CN102482629A - 光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

一种光生物反应器(1)，包括具有第一和第二外侧表面(20，20’)的容器，其中所述容器(2)由柔韧的、液体密封并且透明的材料制成，其中所述容器(2)设置在支架(3)中，所述支架(3)在至少一个水平行上设有细长的、大体垂直的支撑件(32)，从而所述支撑件(32)以交错和支撑的方式紧靠着所述容器(2)的所述第一和第二外侧表面(20，20’)。

Description

光生物反应器
技术领域
本发明涉及用于培养光合作用微生物的光生物反应器。具体而言，本发明涉及用于光合作用生物体的光生物反应器，其中所述光生物反应器结合了大反应器容积(reactor volume)和短光路(lightpath)，能在培养光合作用微生物时提供较大产出。
背景技术
若干种光合作用或光养微生物(特别是藻类)都可以进行商业培养。光合作用微生物包括许多种类，例如但不局限于螺旋藻、小球藻、节旋藻、盐藻和蓝细菌。
考虑到微藻类包含长链多不饱和脂肪酸、维生素和抗氧化剂，因此可以将其用作食物增补剂。微藻类还可以用在医药工业中，因为某些种类含有药物活性物质(例如甾醇类)、抗微生物物质、抗病毒物质和治疗癌症的物质。
光合作用微生物还能用于发电。通过太阳能，绿藻和蓝细菌能够将水分解为氢和氧。藻类可以用作生物柴油的来源，并且在此方面比传统油料植物(例如油椰子)的效率高很多。
光合作用微生物依靠光作为其能源，依靠溶解在水中的CO2作为其碳源，依靠水中的营养盐作为氮、钾、磷和硫以及微量无机物(例如铁、钙和镁)的主要来源。
可以在室内通过人造光培养光和作用微生物，但是最常见的方式是在室外太阳光条件下培养藻类。生产率(测量为单位容积的生物量)取决于光照状况(light availability)和光照制(light regime)以及其他因素。所述光照制指光照与黑暗之间的时间比。
有多种系统用于培养微藻类。一种投入成本低的简单培养方法包括使用浅水池。这些水池的缺点在于水面上的微生物受到太多光照，而位于水面下几个厘米的水中的细胞就只能受到较少光照。当培养密度比较大时，水中再下面的细胞将几乎受不到光照。因此这些细胞将无法成长。可以通过对水进行搅动从而湍流使更多的细胞暴露于太阳光线下，从而在一定程度上缓解此缺点。
在专利文件ITF950093、WO2008010737、GB2118572和US3,955,317以及Carlozzi和Torzillo在1996年的文章“Productivityof Spirulina in a strongly curved outdoor tubular photobioreactor.Appl.Microbiol.Biotechnol.，45：18-23”中介绍的其他用于培养微藻类的系统包括由直管或弯管制成的管路系统。管路系统的一个缺点是光生物反应器内的容量相对于安装系统所需地板面积或区域(即所谓的覆盖区)而言比较小。为了使阳光能够到达距离光源最远的管路的部分中的微生物，必须保持管径较小。另外一个缺点是管路系统中的水流是层流的。通过弯管可以弥补此缺点，这种情况下水流将更湍急。
专利文件US2008274494公开了一种由透明、柔韧高分子材料(例如聚乙烯)制成的光生物反应器。该光生物反应器以一种长并相对较宽较薄的袋状物的形式向下悬挂在一支架上。另外，所述袋状物设有内部导流片，以当藻类培养基质向下流过所述袋状物时产生湍流。所述内部导流片还能将所述袋状物的壁保持在一起，从而当所述袋状物充满液体时不会膨胀。本申请人拥有的专利文件WO2005121309公开了一种扁平悬挂袋式的光生物反应器，其袋状物中形成有通道。专利文件US5,534,417公开了一种由一系列向下悬挂在一支架上的管子构成的光生物反应器。
专利文件US5,981,271公开了一种用于室外培养藻类的装置，其中藻类反应器是一个平伏腔(flat-lying chamber)，具有大约3％的下降(drop)。所述腔的深度大约为5cm。
