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使用脉冲流循环用于藻培养的系统和方法
提供使用脉冲流使藻培养设备中的藻循环的系统和方法。为了消除藻培养设备中生物淤积的不利影响,形成脉冲流以周期性地移动通过藻培养设备。脉冲流将去除附着在设备的各个表面的藻细胞,并且它将产生湍流搅动可能已沉淀到设备底部的任何藻细胞。为了产生形成有效的脉冲流所需的增加的流体流速,周期性地填冲有从设备抽出的藻培养物的贮槽位于设备的上方架高的位置处。当被释放时,藻培养物通过传输管行进并行进到设备中,其中重力使藻培养物以很高的速率流动。
【专利说明】使用脉冲流循环用于藻培养的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明大体涉及培育藻的系统和方法。更具体地,本发明涉及一种系统的使用,该系统能够通过将生物淤积引起的混杂最小化以更有效的方式持续培育藻。本发明特别但不排他地作为通过使用脉冲流周期性地搅拌并漂洗藻培养设备来增加藻生长系统的生产率是有用的。
【背景技术】
[0002]随着全球石油矿床减少,对于石油短缺和与碳基燃料来源生产相关的成本的关注上升。其结果是,正在研究当前从石油生产的产品的替代物。经过努力,生物燃料已经被确定为石油基燃料的可能的替代物。在通常情况下,生物柴油是包括源自植物油或动物脂肪的长链
脂肪酸的单烷基酯的燃料。在工业实践中,通过植物油或动物脂肪与醇,如甲醇反应形成生物柴油。[0003]近年来,除了使用动物脂肪,用植物油形成生物燃料也已经得到了广泛的关注。用植物油形成生物燃料的工艺当然必然以培育和收获植物例如藻细胞开始。特别地,藻是已知的用于将太阳能转化为细胞生长的最有效的植物之一,所以它是一种特别令人感兴趣的生物燃料来源。
[0004]在藻培养系统中,在培养设备中将藻细胞典型地作为液体培养基的一部分培育,该液体培养基暴露于阳光以促进光合生长。此外,藻细胞生长过程一般要求该液体培养基通过该系统不断地循环以允许藻细胞摄取营养物。目前使用的符合这些要求的最普遍的藻培养设备中的三种是:(I)光生物反应器;(2)有循环装置的培养池;以及(3)没有循环装置的培养池。尽管这些设备在培育藻时具有许多优点,但有显著缺点,其中有许多涉及生物淤积。在生物淤积的情况下,藻细胞趋向于附着或积聚在各种表面上。特别地,藻细胞附着于透光盖及设备的底部和壁上。重要的是,生物淤积可以显著减少藻培养系统的生产率。具体而言,如果由于藻细胞附着在透光盖而发生生物淤积,则光合作用由于较少的光到达藻细胞而被破坏。此外,当藻细胞在表面上保持静止时,就会出现几个问题
:(I)藻细胞可能会死亡并为像原生动物一样的污染物提供食物来源;(2)藻细胞沉淀到水的表面之下太深将不能接收到足够的光;以及(3)藻细胞不会进行足够移动以摄取漂浮在藻培养物中的营养物质。所有这些问题对有效的藻培养系统造成显著的破坏。
[0005]为了使藻培养物持续循环,已经作出了多种努力。然而,生物淤积仍然对藻培养系统产生显著的影响。第一,由于藻培养系统必须排空和经常清洁以除去已经附着到各种表面上的藻细胞而导致系统的效率受到影响。可以通过使用从表面有力地去除藻细胞的设备或方法以使这些障碍物最少化,并且该设备或该方法还用作动力装置以使系统中的藻细胞循环。
[0006]鉴于上述情况,本发明的一个目的在于提供将生物淤积的影响最小化的培育用于生物燃料生产的藻的系统和方法。本发明的另一个目的在于提供使用脉冲流提高系统效率的用于培育藻的系统和方法。本发明的还另一个目的是提供实施简单、易于使用且比较成本有效的使用脉冲流循环培育藻的系统和方法。
【发明内容】
[0007]按照本发明,提供使用脉冲流使藻培养系统中的藻循环的系统和方法。本发明的基本要素是使用架高的冲洗箱,该冲洗箱用于形成脉冲流。当形成脉冲流后,脉冲流使藻细胞循环,并且去除任何附着于所述藻培养系统的各个组件的藻细胞。
