CN102660449A - 套管式光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种套管式光生物反应器，包括管件和分别设置在所述管件两端的法兰，其中，一端法兰上设有进液管，另一端法兰上设有出液管，所述管件为一透明套管，包括透明外管和设置在所述透明外管内、且与透明外管同轴布置的一透明曝气管；所述透明外管的顶部设有排气管，所述透明曝气管的管壁上沿轴向设有一排曝气孔，所述曝气孔位于透明曝气管斜下方的管壁上；所述透明曝气管的一端设有进气管。本发明生物反应器可以克服传统光生物反应器的缺点和不足，可以增强气液混合、调节pH、及时补充CO2和排除溶氧(DO)、提高大管径反应器的光照效率；可用于高效的培养微藻、生产相关产品或提供水产养殖饵料等大规模培养。

Description

套管式光生物反应器
技术领域
本发明涉及一种微藻培养技术中的生物反应器，尤其涉及一种有内置曝气管的可增强反应器中气液传质和光能利用率的封闭式连续培养装置。
背景技术
现阶段微藻能源的发展成为解决能源问题的一个方向，微藻与其他植物相比具有更高的生长效率、更快的生长周期和CO2固定能力。在合成油脂方面，微藻具有光合作用效率高、含油量高、生长周期短、油脂面积产率高等优点，高等植物种子脂肪酸含量为干重的15％-20％，而在一些藻类中大多含有30％～50％左右脂类，有的甚至高达85％。在固定CO2方面，微藻在光自养培养过程中可固定大量CO2，地球上生物每年通过光合作用可固定8×1010t碳，生产14.6×1010t生物质，其中一半以上应归功于藻类光合作用。
为了达到优化微藻培养效率的目的，需要适合大规模培养的封闭式培养系统，进而对大规模培养过程中的环境参数进行良好的控制。目前，用于微藻培养的光生物反应器大致分成四类：跑道池、板式光生物反应器、柱式光生物反应器和管式光生物反应器，其各自的优缺点比较如下表所示。
Figure BDA0000158423260000011
Figure BDA0000158423260000021
由于，管式光生物反应器具有较高的光照体表面积比，以及简单的水力循环系统，微藻产量高，投入较少，所以管式光生物反应器最适合用于微藻扩大化培养的光生物反应器。但是传统管式光生物反应器还存在CO2补充不及时、气液混合效果差、溶解氧(DO)容易积累、扩大管径会造成光照效率低等缺点，这些缺点从一定程度上制约着管式光生物反应系统的进一步扩大化。
因此，如何能够加强CO2在藻液中的扩散、藻液中溶解氧的交换和去除、光衰减和光抑制的预防、藻液的循环与混合，提高微藻培养效率，进一步扩大化培养，是微藻能源领域的核心问题之一。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种套管式光生物反应器，用以克服传统光生物反应器的缺点和不足，可以增强气液混合、调节pH、及时补充CO2和排除溶氧(DO)、提高大管径反应器的光照效率；可用于高效的培养微藻、生产相关产品或提供水产养殖饵料等大规模培养。
为了解决上述技术问题，本发明套管式光生物反应器予以实现的技术方案是：包括管件和分别设置在所述管件两端的法兰，其中，一端法兰上设有进液管，另一端法兰上设有出液管，所述管件为一透明套管，包括透明外管和设置在所述透明外管内、且与透明外管同轴布置的一透明曝气管；所述透明外管的顶部设有排气管，所述透明曝气管的管壁上沿轴向设有一排曝气孔，所述透明曝气管的一端设有进气管。
进一步讲，本发明套管式光生物反应器，其中，所述透明外管和所述透明曝气管的两端均与设置在两端的法兰密封。
所述透明外管的外径为50～300mm，所述透明曝气管的外径为30～200mm，所述透明外管的外径至所述透明曝气管的内径之间的径向厚度为5～15mm。
