于光的装置具有在水中的正浮力。“水中的正浮力”是指暴露于光的装置的实际重量小于阿基米德浮力，这使得暴露于光的装置能够保持在池的表面，从而漂浮。

有利地是整个暴露于光的装置与具有正浮力的填充有水的管的非浸没部分相关联。

如下面更详细描述的，可以以不同方式提供浮力。

根据第一实施方案，暴露于光的装置可包括一个或多于一个浮动浮标8，其连接在支撑件6下方，使得它可以浮动并且可以保持在经填充的池表面上方。

根据第二实施方案，支撑结构或支撑件6具有固有的正浮力，并且可以是由比重小于2，优选小于1的材料构成的结构61。该结构于是可以包括船用碎料板或任何其他低比重的防腐复合材料的组合件，低比重的防腐复合材料例如为聚氨酯、掺有玻璃纤维的聚苯乙烯。

根据第三实施方案，支撑结构或支撑件6具有固有的正浮力，并且可以是也由比重小于2，优选小于1的材料构成的多孔板62。所述材料还可以是船用碎料板或任何其他低比重的防腐复合材料，例如聚氨酯、掺有玻璃纤维的聚苯乙烯。

当然，暴露于光的装置可以提供由比重小于2，优选小于1的材料构成的支撑结构或支撑件6，并且另外提供一个或多于一个浮动浮标8。

同样详细地，管5由透明的柔性材料制成，优选由抗牵引的材料制成。管5悬挂在支撑结构或支撑件6上，并填充有赋予该管圆柱形状的液体l。

柔性管5有利地由抗紫外线材料制成，特别是由聚氨酯对苯二甲酸酯或类似材料制成。该管可以通过卷起片4的矩形部分并通过粘合或焊接或冲击组装两个平行边缘来产生。管的下端是封闭的，而上端保持打开以在其周边将管固定到支撑件6。

如图3所示，通过在支撑件6中为每个管提供从顶部到底部的剖面逐渐减小的圆台形开口7，可以将管5固定到支撑件6上。管5的上边缘通过套管10楔入开口7的圆台形壁之间，套管10本身是圆台形的，与开口7结合，并由透明材料制成。

管5也可以以不同的方式固定到支撑件6上，特别是通过如图6所示的凸缘或o形环106，而不是由嵌套的锥形部件保持。由于藻溶液与位于浸没的管5内的水之间没有接触，因此不必在该固定水平上提供完全密封。

肋状物105可以设置在套管的外表面周围，以防止套管在将管5安装在所述支撑件上时穿过支撑件的开口610、620。

当支撑结构是框架61时，管插入杆610之间并通过它们的套管固定，该套管也以紧密配合方式插入杆610之间。

当支撑结构是多孔板62时，管插入孔620中并通过它们的套管固定，该套管也以紧密配合方式插入孔620中。

多孔板可以是透明且薄的。它也可以通过透明加固件进行加固，该透明加固件提供足够的表面刚度以支撑点负载(清洁、维护)。

在多孔板的两侧可以设置能够收集雨水的槽。可以通过可充气间隔件中的压差来提供自然流动斜坡。

根据图1的实施方案，池3填充有藻溶液2。填充有液体l的多个柔性透明管5浸没在藻溶液2中并且规则地分布以在整个池和溶液2中透射和漫射在管5的上端捕获的光。

根据该实施方案，填充管5的液体l的主要功能是透射和漫射所捕获的光，并且液体l特别地由水和添加剂组成(添加剂可以是防冻产品、荧光产品或防腐产品或抗发泡产品)。管5的封闭的下端优选地配备有压载物11。该压载物11使得可以防止空管在被加入到藻溶液2时漂浮，以免随后难以用水填充。压载物可以采用金属或矿物材料的杆或重球的形式。

填充管5的液体l的组成相对于藻溶液是中性的，以避免在意外破裂的情况下的所有风险。在图1的实施方案中，液体l基本上是水，可能含有添加剂，并且该添加剂可以是防冻产品、防腐产品或荧光产品。

管5中液体的高度h5略大于池中藻溶液的高度h2(图1)，以产生保持圆柱形状且不在管5的柔性壁上产生应力的液体静压差(h5-h2)。在藻溶液水平处的套管支撑件的高度是阿基米德浮力与多孔板和管的非浸没部分所承载的重量之间平衡的结果。

