CN102304462B - 一种实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器，包括主体跑道池、藻液喷淋单元、搅拌系统及藻液循环系统，其中：所述搅拌系统包括电机和搅拌桨，所述搅拌桨置于所述主体跑道池内，使藻液在所述主体跑道池内流动；所述藻液喷淋单元通过金属支撑架固定在所述主体跑道池内，所述藻液喷淋单元包括喷淋器和透明幕墙，所述喷淋器分散流下的藻液，所述透明幕墙防止藻液喷溅并阻止藻液与外界环境接触；所述藻液循环系统连通所述主体跑道池和所述藻液喷淋单元，并驱动藻液在所述主体跑道池和所述藻液喷淋单元之间循环。本发明提供的新型跑道池光生物反应器的设计方案，可用以实现微藻的低成本高密度培养。

Description

一种实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器

技术领域

本发明涉及光生物反应器，特别涉及一种实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器。

背景技术

微藻具有重要的开发利用价值，被广泛应用在生物制药、营养品、保健品、生物肥料、天然食品加工、生物饵料、污水处理和可再生能源生产等方面。随着全球石化能源的日益枯竭和环境的恶化，微藻作为一种潜在的可再生能源生产者，更加受到各国科学家的关注。

目前已实现产业化的微藻种类相对较少，主要有螺旋藻、盐藻、雨生红球藻、柯氏隐甲藻和小球藻等，突破微藻的低成本高密度培养技术，是实现其产业化的关键。微藻可通过类似于微生物发酵的方式，在光生物反应器中进行培养，因此一种高效的光生物反应器是实现微藻规模化培养的关键设备。

用于微藻培养的光生物反应器主要有开放式和封闭式两种类型。封闭式光生物反应器具有不易污染、培养条件易于控制、比表面积高、光能和CO₂利用率较高等优点，但其投资和操作成本大、规模放大困难，限制了它在微藻规模化培养中的广泛应用。敞开式光生物反应器具有结构简单、放大容易和成本低等优点，已普遍应用于微藻的大规模培养中。

最典型的开放式培养系统是由Oswald(1969)设计的跑道池光生物反应器，该反应器以自然光为光源，依靠桨轮的转动，使培养液在池内混合、循环，防止藻细胞沉淀并提高其光能利用率。通常情况下，跑道池光生物反应器是由水泥砌成且内表面光滑的椭圆形浅池。常见的跑道池仅有一条弯道，也有公司为了增加培养体积，将跑道池改为多条弯道，多弯道会减缓跑道池水流动速度，影响藻液的循环。跑道池中培养液的深度一般为15-25cm，池高约40-50cm。池底通常具有一定坡度(100米的跑道池，落差为10厘米)，以方便跑道池的清洗。

跑道池是目前国际上使用最广泛的微藻培养系统，采用跑道池光生物反应器的国外公司有：美国PetroSun公司、美国Aurora BioFuels公司、美国PetroAlgae公司、美国Cyanotech公司、美国Cellana公司、墨西哥BioFields公司、新西兰AquaflowBionomic公司、以色列Seambiotc公司、英国AlgaeVS公司等；国内公司有：荆州虾青素有限公司、洋浦绿地能源科技有限公司、内蒙古金骄集团、云南绿A生物工程有限公司、嘉兴大祺生物能源有限公司、东营大振生物工程有限公司、北海市康源生物工程有限责任公司、福建省神六保健食品有限公司、江门粤健生物工程有限公司、海南迪爱生(DIC)微藻有限公司、云南麟珑微藻养殖有限公司等。

跑道池微藻培养系统虽被研究机构和公司广泛采用，但其生产效率普遍较低，通常情况下，养殖的生物量浓度仅有1.0g·L^-1左右，与高密度培养相距甚远，并且较低的细胞密度会导致采收成本大幅增加。针对传统跑道池光生物反应器的诸多缺点，丛威等的“用于大规模培养微藻的低落差开放池及其使用方法和用途”(中国专利，CN101948740A)对现行跑道池进行改进，将“落差效应”引入反应器设计中，实现微藻的浅层均匀培养，提高了藻细胞密度、降低水体驱动能耗。蔡志武的“一种产业化培养微藻的生产装置”(中国专利，CN201245640Y)，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，作者称可实现产油微藻规模化培养。

上述改进方案虽然在一定程度提高了跑道池光生物反应器的生产效率，但它并未解决影响跑道池光生物反应器生产效率的核心技术问题，如比表面积小、光能和CO₂利用率低、易污染、循环差、环境控制能力差(温度、光照、pH)等。本发明专利针对上述技术问题，提出一种新型组合开放式光生物反应器的设计方案，用以实现微藻的低成本高密度培养。

