用于光合培養(yǎng)的裝置以及方法制造方法及圖紙

提供一種用于光合培養(yǎng)物生長的裝置以及系統(tǒng)，這種裝置以及系統(tǒng)采用一個(gè)或多個(gè)豎直安置式光板，這些光板具有被配置為用于容納液體以及光合培養(yǎng)物如藻類的內(nèi)部空穴。內(nèi)表面的大小通過由這些光板的側(cè)壁中的變形限定的突起來增強(qiáng)。這些突起在側(cè)壁之間連通，還向光板提供了結(jié)構(gòu)完整性并且允許了較薄的側(cè)壁以及通過其中的光透射的增加。該系統(tǒng)可以將一個(gè)支撐軌條和樞轉(zhuǎn)底座用于每個(gè)此種光板以允許彼此鄰近地定位成行。在不同的照明條件期間使裝有軌條的光板樞轉(zhuǎn)提供了一種方式以減少鄰近光板對單獨(dú)光板造成的光阻擋。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本申請要求2010年12月12日提交的第61/422184號美國臨時(shí)申請以及2010年6月15日提交的第61/355121號美國臨時(shí)申請的權(quán)益，這兩件申請分別以引用方式全文結(jié)合在此。在此披露的裝置以及方法涉及光合細(xì)胞培養(yǎng)，因?yàn)樗鼞?yīng)用于生物質(zhì)的生產(chǎn)以及CO2再循環(huán)或埋存以及廢水減排。更確切地說，所披露的裝置以及方法涉及用于產(chǎn)業(yè)規(guī)模應(yīng)用的藻類學(xué)商業(yè)化。用于此處系統(tǒng)的方法和設(shè)備代表用以將藻類生產(chǎn)擴(kuò)增到產(chǎn)業(yè)量的新的且經(jīng)改進(jìn)的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)采用新穎的豎直定向式光合光生物反應(yīng)器或光板以及培養(yǎng)方法和部署策略。 所披露的系統(tǒng)通過將散射的太陽照射分散在展開得極大的表面積上借此使太陽光強(qiáng)度朝向藻類光合作用的最佳強(qiáng)度范圍減少或者減少到該最佳強(qiáng)度范圍中，來優(yōu)化用于光合作用的可用太陽能。所披露的光板裝置非常適合于利用常見的價(jià)格低廉且可再循環(huán)的材料來適應(yīng)藻類品種的多樣性以及地理和季節(jié)性變化。所披露的光板設(shè)計(jì)尤其適合于懸浮以及附著式藻類培養(yǎng)，用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)用作生物燃料的藻類油的目的。所披露的新光板設(shè)計(jì)解決在具有超高細(xì)胞濃度的情況下在相同的連續(xù)培養(yǎng)中對于藻類繁育對藻類脂肪酸合成的非常特別的幾乎互斥的培養(yǎng)需要。
技術(shù)介紹
目前人類對作為有限資源的化石或石油燃料的依賴已促進(jìn)了替代可再生能源的開發(fā)。由化石燃料的燃燒排放的CO2作為溫室氣體并且是全球變暖的主要原因，使緊迫性進(jìn)一步增加。據(jù)估計(jì)，美國每年消耗430億加侖以上的柴油燃料在運(yùn)輸上，加上多倍于這個(gè)量的汽油以及其他油基燃料。為了使用除了所謂的化石或石油衍生燃料之外的來源來提供燃料，從植物油和動(dòng)物脂肪提取生物柴油。基于玉米的乙醇現(xiàn)在以較高的百分比與汽油摻和。諸如玉米乙醇等生物燃料的當(dāng)前開發(fā)需要大量的土地和水。用食物生產(chǎn)運(yùn)輸燃料已對農(nóng)產(chǎn)品造成價(jià)格壓力。光合作用通過聚集來自CO2的碳將太陽電磁能轉(zhuǎn)換成在長碳鏈中所儲存的化學(xué)能。光合作用是地球上埋存并且再循環(huán)CO2的主要過程。微藻類是最有光合效率的生物體。藻類作為生物燃料的來源已被研究很久了。20世紀(jì)70年代的上一次能源危機(jī)加速了替代能源的研究。美國能源部的水生物種計(jì)劃已收集到了大量的資料。藻類可以在污水中生長。藻類在光合作用中是非常有效的，具有驚人的繁育速率。