CN104560695A - 基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，主要包括储液缓冲装置、内置流体驱动转子的管式光生物反应器、管内光照装置、供气装置、管外光照装置、保温装置和检测装置，管内光照装置由发光中心轴、光导体和光源发射器组成，供气装置由供气管线、供气阀门和多孔曝气装置组成。本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器能够解决藻粘附管壁生长、遮蔽光照、降低生产率和制约管径扩大的难题；促进液体混合，实现营养均布，使藻细胞最大化地接触吸收CO2气体和营养盐；可实现设备360°光照无阴影区域，增大藻细胞对光的利用率，提高藻培养生产速率；供气系统对整个反应管路分段按需补充CO2，及时将O2排出反应器，消除光抑制作用。

Description

基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器
技术领域
本发明涉及一种藻类培养系统，尤其涉及一种在透明管内安装流体驱动转子组，内部添加光照装置，实现360°光照无阴影区，并能够加剧藻液混流，防止藻附着管壁，促进藻均匀接触光照、二氧化碳及营养成分的基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器。
背景技术
近年来对藻类的研究发现，藻类生长效率高，CO2固定能力高，并且能够制备生物能源、营养品和药物等产品。因此，亟需开发新型高密度、高产量适合大规模生产的藻类培养系统。现有的规模化培养藻类系统有敞开式和封闭式。封闭式藻类培养系统易于控制工艺条件，受环境变化影响小，并且容易高密度培养，应用最为广泛。封闭式光生物反应器主要有平板式、柱式、跑道式和管式等类型。
管式光生物反应器接受光照面积大，水力循环系统简单完善，密集度高，是适合培养藻类的优良培养设备。中国专利公开号CN103255051 A公布了一种管式光生物反应器，其结构简单，方便组装，可以随时根据藻产量的要求对反应器的容积大小进行变更。但是藻种长时间培养时会粘附在管壁上生长，阻碍管子中心部位的藻细胞接受光照，从而抑制藻细胞的生长，对培养藻的产量造成不良影响；并且，当反应管线太长时，在培养过程中藻细胞产生的O2不能及时排出，溶解氧会进一步抑制藻的光合作用，阻碍藻的生长。中国专利公开号CN102660448 A的专利公布了一种利用废气废热规模化培养微藻的套管式光生物反应系统，该反应系统的反应管采用套管结构，内管表面开小孔，外管和内管之间的区域作为培养藻的空间，当气体从内管通过时，可以被小孔分割成小气泡进入藻液，及时供给藻细胞CO2，并能够实时带走光合作用产生的O2，消除溶解氧光抑制作用。但该发明仍然存在藻附着管壁生长，阻挡管内藻细胞均匀接受光照，减小了光照有效区域，使单根管子管径不能太大，管子长度也受到了限制；同时，由于反应管放置在控温水池中，管子横截面上存在着光照阴影区，从而对日光或灯光的利用率不足。此外，培养液在管内的流动主要是沿中心轴方向的横向流动，不利于培养液的实时混合和营养均布，造成藻类营养接触不均，生长速率受到抑制。以上所体现的问题均制约着管式光生物反应系统的生产效率和扩大。
发明内容
针对以上所述的藻类规模化培养的现有问题，本发明提供了一种在透明管内安装流体驱动内置转子组，并使用发光中心轴的管式光生物反应系统。本发明主要包括内置流体驱动转子的透明光生物反应器，由发光中心轴、光导体和光源发射器组成的管内光照装置，由供气管线、供气阀门和多孔曝气装置组成的供气装置，以及储液缓冲装置、管外光照装置、保温装置和检测装置。本发明所述的曝气装置是由微孔透气材料(陶土、氧化铝、氧化硅或尼龙等)制成的扩散板、扩散盘和扩散管等；可将气泡直径破碎成2mm以下(气泡在200nm以下者，为微孔)。本发明能够解决藻粘附管壁生长、遮蔽光照、降低生产率和制约管径扩大的难题；能够充分促进液体混合、实现营养均布，使藻细胞最大化地接触吸收CO2气体和营养盐；能够实现设备360°光照无阴影区域，增大藻细胞对光的利用率，提高藻培养的生产速率；本发明通过供气系统可以对整个反应管路分段按需补充CO2，并能够及时将O2排出反应器，消除光抑制作用。
