EA017671B1 - Фотобиореактор - Google Patents

Abstract

Изобретение касается способа эксплуатации закрытого фотобиореактора для культивирования фототрофных микроорганизмов, который содержит культуральную жидкость и частично или полностью окружен водой водоема. В способе по изобретению обеспечивают разность плотностей культуральной жидкости и окружающей воды, так чтобы управлять положением фотобиореактора в водоеме. Изобретение также касается закрытого фотобиореактора для культивирования фототрофных микроорганизмов, приспособленного для содержания культуральной жидкости и для того, чтобы быть частично или полностью окруженным водой водоема. Фотобиореактор содержит средства определения разности плотностей культуральной жидкости и окружающей воды.

Description

Изобретение относится к способу эксплуатации закрытых фотобиореакторов для культивирования фототрофных микроорганизмов и к закрытому фотобиореактору для культивирования фототрофных микроорганизмов.

Уровень техники

Известно, что фототрофные микроорганизмы уже сегодня имеют коммерческое применение. Например, водоросли используют для производства β-каротинов, астаксантина и т.д., или же биомасса водорослей продается целиком в качестве пищевой добавки. На сегодняшний день производство биомассы водорослей стоит перед двумя главными трудностями. Во-первых, большей частью современное производство ведется в открытых системах (в так называемых открытых водоемах). Открытые системы чувствительны к контаминации (заражению) другими штаммами и видами водорослей или вредителями, поэтому только водоросли с очень специфическими требованиями роста могут выращиваться в этих системах. Например, водоросль ПииаНеИа, используемая для производства β-каротинов, культивируется при высоких концентрациях солей, что не подходит для большинства других организмов. Во-вторых, затраты на производство биомассы водорослей довольно высоки (свыше 2000 долларов США за метрическую тонну), и коммерческое производство для многих отраслей, особенно в секторе энергетики или транспорта, не выгодно. В частности, производственные затраты повышаются еще больше при использовании закрытых систем вместо открытых, чтобы избежать контаминации. Кроме открытых водоемов в настоящее время используют большое количество различных типов фотобиореакторов. Трубные реакторы, которые могут состоять из одной или более горизонтальных труб, или труба может быть спирально намотана вокруг цилиндра или конуса (биоспираль), самые известные среди них. Кроме того, часто используются плоские панельные реакторы, которые обеспечивают вертикальный жидкий слой для культивирования водорослей.

Главные проблемы в производстве химикатов и энергии из водорослей - риск контаминации и высокая стоимость производства биомассы водорослей. Аналогично, при производстве тонкоорганических веществ, пищевых добавок, витаминов, омега-3-жирных кислот, антиоксидантов (например, каротиноидов), фармацевтически активных веществ или сухой биомассы водорослей в качестве пищевых добавок главными проблемами являются риск контаминации и высокая стоимость производства биомассы. Те же проблемы имеются при культивировании водорослей для производства биотоплива, кормов, аминокислот, метана и т.д.

АО 2005/121309 раскрывает устройство для производства водорослей, в котором жидкость, содержащая водоросли, расположена в ростовых резервуарах, к которым поставляется СО₂-содержащий газ, который циркулируют через упомянутые резервуары газ-кондиционирующим устройством. В варианте выполнения резервуары сделаны из двойного листа пластика, образующего мешок. В варианте, указанном как пригодном для производства микроводорослей, листовые мешки, сваренные вместе, помещают в море для горизонтального плавания на водной поверхности.

Патент США 4868123 раскрывает устройство для производства микроорганизмов посредством фотосинтеза. Устройство включает биореактор для размещения на водной поверхности, имеющий первую группу гибких труб, которые пропускают свет и в которых циркулирует культуральная жидкость, и вторую группу надуваемых труб, расположенных и поддерживаемых под первой группой посредством равноразнесенных съемных вставок Υ-образной формы. Согласно этому документу, когда температура культуральной жидкости превышает верхний предел рекомендуемой температуры, фотобиореактор погружается посредством сдувания труб второй группы. И наоборот, когда температура среды ниже минимальной рекомендуемой температуры, трубы второй группы надуваются сжатым воздухом. Погружение фотобиореактора может быть обеспечено также путем введения относительно тяжелой жидкости в трубы второй группы, тогда как плавучесть может быть обеспечена путем введения легкой текучей среды, не являющейся воздухом.

Так как крупномасштабное культивирование микроорганизмов очень чувствительно к затратам, то существует потребность в более простых и дешевых биореакторных устройствах.

Сущность изобретения

Сегодня культивирование фототрофных микроорганизмов характеризуется высокой стоимостью производства биомассы. Предлагаемый фотобиореактор способен значительно снизить стоимость производства биомассы. Кроме того, при использовании устройства с закрытым процессом риск контаминации может быть сильно уменьшен по сравнению с открытыми системами.

Чтобы избежать контаминации, используется закрытый фотобиореактор, который может быть изготовлен, например, из пластика, такого как полиэтилен. Значительное сокращение затрат достигается вследствие того, что фотобиореактор плавает в или на водоеме, такой как искусственный водоем. Этот принцип позволяет избежать затрат на выравнивание фотобиореактора в строго горизонтальном положении. Поскольку гидростатическое внутреннее давление фотобиореактора частично компенсируется окружающей воде, прочность стенок фотобиореактора может быть уменьшена или может использоваться менее прочный материал. Вода, окружающая фотобиореактор, способна поставлять или удалять тепло,

- 1 017671 делая дополнительную терморегуляцию излишней. Благодаря использованию гибкого материала для фотобиореактора, так же как и возможности изменения положения фотобиореактора в окружающем водоеме и возможности менять толщину слоя культуральной жидкости, эксплуатационные условия фотобиореактора могут быть адаптированы к экологическим факторам, таким как солнечный свет или температура, что должно повысить производительность, что приведет к дальнейшему сокращению затрат. Благодаря эксплуатации фотобиореактора на водных поверхностях доступны огромные площади для реализации таких фотобиореакторных систем, учитывая, что наша планета более чем на 70% покрыта водой.

Описанный фотобиореактор может служить для производства биомассы фототрофных организмов, которые могут использоваться для производства любого типа биотоплив, корма, белков, аминокислот в качестве основной человеческой пищи, также и для производства биомассы фототрофных организмов, используемой для производства тонко-органических веществ, пищевых добавок, витаминов, омега-3 жирных кислот, антиоксидантов (например, каротиноидов), фармацевтически активных веществ или сухой биомассы в качестве пищевой добавки.

Таким образом, задача изобретения состоит в упрощении регулирования температуры содержимого закрытого фотобиореактора, такого как культуральная жидкость и культивируемые в ней микроорганизмы. Попутно изобретение решает задачу частичного или полного использования охлаждающей способности воды, окружающей закрытый фотобиореактор, с целью регулирования температуры его содержимого.

Еще одной задачей изобретения является возможность контроля вертикального положения закрытого фотобиореактора, частично или полностью окруженного водой. В частности, задача изобретения состоит в том, чтобы позволить контролировать упомянутое положение без потребности в иных средствах регулирования плавучести, чем содержимое (например, культуральная жидкость) фотобиореактора и окружающая вода.

Еще одна задача изобретения состоит в создании фотобиореактора, который автоматически обеспечивает однородную толщину слоя культуральной жидкости, когда фотобиореактор плавает на водной поверхности.

Поскольку фотобиореактор по изобретению или его части могут быть предпочтительно выполнены из гибкого материала, на форму реактора могут повлиять внутренние и внешние факторы и неоднородности. Следовательно, чтобы сохранить форму и поддержать оптимальную работу фотобиореактора, важно контролировать такие воздействия и неоднородности. Поэтому задача изобретения также состоит в обеспечении средств дополнительного контроля положения и/или формы гибкого фотобиореактора.

Еще одна задача изобретения состоит в упрощении конструкции и снижении стоимости закрытого фотобиореактора и его периферийного оборудования.

Другие задачи и преимущества изобретения будут понятны специалисту в данной области при прочтении нижеследующего описания изобретения.

Термин фотобиореактор, используемый здесь, обычно относится к отсеку фотобиореактора, приспособленному для содержания культуральной жидкости водорослей, в котором проходит фотосинтез, включая любые дополнительные отсеки или трубы, подотсеки или механические средства для управления положением и/или формой фотобиореактора, но этот термин может также относиться и к фотобиореакторной системе в более широком смысле, содержащей упомянутый отсек для водорослей, включая любые дополнительные отсеки или трубы, подотсеки или механические средства для управления положением и/или формой фотобиореактора, а также периферийное оборудование, такое как, например, насосы, шланги, резервуары и другое оборудование, требуемое для работы реактора.

Первым объектом изобретения является способ эксплуатации закрытого фотобиореактора для культивирования фототрофных микроорганизмов, причем указанный фотобиореактор содержит культуральную жидкость и частично или полностью окружен водой водоема, в котором обеспечивают разность плотностей культуральной жидкости и окружающей воды, так чтобы управлять положением фотобиореактора в водоеме.

Главным принципом, на котором базируется изобретение, является способность управлять вертикальным положением гибкого и легковесного фотобиореактора в водоеме посредством изменения плотности фотобиореактора относительно плотности окружающей воды, например, путем обеспечения разных солевых концентраций внутри и снаружи реактора. Установлено, что реактор, содержащий пресную или слабосоленую воду (с низкой плотностью), легко плавает на морской воде (с высокой плотностью). Кроме того, обнаружено, что фотобиореактор по изобретению самостабилизируется, то есть принимает абсолютно горизонтальное положение независимо от положения, в котором он находился в начале эксперимента, а толщина слоя культуральной жидкости в реакторе становится очень однородной, также независимо от исходного состояния. Таким образом, в случае, когда фотобиореактор содержит пресную воду, а окружающий водоем содержит соленую воду, посредством использования различной солености непосредственно в реакторе и в окружающем водоеме и, таким образом, получая различные плотности двух водных сред, на окружающей соленой воде водоема формируется стабильная линза пресной воды, ограниченная гибкими прозрачными стенками фотобиореактора.

