水生微藻生產(chǎn)裝置制造方法
【專利摘要】公開了一種水生藻類生產(chǎn)裝置，其利用微藻生產(chǎn)支撐組件和一組六個(gè)漂浮、閉環(huán)、平臺(tái)式、可使CO2/O2透過(guò)的光生物反應(yīng)器，給微藻工業(yè)生產(chǎn)提供經(jīng)濟(jì)的解決方法。所述裝置的生物反應(yīng)器浸沒(méi)在水表面標(biāo)志附近以獲得最大的曝光和CO2/O2的連續(xù)擴(kuò)散。微藻加工和控制組件監(jiān)測(cè)所述反應(yīng)器組中每個(gè)光生物反應(yīng)器的藻類生長(zhǎng)，并循環(huán)地收獲所述微藻。收獲后將上述微藻轉(zhuǎn)移到水下的可變?nèi)莘e儲(chǔ)存罐中。太陽(yáng)能光伏電池板供應(yīng)所述裝置運(yùn)行所需的能量。連接到裝置外防護(hù)屏障底部的旋轉(zhuǎn)式電推進(jìn)器來(lái)控制所述裝置的水配置。
【專利說(shuō)明】水生微藻生產(chǎn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工程化、透氣、封閉式的光生物反應(yīng)器和流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明提供 了一種能源平衡且自主的水生微藻生產(chǎn)裝置，用于微藻的每日連續(xù)生長(zhǎng)以及微藻培養(yǎng)物的 原位分離和儲(chǔ)存。

【背景技術(shù)】
[0002] 通稱為生物燃料的可替代燃料的生產(chǎn)，目前以主要用作人類/動(dòng)物消費(fèi)的食品的 高成本原料物質(zhì)例如甘蔗、玉米、油菜籽、棕櫚油和其他陸生作物的轉(zhuǎn)化為主。盡管存在著 將這些原料轉(zhuǎn)變成生物燃料的技術(shù)，但沒(méi)有足夠的可耕地或淡水資源來(lái)滿足我們的社會(huì)對(duì) 能量的大量需求。
[0003] 僅僅美國(guó)每年就使用超過(guò)1680億加侖汽油。目前，美國(guó)的生物燃料、特別是用玉 米制造的乙醇的產(chǎn)量?jī)H為每年50億加侖，僅占在美國(guó)使用汽油中的3 %。此外，用玉米生產(chǎn) 乙醇已在全球商品市場(chǎng)上引發(fā)玉米市場(chǎng)價(jià)格提高50 %。
[0004] 第二種主要的可替代、可再生的能源是將基于纖維素的廢品轉(zhuǎn)化為生物燃料。生 物質(zhì)供應(yīng)的相對(duì)有限的可獲得性、對(duì)加工設(shè)施的高運(yùn)輸成本以及初始投資，已將這種技術(shù) 的規(guī)模限制到低于美國(guó)需求量的〇. 06%。
[0005] 第三種并且也是最有希望的可替代、可再生能源是使用具有高油類含量的光合自 養(yǎng)生物例如微藻來(lái)生產(chǎn)生物燃料。這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是合并了太陽(yáng)能向細(xì)胞生物化學(xué)能 的轉(zhuǎn)變過(guò)程。光合自養(yǎng)生物是可以通過(guò)光合作用過(guò)程利用完全源自于太陽(yáng)的能量來(lái)存活、 生長(zhǎng)和繁殖的生物。光合作用本質(zhì)上是一種碳循環(huán)過(guò)程，通過(guò)這一過(guò)程將無(wú)機(jī)的二氧化碳 與太陽(yáng)能、其他營(yíng)養(yǎng)物和細(xì)胞生物化學(xué)過(guò)程相結(jié)合，合成維持生長(zhǎng)所需的糖類。光合作用發(fā) 生在植物、藻類和許多品種的微生物中。
[0006] 以前對(duì)較大規(guī)模生產(chǎn)的嘗試集中于在提供與自然界中存在的相似的生長(zhǎng)條件的 陸基開放塘或水溝中生長(zhǎng)光合自養(yǎng)生物。這種方法的主要缺點(diǎn)在于生長(zhǎng)條件不能被良好地 控制，導(dǎo)致生產(chǎn)量的不確定、批次污染和使微藻生長(zhǎng)和收獲技術(shù)成為商業(yè)現(xiàn)實(shí)的其他顯著 的技術(shù)挑戰(zhàn)。
[0007] 下面是當(dāng)前的陸基微藻生長(zhǎng)和收獲系統(tǒng)為什么沒(méi)能變成顯著的可再生能源的6 個(gè)最重要的原因：
[0008] 1.水需求。微藻需要大量水--它們?cè)谄渲猩L(zhǎng)。水蒸發(fā)是主要的不利因素。
[0009] 2.光需求。微藻需要大量的光，并且為了接收光，它們通常需要深度不超過(guò)4英寸 但是具有數(shù)百平方碼的水平表面積的平坦水床。這意味著必須將大量極為平坦的陸地轉(zhuǎn)變 成水床并用水填充以容納微藻生長(zhǎng)。這種對(duì)數(shù)千英畝平坦水床的建造和相關(guān)的水需求的后 勤工作是巨大和成本高昂的。關(guān)于用于建造大范圍平坦水床的土地分配的主要顧慮之一， 是可能取代了目前用于食物供應(yīng)的耕地。
[0010] 3.水溫因素。微藻的生長(zhǎng)季主要取決于地理位置，并且除了熱帶地區(qū)之外，限于較 溫暖的月份。沙漠氣候特有的大的晝夜溫差對(duì)微藻生長(zhǎng)極為不利。
[0011] 4.二氧化碳需求。微藻不能直接利用大氣二氧化碳。對(duì)于藻類生產(chǎn)率來(lái)說(shuō)關(guān)鍵的 二氧化碳必須溶解在水中。對(duì)于靜態(tài)平坦水床來(lái)說(shuō)，為微藻培養(yǎng)物不斷提供所需的二氧化 碳的后勤和能量需求是成本高昂的。
