CN102482634A - 用于藻类生长的光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种流通式光生物反应器，其包括至少一个热塑性多壁片材，其具有上层和下层，其间设置有至少两个侧壁、至少一个内壁和两个或更多个端盖。本发明还提供一种使用本发明的光生物反应器生产生物燃料的方法。本发明的光生物反应器和方法具有以下优点：能获得较高产量的遗传工程改造的微生物无法逃出至环境中，系统中水不会蒸发，无杂草(存在不良藻类)，来自太阳的UV光被反应器壁过滤掉，可以控制温度，可以人工供给来自发电厂、酿酒厂等的CO2以增加产量。本发明的光生物反应器也比建造管式反应器的成本低，并且具有低操作能耗，这是因为在优选的重力辅助实施方式中搅拌和泵送需要极少的能量或不需要能量。

Description

用于藻类生长的光生物反应器
技术领域
本发明总体上涉及微生物生长，更具体地涉及用于培养产生生物燃料的藻类的多壁热塑性流通式(flow-through)光生物反应器。
发明背景
由于石油价格日益增长以及食物与其它生物燃料源之间的竞争愈加激烈，人们更加关注用于制造生物燃料如生物柴油、生物乙醇、生物汽油、生物甲醇和生物丁醇的藻类培养(种植藻类)。从藻类生产生物燃料的一个优点是帮助将大气中的二氧化碳浓度稳定在现有水平，这是由于藻类和其它光合生物在光合作用过程中俘获二氧化碳和日光并将它们转化为氧气和生物物质。
如本领域技术人员所知，有两种基本方法用来使微生物如藻类和/或细菌大量生长，例如用于生物柴油生产。一种方法是使用开放池，另一种是使用封闭反应器。
开放池法的优点是容易建造和操作；操作能量损耗低；容易清洁反应器；以及微生物利用环境中的CO2。但是，开放池法具有某些缺点，包括由于政府规定经遗传工程改造的微生物可能无法使用；水蒸发，因此必须进行补充；微生物培养易受其它较低产量的微生物污染的影响；太阳产生的UV光杀死微生物；难以控制温度；很难人工供应CO2至微生物来得到较高的产量。
封闭的生物反应器具有以下优点：能得到较高产量的经遗传工程改造的微生物无法逃出至环境中，系统中水不会蒸发，无其它微生物污染，来自太阳的能杀死微生物的UV光可以被反应器壁过滤掉，虽然温度控制仍然困难，但可以操作；可以人工供给来自发电站、酿酒厂等的CO2以增加产量。
封闭的生物反应器也有缺点，例如建造成本很高；操作能量损耗较高；袋式反应器与需要经管道泵送微生物溶液的管式反应器相比需要的能量较少；大直径管式反应器需要高湍流以使所有藻类与日光接触，这导致需要高能量；大直径管式反应器需要高壁厚降低光透过率；以及需要人工供给CO2。
多个技术人员尝试解决生物反应器的缺陷，获得不同程度的成功。
美国专利申请公开第2007/0048859号(Sears)描述了用于水产养殖和收获的封闭式生物反应器制成的设备和系统。在一些实施方式中，Sears系统据称包括具有多个层的袋，这些层包括热阻隔层，可以用来容纳水产养殖物和/或热调节水产养殖的温度。该系统可以包括在系统中移动流体的多种机构如辊型机构，并且可以通过分隔流体来调节对太阳辐射的吸收和/或传导热或放热(emissiveheat)的损失和获得，从而提供温度调节。Sears声称多种机构可以用来收获该设备中生长的水生生物，并将其加工成市售商品，如生物柴油、甲烷、动物或人类食品、合成聚合物或其它化学产品的基质。
美国专利申请公开第2007/0092962号(Sheppard)描述了一种螯合二氧化碳的装置和方法，其涉及使用具有发光二极管(LED)的光生物反应器，以低成本光合固定二氧化碳(CO2)。Sheppard的该装置和方法据称可以用来从废料流中去除不需要的二氧化碳。
美国专利申请公开第2007/0289206号(Kertz)描述了使用藻类螯合CO2的方法和设备。该装置由多个垂直悬挂的生物反应器制成，各生物反应器是半透明的并且包括由多个档板形成的流动通道。培养罐包含水和至少一种藻类的悬浮液并包括多种气体喷射流，将含CO2的气体导入悬浮液中。培养罐与各通道的进口流体连通，以使悬浮液在光照下流动通过所述通道。泵将悬浮液泵入通道进口。
美国专利申请公开第2008/0153080号(Woods等)详细描述了一种用于在稳定的培养基中培养经遗传工程改进的水生光合自养生物的装置，使得该生物生产乙醇，然后原位分离、收集和取出乙醇。
