CN1242801A - 光合成培养系统和集合的光合成培养系统 - Google Patents

Abstract

一种光合成培养系统有盛放含植物性微生物液体的培养槽、向培养槽中液体供应二氧化碳的二氧化碳供应装置、与所述培养槽侧面受光培养面对着的平板形式的导光板、以及置于导光板上端表面上的受光装置。而且,所述导光板能将来自所述受光装置的入射光基本上转个直角,将光线均匀地传导到所述培养槽的所述受光培养面上。

Description

光合成培养系统和集合的光合成培养系统

技术领域

本发明涉及一种光合成培养系统，它通过光合成培养和生长藻类、植物性微生物等来固定二氧化碳。

背景技术

最近，火力发电站等中采用的化石燃料(如煤炭、石油和天然气)通过燃烧将大量二氧化碳释放到大气中。释放到大气中的二氧化碳量的增加将通过使地球变暖等而破坏地球环境，此外，它还会引起自然灾害的发生、作物的大量毁坏而显著影响人类社会，因为大气中二氧化碳的增加是引起干旱、大雨和洪水频繁发生的原因。

因此，长期以来一直需要一种用较少能量固定二氧化碳以减少二氧化碳释放入大气中二氧化碳量的技术。已经研究出了一种简单、安全而有效的方法，该方法是通过植物性微生物受阳光等照射引起的光合成来固定大气中的二氧化碳。然而，在采用植物性微生物的常规光合成培养系统的结构中，由于它们的培养槽需要确保有一定体积的液体，当光合成进行到一定程度后，光合成需要的光不能充分到达全部溶液中。因此，已经采用方法(使光合成培养液较浅或搅拌槽中液体)来使光到达全部溶液中。

例如，在通过燃烧天然气获得500000kw输出功率时，火力发电站释放出的燃烧气体中的二氧化碳量高达约5000吨/天，而当燃烧煤炭或石油时，二氧化碳的释放量会更高。在这种情况下，为了固定从火力发电站中释放出来的二氧化碳，希望系统能尽可能的紧凑，固定需要的能量更少。为了解决这些问题，需要对目前全球采用的二氧化碳固定技术作改进，例如提高光合成培养槽和系统(包括光学系统)的二氧化碳固定能力、提高效率、增加光合成反应产物的可控制性。

然而，由于光合成培养槽的有效深度只有几厘米，因此上述方法之一(即，使光合成培养槽变浅)存在这样的问题，即，为了确保培养液有足够的体积，光合成培养系统的面积必需非常大。而另一种方法(即搅拌液体)也有问题，即全部培养槽不能得到充分利用，因为进行光合成的液体总是局限于光能到达的区域。

而且，在采用自然阳光的常规光合成培养槽中，由于接受光的溶液表面受强烈的阳光照射，多于需求的光强度被浪费，这会引起一些问题。此外，随着光合成的进行，细胞数目增加，结果妨碍了光达到液体底部。

发明公开

鉴于已有技术中的这些问题，本发明的目的是提供一种光合成培养系统和集合的光合成培养系统，该系统能减少光能的浪费、充分利用培养槽的全部，并且甚至能在确保培养溶液体积足够大的条件下控制设备面积的增大。

为了解决前述问题和目的，本申请人根据对光合成培养基的基础科学研究、固定二氧化碳能力良好的光合成培养基的发现、对火力发电站操作以及二氧化碳排放及其固定的充分了解，提出了具有下述优点的本发明，本发明将描述二氧化碳固定能力良好的光合成介质和促进光合成效率增加的最佳环境。

本发明中所用的光合成介质例如是植物性微生物Euglena gracilis。

随着光合成的进行，光合成的细胞数增加，结果妨碍了光到达液体深处。因此，应减少培养溶液在光经过方向上的厚度。另外，为了消除由于超过所需量的过量天然日光照射引起的能量浪费，有效地扩大天然日光受光面面积，并将光由天然日光受光面传导到受光培养面。接受天然日光照射的表面和受光培养面的排列成直角关系。

