一种维持微藻藻液温度的系统、方法及光合反应器

摘要

本发明公开了一种维持微藻藻液温度的系统、方法及光合反应器，该光合反应器包括：若干连通的光合反应器单元；其底板为中空结构，两端开设有底板连通孔；相连接的两个光合反应器单元的底板通过底板连通孔连通；位于两端的光合反应器单元的外侧底板连通孔分别作为底板的入水口和出水口；和/或其侧壁为中空结构，两端开设有侧壁连通孔；相连接的两个光合反应器单元的位于同一侧的侧壁通过所述侧壁连通孔连通，位于两端的光合反应器单元的外侧侧壁连通孔分别作为侧壁的入水口和出水口。本发明还公开了使用上述光合反应器维持微藻藻液温度的系统和方法，直接与微藻藻液进行热交换，热交换效率高、减少了热量消耗，降低了成本投入。

说明书

技术领域

本发明涉及生物技术领域，尤指一种用于封闭式微藻养殖的维持微藻藻液温度的系统、方法及光合反应器。

背景技术

户外开放式培养系统是目前最接近自然条件、使用最广泛的培养系统，具有固定成本投资少、操作简单、易于放大等优点。澳大利亚的Betatene公司是目前世界上最大的户外开放式微藻培养公司，该公司在澳大利亚的Whyalla和Hutt Lagoon两地共拥有250公顷的开放式培养基地。但这种培养方式极大的受到外界环境温度的影响，在外界环境温度不适合微藻生长时，则不能进行养殖，有很大的地域局限性。例如：温带或寒带地区的寒冷冬天，会造成每年可用于微藻养殖时间大大缩短，年生产量低；同样特别炎热的夏天对微藻的生长也可能造成不利的影响。因此，维持微藻养殖环境在适合微藻生长的温度范围内是非常必要的。

为了解决开放式微藻培养存在的上述问题，目前已经开始采用各种封闭式生物光合反应器进行微藻培养，包括自养、异养、兼养等各类微藻的培养。其中，应用最广的是光能自养封闭式系统，主要包括袋式、管式、板式及箱式反应器等。将封闭式光合反应器置于室内中，通过各种加热方式来保证微藻养殖室内的环境温度，以便适于微藻的繁殖。常用的维持微藻养殖室内温度的方法包括下列几种：

一、为了能够在冬季寒冷地区养殖微藻，借鉴农业大棚的成功经验，在玻璃或塑料大棚内养殖微藻，以保证微藻养殖的温度。

美国专利申请(US20080178793)中公开了将养藻池与农业大棚相结合的思路。在寒冷的冬季，为了维持20℃-35℃的微藻生长适宜温度，大棚内一般还是需要煤烧锅炉取暖，其成本比较高。以北纬四十度左右地区为例，在4-6个月的取暖期内，1公顷的大棚取暖费用在150-200万元。

二、通过热泵产生高温位热量，对微藻养殖室进行保温。

热泵是近年来新兴的一种能够节省能源、减少大气污染和CO₂排放的供热和空调技术。利用热泵可以对自然界和工业生产中存在的大量低温位热量进行回收，产生高温位的热量来供应给微藻养殖室进行加热保温。例如可以回收储藏于空气、土壤、水资源，以及工业废气、废水这些低温位热源中的低温位热量。

申请号为200720078272.9的中国专利申请，公开了一种采用热管实现对地表热能进行利用的系统，其原理就是一个简易的热泵。利用土地中积蓄的热量，实现对微藻养殖室的保温。

这种方式存在热量收集困难，仅靠热泵无法达到所需温度，从而仍然需要采用煤烧锅炉等其他方式进行加热。

三、利用工厂的余热，对微藻养殖室内进行保温。

利用工厂余热余能对微藻养殖室内进行保温，是一种比较经济实用的方式。但是其限制条件较多，随着环保节能意识的增强、热能循环利用机制越来越多的使用，热量回收技术日趋成熟，可供利用的高温位余热热源已经很少。现有可利用的高温位余热热源并不能满足微藻大量养殖的需要。例如：一个年产60万吨的甲醇工厂，其可利用的80℃左右的高温位余热仅能供2-4个占地1公顷的玻璃或塑料大棚的冬季取暖需要。而要实现对该工厂的CO₂减排，仅建立4个1公顷的微藻养殖室是远远不够的。因此，为实现采用微藻固碳的方法吸收工厂排放CO₂，则需要建造大面积的微藻生产基地，而其高温余热热源根本无法满足需求。

