CN108018194A - 一种用于微藻规模培养的管道式光生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，其包括光反应管、光源系统、藻液循环系统、温度调控系统、PH调控系统、溶氧调控系统、控制面板；温度调控系统、PH调控系统、溶氧调控系统、光源系统、藻液循环系统均与控制面板电连接；该管道式光生物反应器还包括用于阻拦杂质的过滤网、可提高光反应管的光照强度的反光板；过滤网设置在光反应管的出液口与藻液循环系统连接的通道内，反光板设置在与光源系统所处位置的相对位置。本发明不仅有效地降低藻液循环系统遭受损伤的可能性，而且有效地提升了光反应管下面和侧面的受光率，从而节省了夜间使用LED光源的数量，有利于节约能源，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于微藻培养技术领域，具体涉及一种用于微藻规模培养的管道式光生物反应器。
背景技术
岩藻黄素(Fucoxanthin)是一种广泛存在于海洋褐藻、硅藻、金藻中的类胡萝卜素，具有清除自由基、抗癌、调节血压、抗肥胖和抗过敏等生理活性，尤其在抗肿瘤和减肥方面功效突出。目前，用于提取岩藻黄素的原料主要为海带、裙带菜等大型海藻。然而由于大型海藻中具有岩藻黄素含量低、养殖成本高、提取纯化困难、季节性生长等特点，严重限制了岩藻黄素的开发利用。而海洋硅藻(比如三角褐指藻)在混养下易于实现较高密度培养，其在合成和积累岩藻黄素的能力方面远远强于大型海藻，且相对于大型藻类来说更易于提取分离，是岩藻黄素的新来源，而且安全无毒。
光生物反应器一般是指用于培养光合微小生物及具有光合作用的植物细胞或组织的设备或装置。目前，应用于微藻培养的光生物反应器主要有开放式和封闭式两种。在光合自养模式下，封闭式管道光生物反应器因比表面积大、光能利用率高、不易污染、气体交换高效、流速调控更好、储液量更大、占地面积小等优点，被认为是最适合户外大规模培养微藻且最有潜力的反应器。而且，封闭式管道光生物反应器具有的密封的管道系统容易与其它加工设备配套，可以实现藻液在不同工序之间的顺利转移，非常适合自动化、大规模作业。
但是，现有的封闭式管道光生物反应器存在以下不足：1、位于光反应管内的微藻在培养过程中会有部分结块现象，易进入藻液循环系统中而导致藻液循环系统遭受损伤；2、在夜间，为了满足微藻进行光合作用，需要额外采用大量的LED光源，不仅成本高，而且光反应管的管道下面及侧面受光率较低。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，不仅能过滤掉藻块及大颗粒杂质以降低藻液循环系统遭受损伤的可能性，而且提高了管道下面和侧面的受光率，有效节省LED光源的使用量。
为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：
一种用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，包括用于提供微藻生长场所的光反应管、光源系统、藻液循环系统、温度调控系统、PH调控系统、溶氧调控系统、控制面板，所述光反应管的进液口和出液口均与所述藻液循环系统连通，所述光源系统、所述藻液循环系统、所述温度调控系统、所述PH调控系统、所述溶氧调控系统均与所述控制面板电连接，其特征在于：
还包括用于阻拦杂质的过滤网、可提高所述光反应管的光照强度的反光板；所述过滤网设置在所述光反应管的出液口与所述藻液循环系统连接的通道内，所述反光板设置在与所述光源系统所处位置的相对位置。
进一步的，还包括用于气体喷射的射流器；所述射流器的出气口与所述藻液循环系统连通，所述射流器的进气口与所述PH调控系统连通。
进一步的，所述PH调控系统包括PH电极、减压阀、气体发生器，所述气体发生器包括有二氧化碳钢瓶；所述气体发生器、所述PH电极均与所述控制面板电连接；所述PH电极的探头设置于所述藻液循环系统中，所述射流器的进气口通过一管路与所述二氧化碳钢瓶连通，所述减压阀设于所述管路上。
进一步的，所述气体发生器还包括臭氧发生器，所述臭氧发生器与所述射流器的进气口连通。
