CN105368701A

CN105368701A - 半密闭的立柱式光反应器及具有该反应器的微藻培养系统

Info

Publication number: CN105368701A
Application number: CN201510969864.9A
Authority: CN
Inventors: 刘天中; 程文涛; 陈林; 王俊峰; 周文俊; 张维; 汪辉; 高莉丽
Original assignee: Nanjing Zhongke Maike Aji Biotechnology Co ltd; Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
Current assignee: Yunnan Zhongke Yuhong Biotechnology Co., Ltd.
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2016-03-02

Abstract

本发明涉及一种半密闭的立柱式光反应器及具有该反应器的微藻培养系统。半密闭的立柱式光反应器主要包括中间透明柱体，中间透明柱体的底端与底盖密封连接，顶端放置有顶盖；所述底盖与通气支管连通；所述顶盖内部具有凸筋，凸筋压在中间透明柱体的上表面。本装置能提高二氧化碳供应，及时去除培养液中的分子氧；同时，降低培养过程的能耗，简化反应器的内部结构以降低操作和反应器清洗难度，提高反应器中的气体分布均匀度，保证藻细胞充分搅动，以及降低反应器的制造和运行成本。

Description

半密闭的立柱式光反应器及具有该反应器的微藻培养系统

技术领域

本发明涉及微藻培养相关技术设备领域，具体的说，是涉及一种半密闭的立柱式光反应器及具有该反应器的微藻培养系统。

背景技术

微藻可以利用光能和CO₂合成蛋白质、脂肪和碳水化合物等有机组分，在地球的碳素循环和能量循环中发挥重要作用。某些种类的微藻富含多不饱和脂肪酸、活性多糖和天然色素等高值生物活性物质，因此成为食品、饲料、燃料和医药等领域的重要材料来源。

目前，在全球范围内，微藻生物技术已经迅速形成了一条规模巨大的完整产业链，其中的规模培养是重要环节。为承载微藻的生长，研究者发明了跑道式培养池、圆池、管道式光生物反应器、平板式光反应器等多种开放或密闭的反应器。不同反应器在比表面积、容积比、物料交换速率、密闭程度、制造成本等方面区别明显，从而对微藻培养过程中对光能、二氧化碳和其他营养的利用速率，单位占地面积的微藻培养体积，以及是否易于产生污染等多方面产生影响。管道光反应器具有比表面积大、容积比大、不易污染、物料交换效率高、易于工艺放大等优点，培养微藻的生物质产率更高，有效生物成分的积累也更容易控制，因而广泛用于微藻的工业化培养。

由于大多数微藻属于光合自养生物，适宜的光照、碳供应和其他营养元素是其生长的关键因素。传统的水平式和螺管式管道光反应器系统中，在光和营养物质供给方面存在一些弊端。一方面，水平式和螺管式管道光反应器系统中通常采用储液罐集中通气的方式供碳，但是这一方式下的反应器中藻细胞的二氧化碳和氧气的交换速率往往受到管道长度的限制，过长的管道可能导致微藻生长出现二氧化碳供应不足和氧过量富集的氧化胁迫；另一方面，为扩大规模通常会提高管道半径，而这一操作会大大降低反应器中的光透过性，导致微藻生长过程中出现光限制。

此外，为提高物料交换速率和保持藻细胞的均匀悬浮，通常采用泵送的方式实现培养液进出和在管道内的流动，培养液泵送量大、能耗高，且水泵的机械剪切易对藻细胞产生损伤。与之相比，立柱式管道反应器中采用气升式曝气装置，上升的气泡流一方面使培养液能够混合良好并使藻细胞保持良好悬浮，另一方面强化了气泡中二氧化碳向培养液中的溶解传递以及培养液中藻细胞光合生长产生的氧气向气泡的传递，从而实现了补碳排氧；但是这种立柱式管道反应器在实际应用于微藻规模培养时仍然存在一些问题，比如：

1、传统的立柱式反应器均使用从顶端插入一根通气管及(或)曝气元件来曝气，藻细胞容易粘附在这些部件之上结疤而导致难于清洗的问题；

2、反应器顶端通气由于通气分布不均，导致反应器底部存有死角，从而发生细胞沉降现象。

综上所述，有必要设计一种新的装置，来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种半密闭的立柱式光反应器。本装置能提高二氧化碳供应，及时去除培养液中的分子氧；同时，降低培养过程的能耗，简化反应器的内部结构以降低操作和反应器清洗难度，提高反应器中的气体分布均匀度，保证藻细胞充分搅动，以及降低反应器的制造和运行成本。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种半密闭的立柱式光反应器，包括：

