СИСТЕМА ФОТОБИОРЕАКТОРА И СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ВОДОРОСЛЕЙ
SYSTEM OF PHOTOBIOREACTOR AND METHOD OF GROWING ALGAE

Перекрестная ссылка на родственную заявку
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США, серийный номер 61/313474, поданной 12 марта 2010 года, которая включается в настоящий документ посредством ссылки во всей ее полноте для всех целей.
Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Варианты осуществления настоящего изобретения относятся в целом к биореакторам, а более конкретно - к плавающим закрытым панелям биореакторов.
Уровень техники
[0003] Получение биотоплива, такого как биодизельное топливо, биоэтанол и/или биобензин, из возобновляемых источников энергии дает многочисленные преимущества. Возрастающие затраты, возрастающая сложность извлечения и истощение известных резервов ископаемых топлив помогает активизировать разработку таких альтернатив топливных источников топлива. Делаются попытки разрабатывать возобновляемое энергетическое топливо, такое как этанол, из зерен кукурузы, или биодизельное топливо из канолы, пальмы, рапса и других источников. Количество биотоплива, которое может быть получено из пищевых растительных материалов, часто ограничено, и связанное с этим увеличение цен на пищевые товары часто отрицательно влияет на доступность пищи в развивающихся странах, на цены на продовольствие в развивающемся мире, на ограниченные иным образом площади для получения пищевых продуктов.
[0004] Имеются попытки генерирования биотоплива и биохимикалиев из непищевых материалов, таких как целлюлозный этанол из древесной пульпы, кукурузной соломы или выжимок сахарного тростника. Водоросли и другие фотосинтезирующие микроорганизмы могут обеспечить исходные материалы для биотоплива и биохимического синтеза. Производство биотоплива, биохимикалиев и биомассы из водорослей может повысить производительность на единицу площади участка на несколько порядков, чем для кукурузы, рапса, пальмы, канолы, сахарного тростника и других традиционных сельскохозяйственных структур. В дополнение к биотопливам биохимикалии и биомасса могут обеспечить постоянные исходные материалы для пластиков, химических добавок, главных пищевых добавок для людей и кормов для животных.
Сущность изобретения
[0005] Варианты осуществления настоящего изобретения включают гибкие и/или плавающие и/или пленочные панели фотобиореакторов, имеющих плавучую трубу для того, чтобы обеспечить плавучесть панелей фотобиореактора. Такие фотобиореакторы могут включать плавучую трубу, заполненную или частично заполненную газом, а также балластную трубу, заполненную материалом, который имеет плотность, большую, чем окружающая текучая среда, чтобы сделать возможной плавучесть гибкой панели фотобиореактора в объеме воды, поддерживая в то же время панель фотобиореактора в вертикальной или по существу вертикальной конфигурации, при которой плавучая труба находится поверх поверхности или на поверхности или вблизи поверхности и при которой балластная труба находится внизу или еще дальше от поверхности.
Nannochloropsis oculata, Nannochloropsis gaditana, Nannochloropsis salina, Tetraselmis suecica, Tetraselmis chuii, Nannochloropsis sp., Chlorella salina, Chlorella protothecoides, Chlorella ellipsoidea, Dunalielltertiolecta, Dunaliella salina, Phaeodactulum tricornutum, Botrycoccus braunii, Chlorella emersonii, Chlorella minutissima, Chlorella pyrenoidosa, Chlorella sorokiniana, Chlorella vulgaris, Chroomonas salina, Cyclotella cryptica, Cyclotella sp., Euglena gracilis, Gymnodinium nelsoni, Haematococcus pluvialis, Isochrysis galbana, Monoraphidium minutum, Monoraphidium sp., Neochloris oleoabundans, Nitzschia laevis, Onoraphidium sp., Pavlova lutheri, Phaeodactylum tricornutum, Porphyridium cruentum, Scenedesmus obliquuus, Scenedesmus quadricaula Scenedesmus sp., Stichococcus bacillaris, Spirulina platensis, Thalassiosira sp.,
[0006] Любые известные виды водорослей или фотосинтезирующих или нефотосинтезирующих микроорганизмов могут выращиваться в фотобиореакторе и использовать такие стратегии удерживания в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения такие виды, как, но не ограничиваясь этим,  могут выращиваться либо по-отдельности, либо как сочетание видов.
[0007] Система фотобиореакторов в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения включает резервуар, содержащий жидкость, жидкость, имеющую уровень верхней поверхности, фотобиореактор, при этом фотобиореактор является гибким и плавает в жидкости, фотобиореактор содержит камеру роста, содержащую среду, в которой можно выращивать организмы, и балластную камеру, содержащую текучую среду, текучая среда имеет эффективную плотность, большую, чем у жидкости, так что балластная камера прикладывает к фотобиореактору силу, действующую в направлении вниз.
[0008] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0007], где текучая среда представляет собой первую текучую среду, где эффективная плотность представляет собой первую эффективную плотность, где сила представляет собой первую силу, и где фотобиореактор дополнительно включает плавучую камеру, содержащую вторую текучую среду, вторая текучая среда имеет вторую эффективную плотность, меньшую, чем у жидкости, так что плавучая камера прикладывает к фотобиореактору вторую силу, действующую в направлении вверх.
[0009] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0008], где фотобиореактор дополнительно содержит камеру продувки, имеющую множество отверстий, открывающихся в камеру роста, камера продувки содержит продувочный газ или смесь газов, выполненных с возможностью прохождения через множество отверстий и восхождения через среду.
