用于促进托盘或光生物反应器中的藻类或微藻类生长的流体搅拌器装置

摘要

用于促进托盘（20）或光生物反应器中的藻类或微藻类生长的流体搅拌器装置，该装置至少包括启动器设备（2），所述启动器设备至少具有旨在吸收光辐射以产生电能的光伏模块（3）且至少具有可操作地连接至光伏模块（3）的马达（4）；而且，所述装置还至少包括可移动的且可通过马达（4）驱动的搅拌器元件（5），所述搅拌器元件为至少部分地可插入含水的托盘（20）或光生物反应器中，以移动所述托盘（20）或光生物反应器中所含的藻类或微藻类。

说明书

技术领域

本发明涉及用于促进托盘或光生物反应器中的藻类或微藻类生长的 流体搅拌器装置。术语托盘或光生物反应器，也可以指盆、发酵槽和其 他适于培养藻类和微藻类的装置。本发明可应用于例如藻类、微藻类等 有机体的培养，所述有机体适于或可用于生成油、生物质、生物燃料、 饲料等。

背景技术

生物质作为可再生能源的用途是已知的，例如通过生物质的燃烧或 者通过先气化后燃烧而产生电能、或获得能用于燃烧的油、或生产生物 燃料。作为生成生物质的来源，现有技术中包括使用玉米、大豆、芥花 籽（一种油菜籽）、麻风树（麻风树果）、榛实、油棕，但是最好的性能 （以每单位用于培养的表面所产出的油的升数来表示）是通过采用特定、 已知种类的藻类或微藻类获得，例如原始小球藻（clorella prototecoides） （其能被自养培养或异养培养）、微拟球藻（nannochloropsis）、等鞭金藻 （isochrysis）（T-ISO）、四肩突四鞭藻（tetraselmis suecica）或另外还有其 他藻类。

微藻类是单细胞且水生的光合植物有机体（即，其启动光合作用）， 其呈现出不同于大部分的绿色植物的、通常小于30μm的尺寸，其能够 将太阳能或光能转化成碳水化合物或脂肪。如同所有的含氧光合作用物， 微藻类靠利用水作为电子、矿物质盐的来源并利用二氧化碳作为营养物 质以及利用太阳能辐射作为能量来源而生长，并且其相比于陆生植物具 有明显快得多的生长期。

因此，这些微藻类特别适于吸收大气层的CO₂来生成生物燃料、净 化城市以及农业-动物-工业废料并产生生物分子。在很多国家中早已商业 化生产了不同品种的微藻类，并且这些微藻类用于生产食物合成者（food  integrator）、饲料、颜料、脂肪酸、ω3（脂肪酸）、用于水产养殖的生物 质以及废弃物的处理。

不是所有的藻类株系或微藻类株系都适于大规模培养，因此，获得 合适的用于大规模培养的株系需要仔细的挑选和长期的顺应。某些蓝藻 细菌（例如螺旋藻和卡拉马斯湖藻（Klamath））通常使用术语微藻类命 名。藻类，经过培养和收割后，可以经历不同的工艺（例如絮凝、滗析 和离心分离）以获得藻膏，在实施萃取工艺后，通过挤压或使用溶剂， 获得油，其产量为每公顷用于培养所述藻类的地域上年产约15-30吨。

除了油之外，还可以以每年每公顷60-90吨数量级的量由可用于获 得饲料、生物汽油或其他产品的藻类萃取板状物（panels）。对于微藻类 的培养而言，在开放空间中使用培养托盘是已知的，该培养托盘包括装 满水的大托盘，待被培养的微藻类存在于所述托盘中，所述托盘直接暴 露在太阳光线中。所述托盘具有大的表面积、适中的深度（由于光线难 以穿透生长微藻类的那一层，因此通常该深度自表面起不大于2cm），并 且所述托盘通常设有机械螺旋桨，所述螺旋桨布置在所述托盘的某一部 分，从而使得微藻移动并且还可使得所述微藻存在于更深的深度处，以 周期性地生长至水表面。已知的托盘不贵，但是其存在一些缺陷，例如 产率有限，占据面积大（尽管其面积小于其他植物品种所占据的面积）， 需要放置在气候适宜的地域中，难以保持接近最优值的培养参数，可能 会被污染，可能会产生害虫。已知的用于培养藻类和微藻类的可替代方 案由如下组成：使用通常具有透明壁、含水和藻类或微藻类的光生物反 应器（即，容器或近似的环形体、大致呈管状），所述藻类或微藻类可以 在最优的培养条件下培养并且采用受控且最优的化学-物理和生物参数。

