CN102203233A - 藻类生长系统 - Google Patents

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Abstract

本发明包括一种用于在水性液体中使光合培养物生长并收获该光合培养物的生物反应器系统。本发明进一步涉及一种用于在水性液体中使光合培养物生长并收获该光合培养物的方法。本发明进一步涉及布置为收集从生物反应器系统中产出的光合培养物的至少一部分的收获器系统的用途。

Description

藻类生长系统
技术领域
本发明涉及一种用于在水性液体中使光合培养物生长并收获该光合培养物的生物反应器系统。本发明进一步涉及一种用于在水性液体中生长光合培养物并收获该光合培养物的方法。更进一步地，本发明涉及一种用于生物反应器系统的光照系统，和用于光合培养物的收获系统。本发明进一步涉及一种用于在水性液体中使光合培养物生长的方法，和一种为光合培养物提供光照的方法，以及收获该光合培养物的方法。
背景技术
藻类属于光合微生物种类，属于能够利用光合作用有效地将光转化为生物量的生物体。光合作用过程是通过活的生物体将光能转化为化学能。原料是二氧化碳和水；能量来源是光；最终产物是氧和(能量丰富的)碳水化合物。
藻类和其他光合生物体被认为是生物量(特别是可以制造生物柴油和其他燃料的油)的有效生产者。在光合作用期间，藻类和其他光合生物体在吸收水的基础上吸收二氧化碳(CO2)和光(光子)，并产生氧和生物量。溶解的营养物有助于这一过程。藻类和其他光合生物体可产生油脂或植物油，其可被收获并转化为生物柴油或其他生物燃料，或被直接利用。
人们早就知道利用藻类来有效地生长生物量并生产生物燃料的好处，并已经利用了各种方法在实验室和小规模实验单元中使藻类生长。但是，已经证明很难有效地使藻类生长以形成商业规模。
已经采用开放池塘系统(open pond system)来大规模使藻类生长。大多数用来种植微藻类的这种系统是浅池塘。在这些池塘中，可以仅为PAR范围内日光的大约2％的效率种植微藻类。PAR是可被藻类或其他光合生物体利用的光合作用有效区，即波长在400nm和700nm之间的日光。日光分布在宽得多的频谱上，但PAR区域中日光的能含量仅为日光总能含量的大约43％。藻类理论上可将收集的辐射(PAR内的)约20％转化为生物量。然而在大多数情况下，这一效率更低，因为光被吸收的速度比光子能被转化为生物量的速度要快得多。然而，在开放池塘系统中，很难控制温度和pH值，且很难避免外来的藻类和细菌入侵池塘并与需要的藻类培养物竞争。此外，很大一部分日光被水的表面反射，而进入池塘的日光仅穿透水中一小段距离，因为藻类变得十分密集从而阻挡了光，因此日光仅到达池塘表面附近生长的藻类薄层。
也已经采用生物反应器，其中通过暴露在日光中的塑料或玻璃管道或板子抽取富有营养物的水。该反应器可参见例如Singh等，Journal of Applied Phycology 12：269-275，2000；Usui，Energy Convers.Mgmt，vol.38，Supple.，pages S487-S492，1997。光生物反应器系统，特别是平板玻璃反应器的光化学效率，可达到大约16％，其比池塘中的微藻类高得多。
然而，基于该技术发展水平的这种已知生物反应器仍具有一些缺点。这种生物反应器比开放池塘系统更昂贵且更难以操作，且这种生物反应器也遭遇使日光到达其可被吸收的藻类的问题。大部分日光在管道或板子的表面被反射。只有少量日光进入管道或板子中的水中，而该少量日光仅穿透进入管道或板子的体积的一小段距离。这种生物反应器系统的其他缺点是难以进行温度控制，以及依赖于日光来培养物生长。
藻类最好在受控条件下生长。藻类对温度和光条件敏感。通过控制培养过程的所有方面，例如温度，CO2水平，光和营养物，可获得非常高的产量。
一种已知的用于光合培养物的反应器参见Kondo等的US6287852。这种反应器的缺点是采用了固定的收集器，这意味着在大多数时间，太阳辐射不能被有效收集。
WO2005068605描述了一种用于培养光合微生物体的反应器，其中通过利用一个或多个可移动瞄准仪将日光引入间隔壁。该间隔壁是透明的，光可从该间隔壁分配到反应器中。这种反应器具有改进的辐射收集，以及改进的辐射在反应器中的分布，因此提供了更有效率的反应器和更有效率的光合微生物体培养过程。
发明内容
本发明的一方面提供了一种用于在水性液体中使光合培养物生长(这里也称为“培养物”)和收获该光合培养物的可选的光生物反应器系统，该光生物反应器系统(这里也称为“生物反应物器”或“反应器”)包括：
a.容器，布置为包含所述水性液体；
b.光照系统，布置为至少部分淹没在该水性液体中，并布置为在水性液体的表面之下照射光合培养物；
c.收获器系统，包括铲子结构，该铲子结构包括铲子，该铲子结构布置为从水性液体中铲出至少部分光合培养物，以及收集系统，布置为收集至少部分所铲出的光合培养物。
收获部分光合培养物可将剩余的培养物置于更优化的生长条件中，并且有利地能够针对生长条件持续优化生物反应器系统，从而提高产量。该系统的优点是可以生长和收获所有种类的培养物。
光合培养物可以是微生物培养物，更特别地是藻类培养物，例如螺旋藻糕状培养物(cake-culture)。
水性液体可仅为水，更特别地为水和营养物(和CO2)的混合物，用于培养物及其光合作用。
包含水性液体的容器可以是容器(例如池塘)。取决于光照系统，该容器的深度通常从30cm到深得多的深度，例如深达大约200cm。更特别地，容器是一系列分开的容器，更特别地，是一系列互联的容器。因此，在一特定实施例中，该容器包括多个容器。
光照系统至少部分淹没在水性液体中。特别地，光照系统基本淹没在水性液体中以照射其中的光合培养物。淹没的光照系统可实现对培养物更好的照射，从而进一步提高光合培养物的生长条件。
本发明的另一方面提供了一种光生物反应器系统，其中该光生物反应器系统集成在受控的和/或封闭的环境中，例如温室中。因此，在一特定实施例中，本发明还提供了一种受控的和/或封闭的环境，例如包括光生物反应器系统的温室。该受控的和/或封闭的环境，例如温室，能够使得在受控环境下操作该生物反应器。在一特定实施例中，其中容器包括多个容器，并且其中该受控的和/或封闭的环境，例如温室，包括多个单独的间隔间，每个单独的容器可包围在其自己的受控和/或封闭环境的间隔间中，例如控制每个单独容器的环境的温室。
在本发明的又一方面提供了一种光生物反应器系统，其中铲子结构包括具有至少一个桨叶的桨轮结构，其中该桨叶包括铲子，且其中该铲子结构布置为在水性液体的表面之上的位置和水性液体的表面之下的位置之间移动或旋转该铲子。
在一特定实施例中，铲子结构包括多个桨轮，更特别地多个桨轮布置为顺指针(cw)旋转，另外多个桨轮布置为逆时针旋转(ccw)，甚至更特别地，一种多个桨轮的布置为，其中一桨轮布置为顺时针旋转，相邻桨轮布置为逆时针旋转。换言之，相邻的桨轮布置为以相反方向旋转。
在一特定实施例中，桨叶包括铲子，更特别地桨叶基本上就是铲子，甚至更特别地桨叶就是铲子。在水性液体的表面之下的位置上，桨轮铲出水性液体。在水性液体的表面之上的位置上，桨轮脱水以在铲子中保留光合培养物。在液体中，铲子可集中培养物，特别是当铲子是布置为从液体中筛出部分培养物的筛子时。
本发明的光生物反应器布置有利地允许培养物的连续收获，而不是已知光生物反应器系统中的批量收获，从而提高系统产量。然而，本发明的布置和方法也可用于批量收获。进一步地，本发明通过利用用于收获的桨轮，以有效方式同时进行收获和漩涡。
本发明的另一方面提供了一种用于在水性液体中使光合培养物生长并收获该光合培养物的可选方法，该方法包括：
a.提供包括该光合培养物的水性液体；
b.在该水性液体的表面之下照射该光合培养物；
c.从该水性液体中铲出至少部分该光合培养物；以及
d.收集至少部分所铲出的光合培养物。
收集至少部分光合培养物可将光生物反应器中剩余的培养物置于更优化的生长条件，并能够针对生长条件实现生物反应器系统的持续优化，从而提高产量。
本发明的另一方面提供了一种收获器系统的应用，该收获器系统包括具有铲子的铲子结构，其布置为从水性液体中铲出至少部分光合培养物；以及收集系统，其布置为收集至少部分所铲出的光合培养物，在用于在水性液体中使光合培养物生长的光生物反应器系统中用于在水性液体中产生扰动并收获至少部分光合培养物。可以几种方式实现收集。在一实施例中，收获器系统将收集的培养物提供给沟槽。该沟槽可布置在反应器的壁上或面板上。
本发明也涉及该收获器系统本身和该光照系统本身。
本发明的另一方面提供了一种用于根据本发明的光生物反应器系统的流动增强系统，该流动增强系统包括流动增强主体，其具有用于接合水性液体从而将扰动流引入该水性液体的侧部(profile)。
在一特定实施例中，该流动增强系统包括多个用于接合水性液体从而将扰动流引入该水性液体的主体。
在一特定实施例中，该流动增强主体包括用于将该水性液体与圆柱体的圆柱形壁接合的圆柱体。
在一特定实施例中，该流动增强主体包括用于将流体从导管的入口传送到出口的导管；在更特定的实施例中，该侧部包括与用于传送通过该导管的水性液体的导管耦合的流体入口。可选地，该入口可与供给导管耦合(例如液体接触)，该供给导管用于将淡水、营养物等的一种或多种提供给水性液体。在更特别的实施例中，流动增强主体包括另一入口，用于将导管和供给导管流体耦合。在一特定实施例中，出口布置为将流体朝向相邻的流动增强主体引导。在一特定实施例中，出口布置为向上引导流体。
本发明的另一方面提供了一种包括根据本发明的流动增强系统的光生物反应器系统。
本发明也涉及该流动增强系统本身。
本发明的另一方面提供了一种用于光生物反应器系统的光照系统的光照面板，例如本文所述，该光照面板包括形成间隔间的透明侧壁、位于该间隔间中用于照射藻类的光源、用于将光照面板容纳在包含耦合光面板的壁之中的耦合装置。包括耦合光面板的壁适用于在光生物反应器系统的容器中形成沟渠部分，也称为水槽。光照面板可包括透明侧壁，如上文所示。然而，该光照面板也可包括壁，其中光源集成和/或结合于所述壁中。由此，光可从该壁提供给液体。
在一特定实施例中，间隔间包括多个光源，更特别地，这些光源的每一个布置为提供具有特定波长，例如400-450nm之间和/或640-680nm之间的光，甚至更特别地，该一个或多个光源包括发光二极管。
本发明的另一方面提供一种包括根据本发明的光面板的光生物反应器系统，特别地耦合光面板形成壁。
在所述壁的一特定实施例中，所述壁包括用于耦合和支撑光照面板的框架。