而且，上述几种对微藻养殖室进行保温的方法，以利于微藻生长的方式，实质上都是针对整个室内空间进行温度调节、提高整个微藻养殖室的温度温度，其对热能的消耗很大。且若采用煤烧锅炉等其他方式取暖，不仅增加能量消耗，增加成本投入，而且会在成环境污染，不利于微藻生长。

发明内容

本发明实施例提供一种维持微藻藻液温度的系统、方法及光合反应器，解决现有技术中存在的维持微藻养殖温度能耗大、成本投入高的问题。

一种板式光合反应器，包括：若干连通的光合反应器单元；

所述光合反应器单元的底板为中空结构，两端开设有底板连通孔；相连接的两个光合反应器单元的底板通过所述底板连通孔连通；位于两端的光合反应器单元的外侧底板连通孔分别作为底板的入水口和出水口；和/或

所述光合反应器单元的侧壁为中空结构，两端开设有侧壁连通孔；相连接的两个光合反应器单元的位于同一侧的侧壁通过所述侧壁连通孔连通，位于两端的光合反应器单元的外侧侧壁连通孔分别作为侧壁的入水口和出水口。

上述光合反应器，所述底板的入水口包括：底板连通孔和与之连接的入水管；

所述底板的出水口包括：底板连通孔和与之连接的出水管。

上述光合反应器，所述侧壁的入水口包括：侧壁连通孔和与之连接的入水管；

所述侧壁的出水口包括：侧壁连通孔和与之连接的出水管。

上述光合反应器，所述底板为中空的矩形金属管或由透明材料组成的中空结构；

所述侧壁的结构为由透光材料组成的中空结构。

上述光合反应器，所述中空的矩形金属管或由透明材料组成的中空结构中，布置若干根圆形或椭圆形管道。

一种维持微藻藻液温度的系统，包括：至少一个上述的光合反应器、供水装置、连接所述供水装置与每个所述光合反应器各入水口的供水管道、以及连接每个所述光合反应器各出水口与所述供水装置排水管道；

所述水源供给装置，用于通过各所述入水口向其输送与所述光合反应器所在的环境温度具有温差的热交换水；以及回收与微藻藻液进行热交换后的回收水；

所述光合反应器，用于允许所述热交换水依次通过自身包含的各光合反应器单元的中空底板和/或中空侧壁，以及从各出水口排除与微藻藻液进行热交换后的回收水。

上述系统，所述供水装置，包括：工业冷凝器；

所述工业冷凝器，用于输出对设备进行冷却后的冷凝水作为所述热交换水；以及将所述回收水继续用于设备的冷却，得到所述冷凝水。

一种维持微藻藻液温度的方法，包括：

供水装置通过光合反应器底板和/或侧壁的入水口向其输送热交换水，所述热交换水与光合反应器所在的环境温度具有温差；

所述热交换水依次通过所述光合反应器的各光合反应器单元的中空底板和/或中空侧壁，并与微藻藻液发生热交换以维持所述微藻藻液的温度；以及发生热交换后的回收水从对应的出水口返回所述供水装置；其中，相连接的光合反应器单元的所述中空底板通过底板连通孔连通、所述中空侧壁通过侧壁连通孔连通。

上述方法，当选定光合反应器后，根据所述光合反应器的长度、内表面面积、所述微藻藻液所需要维持的温度与环境温度的差值，确定所述热交换水与光合反应器所在的环境温度的所述温差。

上述方法，当直接利用温度范围已知的热交换水时，根据所述微藻藻液所需要维持的温度与环境温度的差值、所述光合反应器内表面面积，确定所述光合反应器的长度或确定所述光合反应器单元的数量。

上述方法中，由工厂中工业冷凝器作为所述供水装置，直接利用对设备进行冷却后得到的低温位的工业冷凝水作为热交换水；以及

将与微藻藻液进行热交换后的回收水回送至工业冷凝器，继续用于设备的冷却，得到所述冷凝水。

上述方法中，所述光合反应器单元的底板为中空的矩形金属管或由透明材料组成的中空结构，两端开设有底板连通孔；

所述光合反应器单元的侧壁的结构为由透光材料组成的中空结构，两端开设有侧壁连通孔。

上述方法，通过控制热交换水在底板和/或侧壁的中空结构中的流动速度，控制热交换的效率。

本发明实施例提供的维持微藻藻液温度的系统、方法及光合反应器，通过将光合反应器的各光合反应器单元底板设置为中空结构，两端开设有底板连通孔；相连接的两个光合反应器单元的底板通过底板连通孔连通；位于两端的光合反应器单元的外侧底板连通孔分别作为底板的入水口和出水口；和/或将光合反应器的各光合反应器单元侧壁设置为中空结构，两端开设有侧壁连通孔；相连接的两个光合反应器单元的位于同一侧的侧壁通过所述侧壁连通孔连通，位于两端的光合反应器单元的外侧侧壁连通孔分别作为侧壁的入水口和出水口。实现直接与微藻藻液进行热交换，提高了热交换的效率、减少了热量消耗，其对热源的要求低，利用工厂的低温位于热就能实现维持微藻藻液在适宜微藻生长的温度，大大降低了成本投入；而且既能够用于冬季对微藻藻液的加热也能用于夏季对微藻藻液的降温，其通用性强。

