CN108060058B - 一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器，包括具有密闭腔室的混合箱以及设置在该混合箱上两端开口的圆柱形筒体；其中，圆柱形筒体内的中心处设有用于放置灯管的圆柱形灯管桶，沿着该圆柱形灯管桶自上而下在圆柱形筒体内套装有若干个圆环形跑道，上下相邻两个圆环形跑道之间通过扇形弯槽相连通，最底层的圆环形跑道通过扇形弯槽与混合箱顶部上开设的通孔相连通；圆环形跑道中心线长度与宽度之比为10，藻液流动速度约5cm/s，藻液厚度1～4cm；圆柱形筒体侧壁设有排气孔，顶部设有圆盖；混合箱通过循环管路以及设置在循环管路上的循环泵与最顶层的圆环形跑道相连通。本发明结构紧凑、易于控制、运行成本低，在室外高密度养殖微藻中更有优势。

Description

一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器

技术领域

本发明属于藻类养殖技术领域，具体涉及一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器，适合于室外大规模养殖微藻。

背景技术

随着世界经济的快速发展，石油需求量大幅增加，导致化石能源资源日渐枯竭；另一方面，化石能源的大规模使用产生了大量的温室气体，导致全球气候变暖、生态环境恶化。寻找一种能替代化石能源的新能源是未来能源发展的趋势。微藻能有效利用光能、CO₂和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质，可以培养微藻来生产生物能源，在众多新能源生产中，微藻制备生物能源的优势十分明显。要想利用微藻制备新的生物能源，研究一种能高密度养殖微藻的反应器成为首要的关键之一。当前的光反应器主要分为开放式和封闭式光生物反应器。

开放式光生物反应器以跑道式光生物反应器为代表，其主要特点是反应器与外界环境处于连通的状态，并通过人工驱动藻液循环流动来促进微藻快速高效地生长。虽然其运行成本较低，但是占地面积较大且容易受到污染。由于此类型光生物反应器与外界环境有很大的接触面积，运行过程中培养液很容易蒸发，当外界环境状况(光照、温度、其他生物等)不稳定时，直接会造成藻类生长繁殖缓慢甚至具有污染藻液的风险。

封闭式光生物反应器以管式密闭光反应器为代表，其主要特点是反应器处于相对封闭状态，通过控制温度、光照强度、循环流量和曝气速率等光反应条件，使得系统内藻类生长处于适宜的条件。相对于开放式光生物反应器，密闭光照生物反应器可以更加精确地调节藻类生长的环境，从而达到高密度微藻的目的；但是结构复杂、较为封闭、设备造价较高，实际加工和清洗较为困难。此外，不仅其运行成本较高，而且放大较为困难，很难应用到大规模的生产中。于是能生产出一种低成本的高密度养殖微藻的光生物反应器成为目前微藻养殖、生物能源制备和污水处理应用研究的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器，包括具有密闭腔室的混合箱以及设置在该混合箱上两端开口的圆柱形筒体；其中，圆柱形筒体内的中心处设置有用于放置灯管的圆柱形灯管桶，沿着该圆柱形灯管桶自上而下在圆柱形筒体内套装有若干个圆环形跑道，上下相邻两个圆环形跑道之间通过扇形弯槽相连通，且最底层的圆环形跑道通过扇形弯槽与混合箱顶部上开设的通孔相连通，混合箱通过循环管路以及设置在循环管路上的循环泵与最顶层的圆环形跑道相连通。

本发明进一步的改进在于，该混合箱的顶部还开设有取样孔。

本发明进一步的改进在于，该混合箱的底部还设置有放空阀。

本发明进一步的改进在于，该混合箱顶部的通孔为圆孔。

本发明进一步的改进在于，圆柱形筒体的侧壁上自上而下开设有若干排气孔。

本发明进一步的改进在于，圆柱形筒体的顶部还设置有圆盖。

本发明进一步的改进在于，最顶层的圆环形跑道与对应扇形弯槽的连通处还设置有挡板。

本发明进一步的改进在于，所有的扇形弯槽呈螺旋状向下分布。

本发明进一步的改进在于，圆柱形筒体、圆柱形灯管桶、圆环形跑道与扇形弯槽均采用透明材料制成。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器，利用循环泵驱使藻液在圆环形跑道中以推移流的形式循环流动，使微藻与营养盐处于最佳的传质状态；利用中间圆柱形灯管桶的光源以及圆柱形筒体外侧的自然光，为藻液提供最佳的光照强度和光照角度；利用圆柱形筒体侧壁上的排气孔和顶部的圆盖，保证反应器内通气良好和藻液不受外来污染；通过独特的结构设计和运行控制，从多方面创造有利于微藻生长的良好条件，使微藻高效生长；是一种结构紧凑、运行成本低、易于控制的高效微藻养殖装置。