一些藻類品種每4到6個(gè)小時(shí)就可以翻倍。藻類在某些條件中生長(諸如，乏氮培養(yǎng))時(shí)可以合成并且積聚脂肪酸到大于其干重的一半的水平。藻類脂肪酸或油能夠并且目前被精煉為用于美國海軍的噴氣燃料。然而，允許藻類培養(yǎng)從實(shí)驗(yàn)室量擴(kuò)增到產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的培養(yǎng)系統(tǒng)迄今一直是有挑戰(zhàn)性的。常規(guī)地，此類藻類培養(yǎng)系統(tǒng)可以分成兩類開放對密閉。每個(gè)常規(guī)種類都具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。開放培養(yǎng)系統(tǒng)向環(huán)境“開放”，并且最常見的當(dāng)前形式可以被描述為大的跑道水池(raceway ponds)。此類開放水池是建造和操作起來最不昂貴的。因而，開放水池被ASP調(diào)查結(jié)果提倡用來與化石燃料競爭。然而，跑道水池由于不斷的蒸發(fā)而需要使用大量的水。開放水池提供次最佳的光強(qiáng)度控制。開放水池易于被野生型品種污染，會(huì)侵吞正在繁殖的所希望的培養(yǎng)品種。另外，這種類型的開放培養(yǎng)是不受保護(hù)的，會(huì)受到以藻類為食的捕食者的侵襲。大的培養(yǎng)水池可能 在幾天之內(nèi)就會(huì)被此類捕食者侵食殆盡。雖然大量的資源正被集中到設(shè)計(jì)或在基因上修改藻類以提高產(chǎn)量并且克服開放水池的上述缺點(diǎn)，但是公眾輿論不太可能會(huì)允許在開放系統(tǒng)中使用轉(zhuǎn)基因突變品種，這伴隨著不可控的環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。地理限制，諸如溫度和太陽照射以及土地要求，是額外的限制。密閉的系統(tǒng)或光生物反應(yīng)器被設(shè)計(jì)為在不同程度上解決開放水池系統(tǒng)的所有這些限制以及顧慮。然而，一個(gè)主要挑戰(zhàn)是太陽照射的有效利用。地球表面上被照到的太陽照射是高度可變的，這依賴于諸如季節(jié)性的、每日的以及大氣的變化等地理因素。“自遮蔭或自遮蔽”現(xiàn)象進(jìn)一步使太陽照射的利用變復(fù)雜。在光透入藻類培養(yǎng)物中時(shí)，光子被葉綠素吸收，從而減小光強(qiáng)度。此“自遮蔭”在具有高葉綠素濃度的高細(xì)胞濃度培養(yǎng)物中被夸大。實(shí)際上，光在高細(xì)胞濃度培養(yǎng)物中根本不會(huì)透入到非常遠(yuǎn)，而是只透入幾毫米。藻類光合作用的最佳光強(qiáng)度已被論證為是直射明亮太陽照射的一小部分，在10%的范圍中。在開放水池中的藻類培養(yǎng)物通常有一層有害的淺層培養(yǎng)層，在其中直射太陽光束的極高光強(qiáng)度引起光抑制、細(xì)胞損害以及可能的細(xì)胞死亡。通過“自遮蔭”，高有毒水平的光強(qiáng)度通過初始淺層“有毒”層中的葉綠素吸收而得到衰減，借此培養(yǎng)物的中間層經(jīng)歷藻類光合作用的“最佳”光強(qiáng)度。任何較深的培養(yǎng)物層隨著光強(qiáng)度的進(jìn)一步衰減都無法接收到足夠的光來驅(qū)動(dòng)藻類光合作用。當(dāng)前的技術(shù)或培養(yǎng)系統(tǒng)，開放的或密閉的，依賴于細(xì)胞移動(dòng)進(jìn)出以下各個(gè)概念性光區(qū)的策略1)淺層有毒區(qū)，2)中間最佳區(qū)以及3)深的不足區(qū)。藻類細(xì)胞可以移動(dòng)到可能有毒的淺層中，在離開該區(qū)之前只吸收了幾毫秒到幾微秒的光子，這樣并沒有形成損害性自由基。開放水池的當(dāng)前技術(shù)利用大的槳葉來造成攪拌以及水流，而典型的密閉系統(tǒng)，諸如管狀系統(tǒng)則利用泵。