Аппаратный комплекс для производства микроводорослей, размещённый в водном пространстве - RU2610672C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области инженерно-технических работ, к газопроницаемым закрытым фотобиореакторам и к динамике жидкостей. Изобретение представляет энергетически нейтральный, автономный аппаратный комплекс для производства микроводорослей, размещенный в водном пространстве (aquatic-based), для непрерывного ежедневного выращивания, выделения/разделения на месте образования и хранения культур микроводорослей.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В производстве альтернативных видов топлива, в общем случае называемых био-топливом, в настоящий момент доминирует идея преобразования дорогостоящих кормовых субстратов, таких как сахарный тростник, кукуруза, рапс, пальмовое масло и прочие произрастающие на земле зерновые культуры, в основном используемые в качестве пищи, потребляемой людьми/животными. В то время как существует технология преобразования этого исходного сырья в биологическое топливо, недостаточно ресурсов в виде пахотной земли или пресной воды для удовлетворения огромных потребностей нашего общества в энергии.

Одни только Соединенные Штаты используют более 168 миллиардов галлонов бензина в год. Текущая выработка биологического топлива в США, в частности, этанола, полученного из кукурузы, покрывает только 5 миллиардов галлонов в год и представляет всего 3% бензина, используемого в США. Кроме того, получение этанола из кукурузы спровоцировало 50% повышение рыночной цены на кукурузу на мировых рынках сырья.

Вторым наиболее доминирующим альтернативным источником возобновляемой энергии является преобразование отходов на основе целлюлозы в биологическое топливо. Относительно ограниченная доступность поставок биомассы, высокая стоимость ее транспортировки на перерабатывающее предприятие, а также начальные инвестиции ограничили масштабы этой технологии менее чем до 0,06% потребностей США.

Третьим и наиболее обещающим альтернативным источником возобновляемой энергии является использование фотоавтотрофных организмов, таких как микроводоросли, с высоким содержанием масла, для производства биологического топлива. Основным преимуществом этой технологии является сочетание процесса преобразования солнечной энергии в клеточную биохимическую энергию. Фотоавтотрофные организмы - это такие организмы, которые могут выживать, расти и размножаться с использованием энергии, полученной полностью из солнца в ходе процесса фотосинтеза. Фотосинтез является, по существу, процессом рециклизации углерода, в ходе которого неорганическая двуокись углерода вступает в соединение с солнечной энергией, другими питательными веществами и клеточными биохимическими процессами для синтеза углеводородов, необходимых для поддержания темпов роста. Фотосинтез происходит в растениях, водорослях и многих видах бактерий.

Предшествующие попытки крупномасштабного производства были сосредоточены на выращивании фотоавтотрофных организмов в наземных открытых прудах или лотках, где обеспечиваются условия для роста, сходные с природными условиями. Основным недостатком этого подхода является невозможность обеспечения соответствующего контроля условий для роста, что приводит к неопределенному объему выхода продукции, загрязнениям партий и прочим значительным техническим проблемам, мешающим обеспечить коммерческую осуществимость технологии выращивания и сбора микроводорослей.

Ниже изложены шесть наиболее важных причин, в силу которых существующая наземная система выращивания и сбора микроводорослей не смогла стать значимым источником возобновляемой энергии.

1. Потребности в воде. Микроводорослям нужно большое количество воды - они растут в ней. Испарение воды является основным губительным фактором.

2. Потребности в свете. Микроводорослям нужно много света, и для его получения им обычно требуется плоский водоносный горизонт на глубине не более 4-х дюймов (10,16 см) и с площадью горизонтальной поверхности более ста квадратных ярдов (83,61273 м²). Это означает, что большая площадь идеально плоской поверхности земли должна быть преобразована в водонаполненный участок и заполнена водой, чтобы приспособить ее для выращивания микроводорослей. Организация и осуществление, связанные с сооружением тысяч акров плоских водонаполненных участков, и соответствующие потребности в воде являются умопомрачительными и непомерно дорогими. Одной из основных проблем, связанных с выделением земли для сооружения широкомасштабных плоских водонаполненных участков, является возможное смещение пахотных угодий, используемых в настоящее время для создания пищевых ресурсов.

3. Фактор температуры воды. Сезон выращивания микроводорослей в значительной степени зависит от их местонахождения и, кроме тропических регионов, ограничен теплыми месяцами года. Значительные перепады дневных и ночных температур, характерные для климата пустынь, являются чрезвычайно губительными для роста микроводорослей.

4. Потребности в углекислом газе. Микроводоросли не могут использовать непосредственно углекислый газ, содержащийся в атмосфере. Углекислый газ, крайне важный для выхода продукции микроводорослей, должен быть растворен в воде.

Для стационарных плоских водонаполненных участков организационные и энергетические требования к постоянному снабжению культур микроводорослей необходимым углекислым газом являются непомерно дорогими.

5. Фактор загрязнения. Микроводоросли являются очень восприимчивыми к загрязнению другими видами микроводорослей и бактерий. Наиболее часто виды микроводорослей, имеющие самое высокое содержание масла, не обязательно являются самыми выносливыми и быстро размножающимися.

6. Энергетический фактор. Текущие затраты на находящиеся на поверхности земли или в береговой зоне линии массового производства микроводорослей, включая удобрение, сбор урожая, транспортировку и хранение, являются чрезвычайно высокими и неконкурентоспособными с существующими ресурсами ископаемого топлива.

