CN102933701A - 用于定位挠性漂浮式光生物反应器的系统和方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明实施方式的顶部参考光生物反应器系统包括挠性的漂浮式光生物反应器，其具有充满较小密度的气体的浮力管，和充满物质的压载管，该物质例如为盐水，其比该光生物反应器在其中漂浮的液体具有更大的密度。根据本发明实施方式的顶部参考光生物反应器方法包括控制顶部参考光生物反应器的深度，其通过控制在压载管中的压载物的体积和/或密度，和/或通过控制在浮力管中的气体的体积和/或密度而实现。

Description

用于定位挠性漂浮式光生物反应器的系统和方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2010年3月12日提交的美国临时专利申请61/313,474的利益，该申请为所有目的而通过参考整个地结合于此。

技术领域

本发明的实施方式总体上涉及生物反应器，更特别地，涉及漂浮闭合的生物反应器面板。

背景技术

从可再生能源中生产生物燃料，例如生物柴油、生物乙醇和/或生物汽油，提供了许多好处。增加的成本、增加的提取难度和已知化石燃料储备的耗减促使开发这样的替代燃料供应。已经在努力开发可再生能源燃料，例如从玉米谷物中开发的乙醇，从卡诺拉油菜、棕榈、油菜籽和其他来源生产的生物柴油。能够从食用植物材料获得的生物燃料量通常是有限的，而食品商品价格的基础增长通常负面地冲击发展中国家食品的可获得性、发达国家的食品价格，而用于食品生产的土地有限。

目前正努力从非食品材料中产生生物燃料和生物化学品，例如从木浆、玉米杆或甘蔗渣中获得纤维素乙醇。藻类和其他光合作用微生物可以为生物燃料和生物化学品的合成提供原料供应。从藻类生产生物燃料、生物化学品和生物质可以允许每单位土地面积数量级的生产力高于玉米、油菜籽、棕榈、卡诺拉油菜、甘蔗和其他传统的农作物。除了生物燃料，生物化学品和生物质可以提供各种可持续的原料供应，用于塑料、化学添加剂、必要的人体食物补充和动物饲料。

发明内容

本发明实施方式包括挠性和/或漂浮和/或膜式光生物反应器面板，其具有浮力管，以允许光生物反应器面板的漂浮。这样的光生物反应器可以包括浮力管，其充满或部分填充以气体，和压载管，其充满比周围流体具有更大密度的材料，以允许挠性的光生物反应器面板在水体中漂浮，同时保持该光生物反应器面板直立或基本直立的构造，其中该浮力管在顶部或在表面处或靠近表面，且其中该压载管在底部或进一步远离表面。

根据本发明实施方式，任何已知种类的藻类或光合的或非光合的微生物可以在光生物反应器中生长并采用这样的容纳策略。根据本发明的一些实施方式，例如可以但是不限于生长如下种类，或者分开地或者作为种类的组合：眼点拟微绿球藻(Nannochloropsis oculata)，微绿球藻(Nannochloropsis gaditana)，微拟球藻(Nannochloropsis salina)，四肩突四鞭藻(Tetraselmis suecica)，周氏扁藻(Tetraselmis chuii)，微藻(Nannochloropsissp.)，海水小球藻(Chlorella salina)，原始小球藻(Chlorella protothecoides)，椭圆小球藻(Chlorella ellipsoidea)，杜氏藻(Dunaliella tertiolecta)，杜氏盐藻(Dunaliella salina)，三角褐指藻(Phaeodactulum tricornutum)，布朗葡萄藻(Botrycoccus braunii)，浮水小球藻(Chlorella emersonii)，极微小球藻(Chlorella minutissima)，蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)，小球藻(Chlorella sorokiniana)，小球藻(Chlorella vulgaris)，隐藻(Chroomonassalina)，隐秘小环藻(Cyclotella cryptica)，小环藻(Cyclotella sp.)，细小裸藻(Euglena gracilis)，纳尔逊裸甲藻(Gymnodinium nelsoni)，雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)，球等鞭金藻(Isochrysis galbana)，单壳缝藻(Monoraphidium minutum)，单针藻(Monoraphidium sp.)，新绿球藻(Neochlorisoleoabundans)，硅藻(Nitzschialaevis)，单针藻(Onoraphidium sp.)，鲁兹巴夫藻(Pavlovalutheri)，三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)，紫球藻(Porphyridium cruentum)，斜生栅藻(Scenedesmus obliquuus)，四尾栅藻(Scenedesmus quadricaula)，栅藻(Scenedesmus sp.)，杆状裂丝藻(Stichococcusbacillaris)，钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)，海链藻(Thalassiosira sp.)。

根据本发明实施方式的光生物反应器系统包括含有液体的蓄水器，该液体具有顶表面水平；光生物反应器，其中该光生物反应器是挠性的并漂浮在该液体中，该光生物反应器包括：含有培养基的生长室，其中可以生长生物体；和含有流体的压载室，该流体具有比上述液体更大的有效密度，从而使得该压载室在该光生物反应器上施加向下方向的力。

