CN101942388B - 一种光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光生物反应器，用于工业化微藻养殖，包括：至少两个立柱框架(1)、若干盛放单元(2)和至少两组端部密封器壁(3)；每两个所述立柱框架(1)之间布置有至少两层与自身连接的所述盛放单元(2)；布置在同一层的所述盛放单元(2)依次密封性连接，与布置在该层两端的一组端部密封壁(3)形成用于盛放藻液的盛放容器。上述光生物反应器可以实现多层藻液盛放容器的设置，有效的利用了空间，增加了单位面积的生产率，且制造简单、组装方便、成本低。

Description

一种光生物反应器

技术领域

本发明涉及生物技术领域，尤指一种用于工业化微藻养殖的光生物反应器。

背景技术

传统石化能源消耗是不可持续性的，人类便把眼光投向了生物质能源领域。生物质能源是地球上最普遍的一种可再生能源，它是通过植物光合作用，将太阳能以化学能的形式贮存在生物体内的一种能量形式，被称为绿色能源。但是如果用玉米、高粱等粮食来制作乙醇等生物质能源，将会严重威胁全球的粮食安全。

作为一种重要的可再生资源，藻类具有分布广泛、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。而藻类中的微藻更是遍布全球的浮游植物，它在海洋、淡水湖泊等水域或是潮湿的土壤、树干处等任何有光照且潮湿的地方都能生存。因此，微型藻生物技术的开发，将为人类提供新的能源生产途径。

此外，微藻生物技术的开发也有利于环境保护，藻类植物能捕获空气中的二氧化碳，有助于控制温室气体排放。因此，微藻养殖可与二氧化碳温室气体的处理和减排相结合，据统计，占地1平方公里的养藻场每年可处理5万吨二氧化碳。

目前，微藻的规模化工业生产仍普遍采用开放池式培养系统，这种方式的优点是投入少，操作简便、易于生产，但也存在下列不足之处：(1)易受外界环境影响，难以保持较适宜的温度与光照；(2)容易受到灰尘、昆虫及杂菌的污染，不易保持高质量的单藻培养；(3)开放池中的水分易蒸发；(4)光照面积与培养体积的比率比较低，因此光能及CO2利用率不高，无法实现高密度培养；(5)由于是开放式培养，重金属等有害物质易于在微藻藻体内积累；(6)藻液浓度普遍较低，导致产量低、且收获费用高；(7)占地面积大。上述不足之处造成徽藻生产的高成本、低收益与低效率，因此研制高效、易于控制生产条件的新型光生物反应系统便成为微藻养殖业的发展趋势。

目前，可用于微藻养殖的密闭管道式光生物反应器，其投资和运行的动力消耗是开放池的许多倍。加上溶解氧浓度及过热控制中存在的困难，也成为其推广使用的一个限制因素。而且管道式设计本身导致材料及加工安装成本很高，因此，目前其应用仅限于一些高附加值产品，例如：同位素示踪化学品、医药有关的产品等；而不适合在工业化微藻养殖中使用。

公开号为CN101405385(申请号：200780009753.7)的专利申请中，公开了一种光生物反应器及其用途。这种板式反应器以其较易的优化控制及较高产出而展示了其应用前景，但是由于该板式反应器的包括的很多个单元之间被挡板隔离开来，不具有连通性，需要分单元进行采收，因此当大量养殖时，采收微藻的工作量很大、且操作不方便，也就是说该板式反应器，不适合大规模微藻的养殖、采收，也不适合在工业化微藻养殖中应用。

但本申请发明人发现目前研制的上述板式反应器生产系统，由于其只是单层的容器，对空间的利用率比较低、单位土地面积上微藻的生产率也比较低，且不利于高效利用太阳光能。若一味提高单层容器的高度，则会由于过高的高度，导致过高的水压，对反应器的框架材料、透明材料的强度提出过高的要求，从而也导致制造成本居高不下。

发明内容

本发明实施例提供一种光生物反应器，用于解决目前微藻养殖过程中存在提高空间利用率和单位面积生产率，与容器高度及材料的承受强度之间的矛盾，以及由此导致的制造成本居高不下的问题。

