用於光合作用微生物的批量生產的反應器的製作方法
2023-06-04 21:39:36 1
發明領域
本發明涉及藻類的生產並特別關於藻類在封閉反應器系統中的成長，在該反應器系統中通過反射鏡系統將陽光供給到反應器中。本發明提供用於該藻類生產反應器系統的一種反應器和光引入手段。
背景技術：
藻類利用光和二氧化碳進行成長，並且這個過程產生氧氣。通常藻類在開放式池塘、透明管道系統、水下塑膠袋等中生產。
這些系統的缺點是用於混合所需能量多、供給碳源方法和排除產生的氧氣方法不佳。同時，白天水的加熱、水分蒸發量大以及夜晚的冷卻困難也是問題。這因為用於生長藻類的唯一合理的光源是陽光，陽光基本上可以低成本使用，但是為了提高產量，藻類需要高強度的陽光。但是，具有高強度陽光的地點幾乎都位於地球的乾旱區域，在乾旱區域藻類生產也需要的水非常稀缺從而使得藻類生產受到阻礙。
這些缺點限制反應器系統中的藻類濃度並由此增加生產一定數量的藻類所需的反應器空間尺度。由此需要更有效且可向上擴展的具有更好光供給的用於生長光合作用微生物的反應器。
JP-A2000-300244公開一種具有由丙烯酸製成的光傳輸板的光合作用培養裝置，光傳輸板在反應器內豎直地布置，(陽)光在反應器頂部進入。板之間10-70mm的距離提供了包含向上流動布置的培養介質的反應空間。板之間的空間的頂端由蓋(「第一發明」)或由用於提高照射表面的丙烯酸板的三角形延伸件(「第二發明」)封閉。光傳輸板可具有由單向分條提供的光散射表面，並且多對板以這樣的方式形成：光散射表面位於多對板的內側，如JP-A H08-262232所述。
JP-A 2000-300244和JP-A H08-262232中所描述類型的反應器沒有提供優化的照射效率以及藻類生產率。而且，根據該先前技術使用的板的布置特徵不允許可靠第提供大規模光合作用反應器以用在偏遠地點以及需要最少的維護操作。
發明概述
根據本發明發現，通過空氣提升環路類型的反應器，使用側向照射，並通過提供隔開距離平行地安裝的單元多對雙層矩形玻璃板，能夠提供改進的光合作用，該隔開距離由在矩形雙層玻璃板之間並沿雙層玻璃板的長(豎直)側布置的玻璃條提供。使用玻璃板而不是丙烯酸型板減少了微生物產生的汙垢。通過在雙層玻璃板的內側提供光散射層實現進一步地改進，光散射層包括非均勻性物或微粒的非單向層。
本發明由此提供一種具有上升流動通道和下降流動通道的用於生長藻類的大規模反應器，上升流動通道和下降流動通道能夠交替，例如通過切換氣體混合流的供給。氣體能夠引起上升和下降流循環。這些類型的空氣提升環路反應器如廢水處理中已知的那樣。豎直玻璃板布置在上升和下降流中。這些玻璃板的前部與沿多對雙層玻璃板的長(豎直)側結合多對雙層玻璃板的玻璃條一起伸出反應器壁以進入(陽)光源。這些玻璃板用於將光傳遞進反應器內，這是反應器內藻類生長所需的。
發明描述
本發明因此屬於一種用於生產光合作用微生物的反應器。該反應器也被稱為其同義詞「光合作用反應器」或「光生物反應器」。反應器設有一個或多個液體進口和一個或多個液體出口，位於底部的一個或多個氣體進口和位於反應器頂部的一個或多個氣體出口，以及豎直地間隔的多組雙層玻璃板，當反應器運行時，多組雙層玻璃板至少部分地浸入反應器液體中。雙層玻璃板在中間具有光散射微粒層並具有與雙層玻璃板的厚度對應的平的側面，該平的側面暴露在外部光源下。在運行中，平的側面適當地豎直。反應器進一步設有用於豎直地循環反應器液體的設備。為運行做好準備的反應器還包括用於通過光合作用生產藻類的其它手段和物質，包括待生產的藻類的適當接種，二氧化碳源等。
