CN112680331A - 一种在大型水体中运行的光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在大型水体中运行的光生物反应器，用于在海洋/湖泊等宽广水域中培养微藻，包括漂浮在水面的工作平台和悬挂在工作平台下方的微藻培养装置，微藻培养装置浸没在水中；微藻培养装置包括四周和底部为筛网、顶部为开口的网箱，筛网的网孔孔径小于1微米，微藻细胞培养在网箱中；网箱内设有人工光源和营养释放装置；工作平台上设有向营养释放装置提供营养的储槽。本发明的光生物反应器，不占用陆地面积、培养容积大、成本低、能耗低、光能利用率高，开拓了水上漂浮光生物反应器研发新方向。

Description

一种在大型水体中运行的光生物反应器

技术领域

本发明涉及光生物反应器技术领域，尤其涉及一种在大型水体中运行的光生物反应器。

背景技术

微藻能高效利用光能、二氧化碳和水进行光合作用，产生氧气并合成多种生物活性物质(如多糖、蛋白质、油脂、不饱和脂肪酸、天然色素、维生素及矿物质等)，且具有生长速率快，培养周期短，可持续再生，不占用耕地等优势，被认为是新型生物质能源的重要原料来源，可广泛应用于食品饲料、医药保健、化妆品、水产动物及家禽牲畜养殖业等，具有非常广阔的应用前景。

光生物反应器作为整个微藻产业链条的核心。目前，以商业应用为目的的微藻规模化培养多是在室内外的开放式培养***和封闭式光生物反应器中进行的。开放池因具有更经济、更易建立和运作的优点，成为微藻规模化培养中应用最普遍的培养***。但这种开放式的培养***受环境影响较大，易被污染，加上培养条件不可控，水分蒸发量大，有效光照利用率低。相对而言，封闭式的光生物反应器对各种培养参数高度可控，使得微藻培养不易被污染，光能利用效率高，生物质浓度高，但本体造价成本昂贵，运行和维护成本高。目前，微藻光生物反应器都是陆地式，尚未研发出适用于海洋环境的大规模产业化微藻培养光生物反应器。对于陆地光生物反应器而言，主要存在以下一些技术问题：①开放式跑道池占地大、培养密度低、培养液循环能耗高、易受外界污染。②密闭式的透光容器造价高，尤其是玻璃容器，受限于玻璃加工工艺的特殊性和局限性，无法一次成型，制造成本、安装及维护成本都非常高；且同样存在细胞培养密度低，空间利用度不足，能耗高的问题。③固态培养光生物反应器，对于材质本身的依赖性很大、光利用效率低；而且适用性也比较受局限，其供液装置也是一种耗能装置，无法进一步降低培养成本。目前这些主流的微藻培养***主要是在陆地上运行的，占用大量土地面积，同时设备折旧和能耗增加了微藻的培养成本，严重制约了微藻产业化的高速发展。

虽然我国海域面积广阔、海洋资源丰富，但是受陆地和海岸养殖面积的限制，有关生物质能源和水产生物的养殖也正在向海洋拓展。因此，研发一种低成本、高效益、多用途的新型海洋光生物反应器具有重要的现实意义和的巨大的应用前景。

目前应用于户外开放水域中的微藻培养装置，主要有漂浮于水上的养殖筏架和水上围隔式的微藻培养装置，以及一种半潜式网笼用LED沉水灯培养装置。此外水上漂浮的透光薄膜袋等，很容易在风浪拉扯冲击下破碎。这些装置结构简陋、培养体积小、水底光照不足或者不见光、光能利用率低，结构易被鱼群破坏，培养中的微藻易被浮游动物和一些鱼类捕食；而且管理维护困难。直到到目前为止，仍然缺乏能在开放式水面，尤其是在海洋上可稳定地应用于微藻规模化培养的光生物反应器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种在大型水体中运行的光生物反应器，其结合了各种反应器的优点与微藻生长的特点，解决当前陆地光生物反应器占地广、造价成本高、能耗高、难控温、光能利用率低、细胞增殖速度慢、生物量浓度低、易污染等问题，开拓了海洋光生物反应器研发新方向。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种在大型水体中运行的光生物反应器，用于在海洋/湖泊/水库中培养微藻，其包括漂浮在水面的工作平台和悬挂在该工作平台周围的微藻培养装置，所述微藻培养装置浸没在水中；

