CN102652172A - 增强光合作用的多层生物反应系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用废二氧化碳(111)和废热(112，815)的多层生物反应系统(100，300，600)，其并入上转换和下转换发光材料以及适合于增强光合生物(845)生长的其它组件。

Description

增强光合作用的多层生物反应系统

技术领域

本发明涉及一种利用废二氧化碳和废热来促进光合生物培养的多层系统。具体地说，本发明涉及一种并入上转换和下转换发光材料以及适合于增强光合生物生长的其它组件的多层系统。

背景技术

温室效应主要是由于地球大气内积累过多二氧化碳而产生的。二氧化碳与水蒸汽、甲烷和其它所谓的温室气体一起吸收来自阳光的红外辐射，并同时阻止热量散逸至外太空。截留在大气层中的一些热量会被转移至海洋中，同时也提高了海洋的温度。最终导致了全球变暖。大气层中二氧化碳的增加主要是由于例如煤、石油和天然气等矿物燃料的使用。土壤的耕耘和森林的砍伐也会间接地增加大气中二氧化碳的含量。

光合作用是一种自然过程，生命系统可以通过所述过程来除去大气中的二氧化碳并将其转变成有机含碳化合物。在碳循环中，主要的光合生物是植物、浮游生物、海藻和蓝藻。它们不仅在食物链中扮演了重要的角色，即将光能转变为化学能，从而为高等真核生物提供食物；而且在通过光合作用消耗二氧化碳从而维持大气中二氧化碳含量的过程中也是重要的。每年大约有1000亿吨的碳通过光合作用被转变成碳化合物。

阳光是光合作用中进行光依赖性反应的必需要素。从物理上来说，阳光可被分解为大的连续辐射波谱，称电磁波谱。每种特定波长的辐射都拥有与其相伴随的特征量的能量。光谱，展现出不同波长的光对于特定需光过程的相对效率的光谱被称为作用光谱。光依赖性反应主要发生在电磁波谱的约380nm与约750nm之间的波段内，即电磁波谱的可见光部分。在此波段之外的电磁波(如紫外线(UV)和红外线(IR))不仅对光合作用无益，甚至对光合生物有害。

为了在光合生物中将光能转变成化学能，光首先必须被称为色素的物质所吸收。但是，并不是所有波长的光都能被吸收。光合生物中的大部分色素只吸收适合于进行光合作用的特定波长的光，而其它波长的光则被反射或透射。色素的光吸收模式被称为所述物质的吸收谱。当一种色素的光吸收谱与一个特定需光过程的作用光谱在模式上相似时，这种色素即被认为是对此特定需光过程有效。

例如，叶绿素的光吸收谱与光合作用的作用光谱相似，因此，叶绿素被认为是光合作用的主要色素。具体地说，叶绿素α是所有光合真核生物和蓝藻进行产氧光合作用所必不可少的；叶绿素的其它亚型，如叶绿素b(绿藻类、裸藻类和大多数植物中的一种辅助色素)、叶绿素c(褐藻类和硅藻类中叶绿素b的替代物)、细菌叶绿素(在诸如紫菌的一些细菌中)和绿菌叶绿素(chlorobiumchlorophyll)(在绿色硫黄菌(green sulfur bacteria)中)，是叶绿素α基础结构的化学变体，其在吸收谱上有细微差别。另外两类在捕获光能中所涉及的色素是类胡萝卜素和藻胆色素，前者主要负责防止叶绿素分子受到光氧化损害，而后者主要存在于蓝藻和红藻中。

为了充分利用阳光的全波谱，近年来上转换发光材料(UCL)和下转换发光材料(DCL)已被用于将不可见光转变成适合于光合生物的可见光，以便于光合生物可最大限度地进行光依赖性反应。通过使用这些发光材料，光合生物能够以合适的波长吸收最大量的光能。

美国专利第6,883,271号中公开了一种将紫外光转变成用于植物(plant或vegetable)生长的生长增强光的装置。但是，此装置只限于转变紫外光，并且不能将大范围的不可见光转变成特定光合生物所使用的特定波长的可见光。此装置不是用于生长例如藻类等光合生物的自我维持系统，因为藻类栽培需要水和营养循环系统以及温度控制系统。虽然美国专利第7,008,559号中公开了将UCL材料和DCL材料作为温室环境中的光转换材料，但是其设计并不能有效地将可见光从不同角度传送至多层建筑的每一层，而且还受限于草本植物和木本植物的生长。