为了解决上述技术问题，提出的技术方案是：基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，主要包括储液缓冲装置、内置流体驱动转子的管式光生物反应器、管内光照装置、供气装置、管外光照装置、保温装置和检测装置。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，所述储液缓冲装置为透明罐体，储液缓冲装置的下端为椭圆结构封底，椭圆结构内安装曝气装置，储液缓冲装置的上端连接培养液输送管线及藻种输送管线，储液缓冲装置的下端由藻液输送阀门、液体输送管线、蠕动泵与管式光生物反应器相连。储液缓冲装置内的曝气装置与供气管线连接。培养液与藻种按照工艺要求的比例在储液缓冲罐内混合，再通过蠕动泵的作用经由输送管线输送入管式光生物反应器，CO2与空气的混合气通过曝气装置进入储液缓冲装置，以微小气泡的形式与藻液混合，为藻初始阶段的培养提供必要的养分。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，所述管式光生物反应器是由透明的内置流体驱动转子的光生物反应管组装而成并固定在管子支架上，组装时每列(或每层)绕支架排列多根透明管子，列与列(或层与层)采用一定间距的左右(或上下)结构排布，可以有两列(或两层)、三列(或三层)或以上。所述光生物反应管可以使用抽真空夹层管子，以利用其保温作用，也可以使用单壁管，方便制造。所述光生物反应管端部使用法兰连接带有接头的接管，方便管路组装，以利于根据工艺要求对反应器管线的长度和液体流向做出相应调整。所述光生物反应管组装时一侧由三通接头和90°弯头连接，另一侧由U型弯管连接。所述三通接头一端连接光生物反应管，一端连接90°弯头，一端的横截面上放置由防水透气材料制成的防水透气膜，再连接安装了排气阀门的管线，当藻液流经三通接头时，藻液内存留的较大体积的空气气泡和光合作用产生的O2可以通过防水透气膜从反应管内排出，避免O2过多地溶于藻液，造成光抑制作用。所述管线的密封端留有小的开口以通过光导体。所述U型弯管内部安装由多孔材料制成的曝气装置，混合气通过多孔曝气装置可以形成微米气泡，利于藻细胞对CO2的吸收利用，同时，密集的混合气气泡通过藻液时还可以带走藻光合作用产生的O2。所述曝气装置通过供气阀门与供气管线相连。曝气装置、供气阀门与供气管线组成供气装置。供气阀门可以控制供气速率和流量，根据监测的相关数据反映出的每个培养段内藻细胞对CO2的需求控制阀门开关，为光生物反应器分段按需提供培养藻必需的CO2。所述管式光生物反应器末端出口通过法兰与藻液提取管线相连，提取管线上设有藻液出口阀门。藻液提取管线与后续生产工艺设施相连。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，所述流体驱动内置转子的中心开孔，流体驱动内置转子穿过中心轴安装在透明的光生物反应管内，并使用特制的限位元件将流体驱动内置转子分组固定在中心轴上；所述流体驱动内置转子由透明材料制造，其外径尺寸根据管径设计，比透明管内径略小，能够在透明管内自由旋转；所述流体驱动内置转子的个数与组数可以根据透明管的长度配置。当藻液以一定的速率从反应管内流过时，可以为流体驱动内置转子提供动力，使转子绕中心轴转动，进而促进藻液的周向和径向流动，对反应管管壁形成水流冲击，并且流体驱动内置转子边棱对管壁具有一定的刮擦作用，防止培养的藻类附着管壁生长，使管子中心部位的藻细胞也能接受管外光照，同时避免了培养藻类因附着管壁生长造成的产品损失，并能附带解决管式光生物反应器的清洗难题；转子的旋转运动促进了养分均匀分布，消除了藻液的热分层现象，使培养的藻细胞保持运动状态，充分接触吸收培养液中的各类养分，提高了藻细胞对CO2、光照及营养盐的吸收利用率；并加快了CO2的交换效率。