总体上看，目前科研机构和企业所采用的传统跑道池光生物反应器，其在技术上存在诸多缺点：

(1)利用传统跑道池光生物反应器培养微藻时，光线难以穿透15-30cm的液层，特别是随着藻细胞密度的增加，光线的穿透能力变得更弱，致使培养液下层的藻细胞无法接受充足的光照，其生长受到抑制；

(2)传统跑道池光生物反应器较难实现有效控温，高温季节时，利用水冷或风冷的方式冷却藻液，能耗巨大，且存在地区限制(低温海水)，低温季节和雨季难以进行养殖；

(3)传统跑道池光生物反应器在生产过程中，容易污染其他杂藻、细菌、真菌、原生动物或病毒等，严重时会引起养殖失败；

(4)利用传统跑道池光生物反应器进行微藻养殖时，藻细胞对二氧化碳的利用率较低，跑道池属于开放式光生物反应器，微藻可自由吸收空气中的二氧化碳，但空气中二氧化碳的浓度较低(≈0.03％)，难以满足微藻快速生长的需要，二氧化碳成为限制微藻生长的主要因素之一；

(5)跑道池光生物反应器中藻液循环差，藻细胞光暗区转换速度慢，影响微藻的生长。

基于上述缺陷，现有跑道池光生物反应器难以有效实现微藻规模化培养，有必要设计一种新的跑道池光生物反应器方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型跑道池光生物反应器培养系统，用以实现微藻的低成本高密度培养。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，一种实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器，包括主体跑道池、藻液喷淋单元、搅拌系统及藻液循环系统，其中：所述搅拌系统包括电机和搅拌桨，所述搅拌桨置于所述主体跑道池内，使藻液在所述主体跑道池内流动；所述藻液喷淋单元通过金属支撑架固定在所述主体跑道池内，所述藻液喷淋单元包括喷淋器和透明幕墙，所述喷淋器分散流下的藻液，所述透明幕墙防止藻液喷溅并阻止藻液与外界环境接触；所述藻液循环系统连通所述主体跑道池和所述藻液喷淋单元，并驱动藻液在所述主体跑道池和所述藻液喷淋单元之间循环。

较优地，包括二氧化碳补给槽，向所述主体跑道池中的藻液补给二氧化碳。

较优地，所述二氧化碳补给槽包括深槽和具有若干均匀分布孔的气体分布器，所述深槽设置在所述主体跑道池的池底，所述气体分布器固定于所述深槽中。

较优地，所述藻液循环系统包括：外循环管，连通所述主体跑道池和所述藻液喷淋单元；离心泵，位于所述外循环管上。

较优地，所述藻液循环系统包括：高位槽，其进液口和出液口分别通过外循环管连通所述主体跑道池和所述藻液喷淋单元；气源，其供气口接在所述外循环管的上升管路上。

较优地，所述透明幕墙由透明塑料薄膜制成，所述透明塑料薄膜覆盖于固定在所述金属支撑架的网格上。

较优地，所述喷淋器为一横截面为半圆形的长管，所述长管的两端封口，下底面开具若干均匀分布的小孔，上弧面安装外循环管接口。

较优地，所述喷淋器为一中空长方盒，所述中空长方盒的的前侧面低于后侧面，上表面安装外循环管接口。

较优地，所述主体跑道池的正上方安装可卷动的塑料透明薄膜。

较优地，设置有地冷系统，所述地冷系统包括地下冰库、循环冷却管路及位于所述循环冷却管路上的若干阀门和水泵，所述循环冷却管路形成置于所述主体跑道池之中的多路分支冷却水管。

与现有技术相比，本发明提出一种新型组合跑道池光生物反应器的设计方案，用以实现微藻的低成本高密度培养。具体而言，通过优化方案后使该光生物反应器具有以下优点：(1)将“藻液喷淋技术”引入反应器的设计中，在空间中对藻液进行展开，以此增加光线的透过率，提高藻细胞的光合效率；(2)藻液喷淋会带动空气流动起到藻液降温的作用；(3)采用新型的“地冷技术”对藻液进行降温，可大幅降低反应器能耗；(4)反应器增设二氧化碳补给槽，提高微藻对二氧化碳的利用率；(5)解决雨季连续养殖的难题。

附图说明

图1为本发明实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器结构一较优实施例的示意图；

图2为离心泵循环系统工作原理图；

图3为气升式循环系统工作原理图；

图4A为藻液喷淋器类型一结构示意图；

图4B为藻液喷淋器类型二结构示意图；

图5为本发明实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器中地冷系统的结构示意图；

图6为可用于雨季养殖的跑道池系统结构示意图。

具体实施方式

本发明优选实施例的关键点是将藻液的“空间展开技术”和“地冷冷却技术”引入反应器的设计中，大幅降低了跑道池光生物反应器的能耗，提高了光生物反应器的生产效率。

具体而言，本发明优选实施例提供的新型跑道池光生物反应器培养系统包括主体跑道池、藻液喷淋单元、搅拌系统、二氧化碳补给槽、藻液循环系统、地冷系统等，以下对各部件的结构、功能及工作原理进行详细描述。