中间透明柱体，中间透明柱体的底端与底盖密封连接，顶端放置有顶盖；

所述底盖与通气支管连通；

所述顶盖内部具有凸筋，凸筋压在中间透明柱体的上表面，使顶盖与中间透明柱体形成半封闭结构。

优选的，所述底盖具有圆锥型或半球型的主体，通气支管位于底盖主体的最低点。

优选的，上述立柱式反应器还具有进出液支管；进出液支管与底盖主体连通。

优选的，上述立柱式反应器还具有进出液支管；进出液支管与底盖主体连通，通气支管连接在进出液支管上。

优选的，所述通气支管与通气止水元件相连接。

优选的，所述通气止水元件为单向阀、防水透气膜或其他部件。

优选的，所述顶盖为不开孔的结构，凸筋为多条，分布于顶盖的内顶壁及内侧壁上。

优选的，所述底盖与中间透明柱体为焊接、粘接或通过密封圈密闭连接。

在提供上述反应器的同时，本发明还提供了一种微藻培养系统，该微藻培养系统包括至少两个上述的立柱式光反应器、储液罐、输送泵和供气系统；

所述立柱式反应器通过输液管道并联，输液管道的一端与输送泵连通，输送泵的另一端与储液罐连通；

所述通气支管通过输气管道并联后与供气系统相连通。

优选的，所述输送泵通过多个阀门配合实现利用一套输液管道对立柱式反应器的供液和培养液排放。

本发明的有益效果是：

(1)气体从反应器的半球或圆锥形底端通入，上升气流在反应器中无死角，藻细胞被上升气流最大限度的搅拌与混合，大大提高了二氧化碳的吸收和传质效率，同时避免藻细胞沉积和粘壁。

(2)顶盖的半封闭性有利于通入气体的无阻碍排出，从而使培养液中藻细胞光合作用产生的分子氧气体逸出，避免藻细胞遭受氧胁迫的抑制；同时阻挡了雨水、灰尘等环境污染物进入反应器内部，降低了培养风险。

(3)本发明提供的反应器构造简单，易于安装和拆卸，反应器柱体内不需要通气管，既便于清洗，又降低了制造成本。

(4)本发明的每个反应器单元可以单独进行藻类培养用于科研或生产需要，也可以通过提高反应器单元的数目扩大规模用于藻类的大量培养，规模放大简单易行。

附图说明

图1是本发明中立柱式光反应器的结构示意图；

图2是本发明中半球形主体底盖的结构示意图；

图3是本发明中锥形主体底盖的结构示意图；

图4是本发明中顶盖的结构示意图；

图5是本发明中微藻培养系统的结构示意图；

其中：1、顶盖，2、中间透明柱体，3、底盖，4、通气支管，5、进出液支管，6、储液罐，7、输送泵，8、阀门，9、输液管道，10、输气管道，11、凸筋，12、二氧化碳源，13、鼓风机，14、通气止水元件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1：一种半密闭的立柱式光反应器，其结构如图1-4所示，包括使用外径10厘米、壁厚2毫米、长度为1.5米的玻璃柱作为中间柱体2。中间透明柱体2的底端与底盖3密封连接，底盖3使用聚丙烯材料浇注成型，其结构中包括一个半球形主体，通气支管4与进出液支管5并联后连接于底盖的半球形柱体最低处；作为另一种情况，底盖3也可以是包括锥形主体，通气支管4和进出液支管5分别与锥形主体相连通的结构。中间透明柱体2的顶端放置有顶盖1；顶盖1内径为102.5毫米，其内侧面和内顶面分别由三条高0.8毫米的凸筋11，顶盖1使用聚丙烯材料浇注成型。凸筋11使顶盖1与中间透明柱体2形成半封闭结构。顶盖1可以直接扣在玻璃柱上方，用于遮挡雨水和灰尘，同时顶盖1内侧的凸筋11可以保证中间透明柱体2内的正压气体自由逸出。

根据不同的需要，所述底盖3与中间透明柱体2可以为焊接、粘接或通过密封圈密闭连接。

使用时，将培养液和藻细胞经进出液支管5泵入光反应器或通过立柱上端加入光反应器中，通过外部供气系统将空气经通气支管4从底盖的半球主体的最低处进入光反应器，带动藻细胞在光反应器中均匀悬浮。当独立使用时，每个立柱式光反应器中的进出液支管5使用止水夹或橡皮塞堵住。

在多个独立的立柱式光反应器中，接种10L二形栅藻培养物(初始细胞密度0.1g/L)，通入含1.0％二氧化碳的空气(通气量为0.3vvm)，在双面300μE/mol/s的光照条件下培养6天，平均的藻细胞密度达到2.5g/L，平均的体积生物质产率为0.4g/L/day。培养结束后，收获90％的藻液，剩余藻液补充新鲜培养液后继续培养，可以实现半连续培养。