成對布置的雙層玻璃板構成本發明和本發明的反應器的重要部件。玻璃的折射率高於水的折射率，這使得玻璃板起到像用於數據傳輸的玻璃纖維的作用。光散射微粒層確保光從玻璃板的浸入到反應器液體中的區域上均勻地照射到反應器內液體。為了這個目的，玻璃板由在中間具有塗層的兩層(被稱為「雙層玻璃板」)構成，塗層基質固定(i)微小無機(例如金屬氧化物)或(ii)有機微粒或(iii)非均勻性物或者(iv)較大的具有微觀反射鏡面的微粒以這樣的方式散射光使得光能夠進入反應器裡的液體。
(單個)玻璃板具有從幾毫米，例如5mm，向上變化到50mm甚至更多的厚度。有優勢地，玻璃板的厚度在10mm和30mm之間，更優選地在12mm和20mm之間。由此，雙層玻璃板優選地具有20mm和60mm之間的厚度，最優選地在24mm和40mm之間。相似地，雙層玻璃板的平的側面也優選地具有20-60mm或更佳在24-40mm的寬度。玻璃優選地為所謂的「超清」型，即其具有高清晰度並且鐵含量較低，尤其低於0.04重量％(如Fe2O3)。該玻璃也叫做低鐵玻璃或高透玻璃。
光散射微粒層可以為塗覆層，在該塗覆層內散射微粒混合在具有與玻璃的折射率相同或相近的折射率的物質中，以使光能夠從玻璃傳到塗層而不會因為折射率的不同而產生鏡像效應。例如，其可以為陶瓷塗層，諸如二氧化矽。在塗覆層中可以混合產生散射的非均勻性物(例如微晶，氣泡等)。非均勻性物可理解為構成基質中的間斷性的物體或空洞，即其能夠至少電磁地有別於周圍塗層基質，例如通過它們的折射率。非均勻性物優選地為基本上的球形。
可使用兩種類型的散射：(1)米氏散射，通過具有與可見光的波長大約相同或與可見光的波長相比稍大的(平均)尺寸的非均勻性物或微粒，優選地在200-1200nm的範圍內，更優選地在300到1000nm的範圍內，最優選地至少400nm到例如800nm；(2)幾何散射，通過遠大於光的波長的微粒，優選地在5微米到500微米的範圍內，例如鉻晶體。
米氏散射物質(非均勻性物)可以為金屬氧化物，例如鈦，鋅，矽或鋁的金屬氧化物，或矽酸鹽，例如鎂或鋁的矽酸鹽。另外一類米氏散射物質可以為有機微粒，例如聚合物(乳膠)微粒，或者他們可以為相同尺寸的氣孔或氣泡。金屬氧化物微粒，尤其二氧化鈦是特別優選地，例如0.3至1μm。
幾何散射物質是有面的(鏡面反射)微粒，即具有高反射面的微粒，例如鉻晶體或單晶微金剛石(6-20μm)。他們的尺寸優選地在5-500μm的範圍內，更優選地在10-200μm的範圍內，尤其在20-200μm的範圍內。
包含光散射非均勻性物或微粒的內塗層的厚度取決於散射的類型。對米氏散射而言，優選地在5至500μm的範圍內，特別在10和200μm之間，而對幾何散射而言，優選地在100和1000μm之間。微粒有優勢地同質地分布在內塗層內。他們的密度可以為例如每平方分米塗層(基質)在1和500mg之間。
多對雙層玻璃板之間的距離，即有效反應器空間，可以儘可能地接近例如10mm，直到比如20cm或更多。為了優化光照，優選地，距離在大約雙層板的厚度和大約兩倍所述厚度之間，即在20和120mm之間，最優選地在24和80mm之間。在反應器的寬度上的雙層玻璃板的數目可以變化。優選地，反應器，或者反應器單元，在每米反應器寬度上包含4至25個，更優選地6至20個雙層玻璃板，玻璃板必須平行安裝。