Одним новым аспектом настоящего изобретения является то, что экономически оно адресовано ко всем вышеупомянутым проблемам, связанным с наземными системами производства микроводорослей, будучи одновременно направлено на содействие значительному снижению стоимости при производстве источника возобновляемой энергии, способного конкурировать с существующей индустрией ископаемого топлива.

Изучение известного уровня техники не выявило никаких патентов, описывающих данное изобретение. Однако следующие заявки на патент США считаются релевантными:

Albus et al. сообщает о плавучей ферме водорослей в открытом океане, построенной вокруг корабля. Корабль обеспечивает энергию перемещения для навигации, место хранения материалов и продукции водорослей, технику для сбора урожая и переработки водорослей, место проживания экипажа и содействует техническому обслуживанию плавучей фермы. Изобретение включает также прозрачные трубы, по которым циркулирует питательная среда из морской воды, насыщенной СО₂, питательные вещества и водоросли. Кругооборот потока проходит от корабля по трубам и возвращается назад на корабль, где водоросли фильтруют, до готовности к их переработке. Прозрачные трубы, по которым циркулирует питательная среда с водорослями, опираются на матрицу из труб, заполненных морской водой, то есть обладающих нейтральной плавучестью и погруженных в воду чуть ниже поверхности океана.

Trent et al. сообщает о способе получения углеводородов, включая жидкие масла (нефть), путем переработки водорослей и/или других микроорганизмов в водной среде. Этот способ использует гибкие мешки, содержащие питательные вещества и семена для выращивания водорослей. Мешки, содержащие СO₂/O₂ - обменные мембраны подвешены на контролируемой глубине в водном пространстве. Культивирование водорослей и сбор урожая осуществляется в мешках.

Berzin et al. сообщает о фотобиореакторных блоках, плавающих в водном пространстве, таком как пруд или озеро, содержащих жидкую среду, состоящую, по меньшей мере, из одного вида фототрофных организмов. Фотобиореакторные блоки выполнены из гибкого, деформируемого материала и имеют такую конфигурацию, чтобы обеспечить, по существу, постоянную толщину жидкой среды. В определенных вариантах осуществления барьер между фотобиореакторными блоками и водным пространством, в котором плавает блок, контролирует теплопередачу между жидкой средой и массой воды.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основной целью настоящего изобретения является создание экономически жизнеспособного решения всех существующих проблем, имеющих отношение к выращиванию микроводорослей и сбору их урожая, путем создания энергетически нейтрального, автономного аппаратного комплекса, размещенного в водном пространстве, для крупномасштабного производства микроводорослей.

В настоящей заявке описан аппаратный комплекс для производства микроводорослей, содержащий систему обеспечения производства и систему производства микроводорослей.

Система аппаратного комплекса обеспечения производства содержит плавающий (в положении наплаву) блок обработки микроводорослей и управления процессом, окруженный плавающей опорной структурой, по форме, сходной с сотами, то есть разделяющей водное пространство на совокупность зон размещения, образующих шесть примыкающих друг к другу шестиугольников. Защитная наружная ограждающая структура в форме плавающего кольца окружает плавающую опорную структуру.

Система аппаратного комплекса производства микроводорослей содержит кластер-группу из шести плоскостных фотобиореакторов шестиугольной формы, имеющих размерные характеристики наземного плоского водонаполненного участка. Они размещены внутри сотовой структуры вокруг центрально расположенного блока обработки микроводорослей и управления.

Плоскостные фотобиореакторы аппаратного комплекса размещены внутри кластер-группы и погружены в воду вблизи от ее поверхности, чтобы обеспечить максимальное световое воздействие, а также - перенос углекислого газа и кислорода. Подверженная световому воздействию поверхность каждого плоскостного фотобиореактора содержит прозрачную для света и СО₂/О₂ - газопроницаемую мембрану, тогда как участок поверхности, подверженный воздействию воды, содержит СО₂/О₂ - газопроницаемую мембрану.

СО₂/О₂ - газопроницаемые мембраны позволяют углекислому газу, растворенному в окружающей воде, попасть в плоскостные фотобиореакторы.

Подобным образом, такие мембраны должны также обеспечить выход кислорода, образовавшегося внутри фотобиореактора, и его диффузию в окружающую воду.

Каждый плоскостной фотобиореактор, предпочтительно, содержит двухканальную систему рециркуляции воды для решения задач улучшения роста водорослей и сбора их урожая. Канал рециркуляции воды для выращивания водорослей регулирует теплопередачу между водой внутри плоскостных фотобиореакторов и окружающей водой и помогает поддерживать температуру воды фотобиореакторов в пределах предварительно установленных допусков. Каналы циркуляции воды для сбора урожая водорослей скомпонованы так, чтобы собрать предварительно заданный процент/диапазон (около 50%) водорослей, находящихся в фотобиореакторе. Такой процесс определяет, по меньшей мере, часть нового способа частичного сбора урожая.

