專利名稱：光生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于培養(yǎng)光養(yǎng)微生物的封閉光生物反應(yīng)器的操作方法以及用于培養(yǎng) 光養(yǎng)微生物的封閉光生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
如今，在許多商業(yè)化應(yīng)用中已發(fā)現(xiàn)光養(yǎng)微生物，這一點(diǎn)已為人所知。因此，生產(chǎn)了 藻類以制造胡蘿卜素、蝦青素等，或?qū)⑼暾脑孱惿镔|(zhì)作為營養(yǎng)添加劑銷售。目前， 藻類生物質(zhì)的生產(chǎn)面臨兩個(gè)主要困難。首先，現(xiàn)有生產(chǎn)大部分得自于開放系統(tǒng)(例如所謂 的開放塘(openpond))。這些開放系統(tǒng)對(duì)于其他藻類株或有害物的污染敏感，因此只有具有 非常特異的生長條件的藻類才能在這些系統(tǒng)中生長。因此，例如，在極高鹽性的條件下培養(yǎng) 杜氏藻屬(Dimaliella)的藻類來生產(chǎn)β -胡蘿卜素，這種條件不適合大多數(shù)其他生物體。 其次，藻類生物質(zhì)的生產(chǎn)成本相當(dāng)高(每公噸> 2，000美元)，導(dǎo)致用于許多應(yīng)用領(lǐng)域、特 別是能源方面或運(yùn)輸方面的商業(yè)化生產(chǎn)是無利可圖的。特別是，如果使用封閉系統(tǒng)代替開 放系統(tǒng)以避免污染，生產(chǎn)成本通常增加到更高。除了開放塘之外，目前還有大量各種不同的 光生物反應(yīng)器類型在使用。最熟知的是管式反應(yīng)器，它可以由一個(gè)或多個(gè)水平管構(gòu)成，或其 中管螺旋狀纏繞在圓柱或圓錐周圍(生物旋管(biocoil))。此外，平板式反應(yīng)器也經(jīng)常使 用，這種反應(yīng)器提供了垂直液體層用于藻類培養(yǎng)。從藻類生成化學(xué)物質(zhì)和能量的主要挑戰(zhàn)是污染的風(fēng)險(xiǎn)和制造藻類生物質(zhì)的高成 本。類似地，從藻類生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品、營養(yǎng)添加劑、維生素、ω-3脂肪酸、抗氧化劑(例如類 胡蘿卜素)、藥物活性物質(zhì)或用于營養(yǎng)添加的干燥生物質(zhì)的主要挑戰(zhàn)同樣也是污染的風(fēng)險(xiǎn) 和制造生物質(zhì)的高成本。當(dāng)培養(yǎng)藻類用于生物燃料、動(dòng)物飼料、氨基酸、甲烷生產(chǎn)等時(shí)，也面 臨同樣的挑戰(zhàn)。WO 2005/121309公開了用于藻類生產(chǎn)的裝置，其中含有藻類的流體位于生長容器 中，向該容器供應(yīng)含有CO2的氣體，氣體經(jīng)氣體調(diào)節(jié)裝置循環(huán)通過容器。在一個(gè)實(shí)施方案中， 容器由形成片層袋的兩個(gè)塑料片層制成。在據(jù)說適合于在海水中生產(chǎn)微藻的實(shí)施方案中， 將熔焊在一起的片層袋放置成水平漂浮在水表面中。US 4，868，123公開了用于通過光合作用生產(chǎn)微生物的裝置。裝置包含放置在寬闊 水上的生物反應(yīng)器，所述反應(yīng)器具有第一組透光的柔性管，培養(yǎng)基在所述柔性管中循環(huán)，以 及第二組可膨脹的管，它們通過規(guī)則間隔的可拆卸Y型內(nèi)插元件放置并維持在第一組管的 底下。根據(jù)該文獻(xiàn)，當(dāng)培養(yǎng)基的溫度超過參比溫度上限時(shí)，光生物反應(yīng)器通過第二組管的縮 小浸沒。相反，當(dāng)培養(yǎng)基的溫度低于最低參比溫度時(shí)，第二組管用壓縮空氣充氣。光生物反 應(yīng)器的浸沒也可以通過在第二組管中引入相對(duì)重的液體來確保，而漂浮可以通過注入空氣 之外的輕質(zhì)流體來確保。因?yàn)槲⑸锏拇笠?guī)模培養(yǎng)對(duì)成本非常敏感，因此對(duì)更簡單、更廉價(jià)的生物反應(yīng)器 設(shè)備存在著需求。

發(fā)明內(nèi)容
目前，光養(yǎng)微生物培養(yǎng)的特征在于生產(chǎn)生物質(zhì)的高成本。新的光生物反應(yīng)器將能 夠顯著降低生物質(zhì)的生產(chǎn)成本。此外，通過封閉工藝設(shè)計(jì)，污染的風(fēng)險(xiǎn)與開放系統(tǒng)相比可以 極大降低。為了避免污染，將使用封閉光生物反應(yīng)器，它可以例如從塑料例如聚乙烯生產(chǎn)。當(dāng) 光生物反應(yīng)器在水體、例如人工塘中或其上漂浮時(shí)，可以獲得成本的極大降低。通過這種構(gòu) 造原則，避免了用于使光生物反應(yīng)器在水平方向上精確保持水平的成本。由于光生物反應(yīng) 器內(nèi)部流體靜水壓力得到周圍水的部分補(bǔ)償，光生物反應(yīng)器壁的強(qiáng)度可以降低，或可以使 用穩(wěn)定性較低的材料。光生物反應(yīng)器周圍的水能夠提供或除去熱量，使附加的溫度調(diào)節(jié)成 為多余。通過對(duì)光生物反應(yīng)器使用柔性材料，以及改變光生物反應(yīng)器在周圍水體中的位置 的可能性和改變培養(yǎng)液層厚度的可能性，可以根據(jù)環(huán)境因素例如太陽輻照或溫度調(diào)整光生 物反應(yīng)器的運(yùn)行條件，這將增加生產(chǎn)率，導(dǎo)致成本的進(jìn)一步降低。由于在水表面上操作光生 物反應(yīng)器的可能性，考慮到我們的星球70%以上被水覆蓋，因此有非常大的區(qū)域可用于實(shí) 現(xiàn)這種光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。所描述的光生物反應(yīng)器可用于從光養(yǎng)生物生產(chǎn)生物質(zhì)，該生物質(zhì)可用于制造任何 類型的生物燃料、動(dòng)物飼料、蛋白質(zhì)、氨基酸，用于人類基本營養(yǎng)的成分，以及用于從光養(yǎng)生 物生產(chǎn)生物質(zhì)，該生物質(zhì)用于制造精細(xì)化學(xué)品、營養(yǎng)添加劑、維生素、ω-3脂肪酸、抗氧化劑 (例如類胡蘿卜素)、藥物活性物質(zhì)成分或用作營養(yǎng)添加劑的干燥生物質(zhì)。因此，本發(fā)明的目的是促進(jìn)封閉光生物反應(yīng)器的內(nèi)含物、例如培養(yǎng)基和其中培養(yǎng) 的微生物的溫度調(diào)控。本發(fā)明的相關(guān)目的是利用部分或完全圍繞封閉光生物反應(yīng)器的水的 冷卻能力，以便調(diào)節(jié)其內(nèi)含物的溫度。本發(fā)明的另一個(gè)目的是允許控制部分或完全被水圍繞的封閉光生物反應(yīng)器的垂 直位置。具體來說，本發(fā)明的目的是允許進(jìn)行這樣的位置控制而不需要光生物反應(yīng)器本身 的內(nèi)含物例如培養(yǎng)基以及周圍的水之外的其他浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供光生物反應(yīng)器，所述光生物反應(yīng)器當(dāng)漂浮在水體上時(shí) 自動(dòng)地提供培養(yǎng)液厚度的均勻分布。因?yàn)楸景l(fā)明的光生物反應(yīng)器或其部分優(yōu)選可以由柔性材料制成，因此反應(yīng)器的形 狀可能受到內(nèi)部和外部沖擊和不均勻性的影響。因此，為了保持光生物反應(yīng)器的形狀和最 適功能，這種沖擊和不均勻性的控制可能是重要的。因此，本公開的一個(gè)目的是提供用于附 加控制柔性光生物反應(yīng)器的位置和/或形狀的機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的另一個(gè)目的是簡化封閉光生物反應(yīng)器及其外圍設(shè)備的構(gòu)造并降低其成 本。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在閱讀了下面的說明書后，本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn) 將是顯而易見的。本文中使用的術(shù)語“光生物反應(yīng)器”，一般是指光生物反應(yīng)器的適合于包含藻類 培養(yǎng)液并在其中進(jìn)行光合作用的區(qū)室，包括任何附加的區(qū)室或管、子區(qū)室或用于控制光生 物反應(yīng)器的位置和/或形狀的機(jī)械機(jī)構(gòu)，但是該術(shù)語也可以是指更廣義的光生物反應(yīng)器系 統(tǒng)，包括所述包含了任何附加的區(qū)室或管、子區(qū)室或用于控制光生物反應(yīng)器的位置和/或 形狀的機(jī)械機(jī)構(gòu)的藻類區(qū)室，以及外圍設(shè)備例如泵、軟管、罐和操作反應(yīng)器所需的其他設(shè)備。在本發(fā)明的第一方面，提供了用于培養(yǎng)光養(yǎng)微生物的封閉光生物反應(yīng)器的操作方 法，所述光生物反應(yīng)器包含培養(yǎng)液，并且光生物反應(yīng)器部分或完全被水體的水圍繞，其中在 培養(yǎng)液與周圍的水之間提供了密度差，以便控制光生物反應(yīng)器在水體中的位置。本發(fā)明所基于的主要原理，是通過控制光生物反應(yīng)器的密度相對(duì)于周圍水的密 度，例如通過在反應(yīng)器的內(nèi)部和外部提供不同的鹽濃度，來控制柔性輕質(zhì)的光生物反應(yīng)器 在周圍水體中的垂直位置的能力。已經(jīng)顯示，含有淡水或微鹽水(低密度)的反應(yīng)器容易 地漂浮在由鹽水(高密度)構(gòu)成的水體上。此外，已發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的光生物反應(yīng)器自身穩(wěn) 定，這意味著無論它在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)所處位置如何，它都采取完全水平的位置，并且反應(yīng)器內(nèi) 部的培養(yǎng)液層厚度變得非常均勻，這同樣不依賴于起始點(diǎn)。因此，在光生物反應(yīng)器含有淡水 而周圍水體包含鹽水的情況下，通過利用反應(yīng)器本身和周圍水體中的不同鹽度以及由此產(chǎn) 生的兩種水體中不同的密度，將在周圍鹽水體上形成由光生物反應(yīng)器的柔性透明壁所限定 的穩(wěn)定淡水透鏡。本發(fā)明的使用密度差穩(wěn)定反應(yīng)器以及獲得培養(yǎng)液層的均勻厚度的概念，允許提供 非常簡單和成本效率極高的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)中的淡水本身將形成最適(水 平)結(jié)構(gòu)，意味著可以將薄的、低成本材料用于反應(yīng)器。其次，反應(yīng)器將自動(dòng)移動(dòng)到適合于 生長藻類的位置，由此對(duì)將反應(yīng)器布置在優(yōu)選位置中的機(jī)械設(shè)備或工藝控制裝置的需求最 小化。第三，培養(yǎng)液層的均勻厚度以及通過改變光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)液的量將培養(yǎng)液層厚 度最適化的可能性，允許培養(yǎng)液中的高生物質(zhì)密度，意味著本發(fā)明的光生物反應(yīng)器可以含 有更多生物質(zhì)，因此具有更高的能量效率。