CN103966074A - 箱式微藻固定化培养光生物反应器 - Google Patents

箱式微藻固定化培养光生物反应器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种箱式微藻固定化培养的光生物反应器，其特征在于：包括可透光的反应器箱体2和纵向悬设在箱体内作为微藻生长载体的若干组吸附材料3，所述反应器箱体底部设有微藻生长的培养液11，以及将培养液输送往吸附材料上方的培养液循环系统A，空气供给系统B将一定浓度的CO2混合气从反应器箱体侧面通入。本发明用于微藻固定化培养的光生物反应器具有占地面积小、单位面积产量高、微藻对营养及光能的利用效率高、容易进行扩大规模培养等优点。

Description

箱式微藻固定化培养光生物反应器
技术领域：
本发明公开了一种箱式微藻固定化培养光生物反应器，属于微藻培养系统领域。
背景技术：
开发生物质能源技术，降低对原油的依赖已经成为我国能源应用可持续发展的关键。生物质能源作为唯一可以转化为液体燃料的可再生能源，是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。伴随着国际能源危机加剧，国际油价不断飙升，以及由于大量使用传统化石燃料造成的大气中二氧化碳（CO2）含量升高，自然环境恶化等问题，人们对于低碳、环保的新能源的需求越来越迫切。微藻能够将CO2转化成潜在的生物能源、食品、药品以及作为饲料，被誉为“直接由太阳驱动的生物工厂”。利用微藻能够制造多种生物燃料，包括由微藻生物质的厌氧消化作用产生的甲醇，对微藻油进行酯基转换所得到的生物柴油，以及通过生物光合作用产生的氢气。微藻的生长极其迅速，24 h内其生物质就能够翻倍，在对数生长期内则只需要3.5 h。微藻的含油量能占到其干重的80%，含油量达到20-50%的也不在少数。总而言之，以微藻为原料制造生物柴油具有非常好的应用前景。
然而，微藻是一种单细胞的微生物，细胞直径为5-10μm。传统的悬浮式培养方式，存在培养密度低，生物质采收困难等问题，严重阻碍了微藻的大规模生产。目前，在研究、开发和生产中均需使用不同的光生物反应器，诸如开放式反应器中的跑道池反应器（open pond），以及封闭式反应器（photobioreactor, PBR）中的管式、平板式和柱式反应器。两类反应器都是以微藻的悬浮培养方式进行的。其中，跑道池反应器的优点在于建造和运行成本较低，但由于光照面积/体积比较小，表层液体与底层液体的混合较差，因此只有表层藻细胞能够接受较充分的光照，而底层藻细胞则不能接受到充足的光照；另外，跑道池运行的水深较浅，一般只有5-30厘米，通气过程中气液接触时间短，因此向培养液中补充CO2的吸收率低，限制了藻细胞的光合作用。因此，跑道池培养的细胞生长速度与培养密度均较低；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，尽管单细胞微藻光和效率是植物的10-50倍，但在反应器中仍有很大一部分微藻不能接受到充足的光照。封闭式反应器一般采用透光材料（如有机玻璃、塑料膜、玻璃）等制成，设计的光径小、培养系统的光照面积/培养体积比较大，所以细胞光照较充分；通气的气液接触时间长，培养液中溶解的CO2浓度较高，因此细胞生长速度与培养密度均较跑道池高；但封闭式反应器通常造价昂贵、运行成本高、维护困难，大规模运行困难。
微藻的收获环节是微藻生产过程中的重要环节，约占微藻生物油生产成本的20-30%。悬浮培养方式的收获阶段，需要去除90%以上的水从而获得微藻生物质。微藻的收获方法包括采用物理方法的离心、沉淀、过滤等，以及采用化学方法的絮凝等，存在设备投入大、耗能、耗时、污染水源等缺点。微藻原料成本占到生物柴油生产总成本的70%以上，微藻生产过程中如何促进微藻实现高速生长，减少微藻生产所需要的占地面积和增加单位面积产量成为了一个研究重点。
