CN105462807A - 一种新型的多功能气升式列管光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了反应器主体及多功能气升式列管光生物反应器。该反应器主体，即反应装置，包含2根以上并排放置的透明的垂直管道，和分别与所述垂直管道的顶部和底部连通的连接管或连接槽；该光生物反应器包含反应器主体、通气系统以及任选的参数检测和控制系统。本发明还提供一种微藻培养方法，包括使用所述反应器主体或光生物反应器进行微藻的光自养培养、光诱导培养及混合营养培养。本发明具有光照比表面积大、气液传质系数高、流体剪切力小等优点，易于工程放大、清洗及维护，操作方便，不仅可以实现微藻的高密度、高效率及规模化的光自养、光诱导及混合营养培养，而且可以实现光合细菌的高效率培养，同时也可用于微藻固碳及污水处理。

Description

一种新型的多功能气升式列管光生物反应器

技术领域

本发明属于微藻生物技术领域，涉及一种反应器主体及多功能气升式列管光生物反应器。

背景技术

微藻富含蛋白质、多糖、色素、多不饱和脂肪酸及多种维生素，同时微藻具有吸收N/P及积累油脂的能力。因此，微藻在食品、医药、饲料，饵料、环保及能源等诸多领域具有重要的应用价值。

光生物反应器是微藻光自养培养和光诱导(即通过光照诱导藻细胞合成并积累有用物质，如色素、蛋白质等)及混合营养培养的核心装置。目前，光生物反应器主要分为敞开式和封闭式两种。敞开式光生物反应器主要指跑道池和圆池，它们是当前微藻规模化光自养培养中应用最广的培养系统。敞开式光生物反应器虽然具有建造容易、操作方便及运行成本低等优点，但也存在许多缺点，如藻细胞密度及产率低、培养条件不易控制、容易受原生动物等污染等。

与敞开式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器具有藻细胞培养密度及产量高、藻细胞品质稳定、培养条件易于控制及不易受原生动物污染等优点。因此，封闭式光生物反应器在微藻高密度高效率培养(如藻种培养等)、微藻高附加值产品生产等方面具有广阔的应用前景。近年来能源微藻的规模化培养需要大量藻种，而传统大池逐级扩培方式存在着周期长、易于受污染(可导致扩培失败)等问题，因而，采用封闭式光生物反应器作为能源微藻(不可异养培养或异养生长速率极慢的藻种)的种子扩培装置，可大幅度降低能源微藻种子扩培失败的风险，同时缩短种子扩培周期，提高能源微藻培养效率。

目前，封闭式光生物反应器主要有平板式、柱式及管式三种类型。当前，应用最广的封闭式光生物反应器为管式光生物反应器。与其他类型的封闭光生物反应器相比，管式光生物反应器存在着光照比表面积大、制作工艺相对成熟与简单、工程放大相对容易等优势。因此，目前国内外不少微藻企业或研究机构均采用管式光生物反应器培养微藻，如在德国的沃尔夫斯堡建成了规模化的管式反应器，用于生产小球藻，以色列的Algatech公司采用管式反应器生产雨生红球藻(光自养培养雨生红球藻的绿色细胞、光诱导雨生红球藻积累虾青素)、中国的云彩金可公司也采用管式光生物反应器生产雨生红球藻。平板光生物反应器虽然具有光照比表面积大、光程短、氧解析容易等优点，但是存在着反应器内死角较多、工程制作难度大、长度方向放大困难等缺点，目前较少应用在微藻规模化培养中。柱式光生物反应器相比管式光生物反应器，具有混合均匀，氧解析容易、制作简单等优点，但其工程放大存在较大难度，无论是在高度还是径向方向放大都比较困难。因此，目前柱式光生物反应器也很少在微藻大规模中被采用。

虽然管式光生物反应器在微藻规模化培养中被广泛应用，但其还是存在着混合能力差、氧解析难、温度难以控制、内壁清洗及维护困难等诸多问题。

国内外对柱式和管式光生物反应器进行不断研究与改进，目前相关方面的研究及专利如下：

1)石悦等开发了“一种微藻培养简易柱式反应器”(CN101760429A)，其特点在于采用由多个三通组合形成树枝状的通气装置，使得反应器内通气分布均匀，提高了藻液的混合效果。

2)孟振等提出了“一种用于饵料微藻培养的圆柱式光生物反应器”(CN203462044U)，将荧光灯置于有机玻璃管套中，然后将其放置在柱式反应器的中央区域，形成内光源式的柱式反应器，显著地提高了光能利用率。

3)Suh等报道了一种双层的柱式光生物反应器，外层直径7.5cm，内层直径5.1cm。内层圆柱用来培养雨生红球藻细胞，内层和外层之间形成的夹套用于雨生红球藻的光诱导，积累虾青素。该装置利用了雨生红球藻需要强光诱导，低光生长的特性，充分提高了雨生红球藻对光的利用效率(InSooSuh,Hyun-NaJoo,Choul-GyunLee.Anoveldouble-layeredphotobioreactorforsimultaneousHaematococcuspluvialiscellgrowthandastaxanthinaccumulation.JournalofBiotechnology,2006,125(4):540-546)。

4)美国的绿色燃料技术公司(GreenfuelTechnologiesCorporation)开发了一种三角形的管式光生物反应器，采用双分布器技术增加了管道中藻液在光照方向的混合，并辅助开发了计算机自动控制系统以控制整个微藻培养过程(IsaacBerzin,XiaoxinWu.Phototbioreactorandprocessforbiomassproductionandmitigationofpollutantsinfluegases.WO2007/011343A1)。

5)马欣欣等提出了一种“光生物反应器”(CN101597567A)，其是由透明缓冲罐、管道、蠕动泵及检测系统(pH、溶氧)等组成的管式光生物反应器。与一般传统的管式光生物反应器相比，该装置的缓冲罐为透明材料制成，增加了培养系统的受光面积；其次，该装置采用蠕动泵输送藻液，降低了对藻细胞的剪切伤害。

