CN104195033A - 一种平板式光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平板式光生物反应器，在封闭柱形腔内从左到右依次设置有第一导流管、第二导流管和第三导流管，第一导流管、第二导流管和第三导流管下部分别对应设置有第一气体分布器、第二气体分布器、第三气体分布器，上部分别对应设置有第一进气口、第二进气口、第三进气口；第一进气口、第二进气口、第三进气口上分别连接有第一进气管、第二进气管和第三进气管，第一进气管、第二进气管和第三进气管另一端上分别连接有第一气体流量计、第二气体流量计和第三气体流量计；第一导流管、第二导流管和第三导流管的外壁上均设置有柔性LEDs条带灯。本装置有利于溶解氧解析，提高微藻增殖速率，有利于增大微藻的光能利用率。

Description

一种平板式光生物反应器
技术领域
本发明涉及一种平板式光生物反应器，属于微藻生物技术领域。
背景技术
微藻能有效利用光能、CO2及无机盐类合成蛋白质、油脂、多糖及多种高附加值生物活性物质。开发利用微藻生物质，是解决人类食品、能源及粮食问题的有效手段。此外，大气中CO2浓度不断升高，是全球变暖的直接诱因。工业烟道气中含有体积浓度(10～15)％的CO2，成为排放CO2的重点点源。利用微藻的光合作用吸收工业烟道气中的CO2并耦合微藻生物质生产能兼顾环保效益和经济效益，一举多得。
光生物反应器是微藻培养的技术载体，主要分为开放式和密闭式两种。常见的开放式光生物反应器有跑道池、天然池塘等，这些反应器具有构造简单、成本低廉和操作简便等优点，但开放式微藻培养过程受光照、温度等自然环境因素影响大，微藻易受原生动物、其他藻种或真菌污染，CO2供给不足且水分蒸发严重，这些因素导致微藻细胞培养密度偏低、采收成本较高。密闭式光合生物反应器培养条件稳定，光能利用率高，可无菌操作，容易进行高密度微藻培养，已成微藻培养的发展方向。一般封闭式光生物反应器有：管道式、平板式、圆筒形、搅拌式发酵罐、浮式薄膜袋等。目前，封闭式光生物反应器的采光方式主要有室外直接采光和人工光源采光两种。采用室外采光易受外界环境光照、温度等因素影响，不利于微藻培养过程的控制；采用人工光源，虽然避免了环境因素的影响，但是传统人工光源消耗大量电能，不利于控制微藻大规模培养生产的成本。
平板式反应器最早出现在上世纪50年代，目前已被广泛应用。该反应器具有易放大培养，易清洗，其内部贴壁生长和外部的盐沉淀易处理等优点。许波等开发了水平放置的平板式反应器，培养缺刻缘绿藻时，最大生物质产率达到0.73g/(L·d)，CO2固定速率1.38g/(L·d)。游文朗等用水平放置的平板反应器培养紫球藻，生物质产率和CO2固定速率分别为0.431g/(L·d)和1.23g/(L·d)。但是，平板式反应器尚存在一定缺陷，表现为：(1)反应器不易放大，采用外置人工光源时，微藻的光利用率随反应器几何尺寸增大而明显下降；(2)不利于微藻在烟道气直接通入下增殖，因烟道气中CO2浓度高达(10～15)％，对绝大多数微藻生长是不利的。如果在通入前增设烟气稀释装置，会增大工程造价和工程难度，不利于保证微藻生物技术的经济性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、光能利用率高、实现烟气直通式微藻培养的平板式光生物反应器。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种平板式光生物反应器，包括封闭柱形腔，在封闭柱形腔内从左到右依次设置有第一导流管、第二导流管和第三导流管，第一导流管、第二导流管和第三导流管下部分别对应设置有第一气体分布器、第二气体分布器、第三气体分布器，上部分别对应设置有第一进气口、第二进气口、第三进气口；第一进气口、第二进气口、第三进气口上分别连接有第一进气管、第二进气管和第三进气管，第一进气管、第二进气管和第三进气管另一端上分别连接有第一气体流量计、第二气体流量计和第三气体流量计；第一导流管、第二导流管和第三导流管的外壁上均设置有柔性LEDs条带灯。
进一步地，第一气体分布器、第二气体分布器、第三气体分布器均设置在封闭柱形腔底部；第一进气口、第二进气口、第三进气口均设置在封闭柱形腔顶部。
进一步地，封闭柱形腔顶部左侧设置有检测口，右侧设置有进料口和取料口。
进一步地，封闭柱形腔底部侧面设置有采收阀门。
进一步地，第一进气管、第二进气管和第三进气管上分别设置有第一气体调节阀门、第二气体调节阀门和第三气体调节阀门。
进一步地，封闭柱形腔的外壁选用透明材料，最优选透明的普通玻璃、有机玻璃或聚碳酸酯板。
该发明的有益效果在于：本装置在几何结构上采用竖直放置的立方柱式，避免了水平放置的平板式反应器占地面积过大的问题。并采用气升式，靠气体流动带动培养液循环，避免了剪切力对微藻的伤害。此外，通过向中间反应单元通入烟道气，向两侧反应单元通入氮气或空气，避免了CO2浓度过高对微藻的生长毒害作用，利于溶解氧解析，提高微藻增殖速率。并在导流管上增设LEDs条带灯，实现了节能光源的内部光照，使光能直接作用于微藻光合作用，利于增大微藻的光能利用率，避免了外置人工光源在光能传递过程中的能量损失。该装置结构简单，可直接拆卸，便于清洗。
