CN102533522B

CN102533522B - 一种全塑密闭模块化气升式光生物反应器

Info

Publication number: CN102533522B
Application number: CN2011103899186A
Authority: CN
Inventors: 邱志荣; 马忠岩
Original assignee: ZHENJIANG LVNENG ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: ZHENJIANG LVNENG ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: CN102533522A

Abstract

本发明涉及在生物领域中的一种全塑密闭模块化气升式光生物反应器。一种全塑密封模块化气升式光生物反应器，其特征在于：全塑透明圆筒件(1)使用黏着剂，将全塑透明底座(3)固定形成容器，在全塑透明底座(3)之上设有一下水孔，连接全塑水阀，形成采集出水口(17)，利用全塑闭合螺栓(14)、全塑密封件(15)，将全塑透明顶盖(2)与全塑透明圆筒件(1)紧密牢固，形成一个全塑密闭式光生物反应罐体。本发明解决了我国海岸环境复杂，海水温度变化大，风浪大，给微藻户外养殖带来困难，平面养殖池模式，当平面养殖池深度较深时，光线则无法穿透，平面养殖池底部的微藻无法吸收足够的光照，并且未经充分循环搅拌，养殖产出效率降低的问题。

Description

一种全塑密闭模块化气升式光生物反应器

技术领域

本发明涉及在生物领域中用于微藻培养的生物反应器，特别是涉及一种全塑密闭模块化气升式光生物反应器。

背景技术

全球化石燃料大量消耗所生成各种温室气体中，以CO₂排放总量最大，其影响程度甚剧。因此，在全球气候变迁冲击以及环保生态导向压力下，推动降低大气环境中的CO₂含量成为世界各国的当务之急，朝向节能减碳与发展绿色生态模式之永续主张，已成各界共同发展目标。

目前，科学与工程技术中多种减碳的方法，包括物理吸附法、化学吸收法、低温冷凝法或薄膜分离法等，都属于人工外力作用，非为生态自然作用。而运用藻类生长需以碳源作为生长要素之特性，发展特定藻类应用于去除CO₂的生物固定法技术则展现相当潜力。

生物固定法是利用具有光合作用能力的生物，把CO₂转换成碳氢化合物，同时产生大量的生质；生质可以作为饲料、有机肥料、生质燃料、保养品、保健食品等，再加以利用，而目前将生质研发成为替代能源与保养品是学术界与产业界积极投入发展的重要技术。生物固定法相较于物理处理法或化学处理法來說，具备减少化学药剂的使用量、降低成本和减少环境冲击等优点。

在CO₂的减量中，自营生物扮演了极为重要的角色，微藻自然也不例外。微藻类会利用水中不同溶解种类的无机碳源，包括二氧化碳（CO₂ ）及重碳酸 (HCO -)，而藻类生物固碳法其实就是利用自然的光合作用，吸收空气中的CO₂，转化成藻体中的醣类 (如下列反应式)：H₂O + CO₂ + 光照 → 碳水化合物（醣类）+ O₂

微藻体内含有 40～50％的碳，生成 1 公斤的微藻细胞，需要 1.5～2.0 公斤的 CO₂，显示碳对于微藻生长之重要性与高需求量。理论上每公斤的CO₂约可长出 0.57 公斤的蓝绿藻，并释放出 0.73 公斤的氧气。以 1 公顷面积而言，植树 1 年可捕捉 25 吨的CO₂，但微藻一年却可捕捉 58 至 90 吨的CO₂，比植树效果要高出 2 到 4 倍，此项成果表示微藻具备良好CO₂的利用能力。

藻类的培植速率，影响其应用效率，无论是开放式或封闭式培养系统，皆会受到许多环境因素的影响与挑战。微藻培养系统之环境影响因子微藻在适合生长的环境中成长相当快速，但也容易受到外在环境因子变动的影响，培养环境对于藻类之生长有很大的影响，如对于细胞增生、油脂含量、油脂种类、脂肪酸分布等皆有不同的影响。藻类最主要的生长限制因子为光照度、CO₂、温度、培养基组成、盐度、pH 值对于藻类生长之影响。

