CN112266843A - 一种基于微棱镜光反射原理的微藻生物膜生长载体 - Google Patents
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Abstract
一种基于微棱镜光反射原理的微藻生物膜生长载体，所述生长载体由折射率大于空气的透明材质加工而成，生长载体下表面由多个相互平行排布的直角棱柱组成，生长载体的上表面由多个相互平行的凹槽道组成，微藻生物膜附着在生长载体上表面的凹槽内。光源位于该生长载体上表面的正上方。通过上述结构改进，既增大了该生长载体上表面的粗糙度，又增大了微藻生物膜的受光比表面积，从而提高微藻生物膜的生物质产量。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于微藻生物膜生长的载体，尤其涉及一种基于微棱镜光反射原理的微藻生物膜附着生长载体。
背景技术
近年来，基于微藻的CO2减排及可再生生物燃料合成技术得到了国内外学者的广泛关注，而微藻生物质的高密度、规模化培养是实现该技术的前提。微藻生物质的获取是在光生物反应器中实现的，现阶段的微藻光生物反应器可分为悬浮式和固定化生物膜式两种。其中，固定化生物膜式微藻光生物反应器因具有操作运行简便、水资源需求量低、微藻生物质采收能耗低等突出优点而显示出了良好的发展应用前景。
对于固定化生物膜式微藻光生物反应器而言，微藻细胞以生物膜的形式附着在有机玻璃板、玻璃珠等生长载体表面，生长载体的表面特性对于微藻生物膜的成膜过程至关重要，研究表明粗糙的载体表面更有利于微藻生物膜的附着。另一方面，对于光合自养生长的微藻生物膜而言，微藻生物膜内藻细胞的受光状况显著影响着微藻生物膜的生物质产量。然而，随着生长载体表面上微藻生物膜的发展，生物膜面积密度增加，外界光源发出的光能入射至微藻生物膜内时，由于微藻细胞间的相互遮挡、微藻细胞对光能的吸收以及微藻细胞颗粒对光能的散射，使得沿微藻生物膜厚度方向，光强迅速降低，导致位于生物膜底部区域(即靠近生长载体表面)的微藻细胞接受到的光强较低或者完全接受不到光强，进而影响生物膜底部区域微藻细胞的生长。同时，因生物膜底部区域的微藻细胞得不到充足的光照而使其失去活性，进而诱发生物膜从生长载体表面的脱落。由此可知，改善微藻生物膜内底部区域内的微藻细胞受光条件一方面可进一步提高微藻生物膜产量，另一方面可有效避免微藻生物膜的脱落。
发明内容
为解决上述问题，本发明从改善微藻生物膜内微藻细胞的受光特性出发，考虑到微棱镜的光学特性，提出了一种基于微棱镜光反射原理的微藻生物膜生长载体。
本发明采用的技术方案如下：一种基于微棱镜光反射原理的微藻生物膜生长载体，所述生长载体由折射率大于空气的透明材质加工而成，生长载体下表面由多个相互平行排布的直角棱柱组成，生长载体的上表面由多个相互平行的凹槽道组成，微藻生物膜附着在生长载体上表面的凹槽内。光源位于该生长载体上表面的正上方。
进一步的，液体培养基的流动方向与凹槽的长度方向相垂直。
进一步的，透明材质为玻璃、有机玻璃或石英。
一种基于微棱镜光反射原理的微藻生物膜生长载体，由玻璃、有机玻璃、石英等折射率大于空气的透明材质加工而成，如图1所示，生长载体下表面由多个相互平行排布的直角棱柱组成，该载体的上表面被分隔成多个相互平行的凹槽道，微藻生物膜附着在生长载体上表面的凹槽内，含有氮磷等无机营养盐的液体培养基沿载体上表面自左向右缓慢流动，即液体培养基的流动方向与凹槽的长度方向相垂直，凹槽的存在减少了液体培养基流动过程中对载体表面微藻生物膜的冲刷作用。