附图说明
图1是本发明实施例中所使用装置结构示意图。
图中标记说明：1、封闭柱形腔；2、进料口；3、取料口；4、第三进气口；5、第二进气口；6、第一进气口；7、第二进气管；8、第一进气管；9、第一气体调节阀门；10、第二气体调节阀门；11、第三气体调节阀门；12、第三进气管；13、第三气体流量计；14、第二气体流量计；15、第一气体流量计；16、检测口；17、柔性LEDs条带灯；18、第一气体分布器；19、第二气体分布器；20、第三气体分布器；21、采收阀门；22、第三导流管；23、第二导流管；24、第一导流管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。
如图1所示的平板式光生物反应器，包括封闭柱形腔1，在封闭柱形腔1内从左到右依次设置有第一导流管24、第二导流管23和第三导流管22，第一导流管24、第二导流管23和第三导流管22下部分别对应设置有第一气体分布器18、第二气体分布器19、第三气体分布器20，上部分别对应设置有第一进气口6、第二进气口5、第三进气口4；第一进气口6、第二进气口5、第三进气口4上分别连接有第一进气管8、第二进气管7和第三进气管12，第一进气管8、第二进气管7和第三进气管12另一端上分别连接有第一气体流量计15、第二气体流量计14和第三气体流量计13；第一导流管24、第二导流管23和第三导流管22的外壁上均设置有柔性LEDs条带灯17。第一气体分布器18、第二气体分布器19、第三气体分布器20均设置在封闭柱形腔1底部；第一进气口6、第二进气口5、第三进气口4均设置在封闭柱形腔1顶部。封闭柱形腔1顶部左侧设置有检测口16，右侧设置有进料口2和取料口3。封闭柱形腔1底部侧面设置有采收阀门21。第一进气管8、第二进气管7和第三进气管12上分别设置有第一气体调节阀门9、第二气体调节阀门10和第三气体调节阀门11。
本装置主要由三个反应单元组成。通过进料口2加入培养基和藻种。反应器中培养液的循环通过通气装置调节。通气装置通过进气管输入空气(或氮气)和烟道气。三个进气口中，第一进气口6和第三进气口4通入空气(或氮气)，第二进气口5通入烟道气，通气速率由气体流量计测量，由气体调节阀门调节。三个进气口的气体流动速率相同以实现烟道气在反应器藻液中的混合稀释。从取料口3收集藻液检测藻细胞密度，至一定浓度后打开底部采收阀门21，收集藻体。
实施例1
将普通小球藻按初始接种密度2×106cells/ml通过进料口接种于有效体积8L的反应器中，在每支导流管上均匀缠绕2条60灯头/m的柔性LEDs条带灯，调节三个气体调节阀门使气体流速均为800ml/min，中间进气口通入烟道气，两侧的进气口通入空气，连续培养10天，在第2天到第9天，微藻的CO2固定速率平均为1.53g/(L·d)，最大生物质产率为1.21g/(L·d)，分别比3个进气口直接通入烟道气提高78％和69％。
实施例2
将微绿球藻按初始接种密度3×106cells/ml通过进料口接种于有效体积8L的反应器中，在每支导流管上均匀缠绕1条60灯头/m的LEDs柔性条带灯，调节三个气体调节阀门使气体流速均为400ml/min，中间进气口通入烟道气，两侧的进气口通入氮气，连续培养7天，在第2天到第7天，微藻的CO2固定速率平均为1.25g/(L·d)，最大生物质产率为1.0g/(L·d)，，分别比3个进气口直接通入烟道气提高85％和72％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种平板式光生物反应器，包括封闭柱形腔，其特征在于：所述封闭柱形腔内从左到右依次设置有第一导流管、第二导流管和第三导流管，所述第一导流管、第二导流管和第三导流管下部分别对应设置有第一气体分布器、第二气体分布器、第三气体分布器，上部分别对应设置有第一进气口、第二进气口、第三进气口；所述第一进气口、第二进气口、第三进气口上分别连接有第一进气管、第二进气管和第三进气管，所述第一进气管、第二进气管和第三进气管另一端上分别连接有第一气体流量计、第二气体流量计和第三气体流量计；所述第一导流管、第二导流管和第三导流管的外壁上均设置有柔性LEDs条带灯。
2.根据权利要求1所述的平板式光生物反应器，其特征在于：所述第一气体分布器、第二气体分布器、第三气体分布器均设置在封闭柱形腔底部；所述第一进气口、第二进气口、第三进气口均设置在封闭柱形腔顶部。
3.根据权利要求1所述的平板式光生物反应器，其特征在于：所述封闭柱形腔顶部左侧设置有检测口，右侧设置有进料口和取料口。
4.根据权利要求1所述的平板式光生物反应器，其特征在于：所述封闭柱形腔底部侧面设置有采收阀门。
5.根据权利要求1所述的平板式光生物反应器，其特征在于：所述第一进气管、第二进气管和第三进气管上分别设置有第一气体调节阀门、第二气体调节阀门和第三气体调节阀门。
6.根据权利要求1所述的平板式光生物反应器，其特征在于：所述封闭柱形腔的外壁选用透明材料，最优选透明的普通玻璃、有机玻璃或聚碳酸酯板。
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