CN101597567B - 光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光生物反应器，旨在提供一整套制作简单、拆卸方便、高效率培养微藻的解决方案。该光生物反应器包括缓冲/收集系统、检测装置、反应区域以及气体交换装置，所述缓冲/收集系统为锥形底部的透明圆桶，连接两条管路分别用于循环培养和藻体收集，检测装置从缓冲/收集系统上部接入；所述反应区域由多根圆型透明光反应管构成，气体交换装置接于反应区域内部。该光生物反应器通过蠕动泵实现培养体系的循环，通过气泵和多个气阀调节各个光反应管的通气量，操作简便、传质效率高，十分适于微藻快速大量培养。

Description

光生物反应器
技术领域
本发明涉及光生物反应领域，特别涉及一种微藻培养光生物反应器装置。
背景技术
利用光生物反应器生产微藻是国内外竞相研究的热点，多年来人们尝试过各种设计方案。自上世纪50年代起，人们就开始研究使用封闭式光生物反应器进行微藻培养，50～80年代这一领域的发展非常缓慢，1983年Pirt S.J.等建立了光反应器的设计和操作理论及计算机控制装置，以后在以色列、意大利、西班牙、日本、美国、法国、新加坡、加拿大等国都开展了研究工作。为减少光程以增大单个细胞接受到的光能、充分混合以保证最适光强有效供给、增强气体交换，目前设计使用的封闭式光生物反应器主要包括管式反应器、平板式反应器和柱式反应器等三种基础形式。
管式光生物反应器已经得到了广泛应用。日本的Watanabe和Saiki报道了一种锥体螺旋管式反应器，每天12小时室内照射，可产小球藻(Chlorella sp.)0.68gDW/L/day或21.5gDW/m2/day；巴西阿尔梅里亚的Molina等报道用水平管式反应器室外培养三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)，产量为1.9gDW/L/day或32gDW/m2/day；意大利的Carlozzi报道使用其自己设计的波形管式反应器室外培养钝顶节旋藻(Arthrospiraplatensis)，最高产量可达2.7gDW/L/day；巴西阿尔梅里亚的Hall等报道用圆筒型螺旋管式反应器室外培养三角褐指藻(P.tricornutum)，产量为1.4gDW/L/day；Sanchez等利用平行直管培养三角褐指藻的产量为1.48gDW/L/day；Degen等通过闪光影响，产绿球藻(Chlorella)为0.11gDW/L/day；Richmond和Cheng-Wu优化了光路距离，平均可以获取微拟球藻(Nannochloropsis sp.)0.24gDW/L/day或12.1gDW/m2/day；Grobbelaar和Kurano使用多隔间反应器培养水生集胞藻(Synechocystis aquatilis)，产量高达67.7gDW/m2/day；据Pula报道，2000年在德国沃尔夫斯堡建成一套紧密垂直排布、水平流动的大型管式光生物反应器，玻璃管直径为4厘米，总长50万米，总体积700立方米，占地面积1万平米，年产小球藻干重130～150吨；我国已有1000升的玻璃管道式光生物反应器用于小球藻大规模培养。
管式光生物反应器有一定不足。首先，管式反应器的缓冲储水部分会形成黑暗区域，通常占总容积的10～15％，微藻在该暗区将吸收氧气释放二氧化碳，不再进行光合作用，反而开始呼吸作用，因此微藻生物量往往只能达到理论最大值的85～90％；其次，培养液中会积累高浓度的氧分子，进而抑制光合作用；再次，管式反应器中泵的叶轮会产生剪切力，对微藻细胞构成伤害。
发明内容
本发明是为了克服管式光生物反应器现有技术的不足，提供一整套制作简单、拆卸方便、高效率培养微藻的解决方案。
本发明通过下述技术方案实现：
一种光生物反应器，其特征在于，包括缓冲/收集系统、检测装置、反应区域、气体交换装置，还可设有支撑架，所述缓冲/收集系统为透明圆桶，在缓冲/收集系统侧壁和底部分别延伸出循环管路，所述检测装置通过缓冲/收集系统顶盖浸入缓冲/收集系统内部，所述反应区域为多根透明光反应管，通过蠕动泵与循环管路相连，所述气体交换装置与反应区域相连。
所述缓冲/收集系统的底部为倒圆锥型。
所述缓冲/收集系统的顶盖通过法兰与缓冲/收集系统相接。
所述检测装置包括温度检测器、pH检测器和溶氧检测器。
所述循环管路由缓冲/收集系统侧壁和底部分别延伸并交汇于三通，成一根管路，两根循环管路在三通前各接有阀门。
所述底部延伸的循环管路通过三通继续向下延伸，并接有阀门。
所述管道泵通过一根一进多出接口及流量计连接反应区域的多根光反应管。
所述光反应管的两端封盖均为半球形，通过法兰与光反应管相接。
所述气体交换装置包括气泵和光反应管外部的三通。
所述支撑架包括缓冲/收集系统支撑架和光反应管支撑架，其中光反应管支撑架包括多根不锈钢的带孔竖支架和多根不锈钢的带圆箍横支架。
光反应管可以为单管，也可每两根为一组成U型管状结构，优选为U型管状结构。
支撑架上的横支架用螺栓固定于竖支架上，可随季节变化调节高度，以适应不同光照角度，保证各光反应管中的微藻得到足够光照强度。
本发明具有下述技术效果：
1.本发明的管式光生物反应器通过双管路的缓冲/收集系统实现了培养/收集的连续化，透明的缓冲/收集系统避免了正常光照下形成黑暗区域而导致的呼吸作用，同时有利于观察培养和收集情况。
2.采用的蠕动泵可有效避免剪切力对微藻的伤害。
3.在光反应管前端安有流量计和阀门，调节培养液的流动速率，保证营养分布均匀。
4.光反应管两端的封盖上均有接头，可根据实际情况相互连接，调整水流方向；法兰接口的封盖在必要时可直接拆卸，便于清洗。
5.光反应管支撑架上的横支架由螺栓固定于竖支架的圆孔之间，可随季节变化调节高度，以适应不同光照角度。
6.并联多道管路的设计减少了培养液循环时间，有利于氧气及时排出。
附图说明
图1为本发明实施例光生物反应器的整体结构示意图。
图2为本发明实施例光生物反应器的反应区域结构示意图。
附图标记：1-缓冲/收集系统；2-管路阀门一；3-管路阀门二；4-循环管路；5-蠕动泵；6-温度检测器；7-pH检测器；8-溶氧检测器；9-法兰；10-出口阀门；11-流速控制阀；12-液体流量计；13-三通；14-封盖；15-光反应管；16-法兰；17-一进多出接头；18-竖支架；19-横支架。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明详细说明。
本发明管式光生物反应器的结构主要由缓冲/收集系统、检测装置、反应区域、气体交换装置以及支撑架组成。其中缓冲/收集系统1使用透光性很好的有机玻璃制作，包括半球型桶盖、圆柱型桶身和倒圆锥型桶底，均使用法兰9连接。在桶身侧壁中部和桶底分别延伸出循环管路4，并交汇于三通，成一根管路，连到蠕动泵5。两根循环管路在三通前接有管路阀门2和管路阀门3，底部延伸的循环管路通过三通继续向下延伸，并接有出口阀门10。检测装置包括温度检测器6、pH检测器7和溶氧检测器8。循环管路经一进多出接头17分成五条管路连至光反应管15，每条管路均安有流速控制阀11和液体流量计12，进口前连有三通13用于通气，光反应管通过法兰16连接封盖14。光反应管支撑架包括六根不锈钢的带孔竖支架18和多根不锈钢的带圆箍横支架19。
连续运行时，将配制的培养液由缓冲/收集系统的半球型桶盖顶部注入，关闭管路阀门2和出口阀门10，打开管路阀门3，培养液由缓冲/收集系统底部流出，通过蠕动泵5打至一进多出接头17，分成五条管路进入光反应管15，从左侧一列的五根管流入，从右侧一列的五根管流出，通过相同的一进多出接头汇聚为一条管路，经半球型桶盖顶部返回缓冲/收集系统。使用流速控制阀11和液体流量计12控制五条管路内培养液的流速保持一致，使用气泵将含有二氧化碳的气体，一般为空气，通过三通13打入光反应管，为微藻提供必要的碳源，温度检测器6、pH检测器7和溶氧检测器8的探头从半球型桶盖顶部进入缓冲/收集系统，在线检测温度、pH值和溶氧情况。
准备藻体收集时，关闭管路阀门3，打开管路阀门2，使培养液从缓冲/收集系统侧壁流出，由于藻体密度比较大，会逐渐沉降到缓冲/收集系统的倒圆锥型桶底。当藻体积累到一定量时，暂时停止蠕动泵5，打开出口阀门10，收集藻体。而后关闭管路阀门2和出口阀门10，打开管路阀门3，从缓冲/收集系统顶部补充培养液，打开蠕动泵5实现连续高密度的微藻培养。
光反应管15每两根为一组，共五组，支撑架上的横支架19用螺栓固定于竖支架18上，可随季节变化调节高度，以适应不同光照角度，保证五组光反应管中的微藻得到足够光照强度。

Claims (3)

1.一种光生物反应器，包括：缓冲/收集系统、检测装置、反应区域、气体交换装置，其中缓冲/收集系统使用透光性很好的有机玻璃制作，包括半球型桶盖、圆柱型桶身和倒圆锥型桶底，均使用法兰连接，在桶身侧壁中部和桶底分别延伸出循环管路，并交汇于三通，成一根管路，连到蠕动泵，两根循环管路在三通前接有管路阀门和管路阀门，底部延伸的循环管路通过三通继续向下延伸，并接有出口阀门，检测装置包括温度检测器、pH检测器和溶氧检测器，循环管路经一进多出接头分成五条管路连至光反应管，每条管路均安有流速控制阀和液体流量计，进口前连有三通用于通气，光反应管通过法兰连接封盖。
2.根据权利要求1的光生物反应器，其特征在于，光生物反应器包括支撑架。
3.根据权利要求2的光生物反应器，其特征在于，支撑架包括缓冲/收集系统支撑架和光反应管支撑架，其中光反应管支撑架包括多根竖支架和多根横支架，横支架固定于竖支架上，可随季节变化调节高度，以适应不同光照角度，保证各组光反应管中的微藻得到足够光照强度。
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