CN104593251B - 一种快速培养微藻的平板式光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产业化养殖微藻的装置，具体是一种气升式平板型光生物反应器。其反应器由玻璃制成，中空透明，上下封闭，在上部有排气，下部有出液口；光生物反应器中有可拆卸且有角度的隔板，隔板上有通气孔和下水孔，增加隔板有利于微藻对CO2的利用，有角度是为了使气体可以速度较为缓慢均匀的向上运动。本发明为微藻提供了一个洁净、封闭的环境，防止外来污染的进入，同时具有补光系统进一步弱化了自然条件对生产效率的影响。本发明可以用于微藻的快速和规模化养殖，具有自动循环混合，光能利用高，密闭性好，清洗方便，占地面积小，易于推广等特点。

Description

一种快速培养微藻的平板式光生物反应器

技术领域

本发明涉及微藻大规模培养时候所用的光生物反应器，属于快速规模化养殖装置。

背景技术

随着经济的日益发展，人们对化石燃料的消耗增强，不仅仅是消耗了这些不可再生资源，也同时向环境中排放大量的温室气体。微藻中的油脂通过转酯化作用生成脂肪酸甲酯，该物质是作为化石燃料的替代产物。微藻比其油料作物更有优势，分布范围广，需求的土地资源较少，不占用耕地资源，光合作用效率高，环境适应能力强，产量高，生长周期短，四季都可以生长等突出特点。微藻不仅仅可以提供生物柴油和消耗大气中的温室气体，还可以提供不饱和脂肪酸，微藻蛋白，色素，甚至可以作为饵料等。每年由微藻固定的二氧化碳量占总固定量的40%以上，在能量转换和碳平衡起到重要作用。

目前，自然界的微藻虽然比较多，但是作为资源进行开发利用的较少，这需要对藻种进行纯化和规模化。现在主要的培养方式是采用光生物反应器进行培养。

大规模培养微藻的关键在于保证微藻可以快速并积累有利于人类需要的产品，这就对光生物反应器要求比较严格，要保证微藻生长繁殖不受外来污染，还要确保其光和作用的效率。避免产生自生遮光效应。

发明内容

本发明的目的是提供一种系统化培养微藻的平板式光生物反应器，为微藻的持续进行连续高效的光合作用提供了保障，可以有效的防止外来污染源的影响，可以进行产业化自动化的微藻生产，能够解决培养过程中比表面积、透光率、温度、光强度和气体交换程度等关键性的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的方案为：系统化培养微藻的光生物反应器采用平板式光生物反应器，可以有效的控制培养环境，液体循环速度，光照强度。

一种快速培养微藻的装置，包括至少一个光生物反应器（Ⅰ）、混合气体生成装置、通气管（5）以及人工光源（6）；所述混合气体生成装置产生混合气体，并通过通气管（5）输送至所述反应器（Ⅰ）；所述人工光源（6）设置在所述反应器（Ⅰ）外，用于照射所述反应器（Ⅰ）；

所述反应器（Ⅰ）包括至少一个隔板（15）、气体分布器（9）、通气软管（14）；所述通气软管（14）一端连接通气管（5），另一端连接气体分布器（9）；所示气体分布器（9）设置在反应器（Ⅰ）底部；

所述隔板（15）设置于反应器（Ⅰ）内，其设置为阻挡气体分布器（9）所释放的混合气体在培养基中上升，使得所述混合气体在培养基中停留的时间变长；

所述隔板（15）上设有水/气交换孔（10），所述水/气交换孔（10）使得培养基在反应器中自我循环，并允许被隔板（15）阻挡的所述混合气体从隔板（15）的下方运动至上方。

作为优选的技术方案，在隔板（15）的下方设置梳型挡板（8），所述梳型挡板包含梳型挡板A和梳型挡板B，所述梳型挡板A和梳型挡板B交替设置，且梳型挡板A和梳型挡板B的梳齿相对交错排列。

作为优选的技术方案，隔板（15）倾斜角度为0-8°；所述隔板（15）可拆卸地设置在反应器（Ⅰ）中。

作为优选的技术方案，所述反应器（Ⅰ）内壁相对的两侧设有一系列支撑垫块安装孔，支撑垫块（11）插入所述安装孔中而得到固定，从而将隔板（15）的倾斜角度固定；所述两侧均设置多个支撑垫块安装孔，所述多个支撑垫块安装孔按组设置，每一组对应一个隔板安装位。

