CN103131627A - 一种光生物反应装置及应用 - Google Patents

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Abstract

一种新型光生物反应装置，可用于微藻及其他光合生物细胞悬液的培养。该装置包括湍流式多级球形反应器、反应器恒温套管、循环导流管、循环导流管恒温套管、沉降罐、气体入口、气体分布器、放料口、光源、恒温水浴器和气体流量计等。该装置为半连续性循环气升式光生物反应器，细胞悬液在反应器中呈湍流上升式，处于闪光环境，可实现恒温培养。该光生物反应装置具有培养温和、液体混合好、气液传质强度高、剪切力低、生长迅速、生物细胞密度高，并可连续收获等优点，有很高的经济价值和工业应用前景。

Description

一种光生物反应装置及应用
技术领域
本发明涉及一种新型的光生物反应装置，该装置适合微藻及其他光合生物细胞悬液的培养。
背景技术
微藻是一类具有重大应用价值的生物资源，采用光生物反应器进行微藻的人工培养解决微藻规模化培育放大的重要途径。
目前封闭式光生物反应器主要是管道式和板箱式两种，在两种光反应器中，培养液的循环采用泵和气升两种方式，由于气升式循环对细胞的剪切作用较小，在提供藻液流动的同时，还有助于气体交换。
中国专利CN1472305A报道了一体式的气升式光生物反应器，该反应器包括罐体、提升管、气体分布器，其中筒形提升管与罐体同轴；气体分布器由罐顶中心延伸至底部，下部与罐体底部留有距离以便培养液循环。
中国专利CN2384948Y报道了一种基于内外光源结合的气升式内环流光生物反应器，该系统主要由罐体、气体提升管、内光源密封管、热交换装置、气体分布器、内外光源能部分组成。其核心技术是：采用日光灯管作为内外光源；采用气体分布器使通入的混合气体形成细小的气泡，提高气液的传质面积与效果；采用热交换装置加热或冷却培养液温度。
中国专利CN101899391A提出微藻的人工培养涉及几个问题，微藻培养过程中要使二氧化碳和培养液混合充分，提高二氧化碳的利用率，并不断去除过量的氧补充二氧化碳，否则抑制微藻的生物合成；微藻生长具有光合作用，从光照中获取能量，需选择合适的光源供给能量；微藻生长需要一个合适的温度，需要能使温度均匀的热分布器；藻类个体细胞较大，易于挂壁，照成光照度和生物量的损失，需要辅助装置清除挂壁物质。
温度和光照一直是微藻养殖中最为关键的两个因素。微藻的适宜生长温度一般在15～35℃，温度太低会造成微藻生长停滞，温度太高将会造成微藻大批死亡，因此微藻养殖过程的温度调控非常重要。目前的微藻养殖系统一般采用自散热的温度控制形式，在一般光照条件下能够满足微藻生长的温度要求。但是如果遇到高温环境或者持续高光强照射，微藻养殖液的温度会持续升高，造成微藻生长不良或者死亡。另外光照条件是微藻生长的一个决定因素。微藻对于持续光照条件下的光强都有一个适应范围。太弱的光照会使微藻停止生长，太强的光照将导致微藻的光损伤，引起大批死亡。微藻的高密度培养一直是解决微藻大规模养殖经济性的重要途径。但是随着微藻的生长，藻密度不断提高，藻体之间的相互遮光效应显著，会使养殖器内部的微藻由于接触不到光照而停止生长，只有加大照射光强才能解决这一问题，然而过高的光强又会使养殖器外层的微藻受到光损伤。因而，高光强与微藻高密度养殖之间产生了矛盾。研究表明闪烁形式的光照射能够大大提高微藻的光能利用效率，而且微藻的适应光强也大幅度提高，即闪光效应。这是解决高光强与高密度微藻养殖之间的矛盾的一条有效途径。另外一个解决高光强与高密度微藻养殖之间的矛盾的方法是采用藻液循环的养殖方式，该种形式会加强藻液内部的闪光效应，另外还可以缓解微藻高密度养殖过程中的藻体沾壁遮光问题。