因?yàn)橛甥}度和/或溫度差異引起的光生物反應(yīng)器內(nèi)部和外部水中的小的密度差 是用于移動(dòng)反應(yīng)器的唯一驅(qū)動(dòng)力，因此優(yōu)選情況下在光生物反應(yīng)器壁中有薄的柔性材料。 薄的柔性壁將光生物反應(yīng)器自身穩(wěn)定的能力最適化。適合用于光生物反應(yīng)器壁中的材料的 例子是厚度為大約0. Imm的聚乙烯或等價(jià)材料。因此，通過在培養(yǎng)液與周圍的水之間提供所述密度差以便控制光生物反應(yīng)器在水 體中的位置，產(chǎn)生了光生物反應(yīng)器相對(duì)于周圍水的浮力的變化，這種浮力變化是反應(yīng)器垂 直位置改變的驅(qū)動(dòng)力。因此，提供的密度差考慮到了光生物反應(yīng)器自身的重量和浮力。因 此，本發(fā)明代表了一種簡單廉價(jià)的解決方案，以便控制光生物反應(yīng)器在周圍水中的位置。同 樣，通過使光生物反應(yīng)器在周圍的水中下降，可以有效地、低成本地實(shí)現(xiàn)光生物反應(yīng)器內(nèi)含 物的冷卻。此外，系統(tǒng)的封閉工藝設(shè)計(jì)顯著降低了污染的風(fēng)險(xiǎn)。光生物反應(yīng)器被水(部分)包 圍這一事實(shí)，通過以下各種不同效應(yīng)降低了生產(chǎn)成本通過使光生物反應(yīng)器漂浮或懸浮在 水中，不需要昂貴的建筑施工來拉平地形。光生物反應(yīng)器作為封閉系統(tǒng)漂浮或懸浮在周圍 水體中，從而可以非常簡單和成本效益高的方式制備體現(xiàn)周圍水體的池。在極端情況下，甚 至河流、湖泊和海洋或充水的天然黏土坑都可以用作外部水體。周圍水體能夠最適地提供 和除去熱量，因此不需滿足進(jìn)一步溫度調(diào)節(jié)需求的成本。由于光生物反應(yīng)器的內(nèi)部靜水壓 被周圍的水部分補(bǔ)償，光生物反應(yīng)器壁的厚度可以降低，或者可以使用穩(wěn)定性較低的材料， 這有助于進(jìn)一步降低成本。通過光生物反應(yīng)器的柔性構(gòu)造，即改變反應(yīng)器在周圍水體中的位置的可能性和改變光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)液的厚度的可能性，可以根據(jù)環(huán)境條件例如太陽光輻照的強(qiáng)度和溫 度調(diào)整光生物反應(yīng)器的工藝參數(shù)，這將導(dǎo)致生產(chǎn)率的增加并將進(jìn)一步降低成本。培養(yǎng)液的 厚度影響光養(yǎng)生物生長所必需的太陽光的光路。因?yàn)楣馍锓磻?yīng)器可以在水表面上操作，因此有非常大的區(qū)域可用于實(shí)現(xiàn)這種光 生物反應(yīng)器系統(tǒng)，因?yàn)槲覀兊男乔?0%以上被水覆蓋?？梢酝ㄟ^在培養(yǎng)液與周圍的水之間提供鹽度差異來提供密度差。所述鹽度差異可 以通過增加或降低培養(yǎng)液的鹽度來提供。所述鹽度差異也可以、或可替選地通過增加或降 低周圍的水、特別是封閉水體的周圍的水的鹽度來提供。在本文中，正如專業(yè)技術(shù)人員所理 解的，術(shù)語“封閉水體”是指允許控制其中的水的量或類型、例如淡水、微鹽水或鹽水的明確 限定的水系統(tǒng)。封閉水體的例子是天然或人造塘或池。可以在提供周圍水的鹽度降低的同 時(shí)提供培養(yǎng)液的鹽度增加?？梢栽谔峁┲車柠}度增加的同時(shí)提供培養(yǎng)液的鹽度降低。可以通過在培養(yǎng)液與周圍的水之間提供溫度差來提供密度差。所述溫度差可以通 過改變周圍的水、特別是封閉水體的周圍的水的溫度來提供?！胺忾]水體”的含義同上。密度差可以通過增加或降低培養(yǎng)液的氣體壓力來提供。因此，培養(yǎng)液密度可能受 到供應(yīng)給光生物反應(yīng)器以被藻類消耗的氣體(例如二氧化碳)的壓力或由藻類產(chǎn)生的氣體 (例如氧氣)的壓力的影響。影響培養(yǎng)液和/或周圍的水的密度的鹽度、溫度、氣體壓力和/或其它參數(shù)可以單 獨(dú)或同時(shí)被修改，以便提供理想的密度差。培養(yǎng)液的密度和周圍的水的密度可以單獨(dú)或同 時(shí)被修改，以便提供理想的密度差。可以提供密度差使得培養(yǎng)液的密度增加或使得周圍水的密度降低，由此降低光生 物反應(yīng)器在水體中的位置。可以提供密度差使得培養(yǎng)液的密度降低或使得周圍水的密度增 加，由此升高光生物反應(yīng)器在水體中的位置?？梢蕴峁┟芏炔钍沟霉馍锓磻?yīng)器在水體中 的位置得以維持。同樣地，培養(yǎng)液的密度和周圍水的密度可以同時(shí)被改變，以便提供理想的 密度差，用于降低、升高或維持光生物反應(yīng)器的位置。上述的操作光生物反應(yīng)器的方法，即其中在培養(yǎng)液與周圍的水之間提供密度差以 便控制光生物反應(yīng)器在水體中的位置的方法，特別適合于位置的長期控制。在本文中，“位 置的長期控制”是指位置的變化(光生物反應(yīng)器的升高或降低)不需要從變化開始后在幾 小時(shí)或幾天內(nèi)逆轉(zhuǎn)。但是，在本發(fā)明的方法中，光生物反應(yīng)器可以裝備有一個(gè)或多個(gè)適用于 進(jìn)一步控制光生物反應(yīng)器的浮力的區(qū)室或管。這種區(qū)室或管的優(yōu)點(diǎn)將在下文陳述。 在本發(fā)明的方法中，光生物反應(yīng)器也可以裝備有適用于進(jìn)一步控制光生物反應(yīng)器 的垂直位置和/或形狀的機(jī)械機(jī)構(gòu)。這樣的機(jī)械機(jī)構(gòu)及其優(yōu)點(diǎn)將在下文討論。在本發(fā)明的方法中，光生物反應(yīng)器可以具有平板形狀。與例如管型光生物反應(yīng)器 相比，平板反應(yīng)器需要較少的建造材料，由于較低的流阻而需要較少的能量輸入，并對(duì)可縮 放性限制較少。在本發(fā)明的方法中，光生物反應(yīng)器可以進(jìn)一步包含如下根據(jù)本發(fā)明的第二方面所 描述的附加特征。在本發(fā)明的第二方面，提供了用于培養(yǎng)光養(yǎng)微生物的封閉光生物反應(yīng)器，所述光 生物反應(yīng)器適合于包含培養(yǎng)液，并且所述光生物反應(yīng)器適合于部分或完全被水體的水圍 繞，其中光生物反應(yīng)器包含用于測定培養(yǎng)液與周圍的水之間的密度差的機(jī)構(gòu)。
因?yàn)橛甥}度和/或溫度差異引起的光生物反應(yīng)器內(nèi)部和外部水中的小的密度差 是用于移動(dòng)反應(yīng)器的唯一驅(qū)動(dòng)力，因此優(yōu)選情況下在光生物反應(yīng)器壁中有薄的柔性材料。 有薄的柔性壁將光生物反應(yīng)器自身穩(wěn)定的能力最適化。封閉光生物反應(yīng)器優(yōu)選可以包含由水密性透明柔性材料的壁圍成的區(qū)室，在本文 中稱為藻類區(qū)室。水密性透明柔性材料優(yōu)選可以進(jìn)一步是輕質(zhì)或低密度材料。優(yōu)選情況下，材料可 以是基于聚合物的材料，例如基于聚烯烴的聚合物例如聚乙烯或聚丙烯的薄膜。聚合物材 料領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員將會(huì)容易地認(rèn)識(shí)到其他適合用于本發(fā)明的聚合物。壁的厚度應(yīng)該 根據(jù)所用的具體材料的性質(zhì)、例如柔性、透明性和耐久性進(jìn)行選擇，可以在例如10-1000 μ m 的范圍內(nèi)，或在25-500 μ m或50-150 μ m的范圍內(nèi)。在考慮了材料的耐久性的前提下，優(yōu)選 將光生物反應(yīng)器的壁造得盡可能薄，以便使柔性和透明性最大化。作為非限制性的例子，已 發(fā)現(xiàn)厚度為大約100 μ m的聚乙烯膜適合用于光生物反應(yīng)器的壁。作為例子，光生物反應(yīng)器的藻類區(qū)室可以包含彼此附著的水密性透明柔性材料的 頂面和底面，以便在兩個(gè)片之間形成封閉區(qū)室，但是也考慮到了其它產(chǎn)生由水密性透明柔 性輕質(zhì)材料的壁圍成的密封區(qū)室的布置。光生物反應(yīng)器的藻類區(qū)室還可以包含各種不同的入口和出口端口，其上可以連接 軟管、泵、液體或氣體源以及操作光生物反應(yīng)器所需或有用的其它附加設(shè)備。用于測定密度差的機(jī)構(gòu)可以包含用于測定培養(yǎng)液的鹽度和/或溫度的機(jī)構(gòu)。用于 測定密度差的機(jī)構(gòu)可以包含用于測定周圍的水的鹽度和/或溫度的機(jī)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以鑒定到用于測定培養(yǎng)液或周圍的水的鹽度的適合機(jī)構(gòu)，它們的功能可以基于例如對(duì)其 中鹽度待測定的介質(zhì)的電導(dǎo)率進(jìn)行測量。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以鑒定到用于測定培養(yǎng)液或周 圍的水的溫度的適合機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)可以是例如熱電偶或用于溫度測量以提供表示溫度的 電信號(hào)的其它裝置。光生物反應(yīng)器可以裝備有適合于進(jìn)一步控制光生物反應(yīng)器的浮力的一個(gè)或多個(gè) 附加區(qū)室或管。區(qū)室或管可以含有氣體、水或任何其它液體。因此，附加區(qū)室或管增加了控 制光生物反應(yīng)器在水體中的位置的速度。因此，當(dāng)例如需要對(duì)培養(yǎng)液溫度的短期變化作出 響應(yīng)快速調(diào)整光生物反應(yīng)器的位置時(shí)，可以使用附加區(qū)室或管?！岸唐谧兓笔侵冈诜昼娀?小時(shí)規(guī)模上的變化。光生物反應(yīng)器可以裝備有當(dāng)例如為了對(duì)藻類的生長條件進(jìn)行最適化，所述生長條 件為例如溫度、或由于氣候相關(guān)條件例如強(qiáng)風(fēng)而需要快速調(diào)整光生物反應(yīng)器的位置時(shí)，用 于加速浸沒或漂浮的機(jī)械機(jī)構(gòu)。這樣的機(jī)械機(jī)構(gòu)可以包含例如伸展在光生物反應(yīng)器上并布 置成可被降低或抬升以幫助光生物反應(yīng)器的浸沒或漂浮的網(wǎng)或至少一個(gè)細(xì)長的元件，例如 繩索、纜繩或桿。這樣的網(wǎng)或至少一個(gè)細(xì)長元件可以是、也可以不是固定到光生物反應(yīng)器的 表面上。一般來說，具有兩個(gè)或多個(gè)平行布置或以適合距離跨過光生物反應(yīng)器的長度而分 布的細(xì)長元件，是有用的。細(xì)長元件可以同時(shí)或相繼被降低或抬升，例如使得整個(gè)光生物反 應(yīng)器同時(shí)浸沒，或使得反應(yīng)器的一個(gè)側(cè)面首先浸沒，反應(yīng)器的另一個(gè)側(cè)面隨后浸沒。光生物反應(yīng)器可以具有平板形狀。與例如管型光生物反應(yīng)器相比，平板反應(yīng)器需 要較少的建造材料，由于較低的流阻而需要較少的能量輸入，并對(duì)可縮放性限制較少。光生物反應(yīng)器的藻類區(qū)室也可以包含兩個(gè)或多個(gè)適合于包含培養(yǎng)液的子區(qū)室。所述子區(qū)室可以適合于包含光生物反應(yīng)器中存在的培養(yǎng)液的一部分。優(yōu)選情況下，當(dāng)光生物 反應(yīng)器包含兩個(gè)或多個(gè)這樣的子區(qū)室時(shí)，培養(yǎng)液可以在子區(qū)室之間均衡分布。