附图说明

图1为本发明实施例中维持微藻藻液温度的系统结构示意图；

图2为本发明实施例中板式光合反应器的结构示意图；

图3为本发明实施例中一个光合反应器单元的结构示意图；

图4为本发明实施例中中空结构的光合反应器的底板的结构示意图；

图5为本发明实施例中布置管道的光合反应器的底板的结构示意图；

图6为本发明实施例中图5所示的底板的分解图；

图7为本发明实施例中维持微藻藻液温度的方法流程图；

图8为本发明实施例中利用工业冷凝水维持微藻藻液温度的系统示意图。

具体实施方式

针对现有技术中，对微藻养殖室进行保温时存在的若干问题，本发明实施例提供一种维持微藻藻液温度的系统及光合反应器。通过对光合反应器上底板和/或侧壁的改进，采用直接与光合反应器中的微藻藻液进行热交换的方式，实现维持微藻藻液温度的目的。该系统如图1所示，包括：至少一个光合反应器1、供水装置2、供水管道3和排水管道4。如图1中所示的，由多个光合反应器1组成的光合反应器组，其中，光合反应器为板式光合反应器。

上述每个光合反应器1的各入水口与供水装置2通过供水管道3连接。每个光合反应器1的各出水口通过排水管道4与供水装置2连接。

光合反应器1的结构可以如图2所示，图中最上边给出了光合反应器1的一个立体视图；中间1a为板式光合反应器1的侧面视图，1b为板式反应器1的正面视图；最下边1c为板式光合反应器1另一个角度的立体视图。光合反应器1，包括：若干连通的光合反应器单元10。

其中，一个光合反应器单元10的结构可以如图3所示，该光合反应器单元1的底板101如图4所示。图中所示的101a为底板101的一个立体视图，101b为为底板101的侧面视图，101c为底板101的正面视图。

该光合反应器单元10的底板101为中空结构，两端开设有底板连通孔106；相连接的两个光合反应器单元10的底板101通过底板连通孔106连通；位于两端的光合反应器单元10的外侧底板连通孔106分别作为连通后的整个底板的入水口和出水口。即位于一端的光合反应器单元10的外侧底板连通孔106作为入水口，位于另一端的光合反应器单元10的外侧底板连通孔106作为出水口。多个光合反应器单元10的底板101连通后形成一个具有连通性的底板，作为底部热交换装置。

图1中仅给出了将底板101做成中空结构的情况，实际应用中，可以将底板101和两个侧壁102均设计成上述中空结构，或仅将两个侧壁102设计成上述中空结构。

当侧壁102设计为中空结构时，其两端开设有侧壁连通孔；相连接的两个光合反应器单元10的位于同一侧的侧壁102通过侧壁连通孔连通；位于两端的光合反应器单元10的外侧侧壁连通孔分别作为连通后的整个侧壁的入水口和出水口。即针对每一侧的侧壁，位于一端的光合反应器单元10的外侧侧壁连通孔作为入水口，位于另一端的光合反应器单元10的外侧侧壁连通孔作为出水口。也就是说多个光合反应器单元10的每一侧的侧壁102互相连通，形成两个具有连通性的侧壁，作为侧面热交换装置。

较佳的，相邻的两个光合反应器底板101之间采用粘合的方式实现密封，由底板连通孔来保证其流体连通性。同样的，相邻的两个光合反应器侧壁102之间采用粘合的方式实现密封，当侧壁102也采用中空结构时，由侧壁连通孔来保证其流体连通性。

中空结构的底板可以采用中空的矩形金属管，例如：采用200*40mm的矩形钢管等；也可以采用由透明材料组成的中空结构。而中空结构的侧壁一般要采用由透明材料组成的中空结构，例如，由玻璃板粘合而成的中空结构。以保证微藻生长对光照的需求。