所述微藻培养装置包括一个四周和底部为筛网、顶部为开口的网箱，所述筛网的网孔孔径小于1微米，微藻细胞被接种和培养在所述网箱中；所述网箱内设有人工光源和营养释放装置；所述工作平台上设有向营养释放装置提供营养的储槽。

营养释放装置可提供含碳酸盐或碳酸氢盐等营养液为藻细胞提供碳源，此时不必设置专门的二氧化碳供气装置。

其中，网箱的孔径小于1微米，既为微藻细胞提供了必须的生长繁殖空间，也可防止或减少原生动物进入网箱内对藻细胞等造成污染。

根据本发明较佳实施例，所述工作平台上设有供电装置，该供电装置连接公共电网，所述供电装置向人工光源和营养释放装置提供电能，该供电装置包括变压、整流、稳压电路等，可直接利用市电电网供电；或者进一步优选地，工作平台上设有电能储存装置，和风能发电装置、光伏发电装置、波浪发电装置中的一种或几种发电装置；这些发电装置产生的电能输送至电能储存装置中储存，由电能储存装置向人工光源和营养释放装置提供电能。由于工作平台漂浮在海洋、湖泊、宽广水面的水库上，没有遮挡物，可长时间接收太阳光和风能，因此优选采用光伏发电和风能发电联合生产清洁电能，向工作平台下的微藻培养装置提供其正常运转的电能。

根据本发明较佳实施例，所述网箱内还设有二氧化碳供气装置，所述供电装置或所述电能储存装置向二氧化碳供气装提供电能。

根据本发明较佳实施例，所述人工光源、营养释放装置、二氧化碳供气装置悬挂连接在所述工作平台下方，借以减轻对网箱的压力，避免网箱受损。

根据本发明较佳实施例，所述二氧化碳供气装置包括二氧化碳分布器，其位于所述网箱底部；所述二氧化碳分布器上设有若干气孔，所述二氧化碳分布器通过输气管道连接至工作平台上方的气源。所述气源为CO₂气罐或空气泵或CO₂气罐与空气泵的组合。

其中，所述输气管道在竖直方向上布置，所述二氧化碳分布器沿着所述网箱底部横向设置；其中所述输气管道为可伸缩管道，从而调节二氧化碳分布器在水面以下的深度。

在一些实施例中，空气/CO₂按一定比例充分预混后从网箱顶部通入，沿着输气管道向下流动，经处于网箱底部的二氧化碳分布器的分布出来，既为藻细胞提供了生长所需的CO₂，又与海浪共同实现了藻液的充分搅拌和藻细胞的均匀分布。

根据本发明较佳实施例，所述营养释放装置包括液体泵、营养输送管和设于该营养输送管上的开孔或喷头；所述营养输送管的数量为多根，分散地设在所述网箱中靠中间的位置。该开孔可以直接向网箱内释放营养液，但在较深的水面以下，水的压力较高，此时可以在该营养输送管上安装喷头，借助喷头将营养液以较大压力喷射到网箱中，有助于营养物质的扩散和分布。

更优选地，所述喷头为旋转喷头(更优选为360°旋转喷头)或固定喷头，以分散营养释放装置所释放的营养物质，该营养输送管浸没在海水中的长度为可调。所述营养物质主要是一些含N营养盐或无机营养盐；，在未设置二氧化碳供气装置时，所述营养物质还包含碳酸盐或碳酸氢盐等。

根据本发明较佳实施例，所述营养释放装置还包括多个营养物质浓度检测器，分散在所述网箱内的不同位置和深度；所述工作平台上设有控制器，所述控制器根据所述营养物质浓度检测器检测的营养物质浓度，启动或关闭所述营养释放装置的液体泵，以启动或关闭营养物质的释放。

