CN104560703A - 用于空气净化的光生物反应器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空气净化。本发明提供一种用于降低亚热带至温带气候地区的空气中的二氧化碳浓度的系统以及使用该系统来降低二氧化碳浓度的方法。

Description

用于空气净化的光生物反应器系统
相关申请的交叉引用
根据35 U.S.C.§119(e)，本申请是要求2013年10月15日递交的申请号为61/961,447的美国临时专利申请的权益的非临时专利申请，通过全文引用的方式将该美国临时专利申请的公开内容包含于此。
技术领域
本发明涉及空气净化。特别地，本发明涉及用于利用光合有机体降低空气中的二氧化碳浓度的系统。本发明尤其适用于亚热带和温带气候地区。
背景技术
来自车辆和工业的温室气体的排放是全球变暖的主要诱发因素之一并且导致地球温度上升。二氧化碳(CO2)占温室气体的68％。已经广泛地研究了通过各种方法来封存CO2，其目的在于减少CO2至大气中的排放。通常，通过诸如用胺水溶液洗涤加之在高温下溶剂再生和利用高压的物理溶剂分离等的化学和物理技术来捕获空气中的CO2。捕获的CO2接着被运输以进行离岸地质存储(Gibbins等，2008)。
与传统的化学和物理方法相比，用于空气净化的生物方法目前被认为是更好的替代方法。生物方法需要较温和的条件。在生物方法中排除了传统方法中所使用的高温、高压和对环境有害的溶剂。生物方法还是更加可持续的。生物方法依赖于光合作用，以将不需要的CO2转化为氧，因此不需要用于存储CO2的物理存储空间。除了氧之外，在通过生物方法去除CO2期间还产生用于鱼饲料和肥料的有价值的生物质(例如，生物柴油)和化学品(Chisti，2007)。
然而，在去除二氧化碳时，局部气候影响光生物反应器的性能。因此，期望提供一种适应于局部气候和环境因素的用于有效去除空气中的二氧化碳的光生物反应器系统。
发明内容
在光合生物质有机体之中，微藻类因其高光合效率(Perrine等，2012)而被认为是对于空气净化光生物反应器系统的应用来说是最合适的光合有机体。
相应地，本发明提供一种使用微藻类的用于特别针对于亚热带至温带气候地区的空气净化的系统。
本发明的第一方面提供一种用于减少亚热带至温带气候地区的空气中的二氧化碳的光生物反应器系统，所述系统包括：
反应器槽，用于容纳1000000～1500000cell/mL浓度的培养基，其中培养基在5～40℃的预定温度下包含小球藻种；
进气口，空气在进气口处进入所述系统中；
气泵和喷洒器，用于将空气作为小气泡以0.1～2.0L/min的流速供给至培养基；
温度控制器，其调节反应器槽的温度，使得空气和培养基的温度被保持在预定的温度；
光源，用于将强度为50～500μmolm-2s-1PPFD的光提供至培养基；以及
出气口，具有降低的二氧化碳浓度的经净化气体在出气口离开所述系统。
根据本申请请求保护的发明的一个实施方式，微藻类的类型为小球藻种。
根据本申请请求保护的发明的一个实施方式，亚热带至温带气候地区为东南亚。
根据本申请请求保护的发明的另一实施方式，所述地区为香港。
根据本申请请求保护的发明的又一实施方式，培养基和空气被保持在15～30℃的预定温度。
根据本申请请求保护的发明的另一实施方式，培养基被保持在7～9pH。
根据本申请请求保护的发明的另一实施方式，所述光源包括发光二极管、日光或这两者。
本申请请求保护的发明的第二方面提供了一种用于减少亚热带至温带气候地区的空气中的二氧化碳的方法，所述方法包括：
提供生物反应器系统；
通过进气口将空气供给到生物反应器系统中；
调整生物反应器系统的温度至预定的温度，使得空气和培养基的温度被保持在预定的温度；
给培养基提供强度为50～500μmolm-2s-1PPFD的光；以及
在预定的温度下将空气作为小气泡以0.1～2.0L/min的流速供给到培养基。
与现有的任何生物反应器不同，本发明的光生物反应器系统和利用该光生物反应器系统的净化空气的方法适于在亚热带至温带气候中高效地去除二氧化碳。
附图说明
在下文中参照附图更加详细地描述本发明的实施方式，其中，
图1是本发明的板状的光生物反应器的示意图。
图2是本发明的管状的光生物反应器的示意图。
