培養(yǎng)光養(yǎng)生物的光生物反應(yīng)器的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】培養(yǎng)光養(yǎng)生物的光生物反應(yīng)器
[0001]本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1序言所述的光生物反應(yīng)器，一種如綜合權(quán)利要求所述的光生物反應(yīng)器內(nèi)的一種支承構(gòu)件的布置，以及一種配備有該光生物反應(yīng)器的生物沼氣
目.0
[0002]由于其豐富的高品質(zhì)生物質(zhì)屬性，光養(yǎng)生物(例如藻類(lèi))可以被方便用于生物沼氣生產(chǎn)。在該過(guò)程中，可以在特殊的光生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)光養(yǎng)生物，然后在盡可能最佳的條件下在發(fā)酵罐(也被稱(chēng)為生物反應(yīng)器)內(nèi)將其發(fā)酵為生物沼氣。
[0003]對(duì)于光養(yǎng)生物的培養(yǎng)，通常具有開(kāi)放式和封閉式生產(chǎn)系統(tǒng)。在開(kāi)放式生產(chǎn)系統(tǒng)中，例如開(kāi)放式水池，光養(yǎng)生物在戶(hù)外培養(yǎng)，并且光養(yǎng)生物生長(zhǎng)所需要的光基本上由可用日光提供。在這種情況下，生物培養(yǎng)過(guò)程中存在污染危險(xiǎn)，特別是環(huán)境影響所帶來(lái)的危險(xiǎn)，例如風(fēng)和外來(lái)物質(zhì)，這主要由開(kāi)放式布置所造成。最后，外來(lái)物質(zhì)也可能會(huì)引起培養(yǎng)的生物突變?yōu)槲粗幕蛴泻Φ脑孱?lèi)等，并因此會(huì)污染裝置的其他部件。例如對(duì)于藻類(lèi)，該生產(chǎn)系統(tǒng)的目標(biāo)溫度調(diào)節(jié)是生物培養(yǎng)的一個(gè)重要因素，其適宜范圍介于16-22?之間，但這通常難以實(shí)現(xiàn)。
[0004]DE 4134813 Al文件介紹了封閉式生產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)將日光以及人造光用于光養(yǎng)微生物的培養(yǎng)。該裝置包括彎曲狀通道，用于培養(yǎng)基流過(guò)。在一個(gè)實(shí)施例中，該通道布置在平行平面板之間并懸吊在一個(gè)框架上，同時(shí)可以轉(zhuǎn)動(dòng)，以改進(jìn)光線(xiàn)入射。
[0005]此外，光生物反應(yīng)器與生物沼氣裝置之間的聯(lián)接是已知的(DE 102010001907Al)，其中提供了一個(gè)光生物反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)管道以彎曲狀布置。結(jié)構(gòu)管道的布置具有一個(gè)傾斜角度，并且結(jié)構(gòu)管道具有特殊的表面形狀，以防止生物膜的形成。
[0006]在封閉式生產(chǎn)系統(tǒng)中，該復(fù)雜的結(jié)構(gòu)存在著問(wèn)題，并很難以一種經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的光養(yǎng)生物的培養(yǎng)。在引言中提到的光生物反應(yīng)器類(lèi)型在設(shè)計(jì)上主要用于有限的生產(chǎn)量。對(duì)于工業(yè)規(guī)模的光生物反應(yīng)器或生物沼氣裝置，有必要以一種便于維護(hù)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高該系統(tǒng)的可用性并確保最佳操作。
[0007]此外，植物或動(dòng)物殘余物和有機(jī)廢物被越來(lái)越多地用作光養(yǎng)生物的培養(yǎng)以及生物沼氣生產(chǎn)的基質(zhì)。大量生物沼氣被生產(chǎn)，尤其在人口密集的新建居民區(qū)，但是，在城市規(guī)劃中，通常無(wú)法考慮大規(guī)模的光生物反應(yīng)器或生物沼氣裝置。一般情況下，光生物反應(yīng)器或生物沼氣裝置在偏遠(yuǎn)地區(qū)使用。反過(guò)來(lái)，基質(zhì)材料的必要運(yùn)輸影響了光生物反應(yīng)器或生物沼氣裝置的成本效益。
[0008]除非下文另有說(shuō)明，上述的特征可以以任何方式與下文描述的本發(fā)明的標(biāo)的物組合，即可單獨(dú)使用，也可任意組合。
[0009]本發(fā)明的一個(gè)目的是進(jìn)一步開(kāi)發(fā)一種光生物反應(yīng)器或生物沼氣裝置。
[0010]本發(fā)明的該目的通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的光生物反應(yīng)器，以及具有所述協(xié)調(diào)權(quán)利要求的特征的制品來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利的實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中顯而易見(jiàn)。