當(dāng)光生物反 應(yīng)器部分或完全被浸沒時(shí)，在光生物反應(yīng)器中使用子區(qū)室可以幫助穩(wěn)定反應(yīng)器，因?yàn)檎?將在本文中更詳細(xì)討論的，子區(qū)室?guī)椭鷾p少培養(yǎng)液附聚和大氣泡的潛在不利效應(yīng)。子區(qū)室可以彼此密封。如果子區(qū)室彼此密封，子區(qū)室將作為較小的光生物反應(yīng)器 的陣列。這將進(jìn)一步減輕當(dāng)光生物反應(yīng)器被浸沒時(shí)與附聚和大氣泡相伴的問題。子區(qū)室也可以連通，以允許子區(qū)室之間受限的液體和/或氣體運(yùn)輸。這將減輕當(dāng) 光生物反應(yīng)器被浸沒時(shí)與附聚和大氣泡相伴的問題，同時(shí)保持光生物反應(yīng)器的柔性以及將 CO2和其它營養(yǎng)物共分配到培養(yǎng)液并從反應(yīng)器除去氧氣的優(yōu)點(diǎn)。光生物反應(yīng)器還可以包含用于將光生物反應(yīng)器的藻類區(qū)室暫時(shí)分成兩個(gè)或多個(gè) 子區(qū)室的機(jī)構(gòu)。暫時(shí)劃分光生物反應(yīng)器的藻類區(qū)室，允許將當(dāng)光生物反應(yīng)器漂浮在水表面 上時(shí)具有不受限的平板結(jié)構(gòu)以及當(dāng)光生物反應(yīng)器處于部分或完全浸沒位置時(shí)具有子區(qū)室 結(jié)構(gòu)的益處相結(jié)合。光生物反應(yīng)器或其藻類區(qū)室，當(dāng)漂浮在周圍水的表面上時(shí)，一般將至少 包含面朝大氣的柔性頂面和面朝水的柔性底面，藻類培養(yǎng)物維持在兩個(gè)片之間。用于暫時(shí) 劃分光生物反應(yīng)器的藻類區(qū)室的機(jī)構(gòu)，可以包含例如適合于將光生物反應(yīng)器的頂面壓向光 生物反應(yīng)器的底面的元件，以便在光生物反應(yīng)器內(nèi)部，在凹陷處的每個(gè)側(cè)面上形成子區(qū)室。 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述用于將光生物反應(yīng)器的藻類區(qū)室分成兩個(gè)或多個(gè)子區(qū)室的機(jī)構(gòu)， 包含至少一個(gè)細(xì)長的元件，例如繩索、纜繩或桿，它們伸展在光生物反應(yīng)器上并布置成可被 降低以將光生物反應(yīng)器的頂面壓向光生物反應(yīng)器的底面，使得在光生物反應(yīng)器內(nèi)部，在所 述至少一個(gè)細(xì)長元件的每個(gè)側(cè)面上形成子區(qū)室。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述用于將光生物反應(yīng)器分成兩個(gè)或多個(gè)子區(qū)室的機(jī)構(gòu)包 含至少一個(gè)附加的區(qū)室或管，它們與藻類區(qū)室分開，布置成與光生物反應(yīng)器的頂面接觸，適 合于填充比培養(yǎng)液密度更高的液體，使得當(dāng)附加區(qū)室或管填充有高密度液體時(shí)，填充的區(qū) 室或管能夠?qū)⒐馍锓磻?yīng)器的頂面壓向光生物反應(yīng)器的底面，使得在光生物反應(yīng)器的藻類 區(qū)室內(nèi)部，在所述填充區(qū)室的每個(gè)側(cè)面上形成子區(qū)室。


圖Ia是光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖。圖Ib是光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的橫截面圖。圖2a顯示了帶有由于其低密度而漂浮在培養(yǎng)液區(qū)室上的CO2供應(yīng)管的光生物反 應(yīng)器的三維圖。圖2b顯示了帶有由于其低密度而漂浮在培養(yǎng)液上的CO2供應(yīng)管的光生物反應(yīng)器 的垂直截面圖。圖3顯示了帶有用于控制反應(yīng)器的垂直位置和/或形狀的附加區(qū)室的光生物反應(yīng)器。圖4a是光生物反應(yīng)器的示意圖，帶有用于產(chǎn)生暫時(shí)子區(qū)室和用于加速浸沒過程 的繩索。圖4b是圖4a的垂直輪廓的放大圖，帶有引導(dǎo)反應(yīng)器移動(dòng)的導(dǎo)軌。圖5顯示了具有密封子區(qū)室的光生物反應(yīng)器。
圖6a是光生物反應(yīng)器的示意圖，其中反應(yīng)器的頂面和底面在不同點(diǎn)相通。圖6b是光生物反應(yīng)器的橫截面示意圖，其中反應(yīng)器的頂面和底面在不同點(diǎn)相通。圖7是在反應(yīng)器的頂側(cè)面上帶有區(qū)室的光生物反應(yīng)器的橫截面示意圖，該反應(yīng)器 可以填充有高密度液體，以在光生物反應(yīng)器內(nèi)部形成子區(qū)室。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)的非限制性例子可以在隨附的圖中發(fā)現(xiàn)，并在下文中進(jìn)一步描述。 術(shù)語培養(yǎng)液與培養(yǎng)基可以互換使用，可以是指整個(gè)藻類培養(yǎng)物，即藻類與其中懸浮了藻類 的水性介質(zhì)的混合物，或僅僅是指用于懸浮藻類的水性介質(zhì)。圖Ia是完整的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的視圖。板形光生物反應(yīng)器1(在本文中也稱為 “反應(yīng)器”)漂浮在水體上，在這里是人工塘2。這種光生物反應(yīng)器1的尺寸可變，長度50米、 寬度大約10米可以是可能實(shí)現(xiàn)的。光生物反應(yīng)器1由柔性透明材料制造，在光生物反應(yīng)器 內(nèi)部是培養(yǎng)液，藻類懸浮在其中。借助光生物反應(yīng)器1上的太陽輻照，藻類能夠通過光合作 用生產(chǎn)生物質(zhì)。在該過程中使用二氧化碳并產(chǎn)生氧氣。因此，在光照時(shí)培養(yǎng)基總是移動(dòng)的， 以便提供新的二氧化碳并除去可能對(duì)藻類有毒的氧氣。培養(yǎng)基將通過泵3移動(dòng)。因此，培 養(yǎng)基通過光生物反應(yīng)器移動(dòng)，并經(jīng)管4返回。氣體交換將在罐5內(nèi)發(fā)生，管系統(tǒng)6將利用壓 縮機(jī)7穩(wěn)定地向其提供富含二氧化碳的氣體混合物。富含二氧化碳的氣體混合物的來源， 可以來自例如使用化石燃料的發(fā)電廠。排出的氧氣將通過裝備有無菌過濾器的管8導(dǎo)出。 帶有藻類生物質(zhì)的培養(yǎng)液可以經(jīng)閥9從系統(tǒng)中取出，并儲(chǔ)存在罐10中直到對(duì)該收獲的量進(jìn) 行進(jìn)一步加工。新的培養(yǎng)基通過另一個(gè)閥11從儲(chǔ)存罐12提供到系統(tǒng)中。這用于消除由收 獲導(dǎo)致的液體的損失，并向培養(yǎng)液供應(yīng)新的營養(yǎng)物。在可替選實(shí)施方案中(未顯示)，從位于反應(yīng)器中的管或軟管向生長的藻類提供 二氧化碳，所述管或軟管具有一個(gè)或多個(gè)用于二氧化碳的出口。因此，在該實(shí)施方案中，培 養(yǎng)液不必移動(dòng)通過罐5就能補(bǔ)充二氧化碳。用于測定培養(yǎng)液的鹽度和溫度的傳感器13和用于測定周圍的水的鹽度和溫度的 傳感器14，與控制單元15相連。控制單元15根據(jù)來自傳感器13、14的信息以及其他參數(shù) 和儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，確定培養(yǎng)液與周圍的水之間的密度差?？刂茊卧刂品謩e向塘2供應(yīng)海水 和淡水的泵(未顯示)。在另一個(gè)實(shí)施方案中(未顯示)，控制單元15控制用于改變光生 物反應(yīng)器1中培養(yǎng)液的鹽度的機(jī)構(gòu)。圖Ib顯示了通過這種系統(tǒng)的橫截面。光生物反應(yīng)器1以側(cè)向方式切開，在該圖中， 光生物反應(yīng)器漂浮在水體2上。光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)液的垂直厚度典型地在1到30cm之 間。水體2的深度可以顯著變化。在側(cè)切圖中也可以看到用于循環(huán)培養(yǎng)液的管4。光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)液藻類培養(yǎng)物位于光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)液中。培養(yǎng)液是含有不同鹽和其他營養(yǎng)物質(zhì) 例如碳源例如CO2、葡萄糖或琥珀酸的水性溶液，以便藻類能夠生產(chǎn)生物質(zhì)或特定分子。培 養(yǎng)液的具體營養(yǎng)物含量可以隨著光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)的藻類的類型或希望藻類培養(yǎng)物生 產(chǎn)的不同分子而變化。通過將新鮮培養(yǎng)液以任何流速泵過光生物反應(yīng)器，可以更換光生物 反應(yīng)器中的培養(yǎng)液，以便為藻類培養(yǎng)物提供新鮮營養(yǎng)物。如果將培養(yǎng)液泵過光生物反應(yīng)器， 優(yōu)選情況下調(diào)整泵送培養(yǎng)液的流速，以便使藻類從光生物反應(yīng)器的任何損失最小化。光生 物反應(yīng)器中的培養(yǎng)液和周圍的水的溫度被連續(xù)測量。將測量到的溫度與預(yù)定的溫度值相比較，該預(yù)定溫度值可以是其中對(duì)于藻類培養(yǎng)來說條件最適的溫度范圍、例如促進(jìn)藻類培養(yǎng) 物的最高生長率或特定分子的最高產(chǎn)率的溫度范圍內(nèi)的溫度。向光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)液供應(yīng)CO2藻類需要大量CO2用于其生長，因?yàn)樗鼈儗O2作為關(guān)鍵碳源。此外，在光合作用 過程中產(chǎn)生氧氣，它們可能對(duì)藻類有毒。因此，這些氣體跨過液-氣邊界的質(zhì)量傳遞對(duì)于高 生產(chǎn)率是關(guān)鍵的。在下文中，將描述向藻類培養(yǎng)物提供CO2以及從其中除去形成的氧氣的 多種可能方式。本文描述的方法不應(yīng)該被解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。其他對(duì)于本公開所屬技 術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說也可能顯而易見的方法，也被考慮在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在實(shí)施方案中(未顯示)，CO2向培養(yǎng)基的質(zhì)量傳遞通過氣態(tài)CO2在培養(yǎng)基的大表 面上的被動(dòng)擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)。假定由Fick' s第一和第二定律所描述的擴(kuò)散過程，以及隨后的 水合和脫質(zhì)子化過程的動(dòng)力學(xué)快得足以向藻類培養(yǎng)物提供足夠的CO2并通過光氧化作用避 免O2的毒性效應(yīng)，則CO2通過大表面的被動(dòng)擴(kuò)散將是足夠的。