CN113862113A - 一种用于微藻培养的光生物反应器及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于微藻培养的光生物反应器及应用，所述光生物反应器包括反应器主体，所述反应器主体整体呈封闭式，所述反应器主体的中央设有圆柱式光源，所述反应器主体内环绕圆柱式光源依次设有多个空间单元，其中一个空间单元上连通有培养液进口，还有一个空间单元上连通有微藻排放口；所述圆柱式光源形成对空间单元内微藻的垂直照射；相邻空间单元之间设有隔板，相邻两个隔板中一个隔板的上部过流，另外一个隔板的下部过流。本发明解决了光照分布不均匀以及微藻贴壁等问题，在提升微藻产量的同时具有结构简单、制备成本低等优点，并且可实现圆柱式光生物反应器对微藻的封闭式培养。

Description

一种用于微藻培养的光生物反应器及应用
技术领域
本发明属于微藻培养技术领域，尤其是涉及一种用于微藻培养的光生物反应器及应用。
背景技术
微藻细胞可以通过光合作用有效地利用光能，将二氧化碳、水和无机盐等物质转化为有机物，此过程可以有效减轻温室效应。除此之外，微藻细胞富含蛋白质、氨基酸、维生素和多糖等多种高附加值的生物物质，不仅可以用于生产生物柴油，而且在食品、医药和化工等领域也是一种重要的生物资源。
当前的光生物反应器一般包括反应器本体、光源以及CO2曝气装置，利用曝气装置提供碳源同时搅动藻液，使微藻细胞、培养液和CO2气体在反应器内混合，在光照条件下实现微藻的生长。
但是现有技术中，存在着光照在反应器内部分布不均匀以及微藻贴壁等现象，这些现象最终会导致微藻生物产量降低，在大规模培养微藻时光照分布不均匀的问题尤为突出。随着反应器体积的增加以及微藻浓度的提升，光照在反应器内的透射会逐步衰减，使得微藻的光合效率明显下降。为了提高微藻在光生物反应器内的光合效率，一些研究者对柱状式光生物反应器进行了改进，在反应器内部安装人工光源，并且增加搅拌装置来控制藻液的混合程度，以此来增加微藻细胞的生物产量。但是这些改进方式并不能很好地解决光照分布以及微藻贴壁等问题，并且还会使得装置复杂，不易于清洗。如公开号为CN109879443A的发明专利公开了一种兼性微藻光生物反应器污水净化***及方法，该方法采用置于透光管内的LED软灯带作为光源，相较于传统的将光源置于反应器主体外部的装置对于光照的利用率更高。但是其缺点也十分突出，那就是数量众多的透光管占用了反应器主体相当一部分体积，不利于微藻的大规模培养；此外，该装置的软灯带数量众多，虽然会加强光照的传递，但是无法让光强均匀分布；并且内置大量透光管，会大大增加内壁面积，使得贴壁现象更容易发生，阻碍光照的传递。如公开号为CN111676126A的发明专利公开了一种用于微藻培养的气升式光生物反应器，该装置内部设有两个导流筒，导流筒内部放置光源，该方法可以改善光强的分布，但是两光源相交的区域光照过强，会抑制该区域内微藻的生长；并且该装置较为复杂，不利于后期拆卸清洗。
发明内容
本发明的第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种用于微藻培养的光生物反应器。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种用于微藻培养的光生物反应器，其特征在于：所述用于微藻培养的光生物反应器包括反应器主体，所述反应器主体整体呈封闭式，所述反应器主体的中央设有圆柱式光源，所述反应器主体内环绕圆柱式光源依次设有多个空间单元，其中一个空间单元上连通有培养液进口，还有一个空间单元上连通有微藻排放口；所述圆柱式光源形成对空间单元内微藻的垂直照射；相邻空间单元之间设有隔板，相邻两个隔板中一个隔板的上部过流，另外一个隔板的下部过流，设有培养液进口的空间单元与设有微藻排放口的空间单元相邻且经隔板完全隔离；每个空间单元的底部设有曝气器；
设有微藻排放口的空间单元内设有中空纤维膜组件，所述中空纤维膜组件经管道与泵相连通。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述反应器主体整体为透明材质。
作为本发明的优选技术方案：所述曝气器为螺旋曝气器。