一种光生物反应器，包括：包括：至少两个立柱框架(1)、若干盛放单元(2)和至少两组端部密封器壁(3)；

每两个所述立柱框架(1)之间布置有至少两层与自身连接的所述盛放单元(2)；

布置在同一层的所述盛放单元(2)依次密封性连接，与布置在该层两端的一组端部密封壁(3)形成用于盛放藻液的盛放容器。

本发明的上述光生物反应器，所述立柱框架(1)，具体包括：架体(11)和水平调整装置(12)；

所述水平调节装置(12)由螺栓和螺母组成；通过所述架体(11)的底部横梁两端开设的通孔进行安装，用于对所述光生物反应器的水平度进行调整。

本发明的上述光生物反应器，所述架体(11)，具体包括：底部横梁(111)、两根立柱(112)、至少两根支撑梁(113)和顶部横梁(114)；

所述底部横梁(111)水平布置，所述两根立柱(112)平行布置且与所述底部横梁(111)垂直连接；所述两根立柱(112)的顶端分别与所述顶部横梁(114)的两端连接；

至少两根支撑梁(113)布置在底部横梁(111)与顶部横梁(114)之间，和底部横梁(111)平行布置，且与两根立柱(112)垂直连接，用于支撑所述盛放单元(2)。

本发明的上述光生物反应器，所述盛放单元(2)，包括：底部框架(21)、底面玻璃(22)、两个侧面框架(23)和两块侧面玻璃(24)；

所述底部框架(21)与所述两个侧面框架(23)连接，构成U字形；

所述底面玻璃(22)与所述底部框架(21)粘接；每块所述侧面玻璃(24)与一个所述侧面框架(23)粘接。

本发明的上述光生物反应器，所述底部框架(21)，具体包括：平行布置的两根水平横杆(211)和平行布置的两根水平竖杆212；

所述水平横杆(211)和水平竖杆(212)垂直连接，构成长方形结构。

本发明的上述光生物反应器，所述底部框架，还包括：水平腹杆(213)，设置在两根水平竖杆(212)之间，与水平横杆(211)垂直连接，起横向连接和力学加强作用。

本发明的上述光生物反应器，所述侧面框架(23)，具体包括：平行布置的两根竖梁(231)和横梁(232)；

所述竖梁(231)和横梁(232)垂直连接，构成长方形结构。

本发明的上述光生物反应器，所述底部框架，还包括：腹杆(233)，设置在两根横梁(232)之间，与竖梁(231)垂直连接；或设置在两根竖梁(231)之间，与横梁(232)垂直连接；起横向或竖向连接，以及力学加强作用。

本发明的上述光生物反应器，所述端部密封壁(3)的密封板(31)上设置进出管道(32)和/或取样细管(33)。

本发明的上述光生物反应器，所述两个立柱框架(1)之间设置顶部支撑梁(4)，所述顶部支撑梁(4)的两端分别与两个立柱框架(1)上的的顶部横梁(114)连接，用于加固和支撑。

本发明的上述光生物反应器，布置在两个立柱框架(1)之间的所述盛放单元(2)，与两个立柱框架(1)采用螺纹连接。

本发明的上述光生物反应器，相邻的两个所述盛放单元(2)采用密封胶或密封胶带密封粘接，或采用螺纹连接件(5)固定；和/或

所述盛放单元(2)与所述端部密封壁(3)之间采用密封胶或密封胶带密封粘接，或采用螺纹连接件(5)固定。

本发明实施例提供的光生物反应器，通过至少两个立柱框架(1)、若干盛放单元(2)和至少两组端部密封器壁(3)连接构成；每两个所述立柱框架(1)之间布置有至少两层与自身连接的所述盛放单元(2)；布置在同一层的所述盛放单元(2)依次密封性连接，与布置在该层两端的一组端部密封壁(3)形成用于盛放藻液的盛放容器。上述光生物反应器可以实现多层藻液盛放容器的设置，有效的利用了空间，增加了单位面积的生产率，且制造简单、组装方便、成本低；且每层的微藻盛放容器具有很好的连通性，便于收获车操作收集，因此适用于大规模的工业化微藻养殖。