被動(dòng)擴(kuò)散的優(yōu)點(diǎn)是不需要能 量來移動(dòng)水或迫使CO2進(jìn)入水中。此外，因?yàn)椴恍枰鲃?dòng)通氣，投資成本將降低。在這種情 況下，CO2轉(zhuǎn)移將在水與CO2氣體之間的界面層處發(fā)生，不再需要添加任何更多的能量。在 更具體的實(shí)施方案中，這可以通過在光生物反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)基上產(chǎn)生富含CO2氣體的氣泡 來實(shí)現(xiàn)。在另一個(gè)實(shí)施方案中(未顯示)，將CO2鼓泡通過培養(yǎng)基。優(yōu)選情況下，可以通過 延伸到培養(yǎng)基中的管或管狀裝置供應(yīng)氣態(tài)co2。這樣的系統(tǒng)可以包含孔，通過從外部裝置施 加壓力將富含CO2的氣體通過所述孔壓入。管或管狀裝置可以例如固定在反應(yīng)器底部，孔 的典型方向?qū)⑹沁M(jìn)入水表面的方向。在光生物反應(yīng)器操作過程中，可以向培養(yǎng)基連續(xù)供應(yīng)富含CO2的氣體。本實(shí)施方 案也具有附加優(yōu)點(diǎn)，即它導(dǎo)致接近新生狀態(tài)的氧氣的連續(xù)去除，即產(chǎn)生的氧氣在其形成后 很快從培養(yǎng)基中除去。或者，可以短脈沖方式添加富含CO2的氣體。有各種不同的手段用于確定脈沖的 持續(xù)時(shí)間、壓入的氣體量、壓入氣體所用的壓力以及脈沖之間的時(shí)間。在實(shí)施方案中，氣體 可以通過定時(shí)器脈沖，所述定時(shí)器給出規(guī)則信號(hào)，例如每5分鐘脈沖1分鐘。在另一個(gè)實(shí)施 方案中，脈沖由特殊單元控制，該單元能夠估算藻類使用的CO2量，并計(jì)算脈沖的最適持續(xù) 時(shí)間、將被壓入的氣體的量、將氣體壓入所用的壓力以及脈沖之間的時(shí)間。為了估算所需的 CO2量，單元可以包含不同的傳感器，例如測量光強(qiáng)度的傳感器、測量溫度的傳感器和測量 光生物反應(yīng)器中的生物質(zhì)密度的傳感器。使用通過這些傳感器接收的數(shù)據(jù)點(diǎn)，過程控制器 能夠計(jì)算用于光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的最適脈沖模式。添加的CO2量也可以與反應(yīng)器中的pH關(guān)聯(lián)。將pH電極安裝在培養(yǎng)基中，該電極 連續(xù)測量跨過半透膜的電壓，該電壓允許質(zhì)子逆著確定的氧化還原系統(tǒng)、例如逆著Ag/AgCl 電極而通過膜。電壓被過程控制單元記錄。一旦電壓達(dá)到預(yù)定點(diǎn)，過程控制單元將添加CO2 脈沖。脈沖的參數(shù)，例如時(shí)間、每分鐘的脈沖量、停止脈沖的電壓，可以輸入到過程控制單元 中。在圖2a和2b顯示的另一個(gè)實(shí)施方案中，可以通過延伸到光生物反應(yīng)器中并由于 其較低的密度而布置成漂浮在培養(yǎng)基表面頂部上的管或管狀裝置向培養(yǎng)基供應(yīng)氣態(tài)co2。 與上述情況相同地進(jìn)行氣態(tài)CO2的鼓泡，其中管或管狀裝置延伸到培養(yǎng)基中。但是，通過其供應(yīng)CO2的管或管狀裝置將被特殊設(shè)計(jì)，以漂浮在光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)基的表面上。這通 過使整個(gè)(16)通氣系統(tǒng)的密度低于藻類培養(yǎng)基(17)的密度來實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)施方案中，為 了獲得最佳的可能的氣體轉(zhuǎn)移，管或管狀裝置中通過其將CO2壓入培養(yǎng)基中的孔(18)，可以 優(yōu)選指向下方。因此，孔將位于培養(yǎng)基表面處或略低的位置。在光生物反應(yīng)器操作過程中，可以向培養(yǎng)基連續(xù)供應(yīng)富含CO2的氣體。該實(shí)施方 案也具有附加優(yōu)點(diǎn)，它導(dǎo)致接近新生狀態(tài)的氧氣的連續(xù)去除，即產(chǎn)生的氧氣在其形成后很 快從培養(yǎng)基中除去?；蛘?，可以短脈沖方式添加富含CO2的氣體。有各種不同的手段用于確定脈沖的 持續(xù)時(shí)間、壓入的氣體量、壓入氣體所用的壓力以及脈沖之間的時(shí)間。在實(shí)施方案中，氣體 可以通過定時(shí)器脈沖，所述定時(shí)器給出規(guī)則信號(hào)，例如每5分鐘脈沖1分鐘。在另一個(gè)實(shí)施 方案中，脈沖由特殊單元控制，該單元能夠估算藻類使用的CO2量，并計(jì)算脈沖的最適持續(xù) 時(shí)間、將被壓入的氣體的量、將氣體壓入所用的壓力以及脈沖之間的時(shí)間。為了估算所需的 CO2量，單元可以包含不同的傳感器，例如測量光強(qiáng)度的傳感器、測量溫度的傳感器和測量 光生物反應(yīng)器中的生物質(zhì)密度的傳感器。使用通過這些傳感器接收的數(shù)據(jù)點(diǎn)，過程控制器 能夠計(jì)算用于光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的最適脈沖模式。添加的CO2量也可以與反應(yīng)器中的pH關(guān)聯(lián)。將pH電極安裝在培養(yǎng)基中，該電極 連續(xù)測量跨過半透膜的電壓，該電壓允許質(zhì)子逆著確定的氧化還原系統(tǒng)、例如逆著Ag/AgCl 電極而通過膜。電壓被過程控制單元記錄。一旦電壓達(dá)到預(yù)定點(diǎn)，過程控制單元將添加CO2 脈沖。脈沖的參數(shù)，例如時(shí)間、每分鐘的脈沖量、停止脈沖的電壓，可以輸入到過程控制單元 中。0)2不是必須以氣態(tài)CO2的形式向光生物反應(yīng)器中的培養(yǎng)基供應(yīng)。也可以在光生物 反應(yīng)器外部制備富含CO2的培養(yǎng)基，例如通過將氣態(tài)CO2鼓泡通過水性培養(yǎng)基。換句話說， 代替在光生物反應(yīng)器的透明部分中供應(yīng)C02，這可以在真實(shí)的光生物反應(yīng)器外部進(jìn)行。在實(shí) 施方案中，這樣的系統(tǒng)可以使用含有水性培養(yǎng)基的垂直罐，其中富含CO2的氣體在罐的底部 處或接近底部處供應(yīng)。當(dāng)CO2氣泡通過水性介質(zhì)上升時(shí)，CO2將從氣泡轉(zhuǎn)移到水性介質(zhì)中， 同時(shí)可以從培養(yǎng)基中除去氧氣。在優(yōu)選實(shí)施方案中，其中富含CO2的水性介質(zhì)是來自光生 物反應(yīng)器的培養(yǎng)基，該培養(yǎng)基富集CO2并隨后返回到光生物反應(yīng)器中。因?yàn)楣蘅梢跃哂袔?米的高度，CO2的持留時(shí)間可能相對(duì)較長，允許進(jìn)行良好的質(zhì)量傳遞。為了將C02鼓泡到垂 直罐中，需要能量以例如克服靜水壓做功。用于加壓氣體而輸入的能量，也可用于將水性介 質(zhì)從藻類區(qū)室移動(dòng)到CO2富集裝置中并返回到藻類區(qū)室。在另一個(gè)實(shí)施方案中，代替將CO2鼓泡通過光生物反應(yīng)器內(nèi)部或外部的藻類培養(yǎng) 基，通過使用半透膜促進(jìn)CO2的供應(yīng)。使用這樣的膜與鼓泡相比具有各種不同的優(yōu)點(diǎn)a)這樣的膜將用作單向閥，意味著膜允許CO2進(jìn)入培養(yǎng)基，但是阻止水進(jìn)入CO2供 應(yīng)系統(tǒng)，因?yàn)檫@樣的膜可以透過CO2但是不透水。b)能量消耗較低。因?yàn)椴恍枰a(chǎn)生氣泡，膜方法與鼓泡工藝相比允許以較低的能 量消耗供應(yīng)CO2。c)低剪切應(yīng)力。通過避免鼓泡，降低了藻類細(xì)胞上的剪切應(yīng)力。藻類上較低的剪 切應(yīng)力導(dǎo)致藻類培養(yǎng)基中死亡的藻類細(xì)胞較少，因此傾向于分解的有機(jī)材料較少，這種分 解可能降低光生物反應(yīng)器的效率。此外，這將顯著降低異養(yǎng)生物污染的風(fēng)險(xiǎn)。
d)增加質(zhì)量傳遞率。膜的使用與上述利用被動(dòng)擴(kuò)散的實(shí)施方案相比允許更高的 CO2壓力，這是因?yàn)樽饔迷谀ど系腃O2壓力不像在被動(dòng)擴(kuò)散情況下那樣限于環(huán)境大氣壓。此 外，膜與具有與膜相同尺寸的平面表面、例如培養(yǎng)基表面相比，可能具有更高的表面積。也可以通過移動(dòng)光生物反應(yīng)器，例如通過使反應(yīng)器傾斜，來促進(jìn)CO2和/或氧氣的 質(zhì)量傳遞。封閉水體中的光生物反應(yīng)器術(shù)語“封閉水體”是指允許控制例如其中水的量或類型、例如淡水、微鹽水或鹽水 的定義明確的水系統(tǒng)。封閉水體的例子是天然或人工塘或池。在一個(gè)實(shí)施方案中，作為起始位置，光生物反應(yīng)器位于海水、即鹽水的封閉水體表 面上。當(dāng)光生物反應(yīng)器位于或漂浮在海水體表面上時(shí)，光生物反應(yīng)器的密度比海水體的密 度低。如果需要降低光生物反應(yīng)器的位置，調(diào)整光生物反應(yīng)器與海水體之間的密度差。例 如，當(dāng)測量到的培養(yǎng)液的溫度高于或預(yù)計(jì)將高于預(yù)定溫度值時(shí)，可能需要降低光生物反應(yīng) 器的位置。為了調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器與海水體之間的密度差，降低海水體的鹽度。這通過用 淡水替代海水來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)海水被淡水替代時(shí)，封閉水體的鹽度逐漸降低，即光生物反應(yīng)器周 圍的水的密度降低。作為可替選方案，海水可以用微鹽水替代。連續(xù)測量培養(yǎng)液的密度、光 生物反應(yīng)器的總密度以及周圍的水的密度，以便連續(xù)確定光生物反應(yīng)器與周圍的水之間的 密度差。由于與周圍的水相比密度較高，光生物反應(yīng)器沉入封閉水體中，光生物反應(yīng)器的位 置降低。光生物反應(yīng)器的位置可以降低到測量到的培養(yǎng)液溫度在所需溫度范圍之內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，光生物反應(yīng)器位于作為起始位置的淡水封閉水體表面上。 當(dāng)光生物反應(yīng)器位于或漂浮在淡水體表面上時(shí)，光生物反應(yīng)器的密度比淡水體的密度低。 如果需要降低光生物反應(yīng)器的位置，可以調(diào)整光生物反應(yīng)器與淡水體之間的密度差。例如， 當(dāng)測量到的培養(yǎng)液的溫度高于或預(yù)計(jì)將高于預(yù)定溫度值時(shí)，可能需要降低光生物反應(yīng)器的 位置。為了調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器與淡水體之間的密度差，增加培養(yǎng)液的鹽度。這通過用較高 鹽度的培養(yǎng)液替代或補(bǔ)充培養(yǎng)液、即通過將較高鹽度的培養(yǎng)液泵入光生物反應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)。 培養(yǎng)液的流速被設(shè)定為允許藻類適應(yīng)于培養(yǎng)液中的較高鹽濃度，并將光生物反應(yīng)器中藻類 的任何損失最小化。