CN114940941B - 一种立体连续流动式微藻光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种立体连续流动式微藻光生物反应器，包括支架和固定在支架上并沿上下方向依次叠放设置的两个以上光反应单元；每一个光反应单元均具有在水平方向上布置的透明蛇形流道和导光板，导光板位于透明蛇形流道的正下方，导光板的至少一个厚度面贴附LED灯条，导光板的上表面作为光出射面，导光板的下表面及其他厚度面均贴附反光膜；相邻光反应单元中，上方透明蛇形流道的出口通过连接管与下方透明蛇形流道的进口连通；每一个透明蛇形流道内均设置有漂浮式光强检测模块，漂浮式光强检测模块通过柔性绳与蛇形流道壁连接。大大提高了单位占地面积下的微藻生物质产量。

Description

一种立体连续流动式微藻光生物反应器
技术领域
本发明涉及微藻培养技术领域，尤其涉及一种立体连续流动式微藻光生物反应器。
背景技术
近年来，微藻光合固碳及能源化资源化利用技术因具有减排CO2、制备生物燃料、合成高价值生物活性物质等多重效果而成为国内外研究的热点。微藻细胞被认为是一种理想的光驱细胞工厂，在光能的驱动下可将二氧化碳和水通过光合作用高效地转化为碳水化合物。微藻生物质中富含色素、蛋白质、油脂等，可用于制备多元化的藻基化学品，如水产养殖饵料、饲料、生物柴油、化妆品、药品等。
微藻的光自养生长通常在光生物反应器中进行，高效的光生物反应器是获得大量微藻生物质的关键。根据微藻细胞在反应器中运动状态的不同，可将现有的光生物反应器分为悬浮式和固定化生物膜式两种，其中悬浮式微藻光生物反应器是当前最主要的微藻光自养培养装置。光能是微藻光自养生长的能量来源，为了提高微藻光生物反应器的性能，应尽可能的保证反应器内尽可能多的微藻细胞能够接受到充足的光照，然而由于悬浮培养体系内存在严重的光衰减现象，致使反应器内光能分布不均，进而限制了反应器的性能。另一方面，当前适用于微藻培养的光生物反应器具有占地面积大的缺点，导致单位占地面积下的微藻生物质产量较低。
针对上述研究的不足，本发明从优化反应器内光能分布以及提高单位占地面积微藻生物质产量的角度出发，提出一种基于导光板的智能立体连续流动式微藻光生物反应器，实现微藻生物质的高效连续式生产。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术中存在的问题，本发明至少从一定程度上进行解决。为此，本发明的目的在于提出了一种立体连续流动式微藻光生物反应器，大大提高了单位占地面积下的微藻生物质产量。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明提供一种立体连续流动式微藻光生物反应器，包括支架和固定在支架上并沿上下方向依次叠放设置的两个以上光反应单元；
每一个光反应单元均具有在水平方向上布置的透明蛇形流道和导光板，导光板位于透明蛇形流道的正下方，导光板的至少一个厚度面贴附LED灯条，导光板的上表面作为光出射面，导光板的下表面及其他厚度面均贴附反光膜；相邻光反应单元中，上方透明蛇形流道的出口通过连接管与下方透明蛇形流道的进口连通；
每一个透明蛇形流道内均设置有漂浮式光强检测模块，漂浮式光强检测模块通过柔性绳与蛇形流道壁连接，透明蛇形流道内通入微藻细胞悬浮液后，漂浮式光强检测模块漂浮在微藻细胞悬浮液表面，并且漂浮式光强检测模块的光强传感探头紧贴微藻细胞悬浮液表面。
可选地，光反应单元包括顶部开口或封闭的盒体，盒体固定安装在支架的光反应单元安装位上，在盒体的容腔内设置有多个隔板，该多个隔板将盒体的容腔造型为具有唯一流动路径的透明蛇形流道，盒体的底板作为导光板或者盒体的底板紧贴导光板上表面；或者，光反应单元包括透明蛇形管道，透明蛇形管道的内部形成透明蛇形流道，在透明蛇形管道下方设有导光板。
