CN105296338A - 一种藻类微生物的多层光生物反应器 - Google Patents

一种藻类微生物的多层光生物反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种藻类微生物的多层光生物反应器，包括多层框架，其特征在于，所述框架的两端可插入多层波导管板且其余侧面为封闭状，框架的一个封闭侧面设置有与反应器面板相连通的玻璃罩，所述玻璃罩的底部设置有入口且顶部设置有出口，位于多层波导管板的两端分别设置有发光二极管板，发光二极管板的光线耦合在波导管板上并均匀地分布在反应器面板内部。结构相对简洁、易加工、易清洁、成本低、可根据需要设计不同的光径，且操作条件容易控制，可有效提高产出率，具有很好的应用前景。

Description

一种藻类微生物的多层光生物反应器
技术领域
本发明涉及一种藻类微生物的多层光生物反应器。
背景技术
随着石油等不可再生能源的日益减少及低碳经济的迫切要求，对可持续、可代替的化石燃料需求日益增加。乙烯、氢气等作为燃烧清洁、无污染、利用形式多样化、能源利用率高、可再生性高的能源，被公认为较理想、可替代的化石燃料。在可再生能源研究领域，微藻能源已成各国重点发展对象，在中国也被设为能源战略的重要选择。藻类作为运输能源的可持续原料而备受科学家和经济学家们的关注，这也是因为藻类显著的优势超越了陆生农作物(包括：更高地区的产量、在含盐的水中生长、也可在被污染的河流中存活)。微藻产乙烯这一生物燃料，具有环境友好和低能耗等特点，能够利用微生物自身作用在光照条件下产出乙烯，乙烯即是生物燃料的前体，也是工业中的化学原料,具有环保和产能等优势，已成为当今世界快速发展的热门技术。
光生物反应器是微藻类培养的必须装置，然而受制于光生物反应器方面的技术瓶颈，目前微藻商业化培养规模一直很难突破。我国生物质光合制备生物燃料起步较晚，制备的方法和装置不够成熟，目前微藻培养的反应器主要有开放池和封闭式两种，其中封闭式反应器因可控性高、占地小、培养周期短等优势在微藻培养研究中日益受到关注。然而大部分采用外置光源设置方法，受到反应器透明材料的限制，反应器保温很难实现，并且外部供光的光利用率低、反应液光照不均匀、使得反应器产量效果差；而采用内置光源时，由于反应器结构设计不合理，不能较好的解决明暗发酵、料液温度均匀、连续产出的问题，进而制约了生物质的产量规模化应用。因此，为了增加产出生物燃料的产量需要在反应系统上克服现有技术局限性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种藻类微生物的多层光生物反应器，结构相对简洁、易加工、易清洁、成本低、可根据需要设计不同的光径，且操作条件容易控制，可有效提高产出率，具有很好的应用前景。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种藻类微生物的多层光生物反应器，包括多层框架，其特征在于，所述框架的两端可插入多层波导管板且其余侧面为封闭状，框架的一个封闭侧面设置有与反应器面板相连通的玻璃罩，所述玻璃罩的底部设置有入口且顶部设置有出口，位于多层波导管板的两端分别设置有发光二极管板，发光二极管板的光线耦合在波导管板上并均匀地分布在反应器面板内部。
优选，所述多层波导管板等间距上下排列，且多层波导管板的两端分别设置有光掩模板，所述光掩模板上粘附一层铝箔纸。
优选，所述波导管板由粘附了玻片的硼硅玻璃制成。
优选，所述发光二极管板是波长为630nm的红光发光二极管板。
优选，所述框架由光固化树脂固定，框架外部覆盖一层聚对二甲苯，波导管板安装在框架内的插槽中，通过可透气性的聚二甲基硅氧烷树脂将波导管板密封固定在框架中。
与传统生物质光合作用制生物燃料的装置相比，本发明的有益效果是：
1、本装置利用多层波导管板的设计，很大程度上提高了光利用率，降低了常规能源的能耗，也减少了装置运行成本。
