CN111676126B - 一种用于微藻培养的气升式光生物反应器 - Google Patents

一种用于微藻培养的气升式光生物反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于微藻培养的气升式光生物反应器，属于微藻生物养殖技术领域。所述光生物反应器包括：筒体、培养液进口与培养液出口；导流筒、空气分布器、光源、筛板及溢流口；筒体的顶部为气液分离区；导流筒为中空式，并安装于筒体的内部；导流筒内部均匀分布有出气口，出气口处增设喷嘴；导流筒的外侧沿导流筒圆周均匀分布多个气体出口；光源安装于导流筒的筒壁内部，且导流筒的底部设置空气分布器；筛板位于筒体的内部，且筛板沿筒体的高度设置；溢流口安设于气液分离区中。本发明公开的光生物反应器既可有效提高系统中光和CO2的利用率，又可有效避免微藻贴壁，适用于各类浮游微藻的不同规模培养，适于市面推广与应用。

Description

一种用于微藻培养的气升式光生物反应器
技术领域
本发明属于微藻生物养殖技术领域，涉及一种用于微藻培养的气升式光生物反应器。
背景技术
光生物反应器(PBR)是一类能够用于培养具有光合能力的组织、细胞或光合微生物的一类装置。目前主要指培养微藻细胞的光自养系统，是微藻高密度和大规模化培养的基础。光能利用率高是光生物反应器的主要特点，并且可以进行长时间的连续或半连续培养，因此，光生物反应器能够高密度的培养光合生物且能获得较大的单位面积和体积生物量。由于微藻功能的多样性及用途的广泛性，使得光生物反应器具有广泛的应用前景，因此，开发和研制在微藻大规模培养方面应用的新型高效光生物反应器，已成为微藻生物技术的一个重要组成部分。
目前培养微藻的光生物反应器主要有开放式光生物反应器和封闭式光生物反应器两大类。开放式光生物反应器通常位于室外并依靠阳光直射，主要有浅水池、循环池、跑道池式、池塘四种类型，具有构件简单、成本低廉及操作简单等优点，但存在易受外界环境污染、培养条件不稳定等缺点。
封闭式光生物反应器主要有：管道式、平板式、柱状气升式、搅拌式发酵罐、浮式薄膜袋等。相比于开放式光生物反应器，封闭式光生物反应器培养微藻不易受到污染，能实现单种、纯种培养；且培养条件易于控制，培养藻液中水分损失小，可长期维持培养体系；较大的比表面积可支持高密度培养，可以得到比开放式池塘培养更高的生物量，减轻后续的微藻浓缩能耗，且适合于所有微藻的光自养培养，尤其适合于微藻代谢产物的生产。虽然封闭式光生物反应器有较高的光照面积与培养体积之比，光能和CO2利用率较高，但是封闭式的反应系统的构造比开放式系统的成本要昂贵的多。
柱状式光生物反应器是由透明材料构成的竖直圆柱体，其主要有鼓泡式、隔板式或气升式三种类型。这类反应器通常在底部配有曝气装置，所以能够提供最有效的混合、最高的气液传质速率和最佳的可控条件。另外，成本较低，结构紧凑，但是光照体表面积小，虽然较强的混合程度和气液传质效率可以弥补光照的不足，但也十分有限。随着管径的增加，其培养效果下降，光合效率明显不如管式光生物反应器。特别是在大规模培养的时候，随着尺寸的增加体表面积比越来变小，而且藻液内部的光照衰减严重，光合效率低。为了提高微藻在柱式光生物反应器内的光合效率，一些研究者对柱状式光生物反应器进行了改进，通过反应器内部增加内置人工光源，并且增加搅拌装置来更加精确的控制藻液的混合程度。但是内置光源上微藻贴壁问题十分严重，以及这类反应器需要人工照明系统和搅拌系统，增加了能源的消耗，并且很难控制反应器中的培养温度，及其不适合室外扩大培养。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种用于微藻培养的气升式光生物反应器。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于微藻培养的气升式光生物反应器，包括：筒体、培养液进口与培养液出口；还包括：导流筒、空气分布器、光源、筛板及溢流口；其中，
所述筒体的顶部为气液分离区；所述气液分离区设计成扩口形式，直径增加为所述筒体直径的1.2～2.5倍；