附图说明

图1为本发明实施例一中双层光生物反应器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一中一个光生物反应器单元的结构示意图；

图3为本发明实施例一中立柱框架的结构示意图；

图4为本发明实施例一中藻液盛放单元的结构示意图；

图5为本发明实施例一中底部框架的结构示意图；

图6为本发明实施例一中侧面框架的结构示意图；

图7为本发明实施例一中端部密封壁的结构示意图；

图8为本发明实施例二中多层光生物反应器的整体结构示意图；

图9为本发明实施例二中一个光生物反应器单元的结构示意图。

具体实施方式

针对现有技术中只有单层容器的光反应器，存在的空间的利用率比较低、单位土地面积上微藻的生产率低等问题，以及提高单层容器的高度，所带来的高度、水压、框架材料、透明材料强度等问题，本发明实施例提供一种可以设置双层或多层容器的光生物反应器。

下面通过具体实施例详细描述具有双层或多层藻液盛放容器的光生物反应器。

实施例一：

本发明实施例一提供的光生物反应器，设置双层的藻液盛放容器，其结构如图1所示；其中，一个光生物反应器单元的结构如图2所示。该光生物反应器包括：至少两个立柱框架1、若干盛放单元2和两组端部密封器壁3。

每两个立柱框架1之间布置有两层盛放单元2，两个立柱框架1与布置在两者之间上、下两层盛放单元2形成一个如图2所示的光生物反应器单元。位于同一层的盛放单元2依次进行密封性连接，且与布置在该层两端的一组端部密封壁也采用密封性连接，形成用于盛放藻液的盛放容器。或者说多个光生物反应器单元连接，具体为每层的多个盛放单元2连接后，在每层的两端分别加上端部密封壁3，形成一个盛放藻液的盛放容器。

立柱框架1的结构如图3所示。包括架体11和水平调整装置12。

立柱框架1上设置的水平调整装置12，由螺栓和螺母组成，参见图2中的部分放大图，主要用于光生物反应器整个结构的水平度进行调整，防止重心倾斜导致整个结构倾斜或倾倒。

立柱框架1包括的架体11可以采用型钢通过焊接或螺纹连接构成。如图3中所示的，包括：底部横梁111、两根立柱112、两根支撑梁113和顶部横梁114等。

较佳的，下部的一根底部横梁111起横向支撑作用，可以采用较宽的一根型钢。两边的两根立柱112平行布置，且与底部横梁111垂直连接。两根立柱112的顶端与顶部横梁114的两端分别连接。顶部横梁114起连接和加固作用，用于承受光生物反应器整体结构垂直方向的重量。

两根支撑梁113，与底部横梁111平行布置，位于底部横梁111和顶部横梁114之间，与两根立柱112垂直连接；用于支撑盛放单元2。较佳的，支撑梁113上开设有用于连接的孔，以便于螺纹连接时使用。

上述仅是以光生物反应器为两层，设置两根支撑梁113为例进行说明的。通常，支撑梁113的数量及间距根据光生物反应器的设计层数和每层的设计高度要求设定。

立柱框架1的底部横梁的两端开有通孔，两个水平调整装置12分别与一个通孔配合。具体为水平调整装置12的螺栓从通孔中穿过，与上边的螺母通过螺纹连接。通过旋转调节整个光生物反应器的水平，防止重心倾斜。

较佳的，底部横梁111、立柱112、支撑梁113和顶部横梁114采用矩形焊接钢管进行焊接，形成立柱框架的架体11。

盛放单元2为U型结构，如图4所示，包括：底部框架21、底面玻璃22、两个侧面框架23和两块侧面玻璃24。其中，底面玻璃22与底部框架21之间、侧面玻璃24与侧面框架23之间采用合适的密封胶、粘结胶或密封胶带密封粘接。