[0012] 5.污染因素。微藻對(duì)其他微藻品種和細(xì)菌的污染非常敏感。在大多數(shù)情況下，具 有最高油含量的微藻品種不一定是繁殖最強(qiáng)和最快的品種。
[0013] 6.能量因素。目前陸上或海岸微藻大規(guī)模生產(chǎn)線的成本，包括施肥、收獲、運(yùn)輸，而 儲(chǔ)存成本極高，并且與現(xiàn)有的化石燃料經(jīng)濟(jì)學(xué)相比沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。
[0014] 本發(fā)明的一個(gè)新穎之處是它經(jīng)濟(jì)上解決了所有上面提到的與陸基微藻生產(chǎn)系統(tǒng) 相關(guān)的問(wèn)題，同時(shí)還表現(xiàn)出在能夠與現(xiàn)有的化石燃料工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的可再生能源的生產(chǎn)中促進(jìn) 成本的顯著降低。
[0015] 對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的搜索沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明相同的專利。但下面的美國(guó)專利申請(qǐng)被認(rèn)為 是相關(guān)的：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種水生微藻生產(chǎn)裝置，其包含： 漂浮在水養(yǎng)殖場(chǎng)中的微藻生產(chǎn)支撐系統(tǒng)，所述微藻生產(chǎn)支撐系統(tǒng)包含微藻加工和控制 組件；以及 漂浮在所述水養(yǎng)殖場(chǎng)中的微藻生產(chǎn)系統(tǒng)，所述微藻生產(chǎn)系統(tǒng)包含至少一個(gè)平臺(tái)式且能 透氣的光生物反應(yīng)器，其中所述至少一個(gè)平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器與所述微藻加工 和控制組件液壓連通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述微藻生產(chǎn)支撐系統(tǒng)還包含配置 在所述微藻加工和控制組件下方的水下微藻儲(chǔ)存罐，其中所述水下微藻儲(chǔ)存罐與所述微藻 加工和控制組件機(jī)械機(jī)械連接并液壓連通。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述微藻生產(chǎn)支撐系統(tǒng)還包含圍繞 所述微藻加工和控制組件的漂浮支撐結(jié)構(gòu)，其中所述漂浮支撐結(jié)構(gòu)將所述水養(yǎng)殖場(chǎng)的至少 一部分分配成多個(gè)部署區(qū)，其中每個(gè)部署區(qū)被設(shè)定成用于接納至少一個(gè)平臺(tái)式且能透氣的 光生物反應(yīng)器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述微藻生產(chǎn)支撐系統(tǒng)還包含外防 護(hù)屏障結(jié)構(gòu)，其包圍了由所述漂浮支撐結(jié)構(gòu)的外周所定義的水區(qū)域。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述微藻生產(chǎn)系統(tǒng)還包含漂浮在由 所述部署區(qū)所定義的周邊內(nèi)部的至少一個(gè)平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述至少一個(gè)平臺(tái)式且能透氣的光 生物反應(yīng)器是被配置成浸沒(méi)在由所述部署區(qū)所定義的水表面附近的閉環(huán)系統(tǒng)。
7. -種水生微藻生產(chǎn)裝置，其包含： 漂浮在水養(yǎng)殖場(chǎng)中的微藻生產(chǎn)支撐系統(tǒng)，所述微藻生產(chǎn)支撐系統(tǒng)包含：(a)微藻加工 和控制組件；(b)配置在所述微藻加工和控制組件下方的水下微藻儲(chǔ)存罐，其中所述水下 微藻儲(chǔ)存罐與所述微藻加工和控制組件機(jī)械機(jī)械連接且液壓連通；（c)圍繞所述微藻加工 和控制組件的漂浮支撐結(jié)構(gòu)，其中所述漂浮支撐結(jié)構(gòu)將所述水養(yǎng)殖場(chǎng)的至少一部分分配成 多個(gè)部署區(qū)；以及（d)外保護(hù)屏障結(jié)構(gòu)，其包圍了由所述漂浮支撐結(jié)構(gòu)的外周所定義的水 區(qū)域；和 漂浮在所述水養(yǎng)殖場(chǎng)中的微藻生產(chǎn)系統(tǒng)，其中所述微藻生產(chǎn)系統(tǒng)包含漂浮在由所述部 署區(qū)之一所定義的周邊內(nèi)部的至少一個(gè)平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器，并且其中所述至 少一個(gè)平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器定義漂浮浸沒(méi)在由所述部署區(qū)所定義的水表面附 近的閉環(huán)系統(tǒng)，并且其中所述至少一個(gè)平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器與所述微藻加工和 控制組件液壓連通。