实施例2：一种阵列柱式微藻培养系统，其结构如图1-5所示。本实施例中，应用了实施例1中所述的立柱式光反应器。所述的阵列柱式微藻培养系统包括储液罐6、输送泵7和供气系统和多个立柱式反应器。通气支管4的进气端与通气止水元件14连接后，通过输气管道10并联后再与外部的供气系统相连。供气系统包括二氧化碳源12及鼓风机13。

该微藻培养系统中，储液罐6能够通过输液管道9向进出液支管5供应新鲜培养液，也可以通过输液管道9实现已使用培养液的回收。所述输送泵7通过多个阀门8配合实现利用一套输液管道9对立柱式反应器的供液和培养液排放。

本实施例中，使用亚克力吹制的外径5厘米、长度为2米的透明柱作为中空结构的中间透明柱体2。顶盖1由聚丙烯材料浇注成型，其内径为52毫米，其内侧面和内顶面分别由三条高0.5毫米的凸筋11。底盖3使用聚丙烯材料浇注成型，其结构中包括一个圆锥形主体，通气支管4连接于底盖的圆锥形柱体最低处，进出液支管5连接于底盖的圆锥形柱体侧面。使用商品化胶黏剂将底盖3与中间柱体2粘接，扣上顶盖1，构成一个完整的立柱式光反应器。

本实施例中，通过在通气支管4的进气端与输气管道10之间加装通气止水元件14，可以确保培养液不进入每一个与光反应器连接的输气管道中。

将5个上述光反应器“一字形”排列，相邻立柱的间距为10厘米，将每一个光反应器的进出液支管5通过管道并联连接，与输送泵7的一端相连，输送泵7的另一端与储液罐6连接；在每个立柱式光反应器的通气支管4的通气支管4上套一单向阀，然后通过输气管道10并联后与供气系统连接，组成阵列光反应器微藻培养系统。之后，使用任意类型的支架将所有光反应器固定安装。

在上述反应器系统中接种17L小球藻培养物(初始细胞密度0.2g/L)，通入含1.0％二氧化碳的空气(通气量为0.3vvm)，在300μE/mol/s的光照条件下培养8天，平均的藻细胞密度达到5.2g/L，平均的体积生物质产率为0.43g/L/day。

实施例3：一种阵列柱式微藻培养系统，其结构仍如图1-5所示。本实施例中，使用5厘米外径、长度为1.5米的玻璃柱作为中间柱体2，将玻璃柱与实施例2中所述的底盖通过O形环密封连接，之后扣上实施例2中所述的顶盖，构成一个完整的立柱式光反应器。

将40个上述光反应器按照以5行8列排列(相邻立柱的间距为20厘米)，将每一个光反应器的进出液支管5通过管道并联连接，与输送泵7的一端相连，输送泵7的另一端与储液罐6连接；在每个立柱式光反应器的通气支管4的进气端上套一防水透气膜，然后通过输气管道10并联后与供气系统连接，组成一个占地面积1.6m²的阵列光反应器微藻培养系统。输送泵7与多个阀门8配合通过输液管道9实现供液和采收。

在上述反应器系统中接种80L雨生红球藻培养物(初始细胞密度1.0g/L)，置于青岛室外5-7月间自然光照下。持续通入含1.5％CO₂的空气，空气流量为0.3vvm。培养8天后，藻液中干物质含量达到3.892g/L，雨生红球藻的生物质产率达到0.36g/L/day，单位面积产率达到72.2g/m²/day。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种半密闭的立柱式光反应器，包括：

所述底盖与通气支管连通；

2.根据权利要求1所述的立柱式光反应器，其特征在于，所述底盖具有圆锥型或半球型的主体，通气支管位于底盖主体的最低点。

3.根据权利要求2所述的立柱式光反应器，其特征在于，上述立柱式反应器还具有进出液支管；进出液支管与底盖主体连通。

4.根据权利要求2所述的立柱式光反应器，其特征在于，上述立柱式反应器还具有进出液支管；进出液支管与底盖主体连通，通气支管连接在进出液支管上。

5.根据权利要求1所述的立柱式光反应器，其特征在于，所述通气支管与通气止水元件相连接。

6.根据权利要求5所述的立柱式光反应器，其特征在于，所述通气止水元件为单向阀或防水透气膜。

7.根据权利要求1所述的立柱式光反应器，其特征在于，所述顶盖为不开孔的结构，凸筋为多条，分布于顶盖的内顶壁及内侧壁上。

8.根据权利要求1所述的立柱式光反应器，其特征在于，所述底盖与中间透明柱体为焊接、粘接或通过密封圈密闭连接。

9.一种微藻培养系统，其特征在于，该微藻培养系统包括至少两个权利要求1所述的立柱式光反应器、储液罐、输送泵和供气系统；

所述通气支管通过输气管道并联后与供气系统相连通。

10.根据权利要求9所述的微藻培养系统，其特征在于，所述输送泵通过多个阀门配合实现利用一套输液管道对立柱式反应器的供液和培养液排放。