作为本发明的优选技术方案：设有微藻排放口的空间单元的上部设有出气口。
作为本发明的优选技术方案：设有微藻排放口的空间单元的上部设有取样管。
作为本发明的优选技术方案：所述泵为恒流泵。
作为本发明的优选技术方案：所述培养液进口设置在反应器主体的上部，相对应地，所述培养液进口下游的隔板上部过流。
作为本发明的优选技术方案：所述曝气器与气体质量流量计相连接。
作为本发明的优选技术方案：所述微藻排放口设置在反应器主体的下部，相应地，所述微藻排放口上游的隔板上部过流。
作为本发明的优选技术方案：所述中空纤维膜组件为微滤膜组件，所述微滤膜组件内设置聚丙烯膜，所述聚丙烯膜的孔径为0.05μm～0.2μm
本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种用于微藻培养的光生物反应器在微藻培养方面的应用。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
根据前文所述的用于微藻培养的光生物反应器在微藻培养方面的应用，其特征在于：微藻培养液经反应器主体上的培养液进口进入至空间单元内，在隔板导流以及曝气器曝气的共同作用下，逐次经过处于培养液进口下游的空间单元，并使得微藻细胞在反应器主体内始终保持悬浮生长状态且经相邻的两个隔板形成上、下折流形式；
圆柱式光源对各个空间单元内的微藻进行垂直照射；
培养液经中空纤维膜组件过滤后由泵抽出；
经微藻排放口定期排放高浓度藻液，实现对微藻细胞的收集。
本发明提供一种用于微藻培养的光生物反应器及应用，具有如下有益效果：
第一、该装置的光源处于反应器的圆心处，故光照强度从内至外分布依次减弱，距离圆心距离相等时光照强度一致，并且若反应器主体整体为透明材质，则自然光可以弥补外部受到照射不足带来的影响。
第二、挡板的导流与曝气器的曝气的共同作用下，可以使得藻液在***内充分地混合，只在最后的空间单元内设置出气口可以使藻液更加充分地与二氧化碳接触，可以减少二氧化碳的流失并且减轻微藻贴壁和沉淀的现象；藻液的充分混合使得微藻细胞在不断更换处于反应器内的位置，交替处于明暗区域，不仅可以进一步减弱光照分布不均匀带来的不利影响，而且有利于微藻细胞的生长。
第三、本反应器内安装有中空纤维膜组件，尤其是微滤膜组件，可以实现对于微藻的全部拦截，会减少微藻的流失，实现微藻的浓缩培养；曝气器的曝气和挡板的导流的共同作用可以加强对膜组件的冲刷作用，减缓水中污染物质对膜组件的污染，可以提高膜组件的寿命。
第四、圆柱式光源可以采用LED光源，可以设置控制装置，调节其功率以满足微藻在不同生长条件下对光强的要求。
附图说明
图1为本发明所提供的用于微藻培养的光生物反应器的整体图示；
图2是本发明所提供的用于微藻培养的光生物反应器的侧剖图；
图3是本发明所提供的用于微藻培养的光生物反应器的俯视图。
图中：1-反应器主体；2-隔板；3-圆柱式光源；4-螺旋曝气器；5-中空纤维膜组件；6-取样管；7-恒流泵；8-出气口；9-微藻排放口；10-培养液进口；11-第一空间单元；12-第二空间单元；13-第三空间单元；14-第四空间单元。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
一种用于微藻培养的光生物反应器，包括反应器主体1，反应器主体1由透明材料制成，在其顶部设有培养液进口10、出气口8和取样管6，在底部设有微藻排放口9。
四块隔板2将空心圆柱体内空间均匀地分隔为四个空间单元，分别是第一空间单元11、第二空间单元12、第三空间单元13和第四空间单元14，第一块隔板的根部在下隔板(也即是第一块隔板上部过流)，第二块隔板的根部在上隔板(也即是第二块隔板下部过流)，第三块隔板的根部在下隔板(也即是第三块隔板上部过流)，第四块隔板将第一空间单元11和第四空间单元14两者之间彻底分割开。具体地，隔板是在空心圆柱体内等间距布置地四块立式隔板，隔板将空心圆柱体内空间均匀地分隔为四个空间单元，第一空间单元11与第二空间单元12的隔板的根部与反应器底板相连接，上端与反应器的顶板之间留有间隙；第二块隔板的根部与反应器的顶板相连接，隔板的下端与反应器的底板之间留有间隙；第三块隔板与第一块隔板的布置情况相同，第四块隔板将第一空间单元11和第四空间单元14两者之间彻底分割开。当然在其他的实施例中，隔板也可以均固定至容器的内侧壁上。
圆柱式光源3是LED光源，放置于空心圆柱体的中心处，使反应器内光照分布更均匀；当然，在其他的实施例中，也可以将圆柱式光源3整体密封好，直接放置于反应器的中央处，且均落在本发明的保护范围内。
各空间单元底部安装由螺旋曝气器4，螺旋曝气器4外接气体质量流量计，可由此控制进入反应器内的气体流量，气体流量根据培养液成分确定。微藻培养液通过培养液进口10进入反应器主体的第一空间单元11内，在隔板2导流以及螺旋曝气器4曝气的共同作用下，逐次经过第二空间单元12、第三空间单元13和第四空间单元14，使得微藻细胞在反应器内保持悬浮生长状态并且不断变换所处位置，更利于微藻细胞的生长并且可以有效防止培养过程中微藻贴壁污染，减少清洗压力。
曝气装置包括设置在反应器主体底部的螺旋曝气器和设置于生物反应器外面的空压机；螺旋曝气器和空压机通过硅胶管连接；螺旋曝气器产生的微小气泡对混合液起到搅拌作用，保持微藻细胞的悬浮，并为其生长提供所需的碳源。产生的气体由设置于反应器主体外壳顶部侧面的出气口排出。反应器中经由安装于第四空间单元114内的中空纤维膜组件5实现原位固液分离，过滤后的水由恒流泵7排出。
中空纤维膜组件5为微滤膜，材质是聚丙烯，孔径为0.05-0.2μm将其置于第四空间单元 14内，外接恒流泵7。通过中空纤维膜组件5的过滤作用，可以将微藻细胞完全截留于反应器内，使得反应器内的微藻浓度不断上升。通过取样管6观察反应器内微藻细胞的生长情况，然后由微藻排放口9定期排放高浓度藻液，实现对微藻细胞的收集。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于微藻培养的光生物反应器，其特征在于：所述用于微藻培养的光生物反应器包括反应器主体，所述反应器主体整体呈封闭式，所述反应器主体的中央设有圆柱式光源，所述反应器主体内环绕圆柱式光源依次设有多个空间单元，其中一个空间单元上连通有培养液进口，还有一个空间单元上连通有微藻排放口；所述圆柱式光源形成对空间单元内微藻的垂直照射；相邻空间单元之间设有隔板，相邻两个隔板中一个隔板的上部过流，另外一个隔板的下部过流，设有培养液进口的空间单元与设有微藻排放口的空间单元相邻且经隔板完全隔离；每个空间单元的底部设有曝气器；
设有微藻排放口的空间单元内设有中空纤维膜组件，所述中空纤维膜组件经管道与泵相连通。
2.根据权利要求1所述的用于微藻培养的光生物反应器，其特征在于：所述反应器主体整体为透明材质。
3.根据权利要求1所述的用于微藻培养的光生物反应器，其特征在于：所述曝气器为螺旋曝气器。
4.根据权利要求1所述的用于微藻培养的光生物反应器，其特征在于：设有微藻排放口的空间单元的上部设有出气口。
5.根据权利要求1所述的用于微藻培养的光生物反应器，其特征在于：设有微藻排放口的空间单元的上部设有取样管。
6.根据权利要求1所述的用于微藻培养的光生物反应器，其特征在于：所述泵为恒流泵。
7.根据权利要求1所述的用于微藻培养的光生物反应器，其特征在于：所述培养液进口设置在反应器主体的上部，相对应地，所述培养液进口下游的隔板上部过流。
8.根据权利要求1所述的用于微藻培养的光生物反应器，其特征在于：所述曝气器与气体质量流量计相连接。
9.根据权利要求1所述的用于微藻培养的光生物反应器，其特征在于：所述微藻排放口设置在反应器主体的下部，相应地，所述微藻排放口上游的隔板上部过流。
10.根据权利要求1所述的用于微藻培养的光生物反应器在微藻培养方面的应用，其特征在于：微藻培养液经反应器主体上的培养液进口进入至空间单元内，在隔板导流以及曝气器曝气的共同作用下，逐次经过处于培养液进口下游的空间单元，并使得微藻细胞在反应器主体内始终保持悬浮生长状态且经相邻的两个隔板形成上、下折流形式；
圆柱式光源对各个空间单元内的微藻进行垂直照射；
培养液经中空纤维膜组件过滤后由泵抽出；
经微藻排放口定期排放高浓度藻液，实现对微藻细胞的收集。
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