CN102746982A - 多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明的多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器，外形呈直角梯形，根据采光的不同，在结构上分为三个层次，顶部为开放式跑道池模式，顶部液面与反应器之间有一段空气区域，防止微藻附壁。梯形结构的倾斜面向内深入的部分，为平板反应器的结构模式，该区域的底部有气体分布板，曝气时气泡沿倾斜壁面上升可抑制微藻附壁，该倾斜面顶部有壁面清洗装置，该装置可用于带有直立面的反应器内壁的清洗，反应器内部自然光入射不到的地方，安装冷光源，并配有壁面开有微孔的透明的灯罩，灯罩外端有进气管，向灯罩内通气体进行壁面曝气，防止微藻附壁，该反应器极大地增加了培养的规模，同时抑制微藻附壁生长，可长时间高效率的培养微藻。

Description

多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器

技术领域

本发明涉及光生物反应器领域。

背景技术

微藻是一种个体微小、光能自养的微生物，细胞大小在微米级别，其体内营养丰富，细胞内含有：蛋白质、脂类、藻多糖、β-胡萝卜素、多种无机元素(如Cu，Fe，Se，Zn等)等高价值的营养成分和化工原料，使其在生物饵料、食品、医药、基因工程、液体燃料等领域具有很好的开发前景。

当前培养微藻采用开放式和封闭式两种模式，具体是开放的跑道池及封闭的光生物反应器，开放式的培养模式由于易受外部细菌的干扰、季节变化大、培养条件难于控制，不适用于培养高价值的藻种。我国目前在光生物反应器的设计及制造上主要有以下几种类型：平板光生物反应器、管道光生物反应器、柱状光生物反应器以及封闭的浅池光生物反应器，这些反应器在优化了培养条件后，可以实现高密度的微藻培养，但由于受光路径的限制，平板光生物反应器的宽度在20厘米左右，封闭的浅池光生物反应器所培养的藻液深度在20-30厘米，管道光生物反应器的管径一般小于10厘米，因此现有的光生物反应器，难于大规模的培养微藻，而要增加微藻培养的规模，一般是多组反应器并联或串联培养，但这又会增加对每个反应器在线监测的成本及控制调节培养液的成本，由此，开发成本低、容量大、培养条件易于控制的光生物反应器是微藻培养的关键。

采用光生物反应器培养微藻有很高的效率，但微藻在生长过程中会不断分泌粘性物质，使其附着在反应器的内壁上，随着附壁微藻密度的增加，光线穿透能力随之减少，致使微藻的光合作用降低，进而极大地降低反应器的生产效率。当前的平板光生物反应器、薄膜袋式光生物反应器、管道光生物反应器、柱状光生物反应器都存在反应器内壁清洗难的问题。而且缺少培养过程中可简单、自动化运行的清理设备。而能够自动清洗反应器内壁附着的微藻是光生物反应器用于工业化大规模生产的关键，因此在反应器的设计上应尽可能的抑制微藻附着在反应器的受光面上。

发明内容

本发明的目的在于解决当前光生物反应器所面临的容积小，难于大规模培养的问题；同时解决微藻生长过程中附壁而影响其光合作用的难题。此外，在设计上考虑到充分利用自然光为培养的微藻的光能，从而节省能耗、降低成本。

本发明在设计上优化近年来在反应器结构上的突出特点，在保证微藻高培养效率的基础上，突破了反应器外型上固有的结构，该反应器在外形上呈直角梯形，其中的梯形顶部和斜边部分的反应器壁采用可透光的材质，通过利用太阳光，使微藻进行光合作用，在反应器内部自然光达不到的区域，通过内置人工冷光源来提供光照。从而创新性的实现了一个反应器具有三种不同培养微藻的模式，进而使反应器具有更大的培养规模。

本发明根据反应器各个区域利用光照的不同，分出三个不同层次的采光区域，根据这些采光区域特点，同时考虑抑制微藻附壁生长的需求，对反应器相应采用如下不同的设计：

所述的反应器的顶部采用的是开放的跑道池培养微藻的模式，光能主要来自于顶部入射的太阳光，在该区域中培养液的液面与顶部的透明反应器壁之间预留一段空气区域，以防止培养的微藻附着顶壁生长。在该部分的空气与液面的结合处有一个横置的“V”字形排气溢液口，其作用是一方面导出从培养液中溢出的气体；另一方面起到溢流的作用，控制反应器中的培养液有一个固定的高度，保证其上的空气区域始终存在。在横置“V”字形排气溢液口的外端部有相应的滤菌膜，防止细菌进入反应器内部。

