CN102296024A - 一种实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，包括倾斜甬道、平板式光生物反应器、液流气升系统、液位控制系统及温度控制系统，倾斜甬道的低位端位于平板式光生物反应器的上方，液流气升系统包括鼓气装置、高位槽和循环管道，高位槽的进液口通过循环管道连接平板式光生物反应器的出液口、高位槽的出液口位于倾斜甬道的高位端上方，鼓气装置的出气口连通循环管道，液位控制系统用于控制平板式光生物反应器中藻液的液位，温度控制系统用于控制平板式光生物反应器中藻液的温度。本发明利用气升力和重力的双重作用进行藻液循环，并充分考虑产油微藻生长及油脂积累的特性，可实现产油微藻低成本高密度培养。

Description

一种实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统

技术领域

本发明涉及光生物反应器，特别涉及一种实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统。

背景技术

随着全球石化能源的日益枯竭和环境问题的逐渐恶化，寻找一种持续可再生、环境友好型的能源形式成为各国科学家关注的焦点。在众多的可再生能源(风能、地热能、水能、太阳能、海洋能中)中，生物柴油以其在能量密度、燃烧性等方面与石化柴油具有极高的相似性，并且具有易降解、不含硫及芳香类化合物、对环境友好等特性，受到世界各国的广泛关注。

生物柴油是指动、植物或微生物油脂经酯化反应后得到的长链脂肪酸烷基单酯。自1988年以来，许多欧美国家已经开始将生物柴油作为石化柴油的替代品加以利用，但由于较高的原材料价格，使得生物柴油的价格远高于传统石化柴油，这成为制约生物柴油产业化发展的主要瓶颈。目前，生产生物柴油的主要原料是大豆、油菜、葵花籽等经济作物。这种以传统农业为基础的生物柴油生产方式，不仅产量低，而且与粮食作物争夺耕地，因此不能满足生物柴油产业对原料持续增长的需求。

微藻是一类以光合自养产生能量的低等植物，是自然界起源最早、分布最广、种类和数量最大的生物质资源。在一定条件下许多微藻能够在细胞中大量积累储藏性三酰甘油(微藻油)，其最高含量可达到细胞干重的50％以上。与高等陆生油料作物相比，微藻具有光合效率高、生长速率快、生长周期短、单位藻细胞油脂含量高和不占用耕地面积等优点。因而，从微藻油的产量和品质上考虑，它应是解决全球能源短缺的重要非粮食原料。

利用微藻生产生物柴油存在诸多技术瓶颈，其中，产油微藻的低成本高密度培养技术是实现其产业化的关键。初期的研究工作发现，某些高产油微藻(Nannochloropsis sp.)在实验室培养时，生物量可以达到8.0g·L^-1以上，但将其进行户外放大培养后，它的生物量却不足1.0g·L^-1，这种产量上的巨大落差，揭示了开发一种可用于产油微藻高密度培养的光生物反应器的必要性。

目前用于微藻培养的光生物反应器主要有敞开式和封闭式两种类型。敞开式光生物反应器具有结构简单、容易放大和成本低等优点，已被成功应用于饵料微藻规模化培养中；封闭式光生物反应器具有不易污染、培养条件易于控制、较高比表面积、光能和CO₂利用率较高等优点，但是，封闭式光生物反应器的投资和操作成本高。国内公开的光生物反应器发明专利中，用于产油微藻培养的仅有以下三项：

其一，申请号为“200820058978.3”，名称为“一种产业化培养微藻的生产装置”(蔡志武)。该培养装置的主体为跑道池式结构(不具备搅拌桨)，其通过鼓气的方式实现藻液的循环，开放池用塑料薄膜完全覆盖，该反应器结合开放式与封闭式光生物反应器各自优点，可实现产油微藻规模化培养。

