CN110713901A - 一种微藻养殖光生物反应釜及含其的连续培养反应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微藻养殖光生物反应釜及含其的连续培养反应系统,包括密闭反应器罐体,其特征在于,所述密闭反应器罐体内部设有防水LED灯,所述防水LED灯包括发光部、密封设置的透明灯罩和驱动控制器,所述发光部具有LED发光芯片,单个所述LED发光芯片能够同时发出多种不同波长的光,所述发光部设在透明灯罩的内部,所述驱动控制器设在密闭反应器罐体外部并能够控制所述不同波长的光的能量同时增大或减小。

Description

一种微藻养殖光生物反应釜及含其的连续培养反应系统
技术领域
本发明属于藻类养殖设备技术领域,具体涉及一种微藻养殖光生物反应釜及含其的连续培养反应系统。
背景技术
微藻是一类营养丰富、光合利用度高的自养植物,其生物质含有多种生化物质,如多糖、蛋白质、油脂、碳水化合物、色素等物质,其在陆地和海洋分布广泛,在食品、医药、基因工程、液体燃料等领域具有广阔的开发前景。微藻生长速度快,环境适应性较强,可在光生物反应釜中进行光合自培养。雨生红球藻是一种单细胞绿藻,在缺氮、磷或在强光能射条件下,雨生红球藻细胞内虾青素大量累积。天然虾青素世界上最强的天然抗氧化剂之一,能有效清除细胞内的氧自由基,增强细胞再生能力,维持机体平衡和减少衰老细胞的堆积,由内而外保护细胞和DNA健康,从而保护皮肤健康,促进毛发生长,抗衰老、缓解运动疲劳、增强活力。
目前,雨生红球藻的大规模养殖主要采用利用室外自然光线的跑道式培养池,阻碍雨生红球藻跑道式大规模生产的主要因素是生物污染和雨生红球藻培养过程中种群密度低使单位面积产量低所导致成本过高问题。利用管道式光生物反应器或小型系统组成的生物反应器培养的雨生红球藻,存在的缺陷是管道壁容易被藻细胞粘连导致培养期间透光性下降、温度不稳定及清洗困难,因此只适合实验室的小规模生产。
目前的养殖反应釜对于雨生红球藻生长的适应性较差,不能提供灵活可控的光照条件、温度条件和酸碱性相应机制,严重影响了雨生红球藻的生长和生物质积累的数量和质量。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种微藻养殖光生物反应釜,所述光生物反应釜包括密闭反应器罐体,所述密闭反应器罐体内部设有防水LED灯,所述防水LED灯包括发光部、密封设置的透明灯罩和驱动控制器,所述发光部具有LED发光芯片,单个所述LED发光芯片能够同时发出多种不同波长的光,所述发光部设在透明灯罩的内部,所述驱动控制器设在密闭反应器罐体外部并能够控制所述不同波长的光的能量同时增大或减小。
所述密闭反应器罐体选自立式或卧式形式,优选的,所述密闭反应器罐体为立式容器。更优选的,所述密闭反应器罐体为圆柱体,更优选的,所述密闭反应器罐体的直径为10-150cm,高度为150-280cm,可以根据藻类养殖的实际需求,选择合适的缸体尺寸。所述密闭反应器罐体的材质选自不锈钢、塑料或有机玻璃,优选的,所述密闭反应器罐体的材质为不锈钢。
优选的,所述密闭反应器罐体的顶部设有可拆卸的面盖,所述面盖上可以设置各种接头,所述面盖通过卡扣与密闭反应器罐体连接并密封,更优选的,所述面盖与缸体之间设有密封圈和法兰,便于固定连接面盖与密闭反应器罐体,提高所述光生物反应釜的密封性。
优选的,所述密闭反应器罐体的外壁上设有视镜,便于观察密闭反应器罐体内部的藻类生长情况。
优选的,所述密闭反应器罐体的下方设有支撑座,用于支撑稳固所述密闭反应器罐体,同时使得所述密闭反应器罐体的底部与地面之间留有空间,便于排出所述密闭反应器罐体内部的藻液或产品。在本发明的一个具体实施方式中,所述支撑座为四个支撑脚,且设在密闭反应器罐体底部的周边,固定支撑密闭反应器罐体。
所述密闭反应器罐体内部包括至少一个防水LED灯、支架和冷却管,所述防水LED灯和冷却管固定在所述支架上,所述防水LED灯包括发光部、密封设置的透明灯罩、驱动控制器和防水装置,所述透明灯罩顶部安装防水装置。
所述防水LED灯为长条形,并竖直放置在所述密闭反应器罐体内部,所述防水LED灯在密闭反应器罐体中的设置位置选自所述密闭反应器罐体的上部、中部和下部,优选的,所述防水LED灯设置在密闭反应器罐体的中部。
所述防水装置处于密闭反应器罐体的上部或顶部,优选的,所述防水装置处于藻液液面之上。
所述发光部具有LED发光芯片,单个所述LED发光芯片能够同时发出多种不同波长的光,所述多种不同波长的范围选自以下两种或两种以上组合的波长范围:390-420nm、440-470nm或640-680nm。优选的,所述发光芯片的发光波长包括三种波长,分别为390-420nm、440-470nm和640-680nm。所述发光芯片能够发出多种不同波长的光,实现了所述防水LED灯的多光谱功能。
本发明单个所述的发光芯片发出不同波长的光线,能够满足藻类培养的要求,极大地简化了防水LED灯的电路结构。在本发明的所述发光波长的范围内,尤其是不同波长范围的组合形式,藻类能够更好地吸收发光芯片提供的光能,并转化成自身生长、代谢的生物能,有利于提高养殖藻类的数量和质量。
所述防水LED灯包括散热部件,所述散热部件包括散热液体和散热灯座,所述散热液体填充在所述透明灯罩内部,浸没所述发光部,将所述发光芯片散发的热量导出所述透明灯罩。
优选的,所述散热液体为无色透明硅油,即所述透明灯罩内部填充无色透明硅油,所述散热灯座和发光芯片浸没在无色透明硅油中,无色透明硅油在本发明中具有以下作用:(1)无色透明硅油的导热性较好,能够将所述发光芯片发光时产生的热量及时导出至所述透明灯罩以及所述透明灯罩的外部;(2)无色透明硅油的腐蚀性较小,不会对所述发光部造成严重的腐蚀;(3)所述发光芯片的光线透过无色透明硅油的保真率高于透过空气的保真率,所以无色透明硅油对发光芯片的光线无影响;(4)无色透明硅油疏水性较好,能够防止所述光生物反应釜中的培养液深入并接触所述发光部,在所述防水装置和透明灯罩之后形成又一层防水保护层,进一步提高所述防水LED灯的防水性能。
所述无色透明硅油选自甲基硅油和改性硅油,优选的,所述无色透明硅油的主要成分为聚二甲基硅氧烷。
所述散热灯座为长条桶形,散热灯座的横截面为多边形,所述发光芯片成排安装在散热灯座面向不同方向的外表面上,使得所述防水LED灯的照射角度为1-360度,实现多角度甚至全角度地照射,满足所述光生物反应釜中各个方向和角度的藻类光照需求,提供无死角的光照条件。
所述散热灯座的两端开口,所述散热灯座的同一面上的发光芯片串联或并联连接为防水电路,防水电路汇聚后,从散热灯座底部的开口进入散热灯座内部,再从散热灯座顶部的开口伸出防水装置,再连接外部的驱动控制装置,所述防水电路的外部套有防水绝缘层。
所述散热灯座的材质为导热性良好的金属,优选的,所述散热灯座的材质为金属铝,有利于所述发光芯片散热。
优选的,所述散热灯座的外表面设置灯片,所述发光芯片成排安装在灯片的外表面,所述灯片为长条形灯片,包括外表面和内表面,所述外表面面对所述透明灯罩,即外表面面对所述光生物反应釜中的藻类,所述内表面面对散热灯座。所述灯片的材质为导热性较好的金属材质,有利于布置在灯片上的发光芯片的及时散热,优选的,所述灯片的材质为PCB铝基板。根据所述光生物反应釜的高度,调整所述灯片的长度,使得所述光生物反应釜中的藻类均能接受到光照。
优选的,所述灯片的数量不大于所述散热灯座的多边形的边数,一个灯片分别可拆卸地安装在散热灯座的一外表面上,使得所述发光芯片、灯片和散热灯座形成一个整体,便于拆装和更换。
优选的,所述散热灯座的长度不小于灯片的长度,散热灯座的长度不大于透明灯罩的长度,并适应所述透明灯罩和光生物反应釜的高度。
