专利名称：光生物反应设备及光生物养殖方法在现有技术中，有两种光生物反应器，一种是光程(该处光程表示为光生物反应器的光程即光生物反应器的宽度:从光生物反应器的一个侧壁(受光面)到相对的另一个侧壁(受光面)的距离)较短的短光程反应器，一种是光程较长的宽光程反应器。对于短光程反应器，由于其宽度小、光程短，因此光射入培养液充分，使光生物反应器内细胞受光充分，最适细胞密度高，可实现光生物(如微藻)高密度养殖，而且由于内部容积小，曝气分布均匀，光生物不易贴壁。但是，由于短光程反应器的内部容积小，能够容纳的光生物培养液的体积小，因此热容量低，户外养殖时，温度上升快，易造成养殖温度过高，导致藻细胞死亡。对于宽光程反应器，由于其宽度大、光程长，因此，内部容积较大，能够容纳的光生物培养液的体积就较大，因此热容量大，温度上升速度慢，温度易控制。但是，由于其宽度大、光程长，因此光射入培养液不充分，使光生物反应器内细胞受光不充分，养殖最适细胞密度低，养殖效率低；由于内部容积大，易造成曝气分布不均，同时光生物易贴壁。另外，为增加光反应器内细胞受光频率，提高光的利用效率，需加大曝气量，使曝气能耗增大。
本发明提供一种光生物反应设备，其不仅热容量大，能够实现稳定的养殖温度，而且通气能耗低，曝气分布均一，可改善贴壁状况。根据本发明的一个方面，提供一种光生物反应设备，包括:至少一个光生物反应器，在所述光生物反应器中容纳有光生物培养液；和至少一个保温容器，在所述保温容器中容纳有吸热介质。其中，所述保温容器设置成与光生物反应器的侧壁接触或直接与光生物反应器内的光生物培养液接触，以便在光生物培养液和吸热介质之间进行热交换，所述光生物反应器的侧壁和与其相邻但不接触的所述保温容器的侧壁之间的距离在0.5cm至50cm的范围内。优选地,在Icm至25cm的范围内。根据本发明的一个优选实施例，所述光生物反应器和/或所述保温容器为长方体形容器、类似长方体的不规则容器、或横截面为圆形或梯形的容器。优选地，所述光生物反应器和所述保温容器均为长方体形容器。根据本发明的另一个优选实施例，所述保温容器直接放置在所述光生物反应器中，并且所述保温容器的底面、侧面与所述光生物反应器的至少一个面不接触。根据本发明的另一个优选实施例，所述光生物反应器的端壁和与其相邻的所述保温容器的端壁之间的距离在0.5cm至50cm的范围内。优选地,在Icm至25cm的范围内。根据本发明的另一个优选实施例，所述保温容器放置在两个光生物反应器之间，使得所述保温容器的两个侧壁分别与两个 光生物反应器的侧壁接触。根据本发明的另一个优选实施例，所述光生物反应器依靠在所述保温容器的侧壁上，使得所述光生物反应器的侧壁与所述保温容器的侧壁接触。根据本发明的另一个优选实施例，所述光生物反应器为圆筒形容器，具有外壁和内壁，在所述外壁和所述内壁之间限定第一空间，所述第一空间作为所述光生物反应器，由所述内壁环绕所形成的第二空间作为所述保温容器。根据本发明的另一个优选实施例，所述外壁和内壁之间的距离在Icm至25cm范围内。根据本发明的另一个优选实施例，所述光生物反应器的侧壁和与其相邻但不接触的所述保温容器的侧壁之间的距离在Icm至20cm的范围内。根据本发明的另一个优选实施例，所述光生物反应器的侧壁和与其相邻但不接触的所述保温容器的侧壁之间的距离在3cm至8cm的范围内。根据本发明的另一个优选实施例，所述吸热介质为液体或固体。根据本发明的另一个优选实施例，所述吸热介质为水、金属或其它合适的吸热材料。根据本发明的另一个优选实施例，所述光生物反应器由透明材料制成。