在又一实施例中，本发明提供用于在水性液体中使光合培养物生长的光生物反应器系统，该光生物反应器系统包括：
a.容器，布置为包含该水性液体；
b.光照系统，布置为至少部分地淹没在该水性液体中，并布置为在该水性液体的表面之下照射该光合培养物；
c.桨轮结构，布置为在该液体中产生扰动。
由此，可在该生物反应器中产生扰动，特别是流动。这种反应器可进一步包括如本文所述的一个或多个流动增强系统。可用本领域已知的方法进行收获，但是也可利用桨轮结构和收集系统进行收获。
在又一实施例中，本发明提供了一种用于在水性液体中使光合培养物生长并收获该光合培养物的方法，该方法包括：
a.提供包含该光合培养物的水性液体；
b.在该水性液体的表面之下照射该光合培养物；
c.在该水性液体中产生扰动，特别是流动；
d.从该水性液体中移除至少部分该光合培养物，以及
e.收集至少部分所移除的光合培养物。
可特别采用如本文所述的收获系统来移除培养物，但是也可采用本领域已知的方法来移除。特别地，扰动是利用如本文所述的桨轮结构产生的。在一实施例中，收获系统用于在液体中产生扰动并从该液体中移除(铲出)培养物。可选地或附加地，也可通过在该液体中注入水和/或营养物来产生流动。在一特定实施例中，(也)利用扰动增强系统，特别是漏斗类型的扰动增强系统，通过向液体提供水和/或营养物来产生扰动。
本发明也涉及一种在水性液体中使光合培养物生长并收获该光合培养物的方法，该方法包括：
a.提供包含该光合培养物的水性液体；
b.在该水性液体的表面之下照射该光合培养物，其中从包含该光合培养物的反应器的壁，可选地也可从障碍物照射该光合培养物，其布置在反应器中和布置在液体中，其中该障碍物是圆柱形障碍物(且其中该障碍物不布置为壁)。
作为进一步的示例，从壁发射出的光的类型是不同于从障碍物发出的光的另一种类型。例如，从障碍物发出的光的蓝色成分比从壁发出的光的蓝色成分多。特别地，该壁包括产生蓝色光和红色光的一个或多个光源，但是一个或多个障碍物可包括产生蓝色光的一个或多个光源。
本专利讨论的各个方面可组合在一起从而提供更多的优点。
本发明的又一方面的目的是提供一种采用LED光照系统的改进的生物反应器，从而至少部分地为藻类提供光。
为达此目的，本发明的实施例涉及用来照射水性液体中的光合培养物的光照系统，该系统包括包含多个LED的光源、用于支撑所述LED的安装结构、和用于容纳该光源和该安装结构的外罩，至少部分该外罩对于由光源发出的光是透明的，其中该外罩至少部分地填充有冷却液，从而在使用中，通过对流的方式利用冷却液将来自LED的热量从LED传送出去。
在实施例中，本发明涉及一种用于在水性液体中使光合培养物生长的反应器，该反应器包括用于容纳其中具有光合培养物的水性液体的蓄水池；以及上文所述的用于照射光合培养物的光照系统，其中该光照系统至少部分地淹没在水性液体中。
在实施例中，本发明涉及一种用于在水性液体中使光合培养物生长的反应器，该反应器包括：用于容纳其中具有光合培养物的水性液体的蓄水池；以及包括具有多个LED的光源的光照系统，用于支撑该LED的安装结构，以及用于容纳该光源和该安装结构的外罩，至少部分该外罩对于由光源发出的光是透明的，其中该外罩的透明部分基本上全部淹没在该水性液体中，从而从光照系统发射的光基本上全部进入位于该水性液体的上表面之下的水性液体中。
在实施例中，本发明涉及一种用于在水性液体中使光合培养物生长的方法，该方法包括：提供其中包含光合培养物的水性液体；提供至少部分淹没在该水性液体中的光照系统，该光照系统包括多个LED，提供用于冷却光照系统的LED的冷却液，以及利用由LED产生的光照射光合培养物，该光传输通过冷却液并进入到位于水性液体的上表面之下区域中的水性液体中。
在实施例中，本发明涉及一种将发光二极管产生的光向着包含光合培养物的水性液体传送的方法，该方法包括：通过发光二极管发射光，该发光二极管具有第一折射率；通过具有第二折射率的液体媒介传送该光；通过具有第三折射率的固体媒介继续传送该光；以及将光传送进入该水性液体，该水性液体具有第四折射率，其中第一、第二、第三和第四折射率的值成递减顺序排列。
附图说明
下面将仅通过示例方式描述本发明的实施例，参考以下示意性附图，其中相应的附图标记表示相应的部分，其中：
图1是示意性地描述了根据本发明的生物反应器系统透视图；
图2A是示意性地描述了根据本发明的包含在生物反应器系统中的容器和收获器系统的实施例的细节的俯视图；
图2B是示意性地描述了根据本发明的包含在生物反应器系统中的容器和收获器系统的实施例的剖视图；
图3是示意性地描述了根据本发明的包含在生物反应器系统中的收获器系统的实施例的侧视图；
图4A是示意性地描述了根据本发明的包含在生物反应器系统中的铲子的实施例的侧视图；
图4B是示意性地描述了图4A的铲子的俯视图；
图5A是示意性地描述了根据本发明的包含在生物反应器系统中的光照面板的实施例的侧视图；
图5B是示意性地描述了图5A的光照面板的剖视图；
图5C是示意性地描述了图5A的光照面板的俯视图；
图6是示意性地描述了包括CO2施放器的容器的实施例的细节的剖视图；
图7是示意性地描述了流动增强系统的透视图；
图8是示例性地描述了流动增强系统的俯视图；
图9A是示意性地描述了包含光照面板的壁的透视图；
图9B是示意性地描述了图9A的壁的俯视图；
图10是示意性地描述了包含光照面板的多个壁的透视图；
图11A是具有光面板的生物反应器的实施例的简化俯视图；
图11B是图11A的生物反应器的透视图；
图12是光照面板的实施例的透视图；
图13是生物反应器中的光照面板的布置的俯视图；
图14A是光照面板中的LED的布置的简化俯视图；
图14B是光照面板中的LED的另一布置的简化俯视图；
图15A是LED双侧安装布置的剖视图；
图15B是LED的单侧安装布置的剖视图；
图16是LED的安装布置的透视图；
图17是显示了冷却液的循环的光照面板的剖面侧视图；
图18是漫射器布置的剖视图；
图19A是LED的反射器布置的俯视图；
图19B是LED的反射器布置的剖视图；
图19C是LED的反射器布置的透视图；
图20是光照面板的可选布置的剖视图；
图21是具有透明顶部的光照面板的另一可选布置的剖视图；
图22是具有管状外罩的可选光照面板的侧视图和顶部剖视图；
图23是图22的光照面板被部分拆除后的透视图；
图24是图22的光照面板的剖视图；
图25是包含具有管状外罩的光照面板的生物反应器的简化示意图；
图26A是生物反应器的盘泵的剖视图；以及
图26B是图26A的盘泵的另一剖视图。
具体实施方式
以下是参照附图仅以示例方式给出的对本发明的各个实施例的描述。在根据本发明的光生物反应器系统的特定实施例中，光照系统包括光源，该光源被布置为照射水性液体的表面之下的光合培养物。这可以意味着在该光生物反应器系统的使用过程中，光源被布置在水性液体的表面之下。在更特别的实施例中，光源至少部分地淹没在水性液体的表面之下的水性液体中。在甚至更特别的实施例中，光源淹没在水性液体中。在一实施例中，光源基本上发射光合作用有效辐射(PAR)频谱内的光，并可选自包含白炽灯、LED(固态LED或OLED)、荧光灯、气体放电灯、冷阴极灯等组成的组群中的一个或多个。特别是可采用LED。
特别地，光源可布置为充分发射具有选自大约600-730nm范围内(例如620-665nm)，且特别在640-680nm范围内的波长的光。在另一实施例中，光源被布置为提供400-500nm范围内，特别是400-450nm的光。特别地，提供红色和蓝色两种光。这将显著提高光合作用效率(因此也提高能效)。
在根据本发明的光生物反应器系统的特定实施例中，光照系统包括反射器，该反射器被布置为将水性液体的表面之下的光源的光反射到水性液体中。这可以意味着在光生物反应器系统的使用过程中该反射器被布置为位于液体的表面之下。这种情况下，光源的光可至少部分地反射到液体中。在更特别的实施例中，将一个或多个反射器(分别地)布置在一个或多个光源之下，并布置为将至少部分光引导到水性液体(特别是在光源之下)。这种情况下，光可更深地穿透进入液体。在甚至更特别的实施例中，反射器被布置为在光生物反应器系统的使用过程中旋转以将光在水性液体中“散开”从而增强光合培养物的生长条件。反射器可被布置为镜面反射或漫反射。
在光生物反应器系统的一特定实施例中，铲子包括筛子，其配置为铲出预定部分的光合培养物。在一特定实施例中，铲出(收获)的部分为10-60wt.％的培养物/天，这取决于光合培养物的生长速度。
有利地，光生物反应器系统可允许连续收获。连续收获相对于已知的完整容器的批量收获来说是有利的。这使得容器能够保持在最佳培养物生长条件，并提高生物反应器系统的整体产量。光合培养物可包括微藻类，以及其它能将(太阳)辐射转化为例如光合细菌本身(photosynthetic purper bacteria)的生物量的种类。在本发明中，光合培养物可包括由蓝藻门、红藻门(红藻)、绿藻门(绿藻)、甲藻门、金藻门(金褐藻)、定鞭金藻门(定鞭藻)、硅藻门(硅藻)、黄藻门、Eustigatophya、针胞藻门、褐藻门(褐藻)和光合细菌本身构成的组群中的至少一个或多个。还可采用葡萄藻；特别是为获得油而应用这些种类的时候。然而，根据本发明的光合培养物(有时也指光合微生物体)还可包括其他生物体的细胞培养物，例如微藻类、基因修正微藻类、基因改良微藻类等等。
在光生物反应器系统的一特定实施例中，铲子包括网格，在实施例中所述网格具有大约0.5-10μm范围内，例如0.5-20μm，特别是例如0.5-10μm的网格尺寸，利用预定尺寸来铲出部分光合培养物，例如成熟的藻类。在更特别的实施例中，网格尺寸是可调节的，例如通过调节铲子本身，或通过更换具有不同网格的铲子。
在光生物反应器系统的一特定实施例中，收获器系统进一步包括收获器传送器，其配置为允许铲子结构在水性液体中的不同位置进行铲出。在更特别的实施例中，传送器包括轨道。这有利于在整个水性液体中均匀地收获培养物。
在光生物反应器系统的一特定实施例中，收集器系统进一步包括产品传送器，其布置为将收集到的所铲出的光合培养物传送到存储单元。
在光生物反应器系统的一特定实施例中，光生物反应器系统进一步包括干燥器，其布置为干燥收集到的所铲出的光合培养物。
