CN103981089A - 一种太阳能微藻生物反应*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能微藻生物反应***，本发明的太阳能微藻生物反应***包括反应器主体、太阳能采集器、太阳能电池照明***、二氧化碳供给***、控制装置，采用太阳光作为白天用光源，太阳能LED灯作为夜间光源，二氧化碳供给、检测与自动化控制，以及温度、pH、转速可控的高密度培养***。这种反应器以内光源形式提高了单位体积微藻培养液的受光面积，可明显提高微藻产量。

Description

一种太阳能微藻生物反应***
技术领域
本发明涉及到微藻培养的生物技术领域，尤其是一种采用太阳能作为光源的微藻培养光生物反应***。 
背景技术
生物柴油是一种理想的可再生能源，目前我国正大力开发生物柴油并推进其产业化进程。某些微藻因其具有含油量高、易于培养、单位面积产量大等特点，是优质的生物柴油原料。尽管微藻生物柴油具有巨大的优势，目前利用微藻生产生物柴油还处于初级阶段，其主要瓶颈就在于高昂的培养成本，因此研制出一个低成本高效率的微藻培养***是实现利用微藻生产生物柴油的一个关键性步骤。
微藻培养方式主要有开放式和封闭式两种，开放式光生物反应器构建简单、成本低廉及操作简便，但存在易受污染、培养条件不稳定等缺点。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。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、浮式薄膜袋等。目前，封闭式光生物反应器的采光方式有室外直接采光和人造光源采光两种。由于光生物反应器中人工光源的操作与建构成本是微藻生长所遭遇的最大瓶颈，因此，如何降低光源成本，并提升光利用效率尤为重要。在所有光源中，太阳能是地球最丰富的天然资源之一，使用太阳能不仅没有人工光源耗电的问题，而且具有宽广的光波长，非常适合微藻的培养。
光能转化是影响微藻生长的重要因素，光源的选择、安装直接影响反应器光强分布，影响到藻细胞对光的吸收利用。 
发明内容
本发明的目的就是针对上述存在的缺陷而提供一种太阳能微藻生物反应***。本发明的太阳能微藻生物反应***包括反应器主体、太阳能采集器、太阳能电池照明***、二氧化碳供给***、控制装置，采用太阳光作为白天用光源，太阳能LED灯作为夜间光源，二氧化碳供给、检测与自动化控制，以及温度、pH、转速可控的高密度培养***。这种反应器以内光源形式提高了单位体积微藻培养液的受光面积，可明显提高微藻产量。
本发明的一种太阳能微藻生物反应***技术方案为，该***包括反应器主体、太阳能采集器、太阳能电池照明***、二氧化碳供给***、控制装置；其中，反应器主体外侧设置有光导纤维，光导纤维与太阳能采集器连接；控制装置分别控制太阳能照明***和二氧化碳供给***的工作；反应器主体内设置有温度传感器、pH传感器、CO2/O2传感器，温度传感器、pH传感器、CO2/O2传感器分别与控制装置连接。 
反应器主体以耐热耐压的有机玻璃材料制成。
太阳能电池照明***包括太阳能电池板、蓄电池、LED辅助照明装置、LED光源。该***白天将光能转换为电能，夜间将电能转换为光能，并利用光纤传导***提供给培养***。
太阳能采集器由采集单元组成，每个采集单元包括聚焦透镜和光导纤维。光导纤维采用1-5mm的超亮通体发光塑料多模光纤20-100根，一端连接太阳能采集器，一端围绕在反应器主体周围进行补光。
优选的光导纤维采用2mm与3mm的超亮通体发光塑料多模光纤各30根，组合使用，一端连接太阳能采集器，一端围绕在反应器主体周围进行补光。
二氧化碳供给***包括二氧化碳发生装置、蠕动泵、气体传输管道、液体传输管道。控制装置通过检测培养罐二氧化碳浓度控制蠕动泵流加，生成的二氧化碳通过管道直接供给反应器主体内，为微藻光合作用提供原料。
反应器主体下方还设置有加热套。
反应器主体还与冷却水罐连接，控制装置通过监测反应器主体内的温度来控制冷却水罐的冷却水流量。
本发明所述的控制装置所采用的控制器可以为PLC控制器。控制装置对接收的温度、pH、二氧化碳及氧气信号进行处理，并通过通讯网络将数据传送至计算机，安装于计算机上的发酵控制平台对在线检测数据进行分析处理，依据预先建立的温度、pH、二氧化碳及氧气参数（根据培养藻类不同可以设置不同参数），向控制装置发送命令，包括启动或停止蠕动泵，蠕动泵的流加速率。
本发明的有益效果为：本发明的太阳能微藻生物反应***包括反应器主体、太阳能采集器、太阳能电池照明***、二氧化碳供给***、控制装置，采用太阳光作为白天用光源，太阳能LED灯作为夜间光源，二氧化碳供给、检测与自动化控制，以及温度、pH、转速可控的高密度培养***。这种反应器以内光源形式提高了单位体积微藻培养液的受光面积，可明显提高微藻产量。
附图说明：
图1所示为本发明太阳能微藻生物反应***的结构示意图。
其中，1-太阳能采集器，2-光源，3-太阳能电池板，4-光导纤维，5-温度传感器，6-pH传感器，7-CO2/O2传感器，8-控制装置，9-冷却水罐，10-反应器主体，11-加热套,12-二氧化碳供给***。
具体实施方式：
为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。
实施例１
本发明的一种太阳能微藻生物反应***包括反应器主体10、太阳能采集器1、太阳能电池照明***、二氧化碳供给***12、控制装置8；其中，反应器主体10外侧设置有光导纤维4，光导纤维4与太阳能采集器1连接；控制装置8分别控制太阳能照明***和二氧化碳供给***12的工作；反应器主体10内设置有温度传感器5、pH传感器6、CO2/O2传感器7，温度传感器5、pH传感器6、CO2/O2传感器7分别与控制装置8连接。 
反应器主体10以耐热耐压的有机玻璃材料制成。
太阳能电池照明***包括太阳能电池板3、蓄电池、LED辅助照明装置、LED光源2。该***白天将光能转换为电能，夜间将电能转换为光能，并利用光纤传导***提供给培养***。
太阳能采集器1由采集单元组成，每个采集单元包括聚焦透镜、光导纤维4，保证了光通量，为微藻提供足够的光照射。光导纤维4采用2mm与3mm的超亮通体发光塑料多模光纤各30根，组合使用，一端连接太阳能采集器1，一端围绕在反应器主体10周围进行补光。
二氧化碳供给***12包括二氧化碳发生装置、蠕动泵、气体传输管道、液体传输管道。控制装置8通过检测培养罐二氧化碳浓度控制蠕动泵流加，生成的二氧化碳通过管道直接供给反应器主体10内，为微藻光合作用提供原料。
反应器主体10下方还设置有加热套11。
反应器主体10还与冷却水罐9连接，控制装置8通过监测反应器主体10内的温度来控制冷却水罐9的冷却水流量。
本发明所述的控制装置8所采用的控制器可以为PLC控制器。控制装置8对接收的温度、pH、二氧化碳及氧气信号进行处理，并通过通讯网络将数据传送至计算机，安装于计算机上的发酵控制平台对在线检测数据进行分析处理，依据预先建立的温度、pH、二氧化碳及氧气参数（根据培养藻类不同可以设置不同参数），向控制装置发送命令，包括启动或停止蠕动泵，蠕动泵的流加速率。
实施例2
新月菱形藻接种密度为2.8×105cell/mL，培养温度为20℃,光照强度为54μE/(m2·s)，连续光照自养培养6d至对数生长期，收集藻体，二次接种于反应器主体10中，接种密度为10×105，进行培养，光照强度为54μE/(m2·s)，提供15% CO2气与空气混合气体连续通入反应器主体10中，通气量为300ml·min-1,转速为120rpm，保持pH值在7-8之间，连续光照培养20d，利用尾气检测仪记录反应器主体10中CO2含量，并定期取样，计数。
结果显示：利用本发明的光生物反应***对新月菱形藻进行培养，通过检测尾气中CO2的浓度研究了藻细胞的生长规律，最大采收量为42.0×1011cell，明显高于孙利芹等（2009年）采用平板式光生物反应器培养新月菱形藻获得的3.12×1012的生物量。
实施例3
选择无污染、生长良好的衣藻藻种，利用本发明的光照反应器进行扩种培养，采用的培养基为SE培养基。取指数生长期的藻液接种，接种密度为2.56×106cell/mL，培养温度为28℃,光照强度为108μE/(m2·s)，提供15%CO2气与空气混合气体连续通入反应器主体10中，通气量为300ml·min-1,转速为120rpm，保持pH值在7-8之间，连续光照培养14d，利用尾气检测仪记录反应器主体10中CO2含量，并定期取样，计数。
结果显示，使用本发明的光生物反应器，衣藻培养14天后其生物量可达到3.2g/L。 