在这样的培养系统中，除了足够的照射条件之外，必须控制温度以 保证藻类质量的充分转移，并且减小污染。所述光生物反应器可以设有 用于控制并保持最优培养参数的各种装置，例如自动控制系统、用于循 环水的泵、过滤器等。

不同类型的光生物反应器是已知的，其可以为例如扁平板、水平管、 斜管、螺旋体等等。例如，板状光生物反应器由矩形接收器组成，所述 接收器为竖直布置，其宽度在1至5cm之间，其由玻璃或树脂玻璃制成， 在该光生物反应器中，通过通常经由设置在下游的特定管道引入的空气 流使所述藻类保持为悬浮的形式，并且从上方收集所述藻类。

也由于因有更多的藻类的表面暴露在太阳能辐射下以及可以实现对 培养过程的自动控制而导致的更杰出的光合作用性能，使得光生物反应 器可以实现更大的产率（以藻类和微藻类的培养产率来表示）；而且，所 述光生物反应器对环境的影响也更小，它们可以设置在更多的地理环境 中，并且其占据的空间比处在开放式空间中的托盘小得多。

但是，这样的光生物反应器存在某些缺陷，例如实施成本和管理成 本都非常高，能耗非常大且维持费用昂贵。这样的光生物反应器还涉及 氧气的积聚，而这是必须从光生物反应器中除去的，并且由于在反应器 内部发生了反应，使得所述反应器经历升温，所以需要冷却系统（遮阴， 喷洒雾状水等等）。维持这类培养的高成本限制了它们的应用，使得它们 仅用于高纯度的大规模培养、用于要求萃取出具有高商业价值的生物分 子以及用于开放体系中的接种。

此外，将太阳能集中器与光生物反应器组合使用是已知的，例如， 用于将太阳能辐射集中在一起且使所述太阳能辐射更多地在所述藻类中 渗透；但是，这样的太阳能集中器是复杂且昂贵的。

发明内容

在这种情形下，本发明的一个目的是为了获得一种用于促进托盘或 光生物反应器中的藻类或微藻类生长的流体搅拌器装置，所述装置克服 了上述缺陷中的一个或更多个缺陷。本发明的另一目的是为了实现能够 减少培养藻类或微藻类所需面积的搅拌器装置。

本发明的另一目的是为了实现能够增加藻类或微藻类的产量的搅拌 器装置。

本发明的另一目的是为了实现能够降低培养藻类或微藻类所需能耗 的搅拌器装置。

本发明的另一目的是为了实现维持起来简单、经济的搅拌器装置。

本发明的另一目的是为了实现对环境影响小的搅拌器装置。

本发明的另一目的是为了实现实施起来简单、经济并且能够降低藻 类或微藻类的总培养成本的搅拌器装置。

根据所附权利要求中的一个或更多个权利要求以单独或相互组合的 方式或与下文中所描述的其他方面或特征中的任一项（以单独或相互组 合的方式）组合的方式所表达的内容，上述这些目的以及另外还有其他 的目的（将更好地体现在下文的描述中）基本通过用于促进托盘或光生 物反应器中的藻类或微藻类生长的搅拌器装置获得。

本发明还涉及根据所附装置权利要求中的一个或更多个权利要求 （以单独或相互组合的方式或与本文所述的其他方面中的任一项组合的 方式）的装置，其中，光伏模块或多个光伏模块被安装在支撑物上，该 支撑物稳固地被限定至搅拌器元件并且可与所述搅拌器元件一起移动。

本发明还涉及根据所附装置权利要求中的一个或更多个权利要求 （以单独或相互组合的方式或与本文所述的其他方面中的任一项组合的 方式）的装置，其中，所述搅拌器装置进一步包括适于收集光辐射并将 所述光辐射输送至所述搅拌器元件的至少一部分并由此输送至所述藻类 或微藻类上的光导设备或太阳能输送器。

本发明还涉及根据所附装置权利要求中的一个或更多个权利要求 （以单独或相互组合的方式或与本文所述的其他方面中的任一项组合的 方式）的装置，其中，所述搅拌器元件可旋转地安装并且可通过马达驱 动而旋转，和/或所述搅拌器元件包括轴，通过该轴将所述搅拌器元件可 旋转地安装至所述支撑元件。

在本发明的另一方面中以及在其与所附权利要求中的任一项的组合 中，本发明还涉及用于促进托盘或光生物反应器中的藻类或微藻类生长 的流体搅拌器装置，所述装置至少包括启动器设备、至少包括支撑元件 且至少包括搅拌器元件，所述启动器设备安装在所述支撑元件上，所述 搅拌器元件可移动地或可旋转地安装在所述支撑元件上并且可由所述启 动器设备驱动，所述搅拌器元件至少部分地可插入水托盘或光生物反应 器中，以移动所述托盘或光生物反应器中所含的藻类或微藻类。