因此，本领域中需要一种合理地解决高光强与高密度微藻养殖之间的矛盾的技术方案，以获得实现微藻的大规模高效人工养殖的光生物反应装置。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种新型的光生物反应装置，其集成了现有密闭式微藻养殖系统的优点，解决了人工培育涉及的几个主要问题，提供一整套布局合理、高效培养微藻细胞的解决方案。
本发明提供了一种光生物反应装置，其包括湍流式多级球形反应器、循环导流管、沉降罐、气体入口、气体分布器、放料口、光源和气体流量计。本发明的光生物反应装置所采用的培养方法是半连续性、循环气升式的，即培养液在反应器中时湍流上升式。
在本发明的一个优选实施方案中，所述湍流式多级球形反应器指当液体(例如培养液)从其中流过时产生湍流的反应器，一般是由多个球体或类球体相串联而成的反应器(例如，呈串珠状结构反应器)，因此培养液在反应器内的流动呈湍流式，利于加强藻液中的闪光效应。组成本发明的多级球形反应器的各个球体或类球体可以具有不同的内径。在一个优选的实施方案中，本发明的湍流式多级球形反应器球形(最宽处)和变径(最窄处)的内径之比在1∶(0.1～0.9)，最佳范围是1∶(0.3～0.7)。
在本发明的另一个实施方案中，所述湍流式多级球形反应器下部有气体分布器和气体入口相连，因此气体呈上升式，一方面产生闪光效应，另一方面带动藻液循环，对藻细胞损伤小。
在本发明的另一个实施方案中，所述湍流式多级球形反应器的上部和循环导流管相连，培养液在湍流式多级球形反应器中呈上升式，在循环导流管中呈下降式，形成循环流化系统，使藻液在循环过程中交替接受光照射。
在本发明的另一个实施方案中，其特征在于湍流式多级球形反应器底部连接沉降罐，沉降罐下端连接放料口，可形成采收-培养半连续性养殖系统。
在本发明的优选实施方案中，反应器和导流管都带有恒温套管，即反应器恒温套管和循环导流管恒温套管，两者可由恒温水浴器控制温度，使该系统培养微藻是在可调变的恒温体系下完成。因此可有效地避免因光照过强而使藻液局部过热，或环境温度过低不利微藻生长等情况的发生。
在本发明的光生物反应器中，所述光源采用荧光灯、日光、两者的混合光、或两者交替使用。交替时间可根据日光强度为每天日光照射4-8小时，荧光灯照射4-20小时。此外，在培养的微藻是光合作用微藻的情况下，光源也可以是发出类似于日光的波长的光源，并且按照适合于培养的微藻类型的光暗周期和照射强度发射光。在本发明的光生物反应器中，气体分布器的设计不受限制，可以采用单孔多孔式气体喷嘴，也可是圆形或环形的多孔板等。
在本发明的光生物反应器中，湍流式多级球形反应器是透明的，或是仅仅需要透过光线的部分是透明的，可采用能透射光线的高硅玻璃、有机玻璃或亚克力材质制成。
在本发明中，可以通过改变光照的频率或光暗比、光照时间和供料速度或出料速度(即，培养液流速)来控制湍流式多级球形反应器中微藻培养液的温度，也可以通过恒温水浴的方式控制温度，例如，控制在25-30℃。反应器中通入的气体不受限制，可以采用本领域中常用的混合气，例如含3wt％CO2空气混合气，等等。在本发明的优选实施方案中，采用恒温水浴器，并且可通过制热或制冷来控制温度。
在本发明的另一个优选实施方案中，所述装置可以是单个装置也可以是多个装置串联形成的系统。
本发明的光生物反应器适于微藻及其他光合生物细胞悬液的培养。由于本发明采用气升式培养，因此特别适于机械抗性较弱的藻株，因为这种培养方式对藻细胞的损伤较小。本发明可以适用的藻类包括所有淡水和海水单细胞藻类，优选类型包括金藻、螺旋藻、硅藻、盐藻、小球藻等。
本发明的有益效果：
1.本发明相对其他光生物反应系统，做到了真正的气升式循环流化系统，并不是在反应罐体内气升式上下搅拌。
2.在本发明的光生物反应器中气液充分混合，提高利用效率，具有广口的放料口也易于多余氧气移出。
3.本发明的光生物反应器培养温度易于控制，不限光源，培养温度恒定、温和，易于微藻生长。
4.采用本发明的光生物反应器培养出高密度微藻后可从沉降罐放料口放出高密度藻液，再稀释后继续培养生长，实现半连续式培养方式。