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，所述中心轴采用发光中心轴，发光中心轴两端连接挂件，挂件固定在透明管两端，将发光中心轴在管内悬置固定，从而对流体驱动内置转子起到串联支撑的作用。所述发光中心轴为一透明的中空细长轴，中空的发光中心轴内壁上附着一层体发光的柔性光纤网，在发光中心轴的起始端柔性光纤网通过光导体与光源发射器相连接。所述附着柔性光纤网的发光中心轴、光导体、光源发射器组成管内光照装置。光源发射器发出的光经过光导体的低损耗传输到达附着中心轴内壁的柔性光纤网，柔性光纤网一方面沿轴向向前传播光，一方面散射发出光，光穿透透明转子，为管式光生物反应器提供内部光源，从而实现藻类培养光照360°无阴影区；发光中心轴也即柔性光纤网发出的光颜色可以根据藻细胞培养的不同阶段进行调配，将光纤网可以发射出多种颜色光的性质与藻的培养需求相结合，增强藻细胞的光利用率。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，所述管外光照装置是放置在内置流体驱动转子的光生物反应管外部的光源，从内置流体驱动转子的光生物反应管的管壁外端向管内照射，包括安装在光生物反应器底部的板光源，室内照明灯与自然光照。上述管外光照装置均与本发明所述的管式光生物反应器相对独立。室内照明灯与自然光照交替使用。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，所述检测装置安装在光生物反应器管路中间，由温度测量器、PH测量器和溶氧测量器构成。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，所述基于流体驱动内置转子的光生物反应系统的管子支架置于玻璃温室大棚内，采用玻璃温室大棚可以在白天时充分利用自然光照，且有利于达到景观效果。所述玻璃温室大棚内部铺设石墨烯镀层瓷砖，当气温低时可以用于电热保温，或在棚内四周安装水暖设施用于保温。
本发明所述的基于流体驱动内置转子的光生物反应系统与传统的管式光生物反应器相比具有以下优点：
(1)本发明通过在透明管内安装流体驱动内置透明转子，利用藻液流动为转子提供动力，使转子绕中心轴转动，促进液体的周向和径向流动，对光管管壁形成水流冲击，并且转子边棱对管壁具有一定的刮擦作用，双重作用下防止培养的藻类附着管壁生长，使管子中心部位的藻细胞也能接受管外光照，同时避免了培养藻类因附着管壁生长造成的产品损失，并附带避免了管式光生物反应器的清洗问题。透明转子的旋转使培养的藻细胞保持运动状态，充分接触培养液中的各类养分，提高了藻细胞对CO2、光照及营养盐的吸收利用率；并加快了CO2的交换效率。流体驱动内置转子对藻液的搅拌混合也有利于消除热分层现象。
(2)本发明通过在透明管内安装内壁附着柔性光纤网的发光中心轴为藻的培养提供内部光源。柔性光纤网散射的光穿透透明转子，从管式反应器内部为藻细胞提供光照，从而实现藻类培养光照360°无阴影区；发光中心轴的光颜色可以根据藻细胞培养的不同阶段进行调配，将光纤网可以发射出多种颜色光的性能与藻的培养需求相结合，增强藻细胞的光合作用效率和光利用率。
(3)本发明通过供气装置使CO2与空气的混合气以细微气泡的形式溶于藻液，实现在藻细胞生长繁殖过程中分段按需补充CO2；提高CO2的利用率和交换效率，曝气装置还可以避免光合作用产生的O2过多的溶于藻液。通过排气装置可以及时将反应器内由于藻细胞光合作用产生的O2排出，防止O2在藻液内滞留、溶解进而阻碍光合作用。
(4)本发明在光生物反应器底部安装板光源，在室内适当的安装照明灯，可以为藻细胞的培养提供外部环境光照；通过搭建玻璃温室大棚，为基于流体驱动内置转子的光生物反应系统提供室内封闭空间，从而削弱季节变化对藻细胞培养过程的影响，可以使反应系统在白天时充分利用自然光照，且有利于达到景观效果。本发明通过在玻璃温室大棚内铺设石墨烯镀层瓷砖，在气温较低的情况下利于使用电热保温。也可以在玻璃温室室内四周布置水暖装置，以节约成本。
附图说明
