CN102086437B - 薄膜挂袋式单胞藻光生物反应器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄膜挂袋式单胞藻光生物反应器及其制作方法。该反应器包括一个底部带有倒圆锥状的气升部的中空透明柱状体，该柱状体的顶端封闭且设有悬挂结构，气升部底端接有充气管，柱状体的外侧面自上而下依次设有料液进入管和藻液排出管，且气升部和藻液排出管之间为生长部，位于料液进入管和藻液排出管之间为缓冲部。制作时可将筒状薄膜的下端制成倒圆锥状的气升部，将顶端封闭，并在筒状薄膜的侧面依次接入充气管、料液进入管和藻液排出管即可。本发明具有投资少、成功率高、安装方便等优点，在功能性和生产性能以及成本和操作方面取得了平衡，既可进行小量大面积培养，也可实现生产性培养。

Description

薄膜挂袋式单胞藻光生物反应器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光生物反应器及其制作方法，具体涉及一种薄膜挂袋式单胞藻光生物反应器及其制作方法，适用于生产上作为培养单胞藻的封闭式反应器。

背景技术

在单胞藻的三级生产性培养阶段，有开放式培养和封闭式培养两种方式。开放式培养又包括传统开放池培养和开放式跑道池培养两种方式。传统开放池主要有玻璃钢水槽、土池、水泥池等；开放式跑道池即指目前生产上流行的Oswald设计的跑道池反应器(Race-wayPhotobioreactor)。封闭式培养的光生物反应器又包括板式和管式等种类，但目前都只是停留在小试或中试阶段，尚未有正式应用于生产的报道。

上述已有技术存在的问题和不足在于，开放式培养过程中培养条件难以控制，温度、光照强度不稳定，水分容易蒸发。对需培养的藻种要求高，适合培养的藻种不多。培养时容易受到污染，难以保证单胞藻培养的纯度、质量和卫生要求，无法实现高密度培养。在开放式培养系统中，机械搅拌还会对单胞藻产生剪切作用使藻体断裂。封闭式培养装置过于复杂，成本和适用性问题一直成为制约单胞藻培养向生产性培养转变的“瓶颈”。

出现以上问题和不足的原因在于，开放式培养因为与外界环境接触较多，易受外界温度、空气、光照强度及光照周期变化的影响。培养环境的不稳定给待培养的藻种提出了较高的要求。外界灰尘、昆虫、细菌、原生动物及其他藻种的影响，而容易受到污染。在开放式系统中，单胞藻在水体中分布不均匀，也容易沉淀，不能充分利用阳光和进行气体交换，必须进行机械搅拌。本领域现有的平板式、管式光生物反应器过于复杂，且在培养单胞藻时不具备便捷、简单、有效、成本低的特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种薄膜挂袋式单胞藻光生物反应器及其制作方法，以克服现有技术的不足。

薄膜挂袋式单胞藻光生物反应器，包括一个底部带有倒圆锥状的气升部的中空透明柱状体，该柱状体的顶端封闭且设有悬挂结构，所述的气升部底端接有充气管，所述的柱状体的外侧面自上而下依次设有料液进入管和藻液排出管，且气升部和藻液排出管之间为单胞藻生长部，位于料液进入管和藻液排出管之间为缓冲部。

考虑到加入液体时便于确定单胞藻和营养盐的合适比例，在单胞藻生长部的外侧面，从下往上依次在1/3、1/2、2/3处，以及藻液排出管和单胞藻生长部的连接处分别设有环状或弧状的标志线。

考虑到单胞藻在反应器中的均匀分布，使单胞藻在反应器中能充分与二氧化碳和氧气和营养盐充分接触，单胞藻在反应器中的分布没有死角，气升部设计成倒圆锥形状。同时，考虑到鼓气的特点和结构的整体效果，气升部的高度是单胞藻生长部高度的1/10～1/5。

考虑到便于通过料液进入管加注料液，防止培养液倒流入料液进入管，同时便于藻液排出管排出成熟的单胞藻，而且能在反应进行过程中，起到缓冲二氧化碳的作用，料液进入管和藻液排出管需保持适当距离，二者之间为缓冲部，缓冲部的高度是单胞藻生长部高度的1/5～1/3。

