CN112654233A - 用于微藻培养罐的竖直流搅拌系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于生产生物燃料的微藻的培养。在这种背景下，本发明提出了一种用于微藻培养罐的竖直流搅拌系统，包括：能量产生源(1)；能量储存装置(2)；控制系统(3)；电动马达(4)；至少一个行程终端传感器(5)；搅拌盘(6)；转矩传递系统(7)；以及至少两个侧向驱动元件(8)。

Description

用于微藻培养罐的竖直流搅拌系统

技术领域

本发明涉及用于生物燃料的生产的微藻的培养。更特别地，本发明涉及微藻培养罐的搅拌系统。

背景技术

对于能量的世界需求持续增长，并且能够满足该增长的备选能量源的获得成为全世界的研究的主要焦点。除此之外，化石燃料的密集利用产生了关于环境恶化、气候改变和人口健康的严重问题。

存在若干可再生能量源，可利用其与那些源自石油的能量源一起形成能量矩阵的部分。在这种背景下，生物燃料显示出技术上和经济上可行的备选方案。

从植物油、从来自油炸的废油以及从动物脂肪生产了用于商用的生物柴油。由于脂肪酸的轮廓(profile)的质量并且由于这些油在农业部门中的可得性两者，植物油为生物柴油的生产中所采用的甘油三酯的重要的源。

然而，由于生产这些油的主要植物作物还供应用于食物工业的其他产品的事实，从植物油(诸如大豆、葵花和棉花)生产生物柴油与生产食物相竞争。因此，有必要发现并且发展不涉及其他工业部门的利益的甘油三酯源，目标是最大限度地减小与这些部门的竞争，因此确保生物柴油作为柴油的备选源的可行性。在这种背景下，微藻被提出为用于生产生物柴油的非常有前景的油源。

在与维管植物相同的方式下，微藻需要三个基本成分用于生长：光、水和营养物质。另外，微藻拥有超过维管植物的光合效率，带有植物生物质的快速生长和积累，也就是说，它们在较少的时间内每公顷生产较多的生物质。

例如，微藻的预期油/公顷生产率为棕榈的生产率的大约10倍，其被认为是在油方面生产率最高的陆地物种。因此，微藻为带有用于生物燃料(生物质、油、生物柴油、甲烷和氢)的生产的重大潜力的备选方案。

另外，由于其快速的生长，微藻是大气碳的有效固定者，其借助于光合作用在非常短的时间内固定大量的碳。据估计，生产的每公吨的藻生物质通过光合作用消耗大约两公吨的二氧化碳，这代表由油质作物吸收的碳的十到二十倍。

所观察到的进一步的优点在于从微藻生产生物柴油不与食物工业相竞争的事实，这是由于其需要较少的用于培养的广阔区域并且其可在不涉及农业的利益的区域中执行的事实。

由于它们自然地用作二氧化碳的固定者的事实，微藻的培养可与来自工业(诸如水泥工厂、炼油厂、造纸厂、纤维素厂以及钢铁厂和热功率单元，这些为二氧化碳的大规模排放者)的二氧化碳的排放的线路相关联。

二氧化碳的固定的本身将通过碳信用市场来对这些工业增值。除了碳的固定，微藻拥有用于从废水(诸如石化废水)中移除营养物质的巨大能力，从而协助污水的处理。

微藻的商业生产在开放系统和封闭系统两者中执行。封闭系统(命名为光生物反应器)为那些在培养物和外部环境之间不存在直接接触的系统。在这些系统中，污染的风险较低，并且对于过程条件(诸如营养物质的浓度、pH和温度)存在较强的控制。

在另一方面，光生物反应器的特征在于表面面积与体积的高比率，并且特征在于需要具有高能量消耗的冷却装置，这阻碍了其在大规模生产中的应用。在开放池塘中的培养系统中，存在与外部环境的直接接触，使得它对于污染更加敏感。

此外，表面区域和体积之间的比率呈现适中的值，并且该类型的系统的操作和维护的成本比封闭系统中发现的值低得多，使得它们对于大规模生产更加有吸引力。但是，即使在开放池塘中生产微藻的系统中，也存在着搅拌培养物以将细胞暴露于光的需要，而这需要能量。

