光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】公開了一種光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，包括：聚光裝置，被構(gòu)造成會聚太陽光；光生物反應(yīng)器，被構(gòu)造成容納培養(yǎng)液和被培養(yǎng)物質(zhì)；彌散光纖組件，包括多根彌散光纖，每根彌散光纖的一端固定于所述聚光裝置的焦點附近，以從所述聚光裝置接收會聚光，每根彌散光纖的另一端延伸至光生物反應(yīng)器的內(nèi)部，以將所述會聚光分散到生物反應(yīng)器中；光纖支架，所述光纖支架能夠拆卸地安裝于光生物反應(yīng)器內(nèi)部，并被構(gòu)造成固定所述彌散光纖組件，使得所述多根彌散光纖在光生物反應(yīng)器的內(nèi)部以輻射狀均勻布置，以及攪拌裝置，所述攪拌裝置的攪拌槳在反應(yīng)器底部轉(zhuǎn)動，使培養(yǎng)液水平旋轉(zhuǎn)流動，培養(yǎng)液流動方向與光纖方向垂直，使得被培養(yǎng)物質(zhì)均勻受光。
【專利說明】光生物反應(yīng)器系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光生物反應(yīng)器是培養(yǎng)有光合作用能力的細(xì)胞或組織的反應(yīng)器系統(tǒng)，利用光生物反應(yīng)器培養(yǎng)微藻細(xì)胞可以通過經(jīng)濟(jì)、無限量和資源循環(huán)再利用的方式生產(chǎn)大量的微藻生物質(zhì)。工業(yè)化大規(guī)模的微藻培養(yǎng)尚無高效實用的光反應(yīng)器誕生，目前應(yīng)用最多的光反應(yīng)器是開放池和板式反應(yīng)器。開放池按外形可分為跑道池和圓形池，優(yōu)點是建造成本低、操作簡便、運行能耗低、易維護(hù)、易清洗、夏季控溫好，但光利用效率低、藻密度低、易污染、水蒸發(fā)量大、冬季無法養(yǎng)殖；板式反應(yīng)器按材料可分為玻璃板式和塑料袋式，優(yōu)點是光利用效率較高、藻密度較高、水蒸發(fā)少，但建造成本高、操作復(fù)雜、運行能耗高、易損壞、清洗困難、控溫復(fù)雜。
[0003]微藻需要光能進(jìn)行光合作用，能否保證反應(yīng)器中所有藻液均勻及時地受光，是光生物反應(yīng)器設(shè)計的重點。光在藻液中穿透能力極差，特別是高濃度藻液中，光照強(qiáng)度經(jīng)5cm已衰減到極低，IOcm后基本為O。因此傳統(tǒng)柱式反應(yīng)器的直徑和板式反應(yīng)器的厚度一般都不超過10cm，跑道池的藻液最深30cm，而由于IOcm深度以下的藻液幾乎不受光，導(dǎo)致跑道
池的產(chǎn)量最低。
[0004]中國專利公開CN200910213692中公開了一種光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，彌散光纖垂直分布在反應(yīng)器內(nèi)部的環(huán)形導(dǎo)流筒上，藻液靠氣升方式推動，從導(dǎo)流筒內(nèi)側(cè)，由底部流向頂部，再從導(dǎo)流筒外側(cè)，由頂部流向底部。這種方式的缺點是，彌散光纖僅沿反應(yīng)器內(nèi)部的環(huán)形導(dǎo)流筒設(shè)置，導(dǎo)致距離彌散光纖較遠(yuǎn)的藻液難以獲得足夠的光照，反應(yīng)器直徑越大，布光效果就越差，因此采用這種布置的反應(yīng)器的直徑和容量有相當(dāng)?shù)木窒?；另外，其利用通氣進(jìn)行縱向攪拌，本質(zhì)是克服水體的重力做功，能耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于克服阻力做功的水平旋轉(zhuǎn)攪拌。
[0005]另外，傳統(tǒng)的光生物反應(yīng)器往往采用熱交換裝置保證冬季供暖，而在夏季則缺少低成本的降溫措施。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明至在克服現(xiàn)有技術(shù)中的至少一個問題。