專利名稱：：光生物反應器的制作方法
技術領域：
：本實用新型涉及到了一種培養基的系統及設備，確切來說，就是供培養基生長的，用于生物燃料，制藥和食品產業的藻類培養基的光生物反應器。
背景技術：
：隨西方和亞洲的經濟增長，世界對以石油為原料的產品的依賴性也越來越強。與之相對的，新的石油儲備的開發已經到了一個相對穩定的階段，且預計在未來幾十年里將會減少。此外，燃煤的燃燒排放的含碳氣體正導致著氣候的變化，也引起了越來越多的關注。這種狀況剌激了對生物燃料，一種從生物體如油菜和小麥制造出來的油的衍生物的蓬勃需求。然而，這些生物燃料來源，是靠生產這種生物體的一種相對低效的手段來實現的，并且要求對原本用于生產糧食的耕地轉到非糧食品種生產或者轉移到可以生產燃料的食用作物的生產中來。因此，尋找另一種生產生物燃料的方法迫在眉睫。人們發現，某些類型的藻類可以產生一種高含油量的生物體。這些藻類的生長速度大大地超過了傳統的生物燃料作物的生長速度。這些類型的藻類被定義為微藻以區別其它大型的藻類，如海草之類的巨大藻類。下表給出了不同的生物燃料作物的出油量的比較:<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>從藻類提取生物燃料的優點包括快速的增長率和每英畝的高產量。同時，藻類生物燃料不含硫，不含毒性，而且還具有高度的生物降解性。有些品種的藻類由于他們的高含油量，某些藻種的含油量接近40%，非常適合用于生物柴油的生產。除了選定的營養成分，藻類的生長跟許多植物物種一樣，需要三個主要條件陽光，二氧化碳和水。光合作用是一個重要的生化過程，在這一過程中，植物，藻類以及一些細菌得以將光能轉化為化學能。微藻含有可以用作膜成分，存儲產品、代謝物和能源來源的脂類、脂肪酸，按重量，其脂類/油脂大約占到2%到40%。藻類生產生物燃料的潛力在過去一直是大量的研究計劃的對象。有一個計劃因其突出的全面性脫穎而出，這就是在1978到1996年間由美國能源部的分支機構燃料開發司出資，美國國家可再生能源實驗室(NREL)主導的"水生物種計劃(ASP)"。該計劃的重心在于調查可專為大規模生產生物燃料的目的而種植的高油藻。研究計劃最開始是考察研究怎樣利用快速生長的藻類吸聚來自燃煤電廠排放的二氧化碳的碳。在實驗中藻類是用來控制廢水的，卻發現它是生產沼氣的好原料，盡管供它們生長的污泥能產生更多的沼氣。然而,當人們注意到有些藻類有很高的含油量時，計劃的重點就從種植藻類轉移到另一個目標-生產生物燃料。有些品種的藻類因髙含油量(10%40%，取決于許多因素)以及其在實驗室條件下的快速生長速度被認為非常適合生物柴油的生產。ASP計劃主張在用漿輪攪拌培養基在露天池和溝渠中繁殖藻類，因為這是公認的用相對較低的成本大規模地生產生物體的最具成本效益的辦法。此外，露天池可以位于偏遠地區，那里的以糧食生產為主的農業不會受到損害。ASP計劃遭遇了許多技術壁壘，最重要的一個現實問題是露天池的高油量的藻類隨著時間的推移很容易被咄咄逼人的低油量的本地藻類取代。因此，圖24所示的在實驗室條件下的出油量在實地條件時無法實現和保持。同樣,.露天池和溝渠系統也不適合控制和優化這些高油藻能茂盛繁殖的環境。因此，在露天池和溝渠系統種植高油藻的設想和實踐雖然十分吸引人并將是許多公司將進行的研究項目的主題，在目前卻證明是問題多多的。為了消除露天池繁殖藻體的諸多問題，在過去幾年里，好幾家公司就他們研發出來的從藻類提取生物燃料的技術發布新聞稿。其中多數項目涉及使用封閉的光生物反應器。在這種封閉的反應器中，藻體以二氧化碳和營養元素為食，在一個受控制的環境里生長。盡管其有可能為制藥和食品工業產生生物燃料和高附加值的產品的潛力很大，但是藻類生物技術進步相對緩慢。主要制約因素是缺乏有效的，低成本，大規模的培養技術。此外，為生產生物燃料的下游產品的微藻生物體的生產通常需要繁殖單一栽培的高油藻類。這一要求促使越來越強調發展那些封閉的光生物反應器。如圖1所示，這是現有一個典型的氣升式光生物反應器，反應器10首先包括一根用透明或半透明的材料構成的垂直管柱12,另一根垂直管柱14位于垂直管柱12內，兩端開口，一般由不透明的材料構成。垂直管柱14的兩端和相應垂直管柱12的兩端有間距。反應器10內含懸浮著微藻培養基18的溶液16。光源按圖示20的方向斜照在反應器10上，在垂直管柱12內部和垂直管柱14外部形成一片光區22，溶液16在此去接受光照；在垂直管柱14內部由于垂直管柱14本身的不透明物質的遮蔽形成一個暗區24。噴管26的第一個開口27位于反應器10的底部，垂直管柱14底端開口的正下方。氧氣、氮氣和二氧化碳的氣體混合物經噴管26導入溶液16。氣體混合物產生的氣泡在垂直管柱14的內部上升流動，促使液體按28所示流向從暗區24流向光區22再回流至暗區24。液體的流動讓微藻的培養基18經歷著光照和黑暗的交替，這有助于它們的生長。最常見的用于藻類繁殖光生物反應器是垂直的噴氣式的反應器，根據它們相對簡單的構造形式，有氣升式，氣泡柱式和平板式。然而這些系統也有自身的問題。光生物反應器，尤其是大型反應器的成本意味著只有連續的高容量的生產力才可以讓這些潛在的方案在經濟上可行。在提高生物體的密度方面，相較露天池技術，是光生物反應器發展背后的推動力，但欲跟縮小培養系統的尺寸一直有點矛盾。這意味著反應器必須支持繁殖中的微藻有著高效的光利用率和營養吸收率。在這樣對光照有很強的依賴性的高密度細胞培養基中，由于光吸收和細胞間的相互遮蔽，光照的不均衡經常發生。