图1为本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器示意图。
图2为本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器内部安装流体驱动内置转子及使用发光中心轴的透明光生物反应管示意图。
图3为本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器透明光生物反应管的局部放大示意图。
图4为本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器透明光生物反应管内部安装发光中心轴后的光照示意图。
图中：1-储液缓冲装置，2-培养液供液管线，3-藻种输送管线，4-液体输送阀门，5-蠕动泵，6-液体输送管线，7-法兰，8-U型接管，9-内置流体驱动转子的光生物反应管，10-管式光生物反应器，11-90°弯头接管，12-三通接头，13-防水透气膜，14-排气阀门，15-光导体，16-光源发射器，17-藻液出口阀门，18-供气管线，19-供气阀门，20-温度检测器，21-PH检测器，22-溶氧检测器，23-多孔材料制成的曝气装置，24-储液缓冲罐内的曝气装置，25-挂件，26-透明管子，27-流体驱动内置转子，28-限位元件，29-发光中心轴，30-光源照射方向，31-混合气体流动方向，32-藻液流动方向，33-管子支架。
具体实施方式
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，主要包括储液缓冲装置、内置流体驱动转子的管式光生物反应器、管内光照装置、供气装置、管外光照装置、保温装置和检测装置七部分，如图1和图2所示，储液缓冲装置1为透明罐体，其下端为椭圆结构封底，椭圆结构内安装曝气装置24。储液缓冲装置1的上端连接培养液输送管线2及藻种输送管线3，下端安装液体输送阀门4，并由液体输送管线6和蠕动泵5与管式光生物反应器10相连。曝气装置24与供气管线18连接，管线上设置供气阀门19以控制气体流量。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，管式光生物反应器10固定在管子支架33上，管式光生物反应器10是由透明的内置流体驱动转子的光生物反应管9组装而成，组装时每列(或每层)绕支架排列多根透明管子，列与列(或层与层)采用一定间距的左右(或上下)结构排布，可以有两列(或两层)、三列(或三层)或以上。内置流体驱动转子的光生物反应管9组装时一侧由U型弯管8连接，另一侧由90°弯头11和三通接头12连接。所述三通接头12一端连接内置流体驱动转子的光生物反应管9，一端连接90°弯头11，一端的横截面上放置由防水透气材料制成的防水透气膜13，再连接安装了排气阀门14的管线。连接排气阀门14的管线的密封端留有小的开口以通过光导体15。所述U型弯管8内部安装由多孔材料制成的曝气装置23。多孔材料制成的曝气装置23通过供气阀门19与供气管线18相连。多孔材料制成的曝气装置23、缓冲储液罐内的曝气装置24、供气阀门19与供气管线18组成供气装置。管式光生物反应器10的末端出口通过法兰连接与藻液提取管线相连，藻液提取管线上设置藻液出口阀门17，并与后续生产工艺设施相连。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，内置流体驱动转子的光生物反应管9的结构组件包括透明管子26、发光中心轴9、挂件25、透明的流体驱动内置转子27以及限位元件28。流体驱动内置转子27的中心开孔，穿过发光中心轴29安装在透明管子26内，并使用特制的限位元件28将流体驱动内置27分组固定在发光中心轴29上。发光中心轴29采用发光中心轴，两端连接挂件25，挂件25固定在透明管子26两端，进而实现发光中心轴29的管内悬置固定。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，发光中心轴29为一透明的中空细长轴，中空的中心轴内壁上附着一层体发光的柔性光纤网，在发光中心轴的起始端柔性光纤网通过光导体15与光源发射器16相连接。发光中心轴内壁附着的柔性光纤网散射出来的光颜色(光波长)可以根据藻细胞培养的不同阶段进行调配，增强藻细胞的光利用率。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，所述检测装置安装在光生物反应器管路中间，由温度测量器20、PH测量器21和溶氧测量器22构成。