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，提供一種光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，包括:聚光裝置，被構(gòu)造成會聚太陽光；光生物反應(yīng)器，被構(gòu)造成容納培養(yǎng)液和被培養(yǎng)物質(zhì)；彌散光纖組件，包括多根彌散光纖，每根彌散光纖的一端固定于所述聚光裝置的焦點附近，以從所述聚光裝置接收會聚光，每根彌散光纖的另一端延伸至光生物反應(yīng)器的內(nèi)部，以將所述會聚光分散到生物反應(yīng)器中；光纖支架，所述光纖支架能夠拆卸地安裝于光生物反應(yīng)器內(nèi)部，并被構(gòu)造成固定所述彌散光纖組件，使得所述多根彌散光纖在光生物反應(yīng)器的內(nèi)部以輻射狀均勻布置；以及攪拌裝置，所述攪拌裝置的攪拌槳在反應(yīng)器底部轉(zhuǎn)動，使培養(yǎng)液水平旋轉(zhuǎn)流動，培養(yǎng)液流動方向與光纖方向垂直，使得被培養(yǎng)物質(zhì)均勻受光。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，由于彌散光纖通過光纖支架在整個光生物反應(yīng)器的內(nèi)部以輻射狀均勻布置，因此，能夠使光生物反應(yīng)器中的被培養(yǎng)物質(zhì)均勻受光，提高培養(yǎng)效率，并且，光生物反應(yīng)器的體積不受限制。并且，由于光纖支架能夠拆卸地安裝于光生物反應(yīng)器的內(nèi)部，可以容易地從光生物反應(yīng)器中取出或放入光生物反應(yīng)器，因此，光纖能夠通過光纖支架方便地布置于光生物反應(yīng)器中，并且便于光纖的更換或清洗。另外，攪拌裝置使培養(yǎng)液水平旋轉(zhuǎn)流動，培養(yǎng)液流動方向與光纖方向垂直，進(jìn)一步促進(jìn)了被培養(yǎng)物質(zhì)均勻受光。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述光生物反應(yīng)器為圓筒狀容器，所述光纖支架包括多個矩形框架，所述多個矩形框架安裝于光生物反應(yīng)器中，并且沿光生物反應(yīng)器的徑向方向以輻射狀均勻布置，所述彌散光纖分別沿光生物反應(yīng)器的軸向方向均勻安裝于相應(yīng)的矩形框架中。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在所述聚光裝置和彌散光纖組件之間設(shè)置濾光裝置，用于濾除太陽光中不能被光生物反應(yīng)器中的被培養(yǎng)物質(zhì)利用的光分量濾光裝置。由于濾光裝置安裝于光纖與聚光裝置之間，只需要面積較小的濾光裝置，濾光裝置成本較低。
[0011 ] 所述濾光裝置可以為隔熱膜，用于隔離紫外線和紅外線。
[0012]所述聚光裝置可以為透鏡，所述隔熱膜可以貼附于面對所述透鏡的彌散光纖組件的端表面上。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述攪拌裝置包括設(shè)置在光生物反應(yīng)器外部的電機(jī)、與電機(jī)連接的旋轉(zhuǎn)軸、和設(shè)置在光生物反應(yīng)器底部并安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的攪拌漿，所述攪拌漿用于水平攪拌培養(yǎng)液。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在使用中，所述光生物反應(yīng)器埋設(shè)于地下。
[0015]為了使本發(fā)明的目的、特征及優(yōu)點能更加`明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的簡要示意圖；
[0017]圖2是圖1的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)中的聚光裝置的平面示意圖；以及
[0018]圖3是圖1中的光生物反應(yīng)器的示意透視圖。
【具體實施方式】
[0019]以下僅通過例子說明本發(fā)明的【具體實施方式】。本發(fā)明亦可通過其它不同的方式加以施行或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)亦可在不悖離本發(fā)明的總體構(gòu)思的情況下進(jìn)行各種調(diào)整與變更。再者，附圖僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，故圖示中僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的組件，但顯然本發(fā)明可根據(jù)實際應(yīng)用包括其它的部件。