进一步，藻液在圆环形跑道中以推移流的形式循环流动，设定圆环形跑道中心线长度与宽度之比为10以维持藻液的推移流运动，优于开放式光生物反应器内流态，能使藻液混合更均匀；通过流量控制使藻液以最适于微藻生长的流速(约5cm/s)流动，通过藻液循环流动消除微藻生长过程中形成的营养盐浓度梯度，共同促使微藻与营养盐处于最佳的传质状态，有利于微藻生长。

进一步，藻液在圆环形跑道中以推移流的形式循环流动，可避免微藻粘附于光生物反应器的壁面，保证微藻处于一种良好的光照状态，利于微藻生长。

进一步，藻液在圆环形跑道中以推移流的形式循环流动，属于一种开放式重力流，可以较大程度降低藻细胞的损害。

进一步，利用中间的圆柱形灯管桶内的LED灯管为藻液提供光照，每个圆环形跑道上下两面均可接受光照且二者叠加，有效避免了藻液内部接收到的光照强度因藻细胞密度增殖而减小的问题，极大地提高了光照的利用率，加强了微藻的光合作用，节约了部分能量，优于其他开放式光生物反应器内对藻液的单面照射。

进一步，当中间的圆柱形灯管桶内的LED灯管全部通电打开时，圆环形跑道最外侧的光照强度为5000lux左右，内侧受到大约8000lux左右，满足微藻生长所需的最佳光照强度；当有特殊光照需求的时候，可以增减灯管的数量或更换不同功率的灯管来达到相应要求。

进一步，可以调节循环泵的流量以及圆环形跑道末端的开口程度，使圆环形跑道中藻液的厚度保持在1cm～4cm，实现藻液生长做需的最佳光照状态。

进一步，混合箱的顶部还开设有取样孔，主要是通过取样孔来定时检测藻液的生长情况，还可增加外界环境与混合箱内部的空气交换。

进一步，混合箱的底部还设置有放空阀，放空阀主要作用是收获高密度藻液，此外在清洗箱体的时候可以将清洗废水排出。

进一步，混合箱顶部的通孔为圆孔，其中通孔主要是使混合箱内的藻液与圆环形跑道中流动的藻液相互交换，圆孔的设计可以使流动的藻液保持较好的水力条件以减少流动过程中的水头损失，也可以减少对藻细胞的损害。

进一步，圆柱形筒体的侧壁上自上而下开设有若干排气孔，圆柱形筒体的设计主要是为了隔绝外界环境的不稳定状况对内部藻液的造成的影响，匹配内部圆环形跑道，充分提高内部空间和材料的使用率。排气孔可以增加内部空气与外界空气的交换，快速与外界进行热量交换。

进一步，圆柱形筒体的顶部还设置有圆盖，圆盖可以阻断外部污染物质的进入，保证循环流动的藻液免受到污染，也可以通过增大圆盖的开启度来促进筒体内部与外界的空气和热量交换。

进一步，最顶层的圆环形跑道与对应扇形弯槽的连通处还设置有挡板，挡板主要是为了保证在同一圆环形跑道中循环流动一次，然后进入下一圆环形跑道，最终实现藻液在混合箱与圆环形跑道之间的循环流动。

进一步，所有的扇形弯槽呈螺旋状下分布，扇形弯槽主要是为了将圆环形跑道中的藻液平缓过渡到下一个圆环形跑道中，以最大化地保持原来圆环形跑道中的藻液的流态不变，使藻液在循环流动中受到的作用力较小，保证藻细胞的正常生长。

综上所述，本发明能利用一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器，使藻液在圆环形跑道内循环流动，其流动效果优于开放式叠加反应器矩形槽内的流动效果，能使藻液混合更均匀。密闭式光反应器虽然在高密度培养的过程中有一定优势，但与本反应器相比，其运行维护费用较昂贵，藻液容易吸附管壁，导致接收光照受到影响而影响微藻的高密度培养，同时藻液在密闭式光反应器流动属于有压流，也对微藻的生长有一定的损害，而本反应器以重力流作为主导，可以较大程度降低藻细胞的损害。本反应器拆卸容易，维修管理方便，藻液流动类似于明渠流，因此对藻细胞生长较为有利，并且最大限度上能减小人力和物力的消耗。此外本反应器身上分布着圆形小孔，用无菌封口膜封住，在保证反应器内外空气流动的同时，也能防止藻液被污染，更有利于高密度养殖微藻。本发明中圆环形跑道是根据推流模型设计，当反应器长宽比(圆环形跑道中线与跑道宽比)越大时，反应器内流态越接近理想推移流。通过实际计算发现，当圆环形跑道中线与跑道长宽比为10时，圆环形跑道内部的流态接近于推移流，并且还能满足圆环形跑道内储存一定量的藻液的条件。圆环形跑道内部流速过大影响藻细胞的生长，有研究表明适当的流速会对藻细胞的生长起到促进作用，对于不同的藻类促进其生长的流速不同，微藻流速在5cm/s时较正常静态培养更有利于微藻的高密度繁殖，所以本次圆环形跑道内藻液的运行流速选用5cm/s，在实际运行过程中可以通过循环流量的增减以及圆环形跑道末端的开口程度来适当调节流速，以满足不同微藻所需的最佳流动条件。