其二，申请号为“201020129411.8”，名称为“一种富油微藻培养装置”(吴其飞，江苏大学)。该反应器借鉴了厌氧发酵罐的设计理念，其包括罐盖、罐体、气体分布器、夹套、温度控制结构、PLC自动控制系统，光照装置安装在罐体内部。PLC自动控制系统可更加准确地对微藻的生长进行调控(温度、光照和CO₂)，大大缩短了培养周期，加快了微藻的生长速度，提高了生产效率，降低了生产成本。

其三，申请号为“200680039890.0”，名称为“由藻类生产生物柴油的方法、设备和系统”(美国索利克斯生物燃料公司)。所述培养系统包括具有多层(包括阻热层)的塑料袋，其可用于盛装藻类养殖物或调节藻类养殖物的温度。该反应器以低能源消耗稳定了培养系统中的温度，适用于任何藻类(产油微藻、饵料微藻等)的培养。

上述反应器设计时多未考虑产油微藻生长及油脂积累的生物学特性，产油微藻的培养有别于饵料藻，其需要充足的光照和CO₂才能促使油脂的快速积累，故上述光生物反应器难以满足产油微藻高密度培养的需要。

目前，科研机构普遍采用开放式光生物反应器和平板式光生物反应器培养产油微藻，其生产效率普遍较低。最典型、最常用的开放式培养系统是由Oswald(1969)设计的跑道池光生物反应器，该培养系统以自然光为光源，依靠桨轮的转动，使培养液在池内混合、循环，防止藻体沉淀并提高藻体细胞的光能利用率，跑道池光生物反应器具有培养体积大，投资成本低的优点，但跑道池也存在比表面积小、光能和CO₂利用率低、易污染、环境条件(温度、光照、pH等)控制能力差等的诸多缺点，目前仅有少数几种微藻(小球藻、盐藻、螺旋藻等)能够采用跑道池光生物反应器进行培养。平板式光生物反应器的历史最早可追溯到1953年，Burlew利用自行设计的矩形透明容器培养小球藻，为平板反应器的应用奠定了基础。平板反应器培养产油微藻具有诸多优点：比表面积大、光利用率高、结构相对简洁、易清洗、可根据需要设计不同的光径、还可改变反应器角度使之面向光线照射方向、氧的累积浓度低、适合户外培养，其短的光通路及气流强烈湍动，是实现产油微藻高密度培养的有利条件，但其培养体积较跑道池光生物反应器小，相同的培养规模，其生产成本更高。

上世纪六十年代，捷克科学家

设计了一种用于微藻培养的倾斜薄层光生物反应器，该反应器由以下结构组成：两条用于藻液流动的金属甬道、CO₂补充和藻液降温的方形金属槽、循环泵、高位塔和塑料管道等。该反应器系统中，藻液经循环泵泵至高位塔中，高位塔中的藻液通过液流分布器进入倾斜的金属甬道，藻液在重力的作用下回流至方形金属槽，在此处进行CO₂补给和降温，方形金属槽与循环泵连接，完成藻液的循环。该装置用于培养小球藻时，小球藻的生物量可以达到35.0g·L^-1，但该反应器在设计上同样存在许多问题：(1)离心泵会对一些环境敏感藻株(无细胞壁藻株)产生一定损伤，故不能用于此类藻株的培养；(2)研究人员无法通过方形金属槽观察到藻液的循环情况，同时方形金属槽中的藻无法接受光照；(3)方形金属槽体积放大后，严重影响美观且不利于藻液的循环；(4)本系统的作者并未提供可用于更大规模培养的设计模型；(5)该系统无法克服天气对微藻培养的影响；(6)方形金属槽的垂直高度低，不利于CO₂的补给。

目前，企业普遍采用传统的光生物反应器(开放池、平板式、管道式、垂直柱式等)培养产油微藻。由于产油微藻的培养有别于饵料藻，其需要充足的光照和CO₂才能促使油脂的快速积累，而目前的光生物反应器在设计时几乎未考虑产油微藻生长及油脂积累的生物学特性，故难以满足产油微藻高密度培养的需要。具体而言，这些光生物反应器在技术上存在诸多缺点：