底部框架21，如图5中所示的，包括：水平横杆211和水平竖杆212。

两根水平横杆211平行布置，两根水平竖杆212亦平行布置的；水平横杆211和水平竖杆212垂直连接，构成长方形结构。可以采用型钢，进行焊接或螺纹连接。

较佳的，底部框架21上还可以包括水平腹杆213，位于两根水平竖杆212之间，与水平横杆211垂直连接。水平腹杆213起横向连接和力学加强作用，用于支撑底面玻璃22，减小底面玻璃的应力与应变变形。

其中，两根水平竖杆212上开设有螺纹孔，与立柱框架1的支撑梁113上开设的连接孔配合使用，起到连接底部框架21与立柱框架1的作用，或者说通过底部框架21将立柱框架1和盛放单元2连接起来。

侧面框架23，如图6中所示的，包括：竖梁231和横梁232。

两根竖梁231平行布置，两根横梁232亦平行布置的；竖梁231和横梁232垂直连接，构成长方形或正方形结构。可以采用型钢，进行焊接或螺纹连接。

较佳的，侧面框架23上还可以包括腹杆233，位于两根横梁232之间，与竖梁231垂直连接；或位于两根竖梁231之间，与横梁232垂直连接。腹杆233起横向或竖向连接、以及力学加强作用，用于支撑侧面玻璃24，减小侧面玻璃24的应力与应变变形。

底面玻璃22粘接在侧面框架21上，且位于内侧；侧面玻璃24粘接在侧面框架23，且位于内侧。侧面玻璃24的主要作用是透光，保证微藻生长的需要。且底面玻璃板22、侧面玻璃24与端部密封器壁3密封连接，共同完成对微藻藻液的盛放。

端部密封壁3的结构如图7所示。该端部密封壁采用一个密封板31，该密封板31可以采用玻璃。

较佳的，在该端部密封壁的密封板31上设置进出管道32和/或取样细管33。进出管道32，用于藻液的进出、排放等。取样细管33则用于获取少量藻液样品时使用，通过在盛放单元的不同高度处设置的取样细管33，可以实现对光生物反应器中不同高度位置的藻液进行分别检测。

本发明实施例提供的上述光生物反应器，还包括：顶部支撑梁4，用于连接相邻的连个立柱框架2，起支撑和加固作用。

上述各个构件通过连接构成光生物反应器时，各构件之间的连接方式包括但不限于下列方式：

布置在两个立柱框架1之间的盛放单元2，与两个立柱框架1可以采用螺纹连接；当然也可以采用其他的连接方式。盛放单元2与两个立柱框架1的连接具体可以通过盛放单元2中包括的底部框架21与两个立柱框架1上的支撑梁113进行连接，当采用螺纹连接时，则需要预先开设用于螺纹连接的通孔和螺纹孔。

相邻的两个盛放单元2采用密封胶或密封胶带密封粘接，或采用螺纹连接件(例如：图1中的螺纹连接件5)固定。盛放单元2与端部密封壁3之间采用密封胶或密封胶带密封粘接，或采用螺纹连接件(例如：图1中的螺纹连接件5)固定。相邻的两个盛放单元2的密封性连接，通过对相邻的盛放单元2上包括的侧面玻璃和底面玻璃分别进行密封性连接实现。盛放单元2与端部密封壁3之间的密封性连接，通过对盛放单元2上包括的侧面玻璃、底面玻璃分别端部密封壁3进行密封性连接实现。密封性连接通过采用密封胶、密封胶带等实现。

两个盛放单元2、盛放单元2与端部密封壁3的连接方式可以任意选择，只要保证藻液的盛放，实现对藻液的密封作用，则可以不限于上述方式。

实施例二

本发明实施例二提供的光生物反应器，设置三层的藻液盛放容器，其结构如图8所示；其中，一个光生物反应器单元的结构如图9所示。该光生物反应器包括：至少两个立柱框架1、若干盛放单元2和三组端部密封器壁3。