因此，生物體必須持續混合以達到最佳的生長速度。同樣，細胞必須接觸到養分來源，特別是二氧化碳，從而實現脂產量。噴氣式的光生物反應器如氣泡柱和平板式的剪切行動對于混合氣體，散熱以及大規模的光傳導是必要的，且它的重要性隨設備規模的提升而增加。然而，過度的剪切會導致細胞生長受損，細胞損害甚至死亡。因剪切應力導致的細胞死亡一度被認為是在反應器里培養微藻的關鍵問題(Vandanjoneta1.2000)。在這一方面，研究專家們一致達成共識微藻本質上對剪切很敏感，這可以解釋微藻培養系統中的相對較低的生產力和相對較低的生長速率。由于用于藻類培養的露天池系統遇到了諸如污染和缺乏足夠的環境控制的問題，光生物反應器的使用則同樣地遭遇了成本效益和技術壁壘的難題，這些問題限制了高密度藻體的持續性生產。這兩項常規技術，或者要求相對較高的土地成本或者要求與較高的運營成本相對應的較高的安裝費用。基于這些原因，傳統技術不能最大限度地和有效地用于大規模藻類生產。
實用新型內容本實用新型的目的是針對以上所述微藻培養存在的不足，提供一種成本低；允許無限擴展，且制造、安裝、操作、更換和維護都簡易可行的光生物反應器。本實用新型是這樣實現的光生物反應器包括一個管狀的反應器組，反應器組為管狀的主體梯田交互式設置形成的；主體由上層部位和下層弧形部位一起組成一個封閉的管狀包封空間，主體上包括有透明部位和透氣部位。光照可以透過透明部位進入主體結構以讓內含的培養種子進行光合作用，透氣部位是為了方便光合作用過程中產生的水分子和氧分子逃逸以及培養基的蒸騰作用，使主體內部的氣壓與大氣的氣壓保持均衡，透氣部位同時也容許二氧化碳逸入主體結構內部，供培養基使用以促進培養種子的生長。主體由塑料材料構成，要適應通過的包封空間接納種子培養和培養基；主體的管狀包封空間下部的槽，可以用于保留前面提到過的培養的種子和培養基。所述的主體的上層部位為倒V字形結構，上層部分在倒V字形上層部位的頂點處，兩個搭接的第一邊沿、第二邊沿分別位于倒V字形的下層；弧形部位上設置有第一條邊和第二條邊，分別與倒V字形的上層部位的第一邊沿和第二邊沿搭接連接起來形成一個具有洞腔的封閉套裝容器。洞腔是用來接納種子培養和培養基的。所述的反應器組包含有輸入閥和輸出閥，輸入閥臨近反應器組的上部端口，輸入閥包括完全封閉的閥門，閥門連接一個泵或者一個壓縮噴嘴裝置；輸出閥鄰近反應器組的下部端口。輸入閥讓培養的種子和培養基進入洞腔；輸出閥可以從反應器的內部萃取培養的種子和培養基；反應器組上部端口和下部端口，培養的種子和培養基可以通過上部端口的輸入閥泵入反應器組；在使用過程中，上部端口所處的位置比下部端口的要高。所述的反應器組包括有氣體導入裝置；氣體導入裝置可以為一根氣體滲透管，位于主體內部的洞腔底部；氣體滲透管與外部供應管連接，氣體滲透管與外部供應管之間設置有調節閥。氣體導入裝置可以將氣體引進反應器內，從而更加精確地調節氣體的濃度，例如二氧化碳的濃度，而避免通過主體的透氣部位從大氣中吸收二氧化碳。對不同濃度的調控可以讓種子培養的生長速度得到控制。外部供應管是一個裝著在反應器內能促進光合作用的氣體(如二氧化碳)的容器。氣體滲透管正好位于洞腔內，這樣透氣管就可以被培養基和培育的種子圍住。調節閥在使用時可以用來調節向主體內部供氣的速率。所述的弧形部位的下方設置有次級層，次級層與弧形部位的底部連接，弧形部位與次級層之間形成一個次級洞腔。下部引入一個次級洞腔考慮到了另一種將氣體，如二氧化碳，導入主體內部促進光合作用進行的方法，以提供藻種所需的適宜的飽和度。所述的反應器組上設置有反射器，反射器具有凹面形狀，安裝在使得光的焦點正好位于主體的洞腔內的位置。反射器可以毗鄰主體，可以反射額外的光線，將光照鎖定在培育的種子和培養基上，促進光合作用的進行。反射器呈凹面形狀，它的位置應該使得它的焦點正好位于主體的洞腔內。凹面形的光反射器的使用可以增加進入反應器的光照密度。主體的上部包括至少一個主要的附加突出部位。這個部位可以調節以連接主要的保持設備。可以這樣理解，這個主要的突出部位可能將與主體鑄接到一起，或者以重疊主體上部的某一部份而構成。前面所指的主體下部包括至少一個次級的附加突出部位，這個部位可以調節以連接次要的保持設備。所述的反應器組至少有一個位于主體弧形部位內墻的混合突出的微阻裝置者一個沿反應器組的縱向長度大幅延伸的翼式攪流裝置，這個微阻裝置或者翼式攪流裝置可以干擾培育的種子和培養基的流動，有利于它們在流過反應器時的混合。這種突出件有一個沿反應器的縱向長度大幅延伸的縱向的擋板，一個楔子和一個位于洞腔內的光板。光板可以借助板上的光線的均衡散射提高反應器內的光照分布。所述的反應器組內設置有光板，主體上部延伸至下部，光板上分布有大量的蝕刻孔。光板將光線以均衡的方式散射至反應器內部，光線的均衡散射提高反應器內的光照分布。蝕刻孔將光線以均衡的方式散射至反應器內部。光板由聚丙烯酸酯塑料或樹脂玻璃組成。使用時，光板的被閑置的一端被改造成可以混合培養的種子和培養基的形狀，浸入包含培養基的溶液中。所述的反應器組上至少含有一個遮光部件，遮光部件與主體外部連接。由不透明材料構成，遮光部件可以當培養的種子和培養基穿行在反應器內時促成光照和黑暗的循環。培養種子和培養基在反應器的透明墻部分流動時形成曰周期；在反應器被遮光部件覆蓋的部分流動時形成夜周期。所述的反應器組的主體本身可以有交互式的透明部分和不透明部分。光生物反應器的主體的透明部分包括一個光過濾層以防止特定波長光進入反應器內。