优选的,所述发光芯片在灯片或散热灯座的外表面由上至下地成排布置,且至少包括一排。所述发光芯片的数量根据灯片或散热灯座的长度、所述光生物反应釜的高度和藻类养殖的实际需要而确定。
本发明意想不到地发现,所述发光芯片在散热灯座上的布置方式,配合发光芯片的波长设计,能够实现不同波长的光线充分混合,并在所述光生物反应釜中均匀分布,最终均匀照射在藻类上,被藻类吸收利用。所述发光芯片在散热灯座上的布置方式和波长设计提高了所述防水LED灯的光能利用率,同时为藻类的生长和代谢提供适宜的光照,并保证所述适宜的光照能够以最佳的空间匹配关系照射到藻类上。
所述防水LED灯包括排气部件,所述排气部件连通所述透明灯罩的内部和外部,用于将透明灯罩内部受热膨胀的气体导出所述防水LED灯,保证防水LED灯安全使用。优选的,所述排气部件为排气管,所述排气管设置在发光芯片的防水电路中,所述防水电路能够穿出并所述密闭反应器罐体连接外部电源。
所述散热液体受热后体积膨胀,同时,所述透明灯罩内部的空气受热也会膨胀,所述排气管能够将所述透明灯罩内的多余空气和受热膨胀后的空气导出,防止透明灯罩内部压力过大。
所述防水电路设置在所述散热灯座的内部,包括防水外套、正极线、负极线和排气管,所述正极线、负极线和排气管设置所述防水外套内部。所述防水外套包括至少一层绝缘保护皮,优选的,所述防水外套包括两层绝缘保护皮,以增强所述电路的防水性能,保护内部的正极线、负极线和排气管。
所述排气管的两端开口,排气管的底部开口位于所述透明灯罩的底部,所述排气管的顶端开口伸出所述透明灯罩且连通外部环境。
所述正极线和负极线以串联形式分别连接所述发光芯片的正极和负极,正极线和负极线的顶端伸出所述透明灯罩,并接通所述驱动控制器。
所述密封设置的透明灯罩设置在所述发光部的外部,保护发光芯片和防水电路,将藻液与发光芯片隔离开来。所述透明灯罩为长条桶形,且底部密闭,顶部具有开口,所述顶部的开口允许散热灯座、防水电路和散热液体进出透明灯罩。所述透明灯罩不影响发光芯片的光线对藻类进行照射,对发光芯片的光线具有透光保真的作用。
所述密封设置的透明灯罩包括防水装置,所述防水装置设置在透明灯罩的顶部开口,并密封顶部开口,保证透明灯罩外部的培养液无法进入透明灯罩的内部,同时允许发光芯片的防水电路穿出防水装置。所述防水装置为内部中空的桶状,防水装置的顶端和底部分别设有开口,并由两个喉箍分别锁紧密封。
优选的,所述防水装置包括第一喉箍、端盖帽和第二喉箍,所述端盖帽为内部中空的桶状,端盖帽的顶端和底部分别设有开口,端盖帽的底部开口连接并完全覆盖所述透明灯罩的顶部开口,所述第二喉箍固定并锁紧密封所述端盖帽的底部开口覆盖透明灯罩的顶部开口的部分;所述端盖帽的顶端开口允许所述电路穿过,所述第一喉箍固定并锁紧密封端盖帽的顶端开口。所述防水装置结构简单,成本低,使所述防水LED灯的防水等级达到IP68,使得所述防水LED灯能够长时间潜入水中,满足全地域养殖需求和全密闭养殖需求,同时没有污染。
优选的,所述端盖帽为硅胶端盖帽。优选的,所述端盖帽上设有防水接头。
所述防水LED灯包括一个驱动控制器,所述驱动控制器设在光生物反应釜的外部,所述驱动控制器通过防水电路的正极线和负极线接通发光芯片。优选的,所述驱动控制器为0-10V驱动控制器,即可满足所述防水LED灯的需求。
所述驱动控制器控制发光芯片的功率,并能够将发光芯片的功率在0-100%之间调节,使得所述发光芯片的不同波长的光的能量同时增大或减小,进而调节发光芯片的能量。
所述发光芯片的不同波长的光的能量比的调节是在所述发光芯片制作过程中进行的,通过对不同光谱波长对应的荧光粉的控制,即可调节不同波长的光的能量以及能量比。
优选的,单个所述发光芯片的波长为390-420nm的光、波长为440-470nm的光和波长为640-680nm的光的能量比为(0-1):(32-50):(66-70)。
优选的,每颗所述发光芯片的波长为390-420nm的光、波长为440-470nm的光和波长为640-680nm的光的能量比为(0.1-0.9):(35-49):(67-69)。
本发明中设置一个驱动控制器控制具有不同波长的发光芯片的功率,进而控制所述发光芯片不同波长的光的能量,以适应不同藻类对光能的需求。本发明中也意料不到地发现,调节具有不同波长的发光芯片的能量的设计,能够配合不同波长的光线,提供可变化的光照条件,再配合所述发光芯片在灯片上的排布设计,实现光照条件的多维度调节,有利于不同藻类或藻类不同生长阶段对光照的不同需求,提高藻类的产量和质量。
优选的,所述防水LED灯的照射半径为5-20cm,更优选的,所述防水LED灯的照射半径为10-15cm。根据藻液的密度或养殖藻类的数量,调节所述防水LED灯的照射半径,使得所述密闭反应器罐体中各个位置的藻类细胞都能接受足够的光能,避免因藻液的密度过大或藻类过多,而造成光照死角。优选的,所述防水LED灯均匀地设置在所述密闭反应器罐体中。
所述驱动控制器能够调节单个所述防水LED灯的光量子通量密度为1×105-8×105μmol/m2·s,优选的,所述光量子通量密度为4×105-6×105μmol/m2·s。所述防水LED灯的工作时间为藻类细胞迅速生长增殖的培养周期,所述培养周期为60-300小时,优选的,所述培养周期为60-150小时,更优选的,所述培养周期为60-100小时。
所述防水LED灯的总和功率为60-15000W,优选的,所述防水LED灯的总和功率为60-7800W。
优选的,所述光生物反应釜还包括功率变送器,用于测量所述防水LED灯的功率。
通过所述驱动控制器对防水LED灯的能量、光照时间和功率进行调控,即可为雨生红球藻不同的生长阶段提供不同的光量子通量密度和光照周期,本发明提供的所述光量子通量密度、培养周期和光照功率的条件的相互配合,提供了适合雨生红球藻生长的光照条件,能够大幅提高雨生红球藻生长的速度,缩短生长周期,提高累积虾青素的质量和数量。另一方面,所述防水LED灯设置密度配合上述特定的光照条件的设计,为雨生红球藻提供了全方位、多维度可调节的光照环境,完全替代传统的自然光照或荧光灯照射,克服了自然光照受天气、季节、日照时间、养殖池深度等条件的不利影响。
所述支架包括上支架和下支架,所述上支架固定支撑所述防水LED灯的中上部,所述下支架固定支撑所述防水LED灯的中下部,优选的,所述上支架固定支撑所述防水LED灯的上部,所述下支架固定支撑所述防水LED灯的底部。在本发明的一个具体实施方式中,所述上支架和下支架都具有纵横交错的横梁,在两个横梁的交叉处设有卡圈,所述卡圈用于套接并紧固所述防水LED灯。
优选的,所述支架还包括中间支架,所述中间支架连接支撑所述冷却管,所述中间支架可以采用多种形式,例如,设在上支架和下支架之间的纵向支撑杆和/或横向支撑杆。
所述光生物反应釜包括控制系统、供气装置和冷却装置,所述控制系统包括PLC控制装置和pH控制器,所述供气装置包括二氧化碳流量计和空气流量计,所述冷却装置包括冷却管,所述控制系统负责控制密闭反应器罐体内部的pH值和温度。
所述密闭反应器罐体内部包括至少一个冷却管,所述冷却管的形状选自直线形、U形、螺旋形或蛇线形中的一种或两种以上的组合,优选的,所述冷却管的形状为螺旋形。所述冷却管设在所述密闭反应器罐体的上部、中部和下部的一处或两处以上的位置,并且浸没在藻液液面以下,优选的,所述冷却管设在密闭反应器罐体的上部、中部和下部;优选的,所述冷却管对应所述防水LED灯的位置。
优选的,所述冷却管的数量为2-10个,冷却管可以按从上到下的顺序排列在密闭反应器罐体内,也可以呈阵列或方阵式布置在密闭反应器罐体内。在本发明的一个具体实施方式中,所述密闭反应器罐体中设有5个螺旋形的冷却管,且按从上到下的顺序排列。