其中，所述营养物质浓度检测器为检测所述营养释放装置所释放的营养液中某一种或几种特定成分的浓度，当检测到某个位置的营养物质浓度过低时，需要启动营养释放装置释放营养物质，否则关闭营养释放装置。

根据本发明较佳实施例，所述人工光源包括发光组件和防水透光套管，所述防水透光套管套在该发光组件外部。所述人工光源包括若干根发光组件。海水可对发光组件进行散热降温；所述发光组件连接至电能储存装置。

优选地，人工光源产生的光强、波长、以及光照周期均可调节，较大程度地提高了光能利用率。在工作平台上设有智能光源调节器、在网箱中不同深度设有光强感应器，借助光强感应器和智能光源调节器，可以自动调节人工光源的发光组件的发光强度、光质、波长、发光时长和光暗周期。

其中，所述发光组件为日光灯管、LED灯带；所述防水透光套管为PC(聚苯乙烯)、PMMA(有机玻璃)、AS(亚克力)或PSU(聚碳酸酯)等中的一种或几种，具有良好的防水性和防腐蚀性。

根据本发明较佳实施例，所述发光组件和防水透光套管整体可相对该所述工作平台升降，以根据网箱的容积大小和太阳光的强度调整人工光源在水面以下的深度。在太阳光强度变弱时，可适当将人工光源伸到网箱中更深的位置。

根据本发明较佳实施例，所述人工光源产生的光强、波长、以及光照周期均为可调；在工作平台上设有智能光源调节器、在网箱中不同深度设有光强感应器，借助光强感应器和智能光源调节器，可以自动调节人工光源的发光组件的发光强度、波长、光质、发光时长和光暗周期。

根据本发明较佳实施例，所述工作平台下方设有声呐装置，用于驱赶鱼群，避免鱼群破坏微藻培养装置的结构。

根据本发明较佳实施例，所述工作平台下方铰接若干根绳索，在绳索下方悬挂连接配重块，所述绳索和配重块组成了网箱的骨架结构，以维持网箱的体积和形状。其中，所述配重块为混凝土块、表面镀有防腐涂层的铁块或铜块。其中筛网可为尼龙筛网，聚乙烯筛网、超滤膜或渗透和反渗透膜等。或者，所述工作平台下方铰接若干刚性材质的竖向支架，竖向支架之间连接横向支架组成网箱的骨架结构，以维持网箱的体积和形状。

根据本发明较佳实施例，所述绳索的长度为可调节，所述筛网为柔性筛网。借此，可通过所述绳索的长度调节网箱的容积大小，实现网箱容积的调节，绳索长度伸长可以扩大微藻的有效培养体积，绳索收卷可以用于缩小网箱的体积以实现微藻生物质的快速收获。

根据本发明较佳实施例，在所述网箱外部还设有防护网罩，避免鱼群或大型水生动物破坏微藻培养装置的结构。防护网罩和声呐装置联合起到保护网箱的作用。由于网箱为柔性材质制成，强度较低，因而在其外部设置防护网罩有助于防止网箱损坏。

根据本发明较佳实施例，所述光生物反应器的网箱为六面体形，其体积为长1-100m*宽1-100m*高1-100m或者等效体积与该六面体形相当的圆柱体形，椭圆体形等规则几何体形或者等效体积与该六面体形相当的不规则几何体形。

在大洋中，水温的变化幅度不大，海水的深度与温度的关系在深度20-200米之间为均匀变化，且海水下1-100m的水温只有不到10℃的变化。为了兼顾考虑水下温度变化和培养规模及经济效益，其中网箱优选为等效体积为5-50m*宽5-50m*高5-50m，更优选为10-30m*宽10-30m*高10-30m。

本发明上述方案中的整个光生物反应器的组件均具有防水，耐酸碱、抗高压和耐腐蚀的特点。本发明的光生物反应器优选是在海洋中使用，海水中含有大量无机盐，可为微藻生长提供天然的无机养料。