(1)利用开放池光生物反应器培养产油微藻，存在下述缺点：光线难以穿透15-30cm的液层，致使培养液下层的藻细胞无法接受充足的光照；另外开放池光生物反应器较难实现对温度的精确控制；藻细胞对CO₂的利用率低；雨季时无法继续培养；藻液循环效率差。

(2)参见前文所述，利用平板式光生物反应器培养产油微藻，同样存在以下缺点：与开放池相比其培养规模相较小；通过缩短光径的方式降低光衰减的影响，会导致培养体积的减少；反应器串联难度大，且投资成本高，限制了它的应用。

(3)管道式光生物反应器在气体的解析技术上存在一定的问题，室外培养时反应器的降温将占用大量的培养成本；管道式光生物反应器多利用隔膜泵实现藻液的循环流动，一些较为敏感的微藻(雨生红球藻等)，将无法进行正常生长；管道式反应器构建成本较高，另外其培养规模也相对较小，不适合产油微藻的低成本高密度培养的需要。

(4)垂直柱式光生物反应器在串联放大技术上存在一定难度，无法满足工业化生产的需要；通过增大光径的方式扩大培养体积，将严重影响反应器内部藻液的照光状况；并且难以将自动清洗装置应用于垂直柱式光生物反应器；藻液的循环和控温同样是该种类型反应器需要解决的问题。

(5)目前公开的组合型光生物反应器，其在设计上同样存在不足，限制了它在规模化生产中的应用。

针对现有光生物反应器存在的上述问题，有必要提出一种可用于产油微藻高密度培养的新型光生物反应器的设计方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统。

为实现解决上述技术问题的目的，本发明提供的技术方案是：一种实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，包括倾斜甬道、平板式光生物反应器、液流气升系统、液位控制系统及温度控制系统，所述倾斜甬道的低位端位于所述平板式光生物反应器的上方，所述液流气升系统包括鼓气装置、高位槽和循环管道，所述高位槽的进液口通过所述循环管道连接所述平板式光生物反应器的出液口、所述高位槽的出液口位于所述倾斜甬道的高位端上方，所述鼓气装置的出气口连通所述循环管道，所述液位控制系统用于控制所述平板式光生物反应器中藻液的液位，所述温度控制系统用于控制所述平板式光生物反应器中藻液的温度。

较优地，所述倾斜甬道的高位端设置有液流分布器，所述高位槽的出液口通过连接管道连接所述液流分布器的进液口。

较优地，所述倾斜甬道的低位端设置有浅凹槽。

较优地，所述平板式光生物反应器通过通气管路接入所述鼓气装置。

较优地，设置有气体混合系统，包括二氧化碳钢瓶和气体混合器，所述气体混合器的一进气口连接入所述二氧化碳钢瓶，另一进气口连接入所述鼓气装置；所述气体混合器的一出气口接入所述通气管路，另一出气口连通所述循环管道的上升管道。

较优地，所述气体混合系统包括两气体流量计，其中一个用于控制空气流量，另一个用于控制二氧化碳流量。

较优地，所述平板式光生物反应器的顶部设置有伸缩板，所述伸缩板通过电机控制伸缩。

较优地，所述液位控制系统包括液位计、中央控制器、电磁阀和补水管路，其中：所述液位计安装在所述平板光生物反应器的内部，用于检测并输出平板光生物反应器中藻液的液位信号；所述中央控制器接收所述液位信号，计算平板光生物反应器中藻液的当前液位并与设定液位比较，根据比较结果输出液位控制指令；所述电磁阀根据所述液位控制指令，开启/关闭所述补水管路，实现系统蒸发水的自动补充。

较优地，所述温度控制系统包括温度探头、中央控制器、电磁阀、冷水机及冷却水管路，其中：所述温度探头安装在所述平板光生物反应器内部，用于检测并输出平板光生物反应器中藻液的温度信号；所述中央控制器接收所述温度信号，计算平板光生物反应器中藻液的当前温度并与设定液位比较，根据比较结果输出温度控制指令；所述电磁阀根据所述温度控制指令，开启/关闭所述冷水机；所述冷却水管路位于所述平板光生物反应器内部，通过所述冷水机加水，实现系统温度的调节。