现在，所利用的用于微藻的大规模生产的开放技术的类型被命名为跑道系统，其大体上由具有椭圆、浅的形式且在中间分开的砖石结构构成，以便形成两个平行通道，其中一个设有用于移动悬浮的生物质的搅拌器。搅拌器大体上借助于潜水泵送、空气注射构成或由桨轮构成。

跑道系统对于用于其操作的电能量呈现高需求，因为其搅拌器保持生物质悬浮以便将生物质的细胞暴露于光，并且此外，搅拌器促进了位于池塘中的流体的全部的循环移动。在该种方式下，存在对于能量的高需求，以便引起对这种类型的系统的有效搅拌，并且因此招致对于最终产品的另外成本。

竖直流搅拌系统为用来暴露培养物的细胞的另一种技术。搅拌器呈现布置在罐内的竖直结构的形式，其将罐的总体积分成可变体积的两个连续区段，仅在其下部末端处通过窄的连通物互连。竖直结构在其纵向方向上横穿整个罐，并且以连续的循环重复该过程。该系统相比跑道系统需要较少的能量，从而降低生产藻生物质的成本，然而，在大规模培养系统中，仍然需要使用电能。

现有技术中已知应用到微藻培养罐的不同搅拌系统。以下显示了这些系统中的一些。

文献US7763457B2描述了一种用于作为生物柴油源使用的藻的培养系统，包括以预定的距离将使彼此分开的屏障，诸如产生冯卡门旋涡的尾流以便将藻细胞顺序地移动到流的表面以接收太阳光。为了引起通过通道的流，利用桨轮来使流体移动通过通道。

文献WO2013153402A1披露了一种在跑道类型池塘中培养微藻的方法，其中通过一个或多个环境参数的改变来操纵藻的生理状态，诸如模拟藻的开花的条件和池塘本身的条件。可采用以具体的定时方式进行的一个或多个环境参数的改变以引起和保持同步的细胞分裂。根据该文献，为了保持微藻和水的流循环通过池塘，采用了定位在池塘的末端处的桨轮。

文献WO2008048861A2提出了一种用于在两阶段反应器中使用的藻的生产系统，包括由管道连接到培养反应器的指定用于具有高含油量的藻的生长的藻分离器。

根据WO2008048861A2，为了使微藻培养的流在塞流式反应器中保持恒定，在第二反应器中利用了桨轮。然而，没有提供关于这些装置的细节。

文献US9593302B1披露了一种用于微藻培养的分馏的方法，包括将处于水相的培养介质添加到罐、将生长的培养物转移到具有移除上部分的目标的装置，以及收集包含微藻的底部部分。所描述的罐包括移动培养物的装置，其中该装置尤其可为混合器、泵、成组的桨，但没有提供任何细节。

文献CN203668406U披露了一种借助于将空气注入到罐中的藻的培养物中来控制搅拌的装置，包括构造成带有曝气歧管(其设有电磁阀)的气体分配器。根据该文献，搅拌控制组件包括太阳能电池板、第一电阻、频率转换器、马达和旋转搅拌桨。

根据所陈述的显而易见的是，现有技术仍然显示出对于应用到微藻培养罐或应用到利用该种类型的搅拌系统的任何反应器的竖直流搅拌系统的自动和自主控制系统的需求，目标是为了生产生物柴油的目的降低生产微藻生物质的成本。

本发明寻求以实际且有效的方式来解决现有技术中的前述问题，这将在下列部分中详细描述。

发明内容

本发明的目标在于提供一种应用到微藻培养的罐或应用到任何生物反应器的竖直流搅拌系统，除了提供这些系统的能量的消耗方面的减少，该竖直流搅拌系统比现有技术中已知的那些更有效。

为了实现前述目标，本发明提供了一种用于微藻培养罐的竖直流搅拌系统，其包括：能量产生源；能量储存装置；控制系统；电动马达；至少一个行程终端传感器；搅拌盘；转矩传递系统；以及至少两个侧向驱动元件。