(三)有益效果

针对现有技术存在的问题，本发明研发出了一种造价成本低廉、零能耗、光利用效率高、细胞增殖速度快、生物量浓度高，不易污染、适用于海洋或湖泊等大型水体中、大规模产业化微藻培养的新型光合生物反应器。本发明可在整体降低微藻培养成本的同时，也可以带来良好的经济和环保效益；此新型反应器不仅克服了现有陆地光生物反应器普遍存在的设计缺陷，不占用土地(不与农争地)，而且可以拓宽未来光生物反应器研发新领域。具体地，本发明技术效果还表现在以下几个方面：

(1)光生物反应器由在水面上漂浮的工作平台和在水中浸没的微藻培养装置组成，本发明可在整体降低微藻培养成本的同时，带来良好的经济和环保效益；此新型反应器不仅克服了现有陆地光生物反应器普遍存在的设计缺陷，不占用土地(不与农争地)，而且可以拓宽未来光生物反应器研发新领域。与传统水上漂浮的光生物反应器相比，本发明的光生物反应器具有极小的比表面积且巨大的培养体积，比表面积很小故高成本材质用量很少，造价相对较低，网箱的体积是往水下延伸(网箱容积可固定或者可根据绳索调节)，水下风浪很小，具有实际运行可能性。工作平台上安装有若干太阳能/风能发电装置/波浪发电装置中的至少一种和水下声呐装置，用于微藻光生物反应器的能量供给和鱼群的驱赶。

(2)对于在海洋中使用的光生物反应器，微藻培养装置的网箱形状多样，如圆柱体、正方体、长方体(圆角、直角)，网箱主体外壁由孔径小于1微米的筛网围成，从而可以保证微藻细胞在网箱内生长繁殖且可防止或减少原生动物等污染，其中筛网可以为尼龙筛网，聚乙烯筛网、超滤膜、渗透和反渗透膜等。绳索和绳索下端连接的配重块，起到了拉伸和加固网箱骨架的作用，其中配重块可以为镀有防腐涂层的铁块、铜块或石块或混凝土块。网箱体积可由绳索长短调节，易于扩大培养体积和藻细胞收获。

(3)微藻培养装置的光源采用太阳光和浸没在水体中的人工光源，或者两者相结合，可以实现光强、波长、以及光照周期调节，较大程度地提高了光能利用率。人工光源由发光组件和防水透光套管组成，通过海水吸热可对人工光源进行冷却降温。其中人工光源可以是日光灯管、LED灯带或者发光材料；透明管材质可为PC(聚苯乙烯)、PMMA(有机玻璃)、AS(亚克力)或PSU(聚碳酸酯)等。

(4)二氧化碳供气装置通过位于网箱底部的二氧化碳分布器进行分布，一方面为藻细胞提供了生长光合作用所需的碳源，另一方面，又与波浪的搅拌相结合，实现了培养藻液的充分搅拌和藻细胞的均匀分布。其中供给的气体可以是纯二氧化碳或者空气与二氧化碳按一定比例混合；气体分布器形状多样，比如多孔圆盘，带有气孔的迂回弯折的S形管道、并排的多孔管道等等。

(5)营养释放装置处于反应器内部靠近中心的位置上，包括液体泵、营养输送管及设于营养输送管上的喷头。其中，其营养输送管较佳是位于网箱的靠中间的位置，使营养物质具有最大的释放路径，使营养物质在网箱内分布更加均匀，使营养液在到达网箱边缘位置时恰好可被消耗完，避免营养成分逸散到外部，营养盐等通过360°旋转喷头喷出，通过调整压力，实现营养盐的最大化利用。营养输送管位于中心位置，使营养物质具有最大的释放路径，使营养物质在网箱分布更加均匀。此外，营养释放装置还包括多个营养物质浓度检测器，工作平台上设有控制器，控制器根据营养物质浓度的检测情况，启动或关闭营养释放装置的液体泵，以启动或关闭营养物质的释放，从而节省能耗和营养物质，避免浪费。