根据权利要求1，本发明是一种光合成培养系统，其包括盛放含植物性微生物液体的培养槽、向培养槽中液体供应二氧化碳的二氧化碳供应装置、置于培养槽一侧受光培养面相对侧的平板形式的导光装置，以及安装在导光装置上端面上的受光装置，该导光装置能使来自受光装置的入射光基本上成直角转向，以将光线均匀地导人培养槽的受光培养面上。

根据权利要求8，本发明是一种集合的光合成培养系统，其中多个权利要求1至7任一所述的光合成培养系统排列成所述培养槽的受光培养面相互平行，且光合成培养系统通过供应液体的连接管道、移送产物的连接管道以及供应二氧化碳的连接管道相互连接。

附图简述

图1示出了根据本发明实施例1制得的光合成培养系统例子的结构。

图2示出了根据本发明实施例1制得的另一光合成培养系统例子的结构。

图3示出了一种集合的光合成培养系统的结构，该系统通过层叠多个根据本发明实施例1制得的光合成培养系统作为单元而制得。

图4示出了根据本发明实施例2制得的光合成培养系统的培养槽和导光部分的结构。

图5(a)示出了根据本发明实施例2制得的光合成培养系统的结构，图5(b)示出了聚光器的另一个例子。

图6示出了集合的光合成培养系统的结构，该系统通过层叠多个根据本发明实施例2制得的光合成培养系统作为单元而制得。

图7示出了本发明的光合成培养系统的一个例子，它采用了一个导光板，入射光在该导光板的两个面上扩散。

图8示出了本发明光合成培养系统的一个例子，其中聚光器的凸面朝下。

符号说明

1植物性微生物

3培养槽

4受光培养面

5二氧化碳供应装置

8导光板

10光扩散面

12光会聚面

13外部受光面

16光合成培养系统

17供应液体的连接管道

18移送产物的连接管道

19供应二氧化碳的连接管道

22聚光器

31半圆柱形透镜

32一体型透镜

最佳实施例

现在参照附图来说明本发明的实施例(实施例1)。

图1示出了根据本发明实施例1制得的一个光合成培养系统例子的结构。具体地说，根据本发明实施例1制得的光合成培养系统基本上包括：培养槽3，其中盛放了含植物性微生物1的液体2，其侧面由受光培养面4组成；二氧化碳供应装置，它向培养槽3中的液体2供应二氧化碳；作为导光装置的平板形式的导光板8(导光凹槽)，它有光会聚部分12作为受光装置，受光装置顶部上面是接受外来光14的平的外部受光面13，导光板有接纳光会聚部分12所会聚的光的光入口9，并将入射光几乎偏转个直角，从而将光15反射到上述培养槽3的受光培养面4上。这里，导光板在培养槽3一侧的表面由扩散表面10(例如由对光起扩散作用的光扩散层提供)构成，另一侧表面由漫反射层11提供。培养槽3连接了供应液体的液体供应管道6和排出产物的产物排出管道7。光会聚部分的材料可以是有透光度高的那些材料，如丙烯酸类材料和玻璃，它们可根据成本、性能、加工性等选择。

在上述结构中，外来光14通过外部受光面13进入，在光会聚部分12中会聚，会聚光通过导光板8的光入口9进入。进入导光板8的光在漫反射层11上被漫反射，并在扩散表面10上被扩散，这样透过导光板的全程，结果几乎完全均匀的光从导光板8的扩散表面10传导到培养槽3的全部受光培养面4上。

对于上述导光板8，可采用液晶显示中采用的背光技术。例如，在液晶背光中，形状与显示屏相似的透明的丙烯酸类板上端作为受光部分，为了使丙烯酸类板的背面起漫反射面板的作用，通过印刷等方法将具有设计半径和间隔的一些小圆盘形半透膜排列在其整个背面上，在其上涂上一层白纸。另外，在透明的丙烯酸板的两侧和下端也涂上一层与上相同的白纸，在白纸表面上涂上光扩散层，以便在屏幕上获得均匀的亮度(例如，可采用日本专利申请待公开No.3-9306、日本专利申请待公开No.6-317796、日本实用新型申请待公开No.6-69903和日本专利申请待公开No.5-34687中描述的方法)。如上所述，液晶显示中所用的背光技术可用于本发明的导光板8；然而，本发明的导光装置却不需要液晶背光所需的光均匀度。至于光扩散层，由于它吸收光，因此建议用没有光扩散层的导光板，避免导光效率损失。