附图说明

在下列部分中提出的详细描述参考了附图和其相应参考标号。

图1示出了本发明的自主竖直流搅拌系统的可选构造的视图。

具体实施方式

要以预备性的方式强调的是，下列描述从本发明的优选实施例发展而来。然而，如将对任何本领域技术人员显而易见的那样，本发明不限于该特定实施例。

图1示出了本发明的自主竖直流搅拌系统的特定构造的视图。

如可在图1中观察到的那样，在本文中所描述的本发明的具体构造中，该系统包括：能量产生源1；能量储存装置2；控制系统3；电动马达4；至少一个行程终端传感器5；搅拌盘6；转矩传递系统7；以及至少两个侧向驱动元件8。

能量产生源1优选地为自主产生源，其提供用于系统的操作所需要的全部能量。可采用不同的能量产生源1，其中自主源为优选的。

可选地，能量产生源1为可再生的类型，并且可为现有技术中已知的任何类型，尤其诸如光伏发电机或风能发电机。

在图1中示出了构造，其中，能量产生源1为定位在自主竖直流搅拌系统上方的光伏盘。在该构造中，可将太阳能转换成电能以供应整个系统。

此外，本发明预料不同能量源的组合，因此，如果环境条件对于能量产生源1中的一种类型不利，可使用其他类型的能量产生源，不损害系统的整体操作。

可选地采用能量储存装置2来储存由能量产生源1产生的过量能量。采用的能量储存装置2可为在现有技术中已知的任何能量储存装置，诸如至少一个电池、至少一个超级电容器，或者尤其是这些后者的相互作用。

可选地，如图1中所示出的那样，能量储存装置2被包括到竖直流搅拌系统的组件中。然而，在备选的构造中，可将能量储存装置2固定在系统外部的点处并且通过电线连接到该点。

可选地，还采用了对自主竖直流搅拌系统的移动方向执行控制的控制系统3。该控制系统3可由微控制器构成，或由可编程逻辑控制器构成，或由中继设备构成，或者尤其是由这些后者的相互作用构成。

此外，当采用控制系统3时，可将其附加到竖直流搅拌系统的组件。然而，在备选的构造中，可将控制系统3固定在系统外部的点处，其中控制系统3与受控制的元件之间的通信可以无线形式实现。

采用行程终端传感器5来检测搅拌系统何时在一个方向上到达培养罐的终端。当这发生时，行程终端传感器5将数据发送到控制系统3(该控制系统将反转搅拌系统的移动)，其放置在相反方向，也就是说朝培养罐的另一末端。

要强调的是，控制系统3负责控制搅拌系统的所有元件，其中可以任何已知方式实现控制系统和其他元件之间的通信，诸如通过电线或无线连接。

马达4为将从产生源1或从储存装置2接收的电功率转换成机械功以实际驱动搅拌系统(特别是驱动搅拌盘)的装置。

出于该目的，本发明包括传递系统7以将由马达产生的转矩传递到驱动元件8。

采用的传递系统7可为现有技术中的已知的任何传递系统。在示出的可选构造中，传递系统7包括将所需要的转矩传递到驱动元件8的成组齿轮和轴。

驱动元件8负责沿培养罐移动搅拌系统，特别是移动搅拌盘6。可选地，驱动元件8关于搅拌盘6侧向地定位，它们还以该方式协助系统的物理平衡。

要强调的是，虽然在图1中示出的侧向驱动元件8包括两个轮的事实(其每一个定位在搅拌盘6的每个侧向末端处)，也可采用其他构造。

例如，驱动元件8可包括连接到带齿的轴的侧向轨道或侧向带，或允许沿培养罐驱动搅拌系统的任何其他构造。

可选地，可在培养罐的侧向边沿上支承和移动驱动元件8。

搅拌盘6为负责用于实际地实现培养罐中的液体(以及因此微藻的液体)的搅拌的元件，使得微藻细胞可一直暴露于光。

所采用的搅拌盘6为现有技术中通常采用的类型。因此，搅拌盘6具有与培养罐的内部侧向尺寸大致相等的侧向尺寸，使得允许培养物的最小流经过搅拌盘6的侧部。

另外，搅拌盘6从培养罐的水位以上的位置竖直地延伸到邻近罐的底部的区域。

以这种方式，搅拌盘6可呈现不同的样式，其中所采用的样式必须大体上遵循培养罐的截面的样式，其中搅拌盘6的侧部必须尽可能地邻近罐的壁定位，并且搅拌盘6的下部区域必须与罐的底部保持给定的距离，诸如用以允许经过下部区域的流体的通过。