(6)整个光生物反应器的组件均具有防水，耐酸碱、抗高压和耐腐蚀的特点；其中人工光源浸没在水面以下的深度为可调，输气管道的长度为可调，营养输送管的长度为可调，网箱的体积为可调，可根据需要和自然环境、气候等调节微藻的培养规模。本发明的光生物反应器为海水藻，如三角褐指藻，湛江等鞭金藻和黄丝藻等提供培养设施。

附图说明

图1为本发明实施例1的用于海洋中培养微藻的光生物反应器的整体结构示意图。

图2为本发明实施例2的用于海洋中培养微藻的光生物反应器的培养装置(网箱及附属设施)的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

本发明提出一种在大型水体中运行的光生物反应器，用于在海洋中培养微藻，其包括漂浮在水面的工作平台和悬挂在该工作平台周围的微藻培养装置，微藻培养装置浸没在海水中。所述微藻培养装置悬浮在工作平台以下，提供微藻接种和培养的空间，而工作平台上主要设置风电发装置/光伏发电装置/波浪发电装置和储能装置、控制箱、二氧化碳气罐、空气泵、液体泵、人工光源的驱动电路板、人工光源控制器、工作人员的行走路基、营养液储槽、工作人员宿舍、办公室/监控室、化验室等设施。微藻培养装置主要由网箱，位于网箱内的人工光源、二氧化碳供气装置和营养释放装置、声呐装置、刚性防护网罩(或使用强韧材质制成的柔性防护网罩)等所组成。其中，工作平台上的电能储存装置向人工光源、二氧化碳供气装置和营养释放装置提供运转所需的电能。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照图1更详细地描述本发明的示例性实施例。

如图1所示，本发明一个较佳实施例的光生物反应器的结构示意图。包括工作平台10，其漂浮在水面上。在工作平台10的周围呈对称方式固定设有微藻培养装置20，其包括网箱21、人工光源22、二氧化碳供气装置23和营养释放装置24、声呐装置25、防护网罩26等组成。除按照图1所示正方形的工作平台10之外，还可将工作平台10呈长直线结构，而若干个微藻培养装置20呈对称地分布在该直线型两侧。

工作平台10上设有风能/太阳能/波浪发电装装置(波浪发电装置部分浸没在水面浅表深度以接收海浪冲击能量转化成电能)11、储能装置12、营养液储槽13等，这些发电装置和储存装置为微藻培养装置20的运行提供全部能量。工作平台10的发电设备和电能储存装置等负载物应尽量均衡分布，避免工作平台10侧倾。

微藻培养装置20的网箱21包括骨架210、筛网213等组件。其中，网箱21的四周和底部为筛网213、顶部为开口214(工作平台10的上方对应该开口214设有钢架结构或钢架横梁2141，以便在钢架结构或钢架横梁2141下方悬挂人工光源22、二氧化碳供气装置23和营养释放装置24等设施，使其对应从开口214伸到网箱21中)，可直接受太阳光照射。筛网213的网孔孔径小于1微米，既为微藻细胞提供了必须的生长繁殖空间，也可防止或减少原生动物等污染。网箱21的骨架210包括可铰接在工作平台10下方的绳索211和连接在绳索211下端的配重块212所组成。绳索211的数量可为4根、6根、8根……20根等等，具体数量不做限制。在骨架210的底部和四周面都固定筛网213，顶部为敞开的开口214，使网箱21围成长方体、六边形柱体、八边形柱体、圆柱体、椭圆柱体等形状。筛网213绑缚在绳索211上，将筛网213的下边沿固定在绳索211的下端，筛网213的上边沿固定在绳索211的上端，中间再加固绑缚。筛网213采用柔性材料制成的网结构，具体可为尼龙筛网，聚乙烯筛网、超滤膜或渗透和反渗透膜等，可供水分子和气体等通过，但不允许微藻细胞和原生动物等通过。绳索211为可卷收的钢绳或尼龙绳等，其浸没在海水内的长度为可调。配重块212可为混凝土块、表面镀有防腐涂层的铁块或铜块。骨架210可以维持网箱21的体积和形状，同时由于筛网213为柔性筛网，绳索211为可卷收的绳索(钢架结构或钢架横梁2141设有卷收器)，因此，可通过伸长绳索211可以扩大网箱21的有效容积和养殖规模，或者收卷绳索211可收缩网箱21的容积从而快速收获微藻细胞。