[0010] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0009], где уровень верхней поверхности представляет собой уровень верхней поверхности резервуара, где камера роста содержит заполненное газом пространство над уровнем верхней поверхности сред, и где заполненное газом пространство обеспечивает аккумуляцию продувочного газа или смеси газов.
[0011] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0010], где плавучая камера является изолированной от заполненного газом пространства и находится непосредственно рядом с ним.
[0012] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0011], где балластная камера является изолированной от нижней части камеры роста и находится непосредственно рядом с ней.
[0013] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0012], где камера продувки располагается в нижней части камеры роста, и где балластная камера является изолированной от камеры продувки и находится непосредственно рядом с ней.
[0014] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0013], где балластная камера и плавучая камера поддерживают фотобиореактор по существу ввертикальном положении, когда фотобиореактор плавает в жидкости.
[0015] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0014], где резервуар представляет собой объем воды, выбранный из группы, состоящей из: океана, озера, моря, пруда, реки, бассейна, ванны, плавательного бассейна и танка.
[0016] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0015], где резервуар представляет собой объем воды, встречающийся в природе.
[0017] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0016], где первая текучая среда представляет собой соленую воду, и где вторая текучая среда представляет собой воздух.
[0018] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0017], где балластная камера содержит, по меньшей мере, один проход, через который текучая среда может добавляться в балластную камеру или удаляться из нее.
[0019] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0018], где плавучая камера содержит, по меньшей мере, один проход, через который вторая текучая среда может добавляться в плавучую камеру или удаляться из нее.
[0020] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0019], где фотобиореактор представляет собой один из множества фотобиореакторов, каждый из которых является по существу таким же, как этот фотобиореактор, где множество фотобиореакторов плавают в жидкости, и где множество фотобиореакторов позиционируется один за другим таким образом, что расстояние между двумя соседними фотобиореакторами из множества фотобиореакторов определяется шириной расположенных рядом смежных балластных камер.
[0021] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0020], где каждый из множества фотобиореакторов содержит верхний клапан, где верхний клапан конфигурирован для расположения поверх верхней части соседнего фотобиореактора или поверх уровня верхней поверхности жидкости между соседними фотобиореакторами.
[0022] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0021], где фотобиореактор, по меньшей мере, частично сформирован из, по существу, прозрачной пластиковой пленки.
[0023] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0022], где фотобиореактор, по меньшей мере, частично сформирован из одной или нескольких добавок против биологического обрастания, выбранных из группы, состоящей из: полиэтиленгликоля (PEG), сверхразветвленного фторполимера (HBFP), полиэтилена (PE), поливинилхлорида (PVC), полиметилметакрилата (PMMA), природного каучука (NR), полидиметилсилоксана (PDMS), полистирола (PS), перфторполиэфира (PFPE), политетрафторэтилена (PTFE), силиконов и производных, или покрыт ими.
[0024] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0023], где среда содержат одну или несколько добавок против биологического обрастания, выбранных из группы, состоящей из: полиэтиленгликоля (PEG), силиконов и производных, биоцидов, фторуглеродов и четвертичных аминов.
[0025] Система фотобиореакторов по любому из абзацев [0005]-[0024], где, по меньшей мере, нижняя поверхность балластной камеры является армированной для сведения к минимуму возможности прокола.
[0026] Способ удерживания водорослей для роста в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения включает обеспечение плавучести фотобиореактора в резервуаре, содержащем жидкость, жидкость имеет уровень верхней поверхности, при этом фотобиореактор является гибким и содержит камеру роста и балластную камеру, добавление среды в камеру роста, при этом среда адаптирована для поддержки суспензионной культуры водорослей, и добавление текучей среды в балластную камеру, текучая среда имеет эффективную плотность, большую, чем у жидкости, так что балластная камера прикладывает к фотобиореактору силу, действующую в направлении вниз.
[0027] Способ по абзацу [0026], где текучая среда представляет собой первую текучую среду, где эффективная плотность представляет собой первую эффективную плотность, где сила представляет собой первую силу, и где фотобиореактор дополнительно включает плавучую камеру, при этом способ дополнительно включает добавление второй текучей среды в плавучую камеру, где вторая текучая среда имеет вторую эффективную плотность, меньшую, чем у жидкости, так что плавучая камера прикладывает к фотобиореактору вторую силу, действующую в направлении вверх.
[0028] Способ по абзацу [0026] или [0027], где резервуар представляет собой океан, способ дополнительно включает выращивание суспензионной культуры водорослей в средах и перемешивание суспензионной культуры водорослей посредством плавания фотобиореактора таким образом, который позволяет фотобиореактору перемещаться в ответ на волны в океане.
[0029] Способ по любому из абзацев [0026]-[0028], где фотобиореактор представляет собой один из множества по существу сходных фотобиореакторов, способ дополнительно включает размещение множества по существу сходных фотобиореакторов в конфигурации бок о бок, плавающих в жидкости, и регулировку расстояния между соседними фотобиореакторами посредством добавления текучей среды в балластные камеры соседних фотобиореакторов или удаления текучей среды из них.
[0030] Способ по любому из абзацев [0026]-[0029], дополнительно включающий регулировку глубины фотобиореактора в жидкости посредством добавления текучей среды в балластную камеру или удаления текучей среды из нее.
[0031] Способ по любому из абзацев [0026]-[0030], дополнительно включающий регулировку глубины фотобиореактора в жидкости посредством добавления второй текучей среды в плавучую камеру или удаления второй текучей среды из нее.