5.本发明的光生物反应器还可以通过光源的闪烁式照射使培养的微藻产生闪光效应，从而提高微藻的光能利用效率，实现微藻的高光强和高密度培养，从而有效地进行微藻的大规模养殖。
6.本发明的光生物反应器操作简单，培养易于重复，培养温和、液体混合好，气液传质强度高、剪切力低，生长迅速，生物细胞密度高，并可连续收获，具有更高的经济效益，有较大的工业放大应用前景。
附图说明
图1图示了根据本发明的光生物反应装置单元的示意图。
图2图示了根据本发明的多套串联的光生物反应装置形成的光生物反应系统的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种新型光生物反应装置，图1中图示了根据本发明的一个实施方案的光生物反应装置的结构配置和组成部件。图1中的光生物反应装置包括湍流式多级球形反应器(1)，反应器恒温套管(2)，加料接种和取样分析口(3)，循环导流管(4)，循环导流管恒温套管(5)，反应器下部沉降罐(6)，气体入口(7)，气体分布器(8)，放料口(19)，反应器和循环导流管恒温水套进出口(9，10)，光源(11)，恒温水浴器(12)，空气源(13)，CO2气源(14)，气体流量计(15)，缓冲罐(16)，气体过滤器(17)，气体调节阀(18)。
在运行时，可控制调节的空气和二氧化碳经转子流量计后进入缓冲罐(16)混合缓冲，经过气体过滤器(17)过滤后，经气体调节阀(18)，调节好一定流量，再通过气体入口(7)到达气体分布器(8)，进入湍流式多级球形反应器(1)，湍流式多级球形反应器(1)上部和循环导流管(4)相连接，湍流式多级球形反应器(1)下部和沉降罐(6)相连接，沉降罐(6)和循环导流管(4)下部连接。
整个光生物反应器装置的循环方式是，微藻经放料口(8)进入装置后，经过气体气升从湍流式多级球形反应器(1)底部气升至上部，再经过循环管(4)向下循环至反应器下部沉降罐(6)返回湍流式多级球形反应器(1)底部进行再次循环。湍流式多级球形反应器(1)和循环导流管(4)都分别带有反应器恒温套管(2)和循环导流管恒温套管(5)，通过恒温水浴器(12)制热或制冷来控制微藻培养温度。当藻液密度很高时，微藻将沉降在反应器下部沉降罐(6)，可从放料口(19)放出高密度藻液，再稀释藻液继续培养，实现半连续式养殖方式。加料和营养液及取样分析都可在加料接种和取样分析口(3)进行，沉降罐(6)取样分析可从放料口(19)进行。
图2是将本发明的光生物反应装置多套串联形成的光生物反应系统，该图图示了两套光反应装置串联的方式，其中第二个光反应装置中的标记数字后面加上’和第一个光反应装置相同标记数字的是相同的部件，例如5和5’都是循环导流管恒温套管。两个串联装置链接方式主要是第一套光反应装置的循环导流管(4)下部和第二套的沉降罐(6’)相连，第二套光反应装置的循环导流管(4’)下部和第一套的沉降罐(6)相连。培养液(微藻)在装置中循环装置方式和单套装置相同。
采用多套串联培养方式和单套培养方式相比最主要是可以扩大培养规模，规模较大的单套装置中湍流式多级球形反应器的成本较高，可以通过多套串联的方式降低成本。多套串联培养方式操作灵活，易于控制光暗比，有利于提高微藻培养密度。
以下通过实施例对本发明做进一步说明。实施例仅用来说明本发明的实施方法和效果，并不以任何形式限制本发明。
实施例1
采用如图1所示光生物反应装置，湍流式多级球形反应器球形直径为50mm，整个系统有效容积为2升，气体分布器直径为10mm的玻砂烧结多孔板，孔径为80微米。整个系统都为硬质硅硼玻璃制作。反应器四周均匀分布2-4支30W荧光灯管。培养等鞭金藻(Isochrysis galbana)，恒温水浴控制在25-30℃，通入含3wt％CO2空气混合气，气体流量为200ml/min，接种密度为0.15g/L干重，培养5天后藻细胞最终密度达2.5g/L。