在科研实践中，微藻细胞并不一定需要在水体中生长。利用琼脂固态培养基支撑培养皿平板或试管斜面用于微藻的培养在实验室中早有应用，但主要用作藻种筛选与/或保藏，一般在光照培养箱内培养，其设计细节并不能直接应用在大规模培养当中。微藻细胞的这一特点使得设计微藻固定化培养的光生物反应器成为可能。
固定化培养的发展初衷是针对污水处理中如何快速将处理后的污水与微藻生物质分离这一问题，而这一概念发展至今已经转变为如何实现在微藻的培养过程中减少收获的难度，提高微藻生物质在单位面积上的产量。最具有典型代表的是Algae Turf Scrubber-ATS系统。该系统中的微藻固定在载体上，培养液从微藻生物质上流过；在收获阶段只须将微藻从载体上刮下即可。另外，该系统能够实现扩大培养。将该系统同时用于产油微藻的培养已经取得一定成果。除了ATS系统，人们针对微藻吸附的载体也进行了广泛的研究，例如使用孔径为0.45 μm的纤维滤纸作为微藻吸附的载体，在户外培养中获得了50-80 g m-2 d-1的生物质产量；以微藻在水泥表面形成生物膜作为培养方式，获得了96.4 kg/m2的总生物质产量，含油率达到26.8%。因此，固定培养以其占地面积少、收获方便、对液体培养液需求量少等优点，已经成为微藻研究领域的一个重要方向。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种箱式微藻固定化培养的光生物反应器。该反应器具有生物质采收方便的重大优势，此外，还具有占地面积小、单位面积产量高、微藻对营养及光能的利用效率高、容易进行扩大规模培养等的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明箱式微藻固定化培养光生物反应器，其特征在于：包括可透光的反应器箱体2和竖向悬设在箱体内作为微藻生长载体的若干组吸附材料3，所述反应器箱体底部设有微藻生长的培养液11，以及将培养液输送往吸附材料上方的培养液循环系统A。
为了设计合理，循环效果好，上述培养液循环系统包括设在培养液中的水泵10、设在吸附材料上方以供给吸附材料培养液的循环管路1，以及连接水泵和循环管路的输送管路12。
为了有利于吸附材料的安装固定，上述吸附材料3外围套置有吸附材料的支撑单元4，所述支撑单元由透光材料制成的长方体结构，吸附材料支撑单元顶部及侧部钻有小孔以便培养液的流入和流出。
为了设计合理，上述循环管路1连通输送管路12后依次连接在支撑单元4上方，以形成迂回状。
为了微藻生长效果更好，使上述反应器箱体旁侧连接有空气供给系统B，以将混合空气通入反应器箱体内。上述空气供给系统包括有空气/CO2混合室9、输往空气/CO2混合室的空气管路13和输往空气/CO2混合室的CO2管路14。空气管路13输入端与空气供给装置5连接；CO2管路14输入端与CO2供给装置连接。
上述空气管路13和CO2管路14，以及空气/CO2混合室通往反应器箱体的管路15上均设有流量阀7和流量计8。
为了便于控制，上述空气和二氧化碳通气间隔的控制是通过采用时间继电器控制空气泵的通断，通/断时间在15s/30s到15s/120s。
为了更有利于微藻生长，上述反应器箱体侧面设有光照控制系统12，所述光照控制系统为自然光源或人造光源。上述光照强度控制在60-250 μmol/m2/s；所述光照时间的调节在每天光照6-24小时。
本发明箱式微藻固定化培养光生物反应器工作原理：培养液循环系统将反应器箱体底部的培养液输送往吸附材料上方后输往吸附材料，培养液随后经过附着在吸附材料上的微藻后流回到反应器箱体底部，如此循环，使得微藻得以生长。
本发明箱式微藻固定化培养光生物反应器具有占地面积小、单位面积产量高、微藻对营养及光能的利用效率高、容易进行扩大规模培养等优点。
