CN104593224A - 多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物工程领域的光生物反应器，特别是指一种多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统。包括光反应器、进气装置以及循环动力源，光反应器上开设有进、排气口、进液口及出料口；光反应器包括纵向设置且间隔分布、自首至尾由高向低依次排列的柱式反应器，反应器侧壁为透光结构且外侧设光源；直线驱动机构驱动反应器纵向往复运动；进出液料管路连接于相邻的反应器出料口、进液口之间；泵送装置经管路与位于首末两端的反应器的出料口连通。本发明将柱式反应器的外循环、补液及收获装置进行有机整合，利用势能级差最大程度减少了动力投入，相比现有技术显著简化了管路，降低设备制造及易于实现自动控制，同时提高了生产效率。

Description

多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统
技术领域
本发明涉及生物工程领域的光生物反应器，特别是指一种多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统。
背景技术
微藻是一类广泛分布在陆地和海洋中的低等单细胞植物。微藻通过光合作用提供能量，吸收二氧化碳，代谢产生油脂、蛋白质、多糖及多种有价值的次生代谢产物，同时释放出氧气。微藻的光合效率要显著高于陆生植物，同时具有很高的固碳效率和生长速率。微藻的种类非常丰富，生长环境差异较大，因此，其多样性的组成及基因对于不同的应用提供了丰富的筛选原料。此外，微藻作为单细胞植物，生长期短，结构较高等植物简单，适合进行生物工程改造，有利于大规模、集约化培养。
近200年来，人类依赖石化的工业活动使得大气中CO2浓度增加了约1/3，其温室效应所导致的环境问题已成为共识。CO2减排成为各国在经济发展中必须履行的义务与责任。目前，传统CO2减排主要采用物理或化学方法，其缺点是设备复杂昂贵、能耗高且不易实质性固定碳素。生物方法是近年来人们重视并投入研发的有效固碳途径。与造林固碳相比，微藻固碳具有效率高、适应性强、副产物可利用度高等特点，所需的光生物反应器与传统机械固碳相比，结构简单，尤其适于点排放源，如烟道气中CO2的减排。
以石油为代表的不可再生资源的减少造成能源短缺，致使经济增长减缓甚至衰退。各国均在开发可再生能源，尤其是清洁能源，以减少对石化能源的过度依赖。目前，可再生能源主要是生物乙醇和生物柴油。生物乙醇的发展已具有一定规模，尤其是利用非粮作物为碳源生产乙醇具有广阔的发展前景,但在低成本生产技术方面一直难以有重大突破。近年来，生物柴油作为石化能源的替代品,已成为国际上发展最快、应用最广的环保可再生能源，但制约其大规模发展的关键问题是原料严重不足。而微藻通过光自养生长合成的油脂被认为是一种极有前景的制备生物柴油的原料。相比高等植物产油和餐饮废油，微藻油脂的单一性和脂肪酸组成更适合生物柴油的制备。
目前，用于微藻培养的光生物反应器主要有开放式和封闭式。前者的主要代表是跑道池，其特点是结构简单、投入低、运行成本低，已被广泛用于实际生产中，但跑道池存在明显缺点，如易污染、光能利用度低、可控性差等，因此只适用于有限的藻种(如螺旋藻、盐藻)。封闭式光生物反应器主要有柱式、管道式、平板式和悬袋式，均为与外界隔绝的透明材料制成，其优势为培养条件可控性强、不易污染、光利用效率高，因而，尤其适用于高附加值的藻种培养，但是前期投入成本较高。
目前，封闭式光生物反应器多采用间歇式生产，微藻比生长速率低，而且每次接种均须清洗消毒设备，生产效率较低。某些采用外循环柱式光生物反应器可以进行连续培养，但由于依靠水泵提供循环动力，造成能耗高，生产成本高。此外，封闭式光生物反应器多采用单一的光强和通气速率，无法根据微藻生长状况提供最适的条件。
