专利名称：用于获得生物燃料的能量光转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及能量光转换器的设计，所述能量光转换器以连续和封闭的 方式起作用，用于通过浮游植物的大规模培养来生产生物燃料以及其它令 人感兴趣的产物。
本发明包括在通过浮游植物生物体的作用开发再生能源的技术领域
之中，所述浮游植物生物体通常属于下列分类的家族(family):绿藻纲、硅 藻纲、甲藻纲、隐藻纲、金藻纲(Chrys叩hyceae)、定鞭藻纲、真绿藻纲、 针胞藻纲(Raphidophyceae)…，通常该分类的家族包括有色植物 (chromophyte)门的种，它们全部特征都在于是有鞭毛或没有鞭毛的单细胞 生物体，并且具有全浮游(终生浮游)生活期，或者它的至少一个生活期是 浮游的(阶段浮游的)。
特别是通过使用能量转换器，获得了诸如生物燃料的产物、诸如石脑 油、煤油、热能、电能...的副产物。
背景技术：
迄今，生物燃料是从高级植物培养物获得的，通常是从显花植物或有 花植物(向日葵、棕榈树、欧洲棕榈树...)的组中获得的，并且通常是从地 表的显花植物或有花植物(陆生植物)的组中获得的。
为了遵守京都协议规定的关于减少C02/S02排放和导致所谓温室效应
的其它气体的排放的宗旨，经济区域的责任是迫使各个国家寻找替代和再 生的燃料以防止可能的处罚税。
尽管在一些地区太阳能和风能的生产日益增加，但是这些技术是非常 昂贵的，并且并不是在所有的气候区都是可行的。在这样的条件下，生物 燃料具有作为化石燃料的替代者的重要作用，特别是在运输用途和供热用 途方面。
来自诸如棕榈树和菜籽油的植物的生物燃料的生产成本始终是被关注的原因。考虑到每公顷的低油生产指数(low oil production indexes),为 了达到商业生产的目的，需要大量的资源。陆地和水是两种有限的资源， 并且优选利用它们生产食品，而且生产食品对农民更有利可图。而且，大 量的施肥是陆地和水污染的首位形式。大量的单一农作物耕作也是生物多 样性的主要危害之一。
假如约50%的干质单细胞生物通常是生物燃料，那么浮游植物是上述 缺点的一种可行解决方案。另外，与使用其次最经济的产物棕榈油相比， 由浮游植物生产的生物燃料的每公顷年产量高40倍。缺点是浮游植物油
的生产需要使用相当浅的水区来覆盖大面积的陆地，以及引入大量的C02，
即一种用于浮游植物生产油的必需成分。自然生产系统如浮游植物池具有 较低的成本，但是收割过程是非常耗费人力，因此是昂贵的。另一方面， 在开放系统中进行浮游植物培养，使其易受污染，容易受培养物的问题的 困扰，从而可能导致总的产量损失。在上述这种意义上，在本发明中所述 的光转换器的优点在于系统保持封闭，并且处于培养物不受细菌、真菌... 的污染这样的条件，因为在于除了封闭之外，还借助于结合杀真菌剂和抗 生素的养分使培养物生长茂盛(enrich)。
在通过光合作用微生物生产生物燃料的光转换器的设计领域中，可以 明显地区分两种类型的光转换器开放式光转换器，其中允许在培养物和 其周围的空气之间的物质的直接交换；以及封闭式光转换器，其中通过布 置允许电磁辐射通过，而不允许物质交换的透明物理介质，来消除这种交 换。开放式光转换器对培养条件和可能的污染的低控制产生了许多问题， 因此由于这些缺点，它们是有局限性的。然而，封闭式光转换器依靠对培 养条件和可能的污染的较大程度的控制有效率地减少这些问题，并且可以 达到比向日葵的生产速率高4 0 0倍的生产速率。
迄今，还没有描述与本发明的目的光转换器类似的系统，本发明的光 转换器结合了下列优点其是具有大体积和大直径的封闭系统；其连续工 作；其允许获得大量的生物燃料或副产物如石脑油、甘油、硅衍生化合物 如铁硅酸盐；假如将所有可能的残留物如二氧化碳在该系统中再循环，以 被用作浮游植物的养分，其可以进一步得到无污染的热能和电能，或将用 作培养基的一部分的水再循环使得它可以再利用，...。因此，本发明描述了一种新的系统(光转换器)，该系统包括允许大量的多用途并且对环境非 常友好的所有这些特性。
题目为"用于生物质生产和燃料气体中的污染物的减少的光生物反应
器禾口方法(Photobioreactor and process for biomass production and mitigation of pollutants in flue gases)"的专利申请WO 03/094598 Al描述了一种主要 集中对COx、 SOx和NOx类气体除污的一般(generic)光生物反应器模型。 它基本上是以非连续(在白天/夜晚光周期之间有区别)方式工作的系统并 且是开放的，它的液体介质并不是无菌的。它没有控制氮和二氧化碳浓度， 用于增加生物燃料产量。它不是被设计成对单特异性或单克隆藻类株系起 作用。它的设计没有将生物燃料产量作为主要目的考虑，而是集中在气体 纯化上。另一方面，对于它涉及的光合作用生物体，它没有要求使系统无 效(disable)的条件，并且它没有被控制的再循环，原因是输送是通过气泡 的湍流进行的。
