CN105143429A - 用于光合作用微生物的批量生产的反应器 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一种藻类生产反应器系统包括反应器容器，反应器容器设有一个或多个液体进口和一个或多个液体出口；在所述容器的底部的一个或多个气体进口，所述气体进口与二氧化碳源相连，和在所述容器的顶部的一个或多个气体出口；至少部分地浸入反应器液体中的竖直地间隔开且结合的多对双层玻璃板，所述双层玻璃板在中间具有光散射微粒层并具有暴露到光源中的平的侧面；和用于竖直地循环反应器液体的手段。

Description

用于光合作用微生物的批量生产的反应器

发明领域

本发明涉及藻类的生产并特别关于藻类在封闭反应器系统中的成长，在该反应器系统中通过反射镜系统将阳光供给到反应器中。本发明提供用于该藻类生产反应器系统的一种反应器容器和光引入手段。

背景技术

藻类利用光和二氧化碳进行成长，并且这个过程产生氧气。通常藻类在开放式池塘、透明管道系统、水下塑料袋等中生产。

这些系统的缺点是用于混合所需能量多、供给碳源方法和排除产生的氧气方法不佳。同时，白天水的加热、水分蒸发量大以及夜晚的冷却困难也是问题。这因为用于生长藻类的唯一合理的光源是阳光，阳光基本上可以低成本使用，但是为了提高产量，藻类需要高强度的阳光。但是，具有高强度阳光的地点几乎都位于地球的干旱区域，在干旱区域藻类生产也需要的水非常稀缺从而使得藻类生产受到阻碍。

这些缺点限制反应器系统中的藻类浓度并由此增加生产一定数量的藻类所需的反应器空间尺度。由此需要更有效且可向上扩展的具有更好光供给的用于生长光合作用微生物的反应器容器。

JP-A2000-300244公开一种具有由丙烯酸制成的光传输板的光合作用培养装置，光传输板在反应器内竖直地布置，(阳)光在反应器顶部进入。板之间10-70mm的距离提供了包含向上流动布置的培养介质的反应空间。板之间的空间的顶端由盖(“第一发明”)或由用于提高照射表面的丙烯酸板的三角形延伸件(“第二发明”)封闭。光传输板可具有由单向分条提供的光散射表面，并且多对板以这样的方式形成：光散射表面位于多对板的内侧，如JP-AH08-262232所述。

JP-A2000-300244和JP-AH08-262232中所描述类型的反应器没有提供优化的照射效率以及藻类生产率。而且，根据该先前技术使用的板的布置特征不允许可靠第提供大规模光合作用反应器以用在偏远地点以及需要最少的维护操作。

发明该要

根据本发明发现，通过空气提升环路类型的反应器，使用侧向照射，并通过提供隔开距离平行地安装的单元多对双层矩形玻璃板，能够提供改进的光合作用，该隔开距离由在矩形双层玻璃板之间并沿双层玻璃板的长(竖直)侧布置的玻璃条提供。使用玻璃板而不是丙烯酸型板减少了微生物产生的污垢。通过在双层玻璃板的内侧提供光散射层实现进一步地改进，光散射层包括非均匀性物或微粒的非单向层。

本发明由此提供一种具有上升流动通道和下降流动通道的用于生长藻类的大规模反应器，上升流动通道和下降流动通道能够交替，例如通过切换气体混合流的供给。气体能够引起上升和下降流循环。这些类型的空气提升环路反应器如废水处理中已知的那样。竖直玻璃板布置在上升和下降流中。这些玻璃板的前部与沿多对双层玻璃板的长(竖直)侧结合多对双层玻璃板的玻璃条一起伸出反应器壁以进入(阳)光源。这些玻璃板用于将光传递进反应器内，这是反应器内藻类生长所需的。

发明描述

本发明因此属于一种用于生产光合作用微生物的反应器容器。该反应器也被称为其同义词“光合作用反应器”或“光生物反应器”。反应器容器设有一个或多个液体进口和一个或多个液体出口，位于底部的一个或多个气体进口和位于容器顶部的一个或多个气体出口，以及竖直地间隔的多组双层玻璃板，当反应器容器运行时，多组双层玻璃板至少部分地浸入反应器液体中。双层玻璃板在中间具有光散射微粒层并具有与双层玻璃板的厚度对应的平的侧面，该平的侧面暴露在外部光源下。在运行中，平的侧面适当地竖直。反应器容器进一步设有用于竖直地循环反应器液体的设备。为运行做好准备的反应器还包括用于通过光合作用生产藻类的其它手段和物质，包括待生产的藻类的适当接种，二氧化碳源等。