所述导流筒为中空式，并安装于所述筒体的内部；所述导流筒内部均匀分布有出气口，所述出气口处增设喷嘴；所述导流筒的外侧沿所述导流筒圆周均匀分布多个气体出口；
所述光源安装于所述导流筒的筒壁内部，且所述导流筒的底部设置所述空气分布器；
所述筛板位于所述筒体的内部，且所述筛板沿所述筒体的高度设置；
所述溢流口安设于所述气液分离区中。
需要说明的是，配置好的培养液由培养液进口进入筒体，气体(空气或CO2)由气体进口进入筒体，并经由空气分布器沿导流筒均匀喷射进培养液，通过气流传动促进藻液在导流筒内外间的循环，故而不需安装结构复杂的搅拌系统，并可避免机械搅拌对微藻的损伤，且反应器筒体的密封性也易保证，及因无机械搅拌热产生，故发酵总热量较低，便于温度控制，能耗低；具体的循环原理如下：
在微藻培养过程中，导流筒外侧气体流量低于导流筒内部，形成导流筒内培养液气含率高于外部，由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，以实现混合传质，提高藻类的光能利用效率和传质效率。
其中，在导流筒内部的出气口处增设喷嘴，以提高出气口的气体流速，强化气体分布和传质。且由导流筒外侧沿导流筒圆周均匀分布的多个气体出口喷出的气体沿导流筒上升，可有效防止培养过程中微藻贴壁污染，保证导流筒透光率，减少清洗压力。
此外，溢流口设置于筒体上方的气液分离区中，并位于所述培养液的液面之上1～25厘米处，以收集培养后期的微藻；且在培养过程中可根据培养液中营养物质消耗情况，通过培养液进口流加新鲜培养液；
以及为防止上方排气管内带出藻液，强化气液分离，必要时可将反应器顶部(液面以上部分)的气液分离区设计成扩口形式，直径增加为筒径的1.2-2.5倍，也可不采用扩口设计；并根据培养量的需要，可采用多个反应器筒体串联或并联的方式；且当反应器筒体高度较高时，可沿筒体高度设置适量筛板，以防止气泡合并为大气泡。
进一步的，所述用于微藻培养的气升式光生物反应器还包括外循环系统；所述外循环系统主要由循环泵、热交换器、藻液出料口及培养液回流口组成；其中，所述循环泵与所述培养液出口连接，所述培养液回流口安设于所述筒体上。
值得说明的是，必要时在培养过程中可开通外循环系统，以强化液体混合和温度控制。具体地，培养液由底部培养液出口引出，通过循环泵进入热交换器进行热量交换，待达到预定温度后由培养液回流口进入反应器(筒体)。其中，根据微藻生长状况，可通过藻液出料口引出部分藻液，进入微藻收集系统。
优选的，在上述一种用于微藻培养的气升式光生物反应器中，所述筒体与所述导流筒均呈竖直放置，且所述筒体与所述导流筒均由透光材料制成。
需要说明的是，本发明将光源置于透明导流筒中，既提高了光照强度，改善光传导性能，保证微藻对光的需求，又实现了光源与培养液的完美隔离，且光源不需做特殊绝缘等处理，结构非常简单；
进一步的，本发明具体限定光源至少为日光灯、LED灯管或灯带中的一种，且光源的光照强度、红蓝光比例可调，在进一步促进藻类生成的同时又可适应不同藻类生长对光源的要求。
优选的，在上述一种用于微藻培养的气升式光生物反应器中，所述筒体的顶端设置排气管；所述筒体的底端设有气体进口，且所述气体进口与所述空气分布器连接。
需要说明的是，本发明在筒体的顶部设置排气管，主要用于排出水体中O2及过量空气。
进一步的，所述气体进口通入含CO2的气体，所述气体包括空气、CO2气体或烟道气。
优选的，在上述一种用于微藻培养的气升式光生物反应器中，所述光源至少为日光灯、LED灯管或灯带中的一种，所述光源的光照强度、红蓝光比例可调，且所述光源置于所述导流筒的内部，并与水体隔离。
与现有技术相比，本发明公开了一种用于微藻培养的气升式光生物反应器，优点在于：
(1)本发明针对现有微藻光生物反应器存在的不足，而提供了一种新型气升式光生物反应器，以解决柱状式光生物反应器光合效率低的问题；且所述反应器结构简单，投资成本低，易于操作；并且容易放大，可适用于各种微藻的高密度培养；
(2)本发明公开的用于微藻培养的气升式光生物反应器因无机械搅拌器，加工制造方便，设备投资低，且便于温度控制，能耗低，还能避免机械搅拌对微藻的损伤；
