CN107841448A - 室外培养微藻的节能光生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室外培养微藻的节能光生物反应器，包括储液罐、培养管、浓缩罐、储水箱和控制柜。储液罐顶部设有自动排气止回阀、进水阀、进料口、进料阀和循环液进口，下部设有进气管、取样管及取样泵、循环液出口和出料口，罐内底部设有曝气管，罐内一侧设有液位传感器一、温度传感器、pH传感器和密度传感器。培养管由支架固定，外周由光感玻璃罩包围，底部设有反光板，中间设有照明设施和光照传感器，上开口为藻液进口，下开口为藻液出口。浓缩罐设有搅拌装置，液位传感器二，中下部设有膜过滤器、出料孔、真空泵和潜水泵。储水箱设置在储液罐的上方。控制柜中设有相关电器部件，接受整套设备的电器信号和控制其自动运行。
Description
技术领域
本发明属于微藻生物工程技术领域，具体地说涉及一种室外培养微藻的节能光生物反应器。
背景技术
微藻具有光合效率高、生长速度快、生长周期短、固碳效率高、生化组成丰富等特点，利用微藻可以生产蛋白、油脂、类胡萝卜素、脂肪酸、食品添加剂、色素、抗生素及其他高附加值产品等，微藻还可用于富含CO2废气和富含N、P废水的处理，因此微藻在能源、食品、医药和环境等各领域具有广泛的应用前景，微藻生物技术产业潜力巨大。
微藻产业面临的核心问题是如何提高微藻生物量产量和降低微藻培养成本，光生物反应器是微藻规模培养的核心，目前主要有开放式培养和封装式培养两种方式。相比于开放式反应器，封装式管道反应器具有培养条件稳定、培养密度和效率高、不易被污染等优点，但是也存在光能利用率低、培养成本高等问题。因此，在延续封装式管道反应器原有优点的基础上，进一步提高其光能利用率并降低能耗和水耗，从而进一步提高微藻的生物量和培养效率，降低培养成本成为微藻生物工程领域关键技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种室外培养微藻的节能光生物反应器，该装置能解决室外规模培养过程中面临的光照不均匀问题，从而提高微藻的光合效率和生长速率，此外，本发明还将微藻培养与微藻浓缩有机结合，既有利于微藻收获后续加工，而且还能实现培养液循环利用，从而降低微藻培养成本。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明的室外培养微藻的节能光生物反应器，包括储液罐、培养管、浓缩罐、储水箱和控制柜。所述的储液罐顶部设有自动排气止回阀、与储水箱连接的管道及进水阀、进料口、进料阀和循环液进口，储液罐罐体下部设有进气管、取样管及取样泵、循环液出口和出料口，储液罐内底部设有曝气管，储液罐内一侧设有液位传感器一、温度传感器、pH传感器和密度传感器。所述的进气管外连接气体配比泵，气体配比泵设有空气入口和二氧化碳入口。所述的曝气管上设有微孔，曝气管与进气管连通。所述的培养管由支架固定，培养管外周由光感玻璃罩包围，底部设有反光板，中间设有照明设施和光照传感器，培养管的上开口为藻液进口，下开口为藻液出口。所述的藻液进口经循环泵与储液罐的循环液出口连接，在藻液进口前设有紧急电磁开关和自动排气阀，藻液出口与储液罐的循环液进口连通。所述的浓缩罐设有搅拌装置，液位传感器二，中下部设有膜过滤器，膜过滤器上方设有出料孔，膜过滤器下方设有真空泵和潜水泵。浓缩罐经出料泵与储液罐的出料口连接。所述的储水箱设置在储液罐的上方。所述的控制柜中设有相关电器部件，接受整套设备的电器信号和控制其自动运行。
本发明与现有技术比较具有以下优点：（1）本发明设计的培养管为回形排列，可以有效利用立体空间，反光板可以使光线增强，提高了光能利用率，减少管道间的遮光现象。（2）本发明采用的光感玻璃罩可以自动调节光强强度，有效避免了强光对藻细胞的损伤，而且光照传感器也会在外界光照不足时通过照明设施自动补充人工照光并自动调节光强，从而实现既能有效合理利用自然照光，又不受天气导致的自然光照等影响，使微藻细胞始终维持在适应的光照环境中，极大地节约能源并提高培养效率。（3）本发明在管道上设置有紧急电磁开关，可以在特殊情况下如管壁破裂和接头泄露时通过关闭紧急开关防止储液罐中藻液继续泄露，具有自身保护功能。（4）本发明反应器在运行过程中，微藻细胞利用太阳能通过光合作用将CO2转换为氧气和生物质，CO2来源可以为工厂烟道气或发电厂废气，可以变废为宝，保护环境，从而降低培养成本。