CN103966075A - 多层式微藻固定化培养光生物反应装置 - Google Patents

多层式微藻固定化培养光生物反应装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多层式微藻固定化培养光生物反应装置，其特征在于：包括可透光且具有微藻培养载体的多个培养容器8和供气系统A，所述供气系统A通过气管B将混合空气通入各培养容器8中。气管B连接有布气管6和进气管7。在微藻的培养过程中，微藻细胞固定于吸附材料10表面。本发明适用于微藻固定化研究的光生物反应器装置，采用模块化设计，可根据实验需要增加、减少培养容器8的数量，安装、调试方便，能够快速地安排实验，而实验过程中光源的明/暗周期、空气/CO2混合器的通断时间间隔均由电路自动完成，维护方便。本发明采用固定化培养方式，对光能、养分和空间的利用率高，单位占地面积产量高，且降低了生物质收获难度，从而降低了微藻生物质的生产成本。

Description

多层式微藻固定化培养光生物反应装置
技术领域：
本发明公开了一种多层式微藻固定化培养光生物反应装置，涉及微藻培养系统领域。
背景技术：
世界能源危机不断推动新的替代能源出现，其中包括以微藻生物油为原料的生物柴油。微藻种类繁多、能够进行光合作用，并且广泛分布于陆地和海洋之中，是制造生物柴油的理想原料。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。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。
微藻的培养可分为悬浮培养和固定培养两种方式。悬浮培养是指微藻细胞在液体环境中不吸附在载体上自由生长；而固定培养则是指微藻细胞吸附在特定载体如泡沫、海绵等的培养方式。因此发展出了相应的生物反应器系统。悬浮培养方式经过多年研究，已经能够达到比较高的生物质产量，但是却存在光能效率低，放大培养潜力不足的问题。
固定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。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用于微藻固定化研究的光生物反应器装置，该用于微藻固定化研究的光生物反应器装置结构简单、组装灵活、维护方便，且能够适应微藻固定化培养研究中所需的各种培养条件，适用于在实验室中对微藻固定化培养这一领域进行研究。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明用于微藻固定化研究的光生物反应器装置，其特征在于：包括可透光且具有微藻培养载体的多个培养容器8和供气系统A，所述供气系统A通过气管B将混合空气通入各培养容器8中。气管B连接有布气管6和进气管7。
上述培养容器中的培养载体10为对微藻细胞无毒或毒性轻微的硬质薄板材料，其以层叠平行的方式放置在培养容器中，放置间距在5cm到10cm之间。
上述培养载体的材料为塑料、金属、陶瓷、高分子聚合物中的一种或几种，厚度在2mm到5mm的范围内。
上述供气系统A包括有空气/CO2混合室1、输往空气/CO2混合室的空气管路11和输往空气/CO2混合室的CO2管路12，所述空气管路11输入端与空气供给装置3相连接，所述CO2管路12输入端与CO2供给装置2相连接。
上述空气管路11、CO2管路12和气管B上均设有流量调节阀4和流量监测控制单元5。
上述培养容器为标量为500ml的透明玻璃烧杯。
上述各气管(具体是进气管7)通入各培养容器的底部，所述伸入培养容器中气管用于固定培养载体。
上述培养容器侧部设有光源9及光源控制装置，光源包括但不限于荧光灯、发光二极管、白炽灯；光源控制装置为定时开关装置，用于对光照强度和时间的调节。
上述光照强度的调节范围为60-250 μmol/m2/s；所述光照时间的调节范围为每天光照6-24小时。
上述空气/CO2混合室由混合室箱体、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，气泵安装于混合室箱体内，由气管连接至布气管，并通过对流量调节阀的调节控制空气/CO2混合气的流量；所述时间继电器是通过控制所述气泵的开关对空气/CO2混合气的通断时间间隔进行控制，通/断时间在15s/30s到15s/120s之间。
本发明用于微藻固定化研究的光生物反应器装置通过对各个部分进行模块化处理，可根据实验需要增加、减少培养容器8的数量，安装、调试方便，能够快速地安排实验，而实验过程中光源的明/暗周期、空气/CO2混合器的通断时间间隔均由电路自动完成，维护方便。
本发明的特点是：反应器装置专门为微藻固定化培养领域的研究进行设计，具有很强的针对性；吸附材料的层叠放置提高了对空间的利用，有利于提高反应器装置的单位面积产率；吸附材料的固定与进气管相结合的设计节省了反应器装置内的空间，增加了培养液的储存空间；模块化设计使得增加和减少实验组数相对容易，针对各个实验模块的培养条件（如光照、培养液组分、通气量等）控制也更加容易；反应器装置主要由实验室常见的器皿和常见的电路控制元件构成，因此成本低廉，搭建难度低；反应器装置的光照循环、通气循环等均通过自身的电路控制元件自动完成，在实验过程中所需的维护较少；在实验的收获阶段，只须将吸附有微藻生物质的吸附材料从培养液中取出、刮下或以少量蒸馏水冲洗即可得到含水量低的微藻生物质，方便后续的成分检测工作。
附图说明：
图1 是本发明的主视图；
图2是图1的俯视图；
图3图1的A-A剖面图；
附图中主要部分代表符号：
1. 空气/CO2混合室；2. CO2供给装置；3. 空气供给装置；4. 流量调节阀；5. 流量监测装置；6. 布气管；7. 进气管； 8. 培养容器；9. 光源控制装置；10. 培养载体。
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。
本发明用于微藻固定化研究的光生物反应器装置，主要由反应器主体（若干培养容器排列布置而成）、光源9及控制装置和供气系统以及配套的管路、流量阀组合而成。
