CN107109321A

CN107109321A - 用于通过光生物反应器和至少一个光分配器生产光合培养物的设备

Info

Publication number: CN107109321A
Application number: CN201580065541.5A
Authority: CN
Inventors: 弗雷德里克·巴尔巴林
Original assignee: San Nor Leo Co
Current assignee: San Nor Leo Co
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-08-29
Anticipated expiration: 2035-12-02
Also published as: CN107109321B; WO2016087779A1; US10287538B2; ES2754265T3; EP3227427B1; AU2015356934A1; BR112017011702B1; FR3029209B1; AU2015356934B2; EP3227427A1; BR112017011702A2; US20170342361A1; FR3029209A1

Abstract

本发明涉及一种光合培养物生产设备，包括具有供应/排放装置的至少一个光生物反应器腔室，并且包括：‑包含光合培养物的含水液体；‑与管理系统交互的至少一个用于供应所述腔室流体和从所述腔室排放流体的装置；‑至少一个光分配器，包括：被布置为在近端处接收光的至少一个第一壁、被布置为出射至少一部分所接收的光的至少一个第二壁、以及由所述至少一个第一壁和所述至少一个第二壁限定的密封腔，至少一部分出射壁被浸入在包含光合培养物的含水液体中；‑至少一种流体，至少部分地填充所述密封腔；以及‑用于覆盖所述光生物反应器的装置，能够限制所述含水液体的蒸发。本发明的特征在于，所述覆盖装置具有至少一个开口，能够在所述光生物反应器的所述腔室中将所述至少一个光分配器保持在固定位置。

Description

用于通过光生物反应器和至少一个光分配器生产光合培养物的设备

技术领域

本发明涉及光合培养物生产设备的领域，具体地涉及借助光生物反应器的光合培养物生产设备。

背景技术

微藻的培养物是回收方法的核心。事实上，微藻是具体用于生产生物燃料、生物质、油、蛋白质、酯类或乙醇的替代源。此外，这些培养物可用于回收和净化废水、处理肥料排放物、处理来自某些工厂的CO₂、NO_x、SO_x。

然而，微藻的光合培养物的发展要求建立根据目标应用、工业操作条件、待培养的菌株、地理条件、气候条件或日照条件而进行调整的特定生产系统。

此外，在该领域中众所周知的困难与光到光生物反应器的穿透有关。实际上，在一给定的地面上，简易的水平水体，诸如“水道”(深度浅的具有大的开放式水池的光生物反应器)，仅仅部分地使用太阳能潜力，因为从几厘米深起，水根据其在微藻中的浓度的不透明度，限制了光的穿透深度。不能穿过不透明的培养基(或者藻水)的直射光的余量以热的形式被后者部分吸收，而不是用于微藻的生长，导致了水蒸发的问题。

此外，“水道”可产生与外部污染(细菌、捕食者、引入竞争藻类(concurrentalgae)等)相联系的问题，这损害生产。“水道”的另一个缺点涉及水蒸发率高。

为了克服这些问题，已经开发了具有精细水密层的光生物反应器。然而，为了防止改变微藻，冷却系统是必不可少的，使得培养物的管理更加复杂且使其输出减少。事实上，这些光生物反应器需要与所使用的水量成比例的复杂的管理设备，这意味着他们的工业化是不可能批量生产的。

开发了另一个实施例，在该实施例中，光生物反应器在内部使用光散射器，以增加用于生产微藻的有用的水量。

这些设备记述在国际申请WO2013/063075中，其中，LED被布置在光生物反应器内部，以增加光合培养物的输出。

此外，现有技术的某些生物反应器具有相对复杂的结构，并且有时使用复杂的光学器件来照射藻水。

这种类型的设备要求能量的供应，这增加了微藻培养的成本价。因此，太阳光通常是优选的。

文献WO 2012/152637公开了一种光生物反应器，其中，放置在培养室中的光散射器元件光耦合到人造光源，例如一个或几个LED。此外，该设备不适合于大尺寸的培养池，原因在于未填充流体的光散射器不能抵抗水的过大的静水压力。

国际申请WO 2009/116853具有一种光散射器的替代物，这里的太阳光被添加在透明刚性设备的罐体(tank)中，透明刚性设备包括被布置成接收太阳光的至少一个用于接收光的表面、和浸没在藻水中的被布置成出射至少一部分藻水中接收到的光的至少一个用于出射的表面。

除了使用具有厚而昂贵的壁的材料之外，这种类型的光生物反应器需要大量暴露于太阳辐射，这增加了藻水的蒸发，并且使得光合培养物的管理变得更复杂。

此外，不管所使用的罐体的类型如何，这种光散射器占据非常大的空间量。这使得在工业尺寸的光生物反应器中难以维护、更换和使用它们。

国际申请WO 2013/011448描述了光生物反应器，其中包括由耐牵引和耐压的柔性和透明材料制成的套筒的光分配器从支撑件垂直悬挂并浸没在藻类溶液中。该支撑件更优选地封闭池。因此，该支撑件必须具有支撑所有装满水的套筒的重量所需的机械阻力，这限制了池的尺寸。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺点，特别是提出了一种用于产生光合培养物的设备，所述设备包括形成具有供应/排放装置的腔室的至少一个光生物反应器，并且包括：