较优地，包括两相互连接的高位倾斜甬道和低位倾斜甬道，其中：所述高位倾斜甬道的高位端位于一高位槽的下方；所述低位倾斜甬道的低位端位于一平板式生物反应器的上方。

较优地，由多个开放池构成一阶梯型的倾斜甬道，其中：最顶部的开放池位于一高位槽的下方；最底部的开放池位于一平板式生物反应器的上方。

较优地，包括两高位倾斜甬道和一低位倾斜甬道，其中：两高位倾斜甬道的高位端同时位于一高位槽的下方；所述低位倾斜甬道夹设于两高位倾斜甬道之间，且所述低位倾斜甬道的高位端同时位于两高位倾斜甬道的低位端下方，所述低位倾斜甬道的低位端同时位于一平板式生物反应器的上方。

较优地，包括两组倾斜甬道、两高位槽，其中：两组倾斜甬道形成“八”字型结构；两组倾斜甬道的高位端结合部上方设置两高位槽，两组倾斜甬道低位端下方分别设置一平板式光生物反应器。

较优地，包括两组倾斜甬道和两组高位槽，其中：两组倾斜甬道形成倒“八”字型结构；两组倾斜甬道的低位端结合部下方设置一平板式光生物反应器，两组倾斜甬道高位端上方分别设置一组高位槽。

较优地，所述倾斜甬道设置有电动升降装置。

与现有技术相比，本发明结合薄层式开放池与平板式光生物反应器的优势，利用气升力和重力的双重作用进行藻液循环，并充分考虑产油微藻生长及油脂积累的特性，实现产油微藻低成本高密度培养。具体而言，利用本培养系统主要可以取得以下有益的技术效果：(1)解决开放池式光生物反应器控温困难且CO₂的利用率低的问题；(2)利用气升力和重力的双重作用，解决了开放池中藻液循环流动性差的问题和离心力对藻细胞的损伤；(3)可实现环境敏感微藻的高密度培养；(4)克服雨水天气对微藻培养的影响；(5)解决了开放池式光生物反应器光衰减严重的问题；(6)可实现控温培养。

附图说明

图1为本发明实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统示意图，描述了一种耦合式光生物反应器培养系统的工艺流程；

图2为图1中平板式光生物反应器的结构示意图；

图3为图1中液流气升系统的结构示意图；

图4A为图1中液流分布器类型一的示意图；

图4B为图1中液流分布器类型二的示意图；

图5为图1中倾斜甬道的结构示意图，实际上构成了一种开放池光生物反应器；

图6为本发明实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统实施例一的示意图，表示一种薄层单甬道耦合式光生物反应器的结构；

图7为本发明实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统实施例二的示意图，表示一种为阶梯形耦合式光生物反应器的结构；

图8为本发明实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统实施例三的示意图，表示一种为双薄层甬道耦合式光生物反应器的结构；

图9为本发明实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统实施例四的示意图，表示一种多薄层甬道耦合式光生物反应器类型一的结构；

图10为本发明实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统实施例五的示意图，表示一种多薄层甬道耦合式光生物反应器类型二的结构。

具体实施方式

本发明的核心思想是将薄层式开放池、平板式光生物反应器和液流气升系统进行耦合，结合两种不同类型光生物反应器的优势，利用气升力和重力的双重作用进行藻液循环，并充分考虑产油微藻生长及油脂积累的特性，使藻细胞在薄层式开放池中接受更多的光能，在平板式光生物反应器中补充CO₂和降温，增加光合作用效率，实现产油微藻低成本高密度培养。