美国专利申请公开第2008/0160591号(Willson等)描述了用于生产光合作用微生物如微藻和蓝细菌的规模化光生物反应器系统。在多个实施方式中，该系统可以包括使用增大的表面积来降低光强度并增加光合作用效率，使用外部水池以低成本提供结构和热调节，连接在一起的挠性塑料板或复合板部分浸没在水中时截面呈三角形或其它形状，使用正气体浮力和压力来维持光生物反应器室的结构完整性和利用结构优化漫射光的分布。Willson等的其它实施方式关注由塑料膜制成的空气管，其位于光生物反应器室底部向所述室提供喷射空气泡。光生物反应器系统设计还包括气体交换、温度控制、空气泵送、液体泵送、过滤、介质循环和收获方法。对于生物燃料生产，据称光生物反应器系统包括独立的生长光生物反应器和次级应力反应器。
美国专利申请公开第2009/0081743(Hazelbeck等)提供从藻类生产生物燃料的便携式系统和方法。在所述便携式系统中，恒化器和由塑料囊(bladder)形成的活塞流反应器互相连接。此外，藻类分离器与活塞流反应器流体连通以去除藻类细胞。同时，Hazelbeck等的系统包括从藻类细胞加工生物燃料的装置。所述系统包括在恒化器中维持所需温度的温度控制器和用于藻类生长和细胞内藻类生产的活塞流反应器。为了更有利于藻类细胞生长，所述系统包括用于捕获二氧化碳和向恒化器递送二氧化碳的装置。
WO2007/098150(Hu等)提供了用于培养和收获藻类和蓝细菌的光生物反应器、其模块和方法。Hu等的光生物反应器由以下组件构成：适于保持流体的容器，其由相对的第一和第二侧壁构成，其中第一和第二侧壁中的至少一个是透明的；相对的第一和第二端壁；容器底；和容器盖，其中所述第一和第二侧壁具有多个分隔部分，所述分隔部分流体连通；连接第一和第二侧壁的多个分隔部分的支撑杆；与所述容器流体连通的至少一个入口；与所述容器流体连通的至少一个出口；与所述容器流体连通的通气系统；与所述容器连接的温度控制系统，以控制容器中的流体温度。
WO2008/051865(Vermaas等)公开了在管道中培养光合作用细胞的系统和方法。该系统和方法向细胞供应光、CO2和养分。该系统和方法还降低管道中的热变化。Vermaas等的系统包括：至少一个管道，其具有外表面、内表面、内容积、长度和使用中允许阳光进入所述内容积的至少一个部分，其中所述至少一个管道的至少一个部分在白天暴露于日光；与所述至少一个管道呈可操作关系的消热系统；CO2供应系统，其设置为在使用中向所述内容积供应CO2；养分供应系统，其设置为在使用中向所述内容积供应养分；和分离系统，其设置为在使用中从所述至少一个管道中去除光合作用细胞。
WO2009/051478(Van De Ven等)描述了用于生产趋光生物，特别是(微)藻类的光生物反应器。所述反应器由至少一个反应器组件制成，所述反应器组件中已引入或将要引入液体和一些趋光生物的混合物，所述反应器组件具有一个或多个管，管壁至少部分透明以使日光进入反应器组件，从而使其中的生物进行光合作用，所述反应器还具有连接至所述反应器组件的进口，用于导入液体和/或趋光生物，和连接至所述反应器组件的出口，用于取出液体和所得趋光生物的混合物，以及连接至所述反应器组件的清洁系统，用于机械清洁所述管的内表面，以使其可以继续允许足够日光进入进行光合作用。Van De Ven等的清洁系统具有第一清洁工段，其安装在所述进口和所述反应器组件之间，第二清洁工段，其安装在所述反应器组件和所述出口之间，可以在所述清洁工段之间沿所述反应器组件移进移出的清洁工具，所述清洁工具的形状和尺寸根据所述反应器组件的管壁内表面进行调整，从而通过移动所述清洁工具清洁所述壁。
WO2009/051479(Van De Ven等)详细描述了用于生产趋光生物，特别是(微)藻类的光生物反应器，所述反应器由至少一种反应器组件构成，所述反应器组件中已引入或将要引入液体和趋光生物的混合物，所述反应器组件具有反应器容器和一个或多个连接至所述反应器容器的管。所述反应器容器基本上不接受日光，所述管至少部分透明，这样日光能穿透所述反应器组件，以使所述生物进行光合作用。当所述生物反应器放入开阔的水域，特别是湖或海中，使用一个或多个浮块至少确保所述反应器组件的管的浮力。Van De Ven等还提供了一种用于生产趋光生物，特别是(微)藻类的方法，其包括提供光生物反应器；向所述光生物反应器中引入液体和趋光生物的混合物；至少将所述生物反应器的透明管放置并漂浮在开阔的水域，特别是湖或海中；在进入所述透明管的日光影响下培养所述微生物。
因此，本领域一直需要用于藻类(例如用于生产生物燃料的藻类)生长的光生物反应器，其与常规的管式反应器相比，建造和操作成本较低并且能得到高藻类产量。
发明概述
因此，本发明提供了这样的光生物反应器。本发明的流通式光生物反应器包括至少一个热塑性多壁片材，其具有上层和下层，其间设置有至少两个侧壁、至少一个内壁和两个或多个端盖。本发明还提供了一种用本发明的流通式光生物反应器生产生物燃料的方法，包括向光生物反应器内注入藻类溶液，所述光生物反应器包括至少一个热塑性多壁片材，所述片材具有上层和下层，其间设置有至少两个侧壁、至少一个内壁和两个或多个端盖；使所述藻类溶液暴露于日光，从所述藻类中收获油，并将油转化成生物燃料。
