CN101654653B - 一种系统化培养微藻的光生物反应器 - Google Patents

一种系统化培养微藻的光生物反应器 Download PDF

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Abstract

本发明是一种系统化培养微藻的光生物反应器。它包含并联平行管道组、控制阀、pH值传感器、温度传感器、光照传感器、水雾喷淋器、液位报警器、管道泵、进气管、排气管、进料管、卸料管、培养基管、微孔管道、贮液罐、冷热交换器、控制台、支架、照明设施等。本发明将管道组、阀门有效闭合连接在一起，解决了微藻培养过程中体积增大的同时比表面积也可增大，占地面积小，有效利用立体空间，气体交换更充分，利用率增加，在培养过程中温度、pH值、培养基浓度、光照强度等参数能实时调控，给微藻生长代谢提供最佳适宜条件，能有效缩短养殖时间，避免外界敌害生物的危害，降低生产成本，该反应器可用于连续或半连续微藻细胞培养，生产微藻蛋白、生物柴油或水产饵料等产品。

Description

一种系统化培养微藻的光生物反应器
技术领域
本发明涉及微藻生物工程技术领域，具体地说是一种系统化培养微藻的光生物反应器。
背景技术
微藻作为一种重要的可再生资源，具有分布广泛、生物量大、光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短、产量高等突出特点。微藻的进一步开发利用，将提供新的资源，如微藻蛋白、生物柴油或水产饵料等。
但是，自然界中的微藻资源分布广，种类多。微藻资源的开发，需要单种化、系统化进行。目前，微藻资源开发主要采用光生物反应器进行。
光生物反应器有：圆柱状光生物反应器、长方体光生物反应器、立方体光生物反应器、球冠体光生物反应器、球体光生物反应器、螺旋管道光生物反应器、平行管道光生物反应器、跑道式光生物反应器等。但是，由于这些反应器的规模小、体积有限，比表面积小，占地面积广，气体交换不充分，利用率低，在培养过程中温度、pH值、溶解氧、培养基浓度、光照强度等参数难以实时调控，不能给微藻生长代谢提供适宜条件。
因此，在保障有效增大反应器体积的前提下，如何控制表面积、透光率、气体解析、温度、光强度、pH值、溶解氧、培养基浓度，如何提高生物量，提高培养效率，成为微藻生物工程技术的核心技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种系统化培养微藻的光生物反应器，能够解决培养过程中比表面积、透光率、气体解析、温度、光强度、pH值、溶解氧、培养基浓度等关键的技术问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：系统化培养微藻的光生物反应器由管道组、阀门、条件控制器、贮液罐和控制台构成；管道组包括并联平行管道组、进气管、微孔管道、培养基管、排气管；并联平行管道一端与管道泵相连，另一端与贮液罐相连，管道泵与贮液罐进料管相连，在管道泵与贮液罐间连接卸料管，贮液罐内安装盘状微孔管，微孔管在与进气管相连，另一端与过滤空气管道连接；培养基管位于贮液罐进口处；阀门包含进气阀、气体止回阀、紧急开关、出料阀关、取样阀、卸料阀、排污阀；卸料阀位于管道泵后方，在管道泵与并联平行管道间安装排污阀，并联平行管道组的末端设置有排气阀，在并联平行的管道上方安装水雾喷雾阀，在贮液罐的底部与并联平行的管道间安装出料阀和取样阀，在贮液罐进口处安装培养基管阀；条件控制器包含温度传感器、pH值传感器、光照传感器、冷热交换器、管道泵、液位传感器、支架、照明设施；温度传感器、pH值传感器、冷热交换器、液位传感器都安装在贮液罐内，照明设施安装管道组左右两侧，贮液罐位于并联平行管道组的最上方，罐口处设置有培养基管、进气管、气体止回阀；底部中心点设置出料管，取样阀，出料管直接与并联平行管道组最上方管道相连；控制台位于贮液罐下方，作为所有传感器的信号收集与发射的中心。
所述的并联平行管道组至少由两套以上并联平行管道构成。在并联平行管道两端安装紧急开关。并联平行管道表面安装光照传感器，根据光照强弱启动或关闭水雾喷淋器、光照设备，给微藻提供适宜光强度。
