CN101294132B - 气推式光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微藻培养工程领域，具体地说是一种培养微藻的气推式光生物反应器，包括环状浅水池壁、隔离墙、透光盖板、透光底板、排液管、补液管、进气管及支管、排气管、日光灯组、取样孔等，密封性良好的透光盖板、透光底板与池壁构成封闭式光生物反应器。透光底板中部设有一道两端开放的隔离墙，池壁内部墙面和隔离墙的墙面上设有镜面玻璃，隔离墙的墙面上的镜面玻璃两侧上下平行地设有冷/热水管，环状浅水池壁底部设有日光灯组。本发明的光生物反应器依靠喷气实现水体流动以及微藻培养中的气体交换，气泡的上浮强化了藻液中溶氧的解析，氧气被气泡带至液面而释放，此时气体微射流中的二氧化碳也同时溶解在藻液中，为微藻的生长提供碳源。

Description

气推式光生物反应器

[技术领域]

本发明涉及微藻培养工程领域，具体地说是一种培养微藻的气推式光生物反应器。

[背景技术]

微藻能有效利用光能、二氧化碳和无机盐，合成脂肪、蛋白质、多糖以及多种高附加值的生物活性物质。随着人类对微藻认识的不断加深，开发和研制新型高效光生物反应器及其培养方法，已成为微藻生物工程技术的一个重要组成部分。

目前，微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。开放式光生物反应器主要有四种类型：浅水池、循环池、跑道池式、池塘。其中，最典型、最常用的开放池培养***是Oswald(1969)设计的跑道池反应器，该类培养***实际上就是占地面积上千平方米，培养液深度为20厘米左右的环形浅池；以自然光为光源和热源，依靠桨轮(paddle wheel)或者旋转臂(rotating arm)的转动，使培养液在池内混合、循环，防止藻体沉淀并提高藻体细胞的光能利用率。开放式光生物反应器虽然构建简单、成本低廉、操作简便，但其存在易受污染、培养条件不稳定等缺点，只能用于螺旋藻、小球藻及盐藻等少数能耐受极端环境的微藻培养。而封闭式反应器培养条件稳定，可无菌操作，易进行高密度培养，已成为今后的发展方向。与开放式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器具有以下优点：①无污染，能实现单种、纯种培养；②培养条件易于控制；③培养密度高，易收获；④适合于所有微藻的光自养培养，尤其适合于微藻代谢产物的生产；⑤有较高的光照面积与培养体积之比，光能和二氧化碳利用率较高。因此，近年来在国内外封闭式光生物反应器的研制和开发利用较快，有些已实现了微藻的高密度商业化培养。目前封闭式光生物反应器有：管道式、平板式、柱状气升式、搅拌式发酵罐、立式吊袋、浮式薄膜袋等。

现有的封闭式光生物反应器或多或少易造成溶氧蓄积、藻体粘壁、高密度培养时二氧化碳供应不足、流动死角、设备造价昂贵等各种问题，除了管道式反应器外，基本都处于实验室规模，容积不超过1个立方米。而管道式光生物反应器目前报道的年产虽已达上百吨藻粉，但该设备的造价及维修成本很高，很难普及。

实际上，无论光生物反应器采用何种设计形式，开发一种成功的培养微藻的封闭式光生物反应器，均应遵循下列原则：(1)高光照表面积与体积之比；(2)较高的气体交换效率；(3)适合的循环方式；(4)改善光的传播途径、分配和质量；(5)防止有害次生代谢产物的积累；(6)较易实现培养条件的优化控制；(7)尽量降低制造成本。可以预见，那种成本低、容积大、设计更为合理的封闭式光生物反应器应是开发的重点和发展方向。

[发明内容]

本发明的目的在于克服上述现在技术存在的缺陷及不足，开发一种投资少、操作简单，能充分利用太阳光能，反应器结构简洁、实用，主要用于微藻产业化培养中最后一级的扩种培养或小规模生产的封闭式光生物反应器。封闭式光生物反应器内既要有充分的宏观流动与混合，又要有微观上平均而温和的剪切力，以避免强剪切损伤微藻细胞，气推式光生物反应器正是以喷气推动主体流动与局部均匀混合而设计发明的，包括环状浅水池壁1、隔离墙2、排液管3、补液管4、进气管5、支管6、透光盖板7、排气管8、遮光膜9、透光底板10、日光灯组11、滑板12、镜面玻璃13、冷/热水管14、取样孔15、环状预制件16、密封条17，其特征在于环状浅水池壁1内侧设有环状预制件16，环状预制件架设于矮墙之上，环状预制件16外周边上砌有墙体，在环状预制件上方的环状窄肩上设有透光底板10，环形预制件上方的环状窄肩上表面和透光底板下表面接触部位之间涂敷有密封材料，透光底板中部设有一道两端开放的隔离墙2，池壁内部墙面和隔离墙的墙面上设有镜面玻璃13，隔离墙的墙面上的镜面玻璃13两侧设有冷/热水管14，环形浅水池壁侧壁中上端部分设有取样孔15，横向贯通池壁和镜面玻璃，环形浅水池壁1顶部中间设有环形槽，环形槽内设有密封条17，环状浅水池壁顶部设有透光盖板7，密封性良好的透光盖板、透光底板与池壁构成封闭式光生物反应器。环状浅水池壁底部设有日光灯组11，日光灯组设于滑板之上，以方便地拉出日光灯组进行检修。环形浅水池壁1的墙体底部设有排液管3，墙体上部设有补液管4和排气管8，环形浅水池壁1中部的隔离墙上设有进气管5，进气管5上设有上下布置的支管6，支管的横管与池底平行，并与池壁垂直，横管的侧面管壁设有微孔或管等。所述的密封材料采用环氧树脂及石膏粉的混合物。所述的透光底板与透光盖板采用钢化玻璃板或有机玻璃板或聚碳酸酯板，当需要清洗架空池内壁，或对池内部件进行检修时，只要移开池顶的透光盖板即可。所述的密封条采用橡胶密封条。所述的日光灯组至少两组以上。

本发明进气管所接的气源为过滤空气与二氧化碳钢瓶气或含二氧化碳的工业废气的混合气，L型支管的横管上微孔喷气的气流方向均为水平向前，反应器中水体在无数根推进方向一致的微小气流的推动下，构成顺时针方向的藻液主体流动，每一股气体微射流都能在一定范围内产生卷吸混合，使上下层藻液进行混合，而气泡的上浮强化了藻液中溶氧的解析，氧气被气泡带至液面而释放；此时气体微射流中的二氧化碳也同时溶解在藻液中，为微藻的生长提供碳源。在本发明中，进气管支管6采用L型支管，支管的横管与竖管为弯头连接，横管的另一端由螺帽封住，这样的结构在喷气孔或管被微藻堵塞时，能够把横管拆下来方便地进行清理。由于本发明的光生物反应器依靠喷气实现水体流动以及微藻培养中的气体交换，故把该反应器称之为气推式光生物反应器。

气推式光生物反应器装有pH电极、溶氧电极、温度传感器、液位计，通过变送器把信号送至计算机中进行显示。同时，反应器的进气管、补液管、排液管、排气管上都装有手动及自动阀门，在计算机对输入信号进行处理后，根据微藻的培养工艺，可自动调节各阀门。另外，藻液浓度的检测既可以从反应器的取样孔15中***软管后对藻液取样分析其OD值，也可以在反应器内部的藻液中安装OD传感器，自动连续检测OD值。

本发明结合开放式与封闭式光生物反应器各自优点，形成一种新型的低成本、大规模培养微藻的封闭式光生物反应器，这将在推进微藻的产业化过程中发挥重要作用。

[附图说明]

图1为本发明培养微藻的气推式光生物反应器的结构示意图；

图2为本发明培养微藻的气推式光生物反应器的A-A剖面图；

参见图1、图2，1为环状浅水池壁，2为隔离墙，3为排液管，4为补液管，5为进气管，6为支管，7为透光盖板，8为排气管，9为遮光膜、10为透光底板、11为日光灯组、12为四轮滑板、13为镜面玻璃、14为冷/热水管、15为取样孔、16为环状预制件、17为橡胶密封条。

[具体实施方式]

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本产品的制造技术对本专业的人来说是容易实施的。

参见图1和图2，本气推式光生物反应器通常建在室外，先用钢筋、混凝土浇注一个高为2～4厘米的环状预制件16，然后在水泥地坪上用砖块和混凝土砌筑高为20厘米、间距略大于环状预制件两平行边内间距的两排矮墙，之后把环状预制件架在矮墙上，并沿着环状预制件的外周边继续往上砌35～55厘米的墙体，形成两头底部开放、内有环状窄肩的环状浅水池壁1。用调好的环氧树脂及石膏粉的混合物作为胶粘密封材料，在环状窄肩上敷一条三角缝后，迅速在环状窄肩上放置一整块透光板，成为架空水池的透光底板10。待胶粘密封材料干透后，在池中注水确认底板不漏水，然后在底板中部砌有一道两端开放的隔离墙2。按照上述方法施工后，形成了离地高度为22～24厘米的架空池，架空池的宽度为0.5～2.5米，长度为2～6米，深度为35～55厘米。在架空池内的所有墙面，包括隔离墙的墙面贴上镜面玻璃13，以增强池内的采光效果。在环状浅水池壁1顶部中间开一条环形槽，环形槽内放置平整度很高的橡胶密封条17，然后在架空池顶部放置透光盖板7，形成封闭式光生物反应器。在架空池的下面，安装多组日光灯组11向上照射光生物反应器，为微藻提供底部的照明，每组日光灯紧密排列并安装在一块四轮滑板12上。

架空池的墙体底部设有排液管3，上部设有补液管4、排气管8，架空池中部的隔离墙上固定有1～2根进气管5，进气管所接的气源为过滤空气与二氧化碳钢瓶气或含二氧化碳的工业废气的混合气，进气管上接出上下布置的1～2排L型的支管6。1～2根冷/热水管14绕着隔离墙2上下平行安装。

实施例

培养微藻的气推式光生物反应器为砖块、钢筋、混凝土砌筑的架空环状浅水池，池中用砖砌一道两端开放的隔离墙2，池的宽度为1.5米，长度为4米，深度为45厘米。在架空池内的所有墙面，包括隔离墙的墙面贴上镜面玻璃13，以增强池内的采光效果。气推式光生物反应器的底部装有排液管3，上部装有补液管4、排气管8。反应器中部的隔离墙上固定有2根进气管5，进气管所接的气源为过滤空气与二氧化碳钢瓶气的混合气，进气管上接出上下两排共30根L型的支管6，支管的横管与池底平行，离池底间距分别为5厘米及15厘米，并与池壁垂直；横管的侧面管壁上均匀地开出一排孔径为1毫米的小孔，孔的密度为3个/厘米，气流方向均为水平向前。气推式光生物反应器的透光底板10为聚碳酸酯板，透光盖板7为钢化玻璃板，底板与顶板均通过密封测试，形成封闭式光生物反应器。在架空池的下面，安装两组日光灯组11向上照射光生物反应器，每组含有16根40瓦的日光灯。

当气推式光生物反应器中积累的氧气浓度达到一定水平时，打开排气管8上的阀门，启动与排气管相连的抽气机，进行一段时间的抽气通风及散热。2根冷/热水管14绕着隔离墙2上下平行安装，池内藻液温度高时通冷水冷却，藻液温度低时通热水加热。在炎热的夏天，可在气推式光生物反应器的顶部覆盖一层遮光膜9，防止光照过强而抑制甚至损害微藻的生长，同时降低反应器内温度。

气推式光生物反应器中装有pH电极、溶氧电极、温度传感器、液位计等，通过变送器把信号送至计算机中进行显示。同时，反应器的进气管、补液管、排液管、排气管上都装有手动闸阀可进行手动操作，藻液浓度的检测可以从反应器的取样孔15中***软管后对藻液取样分析其OD值。

Claims (5)

1.一种气推式光生物反应器，包括环状浅水池壁(1)、隔离墙(2)、排液管(3)、补液管(4)、进气管(5)、支管(6)、透光盖板(7)、排气管(8)、遮光膜(9)、透光底板(10)、日光灯组(11)、滑板(12)、镜面玻璃(13)、冷/热水管(14)、取样孔(15)、环状预制件(16)、密封条(17)，其特征在于所述气推式光生物反应器的顶部覆盖一层遮光膜(9)，环状浅水池壁(1)内侧设有环状预制件(16)，环状预制件(16)架设于矮墙之上，环状预制件(16)外周边上砌有墙体，在环状预制件上方的环状窄肩上设有透光底板(10)，环形预制件上方的环状窄肩上表面和透光底板下表面接触部位之间涂敷有密封材料，透光底板(10)中部设有一道两端开放的隔离墙(2)，池壁内部墙面和隔离墙的墙面上设有镜面玻璃(13)，隔离墙两侧墙面的镜面玻璃(13)上上下平行地设有冷/热水管(14)，环形浅水池壁(1)侧壁中上端部分设有取样孔(15)，横向贯通池壁和镜面玻璃，环形浅水池壁(1)顶部中间设有环形槽，环形槽内设有密封条(17)，环状浅水池壁顶部设有透光盖板(7)，透光盖板、透光底板与池壁构成封闭式光生物反应器；环状浅水池壁底部设有日光灯组(11)，日光灯组(11)设于滑板(12)之上，环形浅水池壁(1)的墙体底部设有排液管(3)，墙体上部设有补液管(4)和排气管(8)，环形浅水池壁(1)中部的隔离墙上设有进气管(5)，进气管(5)上设有上下布置的支管(6)，所述支管(6)采用L型支管，支管的横管与竖管为弯头连接，横管的另一端由螺帽封住，支管的横管与池底平行，并与池壁垂直，横管的侧面管壁设有微喷气孔或管；环形浅水池中设有pH电极、溶氧电极、温度传感器、液位计，进气管、补液管、排液管、排气管上都设有手动阀门；横管上微喷气孔喷气的气流方向均为水平向前，反应器中水体在无数根推进方向一致的微小气流的推动下，构成顺时针方向的藻液主体流动，每一股气体微射流都能在一定范围内产生卷吸混合，使上下层藻液进行混合，气泡的上浮强化藻液中溶氧的解析，氧气被气泡带至液面而释放，气体微射流中的二氧化碳同时溶解在藻液中，为微藻的生长提供碳源。

2.根据权利要求1所述的气推式光生物反应器，其特征在于所述的透光底板与透光盖板采用钢化玻璃板或有机玻璃板或聚碳酸酯板。

3.根据权利要求1所述的气推式光生物反应器，其特征在于所述的密封材料采用环氧树脂及石膏粉的混合物。

4.根据权利要求1所述的气推式光生物反应器，其特征在于所述的密封条(17)采用橡胶密封条。

5.据权利要求1所述的气推式光生物反应器，其特征在于所述的进气管(5)接过滤空气与二氧化碳钢瓶气或含二氧化碳的工业废气的混合气。

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