随着微藻户外养殖模式的日益推广，微藻养殖密度不断提高，因此，微藻藻种的投放、污染防治、水中溶解氧浓度的检测与控制，对提高微藻产量与质量非常重要，同时，由于水中的溶解氧浓度受水温和季节变化影响，所以，水温、光照强度、CO₂浓度、水中PH值、溶解氧浓度等因子的检测与控制亦成为提高微藻养殖密度和产量的关键。我国海岸线长，极其适合发展微藻户外养殖技术。但是，海岸环境复杂，海水温度变化大、风浪大，给微藻户外养殖带来困难。

微藻现今多以开放式平面养殖池做为户外养殖模式，需要大量面积的土地来获得充足的日照，但是，当平面养殖池深度较深时，光线则无法穿透，所以，平面养殖池底部的微藻无法吸收足够的光照，并且未经充分循环搅拌，使得养殖产出效率降低，同时，户外平面养殖池模式也存在着微藻容易被其他藻类或微生物交叉污染的风险，这两项因素无形中也增加了经营成本。

发明内容

1、所要解决的技术问题：

我国海岸环境复杂，海水温度变化大，风浪大，给微藻户外养殖带来困难，平面养殖池模式，当平面养殖池深度较深时，光线则无法穿透，所以，平面养殖池底部的微藻无法吸收足够的光照，并且未经充分循环搅拌，养殖产出效率降低。

2、技术方案：

本发明针对上述问题，提供了一种基在生物领域中用于微藻培养的生物反应器，一种全塑密封模块化气升式光生物反应器，其特征在于：全塑透明圆筒件1使用黏着剂，将全塑透明底座3固定形成容器，在全塑透明底座3之上设有一下水孔，连接全塑水阀，形成采集出水口17，利用全塑闭合螺栓14、全塑密封件15，将全塑透明顶盖2与全塑透明圆筒件1紧密牢固，形成一个全塑密闭式光生物反应罐体。

在全塑透明圆筒件1的一侧，开出两个孔，并以黏着剂与特用塑料接头黏合，分别构成两个全塑水泵主体连接活接(6，10)，使用全塑管件13、水循环水泵系统7与全塑水泵连接活接12，形成一完整水循环系统，并在靠近全塑水泵主体连接活接(10，6)与全塑管件13连接的地方分别开洞并以黏着剂与特用塑料接头黏合，接入全塑入水快接口11与全塑气体入口18，全塑气体入口18再以一段气管与气泵16连接。

在全塑透明顶盖2之上，分别钻出四个孔洞，并以黏着剂与特用塑料接头黏合，分别构成植物生长灯4接口、全塑O₂出气阀5、全塑PH传感器插口8与全塑传感器插口9，其中植物生长灯4接口用于悬挂植物生长灯，而全塑PH传感器插口8与全塑传感器插口9用于接入各类传感器。

3、有益效果：

藻户外养殖系统中开放式平面养殖池之各种环境因子若是骤变，而未能及时采取相应预防措施，会给微藻户外养殖业带来巨大的损失，是一个技术上极需解决的问题。为了进一步提高户外微藻养殖的效率，在合理选择户外微藻养殖技术的同时，全塑模块化气升式光生物反应器是发展微藻养殖可以选择的优异方案。

本发明与现有技术相比，具有下列优点和积极效果：(A).本发明结构简单，组装方便；(B).各塑料组件已使用专业模具生产或采用产业标准半成品配套，尺寸统一便于批量生产；(C).全塑材质易于清洗，更换和维护；(D).通过气泵将CO₂与空气混合后，打入水循环水泵系统后段，透过水流的充分混合并溶解形成CO₂细化气泡，在圆筒底部随顺时针循环水流泻出并气升，微藻充分吸附后完成光合作用；(E).可以由单个反应器单元与传感器监测单元，以及养份供给单元构成单体的全塑模块化气升式光生物反应器，也可以将多个反应器单元依空间与采光照度条件自由组合，通过管道工程与传感器监测单元，以及养份供给单元构成不同规模的全塑模块化气升式光生物反应系统；(F).工业化制造，成本相对低廉，能满足不同规模的微藻户外养殖，有较大的应用前景，不单适用于微藻户外养殖，还可应用到微藻细胞工程的选育藻种，以及水生浮游动物的培养；(G).本发明提供一有效方式可以控管微藻生长变异与油脂含量，同时，实现对微藻户外养殖系统各类环境因子的低成本、高效监测。