Изобретательская концепция использования разных плотностей для стабилизации реактора и обес

- 2 017671 печения однородной толщины слоя культуральной жидкости позволяет создать очень простую и чрезвычайно экономичную фотобиореакторную систему. Во-первых, пресная вода в этой системе непосредственно сама формирует оптимальную (горизонтальную) структуру, а это значит, что для реактора может использоваться тонкий и дешевый материал. Во-вторых, реактор будет автоматически перемещаться в положение, оптимальное для выращивания водорослей, при этом сводя к минимуму потребность в механическом оборудовании или устройствах управления процессом для поддержания реактора в желаемом положении. В-третьих, однородная толщина слоя культуральной жидкости, так же как и возможность оптимизации толщины слоя культуральной жидкости путем изменения количества культуральной жидкости в фотобиореакторе, позволяет достичь высоких плотностей биомассы в культуральной жидкости, а это означает, что фотобиореактор по изобретению может содержать больше биомассы и соответственно иметь более высокую энергоэффективность.

Поскольку небольшая разница плотностей водных сред внутри и снаружи фотобиореактора, вызванная разностью их соленостей и/или температур, являются единственными движущими силами для перемещения реактора, предпочтительно иметь тонкий и гибкий материал для стенок фотобиореактора. Наличие тонких и гибких стенок оптимизирует способность фотобиореактора к самостабилизации. Примером материала, пригодного для использования в стенах фотобиореактора, является полиэтилен или эквивалентный материал с толщиной около 0,1 мм.

Путем обеспечения упомянутой разности плотностей культуральной жидкости и окружающей воды, которая позволяет управлять положением фотобиореактора в водоеме, изменяют плавучесть фотобиореактора относительно окружающей воды, причем это изменение плавучести является движущей силой изменения вертикального положения реактора. Таким образом, обеспеченная разница плотностей учитывает вес и плавучесть самого фотобиореактора. Соответственно изобретение предлагает простое и дешевое решение проблемы управления положением фотобиореактора в окружающей воде. Соответственно охлаждение содержания фотобиореактора может быть достигнуто эффективно и недорого путем погружения фотобиореактора в окружающую воду.

Кроме того, система закрытого типа значительно уменьшает риск контаминации. Тот факт, что фотобиореактор (частично) окружен водной средой, уменьшает издержки производства при помощи различных эффектов, при плавании фотобиореактора в воде или на поверхности воды не требуется никаких работ для выравнивания ландшафта. Фотобиореактор плавает в окружающей воде или на ее поверхности как закрытая система, поэтому пруд, представляющий окружающий водоем, может быть приготовлен очень простым и экономичным способом. В крайнем случае, даже реки, озера, моря или заполненные водой естественные глиняные ямы могут использоваться в качестве внешнего водоема. Окружающий водоем может оптимально подавать и удалять тепло, поэтому никаких затрат для дополнительной терморегуляции не требуется. Поскольку гидростатическое внутреннее давление фотобиореактора частично компенсируется окружающей водой, толщина стенок фотобиореактора может быть уменьшена или может использоваться менее прочный материал, что способствует дальнейшему сокращению стоимости.

Благодаря гибкой конструкции фотобиореактора, т.е. его способности изменять положение в окружающей воде и возможности изменять толщину культуральной жидкости в фотобиореакторе, параметры процессов фотобиореактора могут быть приспособлены к условиям окружающей среды, таким как интенсивность солнечного света и температура, обеспечивая повышение производительности и дальнейшее снижение затрат. Толщина культуральной жидкости влияет на путь солнечного света, необходимого для роста фототрофных организмов.

Поскольку фотобиореактор можно эксплуатировать на водных поверхностях, очень большие площади доступны для реализации этой фотобиореакторной системы, так как наша планета более чем на 70% покрыта водой.

Разность плотностей может быть достигнута обеспечением разных соленостей культуральной жидкости и окружающей воды. Упомянутая разница солености может быть обеспечена путем увеличения или уменьшения солености культуральной жидкости. Упомянутая разница солености может быть также или альтернативно обеспечена путем увеличения или уменьшения солености окружающей воды, в частности окружающей воды закрытого водоема. В этом контексте, как понятно специалисту, термин закрытый водоем означает хорошо ограниченную водную систему с возможностью контроля, например, количества или типа воды, - пресной, слабосоленой или соленой. В качестве примеров могут служить такие закрытые водоемы, как природные или искусственные пруды, бассейны и водохранилища. Повышение солености культуральной жидкости может быть обеспечено одновременно с понижением солености окружающей воды. Понижение солености культуральной жидкости может быть обеспечено одновременно с повышением солености окружающей воды.

Разность плотностей может быть обеспечена разностью температур культуральной жидкости и окружающей воды. Упомянутая разность температур может быть обеспечена изменением температуры окружающей воды, в частности воды закрытого водоема.

Разность плотностей может быть обеспечена увеличением или снижением давления газа в культуральной жидкости. Таким образом, плотность культуральной жидкости может зависеть от давления подаваемого в фотобиореактор газа для поглощения водорослями (например, двуокиси углерода) или от

- 3 017671 давления вырабатываемого водорослями газа (например, кислорода).

Соленость, температура, давление газа и/или другие параметры, влияющие на плотность культуральной жидкости и/или окружающей воды, могут быть изменены по отдельности или одновременно для обеспечения желаемой разности плотностей. Плотность культуральной жидкости и плотность окружающей воды могут изменяться по отдельности или одновременно для обеспечения желаемой разности плотностей.

Разность плотностей может обеспечиваться путем увеличения плотности культуральной жидкости или уменьшения плотности окружающей воды, при этом положение фотобиореактора в водоеме понизится. Разность плотностей может обеспечиваться путем уменьшения плотности культуральной жидкости или увеличения плотности окружающей воды, при этом положение фотобиореактора в водоеме повысится. Разность плотностей может обеспечиваться так, чтобы поддерживать положение фотобиореактора в водоеме. Опять же, плотность культуральной жидкости и плотность окружающей воды могут изменяться одновременно для обеспечения желаемой разности плотностей для снижения, повышения или поддержания положения фотобиореактора.

Описанный выше способ эксплуатации фотобиореактора, т.е. способ, в котором обеспечивается разность плотностей культуральной жидкости и окружающей воды таким образом, чтобы положение фотобиореактора в водоеме находилось под контролем, особенно хорошо подходит для управления положением фотобиореактора в течение длительного периода. В этом контексте управление положением в течение длительного периода относится к изменениям положения (повышение или понижение фотобиореактора), которые сохраняются в течение нескольких часов или дней после смены положения. Однако в способе по изобретению фотобиореактор также может быть оснащен одним или более отсеками или трубами для дополнительного управления плавучестью фотобиореактора. Выгоды от таких отсеков и труб поясняются ниже.

В способе по изобретению фотобиореактор также может быть оборудован механическими средствами дополнительного контроля вертикального положения и/или формы фотобиореактора. Такие механические средства и предоставляемые ими выгоды обсуждаются ниже.

В способе по изобретению фотобиореактор может иметь форму плоской панели. В отличие от, например, трубчатых фотобиореакторов для плоских панельных реакторов требуется меньше конструкционных материалов, требуется меньше энергии за счет меньшего сопротивления потоку, и они имеют меньше ограничений по масштабируемости.

В способе по изобретению фотобиореактор также может включать дополнительные функции, как описано ниже в отношении второго объекта изобретения.

Вторым объектом изобретения является закрытый фотобиореактор для культивирования фототрофных микроорганизмов, причем фотобиореактор приспособлен для содержания культуральной жидкости и приспособлен к тому, чтобы он был частично или полностью окружен водой водоема, причем фотобиореактор содержит средства определения разности плотностей культуральной жидкости и окружающей воды.

Так как небольшая разница плотностей воды внутри и снаружи фотобиореактора вызвана разницей соленостей и/или температур и перечисленные факторы являются единственными движущими силами для перемещений реактора, то стенки фотобиореактора предпочтительно выполнены из тонкого и гибкого материала. Тонкие и гибкие стенки позволяют оптимизировать способность фотобиореактора к самостабилизации.

Закрытый фотобиореактор предпочтительно содержит отсек, называемый здесь отсеком для водорослей, ограниченный водонепроницаемыми и прозрачными стенками из гибкого материала.

Водонепроницаемый, прозрачный и гибкий материал предпочтительно может быть легким или иметь низкую плотность. Предпочтительно этот материал является материалом на полимерной основе, таким как, например, тонкая полимерная пленка на полиолефиновой основе, например полиэтилен или полипропилен. Другие полимеры, пригодные для использования с изобретением, могут быть легко установлены специалистом в области полимерных материалов. Толщину стенок следует выбирать в зависимости от свойств, таких как гибкость, прозрачность и прочность конкретного материала, и могут находиться, например, в диапазоне 10-1000 мкм или в диапазоне 25-500 мкм и в диапазоне 50-150 мкм. Желательно, с учетом прочности материала, сделать стенки фотобиореактора как можно тоньше в целях обеспечения максимальной гибкости и прозрачности. В качестве неограничивающего примера полиэтиленовая пленка толщиной около 100 мкм оказалась пригодной для использования в стенках фотобиореактора.

Отсек для водорослей фотобиореактора может в качестве примера содержать верхний лист и нижний лист из водонепроницаемого, прозрачного и гибкого материала, прикрепленных друг к другу так, чтобы образовать между двумя листами закрытый отсек, но также возможны и другие конструкции, обеспечивающие закрытые отсеки, ограниченные стенками из водонепроницаемого прозрачного, гибкого и легкого материала.

Отсек для водорослей фотобиореактора может дополнительно содержать различные впускные и выпускные отверстия, к которым могут быть подключены шланги, насосы, источники жидкости или газа и другое оборудование, требуемое или полезное для работы фотобиореактора.

- 4 017671

Средства определения разности плотностей могут включать средства определения солености и/или температуры культуральной жидкости. Средства определения разности плотностей могут содержать средства определения солености и/или температуры окружающей воды. Подходящие средства определения солености или окружающей воды могут быть выбраны специалистом в этой области, а их работа может быть основана, например, на измерении проводимости среды, соленость которой определяют. Подходящие средства определения температуры культуральной жидкости или окружающей воды также могут быть выбраны специалистом и могут представлять собой, например, термопары или другие устройства для измерения температуры, подающие электрический сигнал, характеризующий температуру.