所述曝气孔位于透明曝气管斜下方的管壁上，所述曝气孔的孔径为0.5-4mm，优选的孔径为1mm，其开孔方向优选为背光斜下角30°～60°，最优选为背光斜下角45°，所述曝气孔的开孔间距为20mm，所述曝气孔也可以采取非等距布置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过内置的透明曝气管2，如图2-1和图2-2所示，与传统管式光生物反应器相比增加了有利生长区10占总生长区的比例，减弱了增加管径带来的光衰减现象，使通过增加管径来扩大化培养成为可能。同时，如图3所示，光照方向如F所示，背光面的曝气孔7喷出的气泡11，由于浮力作用向上流动，带动背光区微藻和向光区微藻的循环流动，如液体流向Q所示，使藻细胞处于一种光暗交替的状态。不同的光暗比和循环周期可以通过调节套管的内外管径、气体流速、曝气孔7的开孔大小、开孔密度、开孔位置来获得，从而精确的控制每个藻细胞的光照环境，解决了光衰减和光抑制的矛盾，提高了光能利用率。
2)如图3所示，本发明通过曝气孔7喷射出富含CO2的气泡11，分散到藻液中，可以随时为藻细胞的光合作用提供充足的CO2，大大提高了光合作用的效率。同时，可以根据pH传感器的反馈信息，通过调节透明曝气管2进气管5的进气流量和CO2的浓度来调节藻液中pH值，从而防止随着管长的增加造成的pH升高现象，使藻细胞处于最适合生长的pH范围，提高生长率。
3)如图3所示，本发明套管式光生物反应器工作时，曝气孔7喷射出的气泡11在上升过程中带动藻液的流动，向光区内的藻细胞随藻液流动到背光区，并与富含CO2的气体充分混合。在混合过程中，藻液中的溶解氧与微气泡之间产生传质现象，溶解氧会扩散到气泡中，并随着气泡排出藻液。从而使微藻在整个生长周期内都能够及时的排出氧气，有效的控制了氧抑制和光氧化作用。
4)如图3所示，本发明套管式光生物反应器吸收了现有技术中柱式光生物反应器最大的优点，在藻液中增加了曝气系统，通过曝气孔7喷出气体来加强反应器中微藻、培养基和气体的混合，达到增强气液混合，强化气液传质的作用。
5)传统的管式光生物反应器由于光合效率、CO2、pH和溶解氧(DO)等方面的限制，使其管径不宜超过0.1m，单个连续培养段的长度不可超过80m。而本发明套管式光生物反应器，基于其内置曝气管的结构，解决了传统管式光生物反应器随着管段的加长，藻液pH、CO2供应量、溶氧(DO)等生长环境恶化的问题，使得单个连续培养管段在理论上可以无限长，从很大程度上消除了它们对管尺寸的限制，使其更加适合扩大化培养。
附图说明
图1-1是本发明套管式光生物反应器的A-A剖视图；
图1-2是本发明套管式光生物反应器的B-B剖面放大图；
图1-3是图1-1中I部结构放大图；
图1-4是图1-2中II部结构放大图；
图2-1是现有技术中一传统管式光生物反应器的光照生长区示意图；
图2-2是本发明套管式光生物反应器的光照生长区示意图；
图3是本发明套管式光生物反应器管内工作原理示意图。
图中：
1-透明外管，2-透明曝气管，3-排气管，4、8-法兰，5-进气管，6-出液管，7-曝气孔，9-进液管，10-不利生长区，11-气泡，F-光照方向，Q-液体流向
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1-1所示，本发明适于微藻扩大化培养的内置曝气管的套管式光生物反应器，包括管件和分别设置在所述管件两端的法兰，其中，一端法兰8上设有进液管9，另一端法兰4上设有出液管6，所述管件为一透明套管，所述透明套管包括透明外管1和设置在所述透明外管1内、且与透明外管同轴布置的一透明曝气管2，所述透明外管1和所述透明曝气管2的两端均与设置在两端的法兰8、4密封；所述透明外管1的外径为50～300mm，所述透明曝气管2的外径为30～200mm，所述透明外管1的外径至所述透明曝气管2的内径之间的径向厚度为5～15mm，透明外管1和透明曝气管2的材料选用透光性好的玻璃、有机玻璃、树脂材料或者透明塑料等均可，由透明外管1和透明曝气管2构成的透明套管的长度，根据实际培养过程中的培养规模决定，如果单个管段过长，则最好在透明套管的内外管之间每隔一段距离设一支撑装置。