Каждый фотобиореактор в кластер-группе гидравлически связан с размещенным в центре блоком обработки микроводорослей и управления, который осуществляет постоянный мониторинг параметров роста водорослей в плоскостном фотобиореакторе, в том числе и температуру воды, и уровень питательных веществ, и инициацию, и проводит частичный сбор урожая. Способ частичного сбора урожая обеспечивает постоянное наличие микроводорослей в фотобиореакторах и придает гибкость управлению их биологическим развитием. После сбора урожая, водоросли поступают в подводный бак-хранилище переменного объема, прикрепленный к днищу блока обработки микроводорослей и управления.

Аппаратный комплекс для производства микроводорослей сконструирован так, чтобы производить, хранить и вести мониторинг всей его собственной требуемой электроэнергии. Совокупность солнечных фотоэлектрических панелей сосредоточена сверху на блоке обработки микроводорослей и управления и на аппаратной структуре наружного защитного ограждения в форме плавающего кольца. Плавающее кольцо обеспечивает структурную защиту для плоскостных фотобиореакторов комплекса и места-хранилища электрической энергии, навигационных средств, таких как электрические шарнирно установленные гребные винты, а также - средств якорного крепления и швартовочных средств.

Мачтовая колонка (блок), размещенная наверху блока обработки микроводорослей и управления, используется для анкерного крепления наружной ограждающей структуры аппаратного комплекса и плавающей защитной структуры блока обработки микроводорослей и управления.

Мачтовая колонка также обеспечивает размещение антенн, спутниковых тарелок и прочих электронных и визуальных средств идентификации.

Контроллер блока-координатора («facilitator») движения, расположенный внутри водонепроницаемого блока обработки микроводорослей и управления, использует глобальную систему позиционирования и несколько шарнирно установленных электрических гребных винтов, прикрепленных к днищу защитной наружной ограждающей структуры для контроля координат размещения аппаратного комплекса в воде и для инициации и управления перемещением.

При необходимости, судно, осуществляющее техническое обслуживание и материально-техническое обеспечение, и которое, предпочтительно, постоянно находится в контакте с аппаратным контроллером блока-координатора движения, поставит аппаратный комплекс в док с целью проведения технического обслуживания, для пополнения запасов питательных веществ или для опорожнения содержимого аппаратного бака для хранения микроводорослей, когда его загрузка приближается к проектной емкости.

Соответственно, варианты осуществления описанного изобретения направлены на решение всех шести проблем, связанных с выращиванием микроводорослей и сбором урожая.

Проблема №1: Потребности в воде. Аппаратные фотобиореакторы представляют собой реакторы с замкнутым циклом, плавающие, будучи погруженными в воду, вблизи от ее поверхности в любом большом водоеме, включая океан; в соответствии с чем, проблемы, связанные с испарением воды, являются минимальными и, вероятно, вообще исключены.

Проблема №2: Потребности в освещенности. В аппаратном комплексе используется кластер-группа или совокупность модульных плоскостных фотобиореакторов, имеющих, предпочтительно, высоту всего лишь несколько дюймов (9-11 см), при этом каждый упомянутый фотобиореактор накрыт гибкой прозрачной для света мембраной, пропускающей достаточное количество света в фотобиореакторы для выращивания водорослей.

Проблема №3: Фактор температуры воды. Аппаратные плоскостные фотобиореакторы погружены, по меньшей мере, частично, в воду в непосредственной близости от поверхности воды. Дополнительно канал рециркуляции фотобиореактора для выращивания водорослей помогает контролировать теплопередачу между водой внутри фотобиореактора и окружающей водой. Это позволяет поддерживать температуру воды фотобиореактора в заранее заданных пределах. Таким образом, значительные перепады дневных и ночных температур, свойственные условиям пустынь, исключаются или, по меньшей мере, сводятся к минимуму.

Проблема №4: Потребности в углекислом газе. Газопроницаемые мембраны покрывают плоскостные фотобиореакторы аппаратного комплекса, чтобы обеспечить возможность широкомасштабной поверхностной диффузии для углекислого газа, растворенного в окружающей воде. Кислород, полученный в фотобиореакторе во время работы, выпускают обратно в окружающую воду, используя те же самые газопроницаемые мембраны. Таким образом, затраты, связанные с получением и распространением углекислого газа минимальны, вплоть до их полного отсутствия.

Проблема №5: Фактор загрязнения. В аппаратном комплексе используются плоскостные фотобиореакторы с замкнутым циклом, управление которыми может осуществляться далеко от земли, в глубоких не питательных водах с минимальным содержанием взвешенных частиц, которые, как известно, вызывают загрязнение водорослей, что, таким образом, сводит к минимуму или исключает риск загрязнения водорослей взвешенными частицами.

Проблема №6: Энергетический фактор. Совокупность солнечных фотоэлектрических панелей, установленных наверху модуля, осуществляющего удобрение и сбор урожая, и плавучего кольцевого блока поставляют всю энергию или ее существенную часть, необходимую для работы аппаратуры и управления ею.

Таким образом, как описано выше, варианты осуществления настоящего изобретения сводят к минимуму или полностью исключают: (а) затраты, связанные с наземным сооружением водонаполненного участка; (b) замещение пахотных земель; и (с) возможное обусловливание повышения цен на пищевые продукты. Кроме того, прогнозируется, что аппаратный комплекс для производства микроводорослей, расположенный в водном пространстве, объемом в 50000 литров, имеющий активную фотобиореактивную поверхность площадью 0,5 га, и работающий в водах с температурой 85 градусов по Фаренгейту, может обеспечить достижение уровня производства микроводорослей, эквивалентную 100 баррелям экологически чистой сырой нефти в день. Ферма из 50 установок с общей площадью фотобиореактивной поверхности 25 га может обеспечить уровень производства в 50000 баррелей нефти в день. Двести ферм с площадью фотобиореактивной поверхности 5000 га могут обеспечить производительность, эквивалентную 10 миллионам баррелей нефти в день.