成对布置的双层玻璃板构成本发明和本发明的反应器容器的重要部件。玻璃的折射率高于水的折射率，这使得玻璃板起到像用于数据传输的玻璃纤维的作用。光散射微粒层确保光从玻璃板的浸入到反应器液体中的区域上均匀地照射到反应器内液体。为了这个目的，玻璃板由在中间具有涂层的两层(被称为“双层玻璃板”)构成，涂层基质固定(i)微小无机(例如金属氧化物)或(ii)有机微粒或(iii)非均匀性物或者(iv)较大的具有微观反射镜面的微粒以这样的方式散射光使得光能够进入反应器里的液体。

(单个)玻璃板具有从几毫米，例如5mm，向上变化到50mm甚至更多的厚度。有优势地，玻璃板的厚度在10mm和30mm之间，更优选地在12mm和20mm之间。由此，双层玻璃板优选地具有20mm和60mm之间的厚度，最优选地在24mm和40mm之间。相似地，双层玻璃板的平的侧面也优选地具有20-60mm或更佳在24-40mm的宽度。玻璃优选地为所谓的“超清”型，即其具有高清晰度并且铁含量较低，尤其低于0.04重量％(如Fe₂O₃)。该玻璃也叫做低铁玻璃或高透玻璃。

光散射微粒层可以为涂覆层，在该涂覆层内散射微粒混合在具有与玻璃的折射率相同或相近的折射率的物质中，以使光能够从玻璃传到涂层而不会因为折射率的不同而产生镜像效应。例如，其可以为陶瓷涂层，诸如二氧化硅。在涂覆层中可以混合产生散射的非均匀性物(例如微晶，气泡等)。非均匀性物可理解为构成基质中的间断性的物体或空洞，即其能够至少电磁地有别于周围涂层基质，例如通过它们的折射率。非均匀性物优选地为基本上的球形。

可使用两种类型的散射：(1)米氏散射，通过具有与可见光的波长大约相同或与可见光的波长相比稍大的(平均)尺寸的非均匀性物或微粒，优选地在200-1200nm的范围内，更优选地在300到1000nm的范围内，最优选地至少400nm到例如800nm；(2)几何散射，通过远大于光的波长的微粒，优选地在5微米到500微米的范围内，例如铬晶体。

米氏散射物质(非均匀性物)可以为金属氧化物，例如钛，锌，硅或铝的金属氧化物，或硅酸盐，例如镁或铝的硅酸盐。另外一类米氏散射物质可以为有机微粒，例如聚合物(乳胶)微粒，或者他们可以为相同尺寸的气孔或气泡。金属氧化物微粒，尤其二氧化钛是特别优选地，例如0.3至1μm。

几何散射物质是有面的(镜面反射)微粒，即具有高反射面的微粒，例如铬晶体或单晶微金刚石(6-20μm)。他们的尺寸优选地在5-500μm的范围内，更优选地在10-200μm的范围内，尤其在20-200μm的范围内。

包含光散射非均匀性物或微粒的内涂层的厚度取决于散射的类型。对米氏散射而言，优选地在5至500μm的范围内，特别在10和200μm之间，而对几何散射而言，优选地在100和1000μm之间。微粒有优势地同质地分布在内涂层内。他们的密度可以为例如每平方分米涂层(基质)在1和500mg之间。

多对双层玻璃板之间的距离，即有效反应器空间，可以尽可能地接近例如10mm，直到比如20cm或更多。为了优化光照，优选地，距离在大约双层板的厚度和大约两倍所述厚度之间，即在20和120mm之间，最优选地在24和80mm之间。在反应器的宽度上的双层玻璃板的数目可以变化。优选地，反应器容器，或者反应器单元，在每米反应器宽度上包含4至25个，更优选地6至20个双层玻璃板，玻璃板必须平行安装。

根据本发明，双层玻璃板有优势地成对布置，玻璃条沿板的长、竖直侧结合成对玻璃板，如下面进一步描述的，并如图3中所描绘的。

本发明还关于如上所述的双层玻璃板(具有内涂层的多对玻璃板)以及能够被用在光合作用反应器中的多组或多阵列双层玻璃板。双层玻璃板优选地具有基本上矩形的表面。玻璃板的长度(或高度，如果竖直定位)可以在例如1和4m之间，优选地在1.2m和2.4m之间。玻璃板的宽度可以在例如0.5和2.5m之间，优选地在0.8m和2m之间。较小的表面可以适用于试验性反应器。较大的表面也是可行的，尽管玻璃板的重量和处理可能需要专门的措施。双层玻璃板的厚度能够为如上所述，即在20和60mm之间，更优选地在24和40mm之间。双层玻璃板具有在中间的光散射微粒层，如上所述。