为了确保单胞藻在生长时得到足够的阳光，本发明采用透光率在75％以上的塑料薄膜制作，该透光率在75％以上的塑料薄膜可以是低密度聚乙烯。

考虑到较好地固定光生物反应器的主体结构，并使之能脱离地面，防止反应器受到破损，柱状体的顶端设有悬挂结构。所述的悬挂结构可以是挂钩或吊环。

制作本发明时，首先，选高度在1～2m之间、直径在100～500mm之间且上下端开放的薄膜筒状体，在该筒状体的下端口上标注两个相互对称的下标记点，在两个下标记点以上0.5～1.5个直径高度的外侧面上标注两个上标记点，在两个下标记点连线两侧的下端口上标注两个相互对称的弧线段；将一个弧线段的两个端点与另一个弧线段的端点分别对接而形成周长与充气管相吻合的开口；沿着弧线段对接后的端点与该端点一侧的上标记点将筒状体的外侧面热封在一起，即形成了倒圆锥状的气升部；将充气管与上述开口固接在一起；再依次将藻液排出管和料液进入管道入气升部上方的筒状体外侧面上；最后将筒状体的上端口封闭即可。

本发明具有投资少、成功率高、安装方便、操作简单、占地面积小、设备灵活便于移动、规模可以随生产需要随意控制、操作简单等优点，既可进行小量大面积培养，也可实现生产性培养。尤其是本发明可以使用可降解的低密度聚乙烯为材料，作一次性使用，因而减少了培养过程中清理和维护的费用，极大地降低了成本。本发明在设计制作过程中充分考虑到了单胞藻的培养和生长中的具体特性，着重在单胞藻规模化生产上提高生产效率，简化了许多次要结构，而只保留下对单胞藻的培养和生长最不可或缺的部件，同时考虑大批量生产时面临的成本和空间问题，兼顾了降低反应器自身的制作成本、简化反应器的操作，以及提高单胞藻的生产效率等一系列因素。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明以筒状薄膜制作气升部的示意图。

图3是本发明以筒状薄膜制成气升部之后的示意图。

其中，1、气升部，2、柱状体，3、悬挂结构，4、充气管，5、料液进入管，6、藻液排出管，7、单胞藻生长部，8、缓冲部，9、标志线，10、单胞藻，11、上标记点，12、下标记点，13、弧线段。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括一个底部带有倒圆锥状的气升部1的中空透明柱状体2，该柱状体2的顶端设有悬挂结构3，所述的气升部1底端接有充气管4，所述的柱状体2的外侧面自上而下依次设有料液进入管5和藻液排出管6，且气升部1和藻液排出管6之间为单胞藻生长部7，位于料液进入管5和藻液排出管6之间为缓冲部8。

上述单胞藻生长部7的外侧面，从下往上依次在1/3、1/2、2/3，以及藻液排出管6和单胞藻生长部7的连接处分别设有环状或弧状的标志线9。进行单胞藻的连续培养时，便于在单胞藻生长部1/3处时以单胞藻藻种的比例较高；从1/3～1/2处单胞藻的浓度适当降低，营养盐的浓度相应加大；从2/3处到藻液排出管6和单胞藻生长部7的连接处，以补充营养盐为主，因为此时是单胞藻利用光合作用进行分裂生殖为主。

考虑到单胞藻在反应器中的均匀分布，使单胞藻在反应器中能充分与二氧化碳和氧气和营养盐充分接触，单胞藻在反应器中的分布没有死角，气升部1设计成倒圆锥形状。同时，考虑到鼓气的特点和结构的整体效果，气升部1的高度是单胞藻生长部高度的1/10～1/5。

考虑到便于通过料液进入管5加注料液，防止培养液倒流入料液进入管5，同时便于藻液排出管6排出成熟的单胞藻，而且能在反应进行过程中，起到缓冲二氧化碳的作用，位于料液进入管5和藻液排出管6之间为缓冲部，且缓冲部8的高度是单胞藻生长部7高度的1/5～1/3。

该反应器可以采用透光率在75％以上的材料制作而成，如低密度聚乙烯。

考虑到单胞藻能在充足的二氧化碳和氧气的环境下在溶液中均匀分布，有效地进行光合作用与呼吸，从气升部底部以气升式鼓气的方法往上充入二氧化碳与空气的混合气。

本发明所述的薄膜挂袋式单胞藻光生物反应器的一种制作方法，包括以下步骤：

如图2、3所示，首先，选高度在1～2m之间、直径在100～500mm之间且上下端开放的薄膜筒状体，在该筒状体的下端口上标注两个相互对称的下标记点12，在两个下标记点12以上0.5～1.5个直径高度的外侧面上标注两个上标记点11，在两个下标记点12连线两侧的下端口上标注两个相互对称的弧线段13；将一个弧线段13的两个端点与另一个弧线段13的端点分别对接而形成周长与充气管4相吻合的开口；沿着弧线段13对接后的端点与该端点一侧的上标记点11将筒状体的外侧面热封在一起，即形成了倒圆锥状的气升部1；将充气管4与上述开口固接在一起；再依次将藻液排出管6和料液进入管5通入气升部1上方的筒状体外侧面上；最后将筒状体的上端口封闭即可。