作为优选的技术方案，反应器（Ⅰ）内壁相对的两侧固定设置多组相对的支撑垫块（11），隔板（15）构造为L形，其弯折的部分朝向下方，用于抬高隔板的其中一端以形成隔板（15）的倾斜角度。

作为优选的技术方案，所述混合气体生成装置包括CO2气瓶（1）、空气泵（2）、混合气罐（4）以及减压阀与气体流量计（3）。

作为优选的技术方案，所述反应器（Ⅰ）包括一个以上的隔板（15），相邻隔板（15）被抬高的一端交替出现，使所述混合气体呈现S型上升路径。

作为优选的技术方案，所述反应器（Ⅰ）中空透明，上下封闭，上部有进气口和排气口，下部有收获阀门（7）；所述水/气交换孔（10）设置在隔板（15）靠近两端的位置。

作为优选的技术方案，包括三个光生物反应器（Ⅰ）。

作为优选的技术方案，所述的光生物反应器（Ⅰ）为平板式光生物反应器。

作为优选的技术方案，所述的反应器设有3个，相互平行设置。

作为优选的技术方案，所述的人工光源的波长为300~800nm，光强为1000~13000Lux，人工光源连接在支架上，光源在反应器的一侧，另一侧采用自然光源。

作为优选的技术方案，所述的空气泵和CO₂气瓶后都有减压阀和控制气体流量计，并且在混合气管中可以将CO₂和空气充分混合，并且调整好CO₂在混合罐中达到所需要的体积浓度。

作为优选的技术方案，系统化培养是可以将多个平板式光生物反应器串联在一起，扩大培养不会受到影响。目前反应设计体积的为108L，反应器可以继续成倍数的扩大。

微藻的生长依赖于可见光和CO₂，其产业化的设计关键是如何使得微藻有效的利用可见光和CO₂，为了保证微藻对光的吸收，增加植物生长灯，防止阴雨天对生长的抑制。本发明的反应器由玻璃制成，反应器垂直于地平面，将反应器置于支架上可以减少对空间的要求。反应器内部设有隔板，可以有效的增加CO₂在培养基中停留的时间，增加的藻细胞吸收CO₂的效率。由于气体顺着隔板向上移动，可以带动培养基在反应器中产生环流，不需要外界提供动力，藻细胞就可以在反应器中自然循环，且运动不剧烈，不会对在细胞造成损伤。本发明提供了微藻的快速和规模化养殖装置，具有自动循环混合，光能利用高，密闭性好，清洗方便，占地面积小，易于推广等特点。此外，由于采用了隔板角度可调的设计，CO₂在培养基中停留的时间可通过调节隔板角度而控制，实际生产中可根据需要调整隔板角度从而获得最理想的生长量和含油量，甚至可以得到任意期望的生长量和含油量。此外，梳型挡板的使用大大提高了混合气体停留在培养基中的时间。

附图说明

图1 为本发明结构示意图。

图2（a）为隔板角度为0°的反应器（Ⅰ）的主视图和左视图。

图2（b）为隔板角度为2.5°的反应器（Ⅰ）的主视图和左视图

图3为倾斜角度1-8°的隔板的主视图

图4为梳型挡板A（左）和梳型挡板B（右）的三视图

图5为支架（Ⅱ）的主视图和左视图

图中：（1）为CO2气瓶，（2）为空气泵，（3）为减压阀与气体流量计，（4）混合气罐，（5）通气管，（6）为人工光源（植物生长灯），（7）为收获阀门，（8）梳型挡板，（9）为气体分布器，（10）为水/气交换孔，（11）为支撑垫块，（12）反应器防尘盖，（13）防尘盖上通气软管预留孔，（14）为通气软管，（15）为隔板，（Ⅰ）为反应器，（Ⅱ）为支架。