微藻的收获方法包括对藻液进行离心、过滤、絮凝沉淀等方法，可在工作平台上设置初步收获的离心机、过滤器或絮凝池等设施，对收获的藻液做初步的浓缩处理，然后运输至加工厂进一步加工。

其中，网箱21为长方体时，其体积为长1-100m*宽1-100m*高1-100m，当为其他形状时，可为等效体积与该长方体相当的圆柱体形，椭圆体形等规则几何体形或者等效体积与该六面体形相当的不规则几何体形。

人工光源22包括发光组件220和防水透光套管221。防水透光套管221套在发光组件220的外部。人工光源22包括若干根发光组件，分散间隔地设置在网箱21中，且人工光源22主要在海水2米以下的位置，以补充自然光在海水以下强度的不足。海水可对发光组件进行散热降温；发光组件220连接至工作平台10上的电能储存装置12。其中，人工光源220产生的光强、波长、光质、以及光暗周期均可调节，最大程度地提高了光能利用率。在工作平台10上设有智能光源调节器、在网箱21中不同深度设有光强感应器，借助光强感应器和智能光源调节器，可以自动地调节人工光源的发光组件220的发光强度、波长和发光时长。发光组件220为日光灯管、LED灯带等中的一种或几种的组合，而防水透光套管221为PC(聚苯乙烯)、PMMA(有机玻璃)、AS(亚克力)或PSU(聚碳酸酯)等中的一种或几种。发光组件220和防水透光套管221组成的灯柱结构，该灯柱整体可相对该工作平台10上下升降调节，以根据网箱21的容积大小和太阳光的强度调整人工光源在水面以下的深度。在太阳光强度变弱时，可适当将人工光源22伸到网箱21中更深的位置。

在一些实施例中，发光组件220可设为柔性且可卷收的发光带，而防水透光套管221为柔性的可卷收材料。如此，可以根据网箱21的容积大小和太阳光的强度调整发光组件220在网箱21中的发光长度和在水面以下的深度。在天气阴霾时，可释放更多的发光带到网箱21中以增加光强。

二氧化碳供气装置23包括二氧化碳分布器230，其位于网箱21的底部。二氧化碳分布器230上设有若干气孔，二氧化碳分布器230连接输气管道231，输气管道231连接工作平台10上方的气源。气源为CO₂气罐或空气泵或CO₂气罐与空气泵的组合。气体分布器230的形状多样，可为多孔圆盘，带有气孔的迂回弯折的S形管道、并排的多孔管道等等。输气管道231在竖直方向上布置在网箱21中，二氧化碳分布器230接近水平向设置在网箱21的底部。优选地，输气管道231为可伸缩管道，从而调节二氧化碳分布器230在水面以下的深度。在一些实施例中，空气/CO₂按一定比例充分预混后从网箱21顶部通入，沿着输气管道231向下流动，经处于网箱21底部的二氧化碳分布器230的分布出来，既为藻细胞提供了生长所需的CO₂，又与海浪共同实现了藻液的充分搅拌和藻细胞的均匀分布。

营养释放装置24包括液体泵(未绘示)、营养输送管240和设于该营养输送管240上的喷头241。营养输送管240较佳是竖直向设于网箱21靠近中心的位置。优选地，营养输送管240位于网箱21的中心轴线上，在营养输送管240径向设置多个分支管，而喷头241设在这些分支管上喷头241为360°旋转喷头，喷头241以一定压力分散营养释放装置所释放的营养物质，该营养输送管240浸没在海水中的长度为可调，以调节营养物质的释放深度。营养物质主要是一些含N营养盐或无机营养盐等。将营养输送管240设置在网箱21靠近中心的位置，一方面可以使营养成分具有最大的释放路径，使营养物质被释放出来后，在扩散到网箱21边缘处时已消耗殆尽，避免营养成分过快穿过网箱21逸散到外部造成浪费，另一方面，可尽可能让网箱21内的营养物质均匀。