下文中，培养液指有从下面的组中选出的成分构成的液体：淡水、淡盐水、海水、盐水、培养菌(bacteria)、光养菌、蓝细菌、单细胞真核藻类、多细胞真核藻类、甲藻(dinoflagellates)、裸藻(euglena)、营养盐、溶解形式的气体、非溶解形式的气体、矿物质、微量元素、维生素、酸度调节剂、螯合剂、表面活性剂、抗生素和增稠剂。
发明内容
本发明的目的是克服或减轻现有技术的至少一个缺点。
所述目的可以通过下面的说明和所附权利要求中描述的特征来实现。
根据第一个方面，本发明涉及一种光生物反应器，包括具有第一和第二外侧表面的容器，其中所述容器由柔韧的、液体密封并且透明的材料制成，并且其中所述容器设置在支架中，所述支架在至少一个水平行上设有细长的、大体垂直的支撑件，从而所述支撑件以交错和支撑的方式紧靠着所述容器的所述第一和第二外侧表面。这样的优点是，当所述容器充满培养液时，容器将由于培养液的压力而膨胀并由所述支撑件压紧。所述支撑件将使所述容器处于使用位置时在垂直方向上具有相对平坦的形状，在水平方向上具有细长的形状。通过此结构，在所述容器的第一和第二侧表面之间形成相对较短的光路同时又使得所述容器保持相对较大的营养液容积，从而能够实现本发明的目的。
所述光生物反应器可以设有框架，所述框架包括从下面的组中选出的至少一个元件：下框架元件、上框架元件、侧框架元件和张力调整元件(tensioning element)。
两个连续支撑件之间的距离可以大体上小于处于使用位置的容器的宽度(extent)。例如，所述距离可以是5cm，或者10cm，或者15cm，再或者20cm。支撑件可以设置为两行。在一个实施方式中，第一行的所述支撑件可以相对于第二行的所述支撑件水平偏移。
在一个实施方式中，至少每隔一个支撑件可以相关于所述框架沿垂直于中线的方向移动。在另外一个实施方式中，至少每隔一个支撑件可以围绕所述支撑件的垂直纵轴偏心旋转。上述两个实施方式可以调节所述容器的第一和第二侧表面之间的距离。
所述支撑件的下端部分可以固定至下框架元件。另外，所述支撑件的上端部分可以固定至上框架元件。
所述容器的第一端部和第二端部可以分别设有固定至所述支架的至少下框架元件的第一和第二张力调整元件。
所述上框架元件可以设有用于沿所述垂直方向定位所述容器的装置。所述上框架元件可以设有至少两个悬架机构(suspensionmechanism)，每个悬架机构可以包括具有滚珠的万向滚珠(balltransfer unit)，所述滚珠的自由部(free portion)形成大体上的垂直间隙。所述容器沿处于使用位置时的上缘(upper edge)可以设有用于沿所述垂直方向定位所述容器的装置。所述容器可以沿处于使用位置时的上缘设有纵向变厚部。所述纵向变厚部可以由线组成。这一方面的优点在于，在将培养液充满所述容器之前，可以将空容器沿着所述容器的整个长度方向迅速定位在支架的所需垂直位置上。
附图说明
下面将结合附图对本发明的优选实施方式进行说明，其中：
图1示出光生物反应器的侧视图；
图2a-d是图1的光生物反应器从上部沿II-II截面的示意图，其中支撑件定位在不同位置并具有不同横截面设计；
图3a-b是以较大比例示出偏心安装至光生物反应器的框架的支撑件的另一个实施方式；
图4是以另外的比例示出具有用于容器的悬架装置的光生物反应器的简化纵视图；和
图5是图4所示具有用于容器的悬架装置的光生物反应器沿截面V-V的截面图。
具体实施方式
在附图中，附图标记1表示光生物反应器。光生物反应器1包括具有第一外侧表面20和第二外侧表面20’的容器2。容器2由柔韧的、液体密封并且透明的材料(例如塑料材料)制成。容器2可以形成为像香肠的样子，或者可以通过将第一塑料薄片放置在第二塑料薄片上并随后将两个塑料薄片的侧边(例如通过焊接)连接在一起而形成。可以根据用途调整容器2的宽度，所述宽度例如可以是0.75m、1m、1.5m、2m或者大于2m。根据容器2的所需容量选择容器2的长度，除了实际特性的限制之外，在此方面没有其他限制。例如，所述长度可以是5m、10m、25m、50m、75m、100m或者大于100m。