所述启动器设备可至少包括适于吸收光辐射以产生电能的光伏模块 且至少包括由所述光伏模块供电的马达。

所述启动器设备包括风涡轮和/或被构造成例如被风驱动而旋转的元 件。所述启动器设备包括其他类型的可操作地运转的驱动器，从而移动 所述搅拌器元件。

本发明还涉及根据所附方法权利要求中的一个或更多个权利要求以 单独或相互组合的方式或与下文所述的其他方面中的任一项组合的方式 的方法，其中，该方法进一步包括至少除去被托盘或光生物反应器损坏 的搅拌器装置并用另一个可用的搅拌器装置来取代它的步骤。

附图说明

通过非限制性的实施例，下面对根据本发明的装置的一个或更多个 优选的实施方案进行了详细的描述，其中：

图1为根据本发明的第一实施方案的搅拌器装置的立体视图；

图2为根据本发明的第二实施方案的搅拌器装置的立体视图；

图3为图2所示装置的纵向剖面视图；

图4为图2所示装置的分解立体视图；

图5为根据本发明的实施方案的插入用于培养微藻类的托盘或光生 物反应器中的多个搅拌器装置的立体视图。

具体实施方式

在本说明书中，术语托盘被用来表示任何适于容纳液体以及适于培 养藻类、微藻类等的开放式容器，因此也可以是盆等类似物，而术语光 生物反应器被用来表示任何适于培养藻类、微藻类等的封闭式容器。术 语藻类或微藻类意欲包括各种形式的适于在托盘或光生物反应器的水中 培养且可用于生成生物质、生物燃料等的植物生命体。在下述的本发明 的某些实施方案的非限制性的描述过程中，附图标记1作为整体表示用 于促进水托盘20或光生物反应器中的藻类或微藻类生长的流体搅拌器装 置。搅拌器装置1可至少包括启动器设备2。搅拌器装置1或启动器设备 2可至少包括适于吸收光辐射以产生电能的光伏模块3，例如光伏板。

在附图的示例性的实施例中，对于每个搅拌器装置1都示出了两块 光伏板。搅拌器装置1或启动器设备2至少包括马达4，所述马达可操作 地连接至光伏模块3。马达4，例如可以是电动的，而且，由于所述马达 可以是任何适于该目的的已知类型，因此本文中不再对其详细描述。搅 拌器装置1可至少包括可移动的、并可通过启动器设备2或马达4驱动 的、且为至少部分地可插入水托盘20或光生物反应器中的搅拌器元件5， 从而移动水托盘20或光生物反应器中所含的藻类或微藻类。

在一个未被例示的变体中，启动器设备2可包括风涡轮和/或被构造 成例如被风驱动而旋转的元件，从而移动搅拌器元件5。启动器设备2 可包括可操作地运转的其他类型的驱动器，从而移动搅拌器设备5。搅拌 器装置1可进一步包括旨在照射所述藻类或微藻类的发光设备6，例如 LED型发光设备。

发光设备6可操作地连接至光伏模块3或启动器设备2并由光伏模 块3或启动器设备2供电。所述发光设备6和/或多个发光设备可安装在 搅拌器元件5上或搅拌器元件5的内部，以与搅拌器设备5一起稳固地 移动并照射所述藻类或微藻类。在未被例示的进一步的实施方案中，搅 拌器装置1还可至少包括旨在收集光辐射并将所述光辐射输送至所述搅 拌器设备5的至少一部分的光导设备或太阳能输送器。