Claims (9)

1.一种太阳能微藻生物反应***，其特征在于，该***包括反应器主体、太阳能采集器、太阳能电池照明***、二氧化碳供给***、控制装置；其中，反应器主体外侧设置有光导纤维，光导纤维与太阳能采集器连接；控制装置分别控制太阳能照明***和二氧化碳供给***的工作；反应器主体内设置有温度传感器、pH传感器、CO2/O2传感器，温度传感器、pH传感器、CO2/O2传感器分别与控制装置连接。
2. 根据权利要求1所述的一种太阳能微藻生物反应***，其特征在于，反应器主体以耐热耐压的有机玻璃材料制成。
3. 根据权利要求1所述的一种太阳能微藻生物反应***，其特征在于，太阳能电池照明***包括太阳能电池板、蓄电池、LED辅助照明装置、LED光源。
4. 根据权利要求1所述的一种太阳能微藻生物反应***，其特征在于，太阳能采集器由采集单元组成，每个采集单元包括聚焦透镜和光导纤维。
5. 根据权利要求4所述的一种太阳能微藻生物反应***，其特征在于，光导纤维采用1-5mm的超亮通体发光塑料多模光纤20-100根，一端连接太阳能采集器，一端围绕在反应器主体周围进行补光。
6. 根据权利要求4所述的一种太阳能微藻生物反应***，其特征在于，光导纤维采用2mm与3mm的超亮通体发光塑料多模光纤各30根，组合使用，一端连接太阳能采集器，一端围绕在反应器主体周围进行补光。
7. 根据权利要求1所述的一种太阳能微藻生物反应***，其特征在于，二氧化碳供给***包括二氧化碳发生装置、蠕动泵、气体传输管道、液体传输管道。
8. 根据权利要求1所述的一种太阳能微藻生物反应***，其特征在于，反应器主体下方还设置有加热套。
9. 根据权利要求1所述的一种太阳能微藻生物反应***，其特征在于，反应器主体还与冷却水罐连接，控制装置控制冷却水罐的冷却水流量。
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