2、本装置采用了内置光源，避免了外置光源光照料液不均匀现象，内置光源和波导管板相耦合，使得光照更加均匀分布，达到高效产乙烯的目的。
3、本装置采用侧面玻璃罩连接反应器机身，使产出的乙烯气体和料液的分离，乙烯向上，在出口处收集，料液向下流动，这样的设计有效的使气液分离，有效的收集气体。
4、本装置所设置的多层波导薄板，使料液在反应器中的停留时间久，胞藻属产乙烯的效果更高。
5、本装置的波导管板上粘附一层载玻片，使得光照在反应器中折射率减小，关键的折射角度变小，提高了光照的被利用率，同时增强了光照强度，使胞藻属生长加快，进而提高了产气量。
6、装置结构简单、运行稳定、操作简便，可有效地提高生物燃料的产率。
附图说明
图1是本发明一种藻类微生物的多层光生物反应器的结构示意图；
图2是本发明一种雨伞的结构示意图；
附图的标记含义如下：
1：框架；2：波导管板；3：玻璃罩；4：入口；5：出口；6：光掩模板；7：缝宽；8：发光二极管板。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，一种藻类微生物的多层光生物反应器，包括多层框架1，图1中框架1呈长方体形状，其规模大小为8cm×3cm×3.5cm(长×宽×高)，反应器的总液体体积为18mL，所述框架1的两端可插入多层波导管板2且其余侧面为封闭状，图1中，左右两侧面可插入多层波导管板2，其余四个侧面为封闭状。框架1的一个封闭侧面设置有与反应器面板的左侧相连通的玻璃罩3，所述玻璃罩3的底部设置有入口4且顶部设置有出口5，反应器侧面的玻璃罩3连接多层框架内的反应器面板，上端的出口5收集产出的气体，底部入口4用来接入接种液和收集在运行中产生的废液。侧边玻璃罩3的设计保证了气体与液体的分离，可以较好收集产物。
位于多层波导管板2的两端分别设置有发光二极管板8，所述发光二极管板8最好是波长为630nm的红光发光二极管板8，发光二极管板8的光线耦合在波导管板2上，波导管板2将其耦合光线传输并均匀地分布在反应器面板内部。
优选，所述多层波导管板2等间距上下排列，相邻两层波导管板2之间间距2mm，即波导管板2之间设置一个2mm缝宽7将其分隔成两个波导区域，使光照均匀。为了阻止非耦合光进入反应器中，波导管板2间的间隔处(即缝宽7)覆盖一层光掩模，图1中多层波导管板2的两端分别设置有光掩模板6，并在光掩模板6上粘附一层铝箔纸来提高反射率。
优选，波导管板2由粘附了薄玻片的硼硅玻璃制成，得光照在波导管中反射角减小，对光的利用率增加。比如，波导管板由粘附了薄玻片的显微蚀刻硼硅玻璃制成，蚀刻玻璃膏粉被用来制作玻璃载玻片，在7小时后冲洗干净，随机地将其分布在表面瑕疵处用来改良波导管板表面的散射，薄玻片用聚二甲基硅氧烷树脂粘附在玻璃片顶部位置，在80℃条件下高温2小时固化。粘附在玻璃片上的薄玻片可以改变从相邻介质到蚀刻玻璃表面水的折射率(其值为1.33)，从水体到气体折射率为1。这是因为高的折射率可以形成中心位置和波导管板覆盖层的对照，关键角度的减小，可以增加波导管分散的光量。
其中，所述框架1由光固化树脂固定，框架1外部覆盖一层聚对二甲苯用来减少蒸汽凝华过程中气体的渗透，波导管板2安装在框架1内的插槽中，通过可透气性的聚二甲基硅氧烷树脂将波导管板2密封固定在框架1中，密封框架1和波导管板2间的缝隙。
从遗传学角度胞藻属可产乙烯气体，因此本发明所用典型微生物为胞藻属。胞藻属的前期的富集和驯化如下：在1L含有20mL的BG-11液体培养基、温度为30℃不漏气的半批式反应器中连续光谱照射(100μE/m2s)。在培养液生长到原来的5倍时，用TES缓冲液进行缓冲；再对25mg/L的观霉素和200mg/L的卡那霉素进行扩增。胞藻属所利用的碳源有两种：一是通入5％大气中的气态CO2，二是在培养基中添加20mM的NaHCO3作为培养基中的唯一碳源。在以上的培养条件下，可以长时间稳定运作来维持胞藻属的OD730值为60。最后，从半批式反应器中取出驯化好的培养液，再将其稀释到适用的浓度，作为多层波导薄板式反应器的接种液。