附图说明

图1全塑模块化气升式光生物反应器单体结构示意图。

图2全塑模块化气升式光生物反应系统示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基在生物领域中用于微藻培养的生物反应器，一种全塑密封模块化气升式光生物反应器，其特征在于：全塑透明圆筒件1使用黏着剂，将全塑透明底座3固定形成容器，在全塑透明底座3之上设有一下水孔，连接全塑水阀，形成采集出水口17，利用全塑闭合螺栓14、全塑密封件15，将全塑透明顶盖2与全塑透明圆筒件1紧密牢固，形成一个全塑密闭式光生物反应罐体。

在全塑密闭的光生物反应罐体内装有微藻和微藻培养液。

水循环水泵系统7为水陆两用海水泵。

从全塑透明圆筒1上方吸水，并于圆筒下方排水，可使光生物反应器内的培养液与微藻作顺时针循环运动，可防止微藻沉积在圆筒底部，同时，水陆两用海水泵可在养殖海藻时，不被海水侵蚀生锈，保障系统正常运行。

全塑透明圆筒件1，全塑透明顶盖2，全塑透明底座3材质为有机玻璃素材，例如PC，压克力。

植物生长灯(4)灯管为荧光灯或冷阴极管(CCFL)或发光二极管(LED)所制成，其红光波长为630~675nm，蓝绿光波长为450~475nm。

全塑O₂出气阀(5)，为单向气阀，专供微藻行光合作用后所产生的O₂排放，与未溶解于培养液中的CO₂排放，以免筒内气压过高，或者因O₂浓度过高，影响微藻的光合作用效率。

全塑水泵主体连接活接（6， 10），可以使全塑管件13与全塑透明圆筒件1做快速连接并锁紧，并可涂抹特殊防水黏着剂以防漏水之患。

全塑PH传感器插口8，可做为PH传感器插入之处，并可达到密封效果，PH传感器的功用在于监测长期通入CO₂之光生物反应器内的培养液酸碱度变化，以进行培养液的酸碱调整。

全塑传感器插口9，可做为水温、光照度、CO₂、培养液组成、盐度、溶解氧（DO）传感器择一插入之处，并可达到密封效果，传感器的功用在于监测与数据的收集，利用这些数据来决定CO₂浓度控制、PH值控制、水量与温度调节、培养液调整的功能设定，以达到微藻户外养殖系统自动化控制的目的。

全塑入水快接口11，根据PH传感器与其他传感器所做监测与数据收集、分析之后，可透过全塑入水快接口，加入少许微量元素、盐水或培养液，进行pH值控制与培养液调整的功能设定。

全塑水泵连接活接12，可以使全塑管件与水循环水泵系统做快速连接并锁紧，并可涂抹特殊防水黏着剂以防漏水之患。

全塑管件13，其中所述的全塑材质可为不透明PPR、透明PC、透明压克力塑料管件。

全塑闭合螺栓14，其中所述的全塑材质可采用符合国标之塑料螺丝与螺帽总成，并对全塑透明圆筒件与全塑透明顶盖，进行密合与锁附，可防止培养液外溢与微藻遭受其他藻种污染。

全塑密封件15，其中所述的全塑材质可为橡胶或特殊塑料所制成之O型环，可对全塑透明圆筒件与全塑透明顶盖，进行完全密合并防止培养液外溢与微藻遭受其他藻种污染。

气泵16，其中所述的气泵可采用中小型AC或DC气泵，在微藻户外养殖系统中亦可采用中大型鼓风机。

采集出水口17，采集出水口有一全塑水阀管制下水，专供微藻养殖期间的取样出水，以及微藻养殖完成时的采收工作之用。

全塑气体入口18，经气泵或中大型鼓风机，将CO₂与空气混合后，利用气管经全塑气体入口，打入水循环水泵系统后段，透过水流的充分混合并溶解CO₂，亦将CO₂分散形成细化气泡，在圆筒底部随顺时针循环水流泻出，在全塑透明圆筒中的微藻，可藉由从底部缓缓上升的CO₂细化气泡，充分吸附后完成光合作用，以达成本发明气升式光生物反应器之主要功能。