-包含光合培养物的含水液体，

-管理系统交互的至少一个用于供应流体和从所述腔室排放流体的装置，

-至少一个光分配器，包括：

-至少一个第一壁，被布置为在近端接收光，

-至少一个第二壁，被布置为出射所接收的光的至少一部分，

-由所述至少一个第一壁和所述至少一个第二壁限定的密封腔，

-所述出射壁的至少一部分被浸入在包含所述光合培养物的含水液体中，

-至少一种流体，至少部分地填充所述密封腔，

-用于覆盖所述光生物反应器的装置(5)，其能够限制所述含水液体的蒸发，

特征在于，所述覆盖装置具有至少一个开口，能够将所述至少一个光分配器保持在所述光生物反应器的所述腔室中的固定位置。

术语“包含光合培养物的含水液体”是指优选地是微藻的任何培养物；根据目标应用(例如蛋白质、油、乙醇、生物质的生产)和培养条件，具体而言是地理、气候和温度，来选择微藻。此外，术语“包含光合培养物的含水液体”可用“藻水”代替，而不影响本申请授予的保护的范围。

术语“流体”是指适合于光生物反应器的操作或光合培养物的开发的任何液体或气体。

术语“光分配器”是指具有至少两个壁的任何主体，其中第一个接收光辐射，优选地来自太阳的光辐射，第二个出射光辐射的至少一部分。优选地，所述主体是其高度沿着与所述光生物反应器的所述腔室所处的支撑平面垂直的轴线X延伸的圆柱体或圆柱体的变型。此外，所述至少一个光分配器的高度接近所述腔室的高度。也就是说，所述至少一个光分配器的高度介于所述腔室的高度的100％至85％之间。

术语“近端”是指对于所述至少一个光分配器的正常使用(即当其被插入轴线X的光生物反应器中时)而言最远离支撑平面的端部。

术语“远端”是指对于所述至少一个光分配器的正常使用而言离支撑平面最近的端部。

术语“覆盖装置”是指能够(优选密封地)封闭所述光生物反应器的上表面以便形成密封腔室的任何装置，例如盖子、防水布或任何其它技术上等效的装置。此外，覆盖装置可以是透明的或不透明的、着色的，并且可由切口和聚合物制成的连接条制成或者可以是一件式的。

有利地，在所述覆盖装置的所述开口的至少一个边缘与所述至少一个光分配器的浮凸表面之间进行形态配合，以便将所述至少一个光分配器保持在所述光生物反应器的所述室中的固定位置。

优选地，所述至少一个光分配器的所述光接收壁布置在由所述光生物反应器的所述腔室限定的体积的外部。

换句话说，所述至少一个光分配器的至少一部分未被所述覆盖装置覆盖，并且超过所述覆盖装置，使得由所述覆盖装置形成的平面将所述至少一个光分配器的所述至少一个第一壁与所述至少一个第二壁隔开。

有利地，使用以下公式确定所述至少一个光配光器的数量(nb_distributor)、浸入高度(H_distributor)和不同光分配器之间的间距(d)：

在表面为S_enceinte(m²)的圆形或矩形横截面的腔室中，

ξ：与所示室中的水的总体积相比，光分配器占据的体积分数。

分数ξ优选在0.6至0.8之间。

D：光分配器的直径(m)。

上述方程式不考虑边缘效应。

H_distributeur：光分配器(浸入部分)的第二壁的高度(mm)

q_solaire：晴天的入射通量(μmole of photons/m².s^-1)，

q₂：在光分配器的光出射壁处所需的用于给定菌株的微藻的良好产量的光通量(μmol/m².s^-1)。

η：在光分配器的第一光接收壁和第二出射壁之间的透射输出。

高度H_distributeur可以在1米到12米之间，优选地在4米到8米之间，而光分配器的直径可以在1米到3米之间。

d：两个光分配器的纵轴X之间的距离(以米为单位)。

优选地，所述至少一个光分配器设置有用于供应和提取流体的装置。所述用于供应和提取流体的装置能够彼此独立、部分或完全不区分。

优选地，至少部分地填充密封腔的所述至少一种流体由水和空气组成。因此，所述至少一个光分配器在藻水中的浸没由所述至少一个光分配器的所述腔中存在的水/空气比控制。

此外，至少部分地填充所述密封腔的所述流体能够对所述至少一个光分配器的内部体积加压，从而密封所述开口的边缘与所述至少一个光分配器的浮凸表面之间的形态的配合。

此外，所述的光分配器漂浮并且使得能够将所述覆盖装置支撑在藻水平面的上方，有利地在10cm和50cm之间的距离处。因此，在本发明的这种实施例中，光分配器作为浮子，将所述覆盖装置维持在藻水平面的上方。将所述覆盖装置维持在藻水平面的上方允许在藻水的表面与覆盖装置之间的气体的循环。本发明的设备的这种实施例使得能够克服在藻水平面上方使用刚性支撑件，以及随之产生的承载能力的问题。因此可使用而不限制大尺寸的培养池。因此，覆盖装置可以是非刚性结构，诸如简单的防水布。

有利地，所述至少一个光分配器设置有在远端处的锚定装置。

术语“锚固装置”是指在光生物反应器底部的任何附着或未附着的质量块，所述至少一个光分配器与光生物反应器的底部之间的任何连接装置，诸如绳索、链条或本领域的技术人员已知的任何其他装置，其能够将所述至少一个光分配器固定在期望位置。

根据另一特征，所述至少一个光分配器的所述壁由至少一个柔性膜形成，更优选地具有高度的透明度和抗弹性。这种柔性膜可由聚合物制成，例如聚乙烯、聚丙烯或聚酰胺、或PVC，或具有互补性质的多层聚合物制成。

因此，根据该特征，所述至少一个光分配器可膨胀/收缩。也就是说，为了获得其使用形态，所述至少一个光分配器使所述密封腔填充有流体，具体而言填充水和空气，并且具有高于大气压力的压力，优选约50百帕斯卡。