6)石悦等开发了一种“微藻培养的光生物反应器”(CN101748054A)，是一种结构简单，容易拆装清洗的环形管状的光生物反应器，通过底部通气形成藻液的混合及循环流动，且底部为U型弯管，降低了反应器内的死区比例。

7)梁文伟等提出了“一种系统化培养微藻的光生物反应器”(CN101654653)，其是由管道组、阀门、贮藏液罐及控制系统组成的管式光生物反应器。与一般的管式反应器相比，该装置的主要特点在于贮藏液罐位于管道组的上方，依靠泵和重力双重作用力促使藻液在管道中流动，降低了对泵的要求(如压头)。此外，采用了温度、光照、pH等多种检测装置并结合控制系统对培养条件进行自动控制，实现最佳的培养条件并降低了劳动强度。

8)丛威等提出一种“管式光生物反应器、培养微藻细胞的系统和方法”(CN102134553A)，开发了一种含内置螺旋形挡板的管式光生物反应器，可以促进了藻液的氧解析和CO₂吸收，并提高了藻液在径向方向的混合及藻细胞的光暗循环频率。

9)Mueller-Rees等提出了一种将管道绕成圆锥形的管式光生物反应器，与一般的管式反应器相比，提高了单位占地面积上管道的长度，因而可以显著地提高单位面积的藻细胞产率。(Tubularphotobioreactor，US8586344B2)

上述研究者设计或开发了的柱式或管式光生物反应器，在一定程度上对微藻培养系统进行了改进或优化，提高了藻细胞的生长速率和产率，或在工程操作、条件控制等方面实现了改进。但是上述各研究者提出的光生物反应器，还没有完全解决柱式和管式光生物反应器存在着的主要问题。目前，柱式光生物反应器存在的主要问题是放大困难，在高度方向或径向方向放大均不太容易现实。在高度方向放大会增加材料的强度要求，并造成柱式反应器之间挡光严重及操作困难；在径向方向放大，会显著增加反应器内的暗区比例，造成藻细胞生长效率降低。因此，只能增加单个柱式反应器的数量，实现规模化培养系统，但这样造成投资成本高，且在接种、采收、条件控制等操作方面存在着诸多不便。而对于管式光生物反应器，目前主要从增加管道长度角度进行放大，这容易造成溶氧解析困难，对藻细胞生长产生氧抑制并降低了光合效率；此外，通常具有一定规模的管式光生物反应器，采用泵对藻液进行输送，而泵或多或少地会对藻细胞存在着一定的剪切伤害，包括剪切力较小的隔膜泵或蠕动泵。因此，采用泵对藻液进行混合及输送会造成对藻细胞的伤害，降低藻细胞的培养密度及产量。虽然小规模的管式光生物反应器可以采用气升式系统对藻液进行输送，降低对藻细胞的伤害，但气升式系统难以应用于具有一定规模的管式光生物反应器(管道较长，流体阻力较大，气升作用难以使得藻液在管道中保持一定的流速)。同时，管式光生物反应器较长时，难以对管道内壁进行有效清洗，容易造成清洗不干净，不仅挡光而且会增加敌害生物污染的机率。此外，管式光生物反应器管径较小，光照比表面积大，容易积累热量，造成温度控制困难。因此，本领域仍然需要一种混合效果好、气液传质系数高、比光照面积大、对藻细胞剪切伤害低、在工程上容易放大且操作方便的光生物反应器。

发明内容

本发明以提高气液传质系数、增强微藻的CO₂吸收效率、降低培养液中O₂积累对藻细胞生长的不利影响，避免传统规模化管式光生物反应器中输送泵对藻细胞产生剪切伤害等为目的，同时从光生物反应器的工程放大、方便运行及操作等角度考虑，设计了本发明所述的一种新型、多功能气升式列管光生物反应器，采用该光生物反应器不仅可以实现微藻的高效率、高密度及规模化光自养培养，光诱导培养及混合营养培养，而且可以实现光合细菌的高密度及高效率培养，同时可以实现微藻固碳及污水处理。

具体而言，本发明提供一种光生物反应器主体(反应装置)，所述反应装置含有2根以上并列放置的透明的垂直管道，和分别与所述垂直管道的顶部和底部连通的连接管或连接槽。

本发明还提供一种光生物反应器，所述光生物反应器含有所述反应器主体、通气系统、以及任选的参数检测与控制系统。

在一个具体实施例中，所述反应器主体是透明的，由多个垂直管道在底部及顶部通过连接管(槽)形成一个整体。所述反应器的主体的单个长度为1～1000m，高度为0.1～5m，宽度为1-200cm。

在一个具体实施例中，所述垂直管道的直径为1～100cm；管道之间的间隔为1～100cm。

在一个具体实施例中，垂直管道由透明材料组成，所述透明材料包括但不限于玻璃、有机玻璃(PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸脂)、PVC(聚氯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)等。

在一个具体实施例中，所述垂直管道可以是各种各样的形状，包括但不限于圆形、椭圆形、菱形、正方形、长方形等。

在一个具体实施例中，所述的连接管(槽)的横截面的形状包括但不限于圆形、椭圆、半圆、正方形、长方形，梯形、三角形等。连接管(槽)的材料包括但不限于透明的玻璃、有机玻璃(PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸脂)、PVC(聚氯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、以及不透明的PVC、PP(聚丙烯)、UPVC(硬聚氯乙烯)等。

在一个具体实施例中，所述反应器主体可以采用外部支撑和内置软体透明薄膜袋组成。支撑材料包括但不限于塑料、铁丝、钢丝及木条等。透明薄膜袋的材质包括但不限于PVC(聚氯乙烯)，PE(聚乙烯)，BOPP(双向拉伸聚丙烯)等。