优选地，营养释放装置24还包括多个营养物质浓度检测器，分散在网箱21内的不同位置和深度。工作平台10上设有控制器，控制器根据营养物质浓度检测器检测的营养物质浓度，启动或关闭营养释放装置24的液体泵，以启动或关闭营养物质的释放。因此，在一些实施例中，营养释放装置24是间歇性工作的，是否启动营养物质的释放要通过营养物质浓度检测器的检测结果来判断，从而避免营养物质的浪费。其中，营养物质浓度检测器为检测营养释放装置所释放的营养液中某一种或几种特定成分的浓度，当检测到某个位置的营养物质浓度过低时，需要启动营养释放装置释放营养物质，否则关闭营养释放装置。

声呐装置25可设于网箱21的底部，也可以设于网箱21内，用于发出声波，驱赶鱼群，避免鱼群破坏微藻培养装置的结构。

防护网罩26设于网箱21的外部，避免鱼群或大型水生动物(特别是海洋中的鲸、鲨、大型浮游动物等)冲撞或被长海藻缠绕损坏而破坏网箱21的结构。防护网罩26可采用不锈钢材质焊接制成，固定在工作平台10下方，且连接处为铰接，以抗击一定的冲击力。防护网罩26和声呐装置25联合起到保护网箱21的作用。防护网罩26和声呐装置25联合起到保护网箱21的作用。

上述方案中的整个光生物反应器的组件均具有防水，耐酸碱、抗高压和耐腐蚀的特点。同时，上述光生物反应器具有如下优点：

(1)用于培养微藻的网箱21悬浮于海水上，不占陆地资源；网箱21的比表面积很小，单位体积造价低；网箱21可通过调整绳索211长短，在垂直方向上灵活增大或缩小藻类培养体积(从千吨级到百万顿级)，从而可以根据需求扩大培养规模且便于收获微藻细胞；网箱(孔径小于1微米)可防止或减少原生动物等污染。

(2)本发明的光生物反应器特别适合在海上使用，水面宽广风大、可利用太阳能/风能，海流能等可再生自然能源产生电能，还可以利用海水中天然的无机盐、有机质和微量元素等海洋天然所具备的营养物质。安装于水面工作平台的太阳能/风能/波浪发电装置11可为微藻培养装置提供电能，从而实现“零”能耗；天然海水既可以为培养体系提供稳定的温度，又可以冷却和吸收人工光源发光组件的热量，水吸收热量后可保持微藻培养装置内微藻适宜生长温度；利用自然海流还可搅拌藻液，使藻细胞均匀分布；海水中的无机盐、有机质和微量元素可为微藻生长提供所需营养物质。

(3)微藻培养装置的光源采用太阳光，内置人工光源22，或者两者相结合，可以实现光强、波长、光质、以及光照周期进行调节，较大程度地提高光能利用率，而且可以实现24小时不间断为藻细胞生长增殖提供光照，能高效地提高藻细胞产量并缩短生产周期。

(4)二氧化碳供气装置23既为藻细胞提供了微藻光合作用所需的二氧化碳，又与海流相偶联实现了藻液的充分搅拌和藻细胞的均匀分布。

(5)依据微藻细胞的不同生长阶段的需求，通过调整营养释放装置24的压力，可以调控培养藻液中营养盐的浓度，从而实现营养盐最大化利用。

(6)微藻培养装置利用原位海水而且光生物反应器透水不透藻，培养的藻液与自然水体可实时进行水体交换，不存在废水收集和处理等问题。收获培养的藻细胞时，通过调节光生物反应器的体积浓缩藻液，结合超滤技术和离心分离装置可以实现快速、高效的藻细胞分离和收集工作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种在大型水体中运行的光生物反应器，用于在海洋/湖泊/水库中培养微藻，其特征在于，其包括漂浮在水面的工作平台和悬挂在该工作平台周围的微藻培养装置，所述微藻培养装置浸没在水中；