在光生物反应器系统的一特定实施例中，铲子结构包括桨轮结构，且收集器系统被布置为接收从铲子落下来的所铲出的光合培养物。在培养物离开其在水性液体的表面之下的位置时，铲子使该培养物脱水。当铲子处于水性液体的表面之上的其第二位置时，更具体地，当铲子处于其滴落位置时，剩余的脱水的培养物落在收集器系统中，这意味着铲子位于收集器系统之上并处于适当的倾斜，从而铲出的光合培养物可落在收集器系统之中/之上，更特别地，落在来自收集器系统的接收器，例如盛装容器之中/之上。
在光生物反应器系统的一特定实施例中，收获器系统进一步被布置为在水性液体中产生扰动，特别是铲子结构被布置为产生扰动，更特别地，铲子被布置为在水性液体中产生扰动。与层流相比，扰动流为培养物建立更好的生长条件。
在一特定实施例中，CO2施放器也被布置为在水性液体中提供扰动。
CO2施放器的目的是向水性液体提供CO2。更特别地，可沿着水槽的长度方向放置不同的施放器来提供CO2。CO2是以增加量和速度的方式施放的，并且以保持水槽中的最佳生长条件的形式(液态或气态)及时地并在水槽的所有位置上施放。可将CO2的增加与其他元素(淡水、营养物、盐)的增加相结合。控制CO2的增加有两个主要目的。
首先，CO2以这样的方式增加(量、速度、形式、位置)，其目的是控制液体的pH值。更特别地，CO2以保持最佳的pH值的方式增加。CO2以使pH值在8和12之间的方式增加。
第二，CO2以这样的方式增加(量、速度、形式、位置)，即确定水性液体中不同种类(CO2、营养物、盐)的最佳浓度。最佳浓度将根据微藻类对CO2和营养物的最佳吸收(uptake)(量和速度)来确定。
为了能够生长的各种藻类保持最佳pH值水平，需要能够满足在藻类生长系统中对CO2的增量的需求。因此，来自流出物，例如农场和含有CO2的废水的处于液态、干燥态或泡沫态的营养物可比水多吸收10-20倍的CO2，或直接从空气中吸收CO2。进一步地，将CO2以液态、干燥态或泡沫态增加到生长媒介中，能够将CO2无泡地传送到系统中，气泡产生剪应力且可能破坏藻类。
营养物，特别是液体营养物，其中包括硝酸盐，可吸收比例如(“纯”)水高得多的CO2浓度，这样可以提高到更高的吸收浓度，并将之保持为液体以更快和更容易地被藻类吸收，同时具有最小或无剪应力，所述剪应力通常由(过多的)气泡产生。
图1示意性地描述了光生物反应器系统1(这里也表示为“光生物反应器”或“生物反应器”)，用于使水性微生物体大规模生长，特别是光合生物培养物，特别是藻类。生物反应器系统1可容易地延续几公顷，甚至高达上百公顷。在该实施例中，生物反应器系统1包括多个容器3，藻类在该容器中生长。各个容器3通过容器壁4分隔开。如图2B所示，容器3的深度为30cm到几米的范围内。容器3被受控的和/或封闭的环境包围，例如提供受控环境以生长藻类的温室2，可能为每个单独的容器3提供受控环境。
图2A(俯视图)和2B(剖视图；前视图)示意性地描述了根据本发明的包含在生物反应器系统1中的池塘3或容器3和收获器系统26的实施例。容器壁4和容器底部5构成了包含水性液体6的容器3。容器3通过隔离物8被分割为沟渠部分7。
收获器系统26被布置为在容器3上延伸。可以想到，收获器系统26在多个容器3上延伸。收获器系统26可以可移动地与容器3连接，更特别地，与容器壁4连接，甚至更特别地与隔离物8连接。在一特定实施例中，收获器系统26通过载体12，更特别地通过两个相对的载体12可移动地与容器3连接。可通过轨道13或滑道13沿着容器壁4引导载体12。轨道13或滑道13也可有利地包含于隔离物8的顶面(见下文)。
在该示例性描述的实施例中，收获器系统26包括多个桨轮9。桨轮9被布置为在使用中(至少部分时间)至少部分地延伸进入水性液体6，更特别地桨轮9被布置为在使用中(至少部分时间)基本上一半延伸进入水性液体6。这里，桨轮9包括延长轮部件27，其围绕水平旋转轴11旋转。此外，实施例中的桨叶包括铲子10，特别是位于轮部件27的末端的两个相对的铲子。可以想到，桨轮9包括多个轮部件27。铲子10铲挖包含光合培养物(例如藻类)的水性液体6。在收获过程中，铲子10通过筛子(例如参见图4)进行脱水。筛子可具有网格，网格尺寸选自大约0.5-35μm的范围，例如0.5-10μm(直径)，从而使成熟的光合培养物与未成熟的光合培养物和水分离。筛子的网格可确定收获的光合培养物的尺寸，并部分地确定收获的部分，从而确定整个生长条件从而确定生物反应器系统的产量。网格尺寸也可取决于特定的光合培养物。
在光生物反应器系统1的一实施例中，该系统进一步包括CO2施放器，用来向水性液体提供CO2。在一特定实施例中，该施放器是在容器底部5上延伸的CO2衬垫(在图2B中未示出，参见图6)。该衬垫具有多个孔从而在水性液体中分散和溶解CO2，并同时在其中产生扰动。增加CO2的优选方法是以溶解的形式增加。更特别地，通过施放器加入到水槽中的CO2被液体吸收。CO2以这样的形式加入，即液体总是CO2饱和的。液体中吸收的加入的CO2将使气泡的出现最小化。这将避免水性液体中出现剪应力。
在一实施例中，沟渠部分7可以彼此液体接触，如图8和10中示意性地描述的那样。
如图2A所示的收获器系统26可服务于每个沟渠部分7或水槽，但是收获器系统26也可服务于交互的沟渠。收获器系统26还可服务于相邻的沟渠。由于沟渠部分7可以是液体接触的，在第一沟渠部分7中产生的流动也可在与该第一沟渠部分液体接触的第二沟渠部分中产生流动。在这种情况下，收获器系统26无需服务于每个沟渠部分。
图3是示意性地描述了根据本发明的包含在生物反应器系统中的收获器系统26的一实施例的侧视图。附图标记表示其他附图中相同的部分，将主要说明增加的标记。在桨轮9的中间，该收获器系统26包括具有多个盛装容器18的收集器系统18。该收集器系统18可通过构件16、17、19连接到收获系统26。在一特定实施例中，盛装容器18具有脱水装置，更具体地具有筛子。例如，盛装容器18的底部可包括筛子，特别是布置为允许水流出但将光合培养物保留在盛装容器18中。在轨道13中(或上)运转的轮15使收获器系统26能够相对于水性液体6运动。
可选地或附加地，收集器系统18可包括沟槽，其例如布置在侧面。收获系统可布置为使收获的产品滑入或落入沟槽中。例如，该沟槽可布置在壁4的部分上。
图4A和图4B示意性地描述了根据本发明的包含在生物反应器系统中的铲子10的实施例。该铲子10包括具有网格的筛子部件14，网格例如在0.5-10μm范围内或更大，例如0.5-35μm范围内。事实上根据培养物，网格尺寸可以在0.5到大于6μm范围内。可调节铲子10的位置以影响收获的培养物的部分和/或由铲子10在水性液体6中的运动引起的扰动的量。可通过围绕轴32旋转铲子来调节铲子10的相对于延长轮部件27的位置。可进一步通过控制铲子10与轴33之间的角度X来选择性地调节铲子10与水性液体接合的突出表面，轴33是垂直于轴32的轴。
图5A-5C示意性地描述了根据本发明的包含于生物反应器系统中的光照系统24的实施例。光照系统24，或更特别地光照面板28(也称为面板)被布置在隔离物8中，或包含于容器壁4中(或两者兼有)。在一实施例中，光照面板28就是间隔物8。容器可包括多个面板28以照射水性液体6(通过整个容器3)。由于PAR辐射可能仅以有限方式穿透水性液体，光照面板28的高度和容器3的深度可基本相对应。光照面板28可包括一个或多个光源20，更特别地，一个或多个荧光光源20(示意性描述)和/或一个或多个白炽灯(电灯泡)(未描述)和/或一个或多个LED，例如具有一系列分开的LED 34的LED条23(示意性描述)。
为了将光分散和导入所有水性液体中，光照面板28可具有反射器22。例如，反射器22位于光照面板28的顶部和/或底部。在一特定实施例中，反射器22可旋转地与光照面板28连接，更特别地，通过致动器(未示出)旋转反射器22，并可围绕旋转轴25旋转。
在光生物反应器系统1的一实施例中，光照系统24包括布置为引导图3的收获器系统26的轨道13。在该实施例中，轨道13位于光照面板28的顶部(如上文所述，其可布置为隔离物8)。轨道13可选择性地具有边36以引导收获器系统26，特别是引导其轮子15。由此，收获器系统26可行驶在隔离物9上，特别是在光照面板28(的顶部)上。
轨道13可包括天窗37，使光照系统24，更特别地使光照面板28能够通风，从而有助于光源20的冷却。光照面板28可包括吸热设备以将热量传送到水性液体6并有利于提高光照面板28的冷却能力。在一特定实施例中，光照面板28包括入口38和出口39，以为光照面板28提供冷却液，该冷却液将热量从光照面板28移除到例如热交换器40。在更特别的实施例中，冷却液包括水，在进一步的实施例中，冷却液不包括水性液体6。热交换器40可进一步被布置为(均匀地)在液体6中分散热量，或将热量提供给热存储系统(未描述)，该系统可用于在需要加热的时候(例如夜间)将热量提供给液体6。
在光生物反应器系统1的一实施例中，收获器系统26包括清洁单元(未示出)，其布置为清洁光照系统24，更特别地清洁光照面板28，从而进一步增强光合培养物的照射。更特别地，清洁单元包括可拆除的刷子。例如，铲子可布置为配有可拆除的桨叶和/或刷子型材料/装置，以与光照面板摩擦从而保持铲子清洁，避免任何类型的组织生长的捕获或堆积和/或通过该面板建立最佳光合作用。
图6示意性地描述了容器的实施例的细节的剖视图，该容器包括CO2施放器29，用来将CO2 30提供给水性液体6。在一特定实施例中，施放器29是沿着容器底部5延伸的CO2衬垫29。该衬垫29具有多个孔31，用来将CO2 30在水性液体6中分散和溶解，并同时在水性液体6中产生扰动。
光合培养物的生长条件是一组参数的函数，参数包括收获器系统的速度、桨轮的速度、铲子的角度、筛子的网格、光照系统。至少所有这些参数构成了受控环境，以保持光合培养物处于生长曲线的陡峭部分。因此，本发明的有利方面是自由地控制所有类型的参数，从而根据例如光生物反应器的纬度、光合培养物的类型、温度等影响生长并选择最佳条件。
下面参考图7和8描述流动增强系统100的实施例。图7示意性地描述了流动增强系统100的一些实施例的透视图。图8示例性地描述了流动增强系统100的实施例的俯视图。
流动增强系统100可包括流动增强主体102，其具有用于接合水性液体6的侧部103，用于将扰动流引入水性液体6。在一实施例中，由附图标记102表示的流动增强主体包括漏斗(也称为流动增强主体或漏斗102)。流动液体可加速地进入入口107并离开出口108。因此，可引入扰动。
这里，举例来说，流动增强系统100包括多个流动增强主体102，具有漏斗形结构，用于接合水性液体6从而将扰动流引入水性液体6。可选地或附加地，流动增强系统可包括障碍物。