Фотобиореактор может быть снабжен одним или более дополнительными отсеками или трубами для дополнительного управления плавучестью фотобиореактора. Эти отсеки или трубы могут содержать газ, воду или другую жидкость. Таким образом, дополнительные отсеки и трубы увеличивают скорость, с которой можно управлять положением фотобиореактора в водоеме. Дополнительный(ые) отсек(и) или труба(ы) могут использоваться, когда положение фотобиореактора требуется адаптировать быстро, например, в ответ на кратковременные изменения температуры в культуральной жидкости. В качестве кратковременных изменений следует понимать изменения в течение минут или в масштабе часа.

Фотобиореактор может быть оборудован механическими средствами ускорения погружения или всплытия, когда положение фотобиореактора требуется адаптировать быстро, например, для оптимизации условий роста водорослей, таких как температура, или состояний, связанных с погодой, таких как сильный ветер. Такие механические средства могут, например, включать сеть или по крайней мере один удлиненный элемент, такой как канат, трос или стержень, продолжающийся над фотобиореактором и выполненный с возможностью опускания и поднятия, для содействия погружению или всплытию фотобиореактора. Такого рода сети или, по крайней мере, удлиненные элементы могут не закрепляться на поверхности фотобиореактора. Обычно полезно иметь два или более удлиненных элемента, расположенных параллельно и разнесенных друг от друга на подходящее расстояние по длине фотобиореактора. Удлиненные элементы могут опускаться вниз или подниматься вверх одновременно или по очереди, например, так, чтобы весь фотобиореактор одновременно погрузился, или так, чтобы сначала погрузить только одну сторону реактора, а другую сторону реактора погрузить впоследствии.

Фотобиореакторы могут иметь форму плоской панели. В отличие от, например, трубчатых фотобиореакторов для плоских панельных реакторов требуется меньше конструкционных материалов, требуется меньше энергии за счет меньшего сопротивления потоку и они имеют меньше ограничений по масштабируемости.

Отсек для водорослей фотобиореактора может также состоять из двух или более подотсеков для содержания культуральной жидкости. Упомянутые подотсеки могут быть приспособлены для содержания части культуральной жидкости, находящейся в фотобиореакторе. Предпочтительно, если фотобиореактор содержит два или более таких подотсеков, то культуральная жидкость распределена поровну между подотсеками. Использование подотсеков в фотобиореакторе может помочь стабилизировать реактор, когда он частично или полностью погружен, так как подотсеки помогают уменьшить потенциальные неблагоприятные последствия агломерации культуральной жидкости и больших пузырей газа, как будет обсуждено более подробно ниже.

Подотсеки могут быть изолированы друг от друга. В этом случае подотсеки будут действовать как группа небольших фотобиореакторов. Это еще больше уменьшит проблемы агломерации и крупных газовых пузырей, когда фотобиореактор будет погружен в воду.

Подотсеки могут быть также соединены так, чтобы обеспечить ограниченный переход жидкости и/или газа между подотсеками. Это позволит уменьшить проблемы агломерации и крупных газовых пузырей, когда фотобиореактор будет погружен в воду, сохраняя при этом гибкость фотобиореактора и преимущества общего распределения СО₂ и других питательных веществ в культуральной жидкости и удаления кислорода из реактора.

Фотобиореактор может дополнительно содержать средства временного разделения отсека для водорослей на два или более подотсеков. Временное разделение отсека для водорослей фотобиореактора предоставляет комбинированные выгоды неограниченной плоской панельной структуры, когда фотобиореактор плавает на поверхности воды, и структуры с подостеками, когда фотобиореактор находится в частично или полностью погруженном положении. Фотобиореактор или его отсек для водорослей, когда они плавают на поверхности окружающей воды, обычно содержат, по меньшей мере, гибкий верхний лист, обращенный к атмосфере, и гибкий нижний лист, обращенный к воде, между которыми содержится культура водорослей. Средства временного разделения отсека для водорослей фотобиореактора могут, например, включать элемент для прижатия верхнего листа фотобиореактора к нижнему листу фотобиореактора так, чтобы внутри фотобиореактора образовать подотсеки с каждой стороны от места прижатия. В варианте выполнения упомянутые средства разделения отсека для водорослей фотобиореактора на два или более подотсеков включают по меньшей мере один удлиненный элемент, такой как канат, трос или стержень, продолжающийся над фотобиореактором и выполненный с возможностью опускания верхнего листа фотобиореактора и его прижатия к нижней части листа фотобиореактора так, чтобы образовать подотсеки внутри фотобиореактора с каждой стороны от упомянутого по меньшей мере одного удлинен

- 5 017671 ного элемента.

В другом варианте выполнения указанных средств разделения фотобиореактора на два или более подотсеков эти средства включают по меньшей мере один дополнительный отсек или по меньшей мере одну дополнительную трубу, отдельные от отсека для водорослей, расположенные в контакте с верхним листом фотобиореактора и приспособленные для заполнения жидкостью с большей плотностью, чем культуральная жидкость, так что когда дополнительный отсек или труба наполнена жидкостью с высокой плотностью, заполненный отсек или труба способны прижать верхний лист фотобиореактора к нижней части листа фотобиореактора с образованием подотсеков внутри отсека для водорослей фотобиореактора с каждой стороны от упомянутого заполненного отсека.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1а - схематичный вид фотобиореакторной системы;

фиг. 1Ь - вид в поперечном сечении фотобиореакторной системы.

фиг. 2а - вид в перспективе фотобиореактора с трубой для подачи СО₂, плавающей в отсеке с культуральной жидкостью вследствие своей низкой плотности;

фиг. 2Ь - вид в вертикальном сечении фотобиореактора с трубой для подачи СО2, плавающей в отсеке с культуральной жидкостью вследствие своей низкой плотности;

фиг. 3 - вид фотобиореактора с дополнительным отсеком для управления вертикальным положением и/или формой реактора;

фиг. 4а - схематичный вид фотобиореактора с веревками для создания временных подотсеков и для ускорения процесса погружения;

фиг. 4Ь - увеличенный вид по фиг. 4а вертикального профиля с направляющей перемещения реактора;

фиг. 5 - вид фотобиореактора с изолированными подотсеками;

фиг. 6а - схематичный вид фотобиореактора, в котором верхние и нижние листы соединены в разных точках;

фиг. 6Ь - схематичный вид фотобиореактора в поперечном сечении, в котором верхние и нижние листы соединены в разных точках;

фиг. 7 - схематичный вид фотобиореактора в поперечном сечении с дополнительным отсеком на верхней стороне реактора, который может быть заполнен жидкостью высокой плотности для образования подотсеков в фотобиореакторе.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

На сопровождающих чертежах и последующем описании приведены неограничивающие примеры выполнения изобретения. Термины культуральная жидкость и культуральная среда используются здесь взаимозаменяемо и относятся ко всей культуре водорослей, то есть к смеси водорослей и водоема, в которой суспендированы водоросли, или только к воде, используемой для суспендирования водорослей.

На фиг. 1а представлен вид полной фотобиореакторной системы. Фотобиореактор 1 в форме панели (также называемый здесь реактор), плавает на водоеме, здесь - на искусственном пруду 2. Размеры такого фотобиореактора 1 могут быть различными; в этом варианте выполнения возможна длина 50 м и ширина около 10 м. Фотобиореактор 1 выполнен из гибкого прозрачного материала, а внутри фотобиореактора находится культуральная жидкость, в которой суспендированы водоросли. Солнечное освещение фотобиореактора 1 позволяет водорослям производить биомассу посредством фотосинтеза. Во время этого процесса углекислый газ поглощается и производится кислород. Поэтому культуральную среду всегда перемещают при освещении, чтобы обеспечить новый углекислый газ и удалить кислород, который может быть токсичным для водорослей. Культуральную среду перемещают посредством насоса 3. Культуральная среда, таким образом, перемещается через фотобиореактор и возвращается по трубе 4. Газообмен происходит в резервуаре 5, которому система труб 6 постоянно подает газовую смесь, богатую углекислым газом, посредством компрессора 7. Газовая смесь, богатая углекислым газом, может происходить, например, из электростанций, использующих ископаемое топливо. Очищенный кислород выводится через трубу 8, снабженную стерильным фильтром. Культуральная жидкость с биомассой водорослей может быть выкачана из системы через клапан 9 и может храниться в резервуаре 10 до последующей переработки собранного объема. Новая среда подается в систему через дополнительный клапан 11 из резервуара хранения 12. Это служит для компенсации потерь жидкости, вызванной сбором водорослей, и для снабжения культуральной жидкости новыми питательными веществами.

В альтернативном варианте (не показан) углекислый газ подается к растущим водорослям трубой или шлангом, расположенным в реакторе, при этом труба или шланг имеют один или более выходов для углекислого газа. Таким образом, в этом варианте культуральная жидкость не должна перемещаться через резервуар 5 для снабжения углекислым газом.

Датчики 13 для определения солености и температуры культуральной жидкости и датчики 14 для определения солености и температуры окружающей воды связаны с блоком управления 15. Блок управления 15 определяет разность плотностей между культуральной жидкостью и окружающей водой на основе информации от датчиков 13, 14, так же как и других параметров и сохраненных данных. Блок

- 6 017671 управления управляет насосами (не показаны), подающими морскую воду и пресную воду соответственно к пруду 2. В другом варианте (не показан) блок управления 15 управляет средствами изменения солености культуральной жидкости в фотобиореакторе 1.

На фиг. 1Ь показано поперечное сечение такой системы. Сечение фотобиореактора 1 выполнено в латеральном направлении, и на этом чертеже фотобиореактор плавает на водоеме 2. Вертикальная толщина культуральной жидкости в фотобиореакторе обычно составляет от 1 до 30 см. Глубина водоема 2 может значительно меняться. Труба 4, используемая для циркуляции культуральной жидкости, также показана в латеральном сечении.

Культуральная жидкость фотобиореактора.