本发明与该专利的目的相比，提出了一种完全新的系统，该系统相比 之下基于下列特征
-它完全是封闭的。 -它完全是无菌的。 -它连续工作。
-它对单特异性和单克隆株系起作用。
-它不接受任何光合作用生物体，而是它至少要求它们不是在光转换 器的内表面上产生生物结垢的生物体。
-它要求浮游植物物种不形成菌落(colonies)。 -它要求浮游植物物种不产生外粘液(exo-mucilage)。 -它要求培养的物种含有至少5%的脂肪酸。 -它改善了无鞭毛和漂浮的浮游植物物种的利用。 -它不接受任何类型的液体作为培养基，它集中于淡水、微咸水和海水。
-它的主要目的是获得具有高能性质或具有预-高能性质(pre-energetic properties)的代谢合成化合物，实质上旨在获得生物燃料。
发明内容
本发明涉及一种用于获得生物燃料以及其它副产物(尽管这不太重要)
的能量光转换器。所述光转换器利用Tichdmann型流量控制系统，该Tichelmann型流量控制系统可以在其任何部分提供相等的压力，因此可连续地控制提取。
本发明的第一方面由一种光转换器组成，该光转换器至少由下列元件组成
-每公顷表面使用至少5 0个的滗析、提取和流量控制塔(l)-对于每一个滗析、提取和流量控制塔(l)，至少l 5根用于进行光合作用的管(2)。
-每公顷表面使用至少2 0个的混合和缓冲罐(3)。-每公顷表面使用至少15个的再循环泵(4)。
-每公顷表面使用至少15个热交换器(5)，以保持光转换器的温度。-每公顷表面使用至少15个过热降温器(6)，以降低二氧化碳(6a)(以下为
C02)的入口温度。
-每公顷表面使用至少50个的电磁流量控制阀(8)。-每公顷表面至少50个的电磁提取阀(9)。-每公顷表面至少50个的培养基的控制传感器(IO)。-每公顷表面至少50个的氧提取阀(ll)。-每公顷表面至少50个的氢提取阀(12)。-每公顷表面至少5个的滗析罐(14)。-可用表面的100%自然光入口(15)。-每公顷表面至少100个的人造照明灯(16)。-每公顷表面至少5个的控制面板(17)。-每公顷表面至少5个的再循环系统(18)。-每公顷表面至少2个的冷却塔或冷凝器(19)。-每公顷表面至少50个的密度计(20)。-每公顷表面至少5个的泵(21)，用于从(14)再引入液体。
滗析、提取和流量控制塔(1)至少包含密度计(20)、位于其上部的氧提取阀(ll)，以及氢提取阀(12)，并且它们具有与其连接的气体传感器(13)，所述气体传感器起作用使得它们在较高的气体浓度打开。它们是直径为
0.80至1.50米、高度为3至5米的透明管。另外，它们在其下部装备有电磁提取阔(9)，并且具有紧跟它们之后的养分电离注射器(7)，在上部的气体提取阀(ll)，以及电动机驱动的Tichelmann型流量控制阀。
用于进行光合作用的管(2)可以水平或垂直排列，并且排列成垂直于滗析、提取和流量控制塔(l)。另外，通过存在于其中的浮游植物在其中进行光合作用，因此这些管优选由透明材料制成，以在日照时间期间允许电磁辐射通过。在上述这种意义上，它们含有用作内部人造光漫射器的光纤(图2, 22)。用于进行光合作用的管(2)的其它外部元件是促进分子电子交换的电磁铁(图2，24)。这些管具有包括在100至200毫米的范围内的直径、包括在6至12米的范围内的长度、包括在0.30 m2/m至0.70 m2/m的范围内的可用照明表面以及包括在7 1/m至18 1/m的范围内的内容积。在这些管之间的间隔为至少250毫米以允许光漫射。
混合和缓冲罐(3)容纳有养分，所述养分对于主要在(1)和(2)中包含的浮游植物的发育和生长是必需的。它们是圆柱形的，由透明材料制成，并且具有包括在500至3000 m3内的内容积。对于混合和缓冲罐(3)，它们由透明材料制成，是圆柱形的，并且垂直排列。它们具有使用pH、温度和浓度传感器等的水平高度(level)和养分入口控制。
在光转换器中的浮游植物的培养条件如下-温度15至35。C，优选20至30°C。-日光强度600至800瓦特/m2。-人造光强度4至30瓦特/m2。-光周期12-24小时。-盐度千分之0至千分之50%。
-在培养基中的浮游植物浓度1,000,000个细胞/ml至400,000,000个细胞/ml。
-pH: 7至8.4。
当涉及养分时，这些养分是二氧化碳(以下为C02)、 NOx、维生素、抗生素、杀真菌剂、水、痕量元素和正磷酸。