（5）本发明反应器中的温度、pH、光照、液位和细胞密度等运用传感信号，可以自动调控到最佳培养条件，使微藻培养过程可控并维持在理想条件下，还能降低人力资本。（6）本发明将微藻培养与藻细胞收获浓缩相结合，浓缩后的藻液有利于微藻后续加工处理，而且浓缩过程中分离出的不含藻细胞的液体又可以进行循环利用，在补充一定量营养元素后可作为培养基进行微藻再培养，既节约水资源又能降低培养成本。（7）与大多数现有微藻室外培养装置比较，本发明反应器装置可极大提高微藻光能利用率和水资源重复利用率，综合培养成本可降低30%-50%。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图中，1、储液罐，2、培养管，3、浓缩罐，4、储水箱，5、自动排气止回阀，6进水阀，7、进料口，8、进料阀，9、循环液进口，10、进气管，11、取样泵，12、循环液出口，13、出料口，14、曝气管，15、液位传感器一，16、温度传感器，17、pH传感器，18、密度传感器，19、气体配比泵，20、空气入口，21、二氧化碳入口，22、微孔，23、支架，24、光感玻璃罩，25、反光板，26、照明设施，27、光照传感器，28、藻液进口，29、藻液出口，30、循环泵，31、电磁开关，32、自动排气阀，33、搅拌装置，34、液位传感器二，35、膜过滤器，36、出料孔，37、真空泵，38、潜水泵，39、出料泵，40、控制柜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的室外培养微藻的节能光生物反应器，包括储液罐1、培养管2、浓缩罐3、储水箱4和控制柜40。所述的储液罐1顶部设有自动排气止回阀5、与储水箱4连接的管道及进水阀6、进料口7、进料阀8和循环液进口9，储液罐1罐体下部设有进气管10、取样管及取样泵11、循环液出口12和出料口13，储液罐1内底部设有曝气管14，储液罐1内一侧设有液位传感器一15、温度传感器16、pH传感器17和密度传感器18。所述的进气管10外连接气体配比泵19，气体配比泵19设有空气入口20和二氧化碳入口21。所述的曝气管14上设有微孔22，曝气管14与进气管10连通。所述培养管2由支架23固定，培养管2外周由光感玻璃罩24包围，底部设有反光板25，中间设有照明设施26和光照传感器27，培养管2的上开口为藻液进口28，下开口为藻液出口29。所述的藻液进口28经循环泵30与储液罐1的循环液出口12连接，在藻液进口28前设有紧急电磁开关31和自动排气阀32，藻液出口29与储液罐1的循环液进口9连通。所述的浓缩罐3设有搅拌装置33，液位传感器二34，中下部设有膜过滤器35，膜过滤器35上方设有出料孔36，膜过滤器35下方设有真空泵37和潜水泵38。浓缩罐3经出料泵39与储液罐1的出料口13连接。所述的储水箱4设置在储液罐1的上方。所述的控制柜40中设有相关电器部件，接受整套设备的电器信号和控制其自动运行。
利用本发明系统化培养微藻的具体过程如下：
（1）消毒对设备进行彻底消毒处理，用盐酸、高锰酸钾、次氯酸钠等反复进行消毒后，最后用无菌水将管道冲洗干净。
（2）进料 打开自动排气止回阀5、进料阀8、电磁开关31，将无菌的培养基经过进料口7进入微藻储液罐1，开启循环泵30，使培养基料液通过循环液出口12进入培养管2，培养基再经培养管2的藻液出口29流回储液罐1，形成培养液循环。循环泵30流量可控，使其既不使微藻细胞沉于管壁，又不会损伤藻细胞。当培养管2内培养液达到一定体积后，管道内空气通过排气阀32排尽，当储液罐1内的液体体积达规定容积后停止进料。
（3）接种 将藻种通过进料口7接入储液罐1内，然后用无菌培养基冲洗进料口7，将管道内残余藻液充分冲入罐中，关闭进料阀8。
（4）供气 打开气体配比泵19，将从二氧化碳入口21进入的CO2和从空气入口20进入的空气按一定比例配制成CO2混合气，混合气通过进气管10进入曝气管14，经微孔22形成微泡后溶解在培养液内。