所述冷却管中通入冷却水,能够将所述防水LED灯发出的大量热量和藻类生长代谢过程中释放的多余热量带出密闭反应器罐体,使得密闭反应器罐体内部的温度始终保持在适宜藻类生长代谢的温度范围内。所述冷却管调节所述密闭反应器罐体内部的温度为15-30℃,优选的,所述温度为20-25℃。所述冷却管对温度的调节与防水LED灯提供的多维度、可调节的光照条件相结合,为藻类提供适宜的生长环境,促进藻类生长和累积虾青素。
所述冷却管的进口和出口分别连接冷水进水管和冷水出水管,所述冷水进水管和冷水出水管连接到所述密闭反应器罐体的外壁上的冷却水接头,所述冷却水接头通过管道和第一阀门连接到冷水机。优选的,所述冷却水接头设在所述密闭反应器罐体的上部。
当具有多个冷却管时,可以采用串联或并联的方式,将每个冷却管的进口和出口分别与所述冷水进水管和冷水出水管连接,再统一由所述冷却水接头供水或出水。
所述密闭反应器罐体内部设有至少一个温度探头,所述温度探头没入藻液液面以下,温度探头的线路通过防水接头延伸出密闭反应器罐体,再连接PLC控制装置,优选的,所述PLC控制装置连接所述冷水机,当密闭反应器罐体内温度较高时,控制系统启动冷水机,冷却水在冷却管中的运动带走多余热量,当密闭反应器罐体内温度较低时,控制系统暂停冷水机。
所述光生物反应釜还包括供气装置,为所述密闭反应器罐体提供藻类生长所需的二氧化碳和空气。所述供气装置包括无菌过滤器、气体流量调节计、第一气体接头和第二气体接头,所述二氧化碳气源和空气气源连接无菌过滤器或气体流量调节计,再连接第一气体接头,所述无菌过滤器和气体流量调节计的先后顺序可任意交换,所述第一气体接头作为气体进口,所述第二气体接头作为气体出口,所述第一气体接头和第二气体接头设在密闭反应器罐体的外壁,并连通密闭反应器罐体内部。所述气体流量调节计包括二氧化碳流量计和空气流量计,分别调节二氧化碳和空气的流量。
使用时,二氧化碳和空气经过二氧化碳流量计和空气流量计控制流量,然后通过第一气体接头进入密闭反应器罐体内,二氧化碳和空气经过藻类生长代谢利用后,从第二气体接头排出密闭反应器罐体。
例如,所述二氧化碳气源为工业二氧化碳,空气气源为空气经过空气压缩机形成的压缩空气,二氧化碳作为藻类生长所需的碳源。
所述第一气体接头和第二气体接头的位置选自密闭反应器罐体的面盖、缸体中部或缸体底部。
所述二氧化碳和空气也可以经过滤后,单独通入所述密闭反应器罐体。
所述密闭反应器罐体的内部设置至少一个pH探头,所述pH探头没入藻液中,并通过线路和防水接头连接所述密闭反应器罐体外部的pH控制器,所述pH控制器通过PLC控制装置连接所述二氧化碳流量计和空气流量计。所述pH控制器和PLC控制系统根据pH探头检测到的pH值得升高或降低,控制供给密闭反应器罐体的二氧化碳流量增大或减小。所述pH探头用于实时监测藻液的pH值是否适合藻类生长,藻类在生长和代谢过程中会产生多种营养物和排泄物,这些物质部分释放进藻液中,会改变藻液的pH值,藻液的pH值是影响藻类生长和代谢的关键因素。
优选的,所述pH探头的数量为2-5个,便于监测不同位置藻液的pH值。
所述pH探头的设置位置选自所述密闭反应器罐体内部的上部、中部和下部,优选的,所述pH探头设在密闭反应器罐体内的中部。
本发明将藻液的pH值与藻类生长必需的碳源二氧化碳相结合,进行调控。由于二氧化碳溶于藻液后,藻液显酸性,pH值降低,本发明由此建立了二氧化碳与pH值的联系,通过实时监测藻液pH值,联动调整二氧化碳的流量,进而同时达到控制藻类碳源供给量和藻液pH值的双重目的。
本发明发现藻液的pH值控制在6-8范围内,有利于藻类生长,同时藻液pH值和二氧化碳碳源供给均最大化促进藻类生长,优选的,所述pH值为6.5-7。同时,二氧化碳流量为0.05-1L/min,优选的,二氧化碳流量为0.05-0.3L/min;空气流量为0.7-10L/min,优选的,空气流量为0.7-5L/min。本发明发现藻液pH值、二氧化碳流量和空气流量同时满足上述条件时,藻液中藻类生长情况良好。
优选的,所述光生物反应釜的底部设有曝气装置,更优选的,所述曝气装置为纳米曝气管,纳米曝气管安装简单,更换和调整便捷,成本低。所述纳米曝气管的设置位置选自所述密闭反应器罐体内的底部或所述下支架上,优选的,所述纳米曝气管均匀排布在所述下支架上,借助下支架上的所述防水LED灯作为定位点或隔离点,均匀铺开纳米曝气管,提高曝气均匀性。
所述纳米曝气管连接所述第一气体接头,无菌二氧化碳和无菌压缩空气的混合气体通过纳米曝气管的孔洞均匀进入藻液,随着气泡的上升,促进藻液的扰动,从而使藻类细胞的生长处于悬浮状态。调控所述二氧化碳流量计和空气流量计,使密闭反应器罐体内的藻液处于流动状态,并保持藻液的营养组成、溶解氧浓度和pH值的调控性,防止藻类堆积而导致有害细菌滋生和缺少碳源,最终造成藻类的死亡。
所述光生物反应釜还具有供液和排液的功能,所述供液功能是为所述光生物反应釜提供培养液、补给水或其他反应釜供给的藻种藻液。所述排液功能是将所述密闭反应器罐体中的藻液或清洗液等液体排出。
所述光生物反应釜还包括培养液接头,所述培养液接头将培养液箱与密闭反应器罐体内部连通,为所述光生物反应釜提供培养液,满足藻类在密闭反应器罐体内的生长和代谢需求,优选的,所述培养液接头与培养液箱之间设置第二阀门,便于控制培养液的供给。优选的,所述培养液接头设在所述面盖上。
优选的,所述光生物反应釜还包括补给水接头,用于向藻液中补充纯水,根据藻类不同的生长情况调节藻液密度或营养物质密度。所述补给水接头连接纯水箱,纯水箱与补给水接头之间设有第三阀门,便于控制纯水的供给。
优选的,所述光生物反应釜还包括原料藻种接头,用于向所述密闭反应器罐体中加入原料藻种,所述原料藻种接头连接藻种箱,藻种箱与原料藻种接头之间设有第四阀门,便于控制藻种的供给。
所述光生物反应釜还包括排液装置,用于排出藻液。所述排液装置包括排液接头、多通管件、取样阀、第五阀门和第六阀门。所述排液接头设在所述密闭反应器罐体的底部,并连接多通管件的一个开口,所述多通管件的其它开口通过管道分别连接取样阀、第五阀门和第六阀门。所述取样阀用于实时取样,监测藻类在生长过程中的情况,判断采收时机或调整藻类培养环境的各个参数。所述第五阀门为采收阀门,并通过管道连接藻类处理装置,最终获得有价值的产品。所述第六阀门为排泄阀门,并通过管道连接下水管,用于排出废物或清洗液。
任选的,所述取样阀单独设置在所述密闭反应器罐体的下部或底部,便于操作人员随时取样。
优选的,所述光生物反应釜还包括清洗装置,用于清洗所述密闭反应器罐体。所述清洗装置包括清洗头和清洗液接头,所述清洗液接头和清洗头分别设在所述密闭反应器罐体面盖的外表面和内表面,清洗液接头一端连接所述密闭反应器罐体外部的纯水箱或消毒液箱,另一端连接所述密闭反应器罐体内部的清洗头,优选的,所述纯水箱或消毒液箱与清洗液接头之间设有第七阀门,优选的,所述清洗头为CIP清洗头,提供360度强劲冲洗力,将所述密闭反应器罐体内的残留顽固藻类或藻类代谢物冲洗干净。一批藻类养殖完成后,排出所述密闭反应器罐体,然后打开第七阀门,纯水箱或消毒液箱中的清水或消毒液经过管道进入清洗液接头,最后从所述清洗头中喷入密闭反应器罐体内,将残留藻类或藻类代谢物冲洗干净,所有污物和清洗液从所述排液装置的第六阀门排出。
优选的,所述密闭反应器罐体内还包括液面检测装置,所述液面检测装置包括压力传感器和电容传感器,用于监测密闭反应器罐体内的藻液高度。在本发明的一个具体实施方式中,所述密闭反应器罐体的底部设有液位传感器,用于监测密闭反应器罐体内的藻液高度。