有利地，管填充有达到套管10的水。这使得管中光的传播速度基本上在水中发生而没有不连续的传输。于是，该透射具有与光纤传输相同的质量。

同样地，不在管中留下空气使得可以防止在壁的内表面上形成雾，从而防止可能形成对光的屏障。

管5的外壁与填充池的藻溶液2接触。

为了优化管的“光壁”特性，有利地是向套管添加光学集中器104以将光集中到管的内部。由此使管5内部的亮度增加。为此，并且如图6所示，套管10可包括容纳菲涅耳透镜104的主体101。套管可以通过半透明或甚至透明的盖102以密封方式封闭，盖102也可以包括光学集中器。

有利地，套管可以包括阀103，用于在用中性液体填充管时使液体进入管中。然后该阀优选地位于管的盖102上。

如图9所示，池3可包括通过浮标8互连的多个根据本发明的暴露于光的装置。

然后可以提供与主结构规则且横向隔开的补充可充气浮标。然后，它们可以支撑高点负载(雪或维护工具)而不会引起表面的残留变形。有利地，暴露于光的装置还可以包括系泊和/或锚泊装置(图中未示出)。事实上，由于装置的正浮力，不必像现有技术那样将装置固定到pbr池的表面上。如果需要将暴露于光的装置定位在池的精确位置，或者如果存在多个可能发生碰撞的暴露于光的装置，则因此需要将它们系泊在池外部的固定点或将它们锚泊在池的底部。

如图2所示，池可以是正方形或矩形，也可以是具有圆形横截面的圆柱形(未示出)。如图1所示，池可以在地上，在这种情况下，可以在壁中提供舷窗12以实现藻溶液2暴露于光。池3也可以部分在地下或完全在地下。该池同样可以由在工厂中预制的元件制成，并且用游泳池中所用类型的密封覆盖物(衬里)现场组装。

如图4所示，池的垂直剖面13可以是矩形的且具有平坦顶部。如图5所示，垂直剖面14可以替代地具有呈梯形形状的下部。

在地上池或部分地下池的情况下，壁也可以由透明的不透液膜，特别是柔性膜制成，以使得藻溶液暴露于光。

用于提取藻溶液的管道25设置在池的上部，以便得益于更高浓度的藻。在提取和过滤之后，水经由管道26返回到下部。可以将用于藻发育的营养物注入返回的水中。

从光生物反应器中提取藻溶液中的生物质的过程是连续的，并且因为其由此不需要在罐中进行中间储存，所以不必使用膜进行超滤以防止藻在罐中产生不需要的发育。

为了优化光合作用反应，根据本发明的光生物反应器可以提供一种用于过滤光波长的系统。

仍然为了这个目的，光生物反应器还可以提供遮阳板以降低入射到池表面上的光线的光强度。外部透镜的材料可以是彩色的或光致变色的，以限制捕获的光强度。

同样地，光生物反应器也可以提供人工照明装置，例如发光二极管。

以增加入射辐射捕获面积的方式和以当太阳光线的方位角和角度低时增加光强度的方式，光生物反应器还可包括设置在所述光生物反应器的周边的可定向的反射器。

根据本发明的光生物反应器可以提供用于排空管以替换它并安装另一个管的装置。

可以在不拆卸管的情况下排空池，在这种情况下，管将通过显著增加其内部和管下部的静压力而形成多个“柱”。

希望移除的管在其上端连接到插入用于抽吸管内液体的装置的入口的管道。抽吸装置通常由泵构成。由藻溶液施加的外部压力压缩套管，使套管扁平，并且在断开抽吸管道之后从池中移除套管。

在池上方设置有用于更换管的卷绕装置。该装置包括旋转卷绕式滚筒，其被安装成在池的单元上方(例如在移动台架上)平移移动，同时由轨道或槽支撑。提供清洁构件，特别是旋转刷，以与滚筒一起平移，并确定扁平管的垂直通道间隙，当该扁平管从藻溶液中移除时，用这些刷子对其进行清洁。该装置能够将扁平的新管解绕，放置在藻溶液中以替换已经移除的那些。

在池的下部，pbr包括用于分配压缩气体，特别是与空气混合或不与空气混合的二氧化碳(co2)的装置，从而促进藻的发育并搅动藻溶液。分配装置由歧管构成，该歧管能够将气体吹入管5之间的空间，如箭头f所示。分配装置27通过管道29连接到旋转活塞式压缩机或螺杆式压缩机28的出口。二氧化碳(co2)的分配搅动池9中的藻溶液并使其均质化。