Дополнительные цели и варианты осуществления сути настоящего изобретения, которые нет необходимости пояснять в этой общей части описания, могут включать и объединять разнообразные комбинации аспектов, характерных особенностей или деталей, на которые приводится ссылка в кратко сформулированных целях выше, и/или иным образом описанные особенности или компоненты по этой заявке.

Другие цели и преимущества данного изобретения могут стать очевидными из описания чертежей, или с ними можно ознакомиться при практическом применении данного изобретения.

Специалисты в данной области лучшим образом оценят характерные особенности и аспекты таких вариантов осуществления, а другие - после просмотра остальной части спецификации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Полное и достаточное для воспроизведения описание настоящего объекта изобретения, включая наилучший режим его работы, предназначенное для специалистов в данной области, изложено далее в спецификации, со ссылками на приложенные рисунки, на которых:

ФИГ. 1а - вертикальная проекция с частичным разрезом предпочтительного варианта осуществления изобретения, плавающего (в положении наплаву) при частичном погружении в водную среду;

ФИГ. 1b - вид сверху на предпочтительный вариант осуществления, изображенный на ФИГ. 1а;

ФИГ. 2 - частичный (выносной) вид сверху на предпочтительный вариант осуществления с частичным разрезом аппаратного фотобиореактора (101), который показан на ФИГ. 1b;

ФИГ. 3 - вертикальная проекция с частичным разрезом того же варианта осуществления аппаратного блока обработки микроводорослей и управления, показанного плавающим, при частичном погружении; и

ФИГ. 4 - гидравлическая схема аппаратного блока обработки микроводорослей и управления, размещенного внутри водонепроницаемой камеры (800).

Повторяющееся использование номеров позиций в настоящем описании и приложенных чертежах предназначено для того, чтобы представить те же самые или аналогичные характерные особенности или элементы данной технологии.

НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Теперь будет сделано подробное обращение к вариантам осуществления изобретения, один или более примеров которых описаны ниже. Каждый пример представлен посредством пояснения изобретения, без ограничения изобретения. В действительности, специалистам в данной области техники будет очевидно, что разнообразные модификации и вариации можно осуществить на базе настоящего изобретения, не выходя за рамки объема или существа изобретения. Например, характерные особенности, проиллюстрированные или описанные как часть одного варианта осуществления, могут быть использованы в другом варианте осуществления, чтобы получить еще и дополнительный вариант. Таким образом, имеется в виду, что настоящее изобретение распространяется на такие модификации и вариации, не выходящие за рамки приложенной формулы изобретения и ее эквивалентов. Другие объекты, характерные особенности и аспекты настоящего изобретения раскрыты в следующем подробном описании или могут быть из него определены. Повторяющееся использование номеров позиций предназначено для того, чтобы представить такие же самые или аналогичные особенности, элементы или этапы. Специалисту в данной области техники следует понимать, что настоящее обсуждение представляет собой только описание типичных примеров осуществления и не подразумевает ограничение более широких аспектов настоящего изобретения.

Определения

В этом разделе приводятся определения некоторых из терминов, используемых в данном документе, тогда как определение других терминов приводится в самом описании.

Для целей этого документа, два или более физических объекта являются «механически связанными, объединенными» (иногда просто «связанными, объединенными») в случае их сведения вместе или присоединения друг к другу любым количеством способов, в том числе, прямым или косвенным физическим соединением, которое может иметь возможность разъединения (защелки, заклепки, винты, болты и т.д.) и/или быть подвижным (вращающимся, шарнирным, осциллирующим и т.д.). Подобным образом, два или более электрических объекта являются «электрически связанными, объединенными» (иногда просто «связанными, объединенными») в случае их сведения вместе или присоединения друг к другу любым количеством способов, в том числе: (а) прямым, косвенным или индуктивным коммуникационным соединением, и (b) прямым/косвенным или индуктивным подключением к (электрической) мощности. Дополнительно, хотя чертеж может иллюстрировать разнообразные электронные компоненты системы, соединенные одной линией, понятно, что такая «сигнальная линия, шина» может представлять одну или более сигнальных траекторий, силовых подключений/путей, электрических подключений и/или кабелей, в соответствии с требованиями, определяемыми параметрами варианта осуществления.

Термин «фотосинтетический организм», «фототрофный организм», или «биомасса» включает все организмы, способные к фотосинтетическому росту (в том числе, организмы, модифицированные искусственно или путем генной манипуляции).

Фразы «прозрачный» и «по меньшей мере, частично прозрачный», при использовании в контексте компонента системы, материала или поверхности, относятся к такому компоненту системы, материалу и/или поверхности, которые обеспечивают возможность проникновения достаточного количества световой энергии для осуществления фотосинтеза в фототрофном организме. Подобным образом, термин «радиочастотно-проницаемый» относится к материалу или объекту, обеспечивающему минимальное отражение радиочастотных сигналов.