因此，可如以下所描述的那样总结本发明的竖直流搅拌系统的操作。

能量产生源1提供用于整个系统的能量，并且将能量的至少一部分引导到储存装置2、马达4和控制系统3。马达4将机械转矩提供到传递系统7，该传递系统将转矩传递到驱动元件8并且移动系统。

控制系统3限定图1中所示出的整个组件的移动的方向，也就是说，当整个组件到达罐的末端中的一个时，行程终端传感器5检测其位置并且将信号发送到控制系统3以便用于控制系统来反转马达4的旋转。然后，组件被放置在相反方向上，以此方式执行周期性的移动，在纵向方向上沿整个罐行进。

以这种方式，当将系统放置在培养物中时，与培养物处于直接接触的搅拌盘6执行微藻的搅拌，从而将微藻暴露于光。

因此，通过利用光伏产生单元来提供所需要的所有能量，本发明提供了自主竖直流搅拌系统以执行培养物的搅拌，从而产生电能的成本方面的减少。

借助于所阐述的所有内容，显而易见的是，本发明的竖直流搅拌系统示出了关于现有技术的模型的一系列优点，它们是：从微藻生产生物质的单位成本的减少；搅拌系统的自动化，使得其即使在不存在电能量供应的遥远区域处也能够操作；低维护系统，由于包括其的装置拥有高耐久性的事实；以及有助于现在的培养系统到该发明的适应。

可允许影响本申请的保护范围的多种变型。以这种方式，本发明不限于前述的具体构造和实施例的事实得到了加强。

Claims (8)

1.一种用于微藻培养罐的竖直流搅拌系统，其中所述系统包括：能量产生源(1)；能量储存装置(2)；控制系统(3)；电动马达(4)；至少一个行程终端传感器(5)；搅拌盘(6)；转矩传递系统(7)；以及至少两个侧向驱动元件(8)。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量产生源(1)为下列中的至少一个：光伏能量发电机和风能发电机。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述能量储存装置(2)为至少一个电池，或至少一个超级电容器，或其组合。

4.根据权利要求1到权利要求3中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制系统(3)适于执行自主竖直流搅拌系统的移动方向的控制，其中所述控制系统(3)由下列中的至少一个构成：微控制器、可编程逻辑控制器，以及中继设备。

5.根据权利要求1到权利要求4中任一项所述的系统，其特征在于，所述行程终端传感器(5)适于检测所述搅拌系统何时在给定方向上到达所述培养罐的终端。

6.根据权利要求1到权利要求3中任一项所述的系统，其特征在于，所述转矩传递系统(7)适于将由所述马达(4)产生的转矩传递到所述驱动元件(8)，其中所述传递系统(7)包括成组齿轮和轴。

7.根据权利要求1到权利要求6中任一项所述的系统，其特征在于，

所述驱动元件(8)适于沿所述培养罐驱动所述搅拌系统，

其中所述驱动元件(8)关于所述搅拌盘(6)侧向地定位，

其中所述驱动元件(8)包括下列中的至少一个：侧向轨道、连接到带齿的轴的侧向带，以及侧向轮，并且

其中所述驱动元件(8)在所述培养罐的侧向边沿上支承和移动。

8.根据权利要求1到权利要求7中任一项所述的系统，其特征在于，所述搅拌盘(6)包括大体上遵循所述培养罐的截面样式的样式，其中所述搅拌盘(6)的侧部以精确方式关于所述罐的侧向壁定位，并且所述搅拌盘(6)的下部区域与所述罐的底部保持给定的距离，使得允许经过所述下部区域的流体的通过。

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