此外，膜的聚合物可在整个表面上或局部表面上具有一定程度的氧气密封，以限制光散射器的壁的孔隙率。根据光散射器的近端部分的空气管理的改进，可保持几个通道。要么尽可能地限制与外部环境的气体交换，以减少空气供应，以便将光散射器保持在其浸入水位。在该溶液中，氧气的孔隙率例如可以小于0.1cm³/m²·day^-1。或者相反，为了便于将氧气从藻水中排放到光散射器的水中。

此外，当所述至少一个光分配器的所述密封腔不包含流体时，具体而言，当其被储存或尚未安装在所述光生物反应器中，所述至少一个光分配器可被折叠、卷起，以便限制它占据的空间。

有利地，所述聚合物制成的膜在其制造过程中接受或包括来自以下各项中的至少一个内部和/或外部表面处理：防滴、防尘、紫外和/或红外过滤器、紫外线稳定剂、散射效果、半反射、疏水性、防尘、防藻类(例如：钛氧化物)。

例如，使用钛氧化物的处理使得能防止在接收日照的第一壁上形成能够扰乱所述至少一个光分配器中的光的通道的冷凝水滴，并且在第二壁上防止“积垢”现象，即在壁上沉积藻。

使用长红外过滤器对内表面进行处理使得能在光分配器中保留长红外线，以便通过温室效应来加热内部。

抗紫外线处理使得能防止紫外线对光合培养物的破坏。

半反射处理允许通过“镜面效应”将光线更好地传播到光分配器的远端部分，其中固有光吸收必须不能超过10％。这种局部处理位于光分配器的密封室内部的第二壁上的近端侧，并且可通过浸泡或喷射金属材料来执行。

根据另一特征，所述光生物反应器包括至少一个用于利用供应的CO₂起泡的装置，布置在所述光生物反应器的所述腔室的底部的至少一部分上，以允许永久搅拌包含所述光合培养物的含水液体。

术语“起泡装置”是指本领域技术人员已知的能够在所述腔室内(尤其以气泡的形式)供应气体的任何装置。

附图说明

在参考附图阅读以下描述时，本发明的其他特点、细节和优点将变得显然，附图显示出了：

-图1公开了根据本发明的实施例的3D表示，

-图2公开了没有覆盖装置的光生物反应器的实施例的3D表示，

-图3是安装在根据本发明的光生物反应器中的通过覆盖装置保持在固定位置的光分配器的实施例的详细视图，

-图4是光分配器的实施例的纵向截面，

-图5是覆盖装置的一部分的实施例的俯视图，

-图6是所述光分配器的实施例的近端的示图，

-图7是与通过用于供应和从光生物反应器提取/排放流体的网络的实施例的支撑件形成的平面正交的示意性横截面，

-图8公开了根据本发明的包括数个光生物反应器的用于生产的大规模设备的实施例的三维示表示。

为了增加清晰度，相同或相似的元件在所有图上用相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出了本发明的实施例，其中用于产生光合培养物的设备1包括至少一个光生物反应器2，其形成具有供应/排放装置4且能够包含藻水的腔室3。

作为实例，腔室可以是天然的空腔，诸如湖泊、池塘，或在海洋中或人造的，由混凝土、钢铁、土工膜等制成。它可被涂成白色，从而允许反射光，涂覆有防水的材料和/或与内部和/或外部绝热的材料。

所述光生物反应器可具有立方体、平行六面体、圆柱体、球体、锥体、棱柱体的形状或它们的任何变型。优选地，将选择其尺寸适于工业生产光合培养物的平行六面体或圆柱体形状。例如，对于平行六面体光生物反应器：100m×30m，8m高；或者对于小的圆柱体光生物反应器：直径7m，高4m以上。当然，光生物反应器的尺寸必须根据所希望的工业设施的类型来确定和调整。

优选地，所述光生物反应器位于地面以上；或者为了限制由这种设施占据的空间，它可以被局部掩埋。它可放置在排放CO₂的工厂、废水处理厂、甲烷化器/沼气池的附近，放置在回收(沼气、热电联产、堆肥、回收CO₂)的构架中。此外，它可以放置在靠近海洋的干旱土地上或沙漠中，以便供应水。

所述腔室3在其近端被覆盖装置5覆盖，所述装置5具有足够的抵抗力，以便一旦安装，至少能够容忍人的重量。例如塑料篷布或聚合物层的组合，或通常用于覆盖帐篷或拖拉机-拖车卡车的具有PVC涂层的聚酯类型的防水织物。

覆盖装置5的厚度例如为0.6mm，重量约600g/m²。此外，覆盖装置5在其周边具有用于附接的装置21，以便在腔室3的壁上考虑密封/防水应用。这可以是例如具有张紧器在其中穿过的孔眼的接缝，或者金属管插入其中的护套。此外，可能有利的是，其密度小于1，使得它可以浮动，以便于安装。

所述光生物反应器2设置有至少一个光分配器6。

所述至少一个光分配器6更优选地为管状、圆柱形，根据轴线X纵向延伸，其尺寸适应于光生物反应器的尺寸。

光分配器6的管状形状被保留，因为相对于其他几何形状，即使是大尺寸，它在工厂中也简单且容易地被执行。

所述的至少一个光分配器或“罐体”或“球囊”6由更优选由聚合物制成的柔性膜来限定，能够改变所述至少一个光分配器6的体积，诸如可膨胀/可收缩的罐体，并且具有至少两个壁，至少一个第一壁7布置成在近端处接收光，至少一个第二壁8布置成出射至少一部分所接收的光。