在另一实施例中，流动增强主体100包括障碍物104，例如圆柱体，用例如圆柱体的圆柱形壁103接合水性液体。圆柱形壁103也称为侧部103。
在一特定实施例中，反应器3包括多个流动增强主体。在进一步的实施例中，反应器包括漏斗102和障碍物104的结合，其中障碍物104与漏斗102的出口108布置成行。这样可以更进一步地增强扰动。
这里，流动增强主体102包括导管105，用于将流体从导管105的入口107传送到导管105的出口108。侧部103可包括流体入口107，其与导管105耦合用于使水性液体6流过该导管105。可选地，入口107可与供给导管110耦合，用来为水性液体6提供淡水、营养物等。这里，流动增强主体102包括另一入口109，用于将导管105流体耦合到供给导管110。流体可以是水性液体6，或者水性液体6和来自供给导管110的淡水的混合物。这里，出口108将流体引导到相邻的流动增强主体102。这里，出口108将流体向上引导从而避免藻类在容器3的底部结块。关于这一点，向上的意思是朝向包含在光生物反应器系统的容器3中的水性液体6的表面。
图8(俯视图)示意性地描述了障碍物104水平布置(左下)和垂直布置(左上)的实施例，其中布置了漏斗102。
在一特定实施例中，障碍物104可进一步包括一个或多个光源。由于障碍物104布置在反应器中，其障碍物表面被水包围，这些光源可进一步用于照射液体中的生物体。特别地，由于红色光比蓝色光穿透液体更远，该壁可包括蓝色和红色发光光源，然而障碍物可特别地包括蓝色发光光源。因此，障碍物也可具有辅助光源的功能。
本发明的另一方面在于提供一种包含根据本发明的流动增强系统100的光生物反应器系统。
下面将参考图9A、9B和10描述光照面板1。图9A是示意性地描述了包括光照面板1的壁2的透视图。图9B是示意性地描述了图9A的壁2的俯视图。图10是示意性地描述了包括光照面板1的多个壁2的透视图。
光照面板包括构成间隔间204的透明侧壁203、位于间隔间204中用于照射藻类的光源5、用于将光照面板1容纳在包含耦合光面板1的壁2中的耦合装置206、以及以附图标记207-209表示的选择性连接装置和/或电源。壁2包括耦合光面板1，并适用于形成光生物反应器系统的容器中的沟渠部分7，也称为水槽7。
这里，间隔间204包括多个光源5，更特别地，每个光源5提供具有特定波长的光，甚至更特别地，一个或多个光源5包括发光二极管。
在壁的一特定实施例中，该壁包括用于耦合和支撑光面板1的框架211。
在本发明的一实施例中，光合培养物可在包含水性液体(特别是水)(包含该光合培养物)的容器中生长，更特别地，在包围在受控和/或封闭环境中的一系列容器中生长，该环境例如为提供受控环境以最优化光合培养物的生长条件的温室。收获器系统连续地收获该该培养物，收获器系统每天可铲出大约达到约10wt％的光合培养物；也可采用更低的收获量，例如每天达到约1％或达到约0.1％，或达到约0.01％的培养物。因此，铲子包括具有适当的网格的筛子，用来收获成熟的培养物，并将水性液体和剩余的培养物留在容器中。进一步地，收获器系统位于收获器传送器上，其使收获器在整个容器上移动，从而在整个容器上实现均匀收获。收集器系统收集收获的培养物，并将培养物运送到仓库中。
用铲子收获光合培养物的好处是有助于在水性液体中产生扰动流。扰动流有助于光合培养物的最佳生长条件。也可通过CO2施放器产生扰动流，CO2施放器在容器的底部分配CO2从而上升的气泡在包含于容器中的水性液体中产生扰动流。扰动流也可由CO2施放器产生，其在容器的底部提供包括至少CO2、营养物、盐的额外的水流，从而上升水流在水槽中产生扰动流。
通过光照系统进一步增强光合培养物的生长条件，该光照系统有助于水性液体中的光合培养物的照射。包含在光照系统中的光源在整个容器中照射培养物，特别是针对容器的较深部分。反射器，特别是旋转反射器有助于光在整个容器中的均匀分布。
光面板可构成将池塘划分成(多个)水槽的壁，水槽的个数取决于光面板之间所需的期望距离，从而获得针对任何特定种类的藻类的最佳生长的特定密度的最佳光穿透性和期望的最佳动态流动。
可在池塘的底板上稳固地安装框架或结构，从而接收并固定光面板，该光面板可包括防水装置和/或用于为每个单独的光面板提供电源和冷却剂的固定装置。
光面板可以是防水的，或者是密封的，或者具有可移除的盖子，并且可与冷却剂的入口、电源和冷却剂的出口匹配。
光面板中可采用不同的液体，一种用于光在光面板中的传输，另一种可循环并仅用于冷却光。
在一实施例中，可安装光面板可与水槽的玻璃壁集成。
为了最佳的藻类生长，可为水槽提供特定颜色(一个或多个波长或一个或多个波长范围)的光。
为能够提供具有特定颜色的光，可采用包含提供不同颜色的一个或多个光源的光面板。
光面板可插入水槽的壁中，并包括多个光源。由此，可最优化媒介中每个特定颜色的光的强度、波长和空间分布。
面板的尺寸可例如固定为大约2×1＝2m2，但是可根据不同应用来调节每个面板上光源的数量，即根据藻类的类型/张力和生长媒介类型来调节。特别地：
a)每个面板的光源的数量可调节，例如对于每两个红色光源有8个蓝色光源，
b)每个颜色的光源的尺寸和/或强度可调节，以及
c)光源之间的距离可调节。
面板包括提供不同颜色的至少两个光源。不同颜色的光源包括产生蓝色光(400-500nm或更特别地400-450nm)和红色光(600-730nm或更特别地640-680nm)的光源。在一实施例中，光源是LED(发光二极管)灯。光源的光强度，光子通量密度(PFD)可高达每平方米每秒2000微摩尔光子(μmol photons m-2s-1)。进一步地，通过调节(每个面板中)光源之间的距离和/或光源的列数，可控制(藻类的)对具有特定波长的光的有效曝光时间。
可通过调节每单位长度的光源数量和主流体的(循环)流速来实现高强度-低强度周期的最优化。通常，主流体流速为0.6m/s量级，平均PDF在50和500(μmol photons m-2s-1)之间，而针对最大光强度的曝光时间将不会超过5ms。
为了保持藻类悬浮物的恒定循环流动，需要延水槽长度方向的附加注入点。在藻类悬浮物的循环速度过低的情况下，藻类可能开始沉淀，并形成结块，这对藻类是有害的。
为了避免微藻类的沉淀，会采用由额外液体流产生的上涌，该额外液体流可通过所谓的注入点或增流器进入水槽。
在一实施例中注入点的目的有两方面。第一，注入点可用来增加淡水、营养物、CO2和藻类的恒定生长所需的选择性的其他成分中的一种或多种。
第二，通过控制流体的方向，或通过控制流速，可引起所谓的上涌。额外液体流的方向可通过注入点的角度和注入点的位置来确定。注入点可放置为垂直于水槽中的流体，或者注入点可以一角度放置。
注入点可位于水槽的底部(底增流器)并在水槽的壁中(侧增流器)。对于在壁中成一角度放置的增流器，该角度要满足获得向上的流动。
在一实施例中，液体流以1-15巴(每表面)的升压加入。由此，主流体和局部引入的额外液体流之间的压力差将(局部地)影响藻类的运动。处于升压的液体可导致藻类的运动和吸入。这一现象称为文氏管(Venturi)效应。
更特别地，调节附加流(由增流器提供)至藻类悬浮物的粘性。这样，可提高循环速度。如果需要，可采用抽取系统以特定的流速和特定密度和粘性来传送附加液体流。
为了藻类的恒定和稳定的生长速率，很重要的是用于曝光藻类的光照条件是可控的。为了实现这一点，藻类的辐射运动与光照面板呈横向是有益的，也就是说藻类应该从水槽的中间运动到水槽的壁，并运动回到中心。当然同时，应进行沿着水槽的长度方向的运动(轴向运动)以避免沉淀。
将通过采用沿着水槽长度方向的内部构件或静态混合器来引起辐射方向的附加运动，也称为漩涡或涡流。涡流是围绕轴的稳定旋转流。
由“圆柱形”内部构件构成的可能的结构立在主流体中。一种可能的方法是基于圆柱体，例如位于水槽的中心线。由此，主流体将“一分为二”，结果在(轴中心线的)两侧都形成漩涡。这些漩涡将确保辐射运动，且藻类可以移动，在连续的循环运动中，从水槽的中心到壁再回到中心。
可通过采用所谓的静态混合器来实现更复杂的解决方案，其将确保辐射运动同时确保上涌。用作障碍物的圆柱形结构(参见上文)可布置为水平、垂直或与反应器的底部成一角度。特别地，他们被布置为水平或垂直，在一实施例中，一个或多个被布置为垂直。
此外，内部构件可用于通过在该内部构件上安装光源从而从水槽的中心提供附加的水下光照。具体地，内部构件可以具有LED灯，从而在水槽的中间建立优化的光混合和生长环境。
在这种情况下，可得到附加“参数”用于微调流速(实际上是水槽的在长度和宽度(两者)方面的尺寸)和光强度(高-低强度周期)之间的关系。在内部构件上装备光面板使设计更有灵活，因为水槽的尺寸不再由位于水槽的壁上(或其中)的光源的穿透深度(单独)决定。
在一特定实施例中，收获器的一个或多个铲子使可围绕铲子轴旋转和/或可服从于振动装置的振动和/或可服从于空气流，特别是当各个铲子位于液体表面之上时利用吹风机实现；和/或可由水喷射，特别是当各个铲子位于液体表面之上时利用洗涤装置实现；和/或可服从于反冲洗，例如通过液体流发生器。这些实施例可用于移除铲子中剩余的固体，特别是网格上/中。由此，可为铲子特别是筛子铲提供一种反冲洗。
在这里描述和示出的实施例中，可选择地，收获器系统可“仅”由桨轮结构代替，即桨轮结构不用作收获器系统，但是基本上仅用于建立扰动，特别是流动。因此，在特定实施例中，除非文中明确说明，收获器系统26可涉及布置为在液体中建立扰动的桨轮结构，而不特别布置为收获培养物。
本文描述的技术也可称为Algae-Sphere TM。Algae-Sphere TM概念背后的驱动力为：
-提高每个单位时间、体积和表面积的生物量产量，作为提高单位投入资本的成果；
-提高藻类产品的净产量，例如油、维生素、抗氧化剂等等；
-利用成本有效生产降低投资风险；
-尽量利用证实的、简单的、耐用的技术；
-独立于气候和环境的受控生产；
-模块化和商业可升级。
Algae-SphereTM生产设备具有利用自然日光照射的优点，生产潜力大约为150 t/ha/year，辅助以特别的Algae-SphereTM设计的生长光照技术。光照效率可高达光照系统和自然光的PPF密度的30到50％。典型Algae-SphereTM设备中的有效PAR表面积相比与开放池塘系统提高了270％，相比于PBR提高的倍数更多。可根据藻类生长、开发要求和要获得的产品来调节光照质量和数量。得到的生产潜力比其他藻类生产技术有显著的提高。
一个或多个优点在于：
-在Algae-SphereTM中，可针对几乎每个可想到的种类和期望的藻类产品来优化处理条件；