在反應器的透明部位使用選擇性光過濾器可以防止可明顯抑制反應器內進行的光合作用的紫外線或紅外線侵入。所述的光生物反應器含有一個與主體連接的熱交換器，熱交換器通過地源熱泵與接地回路連接，熱交換器與反應器組連接。熱交換器可以調節主體內的培養基的溫度。使用熱交換器可以準確，高效和無菌地調節培養基的溫度，影響光合作用進程。反應器主體設置了一根管道，縱伸進入主體的洞腔，與熱交換器相連。這根管道可以過濾，讓培養基經由這根管道通過培養基溶液而阻止培養種子通過。使用過濾手段阻止培養的種子通過熱交換器意味著只有培養基在熱交換器里被加熱，然后回到反應器主體的內部。所述的光生物反應器還包括培養種子的貯留箱、營養箱、無菌水箱、一套跟營養箱和無菌水箱相連的混合設備；與培養種子貯留箱相連的光生物反應器，反應起的第一端亦與前面提到過的混合設備相連；生物反應器的另一端連接收存站，這樣使用過程中混合設備可以混合大量的來自營養箱的營養物質和來自無菌水箱的無菌水，組成培養基溶液。培養種子的貯留箱與混合設備一起可以為反應器提供大量的培養種子和培養溶液，而收存站可以收存生物反應器生產的大量的生物體。本實用新型還包含了一個位于混合設備和反應器之間的泵，它可以將培養基從混合設備中泵入反應器內。另外包含了一個位于種子貯留箱和反應器之間的泵，它可以將將種子從貯留箱泵入反應器內。反應器組最好斜置，第一端比第二端高。光生物反應器兩端之間的這種高度差異，使內含的種子和培養基溶液在重力的作用下在反應器內流動。許多支撐桿與反應器組連接，支撐桿的保持設備與反應器組連接以保持反應器。支撐桿在反應器上部突出，其主要保持設備與反應器的主要附加突出部位連接。支撐桿的次級保持設備與反應器的次級保持設備相連。支撐桿安放在支柱上，是可以調節。支撐桿的可調節性使反應器的離地高度隨時都可以透過操作支撐桿的垂直高予以調整。或者反應器的高度也可以通過反應器的傾斜度調節，這樣可能影響種子和培養基溶液在反應器的流動。與現有技術相比，本實用新型具有如下優點1、運行成本低下，可以實現循環運作；2、允許無限擴展；3、制造、安裝、操作、更換和維護都簡易可行;4、充分利用了地熱等可再生資源，極大的節約了運行成本；5、藻體培養過程可控，極大的提高來藻體培養效率；6、實現了無廢棄物產生的生產過程。圖1為現有典型的光生物反應器的縱剖面圖2為本實用新型中種子生長系統整個的平面圖;圖3為圖2所示的系統的平緩梯度的透視圖4為可調節的支柱和支撐桿的構造局部放大圖5為圖2所示的系統的陡峭梯度的透視圖；—圖6為本實用新型的反應器組的剖面圖7A為圖6中的反應器組的透視圖7B為帶擴散管道的圖6所示的反應器組的透視圖7C為與二氧化碳供氣管相連的圖7B所示的二氧化碳的透視圖8為顯示反應器閥門的圖6中的反應器組的透視圖9為帶含次級洞腔的次級層機構的圖6所示的反應器組的透視圖10為帶光反射器的圖6所示的反應器逛的透視圖11為帶有凹面形的光反射器和人造光源的圖6所示的反應器組的透視圖12為與熱交換器相連的圖6所示的反應器組的透視圖；圖13為與圖12所示的系統配套使用的熱交換器管道的放大透視圖；圖14為與圖6所示的反應器組配套使用的微阻裝置的放大透視圖；圖15為帶大幅平衡形翼式攪流裝置的圖6所示的反應器組的透視圖；.圖16為帶光板的圖6所示的反應器組的剖面圖17為帶大量遮光部件的圖6所示的反應器組的透視圖；圖18為圖2所示系統中的收存站的透視圖19-23為圖2所示系統的大量的不同的改進型設備的圖示；具體實施方式以下結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細的描述。如圖2和圖3所示，光生物反應器的全局圖標注為30。光生物反應器30包括一個藻種箱32。藻種箱32活動的經泵36與封閉的反應器組34相連。藻種在藻種箱32中培養形成，根據所必需的培養密度，足夠密度的藻種周期性地被泵36輸進反應器組34內。光生物反應器30包括一個營養箱38和無菌水箱40。營養箱38和無菌水箱40活動的與混合箱42相連，混合箱42再與培養基溶液泵44連接，培養基溶液由培養基溶液泵44泵入封閉的反應器組34。分別來自營養箱38和無菌水箱40的營養成分和無菌水在混合箱42中按照最佳的藻種生長所需要的比率混合，形成的混合物的培養基溶液，在重力的作用下或者經培養基溶液泵44注入封閉的反應器組34內。如圖2和圖3所示，反應器組34的主體是梯田式的交互式結構。培養基溶液和藻種在反應器組34中穿行，最終生成的藻體被位于反應器組34的底部的收存站46回收。如圖3所示，光生物反應器30可以安裝在相對平緩的斜坡48上，面朝光源。封閉的反應器組34固定在由支柱52支撐的電樞50上。支柱52和電樞50可調整高度。如圖4所示，支柱52由主體54和位于主體54的上端的支撐桿56組成，一組電樞50跟支撐桿56耦合。支撐桿56被電樞50耦合拴住，這樣就可以調節電樞50的位置。另外，主體54上設有一個栓孔58與支撐桿56連接。因此，支撐桿56相對主體54的位置和耦合到支撐桿56上的電樞50的高度都是可以按照需要進行調節的。可調節的電樞50和支柱52的使用意味著反應器組34的傾斜坡度可以通過調節支柱52和電樞50的高度來實現，這樣就可以形成一個面對光源的梯度。在一個持續的收獲成熟藻體的過程中，譬如說以一天為基數，培養基溶液的流速，反應器組34的傾斜梯度，反應器組34的長度都可以根據細胞體的生長周期加以調節，這樣就能在藻體到達收存站46之前實現一個最大的生物量密度和成熟度。"一條緩慢移動的藻類輸送帶"最好的形容了這種現象。