进一步的，所述藻液循环系统包括进料筒、循环水泵，所述循环水泵与所述控制面板电连接；
所述光反应管的出液口与所述进料筒连通，所述循环水泵设置在所述光反应管的出液口与所述进料筒连接的通道内；
所述循环水泵与所述光反应管之间的通道上连通有斜三通，所述过滤网位于所述斜三通内。
进一步的，还包括光反应管支架；所述光反应管支架包括多层架子，所述光反应管包括多根透明管；各所述透明管相互串联并依次通过各层所述架子得以支撑。
进一步的，所述透明管之间的直管连接区域均采用橡皮圈与蜗杆传动卡箍配合以加固密封，所述透明管之间的弯管连接区域均通过U型管连接。
进一步的，所述温度调控系统包括均与所述控制面板电连接的温度电极、制冷装置；所述温度电极的探头设置于所述藻液循环系统中，所述制冷装置设于毗邻所述光反应管的区域。
进一步的，所述光反应管的制备材料为玻璃、有机玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯或聚丙烯。
进一步的，所述反光板的制备材料为反光纸、反光膜或反光铝板。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的一种用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，在光反应管的出液口与藻液循环系统连接的通道内设置过滤网，其能够过滤掉藻块及大颗粒杂质，从而有效地降低藻液循环系统中遭受损伤的可能性；在光源系统所处位置的相对位置上设置反光板，其能够有效反射相应的光照，增加光强度，节约能耗，并且也扩大了光反应管的受光面积，光反应管下面和侧面的受光率明显提升，从而有效地节省了夜间使用LED光源的数量，有利于节约能源，降低生产成本。
(2)本发明提供的一种用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，增设有射流器，其中，射流器的出气口与藻液循环系统连通，射流器的进气口与气体发生器连通。因为射流器喷射产生的气泡多而细腻，所以非常有利于气体在藻液中的溶解以及微藻对气体的吸收利用，非常有利于大规模微藻的培养。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明所述用于微藻规模培养的管道式光生物反应器的一种整体结构示意图；
图2为本发明所述用于微藻规模培养的管道式光生物反应器的电气连接框图；
图3为本发明所述斜三通和所述过滤网的一种连接结构示意图；
图4为不同培养装置中三角褐指藻生长情况及岩藻黄素含量对比情况。
标记说明：
1、控制面板；2、过滤网；3、反光板；4、藻液循环系统；41、进料筒；42、循环水泵；43、主管道；44、小管道；5、温度调控系统；51、温度电极；52、制冷装置；6、PH调控系统；61、PH电极；62、减压阀；63、二氧化碳钢瓶；7、溶氧调控系统；71、溶氧电极；8、光源系统；81、光源板；82、光源板支架；9、光反应管；91、U型管；10、光反应管支架；11、臭氧发生器；12、射流器；13、斜三通；14、排气口；15、取样口；16、溶氧插入口；17、进水口；18、第一出水口；19、第二出水口；20、第一阀门；21、第二阀门；22、第三阀门；23、第四阀门；24、第五阀门。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，如图1-3所示，包括用于提供微藻生长场所的光反应管9、用于补充微藻生长所需光照及调节光照的光源系统8、用于驱动光反应管9内藻液的循环以及促进溶解氧的解析的藻液循环系统4、用于培养过程中温度的监测及调控的温度调控系统5、用于培养过程中PH的监测及调控的PH调控系统6、用于培养过程中溶解氧的监测及调控的溶氧调控系统7、控制面板1；光反应管9的进液口和出液口均与藻液循环系统4连通，光源系统8、藻液循环系统4、温度调控系统5、PH调控系统6、溶氧调控系统7均与控制面板1电连接。
