用于空气净化的光生物反应器系统的制作方法
【专利说明】用于空气净化的光生物反应器系统 相关申请的交叉引用
[00011 根据35U.S.C§119(e)，本申请是要求2014年12月16日递交的申请号为62/124， 348,题目为"用于净化室内及户外香港空气的微藻光生物反应器设计"的美国临时专利申 请权益的非临时专利申请，通过全文引用的方式将该美国临时专利申请的公开内容包含于 此。
技术领域
[0002] 本发明涉及空气净化。特别地，本发明涉及一个利用淡水或者海洋中的光合微藻 降低空气中的二氧化碳浓度的系统。本发明尤其适用于平均温度在15°C到30°C的亚热带和 温带气候地区。
【背景技术】
[0003] 来自车辆和工业的温室气体的排放是全球变暖的主要诱发因素之一并且导致地 球温度上升。二氧化碳(C〇2)占人类活动排放的温室气体的68%。各种封存C〇2的方法已经被 广泛地研究，其目的在于减少C0 2排放至大气中。通常，空气中的C02通过物理或者化学的方 法来捕获。比如，用氨水溶液洗涤然后在高温下溶剂再生和利用高压的物理溶剂分离。捕获 的C〇2被运输离岸地质储存(Gibbins et al，2008)。
[0004] 相比于传统的化学和物理方法，用生物方法来净化空气是目前被认为更好的替代 方法。生物方法需要温和的条件。在生物方法中排除了传统方法中所使用的高温、高压和对 环境有害的溶剂。生物方法也是更可持续的。生物方法利用光合作用将不需要的C0 2转化为 氧气，因此不需要物理储存空间来储存⑶2。除了氧气之外，通过生物方法去除C0 2还能产生 珍贵的生物质。这些生物质可以用于生物柴油的生产，鱼饲料，肥料以及保健品和食品 (Chisti，2007)。
[0005] 然而，当地的气候会影响光生物反应器去除二氧化碳的性能。因此，期望提供一种 适应当地气候和环境因素的光生物反应器系统来高效地去除空气中的二氧化碳。
【发明内容】
[0006] 在众多生物质有机体之中，淡水微藻类因其高的光合效率而被认为是应用在空气 净化光生物反应器系统的最合适的光合有机体(Perrine et al，2012).
[0007] 相应地，本发明提供一个使用微藻类净化空气的系统，特别是净化亚热带至温带 气候地区空气的系统。
[0008] 本发明的第一方面提供一种用于减少亚热带至温带气候地区的空气中的二氧化 碳的光生物反应器系统，所述系统包括： 反应器槽，用于容纳温度为15-30°C的微藻培养基，其中，所述微藻培养基中小球藻 (Chlore 11a species)的初始浓度为 1000000~1500000cell/ml; 进气口，用于使空气进入所述系统； 气栗，气压控制器和喷洒器，用于将空气以小气泡的形式，以0.1~20L/min的流速输送 给所述培养基； 温度控制器，用于调节所述培养基的温度，使之处于工作所需的温度； 光源，用于为所述培养基提供强度为50~SOOymolm^VPPFD的光；以及出气口，用于使 包含降低二氧化碳浓度的净化气体离开所述系统。
[0009] 根据本发明的第一个实施例，所述具有亚热带至温带地区为东南亚。
[0010] 根据本发明的另一个实施例，所述地区为香港。
[0011] 根据本发明的另一个实施例，所述培养基的温度被控制在15~30°C。
[0012] 根据本发明的另一个实施例，所述培养基的pH被保持在7-9。
[0013] 根据本发明的另一个实施例，所述光源包括发光二极管，荧光灯，太阳光或者以上 三者。
[0014] 本发明的第二方面为提供一个减少亚热带至温带气候地区空气中的二氧化碳的 方法，包括： 提供生物反应器系统； 将需要被处理的空气通过进气口输送到所述生物反应器系统中； 调节所述培养基的温度到工作所需的温度； 将需要被处理的空气以小气泡的形式，以0.1-20L/min的流速输送至所述培养基。
[0015] 与现有的任何生物反应器不同的是，为了高效地去除二氧化碳，本发明的光生物 反应器系统和利用所述光生物反应器净化空气的方法适用于亚热带至温带气候。
【附图说明】
[0016] 在下文中参照附图更加详细地描述本发明的实施例，其中，
[0017] 图1是本发明的应用于室内空气净化的板状光生物反应器的示意图。
[0018] 图2是本发明的应用于室内空气净化的管状的光生物反应器的示意图。
[0019] 图3是本发明的应用于室外空气净化包括六个管状光生物反应器的光生物系统的 示意图。
[0020] 图4是显示本发明第一实施例在不同时间下C02消耗量的曲线图。
[0021] 图5是显示本发明第二实施例在不同时间下C02消耗量的曲线图。
[0022]图6是显示本发明第三实施例在不同时间下C02消耗量的曲线图。
【具体实施方式】