根据本发明的另一个优选实施例，所述光生物反应器由有机玻璃，聚乙烯等塑料或无机质玻璃制成。根据本发明的另一个优选实施例，所述保温容器由透明材料或不透明材料制成。根据本发明 的另一个优选实施例，所述所述保温容器的材料为金属、玻璃、塑料、橡胶、大理石材、复合材料、陶瓷、水泥、砖瓦或其它合适的材料。本发明还提供一种应用权利要求1的光生物反应设备对光生物进行的批次培养，半连续培养及连续培养方法。在本发明的光生物反应设备中，由于提供了保温容器，通过保温容器内的吸热介质与光生物反应器内的光生物培养液之间进行热交换，从而增大了光生物反应器的热容量，可以利用自然界昼夜环境温度变化与保温容器的吸热放热之间的速度差，实现稳定的养殖温度。同时，能够缩短光穿过光生物培养液的光程，从而可以提高养殖密度和养殖效率。图1显示根据本发明的第一优选实施例的光生物反应设备的立体示意图；图2显示图1所示的光生物反应设备的立体外观图；图3显示根据本发明的第二优选实施例的光生物反应设备的立体示意图；图4显示图3所示的光生物反应设备沿高度方向的剖视图；图5显示根据本发明的第三优选实施例的光生物反应设备的立体示意图；图6显示图5所示的光生物反应设备沿高度方向的剖视图；图7显示根据本发明的第四优选实施例的光生物反应设备的立体示意图；图8(a)显示第一试验组的反应器；图8(b)显示第二试验组的反应器；图8(c)显示第三试验组的反应器；图9显示以上三个试验组从2011年8月I日至2011年8月11日的养殖速度比较图；图10显示以上三个试验组从2011年8月I日至2011年8月11日的日平均养殖速度比较图；图11显示以上三个试验组的单位反应器产量比较；图12显示以上三个试验组的反应器在养殖期间单位占地面积日产量变化；和图13显示环境温度(气温)及以上三个试验组的各个反应器的一天中最高温度(PM4:00-5:00)的数据比较。

在本发明中，光生物反应器I和保温容器2的高度可以相同也可以不同，光生物反应器I中培养液深度与保温容器2中吸热介质高度可以相同也可以不同。在本发明中，在高度方向上，I个光生物反应器I不限于与I个保温容器2配合使用。在本发明中，保温容器2可以由透明材料或不透明材料制成，例如，可以由金属、玻璃或塑料制成，这样能够有效提高保温容器2的侧壁的导热性能，提高光生物反应器I内的光生物培养液与保温容器2内的吸热介质之间的热交换效率。[第二实施例]图3显示根据本发明的第二优选实施例的光生物反应设备的立体示意图；和图4显示图3所示的光生物反应设备沿高度方向的剖视图。如图3和图4所示，图示的光生物反应设备主要包括一个保温容器30和两个独立的光生物反应器10、20。在光生物反应器10、20中容纳有光生物培养液，例如，含有微藻的培养液，在保温容器30中容纳有热容量较大的吸热介质，例如，水。保温容器30放置在两个光生物反应器10、20之间，使得保温容器30的两个侧壁分别与两个光生物反应器10、20的侧壁接触。这样，光生物反应器10、20中的光生物培养液就能够与保温容器30中的吸热介质之间进行热交换，从而提高光生物反应器10、20中的光生物培养液的热容量，提高其温度稳定性。在图3和图4所示的实施例中，光生物反应器10、20和保温容器30均为长方体形容器，容器侧壁间紧密接触，这样，能够增大光生物反应器10、20和保温容器30之间的相互接触面积，提高热交换效率。请继续参见图3和图4，每个光生物反应器10、20的侧壁和与其相邻但不接触的保温容器30的侧壁之间的距离dl在Icm至25cm的范围内。