用于空氣凈化的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于空氣凈化的光生物反應(yīng)器系統(tǒng) 相關(guān)申請的交叉引用
[00011 根據(jù)35U.S.C§119(e)，本申請是要求2014年12月16日遞交的申請?zhí)枮?2/124， 348,題目為"用于凈化室內(nèi)及戶外香港空氣的微藻光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)"的美國臨時專利申 請權(quán)益的非臨時專利申請，通過全文引用的方式將該美國臨時專利申請的公開內(nèi)容包含于 此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及空氣凈化。特別地，本發(fā)明涉及一個利用淡水或者海洋中的光合微藻 降低空氣中的二氧化碳濃度的系統(tǒng)。本發(fā)明尤其適用于平均溫度在15°C到30°C的亞熱帶和 溫帶氣候地區(qū)。
【背景技術(shù)】
[0003] 來自車輛和工業(yè)的溫室氣體的排放是全球變暖的主要誘發(fā)因素之一并且導(dǎo)致地 球溫度上升。二氧化碳(C〇2)占人類活動排放的溫室氣體的68%。各種封存C〇2的方法已經(jīng)被 廣泛地研究，其目的在于減少C0 2排放至大氣中。通常，空氣中的C02通過物理或者化學(xué)的方 法來捕獲。比如，用氨水溶液洗滌然后在高溫下溶劑再生和利用高壓的物理溶劑分離。捕獲 的C〇2被運(yùn)輸離岸地質(zhì)儲存(Gibbins et al，2008)。
[0004] 相比于傳統(tǒng)的化學(xué)和物理方法，用生物方法來凈化空氣是目前被認(rèn)為更好的替代 方法。生物方法需要溫和的條件。在生物方法中排除了傳統(tǒng)方法中所使用的高溫、高壓和對 環(huán)境有害的溶劑。生物方法也是更可持續(xù)的。生物方法利用光合作用將不需要的C0 2轉(zhuǎn)化為 氧氣，因此不需要物理儲存空間來儲存⑶2。除了氧氣之外，通過生物方法去除C0 2還能產(chǎn)生 珍貴的生物質(zhì)。這些生物質(zhì)可以用于生物柴油的生產(chǎn)，魚飼料，肥料以及保健品和食品 (Chisti，2007)。
[0005] 然而，當(dāng)?shù)氐臍夂驎绊懝馍锓磻?yīng)器去除二氧化碳的性能。因此，期望提供一種 適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚝铜h(huán)境因素的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)來高效地去除空氣中的二氧化碳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在眾多生物質(zhì)有機(jī)體之中，淡水微藻類因其高的光合效率而被認(rèn)為是應(yīng)用在空氣 凈化光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的最合適的光合有機(jī)體(Perrine et al，2012).
[0007] 相應(yīng)地，本發(fā)明提供一個使用微藻類凈化空氣的系統(tǒng)，特別是凈化亞熱帶至溫帶 氣候地區(qū)空氣的系統(tǒng)。
[0008] 本發(fā)明的第一方面提供一種用于減少亞熱帶至溫帶氣候地區(qū)的空氣中的二氧化 碳的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 反應(yīng)器槽，用于容納溫度為15-30°C的微藻培養(yǎng)基，其中，所述微藻培養(yǎng)基中小球藻 (Chlore 11a species)的初始濃度為 1000000~1500000cell/ml; 進(jìn)氣口，用于使空氣進(jìn)入所述系統(tǒng)； 氣栗，氣壓控制器和噴灑器，用于將空氣以小氣泡的形式，以0.1~20L/min的流速輸送 給所述培養(yǎng)基； 溫度控制器，用于調(diào)節(jié)所述培養(yǎng)基的溫度，使之處于工作所需的溫度； 光源，用于為所述培養(yǎng)基提供強(qiáng)度為50~SOOymolm^VPPFD的光；以及出氣口，用于使 包含降低二氧化碳濃度的凈化氣體離開所述系統(tǒng)。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的第一個實(shí)施例，所述具有亞熱帶至溫帶地區(qū)為東南亞。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，所述地區(qū)為香港。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，所述培養(yǎng)基的溫度被控制在15~30°C。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，所述培養(yǎng)基的pH被保持在7-9。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，所述光源包括發(fā)光二極管，熒光燈，太陽光或者以上 三者。