在实验上，入射光从导光板的一端到导光板全部表面的扩散和透射效率约为90％。在采用上述方法的本发明培养槽中用天然日光来进行光合成。下面将讨论能量关系。

根据量子理论，在光合成最优的680nm波长下，每1kWh的光子数是：1kWh＝1.2×10²⁶光子，1摩尔光子＝0.17MJ。根据光合成的理论界限，8光子固定1个二氧化碳分子，固定1个二氧化碳分子所需的能量是8摩尔光子＝0.38KWh＝1.36MJ，光合成实验结果的最大值例如是9摩尔光子＝0.43kWh＝1.53MJ。

关于太阳能，在日本纬度地区的平均照射太阳能是1kW/m²；如果一天有4小时的太阳照射，则能量将是：4kWh/m²·天＝14MJ/m²·天。根据这一点，若采用光合成实验结果最大值时，二氧化碳固定能力是4kWh/m²·天/0.43kWh/0.044(千克-二氧化碳)＝0.41(千克-二氧化碳/m²·天)。

在LNG发电站情况下，如果发电站一天运行24小时，则每天产生的能量是：1.2×10⁷kWh/天，同时每天排放的二氧化碳是5000(吨-二氧化碳/天)；然而实际上，考虑到工作因素等，每天排放的二氧化碳低于3200(吨二氧化碳/天)(约为64％)。

根据以上数据，固定二氧化碳所需的面积是：3200(吨-二氧化碳/天)/0.41(千克-二氧化碳/m²·天)＝8×10⁶m²＝800ha。800ha面积接受的太阳能是3.2×10⁷kWh/天，约为产生能量的3至4倍，这是理论上光合成能量平衡的合理数值。

在图1的上述描述中，导光板8和培养槽3是隔开的。然而，当多个系统以集合方式排列时，该光合成培养系统在实践上将更有效。因此，构建了一个光合成培养系统，使导光板8的光扩散表面与培养槽3的受光培养面接触。或者，也可将此类光合成培养系统建造成作为受光培养面的培养槽3的侧壁也起导光板8的作用。对于光会聚部分12的外部受光面13，其形状和大小与外部受光面下侧的培养槽3和导光板8的顶部表面的合成面相同。

图3是描述集合的光合成培养系统20的结构的示意图，该系统中多个光合成培养系统16(即图2的培养槽单元)以层叠方式排列，培养槽通过供应液体17的连接管道、移送产物18的连接管道以及供应二氧化碳19的连接管道相互连接。在图3中，如果光合成培养系统16单元的受光培养面13的形状是矩形，其长边和短边分别为W和D，则使培养槽3的外部受光面的宽度与W对应，培养槽厚度和导光板厚度之和与D对应(见图2)。因此，整个集合的光合成培养系统20的外部受光面的形状和大小与外部受光面下的层叠的培养槽和导光板的顶表面相同，从而使光能从外部有效地进入。通过横向层叠排列所需数目的本实施例光合成培养系统单元制得的光合成培养系统，其结构能提高系统的性能并保持其能量平衡。

在向培养槽中提供植物性微生物(如Euglena gracilis)的情况下，当培养槽中的细胞数到达约1毫升有1百万个时，光透射距离减少到约为1厘米。这意味着当培养厚度约为1至5厘米时，体积效率是较佳的。

作为采用天然日光的非常有效的培养槽，可将受光培养面面积设定成例如约为外部受光面的10倍。当用约120000勒克司日光的最大照度来照射外部受光面，外部受光面将使日光扩散，使受光培养面受大约3000至1000勒克司(70-200微摩尔/m²/s)的照射，这是适合培育植物性微生物(Euglena gracilis)的。因此，就能有效地利用光能。