除了除去大气中多余的二氧化碳，上述光合生物还可成为替代能源的候选物，因为其副产物和/或生物质可被转变为生物燃料。例如，来源于油料种子植物(如大豆、向日葵和油棕榈树等)(Durrett等人，2008)或微藻类(Hu等人，2008)中的三酰基甘油的油可被制成生物柴油。藻类是生物燃料更为优选的来源，因为最近的一项研究揭示与生物燃料的其它来源相比，藻类拥有固有的优势，例如产率更高、细胞分裂速度更快以及质量更好(Robert，2009)。

因此，本领域中需要一种改进的系统来处理不想要的二氧化碳和废热，并且在光合生物的培养中对光进行有效利用。

发明内容

本发明涉及一种用于处理废二氧化碳和废热并产生可用于(但不专门)生物燃料生产的光合生物的多层系统。具体地说，本发明涉及一种利用上转换和下转换发光材料(upconverting and downconverting luminescent materials)将阳光中的不可见光转变成具有适合于光合生物生长的波长的可见光的多层系统。在示例性实施方案中，所述多层系统可以自我维持或可经配置以并入其它系统/基础结构中。

在本发明的一方面中，多层系统包含以下部件的一个或多个：(1)二氧化碳/废热接收部件；(2)光转换部件；(3)光收集和分布部件；和(4)生物反应器。

本发明的二氧化碳/废热接收部件可包括与一个或多个发电厂或二氧化碳/废热排放源相连的管路。二氧化碳/废热接收部件可包括一个以上的与多层系统的任何部件相连的管路，其中二氧化碳和废热可以从多层系统再循环回二氧化碳/废热接收部件中，并进一步进入生物反应器中。二氧化碳/废热接收部件还可包括纯化和浓缩系统，用于提取对光合生物有害的任何气体，并在二氧化碳转移至生物反应器之前将其浓缩。本发明的二氧化碳/废热接收部件还可包括一个或多个热泵。在一个实施方案中，热泵是电力闭路循环压缩热泵(electricclosed-cycle compression heat pump)，其能够为本发明的多层生物反应系统提供冷却和加热作用。在其它实施方案中，机械式蒸汽再压缩热泵可以利用废热来蒸馏海水，从而为生物反应器提供洁净水，以供光合生物生长。

本发明的光转换部件可包含一层或多层下转换和/或上转换发光材料。在一个实施方案中，本发明中使用的下转换发光材料是量子点，所述量子点是选自半导体、无机或金属材料的纳米颗粒。每个下转换发光层可包含一种或多种类型的量子点。一般来说，量子点被用于吸收包括紫外光在内的高能量光，并发射在约300nm至2,000nm范围内的波长较窄的低能量光。根据已选定的特定生物内的光合色素的吸收谱，可以通过使用量子点的不同组合来选择特定波长的光。

本发明的上转换发光材料可以是纳米颗粒或块体形式(in a bulk form)，且选自掺杂了镧系元素离子的金属氧化物、或过渡金属化合物。在本发明中，更优选纳米颗粒形式的上转换发光材料，因为其比块体形式的同种材料在光散射方面更低，且发光效率更高。一般来说，上转换发光材料被用于吸收红外光或近红外光，并发射在约400nm至800nm范围内的具有较短波长的能量更高的可见光。与本发明的量子点层结合时，来自本发明的上转换发光层的上转换发射可部分或全部被量子点层所吸收，并重新发射所需波长的光。上转换和下转换发光材料层还可被一个或多个透明层所覆盖。这些材料至少构成顶部的一部分、本发明的生物反应器的至少一个表面以及任选地多层系统侧壁的一部分。

本发明的多层系统可还包含日光照明装置，此装置包含光管和/或一个或多个定日镜(heliostat)。光管可进一步包含一个或多个以下组件：棱镜导光管(prismatic light guide)、透镜导光管(lens guides)、金属反光管、镜面管、光纤或其它光传输装置。光管可位于多层系统内部或与多层系统分开。在示例性实施方案中，定日镜位于多层系统外的每一层。定日镜可进一步包含一个或多个发射器和/或扩散器。光管或定日镜可另外包覆一层或多层上转换和/或下转换发光材料。例如玻璃或反光镜等额外反射元件可被用于将光从发射器或扩散器引导至本发明的生物反应器。光转换部件可进一步包含一个或多个光伏器件，所述器件包含一个或多个量子点层。来自光伏器件的能量可被用于驱动水泵、空气循环器等，从而使多层系统能够自给自足。

