用于光合反应器的反应罩和相关的光合反应器

摘要

本发明涉及一种用于光合反应器（2）的反应罩（1），所述反应罩（1）一方面被设计成在水体上漂浮，另一方面在所述罩（1）的第一开口（11）和第二开口（12）之间限定用于气体/液体培养介质的双相流路。所述罩（1）分别包括外覆层（3）和内覆层（4），这两个覆层至少部分由对于可见光透明的材料制成，所述内覆层（4）在所述外覆层（3）的内侧延伸，使得这两个覆层在它们之间限定与所述罩的第一开口流体连接的中间覆层空间（10）。所述外覆层具有开放的近端（30）和闭合的远端（31），并且所述内覆层具有与所述罩的第二开口流体连接的开放的近端（40）和设有至少一个连通孔口（42）的远端（41），其中，所述连通孔口位于所述外覆层的内侧和所述中间覆层空间之间。本发明可以用在特别是藻类的光合微生物培养的领域中。

说明书

本发明涉及一种适用于特别是藻类的光合微生物的培养的光合反应 器的反应罩、一种用于制造所述反应罩的方法、一种相关的光合反应器 以及使用所述反应器培养光合微生物的方法。

更特别地，本发明涉及一种反应罩，其首先设计成在水体上漂浮， 其次在所述反应罩的第一和第二开口之间限定气体/液体培养介质双向流 动路径。

本发明涉及任何光合微生物（即能够在阳光和例如二氧化碳的富含 碳的气体的环境中在适当的营养培养介质中生长和进行光合作用的任何 生命形式）的培养，微藻是这种生命形式的主要代表。

光合微生物的比较表现水平的分析造成给予微藻培养的优先权，在 我们星球上，微藻是最古老的光合作用参与者。不同于直立植物，它们 不具有构造成很长以接近水和光的任何复杂构件。它们不需要通过难以 降解的代谢物（纤维素、木质素）来强化其根茎。结果是转移的微藻培 养效率增加，因为与开口田地内的最佳植物的10吨比较，表面生产率可 以达到100吨（干重）每公顷每年。所有生物量均可以投入使用，而主 要培养物的收获通常只涉及谷物（特别除了至少留下根系的甘蔗和喂养 动物植物）。

在本发明所涉及的光合微生物中，更特别是包括例如微藻、藓原丝、 小的宏观藻类和多细胞植物离体细胞的水生植物。这些水生植物特别是 在医药、人类和动物营养、真皮美容、能源和环境领域中具有令人感兴 趣的表现。

关于大多数光合微生物，这种来源的入口基本上包括在适当反应器 内进行辅助培养。由于光线是其主要基础，培养介质应该具有接收光通 量的光学界面。培养光合微生物的难点在于它们本身形成作为其主要基 础的光线透过的障碍。培养物的生长将因此在光线不再透过培养物厚度 时得到稳定。这种现象称为自遮荫。

“光路长度”允许不同圈养模式的特征，并且如下限定：

-从其通过透明光学界面进入培养物直到相对的不透明壁的光路长 度；或者

-在圈养物经由两个相对设置的透明光学界面接收光线时，为两个透 明光学界面分开的距离的一半。

这种光路长度在几厘米和几分米之间变化，并且大多确定了最后生 长阶段的每单位时间和每单位光学表面的（单位为g/m²/j的表面生产率） 以及培养物的浓度（单位为g/L）的生物量的生产。用来确保小水生植物 的培养的不同的圈养模式可因此根据这种特征长度来分类。

光合反应同样伴随着二氧化碳（CO2）的消耗以及氧（O2）的产生。 过多的氧妨碍这种反应，而二氧化碳的缺失由于缺乏待转换的基础而使 反应中断。气体/液体的界面因此应该设置用于在这些气体和液体相之间 进行质量转移。为了促进这种交换并避免不均匀性，培养物应该作为用 来在所述光学界面处以及在此气体/液体界面处更新生物体的混合物的根 源。

光合反应器的第一已知的实施例包括盆或罐类型的开口容器，其中 培养物在重力作用下得以保持，并且具有单独形成光学界面和液体/气体 界面的自由表面。培养物在盆内通过例如浆轮类型的一个或多个机械搅 动装置混合。由此形成的盆培养物可覆盖相当大的表面面积，并且此实 施例是大多数当今世界微藻生产的基础，其可以达到数千吨的干重。通 过这种类型的反应器产生的光合生物体主要是：

-所谓的极端藻类，其介质是掠食者和竞争者的天敌，例如螺旋藻或 杜氏盐藻类；或者

-所谓的优势藻类，它比其他类型更能够经受机械应力或污染物，例 如小球藻、栅藻、骨条藻、长耳齿状藻或者微绿球类藻。

光合反应器的第二已知实施例也包括储槽或罐类型的开口容器，但 是其尺寸小于第一已知实施例的盆的尺寸。这些容器通常具有相对于阳 光透明的侧壁，使得光学界面通过液体介质和透明侧壁两者形成。

在此第二实施例中，传统上借助于将空气注射到储槽下部，这造成 在液体中上升直到自由表面的气泡的形成。由此形成的气泡的表面形成 气体/液体界面。当上升到该表面时，气泡向上携带培养物，由此产生可 以延伸到整个容积的对流运动。二氧化碳（CO₂）有时被添加到注射空气 中，从而提供根据百分之几的预定摩尔分数的额外的碳。

由于小于第一实施例的盆的容积，第二已知实施例的储槽适用于更 加受控的培养物，特别是用来在水产养殖中为鱼苗喂养软体动物的幼虫 或活猎物的微藻的培养物。频繁清洁这些储槽以及单纯和批量接种使得 储槽内的污染得以限制。由于物种多达几十种，由此培养的微藻具有相 对接近的温度和光线需求，使其可以在公共位置中培养。

具有开口容器形式的这两种实施例提供了从一到几分米的光路长 度。

光合反应器的第三已知的实施例包括称作光生物反应器的封闭的反 应器，其包括封闭回路，液体培养介质在其中循环，所述封闭回路包括 设有由对于光线（或者光）透明的材料制成的反应区段的反应管和确保 反应管的两个相对端之间连接的返回管。

光生物反应器，特别是在文献GB2118572A、ES2193860A1、 GB2331762A、ES2150389A1、FR2685344A1和FR2875511A3中描述的 光生物反应器提供了显著短的光路长度，与开口容器的实施例相比，其 尺寸为一到几分米量级，它们使得光合生物体的浓度达到不受空气污染 物影响的几个g/L。光生物反应器的反应管通常包括玻璃或塑料的透明板 或管，其厚度或直径在1厘米的等级，并经由弯管端对端连接，以一起 形成螺旋形状的通道。

返回管包括其中液体介质向上运动的竖向的所谓的上升管，以及其 中液体介质在重力的作用下向下运动的下降管。

通常在光生物反应器内使用的气体注射系统包括气体提升器，即在 返回管的竖向上升管的底部处的气体注射器；所述气体注射器用于循环 或运动液体反应介质，并且用来实现气体-液体交换。气体提升器在其上 部包括具有较大容积的集中箱，其中较低的循环速度允许气体-液体分离， 并且返回管的竖向下降管通向集中箱的底部，以为反应管供应液体。

所述的光生物反应器采用了反应只出现在液体相的原理，换言之,这 些光生物反应器寻求减小注射到反应器的气体的体积，从而不减小液体 培养介质的容积，相应地用于避免减小产量。因此，在这些光生物反应 器中，氧的提取通过如上限定的竖向上升管实现；形成气泡柱的所述竖 向上升管通向接收液体培养介质的集中箱，并且包括在其下部处的气体 注射器，所述气体特别是富含CO₂的空气。如上所述，气体循环和转移 的两种功能都在这种称为气体提升器的单一设备中合并，气体提升器通 过在液体质量和注射所造成的气泡之间交换动量来产生竖向向上的循 环。液体中过饱合的光合氧通过空气吹除而进入气相，而CO₂进入溶液。 这些脱气和碳化功能是不可缺少的，并且在此单一设备中同时和不可分 割地出现，在该设备中，培养物必须高频经过，以避免溶解氧含量的有 害增加。

气体提升器具有产生气泡的缺点，气泡在光生物反应器的返回管的 竖向上升管中上升。申请人已经有效地观察到这些气泡对于光生物反应 器中微生物的培养具有有害作用：

-首先，气泡在微藻上施加机械应力，并且会损害脆弱的微生物；以 及

-其次，气泡通过表面活性作用截获具有表面活性性能的分子，特别 是有机分子、细胞碎片和活细胞的分泌物。在没有气泡的情况下通常分 布在介质内的这些物质因此在气泡破裂时以聚集物的形式聚集在集中箱 的自由表面上。由于这些有机分子的强烈稀释作用而不能生长的细菌和 真菌会找到有利于其生长的集中培养基。

本发明的目的之一在于避免或至少限制气泡的形成，使得：

例如控制细菌和真菌生长，从而保持与微生物培养中传统采用的健 康标准相符；以及

限制液体培养介质内的机械应力，并由此使得某些脆弱微生物得以 培养直到其从所述反应器培养物中排除。

在气体提升器的一个替代实施例中，光生物反应器中循环的液体培 养介质的脱氧通过造成液体介质在重力作用下落入具有恒定液位的容器 而得到。液体培养介质这里通过特别是离心泵类型的泵送装置设置成循 环，泵送装置布置在反应管内，其设计成不仅补偿管内的压力损失，而 且相应地升高培养液位。