(3)本发明公开的用于微藻培养的气升式光生物反应器在培养过程中，反应器气体沿导流筒上升使微藻不易贴壁，且培养液循环使设备易于清洗维护，装量系数可达80～90％，同时本发明通过内设光源来改善光传导性能，其可在保证较大培养体积的前提下，提高微藻生物量；
(4)光源周边设置出气口，有效避免了微藻对光源表面的附着污染，保障了培养系统的光照；
综上所述，本发明公开的用于微藻培养的气升式光生物反应器既可有效提高系统中光和CO2的利用率，又可有效避免微藻贴壁，适用于各类浮游微藻的不同规模培养，适于市面推广与应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一种用于微藻培养的气升式光生物反应器的结构示意图。
图2为本发明导流筒的俯视图。
其中，1筒体、2培养液进口、3导流筒、4空气分布器、5气体进口、6培养液出口、7循环泵、8热交换器、9藻液出料口、10培养液回流口、11光源、12排气管、13溢流口、14气液分离区、15筛板。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合说明书附图1，本发明公开了一种用于微藻培养的气升式光生物反应器，具体包括：筒体1、培养液进口2与培养液出口6；还包括：导流筒3、空气分布器4、光源11、筛板15及溢流口13；其中，
筒体1的顶部为气液分离区14；气液分离区14设计成扩口形式，直径增加为筒体1直径的1.2～2.5倍；
导流筒3为中空式，并安装于筒体1的内部；导流筒3内部均匀分布有出气口，出气口处增设喷嘴；导流筒3的外侧沿导流筒圆周均匀分布多个气体出口；
光源11安装于导流筒3的筒壁内部，且导流筒3的底部设置空气分布器4；
筛板15位于筒体1的内部，且筛板15沿筒体1的高度设置；
溢流口13安设于气液分离区14中。
其中，导流筒3、光源11及空气分布器4的位置设置关系如图2所示，且如果内置光源光照不足，可通过外置光源适当补充。
进一步的，反应器还包括：外循环系统；外循环系统主要由循环泵7、热交换器8、藻液出料口9及培养液回流口10组成；其中，循环泵7与培养液出口6连接，培养液回流口10安设于筒体1上。
进一步的，筒体1与导流筒3均呈竖直放置，且筒体1与导流筒3均由透光材料制成。
进一步的，筒体1的顶端设置排气管12；筒体1的底端设有气体进口5，且气体进口5与空气分布器4连接。
更进一步的，气体进口5通入含CO2的气体，气体包括空气、CO2气体或烟道气。
进一步的，光源11至少为日光灯、LED灯管或灯带中的一种，光源11的光照强度、红蓝光比例可调，且光源11置于导流筒3的内部，并与水体隔离。
为了进一步描述本发明申请公开的技术方案及验证技术方案达到的技术效果，发明人进行了下述实验：
(一)本发明公开的用于微藻培养的气升式光生物反应器的具体操作与工作原理如下：
配置好的培养液由培养液进口进入筒体，气体(空气或CO2)由气体进口进入筒体，并经由空气分布器沿导流筒均匀喷射进培养液，通过气流传动促进藻液在导流筒内外间的循环，故而不需安装结构复杂的搅拌系统，并可避免机械搅拌对微藻的损伤，且反应器筒体的密封性也易保证，及因无机械搅拌热产生，故发酵总热量较低，便于温度控制，能耗低；具体的循环原理如下：
在微藻培养过程中，导流筒外侧气体流量低于导流筒内部，形成导流筒内培养液气含率高于外部，由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，以实现混合传质，提高藻类的光能利用效率和传质效率。
其中，在导流筒内部的出气口处增设喷嘴，以提高出气口的气体流速，强化气体分布和传质。且由导流筒外侧沿导流筒圆周均匀分布的多个气体出口喷出的气体沿导流筒上升，可有效防止培养过程中微藻贴壁污染，保证导流筒透光率，减少清洗压力。
此外，溢流口设置于筒体上方的气液分离区中，并位于所述培养液的液面之上1～25厘米处，以收集培养后期的微藻；且在培养过程中可根据培养液中营养物质消耗情况，通过培养液进口流加新鲜培养液；
以及为防止上方排气管内带出藻液，强化气液分离，必要时可将反应器顶部(液面以上部分)的气液分离区设计成扩口形式，直径增加为筒径的1.2-2.5倍，也可不采用扩口设计；并根据培养量的需要，可采用多个反应器筒体串联或并联的方式；且当反应器筒体高度较高时，可沿筒体高度设置适量筛板，以防止气泡合并为大气泡。
