CN111411033A - 一种用于经济微藻培养的可控粒径微泡发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于经济微藻培养的可控粒径微泡发生装置，其特征在于：其包括具有预定容积的光生物反应器主体、可控粒径微泡发生装置、导流装置、以及LED波频双变光照系统；所述可控粒径微泡发生装置设置在所述光生物反应器主体底部，用于提供经济微藻培养所需的碳传质和循环动力，同时解析溶氧；所述导流装置悬挂设置在所述光生物反应器主体内部，用于促进液体循环及微泡传质；所述LED波频双变光照系统设置在所述光生物反应器主体外侧或内部，用于根据特定经济微藻需求提供其生长最优波长及光暗频率。本发明结构简单，操作方便，可以广泛应用于经济微藻的培养中。

Description

一种用于经济微藻培养的可控粒径微泡发生装置
本申请是申请号为201810168434.0、申请日为2018年02月28日、发明创造名称为“一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器”的分案申请。
技术领域
本发明属于生物工程领域，特别是涉及一种用于经济微藻培养的可控粒径微泡发生装置。
背景技术
经济微藻因富含多种生物活性物质，在食品、水产养殖、医药、美容、生物能源等行业具有广泛的应用。例如小球藻可以应用于单细胞蛋白生产；三角褐指藻被应用于海参养殖育苗；而雨生红球藻因其富含虾青素，具有强大的抗氧化能力，在保健品，化妆品，医药行业拥有广阔市场。因此，经济微藻生物质能产业是各国争先发展的新型产业。而要实现经济微藻生物质能产业的快速发展，首要条件是低成本且高效地获取高密度生物量。
目前经济微藻的主要培养方式为露天培养和光生物反应器培养。传统的露天培养由于可控性不高、占地面积大、易染菌等缺点，使得微藻培养工艺的研发趋势慢慢推向了光生物反应器。相比露天培养，光生物反应器培养具有培养条件可控性高、占地面积小、操作灵活、产率高及适合单一性培养等特点，尤其受到经济微藻培养的青睐。但是传统光生物反应器培养仍然面临着供碳不足、溶氧堆积、光能利用率低等技术瓶颈。具体体现如下：
(a)、光能利用率低：在较高细胞浓度时，易发生藻间遮蔽效应，使得藻细胞对光源的利用变得十分有限，从而难以实现经济微藻的高密度培养。
(b)、CO2供给不足：微藻的供碳主要通过通入一定比例的CO2气体来实现，而在实际培养过程中，CO2的供给并不能满足微藻最优生长的需求。有研究显示微藻对CO2的吸收速度高达0.2～0.3×10-4mol/L/min。而传统曝气方式的CO2传质速率仅为0.4×10-7～0.7×10- 5mol/L/min，远不能满足微藻对溶解CO2的需求。因此，即使光照充足，如果反应器达不到充足的CO2供给，同样无法使得微藻最优生长。
(c)、溶氧积累严重：微藻的光合放氧速率可达0.3×10-4mol/L，而传统鼓气对O2的吹脱速率只有约0.16×10-4mol/L/min，小于微藻的光合放氧速率。因此，在密闭培养中容易发生溶氧的累积，造成溶氧过饱和从而抑制藻类生长。
关于光能利用率的优化，目前的主要思路包括光源的改进和光路的缩短。例如Bourgoin等(专利号US20130029404A1)将由光伏电池组成的照明隔板置于光生物反应器中心，为不同微藻品种提供生长所需波长。Bazaire等(专利号US20090203116A1)通过内置光纤为反应器提供360度光照。Friederich等(专利号US20140073035A1)通过导光管将外置LED光源产生的光通量收集并导入光生物反应器内部，为培养提供光照。黄旭雄等(专利号CN104651215A)通过减小光生物反应器内径，并内置LED灯带的方式，实现节能、缩短光程、提高光能利用率等目的。除此之外，还有许多类似的设计，在一定程度上提高了反应器的光能利用率。然而这些设计并没有从根本上解决高浓度时藻间遮蔽的问题，此外，在传统CO2供给不能满足微藻快速生长所需的条件下，光源或光路的优化并不能真正有效地提高光能利用率，相反过剩的光照可能导致微藻光呼吸作用从而影响生物质产量。