每两个立柱框架1之间布置有三层盛放单元2，两个立柱框架1与布置在两者之间上、中、下三层盛放单元2形成一个如图9所示的光生物反应器单元。位于同一层的盛放单元2依次密封性连接，且与布置在该层两端的一组端部密封壁3形成用于盛放藻液的盛放容器。或者说多个光生物反应器单元连接，具体为每层的多个盛放单元2连接后，在每层的两端加上分别加上端部密封壁3，形成一个盛放藻液的容器。

本发明实施例而提供的上述光生物反应器，与实施例一中不同的是每两个立柱框架1之间布置有三层盛放单元2，多个光生物反应器单元连接后，形成一个三层的光生物反应器。因此，其包含的立柱框架1也具有三层结构，即与实施例1中的立柱框架1不同的是中间设置有三根支撑梁113。

其盛放单元2的结构与实施例一中的相同，此处不再赘述。

实施例二中的光生物反应器也可以设置顶部支撑梁4。其各个组成构件之间的连接亦可以实施例一中所述的各种连接方式。

一般的，本发明实施例提供的上述光生物反应器，并不限于上述实施例一和实施例二中所述的二层或三层，可以扩展为多层，且每层的盛放容器的长度也不做限定，可以通过增加立柱框架和盛放单元的数量来实现无限的延长。

也就是说：通过数量不等的光生物反应器单元可以组成不同长度的双层或多层光生物反应器。例如：其长度可以为5米、10米、20米、50米、100米等。

本发明优选的是，立柱框架1、底部框架21、侧面框架23采用截面20mm至80mm的矩形(方形)钢管焊接或用螺栓连接，底面玻璃22和侧面玻璃24采用厚度为6mm-12mm的平板玻璃，每个盛放单元2的两个侧面玻璃24之间的间距设置为50-250mm的距离，每个盛放单元2的侧面玻璃24的高度设置为500-2000mm，长度500-2000mm。当然在实际设计和应用中，可以根据场地或其他环境因素灵活设计光生物反应器各个组成构件的大小尺寸。

本发明实施例提供的上述光生物反应器，通过立柱框架和盛放单元的设计和使用，使得光生物反应器可以设置为多层结构。通过多层结构的设置带来了一下有益效果：

用一个立柱框架实现双层或多层光生物反应器(具有很好透光性的玻璃容器)结构，同样的占地面积，可以实现2倍甚至多倍体积的藻液养殖，具有较高光照表面积与体积之比，提高了单位面积生产率。

上述光生物反应器，采用各个构件通过连接组装构成。现场施工简单方便，生产效率高。大部分零部件可以在专业车间里制造和预装，在生产产地只需用螺栓连接和用密封胶密封即可；组装简单、实现方便，可以适用与各种安装场合。

上述光生物反应器，主要材料采用型钢(如：薄壁钢管等)和平板玻璃，材料成本低、且加工工艺简单，适于大批生产制造和安装，大大降低了生产成本。

上述光生物反应器，便于在底部布置曝气管，对曝气压力要求不高，通过调整适当曝气压力和形式，具有较高的气体交换效率。

上述光生物反应器，节省动力消耗。用曝气的方法就可以实现容器内营养液的翻滚流动，无需用泵进行水流循环，采用合适的循环方式，实现了运行动力消耗低、节省了动力消资源，避免了水泵叶片高速旋转对微藻的伤害。

上述光生物反应器，上边具有开口结构，便于清洗。养殖一段时间后如果微藻附着在玻璃内壁上，用玻璃刮很容易就可以进行除掉。

上述光生物反应器，布置在同一层的盛放单元，形成一个具有很好液体连通性的微藻盛放容器，便于收获车在盛放容器中进行操作和收集，因此，该光生物反应器利于微藻收集，适用于大规模的工业化微藻养殖。通过在反应器前端或后端设置不同高度的阀门(进出管道)，利用不同微藻品种的气浮或沉降特性，通过管道方便地将高浓度微藻液放出，节省了收集藻液过滤、浓缩所耗的动力消耗；且通过取样细管的设置，可以很好的监控各不同高度的藻液的情况，包括浓度、含氧量等各个指标的测试等。