所述主体跑道池是由水泥砌成且内表面光滑的椭圆形浅池，藻细胞在其中接收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。跑道池的高度通常为40-50cm，其长度和宽度无特定要求，藻液的深度一般为15-25cm，搅拌桨提供藻液循环运动的动力。为了方便跑道池的清洗，可在池底铺设PVC革、塑料薄膜或其它表面光滑的材料。

所述藻液喷淋单元为本发明专利的核心结构，包括：金属支撑架、喷淋器和透明幕墙。其中金属支撑架固定在主体跑道池中，主要用于藻液喷淋单元的支撑和固定。喷淋器的作用是将藻液分成若干较细的液束，以此增大了藻细胞与空气的接触面积，提高了微藻的固碳速率。细液束有利于光线的透射，可提高光能利用效率。藻液喷淋会带动空气流动起到藻液降温的作用。透明幕墙由透光度较高的软质塑料薄膜制成，在保证光线高透光率的前提下，其主要作用是防止藻液喷溅并较少风对喷淋的影响。透明幕墙可以做成卷帘型、折帘型、垂直帘型。

所述搅拌系统主要用于主体跑道池中藻液的循环流动，包括电机和搅拌桨，电机型号的可根据培养规模进行选择，搅拌桨需采用抗腐蚀的材料制作。

所述藻液循环系统的主要作用是实现藻液的循环，保证藻液可以由跑道池快速进入喷淋器中。对于机械抗性较强的藻株可采用循环泵系统进行培养，对于机械抗性较弱的藻株(无细胞壁藻株)可采用气升式循环系统进行培养。

所述二氧化碳补给槽主要用于培养液中二氧化碳的补给，其结构包括深槽和气体分布器等。深槽设置在池底(在搅拌桨前较合适)，气体分布器固定于深槽中，以此增加了二氧化碳与培养液的接触时间，提高二氧化碳的补充效率；气体分布器上具有若干均匀分布的圆孔，保证鼓入的气体细小且均匀，以提高气液传质效率。

所述地冷系统主要用于培养液的降温，其结构包括地下冰库、循环管路、若干阀门和水泵等。出于对反应器节能的考虑，收集冬天的形成冰块，并储存于地下冰库，以备夏日使用。循环管路中充满易导热的液体，循环管路在冰库中回旋盘绕，以增加与冰的接触时间和接触面积。当循环液流经冰库时，得到充分冷却，冷却后的循环液流经跑道池时，对藻液进行降温。该设计大幅降低反应器运行的能耗，提高了生产效率。

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。

参见图1，为本发明专利的一种较优实施例，其中1为主体跑道池，21为金属支撑架，22为喷淋器，23为透明幕墙，3为搅拌桨，4为藻液循环系统，5为二氧化碳补充槽。各结构的功能已在发明原理中详述，在此不再重复。主体跑道池1的池底预埋若干螺栓，用于固定金属支撑架21，透明幕墙23固定在金属支撑架21上，其下边缘略高于培养液上表面，搅拌桨3与电机连接后，固定于跑道池的指定位置，当跑道池规模较大时，可增设一组搅拌系统，以加速藻液循环。

参见图2和图3，为本培养系统的藻液循环示意图。图2为循环泵系统的工作原理图，其藻液循环的动力源为“循环泵”，跑道池中的藻液在循环泵的加压作用下，由外循环管进入喷淋器，喷淋器将藻液分解成若干细液束后，回流至跑道池中，完成藻液循环。该循环系统可用于机械抗性较强藻株的培养(小球藻等)。图3为气升式循环系统，该系统由高位槽、外循环管、气源等结构组成。气源提供藻液循环的动力，当气源鼓入压缩空气后，气泡在气升力的作用下向上运动，带动跑道池中的藻液经过外循环管进入高位槽中，而后在重力的作用下进入喷淋器，完成藻液循环。该循环方式对藻细胞的损伤较小，适宜机械抗性较弱藻株的培养。

实施例一、不同类型喷淋器的组建

(1)喷淋器类型一

参见图4A，由塑料或金属材料制成的横截面为半圆形的长管，其两端封口，下底面开具若干均匀分布的小圆孔，半圆型管的上弧面安装两组外循环管接口，用于藻液的进入，该喷淋性形成若干连续的细液束。