Культура водорослей находится в фотобиореакторе в культуральной жидкости. Культуральная жидкость является водным раствором, содержащим различные соли и другие питательные вещества, например источники углерода, такие как СО₂, глюкоза или сукцинат, чтобы водоросли могли производить биомассу или определенные молекулы. Конкретное содержание питательных веществ в культуральной жидкости может меняться в зависимости от типа водорослей, культивируемых в фотобиореакторе, или различных молекул, которые, как предполагается, производятся культурой водорослей. Культуральная жидкость в фотобиореакторе может заменяться свежей культуральной жидкостью, закачиваемой в фотобиореактор с любой скоростью потока, так чтобы снабдить культуру водорослей свежими питательными веществами. Если культуральную жидкость прокачивают через фотобиореактор, то скорость потока, с которой закачивается культуральная жидкость, предпочтительно регулируют так, чтобы свести к минимуму любые потери водорослей из фотобиореактора. Температуру культуральной жидкости в фотобиореакторе и окружающей воде измеряют непрерывно. Измеренную температуру сравнивают с заданными значениями, которые могут находиться в температурном интервале, в котором условия для культуры водорослей оптимальны, т.е. в интервале температур, при которых обеспечивается самая высокая скорость роста культуры водорослей или самая высокая скорость производства определенной молекулы.

Подача СО₂ к культуральной жидкости фотобиореактора.

Водоросли требуют для своего роста большое количество СО₂, так как они используют его как основной источник углерода. Кроме того, в процессе фотосинтеза производится кислород, который может оказывать токсичное действие на водоросли. Поэтому массообмен этих газов через газожидкостный барьер крайне важен для высокой производительности. Многие возможные способы подачи СО₂ к культуре водорослей и способы удаления образованного кислорода описаны ниже. Описанные здесь способы не должны восприниматься как ограничивающие изобретение. В объеме изобретения также находятся и другие способы, которые могут быть очевидными для специалиста.

В варианте выполнения (не показан) массоперенос СО₂ к культуральной среде достигается посредством пассивной диффузии газообразного СО2 через большую площадь поверхности в культуральную жидкость. Предполагается, что пассивной диффузии СО2 через большую площадь поверхности будет достаточно, поскольку кинетика диффузионных процессов, описанных первым и вторым законами Фика, и последующая гидратация и депротонизация являются достаточно быстрыми, чтобы обеспечить для культуры водорослей достаточное количество СО₂ и избежать токсического действия О₂ из-за фотоокисления. Пассивная диффузия имеет преимущество в том, что не требуется энергии для перемещения воды или растворения СО2 в воде. Кроме того, будут снижены инвестиционные затраты, так как не требуется никакой активной аэрации. В таком случае перенос СО2 будет происходить в пограничном слое между водой и углекислым газом без дополнительных энергозатрат. В более специфичном варианте это можно реализовать путем обеспечения газового пузыря с богатым СО2 газом над культуральной жидкостью в фотобиореакторе.

В другом варианте (не показано) СО2 барботируют через культуральную жидкость. Предпочтительно газообразный СО2 может подаваться трубой или трубчатым устройством, продолжающимся в культуральную жидкость. Такая система может содержать отверстия, через которые богатый СО2 газ может вытесняться путем приложения давления от внешнего устройства. Трубы или трубчатые устройства могут, например, быть закреплены на дне реактора, а отверстия будут обычно обращены в направлении к водной поверхности.

Во время эксплуатации фотобиореактора богатый СО2 газ может поставляться непрерывно в культуральную среду. У этого варианта также есть дополнительное преимущество, так как это приводит к непрерывному удалению кислорода вскоре после его образования.

Альтернативно, богатый СО₂ газ может добавляться короткими импульсами. Существуют различные средства для определения длины импульса, количества газа, подлежащего введению, давления вводимого газа и время между импульсами. В варианте выполнения импульсами подачи газа может управлять таймер, подающий регулярный сигнал, например каждые 5 мин, на импульс длительностью в 1 мин. В другом варианте импульсом управляет специальный блок, способный оценивать количество СО2, использованное водорослями, вычислить оптимальную длительность импульса, количество газа, подлежащего введению, давление вводимого газа и время между импульсами. Для оценки количества требуемого СО₂ этот блок может включить различные датчики, например датчик, измеряющий интенсивность освещения, датчик, измеряющий температуру, и датчик, измеряющий плотность биомассы в фотобиореакто

- 7 017671 ре. Используя данные, полученные посредством этих датчиков, контроллер процесса может вычислять оптимальную схему импульсов для фотобиореакторной системы.

Количество добавляемого СО₂ может также быть связано с уровнем рН в реакторе. рНизмерительный электрод, помещенный в культуральной жидкости, может непрерывно измерять напряжение через полуводопроницаемую мембрану, позволяющую протонам переходить мембрану против определенной окислительно-восстановительной системы, например против электрода Ад/АдС1. Напряжение регистрируется блоком управления процессом. Блок управления процессом добавляет импульс СО₂, как только напряжение достигнет заданной точки. Параметры импульсов, такие как длительность, количество импульсов в минуту, напряжение для остановки импульсной подачи, могут быть введены в блок управления процессом.

В другом варианте выполнения, показанном на фиг. 2а и 2Ь, газообразный СО₂ может подаваться в культуральную среду трубой или трубчатым устройством, продолжающимся в фотобиореактор, и выполненным с возможностью плавания на поверхности культуральной среды благодаря более низкой плотности. Барботирование газообразного СО₂ выполняют так же, как и в случае, описанном выше, где трубы или трубчатые устройства продолжаются в культуральную жидкость. Однако труба или трубчатое устройство, через которое подают СО₂, при этом будут выполнены таким образом, чтобы они плавали на поверхности культуральной среды в фотобиореакторе. Этого можно достичь путем обеспечения плотности всей (16) системы аэрации ниже плотности культуральной среды (17) с водорослями. Отверстия (18) в трубе или трубчатом устройстве, через которые СО2 вытесняется в культуральную жидкость, в этом варианте предпочтительно обращены вниз для достижения наилучшей газопередачи. Отверстия будут при этом расположены на поверхности культуральной жидкости или немного ниже.

Во время эксплуатации фотобиореактора богатый СО2 газ может поставляться непрерывно в культуральную жидкость. У этого варианта также есть дополнительное преимущество в том, что оно приводит к непрерывному удалению кислорода вскоре после его образования.

Альтернативно, богатый СО₂ газ может добавляться короткими импульсами. Существуют различные средства для определения длины импульса, количества вытесняемого газа, давления вытесняемого газа и время между импульсами. В варианте газ может подаваться импульсами с помощью таймера, который выдает регулярный сигнал, например каждые 5 мин, на импульс длительностью в 1 мин. В другом варианте импульс управляется специальным блоком, способным оценить количество СО2, использованного водорослями, вычислить оптимальную длину импульса, количество газа, которое должно быть введено, давление вводимого газа и время между импульсами. Для оценки количества требуемого СО₂ этот блок может содержать различные датчики, например датчик, измеряющий интенсивность освещения, датчик, измеряющий температуру, и датчик, измеряющий плотность биомассы в фотобиореакторе. Используя данные, полученные посредством этих датчиков, контроллер процесса может вычислять оптимальную схему импульсов для фотобиореакторной системы.

Количество добавляемого СО₂ может также быть связано с уровнем рН в реакторе. рНизмерительный электрод, помещенный в культуральную жидкость, может непрерывно измерять напряжение через полуводопроницаемую мембрану, позволяющую протонам переходить мембрану против определенной окислительно-восстановительной системы, например против электрода Ад/АдС1. Напряжение регистрируется блоком управления процессом. Блок управления процессом добавит импульс СО2, как только напряжение достигнет заданного значения. Параметры импульсов, такие как длительность, количество импульсов в минуту, напряжение для остановки импульсов, могут быть введены в блок управления процессом.

СО2 необязательно должен подаваться в культуральную среду внутри фотобиореактора в виде газообразного СО2. Обогащенная СО2 водная среда может быть приготовлена вне фотобиореактора, например, посредством барботирования газообразного СО2 через водную среду. Другими словами, вместо того, чтобы поставлять СО2 в прозрачную часть фотобиореактора, то же можно сделать за пределами данного фотобиореактора. В варианте выполнения такая система может использовать вертикальный резервуар, содержащий водную среду, в которой богатый СО₂ газ подается в нижней части или вблизи нижней части резервуара. В то время как пузырьки СО2 поднимаются через водную среду, СО2 переносится из пузырьков в водную среду и в то же время кислород удаляется из культуральной жидкости. В предпочтительном варианте водная среда, обогащенная СО2, является культуральной средой из фотобиореактора, которую обогащают СО2, а затем возвращают в фотобиореактор. Поскольку резервуар может быть высотой в несколько метров, длительность пребывания СО2 в резервуаре может быть сравнительно большой, что позволяет хороший массообмен. Для барботирования СО2 в вертикальном резервуаре требуется энергия для преодоления, например, гидростатического давления. Энергия, затрачиваемая на повышение давления газа, может также использоваться для перемещения водоема из отсека для водорослей в устройство для обогащения СО2 и обратно в отсек для водорослей.

В другом варианте вместо барботирования СО2 через культуральную среду для водорослей внутри или вне фотобиореактора подача СО2 облегчается использованием полуводопроницаемой мембраны. Применение такой мембраны обеспечило бы различные преимущества по сравнению с барботированием.

а. Такая мембрана работает как однопутевой клапан, то есть мембрана позволяет СО₂ поступать в

- 8 017671 культуральную жидкость, но препятствует поступлению воды в систему подачи СО₂, как, например, мембрана, проницаемая для СО₂, но не для воды.

b. Низкое потребление энергии. Так как не требуется образования пузырьков, мембранный способ позволяет подавать СО₂ при более низком потреблении энергии по сравнению с процессом барботирования.

c. Низкое усилие сдвига. Избегая барботирования, уменьшается воздействие усилий сдвига на клетки водорослей. Уменьшенное усилие сдвига снижает количество погибших клеток в культуральной среде и поэтому меньше органического материала, склонного к разложению, может уменьшить эффективность фотобиореактора. Кроме того, это значительно уменьшило бы риск контаминации гетеротрофными организмами.