[0008]在结构上,本发明的系统可以适于与目前使用的任何类型的藻培养装置或系统一起使用,或者所述系统可以作为一个独立的藻培养系统使用。目前使用的用于培养藻的两种最常见的装置是光生物反应器或池(有或没有循环装置)。本发明可以适用于任何类型的装置。为了便于比较,光生物反应器是最通常是具有竖直构造的封闭系统,而培养池是开放系统并在表面上以水平构造建立。在任一种情况下,提供冲洗箱以存储已经从藻培养装置中抽出的固定量的藻培养物流出物。作为对本发明的设想,冲洗箱比培养装置位置高,并通过导管连接到所述培养装置。考虑到该高度差,提供循环泵以将来自培养装置的流出物移动到所述冲洗箱中。通常,该泵位于所述藻培养装置的接入点或排水点。更具体地,因为光生物反应器通常被构造成具有竖直取向,所以接入点或排水点是最通常是位于光生物反应器的底部处。而且,培养池将具有指定的排水点或接入点用于从培养池去除液体。在任一种情况下,导管被连接在循环泵和冲洗箱之间。另外,气体交换箱也可包括在系统中以将二氧化碳(CO2)加入到抽出的流出物的一部分,而同时除去氧(O2)。气体交换箱被包括在系统中,以通过提供被藻细胞使用作为营养源的CO2来促进藻生长。根据本发明所设想的,所述气体交换箱接收从藻培养装置抽出的藻流出物,用
CO2对流出物加富,并通过回管将CO2加富流出物再次引入回培养装置中。此外,气体交换箱和冲洗箱可以是同一个。
[0009]可以提供几个组件以控制来自所述冲洗箱的流出物的释放。第一,定时器可以连接到冲洗箱以在预定时间释放流出物。在另一个实施例中,液位开关连接到冲洗箱以在冲洗箱一旦达到预先计划的额定水位标高时释放流出物。如本发明中所设想的,定时器和液位开关都包括用于在该系统中一起使用。替代地,冲洗箱也可以用触发开关手动地触发。通过所述触发方法中的任意触发方法,闸阀从闭合位置移动到打开位置以将来自冲洗箱的流体释放流体到与藻培养装置连接的传输管。在触发时,脉冲迅速地从冲洗箱流入藻培养装置中。
[0010]在操作中,本发明的系统开始通过从藻培养装置抽出一部分藻培养物以产生流出物。然后,通过利用循环泵来将流出物经由所述导管泵送到所述冲洗箱中。流出物保持在冲洗箱中,直到流出物以下列方式之一释放:(I)冲洗阀被手动打开;(2)定时器启动触发器以打开冲洗阀;或(3)—旦流出物达到在冲洗箱内的预定液位时,液位开关就启动冲洗阀以释放流出物。应注意的是,该系统可以使用上述方法的任何组合用于从冲洗箱释放流出物。一旦释放,并且主要由于培养装置和冲洗箱之间的高度差,流出物将迅速流出冲洗箱且通过传输管流到培养装置中以产生流出物的脉冲流。由于流体流速突然增加,脉冲流将去除任何附着于所述培养装置的任意表面的藻细胞。此外,该脉冲流会造成藻培养装置中的湍流。这种湍流会引起大部分
(如果不是全部)已经沉淀在培养装置底部上的藻细胞再次悬浮在藻培养物中。藻细胞的这种移动将促进光合作用并提高漂浮在培养物中的营养物质的获取。在大多数情况下,脉冲流的流动方向与培养装置中的流动方向相同。然而,所述系统还可以与脉冲流的流动方向相反,从而与在培养装置中的藻培养物流动的方向相反。
[0011]一旦流出物被释放,则冲洗箱清空,并且新的脉冲流循环或冲洗循环就可以开始。新的周期在冲洗阀关闭时开始,并且泵抽出流出物以填充冲洗箱。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]将结合所附描述,根据附图最佳地理解本发明的新颖特征以及本发明自身既相对于其结构又相对于其操作,其中相同的附图标记指代相同的零件,并且在附图中:
[0013]图1是本发明的系统与光生物反应器(PBR)—起使用情况下的布局的示意图;
[0014]图2是本发明的系统与具有循环装置的跑道池一起使用情况下的布局的示意图;
[0015]图3是本发明的系统与没有循环装置的倾斜池一起使用情况下的正视图;并且
[0016]图4是本发明的系统与倾斜池一起使用情况下的一部分的细节图。
【具体实施方式】
[0017]首先通过参照图1,示出了本发明的系统并且通常指示为10。在图1中,示出了与光生物反应器12—起使用情况下的系统10,该光生物反应器12具有:入口14,该入口14用于将藻培养物引入光生物反应器12中;和出口16,该出口16用于按需要将藻培养物从光生物反应器12去除。此外,光生物反应器12构造有多个流动通道18a-h,该流动通道18a_h包含在流路8a处开始而通过光生物反应器行进的藻培养物。如所示,所述光生物反应器12的出口16连接到传输管20,通过该传输管20,循环泵22能够将生长中的藻培养物的一部分抽出光生物反应器12。此外,循环泵22连接到导管24,该导管24包括分流阀26,该分流阀26用于将来自所述导管24的藻培养物重定向。所述分流阀26在藻培养物被泵送到冲洗箱28时保持在闭合位置,冲洗箱28构造有入口30和出口32。如本发明所需要的,冲洗箱28存储抽出的藻培养物直到释放。为了释放所述抽出的藻培养物,提供触发器33。在图1中,可以看出所述触发器33包括液位开关34或通过信号线38电连接的定时器36。一旦被启动,所述触发器