Этот документ содержит заголовки. Такие заголовки являются закладками мест, вставленными для удобства читателя, и не должны использоваться при создании этого документа или для какого-либо ограничения его смысла.

ОПИСАНИЕ

Хотя примеры, использованные в этом документе, относятся к плоскостным, газопроницаемым фотобиореакторам, сконфигурированным для культивирования водорослей, понятно, что вместо водорослей, и/или в добавление к ним, могут быть использованы другие фотосинтетические организмы.

Аппаратный комплекс для производства микроводорослей, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, изображен на рисунках, начиная с ФИГ. 1а по ФИГ. 4.

На ФИГ. 1а и ФИГ. 1b изображена система (30) обеспечения производства микроводорослей и система (40) производства микроводорослей, плавающие (в положении наплаву) в водном пространстве (10), с (нулевой) отметкой (20) верхней поверхности воды. Система (30) обеспечения производства микроводорослей содержит блок (200) обработки микроводорослей и управления, тогда как система (40) производства микроводорослей содержит совокупность плоскостных фотобиореакторов (101-106), каждый из которых содержит газопроницаемую верхнюю поверхность и газопроницаемую нижнюю поверхность, которые разделены совокупностью боковых поверхностей, образуя тем самым внутренний объем цилиндрической формы. Как будет более подробно объяснено далее, плоскостные газопроницаемые фотобиореакторы (101-106) гидравлически связаны с блоком (200) обработки микроводорослей и управления.

Система обеспечения производства микроводорослей На ФИГ. 1b изображена система (30) обеспечения производства микроводорослей, содержащая защитную наружную ограждающую структуру (300), механически соединенную с плавучей опорной структурой (600), которая окружает блок (200) обработки микроводорослей и управления. Защитная наружная ограждающая структура (300) окружает водное пространство, образованное зоной внутри наружного периметра плавучей опорной структуры (600). Примечательно, что плавучая опорная структура (600) разделяет путем перегораживания такое водное пространство на совокупность зон размещения. Предпочтительно, плавающая опорная структура (600) механически соединена как с защитным наружным ограждением (300), так и с блоком (200) обработки микроводорослей и управления.

Это соответствующее наружное ограждение (300) представляет собой плавучий кольцевой блок. Дополнительно, эта же соответствующая плавающая опорная структура (600) представляет собой способный плавать подузел в форме сот. Такой имеющий форму сот и способный плавать подузел (600) выполнен в механическом соединении с плавающим кольцевым блоком (300) и с блоком (200) обработки микроводорослей и управления. Такая компоновка сотового подузла (600) обеспечивает дополнительную структурную опору для плоскостных фотобиореакторов (100-106), как более подробно описано далее.

Предпочтительно, наружный периметр опорной структуры (600) образует кольцо или круг. Следует, однако, отметить, что периметр опорной структуры (600) может быть образован любой многоугольной формой, в том числе, окружностью, что находится в пределах объема и существа настоящего изобретения. Далее, предпочтительно, форма, образованная защитным наружным ограждением (300), будет подобна форме, образованной наружным периметром плавающей опорной структуры (600), поскольку структура (300) защитного наружного ограждения окружает водное пространство, образованное наружным периметром плавающей опорной структуры (600). Как изображено на ФИГ. 1b, наружный периметр плавающей опорной структуры (600) образует круг, а защитное наружное ограждение (300) образует кольцо. Вместе с тем, специалисту в данной области техники понятно, что форма, образованная защитным наружным ограждением (300), может отличаться от формы, образованной наружным периметром опорной структуры (600), это все в пределах объема и существа настоящего изобретения.

Как наилучшим образом видно на ФИГ. 1а и ФИГ. 3, некоторые варианты осуществления системы (30) обеспечения производства микроводорослей также содержат погруженный в воду бак для хранения (250) для расходуемых микроводорослей, механически связанный с блоком (200) обработки микроводорослей и управления и гидравлически с ним сообщающийся. Бак для хранения (250) скомпонован так, чтобы можно было хранить в нем собранный урожай микроводорослей до его забора вспомогательным транспортным средством или подобной системой. Для некоторых вариантов осуществления бак для хранения микроводорослей (250) выполнен в виде резервуара для хранения переменного объема, в котором используется любая соответствующая технология, такая как телескопические приспособления, сжимаемые стенки (подобно гибким соломкам для питья), приспособления типа крученых нитей и канавок, и использование в некоторой степени эластичных материалов, которые растягиваются под действием нагрузки.

На ФИГ. 1b далее изображен блок (400) основной фотоэлектрической панели, расположенный над блоком (200) обработки микроводорослей и управления и электрически связанный с ним. Компоновка блока (400) основной фотоэлектрической панели обеспечивает создание электрической энергии, необходимой для управления устройством в течение дня. Такие системы хорошо известны специалистам в данной области техники; следовательно, подробное описание фотоэлектрической системы не является необходимым.

На ФИГ. 1b далее изображена совокупность фотоэлектрических подузлов (500), размещенных на структуре (300) защитного наружного ограждения и электрически связанных с блоком (200) обработки микроводорослей и управления. Совокупность фотоэлектрических подузлов (500) скомпонована для обеспечения генерирования и аккумулирования электрической энергии, необходимой для управления аппаратурой ночью. Такие системы хорошо известны специалистам в данной области техники; следовательно, подробное описание фотоэлектрической системы не является необходимым.