具体实施方式

如图1所示，本发明的快速养殖微藻的装置，包括有反应器（Ⅰ）、CO₂气瓶（1）、空气泵（2）、减压阀与气体流量计（3）、混合气罐（4）、通气管（5）、人工光源（6）以及支撑反应器的支架（Ⅱ）。所述反应器（Ⅰ）包括收获阀门（7）、梳型挡板（8）、气体分布器（9）、水/气交换孔（10）、支撑垫块（11）、反应器防尘盖（12）、防尘盖上通气软管预留孔（13）、通气软管（14）、隔板（15）。

所述CO₂气瓶（1）和空气泵（2）经混合气罐（4）连接至反应器（Ⅰ）的顶端，反应器为由玻璃制成的中空透明的长方体，上部设有反应器防尘盖（12）和通气管预留孔（13），下部设有收获阀门（7）。

优选的，如图2（b）所示，反应器（Ⅰ）内壁相对的两侧设有一系列支撑垫块安装孔（尺寸太小图中未示出），玻璃支撑垫块（11）插入所述安装孔中而得到固定，从而将隔板（15）固定在某一角度。所述两侧均设置多个支撑垫块安装孔，所述多个支撑垫块安装孔按组设置在反应器内壁，每一组对应一个隔板安装位，即每一组支撑垫块安装孔用于固定每一个隔板的其中一端，使用中根据需要将支撑垫块插入相应的支撑垫块安装孔中，再放上隔板，即可得到任意的隔板倾斜角度。另外一种优选的方式为，如图3所示，反应器（Ⅰ）内壁相对的两侧固定设置几组支撑垫块（11），隔板（15）构造为“L”形，其弯折的部分用于抬高隔板的其中一端以形成一定的倾斜角度，隔板的弯折部分长度设置为从最短到最长的8个等级，以实现隔板倾斜角度从1-8°的调节，所述倾斜角度不一定是整数角度，可以按需要设置为上述范围内的任意角度。

如图2（a）所示，隔板也可以设置为没有弯折部分，以实现零度的倾斜角度，即隔板水平设置。

隔板倾斜角度可以从0-8°调节，根据不同的藻种来调节隔板角度。

优选的，如图4所示，在隔板的下方设置梳型挡板，并且梳型挡板分为A型和B型梳型挡板的梳齿相对交错排列。

如图2（a）和2（b）所示，所述隔板上设有水/气交换孔（10），可以使得培养基在反应器中自我循环。当藻细胞浓度达到一定时，可以从收获阀门（7），排放藻体。留下部分培养基，补充营养盐，继续生产。如图5所示，使用支架（Ⅱ）支撑反应器（Ⅰ），并且在支架上有人工光源（6）对反应器进行补光，人工光源的波长为300~800 nm，光强为1000~13000 Lux。随着反应器中藻细胞浓度的增加，人工光源通过开关来逐步增加光照强度。人工光源为40 W植物生长灯9组，由多个开关分别控制。所述人工光源可以选自荧光灯管、LED光源等本领域所有常见光源。所述人工光源连接在支架上，光源在反应器的一侧，另一侧采用自然光源。

作为优选的实施方式，如图1所示，所述的反应器设有3组，各组相互平行。

所述的空气泵和CO₂气瓶后都有减压阀和控制气体流量计，并且在混合气管中可以将CO₂和空气充分混合，并且调整好CO₂在混合气罐中达到所需要的体积浓度。

系统化培养是可以将多个平板式光生物反应器串联在一起，扩大培养不会受到影响。目前反应设计体积的为108L，反应器可以继续成倍数的扩大。

实施例 1 ：

利用平板光生物反应器培养能源微藻，设置隔板倾斜角度为零度，即隔板水平设置，不设置梳型挡板。该实施方式依然相对于现有技术中的反应器，体现出明显的进步。

斜生栅藻，学名Scenedesmus obliquus， 栅藻科，栅藻属，国内外广泛分布于淡水水域。其形态特征：定形群体扁平，由2、4、8个细胞组成，常为4个细胞组成的，群体细胞排列成一直线或略坐交互排列；细胞纺锤形，上下两端逐渐尖细，群体两侧细胞的游离面有时凹入，有时突出，细胞壁平滑，4个细胞的群体宽12~34微米，细胞长10~21微米，宽3~9微米。