为实现上述构思的目的，本发明提供以下实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统的优选解决方案，其本质为一种耦合式光生物反应器系统(以下简称培养系统)。该培养系统具体包括：薄层倾斜甬道、平板式光生物反应器(以下简称平板反应器)、高压鼓风机或空气压缩机、藻液循环管道(包括单向阀和截止阀)、液流气升系统、液流分布器、液位控制系统、温度控制系统、气体混合系统、伸缩板等部件，以下对其中的主要部件的结构、功能及工作原理分别进行说明。

薄层倾斜甬道是该培养系统的主体结构，产油微藻细胞在其中接收更多的光能和各种营养成分进行分裂生长，是微藻生物量积累的主要场所。藻液在薄层倾斜甬道中循环流动方式如下：藻液由高位槽进入薄层倾斜甬道中，并在重力的作用下，一级一级地缓缓向下流动，最终流入平板式光生物反应器中。该薄层倾斜甬道中的藻液深度通常小于1cm，薄层倾斜甬道与水平面的倾斜角度为1°-3°，薄层倾斜甬道的长度为5-100m、宽度0.2-1.0m。可供选择的倾斜甬道构建材料有普通玻璃、钢化玻璃、硼硅玻璃、水泥、硬质塑料(亚克力、聚碳酸酯、聚乙烯、PVC等)、农用塑料膜(需支撑架)、不锈钢板、PVC革(需支撑架)、塑钢板(需支撑架)等。

平板式光生物反应器是由若干特定规格大小的透明平板，通过粘合剂粘合而形成封闭的透明容器，其在该耦合培养系统中的作用主要有：(1)平板反应器底部装有若干通气管路，通过鼓气对藻液进行搅拌混合的同时，可实现藻液中二氧化碳的补给；(2)平板反应器内设置有多条循环冷却管路，实现对藻液温度的控制；(3)雨季时，将藻液全部收集在平板反应器中，可利用人工光源继续培养。其中平板式光生物反应器下端通过循环管道与高位槽连接，在气升力的作用下，可将藻液推升至高位槽中。用于制作平板式光生物反应器的透明材料有普通玻璃(0.8-2.0cm)、有机玻璃(亚克力、聚碳酸酯和聚乙烯)、钢化玻璃和硼硅玻璃等。

高压鼓风机或空气压缩机为市售器材，其与循环管道、高位槽组成该耦合培养系统的“液流上升系统”。鼓风机或空气压缩机产生的高压空气，在经过气体混合器与二氧化碳比例混合后，分为两路：一路进入平板式光生物反应器中，用于平板反应器中藻液的搅拌和二氧化碳的补给；另一路进入与高位槽连通的上升管道中，该部分气流产生强大的气升力，带动藻液进入高位槽中。其中，循环管路中装有若干单向阀和截止阀，防止藻液倒流。藻液在循环管路可以充分与二氧化碳气体混合，极大地提高二氧化碳的利用效率。高压鼓风机或空气压缩机的功率，需根据培养规模精确计算，以保证藻液可循环地流动。高位槽为一圆柱形或方形的上端开口的容器，其下端通过管道与平板式光生物反应器连接；高位槽上端侧壁上装有管道，该管道与液流分布器连接。高位槽可用普通玻璃、有机玻璃、钢化玻璃和硼硅玻璃，PVC等材料制作，通气管路则可以选择目前流行的PPR和PVC管材进行构建。

液流分布器为一中空筒型或方管型容器，其主要作用是保证藻液均匀流向薄层倾斜甬道(开放池)，其中每一组薄层倾斜甬道的高位端均安装有液流分布器。可供选择的液流分布器制作材料有不锈钢圆管或方管、有机玻璃、硬质塑料等。

液位控制系统由液位计、中央控制器、电磁阀和补水管路等组成。液位计安装在平板式光生物反应器内部，用于检测培养系统中藻液的蒸发情况，当平板光反应器中藻液的液位低于设定液位时，液位计将输送指令信号至中央控制器；中央控制器判断该信号后，发送控制指令至电磁阀；通过控制电磁阀的关闭与开启，实现培养系统蒸发水的自动补充。