[0014] 本發(fā)明的第二方面為提供一個減少亞熱帶至溫帶氣候地區(qū)空氣中的二氧化碳的 方法，包括： 提供生物反應(yīng)器系統(tǒng)； 將需要被處理的空氣通過進(jìn)氣口輸送到所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)中； 調(diào)節(jié)所述培養(yǎng)基的溫度到工作所需的溫度； 將需要被處理的空氣以小氣泡的形式，以0.1-20L/min的流速輸送至所述培養(yǎng)基。
[0015] 與現(xiàn)有的任何生物反應(yīng)器不同的是，為了高效地去除二氧化碳，本發(fā)明的光生物 反應(yīng)器系統(tǒng)和利用所述光生物反應(yīng)器凈化空氣的方法適用于亞熱帶至溫帶氣候。
【附圖說明】
[0016] 在下文中參照附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中，
[0017] 圖1是本發(fā)明的應(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化的板狀光生物反應(yīng)器的示意圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明的應(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化的管狀的光生物反應(yīng)器的示意圖。
[0019] 圖3是本發(fā)明的應(yīng)用于室外空氣凈化包括六個管狀光生物反應(yīng)器的光生物系統(tǒng)的 示意圖。
[0020] 圖4是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例在不同時間下C02消耗量的曲線圖。
[0021] 圖5是顯示本發(fā)明第二實(shí)施例在不同時間下C02消耗量的曲線圖。
[0022]圖6是顯示本發(fā)明第三實(shí)施例在不同時間下C02消耗量的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)，以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì) 的描述。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)包括用于容納培養(yǎng)基的板狀反應(yīng)器槽 110。本發(fā)明的反應(yīng)器槽可以是透明的，半透明的，或者反射的，從而光能夠穿過反應(yīng)器槽并 到達(dá)容納于其中的微藻，從而實(shí)現(xiàn)光合作用。本發(fā)明的所述反應(yīng)器槽的材料可以為玻璃，丙 烯酸塑料，聚丙烯酸塑料或其他透明材料。微藻培養(yǎng)基包括初始濃度為1 〇〇〇〇〇〇-1500000cell/ml的小球藻(Chlore 11a species)。適用于本發(fā)明的小球藻包括但不限于小 球藻(〇11<^611&8口），蛋白核小球藻(〇11〇代11&。5^6110丨(1〇8&)和普通小球藻(〇11〇1611& vulgaris)等。所述反應(yīng)器槽可以被或者不被多個分隔部111分隔，從而布置不同的內(nèi)部流 型。例如，所述多個分隔部111由交替地從所述反應(yīng)器槽相對側(cè)突出的分隔部構(gòu)成。在本發(fā) 明的一個實(shí)施例中，所述反應(yīng)器槽不設(shè)置任何分隔部。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，所述反 應(yīng)器槽包括兩個平分的分隔部來形成一個氣升流型。本發(fā)明所述的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)還包 括一個或者多個進(jìn)氣口 130來輸送將要被處理的空氣進(jìn)入所述微藻培養(yǎng)基。通過噴灑器或 者本領(lǐng)域中任何其他適用的方法將經(jīng)處理的空氣作為氣泡輸送到所述培養(yǎng)基。在本發(fā)明的 一個實(shí)施例中，進(jìn)氣口從所述反應(yīng)器槽的頂部延伸到底部，并以〇. 1-2.OL/min的流速向所 述培養(yǎng)基輸送空氣。