當(dāng)培養(yǎng)液被較高鹽度培養(yǎng)液替代或補(bǔ)充時(shí)，光生物反應(yīng)器的密度增加。 連續(xù)測量培養(yǎng)液的密度、光生物反應(yīng)器的總密度以及周圍的水的密度，以便連續(xù)確定光生 物反應(yīng)器與周圍的水之間的密度差。由于與周圍的水相比密度較高，光生物反應(yīng)器沉入封 閉水體中，光生物反應(yīng)器的位置降低。光生物反應(yīng)器的位置可以降低到測量到的培養(yǎng)液溫 度在所需溫度范圍之內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，光生物反應(yīng)器位于作為起始位置的海水、即鹽水的封閉水 體表面的下方。當(dāng)光生物反應(yīng)器位于海水體表面下時(shí)，光生物反應(yīng)器的密度比海水體的密 度高。如果需要升高光生物反應(yīng)器的位置，調(diào)整光生物反應(yīng)器與海水體之間的密度差。例 如，當(dāng)測量到的培養(yǎng)液的溫度低于或預(yù)計(jì)將低于預(yù)定溫度值時(shí)，可能需要升高光生物反應(yīng) 器的位置。為了調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器與海水體之間的密度差，降低培養(yǎng)液的鹽度。這通過用 較低鹽度的培養(yǎng)液替代或補(bǔ)充培養(yǎng)液、即通過將較低鹽度的培養(yǎng)液泵入光生物反應(yīng)器來實(shí) 現(xiàn)。培養(yǎng)液的流速被設(shè)定為允許藻類適應(yīng)于培養(yǎng)液中的較低鹽濃度，并使光生物反應(yīng)器中 藻類的任何損失最小化。當(dāng)培養(yǎng)液被較低鹽度培養(yǎng)液替代或補(bǔ)充時(shí)，光生物反應(yīng)器的密度 降低。連續(xù)測量培養(yǎng)液的密度、光生物反應(yīng)器的總密度以及周圍的水的密度，以便連續(xù)確定
13光生物反應(yīng)器與周圍的水之間的密度差。由于與周圍的水相比密度較低，光生物反應(yīng)器在 封閉水體中的位置升高。光生物反應(yīng)器在水體中的升高可以持續(xù)到測量到的培養(yǎng)液溫度在 所需溫度范圍之內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，光生物反應(yīng)器位于作為起始位置的淡水封閉水體表面的下 方。當(dāng)光生物反應(yīng)器位于淡水體表面下時(shí)，光生物反應(yīng)器的密度比淡水體的密度高。如果 需要升高光生物反應(yīng)器的位置，調(diào)整光生物反應(yīng)器與淡水體之間的密度差。例如，當(dāng)測量到 的培養(yǎng)液的溫度低于或預(yù)計(jì)將低于預(yù)定溫度值時(shí)，可能需要升高光生物反應(yīng)器的位置。為 了調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器與周圍淡水體之間的密度差，增加周圍的水的鹽度。這通過用海水、即 鹽水替代淡水來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)?shù)缓Ｋ娲鷷r(shí)，封閉水體的鹽度逐漸升高，即光生物反應(yīng)器周 圍的水的密度增加。連續(xù)測量培養(yǎng)液的密度、光生物反應(yīng)器的總密度以及周圍的水的密度， 以便連續(xù)確定光生物反應(yīng)器與周圍的水之間的密度差。由于與周圍的水相比密度較低，光 生物反應(yīng)器在封閉水體中的位置升高。光生物反應(yīng)器在水體中的升高可以持續(xù)到測量到的 培養(yǎng)液溫度在所需溫度范圍之內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，特別是當(dāng)光生物反應(yīng)器在封閉水體中時(shí)，培養(yǎng)液的密度和周 圍水的密度同時(shí)改變。因此，當(dāng)培養(yǎng)液的鹽度增加時(shí)周圍水的鹽度同時(shí)降低，或當(dāng)培養(yǎng)液的 鹽度降低時(shí)周圍水的鹽度同時(shí)增加。優(yōu)選封閉的水體和培養(yǎng)液的鹽度的同時(shí)調(diào)節(jié)，增加了 調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器與周圍水之間的密度差的速度，從而增加了光生物反應(yīng)器在周圍水中下 降或上升的速度。在一個(gè)實(shí)施方案中，特別是當(dāng)光生物反應(yīng)器在封閉水體中時(shí)，水體的溫度被用作 附加手段用于提供所需密度差，即溫度調(diào)節(jié)作為調(diào)節(jié)培養(yǎng)液或反應(yīng)器周圍的水的鹽度的補(bǔ) 充或可替選方案。當(dāng)光生物反應(yīng)器的位置需要降低時(shí)，升高封閉水體的溫度，從而降低周圍 水的密度。此外，當(dāng)光生物反應(yīng)器的位置需要升高時(shí)，降低封閉水體的溫度，從而增加周圍 水的密度。因此，調(diào)節(jié)反應(yīng)器周圍的水的溫度影響了光生物反應(yīng)器在周圍水中降低或升高 的速度。在光生物反應(yīng)器位于作為起始位置的海水、即鹽水的封閉水體表面上的實(shí)施方案 中，為了降低反應(yīng)器周圍的介質(zhì)的密度，向周圍的水中加入淡水之外的其他添加物。例如， 向封閉水體中加入密度低于水的非水性液體，以便降低反應(yīng)器周圍介質(zhì)的密度。在光生物反應(yīng)器位于作為起始位置的淡水的封閉水體表面下的實(shí)施方案中，為了 增加反應(yīng)器周圍的介質(zhì)的密度，向淡水封閉水體中加入海水、即鹽水之外的其他添加物。例 如，向封閉水體中加入密度高于水的非水性液體，以便增加反應(yīng)器周圍介質(zhì)的密度。開放水中的封閉光生物反應(yīng)器術(shù)語“開放水”是指自然水體，例如湖泊、河流或海洋，其中水的化學(xué)或物理性質(zhì)的 有效控制困難或不可能。在一個(gè)實(shí)施方案中，光生物反應(yīng)器位于作為起始位置的開放淡水的表面上。當(dāng)光 生物反應(yīng)器位于或漂浮在開放淡水的表面上時(shí)，光生物反應(yīng)器的密度低于淡水的密度。如 果光生物反應(yīng)器的位置需要降低，調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器與開放淡水之間的密度差。例如，當(dāng)測 量到的培養(yǎng)液的溫度高于或預(yù)計(jì)高于預(yù)定溫度值時(shí)，可能需要降低光生物反應(yīng)器的位置。 為了調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器與周圍的水之間的密度差，增加培養(yǎng)液的鹽度。這通過用較高鹽度 的培養(yǎng)液替代或補(bǔ)充培養(yǎng)液，即通過將較高鹽度的培養(yǎng)液泵入光生物反應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)。培養(yǎng)液的流速被設(shè)定為允許藻類適應(yīng)于培養(yǎng)液中的較高鹽濃度，并使光生物反應(yīng)器中藻類的任 何損失最小化。當(dāng)培養(yǎng)液被較高鹽度培養(yǎng)液替代或補(bǔ)充時(shí)，光生物反應(yīng)器的密度增加。連 續(xù)測量培養(yǎng)液的密度、光生物反應(yīng)器的總密度以及開放淡水的密度，以便連續(xù)確定光生物 反應(yīng)器與周圍的水之間的密度差。由于與周圍的水相比密度較高，光生物反應(yīng)器沉入開放 淡水中，光生物反應(yīng)器的位置下降。光生物反應(yīng)器的位置可以下降到測量到的培養(yǎng)液溫度 在所需溫度范圍之內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，光生物反應(yīng)器位于作為起始位置的開放海水、即鹽水的表 面下。當(dāng)光生物反應(yīng)器位于開放海水的表面下時(shí)，光生物反應(yīng)器的密度高于海水。如果光生 物反應(yīng)器的位置需要升高，調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器與海水之間的密度差。例如，當(dāng)測量到的培養(yǎng) 液的溫度低于或預(yù)計(jì)低于預(yù)定溫度值時(shí)，可能需要升高光生物反應(yīng)器的位置。為了調(diào)節(jié)光 生物反應(yīng)器與海水之間的密度差，降低培養(yǎng)液的鹽度。這通過用較低鹽度的培養(yǎng)液替代培 養(yǎng)液，即通過將較低鹽度的培養(yǎng)液泵入光生物反應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)。培養(yǎng)液的流速被設(shè)定為允許 藻類適應(yīng)于培養(yǎng)液中的較低鹽濃度，并使光生物反應(yīng)器中藻類的任何損失最小化。當(dāng)培養(yǎng) 液被較低鹽度培養(yǎng)液替代時(shí)，光生物反應(yīng)器的密度降低。連續(xù)測量培養(yǎng)液的密度、光生物反 應(yīng)器的總密度以及海水的密度，以便連續(xù)確定光生物反應(yīng)器與周圍的水之間的密度差。由 于與周圍的水相比密度較低，光生物反應(yīng)器在海水中的位置上升。光生物反應(yīng)器在海水中 的上升可以持續(xù)到測量到的培養(yǎng)液溫度在所需溫度范圍之內(nèi)。控制系統(tǒng)在一個(gè)實(shí)施方案中，培養(yǎng)液的鹽度以及因而間接地光生物反應(yīng)器的位置，由多用 途系統(tǒng)調(diào)控。該系統(tǒng)編程有與光生物反應(yīng)器相關(guān)的信息，例如光生物反應(yīng)器的總重量和密 度，以及光生物反應(yīng)器中包含的生物質(zhì)和培養(yǎng)液的量。此外，系統(tǒng)連續(xù)測量培養(yǎng)液的溫度、 鹽度和密度以及周圍的水的密度，由此連續(xù)確定光生物反應(yīng)器與周圍的水之間的密度差。 系統(tǒng)還控制培養(yǎng)液不同成分的濃度，例如鹽濃度。然后系統(tǒng)可以對(duì)培養(yǎng)液的溫度變化做出 響應(yīng)，自動(dòng)地調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器在周圍水中的位置，以便將藻類培養(yǎng)物保持在恒定溫度。因 此，系統(tǒng)可以裝備有已知的控制電路或算法，例如具有反饋機(jī)制的控制算法，以便當(dāng)調(diào)節(jié)光 生物反應(yīng)器的位置時(shí)允許最適的穩(wěn)定性。在另一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)光生物反應(yīng)器處于封閉水體中時(shí)，周圍的水的鹽度和溫 度受到上述多用途系統(tǒng)的調(diào)控。在光生物反應(yīng)器具有附加區(qū)室或管的實(shí)施方案中，控制系 統(tǒng)也調(diào)節(jié)區(qū)室或管的氣體、水和其他液體的填充和排空。在一個(gè)實(shí)施方案中，多用途系統(tǒng)不 僅控制與光生物反應(yīng)器的定位相關(guān)的參數(shù)，而且控制與藻類生長相關(guān)的參數(shù)。因此，控制系 統(tǒng)也測量并調(diào)節(jié)藻類培養(yǎng)物的O2和CO2含量。用于控制光生物反應(yīng)器的位置和/或形狀的附加機(jī)構(gòu)本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的垂直位置和/或形狀可以通過在培養(yǎng)液與其中懸浮有 反應(yīng)器的周圍水之間提供適合的密度差來控制。但是，有時(shí)用于控制光生物反應(yīng)器的位置 和/或形狀的附加機(jī)構(gòu)可能是有用的。例如，當(dāng)光生物反應(yīng)器需要快速浸沒時(shí)可能是這種 情況。這樣的機(jī)構(gòu)可以包括能夠填充高或低密度介質(zhì)以便幫助光生物反應(yīng)器的浸沒或漂浮 的附加區(qū)室或管，用于幫助光生物反應(yīng)器的浸沒或漂浮的機(jī)械機(jī)構(gòu)，以及在光生物反應(yīng)器 的藻類區(qū)室中用于當(dāng)反應(yīng)器浸沒時(shí)控制其形狀的子區(qū)室。這三種類型的機(jī)構(gòu)將在下文中詳 細(xì)討論。