有优势地，两个或多个，特别是两个，双层玻璃板间隔距离平行地安装在一起，以允许在两板之间从10到200mm，优选地从20到150mm或更优选地从24到80mm或者甚至30到60mm的优化反应器空间。距离能够由在中间并沿矩形双层玻璃板的长度定位的玻璃条固定。玻璃条由此基本上具有与双层玻璃板相同的长度，例如在1和4m之间。他们也可以具有相同的宽度，例如在20和60mm之间。供选择地，他们的宽度可以为双层玻璃板的厚度的例如1-10倍，特别地为双层玻璃板的厚度的2-4倍，或者供选择地为玻璃板的宽(宽度)的0.01-0.2倍，优选地为玻璃板的宽度的0.05-0.12倍(对每个条)。由此优选的条宽度为例如在2和20cm之间，有优势地在2和15cm之间或者在2和12cm之间或者特别在2.4和8cm之间。优选地，玻璃条与相同长度玻璃板构成藻类反应器介质的流动通道，所以在玻璃组件内藻类介质的接受光照量与在玻璃组件玻璃板内传递的光线量相同。

玻璃条的类型优选地与玻璃板的类型相同并使用适当密封剂固定到玻璃板，适当密封剂诸如聚甲基丙烯酸酯密封剂。多组两个(或多个)已安装的双层玻璃板提供更高的玻璃板强度，并且由此更加便于安装或拆卸。反应器容器，或者反应器单元，由此可以有优势地在每米反应器宽度上包括2至12，更优选地4至10组该固定的双层玻璃板，多组基本上平行安装。

为了便于定位和更换反应器容器中的玻璃板，多组玻璃板能够有优势地结合成双层玻璃板阵列或者如上所述的多组双层玻璃板的阵列。由此，将例如4至40，特别地10至24个等距双层玻璃板，或者2至20，特别地5至12组等距双层玻璃板以玻璃不与钢结构接触的方式一起安装在钢架中，钢架通过适当的、优选地柔性的和/或可压缩的物质(例如诸如聚丙烯或聚乙烯的热塑性聚合物)覆盖以防止玻璃板直接接触钢架。玻璃板组件可设有适当的支撑物和导引条，其允许阵列被安装在反应器容器中并结合为水平和/或竖直堆。玻璃板的阵列的有用的堆可以为例如3-6个竖直堆叠的架和2-5个水平堆叠的架。

反应器的尺寸优选地使通过竖直循环实现充分生长有效性，同时避免过度内部压力。据发现，3至12m，优选地5至10m，最优选地7至9m的反应器液体高度提供最优结果。反应器的宽度(直径)，即在入射光的方向上，受到光通过正常高清浮法玻璃的透射率的限制，并且通常不大于2.5m，优选地不大于2.0米；适当的反应器宽度为例如在1和1.5m之间。如果期望，可以堆叠多个反应器容器，以进一步提升规模并提高生产性能。优选的是反应器由钢制成，特别是涂层钢或不锈钢。

在有利的实施例中，反应器液体可混入有泡沫状物体，其随循环的反应器液体一起移动以清洁玻璃板的光射出表面。例子是海绵状物质，例如海绵由三聚氰胺树脂制成，尺寸为从例如10mm直到30mm，在位于向上流动部分的反应器的底部引进并在反应器的顶部收集。在反应器的操作中，定期切换向上流动通道和向下流动通道以允许两个部分都被清洗。

用于竖直地循环反应器液体的设备由竖直地布置在多组玻璃板之间的空间的一部分下方的气体进口设备方便地提供。特别地，若干玻璃板之间的空隙的一半数目空隙定位在打开气体进口的反应器容器的底部的一部分之上，由此提供反应器液体的向上流动通路，并且另一半数目空隙定位在关闭气体进口的反应器容器的底部的一部分之上，由此提供反应器液体的向下流动的部分。有优势地，气体进口以多行的形式设在双层玻璃板之间空隙的下方。向上流动和向下流动通道可以交替地运行，或者可以有多个向上流动通道，接着是多个向下流动通道。

光源包括安装在太阳追踪系统上的反射镜，其将阳光反射到玻璃板的平的侧面上。这样，在白天期间，阳光在恒定的角度下被反射到插入在反应器的气体提升环路通道中的玻璃板的暴露在反应器外部的部分上。