所述的反应器呈直角梯形，其梯形结构中倾斜边所在侧面向内的一段自然光能够穿过的区域是类似平板光生物反应器的结构模式，该区域中用于采光的透明的反应器壁与底板有一定倾斜角，该设计使底部曝气产生的气泡，沿倾斜的壁面上升，进而抑制微藻贴壁生长，此外在倾斜板的顶部有一个圆弧形凹槽，凹槽内有一个细直的清洗杆，清洗杆上包裹有清洗用的棉纱，清洗杆的两端各固定一个圆饼形的转轮，圆饼形转轮刚好卡扣在导轨内。导轨的宽度和内部凹槽的深度刚好容纳圆饼形的转轮，该导轨固定在倾斜面与另两个直立面相交处的直立面上，导轨的上下两端分别连接到反应器的顶部和底部，在清洗杆的中间位置设有可向上及向下拉的两根拉绳，其中向下的拉绳穿过位于反应器底部的滑轮，可以在需要时拉动清洗杆上下运动，由于棉纱是紧贴倾斜的壁面的，由此可以对壁面附着的微藻进行清除。该清洗装置可以用来对所有带有直立面的光生物反应器的内壁进行清洗。此外，在该采光区域的底部有一个与该采光区域等宽，与反应器等长的气体分布板，在气体分布板下端有一个用于暂存气体的气室，在气室的一端有一个进气管，通过进气管来向气室通气，继而通过气体分布板为该采光区域曝气。

所述的反应器中得不到光照的部分，则通过内置人工冷光源提供光照，冷光源的形状为普通的长管状，在光源外部有用透光材料制作的灯罩，灯罩的形状为圆柱形，其直径比光源管稍大，在圆柱形灯罩的底面及侧面均匀开有微小的曝气孔，对藻液进行曝气，由于是沿壁面曝气，因此可以极大的抑制微藻附壁生长，而气泡传输的路径与光照方向一致，有利于微藻进行光合作用，所设置的一系列带灯罩的内光源间隔一定的距离排布在反应器中自然光照射不到的地方，此时圆柱形灯罩伸入反应器内的端部刚好位于气体分布板边缘的上端，而圆柱形灯罩伸出反应器外的端部则连接有一个圆饼形的密封盖，其半径比圆柱形的灯罩大，该密封盖与灯罩紧密粘接，通过将此密封盖固定在反应器的外壁上，来达到固定灯罩及内光源的作用，在密封盖的中心有一个比灯管灯座的半径稍大的圆形孔，该孔的内边缘有螺纹，在圆形孔的一侧是一个联通到灯罩内部的气体进入管。密封盖的中心圆孔用于连接改进型的灯座头，灯座头的形状为两节圆柱连接体，其中一节圆柱较粗，而另一节圆柱较细，较细的圆柱用于连接内光源，该细圆柱体外部有螺纹，使其刚好能通过旋转进入密封盖中心的圆形孔内，两者能紧密结合，而较粗的圆柱体的端部的圆面上，有专门的外接电源线的插头，在两个圆柱体的交接部位有一个橡胶密封环，起到防止气体外泄的作用。由气体进入管将气体输送进灯罩内，依靠压力使灯罩内的气体从微孔溢出，进入藻液中，来实现壁面曝气。

本发明的反应器有相应的微藻及培养液添加的管道，该管道安装在与倾斜面相对的直立面的顶部以及与倾斜面相交的不含横置“V”字形排气溢液口的侧面的顶部，具体是有一个与反应器的壁面平行的管道，在该管道上垂直平行的连接多个等口径的短管道，该短管道的另一端连接到反应器上。由该管道向反应器内输送培养用的微藻，以及在实际的微藻培养过程中向反应器内添加营养物质。

本发明的反应器的底部有专门的藻液排出管道，具体是有一个与反应器壁面平行的管道，该管道上垂直平行的连接多个等口径的短管道，短管道的另一端连接到反应器侧面的最底端，在与壁面平行的管道的中间部位的外侧连接有一个与其垂直的等口径的管道，在该管道上安装有控制阀门。

本发明的反应器的内部还有专门的在线监测装置。具体包括温度传感器、浊度计、溶氧电极、PH电极，该检测装置统一的固定在一个特制的小型平板上，该小型平板位于与倾斜侧面相对的直立侧面的中心位置，在该平板上设有集线管，将各个监测装置的信号传输线束缚在该集线管内，该集线管由反应器的顶部伸出到反应器外，信号传输线的另一端连接着各个监测设备的显示器。