所述密闭反应器罐体内具有多种线路和管路,例如,所述防水LED灯的电路、pH探头的电路、温度探头的电路、二氧化碳的气路、空气的气路,这些线路和管路分别通过多个防水接头接出所述密闭反应器罐体,再分别连接对应的设备或气源,优选的,所述密闭反应器罐体外壁上设有线管盒,所述线管盒用于容纳上述线路和管路,保护上述线路和管路,便于操作。
所述光生物反应釜还包括控制系统,用于控制所述防水LED灯、温度探头、pH探头、二氧化碳流量计和空气流量计。所述控制系统包括PLC控制装置、pH控制器和控制箱,所述驱动控制器、PLC控制装置、pH控制器和功率变送器设在所述控制箱的内部,所述二氧化碳流量计和空气流量计设在控制箱的内部或外侧。所述驱动控制器、pH控制器、功率变送器、二氧化碳流量计、空气流量计、温度探头和液面检测装置通过线路连接所述PLC控制装置,并由PLC控制装置控制协调。
具体的,所述驱动控制器连接并控制所述防水LED灯的工作时间和所发出光的能量。
所述pH控制器连接并控制pH探头,pH探头采集藻液的pH值数据传回pH控制器和PLC控制装置,PLC控制装置根据pH值的升高或降低,联动控制二氧化碳流量计相应地加大或减小二氧化碳的流量,使得藻液pH值回归正常水平,藻类pH值通过pH探头不断反馈给pH控制器和PLC控制装置;同时,所述PLC控制装置根据原料藻种的数量和藻类培养的时间,合理控制二氧化碳的流量,保证二氧化碳碳源的充足供给;另一方面,所述PLC控制装置根据二氧化碳的流量,相应控制空气流量计并调整空气流量,保证藻类的氧气供给。本发明通过所述PLC控制装置对pH控制器、pH探头、二氧化碳流量计和空气流量计的联动控制,实现对藻类生长环境的各种因素的多维度、协调性控制,为藻类提供适宜的生长环境。
所述温度探头通过线路连接PLC控制装置,PLC控制装置连接并控制冷却水的供给,即控制所述冷水机,温度探头实时检测藻液温度数据,并传回PLC控制装置,PLC控制装置根据温度高低控制冷却水的供给,冷却水带走所述密闭反应器罐体内防水LED灯和藻类生命活动产生的多余热量。
所述液面检测装置通过线路连接PLC控制装置,实时监测反馈所述密闭反应器罐体内的液面高度,在供液、取样、排液和清洗过程中发挥作用。
优选的,所述控制系统还包括排风扇,为所述控制系统及时散热,所述排风扇设在控制箱的侧面的镂空处。
优选的,所述控制箱的外表面还可以设置数据显示屏,用于显示所述光生物反应釜各个参数和运行情况,例如,温度、pH值、二氧化碳流量、空气流量、液位高度,还有防水LED灯的数量、工作时间、波长、功率等参数,便于操作人员观察控制所述光生物反应釜。
优选的,本发明的所有接头为快速接头。
本发明还提供所述光生物反应釜的使用方法,所述使用方法包括以下步骤:
(1)打开所述第二阀门和第四阀门向所述密闭反应器罐体内输入培养液和原料藻种;
(2)打开电源,启动所述控制系统;
(3)通过所述驱动控制器启动所述防水LED灯,并控制光照参数;
(4)打开二氧化碳气源和空气气源,通过所述二氧化碳流量计和空气流量计控制气体流量,向所述密闭反应器罐体内通入气体;
(5)打开所述第一阀门,通过所述温度探头控制冷却水供给和藻液温度;
(6)通过pH探头和pH控制器监控藻液pH值;
(7)当藻类培养完成后,开启所述排液装置的第五阀门,采收藻类;
(8)采收完成后,关闭第五阀门,开启第六阀门,将所述密闭反应器罐体内的残留污物排出,关闭所有阀门、控制系统和电源,等待下次使用。
优选的,所述使用方法包括以下步骤:
(1)通过所述第四阀门向所述密闭反应器罐体内输入原料藻种,通过第二阀门向所述密闭反应器罐体内输入培养液;
(2)打开电源,启动所述控制系统,并通过所述液面检测装置观测液位变化;
(3)通过所述驱动控制器启动所述防水LED灯,并控制光照参数;
(4)打开二氧化碳气源和空气气源,通过所述二氧化碳流量计和空气流量计控制气体流量,向所述密闭反应器罐体内通入气体,所述曝气装置开始曝气;
(5)打开所述第一阀门,通过所述温度探头控制冷却水供给和藻液温度;
(6)通过pH探头和pH控制器监控藻液pH值;
(7)通过所述取样阀提取藻液样本,观测藻类生长情况;
(8)当藻类培养完成后,开启所述排液装置的第五阀门,采收藻类;
(9)采收完成后,关闭第五阀门,开启第七阀门,对所述密闭反应器罐体进行清洗,清洗液和污物从第六阀门处排出,清洗后的所述光生物反应釜关闭所有阀门、控制系统和电源,等待下次使用。
本发明所述的藻类优选为雨生红球藻,所述原料藻种优选为雨生红球藻藻种。
本发明提供的所述光生物反应釜解决了现有传统微藻养殖方式受天气、光线、污染、环境温度等不良影响问题,进一步解决了微藻在自然环境中生长稳定性差、速度过慢的问题。通过给微藻提供针对性适合光合作用的光谱和良好、稳定的养殖环境,可以大幅提高微藻生长的速度,单位面积产量较高,大幅度减少微藻受自然环境因素的影响、重金属污染、真菌感染和其他藻类竞争等问题,并且缩短了微藻的生长周期。采用本发明所述的光生物反应釜养殖雨生红球藻,可以促使雨生红球藻中虾青素含量高达细胞干重的4.5-8%,而采用传统太阳光或荧光管等培养雨生红球藻生成的虾青素含量最高不足细胞干重的1.8-2.0%。所述的光生物反应釜通过模组化、工业化、标准化,可进一步解决大规模养殖微藻时出现批量壶菌交叉感染或大面积污染导致大批微藻死亡的问题。
本发明还提供一种藻类连续培养反应系统,所述连续培养反应系统包括至少两个所述光生物反应釜、培养液箱和藻种箱,两个所述光生物反应釜分别为第一光生物反应釜和第二光生物反应釜,所述藻种箱通过第一管道连接第一光生物反应釜,为第一光生物反应釜提供含有藻种的藻液,培养液箱通过第二管道并联连接第一光生物反应釜和第二光生物反应釜,为藻类不同生长阶段提供营养物料,所述第一光生物反应釜通过第三管道连接第二光生物反应釜。
优选的,所述连续培养反应系统还包括消毒液箱和纯水箱,所述消毒液箱通过第五管道并联连接第一光生物反应釜和第二光生物反应釜,所述纯水箱通过第六管道并联连接所述培养液箱、藻种箱、消毒液箱、第一光生物反应釜和第二光生物反应釜。
所述藻种箱用于初步扩培和培养藻类的藻种,所述培养液箱用于储存和/或配置藻类生长所需的培养液,所述消毒液箱用于储存和/或配置消毒液,所述纯水箱用于储存纯水。
优选的,所述连续培养反应系统还包括产品处理装置和主控计算机,所述第一光生物反应釜、第二光生物反应釜、培养液箱、藻种箱、消毒液箱和纯水箱通过电路连接主控计算机,所述主控计算机控制各反应釜和料箱输送液体流量和时间。所述第二光生物反应釜通过第四管道连接产品处理装置,所述产品处理装置选自离心机、干燥机、筛选机或提纯设备。
所述第一光生物反应釜的作用是培养藻种,促进藻种生长和数量增加,第二光生物反应釜的作用是将生长到一定阶段的藻类继续培养,促进藻类生物质的累积,获得有价值的生物质。例如,雨生红球藻的培养中,在第一光生物反应釜中藻种培养长大,促进藻类增殖和生长,在第二光生物反应釜中改变培养条件,促进藻类虾青素的累积,获得有价值的虾青素。
优选的,所述第一光生物反应釜的数量为2-100个,根据藻类培养的数量和规模,合理调整第一光生物反应釜的数量,多个第一光生物反应釜的排液接头由所述第三管道串联后,接入第三泵,多个第一光生物反应釜以并联方式通过所述第一管道连接所述藻液箱,多个第一光生物反应釜以并联方式通过所述第二管道连接培养液箱,多个第一光生物反应釜以并联方式通过所述第五管道连接消毒液箱,多个第一光生物反应釜以并联方式通过所述第六管道连接纯水箱。
优选的,所述第二光生物反应釜的数量为2-100个,根据藻类培养的数量和规模,合理调整第二光生物反应釜的数量,多个第二光生物反应釜的排液接头由所述第四管道并联后,接入第四泵,多个第二光生物反应釜以并联方式通过所述第三管道连接所述第一光生物反应釜,多个第二光生物反应釜以并联方式通过所述第二管道连接培养液箱,多个第二光生物反应釜以并联方式通过所述第五管道连接消毒液箱,多个第二光生物反应釜以并联方式通过所述第六管道连接纯水箱。