ά. Увеличенная скорость массообмена. При использовании мембраны можно использовать более высокие давления СО₂, чем в вышеописанном варианте, использующем пассивную диффузию, так как давление СО₂ на мембрану не ограничено давлением окружающего атмосферного воздуха, как в случае с пассивной диффузией. Кроме того, мембраны могут иметь более высокую площадь поверхности, чем плоская поверхность, такая как поверхность культуральной жидкости, при таком же размере, как у мембраны.

Массоперенос СО₂ и/или кислорода может также быть облегчен перемещением фотобиореактора, например, наклоняя его.

Фотобиореактор в закрытом водоеме.

Термин закрытый водоем относится к ограниченным водным системам, позволяющим контроль, например, количества или типа воды, такой как пресноводная, слабосоленая или соленая. Примерами закрытых водоемов являются естественные или искусственные пруды, бассейны или водохранилища.

В одном варианте выполнения в исходном положении фотобиореактор лежит на поверхности закрытого водоема с морской водой, т.е. с соленой водой. Когда фотобиореактор лежит или плавает на поверхности водоема с морской водой, плотность фотобиореактора ниже плотности водоема с морской водой. Если положение фотобиореактора должно быть снижено, регулируют разность плотностей фотобиореактора и водоема с морской водой. Например, положение фотобиореактора может потребоваться понизить, когда измеренная температура культуральной жидкости выше или ожидается, что она будет выше заданного значения температуры. Для регулирования разности плотностей фотобиореактора и водоема с морской водой уменьшают соленость водоема с морской водой. Это достигается путем замены морской воды на пресную. Когда морская вода заменяется пресной, соленость закрытого водоема постепенно уменьшается, т.е. плотность воды вокруг фотобиореактора уменьшается. В качестве альтернативы морская вода может замещаться слабосоленой водой. Плотность культуральной жидкости, общая плотность фотобиореактора, а также плотность окружающей воды измеряют непрерывно, таким образом постоянно определяя разность плотностей фотобиореактора и окружающей воды. Фотобиореактор погружается в закрытый водоем вследствие его более высокой плотности по сравнению с окружающей водой, и положение фотобиореактора снижается. Положение фотобиореактора может быть снижено до положения, в котором измеряемая температура культуральной жидкости будет находиться в пределах желательного диапазона температур.

В другом варианте, в исходном положении фотобиореактор лежит на поверхности закрытого водоема с пресной водой. Когда фотобиореактор лежит или плавает на поверхности водоема с пресной водой, плотность фотобиореактора ниже по сравнению с плотностью пресной воды. Если положение фотобиореактора должно быть снижено, регулируют разность плотностей фотобиореактора и пресной воды. Например, положение фотобиореактора может потребоваться понизить, когда измеренная температура культуральной жидкости выше или ожидается, что она будет выше заданного значения температуры. Для регулирования разности плотностей фотобиореактора и водоема с пресной водой повышают соленость культуральной жидкости. Это достигается путем замены или дополнения культуральной среды жидкостью повышенной солености, т.е. путем подачи в фотобиореактор культуральной жидкости с повышенной соленостью. Скорость подачи такой культуральной жидкости устанавливают такой, чтобы позволить водорослям приспособиться к повышенной концентрации соли в культуральной жидкости и свести к минимуму потерю водорослей в фотобиореакторе. Когда культуральная среда заменяется или дополняется жидкостью повышенной солености, плотность фотобиореактора повышается. Плотность культуральной среды, общая плотность фотобиореактора, а также плотность окружающей воды непрерывно измеряют, таким образом постоянно определяя разность плотностей фотобиореактора и окружающей воды. Фотобиореактор погружается в закрытый водоем вследствие его более высокой плотности по сравнению с окружающей водой, и положение фотобиореактора снижается. Положение фотобиореактора может быть снижено до положения, в котором измеряемая температура культуральной жидкости будет в пределах желательного диапазона температур.

В другом варианте в исходном положении фотобиореактор лежит ниже поверхности закрытого водоема с морской водой, т.е. с соленой водой. Когда фотобиореактор лежит ниже поверхности закрытого водоема с морской водой, плотность фотобиореактора выше плотности морской воды. Если положение фотобиореактора требуется повысить, регулируют разность плотностей между фотобиореактором и за

- 9 017671 крытым водоемом с морской водой. Например, положение фотобиореактора, возможно, потребуется поднять, когда измеряемая температура культуральной жидкости ниже или ожидается, что будет ниже, чем заданное значение температуры. Для регулирования разности плотностей фотобиореактора и закрытого водоема с морской водой соленость культуральной жидкости снижают. Это достигается путем замены или добавления культуральной жидкости низкой солености, т. е. путем подачи в фотобиореактор культуральной жидкости низкой солености.

Скорость подачи культуральной жидкости устанавливают такой, чтобы позволить водорослям приспособиться к низкой концентрации соли в культуральной жидкости и свести к минимуму потерю водорослей в фотобиореакторе. Когда культуральная жидкость заменяется или дополняется культуральной жидкостью пониженной солености, плотность фотобиореактора уменьшается. Плотность культуральной жидкости, общая плотность фотобиореактора, а также плотность окружающей воды непрерывно измеряют, таким образом постоянно определяя разность плотностей фотобиореактора и окружающей воды. Фотобиореактор всплывает в закрытом водоеме вследствие его более низкой плотности по сравнению с окружающей водой, и положение фотобиореактора повышается. Положение фотобиореактора может быть поднято до положения, в котором измеряемая температура культуральной жидкости будет находиться в пределах желательного диапазона температур.

В другом варианте фотобиореактор лежит ниже поверхности закрытого водоема с пресной водой в исходном положении. Когда фотобиореактор лежит ниже поверхности закрытого водоема с пресной водой, плотность фотобиореактора выше плотности пресной воды. Если положение фотобиореактора требуется повысить, регулируют разность плотностей фотобиореактора и пресной воды в закрытом водоеме. Например, положение фотобиореактора, возможно, потребуется поднять, когда измеряемая температура культуральной жидкости ниже или ожидается, что она будет ниже заданного значения температуры. Для регулирования разности плотностей фотобиореактора и пресной воды в закрытом водоеме повышают соленость воды в закрытом водоеме с пресной водой. Это достигается путем замены пресной воды на морскую, т.е. соленую воду. Когда пресная вода заменяется морской водой, плотность окружающей фотобиореактор воды повышается. Плотность культуральной среды, общая плотность фотобиореактора, а также плотность окружающей воды непрерывно измеряют, таким образом постоянно определяя разность плотностей фотобиореактора и окружающей воды. Фотобиореактор всплывает в закрытом водоеме вследствие его более низкой плотности по сравнению с окружающей водой, и положение фотобиореактора повышается. Положение фотобиореактора может быть поднято до положения, в котором измеряемая температура культуральной жидкости будет находиться в пределах желательного диапазона температур.

В варианте выполнения, особенно когда фотобиореактор находится в закрытом водоеме, плотность культуральной жидкости и плотность окружающей воды изменяют одновременно. Так, соленость окружающей воды одновременно снижают по мере повышения солености культуральной жидкости или соленость окружающей воды повышают одновременно со снижением солености культуральной жидкости. Одновременное регулирование солености в закрытом водоеме и в культуральной жидкости предпочтительным образом увеличивает скорость регулирования разности плотностей фотобиореактора и окружающей воды, тем самым увеличивая скорость погружения или всплытия фотобиореактора.

В одном варианте, особенно когда фотобиореактор находится в закрытом водоеме, температуру водоема используют в качестве дополнительного средства для обеспечения желательной разности плотностей, т.е. температуру регулируют в качестве дополнения или альтернативы регулирования солености культуральной жидкости или окружающей воды реактора. Когда положение фотобиореактора должно быть понижено, температура закрытого водоема увеличивается, тем самым понижается плотность окружающей воды. Кроме того, когда положение фотобиореактора необходимо повысить, температура закрытых водоемов уменьшается, увеличивая тем самым плотность окружающей воды. Таким образом, регулирование температуры воды, окружающей реактор, влияет на скорость погружения или всплытия фотобиореактора.

В варианте выполнения, в котором фотобиореактор в исходном положении лежит на поверхности закрытого водоема с морской, т.е. соленой водой, к окружающей воде добавляют другие добавки, не являющиеся пресной водой, для уменьшения плотности среды вокруг реактора. Например, в закрытый водоем добавляют неводные жидкости с плотностью меньше плотности воды для уменьшения плотности среды, окружающей реактор.

В варианте, в котором фотобиореактор в исходном положении лежит ниже поверхности закрытого водоема с пресной водой, к окружающей воде добавляют другие добавки, не являющиеся морской, т.е. соленой водой, для повышения плотности среды, окружающей реактор. Например, в закрытый водоем добавляют неводные жидкости с плотностью выше плотности воды для повышения плотности среды, окружающей реактор.

Закрытый фотобиореактор в открытом водоеме.

Термин открытый водоем означает природный водоем, такой как озеро, река или море, в котором эффективный контроль химических или физических свойств воды является затруднительным или невозможным.

- 10 017671

В одном варианте выполнения фотобиореактор в исходном положении лежит на поверхности открытого пресного водоема. Когда фотобиореактор лежит или плавает на поверхности открытого пресного водоема, плотность фотобиореактора ниже плотности пресной воды. Если позиция фотобиореактора должна быть понижена, разность плотности фотобиореактора и пресной воды регулируют. Например, положение фотобиореактора, возможно, потребуется изменить, когда измеряемая температура культуральной жидкости выше или ожидается, что будет выше заданного значения температуры. Для регулирования разности плотностей фотобиореактора и окружающей воды соленость культуральной жидкости повышают. Это достигается путем замены или добавления культуральной жидкости повышенной солености, т.е. путем закачивания культуральной жидкости повышенной солености в фотобиореактор. Скорость подачи культуральной жидкости устанавливают такой, чтобы позволить водорослям приспособиться к повышенной концентрации соли в культуральной жидкости и свести к минимуму потерю водорослей в фотобиореакторе. Когда культуральная жидкость заменяется или дополняется культуральной жидкостью повышенной солености, плотность фотобиореактора повышается. Плотность культуральной жидкости, общая плотность фотобиореактора, а также плотность окружающей воды непрерывно измеряют, таким образом постоянно определяя разность плотностей фотобиореактора и окружающей воды. Фотобиореактор погружается в пресную воду вследствие более высокой по сравнению с окружающей водой плотности, и положение фотобиореактора снижается. Положение фотобиореактора может быть снижено до положения, в котором измеряемая температура культуральной жидкости будет находиться в пределах желательного диапазона температур.