因此，采用封闭式光生物反应器进行商业化生产，可进行连续式培养，大大提高生产效率；光和CO2利用度高；降低能耗，减少操作步骤；能够对生长参数进行监控，提供最优的培养条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用多级势能差为主、辅助外部泵动力作为循环动力，以外部循环作为主要方式的多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统。
本发明的整体技术构思是：
多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统，包括光反应器、进气装置以及循环动力源，光反应器上开设有进气口、排气口、进液口及出料口；系统中包括：
A、光反应器包括纵向设置且间隔分布、自首至尾由高向低依次排列的柱式反应器，柱式反应器侧壁为透光结构且其外侧设置光源；
B、直线驱动机构驱动柱式反应器纵向往复运动；
C、进出液料管路连接于相邻的柱式反应器出料口及进液口之间；
D、泵送装置通过管路分别与位于首位且处于高位的柱式反应器的进液口、位于末端且处于低位的柱式反应器的出料口连通。
本发明的外循环动力主要包括两个来源，一是由多级柱式反应器之间所形成的势能差；二是由泵送装置中的泵(优选采用蠕动泵)。考虑到光源照射的需求，柱式反应器采用透光结构，更为优选的是采用透明结构的材质，包括但不局限于玻璃、有机玻璃以及透明的高分子材料或其它合成材料等现有材料等，均不脱离本发明的实质。
本发明的具体技术构思还有：
各级柱式反应器之间势能差的形成和控制可以通过单独驱动，也可以通过联动方式实现。为简化结构、节约成本投入，同时便于实现各级柱式反应器之间势能差的均匀分布以利于反应的均衡持续进行，优选的实施方式是：所述的各柱式反应器之间侧壁通过连杆连接并形成联动结构，连杆的一端设置有纵向设置、且驱动其纵向往复运动的直线驱动机构。
为便于连杆及直线驱动机构的设置以利于系统的稳定，更为优选的实施方式是：连杆的两端分别与设于柱式反应器外侧的支架连接，其一端由设于一侧支架上的直线驱动机构驱动。可以显而易见的是，连杆与柱式反应器的侧壁以及连杆与支架之间的装配应采用包括但不局限于转动配合等活络配合的方式。
直线驱动机构可以采用多种现有机构实现，并不脱离本发明的实质。其中包括但不局限于采用如下形式：直线驱动机构采用齿轮齿条机构、链轮链条机构、蜗轮蜗杆机构、平行四边形机构、丝杠进给机构、液压缸机构、直线电机机构中的一种或其结合。
为进一步实现利用势能差作为循环动力来源之一实现连续培养和外循环的目的，优选的实施方式是，进出液料管路连接于相邻且位于高位的柱式反应器出料口及位于低位的柱式反应器进液口之间。这样培养液可以在势能差和外部泵送装置的驱动下从位于高位的柱式反应器流向位于低位的柱式反应器，从而实现连续培养的目的。
为保证微藻在培养条件下对光照的需求，柱式反应器需配备外部光源,如自然光等其他发光源,光的颜色按照培养的藻类生长所需而定,优选的实施方式是，光源选用高亮度LED光源，可以显而易见的是，为保证光照的效果，上述光源优选应对称置于柱式反应器的外侧。
为满足连续培养过程中所需气体供应条件，优选的实施方式是，进气装置包括通过管路与柱式反应器相连的冷却器、气体混合器与分配器,其中冷却器可以选用压缩机冷却器,或者选用半导体冷却器。
为满足将输入进气口的混合气体的气泡细化，提高溶解效率。优选的实施方式是，所述的进气口内设有气体分散器，其中气体分散器优选采用配有烧结陶瓷的气体分散器。
需要进一步说明的是，为更好的优化本发明中的结构设计，优选的设计方案是，还包括一接种、补液和收获装置，其中接种装置经管路与柱式反应器的进液口连通；补液装置经进样泵与柱式反应器的进液口连通；收获装置通过管路与柱式反应器的出料口连通。其中接种可通过配有紫外灭菌的操作小室进行。新鲜灭菌培养液通过管道接入补液装置，并配有进样泵。收获系统分为连续式和间歇式，连续式培养时根据微藻生长速度，收集一定量藻液，并补充相同量的新鲜培养液；间歇式培养时，培养结束后，关闭循环系统管路，打开每个反应器下面的放液阀，每个反应器中的藻液经过单独的管路由收获系统排出。接种、补液和收获等三套装置有独立的管路,所需的泵,优选为蠕动泵,可以集成在里面也可以外置,需要时将液体抽出或泵入。