图1与图2为本发明的一个具体实施例。根据培养的不同藻类调节培养液和藻种的比例，并根据藻类的生长周期及其工艺条件确定藻液流过内置流体驱动转子的管式光生物反应器的液体速度。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，培养液和藻种分别通过培养液输送管线2及藻种输送管线3加入到储液缓冲装置1中进行初步混合形成藻液，储液缓冲装置1内的曝气装置24可将CO2与空气的混合气以细微气泡的形式通入藻液，为藻种培养的初始阶段提供CO2养分。打开液体输送阀门4，藻液在蠕动泵5的作用下，以所需要的速度经过液体输送管线6进入到管式光生物反应器10中。当藻液流经内置流体驱动转子的光生物反应管9时，藻液冲击透明流体驱动内置转子27，使透明流体驱动内置转子27绕发光中心轴29旋转，旋转起来的透明流体驱动内置转子27促进了藻液的混合与周向流动，并对透明管子26的内管壁具有一定的刮擦作用，一方面避免藻附着管壁生长、阻挡光照、降低产量，另一方面又能促进藻与培养液的均匀混合、充分利用各类养分，图1和图2中可见混合气体流动方向31与藻液流动方向32。同时光源发射器16发出的光经过光导体15的低损耗输送到达发光中心轴29，通过柔性光纤网将光一边沿轴向传播，一边散射发出光，从管子内部为藻的生长提供均匀的光照，见图3所示。处于整个反应系统不同位置的发光中心轴可以根据藻的种类及其生长阶段对发光的颜色(波长)进行调节，将光纤网可以发射出多种颜色光的性能与藻的培养需求相结合，力使光照利用率最大化。供气管线18与供气阀门19相连，根据监测的相关数据反映出的每个培养段内藻细胞对CO2的需求控制阀门开关状态，当藻液流过U型弯管8时，U型弯管8内的多孔材料制成的曝气装置23将CO2与空气的混合气通入内置流体驱动转子的光生物反应管9内，及时按照藻生长的需求提供气体养分。混合气通过多孔材料制成的曝气装置23可以形成微米气泡，以利于藻对CO2的吸收利用，同时，密集的混合气气泡通过藻液时还可以带走藻光合作用产生的O2，并通过防水透气膜13和排气阀门14排出系统，避免因O2累积发生光抑制作用。本发明所述管式光生物反应器的长度可以根据不同藻种的培养周期及液体的流速设定，在反应器的出口端采集成品，通过藻液出口阀门17与下一个工艺设施相连。安装在光生物反应器管路中间的温度测量器20、PH测量器21和溶氧测量器22用来监测藻生长过程中的温度、PH和溶氧量，根据监测数据对供气流量和光照强度及波长进行调节。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，储液缓冲罐内的曝气装置24与多孔材料制成的曝气装置23都是微孔透气材料制成的扩散板、扩散盘和扩散管，微孔透气材料为陶土、氧化铝、氧化硅或尼龙
管外光照装置包括安装在光生物反应器底部的板光源，室内照明灯与自然光照。上述管外光照装置均与本发明所述的管式光生物反应器相对独立。室内照明灯与自然光照交替使用，如图4所示光源照射方向30。
本发明基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，所述基于流体驱动内置转子的光生物反应系统的管子支架33置于玻璃温室大棚内，采用玻璃温室大棚可以在白天时充分利用自然光照，且有利于达到景观效果。所述玻璃温室大棚内部铺设石墨烯镀层瓷砖，当气温低时可以用于电热保温，或在棚内四周安装水暖设施用于保温。

Claims (7)