В другом варианте выполнения фотобиореактор в исходном положении лежит ниже поверхности открытого моря, т. е. соленой воды. Когда фотобиореактор лежит ниже поверхности открытого моря, плотность фотобиореактора выше плотности морской воды. Если положение фотобиореактора необходимо повысить, регулируют разность плотностей между фотобиореактором и открытым морем. Например, положение фотобиореактора, возможно, потребуется поднять, когда измеряемая температура культуральной жидкости ниже или ожидается, что будет ниже заданного значения температуры. Для регулирования разности плотностей фотобиореактора и закрытого водоема с морской водой соленость культуральной жидкости понижают. Это достигается путем замены или добавления культуральной жидкости пониженной солености, т.е. путем закачки культуральной жидкости пониженной солености в фотобиореактор. Скорость подачи культуральной жидкости устанавливают таким образом, чтобы позволить водорослям приспособиться к пониженной концентрации соли в культуральной жидкости и свести к минимуму потерю водорослей в фотобиореакторе. Когда культуральная жидкость заменяется или дополняется культуральной жидкостью пониженной солености, плотность фотобиореактора снижается. Плотность культуральной жидкости, общая плотность фотобиореактора, а также плотность окружающей воды непрерывно измеряют, таким образом постоянно определяя разность плотностей фотобиореактора и окружающей воды. Фотобиореактор всплывает вследствие его более низкой плотности по сравнению с плотностью окружающей воды, и положение фотобиореактора повышается. Положение фотобиореактора может быть поднято до положения, в котором измеряемая температура культуральной жидкости будет находиться в пределах желательного диапазона температур.

Система управления.

В одном варианте выполнения соленость культуральной жидкости и, таким образом, косвенно позицию фотобиореактора регулируют многоцелевой системой. Эта система запрограммирована информацией, касающейся фотобиореактора, такой как общий вес и плотность фотобиореактора, количество биомассы и культуральной жидкости, которая содержится в фотобиореакторе. Кроме того, система непрерывно измеряет температуру, соленость и плотность культуральной жидкости и плотность окружающей воды, тем самым постоянно определяя разность плотностей фотобиореактора и окружающей воды. Кроме того, система также контролирует концентрацию различных компонентов в культуральной жидкости, такую как концентрация соли. Система может автоматически регулировать положение фотобиореактора в окружающей воде в ответ на изменения в температуре культуральной жидкости, так чтобы поддерживать культуру водорослей при постоянной температуре. Таким образом, система может быть оснащена известными управляющими цепями и алгоритмами, такими как алгоритмы управления с обратной связью, для оптимальной стабильности при регулировании положения фотобиореактора.

В другом варианте, когда фотобиореактор находится в закрытом водоеме, соленость и температура окружающей воды регулируются многоцелевой системой, описанной выше. В варианте выполнения фотобиореактора, имеющего дополнительные отсеки или трубы, система управления также регулирует наполнение и опорожнение газа, воды и других жидкостей в отсеки или трубы. В одном варианте выполнения универсальная система контролирует не только параметры, связанные с положением фотобиореактора, но и параметры роста водорослей. Таким образом, система управления также измеряет и регулирует содержание О₂ и СО₂ в культуре водорослей.

Дополнительные средства управления положением и/или формой фотобиореактора.

Вертикальным положением и/или формой фотобиореактора в соответствии с изобретением можно управлять путем обеспечения подходящей разности плотностей между культуральной жидкостью и окружающей водой, в которой плавает реактор. Однако иногда дополнительные средства управления по

- 11 017671 ложением и/или формой фотобиореактора могут оказаться полезными. Это может произойти, например, в случае, когда фотобиореактор должен быть погружен в воду быстро. Такие средства могут включать дополнительные отсеки или трубы, выполненные с возможностью заполнения средой с высокой или низкой плотностью для содействия погружению или всплытию фотобиореактора, механических средств содействия погружению или всплытию фотобиореактора и подотсеков в отсеке для водорослей фотобиореактора для управления формой реактора, когда он полупогружен в воду. Эти три типа средств будут подробно обсуждены ниже.

Дополнительные отсеки или трубы, способные заполняться средой высокой и низкой плотности.

В одном варианте фотобиореактор снабжен дополнительными отсеками или трубами, обеспечивающими средства увеличения скорости изменения положения фотобиореактора. Отсеки или трубы могут содержать газ, воду или другую жидкость. Когда фотобиореактор лежит на поверхности воды, отсеки или трубы могут содержать только газ. Если позиция фотобиореактора должна быть понижена, отсеки или трубы заполняют водой или жидкостью высокой плотности, повышая тем самым общую плотность фотобиореактора. Когда фотобиореактор плавает ниже поверхности воды и положение фотобиореактора требуется повысить, воду или жидкость высокой плотности в отсеках или трубах вытесняют газом, тем самым снижая общую плотность фотобиореактора. Таким образом, дополнительные отсеки или трубы увеличивают скорость регулирования разности плотностей фотобиореактора и окружающей воды. Дополнительные отсеки или трубы могут использоваться, когда положение фотобиореактора требуется адаптировать быстрее, например, в ответ на краткосрочные изменения температуры в культуральной жидкости. К краткосрочным относятся изменения в течение периода, измеряемого минутами или в масштабе часа. Дополнительные отсеки или трубы могут быть расположены в любом месте на фотобиореакторе. Дополнительные отсеки или трубы могут быть выполнены из того же материала, что и остальной фотобиореактор, или из другого материала, который более жесткий и, возможно, и более прочный. Дополнительные отсеки или трубы могут также включать системы из нескольких труб, сообщенных друг с другом по текучей среде, или они могут состоять из более широкого отсека с внутренними точечными склейками, сварками или аналогичными соединениями для обеспечения структурной стабильности.

В варианте, показанном на фиг. 3, дополнительный отсек расположен в верхней части фотобиореактора. В этом варианте плотность всей системы реактора может быть изменена путем добавления жидкости с высокой плотностью, желательно соленой воды, в дополнительный отсек (19), отдельный от отсека для водорослей (20). Заполнение дополнительного отсека приводит к увеличению плотности всей реакторной системы и, таким образом, процесс погружения ускоряется. В этом варианте дополнительный отсек расположен в верхней части фотобиореактора. Дополнительный отсек включает внутренние точки склеивания (21) для обеспечения структурной стабильности. Дополнительные отсеки или трубы могут быть подключены к источнику жидкости высокой плотности через один или более шлангов (22) с клапанами (23) с одной стороны реактора и аналогичные соединения с противоположной стороны реактора. При использовании для ускорения погружения фотобиореактора в соответствии с этим вариантом выполнения дополнительный отсек будет заполняться водой с одной стороны, и клапаны на другой стороне будут также открыты. При начале процесса наполнения с одной стороны эта сторона уйдет под воду первой. Остаток воздуха, таким образом, собирается на одной стороне фотобиореактора и вытесняется более эффективно. Процесс наполнения будет продолжаться, пока весь воздух не выйдет, и заполненный реактор начнет погружаться. Клапаны на противоположной от шлангов заполнения стороне затем закрываются. В данный момент процесс наполнения может быть остановлен или процесс наполнения может продолжаться некоторое время. Продолжение процесса наполнения повышает давление в дополнительном отделении, тем самым увеличивая жесткость этого отсека, что позволяет обеспечить дополнительную структурную стабильность фотобиореактора во время погружения в частично или полностью погруженном режиме.

Когда система реактора должна всплыть, соленая вода из дополнительного отделения откачивается насосом при закрытых клапанах на противоположной от насоса стороне, чтобы избежать поступления воздушных пузырьков в новый отсек. Чтобы ускорить процесс всплытия, клапаны на противоположной от насоса стороне открываются и через соответствующие шланги вводится сжатый воздух или дымовые газы.

Механические средства содействия погружению или всплытию фотобиореактора.

Фотобиореактор может быть оснащен механическими средствами для ускорения погружения или всплытия, когда положение фотобиореактора необходимо адаптировать быстро, например, для оптимизации условий роста водорослей, например температуры, или из-за условий, связанных с погодой, таких как сильный ветер. Такие механические средства могут, например, включать сеть или по крайней мере один продолговатый элемент, такой как канат, трос или стержень, продолжающийся над фотобиореактором с возможностью опускания или поднятия для содействия погружению или всплытию фотобиореактора. Обычно полезно иметь два или более таких продолговатых элемента, расположенных параллельно и разнесенных друг от друга по длине фотобиореактора. Продолговатые элементы могут опускаться вниз или подниматься вверх одновременно или по очереди, например, так, чтобы весь фотобиореактор погрузился одновременно, или так, чтобы сначала погрузилась только одна сторона реактора, а другая сторона

- 12 017671 реактора погрузилась впоследствии.

Конкретный вариант выполнения показан на фиг. 4а. Над биореактором (24) установлены на равных расстояниях канаты (25), которые могут быть расположены, например, через каждые 1-2 м. Канаты имеют длину минимум с размер реактора и на обоих концах они соединены с вертикальными профилями (26). Когда фотобиореактор должен быть погружен, канаты тянут вниз на вертикальных профилях с каждой стороны реактора соответственно, так чтобы канаты толкали реактор (27) вниз.