上述的将充气管4与开口固接在一起，以及将藻液排出管6和料液进入管5通入筒状体外侧面上，均可以采用热封的方式；为了简单起见，上端口可以捏合在一起而封闭。如图3所示，由于上端口已封闭，所以使用时可以将筒状体的上段作为悬挂结构3以打结的方式绑固在培养挂架上，从而省去了挂钩、吊环之类的悬挂结构。

另外，还可以采用其他制作方式，如分段制作气升部1、柱状体2，然后将各个部分热封在一起。

本发明可以选择不同的材料制作，通常采用可降解的低密度聚乙烯为材料制作的可以作为一次性反应器。

实施例1：以低密度聚乙烯为材料。

整个反应器采用透光率在75％以上的低密度聚乙烯材料采用上述方法制作而成。所述的柱状体2内径150mm，高度1200mm，其中单胞藻生长部7高度900mm，缓冲部8高度300mm，倒圆锥形的气升部1底面半径150mm，高度90mm，且缓冲部8顶端封闭。悬挂结构纵向尺寸600mm，内径150mm。因低密度聚乙烯具有良好的韧性，所述的悬挂结构3可以是柱状体2顶部的延伸，即把长出所需1200mm高度的部分打结即可用于悬挂。

在气升部1的倒圆锥形顶端设有充气管4，充气管4与气升部1无缝隙连接；从下而上在单胞藻生长部7的1/3、1/2、2/3处、以及藻液排出管6和单胞藻生长部7的连接处分别标有环状或弧状的标志线9。在柱状体2的外侧面自上而下依次设有料液进入管5和藻液排出管6，均与柱状体2外侧面无缝隙连接。

在外界自然光或者人工光源的照射下，单胞藻生长时，通过气升部底端充气管不断充入含有CO₂和空气的混合气体，为单胞藻的生长提供气升式搅拌，使单胞藻、营养盐和气体达到三相平衡，利于单胞藻的生长。之后，生长成熟的单胞藻会随着气升式搅拌和营养盐的不断加入，通过藻液排出管进入收集系统。连续加注培养液和藻种、气升部不断充入CO₂和空气的混合气体进行气升搅拌、藻液排出管不断将成熟的单胞藻排入收集系统，三者形成有机连续的一个系统，可以不断地生产出成熟的单胞藻。这种培养方式，可减少单胞藻死亡、老化和下沉，以及营养盐浓度过大等问题。

Claims (2)

1.一种薄膜挂袋式单胞藻光生物反应器，其特征在于该反应器包括一个底部带有倒圆锥状的气升部(1)的中空透明柱状体(2)，所述的气升部(1)底端接有充气管(4)，该柱状体(2)的顶端封闭，该封闭的顶端是将柱状体(2)的上端口捏合在一起而形成，且封闭的顶端作为悬挂结构(3)，所述的柱状体(2)的外侧面自上而下依次设有料液进入管(5)和藻液排出管(6)，且气升部(1)和藻液排出管(6)之间为单胞藻生长部(7)，位于料液进入管(5)和藻液排出管(6)之间为缓冲部(8)；

在上述单胞藻生长部(7)的外侧面，从下往上依次在1/3、1/2、2/3，以及藻液排出管(6)与单胞藻生长部(7)的连接处分别设有环状或弧状的标志线(9)；

上述气升部(1)、柱状体(2)以及充气管(4)、料液进入管(5)和藻液排出管(6)是透光率在75％以上的塑料薄膜制作而成；

上述气升部(1)的高度是单胞藻生长部(7)高度的1/10～1/5；

上述缓冲部(8)的高度是单胞藻生长部(7)高度的1/5～1/3；

上述透光率在75％以上的塑料薄膜是低密度聚乙烯。

2.权利要求1所述的薄膜挂袋式单胞藻光生物反应器的制作方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

首先，选高度在1～2m之间、直径在100～500mm之间且上下端开放的薄膜筒状体，在该筒状体的下端口上标注两个相互对称的下标记点(12)，在两个下标记点(12)以上0.5～1.5个直径高度的外侧面上标注两个上标记点(11)，在两个下标记点(12)连线两侧的下端口上标注两个相互对称的弧线段(13)；将一个弧线段(13)的两个端点与另一个弧线段(13)的端点分别对接而形成周长与充气管(4)相吻合的开口；沿着弧线段(13)对接后的端点与该端点一侧的上标记点(11)将筒状体的外侧面热封在一起，即形成了倒圆锥状的气升部(1)；将充气管(4)与上述开口固接在一起；再依次将藻液排出管(6)和料液进入管(5)通入气升部(1)上方的筒状体外侧面上；最后将筒状体的上端口封闭即可；

所述的将筒状体的上端口封闭是将上端口捏合在一起而封闭。