加入到培养物中的抗生素是青霉素和链霉素的混合物，该混合物的每一种组分各自在100至300 mg/1的浓度范围内，优选在150至250 mg/1的浓度范围内，并且更优选在200 mg/1的浓度。
加入到培养物中的杀真菌剂是灰黄霉素和制霉菌素的混合物，该混合物的每一种组分各自在100至300mg/l的浓度范围内，优选在150至250mg/1的浓度范围内，并且更优选在200 mg/1的浓度。
对浮游植物培养物加入的水可以是淡水、微咸水或海水。
再循环泵(4)是离心型泵，并且允许的流速在4至100 cm/sec的范围内。
热交换器(5)是层流板型交换器，受温度传感器控制，并且使用时通过该系统的冷却塔或冷凝器(19)的水保持温度。
过热降温器(6)是层流板型过热降温器，并且其目的是降低来自热解气化器的C02和NO"6a)的入口温度。
热解气化器被认为是在800和1200°C之间的范围内的温度发生的燃烧过程，并且该燃烧过程可以利用和再循环大部分可得到的废物。该过程可以处理被分开或混合的城市和工业废物。对于处理有毒废物、医院废物、在同一工厂中的轮胎，即对由废物产生的问题提出总的决定性解决方案，在技术上也是可行的，并且没有任何另外的困难。不同的优点包括该方法在经济上是可行的，并且比任何其它方法特别是焚化、热解、甲烷化方法更廉价；以及该方法完全是生态化的，没有任何环境影响，并且提供废物问题的决定性解决方案，即"零排放"解决方案的事实。热解气化器实现了将所有废物转变为合成气、盐酸、氢氟酸和硫化氢，后三者是可以相对容易变成惰性的三种产物。
合成气被认为是由一氧化碳(以下为CO)和氢(以下为H2)的混合物所形成的气体，所述一氧化碳和氢的混合物由甲烷(以下为CR0和氧(以下为02)的混合物得到，所述甲烷和氧的混合物由空气和水蒸汽借助热解气化器而得到。
光转换器可以另外包括每公顷表面至少50个的离子喷射器(7)，以将养分电离，因此允许养分被(1)和(2)中含有的浮游植物更有效率地消化。离子喷射器被认为是在当前技术中能够将分子电离的任何已知系统。
电磁流量控制或提取阀(9)位于滗析、提取和流量控制塔(l)的底部，并
且取决于因两点之间的光强度差而工作(被控制的打开)的光电发射管。控制传感器(10)控制温度、pH、 二氧化碳、氧、痕量元素、抗生素和杀真菌剂浓度。
光转换器可以另外包含每公顷表面至少5个的气体传感器(13)。滗析罐(14)使通过水培养基的浮游植物所产生的生物质分离。这些滗析罐是静态罐(static tank)。分离的生物质在其它产物之中并且在非限制的意义上含有类脂、碳水化合物和由浮游植物的次级代谢所得到的产物。将存在于通过(14)分离的生物质中的类脂进行酯交换，以产生生物燃料和其它高能产物。
将从通过(14)分离的生物质中得到的碳水化合物进行催化，以从碳水化合物的催化得到石脑油、煤油、聚合物和气体。
酯交换是指将酯的烷氧基交换为另一种醇的化学反应，如下列反应所
O O
II II
C-CH3 + ROH<—>C-CH3 +CH3OH
/ /
CH30 RO
酯 醇 新的酯 新的醇
为了使作为在本方法中所述的浮游植物所产生的生物质的一部分所得到的类脂进行酯交换，使用来自费-托(Fischer Tropsch)类型反应器的乙醇和甲醇，该反应器转而被供应给来自用于生物质的热解气化器的合成气、水蒸汽和热量或来自垃圾堆的废物。另一方面，生物质热解气化器产生C02和NOx，它们是用于饲养和使存在于(1)和(2)中所培养的浮游植物生长的养分的一部分。而且，将热解气化器的过量气体再利用以获得电能和热能，后者再用于脱盐。
温室型系统允许光通过自然光入口 (15)，所述自然光入口(15)被半透明塑料覆盖，以根据一年中的季节限制光或电磁辐射强度。在上述这种意义上，所供给的电磁能包括在430至690 nm的范围内的光谱波长。
另外，滗析、提取和流量控制塔(1)和用于进行光合作用的管(2)包含光纤(图2,22)，所述光纤被光传感器(图2,23)控制，转而允许测量内部发光强度。
控制面板(17)控制培养基流的不同养分的注入。
再循环系统(18)导致文丘里(Venturi)型效应，所述文丘里型效应在于在封闭导管内部的流体流中的流体压力在其通过具有更小截面的区域时随着速度增加而降低。如果在导管的这样的点上，引入另一根导管的末端，则将在该第二导管中包含的流体被抽吸用于再循环，以防止藻类由于压力
而损坏。
用于再引入液体的泵(21)连接到滗析罐(14)上，使得在(14)中分离的水通过(21)再循环到(3)。
本发明的另一方面是通过光转换器得到的产物，因此除药学产物如脂肪酸和黄体素，以及此外的化妆品产物如甘油、色素和乳化物质，具有高二氧化硅含量的工业产物如硼硅酸盐和铁硅酸盐、肥料产物、农用产物、工业产物和家畜产物，以及热能和电能以外，主要得到了生物燃料。