本发明的优点为：

1.本发明的反应器结构简单，易于安装；反应器的内空间大，便于内部培养液的湍流运动，有利于微藻的生长，反应器容积大，适于微藻的工业化大规模的培养。

2.反应器在设计上，通过采用顶部空气区域、侧面气泡沿倾斜的受光面上升、内部光源灯罩的壁面曝气，抑制微藻在受光面上附壁生长，从而保证反应器可长时间、高效率的培养微藻。

3.反应器在光源利用上，采用内外光源结合的形式，充分利用自然光可降低能耗，减少培养成本；根据利用光源的不同，反应器分成了三个微藻培养区域，从而扩大了反应器的培养规模。

4.本发明的反应器在与普通的平板光生物反应器、柱状光生物反应器培养相同规模的微藻时，由于其内部为一个联通的整体，可用一套在线监测设备实现对微藻培养状况的监测，使其监测成本相比较低。

附图说明

图1为多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器的主视图；

图2为多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器的后视图；

图3为多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器的右视图；

图4为多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器的左视图；

图5为多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器的俯视图；

附图标记：1-直角梯形箱体；2-管状冷光源；3-有微孔的圆柱形透明灯罩；4-气体分布板；5-气室；6-进气管；7-缠有棉纱的清洗杆；8-横置“V”字形排气溢液口；9-液面；10-导轨；11-藻液添加管；12-营养液添加管；13-藻液排出管；14-控制阀门；15-圆饼形密封盖；16-改进型灯座头；17-气体进入管；18-固定底座；19-滑轮；20-拉绳；21-集线管；22-带有监测装置的小平板

具体实施方式

以下结合附图和具体实施过程对本发明进行详细说明。

本发明的多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器包括：直角梯形的箱体、内光源装置、曝气装置、壁面清洗装置、微藻及营养液添加的管道系统、藻液排出管道系统以及反应器内部的在线监测装置组成。

多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器的直角梯形箱体的材质，可以完全用透光性好、强度高的有机玻璃制作，也可以仅对需要外部自然光照的梯形顶部及倾斜面采用透光性好、强度高的有机玻璃，而梯形的其他部分可以选用强度高、耐腐蚀、防水性好的塑料、建筑板材及钢材等。箱体的各个壁面通过型号为WD2104的102胶水来粘结，同时在各个粘结的结合处涂有防止漏水的细缝胶。为了增加反应器连接的强度及稳定性，在每个壁面的直角连接处用专门的金属加固装置及螺栓固定，并在所有的可能漏水的空隙处涂有细缝胶。

该直角梯形箱体内部接受不到自然光照的部分，间隔一定的距离安装一个带有微孔的圆柱形透明灯罩[3]，该灯罩的材料可以是无色有机玻璃，也可以是透明的塑料。该灯罩上均匀的开有微孔，在灯罩内有一个固定在灯座头上的管状冷光源[2]，在灯罩伸出反应器外的端部有一个圆饼形的密封盖[15]，然后再用型号为WD2104的102胶水将密封盖连同灯罩一块固定在反应器的外壁上，并在结合的部位涂有细缝胶防止漏液，然后用改进型的灯座头[16]连接管状冷光源[2]，之后再将该灯座头旋进密封盖的中心孔内，从而将内光源连同灯座头一起固定在该密封盖上，再将连接有电源线的插座头插入灯座头上，为内光源供电。在灯座头的一侧是一个气体进入管[17]，由此气体进入管将外部提供的CO2和空气的混合气体导入灯罩内，之后在压力的作用下使通入的混合气体由灯罩上的微孔喷射进入藻液中，即可通过这种壁面曝气的方式来抑制微藻附着，同时随着气体的传输，带动藻液的混合流动，有利于藻液内部的传质，通入的气体会上浮，则又会使溶解氧从藻液中分离出来，并将其带到反应器外。

该多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器的倾斜面的顶部有一个凹槽，其内有一个缠有棉纱的清洗杆[7]，清洗杆与反应器等长，其两端各固定有一个圆饼形的滑轮，该滑轮扣在斜边两侧的导轨[10]内，用螺丝钉将导轨固定在反应器直立的面与倾斜面相交处的直立面上，螺丝钉的外部涂有细缝胶，以防止漏水，在清洗杆的中间部位拴有两个可向上及向下拉的拉绳[20]，其中向下的拉绳穿过固定在靠近倾斜面底部的滑轮[19]，滑轮固定在反应器的底部的气体分布板[4]上，通过拉动清洗杆上的拉绳，使滑轮在导轨内滑动，从而带动清洗杆紧贴反应器壁上下滑动，进而清除附壁生长的微藻。