即，每个光生物反应器10、20的宽度在Icm至25cm的范围内，这样就能够将光穿过光生物培养液的光程控制在较短的范围内，提高了光生物反应器10、20中的单位体积光生物培养液的光能接收量，另外，由于保温容器30的加入，提闻了光生物培养液的热容量，养殖温度稳定性提闻，从而能够提闻养殖效率。在本发明的另一个优选实施例中，每个光生物反应器10、20的侧壁和与其相邻但不接触的保温容器30的侧壁之间的距离dl在2cm至IOcm的范围内。更优选地，每个光生物反应器10、20的侧壁和与其相邻但不接触的保温容器30的侧壁之间的距离dl在3cm至8cm的范围内。[第三实施例]图5显示根据本发明的第三优选实施例的光生物反应设备的立体示意图；和图6显示图5所示的光生物反应设备沿高度方向的剖视图。如图5和图6所示，图示的光生物反应设备主要包括一个保温容器300和一个独立的光生物反应器100。在光生物反应器100中容纳有光生物培养液，例如，含有微藻的培养液，在保温容器300中容纳有热容量较大的吸热介质，例如，水。在图5和图6所示的实施例中，光生物反应器100依靠在保温容器300的侧壁上，使得光生物反应器100的侧壁与保温容器300的侧壁接触。这样，光生物反应器100中的光生物培养液就能够与保温容器300中的吸热介质之间进行热交换，从而提高光生物反应器100中的光生物培养液的热容量,保证其温度稳定。在图5和图6所示的实施例中，光生物反应器100和保温容器300均为长方体形容器，容器侧壁间紧密接触，这样，能够增大光生物反应器100和保温容器300之间的相互接触面积，提高热交换效率。请继续参见图5和图6，光生物反应器100的侧壁和与其相邻但不接触的保温容器300的侧壁之间的距离dl在Icm至25cm的范围内。即，光生物反应器100的宽度在Icm至25cm的范围内，这样就能够将光穿过光生物培养液的光程控制在较短的范围内，从而能`够提高养殖效率。在本发明的另一个优选实施例中，光生物反应器100的侧壁和与其相邻但不接触的保温容器300的侧壁之间的距离dl在2cm至IOcm的范围内。更优选地，光生物反应器100的侧壁和与其相邻但不接触的保温容器300的侧壁之间的距离dl在3cm至8cm的范围内。[第四实施例]图7显示根据本发明的第四优选实施例的光生物反应设备的立体示意图。如图7所示，图示的光生物反应设备主要包括一个圆筒形容器200，其具有外壁200a和内壁200b。在图7所示的实施例中，在外壁200a和内壁200b之间限定第一空间201，该第一空间201作为在其中容纳光生物培养液(例如，含有微藻的培养液)的光生物反应器。由内壁200b环绕所形成的第二空间202作为在其中容纳热容量较大的吸热介质(例如，水)的保温容器。在图7所示的实施例中，光生物反应器和保温容器具有圆柱形壁面，因此，能够增大光生物反应器和保温容器之间的相互接触面积，提高热交换效率。如图7所示，容纳在第二空间202中的吸热介质与容纳在第一空间201中的光生物培养液之间能够通过内壁200b进行热交换，从而提高光生物反应器中的光生物培养液的热容量，保证其温度稳定。请继续参见图7，外壁200a和内壁200b之间的距离在Icm至25cm的范围内，这样就能够将光穿过光生物培养液的光程控制在较短的范围内，从而能够提高养殖效率。在本发明的另一个优选实施例中，外壁200a和内壁200b之间的距离在2cm至IOcm的范围内。更优选地,外壁200a和内壁200b之间的距离在3cm至8cm的范围内。与现有技术相比，本发明的上述各个实施例的光生物反应设备至少具有如下优
占-
^ \.