大部分的水流是層流、平行于上述的概念性光區(qū)，而不是在細(xì)胞垂直移動(dòng)穿過這些光區(qū)中更有效的湍流。此外，通過泵產(chǎn)生的藻類移動(dòng)可能會(huì)在較高速度下經(jīng)歷剪切損傷。不管用當(dāng)前密閉系統(tǒng)所獲得的效率怎樣，一般來說在正常的市場條件下，光生物反應(yīng)器的成本有效性并不能與化石燃料競爭。當(dāng)前最不昂貴的密閉系統(tǒng)是具有很少結(jié)構(gòu)的簡單塑料袋。隨著這些批次類型的培養(yǎng)物生長以及葉綠素含量增加，在中間中越來越大比例的培養(yǎng)物不能接收到足夠的光來進(jìn)行光合作用，從而限制了可實(shí)現(xiàn)的細(xì)胞濃度。密閉系統(tǒng)的一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)例是US 6，509, 188(Trosch)，該案傳授了一種光生物反應(yīng)器，該光生物反應(yīng)器具有由透明材料形成的一個(gè)反應(yīng)器腔室并且具有被適配為用管狀突起和延伸部來增加反應(yīng)器表面積的凹陷和突起。然而，TlOSCh專利構(gòu)造很少增加所形成的反應(yīng)器板的結(jié)構(gòu)完整性，并且缺少窄的橫截面積用于限制養(yǎng)分?jǐn)U散到不同的高度水平以在反應(yīng)器內(nèi)建立養(yǎng)分梯度。因而，對一種藻類培養(yǎng)系統(tǒng)還存在未滿足的需要，這種藻類培養(yǎng)系統(tǒng)具有合理的資本和操作成本來在正常的市場條件下與原油競爭。此種系統(tǒng)應(yīng)能夠連續(xù)地實(shí)現(xiàn)超高細(xì)胞濃度藻類培養(yǎng)物。此種系統(tǒng)應(yīng)提供一種結(jié)構(gòu)以及其部署，該結(jié)構(gòu)提供用以均勻地且可控地傳送太陽和人工輻照的更均勻手段。另外，此種系統(tǒng)應(yīng)固有地包括用以防止或限制生物膜的生物附著或沉積的手段，并且應(yīng)采用多個(gè)部件，這些部件用以張開光生物反應(yīng)器內(nèi)封套的表面積并且同時(shí)提供用于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)完整性的手段。另外，此種系統(tǒng)應(yīng)采用一個(gè)反應(yīng)器，該反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上得到增強(qiáng)并且提供藻類培養(yǎng)物的所希望的高的表面積對體積比的穩(wěn)定性以及所希望的可用的小橫截面積，該小橫截面積提供了用于限制養(yǎng)分?jǐn)U散到不同的高度水平以建立養(yǎng)分梯度的手段。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
在此披露的裝置以及方法提供一種用于藻類培養(yǎng)的新穎手段，以通過光合作用的光化學(xué)過程來優(yōu)化可用太陽電磁能到所儲存化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。可能的應(yīng)用包括，但不限于，用于原料、肥料、養(yǎng)料的生物質(zhì)的生產(chǎn)以及水處理和CO2埋存。所披露的新穎系統(tǒng)的主要目 標(biāo)之一是以經(jīng)濟(jì)的過程來優(yōu)化生長條件，使藻類生物燃料成為有競爭力的替代性可再生燃料。總策略是實(shí)現(xiàn)超高細(xì)胞濃度的藻類培養(yǎng)物。通過實(shí)現(xiàn)超高細(xì)胞濃度，細(xì)胞培養(yǎng)介質(zhì)的體積以及圍起該介質(zhì)所需的材料最少。細(xì)胞濃度越高，藻類培養(yǎng)物在細(xì)胞移動(dòng)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：大衛(wèi)·士偉·周，
申請(專利權(quán))人：大衛(wèi)·士偉·周，
類型：
國別省市：