对于CO2供给不足及溶氧堆积问题，提高曝气装置的气液传质能力是主要的解决方法。郑范锡等(专利号CN102776117)将CO2供应至光生物反应器外接的中空纤维膜模件中，与培养基充分混合，增加培养基中的CO2饱和率。此方法的原理是通过填料的多孔结构，增加气体与液体接触时间，从而提高气液传质效率。然而该发明专利中的外接气液混合装置(也就是中空纤维膜模件)还需要配备液体泵将培养基抽吸到反应器主体中，增加了系统复杂程度及额外能耗。施云海等(专利号CN105985910)通过将藻液以雾化喷淋的方式通入反应器外接吸收塔中，使其与塔底部通入的CO2气体充分接触，以提高气-液传质。经过吸收塔的藻液含有较高CO2浓度，经液体泵抽回反应器主体中。此方法利用增加气-液比表面积的原理提高CO2传质。然而，藻液经过喷淋雾化装置极有可能造成细胞损伤，从而影响其生长。相比雾化藻液，增加气-液传质比表面积更为合理且有效的方法是雾化气泡，即微气泡。目前，微气泡被广泛应用于水处理业，可有效提高溶氧的传质。而其在微藻培养邻域的应用较少，即使已有的相关专利也主要用于微藻采收，例如潘克厚等(专利号CN105002086)通过微气泡持续气浮采收跑池中的藻细胞。将微泡作为CO2气体的载体，可大幅增加微藻对CO2利用率从而克服供碳不足的瓶颈。成光模(专利号CN102978102A)利用外接微泡发生器产生含有微泡的工艺水，并将工艺水供应至光生物反应器用于培养微藻。杨卫民等(专利号CN106434326等)通过转子螺旋泵的高速轴向旋转，将气液两项流体中的CO2气泡切成微小气泡，之后将含有微小气泡的微泡液通入管式光生物反应器中培养微藻。这两个方法在原理上均通过微泡高效的气液传质提高微藻的生物质产量，然而前者微泡产生的原理是将CO2气体注入到混合室内呈螺旋缠绕的软管中与软管中的水混合，通过较长的停留时间，CO2溶于液体或以微小气泡形式滞留于水中形成工艺水，再将工艺水通入培养体系中提供微藻生长所需。后者利用机械剪切的原理产生微泡水，供给培养体系。然而两者只考虑到了微泡的传质特性，却忽略了微泡高效动量传导的优点，均采取了外接微泡发生器的方式制作微泡水，因此需通过额外的液体泵为光生物反应器主体供给微泡水及加强液体循环。此外两者产生的微气泡大小不可控，对于不同经济微藻对碳的需求量可能存在供给过剩或供给不足的问题。同时，微泡水的产生还伴随着较大的能耗以及较复杂的微泡产生工艺，在工业化扩大的应用中可能存在维护成本、能耗成本、建造成本等过高的问题。
综上，近年来国内外已经对经济微藻的培养工艺进行了大量的研究，但上述技术瓶颈仍未得到有效的解决，大部分研究依然停留在实验室阶段，只有极个别公司和研究机构建立了工业化生产模式，不免形成了生产技术和产品价格上的垄断。因此如何突破这些技术瓶颈，实现经济微藻的高密度培养仍然是国内外微藻生物技术邻域研究的焦点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器(MPBR)，其能够一站式解决传统培养所面临的主要技术瓶颈，激发微藻生长潜能，提高经济微藻生物质产量，适用于实验室及规模化培养。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器，其特征在于：其包括具有预定容积的光生物反应器主体、可控粒径微泡发生装置、导流装置、以及LED波频双变光照系统；所述可控粒径微泡发生装置设置在所述光生物反应器主体底部，用于提供经济微藻培养所需的碳传质和循环动力，同时解析溶氧；所述导流装置悬挂设置在所述光生物反应器主体内部，用于促进液体循环及微泡传质；所述LED波频双变光照系统设置在所述光生物反应器主体外侧或内部，用于根据特定经济微藻需求提供其生长最优波长及光暗频率。