容器2设置在支架3中。支架3设有细长的、大体垂直的支撑件32，除了图2d之外，图中示出支撑件32设为两行。在另一个实施方式中，支撑件32可以设置为一行，如图2d所示。支撑件32的下部320固定至下框架元件34，支撑件32的上部322固定至上框架元件36。所述下框架元件34和上框架元件36设有用于横向支撑(sideways support)的装置(未示出)和用于将上框架元件36固定至支撑件的上部322的装置(未示出)。下框架元件34可以放置在地面上，例如地板或场地上。在另一个实施方式中，下框架元件34可以包括地板中的孔或地面中的孔。
容器2的第一端部22设有张力调整元件38，其第二端部24设有对应的张力调整元件38。容器2的端部22、24可以通过将所述容器围绕张力调整元件38设置(如图2a-d所示)并通过将容器2以相互重叠的方式通过焊缝26连接至自身而固定至张力调整元件38。
容器2外侧表面20、20’之间的水平距离取决于两个因素：两个连续支撑件32之间的水平距离；和支撑件32的以支撑方式紧靠所述容器2的侧面与光生物反应器1的中线4之间的距离，如图2a-d所示。有益的是，实际测试显示，两个连续支撑件32之间的水平距离可以在5至20cm之间，但是并不局限于此。
支撑件32可以具有椭圆形横截面(如图2a-c所示)或者圆形横截面(如图2d和3a-b所示)。有益的是，支撑件32的以支撑方式紧靠容器2的侧面可以是圆形的。具有椭圆形横截面并且横截面的长轴垂直于光生物反应器1的支撑件32(如图2a-c所示)在容器2充满培养液5时将展现出相当大的抗挠刚度。
支撑件32可以设为一行或两行，如图2a-d和3a-b所示。在两行的情况下其可以是大体上平行的。当支撑件32设置为两行时，支撑件32以支撑方式紧靠容器2的侧面可以大体上位于中线4上，如图2b所示。在如图2a所示的另一个实施方式中，支撑件32以支撑方式紧靠容器2的侧面可以被移至中线4以外。在如图2c所示的另一个实施方式中，支撑件32以支撑方式紧靠容器2的侧面可以被移至中线4以内。
在另外一个实施方式中，支撑件32在垂直于中线4的方向上可移动地设置。在第一位置，支撑件32可以已被移动至如图2a所示的位置。在第二位置，支撑件32可以已被移动至如图2b所示的位置。在第三位置，支撑件32可以已被移动至如图2c所示的位置。在第四位置，支撑件32可以已被移动至对应于图2d所示位置的位置。支撑件32还可以被移动至所示这些标注位置之间的位置。显而易见，支撑件32的这种设置可以通过每隔一个支撑件32将一个支撑件32固定地设置在支架3中并且通过使互补的另一个支撑件32垂直于中线4能够移动而实现。在这种设置的情况下，中线4可以与所述互补的另一个支撑件32一起移动。
在如图3a和3b所示的另一个实施方式中，支撑件32在下框架元件34中围绕轴线39并偏心支撑在固定至上框架元件36的安装架70上。可利用已知装置将支撑件32旋转至所需位置，所述已知装置可以包括安装架70、设有啮合齿74的调整杆72和齿轮76。齿轮76可以通过轴(未示出)连接至支撑件32，所述轴从支撑件32的端部322(参见图1)沿着支撑件的偏心纵轴39的延伸通过安装架70中的切口(未示出)延伸至齿轮76的中心。图3a示出了通过调整杆72将支撑件32旋转至一位置，在该位置上支撑件32的一部分位于中线4以内。图3b示出了将支撑件32旋转至一位置，在该位置上支撑件32的一部分背离(face away)中线4。如图3a所示设置在光生物反应器1中的容器2将呈现与图2c所示形状类似的形状，而如图3b所示设置在光生物反应器1中的容器2将呈现与图2a所示形状类似的形状。本领域普通技术人员可以理解，支撑件32的横截面也可以不是圆形横截面。例如，所述横截面可以是凸轮形。另外，显而易见的是，每隔一个支撑件32其中一个支撑件32可以围绕轴线39旋转，从而互补的支撑件32是固定的。也是显而易见的，可旋转支撑件32可以与沿垂直于中线4的方向可移动的互补支撑件32结合。可旋转支撑件32还可以设置为垂直于中线4移动。