全塑密封模块化气升光学生物反应器组成的气升式光生物反应单元66和气管管道工程22、光源和控制系统77、传感器监测单元55、采收管道工程44养份供给单元88组成全塑模块化气升式光生物反应系统，各个光生物反应器中的全塑入水快接口11利用管道工程连接接养分供给单元88，各个光生物反应器中的全塑气体入口18利用管道工程连接气管管道工程22，各个光生物反应器中的各个采集出水口17，利用管道工程连接采收管道工程44，各个光生物反应器中的全塑传感器插口9插入传感器监测单元55。

养份供给单元88：分别将各个光生物反应器中的全塑入水快接口，利用管道工程连接养份供给单元88成一供料系统，根据PH传感器与其他传感器所做监测与数据收集、分析之后，可透过各个全塑入水快接口，加入少许微量元素、盐水或培养液，进行PH值控制与培养液调整…等的功能设定；

气管管道工程22：分别将各个光生物反应器中的全塑气体入口，利用管道工程连接气管管道工程22成一供气系统，经气泵或中大型鼓风机，将CO₂与空气混合后，利用气管经各个全塑气体入口，打入水循环水泵系统后段，透过水流的充分混合并溶解CO₂，亦将CO₂分散形成细化气泡，在圆筒底部随顺时针循环水流泻出，在全塑透明圆筒中的微藻，可藉由从底部缓缓上升的CO₂细化气泡，充分吸附后完成光合作用；

水循环管道工程33：分别将各个光生物反应器中的各个全塑水泵主体连接活接，可以使全塑管件与全塑透明圆筒件做快速连接并锁紧，另一端分别连接水陆两用海水泵组成水循环管道工程33，从全塑透明圆筒上方吸水，并于圆筒下方排水，可使光生物反应器内的培养液与微藻作顺时针循环运动，可防止微藻沉积在圆筒底部，同时，水陆两用海水泵可在养殖海藻时，不被海水侵蚀生锈，保障系统正常运行；

采收管道工程44：分别将各个光生物反应器中的各个采集出水口，利用管道工程连接采收管道工程44成一微藻采收系统，各个采集出水口有一全塑水阀管制下水，专供微藻养殖期间的取样出水，以及微藻养殖完成时的采收工作之用；

传感器监测单元55：分别将各个光生物反应器中的全塑传感器9插口，做为水温、光照度、CO₂、培养液组成、盐度、溶解氧（DO）传感器择一插入之处，并可达到密封效果，各个光生物反应器中的全塑PH传感器8插入PH传感器，PH传感器的功用在于监测长期通入CO₂之光生物反应器内的培养液酸碱度变化，以进行培养液的酸碱调整，其他传感器的功用在于监测与数据的收集，利用这些数据来决定CO₂浓度控制、pH 值控制、水量与温度调节、培养液调整的功能设定，以达到微藻户外养殖系统自动化控制的目的。全塑传感器9插入的传感器和全塑PH传感器8插入的传感器组成传感器监测单元55.

气升式光生物反应单元66：分别将各个全塑透明圆筒件使用黏着剂，将全塑透明底座固定形成容器，内部可装置培养液与微藻，并在全塑透明底座之上，钻出下水孔，以连接全塑水阀，形成采集出水口；同时，利用全塑闭合螺栓、全塑密封件，将全塑透明顶盖与全塑透明圆筒件紧密牢固，形成若干个全塑密闭式光生物反应罐体，这些密闭式光生物反应罐体则成为一组气升式光生物反应单元；