在倾斜面向内光线能入射到的区域为微藻采用平板光生物反应器进行培养的模式，在该区域的底部有一个气体分布板[4]，该气体分布板与反应器等长，宽度刚好为该光照区域的宽度，该气体分布板与反应器连接的部分均涂有细缝胶，以防止漏液，在气体分布板的底部是与其相连通的密闭的气室[5]，在气室的一侧有一个进气管[6]，由该进气管向气室内供气，然后由气体分布板为反应器内的藻液曝气，该部分气体上浮可带动藻液湍流运动，同时带走藻液中溶解氧。

在与倾斜面相交的一个直立侧面的顶部安装有一个横置的“V”字形排气溢液口[8]，该横置“V”字形排气溢液口的底部距离反应器顶部在5cm左右，该横置“V”字形排气溢液口通过型号为WD2104的102胶水粘结在反应器的外壁面上，在横置“V”字形排气溢液口的外端部有滤菌膜，用于防止细菌进入反应器内部，该反应器的在实际培养时，由反应器顶部的微藻及营养液添加管[11]，向反应器内部添加微藻并及时补充营养液，在培养过程中，用营养液添加管[12]向反应器补充营养液及酸碱调节物质，在反应器的底部有藻液排出管[13]，将完成培养周期成熟的微藻从反应器底部排出，在藻液排出管中间有一个的集液管，其上安装有控制阀门[14]。这些管道在连接过程中，三个相交的管通过三通来连接。两个管的垂直连接是通过PVC管90弯头来连接，管道与反应器的连接，是通过在反应器上开有与管道管径相同的孔，将管道伸入反应器内一小段的长度，之后用胶水涂在连接的缝隙处，来固定管道，并在所有管道与反应器相连的部位均涂有细缝胶以防止漏液。所用的所有管道均为PVC管，在反应器的底部间隔一定的距离设置一对固定底座[18]，根据反应器的规模可设置几对，该底座的材料可为木质材料简单制成，底座所支撑的反应器底部的高度，以使底部的气室离开地面为宜。

在该反应器的内部安装有相应的在线培养装置，具体的检测装置包括温度传感器、浊度计、溶氧电极、PH电极，该检测装置统一的固定在一个特制的小型平板上，该小型平板固定在反应器与倾斜面相对的直立面的中心位置，在该平板上设有集线管，将各个监测装置的信号传输线束缚在该集线管内，该集线管由反应器的顶部伸出到反应器外，信号传输线的另一端连接着各个监测设备的显示器。以便实时的监测培养液的变化及微藻的生长状况，以便及时的补充营养液、进行曝气、添加酸碱调节物质，使微藻处于最佳的生长状态。

Claims (10)

1.多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器，包括：直角梯形的箱体，曝气装置，抑制附壁装置，内壁清洗装置，内光源装置，微藻及营养液添加管道，藻液排出管道，培养条件在线监测控制装置；其特征在于：

反应器顶部采用跑道池结构模式，反应器内藻液的液面[9]与反应器的顶部有一段空气区域，空气区域下是一段深度为20-30cm的依靠外部自然光进行光合作用的区域，该区域内无任何曝气装置、搅拌装置以及光源装置，只在距离反应器顶部5cm的外侧壁面有一个横置“V”字形排气溢液口[8]，该开口用于排气溢液，横置的“V”字形排气溢液口的外端有滤菌膜；

反应器的倾斜面向反应器内深入20cm的区域是平板光生物反应器结构模式，该区域依靠外部光源进行光合作用，该区域内只在底部有与该区域等长等宽的气体分布板[4]，在气体分布板下部是一个暂存气体的气室[5]，在气室的一端有相应的进气管[6]；在该处倾斜面的内壁上有一套清洗装置，其包括：位于倾斜面顶部的缠有棉纱的清洗杆[7]，位于倾斜面与直立面相交处的直立面上的导轨[10]，位于底部气体分布板上且紧靠倾斜面的滑轮[19]，以及穿过滑轮连接到清洗杆上的拉绳，拉绳有两根，一根向下穿过滑轮，一根向上，两根拉绳均通过顶部的开孔伸出到反应器外；