柔性膜更优选地稍微可伸展并且不具有弹性，以最小化在罐体6的管状部上膨胀的现象。膜的厚度可以例如为200μm。允许实施光分配器6的密封腔的膜可包括结合(welded)在一起的多个部分。例如，具有两个焊接端部的长管状部。特别是用于温室的许多透明膜是非常经济的，因为它们通过吹膜挤出或共挤出大量制造。这些制造方法是非常有利的，这是因为不仅生产成本最低，而且它们还使得能够形成组合了不同特性的多层膜。本领域技术人员将完全知道如何使用这些已知的方法，来制造适合于构成光分配器6的壁7和8的透明膜。

此外，膜7、8的总的光透射度更优选地大于90％。聚合物的散射效应必须尽可能低地改变其光透射度。光的透射是膜的重要性质。但是，必须在直射光与非直射光(也称为散射光)之间进行区分。太多的直射光可能导致微藻的破坏，并且特别是在太阳辐射较高的地区中，经由热量形式的吸收而损耗。将矿物填料植入到膜的制品中使得能够获得变得更散射和更均匀的光的更好的分布。此外，共聚物(EVA型)具有阻挡长红外辐射和减缓温度下降的功能。

光分配器的近端部中的光接收壁7优选地为略穹顶形。这种形状允许在整个白天相对于太阳的位置更好地捕获光。

使用以下公式确定光分配器6的尺寸、数量以及各个光分配器6之间的距离：

其中：

H_distributeur：光分配器6的第二壁8(浸入部)的高度(m)

D：光分配器6的直径(m)。

q_solaire：晴天的入射通量(μ摩尔的光子/m².s^-1)，

q₂：在光分配器的光出射壁处期望用于给定的微藻菌株的良好产量的光通量(μmol/m².s^-1)。

η：在光分配器的第一光接收壁7与第二出射壁8之间的透射输出。

nb_distributeur：光生物反应器的腔室3中的光分配器6的数量

S_enceinte：矩形或圆形横截面的腔室的表面(m²)

ξ：与腔室中水的总体积相比，光分配器占据的体积分数。

分数ξ优选在0.6至0.8之间。

d：两个光分配器的纵轴X之间的距离(以米为单位)。

出于说明的目的，对于艾普西隆ξ等于0.6857的分数，当各个分配器的直径D为2米时，2个直接相邻的光分配器的纵轴X之间的距离d为2.30m，这是诸如图5所示的壁之间的间距为30cm。

距离d可以在例如1m与3m之间。

值艾普西隆ξ也表示在近端部分中，相对于光生物反应器2的总表面而由所有所述光分配器覆盖的表面。例如，A＝0.667，腔室3的2/3的表面被光分配器6的第一壁7覆盖，剩余的三分之一被覆盖装置5覆盖。对于分数ξ在0.6至0.8之间，所述光分配器中所含的水因此相当于约60％至80％的腔室3中的水的总体积(水量)，海藻水将相当于20％至40％的水的总体积。

当然，在本申请中所提到的光生物反应器2和所述至少一个光分配器6的尺寸不是穷举的，并且可以根据所寻求的人体工程学所实现的性能而改变。

光分配器的数量可以例如在每个腔室3为1至10,000之间。光分配器6在腔室3中彼此等距离地布置，诸如图5所示。这种布置形成了以交错方式放置的一连串的行，即相对于前一行和随后的一行，一行偏移了两个光分配器之间的距离的一半。这种布置优化了藻水体积中有用的光表面。

将光分配器引入藻水中的优点主要是为了管理大量的太阳的过多光通量。在“水道”型的水池中，在晴天中，光量直接到达水平的水体。如果光子数量的一部分被光合作用吸收，则大部分的光能量将以热量形式丢失。事实上，微藻达到特定阈值不再吸收过量的光，相反，这可能产生光抑制。另外，表面上的过高水温能抑制微藻的生长，并且很多水通过蒸发而丢失。三维方法使得能够通过将光通量散射到最大表面区域上，以此种方式增加被微藻捕获的光子的量来克服这些问题。而且，光对罐体6的远端部分的穿透对于以下是至关重要的：良好的光合生产，导致具有适当特性的膜的好处，该适当特性使得能够尽可能最佳地捕获太阳的光通量并尽可能均匀地将其散射在第二光出射壁8的整个表面上。

光量q_solaire根据生产现场的安装位置的地理纬度而变化。法国夏天晴天的照度是80,000Lux，这是约1,350μmol/m².s^-1的入射通量。微藻仅需要几μmol光子/m².s^-1甚至几十μmol/m².s^-1以超过呼吸作用与光合作用之间的补偿点，并且从此开始增加和繁殖。文中的下表包括了有关根据光通量的强度的各种微藻日产量而发表的各种研究结果：

虽然研究往往是在实验室中以小体积进行，但是对于给定照度的生产性能的差异是很大的。然而，某些研究表明好的体积产量(volume production)仅具有几十μmole光子/m².s^-1的低照度。Roncallo&al.(2012)的研究之一给出了在25cm直径的垂直柱的光生物反应器中，微藻中微拟球藻属的最大浓度在仅约34μmol/m².s^-1(2000Lux)的照度下为37.5×10⁶细胞/ml。Ramanathan&al.(2011)的研究之一表明了在直径4.5cm的垂直管中，针对仅仅21μmol/m².s^-1(1200Lux)的照度，角毛藻的日生产达到了1.7g/m².day^-1。

在目前的文献中，以g/m².day^-1为单位的表面生产的产出是不同的。结果的范围从几克每m².day^-1到130克每m².day^-1。例如印度的Sudhakar&al.(2012)的研究表明了水道类型的常规水池中的表面产出在两个单独的生物质生产地点中平均值为73g/m².day^-1和76g/m².day^-1。

以具有上述值D和q_solaire的等式(2)作为实例，从在第二壁8的表面处出射的光量q₂为足以使给定的微藻菌株生长良好的例如85μmol/m².s，且在罐体6的密封腔中的透射输出η为80％开始，光分配器的第二壁8的高度H则为6m。