为了降低阳光的加热影响，光源基本上只传输波长在400和700nm之间的光。这意味着抵达玻璃板的波长小于400nm和大于700nm的光的光强度(以烛光表示)小于波长为400至700nm的光的光强度的50％，优选地小于20％。为了该目的，反射镜有优势地以这样的方式设有涂层：波长在400至700nm之外的光被涂层吸收而不被传递至反应器。技术人员能够从商品中选择合适的UV吸收介质和IR吸收介质。

供给到反应器容器中的气体应该包括藻类生长和光合作用所需的二氧化碳。气体源包含至少0.5％(体积)的CO₂，优选地至少5％，更优选地至少10％，最优选地至少30％(体积)的CO₂，余下的为任何气体，特别为氮气。二氧化碳源可以为产自燃料燃烧炉的燃烧后排放的气体，或者液体CO₂或固体CO₂源，或类似物质。如本领域已知的，可以将诸如磷、氮、钾和微量营养元素的营养素添加到反应器中。

本发明还关于一种生产诸如藻类油的藻类产品的方法，包括如上所述的在反应器容器中培植藻类并且如本领域自身已知的按照空气提升环路反应器进行操作。使用本领域已知的方法参数，全部光合作用微生物，包括绿藻、红藻、蓝藻细菌等，能够在本发明的反应器容器中生长。藻类能够被收获和隔离，或者藻类产品，特别是生产能源“生物柴油”或食物源(长链多不饱和脂肪酸)所需的脂肪能够在不分离藻类的情况下被採集。通过本发明的方法能够生产和分离的其他通常已知的藻类产品包括藻类蛋白质和糖类、类胡萝卜素及其类似物。

附图描述

图1示意性地示出了反应器的在竖直平面中的剖面图，示出了其基本部件。反应器容器(1)用于生长藻类。其具有通过切换气体混合流(6)的供给(4)和(5)能够交替的互换向上流动通道(2)和向下流动通道(3)。液体向上流动和向下流动被竖直板(7)隔开，容器中的水位指示为(8)。为了使这个反应器适于藻类生长，在向上流动和向下流动通道中安装竖直玻璃板(9)。泡沫状物体(10)在向上流动区域内向上移动以用于清洁玻璃板。

图2示出了具有光反射系统的反应器的在水平平面中的剖面图。示出了向上流动区域(2)和向下流动区域(3)中的竖直多对玻璃板(9)。这些板的前部(11)从反应器壁(12)伸出暴露给光源(13)。这些玻璃板(9)用于将光传递到反应器中，由此传入的光线对于反应器(1)内的藻类(14)的生长是必需需要的。玻璃板由在中间具有涂层(17)的玻璃板(15)和玻璃板(16)构成，其涂层中混合微小颗粒，该微小颗粒起到散射作用，从而将光散射后进入液体中。

在太阳追踪系统(19)上安装一组反射镜(18)以在白天期间在恒定角度下将阳光反射到插入在反应器的气体提升环路通道中的玻璃板的暴露在反应器外部的部分上。为了减少阳光的加热影响，反射镜(18)以这样的方式设有涂层(20)：只将藻类生长所需的在400nm和700nm之间的波长反射到反应器。

图3更详细地示出了一组双层玻璃板。该组玻璃板(21)由两个双层玻璃板(9)构成。该组玻璃板包括在中间具有散射微粒层(17)的四个玻璃板(两份15、16)。两个玻璃条(22,23)被定位并密封在内玻璃板之间。

图4作为水平截面图(或俯视图)示出了包含多组双层玻璃板阵列的架。多组双层玻璃板(21)安装在架中，该架具有侧壁(33)和包括位于多组玻璃板之间的间隔条(34)的前壁和后壁。

图5透视地示出了该架。架(30)包括侧壁(33)和用于将玻璃板分隔并成为前壁和后壁部分的条(34)。架具有上部(31)和下部(32)，用于支撑玻璃板，并用于允许架被堆叠。在架的顶部上安装用于将架提升装入和移出反应器容器的可拆卸装置(35)。

图6示出了包括如图5中所描绘的八个架(30)的堆叠的反应器(40)。堆叠的反应器具有底部(41)和顶部(46)，底部(41)包括气体分配器、液体/产品线路和液体/产品出口(未示出)，气体分配器驱动气体供应(43)相连的气体管(42)供给的气体产生气体提升使得液体沿着上升通道下降通道构成的环路循环流动(未示出)，顶部(46)包括液体进口(未示出)和气体出口(47)。气体供应(43)和气体路线(42)之间的三通阀(44)允许将气流从一个隔室变化到另一个隔室，由此将液体向上升通道改为下降通道，反之亦然。在例如维护或更换的情况下，由载体条(48)拉住的导引条(45)允许架(30)滑出和滑入堆叠的反应器组件。