尽管产生了较少的气泡，具有离心泵的这种设备也会如同气体提升 器那样在机械上损害微生物。为了克服水头损失，在每次经过泵送装置 上方时，产生机械应力，机械应力会干扰微生物的生长，并造成培养物 损失。因此生产水平下降，有时这是不允许的。

例如，已经确认的是不能在包括造成培养物循环的离心泵的光生物 反应器内培养一些所谓的脆弱微藻。这些脆弱微藻似乎对机械应力更加 敏感，它们形成链和/或具有例如鬃毛、鞭毛、骨针的附属物。某些雨生 红球藻型藻的微藻例如失去鞭毛和包囊，由此形成厚的韧性细胞壁。另 一方面，例如小球藻或微绿球藻类的藻的微藻不具有附属物，但是具有 厚的细胞壁，从而在经过泵送装置，特别是离心式泵时具有抵抗能力。

但是，难以识别影响微生物存活和生长的机械应力的类型。大多数 作者同意剪切和加速具有最为不利的影响。剪切产生张力，这会通过撕 裂微生物的壁和溢出细胞液来损害细胞完整性。加速通过增加重力场来 损害细胞的结构。

活细胞不能对这些力作好准备，并且或许更有甚者，生活在静力平 衡的水生细胞还没有生长任何能够克服重力场的结构。另外，水生细胞 对阈值敏感，并还可能对暴露变化和暴露时间敏感。在当前知识水平下， 难以预测液态动力状态对细胞施加的机械效果。

本发明的目的之一在于减小施加到微生物的机械作用，特别是剪切 和加速类型的作用，从而增加反应器内能够培养的对这些损害性机械作 用最为敏感的物种的数量，换言之提供可以培养例如如上所述的脆弱微 藻的脆弱微生物的反应器。

另外，申请人观察到由于气泡的形成，装备有气体提升器或离心泵 的光生物反应器的培养物产量受到特别的限制。申请人认为培养物产量 部分取决于气体-液体转移过程中所涉及的现象，从而避免并减小这种大 量花费项目。对用于反应的二氧化碳和所产生的氧的气体-液体转移建立 模型需要确定转移速度，转移速度是表面转移系数的函数。

表面转移系数是表达气体/液体交换系统在稳定状态下的表现水平的 关键参数。此表面转移系数等于物质朝液体的容积转移系数“KL”（m.s^-1） 和相对于容积“a”（m^-1）的界面表面面积的乘积，其中：

a=（α_G.S）/V

a:相对于容积的的界面表面面积（m^-1）;

α_G:相保持系数;

S:接触表面（m²）;以及

V:反应器的容积（m³）。

表面转移系数因此取决于气体/液体交换系统的几何形状，而且还取 决于液体和气体的理化性能。关于竖向气泡柱内的气体/液体交换，交换 表面取决于气泡的数量及其大小。通过在液体中注射气体产生的气泡的 数量取决于注射流速、注射器的几何形状以及注射器两侧的压差。

本发明的一个特别目的在于提供一种光合反应器，所述光合反应器 允许光合微生物得以大量培养，并且延伸到最为脆弱的物种，该反应器 可以解决以下问题：

-减小、甚至避免一般与搅动和培养介质的循环设置有关的机械应力， 这种机械应力减小例如微藻并且特别是具有附属物的链形式的微藻的光 合微生物存活和生长表现水平；

-减小和甚至避免小尺寸气泡的产生，这些小尺寸气泡会促进有机分 子聚集以及对其用作基础的异养微生物的生长；

-同时获得将阳光输送到光合微生物的光子转移、对于提供碳并移除 氧所必须的气体/液体转移的质量转移、以及用于移除光线带来的卡路里 的热量转移，从而将培养物保持在正确温度；以及

-同时保持机械条件，以通过避免与周围自然环境进行交换来维持细 胞的完整性，这种交换会造成污染和溶解。

对于以上描述的三个实施例，对于藻类生产的开发的最大限制在于 它们用于地球的露出地表，这些地表表面优先用于城市化和作为食品的 农作物，并且随着人类人口统计增加而越发稀少。地表表面的缺乏严重 限制了使用这些地表来进行微藻培养的开发，特别是需要占据大量表面 面积以起到重要作用的能源的微藻。

为了解决这些问题，已经设想到在沙漠区域进行藻类培养物的生产， 但是这种观点受到水短缺的制约，水产生反应液体介质，并通过蒸发用 于其冷却。

例如横跨陆地的天然和人工湖的其它水体、特别是海洋覆盖了地球 的最大表面，并且由于其光线暴露而只少量投入使用。这些大片的水或 水表面是用于大量种植生产的天然场所，其形成世界渔业所部分利用的 水产营养链的第一级。最重要的是在地球上现在估计每年有大约1011吨 的主要海产品。这些种植物一旦生产，便被草食动物消耗，这意味着它 们难以看到、零星、稀疏、难以从周围的那团水分开，并且从不是纯洁 的。这就解释了为什么这一丰富的资源并没有被人类直接投入使用。

本发明的目的之一在于提供一种用于适于培养光合微生物的光合反 应器的反应罩，其可以部署在水体上或湖和海面上。为此，本发明建议 除了作为水源之外，使用这些水体接收阳光，以确保光生物反应器的两 种主要功能，即水平浮力和热稳定性。

从现有技术中已知部署在水体上的多种光合反应器，来解决利用水 的问题。

例如，从专利申请FR2621323得知，提供一种光生物反应器，其包 括平行管的第一组件形式的反应罩，平行管采用例如聚乙烯的柔性塑料 材料，在其两端处分别通过上游和下游的两个收集器连接在一起。管的 第一组件确保限定液体培养介质。光生物反应器还包括放置在管的第一 组件下面的管的第二组件，其中此第二组件的管用来通过压缩空气膨胀， 以形成漂浮的气动支承。所述光生物反应器具有多种缺陷，其中主要缺 陷在于反应罩复杂且成本高，其具有一系列管和上游和下游的收集器， 特别是由于这些收集器的存在所需要的使得反应罩具有繁琐和复杂的结 构，以确保反应罩在水体上漂浮。

文献FR 2361060和FR 2324224分别描述光合反应器，其包括一系 列透明管形式的反应罩，管连接在一起以为液体培养介质限定具有螺旋 形状的连续流路。这些管容纳在框架内，以形成包括漂浮壳体的漂浮结 构。所述反应器具有多种缺陷，主要缺陷在于：反应罩复杂和成本，其 具有在其端部处连接在一起的一系列管，这些管需要用来确保组件漂浮 的复杂结构。

文献WO 2009/051479A2描述一种光生物反应器，其包括一系列透 明管形式的反应器罩，管通过联接部件连接在一起，以为液体培养介质 限定螺旋形状的连续流路。为了确保这些管漂浮，光生物反应器包括附 接到管的浮体。所述光生物反应器具有多种缺陷，主要缺陷在于：复反 应罩杂和成本高，其具有在其端部处通过联接部件连接在一起的一系列 管，这些管需要增加浮体来确保组件漂浮。

文献WO 2008/134010A2描述一种光生物反应器，其设有柔性透明 材料的管形式的反应罩，由此限定液体和气体容积，并且设有布置在管 的侧部上以确保组件漂浮的浮体。限定容积的布置通过加强件和间隔件 来获得，并且双相气体/液体循环只在一个方向上进行。在此光生物反应 器中，管必须经由其两个端部连接到其他安装件，以确保运动中的设置 以及反应液体回路的封闭。

文献WO 2009/090549A2描述一种光生物反应器，其设有柔性透明 材料的管状隔室形式的反应罩。在此光生物反应器中，气体（CO₂）到液 体培养介质的供应可以通过特别是将气泡注射到反应隔室的下部经由气 体在液体介质的大表面区域上被动扩散来实现，这具有与气泡产生相关 的所述所有缺陷。

在上述文献FR2621323、FR2361060、FR2324224、WO 2009/051479 A2、WO 2008/134010A2和WO 2009/090549A2中描述的反应器具有另 外的共同缺陷：反应罩内侧和外侧的清洁特别复杂，并且需要至少部分 拆卸罩，需要记住的是污物和生物膜在反应罩的内壁或外壁上形成不利 于反应罩的透明性能，由此不利于光合生物体的生产产量。

为了解决以上描述的所有或部分的这些缺陷和问题，本发明为此提 供一种适于培养特别是藻类的光合微生物的光合反应器的反应罩，所述 反应罩首先被设计成在水体上漂浮，并其次在所述反应罩的第一和第二 开口之间限定用于气体/液体培养介质的双相流路，所述反应罩的特征在 于它包括至少部分由对于光线透明的材料制成的分别为外覆层和内覆层 的两个覆层，内覆层在外覆层的内侧延伸，使得所述覆层在其之间限定 与反应罩的第一开口流体连接的中间覆层空间，其中外覆层具有开放的 近端和闭合的远端，并且内覆层具有与反应罩的第二开口流体连接的一 个开放的近端以及设有位于内覆层的内侧和中间覆层空间之间的至少一 个连通孔口的远端。