Блок-координатор перемещения

На ФИГ. 1а далее изображен предпочтительный вариант осуществления, содержащий вертикально расположенный мачтовый блок (350), характеризуемый верхним концом и противоположным нижним концом. Нижний конец мачтового блока (350) механически соединен с блоком (200) обработки микроводорослей и управления. Верхний конец мачтового блока (350) механически соединен с анкерным крепежным подузлом (360). Для предпочтительного на настоящий момент варианта осуществления, крепежный подузел (360) содержит совокупность стабилизирующих элементов, скомпонованных так, чтобы обеспечивать структурную стабильность системы. Для предпочтительного варианта осуществления, первые концы упомянутой совокупности стабилизирующих элементов механически скреплены с верхним концом мачтового блока (350). Противоположные вторые концы упомянутой совокупности стабилизирующих элементов механически скреплены радиально (т.е. равномерно взаимно разнесены) с защитной наружной ограждающей структурой (300). Количество стабилизирующих элементов, предпочтительно, выбирают таким, чтобы натяжение одного стабилизирующего элемента было скомпенсировано, по меньшей мере, одним другим стабилизирующим элементом. Для предпочтительного варианта осуществления, изображенного на ФИГ. 1а, предусмотрено шесть стабилизирующих элементов, которые образуют три пары противоположных стабилизирующих элементов. Альтернативно, стабилизирующий элемент может перекрывать полностью всю защитную наружную ограждающую структуру (300), где центр такого стабилизирующего элемента механически связывает верхний конец мачтового блока (350) с двумя концами, механически скрепленными с защитной наружной ограждающей структурой (300). Специалисту в данной области техники будет понятно, что такая конфигурация помогает механически связать наружное ограждение (300) с блоком (200) обработки микроводорослей и управления, при этом, обеспечивая также улучшенную стабильность и опору для мачтового блока (350). Кроме того, на ФИГ. 1а изображен мачтовый блок (350), обеспечивающий размещение антенн, спутниковых тарелок и прочих средств (370) электронной и визуальной идентификации.

На ФИГ. 4 предпочтительного на настоящий момент варианта осуществления устройства для производства микроводорослей, контроллер блока-координатора (265) перемещения показан внутри блока водонепроницаемой камеры (800), которая является неотъемлемой частью блока (200) обработки микроводорослей и управления. Контроллер блока-координатора (265) перемещения выполнен так, чтобы использовать антенны, спутниковые тарелки и прочие средства (370) электронной и визуальной идентификации, локализованные на мачтовом узле (350), для определения и сообщения координат размещения аппаратного комплекса и инициации его перемещения как автоматически, так и/или по команде (посредством сигналов, полученных от внешнего устройства), используя совокупность шарнирно закрепленных гребных винтов (330), механически скрепленных с днищем структуры защитного внешнего ограждения. Специалисту в данной области техники будет понятно, что контроллер блока-координатора перемещения может передавать команду на любое количество соответствующих устройств, конфигурация которых обеспечивает маневрирование аппаратного комплекса для производства микроводорослей в водном пространстве, это находится в пределах объема и существа данного изобретения, включая системы на основе гидрореактивных движителей.

Система производства микроводорослей

Как наилучшим образом видно на ФИГ. 1b и ФИГ. 2, предпочтительный вариант осуществления системы (40) производства микроводорослей содержит совокупность плоскостных газопроницаемых фотобиореакторов. Такие фотобиореакторы установлены в виде группы из шести идентичных фотобиореакторов: (101), (102), (103), (104), (105) и (106) (или просто 101-106), размещенных вокруг центрально установленного блока (200) обработки микроводорослей и управления; все они окружены защитным наружным ограждением (300). Плавающий блок (600) в форме сот соединяет защитное наружное ограждение (300) с блоком (200) обработки микроводорослей и управления. Плавающая опорная структура (600) образует зоны размещения, компоновка которых обеспечивает структурную опору для фотобиореакторов, размещенных в кластер-группе. На ФИГ. 1b представлены также шесть идентичных фотоэлектрических подузлов (500), установленных на плавающей опорной структуре (600) и механически скрепленных со структурой (300) защитного наружного ограждения для подвода дополнительной мощности к электрическим и энергонакапливающим устройствам и системам аппаратного комплекса. Как указано выше, основная фотоэлектрическая панель (400) механически связана с блоком (200) обработки микроводорослей и управления.

На ФИГ. 2 показан один из шести идентичных фотобиореакторов аппаратного комплекса, а именно, фотобиореактор (101), расположенный внутри зоны размещения, образованной плавающей опорной структурой (600). Как описано выше, плавающая опорная структура (600), предпочтительно, механически связана с блоком (200) обработки микроводорослей и управления. Подобным образом, плавающая опорная структура (600) механически связана с защитным наружным ограждением (300) через подузел коннектора-соединителя (310).