(2)光源周边出气口的设置
本发明研究了光源周边出气口设置与否对微藻培养的影响。在保证足够的通气量的前提下，在微藻培养的前4h内，微藻密度低，光源周边出气口设置与否对微藻生物量的增加无显著影响，但是随着微藻培养时间的延长，微藻极易附着在周边不设出气口的光源表面，影响了光源的透光性，微藻得不到充足的光照，生长速度缓慢，微藻生物量显著低于光源周边设置出气口的培养系统。
待微藻培养结束，周边设置出气口的光源外侧清洁程度显著高于未设出气口的光源，稍微喷水清洗即可进行下一轮培养；而未设出气口的光源附着了大量微藻，需要刷子刷洗才能保持较好的透光性。
且出气口的数量与出气速度相关，两者结合，控制培养过程中微藻不能在光源表面附着即可。
(3)导流筒内外出气口的设置
本发明研究了导流筒内外出气口设置与否对微藻附着的影响。
本发明在导流筒内外紧贴导流筒设置出气口，可有效避免微藻在导流筒上的附着。如出气口距离导流筒较远，气体对导流筒起不到充分的冲刷作用，培养过程中微藻可附着在导流筒上，影响透光。
若导流筒外不设出气口，培养4h左右，导流筒外侧即可见明显的微藻附着。
另外，本发明在导流筒内设多个出气口，基本均匀分布于导流筒截面，保证导流筒内部气体分布均匀；导流筒外部仅在导流筒附近设置出气口，通气量显著低于筒内，导流筒内外气含量显著不同，筒内气含量高于铜外，液体呈上升趋势，筒外液体密度较大，呈下降趋势，在不设搅拌的情况下，实现了液体的循环。
因此，综上所述，微藻培养过程中可通过导流筒内外通气量的调整，控制液体循环速度。
(4)筛板的设置
在本发明的微藻反应器不同高度设置筛板，与不设筛板的反应器相比，可明显观察到设置筛板的反应器中不同高度上气体分布更均匀，而不设筛板的反应器加高位置可清楚观察到气体聚集成大气泡，不仅对气体传递不利，大气泡的存在也影响了光在液体中的传播。
且待微藻培养4h后，设置筛板的微藻反应器中微藻的密度显著高于不设筛板的反应器。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种用于微藻培养的气升式光生物反应器，包括：筒体(1)、培养液进口(2)与培养液出口(6)；其特征在于，还包括：导流筒(3)、空气分布器(4)、光源(11)、筛板(15)及溢流口(13)；其中，
所述筒体(1)的顶部为气液分离区(14)；所述气液分离区(14)设计成扩口形式，直径增加为所述筒体(1)直径的1.2～2.5倍；
所述导流筒(3)为中空式，并安装于所述筒体(1)的内部；所述导流筒(3)内部均匀分布有出气口，所述出气口处增设喷嘴；所述导流筒(3)的外侧沿所述导流筒圆周均匀分布多个气体出口；
所述光源(11)安装于所述导流筒(3)的筒壁内部，且所述导流筒(3)的底部设置所述空气分布器(4)；
所述筛板(15)位于所述筒体(1)的内部，且所述筛板(15)沿所述筒体(1)的高度设置；
所述溢流口(13)安设于所述气液分离区(14)中；
所述的气升式光生物反应器还包括：外循环系统；所述外循环系统主要由循环泵(7)、热交换器(8)、藻液出料口(9)及培养液回流口(10)组成；其中，所述循环泵(7)与所述培养液出口(6)连接，所述培养液回流口(10)安设于所述筒体(1)上；
所述筒体(1)的顶端设置排气管(12)；所述筒体(1)的底端设有气体进口(5)，且所述气体进口(5)与所述空气分布器(4)连接；
所述光源(11)至少为日光灯、LED灯管或灯带中的一种，所述光源(11)的光照强度、红蓝光比例可调，且所述光源(11)置于所述导流筒(3)的内部，并与水体隔离。
2.根据权利要求1所述的一种用于微藻培养的气升式光生物反应器，其特征在于，所述筒体(1)与所述导流筒(3)均呈竖直放置，且所述筒体(1)与所述导流筒(3)均由透光材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种用于微藻培养的气升式光生物反应器，其特征在于，所述气体进口(5)通入含CO2的气体，所述气体包括空气、CO2气体或烟道气。
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