反应器内自然光入射不到的区域为人工光源培养区域，该区域的结构大体呈长方形，在其内间隔一定的距离安装由管状冷光源[2]及有微孔的圆柱形透明灯罩[3]构成的内光源装置，内光源装置的灯罩伸出反应器外的端部有圆饼形密封盖[15]，密封盖上连接有改进型灯座头[16]，在灯座头的一侧有一个气体进入管[17]；

反应器与倾斜面相对的直立面的顶部，以及与倾斜面相交的不含横置“V”字形排气溢液口的直立面的顶部，分别安装有藻液添加管[11]和营养液添加管[12]，在反应器与倾斜面相对的直立面的底部有藻液排出管[13]。

2.根据权利要求1所述的多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器，其特征在于，所述的反应器的外形为直角梯形箱体[1]，梯形结构倾斜面的倾斜角控制在85度左右，梯形的顶部和斜边所在的面采用透光好、强度高的有机玻璃制作。

3.根据权利要求1所述的多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器，其特征在于，所述反应器沿着倾斜面的长为1-500m，垂直倾斜面的宽为0.5-2.5m，高度为0.5-2m。

4.根据权利要求1所述多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器，其特征在于，所述的内壁清洗装置为位于倾斜面顶部的缠有棉纱的清洗杆[7]，位于倾斜面与直立面相交处的直立面上的导轨[10]，位于底部气体分布板上且紧靠倾斜面的滑轮[19]，以及穿过滑轮连接到清洗杆上的拉绳，拉绳有两根，一根向下穿过滑轮，一根向上，两根拉绳均通过顶部的开孔伸出到反应器外。

5.根据权利要求4所述的清洗杆，其特征在于，杆的结构是细长的直杆，直径在2cm左右，选用强度高、耐腐蚀的材质制成，直杆外缠有清洗用的棉纱，所缠棉纱的厚度，控制在清洗杆沿壁上下运动时，棉纱能紧贴反应器内壁为宜；清洗杆的两端各固定一个圆饼形的滚轮，杆上有可以向上及向下拉的两根拉绳[20]；向下的拉绳穿过正对该绳的位于反应器底部的滑轮[19]，两根拉绳均通过反应器顶部的开孔伸出反应器的外部。

6.根据权利要求4所述的导轨，其特征在于，该导轨位于与倾斜面和直立面相交处的直立面上，该导轨与普通导轨结构类似，其宽度和导轨槽的深度控制在使其刚好容纳圆饼形的滚轮为宜，该导轨的上下部分均连接着反应器的顶部和底部。

7.根据权利要求1所述的多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器，其特征在于，在反应器内自然光入射不到的区域安装由管状冷光源[2]及有微孔的圆柱形透明灯罩[3]构成的内光源装置，其在反应器内的位置是：最靠近反应器底的一排内光源装置与底部的距离为20cm，之后光源装置依次向上部空间排开，向上纵向的以40-50cm的距离排开，最上端的一排内光源装置与液面的距离为50cm，横向并排的每个内光源装置的间距为40-50cm。

8.根据权利要求1和7所述的灯罩，其特征在于，灯罩的形状为圆柱形，其半径比所采用灯管的大2cm，灯罩的材质可选用透明的薄的有机玻璃、塑料、钢化玻璃、普通玻璃构成，在其上均匀的开有细小的微孔，灯罩伸入反应器内的端部刚好位于气体分布板[7]边缘的上端；灯罩伸出反应器外的端部则连接有一个带有改进型灯座头[16]的圆饼形密封板[15]，同时在密封板的一侧有往灯罩内通气的气体进入管[17]。

9.根据权利要求8所述的微孔，其特征在于，微孔的孔径在10um-0.1cm，微孔均匀的分布在圆柱形灯罩的底部圆面及侧面上，各个微孔彼此的间距在根据所培养微藻的规模及微孔孔径的不同，可设置在0.1cm、0.2cm、0.3cm、0.4cm、0.5cm五种规格。

10.根据权利要求1所述的多层次可抑制微藻附壁生长的大容量箱式光生物反应器，其特征在于，所述的改进型灯座头的形状为两节圆柱连接体，其中一节圆柱较粗，而另一节圆柱较细，较细的圆柱用于连接管状冷光源[2]，较细的圆柱体外部有螺纹，该圆柱体刚好能通过旋转进入密封盖中心的带有螺纹的圆形孔内，使两者能紧密结合；较粗的圆柱体的端部的圆面上有专门的外接电源线的插头，在两个圆柱体的交接部位有一个橡胶密封环，起到防止气体外泄的作用。

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