图1显示了本发明的目的光转换器的图示，该光转换器的各个部件和配件都利用太阳能和人造电磁能，以得到生物燃料及其它产物。
图2显示了用于进行光合作用的管(2)在其所有外部和内部组件的情况下的截面的图示。
实施方案
在(3)中引入浮游植物株系的接种物，加入通过(10)和(17)检测和调节的培养基和养分。因此，开始循环以建立浮游植物将在其内移动的连续流，而，同时连续流通过(l)再生产，在此它们吸取来自控制温度的(6)的二氧化碳(6a)，并且在(7)中电离，然后它们将移动至(2)，通过(15)和(16)和(22)吸收电磁能，以进行光合作用。
这是发光强度通过(23)控制的情况，并且在(24)中是电磁场帮助使C02分子极化的情况，因此有助于它们的溶解，并且由此增加富含在类脂和碳水化合物中的生物质，及其它产物。然后它同样利用C02进行下一个(1)，同时产生湍流，并且稳定其自身，浮游植物尽力在介质中浮游。对于每一 个湍流步骤，02通过(11)而失去，并且通过(13)检测，同样，H2通过(12)
失去并且通过(13)检测。再循环过程(8)是在Tichelmann型压力平衡过程中 进行的，直至浮游植物生物质充足，并且被(20)检测到，以通过(9)开始提 取其一部分，并且提取部分从那里到达(14)，在(14)中将水与生物质分离， 并且再次通过(21)将其推进至文丘里型再循环系统(18)中，最终到达(3)， 并到达(l)。通过(4)将由于密度不够而未被提取，并且因此没有被(20)检测 到的部分被再引入到系统中，经过(5)以保持其温度。
权利要求
1. 一种用于获得生物燃料的能量光转换器，其特征在于至少包括下列元件a. 滗析、提取和流量控制塔(1)；b. 用于进行光合作用的管(2)；c. 混合和缓冲罐(3)；d. 再循环泵(4)；e. 热交换器(5)，用于保持所述光转换器的温度；f. 过热降温器(6)，用于降低二氧化碳的入口温度(6a)；g. 电磁流量控制阀(8)；h. 电磁提取阀(9)；i. 培养基控制传感器(10)；j. 氧提取阀(11)；k. 氢提取阀(12)；l. 滗析罐(14)；m. 自然光入口(15)；n. 人造照明灯(16)；o. 控制面板(17)；p. 再循环系统(18)；q. 冷却塔或冷凝器(19)；r. 密度计(20)；和s. 泵(21)，用于再引入来自(14)的液体；t. 电磁铁(24)。
2. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特征 在于所述滗析、提取和流量控制塔(l)具有被包括在0.80至1.50米范围内 的直径以及被包括在3至5米范围内的高度。
3. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特征 在于所述滗析、提取和流量控制塔(1)至少包含密度计(20)、氧提取阀(ll) 和氢提取阀(12)。
4. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特征在于所述用于进行光合作用的管(2)是水平排列的。
5. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特征 在于所述用于进行光合作用的管(2)是垂直排列的。
6. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特征 在于所述用于进行光合作用的管(2)容纳有浮游植物。
7. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特征 在于所述混合和缓冲罐(3)容纳有所述浮游植物的发育和生长所必需的养 分。
8. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特征 在于所述混合和缓冲罐(3)是圆柱形的，由透明材料制成，并且具有被包括 在500至3000n^的范围内的内容积。
9. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特征 在于所述再循环泵(4)具有被包括在4至100 cm/sec的范围内的流速。
10. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于所述再循环泵(4)是离心型泵。
11. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于所述热交换器(5)是层流板型交换器。
12. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于所述过热降温器(6)是层流板型过热降温器。
13. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于它另外包含离子喷射器(7)。