搅拌器装置1还可至少包括支撑元件7，搅拌器设备5和/或启动器 设备2和/或光伏模块3和/或马达4可移动地或可旋转地安装在所述支撑 元件上。启动器设备2和/或光伏模块3和/或马达4可在支撑元件7的上 表面7a处安装在支撑元件7上。搅拌器设备5可安装在支撑元件7的与 所述上表面7a相对的下表面7b上。搅拌器元件5可旋转地安装且通过 启动器设备2或马达4驱动而旋转。搅拌器设备5可包括旋转轴8，通过 该轴使支撑元件7可旋转地安装。如附图中所例示的那样，旋转轴8可 以由若干个装配在一起的部件组成，并且可以通过常规的轴承以及通过 任意其他适于该目的的结构件安装在支撑元件7上。所述轴8可以是中 空的，并且在其内部设有用于安装在搅拌器设备5内部的发光设备6的 供电电缆。支撑元件7可旨在并被构造成漂浮在水托盘20或光生物反应 器的水上。支撑元件7可至少支撑启动器设备2和/或光伏模块3和/或马 达4并使它们保持在水的自由表面的上方。支撑元件7的至少一部分可 由透明材料制成，从而允许光辐射穿透支撑元件7通过并更好地照射托 盘20或光生物反应器中的藻类或微藻类。所述搅拌器装置1可进一步包 括支撑物9，至少启动器设备2和/或光伏模块3和/或马达4可安装在所 述支撑物上。支撑物9可稳固地安装在搅拌器元件5上且可旋转地安装 在支撑元件7上，以在马达4启动之后与搅拌器元件5一起旋转。光伏 模块3或多个光伏模块可安装在支撑物9上，该支撑物被稳固地限定至 搅拌器元件5并且可以与所述搅拌器元件5一起移动。马达4可设有触 发构件20（例如，含有皮带轮或齿轮的、与支撑元件7的接合构件11（例 如固定的冠齿轮）相接合的触发构件），以相对于支撑元件7移动且至少 移动搅拌器元件5。搅拌器装置1可进一步包括旨在封闭、包覆并保护例 如马达4、触发构件10和接合构件11的包覆元件13。所述包覆元件可 以被固定至支撑元件7且可以绕支撑物9延伸，从而限定出一封闭的实 体并使得搅拌器装置1的部分部件是不可进入的。

所述搅拌器设备5可包括多个旨在搅拌藻类或微藻类的凸起元件 12。凸起元件12可被安装在旋转轴8上，所述旋转轴可旋转地安装在支 撑元件7上。至少凸起元件12中的一个凸起元件可由透明材料（例如树 脂玻璃或其他材料）制成，而且其内部至少设有发光设备6，优选为LED， 所述发光设备可由光伏模块3供电。在附图所例示的实施方案中，每个 凸起元件12为透明的并且设有多个LED发光设备6。每个凸起元件12 可以为，例如空心且透明的管状体，在每个凸起元件12中，安装有由例 如所述光伏板供电的LED发光设备6。

凸起元件12可以横向地或纵向地延伸至搅拌器元件或轴8的旋转轴 线。所述LED型可以为一种在特别研发的频率下发射出光辐射，用于促 进植物或微藻类的生长和/或光合过程的类型。如附图中所例示的那样， 搅拌器装置1可在单一模块中实现，所述装置可移除地插入用于培养藻 类或微藻类的水托盘20或光生物反应器中。

如图5所例示的那样，搅拌器装置1可被构造成漂浮在水托盘20或 光生物反应器中。在本说明书中未作更详细描述的搅拌器装置1的结构 部件被视为由基本已知的常规类型的元件组成。搅拌器装置1可呈现出 小于5米×5米×5米、或小于2米×2米×2米、或小于1.5米×1.5米 ×1.5米的整体尺寸。例如，所述整体尺寸可为约1米×1米×1米。

本发明还涉及如上所述类型的搅拌器装置1的用途，所述装置至少 部分地浸入水托盘20或光生物反应器中，以激励托盘20中所含的藻类 或微藻类的生长，和/或用于搅拌和/或照射和/或促进单细胞藻类（例如原 始小球藻）或其他藻类的培养。

本发明还涉及用于培养藻类或微藻类的托盘20、盆或光生物反应器 等等，其至少包括如上所述类型的搅拌器装置1。在一个优选的实施方案 中，搅拌器装置1可自由地、不受束缚地在托盘20所含的水中移动。

本发明还涉及操作用于培养藻类或微藻类的托盘20或光生物反应器 的方法，其至少包括将待培养的藻类或微藻类插入含水的托盘20或光生 物反应器中的步骤、将至少如上所述类型的搅拌器装置1或多个所述搅 拌器装置可移除地插入托盘20或光生物反应器中的步骤。

所述方法还包括维持托盘20的步骤，其包括至少除去被托盘20或 光生物反应器损坏的搅拌器装置1并用另一个可用的搅拌器装置来取代 它的步骤。

本发明能够实现上述待实现目的中的至少一个目的。

本发明能够促进藻类和微藻类的培养产率，并由此显著地减少为培 养所述藻类或微藻类所需的面积。

本发明还能够降低为培养藻类或微藻类所需的能耗，并且对环境具 有较小的影响。

另外，本发明的维持成本极低，并且操作起来非常轻松。

本发明还能够显著地降低待制备的藻类或微藻类的总培养成本。

本发明能够增加可以培养藻类或微藻类的地形位置的数量。

另外，通过在黑暗条件下不照射所述藻类或微藻类，本发明能够符 合自动暂停光合作用。

再者，本发明实施起来简单又经济。