温度控制系统由温度探头、中央控制器、冷水机、电磁阀、冷却水管路等组成。温度探头安装在平板式光生物反应器内部，用于检测培养系统的温度，当温度探头检测到培养系统中的温度高于设定温度时，其将发送指令信号至中央控制器；中央控制器判断该信号后，发送控制指令至电磁阀；电磁阀控制冷水机的开动与关闭，实现培养系统温度的自动控制。

气体混合系统由两个气体流量计和气体混合筒组成，主要用于空气与二氧化碳的比例混合，其中一个流量计用于空气流量的控制，另一流量计用于二氧化碳气流量的控制；气体混合器用于两种气体的混合，其可由不锈钢材料制作而成。

伸缩板安装在平板式光生物反应器上端，通过电机控制其伸缩。当雨季到来时，控制伸缩板将平板式光生物反应器上端遮盖住，防止雨水进入；当雨季过后，打开伸缩板，实现藻液的循环。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1描述了本发明的整套工艺流程，其中1为倾斜甬道，2为高压鼓风机或空气压缩机，3为二氧化碳钢瓶，4为气体混合器，5为三相阀，6为藻液收集器，7为冷水机，8为冷却管路，9为通气管路，10为平板反应器，11为液流分布器，12为单向阀，13为液位计，14为高位槽。其中主要部件结构、功能及原理在前文已有详述，在此不再重复。

在该培养系统中，藻液的流动方向如图1中箭头所示：藻液在气升力的作用下，由管道进入高位槽14中，高位槽14中的藻液在短暂储存后，通过气体分布器11进入薄层倾斜甬道1中，并在重力的作用下沿甬道一级一级地缓缓向下流动，最终汇入平板反应器10中；藻液在平板反应器10中可以进行二氧化碳的补充的和温度的控制，藻液由平板反应器10下端出口进入管道中，在气升力的作用下回流至高位槽14，完成整个循环。当培养结束后，藻液可由藻液收集器6进行收集。

平板反应器如图2所示，其中平板反应器10的接口101通过管道与高位槽14相连接冷却水管8与冷水机7相连接。平板反应器可优选采用外置加固或内拉筋的方式(已另行申请专利)构建。其中用于制作平板反应器的透明材料有普通玻璃、有机玻璃(亚克力、聚碳酸酯和聚乙烯)、钢化玻璃和硼硅玻璃等。

图3为耦合式培养系统的“液流上升系统”，其中管路接口21与高压鼓风机2连接，可实现压缩气体的鼓入。管路接口102与平板式光生物反应器下端接口101相连，将培养系统连接成一个封闭的循环体系。高压鼓风机2产生的高压气体由管路接口21鼓入上升管道22，在气泡快速上升的过程中产生强大的气升力，带动培养液向上运动，实现藻液的循环。

图4A和图4B为两种类型的液流分布器11，其中藻液由液流分布器11上部的连接管路进入，当藻液的高度超过液流分布器“前挡板”的高度时，藻液将平缓地流入倾斜甬道1中。由于液流分布器11的作用是保证倾斜甬道1中的藻液均匀平稳流动，故为此在每一组甬道的高位端均安装有液流分布器11。

图5为倾斜甬道1的结构，其高位端装有液流分布器11，在低位端设置有浅凹槽，保证藻液可以全部流入下一级甬道的高位端。优选地，倾斜甬道1中的藻液深度通常小于5cm，倾斜甬道与水平面的角度为1-3°，倾斜甬道的长度为5-100m，宽度为0.2-1.0m。

在遵循本发明上述专利设计原理的基础上，可以构建多种不同形式的耦合式光生物反应器培养系统，现举例说明如下：

实施例一、单薄层甬道耦合式光生物反应器

参见图6，该模型是本发明最直观的表现形式，其包括两条相互连接的薄层倾斜甬道1(高位薄层甬道和低位薄层甬道)、一组平板反应器10、高压鼓风机2、一个高位槽14、两组液流分布器11、一组液位控制系统、一组温度控制系统、气体混合系统、伸缩板等。薄层倾斜甬道1与水平面的角度为1-3°，长度为5-100m，宽度0.2-1.0m；每条薄层甬道1底部均装有电动升降装置，可以通过控制升降装置，调节薄层倾斜甬道1与水平面的角度。该模型培养规模相对较小，可用于实验室应用基础方面的研究。