-Algae-SphereTM生产设备通常包括模型化系统，其具有1公顷的基本模块，该系统是实用的、易管理的、并可扩展到几百公顷；
-单个模块本身包括20个单独的生产单元，可彼此充分分开以实现生产灵活性；
-单个模块可实现各种生产目的，在每个分开的单元中采用不同的藻类或保持不同的生长条件；
-在扩大系统中的养料、饲料和/或药物质量；
-在充分优化的光照气候下的每平方米的生产力的潜力是封闭的PBR的5倍，是开放池塘系统的10倍；
-最新的最有效的LED技术；
-用于简易操作和低维护的最新工程和技术；
-可捕获不同工业源的CO2并高度集中地馈送给藻类，而不会产生对细胞有害的剪应力；
-高能效收获技术；以及
-通过对能量、CO2和流出物的一揽子解决方案获得降低成本的潜力。
图11A是具有光面板的生物反应器的实施例的简化俯视图，图11B是该生物反应器的透视图。生物反应器301包括容器，进一步指蓄水池301，其容纳水性液体，藻类或其他光合培养物在该水性液体中生长。水性液体可以是淡水或盐水或其他一些合适的水性溶液，但是为了简单，本文指水。光合培养物可以是藻类或细菌或其他合适的光合生物体，但为了简单，本文指藻类。
光照面板303至少部分地淹没在水中。这样通过位于从水的上表面之下的一点处的光照面板的壁发射光，使得更多的光照系统发出的光能够传输到水中。光照面板可用作生物反应器中的壁，从而形成沟渠部分，进一步指水槽302。当光照面板用作壁时，它们可稳固地安装在生物反应器的底板上。可选地，相邻的水槽302可彼此液体接触。采用淹没在水中的光照面板303使得光到水中的传输得到改善且更加灵活，这是通过将面板布置得足够近从而使光到达蓄水池中的水体中的所有藻类中的大多数来实现的。
生物反应器可分为多个水槽，水槽的数量和尺寸可取决于面板的尺寸、生物反应器的尺寸、光照面板采用的光照的穿透深度、和该生物反应器中生长的藻类的特定种类中的一个或多个。采用水槽可实现藻类的可控运动，从而来自壁的光均匀地分配在水中的藻类上。这种运动可以包括围绕光面板壁的运动，例如以顺时针或逆时针方式，以及藻类的交替上下运动的方式。
在生物反应器蓄水池内部使用人造光避免了利用透明材料建造该蓄水池的需要。这减少了成本，并能够利用更便宜且更耐用的材料来制造生物反应器蓄水池，并且使得蓄水池制造更简单。例如，生物反应器蓄水池可用钢、不锈钢等来制造。
蓄水池也可比池塘或传统的依靠日光的生物反应器高的多。这使得对于相同体积的藻类培养物，蓄水池的占地要小的多，这节约了地面空间，并使得藻类生长设备更紧凑。这在城市环境或土地成本很高的地方有特别的重要性。
利用图11A、11B的生物反应器，蓄水池中的水的精确温度控制也更加容易得到。依赖于日光曝光的生物反应器需要很大的表面积。具有更小的表面积的更紧凑的布置减少了外部温度变化的作用，且非透明的蓄水池壁减小了由于从白天到夜晚以及从夏到冬的温度变化和日光变化而造成的温度变化。
利用图11A、11B的生物反应器，藻类接收到的光的精确控制可更加容易得到。依赖日光的池塘或生物反应器在白天或夜晚之间、阴天或晴天条件之间、长夏日或短冬日之间受到曝光的大幅变化的影响。通过采用人造光，曝光时间增加到每天24小时，且不论外部环境如何，一年之中都能提供恒定光照。可调试光照系统以提供藻类生长可用的特定波长的光。还可调试光照系统以提供适当强度的光从而获得高生长速度，同时避免伤害藻类的过度曝光。
图12是光照面板303的一实施例的透视图。光照面板具有包括有透明壁305的构件304的外罩。可选地，框架本身可以由适当的透明材料构成。透明壁305可由玻璃、聚碳酸酯、或其他合适的坚固透明材料构成。在一实施例中，例如玻璃的透明材料的折射率为1.3或更高。
图13是生物反应器中的光照面板的布置的俯视图。光照面板具有耦合装置306，在该实施例中是凸缘的形式，用来将光照面板耦合在一起以形成生物反应器中的壁部分。凸缘306与柱或梁310合作以定位光照面板。这导致了一种光照面板垂直滑入生物反应器中的位置的布置。由端到端布置的几个光照面板形成的壁可以这种方式形成，例如光照面板之间的界面形成平滑壁以避免阻碍水沿着由面板形成的壁的长度方向的流动。光照面板是防水的，从而在光照面板303中形成内部空腔308，在光照面板放置在水中时该内部空腔308与生物反应器中的水隔离。
光照面板303可包括LED 320的布置。本文中，LED的表述也指代LED芯片或LED冲模。LED 320可安装在陶瓷载体上，例如陶瓷印刷电路板，该载体安装在光照面板303中的安装结构上。在一实施例中，安装结构是平面结构。陶瓷载体可以是金属芯PCB以承载大量的LED，例如60个LED。具有裸结合LED的陶瓷载体可以通过粘贴或熔化结合在安装结构上。
LED 320形成用于照射生物反应器蓄水池301中的藻类的光源。可将光源的光强度调试为能基本上避免光合培养物或藻类在外罩的透明部分的表面上生长的足够的强度。光源可包括不同类型的LED，发射最适合促进藻类生长的某些特定波长的光。例如，光源可包括用于发射波长在400-500nm范围内，或更特别地在400-450nm范围内的光的一个或多个LED(例如蓝色LED)，以及用于发射波长在600-730nm范围内，或更特别地在640-680nm范围内的光的一个或多个LED(例如红色LED)的组合。用于发射红色光的LED可以是磷化铝铟镓LED。
在一些实施例中，光源是这样布置的，即在操作中光源发射的多数光，例如80％或更多，波长在400-450nm和640-680nm范围内。选择这些波长是为了与叶绿素和色素的吸收最大化相匹配，所述色素是供生长的各种类型的藻类和光合生物体使用的。
图14A是光照面板303中的LED的布置的简化俯视图。安装盘312布置在光照面板的内部空间308中的垂直位置。LED 320布置在该盘上以发射通过透明壁305的光。安装盘312例如为刚性的和良好的热导体，例如铝、铜或钢，从而将热量从工作中会变热的LED导出。内部空间308可填充有冷却液319，其与LED直接接触从而将热量从LED传送走。附加地或可选地，盘312可具有一个或多个冷却通道，用于循环用来增强从LED移除热量的第二冷却流体。图14B显示了LED的一可选布置，其中LED安装在垂直布置在光照面板中的安装支架314上。
图15A显示了双侧安装布置的剖视图。安装支架314具有用来循环用于冷却LED的冷却流体的内部通道316。安装支架也可在每侧具有凹槽317，LED 320安装在每侧中。该设计使LED安装稳固，所述LED面朝外对着光照面板的每一侧上的透明壁305发射最大光，同时向LED的背部提供冷却。安装支架例如由良好的热导体构成，例如铝或铜，从而有效地将热量从LED导出。图15B显示了可选的LED单侧安装布置。
图16显示了沿光照面板的长度方向并排垂直布置的安装支架314的透视图。采用垂直布置的安装支架314提供了更灵活的光照面板模块化结构，其在将光照面板的需求与被照射的藻类种类相匹配的灵活性和能力方面是有好处的。
图17显示了光照面板和安装支架的剖视图，其显示了用于冷却LED的两股冷却流体的循环。LED 320安装在安装支架314的两侧，安装支架中有通道316。
所有上述实施例可采用两股冷却流体，第一冷却液直接与LED的前侧接触，第二冷却流体在通道中流动从而从LED的背侧除去热量。下文将第一冷却流体称为第一冷却液。
第一冷却液319充入LED 320和光照面板的透明壁305之间的内部空间308。该冷却流体流过LED的外部前表面，例如直接与LED接触。冷却液319例如为油。冷却液319例如在自然对流下循环，随着冷却液与LED接触而变热，其从光照面板的底部升起。LED芯片例如垂直安装，其中LED的底部电极靠着安装盘312或安装支架314从而促进热量从LED传输到安装结构。LED的顶部电极面向外并由冷却液319冷却。LED冲模可具有非常薄的保护或钝化膜，从而在实现从LED到冷却液的良好的热传输的同时提供物理保护。蓝色LED(在400-450nm范围内发射)例如只在上表面具有保护或钝化膜，从而保护它们免受冷却液319的影响。红色LED(在640-680nm范围内发射)例如不具有任何保护或钝化膜，因为他们不会受到冷却液的不良影响。
也可采用冷却液319的强制对流，尽管额外的流动会破坏垂直布置的LED的结合线。此外因此，LED 320的结合线沿着平行于冷却液319的方向延伸。
第一冷却液319例如为具有高折射率的油，例如Dow Corning(道康宁)C5或C51。例如选择具有有利的折射率的材料来构成光照系统，从而使光从LED到包含藻类的水中的传输最大化。LED芯片通常具有对红色LED大约3.3的折射率和对蓝色LED 2.2的折射率。如果第一冷却液直接与LED接触并具有与LED尽可能接近地匹配的折射率，则非常有利。这减少了光在LED 320和冷却液319之间的边界处的反射，从而导致来自LED的光子的提取最大化。
合适的冷却液319具有折射率、良好的透明度、以及足够低的粘性从而易于在自然对流下流过LED。第一冷却液319例如具有1.5-1.7范围内的折射率，特别是高达1.62。可在油319中溶解具有例如大约1.8的折射率的高折射二氧化钛(TiO2)纳米粒子，从而将悬浮物的折射率提高到大约1.7。
第一冷却液319也有其他优点。冷却液/油319的膜确保LED320、安装结构312或314以及透明壁305之间的良好热接触。用冷却液319湿润LED芯片的前表面改善了热量从LED的传出。合适的冷却液319也可用于降低LED密封剂的退化。冷却液319也可使用于光照面板的透明壁更薄，特别是对于放置在高生物反应器蓄水池的深水(例如2m或更深)中的深光照面板，因为冷却液压迫光照面板的内部从而帮助抵消来自水的外部压力。
第二冷却流体318可在LED后面的安装盘312或安装支架314内的通道中循环，从而提高系统的冷却能力。冷却流体318可以是水，例如不与生物反应器蓄水池301中的水接触的水。在一优选实施例中，冷却流体的温度低于0℃。在这种情况下，冷却液318可以是制冷剂或冷却气体，例如冷却的的二氧化碳气体。通过通道316利用相对低温的，例如低于10℃，例如低于0℃的冷却流体冷却LED，使得LED也在相对低温下工作，这会提高LED 320的性能。此外，冷却流体318类型的可选择性有助于将生物反应器中的水的温度调整到适合藻类或光合培养物的特定种类的温度。
在图17中，第二冷却流体318在通道316中循环，其被沿着与第一冷却液319的对流方向相反的方向引导。尽管这种布置是优选的，第二冷却流体318也可以沿着与第一冷却液319的方向相似的方向在通道316中传输。
