CN102618434B - 一种基于植物仿生学的高效微藻培养装置 - Google Patents

Abstract

发明名称一种基于植物仿生学的高效微藻培养装置宋成军，董保成，赵立欣，陈羚，罗娟，万小春，崔光淇摘要本发明属于微细胞藻类生产领域。目的在于提供一种集光高效、占地面积小的微藻反应器，以满足微藻规模生产的需求。通过下列技术实现：反应器分为根、茎、叶反应器和导管等4个部分，根反应器位于底部，是藻液的汇集器，茎反应器是藻液的混合器，叶反应器交错排列在茎反应器上，是藻细胞光合作用场所，反应器系统通过导管连接。水泵将根反应器中的藻液吸入茎反应器，再注入叶反应器，待藻液蓄满叶反应器后，由导管注入茎反应器，最后汇入根反应器。叶反应器数目多，交错排列，角度可调，面积体积比大，藻细胞在此充分感光，提高了培养效率。本反应器藻液感光效率高、占地面积小、工厂化程度高，适合各种环境使用，尤适合我国北方地区冬季微藻培养。

Description

一种基于植物仿生学的高效微藻培养装置

技术领域

本发明涉及微藻培养系统领域，具体讲，是一种基于植物结构仿生学的涉及单细胞藻液高效捕光装置。

背景技术

在人类社会面临能源资源枯竭的大背景下，一些微藻因其高产油量、油脂累积快以及生产周期短等特点，近年来备受关注，已成为生物能源研究领域新兴的热点之一。我国在该领域的研究尚处于起步阶段。

薇藻原料成本占到生物柴油生产总成本的70％以上。因此，微藻生产过程中，关键环节是促进藻类快速生长，使藻细胞在最短时间内达到最大生产力。目前，藻类生物反应器已成为高效、快速、大量培养藻类的关键设备。

在研究、开发和生产中均需使用不同的光生物反应器，主要可以区分为开放式和封闭式两大类型。跑道池反应器是最典型和最常用的一种敞开式反应系统，构建简单、成本低廉、操作简单，在微藻产业化培育中已普遍使用，但是该培养器占地面积大的缺点限制了其应用。密闭式反应器，主要包括管式、平板式和柱式这三种形式，具有培养条件易控制，可无菌操作，补碳效果好，藻细胞生长速度快等优势，但是这些优越性是以高投资和操作成本为代价的，放大潜力也因此大大受到了限制。同时，两类反应器扩大生产后，当藻细胞密度较高时，光的供给往往受到限制。因此，尽管单细胞微藻光合效率是植物的10-50倍，但培养器捕光效率的底下仍闲置着微藻的大规模培养。传统的微藻反应器尽管也都是基于光能高效采集为目标，比如采用板式构造、添加内置光源等，但光能利用效率仍然较低。

植物结构仿生是在仿生学的基础上发展起来的，通过研究自然界植物系统的优异形态、结构和功能特征，并有选择性的在设计过程中应用这些结构原理和特征进行设计。光合作用是绿色植物最重要的一项生物学特性，绿色植物高效的光合作用是基于根茎叶独特的形态、排列和结构的。

因此，基于植物形态仿生学，研制与构建占地少、采光效率高、适应性强的光生物反应器的是未来技术的发展方向。

发明内容

本发明克服了现有开放式微藻反应器占地大的缺点，以及现有密闭式反应器的光路短等缺陷。提供了一种适于规模培养、占地面积小、捕光效率高，适应性强的微藻培养反应器，适用于开放式和封闭式光生物反应器。

为了达到上述目的，本发明基于植物形态结构仿生学，采用以下技术方案来实现：其特征在于整个培养系统主要包括根反应器系统(2，12)、茎反应器系统(1，11)、叶反应器系统(5，6，7，9)和导管系统(3，4，8，10)等4个部分。这种基于植物仿生学的微藻反应器，包括：

根反应器系统由根反应器(2)和集液口(12)组成，其中，根反应器(2)可以设计成开放式结构，为了增加牢固性和采光面积，池底和池壁可以由不同材料制作，底部可以做成砖混结构，池壁可由硬质透光材料构成。主反应器池型可以为圆形或者跑道式；

茎反应器系统由茎反应器排液口(1)和茎反应器(11)组成，其中茎反应器可以设计成封闭式结构，为了增加牢固性和采光面积，可以由硬质透光材料构成制作。藻液由茎反应器排液口(1)汇入根反应器(2)；

叶反应器系统由固定支架(5)、角度调节装置(6)、叶反应器(7)、叶反应器排液口(9)等4部分组成，考虑到稳定性，由硬质材料构成固定支架(5)，叶反应器(7)可设计成密闭板状结构，由薄而透明的硬质材料制作，其数量可根据茎反应器高度而定。叶反应器(7)通过固定支架(5)固定在茎反应器上，排列方式可以为螺旋式、平行交错式等，并且其角度可以通过角度调节装置(6)调整，以适应光线变化。藻液由叶反应器排液口(9)流入茎反应器(11)中；