容易理解的是，反應器組34的梯度有助于藻體的輸送，可以不再需要外力或驅動力。這一連續過程的另一種替換方法是，調整這種反應器組34以成批的生產生物體，這樣或者在整個反應器一次填入一批種子，或者在不同的時間間隔里將單獨批次的種子投入反應器中直到它整個塞滿。后者可以讓藻種在一段時間內聚集在一起，有助于一些藻種的繁殖。如圖5所示，光生物反應器30在一個相對陡峭的坡度上形成垂直的陣列設置。這種設計是為了增加反應器組34在特定地區的密度。一系列的反應器組34可好好規劃以實現藻體區域和光的入射(如箭頭60所示方向)的最大化。這種類型的安排非常適合在工廠，倉庫，大棚內部配養的藻類生物體的生長，但是需要提供人工光源。圖6和圖7為反應器組34的構造。反應器組34包括主體34a,主體34a帶有一個倒V字形的上層部位62。上層部分62a在倒V字形上層部位62的頂點處，兩個搭接的第一邊沿62b、第二邊沿62c分別位于倒V字形的上層部位62的雙臂的開口處。上層部位62是由透明的透氣塑料膜構成的。反應器組34還包括了一個下層的弧形部位64。弧形部位64上設置有第一條邊64a和第二條邊64b，其都是由第二層透氣膜構成。弧形部位64的第一條邊64a和第二條邊64b與倒V字形的上層部位62兩邊第一邊沿62b和第二邊沿62c分別搭接連接起來，將弧形部位64固定在上層部位62。這樣反應器組34的主體34a成為一個封閉的套裝容器，其斷面形狀類似圓周的一部分。如圖6和圖7A所示，一對側翼突出部位，第一側翼突出部位63b和第二側翼突出部位63c固定在倒V字型的上層部位62的搭接邊第一邊沿62b和第二邊沿62c上，與上層部位62的兩邊的墻壁正交。第一側翼突出部位63b和第二側翼突出部位63c提供多余的表面區域以完成下層部位64的粘結，使下層的弧形部位64與上層部位62搭接在一起。主體34a由一張連續的透氣膜構成的。主體34a的封套結構是為了保留藻種或者藻體66和供藻類生長的培養基溶液68。洞腔70由主體34a內的墻壁構成，位于藻體66和培養基溶液68之上，以利藻類進行蒸騰作用和呼吸作用。透氣膜則方便反應器組34內含的藻體66進行光合作用和蒸騰作用時產生的氧氣分子和水分子散逸出去。此外，隨著主體34a內含的氣體的溫度升高，氣體會擴散。透氣膜則可以充當一個釋放閥，讓內部的氣壓和大氣壓保持一個比較穩定的氣壓差。透氣膜的相對較小的孔徑可以阻止其他形式的污染物，尤其是藻類不需要的，進入反應器組34的主體內部。如有必要，二氧化碳可以被泵入主體34a，以促進光合作用。氣體滲透膜允許大氣中的二氧化碳分子滲入。在標準壓力和常溫下，二氧化碳的密度約為1.98公斤/立方米，約為空氣的1.5倍。二氧化碳是易溶于水，在水中自發地進行C02和H2C03(碳酸)兩種形式之間轉換，形成動態平衡。C02、H2C03、非質子化形式的HCCV(碳酸氫鹽)和C032—(碳酸鹽)的相對濃度在很大程度上取決于溶液的pH值。在中性或弱堿性水(pH值〉6.5)中，以碳酸氫鹽的形式為主(比重高于50%);在等同海水pH值的溶液中則達到最高，高于95%。而在強堿性水(pH值〉10.4)占主要地位(比重高于50%)的形式是碳酸鹽。碳酸氫鹽和碳酸鹽都十分易溶于水，因而，舉例說，空氣分布均衡的海水(弱堿性，通常pH值為8.2-8.5)每公升含有大約120毫克的碳酸氫鹽。因此，選擇一個含油量高，耐輕度堿性的藻株，反應器組34就只容許二氧化碳分子通過透氣膜，可以用來濾出大氣中的二氧化碳；同時膜的小尺寸的孔徑可以阻止其他形式的污染物進入反應器的封套內。反應器組34內含的藻體66和培養基溶液68的藻體的混合物的深度可變動以確保入射到藻體上的光照的強度最大。通常的規率是培養基溶液愈淺，培養基內部單個藻類細胞承受的入射光線愈多。如圖2、圖3和圖5所示，營養箱38和無菌水箱40的營養成分在混合箱42中按照藻類最佳生長條件所需的比率混合。其最終產物，培養基溶液68可以依靠重力或者借由培養基溶液泵44通過輸入閥72注入反應器組34內。輸入閥72，如圖8所示，位于反應器組34的主體34a的一面壁上，從主體34a的內部延伸至洞腔70的內部。輸入閥72臨近反應器組的上部端口，輸入閥72包括完全封閉的閥門，閥門連接一個泵或者一個壓縮噴嘴裝置。如上所述，藻種66在藻種箱32中形成。根據所需要的種子密度，充足的藻種定期地被泵36加入反應器組34，或者通過如圖8所示的與位于主體34a的一面壁上的輸入閥72相連的壓縮噴管注入反應器組。另外，主體34a還包含有輸出閥74，以從反應器的內部萃取培養的種子和培養基；輸出閥74從主體34a的內部延伸至洞腔70的內部。如圖6和圖7A所示，一個箝型突出部位76在倒V字形的上層部位62的條邊62a上。這個箝型突出部位76可以通過將組成上層部位62的透氣膜折疊成為在條邊62a上的一個重疊物。同樣地，下層的弧形部位64也可以用類似的方法使邊線超出上層部位62的第一邊沿62b、第二邊沿62c。如圖7A所示，箝型突出部位76與連接件78連接，連接件78固定于支撐桿50上，這便可以將反應器組34固定在與支柱52相接的支撐桿50上。同樣地，進一步的附加在支撐桿50上的護持80(標注80僅給出了其中的一種實施例)可以將支撐桿50與下部弧形部位64的邊線聯結起來，使反應器組34懸空。可以理解的是連接件78和護持80可以用合適的連接裝置來實現，如箝位法，粘結法，網衣釘合法等。而二氧化碳可用空氣蒸餾法獲得，但這僅能收集相對較少量的二氧化碳。因此，空氣蒸餾可能需要加以擴充，以改善藻類生物量的增長率。