通过这种罩，经由内覆层的远端处的连通孔口在中间覆层空间并在 内覆层内侧在第一开口和第二开口之间形成双相流路。

因此，这种罩使得特别是微藻的光合微生物在受控条件下通过单克 隆培养物生产，并且其可以部署在宽阔水表面上（湖或海）。这种罩因此 有助于稳定这些具有最大表面面积并且在这个星球上是最为稳定的水 体，以用于光合微生物的生产。

这种罩旨在利用水体的多种内在特征，即：

-与水的高热容量相关的热惯性，通过外覆层与培养介质交换，使得 温度保持在接近光合微生物培养最佳的程度；

-具有比水小的密度的主体的漂浮能力，从而可以沿着水体的自然水 平在表面上流体静力学地保持培养容积，由此避免重力流动以及不希望 的气泡形成；以及

-水体在它们不接收任何泥沙的情况下的透明性能。

水体还可用作培养的本地水源，但是希望的是进行水处理，以移除 不希望的微生物和例如过多矿物质的某些物质。

本发明的罩可用于任何光合生物体——即在阳光和碳（特别是以二 氧化碳的形式）的存在下，在适当、营养的培养介质中能够通过光合作 用生长的任何生命形式的培养。

这种适用于水体的反应罩可以允许实现一些功能：

-通过防止物质与容易产生污染和传播的周围介质交换来确保培养物 长时间受限制，并且提供特别是针对水流、风和表面晃动造成的机械应 力的抵抗能力；

-确保光子传输，以将阳光导入到培养中的微生物；

-确保对于提供碳和排出反应氧来说很重要的液体/气体质量转移；

-确保热量转移，以排出光线带来的热能，并将培养物保持在合适温 度；

-通过这种罩中所使用的装置的中等花费，使其降低所产生的生物量 的成本价格。

根据本发明的罩可以得到这些结果，并且为此通过两个覆层提供特 定的限定，这两个覆层之间限定用于液体和气体反应介质的连续流路， 这可以朝着大表面面积向上放大；光合微生物生产系统的种植生产根据 已知为表面生产率的因子与此表面面积成比例，表面生产率的数值为几 十克干物质每平方米每天。

有利地，分别为外覆层和内覆层的两个覆层中的至少一个覆层由柔 性材料制成，使得所述覆层可以折叠、膨胀、横向变形和/或弯曲。优选 地，这两个覆层由所述柔性材料制成。

柔性材料指的是使其变形、折叠、卷曲和弯曲而不损坏或破裂的材 料，例如柔性或韧性材料。所述材料特别适用于根据本发明的罩，因为 它可以：

-将罩作为整体折叠或卷曲使其可以通过膨胀在部署在水体上之前以 折叠或卷曲的方式存放，所述膨胀在气体和/或液体被设置为返回循环之 前通过填充气体和/或液体来实现；

-在外覆层内侧变形和弯曲内覆层，使得内覆层的外壁摩擦地贴靠外 覆层的内壁，由此清洁外覆层的内壁和内覆层的外壁；

-变形和弯曲外覆层，使得外覆层的内壁摩擦地贴靠内覆层的外壁， 由此清洁内覆层的外壁和外覆层的内壁，使得该外覆层摩擦地贴靠附近 或相邻反应罩的外覆层，由此清洁这两个外覆层的外壁；

-通过使用相对经济的柔性材料，减小这些罩的制造成本。

在一个特定实施例中，罩还包括：

-外部连接部件，外覆层的近端气密地安装其上，并且反应罩的第一 开口在外部连接部件上设置成与中间覆层空间流体连接；以及

-内部连接部件，内覆层的近端气密地安装其上，并且反应罩的第二 开口在内部连接部件上安装成与内覆层的近端流体连接。

例如支承板形式的这些连接部件特别有利于获得两个覆层与确保罩 在反应罩的第一和第二开口之间的流体连接的返回管之间的气密或密封 的连接。另外，这些连接部件使得通过覆层，特别是外覆层传递的纵向 张力传递，将这些力传递到承载有返回管的登船部，其中设置有用于循 环液体介质的装置。

根据一种特征，内覆层的近端转动地安装在内部连接部件上，使得 内覆层在外覆层内自由转动和振荡，由此促进壁的清洁。

根据另一特征，内部连接部件安装在外部连接部件内侧，由此限定 连接部件所占据的空间，其中覆层的近端基本上位于与由两个部件限定 的平面相同的平面内。

有利地，外部连接部件包括用于与驱动所述外部连接部件转动的装 置联接以驱动外覆层转动的联接装置。外覆层的这种驱动转动特别有利 于外覆层的外壁清洁。

优选地，内部连接部件在外部连接部件中自由转动，使得外覆层的 转动通过两个覆层之间的摩擦确保内覆层的转动。外覆层的转动因此联 通到内覆层，促进覆层的运动及其壁的清洁。

在一个特定实施例中，比外覆层短的内覆层延及外覆层的长度的至 少90％且优选延及外覆层的整个长度，但是内覆层直径较外覆层小，以 优化气体/液体双相流动长度以及因此两相之间的交换。

根据本发明的一种可能性，设置在内覆层的远端上的连通孔口具有 汇聚区域，以在气体/液体培养介质双相流中获得压力损失，并因此设置 确保内覆层在其整个长度上膨胀的过压。

这种汇聚区域例如是内覆层在其开放远端处的直径减小的形式。

根据本发明的另一种可能性，罩还包括柔性材料的第三覆层，所述 第三覆层在内覆层内侧延伸，使得气体在分别为外覆层和内覆层的两个 覆层的远端处注射或抽取。

如果气体注射到第三覆层内，气体经由中间覆层空间返回，而如果 气体从此第三覆层抽吸，气体经由内覆层和/或中间覆层空间向外流动。 此后述的构造特别适用于晃动水体，其中表面波趋于使得注射气体朝着 分别为外覆层和内覆层的两个覆层的远端移动。

在一种特定的实施例中，罩还包括：

-可移除的夹紧或绷紧装置，其被设计成在位于两个覆层的相应近端 和远端之间的中间区域上夹紧或绷紧两个覆层；

-位于内覆层的内侧和中间覆层空间之间的至少一个中间连通孔口， 所述中间连通孔口在内覆层近端和所述中间夹紧或绷紧区域之间设置在 内覆层上；以及

用于闭合所述中间连通孔口的装置，特别是阀的形式，所述闭合装 置能够在打开位置和闭合位置之间运动。

在这种特定实施例中，可以只使用对应于覆层的近端和中间夹紧或 绷紧区域之间的罩的部分的反应子容积，从而能够接种并且在通过移除 夹紧或绷紧装置并闭合用于闭合中间连通孔口的装置而在培养物中布置 整个容积之前，将此子容积置于培养物中。

在一种有利的构造中，内覆层的通道的截面基本上与中间覆层空间 的通道的截面相同。

采用这种构造，液体在内覆层内的循环速度可以基本上等同于中间 覆层空间中的循环速度，具有避免形成倾析区域和其他加速区域的优点， 否则会沿着路径造成不希望的不均匀性。

有利地，罩还包括部分覆盖外覆层并由不透明或具有强光吸收表现 材料制成的纵向阴影带，阴影带特别地被添加并临时定位在外覆层上或 固定到外覆层上。

所述阴影带的使用特别有利于确保某些培养物对于发光度的临时保 护，这些培养物只要其浓度不足以通过自遮荫来保护，必须不暴露于全 光。

本发明还涉及一种适用于特别是藻类的光合微生物的培养的光合反 应器，其包括：

根据本发明的至少一个反应罩；

确保所述反应罩的第一和第二开口之间的流体连接的至少一个返回 管；

至少一个用于循环的装置，其设置在所述返回管中，并被设计成使 得返回管和反应罩内的液体培养介质循环；

至少一个液体注射装置，其设置在所述返回管内，并设计成使得液 体注射到反应罩内；

至少一个气体注射装置，其设置在所述返回管内，并设计成使得气 体注射到反应罩内；以及

至少一个气体逃逸装置，其设置在所述返回管内，并设计成使得被 注射的气体从反应罩逃逸。

这种反应器明显包括具有与所有这些罩公共的循环装置的多个反应 罩。

通过根据本发明的反应器，液体培养介质和气体同时彼此接触地沿 着双相流路循环，该双相流路基本上水平，因为限定此流路的反应罩以 及覆层在主要是水平（在由风、波浪、表面运动等造成的变化范围内） 的水表面上漂浮，并且沿着其公共路径交换一些组分。液体培养介质和 气体之间的交换与覆层的长度成比例，从而可以设想到可以大范围地扩 展。

根据本发明的反应器和反应罩因此特别设计成增加气体/液体转移的 效率，并减小培养微生物上所受到的机械应力，以将生产延及脆弱物种。

另外，根据本发明的反应器和反应罩可以限制小直径气泡的形成， 并由此减小耗氧的异养微生物的生长。在本发明的反应罩内，气体/液体 转移不再出现在竖向气泡柱内，而是沿着大致水平的流路，其中流动跟 随水平双相式的形式，特别是分层流动类型，或者段塞流或细长的气泡 流动。