本发明的流通式光生物反应器和方法具有以下优点：能获得较高产量的遗传工程改造的微生物无法逃出至环境中，系统中水不会蒸发，无杂草(存在不良藻类)，来自太阳的UV光被反应器壁过滤掉，可以控制温度，可以人工供给来自发电厂、酿酒厂等的CO2以增加产量。本发明的光生物反应器也比建造管式反应器的成本低，并且具有低操作能耗，这是因为在重力辅助的实施方式中搅拌和泵送需要极少的能量或不需要能量。
通过以下本发明详述可以清楚地了解本发明的上述及其它优点和益处。
附图简要说明
出于说明而非限制性的目的，现在将结合附图描述本发明，其中：
图1示出本发明的流通式热塑性多壁片材式光生物反应器的一个实施方式；
图2示出本发明的流通式光生物反应器的热塑性多壁片材的几种构造的截面图；
图3示出本发明的流通式光生物反应器的热塑性多壁片材的另外几种构造的截面图；
图4示出本发明的流通式光生物反应器中使用的波纹型热塑性多壁片材；
图5示出用于加热或冷却本发明流通式光生物反应器的热塑性多壁片材的3一壁和4一壁构造的截面图；
图6示出本发明的流通式光生物反应器的双壁片材构造的截面图，所述双壁片材中内壁相对于所述热塑性多壁片材的上层和下层对角线设置。
图7示出用于加热或冷却本发明流通式光生物反应器的热塑性多壁片材的另一构造的截面图。
发明详述
现在出于说明而非限制的目的描述本发明。除非在操作实施例中或者另有说明，否则，说明书中使用的所有表示数量、百分量等的数字应理解为在所有情况中均受“约”字修饰。
本发明提供一种流通式光生物反应器，其包括至少一个热塑性多壁片材，其具有上层和下层，其间设置有至少两个侧壁、至少一个内壁和两个端盖。
本发明还提供一种生产生物燃料的方法，包括向流通式光生物反应器中注入藻类溶液，所述光生物反应器包括至少一个热塑性多壁片材，所述片材具有上层和下层，其间设置有至少两个侧壁、至少一个内壁和两个端盖；使所述藻类溶液暴露于日光，收获所述藻类，干燥所述藻类，从干燥的藻类中提取油并将油转化成生物燃料。
参照图1应理解，可优选从升高的储库中将微生物溶液给料至本发明的流通式光生物反应器。在本发明的该实施方式中，微生物溶液的重量推动所述溶液通过具有一个、二个、三个或更多个内壁的热塑性多壁片材(“MWS”)。如图2和3所示，所述内壁可以相对于所述热塑性多壁片材的上层和下层平行取向、垂直取向或对角线取向。由于该实施方式是重力辅助的，不需要像常规管式反应器那样用能量泵送所述溶液。为了进一步利用流动辅助，所述光生物反应器可以放置在向下的斜坡上。但本领域技术人员应理解，若所述藻类溶液太稠或者所述反应器太长，仍需要泵送藻类溶液。
本发明中可以使用的热塑性多壁片材优选由透明或半透明的塑料，例如聚碳酸酯(“PC”)，共聚碳酸酯(“co-PC”)，聚酯碳酸酯，共聚酯碳酸酯，硅氧烷-聚碳酸酯，硅氧烷-共聚碳酸酯，聚酯，共聚酯，聚氯乙烯(“PVC”)，共聚氯乙烯(“co-PVC”)，聚甲基丙烯酸甲酯(“PMMA”)，共聚甲基丙烯酸甲酯(“co-PMMA”)，聚丙烯(“PP”)，环烯烃共聚物(“COC”)，氟聚合物，热塑性烯烃(“TPO”)、苯乙烯丙烯腈(“SAN”)，热塑性聚氨酯(“TPU”)或这些材料的透明或半透明的掺混物制成。
所述热塑性多壁片材的外表面优选具有至少一层外盖层，所述外盖层附在所述热塑性多壁片材直接朝向阳光的一侧上。该外盖层可以是共挤出、层压或涂覆的，以增加所述热塑性多壁片材的耐候性。所述外盖可以由具有高含量UV吸收剂的聚碳酸酯、或共聚碳酸酯如Lexan
Figure BPA00001516475000061
SLX、或聚甲基丙烯酸甲酯制成。它也可以是在丙烯酸类基底或氨基甲酸酯基底上的UV-稳定的透明涂层或硅氧烷硬质涂层等。
本发明光生物反应器的热塑性多壁片材的透光率优选大于60％，更优选大于70％，最优选大于80％。所述热塑性多壁片材面向太阳的上层外表面的透光率优选大于70％，更优选大于80％，更优选大于85％，最优选大于87％。所述热塑性多壁片材的下侧(即所述下层的外表面)可以具有反射光的共挤出层或涂覆层，如银层或选择性反射某些波长(例如深红或浅红和/或深蓝或浅蓝色波长)的层。所述热塑性多壁片材的下侧也可以包括有耐磨性的共挤出层或涂覆层。
所述热塑性多壁片材的内表面可以包括至少一层内盖层。该内盖层的功能可以是提高耐化学性和/或降低藻类粘附性。可用于内盖层的材料包括共聚碳酸酯、聚酯、共聚酯、聚氯乙烯、共聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、共聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、环烯烃共聚物、氟聚合物、热塑性烯烃、苯乙烯丙烯腈、热塑性聚氨酯或这些材料的透明或半透明掺混物或漆(透明涂层)。