所述微藻培养装置包括一个四周和底部为筛网、顶部为开口的网箱，所述筛网的网孔孔径小于1微米，微藻细胞被接种和培养在所述网箱中；所述网箱内设有人工光源和营养释放装置；所述工作平台上设有向营养释放装置提供营养的储槽。

2.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述工作平台上设有供电装置，该供电装置连接公共电网，所述供电装置向人工光源和营养释放装置提供电能；或者所述工作平台上设有电能储存装置，和风能发电装置、光伏发电装置、波浪发电装置中的一种或几种发电装置；所述电能储存装置向人工光源和营养释放装置提供电能；所述人工光源、营养释放装置悬挂连接在所述工作平台下方。

3.根据权利要求2所述的光生物反应器，其特征在于，所述网箱内还设有二氧化碳供气装置，所述供电装置或所述电能储存装置向二氧化碳供气装提供电能；二氧化碳供气装置悬挂连接在所述工作平台下方；所述二氧化碳供气装置包括二氧化碳分布器，其位于所述网箱底部；所述二氧化碳分布器上设有若干气孔，所述二氧化碳分布器通过输气管道连接至工作平台上方的气源。

4.根据权利要求3所述的光生物反应器，其特征在于，所述输气管道在竖直方向上布置，所述二氧化碳分布器沿着所述网箱底部横向设置；其中所述输气管道为可伸缩管道，从而调节二氧化碳分布器在水面以下的深度。

5.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述营养释放装置包括液体泵、营养输送管和设于该营养输送管上的开孔或喷头；所述营养输送管的数量为多根，分散地设在所述网箱中靠中间的位置；所述喷头为旋转喷头/固定喷头，以分散营养释放装置所释放的营养物质；该营养输送管浸没在海水中的长度为可调。

6.根据权利要求5所述的光生物反应器，其特征在于，所述营养释放装置还包括多个营养物质浓度检测器，分散在所述网箱内的不同位置和深度；所述工作平台上设有控制器，所述控制器根据所述营养物质浓度检测器检测的营养物质浓度，启动或关闭所述营养释放装置的液体泵，以启动或关闭营养物质的释放。

7.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述人工光源包括发光组件和防水透光套管，所述防水透光套管套在该发光组件外部；所述人工光源包括若干根发光组件，所述发光组件连接至电能储存装置；所述发光组件和防水透光套管整体可相对该所述工作平台升降，以根据网箱的容积大小和太阳光的强度调整人工光源在水面以下的深度；所述人工光源产生的光强、波长、以及光照周期均为可调；在工作平台上设有智能光源调节器、在网箱中不同深度设有光强感应器，借助光强感应器和智能光源调节器，可以自动调节人工光源的发光组件的发光强度、波长、光质、发光时长和光暗周期。

8.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述工作平台下方设有声呐装置，声呐装置浸没在海水中，用于驱赶鱼群，避免鱼群破坏微藻培养装置的结构。

9.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述工作平台下方铰接若干根绳索，在绳索下方悬挂连接配重块，所述绳索和配重块组成了网箱的骨架结构，以维持网箱的体积和形状；或者所述工作平台下方铰接若干刚性材质的竖向支架，竖向支架之间连接横向支架组成网箱的骨架结构，以维持网箱的体积和形状；所述绳索的长度为可调节，所述筛网为柔性筛网。

10.根据权利要求1或9所述的光生物反应器，其特征在于，在所述网箱外部还设有防护网罩，避免鱼群或大型水生动物破坏微藻培养装置的结构；所述光生物反应器的网箱为六面体形，其体积为长1-100m*宽1-100m*高1-100m或者等效体积与该六面体形相当的圆柱体形，椭圆体形或者等效体积与该六面体形相当的不规则几何体形。

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