贮液罐内通入的气体为过滤空气，根据pH值传感器的信号自动调节大小，使pH值维持在规定的范围内。
所述的贮液罐内底部安装的盘状微孔管，进入罐内的气体通过微孔管道，分为直径微小的气泡，小气泡增加气体的表面积和与液体间的溶解度，有效提高气体的利用率。贮液罐内还设置液位报警器，控制整个系统内的容量。
所述的冷热交换器根据贮液罐内温度传感器信号启动或关闭，维持液体温度在规定范围。
所述的反应器的卸料管位于反应器的最底层，管道由开关控制。
所述的管道泵通过变频器来控制液体的流量，既不使微藻细胞沉于管壁，又不会打伤微藻细胞。
本发明与现有技术比较具有以下优点：
1、本发明反应器在运行过程中，培养液体自然向下流淌到管道组后，管道内原液体已被泵抽走，流速自动加快，对管道壁压力减少，管道不易破裂，降低泵的压力，泵体不易发热、烧坏，生产成本得到有效节约。
2、本发明的反应器为两套以上并联平行管道，反应器可以放大到几吨到几百吨，可以有效利用立体空间，减少占地面积，光表面积是其它反应器的10倍以上。
3、本发明的管道设置为相互错位并联平行，管道间无相互遮光现象发生，培养过程中给藻细胞提供充足光源。
4、本发明的反应器在运用过程中藻细胞光合作用消耗空气中的二氧化碳，产生了氧气，一定程度上减少温室效应，保护环境。
5、本发明反应器的温度、光照、pH值等运用传感信号，可以自动调控到最佳的培养条件，降低劳动强度，节约人力资本。
6、本发明的并联平行管道组设置有紧急开关，可以在特殊情况下(如管壁破裂、接头泄露时)通过关闭紧急开关，可以避免上方的反应器组继续泄露。
7、本发明反应器的水雾喷淋装置，既能降温，又能遮光，起到双重作用。
8、本发明反应器可以实现循环消毒，避免死角，消除管壁内气泡，降低污染，提高成功率。
9、本发明摆脱了卸料对管道泵的依赖，利用地球引力，自动卸料，降低成本。
附图说明
图1是本发明的系统化培养微藻的光生物反应器结构示意图。
图中，1-卸料阀；2-排污阀；3-培养基管阀；4-紧急开关；5-取样阀；6-进气阀；7-出料阀；8-排气阀；9-气体止回阀；10-水喷雾阀；11-管道泵；12-并联平行管道组；13-进料管；14-卸料管；15-进气管；16-排气管；17-微孔管；18-培养基管；19-光照传感器；20-贮液罐；21-pH值传感器；22-温度传感器；23-冷热交换器；24-液位传感器；25-控制台；26-支架；27-照明设施。
具体实施方式
本发明的系统化培养微藻的光生物反应器，该反应器为管道组、阀门、条件控制器、贮液罐和控制台构成，管道组包括并联平行管组12、进气管15、微孔管道17、培养基管18、排气管16；并联平行管道12一端与管道泵11相连，另一端与贮液罐20相连，管道泵11与贮液罐20进料管13相连；在管道泵11与贮液罐20间连接卸料管14；贮液罐20内安装盘状微孔管17，微孔管17再与进气管15相连，另一端与过滤空气管道连接；培养基管18和位于贮液罐20进口处。阀门包含进气阀6、气体止回阀9、紧急开关4、出料阀7、取样阀5、卸料阀1、排污阀2；卸料阀1位于管道泵11后方，在管道泵11与并联平行管道12间安装排污阀2，并联平行管道组12的末端设置有排气阀8，在并联平行的管道12上方安装水雾喷雾阀10，在并联平行管道12两端安装紧急开关4，在贮液罐20的底部与并联平行的管道12间安装出料阀7、取样阀5，在贮液罐20进口处安装培养基管阀3。条件控制器包含温度传感器22、pH值传感器21、光照传感器19、冷热交换器23、管道泵11、液位传感器24、照明设施27。温度传感器22、pH值传感器21、冷热交换器23、液位传感器24都安装在贮液罐20内，照明设施27安装管道组12左右两侧；支架26支撑管道组12；控制台25为位于贮液罐20下方，为所有传感器的信号收集与发射的中心。
以上所述的温度传感器22、pH值传感器21、光照传感器19、冷热交换器23、管道泵11、液位传感器24、照明设施27，以及管道泵11、紧急开关4和所有阀门等均为现有技术产品。
例如：5吨系统化培养微藻的光生物反应器，在长40m、宽1m的场地内，按照图1方式设计光生物反应器。
首先在场地上安装管道支架，每两个支架间距为1.5m，支架焊接U型卡槽20对，将透明的并联平行管道(DN63)安装到卡槽内，每5根管道为一个并联单位，管道末端用U型管道连接，首端每5根管道头为一个单位与上方的另5根管道头相互串连，每根管道的首尾安装有紧急开关4；并联平行管道12上方安装光照传感器19和水雾喷淋器10；在管道首端与贮液罐间安装管道泵11、卸料阀1、排污阀2，贮液罐内安装温度传感器22、pH值传感器21、冷热交换器23、微孔管道17、液位报警器24。每5根并联平行管道为一个反应器单元，每个单元工作体积为1.25吨，整个系统分为4个单元，总工作体积为5吨，光表面积为385平方米。
管道反应器安装完毕后，进行彻底消毒处理，消毒方式为传统的化学处理，在经过盐酸、次氯酸钠、高锰酸钾、臭氧等反复进行消毒，最后用消毒过的无菌水将管道反应器冲洗干净。
利用上述反应器系统化培养微藻(以红球藻为代表)的具体过程如下：
(1)分别关闭卸料阀1、排污阀2。然后依次打开培养基阀3、罐体的出料阀7、并联平行管道组两端的紧急开关4，并联平行管道组最上端的排气阀8，将无污染的红球藻培养液经过培养基管道18进入贮液罐20，在进入各并联平行管道组12。
(2)每一组并联平行管道12内培养液达到体积后，管道内空气通过排气阀8排尽；当贮液罐20内的液体体积达规定容积后关闭培养基。
(3)将无污染的藻种通过培养基管自动接入贮液罐20内；接完藻种后用无菌培养基冲洗管道，将藻种管道内残余的藻种藻液充分冲入罐内。
(4)打开变频器，启动管道泵11，并联平行管道组12内培养藻液通过进料管13，进入到贮液罐20内，罐内的培养液通过罐底的出料管自动回补给并联平行管道组12，这样就形成一个循环。
(5)打开进气阀6，把空气通入进气管15，再进入盘状微孔管道17，空气形成微泡后充分溶解在培养液体内，溶解的二氧化碳形成碳酸，并开始调节藻液的pH值，未溶解的二氧化碳与藻细胞光合作用产生的氧气进行交换，促进光合作用；气泡在上升的过程中带动藻液不断流动，发挥搅拌、混匀，使藻细胞获得均匀光线；同时可避免贮液罐20内、并联平行管道12内存在死角，降低光抑制现象和光不足问题的发生，充气量大小通过进气阀6调节。最后解析出的氧气、空气通过贮液罐20顶的气体止回阀9排到大气中。
(6)在培养过程中，若温度过高、光照过强，光照传感器19、温度传感器22发出警报，同时并联平行管道12上方的水雾喷淋阀10会自动打开，进行喷雾降温，减弱光照；若光照过低，并联平行管道旁的光照设施27自动启动，进行补光照。若温度过低，温度传感器22发警报，贮液罐20内的冷热交换器23自动启动，进行加温。
(7)在培养过程中，随着藻细胞密度的增大，培养液的pH会随着升高，到达最高点后，pH值传感器21报警，空气通入量就会增加，更多的二氧化碳就进入藻液调节pH值，使pH值维持在规定的范围内。
(8)在培养过程中，若发生管道破裂、连接点泄漏时，液位传感器24就报警，应立即关闭紧急开关4，避免上方管道内藻液泄漏。
(9)在培养过程中，必须进行跟踪监测藻细胞的形状、大小、颜色、密度、增值速率等参数，用专用取样器，在取样阀5处取样。
(10)经过一段时间的培养后，整个反应器内藻液细胞密度达到收获的密度，即可以进行藻液收获，收获时，停止管道泵11，关闭进气阀6，打开并联平行管道组底部卸料阀1，待管道内藻液流尽后，再用无菌水冲刷残留的藻液，保持整个反应器干净，无污染。
(11)用一定浓度的消毒液浸泡并联平行管道组12、贮液罐20、各个控制参数探头、阀门，开启管道泵11，进行循环消毒，避免管道内死角或气泡的影响。经过一定时间消毒后，全部消毒液打开排污阀2，再用无菌水冲刷残留消毒液，然后可以重新开始下一轮的微藻细胞培养。
实施的结果表明本发明将并联平行管道组和阀门有效闭合连接在一起，解决了比表面积增大、体积几十吨到几百吨，占地面积小，有效利用立体空间，气体交换更充分，利用率增加，在培养过程中温度、pH值、培养基浓度、光照强度等参数能实时调控，给微藻生长代谢提供最佳适宜条件，能有效缩短养殖时间，避免外界敌害生物的危害，降低生产成本，该反应器可用于连续或半连续微藻细胞培养，为开发微藻生物资源提供实际技术支撑，生产微藻蛋白、生物柴油或水产饵料等产品。

Claims (9)

1.一种系统化培养微藻的光生物反应器，其特征在于由管道组、阀门、条件控制器、贮液罐和控制台构成；管道组包括并联平行管道组、进气管、微孔管道、培养基管、排气管；并联平行管道一端与管道泵相连，另一端与贮液罐相连，管道泵与贮液罐进料管相连，在管道泵与贮液罐间连接卸料管，贮液罐内安装盘状微孔管，微孔管再与进气管相连，培养基管位于贮液罐进口处；阀门包含进气阀、气体止回阀、紧急开关、出料阀关、取样阀、卸料阀、排污阀；卸料阀位于管道泵后方，在管道泵与并联平行管道间安装排污阀，并联平行管道组的末端设置有排气阀，在并联平行的管道上方安装水雾喷雾阀，在贮液罐的底部与并联平行的管道间安装出料阀和取样阀，在贮液罐进口处安装培养基管阀；条件控制器包含温度传感器、pH值传感器、光照传感器、冷热交换器、管道泵、液位传感器，温度传感器、pH值传感器、冷热交换器、液位传感器都安装在贮液罐内，并连接到控制台；贮液罐罐口处设置有培养基管、进气管、气体止回阀；底部中心点设置出料管和取样阀，出料管直接与并联平行管道组最上方管道相连。
2.根据权利要求1所述的系统化培养微藻的光生物反应器，其特征在于：并联平行管道组至少由两套以上的并联平行管道构成。
3.根据权利要求1所述的系统化培养微藻的光生物反应器，其特征在于：并联平行管道组两端设置有紧急开关。
4.根据权利要求1所述的系统化培养微藻的光生物反应器，其特征在于贮液罐内通入的气体为过滤空气，根据pH值传感器的信号自动调节大小，使pH值维持在规定的范围内。
5.根据权利要求1所述的系统化培养微藻的光生物反应器，其特征在于：反应器中有卸料管，位于反应器的最底层，管道由阀门控制。
6.根据权利要求1所述的系统化培养微藻的光生物反应器，其特征在于：贮液罐内设置液位报警器，控制整个系统内的容量。
7.根据权利要求1所述的系统化培养微藻的光生物反应器，其特征在于：反应器中还设有照明设施，照明设施安装于并联平行管道组左右两侧。
8.根据权利要求1所述的系统化培养微藻的光生物反应器，其特征在于：控制台位于贮液罐上方，作为所有传感器的信号收集与发射的中心。
9.根据权利要求1所述的系统化培养微藻的光生物反应器，其特征在于：贮液罐位于并联平行管道组的最上方。 
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