能夠填充高或低密度介質(zhì)的附加區(qū)室或管在一個(gè)實(shí)施方案中，光生物反應(yīng)器裝備有附加區(qū)室或管，提供了增加光生物反應(yīng) 器位置的改變速度的機(jī)構(gòu)。區(qū)室或管可以含有氣體，水或者任何其他液體。當(dāng)光生物反應(yīng) 器位于水表面上時(shí)，區(qū)室或者管只含氣體。如果需要降低光生物反應(yīng)器的位置，將區(qū)室或管 用水或高密度液體填充，由此增加光生物反應(yīng)器的總密度。當(dāng)光生物反應(yīng)器低于水的表面， 光生物反應(yīng)器的位置需要上升時(shí)，將區(qū)室或管中的水或高密度液體推出，用氣體替換，由此 降低光生物反應(yīng)器的總密度。因此，附加區(qū)室或管增加了光生物反應(yīng)器與周圍的水之間密 度差的調(diào)節(jié)速度。因此，當(dāng)例如對(duì)培養(yǎng)液溫度的短期變化做出響應(yīng)需要快速調(diào)整光生物反 應(yīng)器的位置時(shí)，可以使用附加區(qū)室或管?！岸唐诟淖儭笔侵阜昼娀蛐r(shí)規(guī)模上的變化。附加 區(qū)室或管可以安排在光生物反應(yīng)器上任何位置。附加區(qū)室或管可以與光生物反應(yīng)器的其余 部分采用相同材料，或采用更剛性以及可能也更耐用的不同材料。附加區(qū)室或管也可以包 含彼此液體連通的幾個(gè)管的系統(tǒng)，或它們可以包含更寬的區(qū)室，具有內(nèi)部膠粘或焊接點(diǎn)或 由相似技術(shù)進(jìn)行的連接，以提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在圖3顯示的實(shí)施方案中，附加區(qū)室安排在光生物反應(yīng)器的頂部。在該實(shí)施方案 中，可以通過在與藻類區(qū)室(20)分開的附加區(qū)室(19)中加入具有高密度的液體、優(yōu)選為鹽 水，來改變總反應(yīng)器系統(tǒng)的密度。區(qū)室在填充后將增加整個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)的密度，使得下沉過 程加速。在該實(shí)施方案中，附加區(qū)室安排在光生物反應(yīng)器的頂部。附加區(qū)室包含內(nèi)部膠粘 點(diǎn)(21)以提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。附加區(qū)室或管可以通過位于反應(yīng)器一側(cè)的一個(gè)或多個(gè)提供有 閥(23)的軟管(22)與高密度液體供應(yīng)源相連，在反應(yīng)器的相反一側(cè)具有類似連接。當(dāng)按 照本實(shí)施方案用于加速光生物反應(yīng)器的浸沒時(shí)，附加區(qū)室將從一側(cè)用水填充，在另一側(cè)上 的閥也將打開。通過從一側(cè)開始填充過程，該側(cè)將首先浸沒。因此，附加區(qū)室中的殘余空氣 可以收集在光生物反應(yīng)器的一側(cè)并被更有效地推出。填充過程將持續(xù)到所有空氣都被排 出，整個(gè)反應(yīng)器開始沉沒。然后關(guān)閉與填充軟管相對(duì)的閥。填充過程可以在該點(diǎn)停止，或填 充過程可以繼續(xù)一會(huì)兒。繼續(xù)填充過程增加了附加區(qū)室中的壓力，從而增加了該區(qū)室的剛 性，允許它在浸沒過程中以及在部分或完全浸沒狀態(tài)下為光生物反應(yīng)器提供附加的結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定性。當(dāng)反應(yīng)器系統(tǒng)應(yīng)該上升時(shí)，將通過泵將附加區(qū)室的鹽水泵出，同時(shí)關(guān)閉與泵相對(duì) 的閥以避免空氣泡進(jìn)入新的區(qū)室。為了加速上升過程，將與泵相對(duì)的閥打開，并通過相應(yīng)的 軟管壓入壓縮空氣或煙道氣。有助于光生物反應(yīng)器的浸沒或漂浮的機(jī)械機(jī)構(gòu)光生物反應(yīng)器可以裝備有當(dāng)為了例如使藻類的生長條件例如溫度最適化或由于 與氣候相關(guān)的條件例如強(qiáng)風(fēng)而需要快速調(diào)整光生物反應(yīng)器的位置時(shí)，用于加速浸沒或漂浮 的機(jī)械機(jī)構(gòu)。這樣的機(jī)械機(jī)構(gòu)可以例如包含網(wǎng)或至少一個(gè)細(xì)長元件例如繩索、纜繩或桿，它 們伸展在光生物反應(yīng)器上并布置成可被降低或抬升以幫助光生物反應(yīng)器的浸沒或漂浮。一 般來說，具有兩個(gè)或多個(gè)平行布置并以適合的距離跨過光生物反應(yīng)器的長度分布的細(xì)長元 件，將是有用的。細(xì)長元件可以例如同時(shí)或相繼降低或抬升，例如，使得整個(gè)光生物反應(yīng)器 同時(shí)浸沒，或使得反應(yīng)器的一側(cè)首先浸沒，反應(yīng)器的另一側(cè)隨后浸沒。具體的實(shí)施方案描述在圖4a中。在生物反應(yīng)器(24)的上方以固定距離安裝有繩 索(25)，這可以例如每1-2米的距離進(jìn)行。繩索的最小長度為反應(yīng)器的尺寸，它們在兩端與垂直剖面(26)相連。當(dāng)光生物反應(yīng)器將被浸沒時(shí)，分別在反應(yīng)器每一側(cè)上的垂直剖面處將 繩索拉下，使得反應(yīng)器(27)被繩索推下。為了固定和移動(dòng)繩索，可以使用各種不同的布置 方式。在如圖4b顯示的一個(gè)具體實(shí)施方案中，繩索可以被固定成T狀結(jié)構(gòu)(29)，它可以沿 著塑料或金屬剖面垂直移動(dòng)。塑料或金屬剖面垂直固定到底面上，含有可移動(dòng)結(jié)構(gòu)可以在 其上上下移動(dòng)的導(dǎo)軌。繩索固定到可移動(dòng)結(jié)構(gòu)上。為了移動(dòng)結(jié)構(gòu)，需要能量和機(jī)械系統(tǒng)。機(jī) 械系統(tǒng)可以是位于每個(gè)剖面處的活塞(30)，或一個(gè)中央活塞可以為幾個(gè)剖面提供機(jī)械力。 每個(gè)活塞可以由壓縮氣體(31)提供動(dòng)力。壓縮氣體可以由例如氣體管、壓縮機(jī)提供，或者 它可以是來自發(fā)射源(emitter)例如發(fā)電廠的富含CO2的加壓氣體。CO2源優(yōu)選可以與用 于為培養(yǎng)液提供CO2的源相同。在具有兩個(gè)或多個(gè)繩索的實(shí)施方案中，繩索的移動(dòng)可以各種不同的方式進(jìn)行。所 有繩索可以同樣的速度向下移動(dòng)，使得整個(gè)光生物反應(yīng)器同時(shí)下降。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，首先 使反應(yīng)器一側(cè)上的繩索向下移動(dòng)從而使反應(yīng)器在該側(cè)首先下降，然后再將另一側(cè)向下移 動(dòng)，通常是有利的。這樣的分步過程具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。如果反應(yīng)器的一側(cè)首先向下移動(dòng)，那么 捕獲在反應(yīng)器內(nèi)部的所有氣體將移動(dòng)到另一側(cè)。在這種的系統(tǒng)中，氣體出口可以專門安排 在該另一側(cè)上。這種布置允許通過反應(yīng)器的移動(dòng)推出多余氣體。這與整個(gè)光生物反應(yīng)器同 時(shí)下降，由此可能在反應(yīng)器內(nèi)部隨機(jī)位置出現(xiàn)氣泡或聚集物的情況相比，可能是有利的。根 據(jù)同樣原理，所有的培養(yǎng)基將收集在給定位置，培養(yǎng)基位置的控制將使隨后可能進(jìn)行的分 區(qū)更加容易。此外，收獲過程也變得容易，因?yàn)樗械纳镔|(zhì)附聚在反應(yīng)器的一側(cè)。最后， 使反應(yīng)器在一側(cè)首先下降需要較少的力，并允許周圍的水以更加受控的方式在反應(yīng)器周圍 流動(dòng)，產(chǎn)生更少的湍流，這使得該工藝與使整個(gè)反應(yīng)器同時(shí)下降的工藝相比更加穩(wěn)定。因?yàn)?光生物反應(yīng)器是非常柔性的，可能受到湍流和快速移動(dòng)的水的不利影響，因此這是重要的 優(yōu)點(diǎn)。附加區(qū)室或管，以及上面描述的機(jī)械機(jī)構(gòu)，除了加速浸沒或漂浮之外，還可以提供 在浸沒過程中以及在部分或完全浸沒狀態(tài)下穩(wěn)定光生物反應(yīng)器的物理形狀的附加優(yōu)點(diǎn)。子區(qū)室因?yàn)楸景l(fā)明的光生物反應(yīng)器非常柔軟，反應(yīng)器的形狀可能受到內(nèi)部和外部沖擊以 及不均勻性的影響。因此，為了保持光生物反應(yīng)器的形狀和最適功能，控制這些沖擊和不均 勻性可能是重要的。因此，下文中描述了本發(fā)明的許多實(shí)施方案，用于處理本發(fā)明的光生物 反應(yīng)器操作的不同情況。通過使用薄的柔性反應(yīng)器材料，反應(yīng)器當(dāng)其漂浮在寬闊水域上時(shí)形成了非常平以 及均勻的系統(tǒng)。但是，有兩種主要的作用可能造成反應(yīng)器系統(tǒng)的不穩(wěn)定。a)光生物反應(yīng)器 的形狀和行為可能受到光生物反應(yīng)器內(nèi)部大氣泡形成的影響。氣態(tài)CO2鼓泡通過培養(yǎng)基，對(duì) 于供應(yīng)足夠的CO2以支持藻類培養(yǎng)物的最適生長率，可能是理想的。氣體恒定內(nèi)流到光生 物反應(yīng)器中，可能導(dǎo)致在培養(yǎng)液上形成一個(gè)或多個(gè)大氣泡。為了控制氣泡，可以考慮各種不 同的解決方案。一個(gè)或多個(gè)氣體出口可以與光生物反應(yīng)器相連。出口的數(shù)量和位置以及出 口的內(nèi)徑是影響氣泡尺寸的重要因素?？刂茪馀莸某叽绾托袨榈牧硪环N方法是將光生物反 應(yīng)器分成較小的子區(qū)室。這可以通過多種不同方式實(shí)現(xiàn)，其幾個(gè)例子在下文中更詳細(xì)描述。 b)可能發(fā)生培養(yǎng)基的附聚。只要反應(yīng)器漂浮在寬闊水域上，培養(yǎng)基將在光生物反應(yīng)器內(nèi)部 均勻分布。當(dāng)反應(yīng)器被降低到周圍的水中時(shí)，例如因?yàn)樾枰档团囵B(yǎng)基的溫度或因?yàn)閺?qiáng)風(fēng)，這種均勻分布可能變形改變。