为便于实现对于系统整体的自动控制，优选的结构设计是，还包括一套控制装置，所述的柱式反应器上分别设有在线pH、溶解氧和温度传感器，柱式反应器的排气口内设有CO2浓度传感器，与柱式反应器的出液口相连的管路中设置有吸光度传感器,其中吸光度检测器优选为在线检测装置,无需取样；上述在线pH、溶解氧和温度传感器，CO2浓度传感器及吸光度传感器与控制装置连接。
上述控制中pH值和吸光值与微藻生长状态和密度有关，可决定收获量及补液量；溶解氧DO值和吸光值反映光合作用强度和藻液透光率，可决定光强和CO2浓度；温度通过冷却气体的通气速率和循环流速调节；排气CO2浓度与藻液吸收CO2效率有关，可由通气速率和通气CO2浓度调节。信号经计算机处理后，控制通气速率、CO2浓度、补液和光强。混合气体经过冷却后进入柱式反应器，因此通气速率可调节反应液温度；CO2浓度是靠空气与CO2气源的配比调节。吸光度与细胞浓度存在数学关系可通过预实验确定，吸光度可以反映细胞浓度和培养液的透光率，用以确定LED光源的光强补偿。
本发明所取得的实质性特点和显著的技术进步在于：
1、本发明利用势能级差提供外循环动力，混合均匀，效率高，且可独立运行或者串联运行。
2、每组反应器只需要一个动力泵，节省能源消耗和设备投资。
3、采用连杆联动配合直线驱动机构作为形成柱式反应器连续势能级差的主要方式，其结构形式简单方便，容易实现。
4、该光生物反应器系统适于生产高附加值产物的微藻，与传统封闭式反应器相比，可以显著提高生长速率、能够控温、培养环境清洁、自动化程度高、可间歇也可连续生产，而且最大程度减低能耗，较好的实现了低成本的高密度培养。
5、该设备给微藻养殖提供了多元化的解决方案，不仅可以独立培养，而且可以串联培养，以及独立-串联交替式的培养。其中独立-串联的方式可以将种子液培养-扩大培养的过程结合起来，提升了培养效率。
6、采用半导体冷却器预冷气体，然后依靠低温气体使藻液降温，结构简单且效率高。
7、采用程控LED光源，寿命长，能耗低，光强可控。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的控制原理图。
图3是利用本发明中的系统培养培养微拟球藻的细胞密度变化示意图。
图4是利用本发明中的系统培养培养微拟球藻的生物量密度变化示意图。
图5是利用本发明中的系统培养培养小球藻的细胞密度变化示意图。
图6是利用本发明中的系统培养培养小球藻的生物量密度变化示意图。
附图中的附图标记如下：
1、连杆；2、在线pH、溶解氧和温度传感器；3、CO2浓度传感器；4、柱式反应器；5、光源；6、进气口；7、吸光度检测器；8、接种、补液和收获装置；9、蠕动泵；10、气体混合器与分配器；11、冷却器；12、支架。
具体实施方式
附图给出了本发明的实施例，以下结合附图对本发明的实施例做进一步描述，但不应理解为对本发明的限定，本发明的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书所作出的等效技术手段替换，均不脱离本发明的保护范围。
本实施例的整体技术构造如图示，其中包括光反应器、进气装置以及循环动力源，光反应器上开设有进气口、排气口、进液口及出料口；系统中包括：
A、光反应器包括纵向设置且间隔分布、自首至尾由高向低依次排列的柱式反应器4，柱式反应器4侧壁为透光结构且其外侧设置光源5；
B、直线驱动机构驱动柱式反应器4纵向往复运动；
C、进出液料管路连接于相邻的柱式反应器4出料口及进液口之间；
D、泵送装置通过管路分别与位于首位且处于高位的柱式反应器4的进液口、位于末端且处于低位的柱式反应器4的出料口连通。
柱式反应器采用透明结构(玻璃)的材质。
各柱式反应器4之间侧壁通过连杆1连接并形成联动机构，连杆1的一端设置有纵向设置、且驱动其纵向往复运动的直线驱动机构。
