光生物反应器装置和方法制造方法及图纸

提供了用于生物质生产和环境污染修复的光生物反应器装置和单元。生物反应器装置包括膜光生物反应器(PBR)，PBR包含液体介质、至少一种光合微生物和至少一个外膜层，其中膜层由穿过膜层的气体传递可透过的材料组成；并且还包括限定封闭在其中的气态气氛的腔室，其中PBR位于腔室内。该装置还包括控制腔室内气氛组成的控制系统。气体转移穿过PBR的膜层发生，在PBR与腔室内包含的气氛之间发生。提供了包括所述装置的系统以及使用所述装置生产生物质、废水修复和去除大气污染物的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光生物反应器装置和方法
本专利技术涉及可用于产生生物质并有助于环境修复的光生物反应器装置。这种装置还可以从环境中除去诸如二氧化碳和氮氧化物的气体并且可以产生氧气。
技术介绍
由于全球转向依赖基于化石燃料的能源，生物质在能源产生、化学品生产、食品和饲料成分生产以及其他工业和环境应用方面变得越来越重要。来自微生物的生物质是特别令人感兴趣的，因为它可以比其他类型的陆地农业生物质(例如玉米和大豆)更快地生产，并且一旦收获，它可以被加工(例如通过发酵或精制)以生产出生物燃料，例如生物柴油、乙醇、丁醇和甲烷(生物气)和/或生产有价值的化学品和营养素和/或生产食品和饲料成分。US2014/186909描述了由透明(或半透明)柔性聚合物膜制成的光生物反应器胶囊，其被分成多个相邻通道，与流体分配结构连通。US2015/0230420涉及光生物反应器以及配备有这种光生物反应器的生物气单元，其使用透明管道系统来流过培养悬浮液，以水平的形式配置以便能够在几个水平上进行培养。DE102012013587涉及一种光生物反应器，其包括限定由壁界定的反应室的一次性袋，以及紧邻所述壁布置的光源。US2014/0093924描述了具有光合、自发酵微生物的平板生物膜光生物反应器系统，其形成生物膜，并且通过光合作用和随后的自动发酵制备化学产品。WO2015/116963涉及限定除了至少一个允许引入气体和/或营养物的开口之外基本上封闭的系统的生物反应器。以这样的方式引入气体和/或营养物，以便在生物反应器中提供细胞培养物的混合和通气。US2009/305389涉及包括柔性外袋的光生物反应器，其中膜管位于外袋内，允许将高浓度的二氧化碳引入其中所含的培养基中。US2012/329147描述了一种水生藻类生产设备，其采用支撑组件和浸没在水表面附近的一簇漂浮的CO2/O2可渗透光生物反应器。US2012/040453涉及生物反应器，其包括至少两个室，所述至少两个室由透氧膜隔开，使用携氧分子将氧输送至细胞培养物。US2015/275161描述了一种光生物反应器，其包括涂覆有光自养单细胞生物的高密度培养物的薄层的塑料薄片。US2010/261918涉及从藻类生物质中分离脂质油用于生物燃料生产的方法，包括破坏藻类细胞并从受破坏的细胞中分离脂质油，然后将脂质油转化为生物燃料。US2014/144839涉及使用来自污泥处理的流出物培养微藻的设备和方法，包括提供有好氧消化室的流出物的微藻培养反应器。US8409845描述了具有CO2/O2交换膜的柔性袋，其悬浮在第一液体(例如海水)中，其在第二液体中培养藻类以产生烃。光生物反应器(PBR)消耗CO2并产生O2，其必须分别从包含在其中的液体介质中引入和除去。高浓度的CCO2可以促进光合微生物的生长，也可以是一系列其他参数，例如最佳温度、最佳pH以及高水平营养和照度的存在。CO2经常被基于膜的PBR的液体介质中的光合生物消耗，并且大气CO2分压(pp)不总是足够高以维持足够的CO2通过膜转移以补充或维持高浓度的CO2。结果，在液体介质中可能不能保持最佳的CO2浓度。这表明需要有效且经济地控制PBR的液体介质中的CO2浓度。鉴于该问题，本领域中存在将PBR浸入液体中的趋势，这允许更有利地控制跨膜的CO2pp。还需要提供用于碳捕获和隔离(CCS)的新机制，即，防止CO2释放或从大气中去除CO2，以减少CO2相关气候变化的影响。