光照方面，开放式的叠加反应器主要采用在矩形方盘下安装一定数量灯管，而本发明是通过内部圆柱形灯管桶内LED灯管为藻液提供光照，每个圆环形跑道上下所接受的光照可以叠加，在一定程度上加强了微藻的光合作用，同时节约了部分能量，其他光生物反应器在培养高密度藻类繁殖过程中，均是对藻液进行单面照射。随着藻液密度的不断升高，藻液内部接收到的光照强度越来越小，致使藻液面以下的藻细胞无法正常生长繁殖，所以藻液的厚度成为了限制性因素。而本光生物反应器则克服这种不足，采用圆环形跑道层叠式的设计，可以让内部光源对藻液进行双面照射，极大地提高了光照的利用率。当实验中光源全部打开时，圆环形跑道最外侧的光照强度为5000lux左右，内侧受到大约8000lux左右，满足微藻进行生理活动的最佳光照强度，当有特殊光照需求的时候，可以增减灯管的数量或变更灯管的功率来达到相应要求。此外，还可改变对循环泵的流量以及圆环形跑道末端的开口程度，以调节圆环形跑道中藻液的厚度以实现藻液的最佳生长状态。混合箱尺寸根据圆环形跑道容量设计，在满足需要循环藻液体积的同时，还可以储存一定体积的藻液。

本发明运行设想是：在一个相对平整的场地(有通风和光照)安装此反应器。取出一定体积事先培养好的藻液，倒入清洗干净并消毒的光生物反应器的混合箱中，通过循环泵将藻液泵入最上面的圆环形跑道中，藻液会以一定的速度沿着圆环形跑道流动，圆环形跑道与圆环形跑道之间有一定坡度的曲形流道连接，藻液会顺着曲形流道流入到下一个圆环形跑道中，依次循环流动到混合箱中。藻液在圆环形跑道中可以完全混合，一方面加强了微藻与营养盐之间的传质，另一方面可以有效防止其出现沉降和粘壁的现象。藻类生长过程中的光照来源于自然光和反应器内部圆柱形灯管桶，由于灯光要通过透明的有机玻璃圆柱形灯管桶，灯管桶内的灯光经过曲面后会发生折射，外部有机玻璃圆柱形筒体也会使光进行反射，圆环形跑道上下部的灯光还会叠加，使得圆环形跑道中微藻接收的光照面积更大更均匀。本光生物反应器内的灯光强度可以调节，结合室外光照情况来调节灯管的光照强度，从而消除了室外培养时阴天光照强度较低以及夜间无阳光的不利情况。灯管在光生物反应器内部还会产生一定的热，由于反应器内部封闭，可以使热量保持在一定范围内，在温度较高的情况下，可以通过调整反应器上部的盖子的开启度来促进反应器内外的热交换，以保证微藻生长过程所需要的适宜温度，避免了其他光生物反应器需要单独加热的设备的弊端，在节能上面具有很大的意义。

该光生物反应器的叠加式构造大大减少了反应器的占地面积，每层的中空托盘结构很大限度减少了反应器内部污垢对光的穿透性影响，且与其他光生物反应器相比，该光生物反应器维护所需人力、物力小。

附图说明

图1为本发明一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器的结构示意图。

图2为采用本发明获取的微藻高密度养殖过程中藻密度变化。

图中：1-循环泵，2-循环管路，3-圆柱形筒体，4-圆盖，5-圆柱形灯管桶，6-圆环形跑道，7-挡板，8-扇形弯槽，9-通孔，10-混合箱，11-取样孔，12-放空阀，13-排气孔。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