光分配器6的水柱的高度内的可见光辐射的吸收应尽可能的低，以保持光的良好的输出透射率η。也就是说，拥有最低浊度的过滤水。在水中，在600至700μm之间的波长范围内的红光比蓝光(400至500μm)更快地被吸收。在10米的深度处，在清澈的水中仍然可获得约80％的蓝光，而红光将被完全吸收。但是，所有的微藻光合作用于蓝光等。本领域技术人员显然将根据腔室3中所希望的水的高度来考虑到这一点。例如，对于硅藻来说，生产脂质青睐于蓝色波长，正是那些被水吸收最慢(least quickly)的那些。罐体6的密封腔中所含的水可以是淡水或海水。海盐中含有的大多数物质对光在水中的吸收影响不大。非常透明的海水的吸收光谱与蒸馏水的吸收光谱之间几乎没有差别

最大量的300μmol/m².s^-1的光子可被分布在罐体6的第二壁8的表面上。对于在地理纬度处的给定量的PAR(光合有效辐射，以μmol/m².s^-1或W/m²表示)，腔室3中可获得的光子的平均数量显然取决于光分配器的与其深度成比例的直径，该量使用公式(2)计算。

此外，微藻在藻水中的最大浓度要适应最佳的日光合生产。半连续生产模式是有趣的。它包括将细胞密度集中到固定相，即微藻在培养基中和给定的照度下不能再进行任何进一步生长的阈值。在该饱和阈值下，对藻水的一部分的取样通过用于排放的装置4进行，以便过滤并从中回收生物质。Shih-HsinHo&al的研究(2014年)表明相比每2天10％的采样，每5天90％的藻水量的采样(分别为对照0.20g/L/天的0.67g/L/天)可允许微藻类中链带藻属有更好的日体积产量。收获的频次将取决于给定的微藻菌株生长的快速性，以便达到饱和阈值，以及在每次收获时采样的藻水的量。

可基于理论上的体积生产率计算生物燃料的生产，数字如下表所示：

生产的天数：	300	days/year
			分配器6的直径D：	2	m
分配器6的高度：	6	m
			分配器6的出射表面：	40.86	m²
分数值艾普西隆：	0.7495
			分配器(在轴线X处)之间的距离d：	2.2	m
分配器的数目/ha(等式2)：	2,386
			每公顷m²表面的数目：	97,490	m²/ha
藻水的体积：	16,539	m³/ha
			水道深度等值：	17	cm
分配器中的表面产量：	60	g/m²/j
			生物质体积产量：	0.354	g/L/j
未占有陆地的百分比(路径等)：	15％	par ha
			每公顷生物质产量：	1,492	T/ha/year
生物质中的脂质的百分比：	30％
			每ha生物碳化物的年产量：	508,000	L/ha/year

在替代实施例中，第一壁7的直径可不同于第二壁8的直径。

在本发明的另一替代实施例中，接收光的第一壁7由聚碳酸酯型的刚性塑料制成，第二壁8为柔性膜类型的。两个壁7、8之间的接口被密封。此外，两个壁可分开进行存储和/或维护。

此外，根据另一个实施例，所述罐体6在其近端处设置有用于起重的环或任何其他技术上等同的装置，其能够在所述腔室3中提出所述罐体(更优选以其收缩的形式)。

此外，所述罐体6在其近端处设置有用于供应和排放的单独装置11，其能够填充和从由壁7和8限定的密封腔中提取流体，诸如在图3中示出的。这些装置可以插入焊接到罐体6的壁7上。这些插入件包括内部龙头(internal tapping)，以便允许连接到管路，并且可根据要循环的流体的类型而具有不同的尺寸。

在优选的实施例中，导入到密封腔中的所述流体是水和空气，能够控制所述至少一个光分配器6在藻水中的浸入。包含在密封腔中的水尽可能的清澈且被过滤，用于在表面上以及在深处具有良好的光透射性。

在另一个实施例中，所述至少一个光分配器6具有由透明膜隔开的两个密封腔，一个在近端部分中针对空气，一个在远端部分中针对用于浸入的水。

此外，为了以“鱼浮”的方式，沿着平行于轴线X的平面，保持浸入的所述至少一个光分配器6，所述至少一个光分配器6在其远端设置有质量块(mass)10。所述质量块10可由金属、混凝土或由填充有砂的模制塑料制成的胶囊制成。质量块的形状优选是平坦的，以便沿着垂直轴X占据最小的空间。

根据替代实施例，所述质量块10可以：旋进插入件中，沿着位于所述至少一个罐体6的远端处的线(line)悬挂，或更优选地，位于穿过所述罐体6的引导件9的端部处，或其它技术上等同的装置。

在优选实施例中，用于供应和排放的所述单独装置11包括用于供应水的装置11a，用于排放水的装置11b，用于供应空气的装置11c和用于逸出空气的装置11d，这些装置11可以由阀、止回阀或本领域技术人员已知的其它装置组成。图6和图7示出了这种布置。因此，这样的布置使得能够在维护阶段期间与用于供应和排放特定分配器6的管路隔离，而不会损害所述用于生产的装置1的其它光分配器6。

此外，如图2和图7所示，所述用于供应水的装置11a设有长管13，该长管13基本上沿着纵向轴线X延伸并且通向所述罐体的底部；所述排放水的装置11b设有有短管14，短管14通向由水和空气之间的界面形成的平面下方，例如在所述平面的10或20cm处；所述用于逸出/排放空气的装置11d设置有排气管15，排气管15通向形成水和空气之间的界面的平面以上。该排气管15能够通过控制罐体6中的空气的体积来建立罐体6在藻水中的浸入深度。优选地，所述短管14、长管13和所述排气管15附接到所述引导件12；此外，所述用于供应空气的装置11c以及用于逸出/排放空气的装置11d可不区分(confounded)，如图2、图4和图6所示。