[0020]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的簡要示意圖。如圖1所示的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)包括用于會聚太陽光的聚光裝置I和其中容納培養(yǎng)液和例如微藻之類的被培養(yǎng)物質(zhì)的基本圓筒形的光生物反應(yīng)器2。光生物反應(yīng)器2的材料可以為有機(jī)玻璃，也可為其他光滑材料，可透明也可不透明。彌散光纖組件3設(shè)置于聚光裝置I和光生物反應(yīng)器2之間，用于將聚光裝置I會聚的光引導(dǎo)并分散到光生物反應(yīng)器I中，用于微藻的培養(yǎng)。反應(yīng)器為圓柱形，開口小，水蒸發(fā)量少，不易污染，易維護(hù)、易清洗。
[0021]如圖2所示，聚光裝置I例如包括多個透鏡12。每個透鏡12支撐在框架11中，框架11固定至支撐軸13。透鏡材料可以為有機(jī)玻璃，也可以為其他透明材料。每個透鏡12可以由兩塊同樣的平凸透鏡或凸凹透鏡相扣而成，兩塊透鏡之間的間隙中的介質(zhì)可為空氣，也可為水或其他透明物質(zhì)。每組透鏡也可根據(jù)需求再加入凹透鏡調(diào)整光路到最佳角度。圖2中示出了 4個透鏡，但是，當(dāng)然可以根據(jù)需要設(shè)置更多或更少數(shù)量的透鏡。通過使用多塊空心透鏡作為受光主體，將原本單位面積較弱的光照匯聚，不再需要建造超大表面積的反應(yīng)器，反應(yīng)器建造成本較低，易于集中操作控制。
[0022]支撐軸13根據(jù)地理位置和氣候條件選用固定或可轉(zhuǎn)動形式。在光照充足的地區(qū)可使用固定支撐軸。在光照不足的地區(qū)可使用轉(zhuǎn)動支撐軸。轉(zhuǎn)動支撐軸例如可由兩部分構(gòu)成，上部131相對于下部130傾斜設(shè)置。下部130可以圍繞其中心軸轉(zhuǎn)動，上部131相對于下部130的傾斜角度可以改變。上部131和下部130的轉(zhuǎn)動角度和移動時間間隔可以由計算機(jī)統(tǒng)一控制，數(shù)據(jù)可以由當(dāng)?shù)鼐暥扔嬎慊驅(qū)嵉夭杉?，以保證最大程度地采集太陽光。
[0023]如圖1所示，彌散光纖組件3包括多根彌散光纖4。這里所用的彌散光纖又稱側(cè)面發(fā)光光纖、側(cè)光光纖、通體發(fā)光光纖、泄漏型光纖等，是指光在光纖傳輸過程中，不僅從光纖的入射端面?zhèn)鬏斨脸錾涠嗣?，而且還有一部分光從光纖包覆層透射出來，從而形成光纖側(cè)面發(fā)光的光導(dǎo)纖維。
[0024]每個透鏡12可對應(yīng)一束彌散光纖4。每束彌散光纖4的一端固定于聚光裝置I的焦點10處，用于從聚光裝置I接收會聚光，另一端延伸至光生物反應(yīng)器的內(nèi)部并在光生物反應(yīng)器內(nèi)部分散開。每根彌散光纖4的在反應(yīng)器底部的末端可貼上反光材料，以利于光在光生物反應(yīng)器內(nèi)部的擴(kuò)散。多根彌散光纖4在整個光生物反應(yīng)器2的內(nèi)部均勻布置，使得光線通過彌散光纖4被均勻分散到光生物反應(yīng)器2中。裸露在光生物反應(yīng)器2主體外面的一段彌散光纖會有少量光損·失，可包裹反光材料以避免光泄漏。
[0025]并且,如圖1和圖3所不,光生物反應(yīng)器系統(tǒng)還包括用于固定光纖4的光纖支架5。光纖支架5被構(gòu)造成能夠拆卸地安裝于光生物反應(yīng)器2內(nèi)部。如圖3所示，光纖支架5包括多個矩形框架50，多個矩形框架50沿光生物反應(yīng)器2的軸向方向安裝于光生物反應(yīng)器2的底部，并且沿光生物反應(yīng)器2的徑向方向以輻射狀均勻布置。多個矩形框架50可預(yù)先固定地連接在一起，從而便于光纖支架5整體地安裝于光生物反應(yīng)器2和從光生物反應(yīng)器2拆卸?？稍诠馍锓磻?yīng)器2的內(nèi)壁上設(shè)置卡槽、卡扣、小支架等，用于以卡扣、螺栓等可拆卸的方式接合矩形框架50。由于光纖支架可以輕易取出或放入光生物反應(yīng)器，從而便于光纖的更換或清洗。光生物反應(yīng)器2上部的弧形圓蓋20可以移走，以便于從光生物反應(yīng)器2上部插入或取出光纖支架5，以及注入培養(yǎng)基、水、藻種等。