淹没的光照系统的整体结构例如被设计为使从LED到包含藻类的水中的光的传输最大化。这是通过使材料的折射率尽量接近地匹配，并避免这些材料的折射率之间的较大差异来实现的，其中所述材料是指光从LED传到包含藻类的水中所通过的材料。如上文所述，在一实施例中第一冷却液319具有高折射率以减小LED和冷却液之间的边界处的反射。透明壁305例如由具有与第一冷却液319接近或匹配的折射率的材料构成，例如具有高铅含量的玻璃或任何其他透明材料，例如聚碳酸酯或环氧树脂。玻璃的典型折射率是1.52，可通过添加铅来提高该折射率从而匹配冷却液319的优选范围为1.5到1.7。水的折射率约为1.33。因此匹配冷却液319和透明壁305的折射率将减少上述边界处的反射，但是可能增加透明壁和包含藻类的水之间的边界处的反射。
在一实施例中，由LED发射的光在从外罩的透明部分发射之前不通过空气。在该实施例中，光在该发射之前仅通过液体和固体媒介。换言之，淹没的光照系统在LED和包含藻类的水之间没有低折射率层，例如空气。因此，尽管光通过的材料层的折射率降低了，其并没有提高折射率。例如，一个实施例中的近似折射率为：LED 3.3(红色LED)或2.2(蓝色LED)，冷却液1.7，透明壁1.7(含铅玻璃)或1.52(无铅玻璃)或1.42(聚碳酸酯)，以及水1.33。在这种布置下，光照面板可获得从LED到水的光耦合的改善为2.5或更高微摩尔光子每瓦特输入光照面板的能量。相反，利用空气隙的光照系统仅能获得大约1.0微摩尔每瓦特的值。具有这种类型的光照布置的生物反应器可获得的藻类生长是每6小时得到双倍的藻类，相比之下，依赖于日光的之前的系统通常每24小时获得双倍的藻类。
藻类在光照面板的外罩的透明部分的外表面上的生长降低了光照系统的效力。粘附在透明壁上的藻类将不会在水中循环，且阻碍来自LED的光到达在水中循环的大部分藻类。可通过调节光源的强度来减少或消除这种不期望的藻类生长。在操作中，通过透明壁305传输的光例如具有足够的强度从而基本上避免藻类在透明壁的表面生长。已示出在透明壁的外表面的1000微摩尔每秒每平方米或更高的光通量足以达到这一目的。光不应过强，以避免伤害在水中循环的藻类。
图18是具有漫射器布置322的光面板305的剖视图。透明壁305例如包括漫射器装置322从而将来自LED 320的光分散到水中。漫射器布置322可以是位于外罩的透明壁305外侧的凸起形状的形式。可选地或附加地，漫射器布置可以是位于外罩的透明壁的表面上的漫射膜或片的形式。
图19A是可与一个或多个LED 320组合使用的反射器布置的俯视图，而19B显示了这种反射器布置的一特定实施例的剖视图。图19C是不同于图19B的反射器布置的反射器布置的透视图。反射器布置包括一个或多个反射器328，其用在LED 320的周围，可通过沿着基本垂直于透明壁305的方向引导从LED发射的光来提高从LED到水中的光传输。一个或多个反射器328可以是环绕LED的凹进结构的形式，例如像图19B或19C所示的篮筐(rim)结构。该凹进结构可以由金属制成，或由具有与冷却液319显著不同的低折射率的材料制成，从而对来自LED的光实现良好反射，例如采用类似合适的环氧树脂的易成型材料，例如具有大约1.1的折射率。篮筐结构可定形为如19B所示，从而确保篮筐结构材料的形状和折射率的组合能够反射由LED 320发射的光。在一实施例中反射器布置包括围绕每个LED的环形反射表面，用以增强光发射的均匀性。
反射器布置可设计为限制由LED发射的光朝向水的角度。由LED发射的光到达冷却流体和透明壁之间的界面的外角可布置为在该界面处全反射，并且例如在透明壁和水之间的界面则尽量避免这样。通过以这种方式限制LED的出射角，反射器布置降低了由于全反射造成的效率损失。由于相似的原因，例如，反射器被布置为将从LED发出的光以与透明壁的表面基本成直角的方式朝着光照面板的透明壁反射。
图20是光照面板303的可选布置。在该布置中，没有沿着光照面板303中的盘或支架安装LED 320，而是将LED 320安装在框架4的顶部，且方向相对于光照面板303向内。在该实施例中，光照面板303的透明壁305的表面，例如外表面，覆盖有漫射布置，例如漫射膜或片323。漫射布置被布置为将LED 320发射的光漫射，从而使光在生物反应器蓄水池中尽可能均匀地分配。
图21是光照面板的另一可选布置。在该布置中，LED 320安装在安装支架314上。框架304包括对外部光(例如日光)基本透明的顶部或覆盖结构325。透明顶部325可包括反射器，用于将日光(重新)引导到外罩中。在一实施例中，透明顶部325包括过滤器。该过滤器可滤除具有被认为对于照射光合培养物无用的波长的光，例如因为这些波长不能被光合培养物吸收。过滤器可滤除具有被认为有害的波长的光，例如因为这些波长会限制光合培养物的生长。过滤器可以是可替换的，且可以是对于生长中的藻类或光合培养物的类型来说合适的。
通过覆盖结构325耦合到光面板中的外部光被通过光照面板的透明壁305提供给蓄水池中的水性液体。在一实施例中，因为以与参照图20所示实施例所讨论的相同的方式，光照面板的透明壁305的(外)表面具有漫射膜或片323。
图21的光照面板的实施例的优点是除了由LED提供的光之外，可通过例如日光的外部光对光进行平衡，从而为生物反应器蓄水池中的藻类提供最优化的光条件。因此，可在更低的LED 320能耗的藻类生长的前提下获得相同的结果，因为外部光提供了额外的光通量。外部光可通过光收集器和反射器来收集，并以可控的方式在面板中分配，例如利用透镜、例如光纤的光导体、以及漫射光学器件中的一个或多个。这些光学元件中的一些或全部可包含在覆盖结构325中。由此，可为每种藻类建立最优化的光条件。
图22是具有管状外罩的可选的光照面板的侧视图和顶部剖视图。该光照面板包括用于支撑光源330的管状安装结构315，管状安装结构具有用于冷却光源的冷却液的循环的内部通道316。
外罩包括管状形状的透明壁305，该管状安装结构315和管状透明壁305被共中心地布置。光源330形成于在管状安装结构315的外表面中形成的平面部分中。光源包括安装在陶瓷印刷电路板上的LED 320条带，该陶瓷印刷电路板安装在该平面部分上。陶瓷载体可以是金属芯PCB，用来支撑大量LED芯片，例如60个芯片。具有裸结合LED冲模的陶瓷载体可以是粘贴结合或熔化结合于安装结构315的平坦的平面部分。
多于一个光源330可位于沿管状安装结构长度方向的特定位置上。在图22所示的实施例中，三个光源330以等间距围绕管状安装结构315的周围布置。管状安装结构315可形成很长的长度，光源布置在其长度方向上的几个位置上。管状安装结构315也可构造为较短的长度，并且利用连接套管332与其他安装结构连接。
在安装结构315的两个管子和透明壁305之间的空隙中形成内部空腔308，该空腔填充有冷却液319，例如具有高折射率的油。在一个实施例中，用于该小空腔的油量为最少。冷却液的量小可使得空腔308中油的循环最小，这会降低对结合线或LED芯片的破坏的机会，并减小由冷却液中的污染粒子造成的破坏或磨损和折损。
在另一实施例中，在空腔308中有足够的冷却液，从而在冷却液中造成自然对流，从而增强热量从LED的传出。光照面板例如将其纵轴设置为垂直方向，以在光源330的长度上提供足够的垂直距离，从而促进冷却液319中的自然对流。
对于透明壁、安装结构、冷却液等，可采用与前述图12的实施例相同的材料用于光照面板的该实施例。用于该实施例的材料例如具有使得LED和包含藻类的水之间的光耦合最大化的折射率，如针对前文实施例所述。对于该实施例的考虑与对于前文实施例的考虑相同。高折射率的冷却液对于光从LED到水/藻类的输出耦合有正效应，且LED芯片表面的湿润能改善热传输。冷却液也可减少LED密封剂恶化的问题。冷却液的薄膜也环绕整个管子，确保安装结构315和透明壁305之间的最优化热接触。冷却液也可避免光源和连接处的任何电解效应。向LED提供恒定驱动电流的连接线和电子件可集成在管子的平坦部分上的相同的安装结构315上。
图23是图22的光照面板被部分拆除的透视图，显示了端盖334和密封环335，用于密封形成于安装结构315和透明壁305之间的空腔8的端部。端盖334和密封环335的功能是将空腔308与生物反应器的水隔离开，从而避免冷却液从空腔泄露，并避免水进入空腔。空腔308初始填充冷却液319可利用粗注射针通过穿过透明壁和安装结构的平坦平面部分之间的孔的来完成。然后将透明壁移动到橡胶密封环335的上方，油的最后部分可利用细注射针通过该环来填充。
图24是光照面板的剖视图，显示了管状安装结构315的平坦平面部分，其中光源的LED 320安装在该平坦平面部分上。
图25是具有包含多个LED灯的光照面板303的生物反应器的简化示意图。LED灯可容纳在如图14A、14B所述的光面板中，或者容纳在如图22-24所述的管状外罩中。
生物反应器包括CO2提供系统340，该系统包括将二氧化碳(CO2)提供给包含藻类的水中的施放器341。在一些实施例中，该施放器是CO2衬垫341，其可沿生物反应器蓄水池301的底部延伸。该衬垫具有多个孔，用来在水中分散和溶解CO2，同时在其中产生扰动。例如，CO2以可溶解的形式加入，例如，从而使CO2被吸收于由CO2施放器添加到水槽中的液体之中。CO2可以这样的形式添加，即由CO2施放器添加的液体总是CO2饱和的。通过添加被液体吸收的CO2降低了气泡的产生。由于这种气泡可能导致水中的可破坏藻类的剪应力，它们的出现例如被保持最小化。
在包括CO2施放器的生物反应器蓄水池301的实施例中，LED 320垂直布置，例如如图16或22所示，从而随着CO2通过水上升而提供恒定的光水平。
通过分开的冷却流体提供系统343将冷却流体提供给LED光源。冷却流体对应于上述第二冷却流体318。生物反射器进一步包括加热器342，其用于在CO2以CO2气体的形式提供给生物反应器蓄水池之前加热CO2，CO2气体由图25中的气泡示意性地表示。生物反应器进一步包括用于冷却冷却流体的热交换器344。热交换器被布置为在冷却流体通过生物反应器中的光照面板303之后从冷却流体中移除热量，并将从冷却流体移除的热量提供给包含藻类的水，和/或提供给用于加热提供给生物反应器的CO2的加热器，和/或提供给其他媒介，从而将热量从系统移除。来自冷却液318的热量的再利用使得生物反应器具有更有效的性能。