实施例二、阶梯形耦合式光生物反应器

参见图7，该模型是本发明的另外一种直观表现形式，其开放池部分为阶梯结构，构成另一种形式的薄层倾斜甬道。藻液由最上层阶梯缓缓流向最底层阶梯，藻细胞在流动的过程中，可接受充足的光照进行生长。阶梯数量可根据培养规模进行设置，该模型仅需一组液流分布器11即可实现藻液的均匀分布。当该系统的培养规模较大时，可以考虑增加前述“液流上升系统”，由此以加速藻液的循环。

实施例三、双薄层甬道耦合式光生物反应器

参见图8，该模型是由图6所示“单甬道耦合式光生物反应器”改进而来，“单薄层甬道耦合式光生物反应器”的培养规模相对较小，当为其增加一条高位甬道后，其培养规模将加倍。图8中，双薄层甬道耦合式光生物反应器有两条高位薄层甬道、一条低位薄层甬道、两个高位槽等，它可以实现藻液的快速循环。

实施例四、多薄层甬道耦合式光生物反应器类型一

前三种类型的耦合式光生物反应器，其培养规模很难继续扩大，针对上述问题，设计出一种可用于产油微藻户外规模化培养的设计模型。该模型由若干倾斜甬道(类似太阳能板)、两组光生物反应器系统、两个高位槽等结构组成，其结构示意图如图9所示。藻液由液流分布器分为两部分，两部分藻液分别从不同方向进入两个平板式光生物反应器中，藻液在此处进行二氧化碳的补充和温度的控制，随后在气升力的作用下进入高位槽，完成藻液的循环。该实施例中，薄层倾斜甬道的数量可根据培养规模进行设置。而为了加快藻液循环速度，高位槽14的数量同样可以增加。

实施例五、多薄层甬道耦合式光生物反应器类型二

参见图10，该模型与图9“多薄层甬道耦合式光生物反应器类型一”相似。不同之处在于，甬道的倾斜方向与图9所示“多薄层甬道耦合式光生物反应器类型一”相反，藻液是由两侧汇集到中心平板反应器中，然后通过管道输送至外围两组平板反应器中，随后在气升力的作用下进入外围两组高位槽中，完成藻液的循环，该模型同样可用于产油微藻户外规模化培养。

上述实施例反应器系统的培养效果已在产油微藻小试规模培养中得到了证实。相对于目前科研机构和企业普遍采用开放池和平板式光生物反应器培养产油微藻，生产效率普遍较低，难以满足产业化需要的诸多缺点，以上实施例的培养系统包括但不仅限于以下优点：(1)实现产油微藻的低成本高密度培养；(2)降低反应器构建成本；(3)实现产油微藻全年连续培养；(3)解决传统光生物反应器无法克服的控温、CO₂高效补给及光衰减等的问题。

综上所述，本发明在综合分析影响产油微藻生长及油脂积累的关键因素的基础上，并结合

的设计模型，提出将薄层式开放池式光生物反应器、平板式光生物反应器和液流气升系统进行耦合，利用两种反应器各自优势，通过气升力和重力的双重作用进行藻液循环、CO₂的高效补充，实现产油微藻低成本高密度培养。

以上仅是本发明的优选实施方式，其关键点是结合开放池与平板式光生物反应器的优势，利用气升力和重力的双重作用，并充分考虑产油微藻生长及油脂积累的特性，实现产油微藻低成本高密度培养。应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，包括倾斜甬道、平板式光生物反应器、液流气升系统、液位控制系统及温度控制系统，所述倾斜甬道的低位端位于所述平板式光生物反应器的上方，所述液流气升系统包括鼓气装置、高位槽和循环管道，所述高位槽的进液口通过所述循环管道连接所述平板式光生物反应器的出液口、所述高位槽的出液口位于所述倾斜甬道的高位端上方，所述鼓气装置的出气口连通所述循环管道，所述液位控制系统用于控制所述平板式光生物反应器中藻液的液位，所述温度控制系统用于控制所述平板式光生物反应器中藻液的温度。