[0026]彌散光纖4可預(yù)先以在徑向方向上等間距地固定地安裝于各個矩形框架50中，然后與矩形框架50 —起安裝于光生物反應(yīng)器中。光纖可以通過卡扣、扎帶等各種形式固定在矩形框架50上。當(dāng)將光纖支架5的各個矩形框架50安裝于光生物反應(yīng)器2中時，多根彌散光纖4沿光生物反應(yīng)器2的軸向方向延伸，如同四面光纖墻豎在反應(yīng)器中，四個“墻體”呈中心對稱，由橫截面觀察，光纖呈輻射狀均均分布在光生物反應(yīng)器的內(nèi)部，相鄰光纖的間距不超過10cm，從而，能夠保證光生物反應(yīng)器2內(nèi)部的被培養(yǎng)物質(zhì)均勻受光。并且，由于多根彌散光纖4以輻射狀均勻地分布于整個光生物反應(yīng)器2的橫截面中，對于大直徑的光生物反應(yīng)器2也可保證各處的藻液均勻受光，因此，這種光纖布置方式允許使用大直徑光生物反應(yīng)器。
[0027]另外，如圖1所示，光生物反應(yīng)器系統(tǒng)還可以包括固定于光生物反應(yīng)器2中的攪拌裝置7。攪拌裝置7包括設(shè)置在光生物反應(yīng)器2外部的電機(jī)70和設(shè)置在光生物反應(yīng)器2底部并通過垂直旋轉(zhuǎn)軸72與電機(jī)70連接的攪拌漿71。攪拌槳71由電機(jī)70驅(qū)動，用于水平攪拌培養(yǎng)液，使得被培養(yǎng)物質(zhì)均勻受光。使用攪拌槳取代傳統(tǒng)氣升式攪拌，使藻液水平旋轉(zhuǎn)流動，藻液流動方向與光纖方向垂直，攪拌槳僅克服水體阻力做功，相比克服重力做功，能耗低；藻液循環(huán)流經(jīng)光纖墻，保證任何位點的藻液都能夠接近光纖，充分獲得光照。
[0028]另外，由于太陽光中只有可見光能夠被例如微藻的被培養(yǎng)物質(zhì)利用，其它如紫外線或紅外線的光分量不能被利用，并且可能會不利地增加藻液的溫度，不利于微藻的生長，因此，最好設(shè)置濾光裝置，用于過濾或隔離太陽光中不能被光生物反應(yīng)器中的被培養(yǎng)物質(zhì)利用的例如紫外線或紅外線之類的光分量。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，選擇在聚光裝置I和彌散光纖組件3之間設(shè)置濾光裝置，例如隔熱膜。與將隔熱膜貼附于整個光生物反應(yīng)器2表面的做法相比，將隔熱膜設(shè)置于聚光裝置和彌散光纖組件之間，能夠極大地減小所需隔熱膜的面積，節(jié)省成本。如圖1所示，隔熱膜6貼附于每個透鏡12的與光纖組件3相對的表面上。可選地，隔熱膜可以貼附于面對透鏡12的彌散光纖組件3的端表面上，這樣能夠進(jìn)一步減小所需隔熱膜的面積。另外，也可以采用其它的安裝隔熱膜的方式，例如，可以在光纖組件3的前端安裝一個簡易的支撐物，將隔熱膜搭在上面。隔熱膜通常為由數(shù)層功能材料復(fù)合而成的膜材料，能有效阻隔太陽光線中的紅外線和紫外線，并且能透過大部分可見光，如美國3M公司生產(chǎn)的3M隔熱膜。
[0030]在使用中，如圖1所示，所述光生物反應(yīng)器2全部或部分地埋設(shè)于地面8以下。反應(yīng)器埋于地下，不受陽光直射，夏季能夠保持較低溫度，無需額外降溫措施，冬季可保持溫度，無需加熱裝置，從而無 需或減少額外耗能用于降溫或加熱，因而能夠節(jié)約能源和設(shè)備成本。同時采光裝置可以安裝在較低位置便于拆裝清潔，光纖長度需求也較小。
[0031]根據(jù)如上所述的本發(fā)明的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，由于彌散纖維分布層次多，再加上攪拌，可以使各部分的藻液在各個生長時期都充分受到陽光，因此養(yǎng)殖密度大，養(yǎng)殖過程用水很少，養(yǎng)殖、采收與后處理的成本較低。另外，無需大面積鋪設(shè)隔熱膜，只需在光照集中的位置使用，隔熱膜材料成本極低；并且，與傳統(tǒng)反應(yīng)器比如平板式、管式、跑道池相比，本發(fā)明的反應(yīng)器不需要大的表面積來接收外界陽光，反應(yīng)器主體可設(shè)計為直徑較大的圓柱體，體積大，表面積相對小，因此養(yǎng)殖水體的表體比(表面積和體積的比值)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)反應(yīng)器，便于自動化控制和管理維護(hù)。反應(yīng)器埋于地下，冬暖夏涼，無需額外提供大量能量供降溫或加熱。