与以上描述的反应只出现在液体相的原理不同，申请人开始从气体 是反应的主要部分并且必须允许与液体相同的方式进入反应容积的原理 出发。通过优先考虑水平双相式流动形式（分层、段塞流或细长气泡）， 气体和液体之间的交换表面延伸到反应罩的整个路径，其中气泡明显比 某些现有技术反应器的情况要少，由此减小了已经观察到的这些气泡的 不利影响。

另外，在本发明的反应器中，液体培养介质的循环通过产生减小的 剪切和离心力的一个或多个循环装置来确保。循环功能与气体-液体交换 功能分离，这不同于气体提升器反应器的情况。

本发明还涉及一种用于使用根据本发明的反应器进行特别是藻类的 光合微生物培养的方法，该方法包括如下步骤：

使用液体注射装置，以受控的流速，将液体培养介质注射到反应罩 内；

使用气体注射装置，以受控的流速，将气体注射到反应罩内；

使用循环装置，使得液体培养介质循环；

控制循环装置和气体注射装置，以在反应罩内设置气体/液体培养介 质的双相流动，该双相流动是分层流动或者段塞流或者细长气泡流动。

根据一种特征，控制步骤包括将液体在反应罩内的循环速度控制在 0.1-1.0m/s之间，优选在0.1-0.5m/s之间。

根据一种特征，控制步骤包括控制液体在反应罩内的循环速度，使 得内覆层内的循环速度基本上等同于中间覆层空间内的循环速度；这些 循环速度均可以在大约0.1-1.0m/s之间，并且优选在0.1-0.5m/s之间。

这些特征有利于避免产生倾析区域和其它加速区域，这些区域会沿 着路径产生不希望的不均匀性。这种控制优选地通过使得内覆层的通道 的截面基本上与中间覆层空间的通道截面相同的构造来获得。

根据另一特征，循环装置包括由电机驱动转动的叶轮，并且叶轮的 转动速度小于大约1000转每分钟，优选地小于100转每分钟。

根据一种特征，液体培养介质和气体注射到反应罩用来使得反应罩 膨胀并部署在水体表面上。

本发明还涉及一种制造根据本发明的反应罩的方法，该方法包括如 下步骤：

制造内覆层，特别是通过挤出塑料材料并对挤出的塑料吹塑成形；

特别是通过压延制造塑料材料的外片材；

用外片材缠绕内覆层，直到两个相对的边缘结合；以及

沿着在缠绕阶段结合的两个相对边缘焊接外片材，以形成围绕内覆 层的外覆层。

这些步骤可以通过因此形成的内和外覆层的卷曲或折叠步骤来完 成。

根据本发明的制造方法特别经济，而且快速。

本发明的其它特征和优点将在阅读参考附图给出的下面给出的非限 定实施例的多个实例的详细描述中得以明白，附图中：

图1是根据本发明的罩的剖视示意图；

图2a是根据本发明的罩的后视示意图，绘示与罩的覆层公共的连接 部件；

图2b为沿着图2a中的罩的轴线II-II的纵向局部剖视图，绘示了覆 层的近侧端；

图3a和3b是根据本发明的两个罩的纵向剖视示意图，绘示了设置在 内覆层的远端处的连通孔口的实施例的两个变型；

图4是给出根据本发明的反应器的头顶轮廓视图的示意图，反应器 包括只在一侧固定在漂浮登船部上的多个罩；

图5是根据本发明的另一反应器的示意头顶视图，反应器分别包括 在两侧固定在登船部上的多个罩和梁/转环系统；

图6a是根据本发明的反应器的局部示意轮廓图，反应器包括根据第 一实施例循环液体介质的返回管集成装置；

图6b是沿着图6a所示的反应器的右侧部分的轴线VI-VI的剖视图；

图7a是根据本发明的反应器的局部示意轮廓图，反应器包括根据第 二实施例循环液体介质的返回管集成装置；

图7b是沿着图7a所示的反应器的右侧部分的轴线VII-VII的剖视图；

图7c是沿着图7a所示的反应器的左侧部分的轴线VII-VII的剖视图；

图7d是图7a所示的反应器的头顶视图；

图8a是根据本发明的反应器的局部示意轮廓图，反应器包括根据第 三实施例循环液体介质的返回管集成装置；

图8b是图8a所示的反应器的后视图；

图9a是根据本发明的反应器的局部示意轮廓图，反应器包括根据第 四实施例循环液体介质的返回管集成装置；

图9b是图9a所示的反应器的后视图；

图10a和10b是根据本发明的罩的示意纵向剖视图，分别绘示罩的夹 紧步骤，以只将反应罩的子容积放置在培养物中，以及移除夹紧装置以 将罩的整个容积放置在培养物中的步骤；

图11a和11b是根据本发明的反应器的示意轮廓图，反应器包括在一 侧固定在漂浮登船部的罩，视图分别绘示使得罩在返回管上放置就位的 步骤，以及通过膨胀或填充在水体上方部署罩的步骤；

图12a是根据本发明的两个反应器经由链接线连接在一起的示意剖 视图；

图12b是图12a所示的两个反应器的示意局部头顶视图；

图13a是反应器的示意局部头顶视图，反应器包括连接到对于所有罩 公共的返回管集成循环装置的多个反应罩；

图13b是沿着图13a所示的反应器的轴线XIII-XIII的纵向剖视图；

图14是绘示用于制造根据本发明的罩的示意图；

图15是根据本发明的反应器的示意立体图，反应器包括固定到离岸 平台的罩。

参考图1-3给出用于光合反应器2或光生物反应器的根据本发明的反 应罩1的描述；该罩1适用于特别是藻类的光合微生物的培养，特别是 对于机械应力来说脆弱的光合微生物的培养。

罩1首先设计成在水体上漂浮，其次设计成在罩1的第一开口11和 第二开口12之间限定用于气体/液体培养介质的双相流路。为此，罩1包 括：

外覆层3，至少部分由对于光线透明的柔性材料制成，其中外覆层3 在长度方向上特别具有大致管状形状，并且具有开放的近端30和闭合的 远端31（换言之以封闭端结束）；

内覆层4，至少部分由对于光线透明的柔性材料制成，其中内覆层4 在长度方向上具有大致管状形状，并且在外覆层3的内侧延伸，使得这 两个覆层3、4在其之间限定中间覆层空间10，并且具有开放的近端40 和位于内覆层4的内侧和中间覆层空间10之间的设有至少一个连通孔口 42的远端41；

外部连接部件50，其上气密地安装外覆层3的近端30，其上设置有 罩1的第一开口11，第一开口与中间覆层空间10流体连接；以及

内部连接部件51，其上安装内覆层4的近端40，其上设置罩1的第 二开口12，第二开口与内覆层4的近端40流体连接。

外覆层3具有几十米的长度，以及例如5至50厘米的分米级别的所 谓外径De。

内覆层4具有：

大致等同于外覆层3的长度的长度，例如大约大于外覆层3的90% 的长度，并且优选为等于外覆层的长度，但直径较小；以及

基本上小于外覆层3的直径的所谓内直径Di。

内覆层4因此在外覆层3内在其大致整个长度之上自由部署。

申请人已经观察到优选的是内覆层4和中间覆层空间10内的循环速 度应该尽可能彼此接近，甚至相同，以避免某些倾析区域和其它加速区 域的形成，这些区域沿着路径形成不希望的不均匀性。

为此，需要的是并且足够的是内覆层4和中间覆层空间10的通道截 面是相同的，下面可以相对于管状覆层3、4描述为：

Π（De²–Di²）/4=ΠDi²/4，并因此获得以下的关系R1：De=2^1/2Di

方便地，内覆层4和中间覆层空间10内的循环速度在0.1-0.5m/s之 间。

两个覆层3、4由柔性材料制成，换言之该材料适用于使得覆层3、4 折叠、膨胀、横向变形和/或弯曲。

考虑到覆层3、4的抵抗能力，外覆层3的薄膜必须能够经得起水体 质量运动造成的牵引力，空气造成的牵引力可以忽略。这种力基本上等 同于对于相同的相对速度的相同长度的船只在湿润表面区域上的牵拉 力。计算覆层3、4所受到并通过连接部件50，51传递到固定支承（下 面描述的码头或岸边的漂浮登船部E）的牵引力的这种方法被低估，因为 它没有考虑到振荡。因此考虑到必须提供外覆层3传递这些力的安全余 量。

申请人因此给出可以用来制造覆层3、4的塑料材料的列表，这些材 料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺（尼龙、Rylsan）、聚四氟乙烯（PTFE）， 其或采用薄膜形式或织造纤维形式或者压延或涂覆纤维合成物的形式。 此列表明显是非限制性的，并且可以特别通过市场上出现的新型透明材 料来实现。

由这些塑料材料制成的薄膜或膜具有几十千克每线性米的拉伸强 度，即具有船用小直径缆绳的等级。采用这种材料，外覆层3可因此经 得起风产生的牵引力。因此有利的是注意到例如漂浮登船部的固定支承 也尽可能将很小振荡传递到罩1及其覆层3、4。

如图2a和2b所示，内部连接部件51安装在外部连接部件50的内侧， 使得这两个连接部件50、51一起形成如下所述的用来使得覆层3、4与 返回管7连接的连接或固定板5。