导管系统由水泵(3)、下行导管(4)、上行导管(8)和叶反应器进液导管(10)组成，其中视茎反应器的高度选择合适扬程的水泵(3)，保证根反应器中的藻液通过上行导管(8)泵入茎反应器，再由叶反应器进液导管(10)注入叶反应器内，其内的藻液由下行导管再次流入茎反应器内。所述导管全部采用软质透明塑料制作，承压性高，不易弯折，价格低廉，且又方便叶反应器角度快速调整；

本发明克服了的封闭式与开放式两种培养器的缺点，基于植物仿生学，采用树形结构和循环方式培养单细胞微藻，不仅可节约较多土地，更为重要的是有效地增加光线捕获和吸收，提高了光能利用效率。同时，该反应器采用了价格低廉的塑料，还可根据光线变化调整反应器角度。因此，该反应器占地少，操作简便，光利用效率高，适应性强，可用于多种类型的光生物反应器中，易于大规模培养单细胞藻类。

附图说明

图1一种基于植物仿生学的高效微藻培养装置侧视图；

图2一种基于植物仿生学的高效微藻培养装置俯视图；

附图中主要部分代表符号：

1.茎反应器排液口；2.根反应器；3.水泵；4.下行导管；5.固定支架；6.角度调节装置；7.叶反应器；8.上行导管；9.叶反应器排液口；10.叶反应器进液导管；11.茎反应器；12.集液口。

具体实施方式

为了更好理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作详细说明，未详加说明的按本领域现有技术。本发明要求保护的范围不单限于实施例表示的范围：

实施例1：

一种基于植物仿生学的高效微藻培养装置，包括：根反应器(2)，器型为倒“梯”形，池底为砖混结构，池壁由有机玻璃制成，下底直径为4m，高50cm，池壁厚0.5cm，根反应器为藻细胞提供生长环境和营养；茎反应器(11)由有机玻璃制成，器型为圆环形，环外径为40cm，环内径为30cm，环高2m，环壁厚1cm，茎反应器为藻液混合场所；叶反应器(7)为藻细胞进行光合作用场所，有6个，大小相等，器型圆形，高5cm，直径为1m，从茎反应器顶端向下依次等间隔螺旋固定于固定支架(5)上，间隔为25cm，夹角为60度，叶反应器(7)由有机玻璃制作，固定支架(5)由实心有机玻璃棒制作并用强力胶将两端分别固定在叶反应器中部和茎反应器上。连接水泵(3)和导管(4，8，10)，水泵扬程为2m，下行导管(4)和上行导管(8)和叶反应器进液导管(10)由软质PVC管制成，内径1cm，打开电源，向茎反应器和叶反应器内抽蓄藻液，调节水泵(3)转速，至藻液沿管路缓慢流动。此时，可以向根反应器内添加藻液至40cm左右，待管路内的藻液流动稳定后即可以保持运行，直至收获。收获时，打开茎反应器和叶反应器的出液口，使反应器系统内的藻液汇集在根反应器内，再通过集液口(12)进行收集。

实施例2：

一种基于植物仿生学的高效微藻培养装置。于固定支架(5)和叶反应器(7)连接处安装了一套角度调节装置，其余部分与上述实例相同。在下午时分，光照方向改变，调节角度调节装置(6)，并根据太阳方位将叶反应器上表面调整到合适的角度，直至收获。其余步骤与上述实例相同。

Claims (4)

1.一种基于植物仿生学的高效微藻培养装置，其特征在于整个反应器主要包括根反应器系统、茎反应器系统、叶反应器系统和导管系统；其中根反应器系统由根反应器和集液口组成，茎反应器系统由茎反应器和茎反应器排液口组成，叶反应器系统由固定支架、角度调节装置、叶反应器和叶反应器排液口组成，导管系统由水泵、下行导管、上行导管和叶反应器进液导管组成；根反应器汇集藻液，茎反应器混合藻液，叶反应器交错排列在茎反应器上，呈树形结构，反应器之间通过导管系统连接，叶反应器和茎反应器类型为板式密闭式反应器，根反应器为开放式柱状反应器。

2.根据权利要求1所述高效微藻培养装置，其特征在于：根反应器、茎反应器、叶反应器的材质由透明硬质材料构成，下行导管和上行导管的材质由透明软质材料构成。

3.根据权利要求1所述高效微藻培养装置，其特征在于：叶反应器多个，大小不等，呈椭圆形或者圆形，围绕茎反应器交错排列，当藻液注满叶反应器后，藻液可最大程度的捕光，从而提高藻细胞光合作用效率。

4.根据权利要求1所述高效微藻培养装置，其特征在于：叶反应器通过固定支架固定在茎反应器上，如果光照减弱，可以通过角度调整装置调整叶反应器的朝向，从而达到补充光照的目的，固定支架由硬质通明材料构成。

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