[0032] Способ по любому из абзацев [0026]-[0031], дополнительно включающий удаление второй текучей среды из плавучей камеры до тех пор, пока фотобиореактор по существу не погрузится ниже уровня верхней поверхности.
[0033] Хотя описывается множество вариантов осуществления, другие варианты осуществления настоящего изобретения станут очевидны специалистам в данной области из следующего далее подробного описания, которое показывает и описывает иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения. Соответственно чертежи и подробное описание должны рассматриваться как иллюстративные по природе и не ограничивающие.
Краткое описание чертежей
[0034] Фиг.1 иллюстрирует укороченный общий вид с передней стороны фотобиореактора в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0035] Фиг.2 иллюстрирует увеличенный вид частичного поперечного сечения фотобиореактора фиг.1 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0036] Фиг.3 иллюстрирует увеличенный частичный общий вид края фотобиореактора, показанного на фиг.1 и 2, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0037] Фиг.4 иллюстрирует вид сбоку в разрезе фотобиореактора, показанного на фиг.1, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0038] Фиг.5 иллюстрирует ряд щелей, которые могут быть сформированы на камере продувки, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0039] Фиг.6 иллюстрирует ряд щелей на фиг.5 в проточном состоянии в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0040] Фиг.7 иллюстрирует вид сбоку фотобиореактора в разрезе, показывающий расположение отверстий камеры продувки для получения преимуществ при смешивании и/или преимуществ для борьбы против биологического обрастания в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0041] Фиг.8 иллюстрирует вид сбоку фотобиореактора в разрезе с армированной нижней частью балластной камеры в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0042] Фиг.9 иллюстрирует вид сбоку множества фотобиореакторов, размещенных бок о бок, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0043] Фиг.10 иллюстрирует вид сбоку фотобиореактора с клапанами сверху в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0044] Фиг.11 иллюстрирует множество фотобиореакторов, размещенных бок о бок с клапанами сверху, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0045] Фиг.12 иллюстрирует альтернативный фотобиореактор в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0046] Фиг.13 иллюстрирует общий вид с частичным поперечным сечением другого альтернативного фотобиореактора в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0047] Фиг.14 иллюстрирует вид с торца фотобиореактора на фиг.13 в разрезе в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0048] Фиг.15 иллюстрирует вид сбоку в разрезе фотобиореактора, показанного на фиг.13 и 14, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0049] Фиг.16 иллюстрирует три стадии формирования фотобиореактора, показанного на фиг.13-15, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0050] Фиг.17 иллюстрирует расположение проходов во время изготовления фотобиореактора фиг.13-15 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0051] Фиг.18 иллюстрирует вид сбоку частичного разреза края фотобиореактора с конусообразной балластной трубой в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0052] Фиг.19 иллюстрирует вид сбоку в разрезе фотобиореактора, показывающий процедуру сбора урожая, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0053] Фиг.20 иллюстрирует вид в разрезе фотобиореактора с двойными плавучими камерами в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0054] Хотя настоящее изобретение может изменяться с помощью различных модификаций и альтернативных форм, конкретные варианты осуществления показаны в качестве примера на чертежах и описаны подробно ниже. Однако ограничения настоящего изобретения конкретными описанными вариантами осуществления не предполагается. Наоборот, настоящее изобретение, как предполагается, покрывает все модификации, эквиваленты и альтернативы, попадающие в рамки настоящего изобретения, как они определяются прилагаемой формулой изобретения.
Подробное описание
[0055] Исследователи изучают выращивание водорослей в качестве исходных материалов для биодизельного топлива. Во многих конструкциях водоросли выращивают внутри закрытых биореакторов, состоящих из стекла или пластика, либо жестких, либо гибких. Примеры закрытых систем биореакторов, пригодных для выращивания водорослей и других микроорганизмов, описываются в публикации заявки на патент США № 2008/0160591, опубликованной 3 июля 2008 года ("Публикация "'591"), в Международной публикации WO 2010/108049 A1, опубликованной 23 сентября 2010 года ("Публикация "'049"), и в Международной публикации WO 2010/151606 A1, опубликованной 29 декабря 2010 года ("Публикация"'606"), и все они включаются в настоящий документ путем ссылок во всей их полноте.
[0056] Полная стоимость цикла жизни в закрытом биореакторе зависит от различных факторов, но, как правило, она значительно больше, на единицу массы получаемой биомассы, чем в открытом пруду или резервуаре, если основываться на предыдущих конструкционных подходах и материалах. Несмотря на традиционно очень высокую производительность, прозрачные жесткие трубы, установленные на стойке в теплице, часто являются еще более дорогостоящими по отношению к жизненному циклу.
[0057] Как описано в Публикации '591, Публикации '049 и Публикации '606, панель прозрачных тонких гибких закрытых пластиковых фотобиореакторов может подвешиваться в бассейне, заполненном водой, или в резервуаре, будучи привязанной к дну бассейна, например, с помощью балласта в трубах, для облегчения усовершенствования технологии выращивания и сбора урожая, что приводит к значительному сокращению затрат по сравнению с традиционными конструкциями с прозрачными жесткими трубами. Как используется в настоящем документе, термин "резервуар" используют в его самом широком смысле для упоминания любого объема воды, либо большого (например, океана), либо малого (например, пруда или танка), и либо встречающегося в природе (например, озера), либо искусственного или созданного человеком (бассейн).