本发明的特点是，为微藻细胞提供可附着的固体材料表面，通过少量循环水为微藻细胞提供养分、保持湿润。与传统悬浮培养方式相比，本发明大大地减少了水源、营养盐的使用；本发明与传统的悬浮培养系统相比，微藻细胞只需保持湿润，光无需透过水体传输，使得光径大大减少，光在水体中的衰减可忽略不计；同理，微藻细胞更容易与各种营养元素（如CO2、培养液中的无机盐）充分接触，提高了微藻细胞对光能、CO2和营养元素的利用效率；本发明中微藻细胞的游动性减弱，位置相对固定在吸附材料上，降低了收获过程中生物质的脱水干燥难度；本发明中液体量较悬浮培养方式少，在培养过程中应用到的营养抑制以提高含油量、pH调控等策略均更易实现；本发明避免了传统悬浮培养方式在反应器大型化、高层化中遇到的由大量水体所造成的大压强问题；本发明反应器重量轻、材料要求低、造价便宜，吸附材料可多层密集放置，提高了空间利用率，从而大大提高单位面积产率，有助于推动微藻产业化的进程。
附图说明：
图1 是本发明箱式微藻固定化培养光生物反应器主视图；
图2 是图1的俯视图；
附图中主要部分代表符号：
A.培养液循环系统；B.空气供给系统；1.培养液循环管路；2.反应器箱体；3.吸附材料；4.吸附材料支撑单元；5.空气供给装置；6.CO2供给装置；7.流量阀；8.流量计；9.空气/CO2混合室；10.循环水泵；11.培养液；12.光照控制系统；13；空气管路；14.CO2管路；15.管路。
具体实施方式：
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
本发明光生物反应器主要由反应器箱体2、吸附材料3、吸附材料支撑单元4、物料循环系统包括培养液循环系统和空气供给装置、光照控制系统12、经济微藻组合而成。
反应器箱体2为长方体结构，长在300mm到1000mm范围内，宽在200mm到600mm范围内，高在400mm到1200mm范围内；至少具有一个透光面，透光面所用材料为透光材料，包括但不限于玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯，厚度在3mm到10mm的范围内；反应器侧面有一个直径为4 mm的小孔，连接来自空气/CO2混合室的气管。反应器前后面上分别开有三个槽，用来安装培养液循环管路1。反应器箱体2顶部有一个可拆卸的盖板，方便接种、补料、收获等操作。
吸附材料3采用对微藻细胞无毒或毒性轻微的，具有存液能力的多孔性材料，包括各类滤纸、滤布、海绵、聚氨酯、塑料泡沫、纤维织物材料中的一种或几种。吸附材料3的大小不超过吸附材料支撑单元4内腔的尺寸大小。
吸附材料支撑单元4为长方体结构，其内腔厚度大于吸附材料3的厚度，上下面不封闭以方便培养液通过。吸附材料支撑单元4所用材料为透光材料，包括但不限于玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯，材料厚度在3mm到10mm的范围内。支撑单元4悬挂在培养液循环管路的下端。
物料循环系统包括培养液循环系统和空气供给装置包括：培养液循环管路1、空气供给装置5、CO2供给装置6、相配套的流量阀7和流量计8、空气/CO2混合室9、循环水泵10及培养液11。
培养液循环管路1通过输送管路连接循环水泵9，将培养液11从反应器箱体2底部泵到顶部的循环管路中；循环管路依次连接在支撑单元上方，以形成迂回状。各吸附材料支撑单元4顶部对应的管路钻有8-10个小孔以便培养液从循环管路中流出到吸附材料支撑单元4上端；培养液11流经吸附材料3通过吸附材料支撑单元4的底部回到反应器箱体2的底部。
空气供给装置5采用空气泵，通过流量计8对空气流量进行监测，通过流量阀7对空气流量进行调节。CO2供给装置6可采用CO2发生器、CO2气瓶中的一种或几种，通过流量计8对CO2流量进行监测，通过流量阀7对CO2流量进行调节。同时调节空气供给装置5和CO2供给装置6的流量阀以进行空气/CO2比例的调节。空气/CO2混合室9由混合室箱体、气泵、气管、流量阀、时间继电器组成；其中混合室箱体容积为5L，除空气入口、CO2入口以及混合气出口之外，所有其他缝隙均进行密封处理。气泵安装于混合室箱体内，由气管连接至反应器箱体2内，并通过对配套空气/CO2混合室9的流量阀7的调节，控制空气/CO2混合气的输出流量；对空气/CO2混合气的通断时间间隔进行控制，则通过设置连接在空气/CO2混合室内气泵上的时间继电器进行。
