光生物反应器系统的制作方法[0002]光生物反应器是培养有光合作用能力的细胞或组织的反应器系统，利用光生物反应器培养微藻细胞可以通过经济、无限量和资源循环再利用的方式生产大量的微藻生物质。工业化大规模的微藻培养尚无高效实用的光反应器诞生，目前应用最多的光反应器是开放池和板式反应器。开放池按外形可分为跑道池和圆形池，优点是建造成本低、操作简便、运行能耗低、易维护、易清洗、夏季控温好，但光利用效率低、藻密度低、易污染、水蒸发量大、冬季无法养殖；板式反应器按材料可分为玻璃板式和塑料袋式，优点是光利用效率较高、藻密度较高、水蒸发少，但建造成本高、操作复杂、运行能耗高、易损坏、清洗困难、控温复杂。 [0003]微藻需要光能进行光合作用，能否保证反应器中所有藻液均匀及时地受光，是光生物反应器设计的重点。光在藻液中穿透能力极差，特别是高浓度藻液中，光照强度经5cm已衰减到极低，IOcm后基本为O。因此传统柱式反应器的直径和板式反应器的厚度一般都不超过10cm，跑道池的藻液最深30cm，而由于IOcm深度以下的藻液几乎不受光，导致跑道池的产量最低。[0004]中国专利公开CN200910213692中公开了一种光生物反应器系统，其中，弥散光纤垂直分布在反应器内部的环形导流筒上，藻液靠气升方式推动，从导流筒内侧，由底部流向顶部，再从导流筒外侧，由顶部流向底部。这种方式的缺点是，弥散光纤仅沿反应器内部的环形导流筒设置，导致距离弥散光纤较远的藻液难以获得足够的光照，反应器直径越大，布光效果就越差，因此采用这种布置的反应器的直径和容量有相当的局限；另外，其利用通气进行纵向搅拌，本质是克服水体的重力做功，能耗要远远大于克服阻力做功的水平旋转搅拌。[0005]另外，传统的光生物反应器往往采用热交换装置保证冬季供暖，而在夏季则缺少低成本的降温措施。
[0006]本发明至在克服现有技术中的至少一个问题。
[0007]根据本发明，提供一种光生物反应器系统，包括:聚光装置，被构造成会聚太阳光；光生物反应器，被构造成容纳培养液和被培养物质；弥散光纤组件，包括多根弥散光纤，每根弥散光纤的一端固定于所述聚光装置的焦点附近，以从所述聚光装置接收会聚光，每根弥散光纤的另一端延伸至光生物反应器的内部，以将所述会聚光分散到生物反应器中；光纤支架，所述光纤支架能够拆卸地安装于光生物反应器内部，并被构造成固定所述弥散光纤组件，使得所述多根弥散光纤在光生物反应器的内部以辐射状均匀布置；以及搅拌装置，所述搅拌装置的搅拌桨在反应器底部转动，使培养液水平旋转流动，培养液流动方向与光纤方向垂直，使得被培养物质均匀受光。
[0008]根据本发明，由于弥散光纤通过光纤支架在整个光生物反应器的内部以辐射状均匀布置，因此，能够使光生物反应器中的被培养物质均匀受光，提高培养效率，并且，光生物反应器的体积不受限制。并且，由于光纤支架能够拆卸地安装于光生物反应器的内部，可以容易地从光生物反应器中取出或放入光生物反应器，因此，光纤能够通过光纤支架方便地布置于光生物反应器中，并且便于光纤的更换或清洗。另外，搅拌装置使培养液水平旋转流动，培养液流动方向与光纤方向垂直，进一步促进了被培养物质均匀受光。
[0009]根据本发明的一个实施例，所述光生物反应器为圆筒状容器，所述光纤支架包括多个矩形框架，所述多个矩形框架安装于光生物反应器中，并且沿光生物反应器的径向方向以辐射状均匀布置，所述弥散光纤分别沿光生物反应器的轴向方向均匀安装于相应的矩形框架中。
[0010]根据本发明的一个实施例，在所述聚光装置和弥散光纤组件之间设置滤光装置，用于滤除太阳光中不能被光生物反应器中的被培养物质利用的光分量滤光装置。由于滤光装置安装于光纤与聚光装置之间，只需要面积较小的滤光装置，滤光装置成本较低。
[0011 ] 所述滤光装置可以为隔热膜，用于隔离紫外线和红外线。
[0012]所述聚光装置可以为透镜，所述隔热膜可以贴附于面对所述透镜的弥散光纤组件的端表面上。
[0013]根据本发明的一个实施例，所述搅拌装置包括设置在光生物反应器外部的电机、与电机连接的旋转轴、和设置在光生物反应器底部并安装在旋转轴上的搅拌浆，所述搅拌浆用于水平搅拌培养液。
[0014]根据本发明的一个实施例，在使用中，所述光生物反应器埋设于地下。
[0015]为了使本发明的目的、特征及优点能更加`明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。