在一个具体实施例中，所述通气系统包括鼓风装置、通气管道和气体分布器。任选地，所述通气系统还包括空气过滤器和流量计等。空气过滤器可以是内装有酸液、碱液及次氯酸溶液等的瓶子或罐子。空气经过过滤器可防止真菌等微生物污染及原生动物等敌害生物污染。

在一个具体实施例中，垂直管道中布置有不同类型的气体分布器(产生不同大小的气泡)，所述气体分布器的类型包括但不限于气石、微孔曝气管、曝气盘等。气体分布器经由通气管道与鼓风装置连通。

在一个具体实施例中，根据在线测得的外部光强、藻细胞密度等直接参数和流体在光照方向速度等间接参数，由自动控制系统对反应器内的通气量进行自动调节。

在一个具体实施例中，所述反应器主体的垂直管道中采用间隔通气，使得流体有规律地循环流动，形成流体的上升通道(上升管)及下降通道(下降管)，即气升式外循环系统。在每个垂直管底部均安装有空气分布器，上升管和下降管之间采用间歇通气，以防止微藻在流速相对较低的下降管中粘壁。在反应器底部的连接管或槽的两端均布置有通气管，以防止微藻在此区域内沉降及贴壁。

在一个具体实施例中，所述反应器主体中的每个垂直管道进行通气，则可形成多个鼓泡塔串联式微藻培养系统。

在一个具体实施例中，在下降通道中底部通入纯CO₂或空气与CO₂的混合气，上升的气体与下降流体形成逆向流动，显著地提高藻液混合及气液传质系数。采用pH自动控制系统，通过对进气量或进气CO₂浓度进行自动调节，从而实现对藻液的pH进行自动反馈控制。

在一个具体实施例中，所述的光生物反应器的垂直管道上可以在高度方向安装有多个间歇排列的进气口以通入高速气流，以强化流体的径向混合程度。

在一个具体实施例中，所述光生物反应器的垂直管道中可以加入内部构件，例如静态混合器，以增强流体的径向速率(光照方向速率)。内部构件(静态混合器)的形式及结构不限。

在一个具体实施例中，所述光生物反应器的垂直管道内部可加内导流筒(或多节导流筒)，形成多个内循环气升式光生物反应器的串联系统。同时，内导流筒可变成具有一定空腔的圆壳，内装人工光源，接灯管的导线可以置于圆壳顶部凸出的若干个较小空管内，即内导流筒上端为二个断面，低端面为液流面，上端为人工光源导线引出面。

在一个具体实施例中，所述光生物反应器可用于微藻(如雨生红球藻)的自沉降或絮凝沉降，将上清液用泵抽出或从CO₂通气孔中放出，然后对余下的高浓度的藻液进行收集。

在一个具体实施例中，所述光生物反应器的顶部可以连接有真空抽吸系统，通过调整垂直管道中分布器的类型及通气量等参数以形成合适气浮采收的条件，通过真空抽吸系统将液面上层高浓度的藻液抽出以实现微藻的采收。

在一个具体实施例中，所述的光生物反应器的控温系统，包括采用制冷(或加热)装置和换热管进行控温，或者采用喷淋系统，将合适温度的水喷洒在光生物反应器表面进行控温。采用温度自动控制系统对藻液的温度进行自动反馈控制。

在一个具体实施例中，所述光生物反应器可以配置有温度、pH、溶氧、光强、藻细胞密度等多种传感器，根据在线测定的多种参数对光生物反应器的操作条件进行自动调整。

在一个具体实施例中，所述光生物反应器可以通过横向、纵向及阶梯式排列形成规模化系统。

在一个具体实施例中，所述的规模化培养系统由不同管径的垂直管道组成的光生物反应器单元串联而成，以适应不同阶段不同藻细胞密度的微藻培养。

本发明与上述各发明存在着显著的差异，具体如下：

上述石悦等开发的“一种微藻培养简易柱式反应器(CN101760429A)”，仅从藻液混合均匀性，降低死区比例角度对柱式反应器进行了一定改进，并无法解决柱式光生物反应器在工程放大上的难题，因此，无法实现微藻规模化培养的应用。

孟振等提出了“一种用于饵料微藻培养的圆柱式光生物反应器”(CN203462044U)，从增加光照强度及光能利用率角度开发了内光源式反应器，但内光源式反应器制作复杂，投资及运行成本高，难以应用于一般低价值微藻的培养，且也无法从本质上解决柱式光生物反应器工程放大的问题。

Suh等报道的一种双层的柱式光生物反应器，仅适合于特定的藻种，如雨生红球藻。同时，该装置在规模化放大方面存在着诸多问题。

美国的绿色燃料技术公司开发的三角形的管式光生物反应器(IsaacBerzin,XiaoxinWu.Phototbioreactorandprocessforbiomassproductionandmitigationofpollutantsinfluegases.WO2007/011343A1)，虽然采用了气升系统对藻液进行混合，但该装置存在着工程放大困难，且受光面积小(三角形的底部水平管道和垂直管道被斜管道遮挡住了阳光，难以获得充分光照)，清洗不方便(三角形底部水平管道难以得到有效清洗)等诸多问题。

马欣欣等提出的一种“光生物反应器”(CN101597567A)，虽然避免了传统管式光生物反应器中缓冲罐或脱气罐为非透明材料制成造成对藻细胞遮挡阳光的影响，同时也采用了蠕动泵降低对藻细胞的伤害作用。但是，无论何种泵，均会在一定程度上对藻细胞产生伤害，且该装置也没能有效解决管式光生物反应器溶氧积累严重、清洗不易的问题。

石悦等开发的一种“微藻培养的光生物反应器”(CN101748054A)，虽然采用气升作用对藻细胞进行混合，促进藻液循环流动，但是没有解决在规模化放大方面的难题，无法进行规模化应用。

