[发明专利]一种改进的漫射光可扩展表面积水支撑式光生物反应器

说明书

相关申请

本申请是2007年10月12日提交的美国专利申请No.11/871,728的继 续申请，并根据35 USC 119(e)，要求如下美国临时专利申请的优先权：2006 年12月20日提交的60/877,997，2007年1月3日提交的60/878,506，和 2007年3月9日提交的60/894,082，在此每个专利申请的内容以引用的方 式并入。

技术领域

本发明涉及用于经济的、高密度的、高度可扩展性的封闭的光生物反 应器的方法和装置，所述光生物反应器用于培养支持生物燃料和其它燃料 生产的藻类。在优选的实施方案中，为了支持藻类的生长，设计光生物反 应器的结构以优化太阳光的利用。其它实施方案涉及设计光生物反应器系 统的元件以优化系统的温度控制，使藻类的密度和产出率最大化，并使光 生物反应器的组成材料、结构以及运行的成本最低化。

背景技术

对化石燃料至电力传输和电网的依赖正引起多重的并发的能源危机。 煤、石油和天然气造成全球变暖和气候变化，同时造成地缘政治的不稳定 和能源的不安全。为了解决这些问题，近来很多发达国家和发展中国家已 经转向生物燃料。

遗憾的是，从植物来源获得生物燃料呈现其窘境。种植任一英亩的能 源作物有可能排挤一英亩的粮食作物，这转而引起了基本的主要粮食的价 格上涨。农业使用了可观数量的能源，其中很多以化石燃料的形式供给， 因而降低了生物燃料作物的总的碳平衡。此外，大多数的能源作物的产出 率相当低。一英亩玉米每年仅仅产出大约350加仑乙醇，一英亩大豆每年 可以产出大约50加仑生物柴油。最后，使用农业边缘土地种植能源作物则 由于缺少能够支持作物生长的足够的水而受到限制。

需要将这样的能源作物转化为可持续的能源基础设施：其能够在另外 不常用的土地上有效地种植，同时能源输入最小。传统的陆地作物不能提 供全面的解决方案。但是，微藻有希望解决生物燃料的各限制因素。封闭 系统的光生物反应器可以设置在其他不常用的土地上，其可以降低与粮食 作物的竞争并将蒸发导致的失水降至最低。按照规模而言，藻类的生物燃 料的产出率潜在地超过了土壤植物的产出率(参见，例如，Natl.Renewable Energy Laboratory，″A Look Back at the U.S.Department of Energy′s Aquatic Species Program：Biodiesel from Algae，″NREL/TP-580-24190，July 1998)。 藻类细胞的生长能够快速地取代其所汲取的养料，有希望一年收割一次。 作为额外的好处，微藻能够利用化石燃料发电厂的富含二氧化碳的烟气以 及其它的工业废气，因此降低了从发电厂、啤酒厂、葡萄酒厂等排到大气 中的温室气体的数量。

就目前情况而言，尚未有为生产生物燃料目的而建造的商业规模的微 藻农场。传统的工业光生物反应器尚未能重复出实验室规模的光生物反应 器所能达到的高细胞密度。为了在与石油可竞争的基础上生产微藻能源作 物，必须在光生物反应器内种植极高密度的培养物，其可最大限度地利用 可用的太阳光。此外，必须使用于建造这些光生物反应器的材料成本合算。 传统封闭的光生物反应器由昂贵的玻璃和钢组件以及复杂的水泵和流量分 配系统制成，其将不能实现堪与化石燃料竞争的生物原油成本目标。此类 系统在从实验室规模装置到商业规模生产的规模放大方面也不佳(例如， Grima et al.，J.Applied Phycology 12：355-68，2000)。本领域需要经济有效的 封闭系统的光生物反应器，其能够种植高密度的藻类培养物，其设计能够 优化太阳光的利用，并且能够生产出堪与化石燃料竞争的价格水准的生物 燃料。

发明内容

本发明通过提供用于经济有效的封闭系统的光生物反应器的方法、装 置和组合物，满足了本领域尚未解决的需求，所述光生物反应器能够种植 高密度的藻类培养物，其设计能够优化太阳光的利用，并且能够生产出堪 与化石燃料成本竞争的生物燃料。该光生物反应器还可以用于生产除燃料 之外的其它产品，例如蛋白质、淀粉、其它碳水化合物、维生素、类胡萝 卜素、叶黄素以及纤维素基材料。