在另一个实施方式中，支撑件32可拆卸地(releasably)连接至下框架元件34和上框架元件36。这一点在将容器放置在支架3的时候有益处。在放置容器2之前，将所有支撑件32通过延伸穿过上框架元件36的切口(未示出)提升到下框架元件34和上框架元件36之外。容器2的第一端部22的张力调整元件38固定至支架3。容器2设置在下框架元件34与上框架元件36之间。通过将支撑件32穿过上框架元件36中的切口并向下穿过下框架元件中的互补切口(未示出)而将它们连续地放置到位，并且支撑件32以交替和支撑的方式紧靠容器2的第一侧表面20和第二侧表面20’。最后，通过张力调整元件38将容器2的第二端部24固定至支架3。
在另外一个实施方式中，支撑件32以中心旋转的方式(未示出)支撑在下框架元件34和上框架元件36上。容器2的第一端部22在支撑件32之间穿过以使得支撑件32以交替和支撑的方式紧靠容器2的第一侧表面20和第二侧表面20’。这一方面提供的优势是，容器2能够穿过支架3，不会经受当支撑件形成为一行或者具有一部分位于中线4以内时来自支撑件的较大摩擦力。
在另外一个实施方式中，支撑件32与下框架元件34的连接足够强，从而可以不需要上框架元件36。容器2在支撑件32之间被推动并由连接至下框架元件34的张力调整元件38紧密地保持，并例如可以利用绳子(未示出)固定至张力调整元件38的上部。
当容器2充满营养液5时，营养液5将对容器2的侧表面20、20’施加压力。此压力将产生从支撑件32指向容器的外侧表面20、20’的对应的反压力。支撑件32与容器2的侧表面20、20’之间的摩擦力使容器2能保持垂直位置并不沿着支撑件32下垂。也可以通过将容器先充以气体(例如空气)、然后将容器充满营养液5而保持所述垂直位置。在将容器2用气体或营养液5充满之前，必须将其放置在支撑件32之间的需要的垂直位置上并将其保持在此位置。在一个实施方式中，也可以如图4和5所示来实现此方面。容器2设有线25或者在容器2的纵边上的其他变厚部，所述纵边是当容器2设置在使用位置时的最高边。支架3以适当的间隔设有悬架机构6。悬架机构6包括以已知方式并沿着中线4固定至上框架元件36的外壳62。外壳62设有至少两个已知类型的所谓的具有滚珠66的万向滚珠(ball transfer unit)，滚球66的自由部相互面对并形成大体上沿着中线4延伸的垂直间隙68。垂直间隙68的宽度足以让容器2通过外壳62和滚球66的自由端部之间，但是也要足够窄以使得线25能放置在滚球66上而不会通过间隙68垂直下滑。这样做的结果是容器2可以很容易地沿着光生物反应器1的中线4移动并保持在垂直使用位置直至容器2充满营养液。在另一个实施方式中，上框架元件36的底侧设有导轨(未示出)。这种导轨的实例可以是窗帘导轨或帆船领域已知的轨道，该轨道连接至船桅以便于挂帆和降帆。在本实施方式中，容器2的上缘设有适当间隙，具有互补地配合所述轨道(未示出)的剖面的滑块。
从上面看，光生物反应器1可以具有不同形状。其可以形成大体的直线，也可以是曲线，或者光生物反应器1可以形成为大体的U形(未示出)，这样的话会使光生物反应器1的第一端部22和第二端部24彼此靠近。这样的机构在光生物反应器1的运转过程中具有优点，这是由于所需连接(例如用于填充液体和排出液体的管线、用于供应空气和/或CO2气体的管线、用于排出气体的管线、用于从光生物反应器1收获产出的管线)最好连接至光生物反应器1的端部22和24。光生物反应器1的这些用于运转的管线以及它们连接至光生物反应器1的方式对于本领域普通技术人员是公知的，此处不再详细说明。并且，在附图中也未示出上述内容。使光生物反应器1的端部22和24彼此接近使得光生物反应器1运转所需设备集中在操作中心(未示出)。多个光生物反应器1可以连接至相同的操作中心。
在此种类型的光生物反应器1中，很重要的是沿着光生物反应器1的整个长度供应包含CO2的气体。因此，容器2在其下部设有多孔软管(perforated hose)。所述软管可以是已知类型的，例如扩散器软管(未示出)。扩散器软管可以在塑料薄片的两层如上所述沿其纵边被焊接至容器2之前放置在塑料薄片的两层之间。在容器2形成为管子的情况下，所述扩散器软管可以按照几种方式在容器中移动。例如，由铁制成的金属件可拆卸地连接至扩散器软管的端部。通过在容器2的外侧移动强力磁铁，可以使扩散器软管在容器2中移动。相应地，将强力磁铁可拆卸地连接至扩散器软管，并在容器2的外侧移动由铁制成的金属件。在使用特别长的容器2时，扩散器软管将会变得太沉重，从而无法使用上述方法。一种替代方法是将金属件或磁铁连接至细线的端部并在所述容器2中移动该细线，然后将所述细线可拆卸地连接至扩散器软管，并通过该细线在容器2中拉动所述扩散器软管。