根據本發明，雙層玻璃板有優勢地成對布置，玻璃條沿板的長、豎直側結合成對玻璃板，如下面進一步描述的，並如圖3中所描繪的。
本發明還關於如上所述的雙層玻璃板(具有內塗層的多對玻璃板)以及能夠被用在光合作用反應器中的多組或多陣列雙層玻璃板。雙層玻璃板優選地具有基本上矩形的表面。玻璃板的長度(或高度，如果豎直定位)可以在例如1和4m之間，優選地在1.2m和2.4m之間。玻璃板的寬度可以在例如0.5和2.5m之間，優選地在0.8m和2m之間。較小的表面可以適用於試驗性反應器。較大的表面也是可行的，儘管玻璃板的重量和處理可能需要專門的措施。雙層玻璃板的厚度能夠為如上所述，即在20和60mm之間，更優選地在24和40mm之間。雙層玻璃板具有在中間的光散射微粒層，如上所述。
有優勢地，兩個或多個，特別是兩個，雙層玻璃板間隔距離平行地安裝在一起，以允許在兩板之間從10到200mm，優選地從20到150mm或更優選地從24到80mm或者甚至30到60mm的優化反應器空間。距離能夠由在中間並沿矩形雙層玻璃板的長度定位的玻璃條固定。玻璃條由此基本上具有與雙層玻璃板相同的長度，例如在1和4m之間。他們也可以具有相同的寬度，例如在20和60mm之間。供選擇地，他們的寬度可以為雙層玻璃板的厚度的例如1-10倍，特別地為雙層玻璃板的厚度的2-4倍，或者供選擇地為玻璃板的寬(寬度)的0.01-0.2倍，優選地為玻璃板的寬度的0.05-0.12倍(對每個條)。由此優選的條寬度為例如在2和20cm之間，有優勢地在2和15cm之間或者在2和12cm之間或者特別在2.4和8cm之間。優選地，玻璃條與相同長度玻璃板構成藻類反應器介質的流動通道，所以在玻璃組件內藻類介質的接受光照量與在玻璃組件玻璃板內傳遞的光線量相同。
玻璃條的類型優選地與玻璃板的類型相同並使用適當密封劑固定到玻璃板，適當密封劑諸如聚甲基丙烯酸酯密封劑。多組兩個(或多個)已安裝的雙層玻璃板提供更高的玻璃板強度，並且由此更加便於安裝或拆卸。反應器，或者反應器單元，由此可以有優勢地在每米反應器寬度上包括2至12，更優選地4至10組該固定的雙層玻璃板，多組基本上平行安裝。
為了便於定位和更換反應器中的玻璃板，多組玻璃板能夠有優勢地結合成雙層玻璃板陣列或者如上所述的多組雙層玻璃板的陣列。由此，將例如4至40，特別地10至24個等距雙層玻璃板，或者2至20，特別地5至12組等距雙層玻璃板以玻璃不與鋼結構接觸的方式一起安裝在鋼架中，鋼架通過適當的、優選地柔性的和/或可壓縮的物質(例如諸如聚丙烯或聚乙烯的熱塑性聚合物)覆蓋以防止玻璃板直接接觸鋼架。玻璃板組件可設有適當的支撐物和導引條，其允許陣列被安裝在反應器中並結合為水平和/或豎直堆。玻璃板的陣列的有用的堆可以為例如3-6個豎直堆疊的架和2-5個水平堆疊的架。
反應器的尺寸優選地使通過豎直循環實現充分生長有效性，同時避免過度內部壓力。據發現，3至12m，優選地5至10m，最優選地7至9m的反應器液體高度提供最優結果。反應器的寬度(直徑)，即在入射光的方向上，受到光通過正常高清浮法玻璃的透射率的限制，並且通常不大於2.5m，優選地不大於2.0米；適當的反應器寬度為例如在1和1.5m之間。如果期望，可以堆疊多個反應器，以進一步提升規模並提高生產性能。優選的是反應器由鋼製成，特別是塗層鋼或不鏽鋼。