外部连接部件50包括联接装置52以及用于驱动外部连接部件50转 动的装置53，以驱动外覆层3转动。因此，外覆层3的近端30与转动固 定装置（即外部连接部件50）气密相关。通过驱动装置53实现的转动速 度在数圈/每天的等级。

在图2a和2b所示的实施例中，联接装置52具有设置在外部连接部 件50的圆柱形周边上的滑轮的形式，并且驱动装置53包括设有转动输 出轴530的转动电机，皮带或链条531安装在转动输出轴530上用于与 滑轮52啮合。

连接板5内所包含的内部连接部件51在外部连接部件50内自由转 动，使得外覆层3通过驱动装置53的转动确保内覆层4通过两个覆层3、 4之间的摩擦转动。因此，内覆层4的近端40在板5上转动安装。换言 之，内覆层4的近端40与转动固定装置（即内部连接部件51）气密相关。

连接板5用来传递由覆层3、4（特别是外覆层3）传递的纵向张力， 将这些力传递到固定登船部（mooring embarkation）E。

此连接板5部分隐没在水体内，并且具有一致或交替转动运动，使 其确保：

覆层3、4以角度等于或大约360度的角幅转动或振荡，即整圈转动， 这种转动通过图1和2a的箭头R1表示；

内覆层4在外覆层3内的自由转动，这种转动在图1和2a中通过箭 头R2表示；以及

由罩1形成空间的整体/密封的保持使得这些转动运动气密地进行。

为了获得这种气密固定以及避免泄漏，装备有防滑和密封装置的密 封件54设置在连接板5的附接部和外覆层3之间；由于罩1的内部容积 被加压，任何泄漏向外流动，限制了污染的危险。装备有防滑和密封装 置的密封件55同样设置在连接板5的安装部和内覆层4之间，虽然此水 平的任何泄漏的结果不会很严重。

为了减小连接板5的转动驱动力，板5在滑轮52下方设有球轴承56。

外覆层3的转动被联系到内覆层4，其内部连接部件51如上所述通 过其在板5内摩擦自由转动。

如图2a和2b所示，内覆层4在板5上的固定略微向上偏移：

使得气体出口（还称为气体逃逸装置）60安装在上部内，并且还

促进两个覆层3、4之间的接触，这种接触确保内覆层4通过外覆层 3驱动转动或振荡。

方便地，并如图2b所示，气体逃逸装置60的孔口（即气体出口） 装备有具有浮体600的关断装置，用来防止液体经过。

图3a和3b绘示连通孔口42的两个独立实施例中的两个罩。在图3a 所示的实施例中，连通孔口42设置在内覆层4的侧壁上，具有窗户的形 式（可选地在其边缘上设有加强件），其中内覆层4的远端41特别通过 焊接或夹紧或者通过公共绷紧固定到外覆层3的远端31上。在图3b所 示的实施例中，连通孔口42设置在内覆层4的远端41的端部处，从而 远端41可以说是开放和自由的。

覆层3、4的透明壁的清洁是根据本发明的罩1的主要优点之一。这 种清洁的目的在于防止生物膜形成在其相应壁上，以避免传输光线减少 （由于减缓反应，这是有害的）。

为了执行这种清洁，使用了多种功能：

相邻外覆层3彼此贴靠的相对运动和摩擦使其相应的外壁33得到清 洁，这些相对运动特别是通过柔性外覆层3在特别是由于风（拍击）导 致水体晃动的作用下变形和弯曲来获得的；

外覆层3的至少一圈转动（角幅等于或大于360度），使其外壁33 的所述清洁可以延及其整个周边；

与水体晃动作用及覆层的材料的柔性相关，由外覆层3的转动造成 的两个覆层3、4之间的相对运动，造成内覆层4贴靠外覆层3摩擦，使 得外覆层3的内壁34和内覆层4的外壁43得到清洁；

外覆层3的至少一圈转动（角幅等于或大于360度），使得外覆层3 的内壁34的所述清洁以及内覆层4的外壁43的清洁可以延及其整个周 边。

因此，同一罩1的两个覆层3、4之间的接触具有避免生物膜生长并 且确保外覆层3的内壁34和内覆层4的外壁43均得到清洁的效果。等 于或大于360度的角幅的转动或振荡旨在使得这种清洁在覆层的整个周 边上执行。

特别如图1和3所示，液体培养介质L和气体G同时彼此接触地循 环，并且沿着从内覆层4的内侧直到中间覆层空间10的反应路径（反之 亦然）经由气体-液体界面交换物质。这种中间覆层空间10的形状特别取 决于两个覆层3、4的相对位置以及本身通过气体和液体流动速度控制的 流动形式。

特别如图1和3所示，由于覆层3、4的构成材料的密度略微不同于 水，中间覆层空间10和内覆层4中的气体-液体界面的平均水平基本上与 水体相同；这些水平限定了内部和外部吃水线（waterline）。

如图1所示，内覆层4和外覆层3之间的接触区域ZC定位在吃水线 上方。因此，中间覆层空间10具有图1所示的闭合的新月形面包形状的 不对称部分。内覆层4在通过位于两个覆层3、4和中间覆层空间10之 间的接触区域ZC中的液体膜施加的毛细管力的作用下趋于保持与外覆 层3接触。接触区域ZC的具有窄厚度的液体膜通过毛细管作用保持与中 间覆层空间10内循环的培养介质分开。

两个覆层3、4之间的连接或接触力很弱，并且可以通过水体运动和 由于晃动造成的覆层3、4的变形而局部和临时消除。水体的这种微弱的 接触和运动指的是接触伴随有滑动和摩擦，防止了生物膜的生长，并促 进涉及接触的壁43和34（即外覆层3的内壁34和内覆层4的外壁43） 得到清洁。

如上所述，外覆层3的转动通过接触区域ZC内的摩擦传递到内覆层 4，而不考虑使得驱动质量退化的滑动。需要内覆层4具有一定刚性，以 防止其皱褶，并对壁43和34形成清洁效果。为了避免接触部件之间的 生物膜合并，例如转动速度是如上所述为一天几次是足够的。

在内覆层4以及将内覆层4与外覆层3分开的中间覆层空间10内， 在形成罩1的开口11、12之间的向外和返回路程的双相气体G/液体培养 介质L流路（或反应路径）中，两个覆层3、4形成气体和液体培养介质 的通路。

气体在覆层3、4内的循环提供了在覆层3、4的长度上均匀分布的 可靠浮力，使其保持在表面上。自然通过水体的浮力并通过气体的循环 来确保水平。水体在风的作用下晃动可转化为外覆层3的纵向变形，其 可传递到内覆层4，覆层3、4的弯曲柔性使其可以返回到初始形状。

优选地必须要避免形成皱褶，这会显著减小反应容积。所述皱褶会 在水体晃动的情况下造成碰撞和其他伤害，会造成覆层3、4的柔性材料 内的突发张力，可以造成考虑之中的所述覆层3、4撕裂。为此，外覆层 3必须通过膨胀过压一直拉紧，过压的控制必须将外覆层保持在与水体晃 动相容的正常水平，并且保持组件的适当功能。

因此，使用所述罩1的光合微生物培养方法包括外覆层的加压步骤， 其包括在外覆层3内形成膨胀过压。

如上所述，外覆层3的膨胀过压确定其刚度，换言之其抵抗与水体 晃动相关的变形，以及抵抗后者在气体G和液体L的内部双相流动中的 影响；这种过压等于外覆层3的容积内的气体和液体注射压力的总和。

膨胀过压的控制也用来检测泄漏。过多气体容积的出口是所述的逃 逸装置60，并且如图2b所示设有设置在板5的上部中的孔口。气体例如 引导到过滤器，从而在释放到大气或回收之前，避免反应器的反向污染。 气体的出口流动的控制可以使用例如针阀的气体流动控制装置601实现， 以调节覆层3、4内的顶部空间（液体或气体/液体界面的水平）。

图4-13绘示根据本发明并适用于特别是藻类的光合微生物的培养的 光合反应器2。每个反应器2包括：

根据本发明的至少一个罩1；

确保罩1的第一开口11和第二开口12之间的流体连接的至少一个 返回管7（特别是如图6、7、8、9、12和13所示），所述开口11、12设 置在连接板5中，所述返回管7密封连接在连接板5上；

至少一个循环装置8（图7c和13a所示），设置在返回管7中并设计 成使得液体培养介质L在返回管7和罩1内循环；

至少一个液体注射装置9，设置在返回管7内，并设计成将液体L注 射到罩1内；

至少一个气体注射装置61，设置在返回管7内，并设计成允许气体 G注射到罩1内；以及

至少一个气体逃逸装置60，设置在返回管内，并设计成允许注射到 罩1内的气体G逃逸。

反应器2可包括两个分开的液体注射装置9，使得液体培养介质和接 种体分别注射到反应器2。这些注射装置是注射端口的形式，从而可以连 接到无菌控制源。

反应器2可包括：

一个或多个传感器91，其设置在返回管7内，并适用于提供控制反 应的所需信号，特别是表示用于培养物的量的物理、化学或生物参数， 例如温度、pH、溶解氧的水平以及液体介质的混浊度等的信号，这些控 制可特别用来调节气体和液体注射到反应器2；