光照系统12包括光源和控制系统。设置在箱体侧面，光源可采用荧光灯、发光二极管、白炽灯等常用于微藻研究中的人造光源。针对光强的控制可通过调整光源与反应器箱体2之间的距离以及增减人造光源的数量来进行调节。针对光源明/暗时长的控制采用对定时开关的设置完成。
经济微藻包括来自淡水、咸水或海水等环境中的微藻。
实施例1：
反应器箱体2全部由5 mm厚的透明有机玻璃制成，长x宽x高为310 x 220 x 450 mm，反应器箱体2内以相同间隔垂直放置三个吸附材料3和吸附材料支撑单元4。吸附材料3为5 mm厚的海绵，长x宽为300 x 200 mm。吸附材料支撑单元4由5 mm厚的透明有机玻璃制成，内腔厚度为10 mm，长 x 宽为 300 x 210 mm。光照12为垂直入射反应器箱体2前后两面的白色日光灯，入射光强为15000 lux，明/暗周期为12/12 h。培养液11为Basal培养液，体积约为5 L。经济微藻为斜生栅藻，接种量为0.25 g生物质干重。循环水泵10流量为2.5 L/min。培养液循环管路1为pvc材质输水管，每个吸附材料支撑单元4顶部对应的输水管等距离地钻有10个孔径约为1 mm的小孔。空气供给装置5采用标量为9L/min的气泵，CO2供给装置6采用以柠檬酸和小苏打为原料进行反应的二氧化碳发生器，并调节相应的流量阀7对空气和CO2的供给量进行调节，使得空气/CO2混合室9内混合气的CO2体积浓度为2%，并输入反应器箱体2。培养周期为30天。获得的结果为：单位面积产量吸附材料，1.5 g/m2/day；单位面积产量反应器6.3 g/m2/day；微藻吸附率，81%。
本发明箱式微藻固定化培养光生物反应器具有占地面积小、单位面积产量高、微藻对营养及光能的利用效率高、容易进行扩大规模培养等优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种箱式微藻固定化培养光生物反应器，其特征在于：包括可透光的反应器箱体和竖向悬设在箱体内作为微藻生长载体的若干组吸附材料，所述反应器箱体底部设有微藻生长的培养液，以及将培养液输送往吸附材料上方的培养液循环系统。
2.根据权利要求1所述的箱式微藻固定化培养光生物反应器，其特征在于：所述培养液循环系统包括设在培养液中的水泵、设在吸附材料上方以供给吸附材料培养液的循环管路，以及连接水泵和循环管路的输送管路。
3.根据权利要求2所述的箱式微藻固定化培养光生物反应器，其特征在于：所述吸附材料外围套置有吸附材料的支撑单元，所述支撑单元由透光材料制成的长方体结构，吸附材料支撑单元顶部及侧部钻有小孔以便培养液的流入和流出。
4.根据权利要求3所述的箱式微藻固定化培养光生物反应器，其特征在于：所述循环管路连通输送管路后依次连接在支撑单元上方，以形成迂回状。
5. 根据权利要求1、2 、3或4所述的箱式微藻固定化培养光生物反应器，其特征在于：所述反应器箱体旁侧连接有空气供给系统，以将混合空气通入反应器箱体内。
6.根据权利要求5所述的箱式微藻固定化培养光生物反应器，其特征在于：所述空气供给系统包括有空气/CO2混合室、输往空气/CO2混合室的空气管路和输往空气/CO2混合室的CO2管路。
7.根据权利要求6所述的箱式微藻固定化培养光生物反应器，其特征在于：所述空气管路和CO2管路，以及空气/CO2混合室通往反应器箱体的管路上均设有流量阀和流量计。
8.根据权利要求7所述的箱式微藻固定化培养光生物反应器，其特征在于：所述空气和二氧化碳通气间隔的控制是通过采用时间继电器控制空气泵的通断，通/断时间在15s/30s到15s/120s。
9.根据权利要求1所述的箱式微藻固定化培养光生物反应器，其特征在于：所述反应器箱体侧面设有光照装置，所述光照装置为自然光源或人造光源。
10.根据权利要求9所述的箱式微藻固定化培养光生物反应器，其特征在于：所述光照强度控制在60-250 μmol/m2/s；所述光照时间的调节在每天光照6-24小时。
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