段落[0005]到[0007]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述流体是第一流体，其中所述有效密度是第一有效密度，其中所述力是第一力，且其中所述光生物反应器还包括含有第二流体的浮力室，该第二流体具有小于所述液体的第二有效密度，从而使得该浮力室在该光生物反应器上施加向上方向的第二力。

段落[0005]到[0008]的光生物反应器系统，其中所述光生物反应器还包括：具有开口到所述生长室内的多个孔的喷射室，该喷射室含有喷射气体或气体混合物，其配置为通过所述多个孔，并通过所述培养基上升。

段落[0005]到[0009]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述顶表面水平是蓄水器顶表面水平，其中该生长室包括在培养基顶表面水平上面的液面上空间，且其中所述液面上空间容纳所述喷射气体或气体混合物的累积。

段落[0005]到[0010]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述浮力室与所述液面上空间隔离并与其直接相邻。

段落[0005]到[0011]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述压载室与所述生长室的底部隔离并与其直接相邻。

段落[0005]到[0012]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述喷射室位于该生长室的底部，且其中所述压载室与所述喷射室隔离并与其直接相邻。

段落[0005]到[0013]中任一段所述的光生物反应器系统，其中当所述光生物反应器在所述液体中漂浮时，所述压载室和浮力室将所述光生物反应器保持在基本直立的位置。

段落[0005]到[0014]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述蓄水器水体，其选自由如下组成的组：洋、湖、海、池塘、河、盆、桶、潭和罐。

段落[0005]到[0015]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述蓄水器是天然水体。

段落[0005]到[0016]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述第一流体是盐水，且其中所述第二流体是空气。

段落[0005]到[0017]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述压载室包括至少一个口，通过其，所述流体可以添加到所述压载室中或从其中移除。

段落[0005]到[0018]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述浮力室包括至少一个口，通过其，所述第二流体可以添加到所述浮力室中或从其中移除。

段落[0005]到[0019]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述光生物反应器是多个光生物反应器中的一个，每个光生物反应器基本上相同，其中所述多个光生物反应器在所述液体中漂浮，且其中所述多个光生物反应器彼此邻接放置，从而使得在所述多个光生物反应器中两个相邻的光生物反应器之间的间距通过相邻邻接的压载室的宽度而确定。

段落[0005]到[0020]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述多个光生物反应器的每个包括顶部翼片，其中所述顶部翼片构建为放置在相邻的光生物反应器顶部上面或放置在相邻的光生物反应器之间所述液体的顶表面水平的上面。

段落[0005]到[0021]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述光生物反应器至少部分地由基本透明的塑料膜形成。

段落[0005]到[0022]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述光生物反应器至少部分地由抗生物污垢添加剂形成或通过其涂覆，该抗生物污垢添加剂选自由如下组成的组：聚乙二醇(PEG)、超支化含氟聚合物(HBFP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、天然橡胶(NR)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)、全氟聚醚(PFPE)、聚四氟乙烯(PTFE)、硅和衍生物。

段落[0005]到[0023]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述培养基包括选自包括如下的组的抗生物污垢添加剂：聚乙二醇(PEG)、硅和衍生物、生物杀灭剂、碳氟化合物和季胺类(quatinary amines)。

段落[0005]到[0024]中任一段所述的光生物反应器系统，其中所述压载室的至少底表面增强以最小化可能的刺破。

根据本发明实施方式的用于藻类生长容纳的方法，包括在含有液体的蓄水器中漂浮光生物反应器，该液体具有顶表面水平，其中该光生物反应器是挠性的并包括生长室和压载室；将培养基添加到生长室中，其中该培养基适于支持藻类的悬浮培养；和将流体添加到该压载室中，其中该流体具有大于所述液体的有效密度，从而使得该压载室在该光生物反应器上施加向下方向的力。

段落[0026]的方法，其中所述流体是第一流体，其中所述有效密度是第一有效密度，其中所述力是第一力，且其中所述光生物反应器还包括浮力室，该方法还包括：将第二流体添加到该浮力室中，其中该第二流体具有小于所述液体的第二有效密度，从而使得该浮力室在该光生物反应器上施加向上方向的第二力。

段落[0026]或[0027]的方法，其中所述蓄水器是洋，该方法还包括：在该培养基中生长藻类的悬浮培养物；和混合藻类的悬浮培养物，该混合是通过允许该光生物反应器响应于洋中波浪而运动的方式来漂浮该光生物反应器而进行的。

段落[0026]到[0028]中任一段所述的方法，其中所述光生物反应器是多个基本类似的光生物反应器中的一个，该方法还包括：放置所述多个基本类似的光生物反应器以并排方式漂浮在所述液体中；和通过将所述流体添加到相邻光生物反应器的所述压载室中或从其中抽出所述流体，调节相邻光生物反应器之间的间隔。

段落[0026]到[0029]中任一段所述的方法，还包括：通过将流体添加到所述压载室中或从其中抽出所述流体，调节所述光生物反应器在所述液体中的深度。

段落[0026]到[0030]中任一段所述的方法，还包括：通过将所述第二流体添加到所述浮力室中或从其中抽出所述第二流体，调节所述光生物反应器在所述液体中的深度。

段落[0026]到[0031]中任一段所述的方法，还包括：从所述浮力室中抽取所述第二流体，直至所述光生物反应器基本浸没在所述顶表面水平之下。

尽管公开了多个实施方式，本发明的其他实施方式将从下面详细说明中对本领域技术人员显得明晰可见，其中描述了本发明的示例的实施方式。相应地，附图和详细说明本质上认为是示例的而并作为限制。