在有利的實施例中，反應器液體可混入有泡沫狀物體，其隨循環的反應器液體一起移動以清潔玻璃板的光射出表面。例子是海綿狀物質，例如海綿由三聚氰胺樹脂製成，尺寸為從例如10mm直到30mm，在位於向上流動部分的反應器的底部引進並在反應器的頂部收集。在反應器的操作中，定期切換向上流動通道和向下流動通道以允許兩個部分都被清洗。
用於豎直地循環反應器液體的設備由豎直地布置在多組玻璃板之間的空間的一部分下方的氣體進口設備方便地提供。特別地，若干玻璃板之間的空隙的一半數目空隙定位在打開氣體進口的反應器的底部的一部分之上，由此提供反應器液體的向上流動通路，並且另一半數目空隙定位在關閉氣體進口的反應器的底部的一部分之上，由此提供反應器液體的向下流動的部分。有優勢地，氣體進口以多行的形式設在雙層玻璃板之間空隙的下方。向上流動和向下流動通道可以交替地運行，或者可以有多個向上流動通道，接著是多個向下流動通道。
光源包括安裝在太陽追蹤系統上的反射鏡，其將陽光反射到玻璃板的平的側面上。這樣，在白天期間，陽光在恆定的角度下被反射到插入在反應器的氣體提升環路通道中的玻璃板的暴露在反應器外部的部分上。
為了降低陽光的加熱影響，光源基本上只傳輸波長在400和700nm之間的光。這意味著抵達玻璃板的波長小於400nm和大於700nm的光的光強度(以燭光表示)小于波長為400至700nm的光的光強度的50％，優選地小於20％。為了該目的，反射鏡有優勢地以這樣的方式設有塗層：波長在400至700nm之外的光被塗層吸收而不被傳遞至反應器。技術人員能夠從商品中選擇合適的UV吸收介質和IR吸收介質。
供給到反應器中的氣體應該包括藻類生長和光合作用所需的二氧化碳。氣體源包含至少0.5％(體積)的CO2，優選地至少5％，更優選地至少10％，最優選地至少30％(體積)的CO2，餘下的為任何氣體，特別為氮氣。二氧化碳源可以為產自燃料燃燒爐的燃燒後排放的氣體，或者液體CO2或固體CO2源，或類似物質。如本領域已知的，可以將諸如磷、氮、鉀和微量營養元素的營養素添加到反應器中。
本發明還關於一種生產諸如藻類油的藻類產品的方法，包括如上所述的在反應器中培植藻類並且如本領域自身已知的按照空氣提升環路反應器進行操作。使用本領域已知的方法參數，全部光合作用微生物，包括綠藻、紅藻、藍藻細菌等，能夠在本發明的反應器中生長。藻類能夠被收穫和分離，或者藻類產品，特別是生產能源「生物柴油」或食物源(長鏈多不飽和脂肪酸)所需的脂肪能夠在不分離藻類的情況下被採集。通過本發明的方法能夠生產和分離的其他通常已知的藻類產品包括藻類蛋白質和糖類、類胡蘿蔔素及其類似物。
附圖描述
圖1示意性地示出了反應器的在豎直平面中的剖面圖，示出了其基本部件。反應器(1)用於生長藻類。其具有通過切換氣體混合流(6)的供給(4)和(5)能夠交替的互換向上流動通道(2)和向下流動通道(3)。液體向上流動和向下流動被豎直板(7)隔開，反應器中的水位指示為(8)。為了使這個反應器適於藻類生長，在向上流動和向下流動通道中安裝豎直玻璃板(9)。泡沫狀物體(10)在向上流動區域內向上移動以用於清潔玻璃板。