光合生物在本发明的生物反应器中进行生长。光合生物可包括油料种子植物和藻类。本发明的光合生物可以是能进行光合作用的天然存在或遗传修饰的生物。这些生物可被用于生产生物燃料和其它副产物。在本发明的示例性实施方案中培养藻类。本发明的生物反应器任选地包含一个或多个水浴器，以控制生物反应器内的温度。本发明的生物反应器可另外包含营养供给。本发明的生物反应器的至少一个表面可也被包覆一层或多层上转换和下转换发光材料。

本发明的另一方面是提供利用废二氧化碳和废热培养光合生物的方法。本发明的处理废二氧化碳/废热的方法可包括以下步骤：从发电厂、制造设施或废二氧化碳/废热的其它来源中收集二氧化碳/废热和/或从具有生物反应器的多层系统再循环二氧化碳，将二氧化碳转移至生物反应器，为生物反应器提供光合生物和养分，将不可见光转变成可见光并将其传送至生物反应器以供光合生物生长，和将光合生物收集于一个或多个用于收获和精制的处理器中。所述处理器可位于多层系统内部或与多层系统分开。

本发明适用于高二氧化碳排放/废热场所，例如发电厂或其它高二氧化碳排放制造设施。此外，本发明中所产生的光合生物可任选地用于生物燃料的生产。

附图说明

本发明的这些和其它目的、方面和实施方案将在下文中参考以下附图进行详细描述，其中：

图1是描述了配备有用于培养光合生物的本发明系统的多层建筑及其与其它必要组件的相互作用的流程图；

图2a图示了本发明的光转换系统中上转换发光层和量子点层的组合；

图2b图示了夹在两个量子点层中间的上转换发光层的组合；

图3图示了多层系统的剖视图；

图4图示了多层系统的一层的横切面图；

图5图示了多层系统的另一层的横切面图；

图6图示了一些自我维持型组件和定日镜被并入多层系统中的情况；

图7图示了配备有本发明系统的多层建筑的顶部的顶视图；

图8是描述了多层系统的自我维持型模型的流程图。

具体实施方式

图1是描述了多层生物反应系统100与其它组件之间的相互作用的示意图，所述其它组件用于系统中的光合生物进行光合作用的光依赖性反应，并同时产生生物燃料和其它副产物。多层系统100从发电厂110接收废二氧化碳111和废热112。其它来源(图中未显示)也可以用于提供二氧化碳和/或废热。多层系统100也可以从海洋120或其它来源(图中未显示)接收海水，以供多层系统100中水浴器(图中未显示)和生物反应器(图中未显示)的运行。视生物反应器中待生长的光合生物而定，海水源可以用淡水源来替代。不管利用海水源还是淡水源，对于所述系统皆可获得待在生物反应器中生长的光合生物。或者，光合生物也可以从其它来源获取。多层系统100还需要阳光130或来自人造光源(图中未显示)的光，所述人造光源具备或不具备电磁辐射的全波谱。例如，此光源可以包括紫外光、红外光或电磁辐射全波段内可获得的波长的任何辐射。多层系统100还包含一系列的光转换和光传送装置(图中未显示)，用于将来自光源的光转换成特定波长或波长范围较窄的光并引导转换后的光进入系统中的生物反应器。生物反应器本身也包覆有光转换装置，用于将入射光转换成合适波长以供反应器中微生物进行光合作用。此外，也可并入光伏器件(图中未显示)以将来自光源的光能转换成系统或其它操作需要的电能。

多层系统100还需要营养源140。营养源140可为光合生物进行光合作用提供氮、磷、钾、锌和任何其它必要元素。此营养源可以从任何废物处理厂(图中未显示)获取，或者通过从可能位于厂区外的生物燃料厂(未显示)的副产物再循环来获取。位于每个生物反应器中的光合生物产生氧气150。将直接由光合作用产生的生物燃料160或含有生物燃料160的光合生物的生物质送到一个或多个处理器或设备，以便进一步处理成生物燃料和/或其它副产物。任选地，处理器可包含于多层系统内或可在独立的设施中。

在多层系统100中，光转换装置是一系列的发光材料，其可以将低能量光上转换或将高能量光下转换成连续的或特定波长的光，这些光可被光合生物中的色素吸收以用于进行光合作用。这些材料位于多层系统的顶部、生物反应器的表面和任选地壁的至少一部分。为了实现光转换，不同种类的上转换和下转换发光材料被使用。