连杆1的两端分别与设于柱式反应器4外侧的支架12连接，其一端由设于一侧支架12上的直线驱动机构驱动。
直线驱动机构采用电机驱动的齿轮齿条机构。
进出液料管路连接于相邻且位于高位的柱式反应器4出料口及位于低位的柱式反应器4进液口之间。这样培养液可在势能差和外部泵送装置的驱动下从位于高位的柱式反应器流向位于低位的柱式反应器，实现连续培养的目的。
光源5选用高亮度LED光源，对称置于柱式反应器4的外侧。
进气装置包括通过管路与柱式反应器4相连的冷却器11、气体混合器与分配器10。
柱式反应器4的进气口内设有配有烧结陶瓷的气体分散器。
还包括一接种、补液和收获装置8，其中接种装置经管路与柱式反应器4的进液口连通；补液装置经进样泵与柱式反应器4的进液口连通；收获装置通过管路与柱式反应器4的出料口连通。其中接种可通过配有紫外灭菌的操作小室进行。新鲜灭菌培养液通过管道接入补液装置，并配有进样泵。收获系统分为连续式和间歇式，连续式培养时，根据微藻生长速度，收集一定量藻液，并补充相同量的新鲜培养液；间歇式培养时，培养结束后，关闭循环系统管路，打开每个反应器下面的放液阀，每个反应器中的藻液经过单独的管路由收获系统排出。接种、补液和收获等三装置有独立的管路。
还包括一控制装置，所述的柱式反应器4上设有在线pH、溶解氧和温度传感器2，柱式反应器4的排气口内设有CO2浓度传感器3，与柱式反应器4的出液口相连的管路中设置有吸光度传感器7，上述在线pH、溶解氧和温度传感器2，CO2浓度传感器3及吸光度传感器7与控制装置连接。
上述控制中pH值和吸光值与微藻生长状态和密度有关，可决定收获量及补液量；溶解氧DO值和吸光值反映光合作用强度和藻液透光率，可决定光强和CO2浓度；温度通过冷却气体的通气速率和循环流速调节；排气CO2浓度与藻液吸收CO2效率有关，可由通气速率和通气CO2浓度调节。信号经计算机处理后，控制通气速率、CO2浓度、补液和光强。气体经过冷却后进入柱式反应器，因此通气速率可调节反应液温度；CO2浓度是靠空气与CO2气源的配比调节。吸光度与细胞浓度存在数学关系可通过预实验确定，吸光度可以反映细胞浓度和培养液的透光率，用以确定LED光源的光强补偿。
申请人采用本实施例中公开的多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统进行了如下培养试验：
一、通过三级反应器与单级反应器培养微拟球藻Nannochloropsisoculata，具体操作为：首先采用3％双氧水清洗消毒反应器，放掉双氧水后，加入蒸馏水清洗，放掉蒸馏水，密封静置4小时。然后将培养基加入反应器中，再按照10％浓度接入对数期的种子液。从底部通入过滤后的空气，通气速率为2升/分钟，光照为100μmol/s·m2，温度25℃。结果如图1、2所示。四级反应器中藻细胞在第八天后增殖减缓，进入平稳期，而单级反应器中细胞第六天后开始减缓。四级反应器中细胞密度最高可达到84×106个/毫升，而单级反应器中，细胞密度最高为75.3×106个/毫升；四级反应器中生物量的对数增长期比单级反应器中延长两天，生物量最高可达0.54g/L，而单级反应器最高生物量为0.45g/L。结果表明，四级反应器和单级反应器相比，前期的细胞密度和生物量相似，但采用多级反应器培养对数期较长，最高生物量和细胞密度均高于单级反应器培养，说明多级反应器可以提高微藻产量。
二、通过四级反应器与单级反应器培养小球藻Chlorella zofingiensis，具体操作为：首先采用3％双氧水清洗消毒反应器，放掉双氧水后，加入蒸馏水清洗，放掉蒸馏水，密封静置4小时。然后将培养基加入反应器中，再按照10％浓度接入对数期的种子液。从底部通入过滤后的空气，通气速率为1.5升/分钟，光照为100μmol/s·m2，温度25℃。结果如图3、4所示。四级反应器中藻细胞在第18天后进入平稳期，而单级反应器中细胞第12天后开始减缓。四级反应器中细胞密度最高可达到68.5×106个/毫升，而单级反应器中，细胞密度最高为47.7×106个/毫升；四级反应器中生物量的对数增长期与单级反应器相似，生物量最高可达3.1g/L，而单级反应器最高生物量为2.8g/L。结果表明，四级反应器可以显著提高小球藻Chlorella zofingiensis的细胞对数生长期，到达平稳期后，生物量也高于单级反应器培养，说明四级反应器能够促进细胞增殖，提高小球藻生物量产量。