该管道式光生物反应器还包括用于阻拦杂质的过滤网2、可提高光反应管9的光照强度的反光板3，过滤网2设置在光反应管9的出液口与藻液循环系统4连接的通道内，反光板3设置在与光源系统8所处位置的相对位置。
作为一种实施例，选用的微藻为三角褐指藻，三角褐指藻是喜低温的藻种，温度较低时更利于三角褐指藻的生长。
在上述实施例中，该管道式光生物反应器还包括用于气体喷射的射流器12；射流器12的出气口与藻液循环系统4连通，射流器12的进气口与PH调控系统6连通。由于射流器12喷射产生的气泡多而细腻，有利于气体在藻液中的溶解以及微藻对气体的吸收利用。
在上述实施例中，PH调控系统6包括PH电极61、减压阀62、气体发生器，气体发生器包括有二氧化碳钢瓶63；气体发生器、PH电极61均与控制面板1电连接；PH电极61的探头设置于藻液循环系统4中，射流器12的进气口通过一管路与二氧化碳钢瓶63连通，减压阀62设于管路上，减压阀62用于调节气压的大小，管路上还设有第一阀门20。在控制面板1上设置PH报警上限和PH报警下限，待PH值超过PH报警上限，打开第一阀门20释放二氧化碳进行调节，待PH值降到PH报警下限，则进行关闭。
在上述实施例中，气体发生器还包括臭氧发生器11，臭氧发生器11与射流器12的进气口连接；臭氧发生器11与射流器12的进气口连接的管道上还设置有第二阀门21。在臭氧消毒阶段，打开第二阀门21，释放臭氧，能对培养基进行消毒灭菌。
在上述实施例中，藻液循环系统4包括进料筒41、循环水泵42，循环水泵42与控制面板1电连接；
具体的，光反应管9的出液口与进料筒41连通，循环水泵42设置在光反应管9的出液口与进料筒41连接的通道内；溶解氧通过藻液循环系统4汇集在进料筒41中，进料筒41可以进行种子液的添加及补料工作；控制面板1能通过控制循环水泵42来控制藻液的流速，保持光反应管9内藻液的流动，保持微藻细胞处于悬浮状态，避免藻体沉降，从而提高了光能利用效率和降低了光抑制效果，并且提高了二氧化碳气体的交换率和溶解速度，有助于微藻产生的氧气在藻液中的解析，降低溶解氧对微藻光合作用的抑制，此外，还有助于保持营养液的均匀分布和消除藻液的热分层。
更具体的，如图3所示，循环水泵42与光反应管9之间的通道上连通有斜三通13，过滤网2位于斜三通13内；斜三通13与光反应管9的出液口之间的管道上设置第三阀门22。过滤网2设置在斜三通13内，增大了过滤网2的面积，使藻液充分地与过滤网2接触，从而较大程度地过滤藻块及大颗粒杂质。
在上述实施例中，该管道式光生物反应器还包括光反应管支架10；光反应管支架10包括多层架子，光反应管9包括多根透明管；各透明管相互串联并依次通过各层架子得以支撑，从而有效地提高该管道式光生物反应器的使用牢靠性。
更具体的，各透明管之间的直管连接区域均采用橡皮圈与蜗杆传动卡箍配合以加固密封，密封效果好；各透明管之间的弯管连接区域通过U型管91连接，结构紧凑。
在上述实施例中，光反应管9的制备材料可以选择为玻璃、有机玻璃、不锈钢、聚乙烯、聚氯乙烯或聚丙烯。
比如，光反应管9是由聚氯乙烯制作而成的透明管道，则管道内壁均匀光滑，便于藻液的流动和内壁的清洗。
在上述实施例中，光源系统8包括光源板81、光源板支架82，光源板81位于光源板支架82上，光源板支架82位于光反应管支架10的顶部，反光板3位于光反应管支架10的底部；光源板81包括灯板和设置于灯板上的LED光源模板，LED光源模板包括LED光源和光源电路板；光源板支架82和光反应管9平行设置，光源板支架82均采用透明材料制作而成，避免遮光。LED光源与光源电路板电连接，光源电路板与控制面板1电连接，LED光源可以通过控制面板1调节光照强度变化，每只LED光源的变化范围为0～10000Lux，其较其它照明灯而言光谱较为连续，且红光比例较高，提高了光合作用效率。
在上述实施例中，温度调控系统5包括均与控制面板1电连接的温度电极51、制冷装置52；温度电极51的探头设置于藻液循环系统4中，制冷装置52设于毗邻光反应管9的区域。由于三角褐指藻是耐低温藻种，在10℃左右仍能较好地存活，所以无需配置加热装置，在温度电极51上设置起始温度是25℃，终止温度是20℃，将温度电极51的探头插入进料筒41中，待温度超过25℃会自动启动制冷装置52，使得藻液快速降温，待温度降到20℃，制冷装置52自动停止。