33将打开闸阀40,以将所抽出的藻培养物释放到传输管42中,该传输管42被连接在冲洗箱28与光生物反应器12的入口14之间。
[0018]为促进藻生长,设置气体交换箱44以提供CO2到光生物反应器12中的藻培养物。要做到这一点,打开分流阀26,并且从光生物反应器12泵送出流出物。该流出物分流到CO2添加到流出物且O2被去除的气体交换箱44。一旦该气体交换过程完成,则来自气体交换箱44的流出物将通过回管46行进到光生物反应器12以向生长中的藻培养物提供营养物。作为对本发明的设想,将流出物分流到气体交换箱44可以与填充冲洗箱28独立地或在填充冲洗箱28的同时被实现,或所述系统可以被布置成使得冲洗箱还用于气体交换的目的,并且因此所述独立的气体交换箱44和分流阀26可以被去除。
[0019]现在参照图2,示出了与含有藻培养物的跑道池50—起使用的情况下的用于本发明的系统48。在本实施例中,组件中的多个与图1中所示的实施例是相同的。在系统48中,循环泵22将藻培养物的流出物从跑道池50通过排水点52去除到传输管20中。然后,所述流出物通过循环泵22移动到与冲洗箱28的入口30连接的导管24中。如图1的系统10所示,包括液位开关34或定时器36的触发器33控制闸阀40的开口,其允许流出物从冲洗箱28通过冲洗箱28
的出口32释放。一旦释放,流出物迅速通过传输管42行进,且通过入口54行进到跑道池50中以产生脉冲流。在系统48中,脉冲流将产生紊流以迫使沉淀在跑道池50的底部上的藻离开底部并返回到在箭头56a-b的方向上流动的培养物中。此外,如果跑道池50有盖(未示出),则附着到盖的藻将被去除并绕跑道池50流动。
[0020]不像图1所示的系统10,图2中所示的系统48不需要气体交换箱44,这是因为跑道池50是开放的系统,不像所述光生物反应器12是封闭的系统。因此,碳基营养物更容易直接添加到如跑道池50的开放系统。但是,如果需要的话,气体交换箱44和相连的设备(即,分流阀26和回管46)可以以如图1所示的类似构造而添加到系统48中。替代地,所述气体交换可以发生在冲洗箱28中。
[0021]现在参照图3,示出了适于与倾斜池60使用的情况下的系统58。正如可以看到的那样,循环泵22、冲洗箱28、液位开关34、定时器36和闸阀40与图1和图2中大致相同,并分别以与图1的系统10和图2的系统48相同的方式操作。重要的是,脉冲流以与从冲洗箱28释放的流出物相同的方式形成。脉冲流在到达倾斜池60之前进入贮槽62a,而不是进入光生物反应器12或跑道池50。当倾斜池60用于藻培养时,提供容纳在贮槽62a内的主泵64a,以启动流体流。如图3所示,所述倾斜池60被构造成具有多个冲洗闸66a_f,其中相继的冲洗闸
66a_f之间的区域被称为段68a_e。在最后的段68e的端部处,容纳有另一个主泵64b的贮槽62b引导到另一个倾斜池(未示出)。应当注意的是系统58还可以仅构造有冲洗闸66a。在只有冲洗闸66a的情况下,当脉冲流从冲洗箱28释放时,脉冲流将通过倾斜池60的整个长度。当使用多个冲洗闸66a-f时,脉冲流可以被控制,这是因为所有的冲洗闸66a_f可(以与仅使用冲洗闸66a的情况相同的方式)同时打开,或所述冲洗闸66a_f可以每次打开一个。如果每次打开一个冲洗闸,则脉冲流将一次行进经过一个段68a_e。
[0022]仍参照图3,也可以描述替代实施例。在此替代实施例中,所述冲洗箱28被贮槽62替换并容纳泵64a。在这种构造中,可以去除循环泵22,这是因为泵64a被构造成产生脉冲流。在冲洗箱28的高度减小的情况下,泵64a将构造成通过具有产生对于产生脉冲流所需要的高流体流速的能力来弥补重力流的不足。在没有冲洗箱28的情况下,液位开关34或定时器36被结合有忙槽62和主泵64a。在这种布置中,主泵64a被构造成产生脉冲流,并且代替闸阀40,冲洗闸66a用于从贮槽62释放流出物。液位开关34或定时器36可以被设定为以任何顺序开冲洗闸66a-f。
[0023]现在参照图4,示出了两个冲洗闸66a_b之间的段的细节。在图4中,图示了亮和暗循环的概念。更详细地,当冲洗闸