可选地，光生物反应器还包括控制单元，漂浮式光强检测模块与控制单元通讯连接，控制单元与每一个光反应单元的LED灯条电连。
可选地，导光板的每个厚度面均贴附LED灯条，导光板的上表面作为光出射面，导光板的下表面贴附反光膜。
可选地，每一个透明蛇形流道内均设置有pH及无机盐浓度监测模块，pH及无机盐浓度监测模块上集成有曝气器和浓缩培养基加注单元。
可选地，支架具有用于连接相邻光反应单元安装位的连接柱，连接柱的高度可调节设置。
可选地，导光板的内部掺杂有纳米级光散射颗粒。
可选地，在高度方向上相邻的两个光反应单元之间的连接管均包括主管道和多个支管道；相邻的两个光反应单元中，上层光反应单元的透明蛇形流道的出口为沿高度方向依次布置的多个出水孔，每个出水孔均通过支管道与主管道的第一端连通，主管道的第二端与下层光反应单元的透明蛇形流道的进口连通，在每个支管道上均设置有阀门。
可选地，光生物反应器还包括控制单元，阀门为电磁阀，电磁阀与控制单元电连接。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1、通过将两个以上光反应单元沿上下方向排列互相叠放设置，减小光生物反应器的占地面积，提高单位占地面积下的微藻生物质产量。
2、在每一个光反应单元中，通过在导光板的至少一个厚度面贴附LED灯条，将导光板的上表面作为光出射面，将导光板的其他面均贴附反光膜，LED灯条的出射光从导光板的侧端面进入导光板内部之后，能够从导光板的上表面均匀出射，保证位于导光板上方的透明蛇形流道内光能分布均匀，进而有利于反应器内所有的微藻细胞均能接收到充足的光照，同时为每一个光反应单元内微藻细胞的精确生长调节提供基础。
3、随着培养过程的进行，反应器内微藻细胞浓度增加，通过在每一个透明蛇形流道内设置与流道壁柔性连接的漂浮式光强检测模块，该漂浮式光强检测模块由于浮力的作用漂浮在微藻细胞悬浮液表面，并由固定在蛇形流道底面的柔性引线所牵引，柔性引线既可保证漂浮式光强检测模块不被流动的微藻细胞悬浮液带走，又可以保证漂浮式光强检测模块始终漂浮在微藻细胞悬浮液表面，漂浮式光强检测模块能够实时检测导光板出射光经由微藻细胞悬浮液后最终达到悬浮液表面的光照强度，并基于测得的光照强度值实时调节该光反应单元的微藻细胞生长环境，使漂浮式光强检测模块测得的光强等于或略高于藻种的光补偿点，进而保证处在该反应单元内的所有微藻细胞均能接受到高于其光补偿点的光照，微藻细胞的光合作用合成有机物的量大于微藻细胞呼吸作用所消耗的有机物的量，实现反应器内微藻生物质的积累，大大提高光生物反应器的性能。
附图说明
本发明借助于以下附图进行描述：
图1是根据本发明具体实施方式的光生物反应器的立体结构示意图；
图2是根据本发明具体实施方式的光生物反应器的剖面示意图；
图3是根据本发明具体实施方式的最上层光反应单元的立体结构示意图，其中示出了连接管的放大图。
【附图标记说明】
1：支架；
11：光反应单元安装位；12：连接柱；
2：光反应单元；
21：透明蛇形流道；22：导光板；23：LED灯条；24：盒体；25：隔板；26：出水孔；
3：连接管；
31：主管道；32：支管道；33：阀门；
4：漂浮式光强检测模块；
5：柔性绳；
6：pH及无机盐浓度监测模块；
61：曝气器；62：浓缩培养基加注单元。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等方位名词以图1的定向为参照。