在上述实施例中，反光板3的制备材料选择为反光纸、反光膜或反光铝板，易于购买，有利于降低制造成本。
更具体的，反光板3的材料为铝箔反光膜。
在上述实施例中，在藻液循环系统4的主管道43上选取任意两处通过变径三通连接一个闭合的小管道44，射流器12的出气口连接到小管道44上，在小管道44上设置第四阀门23，在主管道43的选取段上设置第五阀门24。通过控制第四阀门23、第五阀门24，能够控制主管道43和小管道44中液体的流速。
在上述实施例中，溶氧调控系统7包括溶氧电极71，其与控制面板1电连接；主管道43的选取段上设置溶氧插入口16，溶氧电极71的探头放置在溶氧插入口16中。关闭第三阀门22、第四阀门23、第三五阀门24，便可确保旋开溶氧插入口16时无液体流出；在溶氧较低的情况下，射流器12的进气口和空气相连，通过溶氧电极71的调控，以降低较高的溶解氧对微藻细胞的损害。
在上述实施例中，该管道式光生物反应器还包括进水口17、第一出水口18、第二出水口19、取样口15、排气口14。第一出水口18和第二出水口19均位于循环水泵42与光反应管9之间的通道上，用于采集藻液；取样口15位于小管道44上，用于取样，以进行生长情况的监控；排气口14位于进料筒41上，用于排除过多的溶解氧，避免氧胁迫造成的损伤。
为便于更好地理解本发明，接下来对上述实施例所述的管道式光生物反应器的一种运行过程进行阐述，具体如下：
1、管道清洗：按图1所示的连接关系组装好微藻规模培养的管道式光生物反应器后，打开第三阀门22、第四阀门23和第五阀门24，关闭第一出水口18、第二出水口19和取样口15，打开进水口17，使管道中充满水；打开循环水泵42，通过控制面板1来控制水的流速，通过进料筒41向水中加入适当浓度的次氯酸钠对管道进行消毒、灭菌处理；处理完毕后，关闭循环水泵42，打开第一排水口18和第二排水口19，将水排出；用清水冲洗几次，即完成管道的清洗。
2、培养基的灭菌：打开进水口17，向管道中注入适量清水(留出种子液的体积)，打开循环水泵42，通过进料筒41向水中缓慢加入海盐；待海盐溶解后，缓慢关闭第五阀门24，待射流器12的进气口处有气体吸入即可；射流器12进气口连接臭氧发生器11，打开第二阀门21，进行臭氧消毒处理；臭氧处理完毕后，关闭第二阀门21，慢慢打开第五阀门24，增大流速，进行散气处理。
3、仪表的安装：待散气处理完毕后，关闭循环水泵42、第三阀门22、第四阀门23、第五阀门24，旋开溶氧插入口16的螺帽，插入溶氧电极71的探头并旋紧；将减压阀62接口与二氧化碳钢瓶63相连，减压阀62出气口与射流器12进气口相连；温度电极51和PH电极61的探头插入进料筒41中，至液体没过探头；溶氧电极71、温度电极51、PH电极61均与控制面板1电连接，控制面板1连接电源线后置于面板箱内。
4、种子液的接种培养及过程监控：待仪表安装完毕后，先打开第三阀门22、第四阀门23、第五阀门24，再打开循环水泵42；通过进料筒41向液体中缓慢加入经灭菌后的培养基母液，待混合均匀后，向进料筒41加入培养好的种子液，种子液在循环水泵42的带动下，不断地混合均匀；种子液完全加入后，密封进料筒41的盖子，打开控制面板1上溶氧电极71、温度电极51、PH电极61的电源开关，设置温度和PH的报警上限和报警下限，打开第一阀门20，全开二氧化碳钢瓶63，微调减压阀62；打开LED光源控制开关，旋转旋钮调节所需要的光照强度；通过对溶氧、温度、PH、光照强度的监测和调控，确保三角褐指藻处于最佳的生长条件；每天定时从取样口15取样，对三角褐指藻的生长状态进行监测。
将本发明公开的管道式光生物反应器与其它培养装置进行对比试验，其中，各培养装置中三角褐指藻的生长情况及岩藻黄素含量的对比情况如下：
分别在不同的培养装置(A：跑道池，B：传统的光生物反应器，C：以传统日光灯作为光源的室内光生物反应器，D：本发明公开的管道式光生物反应器)中培养三角褐指藻，保持起始接种浓度相同，检测不同培养装置中三角褐指藻的生长情况及岩藻黄素的含量，结果如图4所示。