图2a中，上转换发光材料层210位于三种不同量子点的三个层220、230、240上，形成了发光材料层的夹层结构。第一量子点层220由多个第一量子点纳米颗粒组成。第二量子点层230由多个第二量子点纳米颗粒组成。第三量子点层240由多个第三量子点纳米颗粒组成。量子点纳米颗粒的不同种类可以通过材料的差异、粒径的差异或者粒径分布的差异来进行区分。换句话说，三个不同的量子点纳米颗粒层可由相同的材料制成，但是粒径或粒径分布却不同。例如，第一量子点层可能由直径为5.0nm的CdSe量子点纳米颗粒组成，以发射中心波长大约为625nm的辐射，而第二量子点层则由直径为2.2nm的CdSe量子点纳米颗粒组成，以发射中心波长大约为500nm的辐射。

图2b中，上转换发光层210被夹在第一量子点层220和第二量子点层230之间。量子点层和上转换层按不同组合和顺序使用会导致不同的转换特征。上转换和下转换发光层还被位于夹心结构顶部和底部的玻璃层250(其可以由聚合材料或任何透明材料所替代)所覆盖，用于保护上转换和下转换层。

从微观的角度来看，每个量子点纳米颗粒任选地包含核和覆盖层。核主要由选自IIA-VIA、IIA-VA、IVA-IVA和IVA-VIA半导体的半导体制成。核的大小范围是约1nm至50nm，优选约1nm至25nm，更优选约1nm至10nm，最优选约1nm至5nm。覆盖层的大小范围是约0.1nm至10nm，更优选约0.1nm至5nm，最优选约0.1nm至2nm。覆盖层通过提供宽带隙(wide band gap)而使核钝化。为了在核的周围形成潜在的屏障，覆盖层的材料也与核不同。例如，覆盖层可能由CdS制成，而核则由CdSe制成。

上转换发光材料典型地选自掺有镧系元素离子(如Er³⁺、Tm³⁺和Yb³⁺)的金属氧化物。但是，诸如过渡金属化合物(例如，掺有CsMnCl₃的Yb³⁺)的其它材料也可以使用。上转换发光材料可以是纳米颗粒形式或块体形式。与块体形式相比，纳米颗粒上转换发光材料的光散射更低，且发光效率更高。

图3是多层系统300的剖视图。光管310位于系统的中轴线上，伸向阳光可以到达的顶部并延伸至生物反应器316所在的较低层。多层系统的顶部301和任选地壁的至少一部分被光转换材料所覆盖，包括(但不限于)呈例如图2所描述的结构的上转换和/或下转换发光材料。光管在靠近顶部的地方包含一级光学元件311和二级光学元件312。一级光学元件311可以是具有凹面的反射镜、或会聚镜，用于采集阳光，然后反射到二级光学元件312上。二级光学元件312可以是光学反射镜或反射器。二级光学元件优选还能够从聚焦光线中吸收至少一部分热量并使光线朝向光管重新定向。一级光学元件或二级光学元件任选地另外包含一个或多个光伏电池(图中未显示)，用于将阳光转换成电能以供设备(例如用于生物反应器的水泵)运行。

光管310可以是一个或多个棱镜导光管的形式(图中未显示)。这些棱镜导光管是带有矩形或环形横切面并具有由薄棱镜制成的边界曲面的中空管。棱镜导光管的棱形部分位于光管中主引导管的外侧；而其内表面是光滑平整的。棱镜导光管的内表面可与高反射率的多层介电薄膜一起排列。光线顺着中空管向下传播，触到平滑表面并被部分反射和折射。反射光沿着光管的主引导管继续向下；而折射光在通过一段短距离后在棱镜边缘被完全内部反射，然后再次进入棱镜导光管的中空内表面。

在多层系统的每一层，光管310另外包含孔穴(aperture)和/或发射器313。孔穴和/或发射器313用于去除在不同高度穿过多层建筑的光。孔穴和/或发射器可以由分散系统314所替代，此分散系统具有与光管的主引导管相连的延长管道。分散系统314用于将一部分光传送到离光管的主引导管较远的区域。在光管的主引导管的末端包含扩散器315，用于使光漫射并给多层系统中包含生物反应器的最底层提供均匀照明(因为例如地面或地下等一个或多个较低层用于容纳各种设备，如泵、离心机或用于收获光合生物的超声或过滤系统、有或没有浮选的絮凝沉淀池等)。扩散器315可以是凸透镜或任何放大镜。扩散器315以与分散系统314相类似的方式发挥功能，但系统的有效部分有区别。如果期望，孔穴/发射器/扩散器/分散装置或光管的任何部分可以用本发明中阐述的光转换装置进行覆盖。