(2)喷淋器类型二

参见图4B，由塑料或金属材料制成的中空长方盒，其两端封口，下表面未开具均匀分布小圆孔，藻液可由如图4B所示的前表面缓慢流下，流下的藻液不同于喷淋器类型一，该喷淋器形成类似瀑布的连续液流。

实施例二、透明幕墙的组建

透明幕墙23可由透明塑料薄膜制成，利用用金属丝或塑料绳制作网格，将透明塑料薄膜固定其上即可，透明幕墙可以做成卷帘型、折帘型、垂直帘型或直接固定在金属支撑架21上。

实施例三、跑道池冷却系统的组建

参见图5，为跑道池光生物反应器冷却系统(地冷系统)的结构示意图，其中41为冰库，42为循环冷却管路。冷却循环水由冰库流出，通过水泵加压后，进入分支冷却水管，为保证高效的藻液冷却效果，每个跑道池中设置两组冷却管路。循环冷却水最终汇集至总回流管，返回至冰库中。

实施例四、可用于雨季培养的跑道池系统

在遵循本发明专利原理的基础上，设计可用于雨季养殖的光生物反应器模型，参见图6所示，安装若干相互平行的喷淋器于跑道池上，用于藻液的喷淋。两组可活动的透明幕墙，用于防止藻液喷溅并较少风对喷淋的影响，透明幕墙可以做成卷帘型、折帘型、垂直帘型。跑道池正上方安装可卷动的塑料透明薄膜，当天气晴朗时，薄膜卷起，当雨季到来时，塑料薄膜覆盖整个跑道池，防止雨水进入。

如前述，传统的跑道池光生物反应器存在比表面积小、光能和二氧碳利用率低、易污染、环境控制能力差(温度、光照、pH)、受季节和地区限制、培养种类少等缺点，影响了其在微藻大规模培养中的生产效率。

而本发明专利革新传统技术，提出一种新型组合跑道池光生物反应器的设计方案，首次提出藻液的空间展开技术，并将“地冷冷却技术”引入反应器的设计中，大幅降低了跑道池光生物反应器的能耗，提高了光生物反应器的生产效率，在实际研究和生产中，可进一步解决以下关键技术问题：(1)培养藻液的降温；(2)光能传递效率低；(3)二氧化碳的高效补给；(4)雨季连续培养。

以上仅是本发明的优选实施方式，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 (6)

1.一种实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器，其特征在于，包括主体跑道池、藻液喷淋单元、搅拌系统、二氧化碳补给槽及藻液循环系统，其中：所述搅拌系统包括电机和搅拌桨，所述搅拌桨置于所述主体跑道池内，使藻液在所述主体跑道池内流动；所述藻液喷淋单元通过金属支撑架固定在所述主体跑道池内，所述藻液喷淋单元包括喷淋器和透明幕墙，所述喷淋器分散流下的藻液，所述透明幕墙防止藻液喷溅并阻止藻液与外界环境接触；所述二氧化碳补给槽向所述主体跑道池中的藻液补给二氧化碳，所述二氧化碳补给槽包括深槽和具有若干均匀分布孔的气体分布器，所述深槽设置在所述主体跑道池的池底，所述气体分布器固定于所述深槽中；所述藻液循环系统连通所述主体跑道池和所述藻液喷淋单元，并驱动藻液在所述主体跑道池和所述藻液喷淋单元之间循环， 

其中，所述藻液循环系统包括：外循环管，连通所述主体跑道池和所述藻液喷淋单元；离心泵，位于所述外循环管上； 

或 

所述藻液循环系统包括：高位槽，其进液口和出液口分别通过外循环管连通所述主体跑道池和所述藻液喷淋单元；气源，其供气口接在所述外循环管的上升管路上。 

2.如权利要求1所述的实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器，其特征在于，所述透明幕墙由透明塑料薄膜制成，所述透明塑料薄膜覆盖于固定在所述金属支撑架的网格上。 

3.如权利要求1所述的实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器，其特征在于，所述喷淋器为一横截面为半圆形的长管，所述长管的两端封口，下底面开具若干均匀分布的小孔，上弧面安装外循环管接口。 

4.如权利要求1所述的实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器，其特征在于，所述喷淋器为一中空长方盒，所述中空长方盒的前侧面低于后 侧面，上表面安装外循环管接口。 

5.如权利要求1所述的实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器，其特征在于，所述主体跑道池的正上方安装可卷动的塑料透明薄膜。 

6.如权利要求1~5任一项所述的实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器，其特征在于，设置有地冷系统，所述地冷系统包括地下冰库、循环冷却管路及位于所述循环冷却管路上的若干阀门和水泵，所述循环冷却管路形成置于所述主体跑道池之中的多路分支冷却水管。 

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