如图1-1、图1-2、图1-3和图1-4所示，所述透明曝气管2的管壁上沿轴向设有一排曝气孔7，所述透明曝气管2的一端设有进气管5，所述曝气孔7位于透明曝气管2斜下方的管壁上，其开孔方向优选为背光斜下角30°～60°，所述曝气孔7的孔径为0.5-4mm，所述曝气孔7的开孔间距可以等距布置，也可以是非等距的布置。曝气孔7的具体孔径、孔距和开孔方向要由透明套管的尺寸、通气速度和由实际工况来决定。
如图1-1、图1-2和图3所示，所述透明外管1的顶部设有排气管3，排气管3的直径为30～100mm，根据通气速度的不同，可以每隔一段距离设置一个排气管3。
本发明套管式光生物反应器的工作过程，如图1-1所示，藻液由进液管9进入光生物反应器，并在所述透明套管的管道内慢速流动，并由出液口6排出光生物反应器。过滤后的气体通过进气管5进入透明曝气管2，然后再由曝气口7进入透明外管1与透明曝气管2之间的光生物反应器内，如图1-4和图3所示，气体由于浮力聚集在光生物反应器上部，并通过排气管3排出。
实施例：加工出一套长度为1m小规模实验用的套管式光生物反应器，如图1-1所示。
其中：透明外管1的内径为200mm，材料选用玻璃；透明曝气管2的外径为100mm，其材料选用透明塑料；透明曝气管2的一端接有进气管5，如图1-2和图1-2所示，透明曝气管2上在背光区斜下方45°处沿透明曝气管2的轴向开有一排径向曝气孔7，曝气孔7的开孔直径为1mm，开孔密度为每隔20mm开一个孔；透明外管1的中间正上方开有直径为30mm的排气口并接有一排气管3；由透明外管1和透明曝气管3构成的套管的两端分别用法兰4、8密封连接，并在两端接有进液管9和出液管6。
具体工作过程是：进液管9与输液装置连接，进气管5与输气装置连接，开动输液装置，待培养的藻液通过进液管9进入反应器的套管中，藻液液面接近顶部时停止输液，开启输气装置，根据反应器大小调整输气量，对于本实施例中长度为1m的反应器输气量为1-10L/min，气体通过曝气孔7分散到藻液中，最后聚集在套管顶部，如图3所示，由出气管3排出，藻液培养完成后由出液管6进行采收。
本发明采用外部光源，人工光源和自然光源均可；本发明采用套管式结构，由实施例中内外管直径分别为100mm和200mm的反应器为例，如图2-1和图2-2所示，在不考虑透明管材透光率的情况下，假设微藻陪养时，光径超过0.1m后的光强不利于藻细胞的生长(传统管式光生物反应器管径一般不超过0.1m)。则直径为0.2m的传统的管式反应管中，不利生长区10占总生长区的39％；透明外管1直径为0.2m，透明曝气管2直径为0.1m的套管式光生物反应器中，不利生长区10占总生长区的19％。减弱了增加管径带来的光衰减现象，使通过增加管径来扩大化培养成为可能。
另一方面，如图3所示，通过透明曝气管2上的微孔(曝气孔7)曝气后，气泡11向上流动，带动藻液的循环，如液体流向Q所示，背光区微藻和向光区微藻的循环流动，使藻细胞处于一种光暗交替的状态。不同的光暗比和循环周期可以通过调节内外管径、气体流速、开孔方式来获得，从而精确的控制每个藻细胞的光照环境，解决了光衰减和光抑制的矛盾，提高了光能利用率。