在多层系统300的每一层中都有一组生物反应器316。为了维持生物反应器的温度适于光合生物生长，生物反应器316的周围可任选地放置水浴器317。在每个生物反应器316中，光合生物在必要养分和二氧化碳的存在下被保持和生长。生物反应器316上也可以包覆一层或多层上转换和下转换发光材料。具体光合生物可选自蓝藻(Cyanophyceae)、绿藻(Chlorophyceae)、硅藻(Bacillariophycea)、黄绿藻(Xanthophyceae)、金藻(Chrysophyceae)、红藻(Rhodophyceae)、褐藻(Phaeophyceae)、沟鞭藻(Dinophyceae)或超微型浮游生物(pico-plankton)(青绿藻(Prasinophyceae)和大眼藻(Eustigmatophyceae))或任何其它光合材料，其能够在本发明的环境中生长并可以用于制造燃料或食物或两者的组合。

二氧化碳是由二氧化碳排放源(图中未显示)如发电厂或焚烧厂提供，或从多层系统本身循环到每个生物反应器，典型的是通过气体扩散器引入到生物反应器的液体中。但是，根据所选的光合生物，从多层结构中的大气吸收二氧化碳可以是足够的。水浴器317中任选地用于控制生物反应器316温度的媒介可以是海水、淡水或系统其它部分的循环水。水浴器317可以与生物反应器316分开。

继续向下到达多层系统的底层302(和任选地一个或多个地下层)，系统内并入处理系统318以用于控制物质的输入和输出。此处理系统318还通过使用一个或多个泵来控制系统内物质的循环。此外，这个/这些层上可包含絮凝沉淀池、离心机或用于收获光合生物的超声或过滤系统、光合生物的生物质的脱水或干燥装置，及油提炼和转化系统等。另外，处理系统318可还具有电力储存装置(图中未显示)，用于储备从系统的光伏器件所产生的但未使用的电能。任选地，由于生物反应器不在层，因此底层的外壁使用不透明的耐热材料进行覆盖。

图4是多层系统中某层的剖面图。包含生物反应器的水浴器410通过多层系统的覆盖层420或从光管430直接吸收光。覆盖层420用图2中的光转换材料进行包覆，并且是透明或半透明的。反射镜或透镜440靠近光管的开口放置，将来自光管430的孔穴(图中未显示)的光引导至生物反应器接收最大光强度的方向。水浴器450可与生物反应器分开，以作为多层系统其它部分的总温控系统。

图5是多层系统中另一层的剖面图。在这一层中，水浴器520占据了平面图的大部分并包围多个生物反应器510，其在此实施例中具有细长的剖面图。在光管530的出口设置了多个反射镜或透镜540用于引导光进入生物反应器。细长的生物反应器510平行排列，使得每个生物反应器细长侧与穿过多层系统覆盖层550的阳光相垂直。这是因为生物反应器面向光线的表面越大，光合生物吸收的光强度就越高。覆盖层550用图2的光转换材料进行包覆，并且是透明或半透明的。从外部来源如发电厂(图中未显示)传输的热、从光伏电池(图中未显示)产生的热或从多层系统中任何部分再循环的热都可以用于提高水浴器的温度。对于藻类的生长，水浴器中的温度优选控制在10℃与35℃之间，且最佳温度视生物反应器中藻类的种类而定。

图6中，光伏电池610位于多层系统600顶部的边缘，其中光伏电池任选地由光转换装置620覆盖，从而提高光伏电池的电输出。光伏电池610主要用于吸收阳光，并通过使用由吸收的光与电池活性层的成分相互作用而产生的电流将阳光转换成电。光伏电池610的活性层(图中未显示)选自有机材料、无机材料或两者的组合。光转换装置620可以通过在波导管中使用量子点层作为光伏电池的聚能器而在光伏电流效率上有所帮助，并且使进入光伏器件的光发生红移。此外，光伏电池可任选地位于壁上(例如，壁的接合处)以满足系统的电力需求。