用于供应和排放空气的装置11c和11d是用于吸收在光分配器6的近端部分内的密封腔内的空气的膨胀或收缩的简单物理装置，而不管日常气象温度的波动。因此，近端部分中的空气体积保持恒定，从而提供了所述罐体6在藻水中的良好浸没。

此外，原木供应管(log supply pipe)13也可被用于排空罐体6。在这种情况下，优选地，它将在其整个长度上被规则地穿孔，以便更好地排空所述罐体6，并且因此防止所述罐体的壁与管13之间的过快的堵塞。另一个解决方案是管13在其端部设有吸入过滤器。

可选地，排气管可具有不同的长度，以便在光生物反应器2中例如两排罐体6之间获得高度上的偏移。这可能是特别有趣的，以创建覆盖装置5的轻微斜坡，并且这样方便排放雨水。因此，例如，覆盖装置能够在光生物反应器的中间处比各边上距离远端部分更远。该下降可以是轻微的，更优选小于2％。

可选地，用于测量光分配器6的密封腔中包含的水的高度的水位仪连接到外部管理电子箱(未示出)。该水位仪可以是固定的传感器，或被插入在引导件12上或长管13上。

用于排放的装置4与所述用于供应和用于排放的装置11的连接件经与经由连接多个光分配器6(例如四个罐体)的斜轨(ramp)10进行管理的装置进行交互。然后在腔室的边缘处，斜轨连接到用于管理的装置，该用于管理的装置连接例如泵房和罐体的水和空气的过滤处(filtration)。对于一个大型的腔室，每一排的罐体都是例如由经由柔性管端对端连接在一起的多个斜轨来供应。而且为了便于以局部方式进行维护，阀门20被放置在罐体的各排的端部，并且可从腔室的边缘进入，以将有问题的排与其余的管路隔离。

可选地，如图4所示，所述至少一个光分配器6可设置有至少一个额外的保持装置19，使得能够使其壁坚硬(使光分配器6保持管状外观)并且防止第二壁受到穹顶影响。这些装置19可在光分配器6的高度上有间隔的束牢或者是局部超厚的第二壁。

如图7所示，所述光生物反应器包括至少一个用于起泡气体的装置9，气体更优选地为空气，特别是另外供应CO₂(可能供应营养物质)，装置9布置在光生物反应器2的腔室3的底部的至少一部分上，以此方式允许永久搅拌包含所述光合培养物的所述含水液体，并将由光合作用产生的氧排出藻水的外部，从而使得能够防止氧的高度过饱和以及因此微藻的生长抑制的风险。为此，气泡的上升速度可优选为介于0.3至0.35m/s之间。

此外，优选地，所述至少一个用于起泡的装置9的放置不与所述至少一个光分配器6一致；它被放置在例如两个光分配器6之间。

此外，在m²处的用于起泡的装置9的数量的增加具有防止“螺旋流”的现象的优势。这种由气泡升高产生的藻水的上升流现象加速了气泡的通道速度，并影响气体交换。将它们之间的用于起泡的装置9带到一起打破了“螺旋流”的风险。

藻水中的扩散的空气可含有的CO₂的浓度显著大于大气中CO₂的浓度(400ppm)，具有降低通风的需要及其成本的目的。例如，以1000ppm供应的空气中的CO₂的比例将足以使通风的需要和成本近似地除以2，而不会影响氧的适当排放。用于生产的设备1与排放CO₂的工厂的接近，或者来自集成到用于生产的设备的生物质沼气池的CO₂的供应是一个明智的选择，从而优化生产成本。

用于起泡的装置9可包括由EPDM制成的膜扩散器，其允许具有细小气泡的通气。它具有固定在供气网络上的盘的形式。用于处理工厂的水池的通气的标准空气扩散器能够适用，只要它们适配于所述光生物反应器的水柱的压力即可。

此外，在替代实施例中，除了用于起泡的装置9之外，还可以与例如螺旋桨一起使用机械搅拌装置。

可选地，一个或多个LED灯可放置在光分配器6的密封腔中，例如沿着引导件12，并被电连接。这样的LED灯使得能够增加微藻的每日光合产量。LED灯优选地浸没在罐体6的水中，以获得更好的光散射。它们可具有几瓦特的功率，并且优选的，在光合作用期间以叶绿素吸收的波长范围(400nm-700nm)发光。这种照射可在日照很少的日子里补充自然光照，并且/或者在晚上运行，已知的是，可以根据与微藻的生物周期相关的顺序进行中断。

如图3和图5所示，光生物反应器2的腔室3的所述近端的覆盖装置5设置有至少一个开口16，其能够在光生物反应器2的所述腔室内容纳所述至少一个光分配器6并将所述至少一个光分配器6保持在固定位置。因此，如果有必要，可以更换光分配器6，而不必接触所述覆盖装置或其它光分配器6。

如示出替代实施例的图6所示，所述至少一个光分配器6保持在所述至少一个开口16中，这通过在所述至少一个光分配器6的表面浮凸17与所述开口16的边缘18之间的机械形态的配合来实现。

所述表面浮凸17可以是所述至少一个光分配器6的壁中的阴浮凸，诸如其中容纳边缘18的凹槽或凹部，或者一系列阳浮凸，诸如围绕所述边缘18的轨道或隆起，诸如图6所示。

在替代实施例中，所述表面浮凸17可以是焊接在壁7和8之间的中间护套。可以将一个或多个柔性条带或半刚性轮廓插入到护套中，以便形成准备容纳在所述开口16中的隆起或预应力环。