光源和温度控制系统77：控制系统包括温度控制系统和光源控制系统用以控制全塑透明圆筒内的晚间温度和光源的强度。微藻可以在白天利用阳光进行光合作用，晚间则利用白天太阳能电池与小型风力发电机，所收集的风光互补电能，供应植物生长灯发光与供暖保温所需。

将多个反应器单元依空间与采光照度条件自由组合，通过中大型鼓风机与气管管道工程2通过气体分布支管，连接到气升式光生物反应单元6内的鼓气管及气体分布器。

光源和温度控制系统7置于鼓泡式光生物反应单元的两侧，控制系统包括温度控制系统和光源控制系统用以控制全塑透明圆筒内的温度和光源的强度。

养份供给单元88 、水循环管道工程33 、采收管道工程44、和传感器监测单元55，可依照图2所示的相对位置，组装成不同规模的全塑模块化气升式光生物反应系统，可为实验室和小试规模的微藻培养提供了一种批量、可控、成熟的设备。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims

1.一种全塑模块化气升式光生物反应系统，包括由多个全塑密封模块化气升式光生物反应器组成的气升式光生物反应单元（66)、气管管道工程（22）、光源和温度控制系统（77）、传感器监测单元（55）、采收管道工程（44）和养份供给单元(88)，其特征在于：所述光生物反应器中，全塑透明圆筒件(1)使用黏着剂，将全塑透明底座(3)固定形成容器，在全塑透明底座(3)之上设有一下水孔，连接全塑水阀，形成采集出水口(17)，利用全塑闭合螺栓(14)、全塑密封件(15)，将全塑透明顶盖(2)与全塑透明圆筒件(1)紧密牢固，形成一个全塑密闭式光生物反应罐体，在全塑透明圆筒件(1)的一侧，开出两个孔，并以黏着剂与特用塑料接头黏合，分别构成两个全塑水泵主体连接活接(6，10)，使用全塑管件(13)、水循环水泵系统(7)与全塑水泵连接活接(12)，形成一完整水循环系统，并在靠近全塑水泵主体连接活接(6，10)与全塑管件（13）连接的地方分别开洞并以黏着剂与特用塑料接头黏合，接入全塑入水快接口(11)与全塑气体入口(18)，全塑气体入口(18)再以一段气管与气泵(16)连接，在全塑透明顶盖(2)之上，分别钻出四个孔洞，并以黏着剂与特用塑料接头黏合，分别构成植物生长灯(4)接口、全塑O₂出气阀(5)、全塑pH传感器插口(8)与全塑传感器插口(9)，其中植物生长灯(4)接口用于悬挂植物生长灯，全塑pH传感器插口(8) 做为pH传感器插入之处，全塑传感器插口(9)做为水温、光照度、CO₂、培养液组成、盐度或溶解氧（DO）传感器择一插入之处；各个光生物反应器中的全塑入水快接口（11）利用管道工程连接养分供给单元（88），各个光生物反应器中的全塑气体入口（18）利用管道工程连接气管管道工程（22），各个光生物反应器中的各个采集出水口(17)，利用管道工程连接采收管道工程（44），各个光生物反应器中的全塑传感器插口(9)插入的传感器和各个光生物反应器中的全塑pH传感器插口(8)插入的传感器组成传感器监测单元（55）。

2.如权利要求1所述的全塑模块化气升式光生物反应系统，其特征在于：所述水循环水泵系统(7)为水陆两用海水泵。

3.如权利要求1所述的全塑模块化气升式光生物反应系统，其特征在于：全塑透明圆筒件(1)、全塑透明顶盖(2)和全塑透明底座(3)的材质为有机玻璃素材。

4.如权利要求1所述的全塑模块化气升式光生物反应系统，其特征在于：所述植物生长灯(4)灯管为荧光灯或冷阴极管(CCFL)或发光二极管(LED)所制成，其红光波长为630~675nm，蓝绿光波长为450~475nm。

5.如权利要求2所述的全塑模块化气升式光生物反应系统，其特征在于：利用各个光生物反应器中的各个全塑水泵主体连接活接，将全塑管件一端与全塑透明圆筒件做快速连接并锁紧，而全塑管件另一端分别连接水陆两用海水泵，组成水循环管道工程（33）。