所述主控计算机内置藻类自动化养殖程序软件,能够提前预设所述第一光生物反应釜和第二光生物反应釜的藻种输入量、藻液输出量、培养液输入量、消毒液输入量、纯水输入量和产品输出量,也能够预设藻种、培养液、消毒液和纯水输入时间或输入间隔,以及藻液和产品的输出时间或输出间隔,所述藻种箱、培养液箱、消毒液箱、纯水箱、第一光生物反应釜和第二光生物反应釜接受所述软件的控制,并按照预设的程序输送各种料液,使得所述连续培养反应系统自动化、连续运行。
附图说明
图1所示为本发明的光生物反应釜的整个透视图。
图2所示为本发明的光生物反应釜的侧面透视图。
图3所示为防水LED灯5的结构图。
图4所示为散热灯座503的结构图和横截面图。
图5所示为电路结构图。
图6所示为藻类连续培养反应系统的结构图。
附图中,1-pH探头,2-液位传感器,3-取样阀,4-控制箱,5-防水LED灯,501-发光部,502-发光芯片,503-散热灯座,504-透明灯罩,505-防水装置,506-第一喉箍,507-端盖帽,508-第二喉箍,509-无色透明硅油,510-排气管,511-防水外套,512-正极线,513-负极线,514-灯片,6-1-上支架,6-2-下支架,7-冷却管,8-CIP清洗头,9-防水接头,10-1-气体接头,10-2-清洗液接头,10-3-原料藻种接头,10-4-补给水接头,10-5-培养液接头,11-视镜,12-无菌过滤器,13-卡扣,14-密封圈,15-1-二氧化碳流量计,15-2-空气流量计,16-pH控制器,17-功率变送器,18-驱动控制器,19-面盖,20-密闭反应器罐体,21-法兰,22-PLC控制装置,23-排风扇,24-纳米曝气管,25-排液接头,26-中间支架,27-线管盒,28-1-第三阀门,28-2-第四阀门,28-3-第七阀门,28-4-第二阀门,28-5-第五阀门,28-6-第六阀门,28-7-第一阀门,29-温度探头,30-支撑脚,31-主控计算机,32-纯水箱,33-第六泵,34-消毒液箱,35-第五泵,36-培养液箱,37-第二泵,38-藻种箱,39-第一泵,40-第一光生物反应器,41-第二光生物反应器,42-离心机,43-第三泵,44-第四泵,45-供电线路,46-第六管道,47-第五管道,48-第二管道,49-第一管道,50-二氧化碳气管,51-压缩空气气管,52-第一排水管道分支,53-第二排水管道分支,54-第三管道,55-第四管道,56-工控线路。
具体实施方式
实施例1
本实施例的微藻养殖光生物反应釜的结构如图1和2所示,本实施例的藻类或藻细胞为雨生红球藻或雨生红球藻细胞,藻种为雨生红球藻藻种。所述生物反应釜的主体为密闭反应器罐体20,密闭反应器罐体20为立式圆柱体,直径为100cm,高度为225cm,设计容纳溶液量为1000L,密闭反应器罐体20的材质为不锈钢。
密闭反应器罐体20的顶部设有可拆卸的面盖19,面盖19上设置气体接头10-1、清洗液接头10-2、原料藻种接头10-3、补给水接头10-4和培养液接头10-5,面盖19通过卡扣13与密闭反应器罐体20连接并密封,面盖19与密闭反应器罐体20之间设有密封圈14和法兰21,便于固定连接面盖19与密闭反应器罐体20,提高光生物反应釜的密封性。密闭反应器罐体20的外壁上设有视镜11,便于观察密闭反应器罐体20内部的藻类生长情况。
密闭反应器罐体20的下方设有四个支撑脚30,且均匀设在密闭反应器罐体20底部的周边,用于支撑稳固密闭反应器罐体20,同时使得密闭反应器罐体20的底部与地面之间留有空间,便于排出其内部的藻液或产品。
密闭反应器罐体20内部包括40个防水LED灯5、上支架6-1、下支架6-2和冷却管7,防水LED灯5和冷却管7的顶部固定在上支架6-1上,底部固定在下支架6-2上,防水LED灯的照射半径为10cm,且均匀设置,使得密闭反应器罐体20中各个位置的藻类细胞都能接受足够的光能,避免因藻液的密度过大或藻类过多,而造成光照死角。
本实施例的防水LED灯5的结构如图3、4、5所示,防水LED灯5为长条形,并竖直放置在密闭反应器罐体20内部,防水LED灯5设置在密闭反应器罐体20的中部。
发光部501具有LED发光芯片502,单个LED发光芯片502能够同时发出三种不同波长的光390-420nm、440-470nm和640-680nm。发光芯片502能够发出多种不同波长的光,实现了防水LED灯5的多光谱功能。
防水LED灯5包括一个驱动控制器18,驱动控制器18设在控制箱4内,驱动控制器18通过防水电路接通发光芯片502。发光芯片502的波长为390-420nm的光、波长为440-470nm的光和波长为640-680nm的光的能量比为0.9:49:69。
防水LED灯5包括散热部件,散热部件包括散热液体和散热灯座503,散热液体填充在透明灯罩内部,浸没发光部501,将发光芯片502散发的热量导出透明灯罩504。散热液体为无色透明硅油509,无色透明硅油509的主要成分为聚二甲基硅氧烷,即透明灯罩504内部填充无色透明硅油509,散热灯座503和发光芯片502浸没在无色透明硅油509中,无色透明硅油509在本发明中具有以下作用:(1)无色透明硅油509的导热性较好,能够将发光芯片502发光时产生的热量及时导出至透明灯罩504以及透明灯罩504的外部;(2)无色透明硅油509的腐蚀性较小,不会对发光部501造成严重的腐蚀;(3)发光芯片502的光线透过无色透明硅油509的保真率高于透过空气的保真率,所以无色透明硅油509对发光芯片502的光线无影响;(4)无色透明硅油509疏水性较好,能够防止光生物反应釜中的培养液深入并接触发光部501,在防水装置505和透明灯罩504之后形成又一层防水保护层,进一步提高防水LED灯5的防水性能。
散热灯座503为横截面为正方形的长条桶形,散热灯座503的每一个外表面可拆卸地安装一个灯片514,发光芯片502安装在灯片514的外表面,发光芯片502在灯片514的外表面由上至下地排成一排,使得防水LED灯5实现多角度甚至全角度地照射,满足光生物反应釜中各个方向和角度的藻类光照需求。散热灯座503的材质为导热性良好的金属铝,有利于发光芯片502散热。
散热灯座503的两端开口,散热灯座503同一面上的发光芯片502串联或并联连接,发光芯片502的防水电路汇聚后,从散热灯座503底部的开口进入散热灯座503内部,再从散热灯座503顶部的开口伸出防水装置505,再连接外部的驱动控制装置18。
灯片514为长条形灯片,包括外表面和内表面,外表面面对透明灯罩504,即外表面面对光生物反应釜中的藻类,内表面面对散热灯座503。灯片514的材质为导热性较好的金属铝,有利于布置在发光芯片502的及时散热。
散热灯座503的长度等于灯片514的长度,散热灯座503的长度略小于透明灯罩504的长度,并适应透明灯罩504和光生物反应釜的长度。
排气部件为排气管510,排气管510连通透明灯罩504的内部和外部,用于将透明灯罩504内部受热膨胀的气体导出防水LED灯5,保证防水LED灯5安全使用。排气管510设置在防水电路中,防水电路能够穿出并密闭反应器罐体连接外部电源。
无色透明硅油509受热后体积膨胀,同时,透明灯罩504内部的空气受热也会膨胀,排气管510能够将透明灯罩504内的多余空气和受热膨胀后的空气导出,防止透明灯罩504内部压力过大。
防水电路设置在散热灯座503的内部,包括防水外套511、正极线512、负极线513和排气管510,正极线512、负极线513和排气管510设置防水外套511内部。防水外套511包括两层绝缘保护皮,以增强电路的防水性能。