该藻是在内蒙古包头市乌梁素海筛选出一株含油量较高的斜生栅藻，将其置于光生物反应器中进行培养。其生长量可以达到0.2015g·L^-1·d^-1，含油量为21.21%。而在未改进的平板反应器中生长量可以达到0.1654g·L^-1·d^-1，含油量为14.28%。

四尾栅藻，四尾栅藻，学名Scenedesmus quadricanda，栅藻科，栅藻属，分布极广，夏秋能大量繁殖，繁殖速度极快。形态特征：定形群体扁平，由2、4、8、16个细胞组成，常见的为4~8个细胞的群体，群体细胞排列成一直线。细胞为长圆形、圆柱形、卵形，上下两端广圆。群体两侧细胞的上下两端，各具1长或直或略弯曲的剌，中间部分细胞的两端及两侧细胞的侧面游离部上，均无棘剌。4细胞的群体宽10~24微米，细胞宽3.5~6微米，长8~16微米，剌长10~13微米。

该藻是在内蒙古包头市乌梁素海筛选出一株含油量较高的四尾栅藻，将其置于本发明的光生物反应器中进行培养。其生长量可以达到0.2574g·L^-1·d^-1，含油量为17.67%。而在未改进的平板反应器中生长量可以达到0.1411g·L^-1·d^-1，含油量为15.66%。

实施例 2 ：

利用2.5°平板光生物反应器培养能源微藻，设置隔板倾斜角度为2.5°，不设置梳型挡板。该实施方式相对于现有技术中的反应器，体现出明显的进步，且相比实施例1也具有更显著的技术效果。

斜生栅藻，学名Scenedesmus obliquus， 栅藻科，栅藻属，国内外广泛分布于淡水水域。其形态特征：定形群体扁平，由2、4、8个细胞组成，常为4个细胞组成的，群体细胞排列成一直线或略坐交互排列；细胞纺锤形，上下两端逐渐尖细，群体两侧细胞的游离面有时凹入，有时突出，细胞壁平滑，4个细胞的群体宽12~34微米，细胞长10~21微米，宽3~9微米。

该藻是在内蒙古包头市乌梁素海筛选出一株含油量较高的斜生栅藻，将其置于光生物反应器中进行培养。选择隔板角度为2.5°，其生长量可以达到0.2373g·L^-1·d^-1，含油量为23.67%。而在为改进的平板反应器中生长量可以达到0.1654g·L^-1·d^-1，含油量为14.28%

四尾栅藻，四尾栅藻，学名Scenedesmus quadricanda，栅藻科，栅藻属，分布极广，夏秋能大量繁殖，繁殖速度极快。形态特征：定形群体扁平，由2、4、8、16个细胞组成，常见的为4~8个细胞的群体，群体细胞排列成一直线。细胞为长圆形、圆柱形、卵形，上下两端广圆。群体两侧细胞的上下两端，各具1长或直或略弯曲的剌，中间部分细胞的两端及两侧细胞的侧面游离部上，均无棘剌。4细胞的群体宽10~24微米，细胞宽3.5~6微米，长8~16微米，剌长10~13微米。

该藻是在内蒙古包头市乌梁素海筛选出一株含油量较高的四尾栅藻，将其置于光生物反应器中进行培养。选择隔板角度为2.5°其生长量可以达到0.2917g·L^-1·d^-1，含油量为19.74%。而在为改进的平板反应器中生长量可以达到0.1411g·L^-1·d^-1，含油量为15.66%

实施例 3 ：

利用5°平板光生物反应器培养能源微藻，设置隔板倾斜角度为5°，设置梳型挡板。该实施方式相比实施例2也具有更显著的技术效果。

斜生栅藻，学名Scenedesmus obliquus， 栅藻科，栅藻属，国内外广泛分布于淡水水域。其形态特征：定形群体扁平，由2、4、8个细胞组成，常为4个细胞组成的，群体细胞排列成一直线或略坐交互排列；细胞纺锤形，上下两端逐渐尖细，群体两侧细胞的游离面有时凹入，有时突出，细胞壁平滑，4个细胞的群体宽12~34微米，细胞长10~21微米，宽3~9微米。