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述漂浮支撐結(jié)構(gòu)與所述外保護(hù)屏 障結(jié)構(gòu)和所述微藻加工和控制組件兩者機(jī)械機(jī)械連接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng) 器還包含透光和透氣的頂部膜組件。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述平臺(tái)式且能透氣的光生物反 應(yīng)器還包含透光和透氣的底部膜組件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述平臺(tái)式且能透氣的光生物反 應(yīng)器還包含透氣的底部膜組件。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述平臺(tái)式且能透氣的光生物反 應(yīng)器還包含沿著所述部署區(qū)的周邊的側(cè)壁組件，其中所述側(cè)壁組件、所述頂部膜和所述底 部膜通過(guò)使所述頂部膜組件與所述底部膜組件機(jī)械連接，來(lái)定義所述光生物反應(yīng)器的內(nèi)部 容積。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述光生物反應(yīng)器還包含配置在 所述內(nèi)部容積中使所述頂部膜機(jī)械與所述底部膜的螺旋形壁組件機(jī)械連接，并且其中所述 螺旋形壁具有恒定的結(jié)構(gòu)高度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述螺旋形壁組件定義所述內(nèi)部 容積中的微藻收獲區(qū)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述平臺(tái)式且能透氣的光生物 反應(yīng)器還包含位于所述微藻收獲區(qū)外部的水中藻類的營(yíng)養(yǎng)混合物返回入口，并且其中所述 水-藻類-營(yíng)養(yǎng)物混合物返回入口與所述微藻加工和控制組件液壓連通，并且其中所述水 中藻類的營(yíng)養(yǎng)混合物返回入口在所述平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器以微藻生長(zhǎng)模式運(yùn) 行時(shí)使用。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述平臺(tái)式且能透氣的光生物反 應(yīng)器還包含至少部分位于所述微藻收獲區(qū)內(nèi)的水營(yíng)養(yǎng)混合物返回入口，并且其中所述水營(yíng) 養(yǎng)混合物返回入口與所述微藻加工和控制組件液壓連通，并且其中所述水營(yíng)養(yǎng)混合物返回 入口在所述平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器以微藻收獲模式運(yùn)行時(shí)使用。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述平臺(tái)式且能透氣的光生物反 應(yīng)器還包含位于所述微藻收獲區(qū)內(nèi)的液壓出口，其中所述液壓出口與所述微藻加工和控制 組件液壓連通。
18. -種水生微藻生產(chǎn)裝置，其包含： 漂浮在水養(yǎng)殖場(chǎng)中的微藻生產(chǎn)支撐系統(tǒng)，所述微藻生產(chǎn)支撐系統(tǒng)包含：(a)微藻加工 和控制組件；(b)配置在所述微藻加工和控制組件下方的水下微藻儲(chǔ)存罐，其中所述水下 微藻儲(chǔ)存罐與所述微藻加工和控制組件機(jī)械機(jī)械連接且液壓連通；（c)圍繞所述微藻加工 和控制組件的漂浮支撐結(jié)構(gòu)，其中所述漂浮支撐結(jié)構(gòu)將所述水養(yǎng)殖場(chǎng)的至少一部分分配成 至少一個(gè)部署區(qū)；以及（d)外保護(hù)屏障結(jié)構(gòu)，其包圍了由所述漂浮支撐結(jié)構(gòu)的外周所定義 的水區(qū)域，其中所述漂浮支撐結(jié)構(gòu)與所述外保護(hù)屏障結(jié)構(gòu)和所述微藻加工和控制組件兩者 機(jī)械機(jī)械連接；和 漂浮在所述水養(yǎng)殖場(chǎng)中的微藻生產(chǎn)系統(tǒng)，其中所述微藻生產(chǎn)系統(tǒng)還包含被配置成漂浮 在由所述至少一個(gè)部署區(qū)所定義的周邊內(nèi)部的至少一個(gè)平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器， 其中所述至少一個(gè)平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器漂浮浸沒(méi)所述水表面附近，其中所述至 少一個(gè)平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器定義與所述微藻加工和控制組件液壓連通的閉環(huán) 系統(tǒng)，其中所述平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器還包含透光和透氣的頂部膜組件，其中所 