附图说明

图1示例了根据本发明实施方式的光生物反应器的透视缩短的侧面透视图。

图2示例了根据本发明实施方式的图1的光生物反应器的放大的部分剖视图。

图3示例了根据本发明实施方式的图1和2的光生物反应器的端部的放大的部分透视图。

图4示例了根据本发明实施方式的图1的光生物反应器的截面端视图。

图5示例了根据本发明实施方式的可能形成在喷射室上的一排狭缝。

图6示例了根据本发明实施方式的在流动条件下的图5的所述一排狭缝。

图7示例了根据本发明实施方式的光生物反应器的截面端视图，表示用于混合和/或防污目的的喷射室孔的布置。

图8示例了根据本发明实施方式的光生物反应器的截面端视图，其具有增强的压载室底部。

图9示例了根据本发明实施方式的并排地放置的多个光生物反应器的端视图。

图10示例了根据本发明实施方式的具有顶翼的光生物反应器的端视图。

图11示例了根据本发明实施方式的并排放置的具有顶翼的光生物反应器。

图12示例了根据本发明实施方式的可选光生物反应器。

图13示例了根据本发明实施方式的另一个可选光生物反应器的部分横截面透视图。

图14示例了根据本发明实施方式的图13的光生物反应器的截面端视图。

图15示例了根据本发明实施方式的图13和14的光生物反应器的侧视图。

图16示例了根据本发明实施方式的用于形成图13-15的光生物反应器的三个步骤。

图17示例了根据本发明实施方式的在构建图13-15的光生物反应器的过程中的端口布置。

图18示例了根据本发明实施方式的光生物反应器的锥形压载管端的部分侧视图。

图19示例了根据本发明实施方式的描述了收获过程的光生物反应器的侧视图。

图20示例了根据本发明实施方式的具有双浮室的光生物反应器的截面图。

尽管本发明可以有许多变型和替代形式，具体的实施方式通过例子在图中示出并在下面详细描述。然而，本发明不旨在限定于所述的特定实施方式。相反，本发明旨在覆盖落入通过后面的权利要求限定出的本发明的范围内的所有变型、等价物和替换。

具体实施方式

研究者正在探索生长藻类以作为生物柴油的原料。在许多设计中，藻类生长在闭合生物反应器的里面，所述生物反应器包括玻璃或塑料，它们或者是刚性的，或者是挠性的。适合于生长藻类和其他微生物的闭合系统生物反应器的例子在2008年7月3日公开的美国专利申请公开2008/0160591(“’591公开”)，2010年9月23日公开的国际公开WO2010/108049A1(“’049公开”)，和2010年12月29日公开的国际公开WO2010/151606A1(“’606公开”)中描述，这些公开都通过参考整个地结合于此。

闭合生物反应器的总生命周期成本依赖于不同的因素，但是通常比基于先前传统的构建方式和材料的开放池塘或水库显著地生产更多的每单位体积单元的生物质。虽然传统地提供非常高的生产力，然而安装在温室中的架子上的透明刚性管通常在生命周期基础上成本高得多。

如同在’591公开、’049公开和’606公开中所述的，透明的薄型挠性闭合透明塑料光生物反应器面板可以悬挂在水支撑盆或拴到盆底上的蓄水器中，例如通过管压载，以便于生长和收获方法的改进，导致比传统的透明刚性管设计显著减小成本。如同这里使用的，术语“蓄水器”在其最广泛的意义上用于指任何水体，不管大(例如洋)或小(池塘或罐)，也不管是天然形成的(例如湖)或人造的(盆)。

本发明的实施方式可以展现结构和藻类容纳系统，其类似于在’591公开、’049公开和’606公开中描述的那些。本发明的实施方式可以在闭合的光生物反应器面板的顶部结合有浮力管，底部结合有压载管，这提供了非常成本有效的方法以稳固地将面板悬挂在基于陆地的盆水中，或允许部署在浅或深的水体、湖、泻湖或其他水体中。此外，本发明的实施方式包括结合到设计中的散光增强、生物污垢对策、蒸发对策和气体再利用措施，以将系统增强结合到技术中的单代步骤中。此外，根据本发明实施方式的顶部参考面板光生物反应器系统不要求土地表面的梯度或平整。

下面是示例在图1-4中的顶部参考光生物反应器100的实施方式的简单描述。如同这里使用的，术语“顶部参考光生物反应器”在其最广泛意义上用于指光生物反应器，其能够在水中漂浮，且其具有浮力元件和压载元件。根据本发明实施方式，浮力元件将典型地在光生物反应器的顶部处或其附近，而压载元件将典型地在光生物反应器的底部处或其附近，尽管其他构造可能用于在其漂浮时将光生物反应器保持在直立和/或半直立位置中。根据本发明实施方式，生物反应器100可以包括微生物容纳室101，其还可以称为生长室，浮力管102，排气室103，其还可以称为液面上空间，压载室104，压载室填充口105、106，收获/接种口107，喷射气体供应口108，浮力室供应口109，排气/进气口110、111和/或喷射室112。