1.基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，其特征在于：主要包括储液缓冲装置、内置流体驱动转子的管式光生物反应器、管内光照装置、供气装置、管外光照装置、保温装置和检测装置，所述储液缓冲装置为透明罐体，储液缓冲装置的下端为椭圆结构封底，椭圆结构内安装有储液缓冲罐内的曝气装置，储液缓冲装置的上端连接培养液输送管线及藻种输送管线，储液缓冲装置的下端由藻液输送阀门、液体输送管线、蠕动泵与管式光生物反应器相连；储液缓冲罐内的曝气装置与供气管线连接；培养液与藻种按照工艺要求的比例在储液缓冲罐内混合，再通过蠕动泵的作用经由输送管线输送入管式光生物反应器，CO2与空气的混合气通过储液缓冲罐内的曝气装置进入储液缓冲装置，以微小气泡的形式与藻液混合；所述管式光生物反应器是由透明的内置流体驱动转子的光生物反应管组装而成并固定在管子支架上，光生物反应管端部使用法兰连接带有接头的接管，一侧由三通接头和90°弯头连接，另一侧由U型弯管连接；三通接头一端连接光生物反应管，一端连接90°弯头，一端的横截面上放置由防水透气材料制成的防水透气膜，再连接安装了排气阀门的管线，管线的密封端留有小的开口以通过光导体，U型弯管内部安装有由多孔材料制成的曝气装置，多孔材料制成的曝气装置通过供气阀门与供气管线相连，多孔材料制成的曝气装置、供气阀门与供气管线组成供气装置；所述管式光生物反应器末端出口通过法兰与藻液提取管线相连，提取管线上设有藻液出口阀门，藻液提取管线与后续生产工艺设施相连；所述流体驱动内置转子的中心开孔，流体驱动内置转子穿过中心轴安装在透明的光生物反应管内，并使用特制的限位元件将流体驱动内置转子分组固定在中心轴上，所述流体驱动内置转子由透明材料制造；发光中心轴两端连接挂件，挂件固定在透明管两端，将发光中心轴在管内悬置固定，从而对流体驱动内置转子起到串联支撑的作用；在发光中心轴的起始端柔性光纤网通过光导体与光源发射器相连接，附着柔性光纤网的发光中心轴、光导体、光源发射器组成管内光照装置；管外光照装置是放置在内置流体驱动转子的光生物反应管外部的光源，从内置流体驱动转子的光生物反应管的管壁外端向管内照射；检测装置安装在光生物反应器管路中间，由温度测量器、PH测量器和溶氧测量器构成；管子支架置于玻璃温室大棚内。
2.根据权利要求1所述的基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，其特征在于：发光中心轴为一透明的中空细长轴，中空的发光中心轴内壁上附着一层体发光的柔性光纤网。
3.根据权利要求1所述的基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，其特征在于：所述管外光照装置包括安装在光生物反应器底部的板光源、室内照明灯与自然光照，管外光照装置独立放置。
4.根据权利要求1所述的基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，其特征在于：内置流体驱动转子的光生物反应管按照列和/或层组装，每列或每层绕支架排列多根，列与列或层与层采用一定间距的左右或上下结构排布，可以有多列或多层。
5.根据权利要求1所述的基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，其特征在于：内置流体驱动转子的光生物反应管使用抽真空夹层管子或单壁管。
6.根据权利要求1所述的基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，其特征在于：储液缓冲罐内的曝气装置与多孔材料制成的曝气装置都是由微孔透气材料制成的扩散板、扩散盘和扩散管，微孔透气材料为陶土、氧化铝、氧化硅或尼龙。
7.根据权利要求1所述的基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器，其特征在于：玻璃温室大棚内部铺设石墨烯镀层瓷砖或在玻璃温室大棚内四周安装水暖设施。
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