[0058] Варианты осуществления настоящего изобретения могут демонстрировать структуру и системы удерживания водорослей, сходные с теми, которые описаны в Публикации '591, Публикации '049 и Публикации '606. Варианты осуществления настоящего изобретения могут включать плавучую трубу вверхней части и балластную трубу в нижней части закрытой панели фотобиореактора, которая обеспечивает очень экономически эффективные средства для стабильного подвешивания панели в воде бассейна на земной основе или делает возможным использование глубокого или мелкого объема воды, озера, лагуны или другого объема воды. В дополнение к этому варианты осуществления настоящего изобретения включают усиление диффузной освещенности, меры против биологического обрастания, меры против испарения и условия для повторного использования газов, включенные в конструкцию, чтобы связать усовершенствование системы в единую систему производства в технологии. В дополнение к этому упомянутая в заглавии система панели фотобиореактора не требует специального выбора или выравнивания земных поверхностей в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0059] Следующее далее представляет собой краткое описание одного из вариантов осуществления упоминаемого в заглавии фотобиореактора 100, иллюстрируемого на фиг.1-4. Как используется в настоящем документе, термин "упомянутый в заглавии фотобиореактор" используют в самом широком его смысле для упоминания фотобиореактора, который способен плавать в воде и который имеет плавучий элемент и балластный элемент. Плавучий элемент будет, как правило, находиться в верхней части фотобиореактора или вблизи нее, а балластный элемент будет, как правило, находиться в нижней части фотобиореактора или вблизи нее, хотя возможны и другие конфигурации для поддержания фотобиореактора в вертикальном и/или полувертикальном положении, когда он плавает, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Биореактор 100 может включать камеру 101 для удерживания микроорганизмов, которая может также упоминаться как камера роста, плавучую трубу 102, выпускную камеру 103, которая также может упоминаться как заполненное газом пространство, балластную камеру 104, проходы 105, 106 для заполнения балластной камеры, проход 107 для сбора урожая/высевания, проход 108 для подачи продувочного газа, проход 109 для подачи в плавучую камеру, выпускные/приемные проходы 110, 111 и/или камеру 112 продувки в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0060] Фотобиореактор 100 может быть изготовлен из различных слоев прозрачной, полупрозрачной, отражающей, полуотражающей, непрозрачной цветной, просвечивающей цветной и/или имеющей обработанную поверхность (для создания структуры или текстуры) пленок, селективно сваренных друг с другом для формирования различных камер, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Это сводит к минимуму стоимость изготовления фотобиореакторов, которые таким образом являются гибкими. Фиг.4 показывает нижний шов 408, где две нижних кромки двух слоев сварены вместе для формирования нижней части балластной камеры 104 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
2
[0061] Когда фотобиореактор 100 развернут, фотобиореактор (который может быть изготовлен из гибкой мембраны или пленки, состоящей из LDPE, HDPE, Nylon, Mylar, PVC или подробного материала) помещают в резервуар (например, бассейн с водой). Этот бассейн может быть сделан человеком с помощью создания земляных дамб или чего-либо подобного, или он может представлять собой озеро, бухту или любой другой объем воды. Плавучую трубу 102 заполняют газом (например, воздухом, CO, дымовым газом или чем-либо подобным) до заданного давления через проход 109 для заполнения плавучей трубы в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В одном из вариантов осуществления эта труба 102 имеет диаметр приблизительно 2,5 дюйма и заполняется газом до давления в пределах между 1 и 4 фунт/кв. дюйм (0,062-0,25 кг/кв. см). Эта труба 102 может иметь больший или меньший диаметр в зависимости от размера и массы материала в балластной трубе в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Когда объема газа в этой трубе 102 становится достаточно для плавучести, плавучесть будет поднимать балластную трубу 104 со дна водного бассейна. После заполнения плавучей трубы 102 проходы 109, соединенные с этой трубой, могут быть закрыты, чтобы предотвратить любую утечку газа в этой трубе 102. Альтернативно проход 109 может быть соединен с источником давления (накопителем, емкостью высокого давления, насосом, воздуходувкой и тому подобным) для поддержания давления в этой трубе 102. Если источник подачи воздуха в плавучую трубу присоединен через контрольный клапан, плавучая труба 102 будет оставаться надутой даже в случае отказа источника давления в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0062] Затем балластную трубу 104 можно заполнить через входной проход 105 для балласта в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Материал или жидкость, которую закачивают в балластную трубу 104, имеет плотность, большую, чем вода, образующая объем воды, в которой плавает система 100 фотобиореактора. Эта жидкость может представлять собой соляной раствор, раствор сахара, суспензию песка и/или любую другую жидкость или гель с более высокой плотностью в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления этот балласт может состоять из твердого материала (например, из вулканической породы, горных пород, песка, бетона и тому подобного). В одном из вариантов осуществления 2,5 фунта (1 кг) соли добавляют на каждый галлон свежей воды для получения соляного раствора, который закачивают в балластную трубу 104. В другом варианте осуществления 2,0 фунта (800 г) соли добавляют на каждый галлон свежей воды для получения соляного раствора, который закачивают в балластную трубу 104.