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，被處理的空氣通過進(jìn)氣口在所述培養(yǎng)基 的底部直接形成氣泡，并以0.1-2. OL/min的流速進(jìn)入所述培養(yǎng)基。所述培養(yǎng)基的溫度被控 制在15-30°C。水浴或者本領(lǐng)域中使用的任何其他溫度控制系統(tǒng)可以被用于本發(fā)明的系統(tǒng) 中以控制反應(yīng)器槽的溫度。在一個實(shí)施例中，所述培養(yǎng)基的溫度被維持在15-30°C。在另一 個實(shí)施例中，所述培養(yǎng)基和被處理的空氣的溫度相同。所述光生物反應(yīng)器系統(tǒng)包括將所述 反應(yīng)器槽的溫度保持在期望的溫度范圍內(nèi)的溫度控制器（圖1中未標(biāo)出）。用于培養(yǎng)微藻的 培養(yǎng)基可以是適于微藻生長的任何種類的培養(yǎng)基。也可以使用混合培養(yǎng)基。在一個實(shí)施例 中，所述培養(yǎng)基為BBM培養(yǎng)基(Bold's basal medium)。在另一個實(shí)施例，所述培養(yǎng)基為布氏 培養(yǎng)基(Bristol's medium)。所述培養(yǎng)基的pH值被維持在pH 7-9。當(dāng)所述光生物反應(yīng)器持 續(xù)工作，所述培養(yǎng)基通過移除微藻生物量和更換反應(yīng)器槽中的新鮮的培養(yǎng)基，使所述培養(yǎng) 基的密度被維持在1000000-1500000cells/ml和pH被穩(wěn)定維持。在一個實(shí)施例中，所述光生 物反應(yīng)器系統(tǒng)的操作周期為兩周。所述培養(yǎng)基的密度被稀釋回1000000-1500000cell/ml的 初始濃度，并且新鮮的培養(yǎng)基被加回所述反應(yīng)器槽?？梢赃x擇性地從所述培養(yǎng)基中收獲藻 類生物量。
[0025] 所述光生物反應(yīng)器系統(tǒng)還包括二氧化碳濃度降低后的凈化氣體離開所述反應(yīng)器 槽的出氣口 140。在一個實(shí)施例中，所述出氣口被放置在所述光生物反應(yīng)器的上部。被處理 的氣體在反應(yīng)器槽的底部鼓泡到所述培養(yǎng)基中并被微藻培養(yǎng)基凈化，然后降低了二氧化碳 含量的凈化氣體上升至所述反應(yīng)器槽的頂部并經(jīng)所述出氣口離開。培養(yǎng)基中的小球藻消耗 被處理空氣中的二氧化碳進(jìn)行光合作用。所述培養(yǎng)基將二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣。因此，用所述 培養(yǎng)基處理的空氣通過減少二氧化碳的含量而被凈化。
[0026] 本發(fā)明所述光生物反應(yīng)器系統(tǒng)還包括為所述培養(yǎng)基光合作用提供光的光源。在一 個實(shí)施例中，所述光源采用具有位于所述反應(yīng)器槽110外部四周的LED燈陣列的燈室120的 形式。也可以使用熒光燈，高壓鈉燈，熒光汞燈，太陽燈或者太陽光。在一個實(shí)施例中，為有 效去除二氧化碳而施加到所述培養(yǎng)基的光強(qiáng)為SO-SOOymoln^sipPFD。在一個典型的實(shí)施 例中，所述LED燈陣列或者其他光源可以位于垂直于所述多個分隔部111方向的位置上，從 而通過使到達(dá)反應(yīng)器槽110中培養(yǎng)基的光最大化來提高光合速率。
[0027] 圖2示出了所述光生物反應(yīng)器的另一個實(shí)施例，其中，反應(yīng)器槽210為管狀。所述反 應(yīng)器槽的直徑與高度的比值(徑長比）為1:5到1:10。如圖所示，LED燈陣列220沿著管狀反應(yīng) 器槽垂直布置，進(jìn)氣口 230延伸到所述反應(yīng)器槽的底部來輸送空氣進(jìn)入所述培養(yǎng)基，出氣口 放置在所述反應(yīng)器槽的頂部。所述光生物反應(yīng)器系統(tǒng)還包括用來監(jiān)測所述反應(yīng)槽中溫度， 氣體流速，光強(qiáng)度和pH值的感應(yīng)器，同時用相應(yīng)的控制方法將溫度，光強(qiáng)度，氣體流速和pH 值維持在理想的范圍，以此在亞熱帶至溫帶氣候中高效地去除二氧化碳。在本實(shí)施例中，溫 度控制器250被用來監(jiān)測所述微藻培養(yǎng)基的溫度，以及當(dāng)該溫度與理想工作溫度不同時，對 所述培養(yǎng)基的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0028]本發(fā)明還提供一種用于在亞熱帶至溫