所述扩散器软管可以由较重的材料制成，以防止扩散器软管漂浮在营养液5中。在另一个实施方式中，扩散器软管可以设有配重以对抗浮力。在另一个实施方式中，扩散器软管可以固定至容器2。

Claims (15)

1.一种光生物反应器(1)，包括具有第一和第二外侧表面(20，20’)的容器，其中所述容器(2)由柔韧的、液体密封并且透明的材料制成，其特征在于，所述容器(2)设置在支架(3)中，所述支架(3)在至少一个水平行上设有细长的、大体垂直的支撑件(32)，从而所述支撑件(32)以交错和支撑的方式紧靠着所述容器(2)的所述第一和第二外侧表面(20，20’)。
2.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器(1)设有框架(3)，所述框架(3)包括从下面的组中选出的至少一个元件：下框架元件(34)、上框架元件(36)、侧框架元件和张力调整元件(38)。
3.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，两个连续支撑件(32)之间的距离大体上小于处于使用位置的容器(2)的宽度。
4.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述支撑件(32)设置为两行。
5.根据权利要求4所述的光生物反应器，其特征在于，第一行的所述支撑件(32)相对于第二行的所述支撑件(32)水平偏移。
6.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，至少每隔一个支撑件(32)相关于所述框架(3)沿垂直于中线(4)的方向移动。
7.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，至少每隔一个支撑件(32)围绕所述支撑件(32)的垂直纵轴(39)偏心旋转。
8.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述支撑件(32)的下端部分(320)固定至下框架元件(34)。
9.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述支撑件(32)的上端部分(322)固定至上框架元件(36)。
10.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述容器(2)的第一端部(22)和第二端部(24)分别设有至少固定至所述支架(3)的下框架元件(34)的第一和第二张力调整元件(38)。
11.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述上框架元件(36)设有用于沿所述垂直方向定位所述容器(2)的装置。
12.根据权利要求11所述的光生物反应器，其特征在于，所述上框架元件(36)设有至少两个悬架机构(6)，每个悬架机构(6)包括至少两个具有滚珠(66)的万向滚珠(64)，所述滚珠(66)的自由部形成大体上的垂直间隙(68)。
13.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述容器(2)沿处于使用位置时的上缘设有用于沿所述垂直方向定位所述容器(2)的装置。
14.根据权利要求13所述的光生物反应器，其特征在于，所述容器(2)沿处于使用位置时的上缘设有纵向变厚部。
15.根据权利要求14所述的光生物反应器，其特征在于，所述纵向变厚部由线(25)组成。
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