此外，表面浮凸17可以是独立于光分配器6的密封腔的可膨胀护套。

有趣的是，所述至少一个罐体6内的所述流体产生过压，使所述至少一个光分配器的壁变形。这使得能够在所述至少一个光分配器6的壁与覆盖装置或防水布5的开口16的边缘18之间形成密封的配合。

在另一替代实施例中，所述至少一个光分配器6具有的直径略大于所述至少一个开口16的直径；因此当所述至少一个光分配器收缩时，在所述形态的配合期间，后者被开口16卡住。

在防水布5下，为了防止泄漏，通过用于排放的装置4，诸如沿着所述腔室3放置的管，进行水饱和的空气(或可能有乙醇)和氧的排放，而没有过压。这些气体可能被传送到房屋，以便从中回收水、热量和氧气。

因此，蒸发的水可流过冷凝器，使得能够在光生物反应器的操作期间显著减少水的供应。合适的设备可以冷凝超过90％的蒸发水，并且因此将其在腔室3的藻水中再循环。此布置方法而且可与空气/空气或/空气/水热量交换器或者热泵相关联，因为离开腔室3的更热和饱和的空气能容易地加热供应罐体6的水或负载有分布在藻水中的CO₂的空气。

根据替代实施例，用于排放的装置4可直接连接在防水布5上。

根据本发明，供应/排放装置4，诸如用于过滤藻水的出口，位于光生物反应器的腔室3的壁上，具体而言，在藻水平面下方朝向近端，以允许相对于所述至少一个光分配器6，在没有腔室的动乱的情况下进行填充。此外，藻水的排空/排水可通过与所述腔室3的底部交叉的排放网络来完成，例如在每个光分配器6下方。藻水还可经由合适的收集器连接一个储水或处理和过滤、离心和转化生物质工厂。

用于藻水、光分配器的水和空气、以及用于起泡的空气的供应和返回的所有收集器可沿着几个光生物反应器放置，沿着腔室3的外壁以一高度固定，被埋置，介于分离两个光生物反应器的两个壁表面之间，或者是分离两个光生物反应器的结构化墙壁凸出(structured set)的一部分。

此外，光生物反应器的腔室设置有传感器(水位、温度、组成、pH、盐度、浊度、O₂、CO₂等)、集成到用于管理的系统的仪表和自动控制设备。

在本发明的一个具体实施例中，用于开发培养基的营养物在过滤之后被注入藻水中，即注入返回到腔室3的管路上。

为了获得工业尺寸的安装，所述用于生产的设备1可包括多个光生物反应器2，其中的腔室3并排安装，如图8所示。在这种情况下，用于供应、提取和排放的装置以及用于控制和管理的装置和用于存储的装置可在各种光生物反应器之间或光生物反应器的组之间共享。

有趣的是，覆盖装置5和光分配器6的壁7使得能够在后者与藻水的平面之间获得温室效应。温室的原理是捕获不被微藻的光合作用所使用的过多太阳能的简单装置。以热的形式恢复，有助于培养基温度的整体上升。

在大量水中使用几米深的光生物反应器的机会有以下几个优点。首先培养基的温度稳定。微藻对温度变化非常敏感。美国James&Boriah(2010)的研究表明，由于更好的温度稳定性，即使是具有较低的亮度，在60cm深处的生物质的产量是10cm深的产量的大致两倍。因此，由于水的体积产生的惯性是非常大的，以抵消日常大气温度的振荡。

此外，包含在腔室3中的水的体积使得能够散发在近端部分由该温室效应捕获的热量，从而防止由于表面上的光照量太高而导致的过高温度。水柱的高度有些用作热量的蓄能器。因此，由太阳在m²上提供的光能甚至被光生物反应器进一步使用，通过延长收获季节来提高其产量。事实上，这种热量的积累并不会丢失，而是用于恶劣天气下微藻的生长。可对温室中种植的蔬菜和在野外种植的蔬菜进行类比：温室中的培养物允许类似永久性生产，而在野外只有几个月。另一个可能的类比，树脂玻璃盖下的游泳池的水温与不被覆盖的游泳池相比，保持的温度更高，并且在季节中保持的时间更长。

因此，腔室3的深度必须根据光生物反应器的地理位置进行调整，太阳能的量根据地球上的纬度而变化。例如，赤道上的浅水池将具有的藻水温度对于光合生长来说太高，因为热量的耗散太低。

另一方面，覆盖装置5和光分配器6的壁7经由将它们与水平面隔开的空气层而具有对险恶空气的隔离功能。因此，近端部分中的培养基的温度受日常气象条件(凉风、暖风、大雨等)的影响较小。

经由细气泡的通气搅拌藻水允许在水柱的整个高度上均匀化温度。而且，在光分配器6的密封腔内的水的循环是重要的，以便在腔室3中从上到下使温度均匀化。由太阳加热的表面水朝向光分配器的远端部分的缓慢且连续的循环通过供应和排放的单独装置11执行。

此外，密封腔的水的温度可通过加入或除去外部热量来调节，例如热量交换器或任何其他加热或冷却装置。因此，通过这种逆“水浴”，每个光分配器的调节温度被消散并依次调节腔室3中的藻水的温度。

实现根据本发明的设备

一种实现方法包括：通过逐渐地从腔室3的边缘将罐体6插入其中，将防水布5滑动到充满水的腔室3的上方。防水布5被教导保持在水的表面。罐体6放置在防水布5的第一排开口16中，并连接在一起。喷射空气，以便使它们漂浮腔室3的水中。而对于其它排等，同时使防水布5前进以最终覆盖腔室3。使防水布5与腔室3之间的连接水密。将水加入到罐体6中直到获得加压。尽管从这一刻开始，所述罐体6和开口16之间已经存在紧密度，但是后者的边缘18不嵌套在所述罐体6的表面浮凸17中。为此，空气被注入到防水布5下方，而罐体6中的空气/水比减少。防水布5下方的压力沿着所述罐体6的壁7升高开口16的边缘18，直到其嵌入浮凸17中。