当本实施例中的培养系统单元的厚度D设定成约为3厘米，高度设定成30厘米至1米时，将获得0.2-0.5kg/m³的二氧化碳固定能力的计算值。另一方面，对于没有导光装置的常规培养槽，每单位体积的二氧化碳固定固定能力可能会下降，因为过分强的光抑制了光合成，而培育槽深处则不能有效地利用光。因此，预计采用本实施例所示导光装置的培养槽的体积效率将为光仅从上方照射的无导光装置培养槽的10倍，即使它们的形状和大小相同。

当根据本实施例的光合成培养系统的高度H设定成1米时，由于500000kW功率的火力发电站实际上每天大约排放3200吨二氧化碳，固定二氧化碳所需的这种光合成培养系统的面积约为800ha。

实施例2

图4示出了根据本发明实施例2制得的光合成培养系统的培养槽和导光部分的结构。具体地讲，与上述图1和2中所示结构相似，根据本发明实施例2制得的光合成培养系统基本上包括：培养槽3，其中盛放了含植物性微生物的液体，其侧面由受光培养面4组成；作为受光装置的聚光器，其顶部有接受外来光14的凸状外部受光面23；平板形式的导光板8，它将聚光器22的入射光转个直角，并将光15反射到上述培养槽3的受光培养面4上。根据前述实施例1，光会聚部分的外部受光面是平的；然而，在本实施例2中，聚光器23是用作外部受光面。并且，在对着培养槽3的受光培养面4的表面上有一支撑部分21；然而，如果培养槽3的侧壁足够强的话，可不需要支撑部分。尽管图4中没有示出，但是和前述实施例1一样，二氧化碳供应装置、供应液体的连接管道、移送产物的连接管道与培养槽3相连。

在图4中，td表示导光板8的厚度，tb是培养槽3的厚度，ts是支撑部分21的厚度，tl是聚光器22的宽度。W表示培养槽3的宽度，其基本上与导光板8的宽度和聚光器22的长度相同。H表示培养槽3的深度，它基本上与导光板8的高度相同。f表示聚光器22的焦距，R表示聚光器凸面的曲率半径。在本实施例中，进入导光板8的入射光24转变成扩散光的效率为90％或更高。下面将说明此类光合成培养系统结构的一个例子。进入受光培养面4的光，即

扩散光15＝入射光24×(td/H)

        ＝日光14×(tl/td)×(td/H)

        ＝日光14×(tl/H)

聚光器的宽度tl＝tb+ts+td＝2r，其中r＝25毫米，半径R＝30毫米，焦距为50毫米，

R/r＝1.2，f/r＝2，且

光扩散表面对顶之间的距离＝13英寸＝275毫米×275毫米

图5(a)示出了图4所示培养槽3的受光培养面4和导光板8的光扩散表面10相互间紧密接触的状态，该状态是实际使用时的状态。在图5(a)所示的结构中，外部的阳光14通过外部受光面进入并由聚光器22会聚，输入光24通过光入口9进入导光板8。已进入导光板8的光透过整个导光板8，几乎完全均匀扩散的光15由导光板8的光扩散表面10传导到培养槽3的整个受光培养面4上。

在本实施例2中，此类光合成培养系统可以建造成使形成受光培养面4的培养槽3侧壁也可作为导光板8。光合成系统的结构是聚光器22的外部受光面23从上的投影面的形状和大小与外部受光面23下的培养槽3和导光板8的顶表面合成面相同。如果聚光器22是图5(b)所示的半圆柱形透镜31，它不仅会带来相同的良好效果，而且多个透镜集合排列时也很方便，因为半圆柱形透镜很容易制造，且其侧面能相互紧密接触。在这种情况下，尽管透镜在形状上与图5(a)所示的聚光器不同，但是如虚线损失，它也能象图5(a)的聚光器那样将入射光从外部会聚入导光板中。聚光器的材料可以是那些透光性高的材料，如丙烯酸类材料和玻璃，它们可根据成本、性能、机械加工性等来选择。