I)热容量大，利用昼夜环境温度变化(利用完全的自然能)，实现稳定的养殖温度。2)中间冷却水不需泵循环，可节省能耗。3)养殖光程短,节约养殖用水,实现高浓度养殖。4)在养殖液内进行搅拌，搅拌水量减少，通气能耗降低。5)曝气分布均一，可改善贴壁状况。下面通过以拟微绿球藻养殖试验组来说明本发明光生物培养设备对养殖效果和效率的影响。首先对各个试验组的光生物反应设备的情况进行简单说明，。图8(a)显示第一试验组的光生物反应设备:其为由塑料袋制成的普通的板式反应器，光程LP = 10cm ，容积为50L，微藻浓度为0.15vvm，曝气流量为7.5L/min。图8(b)显示第二试验组的光生物反应设备:其为由塑料袋制成的普通的板式反应器，光程LP = 20cm，容积为100L，微藻浓度为0.15vvm，流量为15L/min。图8(c)显示第三试验组为本发明的光生物反应设备:其为中间放置玻璃水槽的塑料袋制的板式反应器，光程LP = 5cm,容积为50L，微藻浓度为0.15vvm,流量为7.5L/min0图9显示以上三个试验组从2011年8月I日至2011年8月11日的养殖速度比较图。如图9所示，除了开始几天外，总体而言，第三试验组的光生物反应设备的OD变化最快，养殖速度最快、第一试验组的光生物反应设备的养殖速度其次、第二试验组的光生物反应设备的养殖速度最慢。而且，从图9中可以清楚地看出，相对于第一和第二试验组的光生物反应设备，越到后期，第三试验组的光生物反应设备的养殖速度就变得越快。由此可见，光程较短的第三试验组的光生物反应设备高于其他2个比较实验结果。这就初步验证了当初的本实验的设想。即回避了短光程反应器的温升快及宽光程反应器的能耗大的问题，实现了能控制温度在低于38°C，低通气能耗，并且高密度养殖。图10显示以上三个试验组从2011年8月I日至2011年8月11日的日平均养殖速度比较图。如图10所示，第一和第二试验组的光生物反应设备的日平均养殖速度相当，其中第一试验组为0.16，第二试验组为0.17。但是，第三试验组的日平均养殖速度高达0.27，大约是前面2个的一倍，与IOcm反应器相比，新型反应器温度得到有效控制，OD增长速度得到大幅度提闻。图11显示以上三个试验组的单位反应器产量比较。如图11所示，如果以第一试验组的光生物反应设备的产量为100%，那么第二试验组的光生物反应设备的产量相对于第一组为211%，第三试验组的光生物反应设备相对于第一组为168%。由此，可见，第一组的IOcm光程光生物反应设备因在前述环境条件下，养殖温度偏高，阻碍细胞生长。而其他得到良好温控的反应器有利于细胞生长。而同样光程的第三组光生物反应设备在同样通气能耗的条件下，单台光生物反应设备产量约为第一试验组的IOcm反应器的1.7倍。而对于通气能耗2倍的20cm宽光程的第二组反应器，单台反应器总产量仅约为第一试验组的IOcm反应器的2.1倍。其生产效率低于第三组光生物反应设备。图12显示以上三个试验组的光生物反应设备在养殖期间单位占地面积日产量变化。如图12所示，第三试验组的光生物反应设备在养殖期间单位占地面积日产量远高于具有同样容积的第一试验组的光生物反应设备，仅稍低于具有2倍容积的第二试验组的光生物反应设备。图13显示环境温度(气温)及以上三个试验组的各个反应器的一天中最高温度(PM4:00-5:00)的数据比较。如图13所示，5cm光程的新反应器较IOcm光程的反应器温度得到有效控制。虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同 物限定。


本发明公开了一种光生物反应设备及光生物养殖方法，包括光生物反应器，在其中容纳有光生物培养液；和保温容器，在其中容纳有吸热介质。其中，所述保温容器设置成与光生物反应器的侧壁接触或直接与光生物反应器内的光生物培养液接触，以便在光生物培养液和吸热介质之间进行热交换，所述光生物反应器的侧壁和与其相邻但不接触的所述保温容器的侧壁之间的距离在1cm至25cm的范围内。在本发明中，通过保温容器内的吸热介质与光生物反应器内的光生物培养液之间进行热交换，从而能够增大了光生物反应器的热容量，可以利用自然界昼夜环境温度变化，实现稳定的养殖温度。同时，能够缩短光穿过光生物培养液的光程，从而可以提高养殖密度和养殖效率。