用于控制进入和离开由反应器2限定的空间的气体和液体介质的无 菌状态的装置；

循环回路，用来调节用于培养物的主要营养供应，特别是通过干物 质的浓度来调节无菌介质添加剂，通过注射CO2来调节pH值。

返回管7确保罩1的第一开口11和第二开口12之间的环路流体路 径的闭合。返回管7由对于阳光不透明的材料制成，和/或可以离开封罩 内的光线或者封闭的登船部E设置，如特别是图4和11所示。

插入返回管7之间的循环装置8的功能使得液体培养介质在罩1内 循环。优选地循环装置8选择成产生减小的剪切和离心力。但是可以使 用所有类型的泵送装置，特别是离心泵，而不偏离本发明的范围。

优选地，循环功能与气体-液体质量交换分开，后者经由罩1的覆层 3、4内的界面确保，并且施加在其整个长度上。但是，根据本发明的反 应器的一种特定的实施例（未示出）可包括所述的气体提升式解决方案 的应用，其确保了泵送和气体-液体质量交换，而不偏离本发明的范围。

反应器2特别有利的是它采用气体是反应的主要部分的原理，并且 必须可以与液体相同的方式通过在水体上漂浮的罩1的覆层3、4内的水 平双相流进入反应容积；这两个柔性覆层3、4彼此形成用于气体和液体 的向外和返回路径。

通过所述罩和所述反应器2，可以设想到双相路径的四种可能的构 型：

第一路径：与经由第二开口12进入罩1并通过第一开口离开罩1的 液体L和气体G共流循环，使得液体L和气体G执行内覆层4内的向外 行程和中间覆层空间10内的返回行程；

第二路径：与经由第一开口11进入罩1并经由第二开口12离开罩1 的液体L和气体G共流循环，使得液体L和气体G执行中间覆层空间10 内的向外行程和内覆层4内的返回行程；

第三路径：与经由第二开口12进入罩1并经由第一开口11离开罩1 的液体L以及经由第一开口11进入罩并经由开口12离开罩1的气体G 逆流循环，使得液体L在内覆层4内执行向外行程和在中间覆层空间10 内执行返回行程，并且气体在中间覆层空间10内执行向外行程和在内覆 层内执行返回行程；以及

第四路径：与经由第一开口11进入罩1并经由第二开口12离开罩1 的液体L逆流循环，并且气体G经由第二开口12进入罩1并经由第一开 口11离开罩1，使得液体在中间覆层空间10内执行向外行程和在中间覆 层空间10内执行返回行程。

对于第一路径，气体G和液体培养介质L在设置在板5内的第二开 口12处注射到内覆层4内，并且经由设置在远端41处的连通孔口42从 此内覆层4逃逸，接着在中间覆层空间10内返回到板5。

对于第四路径，气体G注射到内覆层4内，而液体培养介质L注射 到中间覆层空间10内；气体G的返回出现在中间覆层空间10内，并且 液体L的返回出现在内覆层4内。

在所有情况下，液体L在其返回时通过定位在返回管7内的泵抽吸， 以重新引入到相同的向外行程，而气体G必须释放到大气内或者经由气 体逃逸60回收。

优选地，设置在内覆层4的远端41上的连通孔口42具有汇合区域， 以在气体/液体培养介质的双相流动中提供压头损失。在图3b所示的实施 例中，内覆层4的开放远端41具有变窄直径，以形成原始的压头损失； 通过这种汇合或限制区域产生的过压确保内覆层4在其整个长度上膨胀。

可选地，第三覆层（未示出）也由对于光线透明的柔性材料制成， 其壁足够刚硬，使其可以经受压力降，而不塌缩，并且其小直径（与内 覆层4的直径相比）定位在内覆层4内，使得气体在两个覆层3、4的远 端31、41处注射或抽吸。

如图1所示，气体G和液体L在逆流或共流方向上的循环沿着大致 直线的水平路径执行，其中气体G在定位在两个覆层3、4限定的空腔的 上部或顶部内的容积内聚集。

这在气体G和液体L之间形成界面，作为与光合反应相关的转移座。 此界面的纵向形状且特别是其连续或不连续的特征归纳为所谓的流动形 式。不考虑水体晃动的影响，内覆层4内的流动系统基本上与圆形截面 的水平管相同。这些流动形式以分层流动、段塞流或细长气泡流动的名 称描述。中间覆层空间10内的流动形式由于内覆层4的存在而略微受到 干扰，但是相对于质量转移具有大致相同的特征。

对于水平导管内的双相流动，已经证明取决于循环流体的速度、直 径、温度、类型和压力条件的多种流动系统，也就是特别是：

具有Mandhane AD类型学的分散气泡的流动；以及

具有Mandhane I类型学的细长气泡的流动；

分层流动，具有波浪的分层流动以及具有Mandhane SS和SW类型 学的平缓分层流动；

具有Mandhane I类型学的段塞流动；

具有Mandhane AD类型学环形雾流动。

在本发明中，优选的流动形式位于Mandhane类型学的SS/I的过渡部 处，即在分层流动和段塞流动或细长气泡流动之间。在分层流状态下， 气体/液体界面由宽度随着覆层3、4内的液位变化的自由表面形成。在段 塞流或细长气泡流动形式中，气体/液体界面由段塞流或细长气泡的地板 和天花板形成。

由于质量转移与路径长度成比例，这种长度对于反应表现水平的效 果降低，从而设想到主要的扩展。覆层3、4可具有几百米的长度。

在所述第一路径的特别情况下，气体G和液体L同时注射到内覆层 4内。为了避免与液体L逆流的气体G回流，气体G优选地在在用作托 架的返回管7的天花板的下点下游定位的注射点61处注射，如图6、7、 8和9所示。液体L和气体G的分离通过形成板5的下部内的中间覆层 空间10的出口的第一开口11的定位来实现。这种分离是重要的，从而 不使得循环装置8的性能退化。

反应器内过多的液体L的容积的排出通常经由与返回管7连通的出 口管90（图6a、7a、8、9和12所示）形成的溢流来实现。此出口管90 的自由端设置在高度H处（可以相对于水体调节）；此高度H可以在图 6a和7a中看到，限定外覆层3的膨胀过压，并能够被调节以相对于水体 晃动稳定内部流动。此高度H在几分米的级别，并且可以超过具有很大 长度的覆层3、4几个分米。

液体L的出口管90与返回管7的连通点尽可能远地放置，并优选为 图6a和7a所示的无菌液体介质的注射点9的上游，附图的箭头绘示液体 介质L的循环方向。在出口管90的出口处，收获培养物，并且必须避免 使得收获物稀释的短路。

形成溢流的出口管90在液体培养介质L的限定范围内形成破裂。为 了避免培养物逐渐反向污染，出口管90可有利地具有几米的长度，并且 通过周期性清洁保持无菌。

如图4、5和11所示，返回管7、循环装置8和板5固定到静置在水 上的登船部E，此登船部E可以是漂浮类型，并且形成漂浮的登船部或 驳船，或者可以是浮动码头形式，具有植入水体底部的梁或木桩。

登船部E可包括其中设置有被保护而不受到恶劣天气影响的返回管 7和循环装置8的闭合空间或技术空间、以及壁或干舷FB。覆层3、4在 壁或干舷FB上经由板5附接到登船部E；由于这些覆层3、4的远端31， 41是自由的，使其与支承组件的水质量的相对运动的方向对准，这具有 减小与支承水质量的运动相关的牵拉力的作用。所述生产组件优化了例 如登船部E和机载功能的公共装置的使用。

在图4和11所示的实施例中，登船部E是漂浮的，并且通过登船部 E的单个固定装置AE锚固到水体底部，水体这里相对浅，使得罩1的外 覆层3本身从此登船部E与风造成的气流场对准，围绕单个固定装置AE 自由振荡。这种固定装置AE包括特别是具有竖向植入水体底部的梁或杆 的形式的固定点PA，并且固定线LA将登船部E连接到固定点PA并留 下所述登船部E围绕固定点PA自由转动。如果固定装置AE使用单个固 定点PA，如图4和11所示的实施例的情况，必须设置足够的空间，使得 该组件能够在气流（特别是风造成的气流）的影响下围绕该点自由运动。

在图5所示的另一实施例中，外覆层3的远端31经由外覆层3的固 定装置AG固定到水体的底部（这里相当浅），使得罩1的外覆层3不再 能够使得本身与风引起的气流场对准。

这种固定装置AG包括使得外覆层3的远端31与垂直于在水上水平 部署和漂浮的外覆层3的公共扩展杆PL链接的线LG，以及特别是竖向 植入水体底部的梁或杆形式且与扩展杆PL连接的固定点PG。这些线有 利地包括转动结合部AR，特别是旋转类型，使得外覆层3能够如上所述 围绕其相应的纵向轴线自由转动。

线LG长度的调节及其平行设置使得所有外覆层3之间的固定张力均 匀分布，并使其转动或震荡，从而如上所述清洁其相应的外壁34；外覆 层3的转动可以通过转动外覆层3的远端31和扩展杆PL之间的这些线 LG上的转动结合部AR实现。