2.如权利要求1所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，所述倾斜甬道的高位端设置有液流分布器，所述高位槽的出液口通过连接管道连接所述液流分布器的进液口。

3.如权利要求1所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，所述倾斜甬道的低位端设置有浅凹槽。

4.如权利要求1所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，所述平板式光生物反应器通过通气管路接入所述鼓气装置。

5.如权利要求4所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，设置有气体混合系统，包括二氧化碳钢瓶和气体混合器，所述气体混合器的一进气口连接入所述二氧化碳钢瓶，另一进气口连接入所述鼓气装置；所述气体混合器的一出气口接入所述通气管路，另一出气口连通所述循环管道的上升管道。

6.如权利要求5所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，所述气体混合系统包括两气体流量计，其中一个用于控制空气流量，另一个用于控制二氧化碳流量。

7.如权利要求1所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，所述平板式光生物反应器的顶部设置有伸缩板，所述伸缩板通过电机控制伸缩。

8.如权利要求1所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，所述液位控制系统包括液位计、中央控制器、电磁阀和补水管路，其中：所述液位计安装在所述平板光生物反应器的内部，用于检测并输出平板光生物反应器中藻液的液位信号；所述中央控制器接收所述液位信号，计算平板光生物反应器中藻液的当前液位并与设定液位比较，根据比较结果输出液位控制指令；所述电磁阀根据所述液位控制指令，开启/关闭所述补水管路，实现系统蒸发水的自动补充。

9.如权利要求1所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，所述温度控制系统包括温度探头、中央控制器、电磁阀、冷水机及冷却水管路，其中：所述温度探头安装在所述平板光生物反应器内部，用于检测并输出平板光生物反应器中藻液的温度信号；所述中央控制器接收所述温度信号，计算平板光生物反应器中藻液的当前温度并与设定液位比较，根据比较结果输出温度控制指令；所述电磁阀根据所述温度控制指令，开启/关闭所述冷水机；所述冷却水管路位于所述平板光生物反应器内部，通过所述冷水机加水，实现系统温度的调节。

10.如权利要求1所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，包括两相互连接的高位倾斜甬道和低位倾斜甬道，其中：所述高位倾斜甬道的高位端位于一高位槽的下方；所述低位倾斜甬道的低位端位于一平板式生物反应器的上方。

11.如权利要求1所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，由多个开放池构成一阶梯型的倾斜甬道，其中：最顶部的开放池位于一高位槽的下方；最底部的开放池位于一平板式生物反应器的上方。

12.如权利要求1所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，包括两高位倾斜甬道和一低位倾斜甬道，其中：两高位倾斜甬道的高位端同时位于一高位槽的下方；所述低位倾斜甬道夹设于两高位倾斜甬道之间，且所述低位倾斜甬道的高位端同时位于两高位倾斜甬道的低位端下方，所述低位倾斜甬道的低位端同时位于一平板式生物反应器的上方。

13.如权利要求1所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，包括两组倾斜甬道、两高位槽，其中：两组倾斜甬道形成“八”字型结构；两组倾斜甬道的高位端结合部上方设置两高位槽，两组倾斜甬道低位端下方分别设置一平板式光生物反应器。

14.如权利要求1所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，包括两组倾斜甬道和两组高位槽，其中：两组倾斜甬道形成倒“八”字型结构；两组倾斜甬道的低位端结合部下方设置一平板式光生物反应器，两组倾斜甬道高位端上方分别设置一组高位槽。

15.如权利要求1～14任一项所述的实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统，其特征在于，所述倾斜甬道设置有电动升降装置。

Images