排气管510的两端开口,排气管510的底部开口位于透明灯罩504的底部,排气管510的顶端开口伸出透明灯罩504且连通外部环境。
正极线512和负极线513以串联形式分别连接发光芯片502的正极和负极,正极线512和负极线513的顶端伸出透明灯罩504,并接通驱动控制器18。
透明灯罩504设置在发光部501的外部,保护发光芯片502和防水电路,将藻液与发光芯片502隔离开来。透明灯罩504为长条桶形,且底部密闭,顶部具有开口,顶部的开口允许散热灯座503、防水电路和无色透明硅油509进出透明灯罩504。透明灯罩504不影响发光芯片502的光线对藻类进行照射,对发光芯片502的光线具有透光保真的作用。
防水装置505设置在透明灯罩504的顶部开口,并密封顶部开口,保证透明灯罩504外部的培养液无法进入透明灯罩504的内部,同时允许防水电路穿出防水装置505。防水装置505为内部中空的桶状,且顶端和底部分别设有开口,并由两个喉箍分别锁紧密封。
防水装置505包括第一喉箍506、端盖帽507和第二喉箍508,端盖帽507为内部中空的桶状,端盖帽507的顶端和底部分别设有开口,端盖帽507的底部开口连接并完全覆盖透明灯罩504的顶部开口,第二喉箍508固定并锁紧密封端盖帽507的底部开口覆盖透明灯罩504的顶部开口的部分;端盖帽507的顶端开口允许防水电路穿过,第一喉箍506固定并锁紧密封端盖帽507的顶端开口。防水装置505结构简单,成本低,使防水LED灯5的防水等级达到IP68,使得防水LED灯5能够长时间潜入水中,满足全地域养殖需求和全密闭养殖需求,同时没有污染。
支架的材质为不锈钢,支架包括上支架6-1、下支架6-2和中间支架26,上支架6-1和下支架6-2都具有纵横交错的横梁,在两个横梁的交叉处设有卡圈,卡圈用于套接防水LED灯5。中间支架26为固定在上支架6-1和下支架6-2之间的纵向支撑杆,且用于固定冷却管7。
密闭反应器罐体20内部包括五个冷却管7,冷却管7的形状为螺旋形,且从上到下依次排列在密闭反应器罐体20的上部、中部和下部,所有冷却管7浸没在藻液液面以下。冷却管7中通入冷却水,将防水LED灯5发出的大量热量和藻类生长代谢过程中释放的多余热量带出密闭反应器罐体20,使得密闭反应器罐体20内部的温度始终保持在适宜藻类生长代谢的温度范围内。冷却管7调节密闭反应器罐体20内部的的温度为25℃。5个串联的冷却管7的进口和出口分别连接冷水进水管和冷水出水管,冷水进水管和冷水出水管连接到密闭反应器罐体20的外壁上部的冷却水接头,再统一由冷却水接头供水,冷却水接头通过管道和第一阀门28-7连接到冷水机。
密闭反应器罐体20内部设有一个温度探头29,温度探头29没入藻液液面以下,温度探头29的线路通过防水接头9延伸出密闭反应器罐体20,再连接PLC控制装置22,PLC控制装置22连接冷水机,当密闭反应器罐体20内温度较高时,PLC控制装置22启动冷水机,冷却水在冷却管7中的运动带走多余热量,当密闭反应器罐体20内温度较低时,PLC控制装置22暂停冷水机。温度探头29与防水LED灯5提供的多维度、可调节的光照条件相结合,为雨生红球藻提供适宜的生长环境,促进雨生红球藻生长和累积虾青素。
光生物反应釜还包括供气装置,为光生物反应釜提供藻类生长所需的二氧化碳和空气。供气装置包括无菌过滤器12、二氧化碳流量计15-1、空气流量计15-2、第一气体接头和气体接头10-1,二氧化碳流量计15-1和空气流量计15-2一端连接二氧化碳气源和空气气源,另一端连接第一气体接头,第一气体接头作为气体进口,气体接头10-1作为气体出口,并设在密闭反应器罐体20的面盖上,然后连接无菌过滤器12,第一气体接头设在外壁的中下部,并连通罐体内部。
二氧化碳气源为工业二氧化碳,空气气源为空气经过空气压缩机形成的压缩空气,二氧化碳作为藻类生长必需的碳源。使用时,二氧化碳和空气经过二氧化碳流量计15-1和空气流量计15-2控制流量,然后通过第一气体接头进入密闭反应器罐体20内,二氧化碳和空气经过藻类生长代谢利用后,从气体接头10-1流出密闭反应器罐体20,再经过无菌过滤器12进行灭菌处理后,排入外接环境。
密闭反应器罐体20的中下部设置一个pH探头1,pH探头1没入藻液中,并通过线路和防水接头9连接密闭反应器罐体20外部的pH控制器16,pH控制器16通过PLC控制装置22连接二氧化碳流量计15-1和空气流量计15-2。pH探头1用于实时监测藻液的pH值是否适合藻类生长,藻类在生长和代谢过程中会产生多种营养物和排泄物,这些物质部分释放进藻液中,会改变藻液的pH值,藻液的pH值是影响藻类生长和代谢的关键因素。
本实施例的藻液pH值控制在6.8,有利于藻类生长,同时,二氧化碳流量为0.3L/min,空气流量为5L/min。本发明将藻液的pH值与藻类生长所需的碳源二氧化碳相结合,进行调控。由于二氧化碳溶于藻液后,藻液显酸性,pH值降低,本发明由此建立了二氧化碳与pH值的联系,通过实时监测藻液pH值,联动调整二氧化碳流量,进而同时达到控制藻类碳源供给量和藻液pH值的双重目的。
光生物反应釜还包括曝气装置,曝气装置为纳米曝气管24,纳米曝气管24安装简单,更换和调整便捷,成本低。纳米曝气管24均匀排布在下支架6-2上,借助下支架6-2上的防水LED灯5作为定位点或隔离点,均匀铺开纳米曝气管24,提高曝气均匀性。
纳米曝气管24连接气体接头10-1,无菌二氧化碳和无菌压缩空气的混合气体通过纳米曝气管24的孔洞均匀进入藻液,随着气泡的上升,促进藻液的扰动,从而使藻细胞的生长处于悬浮状态,并保持藻液的营养组成、溶解氧浓度和pH值的调控性,防止藻类堆积而导致有害细菌滋生和缺少碳源,最终造成藻类的死亡。
光生物反应釜还具有供液和排液的功能,供液功能是为光生物反应釜提供培养液、补给水或其他反应釜供给的藻种藻液。排液功能是将光生物反应釜中的藻液或清洗液等液体排出。
培养液接头10-5将培养液箱与密闭反应器罐体20内部连通,为光生物反应釜提供培养液,满足藻类的生长和代谢需求,培养液接头10-5与培养液箱之间设置第二阀门28-4,便于控制培养液的供给。补给水接头10-4用于向藻液中补充纯水,根据藻类不同的生长情况调节藻液密度或营养物质密度。补给水接头10-4连接纯水箱32,纯水箱32与补给水接头10-4之间设有第三阀门28-1,便于控制纯水的供给。原料藻种接头10-3用于向光生物反应釜中加入原料藻种,原料藻种接头10-3连接藻种箱38,藻种箱38与原料藻种接头10-3之间设有第四阀门28-2,便于控制藻种的供给。
排液装置包括排液接头25、三通管件、取样阀3、第五阀门28-5和第六阀门28-6。排液接头25设在密闭反应器罐体20的底部,并连接三通管件的一个开口,三通管件的其它开口通过管道分别连接第五阀门28-5和第六阀门28-6。取样阀3单独设置在密闭反应器罐体20的下部,便于操作人员随时取样,监测藻液在生长过程中的情况,判断采收时机或调整藻类培养环境的各个参数。第五阀门28-5为采收阀门,并通过管道连接藻类处理装置,最终获得有价值的产品。第六阀门28-6为排泄阀门,并通过管道连接下水管,用于排出废物或清洗液。
光生物反应釜还包括清洗装置,用于清洗密闭反应器罐体20。清洗装置包括CIP清洗头8和清洗液接头10-2,清洗液接头10-2和CIP清洗头8分别设在密闭反应器罐体20面盖的外表面和内表面,清洗液接头10-2一端连接密闭反应器罐体20外部的消毒液箱34,另一端连接CIP清洗头8,消毒液箱34与清洗液接头10-2之间设有第七阀门28-3。一批藻类养殖完成后,排出密闭反应器罐体20,然后打开第七阀门28-3,消毒液箱34中的消毒水经过管道进入清洗液接头10-2,最后从CIP清洗头8中喷入密闭反应器罐体20内,将残留藻类或藻类代谢物冲洗干净,所有污物和清洗液从第六阀门28-6排出。