也就是说，本发明实施例提供的上述光生物反应器，材料成本低、容易大批量制造、便于现场施工安装，适用于大规模的工业化微藻养殖，使微藻工业化生产成为可能。

且本发明实施例提供的上述光生物反应器满足了微藻光生物反应器系统所需要遵循的：(1)具有较高的光照表面积与体积比；(2)具有较高的气体交换效率；(3)具有适合的循环方式；(4)能够有效地改善光的传播途径、分配和质量；(5)能够有效防止有害代谢产物的积累等五个方面的要求。在尽量降低开发制造、运行成本低的基础上，设计和空间利用率也更为合理。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化、替换或应用到其他类似的装置，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种光生物反应器，其特征在于，包括：至少两个立柱框架（1）、若干盛放单元（2）和至少两组端部密封器壁（3）；

每两个所述立柱框架（1）之间布置有至少两层与自身连接的所述盛放单元（2）；

布置在同一层的所述盛放单元（2）依次密封性连接，与布置在该层两端的一组端部密封器壁（3）形成用于盛放藻液的盛放容器；

所述立柱框架（1），具体包括：架体（11）和水平调整装置（12）；所述水平调节装置（12）由螺栓和螺母组成；通过所述架体（11）的底部横梁两端开设的通孔进行安装，用于对所述光生物反应器的水平度进行调整；

所述两个立柱框架（1）之间设置顶部支撑梁（4），所述顶部支撑梁（4）的两端分别与两个立柱框架（1）上的顶部横梁（114）连接，用于加固和支撑。

2.如权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述架体（11），具体包括：底部横梁（111）、两根立柱（112）、至少两根支撑梁（113）和顶部横梁（114）；

所述底部横梁（111）水平布置，所述两根立柱（112）平行布置且与所述底部横梁（111）垂直连接；所述两根立柱（112）的顶端分别与所述顶部横梁（114）的两端连接；

至少两根支撑梁（113）布置在底部横梁（111）与顶部横梁（114）之间，和底部横梁（111）平行布置，且与两根立柱（112）垂直连接，用于支撑所述盛放单元（2）。

3. 如权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述盛放单元（2），包括：底部框架（21）、底面玻璃（22）、两个侧面框架（23）和两块侧面玻璃（24）；

所述底部框架（21）与所述两个侧面框架（23）连接，构成U字形；

所述底面玻璃（22）与所述底部框架（21）粘接；每块所述侧面玻璃（24）与一个所述侧面框架（23）粘接。

4. 如权利要求3所述的光生物反应器，其特征在于，所述底部框架（21），具体包括：平行布置的两根水平横杆（211）和平行布置的两根水平竖杆（212）；

所述水平横杆（211）和水平竖杆（212）垂直连接，构成长方形结构。

5. 如权利要求4所述的光生物反应器，其特征在于，所述底部框架，还包括：水平腹杆（213），设置在两根水平竖杆（212）之间，与水平横杆（211）垂直连接，起横向连接和力学加强作用。

6. 如权利要求3所述的光生物反应器，其特征在于，所述侧面框架（23），具体包括：平行布置的两根竖梁（231）和横梁（232）；

所述竖梁（231）和横梁（232）垂直连接，构成长方形结构。

7. 如权利要求6所述的光生物反应器，其特征在于，所述底部框架，还包括：腹杆（233），设置在两根横梁（232）之间，与竖梁（231）垂直连接；或设置在两根竖梁（231）之间，与横梁（232）垂直连接；起横向或竖向连接，以及力学加强作用。

8. 如权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述端部密封器壁（3）的密封板（31）上设置进出管道（32）和/或取样细管（33）。

9. 如权利要求1-8任一所述的光生物反应器，其特征在于，布置在两个立柱框架（1）之间的所述盛放单元（2），与两个立柱框架（1）采用螺纹连接。

10. 如权利要求9所述的光生物反应器，其特征在于，相邻的两个所述盛放单元（2）采用密封胶或密封胶带密封粘接，或采用螺纹连接件（5）固定；和/或

所述盛放单元（2）与所述端部密封器壁（3）之间采用密封胶或密封胶带密封粘接，或采用螺纹连接件（5）固定。

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