述平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器還包含透氣的底部膜組件，其中所述平臺(tái)式且能透氣的 光生物反應(yīng)器還包含沿著所述部署區(qū)的周邊的側(cè)壁組件，其中所述側(cè)壁組件通過(guò)使所述頂 部膜組件機(jī)械與所述底部膜組件機(jī)械連接來(lái)定義所述光生物反應(yīng)器的內(nèi)部容積，其中所述 光生物反應(yīng)器還包含配置在所述內(nèi)部容積中并使所述頂部膜機(jī)械與所述底部膜的螺旋形 壁組件機(jī)械連接，其中所述螺旋形壁組件定義所述內(nèi)部容積中的微藻收獲區(qū)，其中所述平 臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器還包含位于所述微藻收獲區(qū)外部的水中藻類營(yíng)養(yǎng)混合物返 回入口，其中所述水中藻類營(yíng)養(yǎng)混合物返回入口與所述微藻加工和控制組件液壓連通，其 中所述水中藻類營(yíng)養(yǎng)混合物返回入口在所述平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器以微藻生長(zhǎng) 模式運(yùn)行時(shí)使用，其中所述平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器還包含位于所述微藻收獲區(qū)內(nèi) 部的水-營(yíng)養(yǎng)物混合物返回入口，其中所述水營(yíng)養(yǎng)混合物返回入口與所述微藻加工和控制 組件液壓連通，其中所述水營(yíng)養(yǎng)混合物返回入口在所述平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器以 微藻收獲模式運(yùn)行時(shí)使用，其中所述平臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器還包含位于所述微藻 收獲區(qū)內(nèi)部的液壓出口，其中所述液壓出口與所述微藻加工和控制組件液壓連通。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述微藻加工和控制組件還包含 配置在所述微藻加工和控制組件上方并與其機(jī)械機(jī)械連接的主光伏電池板。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述主光伏電池板與所述微藻加 工和控制組件電連接，并被構(gòu)造成提供在白天運(yùn)行所述裝置所需的電能。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其還包含與所述外保護(hù)屏障結(jié)構(gòu)機(jī)械 機(jī)械連接的多個(gè)光伏子組件。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述多個(gè)光伏子組件與所述微藻 加工和控制組件電連接，并被構(gòu)造成產(chǎn)生并儲(chǔ)存在夜間運(yùn)行所述裝置所需的電能。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述微藻加工和控制組件還包含 水密封的倉(cāng)室組件。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述水密封的倉(cāng)室組件還包含被 用于確定和通訊所述裝置的部署坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)促進(jìn)控制器，并且其中所述運(yùn)動(dòng)促進(jìn)控制器還 包含附連到所述外保護(hù)屏障結(jié)構(gòu)底部的多個(gè)螺旋推進(jìn)器，以促進(jìn)遷移。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述水密封的倉(cāng)室組件還包含微 藻生產(chǎn)控制子組件，并且其中所述微藻生產(chǎn)控制子組件被構(gòu)造成為所述光生物反應(yīng)器選擇 所述運(yùn)行模式。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述漂浮支撐結(jié)構(gòu)將所述水養(yǎng)殖 場(chǎng)分配成6個(gè)六邊形部署區(qū)，并且其中所述六邊形部署區(qū)圍繞所述微藻加工和控制組件。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的水生微藻生產(chǎn)裝置，其中所述微藻生產(chǎn)系統(tǒng)還包含6個(gè)平 臺(tái)式且能透氣的光生物反應(yīng)器，其中每個(gè)所述反應(yīng)器被配置成漂浮在由所述6個(gè)六邊形部 署區(qū)之一所定義的周邊內(nèi)，并且其中每個(gè)所述6個(gè)光生物反應(yīng)器與所述微藻加工和控制組 件液壓連通。
【文檔編號(hào)】C12M3/00GK104334715SQ201280073499
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月21日
【發(fā)明者】丹尼爾·雷德福 申請(qǐng)人:丹尼爾·雷德福