丛威等提出的一种“管式光生物反应器、培养微藻细胞的系统和方法”(CN102134553A)，虽然通过螺旋形挡板增加光暗循环周期，但其难以应用于微藻的实际培养，主要存在着螺旋形挡板会显著增加阻力，降低流速，增加了死区比例，造成藻细胞局部大量积累，同时管道难以清洗干净，增加了污染机率。

梁文伟等提出了的“一种系统化培养微藻的光生物反应器”(CN101654653)和Mueller-Rees等提出的一种圆锥形的管式光生物反应器，均存在着溶氧积累严重，清洗不方便的问题。同时这两个装置均采用泵对藻液进行输送，难以避免对藻细胞的剪切伤害作用。

与上述光生物反应器相比，本发明的在优势及特点如下：

1)解决了柱式反应器工程放大困难的问题。通过在长度方向增加垂直管道的数量及连接管(槽)的长度，即气升式列管光生物反应器，可以较为容易地实现放大，避免了传统柱式反应器在高度或径向方向放大困难的问题。

2)解决了管式光生物反应器溶解氧积累严重的问题。气升式列管光生物应器的较优高度一般在5m之内，且每隔一定间距就有通气管对藻液进行通气混合，下降通道中通入有CO₂、空气或空气和CO₂的混合气，显著地提高了气液传质，增强了CO₂的吸收及氧气的解析，可以避免较高溶氧对藻细胞产生氧胁迫作用。

3)解决了一般管式反应器采用泵而对藻细胞产生剪切伤害的问题。一般具有一定规模(长度)的管式光生物反应器均采用泵对藻液进行混合及输送，但泵均是通过机械作用对流体进行输送，均会对藻细胞产生剪切伤害作用，并降低藻细胞的生长速率及藻细胞密度。本发明采用通气产生的气升作用对藻液进行混合和流动，并采用合适的气体分布器可以有效地避免对藻细胞的剪切伤害作用。

4)解决了管式反应器清洗不易的难题。由于一般传统的管式反应器，管道较长，存在着对管道清洗困难及不容易清洗干净的问题。本发明的气升式列管光生物反应器的顶部连接管(槽)的上方盖可以开孔或打开，采用高压水枪对管内壁进行冲洗，或采用清洗工具(如顶端固定有干净布料的木棒)对管道内壁进行有效地擦洗，操作方便且可实现有效清洗，避免因对管内壁清洗不干净而造成的敌害生物污染的风险及挡光作用。

综上所述，本发明与其它光生物反应器相比，着重从提高气液传质系数、增强微藻的CO₂吸收效率、降低培养液中O₂积累、降低流体剪切力对藻细胞的伤害作用、“外循环气升式、内循环气升式、鼓泡式”易于切换、“培养、采收、CO₂吸收”一体化等角度考虑，并从工程上解决了规模化放大及清洗困难等问题，是一种新型、多功能的列管式光生物反应器，不仅可以实现微藻的高效率、高密度及规模化光自养培养(光诱导培养及混合营养培养)，而且可以实现光合细菌的规模化培养，同时可用于微藻固碳及废水处理。

附图说明

图1显示气升式列管光生物反应器的示意图(左图为正视图，右图为侧视图)。

图2显示底部及顶部具有不同形状连接管(槽)的气升式列管光生物反应器示意图(侧视图)。

图3显示由不同管径的管道组成的气升式列管光生物反应器的示意图(俯视图)。

图4显示不同形状垂直管道组成的气升式列管光生物反应器的示意图(俯视图)。

图5显示不同间距下通气形成的流体循环示意图。

图6显示多个由不同管径的垂直管道组成的气升式列管光生物反应器的串联培养系统。

图7显示垂直管道含有多个间歇排列进气孔的气升式列管光生物反应器的示意图。

图8显示垂直管道中内置有导流筒(包括多节内导流筒)和内部构件的气升式列管光生物反应器。

图9显示气升式列管光生物反应器在横向及纵向排列组成的微藻规模化培养系统(俯视图)。

具体实施方式

本发明设计了一种新型、多功能的气升式列管光生物反应器，主要由系列垂直管道在顶端及底部通过连接管(槽)形成光生物反应器的主体，外加通气及其控制系统，及温度、pH检测与控制系统。在垂直管道中通气，通过气升作用，形成藻液有规律地循环流动，在下降通道中通入纯CO₂、空气或空气和CO₂的混合气体，上升的气体与下降流体形成逆向流动，可以显著地提高藻液的混合及气液传质系数，促进藻细胞的生长。

适用于本发明新型气升式列管光生物反应器的微藻包括但不限于本领域使用的各种微藻，包括但不限于：绿藻门的雨生红球藻(Haematococcuspluvialis)、Haematococcuslacustris，小球藻属中的蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)、普通小球藻(Chlorellavulgaris)、椭圆小球藻(Chlorellaellipsoidea)、Chlorellaemersonii、Chlorellasorokiniana、Chlorellasaccharophila、Chlorellaregularis、Chlorellaminutissima、Chlorellaprotothecoides、Chlorellazofingiensis，以及绿藻门中的葡萄藻(Botryococcus)，Brachiomonassubmarina，Chlamydobonasreinhardtii，Chlamydomonasacidophila，Scenedesmusobliquus，Spongiococcumexetriccium，Tetraselmissuecica，Tetraselmischuii，Tetraselmistetrathele，Tetraselmisverrucosa，Micractiniumpusillum；硅藻门的Cylindrothecafusiformis，Nitzschialaevis，Nitzschiaalba，Nitzschiafonticola，Naviculaincerta，Naviculapelliculosa；蓝藻门的Anabaenavariabilis；金藻门的Poterioochromonasmalhamensis；甲藻门的Amphidiniumcarterae，Crypthecodiniumcohnii；裸藻门的Euglenagricilis；和红藻门的Galdieriasulphuraria。