携带管的装置漂浮在离池表面一定距离的位置(例如，由于使装置提升的浮标)的事实使气体能够容易地逸出。

可以捕获和回收从池上部逸出的一些气体以便更好地排出二氧化碳(co2)。为此，pbr还包括气体捕获装置30，该气体捕获装置30由池9上部中的管道开口形成，该管道开口在藻溶液上方并处于该溶液上方的气态气氛中。这些捕获装置连接到排风机31的吸入侧，排风机31将气体排放到管道32中，特别是通向大气中。由于连接到压缩机28吸入侧的管道32上的排出口33，这些气体中的一些可以再循环。

池3是隔热的以减少热量损失。有利地，藻溶液的温度通过装置(未示出)进行调节，该装置用于在过滤后加热和/或冷却通过管道26而引入池中的水，从而使得可以保持藻和微藻生长的最佳条件。

对于已知的加热装置，可以列举供给低温和中温热水的加热地板，其通过饱和污泥或充有co2的燃烧气体鼓泡；板式、管式或螺旋式外燃式热交换器；浸没或自调节的外部电加热元件。

补充隔热设备可以与双壁一起用于管支撑件。

现在涉及启动根据本发明的光生物反应器的方法，首先需要组装至少一个暴露于光的装置。优选地，在池中的干坞中进行该组装，但也可以在池外进行该组装。进行组装后，即通过管的套管将管插入其支撑件中后，就必须将一个或多于一个暴露于光的装置定位在光生物反应器的空池的底部。然后，用产生藻溶液的液体充分填充池。换句话说，当组装整个装置时，启动装置使得pbr的结构能够在池充满水时逐渐上升，直到达到它的操作水平。

在填充池之后，可以用对藻溶液呈中性的液体直接填充管，以便在管意外破裂的情况下不会降解藻溶液。

有利地，当管浸没在藻溶液中时，管中液体的高度(h5)大于藻溶液的高度(h2)，以确保液体静压差以用于保持管的形状而无应力。

因此，通过管内液体和池中液体之间的不同静压力来保持柔性管的圆柱形和垂直形状，其中池中液体的水位略低于管中液体的水位(这与托里切利原理有关)。无论管浸没的高度如何，该压力差在管的所有高度上都是恒定的。这显著地限制了管的柔性材料上的内部压力应力。

实际上，管的浸没高度与施加在管支撑件的浮动结构上的阿基米德浮力相关。该向上的力导致管中的液体与池的顶部水位之间的高度差异。总而言之，它是阿基米德原理和托里切利原理之间的平衡，从而能够保持管。

为了稳定所有暴露于光的装置，可以将暴露于光的装置系泊和/或锚泊在一起或者在池的周边。

最后，可以进行用微藻菌株接种液体以产生藻溶液的步骤。

应注意，在使用根据上述任何实施方案的光生物反应器时非常特别地展现了暴露于光的装置的浮力的益处。

事实上，对于现有技术的装置，必须将支撑件牢固地固定在池周围的地面上，然后将这些元件一个接一个地安装在池上。然后，池上方元件的组装、安装和操作是不确定的，并且需要适当的运输和提升机械(例如安装在驳船上)。此外，人员安全严重影响了时间和基础设施。如果一些设备落入池中，操作会相应地延迟。

因此，暴露于光的装置的浮动性质使得可以简化暴露于光的装置的使用并使其以较低的成本得以固定。

还应注意，暴露于光的装置的浮力使得设计具有很强的模块性。实际上，由于没有必要将它们固定在池的周边，因此可以在池运行时进行添加、移除或更改。

换句话说，这些暴露于光的装置在使用(安装、使用寿命)方面是高度自主的。

而且，无论池中的水位如何变化，暴露于光的装置的管相对于水表面的位置总是相同的。

不需要用脚架放在地面上的支撑结构。

无论是否填充，都可以将暴露于光的装置组装在远离池的位置并使其在池上平移。

只有很小的与池中的水位改变相关的损害风险。

组装迅速，不需要重型提升装置。

拆卸时这种装置的整体尺寸符合道路运输装载规格，即最大总体尺寸为2.5m。

可以使用回收材料作为结构和浮标。

当然，本发明不限于刚刚描述的实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以对那些实施例进行许多修改。此外，本发明的各种特征、形状、变体和实施方案可以以不同的组合彼此相关联，只要它们不相互排斥或不相容。