所述光生物反应器主体为管状或板状结构，其顶部设置有带出气口的可拆卸反应器封盖，底部螺栓连接所述可控粒径微泡发生装置。
所述光生物反应器主体底部设置为漏斗状，但不限于此。
所述可控粒径微泡发生装置包括可拆卸底座、微孔陶瓷膜片和环形固定片；所述可拆卸底座包括基板和设置在所述基板上的腔体，所述基板上设置有用于与所述光生物反应器主体底部侧壁螺栓连接的底座紧固螺纹，所述腔体上设置有用于与卸流阀门连接的卸流端螺纹；所述腔体上部中央设置有一圆锥形凹槽，所述圆锥形凹槽中部设置有贯穿所述腔体上、下两端的进气口，所述进气口下端与设置在所述基板中部的变径进气嘴相连，所述变径进气嘴的另一端依次通过进气阀门、进气管道与CO2混合气相连；所述微孔陶瓷膜片通过所述环形固定片固定设置在所述圆锥体凹槽上，所述微孔陶瓷膜片下表面与所述圆锥体凹槽之间形成用于气体积累增压的弧形气腔，所述微孔陶瓷膜片的侧面与所述圆锥体凹槽之间预留有用于气体流通的间隙。
所述微孔陶瓷膜片的上表面设置有多个用于气体流通的微孔，所述微孔陶瓷膜片内部设置有用于均匀分布入射气体的多条导流渠，各所述导流渠的入口位于所述微孔陶瓷膜片的侧面。
所述微孔陶瓷膜片上表面的微孔孔径为0.01～10微米。所述微孔陶瓷膜片侧面与所述圆锥体凹槽之间的间隙为1～2mm。
所述导流装置通过设置在其上、下两端的导流支点悬挂设置在所述光生物反应器主体腔体内部，且所述导流装置将所述光生物反应器主体腔体内部划分为上升区和下降区，所述上升区是指位于所述导流装置内部的所述光生物反应器主体腔体部分，所述下降区是指位于所述导流装置外部的所述光生物反应器主体腔体部分。
当外置光照时，所述导流装置采用镜面反光材料制作，所述光反应器主体内壁采用透明有机玻璃材料；当采用内置光照时，所述导流装置采用透镜有机玻璃材料，所述所述光反应器主体内壁采用镜面反光材料。
所述LED波频双变光照系统包括预设数量和比例的白、红、蓝三色LED灯珠、变频系统以及时间继电器；所述变频系统用于根据实际培养需求控制所述LED灯珠，实现白、红、蓝及任意两种或多种波长的组合光照，并对光照强度进行调节；所述时间继电器用于根据实际培养需求控制所述LED灯珠，实现光照时间及暗处理时间调节。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在微泡光生物反应器本体底部设置可控粒径微泡发生装置，利用微泡的高效传质及动量传导能力，提供经济微藻快速生长所需碳源，同时带动藻细胞由上升区进入下降区循环接受光照，提高了光能利用率及光合效率，降低了工艺复杂性及维护成本、减少占地面积、一站式解决传统技术瓶颈。2、本发明由于可控粒径微泡发生装置中的微孔陶瓷膜片顶部设置微孔出气面，膜片内部设置有引流渠，使得产生的微泡分布均匀、通量大、气阻小、可调节大小、应用灵活。3、本发明由于微泡光生物反应器在使用时，无需通过额外pH监测及调控设备，通过一次性投加碳酸盐及持续微泡通气即可以精准控制微泡光生物反应器内部培养液pH在最适范围，降低了工艺复杂性及维护成本。本发明可以广泛应该于经济微藻培养中。
附图说明
图1(a)为本发明用于经济微藻培养的微泡光生物反应器结构示意图；