Различные конструкции могут использоваться для прикрепления и перемещения канатов. В одном конкретном варианте, показанном на фиг. 4Ь, канаты могут быть прикреплены к Т-образной структуре (29), способной перемещаться вертикально вдоль пластикового или металлического профиля. Пластиковый или металлический профиль вертикально прикреплен к земле и содержит рельс, по которому можно перемещать подвижную структуру вверх и вниз. Канат прикреплен к подвижной структуре. Для перемещения этой структуры требуется энергия и механическая система. Механическая система может включать поршень (30) на каждом из профилей или один центральный поршень может обеспечить механической силой все профили. Каждый поршень может быть приведен в действие сжатым газом (31). Сжатый газ может, например, обеспечиваться газовой трубой, компрессором или он может быть богатым СО₂ сжатым газом из соответствующего источника, например из электростанции. Источник СО2 предпочтительно может быть тем же источником, из которого обеспечивают СО2 для подачи в культуральную жидкость.

В варианте с двумя или более канатами перемещение канатов может быть осуществлено различным образом. Все канаты могут опускаться с одинаковой скоростью, например, чтобы весь фотобиореактор погрузился одновременно. Однако было установлено, что часто предпочтительнее сначала опускать вниз канат на одной стороне реактора, в результате чего реактор на этой стороне погружается первым, а затем опускать другую сторону. Такой поэтапный порядок имеет несколько преимуществ. Если одна из сторон реактора движется вниз, весь газ, захваченный внутри реактора, будет перемещаться в противоположную сторону. В такой системе выходные точки отверстия газа могут быть организованы непосредственно на этой противоположной стороне. Эта схема позволит вытеснить избыточный газ посредством перемещения реактора. Это выгоднее по сравнению с тем случаем, когда весь фотобиореактор погружается одновременно, при котором пузырьки газа или агломератов могут находиться в произвольной позиции внутри реактора. По тому же принципу вся культуральная среда будет собираться в определенном месте и контроль положения культуральной среды облегчит ее последующее потенциальное разделение. Кроме того, это облегчает процедуру сбора, так как вся биомасса концентрируется на одной стороне реактора. Наконец, опускание реактора сначала, с одной стороны, требует меньше сил и позволяет окружающей воде протекать вокруг реактора более контролируемым образом, создавая меньше турбулентности, что может сделать этот процесс более стабильным по сравнению с процессом, при котором весь реактор опускают вниз одновременно. Так как фотобиореактор очень гибкий, турбулентность и быстро движущаяся вода могут оказать на него негативное воздействие, которое важно исключить.

Дополнительные отсеки и трубы, а также механические средства, описанные выше, могут, кроме ускорения погружения или всплытия, предоставить дополнительные преимущества стабилизации физической формы во время погружения и в режиме частичного или полного погружения фотобиореактора.

Подотсеки.

Поскольку фотобиореактор по изобретению очень гибкий, форма реактора может зависеть от внутренних и внешних воздействий и неоднородностей. Таким образом, чтобы сохранить форму и оптимальные функции фотобиореактора, контроль таких воздействий и неоднородностей может быть важным. Поэтому ниже описано несколько вариантов выполнения изобретения, которые касаются различных аспектов работы предлагаемого фотобиореактора.

Благодаря использованию тонкого и гибкого материала реактор образует идеальную плоскую и однородную систему, когда плавает на водном пространстве. Есть, однако, две основные силы, которые могут способствовать дестабилизации системы реактора. а. На форму и поведение фотобиореактора может повлиять образование больших пузырей газа внутри фотобиореактора. Барботирование газообразного СО₂ через культуральную среду может быть желательным, так как поставляет достаточно СО₂ для поддержания оптимальной скорости роста культуры водорослей. Постоянный приток газа в фотобиореактор может привести к образованию одного или более больших пузырей газа над культуральной жидкостью. Чтобы контролировать пузырьки газа, возможны различные решения. Один или более выходов для газа могут быть подсоединены к фотобиореактору. Количество и положение выходов, а также их внутренний диаметр являются важными факторами, влияющими на размер пузырька. Другой способ контроля размеров и поведения пузырьков газа состоит в разделении фотобиореактора на меньшие подотсеки. Это может быть достигнуто разными способами, некоторые примеры которых более подробно описаны ниже. б. Может произойти агломерация культуральной жидкости. Пока реактор плавает на водном пространстве, культуральная жидкость будет равномерно распределена внутри фотобиореактора. Когда реактор погружается в окружающую воду, например, когда требуется понизить температуру культуральной среды или из-за сильного ветра, равномерное распределение может нарушиться. Эта проблема обычно возникает при сборе культуральной жидкости водорослей в одном месте фотобиореактора, при

- 13 017671 котором образуется большой агломерат. Это может привести к нарушению формы и надлежащего функционирования фотобиореактора. Для поддержания формы и обеспечения надлежащего функционирования реактора, особенно в реакторах крупного масштаба, таких агломераций следует избегать.

Обнаружено, что проблемы агломерации и образования больших пузырей газа могут быть уменьшены или устранены путем разделения фотобиореактора на более мелкие подотсеки.

В самом общем варианте фотобиореактор включает в себя один большой отсек для водорослей, обычно содержащий верхний лист и нижний лист, прикрепленные друг к другу по их периметру, для образования закрытого отсека типа мешка.

В варианте, показанном на фиг. 5, вместо биореактора, состоящего из одного большого отсека, отсек для водорослей разделен на несколько различных закрытых отсеков (32) сепараторами (33), которые могут быть, например, созданы путем склеивания или сварки верхнего и нижнего листов фотобиореактора вместе для образования двух или более меньших подотсеков. Таким образом, образованные отсеки будут работать как группа малых фотобиореакторов, т.е. культуральная среда с водорослями может агломерировать только в одном подотсеке. Так как подотсеки имеют меньший объем, предотвращается образование крупных агломератов.

Фотобиореактор можно также частично разделить, например, путем склеивания или сварки верхнего и нижнего листов вместе в конкретных позициях. Частичное разделение отделов может ограничивать, но необязательно полностью останавливать поток культуральной среды и потенциальных газовых пузырьков в фотобиореакторе.

На фиг. 6 А и 6В показаны варианты, в которых фотобиореактор частично разделен. Верхний (34) и нижний (35) листы фотобиореактора, образующие закрытый отсек для водорослей (36), соединены по краям фотобиореактора (37). Между краями эти два листа соединены в различных точках (38) внутри фотобиореактора, например, путем склеивания или сварки. Отсек для водорослей в соответствии с этим вариантом будет по-прежнему обладать необходимой гибкостью для ровной протяженности при плавании, но также не позволит культуральной среде внутри реактора образовать большие агломераты, так как нижний и верхний слои соединены и при этом позволяют лишь ограниченному объему жидкости находиться между слоями. Склеивание или сварка верхних и нижних листов могут выполняться в любом количестве различных рисунков для получения различной формы в сформированных подотсеках фотобиореактора.

Во-первых, форма соединенных областей, то есть точек склеивания или сварки, может варьировать. Только в качестве примеров, не исключающих и других возможностей, соединение верхнего и нижнего слоев может быть в форме небольшого круга (например, в форме простой точки склеивания), например, с диаметром в 1 см. Форма также может быть прямоугольной, при этом склеенные или сваренные части могут формировать сплошную или прерывистую линию или ее часть.

Во-вторых, позиции склеенных или сварных частей внутри фотобиореактора могут варьировать. Склеенные или сварные точки могут быть регулярно распределены по всему реактору или же они могут быть сконцентрированы на одной стороне, чтобы облегчить, например, сбор биомассы или воздуха с другой стороны. Таким же образом, склеенные или сваренные линии могут быть регулярно расположены таким образом, чтобы сформировать трубообразные рисунки. Другие рисунки также могут быть обеспечены склеенными или сварными линиями, например, так, чтобы задать поток жидкости в фотобиореакторе. Это можно сравнить со структурой греческого лабиринта, где есть только один потенциальный путь для прохождения жидкости через реакторную систему. Добавление такого рисунка может обеспечить различные преимущества. Установление определенного направления потока может облегчить сбор биомассы или добавление свежих питательных веществ, поскольку это можно осуществлять в заданном месте реактора.

В другом варианте отсек для водорослей фотобиореактора состоит из одного большого гибкого отсека. Когда фотобиореактор плавает на водном пространстве, этот отсек действует как один большой отсек, в пределах которого жидкость и газ могут перемещаться свободно. Чтобы избежать потенциальных проблем с формированием больших газовых пузырей или агломерацией культуральной среды, когда фотобиореактор погружен в окружающую воду, отсек для водорослей фотобиореактора может быть временно разделен на два или более различных подотсека, прежде чем реактор будет погружен в окружающую воду. Это разделение может, например, быть достигнуто приложением силы к гибкой верхней стороне фотобиореактора, так чтобы верхний лист фотобиореактора был прижат к нижнему листу, с образованием при этом двух или более фактических подотсеков в пределах отсека для водорослей реактора.

Сила может, например, быть приложена по меньшей мере одним продолговатым элементом, таким как канат, трос или стержень, продолжающийся над верхней поверхностью фотобиореактора с возможностью его опускания вниз. Конкретный вариант выполнения показан на фиг. 4а. Выше фотобиореактора (24) расположены канаты (25), регулярно разнесенные друг от друга, например, на расстояние 1-2 м. Канаты имеют минимальную длину, соответствующую размеру реактора, и на обоих концах соединены с вертикальными профилями (26). Перед уменьшением плавучести реактора канаты опускают ниже водной поверхности так, чтобы канаты врезались в гибкий фотобиореактор, прижимая верхний лист реактора к нижнему листу реактора. Канаты создают фактические подотсеки (27), в которых культуральная

- 14 017671 жидкость (28) имеет тенденцию не опускаться, поскольку она все еще имеет более низкую плотность, чем окружающая вода, и поэтому подотсеки не следуют за канатом. Когда плотность и соответственно плавучесть фотобиореактора понизится и реактор начинает погружаться, фактически созданные подотсеки ведут себя как отдельные меньшие отсеки.