较佳的，在底板的入水口处设置入水管(图3中所示的107)，即由入水管与上述作为入水口的底板连通孔106相连，共同构成底板的入水口，以方便与供水管道3连接的；在侧壁的入水口处也设置入水管，即由入水管与上述作为入水口的侧壁连通孔相连，共同构成侧壁的入水口，以方便与供水管道3连接的。

同样的，在底板的出水口处设置出水管，即由出水管与上述作为出水口的底板连通孔相连，共同构成底板的出水口，以方便与排水管道4连接的；在侧壁的出水口处也设置出水管，即由出水管与上述作为出水口的侧壁连通孔相连，共同构成侧壁的出水口，以方便与排水管道4连接的。

较佳的，如图5所示，在底板101的中空的矩形金属管或由透明材料组成的中空结构中，布置若干根圆形、椭圆形或其他截面形状的管道108。相邻光合反应器单元的底板101上对应位置的管道连通，每条连通的管道有各自的出水口和入水口。从而可以实现根据微藻藻液需要加热的程度或光合反应器中需要加热的微藻藻液的多少，选择通入热交换水的管道的数量。也就是说可以给部分或全部管道通入热交换水。图6为图5分解图，包含分解后的立体视图和端面视图。拆下底板101一端的挡板109后，可以清楚地看到内部所布置的管道108。

较佳的，侧壁102的由透明材料组成的中空结构中也可以布置若干根管道，为了保证光合反应器中的微藻光合作用所需的光照，所布置的管道不宜过多，且布置的管道采用透明材料最佳。

通过上述维持微藻藻液温度的系统实现维持微藻藻液温度的方法流程如图7所示，包括下列步骤：

步骤S1：供水装置通过光合反应器底板和/或侧壁的入水口向其输送热交换水。

也就是说根据光合反应器上底板和侧壁的结构，可以选择只通过底板进行热交换、只通过侧壁进行热交换或通过底板和侧壁进行热交换。因此需要选择相应的入水口输送用于热交换的热交换水。该热交换水与光合反应器所在的环境具有温差。

当选定光合反应器后，即待保温的光合反应器的大小确定时，可以根据光合反应器的长度、内表面面积、微藻藻液所需要维持的温度与环境温度的差值，确定热交换水与光合反应器所在的环境温度具有温差，即确定输入的热交换水的温度。

当输入的热交换水的温度确定时，例如：直接利用温度范围已知的热交换水时，也可以微藻藻液所需要维持的温度与环境温度的差值、光合反应器内表面面积，确定光合反应器的长度或确定连接的光合反应器单元的数量。

当然，在实际应用种可能还有许多其他的因素需要考虑，例如盛放的藻液的多少、热交换时的热量损失、热交换水的流动速度等，由于微藻生长对温度的要求不需要特别严格，因此设计计算时也可以忽略这些因素。

步骤S2：热交换水依次通过光合反应器的各光合反应器单元的中空底板和/或中空侧壁，并与微藻藻液发生热交换以维持微藻藻液的温度。

也就是说根据光合反应器上底板和侧壁的结构，通过底板进行热交换、只通过侧壁进行热交换、或通过底板和侧壁进行热交换以实现维持微藻藻液温度，使微藻藻液的温度保持在一个适于微藻生长的温度范围内。例如保持在15℃～25℃范围内。

热交换的效果与热交换水在上底板和/或侧壁的中空结构中的流动速度相关。也就是说可以通过控制热交换水在底板和/或侧壁的中空结构中的流动速度，控制热交换的效率。

步骤S3：发生热交换后的回收水从对应的出水口返回供水装置。

发生热交换后的回收水还可以继续循环利用。

例如：利用工厂中废弃的对设备进行冷却后得到的低温位的工业冷凝水作为热交换水时，在与微藻藻液进行热交换后，得到的回收水仍可回送至工业冷凝器，继续用于设备的冷却，得到冷凝水。

下面以采用工厂中的工业冷凝水实现维持微藻养殖藻液温度的一个具体实施例。

实施例一：

虽然高温位热源大部分已通过热量回收的方式进行了回收利用，但是很多工厂中还存在若干不方便回收利用的低温位热源。例如：化工厂、水泥厂、钢铁厂、发电厂等工厂中，一般均有大量的对设备进行冷却后得到的40℃左右的冷凝水，对这部分低温位余热由于回收难度大一般不进行回收利用。而直接拍放掉。因此，将其用于微藻养殖过程中，维持微藻藻液的温度，是一种很好的选择。可以达到利用较少热能维持微藻养殖温度的目的。

本发明实施例一提供的利用工业冷凝水维持微藻藻液温度的系统，就是利用40℃左右的工厂低温位废水，实现对微藻养殖的光合反应器中的微藻藻液的温度维持。其系统结构如图8所示。