[0016]图1是根据本发明的一个实施例的光生物反应器系统的简要示意图；
[0017]图2是图1的光生物反应器系统中的聚光装置的平面示意图；以及
[0018]图3是图1中的光生物反应器的示意透视图。

[0019]以下仅通过例子说明本发明的。本发明亦可通过其它不同的方式加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可在不悖离本发明的总体构思的情况下进行各种调整与变更。再者，附图仅以示意方式说明本发明的基本构想，故图示中仅显示与本发明有关的组件，但显然本发明可根据实际应用包括其它的部件。
[0020]图1是根据本发明的一个实施例的光生物反应器系统的简要示意图。如图1所示的光生物反应器系统包括用于会聚太阳光的聚光装置I和其中容纳培养液和例如微藻之类的被培养物质的基本圆筒形的光生物反应器2。光生物反应器2的材料可以为有机玻璃，也可为其他光滑材料，可透明也可不透明。弥散光纤组件3设置于聚光装置I和光生物反应器2之间，用于将聚光装置I会聚的光引导并分散到光生物反应器I中，用于微藻的培养。反应器为圆柱形，开口小，水蒸发量少，不易污染，易维护、易清洗。
[0021]如图2所示，聚光装置I例如包括多个透镜12。每个透镜12支撑在框架11中，框架11固定至支撑轴13。透镜材料可以为有机玻璃，也可以为其他透明材料。每个透镜12可以由两块同样的平凸透镜或凸凹透镜相扣而成，两块透镜之间的间隙中的介质可为空气，也可为水或其他透明物质。每组透镜也可根据需求再加入凹透镜调整光路到最佳角度。图2中示出了 4个透镜，但是，当然可以根据需要设置更多或更少数量的透镜。通过使用多块空心透镜作为受光主体，将原本单位面积较弱的光照汇聚，不再需要建造超大表面积的反应器，反应器建造成本较低，易于集中操作控制。
[0022]支撑轴13根据地理位置和气候条件选用固定或可转动形式。在光照充足的地区可使用固定支撑轴。在光照不足的地区可使用转动支撑轴。转动支撑轴例如可由两部分构成，上部131相对于下部130倾斜设置。下部130可以围绕其中心轴转动，上部131相对于下部130的倾斜角度可以改变。上部131和下部130的转动角度和移动时间间隔可以由计算机统一控制，数据可以由当地纬度计算或实地采集而得，以保证最大程度地采集太阳光。
[0023]如图1所示，弥散光纤组件3包括多根弥散光纤4。这里所用的弥散光纤又称侧面发光光纤、侧光光纤、通体发光光纤、泄漏型光纤等，是指光在光纤传输过程中，不仅从光纤的入射端面传输至出射端面，而且还有一部分光从光纤包覆层透射出来，从而形成光纤侧面发光的光导纤维。
[0024]每个透镜12可对应一束弥散光纤4。每束弥散光纤4的一端固定于聚光装置I的焦点10处，用于从聚光装置I接收会聚光，另一端延伸至光生物反应器的内部并在光生物反应器内部分散开。每根弥散光纤4的在反应器底部的末端可贴上反光材料，以利于光在光生物反应器内部的扩散。多根弥散光纤4在整个光生物反应器2的内部均匀布置，使得光线通过弥散光纤4被均匀分散到光生物反应器2中。裸露在光生物反应器2主体外面的一段弥散光纤会有少量光损·失，可包裹反光材料以避免光泄漏。
[0025]并且,如图1和图3所不,光生物反应器系统还包括用于固定光纤4的光纤支架5。光纤支架5被构造成能够拆卸地安装于光生物反应器2内部。如图3所示，光纤支架5包括多个矩形框架50，多个矩形框架50沿光生物反应器2的轴向方向安装于光生物反应器2的底部，并且沿光生物反应器2的径向方向以辐射状均匀布置。多个矩形框架50可预先固定地连接在一起，从而便于光纤支架5整体地安装于光生物反应器2和从光生物反应器2拆卸。可在光生物反应器2的内壁上设置卡槽、卡扣、小支架等，用于以卡扣、螺栓等可拆卸的方式接合矩形框架50。由于光纤支架可以轻易取出或放入光生物反应器，从而便于光纤的更换或清洗。光生物反应器2上部的弧形圆盖20可以移走，以便于从光生物反应器2上部插入或取出光纤支架5，以及注入培养基、水、藻种等。