实施例2
采用与图1所示装置具有相同配置的光生物反应装置，其中湍流式多级球形反应器球形直径为35mm，整个装置有效容积为1.1升，气体分布器直径为6mm的多孔喷嘴，孔径为100微米。整个系统都为硬质硅硼玻璃制作。反应器四周均匀分布2-4支30W荧光灯管。培养等鞭金藻(Isochrysis galbana)，恒温水浴控制在25-30℃，通入含3wt％CO2空气混合气，气体流量为200ml/min，接种密度为0.15g/l干重，培养3天后，将沉降罐中藻细胞密度达1.5g/L溶液放出后，添加消毒后海水稀释后继续培养，再培养3天后，再将沉降罐中藻细胞密度达2.0g/L溶液放出后，再添加消毒后海水继续培养，再培养3天，最终的藻细胞密度是4.0g/L。
实施例3
采用如附图2所示由两套单元光生物反应装置串联而成的光生物反应系统，其中湍流式多级球形反应器球形直径为50mm，整个系统有效容积为5.0升，气体分布器直径为6mm的多孔喷嘴，孔径为100微米。反应器四周均匀分布2-4支30W荧光灯管和采集的一定强度的太阳光配制成混合光在一定距离进行照射，通入含3wt％CO2空气混合气，气体流量为300ml/min，接种密度为0.13g/L干重，培养7天后藻细胞最终密度达2.8g/L。
实施例4
和实施例1相同条件的培养方式，区别在于用电源控制器控制光源，使光源采用闪烁照射方式即光照射和无光照射交替进行，光照射和无光照射时间比为1∶3，，培养5天后藻细胞最终密度达3.0g/L。
实施例5
和实施例3相同条件培养方式，区别在于采用荧光灯管和采集的一定强度的太阳光在一定距离进行交替照射，每天太阳光照射4小时，荧光照射10小时，无光照时间10小时，培养7天后藻细胞最终密度达3.0g/L。

Claims (10)

1.一种光生物反应装置，其包括湍流式多级球形反应器、循环导流管、沉降罐、气体入口、气体分布器、放料口、光源和气体流量计，其中所述湍流式多级球形反应器由多个球体或类球体相串联而成。
2.根据权利要求1所述的光生物反应装置，其特征在于所述气体分布器和气体入口相连，位于湍流式多级球形反应器下部。
3.根据权利要求1或2所述的光生物反应装置，其特征在于所述的湍流式多级球形反应器的上部和循环导流管相连，培养液在湍流式多级球形反应器中呈上升式，在循环导流管中呈下降式，形成循环流化系统。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光生物反应装置，其特征在于湍流式多级球形反应器的下部连接沉降罐，沉降罐的下端连接放料口。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光生物反应装置，其还包括反应器恒温套管和循环导流管恒温套管，两者由恒温水浴器控制温度。
6.根据权利要求书1-5中任一项所述的光生物反应装置，其特征在于所述光源采用荧光灯、日光、两者的混合光、或两者交替使用。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的光生物反应装置，其特征在于所述的气体分布器可以是单孔或多孔式气体喷嘴，也可以是圆形或环形的多孔板。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的光生物反应装置，其特征在于光源采用闪烁式照射。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的光生物反应装置，其特征在于该装置可以是单个使用也可多个串联式使用。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的光生物反应装置，其特征在于该装置用于微藻及其他光合生物细胞悬液的培养。
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