图3是显示了在不同光强度(图3A)和不同温度(图3B)下小球藻种的比生长率的曲线图。
具体实施方式
为了说明本发明的构成和优点，以下结合附图和实施方式对本发明进行详细描述。
如图1中所示，本发明的光生物反应器系统包括用于容纳培养基的平板状的反应器槽110。本发明的反应器槽可以是透明的、半透明的或反射的，从而光能够穿过反应器槽并到达容纳于其中的微藻类以用于光合作用的。1000000～1500000cell/mL浓度的培养基包括小球藻种(Chlorellaspecies)的微藻类。在一个实施方式中，微藻类是小球藻种，可适用于本发明的小球藻种包括但不限于蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)和普通小球藻(Chlorella vulgaris)。具体地，本发明的发明人发现小球藻种的培养基在亚热带至温带气候地区展现了长而稳定的生命期限，使得能够进行二氧化碳的有效去除。据发现，添加不是小球藻的其他种导致较短和较不稳定的生命期限，不能提供有效的二氧化碳去除。
反应器槽可以被或者可以不被多个分隔部111分割，以布置各种不同的内部流型。例如，多个分隔部111由交替地从反应器槽的相对侧突出的分隔部构成。本发明的光生物反应器系统还包括一个或多个用于将经处理的空气供给到培养基中的进气口130。通过喷洒器或本领域中易于使用的任何其它适用的手段将经处理的空气作为气泡供给到培养基中。在一个实施方式中，经处理的空气在反应器槽的底部以0.1～2.0L/min的流速鼓泡至培养基中。培养基的温度控制在5～40℃。水浴槽或本领域中使用的任何其它温度控制系统可被用于本发明的系统中，以控制反应器槽的温度，从而控制培养基和被处理的空气的温度。在一个实施方式中，反应器槽、培养基和被处理的空气的温度被保持在15～30℃。在另一实施方式中，培养基与被处理的空气温度是相同的。本发明的光生物反应器系统包括将反应器槽的温度保持在预定的温度范围内的温度控制器(在图1中未示出)。反应器槽被保持在5～40℃下或者被保持在15～30℃下。通过控制反应器槽的温度，被处理的空气的温度也被保持在与反应器槽和培养基相等温度下。如果空气温度与培养基的温度不同，则为了将培养基和被处理的空气的温度保持在预定的温度下，温度控制器也能够调整反应器槽的内部温度。用于培养微藻类(如小球藻种)的培养基可以是适于微藻类生长的任何种类的培养基。还可以使用混合的培养基。在一个实施方式中，培养基是BBM培养基(Bold’s basal medium)。在另一实施方式中，培养基是布氏培养基(Bristol medium)和痕量培养基(Trace medium)的混合。以下示出在本发明中使用的布氏培养基和痕量培养基的化学成分和制备。
布氏培养基
布氏A
化学品 量
硝酸钠(NaNO3) 25克/升
磷酸氢二钾(K2HPO4) 7.5克/升
磷酸一钾(KH2PO4) 17.5克/升
氯化钠(NaCl) 2.5克/升
布氏B
化学品 量
氯化钙(CaCl2) 2克/升
布氏C
化学品 量
七水硫酸镁(MgSO4·7H20) 7.5克/升
上述布氏组分A、B和C的100倍稀释液经组合制备了布氏培养基。
痕量培养液
痕量1(碱性EDTA)
化学名 量
乙二胺四乙酸(EDTA) 50克/升
氢氧化钾(KOH) 31克/升
痕量2(痕量金属)
化学名 量
七水硫酸锌(ZnSO4·7H20) 8.82克/升
四水合氯化锰(II)(MnCl2·4H2O) 1.44克/升
钼酸钠(Na2MoO4) 1.19克/升
五水合硫酸铜(II)(CuSO4·5H20) 1.57克/升
六水合氯化钴(II)(CoCl2·6H20) 0.40克/升
痕量3(酸化酸)
化学名 量
七水合硫酸铁(II)(FeSO4·7H2O) 4.98克/升
硫酸(H2SO4) 1毫升/升
痕量4(硼酸)
化学名 量
硼酸(H3BO3) 11.42克/升
痕量组分1-4的1000倍稀释液经组合制备了痕量培养基。
培养基的初始pH也保持在pH为7～9。当本发明的光生物反应器连续地运转时，通过去除反应器槽中的微藻生物质并且更换新鲜的培养基，可以将培养物密度和pH重置为分别是1000000～1500000cell/mL和pH7～9。