密闭反应器罐体20的底部设有液位传感器2,并通过线路连接PLC控制装置22,实时监测反馈密闭反应器罐体20内的液面高度,在供液、取样、排液和清洗过程中发挥作用。
密闭反应器罐体20内的防水LED灯5的电路、pH探头1的电路、温度探头29的电路,二氧化碳的气路,空气的气路,这些线路和管路分别通过多个防水接头9接出密闭反应器罐体20,密闭反应器罐体20外壁上设有线管盒27,线管盒27用于容纳上述线路和管路,再分别连接对应的设备或气源,保护上述线路和管路,便于操作。
光生物反应釜还包括控制系统,用于控制防水LED灯5、驱动控制器18、温度探头29、pH探头1、二氧化碳流量计15-1和空气流量计15-2。控制系统包括PLC控制装置22、pH控制器16和控制箱4,驱动控制器18、PLC控制装置22、pH控制器16和功率变送器17设在控制箱4的内部,二氧化碳流量计15-1和空气流量计15-2设在控制箱4的外侧。驱动控制器18、pH控制器16、功率变送器17、二氧化碳流量计15-1、空气流量计15-2、温度探头29和液位传感器2通过线路连接PLC控制装置22,并由PLC控制装置22控制协调。控制箱4的侧面的镂空处设置排风扇23,为控制系统及时散热。控制箱4的外表面还可以设置数据显示屏,用于显示光生物反应釜各个参数和运行情况,便于操作人员观察控制光生物反应釜。
pH控制器16连接并控制pH探头1,pH探头1采集藻液的pH值数据并传回pH控制器16和PLC控制装置22,PLC控制装置22根据pH值的升高或降低,联动控制二氧化碳流量计15-1相应地加大或减小二氧化碳的流量,使得藻液pH值回归正常水平,藻类pH值通过pH探头1不断反馈给pH控制器16和PLC控制装置22;同时,PLC控制装置22根据原料藻种的数量和藻类培养的时间,合理控制二氧化碳的流量,保证二氧化碳的充足供给;另一方面,PLC控制装置22根据二氧化碳的流量,相应控制空气流量计15-2并调整空气流量,保证藻类的氧气供给。
温度探头29通过线路连接PLC控制装置22,PLC控制装置22连接并控制冷却水的供给,即控制冷水机,温度探头29实时检测并采集藻液温度数据,并传回PLC控制装置22,PLC控制装置22根据温度高低控制冷却水的供给,冷却水带走密闭反应器罐体内防水LED灯5和藻类生命活动产生的多余热量。
实施例2
本实施例的第一光生物反应釜和第二光生物反应釜的结构与实施例1的光生物反应釜相同,第一补光灯和第二补光灯的结构与实施例1的防水LED灯相同。
本实施例的藻类连续培养反应系统的结构如图6所示,本实施例的藻类连续培养反应系统具有三个第一光生物反应釜40和三个第二光生物反应釜41,藻种箱38、培养液箱36、消毒液箱34和纯水箱32分别采用并联方式分别连接三个第一光生物反应釜40和三个第二光生物反应釜41。二氧化碳气管50和压缩空气气管51均以并联方式接入三个第一光生物反应釜40和三个第二光生物反应釜41内部,为藻类生长代谢提供碳源和氧气。本实施例的藻类为雨生红球藻,藻种为雨生红球藻藻种。
藻种箱38用于初步扩培和培养藻类的藻种,又称为原料箱,为第一光生物反应釜40提供藻种。藻种箱38包括第一搅拌器、第一无菌过滤器和第一泵39,第一搅拌器的电机设在藻种箱38的顶部,搅拌桨延伸入藻种箱38内部,将内部含有藻种的藻液搅拌均匀,防止藻种累积沉淀而造成大量死亡,提高藻种活性,第一搅拌器和第一泵39通过工控线路56连接主控计算机31,自动控制第一泵39的流量以及第一搅拌器的开启和关闭。
第一无菌过滤器设在藻种箱38的顶部,对进出藻种箱38的空气起过滤除菌作用,为藻种提供无菌环境,保证藻种从源头上不被污染。
藻种箱38的底部设有出料口,并连接第一管道49,藻种箱38的顶部设有加料口,用于向藻种箱38内添加藻种和藻液。
第一管道49连接藻种箱38的出料口之后,接入第一泵39,再以并联方式分别连接三个第一光生物反应釜40的原料藻种接头10-3,以保证每个第一光生物反应釜40的输入藻种的状态相同,便于统一控制管理三个第一光生物反应釜40。
培养液箱36用于储存和配置藻类生长所需的培养液,培养液箱36包括第二搅拌器、第二无菌过滤器和第二泵37,第二搅拌器的电机设在培养液箱36的顶部,搅拌桨延伸入培养液箱36内部,将内部的培养液搅拌均匀,第二搅拌器和第二泵37通过工控线路56连接主控计算机31,自动控制第二泵37的流量以及第二搅拌器的开启和关闭。
第二无菌过滤器设在培养液箱36的顶部,对进出培养液箱36的空气起过滤除菌作用,尽量减少培养液被外界的细菌或微生物污染的可能。
培养液箱36的底部设有出料口,并连接第二管道48,培养液箱36的顶部设有加料口,用于向培养液箱36中添加培养液。
第二管道48连接培养液箱36的出料口后,接入第二泵37,再以并联方式分别连接三个第一光生物反应釜40和三个第二光生物反应釜41,以保证每个第一光生物反应釜40输入的无菌培养液相同,每个第二光生物反应釜41输入的培养液相同,便于统一控制管理三个第一光生物反应釜40和三个第二光生物反应釜41。
第一光生物反应釜40的外侧设有第三泵43,第一光生物反应釜40的原料藻种接头10-3通过第一管道49连接藻种箱38,培养液接头10-5通过第二管道48连接培养液箱36,第五阀门28-5通过第三管道54连接第二光生物反应釜41的原料藻种接头10-3,第三泵43接入第三管道54,第三泵43通过工控线路56连接主控计算机31。第一光生物反应釜40的内部设有第一补光灯,为藻类生长提供光能。第一光生物反应釜40的控制系统为手动控制,操作人员根据pH值的升高或降低,调节二氧化碳流量计加大或减少二氧化碳供给,根据温度的升高或降低,调节冷却水流量的增大或减少。
二氧化碳气管50和压缩空气气管51分别连接第一光生物反应釜40的二氧化碳流量计15-1和空气流量计15-2。
三个第一光生物反应釜40的第六阀门28-6并联后,从第一排水管道分支52,将第一光生物反应釜40内的废水废物排入下水管道或废液储罐;三个第一光生物反应釜40的第五阀门28-5并联后,接入第三管道54,然后接入第三泵43,对应输入三个第二光生物反应釜41。
第一光生物反应釜40的顶部还设有清洗液接头10-2和补给水接头10-4,清洗液接头10-2通过第五管道47连接消毒液箱34,补给水接头10-4通过第六管道46连接纯水箱32。
原料藻种接头10-3之前的第一管道49上设置第四阀门28-2,培养液接头10-5之前的第二管道48上设置第二阀门28-4,清洗液接头10-2之前的第五管道47上设置第七阀门28-3,补给水接头10-4之前的第六管道46上设置第三阀门28-1,第一排水管道分支52之前设置第六阀门28-6。可以通过以上各个阀门的开启或闭合分别控制各进口或出口的料液的流通或停止,实现某个第一光生物反应釜40临时启用或停用。
使用时,藻种箱38的藻种经过第一管道49、第一泵39和原料藻种接头10-3输入第一光生物反应釜40,培养液箱36的培养液经过第二管道48、第二泵37和培养液接头10-5输入第一光生物反应釜40,藻种在培养液的无菌环境中生长,第一光生物反应釜40的控制系统控制第一光生物反应釜40内的温度和pH值,并输入二氧化碳和空气,供藻类生长代谢所需。当第一光生物反应釜40的藻类或培养液浓度过高时,纯水箱32的纯水经过第六管道46、第六泵33和补给水接头10-4输入第一光生物反应釜40。藻类生长到一定阶段后,需要进入生物质累积阶段,才能获得有价值的产品。藻类从第五阀门28-5经过第三管道54和第三泵43输入第二光生物反应釜41,进行生物质累积阶段的培养。最后,消毒液箱34的消毒液经过第五管道47、第五泵35和清洗液接头10-2输入并清洗第一光生物反应釜40,然后所有废液经过第一排水管道分支52排出,第一光生物反应釜40等待下一轮藻种培养。