[0063] Плотность балластной трубы составляет приблизительно 1,17 кг/л, в то время как вода в бассейне состоит из пресной воды или морской воды, имеющей плотность приблизительно в пределах 1 кг/л-1,03 кг/л, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Когда балластную трубу 104 заполняют, край, который заполнен балластным раствором, начинает погружаться до тех пор, пока пленка, образующая камеру 101 для удерживания водорослей, не натянется, по меньшей мере, на одной стороне, между балластной трубой 104 и плавучей трубой 102, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Любой газ (например, воздух), который находится в балластной трубе 104, когда она заполняется, выталкивается к другому краю балластной трубы 104, другими словами, в продольном направлении, и может выпускаться из системы 100 через балластный проход 106, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Когда балластная труба 104 заполняется, один или несколько балластных проходов 105, 106 могут закрываться для предотвращения каких-либо протечек балластной жидкости в окружающий бассейн. В одном из вариантов осуществления, например в варианте осуществления, показанном на фиг.9, каждая из балластных труб 904a, 904b имеет диаметр приблизительно шесть дюймов (15 см), так что когда множество панелей 900a, 900b располагают бок о бок, расстояние между панелями будет составлять приблизительно шесть дюймов (15 см) и/или не менее шести дюймов (15 см), в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Расстояние D между соседними фотобиореакторами 900a, 900b будет приблизительно таким же, как диаметр балластных камер 904a, 904b в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Если панели в водном бассейне упаковываются достаточно плотно, расстояние между соседними панелями равно диаметру балластной трубы, например, шесть дюймов (15 см), в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0064] В соответствии с одним из альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения, иллюстрируемом на фиг.20, фотобиореактор 2000 может содержать две плавучие трубы 2002, 2004. Заполненное газом пространство 103 расположено выше камеры 101 роста, и продувочный газ имеет возможность прохождения между плавучими трубами 2002, 2004 в заполненное газом пространство 103, как показано стрелкой 2006, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
2
2
2
2
2
2
2
[0065] Затем камера 101 для удерживания микроорганизмов может заполняться средой через проход 107 для сбора урожая/высевания. В одном из вариантов осуществления эти среды разработаны для роста микроводорослей, но их можно также разрабатывать для роста других микроорганизмов, таких как бактерии, цианобактерии и тому подобное. Водоросли в этой части панели 101 перемешивают, и вводят CO посредством барботирования газа, обогащенного CO, через продувочный проход 108 в продувочную трубу 112, которая может, например, проходить по всей длине фотобиореактора 100, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. CO может поступать от тепловой электростанции, работающей на угле, от пивоварни, цементного завода, это может быть CO от устройства для извлечения воздуха или подобной установки, которая производит газовый поток, обогащенный CO. Продувочная труба 112 содержит малые отверстия, которые позволяют газу в продувочной трубе 112 протекать в форме пузырьков в смесь водоросли/среда и через нее. Как иллюстрируется на фиг.5 и 6, эти перфорации могут представлять собой малые отверстия, например, щели 502 и/или полукруговые клапаны. Эти пузырьки перемещаются от продувочной трубы 112, расположенной в нижней части камеры 101 с водорослями до верхней части камеры 101 с водорослями. Когда эти пузырьки проходят через среду, вода, вступающая в контакт с этими пузырьками, циркулирует. Это циркуляция помогает уменьшить градиенты питательных веществ в средах, циркуляция водорослей из светлых частей реактора в темные поддерживает водоросли суспендированными в фотобиореакторе, удаляет O, уменьшает термическую стратификацию и тому подобное. Как иллюстрируется на фиг.7, если перфорации располагаются в направлении внутренних стенок 706 камеры 101 роста, в таких положениях, как положение 702 и положение 704, барботируемые пузырьки могут также помочь в извлечении и/или удалении наросших биологических объектов на внутренней поверхности боковых стенок 706, в дополнение к потенциальным преимуществам циркуляции, перемешивания и удаления O.
[0066] После распада пузырьков на свободной поверхности 113 сред газ протекает по длине выпускной трубы 103 в один из выпускных проходов 110, 111 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В одном из вариантов осуществления выпускная труба 103 располагается рядом с плавучей трубой 102 постольку, поскольку плавучая труба 102 является надутой, выпускная труба 103 будет находиться выше уровня воды в бассейне. Давление в выпускной трубе 103 может поддерживаться на уровне атмосферного давления в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Благодаря положению и давлению в выпускной трубе 103 она не добавляет дополнительной силы плавучести фотобиореактору 100 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Это может помочь в поддержании желательного положения и/или глубины панели в воде. Другим словами, когда скорость потока продувочного газа регулируется или даже отключается, плавучесть панели не изменяется, что приводит к получению стабильной глубины панели в воде, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0067] Фиг.4 иллюстрирует резервуар, содержащий жидкость 410, жидкость 410 имеет уровень верхней поверхности 402, фотобиореактор 100, фотобиореактор является гибким и плавает в жидкости 410, фотобиореактор содержит камеру 101 роста, содержащую среду, в которой можно выращивать организмы, и балластную камеру 104, содержащую текучую среду, текучая среда имеет эффективную плотность, большую, чем у жидкости 410, так что балластная камера 104 прикладывает силу к фотобиореактору 100, действующую в направлении вниз, как показано стрелкой 404. Фиг.4 иллюстрирует также плавучую камеру 102, содержащую другую текучую среду, например воздух, так что плавучая камера 102 прикладывает к фотобиореактору вторую силу, действующую в направлении