光生物反应器系统还包括出气口140，减少了二氧化碳的净化空气在出气口140处离开反应器槽。在一个实施方式中，进气口位于光生物反应器的上部。被处理的气体在反应器槽的底部鼓泡到培养基中并被微藻类培养物净化，从而减少了二氧化碳的净化空气上升至反应器槽的顶部并经由出气口离开。培养基的小球藻种利用被处理的空气中的二氧化碳进行光合作用。培养基将二氧化碳转化为氧。因此，用培养基处理后的空气得到了净化，减少了其二氧化碳。
本发明的光生物反应器系统还包括用于将光提供至培养基以进行光合作用的光源。在一个实施方式中，光源采用灯室120的形式，其中灯室120具有位于反应器罐110的外部四周的LED灯阵列。可以使用荧光灯、高压钠灯、荧光汞灯、太阳灯或日光。在一个实施方式中，将50～500μmolm-2s-1PPFD的光强度提供至培养基，以有效地去除二氧化碳。在示例性实施方式中，LED灯阵列或其它光源可以位于垂直于多个分隔部111的取向的位置，从而能够通过使达到反应器槽110内部的培养基的光源最大化来提高光合速率。
图2示出了本发明光生物反应器的另一实施方式，其中，反应器槽210为管状。示出了沿管状反应器槽安置的垂直布置的LED阵列220、延伸至反应器槽的底部以将空气供给至培养基中的进气口230、以及在反应器槽的顶部的出气口240。光生物反应器系统还包括用于监测反应器槽中的温度、气体流速、光强度和pH的传感器、以及为了在亚热带至温带气候中有效地去除二氧化碳而将温度、光强度、流速和pH保持在期望的范围的相应的控制装置。在本实施方式中，温度控制器250用于监测空气温度并将其调整至预定的温度。
本申请请求保护的发明还提供一种用于在亚热带至温带气候地区减少空气中的二氧化碳的方法，该方法包括：提供根据本发明的光生物反应器系统、将空气供给至生物反应器系统、调整光生物反应器系统的反应器槽的温度从而将空气和培养基的温度保持在5～40℃的预定的温度。本发明的减少二氧化碳以进行净化的方法包括：提供1000000～1500000cell/mL的培养基，其中培养基包括小球藻种的微藻类、将反应器槽的温度调整至5～40℃的预定温度使得到来的被处理气体和培养基的温度被保持在预定温度、将到来的被处理气体以0.1至2.0L/min供给到培养基中、使得与到来的气体相比具有降低的二氧化碳浓度的净化气体离开光生物反应器系统，并且选择性地收集在培养基的光合作用期间产生的任何生物质。
在亚热带至温带气候地区中本发明的光生物反应器系统展现出高效的二氧化碳净化。对培养物、培养物浓度、温度、流速和光强度进行选择，在亚热带至温带气候地区中进行高效的二氧化碳净化。这些地区具有高温、潮湿的夏季并且通常具有温和的冬季。具体来说，这些区地的平均气温在-3℃与22℃之间。本发明的光生物反应器系统设计为在东南亚进行高效的二氧化碳净化。本发明的光生物反应器系统设计为在香港或类似气候的地区进行高效的二氧化碳净化。
以下给出示例以展示在香港利用微藻类来进行空气净化的本发明的操作，其能够显著地降低空气中的CO2浓度。
示例1
进行利用图1示出的本发明来净化CO2污染的空气。在修改的BBM中小球藻种(Chlorella sp.)被维持在1200000个微藻类细胞/mL基质。反应器槽的温度为25℃。LED机构以200μmol/m2s-1照射光。入口气体的CO2浓度为11.5％并且其流速为600mL/min。24小时后，出口气体的CO2浓度经测量为3.5％。
示例2
进行利用图2示出的本发明来净化CO2污染的空气。在修改的BBM中小球藻种被维持在1200000个微藻类细胞/mL基质。反应器槽的温度为20℃。LED机构以80μmol/m2s-1照射光。入口气体的CO2浓度为500ppm并且其流速为350mL/min。5天后，出口气体的CO2浓度经测量为130ppm。
示例3
研究了温度和光强度对于小球藻种生长率的影响。测量了在20℃时不同的光强度(光强度表达为光合光量子通量密度，即PPFD)和7.5％v/v二氧化碳浓度下小球藻种的比生长率(图3A)。可以看到，到多达450μmol/m2s-1的光强，小球藻种的生长随着光强度的增加而增加。小球藻种的生长在高于450μmol/m2s-1的光强度处突然减少。然后研究了在恒定的7.5％v/v二氧化碳浓度和105μmol/m2s-1的光强下，小球藻种在不同温度下的比生长率。在图3B中可以看到，到多达35℃的温度，温度越高小球藻种的生长越高，之后在更高的温度小球藻种的生长急剧降低。这些结果显示在本发明的光生物反应器系统促进了用于光合二氧化碳去除的优化的微藻类生长。