图8所示的维持微藻藻液温度的系统中，由工厂中的工业冷凝器2作为供水装置，并通过供水管道3与各光合反应器2的入水口连接，向各光合反应器2输入工业冷凝水。工业冷凝水的温度在35℃～40℃，可以来自附近的化工厂、电厂等企业，15℃工业废水经过冷凝器后温度升高至35℃～40℃，将其直接送入光合反应器中的热交换装置(即中空结构的底板和/或侧壁)，对藻液进行加热。

在与各光合反应器中的微藻藻液进行热交换后，从各光合反应器的出水口流出，经排水管道4流回工厂中的工业冷凝器，继续用作对设备的冷却。即冷凝水用于对微藻藻液进行加热后，温度降低至15℃～25℃，经排水管道返回工厂中，再次进入冷凝器，循环使用。

这样，通过一定数量的微藻养殖光合反应器，就可以替代工厂中的冷却塔，实现对冷凝水的冷却，同时，充分利用冷凝水的的余热，对微藻藻液进行保温，提高了资源利用率，节约了能量消耗和成本投入，同时微藻还可以用于吸收工厂排放的CO₂，实现对工厂的CO₂减排，净化环境，减少环境污染。

本发明实施例提供的的上述维持微藻藻液温度的系统、方法及光合反应器，一般多用于在冬季对微藻藻液的增温，可以通过输入温度高于微藻藻液温度的热水对光合反应器中微藻藻液的加热。较佳的，输入的热水的温度在35～40℃之间。当然也可以用于在炎热的夏季对光合反应器中微藻藻液的降温。降温时，一般会通过供水装置想光合反应器输入15℃～25℃的冷水。

本发明实施例提供的的上述维持微藻藻液温度的系统、方法及光合反应器，通过将板式光合反应器的各光合反应器单元底板和/或侧壁设置为中空结构，使得热源可以直接与微藻藻液进行热交换，直接热交换的方式有效提高了热交换的效率、减少了热量消耗。

由于不需要再对整个微藻养殖的室内空间进行加热，故只需要较少的热量，例如只需要低温热源，就能够满足冬季微藻生长的温度需求，其对热源的要求大大降低。而且由于通常情况下气体的热导率约为液体的1/10左右，也就是说水的导热性能约是空气的10倍，因此直接应用热交换水实现热交换，可以加快热量交换的速度，进一步减少热量损耗。因此，利用工厂的低温位余热就能实现维持微藻藻液在适宜微藻生长的温度，大大降低了成本投入。例如：工厂中35℃～40℃冷凝水这种热量回收困难的低温位热源就可以直接利用了，从而也减少了资源的浪费。

由于板式光合反应器可以由若干个光合反应器单元组成，每个单元的底板和侧壁均可以设置为带连通孔的中空结构，多个单元可以很容易的实现连通组合，从而使得可以根据不同的热源温度，调整整个光合反应器的长度，以适应不同热源的状况，为广泛利用各种热源提供了便利；同时，也可以根据光合反应器选择热源，使用灵活性高。

而且上述系统及光合反应器既能够用于冬季对微藻藻液的加热也能用于夏季对微藻藻液的降温，其通用性强。由于热量具有向上传递的特性，因此，通过底板加热的效果更佳，而通过侧壁冷却会取得更佳的效果。

以5000m²北方玻璃温室为例，如果采用工厂高温热源供热，冬季保证25℃的微藻生长环境，共需热耗860KW。以86℃精馏泠凝液，回水温差20℃为例，热水量约43t/h。且需采购散热器、暖风机、换热器等设备，总投资在40万元左右。如果采用本申请的光合反应器直接对微藻藻液进行升温的方式，5000m²的玻璃大棚共可以摆放长度为45m的反应器90组。采用35℃-40℃的冷凝水通过光合反应器的底部热交换装置(中空底板)给藻液加热共需热耗25KW左右(不同反应器中藻液体积不同，所需加热量可能也略有差别)，此时以回水温差15℃为例，所需的冷凝水量约5t/h。而经过考察，以一个年产60万吨甲醇的工厂为例，其冷凝水量49000m³/h。如果忽略冷凝水输送过程中的降温，理论上可保证9800个5000m²的温室大棚使用。可见采用直接加热，和对温室室内空间加热其能量消耗具有很大的差异，直接加热减少能量消耗的效果非常明显。因此，工厂的低温余完全可以满足对工厂中的CO₂减排的微藻养殖需求，实现了废热利用，获得了较高的经济效益。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化、替换或应用到其他类似的装置，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。