除盖层外，还可向所述热塑性多壁片材中注入添加剂以提高UV稳定性、耐化学性和/或降低藻类粘附性。这些添加剂可以是例如用于外侧的UV吸收剂和用来降低藻类粘附性的抗微生物添加剂。这种注入技术是本领域技术人员已知的。
所述热塑性多壁片材的内壁可以如图2和3所示的多种构造进行设置。如图4所示的波纹多壁片材在本发明中也是有用的。
可以使用其它的构造，这取决于光生物反应器使用者的需要。所述热塑性多壁片材的构造、形状和厚度取决于所述微生物溶液流过所述热塑性多壁片材的速度和所需的停留时间。这些参数也决定了要使用的壁厚度。所述厚度还取决于所述微生物溶液的密度。生长过程开始时(即图1的右侧)，微生物不太多。溶液越深入光生物反应器(即，至图1左侧)；则微生物生长和吸收光越多。可能必须使热塑性多壁片材厚度降低或具有不同的轮廓。所述热塑性多壁片材的厚度优选为1-10英寸，更优选2-9英寸，更优选3-7英寸，最优选4-6英寸。本发明中所述热塑性多壁片材的厚度可以在这些值的任意组合的范围内，包括所述的这些值。
所述热塑性多壁片材可以制作成一长片，或多个热塑性多壁片材可以放置成一排。放置成一排时，所述热塑性多壁片材可以通过连接器部件连接，或胶合，或焊接在一起。将所述热塑性多壁片材胶合或焊接在一起时，重要的是至少将外壁牢固地结合在一起，以使微生物溶液无法逃逸。所述内壁可以彼此结合或不结合。所述多壁片材的端部具有端盖，在藻类生长过程中防止材料流出。所述端盖可以优选为漏斗形，以在生长循环之前或之后促进材料快速转入或快速转出光生物反应器。
为了补偿热膨胀和热收缩，优选使用连接器部件。与所述热塑性多壁片材配适的连接器部件使得所述片材不透水地连接，但不使所述热塑性多壁片材彼此接触。所述连接器部件还优选位于测量类似CO2含量、养分含量、pH值等参数的位置，有助于掌控所述过程，并且优选位于供给养分、空气和/或CO2和进行pH调节等的位置。另外，可以直接对所述热塑性多壁片材的室进行测试和供给。
如图5-7所示，可以通过在由内壁和外壁形成的室中流动热或冷的空气或水完成加热或冷却。
如图5上部三壁片材的截面所示，所述藻类溶液在由热塑性多壁片材的上层、内壁和侧壁之间形成的第一组室中流动。加热或冷却的空气或水在由热塑性多壁片材的下层、内壁和侧壁之间形成的第二组室中流动。
如图5下部4-壁片材的截面所示，所述藻类溶液在上下室中流动，加热或冷却的空气或水流过中间室。
图6是内壁相对于所述片材的上层和下层对角线设置的双壁片材的截面图。所述微生物溶液在由所述上层和两个内对角线壁之间形成的上室中流动。加热或冷却的空气或水在由所述下层和两个内对角线壁之间形成的下室中流动。
图7示出本发明另一构造的截面图，其中所述微生物溶液在外室中流动，加热或冷却的空气或水在中间室中流动。
在所述一排热塑性多壁片材的端部，所述微生物溶液可以通过端盖进行收集，用于进一步加工并转化成生物燃料。这种转化可以通过以下步骤进行：使藻类溶液流入所述光生物反应器，使所述藻类溶液暴露于日光，收获所述藻类，干燥所述藻类，从干燥的藻类中提取油并将所述油转化成生物燃料。本领域技术人员知晓收获所述油和将其转化成燃料的方法和技术。
本发明的光生物反应器可以用来生产多种生物燃料，如生物柴油、生物乙醇、生物汽油、生物甲醇和生物丁醇。
给出本发明的上述描述是出于说明而非限制的目的。对本领域普通技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以各种方式修改或调整本文所述的实施方式。本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (23)

1.一种流通式光生物反应器，其包括至少一个热塑性多壁片材，所述片材具有上层和下层，其间设置有至少两个侧壁、至少一个内壁和两个或更多个端盖。
2.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述上层和下层各自由独立地选自以下材料的材料制成：透明或半透明的聚碳酸酯、共聚碳酸酯、聚酯碳酸酯、共聚酯碳酸酯、硅氧烷-聚碳酸酯、硅氧烷-共聚碳酸酯、聚酯、共聚酯、聚氯乙烯、共聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、共聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、环烯烃共聚物、氟聚合物、热塑性烯烃、苯乙烯丙烯腈、热塑性聚氨酯和其透明或半透明的掺混物。