（5）培养 培养液在储液罐1和培养管2中循环培养，藻细胞在光照条件下利用CO2进行光合反应。通气量可通过pH传感器17自动控制气体配比泵19进行调节，使气泡在上升过程中带动藻液不断混匀，发挥搅拌作用，避免藻体沉积与贴壁。光合作用产生的氧气和多余的混合气通过储液罐顶的自动排气止回阀5排出。随着细胞密度的增大，CO2需求量也进一步增加，此时溶液中的CO2浓度下降，溶液pH升高，到达一定范围后，pH传感器17会将信号传递给控制柜40，气体配比泵19会增加CO2通入量，藻液中CO2含量上升，pH值下降，培养过程中藻液pH始终维持在一定范围内。如果白天太阳光强太强并超过所培养藻种的光饱和点时，通过光照传感器27自动控制光感玻璃罩24玻璃的颜色和透光度，日照强度越高，玻璃的颜色变深，透光度越低，反之，日照强度低，玻璃的颜色浅，透光度高。当白天太阳光不足或夜里的光照强度低于微藻所需适宜光强时，人工照明设施26自动启动来补充光源。反光板25用来反射光线，提高光能利用率。在培养过程中，藻液的温度和密度通过温度传感器16和密度传感器18进行检测，确保培养过程顺利进行。定期通过取样泵11取样，监测藻细胞的生长速率和生长状况。
（6）应急措施 在培养过程中，若培养管2出现意外发生破裂泄露时，液位传感器一15会将信号传递给控制柜40报警，电磁开关31和循环泵30自动关闭，保护培养系统的安全，防止储液罐1内藻液继续泄露。
（7）藻液浓缩经过一段时间的培养后，整个反应器内的藻液浓度达到收获浓度后，即可以进行藻液的收获浓缩。收获时，关闭气体配比泵19和循环泵30和阀门31，打开微藻浓缩罐3中的搅拌器16和出料泵39，储液罐1中的藻液进入藻液浓缩罐3，当浓缩罐3内的液体高于一定高度时，液位传感器二34控制出料泵39关闭。打开真空泵37，将浓缩罐3中的藻液通过膜过滤器35进行抽滤，藻细胞被拦截在膜过滤器35上，过滤后的不含藻细胞培养液经潜水泵38泵入储水箱4用作下次培养。经浓缩罐3的抽滤后，藻液中的大部分水分与细胞分离，起到藻液的收获与浓缩功能。浓缩后的藻液通过打开出料孔36取出，用于后续加工处理。当浓缩罐3内的液体低于一定高度时，液位传感器二34控制出料泵39再次打开，当培养管2中的藻液全部流入储液罐1中后关闭循环泵30，当储液罐1中的藻液最终全部流入浓缩罐3后，关闭出料泵39，当浓缩罐3中的藻液全部抽滤完毕后，关闭真空泵37和潜水泵38，完成浓缩作业。
（8）清洗 分别用无菌水和一定的消毒液冲洗和浸泡各管道组、储液罐、浓缩装置、各个传感器探头、阀门等，开启循环泵30进行循环消毒，经过一段时间的消毒后，将消毒液排出，再用无菌水冲刷残留消毒液，然后可以重新开始下一轮的微藻细胞培养。
本发明实施的结果表明，本发明能大幅度提高微藻规模培养时光能利用率和水资源重复利用率，在培养过程中温度、pH、光强、液位高度和细胞密度等参数能实时调控，给微藻生长代谢提供最佳条件，能有效缩短培养时间，避免外界敌害生物危害，降低生产成本，与大多数现有微藻室外培养装置比较，本发明综合培养成本可降低30%-50%。该反应器可用于连续或半连续微藻培养，为开发微藻生物资源提供技术支撑，有利于规模生产微藻蛋白、生物柴油和其他高附加值产品。
Claims (2)
1.一种室外培养微藻的节能光生物反应器，其特征在于，反应器包括储液罐、培养管、浓缩罐、储水箱和控制柜；
所述的储液罐顶部设有自动排气止回阀、与储水箱连接的管道及进水阀、进料口、进料阀和循环液进口，储液罐罐体下部设有进气管、取样管及取样泵、循环液出口和出料口，储液罐内底部设有曝气管，曝气管上设有微孔，曝气管与进气管连通，储液罐内一侧设有液位传感器一、温度传感器、pH传感器和密度传感器；
所述的培养管由支架固定，培养管外周由光感玻璃罩包围，底部设有反光板，中间设有照明设施和光照传感器，培养管的上开口为藻液进口，下开口为藻液出口，所述藻液进口经循环泵与储液罐的循环液出口连接，在藻液进口前设有紧急电磁开关和自动排气阀，藻液出口与储液罐的循环液进口连通；
所述的浓缩罐设有搅拌装置，液位传感器二，中下部设有膜过滤器，膜过滤器上方设有出料孔，膜过滤器下方设有真空泵和潜水泵，浓缩罐经出料泵与储液罐的出料口连接；
所述的储水箱设置在储液罐的上方；
所述的控制柜中设有相关电器部件，接受整套设备的电器信号和控制其自动运行。
2.根据权利要求1所述的室外培养微藻的节能光生物反应器，其特征在于，所述的进气管外连接气体配比泵，气体配比泵设有空气入口和二氧化碳入口。
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