[发明专利]一种组合式藻类生产装置和应用系统

说明书

本发明公开了一种组合式藻类生产装置和应用系统，用于藻类生产，包括：生物反应器、PCT顶面、太阳能热接收器、液体入口、液体出口、CO₂进料管道、气体释放孔；生物反应器为U型结构；生物反应器内部为空腔结构；太阳能热接收器设置在生物反应器的焦点处；液体入口与液体出口分别设置在生物反应器开口端的对角线两端；CO₂进料管道与生物反应器底端固定连接；气体释放孔设置在生物反应器开口两端。生物反应器开口面为PCT顶面。本发明通过将400‑500nm和600‑700nm范围电磁光谱之外的能量重新定向到基于热的CO₂直接空气捕获装置，促进了藻类的生产。本发明中的生物反应器中的温度分布更加均匀，并且更容易进行热管理。

技术领域

本发明涉及藻类生产技术领域，特别涉及一种组合式藻类生产装置和应用系统。

背景技术

藻类是一种生物燃料的燃料，也是动物和人类的食物。与普通植物一样，藻类养殖消耗CO₂，这是一种潜在的减轻全球变暖方法，使环境碳中和。并且具有实用价值的典型藻类物种包括普通小球藻和钝顶节螺旋体，通常在1周内生长和代谢，比其他常见作物如玉米、水稻等消耗CO₂速度更快。因此养殖藻类是实现全球变暖缓解目标的最合适选择。

传统的藻类生物反应器是将藻类与水的混合物放入一个直接位于自然阳光下的透明圆筒中。将液体流动回路和分离器连接到该圆筒上，以使CO₂、O₂、产生的藻类和其他物质循环进出生物反应器。但是这种反应器虽然结构简单、成本低，但无法满足经济批量生产所需的标准。因此，亟需设计一个可以最大限度地提高产量的藻类生物反应器，但这也是一个挑战，因为藻类生长对许多环境因素高度敏感。其中，首要的是必须提供所需的高纯度CO₂，以增强藻类光合作用，同时快速去除副产物O₂，以免影响藻类培养。其次，增强对光照强度的控制；过低会导致光合作用活性不足，过高会出现“光抑制”的现象，导致藻类产生过多的氧气，从而抑制其活性。最后，需要控制反应器温度应在10℃至35℃范围内，以确保藻类生存能力。理想情况下可在30℃左右内实现最大生长。

现有技术中为通过管理阳光分布以及随后的藻类培养和温度分布设计了以下几种反应器包括：长矩形槽、长槽中的“赛道桨叶”式布置、水平管式反应器或垂直管式反应器。此外，现有技术中还提供了非通过生物反应器的透明壁供给阳光的设计：通过应用太阳能聚光器来集中和引导阳光进入和穿过光纤。在位于生物反应器内的光纤末端安装一组光扩散光学棒。它们的作用是将阳光以比传统藻类生物反应器设计更均匀的分布重新分配到生物反应器中。

然而迄今为止，现有的生物反应器设计忽略了影响能量效率过程这一主要因素，即藻类只能利用400nm–700nm的电磁光谱进行光合作用。剩余的光谱是透过或反射的，或者在生物反应器中转化为热量。但是转化为热量是不利的，因为热量的产生会影响生物反应器的温度，这使得维持最佳藻类生长的理想温度变得更加困难。因此，由于太阳光谱的这些无法利用的部分，导致太阳能效率非常低，也导致藻类大量的生产率降低。而解决阳光不均匀分布的一个常见解决方案是，根据藻类的需要，交替使用发光二极管以理想的400nm–700nm光谱发光。然而LED需要消耗电力，在航天器环境中，这种电力通常来自光伏板。太阳光的能量路径：太阳能→能量→LED灯→光合作用是极其低效的。另一个重要问题是，大气中的二氧化碳浓度约为400ppm，这对于确保稳定和可持续的藻类养殖来说是非常不理想的；而从低浓度源获得更高纯度的二氧化碳需要大量能源，基于此，有研究人员提出，化石燃料发电厂的烟气通常含有高达10％摩尔分数的二氧化碳，可以定向用于藻类培养。虽然理论上是可行的，但许多技术问题阻碍了这种方法的实用性；烟气温度很高150℃，可能含有其他有害成分，如SO_x和NO_x，必须对其进行处理，然后才能将废水供应给生物反应器。

综上所述，基于能源效率低和需要提供更高纯度的二氧化碳的问题，亟需发明一种替代解决方案来提高藻类生物反应器的工作效率。

发明内容