以下从不同方面具体说明本发明的实施方法。

1)反应器主体

反应器主体由多个垂直管道在底部及顶部通过连接管(槽)形成一个整体，垂直管道与连接管(槽)连通。对垂直管道的数量并无特殊限制，通常至少为2根，例如，可根据实际的生产情况如场地、光照等等设置2－500根甚至更多，通常可将垂直管道的数量控制在例如2-100根、2－50根、2－30根、2－10根等的范围内。所述单个反应器的长度为1～1000m，高度0.1～5m，宽度1-200cm。在一个优选的实施例中，反应器的长度为50～100m，高度为1～3m，宽度为0.1～0.3m。

垂直管道的直径为1～100cm，管道之间的间距为1～100cm。在一个优选的实施例中，垂直管道的直径为5～30cm，管道之间的间距2～20cm。反应器主体中的各垂直管道之间的直径可相互不同，如此安排的优势在于，当藻细胞达到一定浓度时，内径大的管道中光区较少(基本为暗区)，而在内径小的管道中光区多，藻细胞可以获得周期性的光暗循环频率。

管道为透明材料组成，包括但不限于玻璃、有机玻璃(PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸脂)、PVC(聚氯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)等。在一个优选的实施例中，选用透明度较高，机械强度和韧性良好的有机玻璃。

垂直管道的形状可以多样，包括但不限于圆管，菱形管，椭圆管等。在一个优选的实施例中，选用圆管。反应器主体所含的各垂直管道的形状也各不相同。图4列出了各垂直管道的形状不相同的例子。

连接管(槽)的横截面的形状包括但不限于圆形、椭圆、半圆、正方形、长方形，梯形、三角形等。在一个优选的实施例中，连接管(槽)的横截面的形状为圆形或正方形。

连接管(槽)的材料包括但不限于透明的玻璃、有机玻璃(PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸脂)、PVC(聚氯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、以及不透明的PVC、PP(聚丙烯)、UPVC(硬聚氯乙烯)等。在一个优选的实施例中，选用透明度较高，机械强度和韧性良好的有机玻璃。

为方便加入藻液，顶部可用连接槽将各垂直通道连通，用于培养的藻液可直接加到该连接槽中。

底部连接管(槽)中还可包括例如取样阀和排污阀。

反应器的主体也可以采用外部支撑和内置软体透明薄膜袋组成。支撑材料包括但不限于塑料、铁丝、钢丝及木条等。透明薄膜袋的材质包括但不限于PVC(聚氯乙烯)，PE(聚乙烯)，BOPP(双向拉伸聚丙烯)等。在一个优选的实施例中，支撑材料选用铁丝，薄膜材料选用PE。

还可在垂直管道上设置多个排列进气孔。例如，如图7所示，在气升式列管光生物反应器的上升通道(a)或下降通道(b)沿着高度方向设置多个间歇排列的进气孔，通过高压风机鼓入高速气流(空气或空气与CO₂的混合气)，在管道中形成明显的径向混合，促进藻细胞在管道中央的暗区与内壁附近的光区中循环，促进藻细胞的生长。对进气孔的数量并无特殊限制，可考虑垂直管道的高度等因素而设置。在同一根垂直管道上，进气孔可在同一直线上，也可不在同一直线上。例如，各进气孔可以绕着垂直管道以螺旋上升的方式排列分布。

垂直管道中可以加入内部构件(静态混合器)。附图8示例了内部构件(静态混合器)的形式及结构，但不限于附图8所列的形式和结构。

光生物反应器的垂直管道内部可加内导流筒，形成多个内循环气升式光生物反应器的串联系统。同时，内导流筒可制成具有一定空腔的圆壳，内装人工光源，接灯管的导线可以置于圆壳顶部凸出的若干个较小空管内。附图8示出了内导流筒的例子。

2)通气系统

通气系统包括鼓风装置、通气管道和气体分布器。任选地，所述通气系统还包括空气过滤器和流量计等。空气过滤器可以是例如内装有酸液、碱液、次氯酸溶液的瓶子或罐子。

鼓风装置包括但不限于本领域周知的罗茨鼓风机、空压机、离心式风机等。

气体分布器的类型可以多种，包括但不限于气石、微孔曝气管、曝气盘等。在一个垂直管道中可以安装多个不同类型气体分布器，在藻细胞生长阶段及藻细胞气浮采收阶段可采用不同类型的气体分布器通气以实现反应器内不同的气液混合状态。

根据在线测得的外部光强、藻细胞密度等直接参数和流体在光照方向速度等间接参数，由自动控制系统对反应器内的通气量进行自动调节。

光生物反应器主体的垂直管道中采用间隔通气(气升式)，使得流体有规律地循环流动，形成流体的上升通道及下降通道。通气的间隔距离≥1根管。在一个优选的实施例中，通气的间距为1～10根管，例如每隔1、2、3、4或5根管安排一根通气管道。

在一个优选的方案中，在每个垂直管道都接入通气管，并在底部安装空气分布器。上升管和下降管之间采用间歇通气，以防止微藻在流速相对较低的下降管中粘壁。可根据实际的生产情况控制各垂直管道的通气，例如，可在培养的某个时间段使第1、3和5管垂直管道通气，在随后的一段时间内关闭第1、3和5根管道的通气，而使第2、4和6根垂直管道通气。

在反应器底部的连接管或槽的两端均布置有通气管，以防止微藻在此区域内沉降及贴壁。

在光生物反应器主体中的每个垂直管道均进行通气，则形成多个鼓泡塔串联式微藻培养系统。

在光生物反应器的下降通道中通入纯CO₂、空气或空气和CO₂的混合气，上升的气体与下降流体形成逆向流动，显著地提高藻液混合及气液传质系数。在一个优选的方案中，采用pH自动控制系统对藻液的pH进行自动反馈控制。

光生物反应器的顶部可以连接有真空抽吸系统，通过调整垂直管道中分布器的类型及通气量等参数实现合适气浮采收的条件，通过真空抽吸系统将液面上层高浓度的藻液抽取实现微藻的采收。