如图1所述，本发明提供的一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器，包括圆柱形灯管桶5、圆环形跑道6、循环泵1、混合箱10以及圆柱形筒体3。圆环形跑道6在竖直方向上叠加，上下相邻两个圆环形跑道6之间有一定的间隔，圆环形跑道6与圆柱形筒体3之间有四个凸起用来支撑圆环形跑道6，圆环形跑道6外侧有四个凹槽，与凸起相对应，所以每个圆环形跑道6都很容易拆卸下来。圆柱形筒体3下面是混合箱10，混合箱10旁边的循环泵1用来循环藻液流动。

所述的圆柱形灯管桶5，主要作用是安装能产生特定光强的灯管，同时能储存一定的热量以来满足微藻生长所需的温度，热量调控主要通过装置最上面的圆盖4的开启度。

所述的圆环形跑道6，维持藻液在跑道中的流动状态处于最佳，能使藻液不沉降并且处于较好的混合状态，有利于进行高密度养殖。

所述的循环泵1，主要是起到循环混合的作用，将藻液从混合箱10里面抽出来到圆环形跑道6，使藻液不停地循环流动。

所述的圆柱形筒体3，主要是起到阻挡外界有害物质进入藻液中以对藻的生长不利。同时能为微藻的生长创造一个稳定的环境(保温，藻液也可以吸收自然光)。

实施例：

如图1所示，本发明提供的一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器，整个反应器装置由有机玻璃加工而成，筒体和环形跑道均可拆卸，以便维修。循环泵1选用55W的两用潜水泵，其型号为：HQB-2000，扬程：2.5m，流量：2000L/h。循环管路2采用DN20mm塑料管。圆柱形筒体3是厚度为10mm的有机玻璃加工而成，主要起隔绝和保护内部装置的作用。圆盖4主要起通风排气的作用。圆柱形灯管桶5直径160mm，壁厚5mm，主要作用是安装光源并为圆环形跑道中的微藻提供光照。圆环形跑道6为内径80mm和外径155mm组成的环状跑道，高60mm，壁厚4mm，圆环形跑道的主要功能是为藻类生长创造一个良好的流动环境。挡板7高60mm，宽75mm，厚4mm主要是为了防止藻液从两边流动。扇形弯槽8是采用90°转向在竖直方向拉升而成的有机玻璃槽，主要目的是传输两个圆环形跑道间的藻液。圆孔9的直径为45mm主要是为了将藻液输送到混合箱。混合箱10是长为400mm，宽320mm，壁厚7mm，高200mm的有机玻璃箱，主要是为了储存、混合藻液。取样孔11直径为30mm，主要是由于从混合箱中取样。放空阀12是为放空混合箱中的藻液。排气孔13的直径为40mm，主要目的是为装置内外交换空气。

在本实施例的两周微藻养殖期间，藻类增殖较快，藻密度增加了约4倍，以此同时，微藻吸收利用了大量氮、磷等营养盐，表现为污水中总氮(TN)、总磷(TP)分别被去除60％左右、90％左右，说明本发明是一种结构紧凑、易于控制、运行成本低的用于高密度养殖微藻的光生物反应器。

Claims (4)

1.一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器，其特征在于，包括具有密闭腔室的混合箱（10）以及设置在该混合箱（10）上两端开口的圆柱形筒体（3）；其中，圆柱形筒体（3）的侧壁上自上而下开设有若干排气孔（13），同时圆柱形筒体（3）顶部设有圆盖（4），圆柱形筒体（3）内的中心处设置有用于放置灯管的圆柱形灯管桶（5），沿着该圆柱形灯管桶（5）自上而下在圆柱形筒体（3）内套装有若干个圆环形跑道（6），设定圆环形跑道中心线长度与宽度之比为10，上下相邻两个圆环形跑道（6）之间通过扇形弯槽（8）相连通，且最底层的圆环形跑道（6）通过扇形弯槽（8）与混合箱（10）顶部上开设的通孔（9）相连通，混合箱（10）通过循环管路（2）以及设置在循环管路（2）上的循环泵（1）与最顶层的圆环形跑道（6）相连通，混合箱（10）的顶部开设有取样孔（11），混合箱（10）下部还设有放空阀（12）来实现藻液的回收。

2.根据权利要求1所述的一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器，其特征在于，最顶层的圆环形跑道（6）与对应扇形弯槽（8）的连通处还设置有挡板（7）。

3.根据权利要求1所述的一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器，其特征在于，所有的扇形弯槽（8）呈螺旋状向下分布。

4.根据权利要求1所述的一种用于高密度养殖微藻的光生物反应器，其特征在于，圆环形跑道（6）与扇形弯槽（8）均采用透明材料制成，圆环形跑道垂直于圆柱形灯管桶（5）。

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