为了举例说明和描述的目的，已经提供了本发明的上述描述。其不意图成为是详尽的或不意图将本发明限制于所公开的明确形式。很多修改和变更对本领域技术人员来说将是显而易见的。
为了最佳地解释本发明的原理和其实际应用，选择并描述了实施例，从而使得本领域其他技术人员理解用于各种实施例并且适于特定使用的各种修改的发明。其意图在于通过权利要求书及其等同物来限定发明的范围。

Claims (14)

1.一种用于减少亚热带至温带气候地区的空气中的二氧化碳的系统，所述系统包括：
反应器槽，用于容纳1000000～1500000cell/mL浓度的培养基，其中所述培养基在5～40℃的预定温度下包括小球藻种；
进气口，空气在进气口处进入所述系统中；
气泵和喷洒器，用于将空气作为小气泡以0.1～2.0L/min的流速供给到培养基；
温度控制装置，其调节反应器槽的温度，使得空气和培养基的温度被保持在预定温度下；
光源，用于将强度为50～500μmolm-2s-1PPFD的光提供至培养基；以及
出气口，具有降低的二氧化碳浓度的净化气体在出气口离开所述系统。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述地区为东南亚。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述地区为香港。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，小球藻种包括蛋白核小球藻和普通小球藻。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，培养基包括BBM培养基或者布氏培养基或痕量培养基的混合物。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，布氏培养基包括硝酸钠、磷酸氢二钾、磷酸一钾、氯化钠、氯化钙和七水硫酸镁。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，痕量培养基包括乙二胺四乙酸、氢氧化钾、七水硫酸锌、四水合氯化锰(II)、钼酸钠、五水合硫酸铜(II)、六水合氯化钴(II)、七水合硫酸铁(II)和硫酸。
8.一种用于减少亚热带至温带气候地区的空气中的二氧化碳的方法，所述方法包括：
提供权利要求1所述的系统，其中系统容纳1000000～1500000cell/mL浓度的培养基，其中所述培养基包括小球藻种的微藻类；
通过进气口将空气供给到所述系统中；
调整反应器槽的温度至预定温度，使得空气和培养基的温度被保持在预定温度下；
将强度为50～500μmolm-2s-1PPFD的光提供至培养基；以及
在预定的温度下将空气作为小气泡以0.1～2.0L/min的流速供给到培养基。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述地区为东南亚。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述地区为香港。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，小球藻种包括蛋白核小球藻和普通小球藻。
12.根据权利要求8所述的系统，其中，培养基包括BBM培养基或者布氏培养基和痕量培养基的混合物。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，布氏培养基包括硝酸钠、磷酸氢二钾、磷酸一钾、氯化钠、氯化钙和七水硫酸镁。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，痕量培养基包括乙二胺四乙酸、氢氧化钾、七水硫酸锌、四水合氯化锰(II)、钼酸钠、五水合硫酸铜(II)、六水合氯化钴(II)、七水合硫酸铁(II)和硫酸。
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