反应器主体包括培养容器8、培养载体10；供气系统包括空气供给装置3、CO2供给装置2、空气/CO2混合室1、流量监测控制单元4,5、进气管7和布气管6。
培养容器8由若干标量为500ml的透明玻璃烧杯排列布置而成，每个培养容器8内设置一根进气管7，间隔放置若干层培养载体10。其中，进气管7穿过培养载体10中心位置，并起到固定和支撑培养载体的作用。进气管7的出口位于培养容器8的底部。每一根进气管7与布气管6之间通过流量调节阀4连接，并通过流量调节阀4调节各培养容器8的进气量。
光源9及控制装置中的光源9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培养容器8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。
供气系统包括空气供给装置3、CO2供给装置2、空气/CO2混合室1、流量监测控制单元4,5、进气管7和布气管6。其中空气供给装置3采用空气泵，通过流量监测单元对空气流量进行监测，通过流量阀对空气流量进行调节。CO2供给装置2可采用CO2发生器、CO2气瓶中的一种或几种，通过流量监测单元对CO2流量进行监测，通过流量阀对CO2流量进行调节。同时调节空气供给装置3和CO2供给装置2的流量阀以进行空气/CO2比例的调节。空气/CO2混合室1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，由气管连接至布气管6，并通过对配套空气/CO2混合室1的流量阀4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。
实施例1：
培养容器8由32个标量500 mL的广口玻璃烧杯分两排组成。每个培养容器8内设置一根进气管7，间隔1.5 cm放置4层直径为8 cm、厚度为0.2 cm、材质为玻璃钢瓦的培养载体10。进气管7和布气管6的采用采用孔径为0.4 cm塑料软管。进气管7穿过培养载体10中心位置到达培养容器8的底部，除起到向培养容器中通入空气/CO2混合器之外，兼起到固定和支撑培养载体10的作用。每一根进气管7与布气管6之间通过流量阀4连接，并通过流量阀4调节各培养容器8的进气量。每个培养容器8中分别加入除去氮元素的Basal培养液、8~24 mM的氮营养元素分别为尿素、硝酸钾、柠檬酸铁铵和甘氨酸、藻种斜生栅藻和蒸馏水，最终体积为500 mL。接种浓度为0.3 g/L培养周期14天，光源明/暗周期为14/10 h，空气/CO2混合器通断时间为15/60 s，混合气中CO2的体积浓度为2%。所获得的结果中，最高的值为：生物质产率，11.02 g m-2 d-1；固定率，99.74%。
实施例2：
本例采用微拟球藻作为藻种，其余步骤与上述实例相同。所获得的结果中，最高的值为：生物质产率，14.26 g m-2 d-1；固定率，72.52%。
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. 一种多层式微藻固定化培养的光生物反应装置，其特征在于：包括可透光且具有微藻培养载体的多个培养容器和供气系统，所述供气系统通过气管将混合空气通入各培养容器中。
2. 根据权利要求1所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置，其特征在于：所述培养容器中的培养载体为利于藻细胞吸附的疏水材料，其以层叠平行的方式放置在培养容器中，放置间距在5cm到10cm之间。
3. 根据权利要求2所述的多层式微藻固定化培养光生物反应装置，其特征在于：所述培养载体的材料为塑料、金属、陶瓷、高分子聚合物中的一种或几种，厚度在1mm到5mm的范围内。
4. 根据权利要求1所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置，其特征在于：所述供气系统包括有空气/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，所述空气管路输入端与空气供给装置相连接，所述CO2管路输入端与CO2供给装置相连接。
5. 根据权利要求4所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置，其特征在于：所述空气管路、CO2管路和气管上均设有流量调节阀和流量监测控制单元。
6. 根据权利要求1所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置，其特征在于：所述培养容器为标量为500ml的透明玻璃烧杯。
7. 根据权利要求1所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置，其特征在于：所述各气管通入各培养容器的底部，所述伸入培养容器中气管用于固定培养载体。
8. 根据权利要求1所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置，其特征在于：所述培养容器侧部设有光源及光源控制装置，光源包括但不限于荧光灯、发光二极管、白炽灯；光源控制装置为定时开关装置，用于对光照强度和时间的调节。
9. 根据权利要求8所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置，其特征在于：所述光照强度的调节范围为60-250 μmol/m2/s；所述光照时间的调节范围为每天光照6-24小时。
10.根据权利要求9所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置，其特征在于：所述空气/CO2混合室由混合室箱体、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，气泵安装于混合室箱体内，由气管连接至布气管，并通过对流量调节阀的调节控制空气/CO2混合气的流量；所述时间继电器是通过控制所述气泵的开关对空气/CO2混合气的通断时间间隔进行控制，通/断时间在15s/30s到15s/120s之间。
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