根据本发明的实施方式，光生物反应器100可以由不同层制成，这些层可以是透明的、半透明的、反射的、半反射的、不透明有色的、半透明有色的和/或经表面处理(以生成图案或纹理)的膜，它们选择性地焊接在一起，以形成不同的室。这最小化了生产光生物反应器的成本，所述光生物反应器由此是挠性的。图4表示根据本发明实施方式的底部缝边408，其中两个层的两个底部边缘焊接在一起以形成压载室104的底部。

当部署光生物反应器100时，光生物反应器(其可以由LDPE，HDPE，尼龙，麦拉片(Mylar)，PVC或类似材料组成的挠性膜或薄膜制成)放置到蓄水器内(例如水盆)。该盆可以经由土质滩肩或类似物人工制成，或者可以是湖、港口或任何其他水体。根据本发明实施方式，通过浮力填充口109，浮力管102充满气体(例如空气、CO₂、烟道气或类似物)，以达到给定压力。在一个实施方式中，该管102具有约2.5”英寸的直径，并充气到在1至4psi之间的压力。根据本发明实施方式，管102可以根据在压载管中的材料的尺寸和重量而具有更大或更小的直径。当在该管102中的气体体积具有足够浮力时，该浮力将把压载管104从水盆底部提升起。一旦浮力管102充满，连接到该管上的口109可以插上，以防止该管102中的任何气体泄漏。可选地，口109可以连接到压力源上(蓄能器、受压容器、泵、鼓风机等)，以保持该管102中的压力。根据本发明实施方式，如果到浮力管的空气供应经由单向阀连接，即使压力源发生故障，该浮力管102也将保持膨胀。

根据本发明实施方式，压载管104然后可以经由压载入口105进行填充。根据本发明实施方式，泵送到压载管104内的材料或液体具有比水更大的密度，该水包括光生物反应器系统100在其中漂浮的水体。该液体可以是盐水、糖溶液、砂浆和/或任何其他更高密度的液体或凝胶体。在一些实施方式中，该压载物可以包括固体材料(例如管、石头、沙子、混凝土等)。在一个实施方式中，2.51bs的盐添加到每加仑的淡水中，以制成泵送到压载管104内的盐溶液。在另一个实施方式中，2.01bs的盐添加到每加仑的淡水中，以制成泵送到压载管104内的盐溶液。

根据本发明实施方式，压载管的密度大约为1.17kg/L，而盆水由密度在约1kg/L-1.03kg/L之间的淡水或海水形成。根据本发明实施方式，当压载管104填满时，充满压载溶液的端部开始下沉，直到形成藻类容纳室101的膜在至少一侧上处于压载管104和浮力管102之间。根据本发明实施方式，当填充时，在压载管104中的任何气体(例如空气)纵向地迫压到压载管104的另一端上，并可以经由压载口106从系统100中排出。一旦压载管104充满，一个或更多的压载口105、106可以塞上，以防止任何压载液泄漏到周围的盆内。在一个实施方式中，例如在图9所示的实施方式中，根据本发明实施方式，压载管904a、904b每个具有约六英寸的直径，从而当多个面板900a、900b并排放置时，面板的间隔将大约为六英寸，和/或不小于六英寸。根据本发明的实施方式，相邻光生物反应器900a、900b之间的间隔D将大约等于压载室904a、094b的直径。根据本发明实施方式，如果面板在水盆中放置得足够紧密，相邻面板之间的间隔等于压载管的直径，例如六英寸。

根据示例在图20中的本发明的一个替代实施方式，光生物反应器2000可以包括两个浮力管2002、2004。根据本发明实施方式，液面上空间103位于生长室101的上面，而喷射气体能够如箭头2006所指那样在浮力管2002、2004之间通过，进入到液面上空间103内。

微生物容纳室101然后可以通过收获/接种口107而充满培养基。在一个实施方式中，该培养基设计用于微藻类的生长，但是也可以设计用于其他微生物的生长，例如细菌、蓝藻等。根据本发明实施方式，在面板101该部分中的藻类混合并供应以CO₂，这是通过将富含CO₂的气体鼓泡，其通过喷射口108进入喷射管112，例如可以沿着光生物反应器100的整个长度行进。CO₂可以来自烧煤的电厂、酿酒厂、水泥厂，来自空气抽取设备，或生产富含CO₂气体流的类似的厂。喷射管112含有小的穿孔，其允许喷射管112中的气体以气泡形式流到并通过藻类/培养基混合物。如图5和6所示例的，这些穿孔可以是小孔，例如狭缝502和/或半圆形翼片。这些气泡从位于藻类室101底部的喷射管112行进到藻类室101的顶部。当这些气泡行进通过培养基时，通过这些气泡接触的水得以流通。该流通有助于减小培养基中的养分梯度，将藻类从反应器的光亮部流通到黑暗部，使藻类保持悬浮在光生物反应器中，移除O₂，减少热分层等。如图7所示，如果穿孔朝着生长室101的内壁706设置，位于诸如位置702和704的地方，除了潜在的流通、混合和O₂移除的益处之外，喷射气泡还可以有助于擦洗和/或清洗侧壁706的内表面。