3)参数检测与控制系统

本申请中，参数检测与控制系统中所涉及的参数包括但不限于温度、pH、溶氧、光强和藻细胞密度等。

光生物反应器的控温系统，包括采用制冷(或加热)装置和换热管进行控温；或采用喷淋系统，将合适温度的水喷洒在光生物反应器表面进行控温；或将光生物反应器的部分浸没在水体中，通过调控水体的温度对光生物反应器的藻液进行温度控制。例如，图1示出了一种控温方式，通过将控温管8设置在底部连接管(槽)3中来控温反应器中藻液的温度。

光生物反应器配置有温度、pH、溶氧、光强、藻细胞密度等多种传感器，根据在线测定的多种参数对光生物反应器的运行条件进行自动调整。在一个较优的方案中，光物反应器中还可以配置温度检测及其反馈控制系统，pH检测及反馈控制系统、溶氧检测系统及光强检测系统等，实时自动调节并控制培养液的相关运行参数，达到藻细胞生长的最优条件。

本领域技术人员根据实际生产情况，能方便地在本发明光生物反应器的相关位置设置上述控制系统。

4)反应装置及光生物反应器的应用

本发明的反应装置和/或光生物反应器可用于微藻(如雨生红球藻)的自沉降或絮凝沉降，将上清液用泵抽取或从CO₂通气孔中放出，然后对余下的高浓度藻液进行收集。

本发明的反应装置和/或光生物反应器可以通过横向、纵向及阶梯式排列形成规模化系统，图9列出了这种规模化系统的一个例子。

规模化培养系统由不同管径的列管柱式反应器单元组成，以适应不同阶段下不同藻细胞密度时的微藻光自养培养或光诱导培养或混合营养培养。

采用该光生物反应器进行微藻光自养培养、光诱导或混合营养培养时，可采用人工光照或自然光照(阳光)；通过调节通气量及进气中CO₂含量调节pH至微藻培养所需的最佳值；培养基根据不同藻种确定，选用特定藻种最合适的光自养培养基(例如BBM培养基，f/2培养基等)。例如，小球藻的光自养培养和光诱导的具体条件参见文献(FeifeiHan,JiankeHuang,YuanguangLi等，EnhancedlipidproductivityofChlorellapyrenoidosathroughtheculturestrategyofsemi-continuouscultivationwithnitrogenlimitationandpHcontrolbyCO₂.BioresourceTechnology.2013,136:418-424；JianhuaFan,JiankeHuang,YuanguangLi等，Sequentialheterotrophy-dilution-photoinductioncultivationforefficientmicroalgalbiomassandlipidproduction.BioresourceTechnology.2012,112:206-211)。在微藻混合营养培养时，需要在光自养培养基基础再额外加入有机碳源，例如葡萄糖、醋酸等。

在采用该光生物反应器实施微藻固碳时，微藻光自养培养过程中所用的碳源来自燃煤或燃气电厂的烟道尾气，发酵工业中锅炉尾气和发酵尾气，厌氧发酵(如酒精发酵等)系统的尾气、水泥制造业中产生的废气等，即将这些工业CO₂尾气或废气直接或者用空气稀释后通过空气分布器或CO₂通气孔通入到光生物反应器中，作为碳源供微藻吸收。在采用该光生物反应器实施微藻污水处理时，采用富含氮/磷、有机物的水体，例如养殖畜牧废水、城市生活废水、发酵工业废水等，直接或用新鲜水稀释后作为微藻培养的水源，藻细胞在生长过程中吸收氮/磷、有机物等物质，可显著去除废水中氮/磷、降低COD(化学耗氧量)、BOD(生物耗氧量)等含量。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进一步的详细说明。

图1是气升式列管光生物反应器的示意图。6根垂直管道1在顶部和底部分别通过连接槽2和连接管3组成一个整体。在第1、3、5根垂直管道中安装有空气分布器4，通过鼓风装置5和通气管(标注为“通气管”的箭头/线既表示气体流动方向(箭头)，也表示“通气管”结构(线))输入空气或CO₂和空气的混合气体，流体在气体的带动下进行流动，第1、3、5根管形成流体的上升通道，第2、4、6根管形成流体的下降通道。流体通过顶部连接槽2和底部连接槽3进行流通、交换。在下降通道6中通过CO₂通气孔7通入纯CO₂或CO₂和空气的混合气，上升的气体与下降的流体形成逆向流动，提高气液传质系数，提高CO₂的吸收及O₂的解析。在底部的连接管中安装有换热管8对藻液进行控温。

图2是底部及顶部具有不同形状连接管(槽)的气升式列管光生物反应器的示意图(侧视图)。多管柱式的光生物反应器的顶部及底部连接管(槽)的形式可以是多种多样，a表示顶部及底部均为圆管；b表示顶部为方槽，底部为圆管；c表示顶部为梯形槽，底部为圆管；d表示顶部和底部均为方槽；e表示顶部为方槽，底部为圆低方槽。

图3是由不同管径的管道组成的多管柱式反应器的示意图(俯视图)。单个气升式列管光生物反应器中管道的直径可以多种，该图表示由直径分别为140mm和100mm两种管径的管道组成的光生物反应器。该反应器的优势在于，当藻细胞达到一定浓度时，内径大的管道中光区较少(基本为暗区)，而在内径小的管道中光区多，藻细胞可以获得周期性的光暗循环频率。

图4是不同形状垂直管道组成的多管柱式反应器的示意图(俯视图)。气升式列管光生物反应器中的垂直管道的形状可以各种各样，a表示垂直管道为圆管；b表示垂直管道为菱形；c表示垂直管道为椭圆管；d表示横截面为梯形的垂直管道。