вверх, как показано стрелкой 406. Эти силы плавучести помогают поддерживать фотобиореактор 100 в вертикальном положении, как иллюстрируется на фиг.4, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0068] В одном из вариантов осуществления (не показано) часть выпускной трубы 103 и плавучей трубы 102, расположенных на одном краю фотобиореактора 100, будут существовать без балластной трубы 104 или с балластной трубой уменьшенного диаметра, расположенной непосредственно под ними. Фиг.18 иллюстрирует балластную камеру 104, имеющую конусообразный край в положении 180, которая конфигурируется для создания меньшего балласта в области под выпускным проходом 111. В случае когда остальная часть фотобиореактора погружается, аккумулируемый продувочный газ будет аккумулироваться по направлению к краю фотобиореактора с конусообразной балластной камерой 104, который будет находиться в воде выше, чем остальная часть фотобиореактора, поскольку она имеет меньше балласта в этом положении. Другими словами, это смещает эту часть панели 100 таким образом, что она находится в бассейне выше, чем остальная часть фотобиореактора. Следовательно, если в плавучей трубе 102 возникнет протечка, что вызовет неотвратимое погружение фотобиореактора 100, эти края без балласта (или с уменьшенным балластом) должны захватывать воздух в выпускной трубе 103 за выпускным проходом 111 (который в основном представляет собой пустое пространство или "заполненное газом пространство" в камере 101 выше свободной поверхности 113 сред), и панель 100 должна находиться выше поверхности воды в бассейне в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Поддерживание выпускных проходов 110, 111 выше уровня воды в бассейне сводит к минимуму или к нулю вероятность того, что вода из бассейна попадет в фотобиореактор, или что среда уйдет в воду бассейна в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0069] В некоторых случаях может быть желательно позволить фотобиореакторам 100 опуститься под воду для предотвращения повреждений, вызываемых неблагоприятной погодой, такой как град, шторм и тому подобное. Это может осуществляться посредством откачки некоторого количества или всего газа из плавучей трубы 102 с получением равнодействующей силы, действующей в направлении вниз, создаваемой балластной трубой 104. Тогда балластная труба 104 утонет, например опустится на дно бассейна с водой. Различные проходы, описанные в настоящем документе, могут прикрепляться к трубам для дополнения и/или удаления и/или для протекания газов или текучих сред; как таковые, текучие среды в балластной трубе 104 и плавучей трубе могут контролироваться для того, чтобы поддерживать выпускной проход 111 для газа выше уровня верхней поверхности воды (или другой жидкости) в резервуаре, в котором плавает фотобиореактор, независимо от того, погружается ли или всплывает остальная часть фотобиореактора, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0070] Как иллюстрируется на фиг.19, другая ситуация, когда может быть желательным погружение фотобиореактора на дно бассейна, возникает во время сбора урожая сред в камере 201. В частности, после того как газ из плавучей трубы откачивают, заставляя фотобиореактор 100 погружаться на дно бассейна, газ может нагнетаться в одну сторону камеры 201 для удерживания водорослей через выпускной проход 210. Это заставит эту сторону фотобиореактора (сторону, противоположную проходу для сбора урожая) принудительно перемещать водоросли и среду в камере для удерживания водорослей в направлении другой стороны реактора, где их можно извлекать через проход 207 для сбора урожая/высевания, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0071] Система фотобиореакторов в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения включает набор емкостей для удерживания со встроенными прозрачными гибкими стенками, которые содержат плавучую камеру (например, трубу, заполненную воздухом в верхней части), камеру для удерживания питательной среды для водорослей с областью для выпуска газа, находящуюся рядом с плавучей камерой над питательной средой для водорослей, камеру для продувочного газа (например, трубу под камерой для удерживания питательной среды для водорослей) и камеру для удерживания балласта в нижней части, содержащую материал (например, соль и воду и/или песок и воду и/или другой материал с более высокой плотностью, который является текучим, для целей заполнения и пополнения) с плотностью, превышающей плотность пресной или морской воды, так что когда каждая камера заполняется до соответствующего уровня, емкость 100 всплывает в воде до уровня поверхности воды и достигает высоты, соответствующей уравновешиванию сил плавучести.
2
2
[0072] Такой вариант осуществления предусматривает работу в режиме выращивания в виде плавучего удерживания. В режиме подъема для сбора урожая он предусматривает заполнение удерживающей емкости для сбора урожая водорослей газом (например, воздухом и/или CO и/или N и тому подобным), начиная с одного края емкости, с получением подъема емкости в целом на достаточную высоту, чтобы вызвать появление потока питательной среды для водорослей в противоположную сторону емкости для сбора урожая, под действием силы тяжести или с помощью насоса. В конструкции с поршневым потоком это обеспечивает такую же работу, как и в режиме выращивания, за исключением того, что можно осуществлять периодический приток и отток сред и питательной среды для водорослей посредством как расширения, так и сокращения емкости для питательной среды для водорослей, для управления потока и поддержания стабильного положения всплывания, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Такая конструкция устраняет или уменьшает затраты, связанные с присоединением дорогостоящей балластной трубы к нижней части фотобиореактора, включая работу по сборке, соединительные материалы и создание плоского дна бассейна для обеспечения выравнивания панели таким образом, чтобы не создавался выпускной поток. Возникновение выпускного потока может вызывать нежелательный подъем емкостей, утечку и потери водорослей. Упомянутый в заглавии фотобиореактор может также сделать возможными применения вдали от берега и предотвращение затрат на связывание с землей.