这种机制的目的是将CO2转化为可用或可储存的形式。气氛可包括标准环境气氛或已经改性的气氛，例如通过引入废气。高浓度的O2可能对光合生物如藻类有毒，并且可以减少这些生物的生长，从而降低生物质生产率。O2产生作为微生物光合作用的废物，因此必须从液体介质中除去以保持合适的O2水平。大气O2饱和水中O2的浓度可高于光合微生物生长的最佳O2浓度水平。另外，PBR的液体介质中的O2浓度与周围大气中的O2的pp之间的差异可能不足以实现O2的快速和有效的消耗。因此，还需要以有效和经济的方式控制液体介质中O2的浓度和/或除去过量的O2。同样，本领域中用于解决该问题的一种标准方法是确保膜PBR被液体包围。pH是光合生物最佳生长的另一个重要因素。气体输送可用于控制液体介质中的pH水平以达到所需的理想值，其中CO2能够影响溶液pH，以及其他可能性，包括NH3(氨)。某些气体还刺激特定微生物的特定生理活动，这些气体通常不存在于自然气氛中。结果，有效和经济地将特定气体输送到液体介质或从液体介质中除去特定气体提供了刺激特定微生物活性的手段。液体介质中气体浓度的变化可能来自多种来源，例如环境或气候变化，PBR的不同应用或装置，其中所含微生物的差异，培养参数或生产的生物质的变化，或微生物活动的变化。因此，需要适应性地控制某些气体的浓度，包括但不限于包含在膜PBR内的液体介质中的CO2和O2，以便(i)刺激特定的微生物活性和/或(ii)增加生物质生产率和/或(iii)改变所生产的生物质的化学组成。本专利技术解决了现有技术中存在的问题，尤其是从生物质生产有价值的产品、改进CCS以及更高效地控制PBR系统。根据本文提供的教导，本专利技术的这些和其他用途、特征和优点对于本领域技术人员而言应该是显而易见的。专利技术概述根据本专利技术的第一方面，提供了用于生产生物质的装置，该装置包括膜光生物反应器(PBR)，PBR包括液体介质、至少一种光合微生物和至少一个外膜层，其中膜层由透过膜层的气体转移可渗透的材料构成。该装置还包括限定封闭在其中的气态气氛的腔室，其中PBR位于腔室内；以及控制腔室内气氛组成的控制系统。气体转移透光PBR的膜层发生在PBR与腔室内包含的气氛之间。适当地，腔室基本上是不透气的。在本专利技术的一些实施方案中，腔室包括多个壁，并且至少一个壁或其部分允许可见光通过其进入腔室内部。腔室还可包括照明源。在本专利技术的一些实施方案中，腔室的壁可以是基本上刚性的。腔室的壁可包括乙烯-四氟乙烯(ETFE)。在本专利技术的一些实施方案中，PBR的膜层可以是半透明的，通常基本上是透明的，并且可以包含聚硅氧烷。PBR可以在所有侧面上基本上被腔室内的气氛包围。在本专利技术的一些布置中，多个PBR可以位于腔室内，并且PBR的液体介质可以流体连通。其他布置可包括根据上述任一项的多个装置，其中多个PBR的液体介质是流体连通的；并且多个腔室的气氛是流体连通的。在本专利技术的一些实施方案中，所述至少一种光合微生物选自包括以下的组中的一种或多种：红球藻，雨生红球藻，沙漠小球藻，自养小球藻，小球藻，多棘栅藻，蓝细菌，拉长同球菌，集胞藻，节旋藻属，钝顶节螺藻，极大节螺藻，螺旋藻，南极冰藻，莱茵衣藻，异形藻属，群动盖丝藻，林氏藻属，拟色球藻属，角叉菜属，蓝舌菌属，振荡藻属，粘杆藻属，微鞘菌属，微囊藻属，念珠藻属，微拟球藻，鱼腥藻，褐指藻属，三角褐指藻，杜氏藻，杜氏盐藻。在一些实施方案中，本专利技术的装置可以分成两个或更多个部分，以提供至少第一腔室部分和第二腔室部分。在一些实施方案中，控制系统配置成将富含CO2的气体引入腔室或一个或多个腔室部分中。控制系统可以配置成将O2耗尽的气体引入腔室或一个或多个腔室部分。在一些实施方案中，控制系统可以配置成将来自工业源的排出气体引入腔室或一个或多个腔室部分。