相對的，許多種化學反應均能產生二氧化碳，如許多酸和金屬碳酸鹽反應。舉個例子，硫酸和碳酸鈣(石灰巖或粉筆)的反應方程式描繪如下H2S04+CaC03—CaS04+H2C03圖7B及7C表現了對反應器組34的一些改進措施。主體34a內部設置了氣體滲透管86沿反應器組34的長度延伸。氣體滲透管86與下層弧形部位64綁在一起，浸在藻體66和培養基溶液68的混合物中。氣體滲透管86是氣體滲透膜構成的，這種膜允許二氧化碳分子通過卻能防止水分或培養基溶液68分子的浸入。這種類型的氣體滲透管在水族館中經常可以看到。通過控制壓力，泵入氣體滲透管86的氣體在管內不會產生泡沫。氣體滲透管86通過一個調節閥88連接到一個二氧化碳的外部供應管90。用調節閥88控制釋放的二氧化碳氣體，培養基溶液68內的二氧化碳濃度可以在需要時擴充。由于藻體66生長所需的二氧化碳可以人工供應而不是通過透氣膜從大氣中彌散進入培養基溶液68，從外部供應管90通過氣體滲透管86持續供應二氧化碳的狀況使主體34a的下層弧形部位64可以由氣體防滲膜構成。氣體滲透管86連接到一個與上層部位62或者下層弧形部位64組成一體的密封的閥門，因此，不需要的污染物不能進到反應器組34內。二氧化碳外部供應管90跟密封的閥門入口連接。有一點很關鍵，不論使用透氣的下層弧形部位64或氣體滲透管86，二氧化碳混合物進入藻體66和培養基溶液68的混合物中擴散的速率、藻體66生物量和生長介質中的培養基溶液68是可以控制的。同樣重要的是，將二氧化碳輸入與藻體66的生物量增長率比對，以確保二氧化碳的耗竭或供過于求不會造成藻類生長受阻或受到抑制。圖9提供了對反應器組34的一些備用的改進措施。在反應器組34中，一個膜的次級虔幼與下層的弧形部位64在反應器組34主體34a的下方聯結。這個次級層82有第一條邊線82a和第二條邊線82b分別通過與相應的下層弧形部位64的第一條邊64a和第二條邊64b聯結而與下層弧形部位64聯結起來。次級層82的寬度選擇應大于下層弧形部位64。這樣，當次級層82與下層的弧形部位64相連時，中間就可以形成一個次級洞腔84。如果必要，可以往次級洞腔泵入二氧化碳以提供藻種所需的適宜的飽和度。二氧化碳通過一種透氣膜(如下層的弧形部位64)或透氣管(如氣體滲透管86)擴散，可以用費克的擴散規律(Fick，sLawofDiffusion)來解釋。假設透氣膜或透氣管的表面積A(m2)和接觸的培養基溶液68，將二氧化碳的供應源頭隔離在所指的培養基溶液68之外的膜厚度為By。由上層部位62和下層弧形部位64組成的封套結構包囊了培養基溶液68，培養基溶液68所含的溶解的二氧化碳濃度為Ce。在透氣膜或氣體滲透管86的另一側的二氧化碳的濃度Cx比封套內的二氧化碳濃度Ce高。那么運用費克的第一和第二擴散定律，二氧化碳在封套內的累積率(hPA)可描述為5c:AK《CX-Ce、5tByV其中K為C02在膜內擴散的滲透速率(平方米/小時)，V為套內培養基溶液68的體積(立方米)。在時間t=0時，二氧化碳在培養基溶液68的濃度為Ce,二氧化碳在培養基溶液68的累積率可以通過整合上述公式得出(Ce-QByV因此，變動膜的厚度或透氣表管面積以及二氧化碳在套外或管內收到的靜態壓力或局部壓力Pco，都可以控制C02擴散到培養基溶液的速率。優化藻體生物量的增長也需要逸散進入培養基溶液68的二氧化碳接近于藻類吸收的二氧化碳。培養基溶液68內的二氧化碳不足意味著生長延緩。高濃度二氧化碳造成的藻類生長速度減慢的原因是二氧化碳的抑制作用(AmmanandLynch1967;Goldmanetal.1981，SilvaandPirt1984)。在一個有限量二氧化碳的藻種里，逸散進入培養基溶液68的二氧化碳被消耗掉并轉化為藻體的一部分。這樣，生物量的密度S(g/m3)的增加與時間t(h)的關系可以建立如下的公式i7—3t其中y為由二氧化碳消耗掉(g/m3.hpa)而產生的生物量的增量。因此得到AK(Cx-CelY可見，一旦某一個藻種的藻體生長收益率(Y)已經設定，進入培養基溶液68的二氧化碳的擴散速度可以匹配藻體的最佳的生長速度。為不同藻設定藻體增長收益率是一個并不怎么復雜的實驗過程，只不過是消耗每毫巴的二氧化碳所生產的生物體數量不同而已。因此，可以對光生物反應器30加以調整，使之配合特定藻種對二氧化碳的最佳要求，這可通過以下方式實現。即確定該特定藻類的藻體生長收益率，然后使下列因素相互關聯作為響應1透氣膜或氣體滲透管86與培養基溶液68接觸的表面積A(m2);2透氣膜或氣體滲透管86的二氧化碳的滲透性K;3膜內培養基溶液68的二氧化碳濃度和膜外或氣體滲透管86內的二氧化碳的濃度之差(Cx-Ce);4透氣膜或氣體滲透管86的厚度By;5培養基溶液的體積V。所有以上因素結合在一起實現在藻類擁有最理想的生長速度時，二氧化碳的逸散速度十分接近藻體66對二氧化碳的吸收速度。人們也認識到其他的特征對藻體的優化生產很重要。這其中，最主要的是光照的功效，即藻類結構能夠將最大量的光能轉化為藻體。正常情況下，光生物反應器內最佳的細胞密度可以通過調節光照密度和液體的循環來實現，因為液體循環將藻體混合，讓單個細胞接觸光照和營養成分。在一個密集的微藻結構內，由于自身的遮擋和光的吸收，光照強度隨與受輻照表面積之間的距離增加成對數下降。根據Beer-Lambert法則，可以用如下公式表示I=Ioexp(-ap5)其中I表示通過光吸收介質傳送的光的強度。