根据本发明实施方式，一旦气泡在培养基的自由表面113处破裂，气体沿着排气管103的长度流到其中一个排气口110、111。在一个实施方式中，排气管103位于邻近浮力管102处，从而只要浮力管102膨胀，排气管103将保持在盆水水平之上。根据本发明实施方式，排气管103的压力可以保持在大气压力。根据本发明实施方式，因为排气管103的位置和压力，其不对光生物反应器100施加额外的浮力。这可以有助于保持在水中的期望面板位置和/或深度。换句话说，根据本发明实施方式，当喷射气体流速得以调节或甚至关闭时，面板的浮力不改变，导致水中稳定的面板深度。

图4示例了蓄水器，其容纳有液体410，液体410具有顶表面水平402，光生物反应器100，其中该光生物反应器是挠性的并在液体410中漂浮，该光生物反应器包括含有培养基的生长室101，其中可以生长生物体，和压载室104，其含有流体，该流体具有大于液体410的有效密度，从而使得压载室104在向下方向上对光生物反应器100施加力，如箭头404所示。图4还示例了浮力室12，其含有另一种流体，例如空气，从而使得浮力室102在向上方向上对光生物反应器施加第二力，如箭头406所示。根据本发明实施方式，这些浮力有助于将光生物反应器100保持在直立位置中，如图4所示。

在一个实施方式中(未示出)，可以有排气管103的部分和位于光生物反应器100的一端处的浮力管102而没有压载管104，或者压载管具有减小的直径，正好在其下面。图18示例了压载室104，其在位置180处具有锥形端部，其构建用于在排气口111下面的区域中提供更少的压载物。在光生物反应器的其余部在水中的情形下，累积的喷射气体将朝着光生物反应器具有锥形压载室104的端部累积，这将在水中比在光生物反应器的其他部更高，因为在该位置具有更少的压载物。换句话说，这将面板100的该部分偏置到在盆中比光生物反应器的其余部更高的位置。因此，根据本发明实施方式，如果在浮力管102中逐步增加泄漏，其引起光生物反应器100意外地下沉，这些未压载(或减小压载)的端部将把空气捕集在排气口111后面(其基本上是空的空间，或“液面上空间”，在培养基自由表面113上面的室101中)，而面板100将保持在盆水表面上面。根据本发明的实施方式，将排气口110、111保持在盆水水平上面最小化或避免了盆水进入光生物反应器，或者培养基逸出到盆水内的机会。

在一些情形下，可能需要的是，允许光生物反应器100沉没到水下，以避免由于恶劣天气造成的损坏，例如冰雹、暴风等。这可以通过将一些或所有气体从浮力管102中排出而实现，导致通过压载管104引起的净向下的力。压载管104然后将例如沉没到水盆的底部。这里所述的不同端口可以附接到管上，以增加和/或减少和/或使气体或流体流动；这样，根据本发明实施方式，压载管104和浮力管中的流体可以得到控制，从而将排气口111保持在蓄水器中的水(或其他液体)的顶表面水平之上，光生物反应器在该蓄水器中漂浮，而不管光生物反应器是否淹没或漂浮。

如图19所示，另一种情形，其中可能需要将光生物反应器下沉到盆的底部，是在室201内的培养基的收获的过程中。特别地，根据本发明实施方式，一旦来自浮力管102的气体排出，引起光生物反应器100下沉到盆的底部，气体可以通过排气口210迫压到藻类容纳室201的一侧内。根据本发明的实施方式，这将引起光生物反应器的该侧(对着收获口的侧)上升，将藻类容纳室中的藻类和培养基迫压向反应器的另一侧，其中其可以通过收获/接种口207排出。

根据本发明一个实施方式的光生物反应器系统包括透明挠性壁集成的容纳容器组，其容纳有浮力室(例如顶上充满空气的管)、具有排气区域的藻类培养液容纳室，该排气区域邻近藻类培养液上面的浮力室，喷射气体室(例如在藻类培养液容纳室下的管)和容纳材料的位于底部的压载物容纳室，该材料(例如盐和水和/或沙和水和/或其他更高质量密度，其流动用于填充和补充目的)的质量密度超过淡水或海水，从而使得当每个室填充到合适水平时，容器100在水表面的水位中漂浮，并处于与浮力平衡相当的高度。

这样的实施方式提供用于作为漂浮容器的生长模式的操作。在升起的收获模式中，其提供用于使藻类收获容纳容器填充以气体(例如空气和/或CO₂和/或N₂等)，其始于容器的一端处，使整个容器提升到足够高度，以引起藻类培养液流动到容器的相对端，以便为进行收获而通过重力或泵送移除。根据本发明实施方式，在塞式流动设计(plug flow design)中，其提供了与生长模式相同的服务，除了其能够通过膨胀和收缩藻类培养液容器而接受周期性的培养基和藻类培养液流入和流出，以管理该流动并保持漂浮稳定的位置。这样的设计消除了或减少了与将昂贵的压载管附接到光生物反应器底部上相关的成本，包括安装的人工、附接材料，和盆底的展平，以确保水平的面板，从而使得排出流动不受阻止。阻止排出流动可能引起不期望的容器上升和藻类溢出和损失。顶部参考光生物反应器还可以允许基于非陆地的部署，避免土方工程成本。