在培养过程中，本发明反应器吸收了柱式反应器最大的优点，在藻液中增加了曝气系统，通过曝气孔7喷出气体来加强反应器中微藻、培养基和气体的混合，达到增强气液混合，强化气液传质的作用。本发明通过曝气孔7喷射出富含CO2的气泡11，分散到藻液中，可以随时为藻细胞的光合作用提供充足的CO2，大大提高了光合作用的效率。同时，控制系统可以根据pH传感器的反馈信息，通过调节进气流量和CO2的浓度来调节藻液中pH值，从而防止随着管长的增加造成的pH升高现象，使藻细胞处于最适合生长的pH范围，提高生长率。
本发明反应器中曝气孔7喷射出的气泡11在上升过程中带动藻液的流动，如液体流向Q所示，向光区内的藻细胞随藻液流动到背光区，并与富含CO2的气体充分混合。在混合过程中，藻液中的溶解氧与微气泡之间产生传质现象，溶解氧会扩散到气泡中，并随着气泡排出藻液。从而使微藻在整个生长周期内都能够及时的排出氧气，有效的控制了氧抑制和光氧化作用。而传统的管式光生物反应器由于光合效率、CO2、pH和溶解氧(DO)等方面的限制，使其管径不宜超过0.1m，单个连续培养段的长度不可超过80m。
如上所述，本发明套管式生物反应器具有独特的套管结构和曝气结构，从一定成度上解决了传统管式光生物反应器存在的技术问题，而且，本发明反应器的单个连续培养管段在理论上可以无限长，从很大程度上消除了它们对管尺寸的限制，使其更加适合扩大化培养。本发明可用于实验室小规模培养，也可用于微藻大规模培养。
本发明中的曝气孔在套管轴向上的分布方式可以采用均匀和非均匀两种方式。实施例中的实验用反应器管长仅为1m，培养方式采用非连续培养，即把待培养藻液一次性输进反应器中，培养完毕后，再一次性采收，故采用曝气孔均匀分布的方式即可；本发明应用于大规模培养时，整个反应器的管程很长，可采用连续培养方式，即进液管连续输入待培养的藻液，出液管连续采收培养完毕后的藻液，藻细胞在整个管程中完成生长过程，由于藻液在每个生长阶段所需的最佳环境不同，所以可以通过采用曝气孔非均匀分布的方式，调节不同生长阶段微藻的CO2供给、pH值和气液混合程度等参数，使其接近最佳的生长环境。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种套管式光生物反应器，包括管件和分别设置在所述管件两端的法兰，其中，一端法兰上设有进液管(9)，另一端法兰上设有出液管(6)，其特征在于：
所述管件为一透明套管，包括透明外管(1)和设置在所述透明外管(1)内、且与透明外管同轴布置的一透明曝气管(2)；
所述透明外管(1)的顶部设有排气管(3)，所述透明曝气管(2)的管壁上沿轴向设有一排曝气孔(7)，所述透明曝气管(2)的一端设有进气管(5)。
2.根据权利要求1所述套管式光生物反应器，其特征在于，所述透明外管(1)和所述透明曝气管(2)的两端均与设置在两端的法兰密封。
3.根据权利要求1所述套管式光生物反应器，其特征在于，所述透明外管(1)的外径为50～300mm，所述透明曝气管(2)的外径为30～200mm，所述透明外管(1)的外径至所述透明曝气管(2)的内径之间的径向厚度为5～15mm。
4.根据权利要求1所述套管式光生物反应器，其特征在于，所述排气管(3)的直径为30～100mm。
5.根据权利要求1所述套管式光生物反应器，其特征在于，所述曝气孔(7)位于透明曝气管(2)斜下方的管壁上。
6.根据权利要求1或5所述套管式光生物反应器，其特征在于，所述曝气孔(7)的孔径为0.5-4mm，其开孔方向为背光斜下角30°～60°。
7.根据权利要求6所述套管式光生物反应器，其特征在于，所述曝气孔(7)的孔径为1mm，所述曝气孔(7)的开孔方向为背光斜下角45°，所述曝气孔(7)的开孔间距为20mm。
8.根据权利要求6所述套管式光生物反应器，其特征在于，所述曝气孔(7)的孔径为1mm，所述曝气孔(7)的开孔方向为背光斜下角45°，所述曝气孔(7)为非等距布置。
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