多层系统600还包含一个或多个定日镜630，用于跟踪、收集和校准阳光，使其进入光分布系统640，然后进一步将光传送至期望生物反应器中。定日镜630可以是单个循迹反光镜(tracking mirror)，或凹面循迹反光镜和二级平面镜的组合。两者都用于将来自多层建筑侧面的阳光引导至系统中的一个或多个较低层。在光分布系统的沿线或末端，可存在发射器650和/或扩散器660用于去除穿过系统的各种光，并分别为生物反应器670提供均匀照明。如果期望，发射器或扩散器可用本发明的图2的光转换材料进行覆盖。定日镜可用于高度高于30米(高于大约10层)的多层建筑。

在多层系统的底层，地下水管680和水温度调节装置690一起与处理系统相连。为了冷却来自水浴器675或生物反应器670的循环水，地下水管680被配置成从地下穿过。这通常被应用于夏季或温暖气候区域。废热回收蒸煮装置作为水温度调节装置690的一部分被整合到多层系统中，用于加热来自水源(图中未显示)的海水或淡水，所述装置可在冬季中寒冷天气中使用。或者，可安装热泵作为水温调节装置690，其典型地是以废热为热源的电力闭路循环压缩热泵，为多层系统供冷供热。其它可能的用于协助处理二氧化碳(例如，电厂排放物中毒烟的去除)和生产生物燃料的系统可任选地并入多层系统600中。

图7显示图6的实施例中多层系统的顶视图。从此顶视图可以看出，光伏电池710(具有任选的光转换覆盖层)位于多层系统700顶部的边缘。光伏电池的数量视系统的需求而定，主要是电力需求。如上文实施方案所描述的，多层系统的顶部由本发明图2中阐述的光转换装置覆盖。此实施方案中光伏电池710的位置是为了避免被引导至覆盖于顶部表面上的光转换装置的阳光产生阴影。

图8是显示多层系统不同部件中的物质的流程的流程图。发电厂810是废二氧化碳和废热815的一个来源。二氧化碳被引入生物反应器的液体中以供光合生物的生长，而废热被转移至一个或多个热泵820。光伏电池830吸收阳光或来自光转换装置中量子点层(图中未显示)的红移光来产生电835，并为热泵820供电。本技术领域中的绝大多数热泵都依据蒸汽压缩循环的原理来运行。在这些热泵的一个实例中，从热排放源(即当前模型中的废热815)中提取废热以用于在泵中对循环物质进行蒸煮。然后压缩机(图中未显示)压缩循环物质，并将其压力和温度提高到其能量变得可用的程度。热传递至冷凝器，然后泵送至重沸器(图中未显示)。压缩机的运行需要从外部输入电，此电优选由多层系统中的光伏电池830来供应。机械式蒸汽再压缩热泵系统820可以从海水中蒸馏出水，从而为生物反应器和/或水浴器(图中未显示)提供洁净水825，因为通过使用热泵系统通常可以使蒸馏的高能耗要求得到降低。任选地，另外一种以废热为热源的热泵装置820也可以对多层系统提供冷却和加热作用。典型地安装电力闭路循环压缩热泵，但是一些吸热泵和热变换器也可以用于水的加热和冷却。生物反应器中光合作用的副产物和光合生物845的生物质收获、收集并在一个或多个处理器850中处理。剩余的细胞和废水855将被转移至循环系统860中，该系统中对废水和细胞855消毒的一种方法是紫外线。循环系统860将灭菌后的水和细胞865供给生物反应器，作为光合生物另一生长周期的物质输入的一部分。此流程图证实了多层系统是高度自我维持的，并充分地利用废二氧化碳、自然光源和废热来变为化学能(所收获的光合生物)。

如果需要，本文讨论的不同功能可按照不同的顺序和/或彼此同时进行。此外，如果需要，上文所述的功能中的一种或多种可以是任选的，或可以组合。

虽然本发明的各个方面在独立权利要求中阐明，但是本发明的其它方面包括所述实施方案和/或从属权利要求的特征与独立权利要求的特征的其它组合，且不仅仅是所述权利要求中明确阐明的组合。

本文中还应注意，尽管上文描述了本发明的示例性实施方案，但是这些描述不应理解为具有限制性。相反，可以进行若干变化和修改而不超出如所附权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (21)