图5是不同间距下通气形成的流体循环示意图。在气升式列管光生物反应器中，通气管之间的距离可以是变化的。a表示通气管之间的间距为4根垂直管道；b表示通气管之间的距离为2根垂直管道；c表示通气管直径的距离为1根垂直管道。不同通气管的间距形成不同形式的流体循环和流场，通气管之间的间距根据藻种特性、培养条件及培养工艺进行确定。

图6是多个由不同管径的垂直管道组成的多管柱式反应器的串联培养系统。在微藻光自养培养不同阶级(不同藻细胞密度)可以使用不同管径的气升式列管光生物反应器，如在初始低密度下，使用管径为150mm的气升式列管光生物反应器；当藻细胞达到中等密度时，通过低剪切力泵将藻细胞输送到管径为100mm的管式光生物反应器中；当藻细胞达到较高密度时，将藻液通过低剪切力泵再转移到管径为50mm的管式光生物反应器中，使藻细胞进一步生长，实现高密度培养。多管柱式反应器的串联培养系统可以避免初始低藻细胞密度下藻细胞的光抑制及高藻细胞密度下的光限制，实现藻细胞的高效率及高密度培养。

图7是垂直管道含有多个间歇排列进气孔的多管柱式反应器的示意图(侧视图)。在气升式列管光生物反应器的上升通道(a)或下降通道(b)沿着高度方向设置多个间歇排列的进气孔，通过高压风机鼓入高速气流(空气或空气与CO₂的混合气)，在管道中形成明显的径向混合，促进藻细胞在管道中央的暗区与内壁附近的光区中循环，促进藻细胞的生长。

图8是垂直管道中内置有导流筒(包括多节内导流筒)和内部构件的气升式列管光生物反应器。在气升式列管光生物反应器的垂直管道中内置导流筒(包括多节内导流筒)，在每个垂直管道中形成内循环式的气升式反应器。在垂直管道中也可以内置有内部构件(静态混合器)，以提高流体的径向混合，促进藻细胞生长。

图9是气升式列管光生物反应器在横向及纵向排列组成的微藻规模化培养系统的示意图。多个气升式列管光生物反应器在横向及纵向排列形成规模化的微藻培养系统，其中多管柱式的光生物反应器的管径可以不同，如分别采用管径为150mm，100mm或50mm的气升式列管光生物反应器组成的一个微藻培养系统。较优地，多个气升式列管光生物反应器交错排列，以减少反应器之间的互相遮挡，并提高土地利用率或亩产量。

为了详细说明本发明的新型气升式列管光生物反应器的优势所在，下面以实例进行具体说明：

实施例1：气升式列管光生物反应器与单个柱式和水平管道式光生物反应器中小球藻光自养培养的比较。

250L气升式列管光生物反应器，分别由12根内径为100mm的有机玻璃管道组成，管道外壁与外壁之间的间距为50mm，顶部为长1.8m，宽14cm，高15cm的方槽，底部为管径14cm，长1.8m的管道。间隔1根管道进行通气，通气量为0.2vvm，气体中含2％的CO₂以维持pH为7.0左右。

16个内径为100mm的18L(装液量16L)柱式反应器(高2m)排列成一行，柱式反应器之间的间距为5cm，形成总容积为250L的微藻培养系统。柱式反应器底部通气，通气量为0.2vvm，气体中含5％的CO₂以维持pH为7.0左右。

250L的水平管式光生物反应器，由12根内径为100mm的有机玻璃管道组成长为6m的水平管式光生物反应器主体(管道总长24m)，辅助总容积为80L(装液量60L)的脱气罐及流量为8m³/h的隔膜泵组成整个光生物反应器。在脱气罐中通入1.0vvm的气量，含6％CO₂，以维持pH在7.0左右。

上述三种不同的微藻培养系统在户外采用自然光照进行小球藻光自养培养的对比实验，初始接种藻细胞密度均为0.3g/L，经过6天的培养，250L气升式列管光生物反应器统中藻细胞的最高密度达2.2g/L，分别是由16个16L柱式反应器组成培养系统中最高藻细胞密度(1.6g/L)和250L水平管式光生物反应器(1.34g/L)的1.22倍和1.57倍。

由此可见，与传统的柱式及水平管式光生物反应器相比，气升式列管光生物反应器的性能明显较优，可以提高藻细胞的生长速率及最高藻细胞密度，并降低CO₂的使用量。

实施例2：气升式列管光生物反应器与单个柱式和水平管道式光生物反应器中雨生红球藻光诱导的比较。

250L气升式列管光生物反应器，分别由12根内径100mm的有机玻璃管道组成，管道外壁与外壁之间的间距为50mm，顶部为长1.8m，宽14cm，高15cm的方槽，底部为管径为14cm，长1.8m的管道。间隔1根管道进行通气，通气量为0.2vvm，气体中含1％的CO₂以维持pH为7.0左右。

16个内径为100mm的18L(装液量16L)柱式反应器(高2.2m)排列成一行，柱式反应器之间的间距为50mm，形成总容积为250L的微藻培养系统。柱式反应器底部通气，通气量为0.2vvm，气体中含3％的CO₂以维持pH为7.0左右。

250L的水平管式光生物反应器，由12根内径为100mm的有机玻璃管道组成长为6m的水平管式光生物反应器主体(管道总长24m)，辅助总容积为80L(装液量60L)的脱气罐及流量为8m³/h的隔膜泵组成整个光生物反应器。在脱气罐中通入1.0vvm的空气和CO₂混合气，含4％CO₂，以维持pH在7.0左右。

上述三种不同类型的微藻培养系统在户外采用自然光照进行雨生红球藻的光诱导，初始接种藻细胞密度0.3g/L，经过7天的光诱导，250L气升式列管光生物反应器统中藻细胞密度达0.9g/L，虾青素含量2.8％，虾青素产量25.2mg/L；由16个18L柱式反应器组成培养系统中藻细胞密度为0.8g/L，虾青素含量为2.5％，虾青素产量为20mg/L；250L水平管式光生物反应器中藻细胞密度为0.75g/L，虾青素含量为2.32％，虾青素产量为17.4mg/L。