图6是描述集合光合成培养系统结构的示意图，其中多个光合成培养系统26作为单元以层叠方式排列，它们的培养槽通过供应液体的连接管道、移送产物的连接管道和供应二氧化碳的连接管道相互连接，这些管道在图中未示出。在图6所示的结构中，省略了支撑部分，受光装置由一体化的透镜32组成，该一体化的透镜是一些半圆柱形透镜用压制等方法集成制造的。这种结构能提高输出效率，减少生产成本。不用说，受光装置可通过使多个图5(b)所示的半圆柱形透镜31并排排列来制得。

在图6中，如果接受日光表面的面积＝聚光器宽度(t1)×聚光器长度(W)，培养槽的体积＝聚光器宽度(t1)×聚光器长度(W)×培养槽高度(H)，

日光扩散率＝培养槽高度(H)/聚光器宽度(t1)，

培养槽表面的照度＝垂直于日光的表面的照度/日光扩散率，

在培养槽表面所需照度为10000勒克司(135μmol/sm²)，垂直于日光的表面的平均照度为120000勒克司的条件下，日光扩散率约为12。因此，在本实施例的结构中，如果培养槽厚度tb与聚光器宽度tl几乎相等且培养槽厚度tb为3-10厘米，则培养槽的深度H最多约为1米。这与前述实施例1是相同的。采用深于1米的培养槽将导致光供应不完全，即使用光导纤维等将光传导到深处，仍然存在能量平衡问题。

关于导光板8，当光仅从导光板一端传导且光需均匀地传导到整个扩散面时，导光板的大小宜为13-17英寸。当深度约为30厘米时，宜为17英寸(41厘米×32厘米)，其中培养槽厚度从日光扩散率计算得到约为3厘米。

下面将描述固定的二氧化碳的量。

一个培养槽单元吸收的能量取决于受光面的面积，其通常用4tl·W(kWh)表示。利用这些能量固定的二氧化碳的量则用0.4tl·W(kg)表示，其中培养槽的深度H是任选的，只要它适于培养(tl和W的单位为米)。因此，当用n个培养槽单元时，二氧化碳的总的固定量为0.4n·tl·W(kg)。

在上述实施例中，本发明的系统全部是以照射外部受光面的光是天然日光的情况来说明的；然而，光不局限于天然日光，还有效率和照度高的人工光，例如可用荧光、LED灯和HID灯来照射外部受光面。在这种情况下，根据天气、时间等情况采用人工光和天然日光的结合可以使光合成固定二氧化碳更有效地进行。

而且，在上述实施例中，本发明的系统被全部描述成具有入射光被扩散并被反射到导光板仅仅一个表面上的结构；但是，本发明的系统还可以有图7所示的结构，其中入射光被扩散并被反射到导光板的两个表面上，即，该结构中所用的导光板28在相互面对的两个表面上有扩散层，入射光被传导到与两个表面毗邻的两个培养槽3中。在这种情况下，由于光从两侧进入培养槽3，就可以增加培养槽3的厚度，这意味着具有相同体积的集合的光合成培养系统可由数量较少的培养槽单元构成。

而且，在上述实施例中，本发明的系统全部被描述成结构中受光装置表面(实施例1的光会聚部分和实施例2的聚光器)未受表面处理；然而，本发明不限于此，受光装置的一个或两个表面可用薄膜(如UV保护膜)来作保护性涂覆。这就能保护系统的每一部分免受紫外光劣化和机械损伤，而且，这可有效的防灰尘。

在上述实施例2中，本发明的系统被描述成结构中聚光器的凸面是外部受光面；相反，如图8所示，在本发明系统的结构中，聚光器的凸面可以朝下对着导光板8。在这种情况下，聚光器32和导光板8之间有小的间隙，然而，此间隙非常小，不会产生什么问题。该结构具有这样的优点，由于其顶表面是平的，因此灰尘很难堆积并很容易除去。在图8中，系统可以建造成每一导光板8作为其左右侧相邻的两个培养槽3的侧壁。在这种情况下，两个相邻的培养槽3只需要一个侧壁，这使得结构更简单。