1.一种多层生物反应系统，其包含：

并入光转换材料的顶部，所述光转换材料包括一层或多层的上转换发光材料和一层或多层的下转换发光材料；

支撑所述顶部的侧壁，其至少部分并入所述光转换材料，所述光转换材料包括一层或多层的上转换发光材料和一层或多层的下转换发光材料；

具有位于所述顶部附近的收集器的光管，所述收集器用于收集阳光，并通过位于所述多层生物反应系统内部的光导管将所述光传送至所述多层生物反应系统的多个层；

多个生物反应器，用于容纳处于包含养分的培养基中的光合生物，并被定位成从所述光管和光导管接收光以进行光合作用；

管道，被定位成连通废二氧化碳排放源和废热排放源与所述多层生物反应系统的内部，从而为所述生物反应器提供二氧化碳和热。

2.根据权利要求1所述的多层生物反应系统，其中所述光合生物是藻类。

3.根据权利要求1所述的多层生物反应系统，其另外包含包围一个或多个生物反应器的一个或多个水浴器，用于将所述生物反应器维持在选定温度或温度范围。

4.根据权利要求1所述的多层生物反应系统，其另外包含位于所述多层生物反应系统的一个或多个侧面上的一个或多个定日镜，用于通过定日镜集光器来收集阳光，并通过光导管将来自所述定日镜集光器的所述阳光传送至所述多层生物反应系统的较低层。

5.根据权利要求4所述的多层生物反应系统，其中所述定日镜集光器被光转换材料覆盖，所述光转换材料包括一层或多层的上转换发光材料和一层或多层的下转换发光材料。

6.根据权利要求1所述的多层生物反应系统，其中所述光管的收集器被光转换材料覆盖，所述光转换材料包括一层或多层的上转换发光材料和一层或多层的下转换发光材料。

7.根据权利要求1所述的多层生物反应系统，其中所述多个生物反应器中的每一个都被光转换材料所覆盖，所述光转换材料包括一层或多层的上转换发光材料和一层或多层的下转换发光材料。

8.根据权利要求1所述的多层生物反应系统，其另外包含多个沿着所述顶部和/或壁的边缘定位的光伏电池，所述定位使得所述光伏器件不干扰被传送入所述多层生物反应系统的所述阳光。

9.根据根据权利要求1所述的多层生物反应系统，其中所述光转换装置的下转换发光材料包含量子点。

10.根据权利要求9所述的多层生物反应系统，其中所述量子点的核包含一种或多种选自IIA-VIA、IIIA-VA、IVA-IVA和IVA-VIA半导体的材料。

11.根据权利要求10所述的多层生物反应系统，其中所述量子点的所述核的大小范围是1nm至50nm。

12.根据权利要求3所述的多层生物反应系统，其另外包含一个或多个热泵，所述热泵使用废热将所述一个或多个水浴器维持在选定温度或温度范围。

13.根据权利要求1所述的多层生物反应系统，其另外包含一个或多个热泵，所述热泵使用废热蒸馏海水或废水，从而为所述生物反应器提供洁净水以供所述光合生物的生长。

14.一种用于增强光合生物培养的方法，其包括：

提供具有一层或多层的上转换发光材料和一层或多层的下转换发光材料的多层生物反应系统；

接收穿过所述上转换和下转换发光材料的光，使得所接收光的波长范围基本上是在可用于光合作用的范围内；

在位于所述多层生物反应系统内的一个或多个生物反应器中容纳光合生物，并接收穿过所述上转换和下转换发光材料的光；和

从外部来源为所述光合生物提供废热和废二氧化碳，从而增强光合作用。

15.根据权利要求14所述的用于增强光合生物培养的方法，其中所述光合生物是用于生产生物燃料的前体生物。

16.根据权利要求15所述的用于增强光合生物培养的方法，其中所述光合生物是藻类。

17.根据权利要求14所述的用于增强光合生物培养的方法，其中所述生物反应器另外容纳用于所述光合生物的水和养分。

18.根据权利要求17所述的用于增强光合生物培养的方法，其另外包括通过泵送来循环所述水和养分。

19.根据权利要求18所述的用于增强光合生物培养的方法，其中光伏电池为泵送所述水和养分提供至少一部分所需的能量。

20.根据权利要求14所述的用于增强光合生物培养的方法，其另外包括通过光管将光从所述多层生物反应系统的最高表面提供给所述多层生物反应系统的较低层。

21.根据权利要求16所述的用于增强光合生物培养的方法，其另外包括通过包括离心、絮凝、过滤或超声波的方法来收获所述藻类。

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