根据本发明实施方式，浮力室可以膨胀和缩小(例如通过增加或减小用于填充浮力室的空气或其他气体)，以控制整个容器100的深度，并允许其下沉到水表面402下面，或下沉到盆或泻湖的底部。这在恶劣或暴雨、风、冰雹、雪等天气过程中为光生物反应器容器100提供了保护。根据本发明实施方式，以这种方式淹没光生物反应器100还便于周期性地清洗外部区域，其通常暴露于空气中，以允许水冲洗掉累积的碎屑。

根据本发明实施方式，通过浮力室102，在藻类培养液101上面的排气区域103保持在水盆(或类似的水体)上面，这允许排气室103为排出气体保持足够的流动面积，以从光生物反应器100中排出而不由于流动损失而生成显著的背压。根据本发明实施方式，该位置提供了具有最小背压的无阻碍的容器排气路线。这样的位置最小化了生长室101不期望的膨胀和随后的漂浮，这可以引起藻类培养液到连接的排气口111的损失，以及不良的喷射控制和整个容器的不稳定性。

根据本发明实施方式，排气排放出口111这样设置，使得其保持在外部水表面402的上面。根据本发明实施方式，在系统供气故障和随后重新开始供气的情形下，该构造防止了排气排放出口111必须人工地或通过分开的机构清除藻类培养液，以恢复排气功能。

根据本发明一些实施方式，喷射孔(形成在喷射管112和生长室101之间的孔)的几何形状形成为这样的形状，使得其在喷射过程中引起挠曲或开口膨胀，以破坏喷射孔周围的分流或累积，以最小化生物污垢流动限制。如图5和6所示，根据本发明实施方式，这样的喷射孔可以是狭缝502而不是圆孔，还可以形成为其他形状。在一些情况下，生物污垢和盐沉淀具有累积在喷射孔周围和其上的趋势。根据本发明实施方式，当通过开口狭缝506示例那样受压而挠曲和通过闭合狭缝502示例那样不受压而闭合时，狭缝502具有受压挠曲的特征，这样防止回流和减少生物污垢。

如图7所示，根据本发明实施方式，喷射孔放置可以战略地进行，以最大化混合，并提供气泡尺寸和速度，使其接近藻类容器壁706，以提供壁706的水力擦洗。根据本发明实施方式，这可以减少或移除生物污垢到这样的程度，使得其最小化阻隔光穿透到藻类培养液内。本发明的实施方式提供利用气泡擦洗的机构，相比于人工机械或化学处理，其非常成本有效。

根据本发明实施方式，加入容纳容器材料的添加剂可以用于抑制藻类培养液、喷射气体、压载物和浮力容纳区域的生物污垢。疏水、亲水、低粘度和/或有毒的添加剂可以添加到容纳容器的材料中，例如聚乙二醇(PEG)、超支化含氟聚合物(HBFP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、天然橡胶(NR)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)、全氟聚醚(PFPE)、聚四氟乙烯(PTFE)、硅和衍生物等。根据本发明实施方式，膜的电晕处理还可以用于使膜的表面更加亲水。

根据本发明实施方式，加入藻类培养液和/或培养基的添加剂可以施用于抑制藻类培养液的生物污垢和发泡。根据本发明实施方式，疏水、亲水、低粘度和/或有毒添加剂可以添加到藻类培养液和/或培养基中，例如PEG、硅和衍生物、生物杀灭剂、碳氟化合物、季胺类。

根据本发明实施方式，对容纳容器表面的添加剂和表面处理可以施用于提高光照水平并优化光照分布，以最大化生长。白色表面、半反射、裁剪的不透明和/或纹理表面对于给定的光合作用辐射(”PAR”)水平而增加漫射光水平。藻类被认为在少于完全光照下使用时更有效，以最大化生长和最小化光抑制。根据本发明实施方式，比起具有到压载物上的土壤颜色的透明表面，用白色塑料803替代位于压载室104上的透明塑料可提供弯曲的反射表面，以散射和漫射更大量的光。压载室104的底部802例如还可以通过额外的层或更厚的层而得到增强，以更好地防止刺破。根据本发明实施方式，白色塑料803还可以用于替换盆底中的白色衬垫，以反射光线，这可以减小加衬垫方法的成本。

压载物容器104的尺寸和/或直径可以制成为提供一个机构，以控制在相邻的容器900a、900b之间的分开距离D，如图9所示。这样，根据本发明实施方式，压载管104可以用作两个功能，由此减小成本：控制曝光量和管理面板之间的分开距离。