Io是光源處的初始強度，CJ是吸收系數，p是在光吸收系統中的微型有機物的濃度，S是光吸收系統的厚度。不同種藻類，需要不同的光能量水平以實現最佳生長狀況。當光能量值相對較高，藻體數量的增長被發現受到抑制。沒有用于光合作用的光能被轉化為熱能。研究表明，光照水平在30W/m2and80W/1112范圍內對一系列藻種的快速生長是非常理想的。一些從事園藝研究的塑料公司已成功地制造具有光反射和衰減特性的薄膜以及促進植物反感作用提高植物生長速度(IGR)的塑料薄膜(Katan1987;Chenetal.，1991;StapletonandDeVay,1995)。利用光的選擇性薄膜作為外封套的密封連續反應器組34，該系統可調節以滿足生長在不同的氣候和太陽密度下的不同藻種的個性化需求。此外，這些薄膜也可以用做隔離的工具，將藻體從不良的光照強度中篩出。據了解，藻類在主要由色素吸收而非葉綠素吸收的光譜區域表現出相當活躍的光合活動。除了葉綠素，這些色素也參與光合作用。多數藻類由于其內含有類胡蘿卜素、葉綠素a、葉綠素b和葉綠素c，在它們的外圍均有吸收藍光及紅光的捕光觸角。同樣，據了解，入射率高的UV光抑制藻類生長。因此，有光選擇性的塑料薄膜，可用于減少由UV引起的藻類損傷，并允許紅色和藍色光帶的最佳波長的傳輸。在進行光合作用過程組成的實驗中，目前已發現入射光的光譜分布應有利于相關光感受器體的吸收和興奮度。注意，也必須考慮到光源強度。一方面，應用的入射光強度必須提供足夠的凈光合作用；但另一方面，必須盡量避免入射光強度會誘導光抑制，甚至破壞藻類內的色素復合蛋白質。因此，建議對處于繁殖狀態的藻類應用略超出光合作用的光飽和點的輻射照度。這既確保了最佳生長速度，又節省能源。光飽和點通常用對逆光進行光合放氧的進度來確定。由于光飽和點因藻種不同相差很大，有必要對各個有興趣的品種進行這項測試。在藻類繁殖期間使用人工光源的這種情形下，產生的波長主要在紅光和藍光帶區的照明系統是首選。為了進一步改進本實用新型，在因季節變化或云層密布造成的相對較低的光照水平時候，可以利用到反光裝置和/或人工照明裝置。如圖10所示，一個太陽能反射器92設置在鄰近反應器組34的上層部位62。這個太陽能反射器92，可以增加對反應器34內的藻體66的入射光照。如圖11所示，一個或多個太陽能反射器94和一個人造光源96組合起來，安裝在反應器組34上以促進在光線較暗的時期進行的光合作用。人造光源96可安裝在鄰近反應器組34的位置或在反應器組34的內部，在主體34a內的洞腔以內。在圖ll中可以看到，太陽能反射器94是凹面型的，焦點位于反應器組34的內部，以便將光照強度集中在反應器組34內的藻體66上。藻類對溫度是敏感的。研究顯示，針對某一特定的藻類，在溫度過低或過高的情況下都可導致藻類的脂生產下跌。舉例來說，Ca幼devalleta1.(1985)，Femandesetal.(1989)，Lupietal.(1991)andVladislavetal.(1994)等人都表明，產烴葡萄藻株(BotryococcusBraunii)的最適溫度為25°C左右。而Oliveiraetal.(1999)等人指出，螺旋藻(SpirulenaMaximus)和鈍頂螺旋藻(SpirulenaPlatensis)需要更高一點的溫度，32。C以內，以實現最大量的脂生產速度。因此，藻類的化學組成對溫度的光合性回應的是因具體藻種而異的(Thompsonetal，(1992).)。如果光生物反應器30露天使用，利用陽光作為主要的能源來源，那么在特定的氣候帶選用何種藻類繁殖就顯得重要了。在溫帶地區繁殖有高溫需求的藻種是沒有效率的，而在熱帶地區種植需要較低溫度作為最佳生長環境的藻種是不理性的。因此，培養基溶液68的溫度，以及藻體66的溫度可能會通過一些間接手段降低。這些間接手段包括上面已經討論過的陽光遮蔽，風的過濾，在將二氧化碳泵入次級洞腔84或氣體滲透管86之前將其冷卻，以及往反應器組34的主體34a內噴灑冷卻劑，如冷水。如果需要對培養基溶液68的溫度保持封閉式調節，就會需要更多直接的冷卻系統。這種應用地源熱泵和熱交換器的系統如圖12所示。利用地源熱泵系統特別適合于反應器組34內的培養基溶液68和藻體66的溫度控制，因為這是一種可以非常高效使利用能源的方式。同樣，熱交換器的使用意味著在加熱時對培養基溶液68不可以發生任何交叉式污染。如圖12所示的結構圖，一個地源熱泵98耦合到一個埋在地下的接地回路100。當外界大氣溫度降低時，接地回路100可以從地里吸取熱量。地源熱泵98與熱交換器102相接，熱交換器102接觸培養基溶液68和藻體66形成的混合物。熱交換器102利用一組延伸進入反應器組34內部的管104和管106耦合到反應器組34。溫度相對較低的培養基溶液68通過管104提取到熱交換器102內加熱。加熱后的培養基溶液68通過管106回到反應器組34內。反過來說，當外界的溫度過高，不利藻類的最優生長時，這個過程可逆轉。地源熱泵98和熱交換器102可以降低培養基溶液68和藻體66的混合物的溫度。如圖13所示，為一個簡單的熱交換管108與上述描述的反應器組34連接的實施例。在圖13中，培養基溶液68和藻體66的混合物，按照圖中所繪制的方向從左向右流動。熱交換管108通過用熱焊的方式固定在反應器主體34a的下層部位64。主體的下層弧形部位64的一部分制造出一個對應的凹陷形狀輪廓的容器110，使熱交換管108內的流體可以跟反應器組34內的培養基溶液68和藻體66的混合物相接。