Claims (10)

1.多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统，包括光反应器、进气装置以及循环动力源，光反应器上开设有进气口、排气口、进液口及出料口；其特征在于系统中还包括：
A、光反应器包括纵向设置且间隔分布、自首至尾由高向低依次排列的柱式反应器(4)，柱式反应器(4)侧壁为透光结构且其外侧设置光源(5)；
B、直线驱动机构驱动柱式反应器(4)纵向往复运动；
C、进出液料管路连接于相邻的柱式反应器(4)出料口及进液口之间；
D、泵送装置通过管路分别与位于首位且处于高位的柱式反应器(4)的进液口、位于末端且处于低位的柱式反应器(4)的出料口连通。
2.根据权利要求1所述的多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统，其特征在于所述的各柱式反应器(4)之间侧壁通过连杆(1)连接并形成联动机构，连杆(1)的一端设有驱动其纵向往复运动的直线驱动机构。
3.根据权利要求2所述的多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统，其特征在于所述的连杆(1)的两端分别与设于柱式反应器(4)外侧的支架(12)连接，其一端由设于一侧支架(12)上的直线驱动机构驱动。
4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统，其特征在于所述的直线驱动机构采用齿轮齿条机构、链轮链条机构、蜗轮蜗杆机构、平行四边形机构、丝杠进给机构、液压缸机构、直线电机机构中的一种或其结合。
5.根据权利要求1所述的多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统，其特征在于所述的进出液料管路连接于相邻且位于高位的柱式反应器(4)出料口及位于低位的柱式反应器(4)进液口之间。
6.根据权利要求1所述的多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统，其特征在于所述的光源(5)选用高亮度LED光源。
7.根据权利要求1所述的多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统，其特征在于所述的进气装置包括通过管路与柱式反应器(4)相连的冷却器(11)、气体混合器与分配器(10)。
8.根据权利要求1所述的多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统，其特征在于所述的进气口内设有气体分散器。
9.根据权利要求1所述的多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统，其特征在于还包括一接种、补液和收获装置(8)，其中接种装置经管路与柱式反应器(4)的进液口连通；补液装置经进样泵与柱式反应器(4)的进液口连通；收获装置通过管路与柱式反应器(4)的出料口连通。
10.根据权利要求1、6或9中任一项所述的多级势能级差驱动微藻培养专用光生物反应器系统，其特征在于还包括一控制装置，所述的柱式反应器(4)上设有在线pH、溶解氧和温度传感器(2)，柱式反应器(4)的排气口内设有CO2浓度传感器(3)，与柱式反应器(4)的出液口相连的管路中设置有吸光度传感器(7)；在线pH、溶解氧和温度传感器(2)，CO2浓度传感器(3)及吸光度传感器(7)与控制装置连接。
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