第二光生物反应釜41的外侧设有第四泵44,第二光生物反应釜41的原料藻种接头10-3通过第三管道54连接第一光生物反应釜40,即第一光生物反应釜40培养后的藻类通过第三管道54,分配到不同的第二光生物反应釜41中。培养液接头10-5连接第二管道48,第五阀门28-5通过第四管道55连接产品处理装置的进口,产品处理装置为离心机42,第四泵44接入第四管道55,第二光生物反应釜41的控制系统控制第二光生物反应釜内41的温度、pH值、二氧化碳和空气供给。第四泵44通过工控线路56连接主控计算机31。第二光生物反应釜41的内部设有第二补光灯,为藻类生长和代谢提供光能。
二氧化碳气管54和压缩空气气管55的支路分别经过第二光生物反应釜41的二氧化碳流量计和空气流量计后,进入第二光生物反应釜41。第二光生物反应釜41的控制系统手动控制,操作人员根据pH值的升高或降低,调节二氧化碳流量计加大或减少二氧化碳供给,根据温度的升高或降低,调节冷却水流量的增大或减少。
三个第二光生物反应釜41的第六阀门28-6并联后连接第二排水管道分支53,将第二光生物反应釜41内的废水废物排入下水管道或废液储罐。
第二光生物反应釜41的其它接口和阀门的连接,与第一光生物反应釜40的相同。
消毒液箱34用于储存和/或配置消毒液,消毒液箱34包括第三搅拌器、第五无菌过滤器和第五泵35,第三搅拌器的电机设在消毒液箱34的顶部,搅拌桨延伸入消毒液箱34内部,将内部的消毒液搅拌均匀,第三搅拌器和第五泵35通过工控线路56连接主控计算机31,自动控制第五泵35的流量以及第三搅拌器的开启和关闭。
第五无菌过滤器设在消毒液箱34的顶部,对进出消毒液箱的空气起过滤除菌作用,尽量减少消毒液被外界的细菌或微生物污染的可能。
消毒液箱34的底部设有出液口,并连接第五管道47,消毒液箱34的顶部设有加液口,用于向消毒液箱34中添加消毒液。
第五管道47连接消毒液箱34的出料口后,接入第五泵35,再以并联方式分别连接三个第一光生物反应釜40和三个第二光生物反应釜41,以保证每个第一光生物反应釜40输入的消毒液相同,每个第二光生物反应釜41输入的消毒液相同,便于统一控制管理三个第一光生物反应釜40和三个第二光生物反应釜41。
纯水箱32用于储存纯水,纯水箱32包括第六无菌过滤器和第六泵33,第六泵33通过工控线路60连接主控计算机31,自动控制第六泵33的流量。
第六无菌过滤器设在纯水箱32的顶部,对进出纯水箱32的空气起过滤除菌作用,尽量减少纯水被外界的细菌或微生物污染的可能。纯水箱32的底部设有出水口,并连接第六管道46,纯水箱32的顶部设有加水口,用于向纯水箱32中添加纯水,加水口通过管路连接纯水机。第六泵33接入第六管道46,为纯水输送提供动力。第六管路46连接纯水箱32的出水口后,接入第六泵33,再以并联方式分别连接三个第一光生物反应釜40、三个第二光生物反应釜41、藻种箱38、培养液箱36和消毒液箱34。
主控计算机31内置藻类自动化养殖程序软件,能够提前预设第一光生物反应釜40的藻种输入量、培养液输入量、消毒液输入量、纯水输入量和藻类输出量,也能够预设藻种、培养液、消毒液和纯水输入时间或输入间隔,以及藻类的输出时间或输出间隔;藻类自动化养殖程序软件,能够提前预设第二光生物反应釜41的藻类输入量、产品输出量、培养液输入量、消毒液输入量和纯水输入量,也能够预设藻类、培养液、消毒液和纯水输入时间或输入间隔,以及产品的输出时间或输出间隔。藻种箱38、培养液箱36、消毒液箱34、纯水箱32、第一光生物反应釜40和第二光生物反应釜41接受软件的控制,并按照预设的程序输送各种料液,使得连续培养反应系统自动化、连续运行。
连续培养反应系统含有供电线路45,为系统的所有用电设备提供电能,供电线路45连接培养液箱36、藻种箱38、消毒液箱34、纯水箱32、第一光生物反应釜40、第二光生物反应釜41、主控计算机31、离心机42、第一泵39、第二泵37、第三泵43、第四泵44、第五泵35、第六泵33、第一搅拌器、第二搅拌器、第三搅拌器和控制系统。

Claims (10)

1.一种微藻养殖光生物反应釜,包括密闭反应器罐体,其特征在于,所述密闭反应器罐体内部设有防水LED灯,所述防水LED灯包括发光部、密封设置的透明灯罩和驱动控制器,所述发光部具有LED发光芯片,单个所述LED发光芯片能够同时发出多种不同波长的光,所述发光部设在所述透明灯罩的内部,所述驱动控制器设在密闭反应器罐体外部并能够控制所述不同波长的光的能量同时增大或减小。
2.根据权利要求1所述的光生物反应釜,其特征在于,所述多种不同波长的范围选自以下两种或两种以上组合的波长范围:390-420nm、440-470nm或640-680nm。
3.根据权利要求2所述的光生物反应釜,其特征在于,单个所述发光芯片的波长为390-420nm的光、波长为440-470nm的光和波长为640-680nm的光的能量比为(0.1-0.9):(35-49):(67-69)。
4.根据权利要求1所述的光生物反应釜,其特征在于,所述防水LED灯包括散热部件,所述散热部件包括散热液体和散热灯座,所述散热液体填充在所述透明灯罩内部,浸没所述发光部,将所述发光芯片散发的热量导出所述透明灯罩。
5.根据权利要求4所述的光生物反应釜,其特征在于,所述散热灯座为长条桶形,散热灯座的横截面为多边形,所述发光芯片成排安装在散热灯座面向不同方向的外表面上。
6.根据权利要求1所述的光生物反应釜,其特征在于,所述防水LED灯包括排气部件,所述排气部件连通所述透明灯罩的内部和外部,用于将所述透明灯罩内部受热膨胀的气体导出所述防水LED灯;
优选的,所述排气部件为排气管,所述排气管设置在发光芯片的防水电路中。
7.根据权利要求1所述的光生物反应釜,其特征在于,所述光生物反应釜包括控制系统、供气装置和冷却装置,所述控制系统包括PLC控制装置和pH控制器,所述供气装置包括二氧化碳流量计和空气流量计,所述冷却装置包括冷却管,所述控制系统负责控制密闭反应器罐体内部的pH值和温度。
8.根据权利要求7所述的光生物反应釜,其特征在于,所述密闭反应器罐体的内部设置至少一个pH探头,所述pH探头通过线路连接所述pH控制器,所述pH控制器通过PLC控制装置连接二氧化碳流量计和空气流量计,所述pH控制器和PLC控制装置根据pH探头检测到的pH值的升高或降低,控制供给密闭反应器罐体的二氧化碳流量增大或减小。
9.根据权利要求8所述的光生物反应釜,其特征在于,所述密闭反应器罐体内部包括至少一个冷却管,所述冷却管的进口和出口分别连接冷水进水管和冷水出水管,所述冷水进水管和冷水出水管连接所述密闭反应器罐体外部的冷水机;
所述密闭反应器罐体内部设有至少一个温度探头,所述温度探头通过线路连接所述PLC控制装置,所述PLC控制装置连接所述冷水机。
10.一种藻类连续培养反应系统,其特征在于,所述连续培养反应系统包括至少两个权利要求1-9所述的光生物反应釜、培养液箱和藻种箱,两个所述光生物反应釜分别为第一光生物反应釜和第二光生物反应釜,所述藻种箱通过第一管道连接第一光生物反应釜,为第一光生物反应釜提供含有藻种的藻液,培养液箱通过第二管道并联连接第一光生物反应釜和第二光生物反应釜,为藻类不同生长阶段提供营养物料,所述第一光生物反应釜通过第三管道连接第二光生物反应釜。
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