图1(b)为本发明用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的3D示意图；
图2(a)为本发明微泡发生器的结构示意图；
图2(b)为本发明微泡发生器的3D示意图；
图2(c)为本发明微泡发生器底座3D示意图；
图3为使用微泡光生物反应器培养经济微藻示意图；
图4(a)为本发明的微泡光生物反应器多个单元环型联立结构示意图；
图4(b)为本发明的微泡光生物反应器多个单元线型联立结构示意图；
图5(a)为本发明不同孔径微孔陶瓷膜片产生微气泡粒径分布图；
图5(b)为本发明不同条件下微泡光生物反应器传质系数测试结果；
附图中涉及的附图标记如下所示：1、微泡光生物反应器(MPBR)；2、可控粒径微泡发生器；3、内置导流筒；4、导流装置支点；5、光生物反应器主体；6、反应器封盖；7、LED波频双变光照系统；8、卸流阀门；9、进气阀门；10、微孔陶瓷膜片；11、导流渠；12、环形固定片；13、底座；14、底座紧固螺纹；15、卸流端螺纹；16、弧形气腔；17、环形固定片第一紧固螺母；18、环形固定片第二紧固螺母；19、变径进气嘴；20、微泡光生物反应器支架；21、固定卡箍；22、固定底托；23、进气管道；24、藻液；25、CO2混合气；26、出气口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1(a)、图1(b)所示，本发明提供的一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器，包括：微泡光生物反应器1，该微泡光生物反应器1包括具有预定容积的光生物反应器主体5、可控粒径微泡发生装置2、导流装置3、以及LED波频双变光照系统7。其中，可控粒径微泡发生装置2设置在光生物反应器主体5底部，用于提供经济微藻培养所需的碳传质和循环动力，同时解析溶氧；导流装置3悬挂设置在光生物反应器主体5内部，用于促进液体循环及微泡传质并可以根据实际需求调节悬置高度；LED波频双变光照系统7设置在光生物反应器主体5外侧或内部，用于根据特定经济微藻需求提供其生长最优波长及光暗频率。
光生物反应器主体5为管状或板状结构，其顶部设置有带出气口26的可拆卸反应器封盖6，底部螺栓连接可控粒径微泡发生装置2。
如图2(a)～图2(c)所示，可控粒径微泡发生装置2包括可拆卸底座13、微孔陶瓷膜片10和环形固定片12。其中，可拆卸底座13包括基板和设置在基板上的腔体，基板上设置有用于与光生物反应器主体5底部侧壁螺栓连接的底座紧固螺纹14，腔体上设置有用于连接卸流阀门8的卸流端螺纹15；腔体上部中央设置有一圆锥形凹槽，该圆锥形凹槽中部设置有贯穿腔体上、下两端的进气口，该进气口下端与设置在基板中部的变径进气嘴19相连，变径进气嘴19的另一端依次通过进气阀门9、进气管道23与CO2混合气25相连；微孔陶瓷膜片10通过环形固定片12固定设置在可拆卸底座13的上表面，且微孔陶瓷膜片10下表面与可拆卸底座13的圆锥体凹槽之间形成用于气体积累增压的弧形气腔16，微孔陶瓷膜片10的侧面与圆锥体凹槽之间预留有用于气体流通的1～2mm的间隙。
微孔陶瓷膜片10的上表面设置有多个用于气体流通的微孔，微孔的孔径为0.01～10微米；微孔陶瓷膜片10内部设置有多条导流渠11，各导流渠11的入口位于微孔陶瓷膜片10的侧面，用于分布入射气体，防止在微孔出气表面某一区域发生微气泡堆积合并，保证微气泡的均匀分布。