這種問題本身一般發(fā)生在將藻類培養(yǎng)基收集在光生物反應(yīng)器 內(nèi)部的一個(gè)地方，從而形成大的附聚物時(shí)。這可能使光生物反應(yīng)器的形狀和正常功能的行 使發(fā)生改變。為了保持反應(yīng)器的形狀和確保正常行使功能，特別是在大規(guī)模反應(yīng)器中，應(yīng)該 避免這樣的附聚作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過將光生物反應(yīng)器分成較小的子區(qū)室，可以減少或消除附聚和形成 大氣泡的問題。在最通用的實(shí)施方案中，光生物反應(yīng)器包含一個(gè)大的藻類區(qū)室，它通常包含頂面 和底面，沿著其外周彼此附著，形成了封閉的囊狀區(qū)室。在圖5顯示的實(shí)施方案中，代替包含一個(gè)大的區(qū)室的生物反應(yīng)器，通過分隔物 (33)將藻類區(qū)室分成了許多不同的封閉區(qū)室(32)，這可以通過例如將光生物反應(yīng)器的頂 面和底面膠粘或焊接到一起而形成兩個(gè)或多個(gè)較小的子區(qū)室來產(chǎn)生。如此形成的子區(qū)室將 作為一排小的光生物反應(yīng)器工作，即帶有藻類的培養(yǎng)基只能夠在一個(gè)子區(qū)室中附聚。因?yàn)?子區(qū)室具有較小體積，因此避免了大的附聚。光生物反應(yīng)器也可以通過例如在特定位置將頂面和底面膠粘或焊接在一起而進(jìn) 行部分分隔。部分分隔可以限制但不一定完全終止光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)基和可能的氣泡的 流動(dòng)。圖6a和6b顯示了本發(fā)明的其中光生物反應(yīng)器被部分分隔的實(shí)施方案。圍住藻類 區(qū)室(36)的光生物反應(yīng)器的頂面(34)和底面(35)，在光生物反應(yīng)器(37)的邊緣相連。在 中間，兩個(gè)片在光生物反應(yīng)器內(nèi)部的各種不同點(diǎn)(38)相連，例如通過膠粘或焊接相連。根 據(jù)該實(shí)施方案，藻類區(qū)室仍將具有必需的柔性以便當(dāng)漂浮時(shí)均勻地鋪展開，但是也將防止 反應(yīng)器內(nèi)部的培養(yǎng)基形成大的附聚物，這是因?yàn)榈讓雍透采w層相連，從而在兩層之間只允 許有限體積的流體進(jìn)入。頂面和底面的膠粘或焊接可以任何數(shù)量的不同模式進(jìn)行，以獲得 不同形狀的形成的光生物反應(yīng)器子區(qū)室。首先，相連區(qū)域的形狀、即膠粘或焊接點(diǎn)可以改變。僅僅是提供例子而不排除其它 可能性，上層和下層的連接可以采取小圓，例如具有Icm的直徑的形狀(即采取簡單膠粘點(diǎn) 的形狀)。形狀也可以是長方形的，意味著膠粘或焊接的部分能夠形成完整線或虛線或其一 部分。其次，光生物反應(yīng)器內(nèi)部膠粘或焊接的部分的位置可以改變。膠粘或焊接點(diǎn)可以 規(guī)則分布在整個(gè)反應(yīng)器上，或它們可以集中在一側(cè)，以利于例如在另一側(cè)收集生物質(zhì)或空 氣。通過同樣的方式，膠粘或焊接線可以規(guī)則布置，以便將形成管狀樣式。也可以構(gòu)建成其 他樣式，以便例如通過提供膠粘或焊接線，可以預(yù)先決定液體在光生物反應(yīng)器中的流動(dòng)。這 可以與希臘(英國花園變體)迷宮的結(jié)構(gòu)相似，其中流體流過反應(yīng)器系統(tǒng)只存在一種可能 路線。添加這樣的樣式可能具有各種優(yōu)點(diǎn)。限定某個(gè)流動(dòng)方向可能便于收獲生物質(zhì)或添加 新的營養(yǎng)物，因?yàn)檫@可以在反應(yīng)器中的預(yù)定位置進(jìn)行。在另一個(gè)實(shí)施方案中，光生物反應(yīng)器的藻類區(qū)室由一個(gè)大的柔性區(qū)室構(gòu)成。當(dāng)光 生物反應(yīng)器漂浮在寬闊水域上時(shí)，該區(qū)室像一個(gè)大的區(qū)室那樣反應(yīng)，液體和氣體可以在其 中自由移動(dòng)。當(dāng)光生物反應(yīng)器被降低到周圍的水中時(shí)，為了避免可能的形成大氣泡或培養(yǎng) 基附聚的問題，可以在反應(yīng)器下降到周圍的水中之前，將光生物反應(yīng)器的藻類區(qū)室暫時(shí)分 區(qū)成兩個(gè)或多個(gè)不同的子區(qū)段。這種分區(qū)可以例如通過向光生物反應(yīng)器的柔性頂面施加力，以便將光生物反應(yīng)器的頂面向底面壓下，使得在反應(yīng)器的藻類區(qū)室內(nèi)形成兩個(gè)或多個(gè) 虛擬子區(qū)室來實(shí)現(xiàn)。力可以例如通過至少一個(gè)細(xì)長元件例如繩索、纜繩或桿施加，所述細(xì)長元件布置 成跨過光生物反應(yīng)器的頂表面并布置成向下牽拉。具體的實(shí)施方案描述在圖4a中。在光 生物反應(yīng)器(24)上方以固定的距離安裝有繩索(25)，這可以例如每隔1-2米的距離進(jìn)行。 繩索的最小長度為反應(yīng)器的尺寸，它們在兩端與垂直剖面(26)相連。在減少反應(yīng)器的浮力 之前，繩索將被降低到低于水表面的位置，以便繩索將“切”入柔性光生物反應(yīng)器中，使得反 應(yīng)器的頂面向反應(yīng)器的底面壓下。通過繩索產(chǎn)生了虛擬子區(qū)室(27)，其中培養(yǎng)基(28)傾向 于保持在上方，因?yàn)樗匀痪哂械陀谥車乃拿芏鹊妮^低密度并且不跟隨繩索。當(dāng)光生 物反應(yīng)器的密度、以及因此浮力降低，反應(yīng)器開始下沉?xí)r，產(chǎn)生的虛擬子區(qū)室起較小的分隔 區(qū)室的作用。為了固定和移動(dòng)繩索，可以使用各種不同的布置方式。在圖4b中顯示的一個(gè)具體 實(shí)施方案中，繩索可以固定到T狀結(jié)構(gòu)(29)上，該結(jié)構(gòu)可以沿著塑料或金屬剖面垂直移動(dòng)。 塑料或金屬剖面垂直固定到底面上，含有可移動(dòng)結(jié)構(gòu)可以在其上上下移動(dòng)的導(dǎo)軌。繩索固 定到可移動(dòng)結(jié)構(gòu)上。為了移動(dòng)結(jié)構(gòu)需要能量和機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)可以是位于每個(gè)剖面處 的活塞(30)，或一個(gè)中央活塞可以為幾個(gè)剖面提供機(jī)械力。每個(gè)活塞可以由壓縮氣體(31) 提供動(dòng)力。壓縮氣體可以由例如氣體管、壓縮機(jī)提供，或者它可以是來自發(fā)射源例如發(fā)電廠 的富含CO2的加壓氣體。CO2源優(yōu)選可以與用于為培養(yǎng)液提供CO2的源相同。圖8中顯示了基于在反應(yīng)器下降到周圍的水中之前將光生物反應(yīng)器暫時(shí)分區(qū)成 兩個(gè)或多個(gè)不同子區(qū)段或區(qū)室的通用原理的另一個(gè)實(shí)施方案。在該實(shí)施方案中，區(qū)室(39) 不通過繩索產(chǎn)生。相反，區(qū)室由附加區(qū)室或管(40)產(chǎn)生，所述區(qū)室或管位于藻類區(qū)室(41) 上方并可以填充有具有比光生物反應(yīng)器的藻類區(qū)室中的培養(yǎng)基更高密度的液體。當(dāng)用高密 度液體填充時(shí)，這些附加區(qū)室或管將下沉，將光生物反應(yīng)器的頂面壓向底面，在藻類區(qū)室中 產(chǎn)生虛擬子區(qū)室。其他實(shí)施方案的詳細(xì)列舉名單本發(fā)明的其他實(shí)施方案公開在下列編號(hào)的項(xiàng)目名單中。la.用于培養(yǎng)光養(yǎng)微生物的光生物反應(yīng)器，其特征在于a)光生物反應(yīng)器由非管狀單元構(gòu)成，代表了封閉系統(tǒng)，外部部分被水圍繞，使得光 生物反應(yīng)器漂浮在水體(例如人工塘、河流、湖泊、海洋或儲(chǔ)水坑)上，懸浮在水中，或位于 水體的底面處；b)產(chǎn)生光養(yǎng)生物體的生物質(zhì)，所述生物質(zhì)可用于生產(chǎn)任何類型的生物燃料、動(dòng)物 飼料、蛋白質(zhì)、氨基酸、用于人類基本營養(yǎng)的成分(例如蛋白質(zhì)、油)，但是不用作營養(yǎng)添加 劑例如維生素或ω-3-脂肪酸。lb.用于培養(yǎng)光養(yǎng)微生物以生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品和藥物的光生物反應(yīng)器，其特征在于a)光生物反應(yīng)器由非管狀單元構(gòu)成，代表了封閉系統(tǒng)，外部部分被水圍繞，使得光 生物反應(yīng)器漂浮在水體(例如人工塘、河流、湖泊、海洋或儲(chǔ)水坑)上，懸浮在水中，或位于 水體的底面處；b)產(chǎn)生光養(yǎng)生物體的生物質(zhì)，所述生物質(zhì)可用于生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品、營養(yǎng)添加劑、維 生素、ω-3-脂肪酸、抗氧化劑(例如類胡蘿卜素)、藥物活性物質(zhì)或用于營養(yǎng)增補(bǔ)的干生物
19質(zhì)。2.條目Ia或Ib的光生物反應(yīng)器，其特征在于光生物反應(yīng)器由管狀單元而不是非 管狀單元構(gòu)成。3.條目Ia或Ib的光生物反應(yīng)器，其特征在于光生物反應(yīng)器具有平面形狀(平 板)。4.條目Ia或Ib的光生物反應(yīng)器，其特征在于光生物反應(yīng)器周圍的水體可用于控 制光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)液的溫度。5.條目Ia或Ib的光生物反應(yīng)器，其特征在于光生物反應(yīng)器周圍的水體可用于使 光生物反應(yīng)器變平，使得光生物反應(yīng)器維持在水平位置。6.條目Ia或Ib的光生物反應(yīng)器，其特征在于光生物反應(yīng)器周圍的水體抵消了光 生物反應(yīng)器的內(nèi)部靜水壓。7.條目Ia或Ib的光生物反應(yīng)器，其特征在于光生物反應(yīng)器周圍的水體通過由其 自身重量產(chǎn)生的靜水壓，用于降低光生物反應(yīng)器材料的機(jī)械應(yīng)力。8.條目Ia或Ib的光生物反應(yīng)器，其特征在于提供了光生物反應(yīng)器中的培養(yǎng)液與 (部分)圍繞的水體之間的密度差(由例如鹽度或溫度差產(chǎn)生)，以控制光生物反應(yīng)器在周 圍的水中的位置(例如漂浮在表面上，懸浮在周圍水體中，沉入周圍水體中)。9.條目Ia或Ib的光生物反應(yīng)器，其特征在于光生物反應(yīng)器由柔性材料構(gòu)成，以便 可以通過改變光生物反應(yīng)器中存在的培養(yǎng)液的量來改變光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)液的垂直厚 度。10.條目Ia或Ib的光生物反應(yīng)器，其特征在于光生物反應(yīng)器可以在水表面例如湖 泊、河流或海洋上操作，因此不是必需需要陸地。11.條目Ia或Ib的光生物反應(yīng)器，其特征在于光生物反應(yīng)器中的培養(yǎng)基具有> Ocm/s的水平速度，并通過氣動(dòng)提升機(jī)、泵或類似裝置移動(dòng)。12.條目Ia或Ib的光生物反應(yīng)器，其特征在于光生物反應(yīng)器周圍的水體有助于在 光生物反應(yīng)器的整個(gè)水平維度上將其中的培養(yǎng)液維持在幾乎相同的垂直厚度。