Для прикрепления и перемещения канатов могут использоваться различные конструкции. В одном конкретном варианте, показанном на фиг. 4Ь, канаты прикреплены к Т-образной структуре (29), способной перемещаться вертикально вдоль пластикового или металлического профиля. Пластиковый или металлический профиль вертикально прикреплен к земле и содержит рельс, по которому подвижную структуру можно перемещать вверх и вниз. Канат прикреплен к подвижной структуре. Для перемещения этой структуры требуется энергия и механическая система. Механическая система может быть поршнем (30) в каждом из профилей или один центральный поршень может обеспечивать механической силой все профили. Каждый поршень может приводиться в действие сжатым газом (31). Сжатый газ может, например, обеспечиваться газовой трубой, компрессором или он может быть богатым СО₂ сжатым газом из соответствующего источника, например электростанции. Источник СО₂ может быть предпочтительно тем же источником, который обеспечивает СО₂ для подачи в культуральную жидкость.

Другой вариант, основанный на общем принципе временного разделения фотобиореактора на два или более различных подотсеков перед погружением реактора в окружающую воду, показан на фиг. 8. В этом варианте отсеки (39) не создаются канатами. Вместо этого подотсеки создаются дополнительными отсеками или трубами (40), расположенными над отсеком водорослей (41), которые могут заполняться жидкостью, имеющей более высокую плотность, чем культуральная среда в отсеке водорослей фотобиореактора. Когда дополнительные отсеки или трубы заполняют жидкостью высокой плотности, то они погружаются вниз, прижимая верхний лист фотобиореактора к нижнему, создавая фактические подотсеки в пределах отсека для водорослей.

Детализированный список других вариантов выполнения.

Другие варианты изобретения раскрыты в следующем пронумерованном списке.

а. Фотобиореактор для культивирования фототрофных микроорганизмов, характеризующийся тем, что:

а) фотобиореактор состоит из нетрубчатых компонентов, представляет собой закрытую систему и снаружи частично окружен водой, так что фотобиореактор плавает на водоеме (например, искусственном пруде, реке, озере, море или яме, заполненной водой), плавает под поверхностью воды или находится на дне водоема;

б) при этом фотобиореактор обеспечивает биомассу фототрофных организмов, пригодную для производства любого вида биологических топлив, кормов, белков, аминокислот, компонентов (например, белки, масла) для основного питания человека, но не для использования в качестве пищевых добавок, таких как витамины или омега-3-жирные кислоты.

1Ь. Фотобиореактор для культивирования фототрофных микроорганизмов для производства тонкоорганических соединений и фармацевтических препаратов, характеризующийся тем, что:

а) фотобиореактор состоит из нетрубчатых компонентов, представляет собой закрытую систему и снаружи частично окружен водой, так что фотобиореактор плавает на водоеме (например, искусственном пруде, реке, озере, море или яме, заполненной водой), плавает под поверхностью воды или находится на дне водоема;

б) при этом фотобиореактор обеспечивает биомассу фототрофных организмов, пригодную для производства тонкоорганических соединений, пищевых добавок, витаминов, омега-3-жирных кислот, антиоксидантов (например, каротиноидов), фармацевтически активных веществ или высушенной биомассы в качестве пищевой добавки.

2. Фотобиореактор согласно п.1а или 1Ь, характеризующийся тем, что фотобиореактор состоит из трубчатых компонентов вместо нетрубчатых.

3. Фотобиореактор согласно п.1а или 1Ь, характеризующийся тем, что фотобиореактор имеет плоскую форму (плоская панель).

4. Фотобиореактор согласно п.1а или 1Ь, характеризующийся тем, что водная среда, окружающая фотобиореактор, может использоваться для управления температурой культуральной жидкости в фотобиореакторе.

5. Фотобиореактор согласно п.1а или 1Ь, характеризующийся тем, что водная среда, окружающая фотобиореактор, может использоваться для выравнивания фотобиореактора, так чтобы фотобиореактор поддерживался в горизонтальном положении.

6. Фотобиореактор согласно п.1а или 1Ь, характеризующийся тем, что водная среда, окружающая фотобиореактор, противодействует гидростатическому внутреннему давлению фотобиореактора.

7. Фотобиореактор согласно п.1а или 1Ь, характеризующийся тем, что водная среда, окружающая фотобиореактор, посредством гидростатического давления, вызванного его собственным весом, используется для уменьшения механического напряжения материала фотобиореактора.

8. Фотобиореактор согласно п.1а или 1Ь, характеризующийся тем, что обеспечивает разность плотности (например, вызванная разной соленостью или температурой) между культуральной жидкостью в

- 15 017671 фотобиореакторе и (частично) окружающей водной средой для управления положением фотобиореактора в окружающей воде (например, плавание на поверхности, плавание под поверхностью и погружение в окружающий водоем).

9. Фотобиореактор согласно п.1а или 1Ь, характеризующийся тем, что фотобиореактор состоит из гибкого материала, так что вертикальная толщина культуральной жидкости в фотобиореакторе может быть изменена посредством изменения количества культуральной жидкости, присутствующей в фотобиореакторе.

10. Фотобиореактор согласно п.1а или 1Ь, характеризующийся тем, что фотобиореактор можно использовать на водных поверхностях, таких как озера, реки или моря, и фотобиореактор не нуждается в земной поверхности.

11. Фотобиореактор согласно п.1а или 1Ь, характеризующийся тем, что культуральная жидкость в фотобиореакторе имеет горизонтальную скорость более 0 см/с и перемещается эрлифтом, насосом или подобным устройством.

12. Фотобиореактор согласно п.1а или 1Ь, характеризующийся тем, что водная среда, окружающая фотобиореактор, способствует поддержанию приблизительно одинаковой вертикальной толщины культуральной жидкости в фотобиореакторе по всей его горизонтальной протяженности.

Пример.

Гибкий, закрытый плоский панельный фотобиореактор, выполненный из гибкой полиэтиленовой пленки с размерами 7x5 м, был помещен на поверхность бассейна, содержащего воду с соленостью 35 г/л. Отсек для водорослей фотобиореактора заполнили 1800 л пресной воды, окрашенной метиловым синим. Фотобиореактор, содержащий цветной раствор (представляющий культуральную жидкость), расположился, плавая, на поверхности окружающей воды, с культуральной средой, гомогенно распределенной по нижней поверхности реактора.

Фотобиореактор был погружен в окружающую воду путем подачи воды, насыщенной солью, в дополнительный отсек, находящийся в верхней части отсека для водорослей. Соленая вода закачивалась только с одной стороны дополнительного отсека через пять отверстий для жидкости, равномерно распределенных вдоль длинной стороны дополнительного отсека. Реакторная система начала погружаться на стороне, на которой закачивалась более тяжелая соленая вода. Во время процесса введения дальнейших количеств соленой воды дополнительный отсек был заполнен полностью и другая сторона отсека для водорослей начала также погружаться. Будучи полностью погруженным, фотобиореактор восстановил свою в целом плоскую панельную форму.

Затем фотобиореактор был возвращен в его исходное положение плавания на поверхности окружающей воды посредством удаления соленой воды через пять отверстий жидкостей, описанных выше. Для полного удаления соленой воды в дополнительный отсек закачивали сжатый воздух.

Claims (20)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ эксплуатации закрытого фотобиореактора для культивирования фототрофных микроорганизмов, причем фотобиореактор содержит культуральную жидкость и частично или полностью окружен водой водоема, предусматривающий обеспечение разности плотностей культуральной жидкости и окружающей воды, так чтобы управлять положением фотобиореактора в водоеме.
2. 2. Способ по п.1, в котором стенки упомянутого фотобиореактора выполнены из водонепроницаемого гибкого материала, приспособленного для содержания культуральной жидкости.
3. 3. Способ по любому предшествующему пункту, в котором разность плотностей обеспечивают путем обеспечения разных соленостей и/или температур культуральной жидкости и окружающей воды.
4. 4. Способ по любому предшествующему пункту, в котором разность плотностей обеспечивают так, чтобы поддерживать положение фотобиореактора в водоеме.
5. 5. Способ по любому предшествующему пункту, в котором фотобиореактор снабжен одним или более отсеками или трубами для дополнительного управления вертикальным положением и/или формой фотобиореактора.
6. 6. Способ по любому предшествующему пункту, в котором фотобиореактор снабжен механическими средствами дополнительного управления вертикальным положением и/или формой фотобиореактора.
7. 7. Способ по любому предшествующему пункту, в котором фотобиореактор имеет плоскую панельную форму.
8. 8. Способ по любому предшествующему пункту, в котором фотобиореактор включает два или более подотсеков, способных содержать культуральную жидкость.
9. 9. Способ по п.8, в котором указанные подотсеки изолированы друг от друга.
10. 10. Способ по п.8, в котором указанные подотсеки соединены так, чтобы позволить ограниченный перенос жидкости и/или газа между подотсеками.
11. 11. Способ по любому предшествующему пункту, в котором фотобиореактор включает средства временного разделения фотобиореактора на два или более подотсеков.
12. 12. Закрытый фотобиореактор для культивирования фототрофных микроорганизмов, приспособ

    - 16 017671 ленный для содержания культуральной жидкости и для частичного или полного окружения водой водоема, при этом фотобиореактор содержит средства определения разности плотностей между культуральной жидкостью и окружающей водой.
13. 13. Фотобиореактор по п.12, в котором стенки упомянутого фотобиореактора, приспособленного для содержания культуральной жидкости, выполнены из водонепроницаемого гибкого материала.
14. 14. Фотобиореактор по п.12 или 13, в котором фотобиореактор оборудован одним или более отсеками или трубами, выполненными для дополнительного управления вертикальным положением и/или формой фотобиореактора.
15. 15. Фотобиореактор по любому из пп.12-14, в котором фотобиореактор снабжен механическими средствами, выполненными для дополнительного управления вертикальным положением и/или формой фотобиореактора.
16. 16. Фотобиореактор по любому из пп.12-15, имеющий плоскую панельную форму.
17. 17. Фотобиореактор по любому из пп.12-16, содержащий два или более подотсеков, приспособленных для содержания культуральной жидкости.
18. 18. Фотобиореактор по п.17, в котором упомянутые подотсеки изолированы друг от друга.
19. 19. Фотобиореактор по п.17, в котором указанные подотсеки соединены так, чтобы позволить ограниченный перенос жидкости и/или газа между подотсеками.
20. 20. Фотобиореактор по любому из пп.12-19, содержащий средства временного разделения фотобиореактора на два или более подотсеков.