而且，在上述实施例中，本发明的系统全部以植物性微生物为Euglena gracilis为例子来进行描述；然而，本发明所用的植物性微生物不局限于Euglena gracilis。可采用包括藻类在内的任何植物性微生物，只要它们能通过光合成来有效地固定二氧化碳。

另外，在上述实施例中，本发明的系统全部以日光从正上方照射作为例子来进行描述。这完全没有限定本发明的特征，采用能自动瞄准太阳的反射镜和改变日光照射方向的光导纤维也很容易实现本发明。不用说，在这种情况下，“上方”“侧面”等的含义可作适当地变化。

培养槽、导光板和受光装置的形状不局限于上述实施例中所述的那些形状。

从上面的描述中可以明显看出，本发明的光合成培养系统能避免诸如藻类或植物性微生物之类的光合成介质受强烈的天然日光直接照射，这意味着本发明的光合成培养系统能以非常有效的方式向光合成介质提供能量。

本发明的光合成培养系统能将光传导到培养槽的全部体积中，而不必采用机械能量如液体循环、气泡扩散和循环等方式，这意味着本发明的光合成培养系统能节省能量、面积和体积，因此，培养系统的体积效率大大提高。

工业实用性

因此，在人们面对全球二氧化碳增加所产生的问题时，本发明的光合成培养系统提供了改进，例如增大了光合成介质的二氧化碳固定能力、使包括导光装置的光合成培养系统小型化、提高光合成效率、提高了光合成反应产物的可控制性；因此，本发明的光合成培养系统可在全球范围内利用二氧化碳固定技术来防止工业活动引起的全球变暖。

Claims (13)

1.一种光合成培养系统，该系统包括：盛放含植物性微生物液体的培养槽、向培养槽中液体供应二氧化碳的二氧化碳供应装置、与所述培养槽侧面受光培养面对着的平板形式的导光装置、以及置于导光装置上端表面上的受光装置，其中所述导光装置的作用是将来自所述受光装置的入射光基本上转个直角，将光线均匀地传导到所述培养槽的所述受光培养面上。

2.根据权利要求1所述的光合成培养系统，其中所述导光装置有一漫反射层，该漫反射层使来自所述受光装置的入射光产生漫反射。

3.根据权利要求1或2所述的光合成培养系统，其中所述受光装置有一光会聚部分，光会聚部分顶部的光进入面面积大于光会聚部分底表面面积，在光会聚部分会聚的光通过该底表面离开。

4.根据权利要求1、2或3所述的光合成培养系统，其中所述培养槽的侧壁也作为所述导光装置。

5.根据权利要求1至4任一所述的光合成培养系统，其中所述受光装置顶表面的形状和大小与所述培养槽和所述导光装置顶表面的合成面相同，且所述受光装置位于所述培养槽和所述导光装置两者顶部。

6.根据权利要求1至5任一所述的光合成培养系统，其中在所述导光装置的一个表面上有一个与所述培养槽相对或接触的扩散层。

7.根据权利要求6所述的光合成培养系统，其中提供了将光漫反射到其它上面的漫反射层。

8.一种集合的光合成培养系统，其中多个权利要求1至7任一所述的光合成培养系统被排列成所述培养槽的受光培养面相互平行，且光合成培养系统通过供应液体的连接管道、移送产物的连接管道和供应二氧化碳的连接管道相互连接。

9.根据权利要求8所述的光合成培养系统，其所具有的多个受光装置被制成一体。

10.根据权利要求9所述的集合的光合成培养系统，其中所述被制成一体的受光装置的光进入面是平的。

11.根据权利要求9或10所述的集合的光合成培养系统，其中所述被制成一体的受光装置在其光进入面上有保护性薄膜。

12.根据权利要求8至11任一所述的集合的光合成培养系统，其中所述导光装置在其相互对着的两个表面上都有扩散层。

13.根据权利要求8至12任一所述的集合的光合成培养系统，其中所述导光装置还作为所述培养槽的两个相互对着的侧壁。

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