14.根据前一权利要求所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其 特征在于所述离子喷射器(7)将所述养分电离。
15. 根据权利要求l所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于所述控制传感器(10)控制温度、pH、 二氧化碳、氧、痕量元素、抗 生素和杀真菌剂浓度。
16. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于它另外包含气体传感器(13)。
17. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特征在于所述滗析罐(14)将所述生物质与培养基的水分离。
18.根据权利要求i和n所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特征在于所述滗析罐(14)是静态型罐。
19. 根据权利要求1和17至18所述的用于获得生物燃料的能量光转 换器，其特征在于通过所述滗析罐(14)将所述浮游植物生物质与水分离。
20. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于通过半透明塑料覆盖所述自然光入口(15)。
21. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于所述滗析、提取和流量控制塔(1)和所述用于进行光合作用的管(2) 包含光纤(22)。
22. 根据前一权利要求所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其 特征在于通过光传感器(23)控制所述光纤(22)。
23. 根据前一权利要求所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其 特征在于所述光传感器(23)可以测量发光强度。
24. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于所述用于进行光合作用的管(2)由透明材料制成。
25. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于所述用于进行光合作用的管(2)包含作为人造光漫射器的光纤(22)。
26. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于所述用于进行光合作用的管(2)包含在外部的电磁铁(24)以促进分子的电子交换。
27. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于所述用于进行光合作用的管(2)具有被包括在100至200毫米的范围 内的直径以及被包括在6至12米的范围内的长度。
28. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于所述用于进行光合作用的管(2)具有被包括在0.30 m2/m至0.70 m"m的范围内的可用表面，以及被包括在71/m至18 1/m的范围内的内容 积。
29. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于所述控制面板(17)控制培养基流的不同养分的注入。
30. 根据权利要求1所述的用于获得生物燃料的能量光转换器，其特 征在于所述再循环系统(18)产生文丘里型效应。
31. 根据权利要求1所述的能量光转换器用于获得生物燃料的用途。
32. 根据权利要求1所述的能量光转换器用于获得药学产物如脂肪酸 和黄体素的用途。
33. 根据权利要求1所述的能量光转换器用于获得化妆品产物如甘 油、色素和乳化物质的用途。
34. 根据权利要求1所述的能量光转换器用于获得具有高二氧化硅含 量的工业产物如硼硅酸盐和铁硅酸盐的用途。
35. 根据权利要求1所述的能量光转换器用于获得肥料、农用产物、 工业产物和家畜产物的用途。
36. 根据权利要求1所述的能量光转换器用于获得热能和电能的用
全文摘要
本发明涉及能量光转换器的设计领域，所述能量光转换器以连续和封闭的方式起作用，用于通过浮游植物的大规模培养来生产生物燃料以及其它令人感兴趣的产物。
文档编号C12M1/42GK101466824SQ200780021524
公开日2009年6月24日 申请日期2007年6月7日 优先权日2006年6月9日
发明者伯纳德·A·J·斯特罗亚兹沃-穆然, 克里斯蒂安·戈米斯·卡塔拉 申请人:生物燃料系统有限公司