导流装置3通过设置在其上、下两端的导流装置支点4悬挂设置在光生物反应器主体5腔体内部，导流装置3将光生物反应器主体5腔体内部划分为上升区和下降区，上升区是指位于导流装置3内部的光生物反应器主体5腔体部分，下降区是指位于导流装置3外部的光生物反应器主体5腔体部分。其中，导流装置3根据光生物反应器主体5的结构可以采用空心导流筒或导流挡板，当光生物反应器主体5为管状结构时，则采用空心导流筒，当光生物反应器主体5为板状结构时，则采用导流挡板。另外，导流装置3可以根据实际培养需要进行更换、位置调整、清洗等。
LED波频双变光照系统7包括预设数量和比例的白、红、蓝三色LED灯珠、变频系统以及时间继电器。变频系统用于根据实际培养需求实现白、红、蓝及任意两种或多种波长的组合光照，并对光照强度进行调节；时间继电器用于根据实际培养需求，实现光照时间及暗处理时间调节，实现“光闪效应”，提高光合效率。
作为一个优选的实施例，光生物反应器主体5底部可以设置为漏斗状，用于减少结构死角带来的细胞沉降堆积，同时促进流体循环。可以理解的是，光生物反应器主体5可以采用其他能够有效减少结构死角的结构。
作为一个优选的实施例，光生物反应器主体5采用较高高径比，用于增加气相在光生物反应器主体5中的停留时间并减少占地面积。其中，光生物反应器主体5的高径比的具体数值可以根据具体培养规模及目标传质值决定。
作为一个优选的实施例，可控粒径微泡发生装置2中，环形固定片12下表面设置有一用于放置0形橡胶圈的凹槽，且该环形固定片12通过环形固定片第一、第二紧固螺母17、18实现点压式密封。
作为一个优选的实施例，在实际应用中，考虑到工程操作的便利，可控粒径微泡发生装置2可以采用一体式设计，其中，微孔陶瓷膜片10、微泡发生器底座13及环形固定片12通过强力胶水或其他方式粘合，制成具有固定孔径的微泡发生器，并直接通过更换不同孔径的微泡发生器来获得目标微泡粒径。
作为一个优选的实施例，当采用外置光照时，导流装置3采用可以增加光反射提高光能利用率的镜面反光材料，光生物反应器主体5采用透明有机玻璃材料制作，当采用内置光照时，导流装置3采用透明有机玻璃材料制作，光生物反应器主体5采用镜面反光材料制作。
作为一个优选的实施例，当导流装置3采用空心导流筒时，其内径与光生物反应器主体5腔体内径的比例关系根据实际培养规模确定，以增大光生物反应器主体5内部液体在上升区及下降区的流速，并减少停留时间。
作为一个优选的实施例，本发明用于经济微藻培养的微泡光生物反应器还包括一微泡光生物反应器支架20，该微泡光生物反应器支架20为长方体框架，该长方体框架底部一边上设置有固定底托22，用于固定光生物反应器主体5底部，长方体框架上部一边上设置有固定卡箍21，用于固定光生物反应器主体5上部，长方体框架的各侧边用于固定LED波频双变光照系统7中的三色LED灯珠。
下面对本发明用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，做进一步介绍，具体包括以下步骤：
如图3所示，使用微泡光生物反应器1进行单个单元培养经济微藻时，将微泡光生物反应器1置放于微泡光生物反应器支架20中，通过固定底托22和固定卡箍21将其固定。将光照系统中的LED波频双变生长灯珠放置于微泡光生物反应器1四周，或者固定于反应器支架20上。培养过程中，CO2混合气25由高压气瓶提供，并通过进气管道23进入可控粒径微泡发生装置2。CO2混合气通过变径气嘴19进入弧形气腔16积累增压，并从微孔陶瓷膜片10侧面进入内部导流渠11，在微孔陶瓷膜片10的微孔出气表面上产生均匀分布的微气泡。经可控粒径微泡发生装置2喷出的微气泡进入光生物反应器主体5内，在外置光照情况下，导流装置3的内部为暗区，外部为光区，暗区内，微泡上升带动液体上升，基于流体连续性，上升的液体在光区下降，从而实现液体在暗区和光区间的交替循环流动(如图1(a)中箭头所示)。考虑到微泡较高的气滞率，光生物反应器主体5内藻液24的液面与反应器封盖6预留一定空间，防止液面溢流，尾气通过出气口26排出。