[0011]因此，根據(jù)該提案，提供了一種用于培養(yǎng)懸浮液流過(guò)的透明管道系統(tǒng)，優(yōu)選地，用于光養(yǎng)生物生長(zhǎng)的所述管道的朝向采用大致水平的方式。本發(fā)明意義上的培養(yǎng)懸浮液包括用于光養(yǎng)生物培養(yǎng)的營(yíng)養(yǎng)液。在藻類(lèi)培養(yǎng)的情況下，培養(yǎng)懸浮液主要構(gòu)成了藻類(lèi)基質(zhì)。此夕卜，該透明管道系統(tǒng)以水平層級(jí)方式布置，尤其是至少兩個(gè)水平層級(jí)，優(yōu)選地采用四個(gè)以上的水平層級(jí)。因此，該管道系統(tǒng)的水平層級(jí)布置對(duì)應(yīng)于數(shù)個(gè)層級(jí)的管道的大致水平情況。優(yōu)選地，處于一個(gè)水平層級(jí)的管道或管段的間距要顯著小于水平層級(jí)之間的間距。因此，這樣可保證水平層級(jí)結(jié)構(gòu)的管道或管段的空間節(jié)省。該透明管道系統(tǒng)的水平層級(jí)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)表面面積的有效利用。這樣，可以減少對(duì)光生物反應(yīng)器或配備該光生物反應(yīng)器的生物沼氣裝置的表面面積的要求。同時(shí)，由于管道的水平層級(jí)布置，這能夠以一種高效的方式提供較大的管道容量，以便培養(yǎng)懸浮液(例如藻類(lèi)基質(zhì))流過(guò)，并將其充分暴露于光線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)最佳的光合作用。這可以避免培養(yǎng)懸浮液(例如微型藻類(lèi)基質(zhì))流經(jīng)的管道系統(tǒng)的不利遮陰情況，而這一問(wèn)題是常見(jiàn)的。因此，這可以提高整個(gè)光生物反應(yīng)器或生物沼氣裝置的效率。
[0012]為了使透明管道系統(tǒng)避免受到天氣影響并達(dá)到保溫效果，在一個(gè)實(shí)施例中提供了外殼，該外殼的一些部位具有透光性。外殼的上部，特別是頂部，優(yōu)選地應(yīng)以一種透光方式布置，以確保盡可能合適的日光入射。
[0013]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，頂部構(gòu)造應(yīng)允許可變的透光率。優(yōu)選地，在頂部提供一種用于氣體流過(guò)的遮蓋物外形的雙層壁結(jié)構(gòu)物。該雙層壁遮蓋物優(yōu)選地被配置成膜結(jié)構(gòu)，例如由塑料(聚乙烯或石墨烯等)構(gòu)成，特別應(yīng)具有極佳的透光性。優(yōu)選地，將石墨烯作為一個(gè)層，在配置上尤其應(yīng)采用通過(guò)施加電壓可改變光透射率的方式，例如通過(guò)一種液體中的金屬微粒(細(xì)金屬肩等)的磁化。相應(yīng)地，可磁化的液體可流過(guò)該雙層壁結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，光透射率是可調(diào)節(jié)的，使得能夠?qū)崿F(xiàn)50%至低于3%的反射率。優(yōu)選地，在作為遮蓋物的該膜的布置實(shí)現(xiàn)方式上，該膜可以通過(guò)光生物反應(yīng)器內(nèi)的過(guò)壓被充氣，并因此可形成穩(wěn)定的頂部。因此，通過(guò)密封連接件，例如卡環(huán)，雙層壁遮蓋物在外殼和光生物反應(yīng)器壁面上可以密封。氣體可以流過(guò)該雙層壁遮蓋物，以便實(shí)現(xiàn)頂部的可變透光率。優(yōu)選地，可以在雙層壁遮蓋物內(nèi)導(dǎo)流的氣體可選自甲烷、丙烷、丁烷或乙烷。該氣體在流經(jīng)方式上，應(yīng)能夠根據(jù)外部環(huán)境條件，有目標(biāo)地調(diào)節(jié)頂部的透光率以及管道系統(tǒng)內(nèi)部的采光。在夏季，或者光線(xiàn)入射較強(qiáng)的情況下，可減小透光率，特別是有害紫外線(xiàn)，以便使光線(xiàn)入射適合光養(yǎng)生物的最佳生長(zhǎng)。原則上，也可以提供由玻璃或塑料等材質(zhì)的板材所制成的雙層壁遮蓋物。