优选地，分别控制LED的温度和包含藻类的水的温度。尽管热交换器可重新利用来自冷却液318的热量来加热水或注入的CO2，优选地，保持分别控制冷却流体温度和水温。
生物反应器也可具有用于为LED光照系统供电的控制系统350。藻类中的碳固定作为光合作用过程的一部分在黑暗中发生。控制系统可使LED快速地循环开和关，从而提高藻类中的碳固定，并提高藻类的生长速度，例如以10毫秒开和10毫秒关的周期来切换LED的开和关。例如在光照面板303的顶部形成到LED的电连接351，从而该连接在水之上。
在本发明的一些实施例中，可提供一种或多种进一步的布置，来避免藻类对LED 320发射的光的持续曝光。一种达到这种效果的布置是可在生物反应器蓄水池中提供适当的水性液体的运动。例如，前文所述的沿着水槽的运动或上下运动都符合这种运动。附加地或可选地，可在蓄水池中引入漩涡运动，从而在不同时刻曝光藻类或光合培养物的不同部分。
取代或附加于包含藻类的水性液体的适当运动，LED 320可周期性地开和关从而实现不连续的曝光。水性液体的适当运动和/或LED320的开/关周期造成的不连续曝光可提高藻类中的碳固定。
为了推动生物反应器蓄水池1中的水性液体运动，可通过在适当位置注入液体来引入流动，该适当位置在下文中称作注入点。注入点可位于水槽的底部(底部增流器)，和水槽的壁中(侧部增流器)。对于位于壁中成一角度的增流器，该角度使得能够获得向上的流动。
在一实施例中，以1-15巴(每表面)的升压加入液体流。由此，主流体和局部引入的外部液体流之间的压力差可影响藻类的运动。如果需要可调节附加液体流至包含藻类的水性液体的粘性，可利用抽取系统来传送具有特定流速和特定密度和粘性的附加液体流。
在一实施例中，抽取系统是盘泵。盘泵是包含一个或多个实现抽取功能的盘的泵。由于使用了这些盘，避免了对藻类的破坏。
图26A显示了盘泵的实施例的剖视图。图26B显示了相同的泵的纵向剖视图。泵401包括具有前板403、中板404和后板405的外罩402。这些板可由钢或塑料构成。这些板通过螺钉等(未示出)压在一起。中板404具有环形的圆柱凹槽，其与前板403和后板405一起限定了腔室406。该后板405包括轴承外罩407，合成轴408通过两个轴承410，例如双密封球轴承旋转地容纳在轴承外罩407中。轴承410夹在两个内螺纹环411中，其内部环411通过环状衬垫412密封。轴408具有键沟409，通过该键沟该轴408可连接到驱动单元，例如电动马达。
转子414安装在轴408的中心部分413，该转子414包括多个平面圆盘415。所述盘可由钢、不锈钢或例如PVC或聚碳酸酯的塑料制成。所述盘415通过环形间隔器416彼此分开。此外，盘通过箝位件417压迫内部环411。箝位件按照其顺序通过螺钉418安装在轴108的中心部分413上。盘415和腔室406一起形成了所谓的Tesla(泰斯拉)泵。该设计的细节和Tesla泵的操作参见US专利No.1,061,142，其全文以引用方式结合于本文。盘的表面积和/或数量越大，所述泵的传送和推进力越大。
前板403包括与箝位件117相适应的圆形开口，与之形成环形轴入口419。如图26A所示，盘415可具有多个孔420。进一步地，在外罩402上安装楔形插入物421，该插入物与前板403、中板404和后板405一起形成了出口通道422。
泵具有基本成切线的旁路通道423，该旁路通道的第一端通向泵401的出口通道422，其第二端形成入口424。旁路通道423形成于中板404中，且与腔室406具有相同的宽度A。为了确保来自腔室的流动强到足以产生通过该旁路通道423的强流，通道423在出口通道422的高度B等于或小于横向于转子414的外围的假想线和腔室406的内壁之间的距离C，在出口通道422也一样。
旁路通道423可具有用于将二氧化碳气体提供给水性液体的入口。通过以这种方式提供二氧化碳气体，二氧化碳气泡的尺寸非常小。这种小CO2气泡使得对光合培养物的破坏最小化。
很明显，上文的说明书和附图描述了本发明的一些实施例，但不限制保护范围。基于这些公开内容，更多的实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的，这些实施例在本发明的保护范围和实质之内，且为现有技术和本发明公开内容的显而易见的组合。
本领域技术人员应该能够理解本文中的术语“基本上”，例如“基本上包括”。术语“基本上”也可包含采用“完全”、“全部”、“所有”等来描述的实施例。因此，在实施例中，形容词基本上也可删除。在适当的时候，术语“基本上”也可指90％或更高，例如95％或更高，特别是99％或更高，甚至更特别地99.5％或更高，包括100％。术语“包括”也包含其中的术语“包括”意味着“由……组成”的实施例。
进一步地，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等，适用于区分相似的元件，而不是为了描述前后顺序或时间顺序。应理解在适当的环境下，这些术语可互换使用，本文所描述的本发明的实施例可以按照除本文所描述和示出的顺序以外的其他顺序操作。
本文中的装置处于所描述的操作当中的其他装置之中。本领域技术人员应该清楚，本发明不限于操作方法或操作中的装置。
应注意，上述实施例仅描述本发明，而不是限制本发明，本领域技术人员应能够设计很多可选的实施例，而不会超出权利要求书的范围。在权利要求书中，括号中的任何附图标记不应解释为对权利要求的限制。使用动词“包括”及其变形不排斥除了在权利要求书中记载的元件之外还存在的元件或步骤。元件前面的冠词“一”(a或an)不排斥存在多个该元件。
事实上，在彼此不同的从属权利要求中引用的某些测量值并不意味着这些测量值的组合不能获益。

Claims (93)

1.一种光生物反应器系统(1)，该光生物反应器系统(1)用于在水性液体(6)中使光合培养物生长并收获该光合培养物，该光生物反应器系统(1)包括：
a.容器(3)，布置为包含该水性液体(6)；
b.光照系统(24)，布置为至少部分地淹没在该水性液体(6)中，并布置为在该水性液体(6)的表面之下照射该光合培养物；以及
c.收获器系统(26)，包括具有铲子(10)的铲子结构，该铲子结构布置为从该水性液体(6)中铲出至少部分该光合培养物，以及收集器系统(18)，布置为收集至少部分所铲出的光合培养物。
2.根据权利要求1所述的光生物反应器系统，其中该光生物反应器系统(1)包括受控和/或封闭环境，例如包围该容器(3)的温室(2)。
3.根据权利要求1或2所述的光生物反应器系统，其中该光照系统(24)包括光源(20)，该光源(20)布置为照射在该水性液体(6)的表面之下的该光合培养物。
4.根据权利要求3所述的光生物反应器系统，其中所述光照系统(24)包括反射器(22)，该反射器(22)布置为将该水性液体(6)的表面之下的光源(20)的光反射到该水性液体(6)中。
5.根据权利要求4所述的光生物反应器系统，其中该反射器(22)布置为在该光生物反应器系统(1)的使用过程中旋转。
6.根据前述任意一项权利要求所述的光生物反应器系统，其中该铲子(10)包括筛子(14)，该筛子布置为铲出预定部分的该光合培养物。
7.根据权利要求6所述的光生物反应器系统，其中该铲子(10)包括网格，其中该网格具有约0.5-35μm范围内的网格尺寸。
8.根据前述任意一项权利要求所述的光生物反应器系统，其中该铲子结构包括具有至少一个桨叶的桨轮结构(9)，其中该桨叶包括该铲子(10)，且其中该铲子结构布置为使该铲子(10)在该水性液体(6)的表面之上的位置和该水性液体(6)之下的位置之间运动。
9.根据权利要求8所述的光生物反应器系统，其中该铲子结构布置为使该铲子(10)旋转。
10.根据前述任意一项权利要求所述的光生物反应器系统，其中该收获器系统(26)进一步包括收获器传送器(12)，该收获器传送器(12)布置为允许该铲子结构在该水性液体(6)的不同位置铲出。
11.根据权利要求10所述的光生物反应器系统，其中该收获器传送器包括轨道(13)。
12.根据前述任意一项权利要求所述的光生物反应器系统，其中该收获器系统(26)包括布置为清洁该光照系统(24)的清洁单元。
13.根据前述任意一项权利要求所述的光生物反应器系统，其中该收集器系统(18)进一步包括产品传送器，该产品传送器布置为将所收集的铲出的光合培养物传送到存储单元中。
14.根据前述任意一项权利要求所述的光生物反应器系统，进一步包括干燥器，该干燥器布置为干燥所收集的铲出的光合培养物。
15.根据前述任意一项权利要求所述的光生物反应器系统，其中该铲子结构包括根据权利要求8所述的该桨轮结构，以及其中该收集器系统布置为接收从该铲子(10)落下的所铲出的光合培养物。
16.根据前述任意一项权利要求所述的光生物反应器系统，其中该收获器系统(26)进一步布置为在该水性液体中产生扰动。
17.根据前述任意一项权利要求所述的光生物反应器系统，进一步包括用来将CO2提供给该水性液体的CO2施放器(29)。
18.根据前述任意一项权利要求所述的光生物反应器系统，进一步包括具有流动增强主体的流动增强系统，该流动增强主体具有用于接合该水性液体(6)的侧部来增大该水性液体(6)中的扰动。
19.根据前述任意一项权利要求所述的光生物反应器系统，其中该光照系统(24)包括光照面板，该光照面板包括：a)形成间隔间的透明侧壁，该间隔间包含用于照射该藻类的光源，以及b)用于将该光照面板容纳在包含耦合光面板的壁中的耦合装置。
20.根据前述任意一项权利要求所述的光生物反应器系统，进一步包括具有流动增强主体的流动增强系统(100)，该流动增强主体具有用于接合该水性液体(6)的侧部来增大该水性液体(6)中的扰动。
21.根据权利要求20所述的光生物反应器系统，其中该流动增强系统(100)包括漏斗型系统，该漏洞型系统包括用于液体的入口和用于营养物的入口，以及用于液体和营养物的出口。
22.根权利要求所述20的光生物反应器系统，其中该流动增强系统(100)包括布置在该容器中的障碍物。
23.根据权利要求21至22中任意一项所述的光生物反应器系统，其中该障碍物与该漏斗型系统的出口排列成行。
24.一种用于根据权利要求1至23中任意一项所述的光生物反应器系统的该光照系统(24)的光照面板，包括：a)形成间隔间的透明侧壁，该间隔间包含用于照射该藻类的光源，以及b)用于将该光照面板容纳在包含耦合光面板的壁中的耦合装置。
25.一种受控和/或封闭环境，例如温室(2)，包括根据权利要求1至23中任意一项所述的该光生物反应器系统(1).