實(shí)施例將由柔性聚乙烯薄膜制成的、維度為7米x5米的柔性封閉平板光生物反應(yīng)器，放 置在含有鹽度為35g/L的水的水槽表面上。光生物反應(yīng)器的藻類區(qū)室裝有1，800升用甲基 藍(lán)著色的淡水。將含有有色溶液(代表培養(yǎng)液)的光生物反應(yīng)器布置成使其自身漂浮在周 圍的水的表面上，培養(yǎng)基在反應(yīng)器的整個(gè)底表面上均勻分布。通過將用鹽飽和的水補(bǔ)入位于藻類區(qū)室頂側(cè)的附加區(qū)室中，使光生物反應(yīng)器下降 到周圍的水中。鹽水只從附加區(qū)室的一側(cè)，通過沿著附加區(qū)室的較長側(cè)均等分布的5個(gè)液 體端口泵入。反應(yīng)器系統(tǒng)在較重的鹽水被泵入的一側(cè)開始下沉。在此過程中，隨著更多的 鹽水被泵入，附加區(qū)室完全充滿，藻類區(qū)室的另一側(cè)也開始下沉。當(dāng)完全浸沒時(shí)，光生物反 應(yīng)器重新恢復(fù)其通常的平板形狀。然后，通過經(jīng)上面描述的5個(gè)液體端口除去鹽水，使光生物反應(yīng)器返回到其漂浮 在周圍的水的表面上的原始位置。為了完全除去鹽水，將壓縮空氣推過附加區(qū)室。
權(quán)利要求
用于培養(yǎng)光養(yǎng)微生物的封閉光生物反應(yīng)器的操作方法，所述光生物反應(yīng)器包含培養(yǎng)液，所述光生物反應(yīng)器部分或完全被水體的水圍繞，其中在培養(yǎng)液與周圍的水之間提供密度差，以便控制光生物反應(yīng)器在水體中的位置。
2.權(quán)利要求1的方法，其中適合于包含培養(yǎng)液的所述光生物反應(yīng)器的壁包含水密性柔 性材料。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述水密性柔性材料是基于聚合物材料的薄膜。
4.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中通過在培養(yǎng)液與周圍的水之間提供鹽度差來提供S度差ο
5.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中通過在培養(yǎng)液與周圍的水之間提供溫度差來提供S度差ο
6.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中通過增加或降低培養(yǎng)液的氣體壓力來提供密度差。
7.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中提供了密度差，使得培養(yǎng)液的密度增加或使得周 圍水的密度降低，由此降低光生物反應(yīng)器在水體中的位置。
8.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的方法，其中提供了密度差，使得培養(yǎng)液的密度降低或使得周 圍水的密度增加，由此升高光生物反應(yīng)器在水體中的位置。
9.權(quán)利要求1到6任一項(xiàng)的方法，其中提供了密度差，使得光生物反應(yīng)器在水體中的位 置得以維持。
10.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中光生物反應(yīng)器裝備有一個(gè)或多個(gè)適合于進(jìn)一步 控制光生物反應(yīng)器的垂直位置和/或形狀的區(qū)室或管。
11.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中光生物反應(yīng)器裝備有適合于進(jìn)一步控制光生物 反應(yīng)器的垂直位置和/或形狀的機(jī)械機(jī)構(gòu)。
12.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中光生物反應(yīng)器具有平板形狀。
13.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中光生物反應(yīng)器包含兩個(gè)或多個(gè)適合于包含培養(yǎng) 液的子區(qū)室。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述子區(qū)室彼此密封。
15.權(quán)利要求13的方法，其中所述子區(qū)室是連通的，以允許子區(qū)室之間受限的液體和/ 或氣體運(yùn)輸。
16.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中光生物反應(yīng)器包含用于暫時(shí)將光生物反應(yīng)器分 成兩個(gè)或多個(gè)子區(qū)室的機(jī)構(gòu)。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述用于將光生物反應(yīng)器分成兩個(gè)或多個(gè)子區(qū)室的機(jī) 構(gòu)，包括用于將光生物反應(yīng)器的頂面壓向光生物反應(yīng)器底面的機(jī)構(gòu)，以便在光生物反應(yīng)器 內(nèi)部凹陷處的每個(gè)側(cè)面上形成子區(qū)室。
18.權(quán)利要求16-17任一項(xiàng)的方法，其中所述用于將光生物反應(yīng)器分成兩個(gè)或多個(gè)子 區(qū)室的機(jī)構(gòu)，包括至少一個(gè)細(xì)長的元件，所述細(xì)長元件伸展在光生物反應(yīng)器上，并布置成能 被降低以將光生物反應(yīng)器的頂面壓向光生物反應(yīng)器的底面，使得在光生物反應(yīng)器內(nèi)部所述 至少一個(gè)細(xì)長元件的每個(gè)側(cè)面上形成子區(qū)室。
19.權(quán)利要求16-18任一項(xiàng)的方法，其中所述用于將光生物反應(yīng)器分成兩個(gè)或多個(gè)子 區(qū)室的機(jī)構(gòu)，包括至少一個(gè)區(qū)室，所述區(qū)室布置成與光生物反應(yīng)器的頂面接觸，并且適合于2填充比培養(yǎng)液密度更高的液體，使得當(dāng)區(qū)室填充有高密度液體時(shí)，填充的區(qū)室能夠?qū)⒐馍?物反應(yīng)器的所述頂面壓向光生物反應(yīng)器的底面，使得在光生物反應(yīng)器內(nèi)部所述填充區(qū)室的 每個(gè)側(cè)面上形成子區(qū)室。
20.用于培養(yǎng)光養(yǎng)微生物的封閉光生物反應(yīng)器，所述光生物反應(yīng)器適合于包含培養(yǎng)液， 并且所述光生物反應(yīng)器適合于部分或完全被水體的水圍繞，其中光生物反應(yīng)器包含用于測 定培養(yǎng)液與周圍的水之間的密度差的機(jī)構(gòu)。
21.權(quán)利要求20的光生物反應(yīng)器，其中適合于包含培養(yǎng)液的所述光生物反應(yīng)器的壁包 含水密性柔性材料。
22.權(quán)利要求21的光生物反應(yīng)器，其中所述水密性柔性材料是基于聚合物材料的薄膜。
23.權(quán)利要求20-22任一項(xiàng)的光生物反應(yīng)器，其中用于測定密度差的機(jī)構(gòu)包含用于測 定培養(yǎng)液的鹽度和/或溫度的機(jī)構(gòu)。
24.權(quán)利要求20-23任一項(xiàng)的光生物反應(yīng)器，其中用于測定密度差的機(jī)構(gòu)包含用于測 定周圍的水的鹽度和/或溫度的機(jī)構(gòu)。
25.權(quán)利要求20到24任一項(xiàng)的光生物反應(yīng)器，其中光生物反應(yīng)器裝備有一個(gè)或多個(gè)適 合于進(jìn)一步控制光生物反應(yīng)器的垂直位置和/或形狀的區(qū)室或管。
26.權(quán)利要求20到25任一項(xiàng)的光生物反應(yīng)器，其中光生物反應(yīng)器裝備有適合于進(jìn)一步 控制光生物反應(yīng)器的垂直位置和/或形狀的機(jī)械機(jī)構(gòu)。
27.權(quán)利要求20到26任一項(xiàng)的光生物反應(yīng)器，其中光生物反應(yīng)器具有平板形狀。
28.權(quán)利要求20到27任一項(xiàng)的光生物反應(yīng)器，其中光生物反應(yīng)器包含兩個(gè)或多個(gè)適合 于包含培養(yǎng)液的子區(qū)室。
29.權(quán)利要求28的光生物反應(yīng)器，其中所述子區(qū)室彼此密封。
30.權(quán)利要求28的光生物反應(yīng)器，其中所述子區(qū)室是連通的，以允許子區(qū)室之間受限 的液體和/或氣體運(yùn)輸。
31.權(quán)利要求20到30任一項(xiàng)的光生物反應(yīng)器，其中光生物反應(yīng)器包含用于暫時(shí)將光生 物反應(yīng)器分成兩個(gè)或多個(gè)子區(qū)室的機(jī)構(gòu)。
32.權(quán)利要求31的光生物反應(yīng)器，其中所述用于將光生物反應(yīng)器分成兩個(gè)或多個(gè)子區(qū) 室的機(jī)構(gòu)，包括用于將光生物反應(yīng)器的頂面壓向光生物反應(yīng)器底面的機(jī)構(gòu)，以便在光生物 反應(yīng)器內(nèi)部凹陷處的每個(gè)側(cè)面上形成子區(qū)室。
33.權(quán)利要求31-32任一項(xiàng)的光生物反應(yīng)器，其中所述用于將光生物反應(yīng)器分成兩個(gè) 或多個(gè)子區(qū)室的機(jī)構(gòu)，包括至少一個(gè)細(xì)長的元件，所述細(xì)長元件伸展在光生物反應(yīng)器上，并 布置成能被降低以將光生物反應(yīng)器的頂面壓向光生物反應(yīng)器的底面，使得在光生物反應(yīng)器 內(nèi)部的所述至少一個(gè)細(xì)長元件的每個(gè)側(cè)面上形成子區(qū)室。
34.權(quán)利要求31-32任一項(xiàng)的光生物反應(yīng)器，其中所述用于將光生物反應(yīng)器分成兩個(gè) 或多個(gè)子區(qū)室的機(jī)構(gòu)，包括至少一個(gè)區(qū)室，所述區(qū)室布置成與光生物反應(yīng)器的頂面接觸，并 適合于填充比培養(yǎng)液密度更高的液體，使得當(dāng)區(qū)室填充有高密度液體時(shí)，填充的區(qū)室能夠 將光生物反應(yīng)器的所述頂面壓向光生物反應(yīng)器的底面，使得在光生物反應(yīng)器內(nèi)部的所述填 充區(qū)室的每個(gè)側(cè)面上形成子區(qū)室。
全文摘要
本申請(qǐng)?zhí)峁┝擞糜谂囵B(yǎng)光養(yǎng)微生物的封閉光生物反應(yīng)器的操作方法。光生物反應(yīng)器包含培養(yǎng)液，部分或完全被水體的水圍繞。在培養(yǎng)液與周圍的水之間提供密度差，以便控制光生物反應(yīng)器在水體中的位置。本申請(qǐng)還提供了用于培養(yǎng)光養(yǎng)微生物的封閉光生物反應(yīng)器。光生物反應(yīng)器適合于包含培養(yǎng)液，并部分或完全被水體的水圍繞。光生物反應(yīng)器包含用于確定培養(yǎng)液與周圍的水之間的密度差的機(jī)構(gòu)。
文檔編號(hào)C12M1/00GK101918529SQ200980102321
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者安德烈亞斯·梅澤爾, 米格爾·維爾海因 申請(qǐng)人:埃維斯通-格列弗有限公司