模块中的玻璃板以这样的方式堆叠：他们形成从堆叠反应器的顶部到底部的连续竖直通道。上升和下降通道之间的分隔挡板(7)在玻璃模块的高度上延伸，以使玻璃模块顶部和底部的空间是敞开的。结果，反应器内液体(水和藻类的混合物)能够在顶部从上升流动通道循环到下降流动通道，并且在底部从下降流动通道循环到上升流动通道以形成封闭的循环流动通路。

尽管图6示出了单个架内两组模块，一组用作上升流动通道，一组用作下降流动通道，但是多于两组模块构成的架是同样可行的。例如，单一架内反应器组件可包括三组模块，一组模块用作上升流动通道使用，一组模块用作下降通道使用，而能够被关闭的第三组模块进入维修等；在这种情况下，阀(44)是能够被切换到三组模块或更多组模块中的任何一组模块的多通阀。

CO₂能够注射在空气或气体混合物中，这种混合气体驱动液体循环通路中流动并确保反应器中产生的氧气得以及时地排出反应器。在反应器中有液位控制(未示出)，并且由收获藻类和由于蒸发流失的全部水分在任何点(完全混合的系统)处被泵入反应器。营养素与补充水一起供给到反应器中。

Claims (15)

1.一种反应器容器，设有：

一个或多个液体进口和一个或多个液体出口；

在所述容器的底部的一个或多个气体进口，和在所述容器的顶部的一个或多个气体出口；

至少部分地浸入反应器液体中的竖直地间隔开的矩形双层玻璃板，所述双层玻璃板在中间具有光散射层并具有暴露到光源的平的竖直侧面；

其中多对所述双层玻璃板以10和200mm之间的距离平行地安装，所述距离由玻璃条提供，所述玻璃条具有基本上与所述矩形双层玻璃板相同的长度并且沿所述双层玻璃板的长侧布置；和

其中所述双层玻璃板之间的空间的一部分竖直地布置在所述气体进口的上方，由此提供反应器液体在所述双层玻璃板之间的竖直循环。

2.根据权利要求1的反应器，其中所述光散射层包括用作米氏散射物的非均匀性物或微粒，所述非均匀性物或微粒的尺寸在0.2-1.2μm的范围内，优选地在0.4-0.8μm的范围内。

3.根据权利要求1的反应器，其中所述光散射层包括用作几何散射物的有微观反射面的微粒，所述有微观反射面的微粒的尺寸在5μm至500μm的范围内。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的反应器，其中所述光散射层包括陶瓷基质，优选地二氧化硅，所述陶瓷基质包含所述光散射微粒。

5.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述玻璃板具有在10和30mm之间的厚度，所述光散射层具有在10和1000μm之间的厚度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述多对双层玻璃板竖直地间隔开在20和120mm之间的距离，优选地在24和80mm之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述气体进口与二氧化碳源相连。

8.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述光源包括安装在太阳追踪系统上的反射镜，所述反射镜将阳光反射到所述玻璃板的所述平的侧面上，所述反射镜优选地设有涂层以只反射波长在400和700nm之间的光。

9.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中反应器尺寸允许在5和10m之间的反应器液体高度。

10.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中泡沫状物体随循环的反应器液体移动以清洗所述玻璃板的光射出区域。

11.一组两个或更多双层玻璃板，所述双层玻璃板具有1至4m长，0.5至2.5m宽和20至60mm厚的基本上的矩形表面，并在中间具有光散射非均匀性物或微粒层，间隔20至200mm的距离平行地安装，所述距离由玻璃条提供，所述玻璃条具有基本上与所述矩形双层玻璃板相同的长度并且沿所述双层玻璃板的长侧布置。

12.根据权利要求11所述的一组双层玻璃板，其中所述光散射非均匀性物或微粒具有在0.2-1.2μm的范围内的平均尺寸。

13.根据权利要求11所述的一组双层玻璃板，其中所述光散射微粒是用作几何散射物的有微观反射面的微粒，所述有微观反射面的微粒具有在10μm至500μm的范围内的平均尺寸。

14.根据权利要求11-13中任一项所述的一组双层玻璃板，安装在架内，所述架具有允许多个阵列堆叠在反应器容器内的设备。

15.一种生产藻类产品的方法，包括在根据权利要求1-10中的任一项的反应器容器中培植藻类，有选择地收获所述藻类和隔离所述藻类产品，藻类产品例如藻类油。