[0073] Плавучая камера может надуваться и сдуваться (например, посредством добавления или удаления воздуха или другого газа, используемого для заполнения плавучей камеры), чтобы контролировать глубину емкости 100 в целом, а также, чтобы позволить ей погружаться ниже поверхности 402 воды или на дно бассейна или лагуны, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Это обеспечивает защиту емкости 100 фотобиореактора во время дождливой или штормовой погоды, ветра, града, снега и тому подобного. Погружение фотобиореактора 100, таким образом, также облегчает периодическую очистку наружной площади, которая обычно соприкасается с воздухом, посредством предоставления воде возможности для отмывания аккумулированных остатков, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0074] Выпускная область 103 выше питательной среды 101 для водорослей поддерживается выше бассейна с водой (или сходного объема воды) с помощью плавучей камеры 102, что позволяет выпускной камере 103 поддерживать адекватную область потока для удаления выпускных газов из фотобиореактора 100 без создания значительного обратного давления из-за потерь, связанных с потоками, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Это расположение обеспечивает не содержащий препятствий выпускной путь из емкости с минимальным обратным давлением в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Такое расположение сводит к минимуму нежелательное надувание и последующую всплываемость камеры 101 роста, которые могут вызывать потери питательной среды для водорослей через соединительный выпускной проход 111, а также ухудшение контроля продувки и общую нестабильность емкости.
[0075] Выпускнойвыход 111 для высвобождения позиционируется таким образом, чтобы он находился выше наружной поверхности 402 воды, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В случае отказа подачи газа в систему и последующего перезапуска подачи газа эта конфигурация предотвращает необходимость очистки выпускного выхода 111 для высвобождения от питательной среды для водорослей либо вручную, либо с помощью отдельного механизма, для восстановления функции выпуска в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0076] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения геометрия продувочных отверстий (отверстий, проделанных между продувочной трубой 112 и камерой 101 роста), которые имеют такую форму, которая вызывает изгибное или открывающееся расширение во время продувки, для разрушения образующихся мостиков или отложения вокруг продувочных отверстий, для сведения к минимуму ограничений потока, связанных с биологическим обрастанием. Как иллюстрируется на фиг.5 и 6, такие продувочные отверстия могут представлять собой скорее щели 502, чем круглые отверстия, и могут также быть сформированы в других формах в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Биологическое обрастание и осаждение солей в некоторых обстоятельствах дают тенденцию к образованию отложений вокруг продувочных отверстий и поверх них. Щель 502 имеет характеристику изгиба, когда давление, действующее на нее, повышается, как иллюстрируется с помощью открытой щели 506, и закрывания, когда давления на нее не оказывают, как иллюстрируется с помощью закрытой щели 502, предотвращая, таким образом, обратное протекание, а также уменьшая биологическое обрастание, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0077] Как показано на фиг.7, размещение продувочных отверстий может осуществляться стратегически для доведения до максимума перемешивания и обеспечения размеров и формы пузырьков, которые должны возникать вблизи стенки 706 емкости для водорослей, для обеспечения гидродинамической очистки стенки 706, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Это может уменьшить или устранить биологическое обрастание до такой степени, что оно сводит к минимуму помехи для проникновения света в питательную среду для водорослей в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают механизм очистки с помощью пузырьков, который является очень экономичным по сравнению с ручными механическими или химическими способами.
[0078] Добавки к материалу удерживающей емкости могут быть использованы для подавления биологического обрастания областей удерживания питательной среды для водорослей, областей для продувочного газа, балласта и плавучести в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Гидрофобные, гидрофильные, имеющие низкую адгезию и/или токсичные добавки могут добавляться к материалу удерживающей емкости, например полиэтиленгликоль (PEG), сверхразветвленный фторполимер (HBFP), полиэтилен (PE), поливинилхлорид (PVC), полиметилметакрилат (PMMA), природный каучук (NR), полидиметилсилоксан (PDMS), полистирол (PS), перфторполиэфир (PFPE), политетрафторэтилен (PTFE), силиконы и производные и тому подобное. Обработку пленки в коронном разряде также можно использовать, чтобы увеличить гидрофильность поверхности пленки, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0079] Добавки к питательной среде для водорослей и/или средам могут быть использованы для подавления биологического обрастания и вспенивания питательной среды для водорослей в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Гидрофобные, гидрофильные, имеющие низкую адгезию и/или токсичные добавки могут быть добавлены к питательной среде для водорослей и/или к средам, например PEG, силиконы и производные, биоциды, фторуглероды, четвертичные амины в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0080] Добавки и поверхностная обработка поверхностей удерживающей емкости могут быть использованы для повышения уровней света и оптимизации распределения света, чтобы довести до максимума рост, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Белые поверхности, полуотражающие, структурированно непрозрачные и/или текстурированные поверхности, увеличивают уровень диффузного света для данного уровня фотосинтетически активного излучения ("PAR"). Водоросли являются значительно более эффективными при использовании только лишь части солнечного света, чтобы довести до максимума рост и свести к минимуму фотоингибирование. Использование белого пластика 803 вместо прозрачного пластика на балластной камере 104 дает искривленную отражающую поверхность для рассеяния и диффузного распределения большего количества света, чем можно получить с помощью прозрачной поверхности, имеющей цвет глины, используемой для балласта, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Нижняя часть 802 балластной камеры 104 может армироваться, например, с помощью дополнительного слоя или более толстого слоя, чтобы лучше противостоять проколам. Белый пластик 803 может также служить для замены белого покрытия на дне бассейна, чтобы отражать свет, это может понизить стоимость способа получения покрытия в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0081] Размер и/или диаметр балластной емкости 104 может выбираться для обеспечения механизма контроля разделительного расстояния D между соседними емкостями 900a, 900b, как иллюстрируется на фиг.9. Таким образом балластная труба 104 может выполнять две функции, тем самым понижая затраты: для контроля экспонирования света и для управления разделительным расстоянием между панелями в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0082] Природа плавающей емкости делает возможной конфигурацию, которая реагирует на действие волн в бассейне и лагуне в форме перемешивания питательной среды для водорослей, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Это является очень дешевой формой энергии, доступной для перемешивания питательной среды для водорослей с целью увеличения или поддержания высоких скоростей роста и для уменьшения или устранения потребления энергии для продувки, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0083] Различные емкости 101, 102, 104 фотобиореактора 100 могут иметь стратегически размещенные армирующие материалы, примененные к каждой области удерживания, и/или использовать более толстые материалы для обеспечения устойчивости, чтобы пережидать дождливую погоду и действие волн в большом объеме воды, озере или океане, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Например, нижняя поверхность 802 балластной камеры 104 может армироваться, как обсуждается выше.