如图4(a)和图4(b)所示，在实际工业化扩大培养过程中，还可以对多个反应器单元进行环形或者线形串联，达到规模化培养体积要求。相比单个反应器单元放大，多个反应器单元联立运行具有更好的可控性和灵活性，同时便于维修。
实施例一:
如图5(a)和图5(b)所示，本实施例中，采用4种不同孔径微孔陶瓷膜片构成微泡光生物反应器，对微泡光生物反应器的粒径分布及传质性能进行测试。
如图5(a)所示，为微泡光生物反应器微泡粒径分布结果。在500ml培养液中，以50mlmin-1流速通入1％浓度的CO2混合气体至由4种不同孔径微孔陶瓷膜片(Type1、Type2、Type3、Type4)构成的微泡发生器中，所产生的微气泡平均粒径d32分别为554μm、464μm、333μm及115μm。其中Type1陶瓷膜片所产生的微泡较大，约30％的微泡其粒径为400-500um，可用于大多数经济微藻的培养前期或实验室藻种预培养。在由Type2和Type3陶瓷膜片所产生的微泡中，粒径100-200μm的微泡数量分别占约35％和65％，可用于经济微藻对数生长的前期或实验室藻种扩培。Type4陶瓷膜片所产生的微泡最小，约65％的微泡粒径小于100μm，其中25％的微泡粒径小于50μm，可以用于经济微藻对数生长的中后期或规模化高密度培养。
如图5(b)所示，对这四种由不同孔径微孔陶瓷膜片所构成的微泡发生器在不同气通量及不同反应器高径比条件下进行传质性能测试。总体上，对于同种类型微孔陶瓷膜片，传质系数KLa随着气通量或者高径比的增加而增加；而对于同种气通量及高径比条件，传质系数KLa随着微泡平均粒径的减小而增加。上述四种不同孔径微孔陶瓷膜片所构成的微泡发生器传质系数总体上可达0.0035min-1-1.92min-1,约为传统气泡(例如粒径3mm)传质性能的200–30000倍，可以满足不同经济微藻不同生长时期的碳需求。另一方面，结合上述微泡粒径和传质性能的测试结果及理论推导，本发明提供了影响传质性能主要因素(气泡粒径、反应器高径比、气通量)与传质系数之间的数学模型，为微泡光生物反应器结构及操作参数的优选方法提供了理论依据。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种用于经济微藻培养的可控粒径微泡发生装置，其特征在于：其包括底座、微孔陶瓷膜片和环形固定片；
所述底座包括基板和设置在所述基板上的腔体；所述腔体上部中央设置有一圆锥形凹槽，所述圆锥形凹槽中部设置有贯穿所述腔体上、下两端的进气口，所述进气口下端与设置在所述基板中部的变径进气嘴相连，所述变径进气嘴的另一端依次通过进气阀门、进气管道与CO2混合气相连；
所述微孔陶瓷膜片通过所述环形固定片固定设置在所述圆锥体凹槽上，所述微孔陶瓷膜片下表面与所述圆锥体凹槽之间形成用于气体积累增压的弧形气腔，所述微孔陶瓷膜片的侧面与所述圆锥体凹槽之间预留有用于气体流通的间隙；
所述微孔陶瓷膜片的上表面设置有多个用于气体流通的微孔，所述微孔陶瓷膜片内部设置有用于均匀分布入射气体的多条导流渠，各所述导流渠的入口位于所述微孔陶瓷膜片侧面；
所述微孔陶瓷膜片侧边与圆锥体凹槽之间的间隙为1～2mm。
2.如权利要求1所述的一种用于经济微藻培养的可控粒径微泡发生装置，其特征在于：所述微孔陶瓷膜片上表面的微孔孔径为0.01～10微米。
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