[0032]在一種示例性的實施例中，在IOOmX IOm范圍內(nèi)安裝24套反應(yīng)器系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包括7個透鏡，每個透鏡由2個凸凹鏡片相扣而成，每個鏡片半徑1.353m,受光面積5.75m2，平均厚度0.01m，密度1200Kg/m3。7個透鏡呈花瓣型密布，與水平地面呈45°傾斜，受光總面積40.25m2，投影面積20.12m2，占地面積約40m2 (8m X 5m)。每個透鏡透光率為90%，隔熱膜透光率為80%。每個透鏡對應(yīng)一束共10根光纖,光纖在反應(yīng)器的徑向方向上按5cm等間距垂直固定于光纖支架，光纖支架包括7個矩形框架，以輻射狀呈中心對稱排列于反應(yīng)器主體內(nèi)。每套反應(yīng)器主體呈圓柱形，半徑為0.5m，高2m，材料為聚甲基丙烯酸甲酯。[0033]24套反應(yīng)器養(yǎng)殖體積共37.70m3,攪拌轉(zhuǎn)速20rpm，生長周期210天/年，可見光光合效率5%，養(yǎng)殖密度達(dá)到4g/L，面積產(chǎn)率8.4g/m2/天，年產(chǎn)1688Kg干藻。
[0034]以上描述僅示例性地說明了本發(fā)明的實施例，而非用于限制本發(fā)明，熟知本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)明白，在不偏離本發(fā)明的實質(zhì)的情況下，對本發(fā)明所作的任何變形都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。各個附圖只是對本發(fā)明的示意性說明，并且各個附圖可以相互參照或組合。
【權(quán)利要求】
1.一種光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，包括: 聚光裝置，被構(gòu)造成會聚太陽光； 光生物反應(yīng)器，被構(gòu)造成容納培養(yǎng)液和被培養(yǎng)物質(zhì)； 彌散光纖組件，包括多根彌散光纖，每根彌散光纖的一端固定于所述聚光裝置的焦點附近，以從所述聚光裝置接收會聚光，每根彌散光纖的另一端延伸至光生物反應(yīng)器的內(nèi)部，以將所述會聚光分散到生物反應(yīng)器中； 光纖支架，所述光纖支架能夠拆卸地安裝于光生物反應(yīng)器內(nèi)部，并被構(gòu)造成固定所述彌散光纖組件，使得所述多根彌散光纖在光生物反應(yīng)器的內(nèi)部以輻射狀均勻布置；以及攪拌裝置，所述攪拌裝置的攪拌槳在反應(yīng)器底部轉(zhuǎn)動，使培養(yǎng)液水平旋轉(zhuǎn)流動，培養(yǎng)液流動方向與光纖方向垂直，使得被培養(yǎng)物質(zhì)均勻受光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述光生物反應(yīng)器為圓筒狀容器，所述光纖支架包括多個矩形框架，所述多個矩形框架安裝于光生物反應(yīng)器中，并且沿光生物反應(yīng)器的徑向方向以輻射狀均勻布置，所述彌散光纖分別沿光生物反應(yīng)器的軸向方向均勻安裝于相應(yīng)的矩形框架中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，在所述聚光裝置和彌散光纖組件之間設(shè)置濾光裝置，用于濾除太陽光中不能被光生物反應(yīng)器中的被培養(yǎng)物質(zhì)利用的光分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求 3所述的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述濾光裝置為隔熱膜，用于隔離紫外線和紅外線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述聚光裝置為透鏡，所述隔熱膜貼附于面對透鏡的彌散光纖組件的端表面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述攪拌裝置包括設(shè)置在光生物反應(yīng)器外部的電機(jī)、與電機(jī)連接的旋轉(zhuǎn)軸、和設(shè)置在光生物反應(yīng)器底部并安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的攪拌漿，所述攪拌漿用于水平攪拌培養(yǎng)液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，在使用中，所述光生物反應(yīng)器埋設(shè)于地下。
【文檔編號】C12M1/02GK103710255SQ201210370347
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月28日
【發(fā)明者】馬欣欣, 劉敏勝, 陳彥平, 朱振旗 申請人:新奧科技發(fā)展有限公司