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于生产生物质的装置，该装置包括：膜光生物反应器(PBR)，所述PBR包含液体介质、至少一种光合微生物和至少一个外膜层，其中所述膜层由透过膜层的气体转移可渗透的材料构成；以及限定封闭在其中的气态气氛的腔室；其中所述PBR位于所述腔室内；以及控制所述腔室内的大气成分的控制系统；其中气体转移透过所述PBR的膜层发生在PBR与所述腔室内包含的气氛之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.01 GB PCT/GB2016/053786;2017.06.05 GB 17081.用于生产生物质的装置，该装置包括：膜光生物反应器(PBR)，所述PBR包含液体介质、至少一种光合微生物和至少一个外膜层，其中所述膜层由透过膜层的气体转移可渗透的材料构成；以及限定封闭在其中的气态气氛的腔室；其中所述PBR位于所述腔室内；以及控制所述腔室内的大气成分的控制系统；其中气体转移透过所述PBR的膜层发生在PBR与所述腔室内包含的气氛之间。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述腔室包括多个壁，并且至少一个壁或其部分允许可见光透过所述腔室进入所述腔室的内部。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述腔室包括照明源。4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述腔室的壁基本上是刚性的。5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述腔室的壁包括乙烯-四氟乙烯(ETFE)。6.根据前述权利要求中任一项的装置，其中所述PBR的膜层是半透明的，通常是基本上透明的。7.根据前述权利要求中任一项的装置，其中所述PBR的膜层包含聚硅氧烷，通常为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中通过所述PBR的膜层的氧的渗透系数选自：不小于约至少100，合适地不小于至少200，至少300，至少400，至少500，至少650，至少750，合适地至少820巴尔。9.根据前述权利要求中任一项的装置，其中通过所述PBR的膜层的二氧化碳(CO2)的渗透系数选自：不小于至少400，至少600，至少800，至少1000，至少1500，至少2000，至少2200，至少2500，至少2800，至少2900，至少3000，至少3100，至少3200，至少3300，至少3400，至少3500，至少3600，至少3700，至少3800，合适地至少3820巴尔。10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述PBR在所有侧面上基本上被所述不透气腔室内的气氛包围。11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，包括位于所述腔室内的多个PBR，其中所述PBR的液体介质是流体连通的。12.根据前述权利要求中任一项的装置，其中所述至少一种光合微生物选自包括以下的组中的一种或多种：红球藻，雨生红球藻，沙漠小球藻，自养小球藻，小球藻，多棘栅藻，蓝细菌，拉长同球菌，集胞藻，节旋藻属，钝顶节螺藻，极大节螺藻，螺旋藻，南极冰藻，莱茵衣藻，异形藻属，群动盖丝藻，林氏藻属，拟色球藻属，角叉菜属，蓝舌菌属，振荡藻属，粘杆藻属，微鞘菌属，微囊藻属，念珠藻属，微拟球藻，鱼腥藻，褐指藻属，三角褐指藻，杜氏藻，杜氏盐藻。13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述腔室被分成两个或更多个部分，以提供至少第一腔室部分和第二腔室部分。14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述控制系统被配置为将富含C...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·P·梅尔乔里，
申请(专利权)人：奥博拉有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB