CN102533528B

CN102533528B - 基于模拟微藻扩大培养的封闭连续培养实验装置

Info

Publication number: CN102533528B
Application number: CN 201210009402
Authority: CN
Inventors: 井广宁; 杨俊红; 张恒; 谢辉; 吕梦梦
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: CN102533528A

Abstract

本发明公开了一种基于模拟微藻扩大培养的封闭连续培养实验装置，包括相互并联的第一管式光生物反应器和第二管式光生物反应器、气体循环***、液体循环***、数据采集***和恒温水***；所述第一管式光生物反应器和所述第二管式光生物反应器置于恒温水池内，且均设有进液口、进气口、排液口和排气口；所述气体循环***连接在所述进气口和所述排气口之间，所述液体循环***连接在进液口和排液口之间；所述恒温水***与恒温水池连接。本发明结合了以研究微藻生长机理类和以扩大培养类为目的的培养***的长处，并且吸取了管式光生物反应器的优点，不仅可优化微藻扩大培养的环境参数，并且可以研究微藻固定CO₂以及处理不同废气、污水的能力。

Description

基于模拟微藻扩大培养的封闭连续培养实验装置

技术领域

本发明涉及一种产油微藻培养实验装置，特别是涉及一种基于模拟微藻扩大培养的封闭连续培养实验装置。

背景技术

微藻在光自养培养过程中可固定大量CO₂，地球上生物每年通过光合作用可固定8×10¹⁰t碳，生产14.6×10¹⁰t生物质，其中一半以上应归功于藻类光合作用。将CO₂注入微藻，通过光合作用转化为生物燃油，是近十余年来在可再生能源领域的重大突破。同时微藻的培养可与尾气、污水的处理相结合，利用尾气和污水中的营养成分。光生物反应器微藻培养装置，通过可循环光合作用，实现微藻油脂的连续合成，为微藻油脂高通量生产奠定基础。因此开发新型的高密度、低廉高效、适用于扩大培养的微藻培养***成为微藻生物柴油技术的关键。

传统的微藻培养装置按研究目的的不同可分成两大类，一类是以研究微藻的生长机理为目的，此类装置大多以锥形瓶为培养单元，在光照培养箱中培养，该培养装置虽然可以比较精确的控制微藻的生长条件，但是该装置不适合直接扩大化培养微藻，所得出的最佳生长环境的参数也不适合直接应用于扩大培养，另外此类***也不能模拟和计算微藻固碳和处理废气的能力。另一类微藻培养装置是以规模化培养为目的，但是此类的培养装置微藻的生产效率不高，不能完全采用藻液和气体的双封闭式循环，微藻培养环境易受污染；同时此类装置调节滞后，装置内部温度不均匀，传热传质效果差。

所以，目前在如何精确地控制微藻生长环境的同时，高效地生产微藻是亟待解决的问题，现有的微藻培养***大多停留在实验室条件下，从成本和能量损耗等角度无法真正扩大化培养。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于模拟微藻扩大培养的封闭连续培养实验装置，该装置可以精确地控制微藻生长环境，研究微藻的生长机理、模拟计算微藻固碳和处理废气的能力，模拟微藻扩大化培养，优化扩大培养的环境参数，从而提高微藻产量和密度。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于模拟微藻扩大培养的封闭连续培养实验装置，包括相互并联的第一管式光生物反应器和第二管式光生物反应器、气体循环***、液体循环***、数据采集***和恒温水***；

所述第一管式光生物反应器和所述第二管式光生物反应器置于恒温水池内，且均设有进液口、进气口、排液口和排气口；

所述气体循环***包括依次串接的气体流量计、通入气体分析仪、混合室、空气泵和排出气体分析仪，所述排出气体分析仪与所述第一管式光生物反应器和所述第二管式光生物反应器的排气口连接，所述气体流量计与所述第一管式光生物反应器和所述第二管式光生物反应器的进气口连接，所述混合室上还连接有气罐；在连接所述排出气体分析仪与所述空气泵的管路上设有第五阀门，所述排出气体分析仪上设有排空支管，所述排空支管上设有第三阀门，所述空气泵设有进气管，所述进气管设有第四阀门，在连接所述混合室和所述通入气体分析仪的管路上设有第六阀门，在连接所述混合室和所述气罐的管路上设有第七阀门，在连接所述气体流量计和所述第一管式光生物反应器进气口的管路上设有第八阀门，在连接所述排出气体分析仪和所述第一管式光生物反应器排气口的管路上设有第一阀门，在连接所述排出气体分析仪和所述第二管式光生物反应器排气口的管路上设有第二阀门；

所述液体循环***包括依次串接的溶氧仪、pH调节器、储液罐和液体流量计，所述溶氧仪经第十一阀门与所述第一管式光生物反应器的排液口连接，所述溶氧仪经第十二阀门与所述第二管式光生物反应器的排液口连接；所述储液罐依次经由第二蠕动泵和第十阀门与所述第二管式光生物反应器的进液口连接，所述储液罐依次经由第九阀门和第一蠕动泵与所述第一管式光生物反应器的进液口连接，所述pH调节器通过检测藻液的pH反馈信号控制所述第七阀门的启闭；

所述数据采集***包括数据采集器，所述数据采集器采集源自温度检测控制器、pH调节器、溶氧仪、液体流量计、气体流量计、通入气体分析仪和排出气体分析仪的数据；

所述恒温水***包括与所述恒温水池通过进水管和回水管连接的恒温水槽，所述进水管上设有真空泵，所述真空泵由所述温度检测控制器根据其检测到的藻液的温度信号进行控制。

所述第一管式光生物反应器和所述第二管式光生物反应器均为自清洁型管式光生物反应器，所述自清洁型管式光生物反应器包括所述进气口、所述排气口和透明套管，所述透明套管的两端均设有与其密封连接的法兰，所述透明套管一端的法兰上设有所述进液口，所述透明套管另一端的法兰上设有所述排液口，

所述透明套管内设有螺旋轴，所述螺旋轴被支承在所述透明套管两端的法兰上，且一端连接有驱动装置；

所述透明套管上设有与其中心线平行的轨道，所述轨道上装有T型滑块，所述T型滑块上固定有清洁头，所述清洁头适配地装在所述螺旋轴的螺旋槽内。

所述螺旋轴的螺旋外缘上固定有清洁块，所述清洁块与所述透明套管的内壁接触。

所述螺旋轴上设有中空通道，所述中空通道上设有所述进气口，所述进气口与所述驱动装置分设在所述螺旋轴的两端；所述螺旋轴上设有与所述中空通道相通的径向导流孔。

所述透明套管上设有排气槽，所述排气槽与所述透明套管的中心线平行，所述排气槽上设有与所述透明套管固接的罩体，所述罩体上设有所述排气口。

本发明具有的优点和积极效果是：

1）通过在装置设置气体循环***，通过采用气体分析仪检测微藻处理前后的气体成分，可以测定微藻固碳、处理废气的能力，以及混合气中不同气体成分、含量对微藻生长和油脂积累的影响。

2）通过在装置中设置液体循环***，使藻液在两个并联的管式光生物反应器中循环，可模拟微藻扩大培养的培养环境，优化扩大培养时的环境参数，同时可测定微藻处理污水的能力。

3）通过在装置中设置恒温水***，温度检测控制器自动的控制真空泵的启停，可以实时的调节恒温水槽中的温度，保持管式光生物反应器温度的均匀恒定。

4）通过装置中的数据采集***，可以实时地检测微藻和培养环境的物理参数，并根据采集的数据及时对装置进行调节。

5）通过采用自清洁型管式光生物反应器，在透明套管内设置螺旋轴，并在螺旋轴上设置清洁部件的结构，使其在微藻培养的过程中，微藻难以附着，无法贴壁生长，实现了自清洁的功能。进一步地，通过采用在螺旋轴上设中空通道和径向导流孔的结构，气体通过中空通道和径向导流孔直接均匀地分散到光生物反应器内部，该通气方法一方面使通过螺旋轴上径向导流孔排出的气体冲刷螺旋轴表面，达到微藻难以在螺旋轴表面附着生长的目的，另一方面可配合螺旋轴的转动加强反应器中微藻、培养基、空气的混合，达到强化传热传质的作用。

6）另外本发明也考虑到了气液分离问题，通过采用在自清洁型管式光生物反应器透明套管上形成排气通道的结构，可以及时地将废气和溶解氧排出，使整个***中减少了独立的气液分离装置。

综上所述，本发明结合了以研究微藻生长机理类和以扩大培养类为目的的培养***的长处，并且吸取了管式光生物反应器的优点，不仅可优化微藻扩大培养的环境参数，并且可以研究微藻固定CO₂以及处理不同废气、污水的能力。此培养***解决了实验室模拟扩大连续培养的限制且培养效果好、光利用率高、生产可控性好、增加了培养密度，降低了生产成本，提高了经济效益。可用于培养微藻、生产相关产品或提供水产养殖饵料等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明光生物反应器的结构示意图；

图3为图2的A-A剖面图。

图中：1、pH调节器；2、溶氧仪；3、第一阀门；4、第二阀门；5、数据采集器；6、排出气体分析仪；7、第三阀门；8、第四阀门；9、第五阀门；10、空气泵；11、混合室；12、第六阀门；13、第七阀门；14、气罐；15、通入气体分析仪；16、气体流量计；17、第八阀门；18、第九阀门；19、第一蠕动泵；20、第十阀门；21、液体流量计；22、第二蠕动泵；23、储液罐；24、第一光生物反应器；25、恒温水池；26、第十一阀门1；27、恒温水槽；28、真空泵；29、温度检测控制器；30、第十二阀门，31、第二光生物反应器；32、透明套管；33、螺旋轴；34、排气口；35、径向导流孔；36、法兰；37、进液口；38、进气口；39、清洁块；40、轨道；41、排液口；42、驱动装置；43、T型滑块；44、清洁头，45、排气槽，46、罩体。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，一种基于模拟微藻扩大培养的封闭连续培养实验装置，包括相互并联的第一管式光生物反应器24和第二管式光生物反应器31、气体循环***、液体循环***、数据采集***和恒温水***。

上述第一管式光生物反应器24和第二管式光生物反应器31置于恒温水池25内，且均设有进液口、进气口、排液口和排气口。

上述气体循环***包括依次串接的气体流量计16、通入气体分析仪15、混合室11、空气泵10和排出气体分析仪6，排出气体分析仪6与第一管式光生物反应器和第二管式光生物反应器的排气口连接，气体流量计16与第一管式光生物反应器和第二管式光生物反应器的进气口连接，混合室11上还连接有气罐14；在连接排出气体分析仪6与空气泵10的管路上设有第五阀门9，排出气体分析仪6上设有排空支管，排空支管上设有第三阀门7，空气泵10设有进气管，进气管设有第四阀门8，在连接混合室11和通入气体分析仪15的管路上设有第六阀门12，在连接混合室11和气罐14的管路上设有第七阀门13，在连接气体流量计16和第一管式光生物反应器进气口的管路上设有第八阀门17，在连接排出气体分析仪6和第一管式光生物反应器排气口的管路上设有第一阀门3，在连接排出气体分析仪6和第二管式光生物反应器排气口的管路上设有第二阀门4。上述气体循环***的主要作用是压缩并过滤环境中的空气，通过在混合室中与来自气罐中不同的气体进行配比，将混合气输送至两个管式光生物反应器，为微藻生长提供气体。同时该***可对气体成分进行调节、分析，反映不同微藻对不同气体的处理能力。经排出气体分析仪6排出的气体可根据实验目的不同或直接排入大气，或并入混合室继续参与循环。

上述液体循环***包括依次串接的溶氧仪2、pH调节器1、储液罐23和液体流量计21，溶氧仪2经第十一阀门26与第一管式光生物反应器的排液口连接，溶氧仪2经第十二阀门30与第二管式光生物反应器的排液口连接；储液罐23依次经由第二蠕动泵22和第十阀门20与第二管式光生物反应器的进液口连接，储液罐23依次经由第九阀门18和第一蠕动泵19与第一管式光生物反应器的进液口连接，pH调节器1通过检测藻液的pH反馈信号控制第七阀门13的启闭。上述液体循环***的循环介质为微藻及其培养液，来自储液罐的藻液在蠕动泵的驱动下经液体流量计进入光生物反应器，根据实验目的的不同可以控制阀门的状态，使藻液经一个光生物反应器排出，或在两根相同的管式光生物反应器中循环，光生物反应器排出的液体经溶氧仪与pH调节器分析后送回储液罐。通过对光生物反应器前后的藻液进行实时监测，同时根据微藻生长的不同时期对环境的影响，及时地对藻液进行调节，使微藻始终处于最佳的生长状况下；在模拟扩大培养时。此时可用反应器的尺寸、藻液的流速以及藻液的循环次数来反映微藻扩大培养的状况。

上述数据采集***包括数据采集器5，数据采集器5采集源自温度检测控制器29、pH调节器1、溶氧仪2、液体流量计21、气体流量计16、通入气体分析仪15和排出气体分析仪6的数据。该***的主要作用是：在线收集实验数据，用于实验数据的采集和分析，溶氧仪2、液体流量计21、气体流量计16、通入气体分析仪15和排出气体分析仪6均为在线采集仪器，采集后的实验数据直接送入数据采集器5；pH调节器1、温度检测控制器29则在自动检测并反馈调节后，将调节后的数据送入数据采集器5，通过计算机实时的反映并调控实验装置的运行状况。

上述恒温水***包括与恒温水池25通过进水管和回水管连接的恒温水槽27，进水管上设有真空泵28，真空泵28由温度检测控制器29根据其检测到的藻液的温度信号进行控制。当温度检测控制器29检测到光生物反应器出口处温度低于设定值下限时，温度检测控制器29控制真空泵28开启，恒温水在恒温水槽27与恒温水池25之间循环，当检测到光生物反应器出口处温度高于设定值上限时，温度检测控制器29则控制真空泵28停止工作，之后温度检测控制器29将调节后的温度值传输至数据采集器5中。该***可控制水池中水温的恒定。该***主要是为微藻的生长提供稳定的环境温度。

在气体循环***中，当以模拟扩大培养微藻为目的时，第一阀门3、第二阀门4、第三阀门7、第四阀门8、第六阀门12、第八阀门17开启，第五阀门9、第七阀门13关闭，此时空气泵压缩空气，通过通入气体分析仪15进入第一光生物反应器24和第二光生物反应器31。气罐14为装置提供pH调节气，通过pH调节器1检测到的藻液pH反馈信号来控制第七阀门13的开闭；当以研究微藻最佳培养条件为目的时，第二阀门4、第三阀门7、第四阀门8、第六阀门12开启，第一阀门3、第五阀门9、第七阀门13、第八阀门17关闭，此时可以通过空气和气罐14中不同气体进行配比混合，同时通过排出气体分析仪6与通入气体分析仪15分析微藻处理前后气体成分的变化；当以研究微藻最大固碳量和对不同废气的最大处理能力为目的时，第二阀门4、第五阀门9、第六阀门12开启，第一阀门3、第三阀门7、第四阀门8、第七阀门13、第八阀门17关闭，此时气体在排出气体分析仪6、第一光生物反应器24以及混合室11之间循环。

在液体循环***中，当以研究微藻最佳生长条件或者油脂合成机理为目的时，第十阀门20、第十二阀门30开启，第九阀门18、第十一阀门26关闭，液体循环速度由第二蠕动泵22进行控制，pH调节器1、溶氧仪2、液体流量计21可实时的对藻液的物理性质行进监测，为确定条件的单一变量，此时可依据数据采集器5中显示的pH值，使用缓冲剂手动的对入口藻液进行的pH值进行调节；在以模拟扩大培养为目的时，第九阀门18、第十一阀门26开启，第十阀门20、第十二阀门30关闭，使藻液在第一光生物反应器24和第二光生物反应器31中循环，并对反应器前后的藻液进行实时监测，同时根据微藻不同的生长时期对环境的影响，及时地对藻液进行调节，使微藻始终处于最佳的生长状况下。可通过pH调节器1检测到的藻液的pH反馈信号控制第七阀门13的开闭来调节气罐中气体进入混合室11的速度，气罐14中可以装入不同的气体，也可使用多个气罐，通过此方式控制酸性气体CO₂、碱性气体NH₃等在混合室中的比例。此时可用反应器的尺寸、藻液的流速以及藻液的循环次数来反应扩大培养微藻的状况。

上述第一光生物反应器24和第二光生物反应器31均为自清洁型管式光生物反应器，请参阅图2～图3，自清洁型管式光生物反应器包括透明套管32，透明套管32的两端均设有与其密封连接的法兰36，透明套管一端的法兰36上设有排液口41，透明套管另一端的法兰36上设有进液口37，透明套管32内设有螺旋轴33，螺旋轴33被支承在透明套管两端的法兰36上，且一端连接有驱动装置42，螺旋轴33的螺旋外缘上固定有清洁块39，清洁块39与透明套管32的内壁接触；透明套管32上设有与其中心线平行的轨道40，轨道40上装有T型滑块43，T型滑块上固定有清洁头44，清洁头44适配地装在螺旋轴的螺旋槽内。

在螺旋轴上设有中空通道，中空通道上设有进气口38，进气口38与驱动装置42分设在螺旋轴33的两端；螺旋轴33上设有与中空通道相通的径向导流孔35。

在透明套管32上设有排气槽45，排气槽45与透明套管32的中心线平行，排气槽45上设有与透明套管32固接的罩体46，罩体46上设有排气口34。

透明套管32的外径为100～200mm，扩大培养阶段，透明套管长度可视所培养的微藻周期和培养液流速的不同而确定，透明套管的厚度为5～15mm，材料为透光性好的树脂材料；螺旋轴33的直径为30～60mm，中空通道内径为10～20mm，螺距为4～10倍的直径，材料为树脂材料。

在应用过程中，过滤后的空气经螺旋轴上的进气口38和导流孔35进入光生物反应器内部，通过在过滤空气中直接混入酸性气体CO₂或碱性气体NH₃直接对培养液的pH进行控制，溶解氧以及未吸收的CO₂等气体则由排气口34排出。螺旋轴33的转动由驱动装置42带动，驱动装置可根据培养微藻的种类、光照强度、培养液流动速度等因素调整螺旋轴转动的启停和转速。培养液由进液口37进入光生物反应器，反应后的培养液由排液口41排出。

在光生物反应器需要清洁时，只需要将装有清洁头的T型滑块43装在轨道40上，通过螺旋轴的转动即可带动T型滑块和清洁头沿着轨道作业，对光生物反应器内部进行清理。对反应器内部的清理，能够延长反应器的使用周期，降低工作强度，减少能量消耗，提高工作效率。

使气体通过中空通道和径向导流孔直接均匀地分散到光生物反应器内部，能够使微藻更充分地接触气体，同时使进入反应器的气体可冲刷螺旋轴表面，加强螺旋轴表面的流体流动，减小微藻贴壁生长的可能性，本发明中的气体供给方式不仅增大了流体的扰动，而且可配合螺旋轴的转动，有效地增加单位CO₂接触面积和氧气的析出。

在光照强度比较高的季节和地区进行微藻的培养容易使微藻产生光抑制和光饱和，在本发明中可以通过调节驱动装置的转速和培养液的流速来调节微藻的光暗比，以此改善微藻的培养环境。

光生物反应器的培养温度由恒温水调控，整个反应器是浸入到水池中，对于水池的水的温度调节，可引入海水，利用海水温差变化小的特点，维持培养环境的温度。在技术可行的情况下也可将此***引入海中培养，较少土地的占用面积；可以和热电厂、制药厂相结合，利用工厂低品位的废热，来控制培养环境的温度；可以结合地热优势，利用地热供暖或发电的废热，来控制培养环境的温度。

为结合实际情况和节能减排的要求，本发明不采用内置光源和人工光源，整个培养过程均使用自然光。

上述光生物反应器是基于扩大培养微藻而设计的光生物反应器，但是在实验室小规模培养时可对实际情况进行模拟处理，如在实验室模拟阶段可采用太阳光模拟器对实验管段进行照射；微藻培养液的pH值由安装在光生物反应器上的pH器进行控制；由恒温水槽提供恒温水。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于模拟微藻扩大培养的封闭连续培养实验装置，其特征在于，包括相互并联的第一管式光生物反应器和第二管式光生物反应器、气体循环***、液体循环***、数据采集***和恒温水***；

2.根据权利要求1所述的基于模拟微藻扩大培养的封闭连续培养实验装置，其特征在于，所述第一管式光生物反应器和所述第二管式光生物反应器均为自清洁型管式光生物反应器，所述自清洁型管式光生物反应器包括所述进气口、所述排气口和透明套管，所述透明套管的两端均设有与其密封连接的法兰，所述透明套管一端的法兰上设有所述进液口，所述透明套管另一端的法兰上设有所述排液口，

3.根据权利要求2所述的基于模拟微藻扩大培养的封闭连续培养实验装置，其特征在于，所述螺旋轴的螺旋外缘上固定有清洁块，所述清洁块与所述透明套管的内壁接触。

4.根据权利要求2或3所述的基于模拟微藻扩大培养的封闭连续培养实验装置，其特征在于，所述螺旋轴上设有中空通道，所述中空通道上设有所述进气口，所述进气口与所述驱动装置分设在所述螺旋轴的两端；所述螺旋轴上设有与所述中空通道相通的径向导流孔。

5.根据权利要求2或3所述的基于模拟微藻扩大培养的封闭连续培养实验装置，其特征在于，所述透明套管上设有排气槽，所述排气槽与所述透明套管的中心线平行，所述排气槽上设有与所述透明套管固接的罩体，所述罩体上设有所述排气口。