根据本发明实施方式，漂浮容器的属性使得这样的构造成为可能，即响应于盆和泻湖中的水运动，其为藻类培养液混合的形式。根据本发明实施方式，这是非常低成本的形式，使得能量可获得，以混合藻类培养液，增加或维持生长率，减小或消除喷射能消耗。

根据本发明实施方式，光生物反应器100的不同容器101、102、104可以具有策略地放置的施用于每个容器区域的增强材料和/或采用更厚的材料，以提供稳固性，从而在大的水体、湖或洋的恶劣天气和水运动中幸存下来。例如，压载室104的底表面802可以得到增强，如上所述那样。

如图10和11所示，根据本发明实施方式，光生物反应器100的顶部可以包括一个或多个翼片1002、1004，或者浮力容纳容器102的延伸物，其可以由容纳材料或一些其他漂浮塑料材料构建，可附接到相邻的光生物反应器100，以便用作与相邻的光生物反应器100重叠的分段盖子。可选地，根据本发明实施方式，代替与相邻的光生物反应器重叠，这样的顶部翼片1002、1004可以简单地覆盖在相邻的光生物反应器100之间的水的顶表面。根据本发明实施方式，这样的翼片或延伸物可以最小化蒸发，由此保持水的应用。这样的构造是用于最小化蒸发的非常便宜的方法，因为比较于单独盖子的安装以保持热或最小化蒸发，材料成本可以非常低，且只需要最少的人工。根据本发明实施方式，这样的翼片1002、1004还可以用作替代方式，以保持合适的面板间隔。根据本发明实施方式，图11示例了多个相邻设置的光生物反应器100，其顶部翼片1002、1004朝着相邻的光生物反应器100延伸。

图12示例了根据本发明实施方式的替代光生物反应器1200。光生物反应器1200包括固定的空气袋1202，其可以焊接到基础面板材料的侧面内。根据本发明一些实施方式，空气不能够进入到固定的空气袋1202内或从其中移除，所以它们可以形成为具有足够小的空间，以允许光生物反应器1200的深度控制基于压载物14的体积和/或喷射速率而得以控制。在固定的空气袋1202之间的是喷射空气袋1204，根据本发明实施方式，在喷射气体1208通过生长室鼓泡之后和排气之前，其为含有喷射气体1208的区域。根据本发明实施方式，排气口1206可以形成在一个或多个喷射气体袋1204的顶部，以允许喷射气体1208从光生物反应器1200排出。这些排气口1206例如可以通过不焊接光生物反应器材料层的顶边缘而形成。根据本发明的一个实施方式，两个或多个固定的空气袋1202可以互相流体连通。

图13示例了根据本发明实施方式的另一个可选的光生物反应器200的部分横截面透视图。光生物反应器200类似于光生物反应器100；然而，根据本发明实施方式，光生物反应器200更加对称，其通过浮力管而成为可能，该浮力管沿着光生物反应器200的长度在全直径管142和一组两个上下放置的较小管144、146之间交替。根据本发明实施方式，液面上空间143位于浮力管142、144、146上面，允许来自喷射室112的喷射气体通过浮力管进入到在较小直径浮力管144、146的位置处的液面上空间143内。具有交替模式的该浮力管可以通过这样形成：在折叠和/或重叠层之间和之后，采用多层(例如四层)塑料衬垫，并跨长度放置选择的焊接衬垫。放置在膜上的墨水(例如标记墨水)防止层在选择位置处的焊接，以形成不同的室和结构，如图16所示那样。例如，根据本发明实施方式，在内层上的焊缝152实质上在浮力管144和浮力管146之间产生分开线，而在外层上的焊缝153实质上产生更大直径的浮力管142。图16还示例了根据本发明实施方式的用于形成图13-15的光生物反应器的三个步骤，而图17示例了根据本发明实施方式，在图13-15的光生物反应器的构建过程中的端口设置。

不同的变型和补充可以施用于讨论的示例的实施方式中而不脱离本发明的范围。例如，尽管上述实施方式指代了特殊的特征，本发明的范围还包括具有不同特征组合的实施方式和不包括所有所述特征的实施方式。相应地，本发明的范围旨在包括所有这样的替代、变型和改变，它们都落入权利要求及其等价物的范围内。

Claims (26)

1.光生物反应器系统，包括：

含有液体的蓄水器，该液体具有顶表面水平；

光生物反应器，其中该光生物反应器是挠性的并漂浮在该液体中，该光生物反应器包括：

含有培养基的生长室，其中可以生长生物体；和

含有流体的压载室，该流体具有比上述液体更大的有效密度，从而

使得该压载室在该光生物反应器上施加向下方向的力。

2.根据权利要求1所述的光生物反应器系统，其中所述流体是第一流体，其中所述有效密度是第一有效密度，其中所述力是第一力，且其中所述光生物反应器还包括：

含有第二流体的浮力室，该第二流体具有小于所述液体的第二有效密度，从而使得该浮力室在该光生物反应器上施加向上方向的第二力。

3.根据权利要求2所述的光生物反应器系统，其中所述光生物反应器还包括：

具有开口到所述生长室内的多个孔的喷射室，该喷射室含有喷射气体或气体混合物，所述喷射气体或气体混合物配置为穿过所述多个孔，并通过所述培养基上升。

4.根据权利要求3所述的光生物反应器系统，其中所述顶表面水平是蓄水器顶表面水平，其中该生长室包括在培养基顶表面水平之上的液面上空间，且其中所述液面上空间容纳所述喷射气体或气体混合物的累积。