用于为微藻生物膜生长提供光能的光源位于生长载体的上部，当生长载体上部光源发出的光能照射至微藻生物膜生长载体的上表面时，一部分入射光直接被凹槽内的微藻生物膜接收，为凹槽内微藻生物膜的生化转化过程提供光能。另一部入射光沿生长载体表面凸起部分进入生长载体内部，其中一部分在光能的折射作用下，从凹槽的左右两个侧表面入射至凹槽内，为凹槽内微藻生物膜的生长提供光照。另一部分进入生长载体内的光照在光能的折射、反射作用下，最终从生长载体凹槽的下表面入射至凹槽内，为凹槽底部微藻生物膜的生长提供光照，使得位于凹槽底部区域的微藻细胞保持良好的生长活性并不断分裂增殖。
本发明的有益效果：通过改进生长载体的结构，既增大了该生长载体上表面的粗糙度，又增大了微藻生物膜的受光比表面积，从而提高微藻生物膜的生物质产量。
附图说明
图1为本发明所涉及的基于微棱镜光反射原理的微藻生物膜生长载体三维结构示意图；
图2位本发明所涉及的基于微棱镜光反射原理的微藻生物膜生长载体工作原理示意图；
其中，附图中：1—折率大于空气的材质加工而成的生长载体；2—镜面反光膜；3—微藻生物膜；4—垂直入射至生长载体表面的光的传输路径；5—入射至生长载体表面并经由凹槽侧表面出射的光的传输路径；6、7—入射至生长载体表面并经由凹槽下表面出射的光的传输路径；8—入射至生长载体上表面凹槽的光；9—生长载体上表面的凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
参见图1和图2，一种基于微棱镜光反射原理的微藻生物膜生长载体，其是由折射率大于空气的材质加工而成的生长载体1，该生长载体上表面由多个相互平行的凹槽9组成，微藻生物膜3附着在生长载体上表面的凹槽9内。
在本具体实施例中，微藻生物膜的生长载体1的材质选用透明的有机玻璃，位于生长载体上部的光源为红色LED灯板，由于红色LED灯板发出的光并非严格的平行光。当红色LED灯板发出的光能到达折率大于空气的材质加工而成的生长载体1的上表面时。其中的一部分光为入射至生长载体上表面凹槽的光8，这部分光线直接被凹槽9内的微藻生物膜3中的微藻细胞利用。入射至折率大于空气的材质加工而成的生长载体1上表面的其余部分的光线的传输路径包括以下几个方面：入射至生长载体表面并经由凹槽侧表面出射的光的传输路径5，垂直入射至生长载体表面的光的传输路径4，入射至生长载体表面并经由凹槽下表面出射的光的传输路径6和7。其中，入射至生长载体表面并经由凹槽侧表面出射的光的传输路径5主要涉及光的折射，而垂直入射至生长载体表面的光的传输路径4以及入射至生长载体表面并经由凹槽下表面出射的光的传输路径6和7涉及光的折射和反射。反射发生在折率大于空气的材质加工而成的生长载体1的下表面，且生长载体的下表面粘贴有镜面反光膜2。
综上可知，本发明所提出的基于微棱镜光反射原理的微藻生物膜生长载体可为附着在该生长载体表面凹槽内的微藻生物膜提供充足的光照，同时，凹槽结构的存在可减少培养基流动过程中对附着在生长载体表面微藻生物膜的冲刷作用，既有利于微藻生物膜在该载体表面的前期附着过程，又有利于附着后微藻生物膜的生长过程。
Claims (3)
1.一种基于微棱镜光反射原理的微藻生物膜生长载体，其特征在于，所述生长载体由折射率大于空气的透明材质加工而成，生长载体下表面由多个相互平行排布的直角棱柱组成，生长载体的上表面由多个相互平行的凹槽道组成，微藻生物膜附着在生长载体上表面的凹槽内。光源位于该生长载体上表面的正上方。
2.如权利要求1所述的一种基于微棱镜光反射原理的微藻生物膜生长载体，其特征在于，液体培养基的流动方向与凹槽的长度方向相垂直。
3.如权利要求1或2所述的一种基于微棱镜光反射原理的微藻生物膜生长载体，其特征在于，所述透明材质为玻璃、有机玻璃或石英。
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