一個分隔體112貫穿熱交換管108的截面，進入容器110，橫向連接反應器組34的主體34a。這個分隔體112將容器110分隔成第一個囊114和第二個囊116，兩個囊均以微細纖維網格118加蓋。微細纖維網格118是這樣配置的網目尺寸太小使藻體66不能通過，卻足以讓培養基溶液68順利通過。管104通過輸出閥門120與第一個囊114相連，而管106則通過輸入閥門122與第二個囊116相連。培養基溶液68經輸出閥門120提取出來，穿過管104流向熱交換器102，在熱交換器102內根據需要進行加熱或冷卻之后經管106通過輸入閥門122回流到反應器組34內。如果反應器組34在內部使用，例如大廈內，更大幅度的溫度控制是可以實現的。不過，這可能需要次級加熱和冷卻系統方面的支出以保持藻體66生物量處于一個最合適的溫度。允許二氧化碳分子通過的下層弧形部位64及氣體滲透管86的透氣膜有助紓緩正常情況下與反應器組相關的一個主要問題，即透氣膜的小孔徑消除了當氣體逸散通過膜的整個表面時噴氣式反應器的剪切應力問題，并大幅度減少了氣泡的形成和消除了從氣體噴射管的噴嘴產生的氣壓度。同樣地，氣體滲透膜上孔隙的數目可以根據光合作用產生氧氣的速率，藻體66的蒸騰作用速率和要求的二氧化碳的飽和度而變化。將藻體66高效但不具破壞性地混合是維持高效率的藻類光合作用的一個重要因素。如圖14和圖15顯示了為加強藻體66的混合效率而對光反應器組34作出的進一步改進措施。圖14給出了一系列微阻裝置124、微阻裝置126和微阻裝置128的示例。它們被設計成是引進或組成反應器組34的主體34a的下層弧形部位64的。微阻裝置124主要是一個燈泡座式的突出件，微阻裝置126是起伏坡狀的突出件，而128是一個橫楔突出件。微阻裝置124，微阻裝置126和微阻裝置128誘發足以造成改變藻體66群流向混合的小湍流。圖15列舉了安裝在下層弧形部位64的許多大幅平行形的翼式攪流裝置130。這種翼式攪流裝置130布滿整個反應器組34,幫助其內含的藻體66和培養基溶液68的混合。以上圖14所示的微阻裝置和圖15所示的翼式攪流裝置只是示例，而還有很多的攪拌設備可用于混合藻群。如圖16所示，為增加反應器組內的光線分布，在反應器組34內還包括一個讓光照在反應器組34內均勾分布的光板132。光板132沿著上層弧形部位62的上部邊沿62a朝下層弧形部位64伸展，這樣光板132的末端132a那一部分被浸入藻體66和培養基溶液68的混合物中。光板132包括一個可以誘發攪拌的鉤狀端口。當然，在這其中也可以使用其它形狀的光板，圖16所示的只是一個范例。光板132是由聚丙烯酸酯塑料或樹脂玻璃板做成。光板132的背面有微小的蝕刻，可以朝一個可控制的方向散射太陽光。光板132也可以構造成允許太陽光在培養基溶液68中散射的結構以實現藻群得到最大的照明度和藻體的生產。已證實，光、暗周期可以增強光合作用的功效，從而提高反應器的生產力。強光照和黑暗周期的快速切換，比較典型的是40微秒到1秒之間，可以大幅度地增強光合效應。光的間歇與兩個基本參數相關1、光組分(光照時間和整個周期時長的比率)；2、光照、黑暗周期的時長。通常的光生物反應器，其反應器組的設計，光源的長度和藻種的密度，藻種湍流的跨度和光照強度都會影響周期的頻率和光組分。所以，這種光、暗的混合程度對反應器組的生產力的影響相當顯著。根據其他的設計，通常的光生物反應器不能容納不到一秒的快速轉換的光/暗周期，而那個時間限制是提高光合效率所必需的。通常情況下，光生物反應器顯示在10秒到100秒的范圍之間的液體循環次數。如圖17所示，反應器組34被調整了以適應光、暗周期的引進。大量的遮光部件134被安裝在反應器組34上。這些遮光部件134包括了一個主體134a，主體134a耦合到反應器組34的主體34a上。遮光部件134的主體134a包括了與反應器組34的上層部位62連接的第一個結合部件136、第二個結合部件138、第三個結合部件140，這三個部件分別耦合到上層部位62的箝型突出部位76上和下層弧形部位64的一邊64a上，將遮光部件134固定在靠近反應器主體34a的位置上。這些遮光部件也可以用從部件底部凸伸出來的支架142固定。遮光部件134也可采用其他設計，例如完全覆蓋生物反應器34的主體的一部分的遮光部件。遮光部件134由任何合適的不透光的材料構成，防止光線穿過部件進入光生物反應器34的內部。利用這種配置，各種光、暗周期均可實現。設想這樣一種情境持續封閉的100米長的光生物反應器的一段，其內含的培養基溶液的流速是O.5米每秒，陽光或人工光源照射。通過引入固定在支撐架的獨立遮光部件，每片約0.25米長，以0.25米的間距安裝在反應器上，如圖17所示，一個0.5秒的光、暗周期就實現了。正如所能理解的，周期時間可以在更緊密的間距里通過引入更短或更長一點的遮光片加以變化。另外，獨立遮光部件134可用反光或不透光塑料板取代。這些可以納入有大致清澈或透明的透氣膜的上層部位62。在這種情況下，可以給沿著反應器組34內流動的藻體66和培養基溶液68設立一個特定流量以控制光照和蔭蔽的間隔時間。因而，通過調節所含的藻種和培養基溶液的流速可控制光、暗周期。參照圖3和圖5，收集階段通常在坡下進行。當一段藻體66正待收集時，反應器34的主體34a可能在收集藻體66的位置雙層熱焊。含有收集起來的藻體66的那一段可以被取下處理。在反應器主體34a的上層部位62施行熱焊是為了再次封閉系統，防止污染物入侵。如果用熱焊法收集藻體66，主體34a的上端可以按與泵齊平的高度加進系統，從而保證反應器組34的整個長度最適合藻體的生產。