5.根据权利要求4所述的光生物反应器系统，其中所述浮力室与所述液面上空间隔离并与其直接相邻。

6.根据权利要求5所述的光生物反应器系统，其中所述压载室与所述生长室的底部隔离并与其直接相邻。

7.根据权利要求5所述的光生物反应器系统，其中所述喷射室位于该生长室的底部，且其中所述压载室与所述喷射室隔离并与其直接相邻。

8.根据权利要求2所述的光生物反应器系统，其中当所述光生物反应器在所述液体中漂浮时，所述压载室和浮力室将所述光生物反应器保持在基本直立的位置。

9.根据权利要求1所述的光生物反应器系统，其中所述蓄水器是水体，其选自由如下组成的组：洋、湖、海、池塘、河、盆、桶、潭和罐。

10.根据权利要求1所述的光生物反应器系统，其中所述蓄水器是天然水体。

11.根据权利要求2所述的光生物反应器系统，其中所述第一流体是盐水，且其中所述第二流体是空气。

12.根据权利要求1所述的光生物反应器系统，其中所述压载室包括至少一个口，通过该至少一个口，所述流体可以添加到所述压载室中或从其中移除。

13.根据权利要求2所述的光生物反应器系统，其中所述浮力室包括至少一个口，通过该至少一个口，所述第二流体可以添加到所述浮力室中或从其中移除。

14.根据权利要求1所述的光生物反应器系统，其中所述光生物反应器是多个光生物反应器中的一个，每个光生物反应器基本上相同，其中所述多个光生物反应器在所述液体中漂浮，且其中所述多个光生物反应器彼此邻接放置，从而使得在所述多个光生物反应器中两个相邻的光生物反应器之间的间距通过相邻邻接的压载室的宽度而确定。

15.根据权利要求14所述的光生物反应器系统，其中所述多个光生物反应器的每个包括顶部翼片，其中所述顶部翼片构建为放置在相邻的光生物反应器顶部上面或放置在相邻的光生物反应器之间所述液体的顶表面水平的上面。

16.根据权利要求1所述的光生物反应器系统，其中所述光生物反应器至少部分地由基本透明的塑料膜形成。

17.根据权利要求1所述的光生物反应器系统，其中所述光生物反应器至少部分地由抗生物污垢添加剂形成或通过其涂覆，该抗生物污垢添加剂选自由如下组成的组：聚乙二醇(PEG)、超支化含氟聚合物(HBFP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、天然橡胶(NR)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)、全氟聚醚(PFPE)、聚四氟乙烯(PTFE)、硅和衍生物。

18.根据权利要求1所述的光生物反应器系统，其中所述培养基包括抗生物污垢添加剂，该抗生物污垢添加剂选自包括如下的组：聚乙二醇(PEG)、硅和衍生物、生物杀灭剂、碳氟化合物和季胺类。

19.根据权利要求1所述的光生物反应器系统，其中所述压载室的至少底表面得到增强以最小化可能的刺破。

20.用于藻类生长容纳的方法，包括：

在含有液体的蓄水器中漂浮光生物反应器，该液体具有顶表面水平，其中该光生物反应器是挠性的并包括生长室和压载室；

将培养基添加到生长室中，其中该培养基适于支持藻类的悬浮培养；和

将流体添加到该压载室中，其中该流体具有大于所述液体的有效密度，从而使得该压载室在该光生物反应器上施加向下方向的力。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述流体是第一流体，其中所述有效密度是第一有效密度，其中所述力是第一力，且其中所述光生物反应器还包括浮力室，该方法还包括：

将第二流体添加到该浮力室中，其中该第二流体具有小于所述液体的第二有效密度，从而使得该浮力室在该光生物反应器上施加向上方向的第二力。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述蓄水器是洋，该方法还包括：

在该培养基中生长藻类的悬浮培养物；和

混合藻类的悬浮培养物，该混合是通过允许该光生物反应器响应于洋中波浪而运动的方式来漂浮该光生物反应器而进行的。

23.根据权利要求20所述的方法，其中所述光生物反应器是多个基本类似的光生物反应器中的一个，该方法还包括：

放置所述多个基本类似的光生物反应器以并排方式漂浮在所述液体中；和

通过将所述流体添加到相邻光生物反应器的所述压载室中或从其中抽出所述流体，调节相邻光生物反应器之间的间隔。

24.根据权利要求20所述的方法，还包括：

通过将流体添加到所述压载室中或从其中抽出所述流体，调节所述光生物反应器在所述液体中的深度。

25.根据权利要求21所述的方法，还包括：

通过将所述第二流体添加到所述浮力室中或从其中抽出所述第二流体，调节所述光生物反应器在所述液体中的深度。

26.根据权利要求25所述的方法，还包括：

从所述浮力室中抽取所述第二流体，直至所述光生物反应器基本浸没在所述顶表面水平之下。

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