На ФИГ. 2 также изображен плоскостной фотобиореактор (101), расположенный в зоне размещения, примыкающей к фотобиореакторам (102) и (106), а также - к блоку (200) обработки микроводорослей и управления. Как показано на разрезе ФИГ. 2, плоскостной фотобиореактор (101) гидравлически сообщается с блоком (200) обработки микроводорослей и управления через впускные клапаны-вентили (481) и (681) и возвратный клапан-вентиль (281). Каждый фотобиореактор образует сходную гидравлическую коммуникативную конфигурацию с блоком (200) обработки микроводорослей и управления. Плоскостной фотобиореактор (101) далее содержит пропускающий свет и CO₂/O₂-газопроницаемый верхний мембранный блок (120) верхней поверхности, механически связанный с CO₂/O₂-газопроницаемым нижним мембранным блоком нижней поверхности (130) через узел (110) в виде боковой стенки. Специалисту в данной области техники будет понятно, что фотобиореакторы и связанные с ними мембранные блоки могут иметь любую многоугольную форму (в том числе и круглую), это в пределах объема и существа данного изобретения.

Для данного предпочтительного варианта осуществления плоскостной фотобиореактор (101) далее содержит блок (150) в виде стены спиральной формы, размещенной между верхним мембранным блоком (120) и нижним мембранным блоком (130). Предпочтительно, такой блок (150) в виде стены спиральной формы герметично соединен как с верхним мембранным блоком (120), так и с нижним мембранным блоком (130). Конфигурация блока (150) в виде стены спиральной формы обеспечивает управление потоками веществ внутри плоскостного фотобиореактора, так как помогает образовать границы между различными зонами внутри плоскостного фотобиореактора (101). Более конкретно, зона (160) сбора урожая микроводорослей ограничивается стеной спиральной формы блока (150). Для данной предпочтительной конфигурации, зона сбора урожая микроводорослей (160) представляет собой объем внутри плоскостного фотобиореактора (101), имеющий две границы, образованные блоком (150) в виде стены, одну границу, образованную верхним мембранным блоком (120), и одну границу, образованную нижним мембранным блоком (130). Впускное патрубок-отверстие (180), для оборота низкоскоростной смеси: воды-водорослей-питательных веществ, расположено снаружи зоны сбора урожая микроводорослей (160), тогда как впускное патрубок-отверстие (185), для оборота высокоскоростной смеси: воды-питательных веществ, расположено, по меньшей мере, частично внутри зоны (160) сбора урожая микроводорослей. Вещества выходят из плоскостного фотобиореактора (101) через выходной патрубок-отверстие (190), который гидравлически сообщается с блоком (200) обработки микроводорослей и управления через возвратный клапан-вентиль (281). Каждый плоскостной фотобиореактор образует сходную конфигурацию.

Каждый плоскостной фотобиореактор (101-106) имеет, по меньшей мере, два режима работы. Как показано на ФИГ. 2, впускной клапан-вентиль (481) расположен в блоке (200) обработки микроводорослей и управления и гидравлически сообщен с расположенным в фотобиореакторе (101) входным патрубком-отверстием (180) оборотной низкоскоростной смеси воды, водорослей, питательных веществ. Активация впускного клапана-вентиля (481) инициирует режим выращивания микроводорослей в работе фотобиореактора (101), что иллюстрируется стрелками (980), указывающими направление низкоскоростного потока. Такой же впускной клапан-вентиль (681), расположен в блоке (200) обработки микроводорослей и управления и гидравлически сообщается с входным патрубком-отверстием (185) оборотной высокоскоростной смеси воды-питательных веществ, расположенным в фотобиореакторе (101). Активация впускного клапана-вентиля (681) инициирует режим сбора урожая микроводорослей в фотобиореакторе (101), что иллюстрируется стрелками (985), указывающими направление высокоскоростного потока. Далее на ФИГ. 2 изображен возвратный клапан-вентиль (281), расположенный в блоке (200) обработки микроводорослей и управления, он гидравлически связан с выпускным патрубком-отверстием (190), который гидравлически связан как с патрубком-отверстием (180) для обратного входа смеси, так и с патрубком-отверстием (185) для обратного входа смеси. Примечательно, что возвратный клапан-вентиль (281) остается открытым, когда фотобиореактор (101) выбирает либо режим выращивания микроводорослей, либо режим сбора их урожая. Таким образом, специалисту в данной области техники будет понято, что такая конфигурация образует замкнутую кольцевую систему между каждым плоскостным фотобиореактором (101-106) и блоком (200) обработки микроводорослей и управления.

Понятно, что впускная арматура (180) и (185) и обратная арматура (281) могут быть расположены в других системах, а не в системе обеспечения производства микроводорослей (30). Например, такая арматура могла бы быть расположена в плоскостном фотобиореакторе (101-106) или быть связана с ним, а затем - быть гидравлически связана с системой обеспечения производства микроводорослей (30) через отверстия.

Рассмотрим теперь, представленный на ФИГ. 3, блок (200) обработки микроводорослей и управления, содержащий внутренний блок водонепроницаемой камеры (800), соединение которого к баку-хранилищу микроводорослей (250) составляет водонепроницаемую конфигурацию. Блок водонепроницаемой камеры (800) содержит блок пульпо-насоса (750), установленного для переноса собранного урожая микроводорослей из центробежных сепараторов (270) и (275) (не показаны) в погруженный в воду бак для хранения микроводорослей (250). Блок водонепроницаемой камеры (800) далее содержит узел полого вертикального цилиндра (трубы) (900), который установлен, чтобы обеспечить путь переноса микроводорослей из бака для хранения (250) к приемной емкости (такой, как вспомогательное судно), при этом, такой путь переноса позволяет координировать процесс переноса содержимого бака для хранения микроводорослей (250).