另外，應該讓收集起來的藻體66流向無菌收存站46中的收存箱來收集，如圖18所示。收存箱46的組成包括一個與反應器34的主體34a有著相同形狀的輸入管144，這樣反應器組34恰好與輸入管144相接，阻止污染物進入收存箱46和反應器組34。收存箱46還包括了一個用于過濾大的藻種的微小網格過濾板146，這樣培養基溶液68和相對較小的藻種可以通過過濾板146進入收存箱的底部148。溶液68和相對較小的藻種通過管150進入藻種箱32，開始作為下一批藻類接種物或藻種的下一次循環，如圖2所示。這種配置確保了資源的充分利用。圖19圖23是對圖2中所示的光生物反應器所做的許多不同的改進措施。圖19顯示了可用于小規模季節性的藻體油類生產的設置。其中詳細顯示了過程的組成部分，其中包括藻種箱A;無菌水箱B;微量營養素箱C;混合箱D;反應器入口E;藻類采收站F;油類回收站G;油類儲配站H;藻體殘余物I。油類可以從生產出來的藻體中使用各種不同的程序采收。規模較小的原油采收通常使用壓縮或榨油機壓擠的方式。因為藻體風干之后仍保有一定的含油量，這時候可以用搾油機擠出這部分油量。剩下的藻體被出售到藥劑或營養品生產工業，也可以用作動物飼料原料或用于發電廠燃燒產生能量。圖20顯示了在圖19中的基本配置的基礎上增加了唯一的附件設施地源熱泵J。地源熱泵J具有兩個功能1、保持培養基溶液的溫度在藻類生長的最適宜溫度；2、延長整個藻體生產的生長季節。圖21顯示了在圖20所示的基礎上增加了一個藻類酶轉化器K。采用酶提取法降解在壓縮或壓搾程序后剩余的藻體殘余物。這使得分流回收油簡便了許多，也使從藻體中采集的油量最大化。這個過程是對壓縮或壓搾步驟的一種補充或者替換。圖22顯示了在圖21所示的基礎上加入了一個額外的氣體調節裝置L。氣體調節裝置L從液體中將一種氣體析出，而代之以另一種備用氣體。如當無菌水箱內的自由氧分子將要抑制藻類生長時，這些氧氣就會被氣體調節裝置L用二氧化碳替代。由于二氧化碳是藻類光合作用過程的一個必不可少的組分，氣體調節裝置L就消除了遏制的氧氣，為藻類生長提供了一種興奮劑。圖23顯示了跟圖22所示的相同的進程安排。但是，加入了2個額外的過程因素硫回收裝置M和氫氣回收裝置N。目前已發現，如果在藻類生長的一個相對成熟的階段里把所有含硫的微量元素從培養基溶液中脫去，結果會改變藻體的光合過程。在功效方面，在一個無硫環境的壓力下，藻體會產生經濟數量的氫氣，而不是通常產生的氧氣，作為光合作用的副產品。這些氫氣可以通過氫氣回收裝置回收并壓縮成液態以備運輸和將來的使用。本實用新型并不局限于上述描述的一些具體實施例，而是只要沒有偏離本發明的研究范圍，均為本實用新型的保護范圍。權利要求1、光生物反應器，包括一個管狀的反應器組，其特征在于反應器組為管狀的主體梯田交互式設置形成的；主體由上層部位和下層弧形部位一起組成一個封閉的管狀包封空間，主體上包括有透明部位和透氣部位。2、如權利要求1所述的光生物反應器，其特征在于所述的主體的上層部位為倒V字形結構，上層部分在倒V字形上層部位的頂點處，兩個搭接的第一邊沿、第二邊沿分別位于倒V字形的下層；弧形部位上設置有第一條邊和第二條邊，分別與倒V字形的上層部位的第一邊沿和第二邊沿搭接連接起來形成一個具有洞腔的封閉套裝容器。3、如權利要求2所述的光生物反應器，其特征在于所述的反應器組包含有輸入閥和輸出閥，輸入閥臨近反應器組的上部端口；輸出閥鄰近反應器組的下部端口。4、如權利要求1或2所述的光生物反應器，其特征在于所述的反應器組包括有氣體導入裝置；氣體導入裝置為一根氣體滲透管，位于主體內部的洞腔底部；氣體滲透管與外部供應管連接，氣體滲透管與外部供應管之間設置有調節閥。5、如權利要求2所述的光生物反應器，其特征在于所述的弧形部位的下方設置有次級層，次級層與弧形部位的底部連接，弧形部位與次級層之間形成一個次級洞腔。6、如權利要求4所述的光生物反應器，其特征在于所述的反應器組上設置有反射器，反射器具有凹面形狀，安裝在使得光的焦點正好位于主體的洞腔內的位置。7、如權利要求6所述的光生物反應器，其特征在于所述的反應器組至少有一個位于主體弧形部位內墻的混合突出的微阻裝置者一個沿反應器組的縱向長度大幅延伸的翼式攪流裝置。8、如權利要求7所述的光生物反應器，其特征在于所述的反應器組內設置有光板，從主體上部延伸至下部，光板上分布有大量的蝕刻孔。9、如權利要求8所述的光生物反應器，其特征在于所述的反應器組含有一個遮光部件，遮光部件與主體外部連接，或者主體本身有交互式的透明部分和不透明部分；主體透明部位使用選擇性光過濾膜。10、如權利要求1所述的光生物反應器，其特征在于所述的光生物反應器含有一個與主體連接的熱交換器，熱交換器通過地源熱泵與接地回路連接，熱交換器與反應器組連接。專利摘要光生物反應器包括一個管狀的反應器組，反應器組為管狀的主體梯田交互式設置形成的；主體由上層部位和下層弧形部位一起組成一個封閉的管狀包封空間，主體上包括有透明部位和透氣部位。本實用新型具有如下優點1、運行成本低下，可以實現循環運作；2、允許無限擴展；3、制造、安裝、操作、更換和維護都簡易可行；4、充分利用了地熱等可再生資源，極大的節約了運行成本；5、藻體培養過程可控，極大的提高來藻體培養效率；6、實現了無廢棄物產生的生產過程。文檔編號C12M1/04GK201309929SQ20082020071公開日2009年9月16日申請日期2008年9月19日優先權日2008年9月19日發明者謝仕賢申請人:謝仕賢