如果水体开放通航，根据当地法律和规定的日间和夜间信号装置可 装备此漂浮组件的不同点，并特别是在外覆层3的远端31。

在图6、7和12所示的实施例中，返回管7具有加宽截面的壳体70 （图6a、7、12和13a可见），旨在部分接收循环装置8。这种壳体70在 如图6a所示的主要水平方向上或者在如图7和12所示竖向方向上延伸。

在图7a-7d所示的实施例中，循环装置8是机械推进装置的形式，其 包括通过转动电机81经由所述电机81的输出轴82驱动转动的叶轮80。 电机设置在反应器2的外侧，并且输出轴82密封地经过返回管7，以通 向壳体70的内侧，并且支承叶轮80，叶轮80由此在壳体70内转动运动。

有利地，叶轮80的壳体70设置在液体培养介质L的返回管7的发 散区域和汇合区域之间，以确保液压连续性，而不使得速度出现任何突 然变化，由此限制微生物经受的压头损失、加速和剪切力。

根据一种有利的特征并如图7和12所示，壳体70设置在返回管7 的竖向向上的分支内，并因此叶轮80具有竖向转动轴线，使得可以排出 形成在壳体70内的气体G，由此避免气穴现象。

另外，如图7所示，用于循环装置8或叶轮80上游的气体G的逃逸 装置60的设置与气体注射装置61上游的壳体70内的循环装置8的设置 相结合也有利于避免气体循环经过叶轮80，否则会不利于叶轮的功能。 气体G的存在不利于大多数机械推进装置（特别是叶轮）的性能，并且 气体的积累必须因此避免，以防止叶轮80的气穴现象。

在图6、7和11所示的实施例中，返回管7具有两个弯曲部分79， 即分别是向外部分和返回部分，它们设置在接收循环装置8的壳体70的 两侧。这些弯曲部分79或缩颈部分具有大致180度的曲率，以达到登船 部E的壁或干舷FB的上方；所述不接触的横越确保循环装置8与水隔离， 并确保反应器以及使用反应器的人的安全性。

同样，如图6a和11所示，这些弯曲部分79可以部分运动到升高位 置，以运动离开水并提起覆层3、4的连接板5，特别是在无菌条件下使 得覆层3、4离开水放置就位。

柔性覆层3、4的放置就位下面参考图11a和11b来描述。覆层3、4 可以卷筒B的形式输送，浮体F在卷筒B上定位在卷筒B的中心，以在 水体上稳定地漂浮。

如图11a所示，两个覆层3、4在其相应的近端30、40安装在板5 上；所述板5有利地占据所述的升高位置。用于将覆层3、4固定到板5 的操作在无菌条件下进行，以避免将污染物引入培养介质。

如图11所示，板5被降低并部分浸没在水中，覆层3、4通过填充 液体L和气体G的无菌介质来部署。液体和气体的输入可方便地使用设 置在板5内的所有开口11、12来进行。否则，只有接收液体L和气体G 输入的覆层接收流体并承受部署的力。一旦覆层3、4展开并膨胀，液体 介质L的循环可以通过开始操作循环装置8而在反应器2内进行。

阀TR可以设置在登船部E上，一旦覆层3、4展开并膨胀，将反应 器的外部与反应器2的内部隔离。

在图8和9所示的实施例中，循环装置是离心泵8的形式，该组件 设置在登船部E的外侧；在这种情况下，使用术语“舷外方案”的优点 在于紧凑，但是具有对于微生物具有侵害的缺陷。下面描述的清洁主体 20的经过需要具有开口推进器的返回管7和大直径的涡形腔室，这降低 了效率。在图8所示的实施例中，涡形是前部涡形类型，并且在图9所 示的实施例中，涡形是矢状涡形类型。在这些实施例中，由于离心泵， 板5固定到登船部E或码头区，并且可可选地升高，以有助于覆层3、4 离开水放置就位。

如图1、6a、7a、7d和12b所示，反应器2还可包括用来沿着流路循 环的一个或多个清洁主体20，换言之在内覆层4、中间覆层空间10和返 回管7内，以清洁覆层3、4和返回管7的内侧，使其可以在反应器2内 以回路形式循环，一个或多个清洁主体20还可用来经过用于液体培养介 质的循环装置8，例如经过上面在参考图7描述的特定实施例中的叶轮 80的叶片。

优选为球形的一个或多个清洁主体20具有例如大致等于返回管7的 内直径的直径，以优化返回管7的内壁的清洁。

一个或多个清洁主体20还旨在经由内覆层4在外覆层3内的自由运 动来实现外覆层3的内壁34和内覆层4的外壁43的清洁；这种自由运 动通过外覆层3在板5上的转动附接来促进。

气体循环和液体循环之间的速度差对于气体/液体质量转移具有直接 影响，并且必须尽可能有利地保持在最高水平。这是为何每个清洁主体 20不能妨碍气体经过的原因。为此，每个清洁主体20用来使得反应管2 内循环的气体至少部分经过，同时适用于通过液体培养介质的循环驱动， 使得清洁主体20不对于气体和液体介质之间的速度差具有任何影响。

为此，所述或每个清洁主体20是特别是球形刷的刷的形式，包括毛 发、鬃毛或绳股或等同物的组件，其中间部分承载这些毛发。因此，在 水平覆层3、4内，露出的毛发使得气体在气体顶部空间内经过，并且承 载毛发的中央浸没部分具有足够大的直径，以对经过的液体形成障碍， 使得清洁主体20带走液体介质。

类似地，清洁主体20可以为弹性材料制成中空球的形式，其大部分 表面被穿刺有孔，使得气体经过。

清洁主体20还必须具有比水更大的密度，使其如图1所示接触覆层 3、4的地板；覆层的地板对应于其完全浸没的下部或底部。

为了避免任何焊接，球形清洁主体20必须具有不超过对应于覆层3、 4的直径差的最大值Dcmax的直径Dc，也就是下面的关系R2：Dcmax= De－Di。

如果留意到所述关系R1，那么给出：Dcmax=（2^1/2-1）.Di。

由于外覆层3转动，内覆层4趋于朝着外覆层3的浸没侧驱动。因 此优选的是清洁主体20的直径Dc应该显著小于如上所述的极限值 Dcmax，使得清洁主体20能够容纳在中间覆层空间10的底部内，换言之 在外覆层3的地板上。

通过以此方式处理，可以确定不考虑外覆层3的转动方向，清洁主 体20朝着较大通道而不是较窄通道驱动，这减小了清洁主体20楔入内 覆层4和外覆层3之间的危险。

在图10a和10b所示的本发明的一种特定实施例中，罩1还包括：

可移除夹紧或绷紧装置13，其设计成在定位在覆层3、4的相应近端 30、40和远端31、41之间的中间区域16上夹紧或绷紧两个覆层3、4；

至少一个中间连通孔口14，其位于内覆层4的内侧和中间覆层空间 10之间，所述中间孔口14在其近端40和中间夹紧或绷紧区域16之间设 置在内覆层4上；以及

特别是阀形式的用于闭合中间孔口14的装置15，所示闭合装置15 能够在打开位置（图10a所示）和闭合位置（图10b所示）之间运动。

因此，内覆层4包括可以从外覆层3外侧操纵以打开或闭合此中间 孔口14的阀15。

中间夹紧和绷紧区域16围绕外覆层3或内覆层4的长度的大于十分 之一设置，以只使用对应于板5和中间区域16之间的罩1和覆层3、4 的部分的反应子容积，该容积可表示罩1的总容积的大约1/10；这种比 例对应于接种容积与传统使用的培养容积的比例。

在图10a所示的第一阶段，夹紧或绷紧装置1在超过中间孔口14定 位的中间区域16上夹紧或绷紧两个覆层3、4，由此隔离反应子容积。覆 层3、4填充无菌营养介质和气体，设置在内覆层4内的阀15打开，使 得气体G和液体经过反应子容积的端部。以此方式，此子容积具有整个 容积的所有功能，并且能够独立操作。因此可以接种和放置在培养物中。

在图10b所示的第二阶段，在子容积内的浓度达到足够水平时，夹 紧或绷紧装置13被移除，并且阀15关闭，使得容积的剩余部分成线性 放置，并由此通过子容积接种；反应器接着进入完全生产能力。

某些培养物必须不暴露于全光，只要其浓度不足以通过自遮荫来得 到保护。对于这些类型的培养物，因此优选的是确保在接种后几天期间 保护免受光线。

为了确保这种保护，一种方案包括用不透明材料制成或具有强的光 吸收性能的纵向阴影带（未示出）覆盖外覆层3。因此，在阴影带插入培 养物和阳光之间时，罩1内的亮度大幅衰减。

可以设想到阴影带的两个实施例，即第一实施例的第一阴影带和第 二实施例的第二阴影带。

在第一实施例中，第一阴影带被添加和临时定位在外覆层3上，更 具体地在外覆层3的露出部分（离开水）上。第一阴影带可在吃水线上 完全覆盖此外覆层3的露出表面，并且例如占据外覆层3的整个周边的 四分之一和三分之一之间（取决于吃水线的位置）。

在外覆层3的转动中断时，在培养物的第一天，此第一阴影带固定 定位在外覆层3上。一旦培养物的浓度达到针对培养物种限定的阈值， 外覆层3的转动开始，并且第一阴影条带可以被移除。