На ФИГ. 4 представлен блок водонепроницаемой камеры (800), содержащий далее подузел (260) управления производством микроводорослей, обеспечивающий управление рабочим режимом каждого аппаратного фотобиореактора. Такие рабочие режимы включают режим выращивания микроводорослей и режим сбора урожая микроводорослей.

Блок водонепроницаемой камеры (800) содержит впускной коллектор (290) и находящийся под давлением возвратный коллектор (280). Как показано на ФИГ. 4, впускной коллектор (290) гидравлически сообщается с выпускными клапан-вентилями (281-286). Подобным образом, находящийся под давлением возвратный коллектор (280) гидравлически сообщен с впускными клапан-вентилями (481-486) и впускными клапан-вентилями (681-686), и таким образом, эти коллекторы гидравлически сообщаются с кластер-группой фотобиореакторов.

Далее на ФИГ. 4 представлен блок водонепроницаемой камеры (800), содержащий насос низкого давления (215), гидравлически сообщающийся с возвратным коллектором (280). Насос низкого давления (215) используется подузлом (260) управления производством микроводорослей при работе в режиме выращивания микроводорослей, для рециркуляции смеси воды-водорослей-питательных веществ внутри выбранного фотобиореактора со скоростью потока, приводящей к минимальным повреждениям или к отсутствию повреждений биологической целостности микроводорослей. Далее раздаточные устройства (220) и (230) питательных веществ, которые через свои обратные клапаны для защиты от обратного потока, гидравлически сообщены с возвратным коллектором (280) и обеспечивают раздачу веществ (таких как питательные вещества) в возвратный коллектор (280) по команде, поступающей от подузла (260) управления производством микроводорослей. Подобным образом раздаточное устройство (240) воды и раздаточное устройство (250) водорослевых культур, через обратные клапаны для защиты от обратного потока, гидравлически сообщаются с возвратным коллектором (280) и обеспечивают раздачу веществ (таких как вода и водорослевые культуры) в возвратный коллектор по команде, поступающей от подузла (260) управления производством микроводорослей.

На ФИГ. 4 представлен блок водонепроницаемой камеры (800), содержащий также высокоскоростной насос высокой производительности (210), гидравлически сообщенный с возвратным коллектором (280). Высокоскоростной насос (210) предназначен в подузле (260) управления производством микроводорослей для работы выбранного фотобиореактора в режиме сбора урожая микроводорослей и перекачивания смеси воды-водорослей-питательных веществ из выбранного фотобиореактора, гидравлически сообщающегося с впускным коллектором (290), в центробежные сепараторы (270) и (275), при этом используются фильтрующие блоки (700) и (705) для возврата смеси воды-питательных веществ, по существу не содержащей водорослей, в находящийся под давлением возвратный коллектор (280). Далее на ФИГ. 4 представлен блок пульпо-насоса (750), предназначенный для переноса собранного урожая микроводорослей из центробежных сепараторов (270) и (275) в бак-хранилище микроводорослей (250) (не показан на ФИГ. 4).

Как наилучшим образом видно на ФИГ. 4, впускной коллектор (290) и возвратный коллектор (280) скомпонованы так, чтобы обеспечивать цикличное соединение, по команде от подузла (260) управления производством микроводорослей, с одним из фотобиореакторов 101,102, 103,104, 105 и 106, путем приведения в действие впускных клапан-вентилей (481-486) и обратных клапан-вентилей (281-286) при работе в режиме выращивания микроводорослей, или приведения в действие впускных клапан-вентилей (681-686) и обратных клапан-вентилей (281-286) при работе в режиме сбора урожая микроводорослей

Хотя приведенное выше письменное описание данного изобретения позволяет специалисту в данной области техники выполнить и воспользоваться тем, что считается в настоящий момент наилучшим его вариантом, специалистам будет понятно, и ими будет оценено существование вариаций, комбинаций и эквивалентов конкретного варианта осуществления, способа и примеров, приведенных в данном документе.

В соответствии с этим изобретение не должно быть ограничено вышеописанным вариантом осуществления, способом и примерами, а должно характеризоваться всеми вариантами осуществления и способами в рамках объема и существа изобретения, согласно формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к области биохимии. Предложен аппаратный комплекс для непрерывного производства микроводорослей, работающий в водном пространстве. Комплекс включает систему обеспечения производства микроводорослей и систему непрерывного производства микроводорослей. Система обеспечения производства микроводорослей содержит наружную барьерную структуру для ограждения комплекса, блок обработки микроводорослей и управления с баком для хранения микроводорослей. Система непрерывного производства микроводорослей содержит двухзонный фотобиореактор непрерывного производства и опорную структуру под двухзонным фотобиореактором. При этом двухзонный фотобиореактор представляет собой контейнер в форме коробки глубиной не более четырех дюймов (10,16 см) и с площадью горизонтальной поверхности более ста квадратных ярдов (83,61273 м). Изобретение обеспечивает поддерживание температуры воды фотобиореактора в заранее определенных пределах, широкомасштабную поверхностную диффузию для углекислого газа, а также исключение проблем, связанных с испарением воды и загрязнением водорослей взвешенными частицами. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула