CN101709262B - 高密度培养微藻的太阳能分光光合生物反应器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高密度培养微藻的太阳能分光光合生物反应器系统，包括有光生物反应器，还包括太阳能采集器，光导纤维，设置在光生物反应器内的布光装置，分别与光生物反应器连接的残余气体吸收装置和培养液分离回收装置；所述布光装置一端与设置在光生物反应器上的分光光强度调节装置连接，该分光光强度调节装置通过光导纤维连接到太阳能采集器；在所述布光装置的下方、与所述光生物反应器底部之间设有气体分布器，该气体分布器与气体混合装置输出端连接。该系统可以有效提高太阳能的利用率，降低对外部电能的消耗，解决利用太阳能间歇性、不稳定性、收集困难的问题，保证微藻的连续稳定培养。

Description

高密度培养微藻的太阳能分光光合生物反应器系统
技术领域
本发明涉及到微藻培养生物技术领域，尤其是一种采用太阳能光电热互补方式工作的高密度微藻培养光生物反应器系统。
背景技术
随着全球性资源短缺压力的日益增加，开发和利用海洋藻类将是长远解决人类食品和能源来源的重要途径。藻类不仅富含蛋白质、脂肪和碳水化合物这三大类人类所必需的物质，而且还含有各种氨基酸、维生素、抗生素、高不饱和脂肪酸以及其它多种生物活性物质，可以做为食品、药品、生化试剂、精细化工产品、燃料以及其它材料的重要原料来源。随着人类对微藻认识的不断加深，开发和研制新型高效光生物反应器及其在微藻的高密度培养方面的应用研究已成为微藻生物技术的一个重要组成部分。
微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。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。一般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主要有室外直接采光和人造光源采光两种。采用室外采光易受外界环境光照、温度等因素影响，不利于微藻培养过程的控制；采用人造光源，虽然反应器在室内工作，避免了环境因素的影响，但是人造光源消耗大量电能，不利于控制微藻大规模培养生产的成本。
太阳能是地球上最丰富的洁净能源，包括化石燃料在内的地球上的能源均来源于太阳，每年入射到地球表面的太阳能约为5.7x1024J，约为人类所用能源的10000倍，地球每年拦截的太阳辐射能相当于目前全球电力能量的1500倍，但太阳能因其能源密度低，存在间歇性和不稳定性，收集困难等问题，制约了它的大规模利用，另外太阳能的利用需要有效的载体，需要将太阳能转化为一种可以储存、运输和连续输出的能源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效提高太阳能利用率，连续稳定地应用于微藻培养的太阳能分光光合生物反应器系统。
为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种高密度培养微藻的太阳能分光光合生物反应器系统，包括有光生物反应器，还包括太阳能采集器，光导纤维，设置在光生物反应器内的布光装置，分别与光生物反应器连接的残余气体吸收装置和培养液分离回收装置；所述布光装置一端与设置在光生物反应器上的分光光强度调节装置连接，该分光光强度调节装置通过光导纤维连接到太阳能采集器；在所述布光装置的下方、与所述光生物反应器底部之间设有气体分布器，该气体分布器与气体混合装置输出端连接，气体混合装置输入端接入CO2气源、N2气源或压缩空气等气源，可以方便准确地调节气源组分。
气体分布器置于内筒与反应器底部之间，与气体混合装置相连，通过气升环流混合方式使培养液形成循环流动。
所述布光装置包括与光生物反应器同轴设置的双层透明内筒以及设置在该内筒双层间隙中的多根弥散光纤，该弥散光纤顶端与所述分光光强度调节装置连接。布光装置使用光传递效率高的光纤系统，光生物反应器内部布光采用弥散光纤，这种光纤不同于普通光导纤维，在其入射端输入光源时，侧面可以发出连续均匀的光线；将数段弥散光纤沿内筒轴线方向垂直装入内筒双层壁面之间，随内筒置入光生物反应器后，可以在内筒内外、光生物反应器中形成均匀有效的光照条件；这种结构具有较大的光照表面积与体积比，光能传递到微藻的光路较短；在弥散光纤顶部连接光导纤维引入太阳光的同时，将LED光源安装在弥散光纤底端，可利用弥散光纤布光，避免重复布置光生物反应器内的辅助照明系统，有利于简化结构，保证光生物反应器的有效容积，两种光源采用同一布光装置布光，太阳光源与LED辅助光源可独立或同时工作。
还包括有辅助照明系统，该辅助照明系统一端与太阳能采集器连接，另一端与所述布光装置连接。系统设置有辅助照明系统，将太阳能转变为电能储存，能有效改善太阳光照变化和夜晚光照强度不足的情况。
所述辅助照明系统包括有依次连接的太阳能电池板、蓄电池、LED辅助照明装置、LED光源，所述太阳能电池板设置在太阳能集热器上，所述LED辅助照明装置设置在光生物反应器上，该LED光源设置在所述布光装置的底端。
所述太阳能集热器包括有抛物面聚光冷却器，该抛物面聚光冷却器内侧上设有一次抛物面聚光器反射镜，设置在太阳能集热器中轴上的二次聚光器反射镜，在该二次聚光器反射镜上设有太阳能自动跟踪器，所述二次聚光器反射镜与所述光导纤维连接。太阳光经过抛物面反射镜、滤光镜、遮光器的光谱筛选和调节，得到与微藻吸收光谱耦合的光谱带，提高有效光密度，一次抛物面聚光器反射镜的反射膜特性是能反射可见光透射红外光，其背面设置有抛物面聚光冷却器能吸收透射红外光。
还包括有热交换装置，该热交换装置一端与所述抛物面聚光冷却器连接，另一端连接到所述光生物反应器内。
所述热交换装置包括蓄热器、循环泵、换热器，所述抛物面聚光冷却器与所述蓄热器连接，所述换热器设置于光生物反应器内，换热器、循环泵、蓄热器之间构成换热回路。太阳能采集器的一次抛物面聚光器反射镜的反射膜具有反射可见光、透射红外光特性，太阳光通过一次抛物面聚光器反射镜时，反射膜反射可见光，透射红外光，聚光冷却器吸收透射过来的红外光热能，通过管路将该热能导入到蓄热器中，蓄热器与置于光生物反应器内部的换热器通过循环泵强制循环换热，以控制光生物反应器内的温度，并充分利用太阳光不同光谱带的能量。
在所述光生物反应器内还设置有自动检测装置；该自动检测装置能对反应过程中的光强度、PH值、溶解氧含量等工艺参数进行实时监控，为使用者培养微藻提供充分的参考；自动检测装置可以与所述换热器连接，使得热交换装置配合自动检测装置使用，能达到自动控制反应器温度的效果，这样有助于热交换过程的进行。
在所述光生物反应器顶端上设有反应器进料口和排气口，在其底端上设有反应器出料口，所述残余气体吸收装置与所述排气口连接，所述培养液分离回收装置的两端分别与所述反应器进料口和反应器出料口连接；在所述排气口上还设置有限压阀。限压阀的设置能保证反应器内部足够的压力并及时排出反应残余气体。
所述分光光强度调节装置包括可调节滤光镜和可调节光强遮光器。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明装置通过太阳能的采集、分光、传输装置，采用太阳能进行微藻的培养，该系统通过光、电、热不同途径，可以有效提高太阳能的利用率，降低对外部电能的消耗，将太阳光引入室内的封闭式光反应器以代替人造光源，降低封闭式光反应器对于电能的消耗，同时在太阳光照条件不足时利用技术成熟的太阳能光伏电池-LED光源辅助照明，解决利用太阳能间歇性、不稳定性、收集困难的问题，保证微藻的连续稳定培养。
附图说明
图1为本发明系统的整体结构示意图；
图2为本发明太阳能采集器结构示意图；
图3为本发明光生物反应器结构示意图；
图4为本发明LED辅助照明装置与弥散光纤连接示意图；
图5为本发明气体分布器结构示意图；
附图标记说明：1-太阳能采集器，2-光导纤维，3-光生物反应器，31-内筒，4-蓄热器，5-循环泵，6-换热器，7-气体混合装置，8-气体分布器，9-培养液分离回收装置，10-蓄电池，11-太阳能电池板，12-分光光强度调节装置，13-自动检测装置，14-LED辅助照明装置，15-一次抛物面聚光器反射镜，16-抛物面聚光冷却器，17-太阳能自动跟踪器，18-二次聚光器反射镜，19-弥散光纤，20-内筒支架，21-反应器出料口，22-反应器进料口，23-排气口，24-残余气体吸收装置，25-LED光源，26-限压阀，27-曝气头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
请参阅图1到图4所示，一种高密度培养微藻的太阳能分光光合生物反应器系统，包括有光生物反应器3，还包括太阳能采集器1，光导纤维2，设置在光生物反应器3内的布光装置，分别与光生物反应器3连接的残余气体吸收装置24和培养液分离回收装置9；布光装置一端与设置在光生物反应器3上的分光光强度调节装置12连接，该分光光强度调节装置12通过光导纤维2连接到太阳能采集器1；在布光装置的下方、与光生物反应器3底部之间设有气体分布器8，该气体分布器8与气体混合装置7连接。
本实施例中，光生物反应器3为透明的PMMA(聚甲基丙稀酸甲酯，即有机玻璃)筒状罐体(反应器设计为耐压0.2MPa)制成，在光生物反应器3内还同轴设置有双层透明PMMA密封制成的内筒31，内筒31由内筒支架20固定在光生物反应器3中，在内筒31的双层间隙中密封设置有多根弥散光纤19，该内筒31和弥散光纤19即组成布光装置；弥散光纤19顶端与分光光强度调节装置12连接，底端与LED光源25连接。气体分布器8即设置于光生物反应器3底部与内筒31底部之间的空隙中，通过气升环流混合方式使培养液形成循环流动。
还包括有辅助照明系统，该辅助照明系统一端与太阳能采集器1连接，另一端与布光装置连接，辅助照明系统包括有依次连接的太阳能电池板11、蓄电池10、LED辅助照明装置14、LED光源25，太阳能电池板11设置在太阳能集热器1上并与其结合为一体，LED辅助照明装置14设置在光生物反应器3上，该LED光源25设置在布光装置的底端。
上述太阳能集热器1包括有抛物面聚光冷却器16，该抛物面聚光冷却器16内侧上设有一次抛物面聚光器反射镜15，设置在太阳能集热器1中轴上的二次聚光器反射镜18，在该二次聚光器反射镜18上设有太阳能自动跟踪器17，二次聚光器反射镜18与光导纤维2连接。
还包括有热交换装置，该热交换装置一端与抛物面聚光冷却器16连接，另一端连接到光生物反应器3内，热交换装置包括蓄热器4、循环泵5、换热器6，抛物面聚光冷却器16与蓄热器4连接，换热器6设置于光生物反应器3内，换热器6、循环泵5、蓄热器4之间构成换热回路。
在光生物反应器3内还设置有自动检测装置13，该自动检测装置13可以与换热器6连接。
残余气体吸收装置24和培养液分离回收装置9与光生物反应器3的连接通过在光生物反应器3顶端上设有反应器进料口22和排气口23实现，在其底端上设有反应器出料口21，残余气体吸收装置24与排气口23连接，用于吸收光生物反应器3反映产生的残余气体，培养液分离回收装置9的两端分别与反应器进料口22和反应器出料口21连接；在排气口23上还设置有限压阀26。
本光生物反应器系统主要用于微藻的培养，具体操作如下：
实施微藻培养之前，将饱和高温蒸汽通过进料口22通入反应器内部，使用高温蒸汽和高压水对反应器进行冲洗消毒。将预先配置好微藻的培养液，通过反应器进料口22泵入反应器内，接入微藻菌种。在光照条件充足时，太阳能采集器1将采集到的太阳光通过光导纤维2导入分光光强度调节装置12，光束在经过分光光强度调节装置12后得到适合微藻生长的光谱，进入光生物反应器3内，通过密封置入光生物反应器3内筒31间隙的弥散光纤19在光生物反应器3中形成均匀有效的光照条件。太阳能电池板11与太阳能采集器1采用一体化设计，在采集太阳光的同时，采集电能储存于蓄电池10，在光照条件不足时，通过与蓄电池相连的LED辅助照明装置14提供照明，保证反应器中的光照条件。
经过一定的反应时间后，通过反应器出料口21放出富含微藻的培养液，经过培养液分离回收装置9得到微藻，分离得到的培养液再循环进入光生物反应器3重复利用。
请参阅图5所示，气体分布器8采用环形管路，上部均布数个曝气头27与管路相连，置于光生物反应器3底部与布光装置底部之间的空隙中，循环方式为内环流式。这种气升环流混合方式使培养液形成循环流动，获得良好的物料混合和较高的气液传质强度；同时循环形成的剪切力较采用循环泵强制循环方式很低，有效降低对培养微藻结构的破坏作用，适用于较低剪切力耐受性的微藻的培养。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种高密度培养微藻的太阳能分光光合生物反应器系统，包括有光生物反应器(3)，其特征在于：还包括太阳能采集器(1)，光导纤维(2)，设置在光生物反应器(3)内的布光装置，分别与光生物反应器(3)连接的残余气体吸收装置(24)和培养液分离回收装置(9)；
所述布光装置一端与设置在光生物反应器(3)上的分光光强度调节装置(12)连接，该分光光强度调节装置(12)通过光导纤维(2)连接到太阳能采集器(1)；在所述布光装置的下方、与所述光生物反应器(3)底部之间设有气体分布器(8)，该气体分布器(8)与气体混合装置(7)连接；将太阳能转变为电能进行储存、输出的辅助照明系统以及将太阳能转变为热能进行储存、利用的热交换装置，所述辅助照明系统一端与太阳能采集器(1)连接，另一端与所述布光装置连接，所述辅助照明系统包括有依次连接的太阳能电池板(11)、蓄电池(10)、LED辅助照明装置(14)、LED光源(25)，所述太阳能电池板(11)设置在太阳能集热器(1)上，所述LED辅助照明装置(14)设置在光生物反应器(3)上，所述LED光源(25)设置在所述布光装置的底端。
2.如权利要求1所述的高密度培养微藻的太阳能分光光合生物反应器系统，其特征在于：所述布光装置包括与光生物反应器(3)同轴设置的双层透明内筒(31)以及设置在该内筒(31)双层间隙中的多根弥散光纤(19)，该弥散光纤(19)顶端与所述分光光强度调节装置(12)连接。
3.如权利要求1所述的高密度培养微藻的太阳能分光光合生物反应器系统，其特征在于：所述太阳能采集器(1)包括有抛物面聚光冷却器(16)，该抛物面聚光冷却器(16)内侧上设有一次抛物面聚光器反射镜(15)，设置在太阳能采集器(1)中轴上的二次聚光器反射镜(18)，在该二次聚光器反射镜(18)上设有太阳能自动跟踪器(17)，所述二次聚光器反射镜(18)与所述光导纤维(2)连接。
4.如权利要求3所述的高密度培养微藻的太阳能分光光合生物反应器系统，其特征在于：所述热交换装置一端与所述抛物面聚光冷却器(16)连接，另一端连接到所述光生物反应器(3)内。
5.如权利要求4所述的高密度培养微藻的太阳能分光光合生物反应器系统，其特征在于：所述热交换装置包括蓄热器(4)、循环泵(5)、换热器(6)，所述抛物面聚光冷却器(16)与所述蓄热器(4)连接，所述换热器(6)设置于光生物反应器(3)内，换热器(6)、循环泵(5)、蓄热器(4)之间构成换热回路。
6.如权利要求1或2所述的高密度培养微藻的太阳能分光光合生物反应器系统，其特征在于：在所述光生物反应器(3)内还设置有自动检测装置(13)。
7.如权利要求1所述的高密度培养微藻的太阳能分光光合生物反应器系统，其特征在于：在所述光生物反应器(3)顶端上设有反应器进料口(22)和排气口(23)，在其底端上设有反应器出料口(21)，所述残余气体吸收装置(24)与所述排气口(23)连接，所述培养液分离回收装置(9)的两端分别与所述反应器进料口(22)和反应器出料口(21)连接；在所述排气口(23)上还设置有限压阀(26)。
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