在堆叠薄板式多层波导光生物反应器中的初始接种液的OD730值分别为10、20。OD值用标准的1cm的比色皿在波长为730nm的分光光度计中进行检测。生物反应器通过两端的630nm的LED灯板进行照明，且光照强度分别为20、40、60、80和110μEm-2s-1。LED灯板与波导管板相耦合，沿着波导管板传播，胞藻属利用波导管板散射表面的散射光进行光合作用生长，并且分泌气态产物。
在每个实验过程中，反应器入口处连接一个无菌烧瓶用来收集培养液，在反应器侧面的玻璃罩顶部的出口处用隔膜密封，保留产出的气态产物，形成的气态气泡是用出口处的无菌瓶来收集气体。
如图2所示，在光照强度在20-110μEm-2s-1和630nm的光照下，胞藻属的初始OD730值为10时，乙烯的产率在410-650μgL-1s-1；胞藻属的初始OD730值为20时，乙烯的产率在660-835μgL-1s-1。在OD730值为20、光照强度80μEm-2s-1和光照630nm的条件下，光合效率最高，比普通反应器，产率更高，效果更好。
本发明利用胞藻属产乙烯气体，大大地节约能源的再开发，提高再生能源的利用率，与传统生物质光合作用制生物燃料的装置相比，本发明的有益效果是：
1、本装置利用多层波导管板的设计，很大程度上提高了光利用率，降低了常规能源的能耗，也减少了装置运行成本。
2、本装置采用了内置光源，避免了外置光源光照料液不均匀现象，内置光源和波导管板相耦合，使得光照更加均匀分布，达到高效产乙烯的目的。
3、本装置采用侧面玻璃罩连接反应器机身，使产出的乙烯气体和料液的分离，乙烯向上，在出口处收集，料液向下流动，这样的设计有效的使气液分离，有效的收集气体。
4、本装置所设置的多层波导薄板，使料液在反应器中的停留时间久，胞藻属产乙烯的效果更高。
5、本装置的波导管板上粘附一层载玻片，使得光照在反应器中折射率减小，关键的折射角度变小，提高了光照的被利用率，同时增强了光照强度，使胞藻属生长加快，进而提高了产气量。
6、装置结构简单、运行稳定、操作简便，可有效地提高生物燃料的产率。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种藻类微生物的多层光生物反应器，包括多层框架(1)，其特征在于，所述框架(1)的两端可插入多层波导管板(2)且其余侧面为封闭状，框架(1)的一个封闭侧面设置有与反应器面板相连通的玻璃罩(3)，所述玻璃罩(3)的底部设置有入口(4)且顶部设置有出口(5)，位于多层波导管板(2)的两端分别设置有发光二极管板(8)，发光二极管板(8)的光线耦合在波导管板(2)上并均匀地分布在反应器面板内部。
2.根据权利要求1所述的一种藻类微生物的多层光生物反应器，其特征在于，所述多层波导管板(2)等间距上下排列，且多层波导管板(2)的两端分别设置有光掩模板(6)。
3.根据权利要求2所述的一种藻类微生物的多层光生物反应器，其特征在于，所述光掩模板(6)上粘附一层铝箔纸。
4.根据权利要求1所述的一种藻类微生物的多层光生物反应器，其特征在于，所述波导管板(2)由粘附了载玻片的硼硅玻璃制成。
5.根据权利要求1所述的一种藻类微生物的多层光生物反应器，其特征在于，所述发光二极管板(8)是波长为630nm的红光发光二极管板(8)。
6.根据权利要求3所述的一种藻类微生物的多层光生物反应器，其特征在于，相邻两层波导管板(2)之间间距2mm。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种藻类微生物的多层光生物反应器，其特征在于，所述框架(1)由光固化树脂固定，框架(1)外部覆盖一层聚对二甲苯，波导管板(2)安装在框架(1)内的插槽中，通过可透气性的聚二甲基硅氧烷树脂将波导管板(2)密封固定在框架(1)中。
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