通过图4可以看出，使用本发明公开的用于微藻规模培养的管道式光生物反应器后，三角褐指藻的干重和细胞数目明显增加，岩藻黄素产率得到大幅度提高，实现微藻的大规模培养。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，包括用于提供微藻生长场所的光反应管、光源系统、藻液循环系统、温度调控系统、PH调控系统、溶氧调控系统、控制面板，所述光反应管的进液口和出液口均与所述藻液循环系统连通，所述光源系统、所述藻液循环系统、所述温度调控系统、所述PH调控系统、所述溶氧调控系统均与所述控制面板电连接，其特征在于：
还包括用于阻拦杂质的过滤网、可提高所述光反应管的光照强度的反光板；所述过滤网设置在所述光反应管的出液口与所述藻液循环系统连接的通道内，所述反光板设置在与所述光源系统所处位置的相对位置。
2.根据权利要求1所述的用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，其特征在于：还包括用于气体喷射的射流器；所述射流器的出气口与所述藻液循环系统连通，所述射流器的进气口与所述PH调控系统连通。
3.根据权利要求2所述的用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，其特征在于：所述PH调控系统包括PH电极、减压阀、气体发生器，所述气体发生器包括有二氧化碳钢瓶；所述气体发生器、所述PH电极均与所述控制面板电连接；所述PH电极的探头设置于所述藻液循环系统中，所述射流器的进气口通过一管路与所述二氧化碳钢瓶连通，所述减压阀设于所述管路上。
4.根据权利要求2所述的用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，其特征在于：所述气体发生器还包括臭氧发生器，所述臭氧发生器与所述射流器的进气口连通。
5.根据权利要求1～4任一项所述的用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，其特征在于：
所述藻液循环系统包括进料筒、循环水泵，所述循环水泵与所述控制面板电连接；
所述光反应管的出液口与所述进料筒连通，所述循环水泵设置在所述光反应管的出液口与所述进料筒连接的通道内；
所述循环水泵与所述光反应管之间的通道上连通有斜三通，所述过滤网位于所述斜三通内。
6.根据权利要求1～4任一项所述的用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，其特征在于：还包括光反应管支架；所述光反应管支架包括多层架子，所述光反应管包括多根透明管；各所述透明管相互串联并依次通过各层所述架子得以支撑。
7.根据权利要求6所述的用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，其特征在于：所述透明管之间的直管连接区域均采用橡皮圈与蜗杆传动卡箍配合以加固密封，所述透明管之间的弯管连接区域均通过U型管连接。
8.根据权利要求1～4任一项所述的用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，其特征在于：所述温度调控系统包括均与所述控制面板电连接的温度电极、制冷装置；所述温度电极的探头设置于所述藻液循环系统中，所述制冷装置设于毗邻所述光反应管的区域。
9.根据权利要求1～4任一项所述的用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，其特征在于：所述光反应管的制备材料为玻璃、有机玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯或聚丙烯。
10.根据权利要求1～4任一项所述的用于微藻规模培养的管道式光生物反应器，其特征在于：所述反光板的制备材料为反光纸、反光膜或反光铝板。
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