由此可见，与传统的柱式及水平管式光生物反应器相比，气升式列管光生物反应器的更适合于雨生红球藻的光诱导，可以提高雨生红球藻的虾青素含量及产量。

Claims (10)

1.一种反应装置，其特征在于，所述反应装置含有2根以上并排放置的透明的垂直管道，和分别与所述垂直管道的顶部和底部连通的连接管或连接槽。

2.一种光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器包含：

(1)权利要求1所述的反应装置；

(2)通气系统；和

(3)任选的参数检测与控制系统。

3.如权利要求2所述的光生物反应器，其特征在于，所述通气系统包括鼓风装置、通气管道和气体分布器，所述垂直管道中布置有气体分布器，气体分布器经由通气管道与鼓风装置连通。

4.如权利要求1所述的反应装置或如权利要求2－3中任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述垂直管道的直径为1～100cm；管道之间的间隔为1～100cm。

5.如前述任一项权利要求所述的反应装置或光生物反应器，其特征在于，所述反应装置或光生物反应器还包括以下一个或多个特征：

(1)管道的材料选自玻璃、有机玻璃(如聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯、和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；

(2)连接管或连接槽的材料选自透明的玻璃、有机玻璃(如聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，以及不透明的聚氯乙烯、聚丙烯和硬聚氯乙烯；

(3)所述垂直管道的形状选自圆形、椭圆形、菱形、正方形和长方形；

(4)所述连接管或连接槽的横截面的形状选自圆形、椭圆形、半圆形、正方形、长方形、梯形和三角形；

(5)所述反应装置具有外部支撑和内置的软体透明薄膜袋，其中，支撑材料选自塑料、铁丝、钢丝及木条，透明薄膜袋的材质为聚氯乙烯、聚乙烯、或双向拉伸聚丙烯；

(6)所述通气系统包括鼓风装置、通气管道和气体分布器，以及任选的空气过滤器和流量计，所述空气经过滤器可以是内装有酸液、碱液及次氯酸溶液等的瓶子或罐子；

(7)所述垂直管道中布置有不同类型的气体分布器；

(8)所述气体分布器选自气石、微孔曝气管和曝气盘；

(9)所述光生物反应器包括用于调节反应器内的通气量的自动控制系统，根据在线测得的外部光强、藻细胞密度等直接参数和流体在光照方向速度等间接参数，对反应器内的通气量进行自动调节；

(10)所述光生物反应器还包括pH自动控制系统，通过调节进气量及进气中CO₂浓度，对藻液的pH进行自动反馈控制；

(11)所述垂直管道在高度方向上安装有多个排列的进气口，用以通入高速气流，强化流体的在光照方向上的混合程度；

(12)在所述垂直管道内部设置静态混合器，用以增强流体的光照方向速率；

(13)在所述垂直管道内部设置内导流筒，以在每个垂直管道中形成内循环式的液体流动；

(14)在所述垂直管道内部设置内导流筒，所述内导流筒具有空腔的圆壳，内装人工光源；

(15)所述光生物反应器的顶部还连接有真空抽吸装置，通过调整垂直管道中气体分布器的类型及通气量等参数以实现合适气浮采收的条件，通过真空抽吸系统将液面上层高浓度的藻液抽出以实现微藻的采收；和

(16)所述光生物反应器包括控温系统，包括采用制冷或加热装置和换热管进行控温，或者采用喷淋系统，将合适温度的水喷洒在光生物反应器表面进行控温。

6.一种微藻培养方法，其特征在于，所述方法包括采用权利要求1－5中任一项所述的反应装置或光生物反应器进行微藻的光自养培养、光诱导培养和混合营养培养。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述垂直管道中采用间隔通气的方式，使得流体有规律地循环流动，形成流体的上升通道及下降通道。

8.如权利要求6－7中任一项所述的方法，其特征在于，在下降通道的底部通入纯CO₂、空气或空气与CO₂的混合气，上升的气体与下降流体形成逆向流动，以提高藻液混合及气液传质系数。

9.如权利要求6－8中任一项所述的方法，其特征在于，将多个所述反应装置或光生物反应器以横向、纵向和/或阶梯方式排列，形成规模化培养系统，和/或所述规模化培养系统由不同管径的垂直管道组成的光生物反应器单元串联而成，以适应不同阶段下不同藻细胞密度时的微藻光自养或光诱导培养或混合培养。

10.如权利要求6－9中任一项所述的方法，其特征在于，所述微藻选自：

绿藻门的雨生红球藻(Haematococcuspluvialis)、Haematococcuslacustris；

小球藻属中的蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)、普通小球藻(Chlorellavulgaris)、椭圆小球藻(Chlorellaellipsoidea)、Chlorellaemersonii、Chlorellasorokiniana、Chlorellasaccharophila、Chlorellaregularis、Chlorellaminutissima、Chlorellaprotothecoides、Chlorellazofingiensis；

绿藻门中的葡萄藻(Botryococcus)，Brachiomonassubmarina，Chlamydobonasreinhardtii，Chlamydomonasacidophila，Scenedesmusobliquus，Spongiococcumexetriccium，Tetraselmissuecica，Tetraselmischuii，Tetraselmistetrathele，Tetraselmisverrucosa，Micractiniumpusillum；

硅藻门的Cylindrothecafusiformis，Nitzschialaevis，Nitzschiaalba，Nitzschiafonticola，Naviculaincerta，Naviculapelliculosa；

蓝藻门的Anabaenavariabilis；

金藻门的Poterioochromonasmalhamensis；

甲藻门的Amphidiniumcarterae，Crypthecodiniumcohnii；

裸藻门的Euglenagricilis；和

红藻门的Galdieriasulphuraria。