圖2示出了具有光反射系統的反應器的在水平平面中的剖面圖。示出了向上流動區域(2)和向下流動區域(3)中的豎直多對玻璃板(9)。這些板的前部(11)從反應器壁(12)伸出暴露給光源(13)。這些玻璃板(9)用於將光傳遞到反應器中，由此傳入的光線對於反應器(1)內的藻類(14)的生長是必需需要的。玻璃板由在中間具有塗層(17)的玻璃板(15)和玻璃板(16)構成，其塗層中混合微小顆粒，該微小顆粒起到散射作用，從而將光散射後進入液體中。
在太陽追蹤系統(19)上安裝一組反射鏡(18)以在白天期間在恆定角度下將陽光反射到插入在反應器的氣體提升環路通道中的玻璃板的暴露在反應器外部的部分上。為了減少陽光的加熱影響，反射鏡(18)以這樣的方式設有塗層(20)：只將藻類生長所需的在400nm和700nm之間的波長反射到反應器。
圖3更詳細地示出了一組雙層玻璃板。該組玻璃板(21)由兩個雙層玻璃板(9)構成。該組玻璃板包括在中間具有散射微粒層(17)的四個玻璃板(兩份15、16)。兩個玻璃條(22,23)被定位並密封在內玻璃板之間。
圖4作為水平截面圖(或俯視圖)示出了包含多組雙層玻璃板陣列的架。多組雙層玻璃板(21)安裝在架中，該架具有側壁(33)和包括位於多組玻璃板之間的間隔條(34)的前壁和後壁。
圖5透視地示出了該架。架(30)包括側壁(33)和用於將玻璃板分隔並成為前壁和後壁部分的條(34)。架具有上部(31)和下部(32)，用於支撐玻璃板，並用於允許架被堆疊。在架的頂部上安裝用於將架提升裝入和移出反應器的可拆卸裝置(35)。
圖6示出了包括如圖5中所描繪的八個架(30)的堆疊的反應器(40)。堆疊的反應器具有底部(41)和頂部(46)，底部(41)包括氣體分配器、液體/產品線路和液體/產品出口(未示出)，氣體分配器驅動氣體供應(43)相連的氣體管(42)供給的氣體產生氣體提升使得液體沿著上升通道下降通道構成的環路循環流動(未示出)，頂部(46)包括液體進口(未示出)和氣體出口(47)。氣體供應(43)和氣體路線(42)之間的三通閥(44)允許將氣流從一個隔室變化到另一個隔室，由此將液體向上升通道改為下降通道，反之亦然。在例如維護或更換的情況下，由載體條(48)拉住的導引條(45)允許架(30)滑出和滑入堆疊的反應器組件。
模塊中的玻璃板以這樣的方式堆疊：他們形成從堆疊反應器的頂部到底部的連續豎直通道。上升和下降通道之間的分隔擋板(7)在玻璃模塊的高度上延伸，以使玻璃模塊頂部和底部的空間是敞開的。結果，反應器內液體(水和藻類的混合物)能夠在頂部從上升流動通道循環到下降流動通道，並且在底部從下降流動通道循環到上升流動通道以形成封閉的循環流動通路。
儘管圖6示出了單個架內兩組模塊，一組用作上升流動通道，一組用作下降流動通道，但是多於兩組模塊構成的架是同樣可行的。例如，單一架內反應器組件可包括三組模塊，一組模塊用作上升流動通道使用，一組模塊用作下降通道使用，而能夠被關閉的第三組模塊進入維修等；在這種情況下，閥(44)是能夠被切換到三組模塊或更多組模塊中的任何一組模塊的多通閥。
CO2能夠注射在空氣或氣體混合物中，這種混合氣體驅動液體循環通路中流動並確保反應器中產生的氧氣得以及時地排出反應器。在反應器中有液位控制(未示出)，並且由收穫藻類和由於蒸發流失的全部水分在任何點(完全混合的系統)處被泵入反應器。營養素與補充水一起供給到反應器中。