26.一种用于在水性液体(6)中使光合培养物生长并收获该光合培养物的方法，该方法包括：
a.提供包含该光合培养物的该水性液体(6)；
b.照射在该水性液体(6)的表面之下的该光合培养物；
c.从该水性液体(6)中铲出至少部分该光合培养物，以及
d.收集至少部分该铲出的光合培养物。
27.根据权利要求26所述的方法，其中应用根据权利要求1至23中任意一项所述的该光生物反应器系统。
28.根据权利要求26或27所述的方法，其中该方法应用在受控和/或封闭环境，例如温室。
29.收获器系统(26)的应用，该收获器系统(26)包括具有铲子(10)的铲子结构，该铲子结构布置为从水性液体(6)中铲出至少部分光合培养物；以及收集器系统(18)，布置为收集至少部分该铲出的光合培养物，该收获器系统(26)应用于用于在该水性液体(6)中使该光合培养物生长的光生物反应器系统(1)中，用于在该水性液体(6)中产生扰动并用于收获至少部分该光合培养物。
30.一种光照系统，用于照射水性液体中的光合培养物，该光照系统包括：
包括多个LED的光源；
用于支撑所述LED的安装结构；
用于容纳该光源和该安装结构的外罩，至少部分该外罩对于由该光源发射的光是透明的；
其中该外罩至少部分地填充有冷却液，从而在使用中，利用该冷却液通过对流将来自所述LED的热量从所述LED传出。
31.根据权利要求30所述的光照系统，其中所述LED布置在该安装结构上的垂直条带上。
32.根据权利要求30或31所述的光照系统，其中在操作中，由LED产生的光被传送通过该冷却液和该外罩的透明部分。
33.根据权利要求32所述的光照系统，其中在操作中，由所述LED产生的光在从该外罩发射出去之前仅通过液体和固体媒介。
34.根据权利要求30至33中任意一项所述的光照系统，其中该光源布置成在操作中，从该光源发射出的80％以上的光的波长在400-450nm和640-680nm范围内。
35.根据权利要求30至34中任意一项所述的光照系统，其中该光源包括用于发射具有400-450nm范围内的波长的光的至少一个LED，和用于发射具有在640-680nm范围内的波长的光的至少一个LED。
36.根据权利要求30至35中任意一项所述的光照系统，其中所述LED的至少一部分是磷化铝铟镓LED。
37.根据权利要求30至36中任意一项所述的光照系统，进一步包括反射器，该反射器用于将从LED发射的光基本上与该外罩的透明部分呈直角地朝向该透明部分的表面反射。
38.根据权利要求37所述的光照系统，其中该反射器包括围绕每个LED的圆形反射表面。
39.根据权利要求37或38所述的光照系统，其中该反射器包括由环氧树脂构成的反射表面。
40.根据权利要求30至39中任意一项所述的光照系统，其中该冷却液与所述LED直接接触。
41.根据权利要求30至40中任意一项所述的光照系统，其中该冷却液是油。
42.根据权利要求41所述的光照系统，其中该油包括溶解在其中的TiO2粒子。
43.根据权利要求30至42中任意一项所述的光照系统，其中该冷却液对于由该光源发射的光基本上是透明的。
44.根据权利要求30至43中任意一项所述的光照系统，其中该冷却液的折射率为1.5或更高。
45.根据权利要求44所述的光照系统，其中该冷却液具有1.5至1.7范围内的折射率。
46.根据权利要求30至45中任意一项所述的光照系统，其中该冷却液具有足够低的粘性从而由于自然对流在所述LED上提供流动。
47.根据权利要求30至46中任意一项所述的光照系统，进一步包括用于该冷却液和该水性液体之间的热量传输的第一热交换器。
48.根据权利要求30至47中任意一项所述的光照系统，其中该外罩是防水的，从而使该光照系统能够淹没于水中。
49.根据权利要求30至48中任意一项所述的光照系统，其中该外罩的透明部分包括具有1.3或更高的折射率的玻璃。
50.根据权利要求49所述的光照系统，其中该玻璃含铅。
51.根据权利要求30至50中任意一项所述的光照系统，其中该外罩的透明部分包括聚碳酸酯。
52.根据权利要求30至51中任意一项所述的光照系统，其中该外罩的透明部分的折射率基本上等于该冷却液的折射率。
53.根据权利要求30至52中任意一项所述的光照系统，进一步包括漫射器，该漫射器布置在该外罩的透明部分用于将来自所述LED的光从该外罩散射出去。
54.根据权利要求53所述的光照系统，其中该漫射器包括位于该外罩的透明部分的至少一部分上的漫射片。
55.根据权利要求53所述的光照系统，其中该漫射器包括位于该外罩的透明部分的外侧的凸壁部分。
56.根据权利要求30至55中任意一项所述的光照系统，其中该外罩包括用于将日光引入该外罩的透明顶部。
57.根据权利要求56所述的光照系统，其中该透明顶部包括用于将日光引导到该外罩中的反射器。
58.根据权利要求56或57所述的光照系统，其中该透明顶部具有过滤器，该过滤器用来避免具有特定波长的光进入该外罩。
59.根据权利要求30至58中任意一项所述的光照系统，进一步包括光照控制装置，用于使所述LED在操作中快速循环开和关。
60.根据权利要求30至59中任意一项所述的光照系统，其中该安装结构包括通道，该通道用于循环将热量从所述LED的安装侧传出的冷却流体。
61.根据权利要求30至60中任意一项所述的光照系统，进一步包括另一热交换器，用于该冷却流体和该水性液体之间的热量传输。
62.根据权利要求30至61中任意一项所述的光照系统，其中该外罩包括管状结构，在操作中，该冷却液流过该管状结构。
63.根据权利要求62所述的光照系统，其中该光源包括LED条带，该条带平行于该管状结构的中心轴放置。
64.根据权利要求63所述的光照系统，其中该光源包括多个LED条带，所述条带平行于该管状结构的中心轴放置，且以相对于彼此基本上相等的角度围绕在该管状结构的周围。
65.一种用于在水性液体中使光合培养物生长的反应器，该反应器包括：
用于容纳包含该光合培养物的该水性液体的蓄水池；以及
根据权利要求30至64中任意一项所述的光照系统，用于照射该光合培养物；
其中该光照系统至少部分地淹没在该水性液体中。
66.根据权利要求65所述的反应器，其中该外罩的该透明部分基本上全部淹没在该水性液体中，从而从该光照系统发出的光基本上全部进入位于该水性液体的上表面之下的该水性液体中。
67.根据权利要求65或66所述的反应器，其中在操作中，由所述LED产生的光传输通过该冷却液和该外罩的该透明部分进入该水性液体。
68.根据权利要求65至67中任意一项所述的反应器，其中在操作中，由所述LED产生的光在从所述外罩发射出来并进入该水性液体之前仅通过液体和固体媒介。
69.根据权利要求65至68中任意一项所述的反应器，其中在操作中，传输通过该外罩的透明部分的光具有足够的强度，从而基本上避免光合培养物在该外罩的该透明部分的表面上生长。
70.根据权利要求65至69中任意一项所述的反应器，进一步包括用于藻类在该蓄水池中的循环的循环系统。
71.根据权利要求70所述的反应器，其中该循环系统包括无刃泵。
72.根据权利要求71所述的反应器，其中该无刃泵包括盘泵。
73.根据权利要求65至72中任意一项所述的反应器，进一步包括二氧化碳源，和用于通过该无刃泵将二氧化碳馈送到该蓄水池的入口。
74.根据权利要求65至73中任意一项所述的反应器，其中该蓄水池包括对日光不透明的侧壁。
75.根据权利要求65至74中任意一项所述的反应器，其中该蓄水池具有对日光透明的顶部。
76.一种用于在水性液体中使光合培养物生长的反应器，该反应器包括：
用于容纳包含该光合培养物的该水性液体的蓄水池；以及
包括光源的光照系统，该光源包括多个LED；
用于支撑所述LED的安装结构，以及
用于容纳该光源和该安装结构的外罩，该外罩的至少一部分对由该光源发射的光透明；
其中该外罩的透明部分基本上全部淹没在该水性液体中，从而光照系统发射的光基本上全部进入位于该水性液体的上表面之下的该水性液体中。
77.根据权利要求76所述的反应器，其中该外罩至少部分地填充有冷却液，从而通过该冷却液将来自所述LED的热量从所述LED传出。
78.根据权利要求77所述的反应器，其中在操作中，由所述LED产生的光传输通过该冷却液和该外罩的该透明部分进入该水性液体。
79.根据权利要求76至78中任意一项所述的反应器，其中在操作中，由所述LED产生的光在从该外罩发射出来并传入该水性液体之前仅通过液体和固体媒介。
80.根据权利要求79所述的反应器，其中在操作中，由所述LED产生的光通过多个媒介，从LED到包含该光合培养物的该水性液体，该光所通过的每个媒介的折射率等于或小于该光所通过的前一个媒介。
81.根据权利要求76至80中任意一项所述的反应器，其中在操作中，传输通过该外罩的该透明部分的该光具有足够的强度，从而基本上避免该光合培养物在该外罩的该透明部分的表面上生长。
82.一种用于在水性液体中使光合培养物生长的方法，该方法包括：
提供包含光合培养物的水性液体；
提供至少部分淹没在该水性液体中的光照系统，该光照系统包括多个LED；
提供用于冷却该光照系统的所述LED的第一冷却液；以及
用所述LED产生的光照射该光合培养物，该光传输通过该冷却液并在该水性液体的上表面之下的一点处进入该水性液体。
83.根据权利要求82所述的方法，进一步包括使该水性液体循环。
84.根据权利要求82或83所述的方法，其中通过依据开/关周期切换LED的开和关来实现对该光合培养物的照射。
85.根据权利要求82至84中任意一项所述的方法，其中该方法进一步包括在该水性液体上表面之下的区域中漫射由所述LED产生的光。
86.根据权利要求82至85中任意一项所述的方法，其中该方法进一步包括向该水性液体提供二氧化碳气体。
87.根据权利要求82至86中任意一项所述的方法，其中该方法进一步包括提供具有旁路通道的无刃泵，该旁路通道具有入口，以及通过该泵的该旁路通道中的该入口实现所述二氧化碳的提供。
88.根据权利要求82至87中任意一项所述的方法，其中该方法进一步包括提供用于将热量从所述LED传出的冷却流体，该冷却流体与用于冷却LED的冷却液分开。
89.根据权利要求88所述的方法，其中该方法进一步包括利用由该冷却流体从所述LED传出的热量加热该水性液体。
90.一种用于将由发光二极管产生的光向包含光合培养物的水性液体传输的方法，该方法包括：
通过该发光二极管发射光，该发光二极管具有第一折射率；
通过具有第二折射率的液体媒介传输该光；
进一步通过具有第三折射率的固体媒介传输该光；以及
将光送入该水性液体中，该水性液体具有第四折射率；
其中该第一、第二、第三和第四折射率的值成递减顺序排列。
91.根据权利要求90所述的方法，其中该第一折射率的值在2.2至3.3之间。
92.根据权利要求90或91所述的方法，其中该液体媒介是冷却流体，且该第二折射率的值在1.5至1.7之间。
93.根据权利要求90至92中任意一项所述的方法，其中该固体媒介包括具有1.3或更高的折射率的玻璃。
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