该藻是在内蒙古包头市乌梁素海筛选出一株含油量较高的斜生栅藻，将其置于光生物反应器中进行培养。选择隔板角度为5°，其生长量可以达到0.2297g·L^-1·d^-1，含油量为21.81%。而在未改进的平板反应器中生长量可以达到0.1654g·L^-1·d^-1，含油量为14.28%。

四尾栅藻，四尾栅藻，学名Scenedesmus quadricanda，栅藻科，栅藻属，分布极广，夏秋能大量繁殖，繁殖速度极快。形态特征：定形群体扁平，由2、4、8、16个细胞组成，常见的为4~8个细胞的群体，群体细胞排列成一直线。细胞为长圆形、圆柱形、卵形，上下端广圆。群体两侧细胞的上下两端，各具1长或直或略弯曲的剌，中间部分细胞的两端及两侧细胞的侧面游离部上，均无棘剌。4细胞的群体宽10~24微米，细胞宽3.5~6微米，长8~16微米，剌长10~13微米。

该藻是在内蒙古包头市乌梁素海筛选出一株含油量较高的四尾栅藻，将其置于光生物反应器中进行培养。选择隔板角度为5°其生长量可以达到0.2717g·L^-1·d^-1，含油量为18.37%。而在为未改进的平板反应器中生长量可以达到0.1411g·L^-1·d^-1，含油量为15.66%。

Claims (7)

1.一种快速培养微藻的装置，包括至少一个光生物反应器（Ⅰ）、混合气体生成装置、通气管（5）以及人工光源（6）；所述混合气体生成装置产生混合气体，并通过通气管（5）输送至所述反应器（Ⅰ）；所述人工光源（6）设置在所述反应器（Ⅰ）外，用于照射所述反应器（Ⅰ）；

其特征在于，所述反应器（Ⅰ）包括至少一个隔板（15）、气体分布器（9）、通气软管（14）；所述通气软管（14）一端连接通气管（5），另一端连接气体分布器（9）；所示气体分布器（9）设置在反应器（Ⅰ）底部；

所述隔板（15）设置于反应器（Ⅰ）内，其设置为阻挡气体分布器（9）所释放的混合气体在培养基中上升，使得所述混合气体在培养基中停留的时间变长；

所述隔板（15）上设有水/气交换孔（10），所述水/气交换孔（10）使得培养基在反应器中自我循环，并允许被隔板（15）阻挡的所述混合气体从隔板（15）的下方运动至上方；

在隔板（15）的下方设置梳型挡板（8），所述梳型挡板包含梳型挡板A和梳型挡板B，所述梳型挡板A和梳型挡板B交替设置，且梳型挡板A和梳型挡板B的梳齿相对交错排列；

所述反应器（Ⅰ）内壁相对的两侧设有一系列支撑垫块安装孔，支撑垫块（11）插入所述安装孔中而得到固定，从而将隔板（15）的倾斜角度固定；所述两侧均设置多个支撑垫块安装孔，所述多个支撑垫块安装孔按组设置，每一组对应一个隔板安装位；

所述隔板（15）构造为“L”形，其弯折的部分用于抬高隔板的其中一端以形成一定的倾斜角度，实现隔板倾斜角度从1-8°的调节。

2.根据权利要求1所述的一种快速培养微藻的装置，其特征还在于，所述隔板（15）可拆卸地设置在反应器（Ⅰ）中。

3.根据权利要求1所述的一种快速培养微藻的装置，其特征还在于，所述混合气体生成装置包括CO₂气瓶（1）、空气泵（2）、混合气罐（4）以及减压阀与气体流量计（3）。

4.根据权利要求1所述的一种快速培养微藻的装置，其特征还在于，所述反应器（Ⅰ）包括一个以上的隔板（15），相邻隔板（15）被抬高的一端交替出现，使所述混合气体呈现S型上升路径。

5.根据权利要求1所述的一种快速培养微藻的装置，其特征还在于，所述反应器（Ⅰ）中空透明，上下封闭，上部有进气口和排气口，下部有收获阀门（7）；所述水/气交换孔（10）设置在隔板（15）靠近两端的位置。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种快速培养微藻的装置，其特征还在于，包括三个光生物反应器（Ⅰ）。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种快速培养微藻的装置，其特征还在于，所述的光生物反应器（Ⅰ）为平板式光生物反应器。