根据另一个实施方式，可使用起重机或移动式龙门架，将防水布5安装在预先填充有水的腔室3的上方。所述罐体6使用专门为该任务开发的起重机或或移动式龙门架，穿过开口16放置。所述罐体6被部署、连接、填充低空气/水比的水和空气。然后通过加压拉伸所述罐体6的膜。所述罐体6中的空气/水比增加，这样使得它们升起防水布5。总体上，防水布5现在由所述罐体6悬挂。所述开口16的边缘18与所述罐体6的表面浮凸17之间的嵌套可使用适应于该目的的工具通过向下施加在防水布5上的力而发生。每个罐体6的水线可通过吹入空气进行调节，直到被为此而设计的管道15排出。可调节藻水和罐体6的水的水位，以便获得在腔室3的壁的边缘处略高的防水布高度5，以便于将雨水流向光生物反应器周围。

可以考虑实施例的许多组合，而不脱离本发明的范围；本领域技术人员将根据必须遵守的经济、人体工学、尺寸或其它约束来选择一个或另一个。

Claims

1.一种用于生产光合培养物的设备(1)，包括形成具有供应/排放装置(4)的腔室(3)的至少一个光生物反应器(2)，并且包括：

-包含光合培养物的含水液体，

-至少一个用于供应流体至所述腔室和用于从所述腔室排放流体的装置(4)，与管理系统交互，

-至少一个光分配器(6)，包括：

-至少一个第一壁(7)，被布置为在近端接收光，

-至少一个第二壁(8)，被布置为出射至少一部分所接收的光，

-密封腔，由所述至少一个第一壁(7)和所述至少一个第二壁(8)来限定，

-至少一部分所述出射壁(8)浸入在包含所述光合培养物的所述含水液体中，

-至少一种流体，至少部分地填充所述密封腔，

-所述光生物反应器(2)的覆盖装置(5)，能够限制所述含水液体的蒸发，

特征在于，所述覆盖装置(5)具有能够在所述光生物反应器(2)的所述腔室(3)内将所述至少一个光分配器(6)保持在固定位置的至少一个开口(16)。

2.根据权利要求1所述的用于生产光合培养物的设备，特征在于，执行所述覆盖装置(5)的所述开口的至少一个边缘(18)与所述至少一个光分配器(6)的表面浮凸(17)之间的形态的配合，以便在所述光生物反应器(2)的所述腔室(3)中将所述至少一个光分配器(6)保持在固定位置。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的用于生产光合培养物的设备，特征在于，所述至少一个光分配器的用于接收光的所述壁(7)布置在由所述光生物反应器(2)的所述腔室(3)限定的体积的外面。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于生产光合培养物的设备，特征在于，所述至少一个光分配器(6)的数量(nb_distributeur)和浸入高度(H_distributeur)及在不同的光分配器(6)之间的间距(d)使用以下公式来确定：

ξ：与所述腔室(3)中的水的总体积相比，由所述光分配器(6)占据的体积分数，

D：所述光分配器(6)的直径(m)，

S_enceinte：圆形或矩形横截面的腔室(3)的表面(m²)，

H_distributeur：所述光分配器的所述第二壁(8)(浸入部分)的高度(m)，

q_solaire：晴天的入射通量(μ摩尔的光子/m².s^-1)，

q₂：在所述光分配器的光出射壁处期望用于给定菌株的微藻的良好产量的光通量(μmole/m².s^-1)，

η：所述光分配器的第一光接收壁(7)与第二出射壁(8)之间的透射输出，

d：2个光分配器(6)的纵轴X之间的距离(m)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于生产光合培养物的设备，特征在于，所述至少一个光分配器(6)设置有用于供应流体和用于提取流体的装置(11，11a，11b，11c，11d)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于生产光合培养物的设备，特征在于，至少部分地填充所述密封腔的所述流体包括水和空气，所述流体能够对所述至少一个光分配器(6)的内部体积增压，从而使所述开口(16)的边缘(18)与所述至少一个光分配器(6)的所述表面浮凸(17)之间的所述形态的配合变得水密。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于生产光合培养物的设备，特征在于，所述至少一个光分配器(6)设置有布置在远端处的锚定装置(10)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于生产光合培养物的设备，特征在于，所述至少一个光分配器的所述壁(7，8)由聚合物制成的至少一种柔性膜形成。

9.根据前述权利要求所述的用于生产光合培养物的设备，特征在于，所述柔性膜在其制造期间接受或包括来自以下各项中的至少一个内部和/或外部表面处理：防滴、防尘、紫外和/或红外过滤器、紫外线稳定剂、散射效果、疏水性、防尘、防藻类。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的用于生产光合培养物的设备，特征在于，所述光生物反应器(2)包括：至少一个利用供应的CO₂起泡的装置(9)，所述至少一个利用供应的CO₂起泡的装置(9)布置在所述光生物反应器(2)的所述腔室(3)的底部的至少一部分上，从而允许永久搅拌包含所述光合培养物的所述含水液体。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的用于生产光合培养物的设备，特征在于，所述至少一个光分配器被漂浮并且使得能够将所述覆盖装置支撑在藻水的平面的上方。

12.根据权利要求11所述的用于生产光合培养物的设备，特征在于，所述至少一个光分配器使得能够将所述覆盖装置支撑在所述藻水的平面的上方10至50cm之间的距离处。