[0026]弥散光纤4可预先以在径向方向上等间距地固定地安装于各个矩形框架50中，然后与矩形框架50 —起安装于光生物反应器中。光纤可以通过卡扣、扎带等各种形式固定在矩形框架50上。当将光纤支架5的各个矩形框架50安装于光生物反应器2中时，多根弥散光纤4沿光生物反应器2的轴向方向延伸，如同四面光纤墙竖在反应器中，四个“墙体”呈中心对称，由横截面观察，光纤呈辐射状均均分布在光生物反应器的内部，相邻光纤的间距不超过10cm，从而，能够保证光生物反应器2内部的被培养物质均匀受光。并且，由于多根弥散光纤4以辐射状均匀地分布于整个光生物反应器2的横截面中，对于大直径的光生物反应器2也可保证各处的藻液均匀受光，因此，这种光纤布置方式允许使用大直径光生物反应器。
[0027]另外，如图1所示，光生物反应器系统还可以包括固定于光生物反应器2中的搅拌装置7。搅拌装置7包括设置在光生物反应器2外部的电机70和设置在光生物反应器2底部并通过垂直旋转轴72与电机70连接的搅拌浆71。搅拌桨71由电机70驱动，用于水平搅拌培养液，使得被培养物质均匀受光。使用搅拌桨取代传统气升式搅拌，使藻液水平旋转流动，藻液流动方向与光纤方向垂直，搅拌桨仅克服水体阻力做功，相比克服重力做功，能耗低；藻液循环流经光纤墙，保证任何位点的藻液都能够接近光纤，充分获得光照。
[0028]另外，由于太阳光中只有可见光能够被例如微藻的被培养物质利用，其它如紫外线或红外线的光分量不能被利用，并且可能会不利地增加藻液的温度，不利于微藻的生长，因此，最好设置滤光装置，用于过滤或隔离太阳光中不能被光生物反应器中的被培养物质利用的例如紫外线或红外线之类的光分量。
[0029]根据本发明的一个实施例，选择在聚光装置I和弥散光纤组件3之间设置滤光装置，例如隔热膜。与将隔热膜贴附于整个光生物反应器2表面的做法相比，将隔热膜设置于聚光装置和弥散光纤组件之间，能够极大地减小所需隔热膜的面积，节省成本。如图1所示，隔热膜6贴附于每个透镜12的与光纤组件3相对的表面上。可选地，隔热膜可以贴附于面对透镜12的弥散光纤组件3的端表面上，这样能够进一步减小所需隔热膜的面积。另外，也可以采用其它的安装隔热膜的方式，例如，可以在光纤组件3的前端安装一个简易的支撑物，将隔热膜搭在上面。隔热膜通常为由数层功能材料复合而成的膜材料，能有效阻隔太阳光线中的红外线和紫外线，并且能透过大部分可见光，如美国3M公司生产的3M隔热膜。
[0030]在使用中，如图1所示，所述光生物反应器2全部或部分地埋设于地面8以下。反应器埋于地下，不受阳光直射，夏季能够保持较低温度，无需额外降温措施，冬季可保持温度，无需加热装置，从而无 需或减少额外耗能用于降温或加热，因而能够节约能源和设备成本。同时采光装置可以安装在较低位置便于拆装清洁，光纤长度需求也较小。
[0031]根据如上所述的本发明的光生物反应器系统，由于弥散纤维分布层次多，再加上搅拌，可以使各部分的藻液在各个生长时期都充分受到阳光，因此养殖密度大，养殖过程用水很少，养殖、采收与后处理的成本较低。另外，无需大面积铺设隔热膜，只需在光照集中的位置使用，隔热膜材料成本极低；并且，与传统反应器比如平板式、管式、跑道池相比，本发明的反应器不需要大的表面积来接收外界阳光，反应器主体可设计为直径较大的圆柱体，体积大，表面积相对小，因此养殖水体的表体比(表面积和体积的比值)远远小于传统反应器，便于自动化控制和管理维护。反应器埋于地下，冬暖夏凉，无需额外提供大量能量供降温或加热。
[0032]在一种示例性的实施例中，在IOOmX IOm范围内安装24套反应器系统，每套系统包括7个透镜，每个透镜由2个凸凹镜片相扣而成，每个镜片半径1.353m,受光面积5.75m2，平均厚度0.01m，密度1200Kg/m3。7个透镜呈花瓣型密布，与水平地面呈45°倾斜，受光总面积40.25m2，投影面积20.12m2，占地面积约40m2 (8m X 5m)。每个透镜透光率为90%，隔热膜透光率为80%。每个透镜对应一束共10根光纤,光纤在反应器的径向方向上按5cm等间距垂直固定于光纤支架，光纤支架包括7个矩形框架，以辐射状呈中心对称排列于反应器主体内。每套反应器主体呈圆柱形，半径为0.5m，高2m，材料为聚甲基丙烯酸甲酯。[0033]24套反应器养殖体积共37.70m3,搅拌转速20rpm，生长周期210天/年，可见光光合效率5%，养殖密度达到4g/L，面积产率8.4g/m2/天，年产1688Kg干藻。
[0034]以上描述仅示例性地说明了本发明的实施例，而非用于限制本发明，熟知本领域的技术人员应明白，在不偏离本发明的实质的情况下，对本发明所作的任何变形都在本发明的范围内。各个附图只是对本发明的示意性说明，并且各个附图可以相互参照或组合。