3.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述热塑性多壁片材的外表面具有施加其上的一个或多个外盖层。
4.如权利要求3所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述外盖层共挤出、层压或涂在所述热塑性多壁片材的外表面上。
5.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述热塑性多壁片材的内表面具有施加其上的一个或多个内盖层。
6.如权利要求5所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述内盖层由选自下组的物质制成：共聚碳酸酯、聚酯、共聚酯、聚氯乙烯、共聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、共聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、环烯烃共聚物、氟聚合物、热塑性烯烃、苯乙烯丙烯腈、热塑性聚氨酯、其透明或半透明掺混物和透明涂层。
7.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述流通式光生物反应器还包括连接于所述热塑性多壁片材上的藻类储器。
8.如权利要求7所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述藻类储器位于所述热塑性多壁片材上方，以使所述藻类流入所述热塑性多壁片材。
9.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述热塑性多壁片材具有两个或更多个内壁。
10.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述至少一个内壁相对于所述上层和下层平行设置。
11.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述至少一个内壁相对于所述上层和下层垂直设置。
12.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述至少一个内壁相对于所述上层和下层对角线设置。
13.如权利要求9所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述两个或更多个内壁相对于所述上层和下层以平行、垂直和对角线中的一个或多个方式进行独立设置。
14.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述热塑性多壁片材的上层的透光率大于70％。
15.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述热塑性多壁片材的上层的透光率大于80％。
16.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述热塑性多壁片材的上层的透光率大于85％。
17.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述热塑性多壁片材的上层的透光率大于87％。
18.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述热塑性多壁片材的厚度约为1-10英寸。
19.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述热塑性多壁片材的厚度约为2-9英寸。
20.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述热塑性多壁片材的厚度约为3-7英寸。
21.如权利要求1所述的流通式光生物反应器，其特征在于，所述热塑性多壁片材的厚度约为4-6英寸。
22.一种生产生物燃料的方法，其包括：
使藻类溶液流入流通式光生物反应器，所述流通式光生物反应器包括至少一个热塑性多壁片材，所述片材具有上层和下层，其间设置有至少两个侧壁、至少一个内壁和两个或更多个端盖；
使所述藻类溶液暴露于日光；
收获所述藻类；
干燥所述藻类；
从干燥的藻类中提取油；和
将所述油转化成生物燃料。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述生物燃料选自下组：生物柴油、生物乙醇、生物汽油、生物甲醇和生物丁醇。
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