[0014]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，頂部包括一個(gè)頂部結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地采用框架結(jié)構(gòu)形式。如果必要，雙層壁遮蓋物可以布置在該頂部結(jié)構(gòu)上方。此外，該頂部結(jié)構(gòu)優(yōu)選地應(yīng)具有用于升降以水平層級(jí)方式布置的管道系統(tǒng)的裝置。在這種情況下，該水平層級(jí)結(jié)構(gòu)可包括(稍后將會(huì)進(jìn)行說(shuō)明)用于管道系統(tǒng)的管道保持機(jī)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)上應(yīng)特別有利于在頂部結(jié)構(gòu)上提供鋼纜絞盤(pán)，以便能夠通過(guò)鋼纜對(duì)層級(jí)結(jié)構(gòu)或保持機(jī)構(gòu)進(jìn)行靈活的高度調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)單個(gè)管道或管段的高度。特別是，在該情況下，頂部結(jié)構(gòu)被同時(shí)配置為橋式結(jié)構(gòu)，以便能夠通過(guò)輥?zhàn)铀揭苿?dòng)鋼索絞盤(pán)。因此，管道系統(tǒng)的層級(jí)之間的間距能夠以一種可變的方式改變，從而使光生物反應(yīng)器內(nèi)的管道系統(tǒng)的緊湊布置成為可能，以便進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，尤其對(duì)于管道系統(tǒng)的維護(hù)情況。在另一個(gè)實(shí)施例中，在頂部結(jié)構(gòu)上提供了滑架、升降架或類(lèi)似裝置，特別是橋式頂部結(jié)構(gòu)，然后也可以通過(guò)輥?zhàn)舆M(jìn)行移動(dòng)，以確保方便和安全的維護(hù)。
[0015]培養(yǎng)懸浮液(特別是藻類(lèi)基質(zhì))流經(jīng)該透明管道系統(tǒng)的長(zhǎng)度優(yōu)選地至少達(dá)到數(shù)公里，更優(yōu)選地至少到達(dá)10公里。為了提供一種循環(huán)過(guò)程，在一個(gè)實(shí)施例中，該透明管道系統(tǒng)以一種基本上封閉的方式布置。因此，培養(yǎng)懸浮液(例如藻類(lèi)基質(zhì))可以在管道系統(tǒng)中連續(xù)循環(huán)。在該系統(tǒng)中，光養(yǎng)生物的培養(yǎng)可以在數(shù)天內(nèi)發(fā)生。對(duì)于該目的，培養(yǎng)懸浮液特別以一種相應(yīng)的慢速流經(jīng)該管道系統(tǒng)。優(yōu)選地，該速度可以根據(jù)光養(yǎng)生物的期望生長(zhǎng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。該管道系統(tǒng)的管道優(yōu)選地以一種管狀方式配置，以實(shí)現(xiàn)最佳的流通性。管道的直徑優(yōu)選地至少為70mm，更優(yōu)選地不超過(guò)150mm。優(yōu)選地，管道材料采用塑料或玻璃。更優(yōu)選地，采用輕質(zhì)塑料，特別是帶有石墨烯涂層。
[0016]培養(yǎng)懸浮液，特別是藻類(lèi)基質(zhì)，優(yōu)選地包括大型藻類(lèi)和微藻類(lèi)。大型藻類(lèi)(例如絨扇藻屬)具有特殊的自清潔性，可降低維修成本并且生長(zhǎng)效率高，因此是首選藻類(lèi)。額外的微藻類(lèi)(例如螺旋藻)有助于增加藻類(lèi)基質(zhì)的能量產(chǎn)生。特別是，它們隨后僅會(huì)以受控?cái)?shù)量增長(zhǎng)，因?yàn)楣艿纼?nèi)的日光透射會(huì)以其他方式受到限制。以組合的培養(yǎng)懸浮液作為藻類(lèi)基質(zhì)，由于管道系統(tǒng)的自清潔效果，可以提高光生物反應(yīng)器的效率以及光養(yǎng)生物的生長(zhǎng)。
[0017]在另一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)酵基質(zhì)的藻類(lèi)比例優(yōu)選為30-80%。發(fā)酵基質(zhì)和培養(yǎng)懸浮液可進(jìn)一步包含其他組分，例如泥漿、特別是來(lái)自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢物以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，例如蛋白質(zhì)，以增加生物沼氣裝置內(nèi)的甲烷氣的生產(chǎn)。
[0018]為了能夠改進(jìn)透明管道系統(tǒng)的維護(hù)，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該管道系統(tǒng)包括可分離的管段。優(yōu)選地，處于一個(gè)水平層級(jí)的管段在配置上可彼此分離。管道的可分離管段方案可以實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)的逐段維護(hù)。因此可以檢查和修理各個(gè)管段。特別優(yōu)選地，該管道系統(tǒng)在布置上可實(shí)現(xiàn)管段分離，并且不會(huì)影響整個(gè)管道系統(tǒng)。為了這個(gè)目的，可以提供相應(yīng)的旁路管道，從而能夠維護(hù)在管道的同時(shí)，基本上不會(huì)