[0023]为了说明本发明的结构和优点，以下结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细 的描述。
[0024]如图1所示，本发明的光生物反应器系统包括用于容纳培养基的板状反应器槽 110。本发明的反应器槽可以是透明的，半透明的，或者反射的，从而光能够穿过反应器槽并 到达容纳于其中的微藻，从而实现光合作用。本发明的所述反应器槽的材料可以为玻璃，丙 烯酸塑料，聚丙烯酸塑料或其他透明材料。微藻培养基包括初始浓度为1 〇〇〇〇〇〇-1500000cell/ml的小球藻(Chlore 11a species)。适用于本发明的小球藻包括但不限于小 球藻(〇11<^611&8口），蛋白核小球藻(〇11〇代11&。5^6110丨(1〇8&)和普通小球藻(〇11〇1611& vulgaris)等。所述反应器槽可以被或者不被多个分隔部111分隔，从而布置不同的内部流 型。例如，所述多个分隔部111由交替地从所述反应器槽相对侧突出的分隔部构成。在本发 明的一个实施例中，所述反应器槽不设置任何分隔部。在本发明的另一个实施例中，所述反 应器槽包括两个平分的分隔部来形成一个气升流型。本发明所述的光生物反应器系统还包 括一个或者多个进气口 130来输送将要被处理的空气进入所述微藻培养基。通过喷洒器或 者本领域中任何其他适用的方法将经处理的空气作为气泡输送到所述培养基。在本发明的 一个实施例中，进气口从所述反应器槽的顶部延伸到底部，并以〇. 1-2.OL/min的流速向所 述培养基输送空气。在本发明的另一个实施例中，被处理的空气通过进气口在所述培养基 的底部直接形成气泡，并以0.1-2. OL/min的流速进入所述培养基。所述培养基的温度被控 制在15-30°C。水浴或者本领域中使用的任何其他温度控制系统可以被用于本发明的系统 中以控制反应器槽的温度。在一个实施例中，所述培养基的温度被维持在15-30°C。在另一 个实施例中，所述培养基和被处理的空气的温度相同。所述光生物反应器系统包括将所述 反应器槽的温度保持在期望的温度范围内的温度控制器（图1中未标出）。用于培养微藻的 培养基可以是适于微藻生长的任何种类的培养基。也可以使用混合培养基。在一个实施例 中，所述培养基为BBM培养基(Bold's basal medium)。在另一个实施例，所述培养基为布氏 培养基(Bristol's medium)。所述培养基的pH值被维持在pH 7-9。当所述光生物反应器持 续工作，所述培养基通过移除微藻生物量和更换反应器槽中的新鲜的培养基，使所述培养 基的密度被维持在1000000-1500000cells/ml和pH被稳定维持。在一个实施例中，所述光生 物反应器系统的操作周期为两周。所述培养基的密度被稀释回1000000-1500000cell/ml的 初始浓度，并且新鲜的培养基被加回所述反应器槽。可以选择性地从所述培养基中收获藻 类生物量。
[0025] 所述光生物反应器系统还包括二氧化碳浓度降低后的净化气体离开所述反应器 槽的出气口 140。在一个实施例中，所述出气口被放置在所述光生物反应器的上部。被处理 的气体在反应器槽的底部鼓泡到所述培养基中并被微藻培养基净化，然后降低了二氧化碳 含量的净化气体上升至所述反应器槽的顶部并经所述出气口离开。培养基中的小球藻消耗 被处理空气中的二氧化碳进行光合作用。所述培养基将二氧化碳转化为氧气。因此，用所述 培养基处理的空气通过减少二氧化碳的含量而被净化。
[0026] 本发明所述光生物反应器系统还包括为所述培养基光合作用提供光的光源。在一 个实施例中，所述光源采用具有位于所述反应器槽110外部四周的LED灯阵列的灯室120的 形式。也可以使用荧光灯，高压钠灯，荧光汞灯，太阳灯或者太阳光。在一个实施例中，为有 效去除二氧化碳而施加到所述培养基的光强为SO-SOOymoln^sipPFD。在一个典型的实施 例中，所述LED灯阵列或者其他光源可以位于垂直于所述多个分隔部111方向的位置上，从 而通过使到达反应器槽110中培养基的光最大化来提高光合速率。
[0027] 图2示出了所述光生物反应器的另一个实施例，其中，反应器槽210为管状。所述反 应器槽的直径与高度的比值(径长比）为1:5到1:10。如图所示，LED灯阵列220沿着管状反应 器槽垂直布置，进气口 230延伸到所述反应器槽的底部来输送空气进入所述培养基，出气口 放置在所述反应器槽的顶部。所述光生物反应器系统还包括用来监测所述反应槽中温度， 气体流速，光强度和pH值的感应器，同时用相应的控制方法将温度，光强度，气体流速和pH 值维持在理想的范围，以此在亚热带至温带气候中高效地去除二氧化碳。在本实施例中，温 度控制器250被用来监测所述微藻培养基的温度，以及当该温度与理想工作温度不同时，对 所述培养基的温度进行调节。
[0028]本发明还提供一种用于在亚热带至温