本实施例提供一种立体连续流动式微藻光生物反应器。如图1和图2所示，该光生物反应器包括支架1和两个以上光反应单元2，支架1上具有从上至下依次层叠且间隔的两个以上光反应单元安装位11，光反应单元2固定安装在光反应单元安装位11上，两个以上光反应单元2相互叠放设置；每一个光反应单元2均具有在水平方向布置的透明蛇形流道21和导光板22，导光板22位于透明蛇形流道21的正下方，导光板22的至少一个厚度面上贴附LED灯条23，导光板22的上表面作为光出射面，导光板22的下表面及其他厚度面均贴附反光膜。在高度方向上相邻的两个光反应单元2中，上方透明蛇形流道21的出口通过连接管3与下方透明蛇形流道21的进口连通；在每一个透明蛇形流道21内均设置有漂浮式光强检测模块4，漂浮式光强检测模块4通过柔性绳5与蛇形流道内壁或底面连接，透明蛇形流道21内通入微藻细胞悬浮液后，漂浮式光强检测模块4漂浮在微藻细胞悬浮液表面，并且漂浮式光强检测模块4的光强传感探头紧贴微藻细胞悬浮液表面。
本实施例提供的光生物反应器的工作原理如下：溶解有CO2的微藻细胞悬浮液在泵的驱动下进入最上层(即第一层)光反应单元2的透明蛇形流道21内，并沿蛇形流道流动，同时LED灯条23发出的光进入导光板22中，利用导光板实现光传递，并沿导光板22的上表面出射，射入透明蛇形流道21内为微藻的光自养生长提供光照。随后，微藻悬浮液经由连接管3进入第二层光反应单元2，依次往下直至流到最后一层光反应单元2。微藻悬浮液从最后一层光反应单元2流出后进入光生物反应器外部的储液桶，在储液桶内补充溶解二氧化碳、排出溶解的氧气，之后在泵的作用下重新进入第一层光反应单元2，进行下一个循环。
如此设置的光生物反应器，在每一个光反应单元2中，通过在导光板22的至少一个厚度面贴附LED灯条23，将导光板22的上表面作为光出射面，将导光板22的其他面(下表面和其他厚度面)均贴附反光膜，LED灯条23的出射光进入导光板22内部之后，利用这些反光膜将光约束在导光板22内部传导，并能够从导光板22的上表面均匀出射，保证位于导光板22上方的透明蛇形流道21内光能高效被利用和分布均匀，减少逸散，进而有利于反应器内所有的微藻细胞均能接收到充足的光照，同时为每一个光反应单元2内微藻细胞的精确生长调节提供基础。通过将两个以上光反应单元2沿上下方向排列互相叠放设置，减小光生物反应器的占地面积，提高单位占地面积下的微藻生物质产量。
随着培养过程的进行，反应器内微藻细胞浓度增加，通过在每一个透明蛇形流道21内设置与流道壁柔性连接的漂浮式光强检测模块4，该漂浮式光强检测模块4由于浮力的作用漂浮在微藻细胞悬浮液表面，并由固定在蛇形流道底面的柔性绳5所牵引，柔性绳5既可保证漂浮式光强检测模块4不被流动的微藻细胞悬浮液带走，又可以保证漂浮式光强检测模块4始终漂浮在微藻细胞悬浮液表面，漂浮式光强检测模块4能够实时检测导光板22出射光经由微藻细胞悬浮液后最终达到悬浮液表面的光照强度，并基于测得的光照强度值实时调节该光反应单元2的微藻细胞生长环境，LED灯条23的发光功率，使漂浮式光强检测模块测得的光强等于或略高于藻种的光补偿点，进而保证处在该反应单元内的所有微藻细胞均能接受到高于其光补偿点的光照，微藻细胞的光合作用合成有机物的量大于微藻细胞呼吸作用所消耗的有机物的量，实现反应器内微藻生物质的积累，大大提高光生物反应器的性能。
需要说明的是，用于驱动LED灯条23的电能除可使用常规电网的电能之外，也可使用太阳能、风能等可再生能源的电能。值得注意的是，由于透明蛇形流道21的存在，处在透明蛇形流道21边缘流道内的微藻细胞悬浮液既可吸收LED光能，又可直接吸收太阳光进行生长。
进一步地，在本实施例中，支架1具有用于连接在相邻两个光反应单元安装位11的连接柱12，连接柱12的高度可调节设置。如此，实现相邻光反应单元2的间距可调节，方便进一步提高单位占地面积的微藻生物质产量。具体地，连接柱12为可定位的伸缩杆。
优选地，在本实施例中，光反应单元2包括顶部为开口或封闭的盒体24，盒体24固定安装在光反应单元安装位11上，在盒体24的容腔内设置有多个隔板25，该多个隔板25将盒体24的容腔造型为具有唯一流动路径的透明蛇形流道21，盒体24的底板紧贴导光板22的上表面。可选地，盒体24的底板可同时作为导光板22，此种情况下无需再额外设置导光板。
可以想见，为形成透明蛇形流道21，盒体24为透明盒体24，隔板25为透明隔板25；具体地，透明盒体24，透明隔板25可由玻璃、有机玻璃、石英等材质加工而成。
当然，将光反应单元2设置为顶部开口或封闭的盒体24仅仅是优选，可以想见，光反应单元2也可能没有该盒体24的结构，而是直接包括透明蛇形管道，透明蛇形管道的内部形成透明蛇形流道21，导光板22位于透明蛇形管道的正下方，能够实现类似的效果。具体地，透明蛇形管道可由玻璃、有机玻璃、石英等材质加工而成。
优选地，导光板22的内部掺杂有纳米级光散射颗粒。具体地，在本实施例中，导光板22的厚度为4mm，LED灯条23选用与导光板22厚度相匹配的2835LED灯条23。透明盒体24的容腔在隔板25的分隔作用下形成相互平行互通的流道，透明蛇形流道21构造为底部密封，顶部开口的形式。
优选地，光生物反应器还包括控制单元(图中未示出)，漂浮式光强检测模块4与控制单元通讯连接，控制单元与每一个光反应单元2的LED灯条23电连。如此，实现当光强检测模块测得的光反应单元2光强低于微藻的光补偿点时，自动增强光反应单元2的LED灯条23的功率，为蛇形流道内微藻细胞的光自养生长提供更多的光量子通量密度，以使光强检测模块测得的光强等于或略高于藻种的光补偿点。
进一步优选地，在本实施例中，导光板22的每个厚度面均贴附LED灯条23，导光板22的上表面作为光出射面，导光板22的下表面贴附反光膜。如此，提高光反应单元2中LED灯条23的最大功率，扩大LED灯条23的功率调节范围，便于通过控制LED灯条23的功率，调节光反应单元2内微藻细胞的光自养生长环境。
进一步地，在本实施例中，在每一个透明蛇形流道21内均设置有两个漂浮式光强检测模块4，一个漂浮式光强检测模块4靠近透明蛇形流道21的进口设置，另一个漂浮式光强检测模块4靠近透明蛇形流道21的出口设置。通过设置两个漂浮式光强检测模块4对光反应单元2的光强进行检测，提高检测精度。
优选地，在高度方向上相邻的两个光反应单元2之间的连接管3均包括主管道31和多个支管道32；相邻的两个光反应单元2中，上层光反应单元2的透明蛇形流道21的出口为沿高度方向依次布置的多个出水孔26，每个出水孔26均通过支管道32与主管道31的第一端连通，主管道31的第二端与下层光反应单元2的透明蛇形流道21的进口连通，在每个支管道32上均设置有阀门33。
如此，通过控制支管道32上阀门33的开与关，实现了每个透明蛇形流道21内微藻细胞悬浮液的液面深度的可调节，具体来说，对应液体深度较高位置处的出水孔支管道32的阀门33被关闭，而对应液体深度较浅位置处出水孔支管道32的阀门33被打开，进而光生物反应器的透明蛇形流道内的藻液深度降低。借此实现了各层光反应单元2中藻液的深度的调节。通过调节透明蛇形流道21内微藻细胞悬浮液的液面深度，控制微藻细胞对LED光能的消耗，同时光强检测模块4的高度随藻液深度的降低而降低，可以使光强检测模块4测得的光强等于或略高于藻种的光补偿点，进而保证处在光生物反应器内的所有微藻细胞均能接受到高于其光补偿点的光照。
综上，本发明提出的光生物反应器，可通过两种方式(即控制LED灯条23功率和控制支管道32阀门33开关)，对悬浮液表面的光照强度进行调节，调节范围大，大大提升了光生物反应器对微藻悬浮液的循环培养次数。
进一步地，阀门33为电磁阀，电磁阀与控制单元电连接。如此，实现透明蛇形流道21内微藻细胞悬浮液液面深度的自动调节。
优选地，在每一个透明蛇形流道21内均设置有pH及无机盐浓度监测模块6，pH及无机盐浓度监测模块6上集成有曝气器61和浓缩培养基加注单元62。如此，pH及无机盐浓度监测模块6能够实时监测光反应单元2的微藻细胞悬浮液中的pH、硝酸根、磷酸根等无机营养盐的浓度，当微藻细胞悬浮液中的pH、硝酸根、磷酸根等无机营养的浓度不在该藻种最适宜的范围内时，驱动曝气器61工作向微藻细胞悬浮液中通入体积浓度为5％的二氧化碳气体，以及驱动浓缩培养基加注单元62工作向微藻细胞悬浮液中通入浓缩5倍的培养基，直至pH及无机盐浓度监测模块6测量的微藻细胞悬浮液中的pH、硝酸根、磷酸根等无机营养的浓度处在该藻最适的生长范围内。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种立体连续流动式微藻光生物反应器，其特征在于，
包括支架（1）和固定在支架（1）上并沿上下方向依次叠放设置的两个以上光反应单元（2）；
每一个光反应单元（2）均具有在水平方向上布置的透明蛇形流道（21）和导光板（22），导光板（22）位于透明蛇形流道（21）的正下方，导光板（22）的至少一个厚度面贴附LED灯条（23），导光板（22）的上表面作为光出射面，导光板（22）的下表面及其他厚度面均贴附反光膜；相邻光反应单元（2）中，上方透明蛇形流道的出口通过连接管（3）与下方透明蛇形流道的进口连通；
每一个透明蛇形流道（21）内均设置有漂浮式光强检测模块（4），漂浮式光强检测模块（4）通过柔性绳（5）与蛇形流道壁连接，透明蛇形流道（21）内通入微藻细胞悬浮液后，漂浮式光强检测模块（4）漂浮在微藻细胞悬浮液表面，并且漂浮式光强检测模块（4）的光强传感探头紧贴微藻细胞悬浮液表面；
在高度方向上相邻的两个光反应单元（2）之间的连接管（3）均包括主管道（31）和多个支管道（32）；相邻的两个光反应单元（2）中，上层光反应单元（2）的透明蛇形流道（21）的出口为沿高度方向依次布置的多个出水孔（26），每个出水孔（26）均通过支管道（32）与主管道（31）的第一端连通，主管道（31）的第二端与下层光反应单元（2）的透明蛇形流道（21）的进口连通，在每个支管道（32）上均设置有阀门（33）。
2.根据权利要求1所述的立体连续流动式微藻光生物反应器，其特征在于，
光反应单元（2）包括顶部开口或封闭的盒体（24），盒体（24）固定安装在支架的光反应单元安装位（11）上，在盒体（24）的容腔内设置有多个隔板，多个隔板将盒体（24）的容腔造型为具有唯一流动路径的透明蛇形流道（21），盒体（24）的底板作为导光板（22）或者盒体（24）的底板紧贴导光板（22）的上表面；
或者，所述光反应单元（2）包括透明蛇形管道，透明蛇形管道的内部形成透明蛇形流道，在所述透明蛇形管道下方设有导光板（22）。
3.根据权利要求1所述的立体连续流动式微藻光生物反应器，其特征在于，
还包括控制单元，漂浮式光强检测模块（4）与控制单元通讯连接，控制单元与每一个光反应单元（2）的LED灯条（23）电连。
4.根据权利要求1所述的立体连续流动式微藻光生物反应器，其特征在于，
导光板（22）的每个厚度面均贴附LED灯条（23），导光板（22）的上表面作为光出射面，导光板（22）的下表面贴附反光膜。
5.根据权利要求1所述的立体连续流动式微藻光生物反应器，其特征在于，
每一个透明蛇形流道（21）内均设置有pH及无机盐浓度监测模块（6），pH及无机盐浓度监测模块（6）上集成有曝气器（61）和浓缩培养基加注单元（62）。
6.根据权利要求1所述的立体连续流动式微藻光生物反应器，其特征在于，
支架（1）具有用于连接相邻光反应单元安装位（11）的连接柱（12），连接柱（12）的高度可调节设置。
7.根据权利要求1所述的立体连续流动式微藻光生物反应器，其特征在于，
导光板（22）的内部掺杂有纳米级光散射颗粒。
8.根据权利要求1所述的立体连续流动式微藻光生物反应器，其特征在于，
还包括控制单元，阀门（33）为电磁阀，电磁阀与控制单元电连接。
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