在第二实施方式中，第二阴影带被固定到外覆层3，并因此直接结合 到外覆层3内。第二阴影带可以通过胶粘或焊接固定到外覆层3，或者作 为变型，第二阴影带可以是固定沉积在外覆层3上的材料层（例如涂料 膜或不透明材料膜）的形式。此第二阴影带例如占据外覆层3的总周边 的四分之一和三分之一之间。

在外覆层3的转动中断时，在培养物的第一天，此第二阴影带可在 吃水线上完全覆盖外覆层3的露出表面。一旦培养物的浓度达到为培养 物种限定的阈值，外覆层3的转动开始，并且第二阴影条带在外覆层3 上保持就位。

为了防止这种转动使得第二阴影带位于太阳和培养物之间，这会转 化为生产损失，转动可以半圈开始，这将第二阴影带到下部浸没部分， 换言之在吃水线以下，在外覆层3的地板处。接着继续但不完全（即不 是一整圈，也不是半圈）转动，并且在一个方向上并接着在另一方向上 交替调整，以保持第二阴影带恒定地位于外覆层3的下部浸没部分，由 此使得较少的光线经过。在这种情况下，需要在覆层3、4的清洁和对于 光线暴露之间确定折衷，因为局部转动只能清洁外覆层3的周边的一部 分，而整圈转动由于第二阴影带的存在造成光线重复衰减而减少了生产。 在周边的四分之三或三分之二上的局部转动可形成有利的折衷方案。

如图12a和12b所示，本发明还涉及光合反应器的组件，其包括至少 两个根据本发明的反应器2，即第一反应器（左侧）和第二反应器（右侧）， 并包括确保第一反应器和第二反应器之间流体连接的至少一个链接线 71、72，以及设置在所述链接线71、72上使得一个反应器通过另一反应 器接种的至少一个阀77、78。因此可以使得两个反应器互连，由此其内 容物可以交换，一个反应器的接种可以通过其浓度已经达到高级阶段的 另一个反应器实现。

在图12a和12b所示的实施例中，该组件包括两个反应器2之间的两 个链接线71、72。连接线在其相应端处分别设置用于链接线71的阀73、 74和用于链接线72的阀75、76。

第一链接线71将设置在接收例如转动叶轮（未示出）的循环装置的 壳体70下游的第一反应器2上的入口点连接到设置在接收第二反应器2 的循环装置的壳体70的上游的第二反应器上的出口点。

第二链接线72将设置在接收例如转动叶轮（未示出）的循环装置的 壳体70的下游的第二反应器2上的入口点连接到设置在接收第二反应器 2的循环装置的壳体70的上游的第一反应器上的出口点。

反应器2并行组装，以形成一致性的生产组件。为了使得一个反应 器通过其微生物浓度已经达到高级阶段的相邻反应器接种，该组件设置 成通过链接线71、72将这两个反应器互连，使其相应的内容物混合。

另外，如图12a所示，链接线71、72的出口点放置在定位在相应壳 体70的上游的汇合区域的端部处，以从文氏管效应获益。

阀73、74、75、76使得两个链接线71、72无菌连接，这些链接线 将待互连的两个反应器2的入口点和出口点对称地横跨连接。阀73、74、 75、76大致设置在相应链接线71、72的入口点和出口点处。

所述组件的使用可以下面的方式实现，在微生物的浓度已经达到生 产水平时，利用已经使用的第一反应器2（左侧）进行第二反应器2（右 侧）的接种。

在第一阶段，阀73、74及其对应的阀75、76闭合，第一反应器2 在使用中，其中在第一反应器中进行循环，待接种的第二反应器2通过 无菌营养介质填充。

在第二阶段，在第二反应器1B内进行循环，并且阀73、74及其对 应阀75、76打开以如图12a的箭头EC所示在两个反应器之间进行交换。

在打开阀73、74及其对应阀75、76之后，反应器2内的浓度变得 大致相同，并且可以通过关闭阀73、74及其对应阀75、76来使其隔离。 为了减小交换时间，泵（未示出）可以插入链接线71、72之一和/或另一 个上。

如图13a和13b所示，本发明还涉及反应器2，其包括并行连接在连 接板5上的多个反应罩1，此反应器2包括具有接收例如叶轮80/转动电 机81组件的循环装置8的壳体70的同一返回管7和与罩1流体连接的 多个导管。

在此特定形式的包括并行互连反应罩1的实施例中，优点在于具有 例如循环装置、调节装置的某些公共功能，但是还具有增加了暴露于特 别是污染的意外事件的缺陷。

在此实施例中，返回管7包括其中设置接收循环装置8的壳体70的 收集导管66和首先连接到收集导管66且其次连接到相应罩1的多个分 配导管67，使得液体介质在离开罩1时得到收集，经过循环装置，并接 着在去往罩1的入口处分配。方便地，分配以与收集相同的顺序进行， 使得罩1内的流速是均匀的。

方便地，并且为了尽可能保持均匀的速度，收集导管66和分配导管 67具有从它们所形成的通道的一端向另一端减小的可变截面。

使用根据本发明的反应器2的培养特别是藻类的光合微生物的方法 包括如下步骤：

在由液体注射装置9控制的流速下，将液体培养介质注射到反应罩1 内；

在由气体注射装置61控制的流速下，将气体G注射到反应罩1内；

压罩1的外覆层3，包括在此外覆层3内设置膨胀过压，确保此外覆 层3的浮力及其部署；

通过循环装置8，使得液体培养介质循环；

控制这些循环装置8和气体注射装置61，以在气体/液体培养介质的 反应罩1内形成双相流动，即分层流动或段塞流或细长气泡流动类型； 以及

通过出口管90回收光合微生物。

在罩1的整个路径上，含有光合微生物的液体介质经由覆层3、4的 透明材料接收阳光，通过扩散、混合和相同材料的传导，与水体进行热 交换，并且经由其公共界面与气体G交换组分。生产能力特别取决于罩 1的覆层3、4的长度；多个罩1能够有利地成组并排设置，以确保所述 的主要清洁功能。

有利地，气体的循环速度设置在大约0.5和1.5m/s，对应于反应所需 的流速的足够速度。

进一步有利地，用于提供循环的装置8包括通过电机81驱动转动的 叶轮80，叶轮80的转动速度小于100转每分钟，以限制液体培养介质内 的机械应力。

本发明还涉及用于制造参考图14描述的罩1的方法，该方法包括如 下步骤：

使用塑料材料挤出成形方法，并且对挤出成形塑料吹塑来制造内覆 层4，另外称为利用SEG吹塑薄膜挤出成形系统的挤出-吹塑工艺；

特别是使用压延工艺和压延机CA，制造塑料材料的外片材37；

围绕内覆层4包裹外片材37，直到外覆层37的两个相对纵向边缘接 触；

使用SDS焊接系统，沿着在包裹阶段结合的两个相对边缘焊接外片 材37，以形成围绕内覆层4的外覆层3；以及

在单个卷轴TOU上一起卷绕两个覆层3、4，以形成卷筒B。

覆层3、4在运输之前在工厂内制造并一起设置。这种方法通过这两 个覆层3、4同时连续制造（优选为无菌的）来解决了将很长长度的一个 覆层插入另一覆层的问题，以减小培养物初始污染的危险。

包括围绕内覆层4闭合外覆层3的制造工艺使得内覆层4在组装过 程中特别装备有连通孔口42以及可选的设有阀15的中间孔口14。

在上面参考图11a和11b描述的部署或展开之前，一起设置的两个覆 层3、4的卷绕在其远端开始。外覆层4如上所述在其远端处闭合，并且 该远端可选地装备有线钩系统，例如上面参考图5描述的线LG。

方便地，覆层3、4的构成膜的厚度可以从远端向近端增加，以与力 施加到膜的同时增加其抵抗能力。

明显地，以上描述的实施例的例子绝不是限制性的，并且可以对于 罩、反应器以及本发明的方法作出其它的改进和细节，而不偏离本发明 的范围，其中可以例如设置外覆层和/或内覆层和/或连接板和/或返回管的 其它形式。

因此可以如图15所示设想到将罩1固定到公海的离岸平台POF上。 此离岸平台POF形成维护漂浮结构，该结构可以例如容纳操作团队，并 且因此操作优选为全自动的。

离岸平台POF优选由对表面晃动不太敏感的船柱漂浮系统形成。在 这种情况下，浮体的浸没部分包括位于上部内的浮力储备、下部内的压 舱物以及中间部分的功能和存储部件。

还可以在此离岸平台POF上设置用于承载罩1的覆层的连接板的结 构，其通过一个或多个臂链接到离岸平台POF，臂的角度可以调节；这 种承载连接板的结构因此带到表面从而在板上维护，或者在正常操作模 式中浸没。

例如鱼喂养的其它活动可以与此离岸平台POF相关。用于鱼喂养的 限定阀例如放置在海面上漂浮的罩1区域下面。

另外，还可以设想到离岸平台POF可以设有可选为自动的推进装置， 使其可以运动以适应最为适用于光合微生物培养的表面温度，从最不利 的天气状况的情况下逃逸，并避免碰撞。相对于天气和雷达信息来说， 离岸平台POF的运动在现场或从陆地控制，以寻找最佳航线。离岸平台 POF还可靠近岸边，以卸载产品，并接收补给。