[0084] Как показано на фиг.10 и 11, верхняя часть фотобиореактора 100 может содержать один или несколько клапанов 1002, 1004 или выступов плавучей емкости 102 для удерживания, которые могут быть сконструированы либо из материала емкости, либо из какого-либо другого плавучего пластика, который может соединяться с исходным материалом, для того, чтобы служить сегментированным покрытием, которое перекрывается с соседним фотобиореактором 100, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Альтернативно вместо перекрывания с соседним фотобиореактором такие верхние клапаны 1002, 1004 могут просто покрывать верхнюю поверхность воды между соседними фотобиореакторами 100 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Такие клапаны или выступы могут сводить к минимуму испарения, уменьшая тем самым потребление воды, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Такая конфигурация представляет собой очень недорогой способ сведения к минимуму испарения, поскольку стоимость материалов может быть очень низкой, и потребовались бы только минимальные затраты труда по сравнению с установкой отдельных покрытий для удерживания тепла или сведения к минимуму испарений. Такие клапаны 1002, 1004 можно также использовать в качестве альтернативного пути для поддержания соответствующего расстояния между панелями в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Фиг.11 иллюстрирует множество расположенных рядом фотобиореакторов 100 с расположенными сверху клапанами 1002, 1004, направленных к соседним фотобиореакторам 100, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0085] Фиг.12 иллюстрирует альтернативный фотобиореактор 1200 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Фотобиореактор 1200 содержит фиксированные карманы для воздуха 1202, которые могут привариваться к боковой стороне основного материала панели. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, воздух не может вводиться или удаляться из фиксированных карманов 1202 для воздуха, так что они могут формироваться с достаточно малым объемом, чтобы сделать возможным контроль глубины фотобиореактора 1200, чтобы контролировать его на основе объема балласта 104 и/или скорости продувки. Между фиксированными карманами 1202 для воздуха находятся карманы 1204 для продувочного газа, которые представляют собой области, которые содержат продувочный газ 1208, после того, как его барботировали через камеру роста и перед его выпуском, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Выходные отверстия 1206 могут формироваться в верхней части одного или нескольких карманов 1204 для продувочного газа, чтобы сделать возможным выход продувочного газа 1208 из фотобиореактора 1200, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Эти выходные отверстия 1206 могут формироваться, например, оставляя верхние края слоев материала фотобиореактора не сваренными. В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения два или более фиксированных кармана 1202 для воздуха могут находиться в сообщении по текучей среде друг с другом.
[0086] Фиг.13 иллюстрирует общий вид в частичном поперечном сечении другого альтернативного фотобиореактора 200 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Фотобиореактор 200 является сходным с фотобиореактором 100; однако фотобиореактор 200 является более симметричным, что стало возможным с помощью плавучей трубы, которая изменяется вдоль длины фотобиореактора 200 между трубой 142 полного диаметра и набором двух меньших труб 144, 146, расположенных одна поверх другой, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Заполненное газом пространство 143 располагают выше плавучих труб 142, 144, 146, и продувочный газ из продувочной камеры 112 получает возможность прохождения через плавучую трубу в заполненное газом пространство 143 в положениях плавучих труб 144, 146 меньшего диаметра в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Эта плавучая труба с переменной структурой может быть сформирована посредством использования множества (например, четырех) слоев пластиковой прокладки и размещения селективных линий сварки по длине как до, так и после складывания и/или перекрывания слоев. Краска (например, краска для маркировки), размещенная на пленке, предотвращает сваривание слоев в выбранных положениях с формированием различных камер и структур, как иллюстрируется на фиг.16. Например, сварные швы 152 на внутренних слоях в основном создают линию разделения между плавучей трубой 144 и плавучей трубой 146, в то время как сварные швы 153 на наружном слое создают в основном плавучие трубы 142 большего диаметра в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Фиг.16 дополнительно иллюстрирует три стадии формирования фотобиореактора на фиг.13-15 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, а фиг.17 иллюстрирует размещение проходов во время изготовления фотобиореактора на фиг.13-15 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0087] Различные модификации и дополнения могут быть выполнены по сравнению с обсуждаемыми иллюстративными вариантами осуществления без отклонения от объема настоящего изобретения. Например, в то время как варианты осуществления, описанные выше, относятся к конкретным признакам, объем настоящего изобретения также включает варианты осуществления, имеющие различные сочетания признаков и вариантов осуществления, которые не включают всех описанных признаков. Соответственно объем настоящего изобретения, как предполагается, охватывает все такие альтернативы, модификации и варианты как попадающие в объем формулы изобретения вместе со всеми ее эквивалентами.