CN113862119A

CN113862119A - 微藻光生物反应器

Info

Publication number: CN113862119A
Application number: CN202111342518.XA
Authority: CN
Inventors: 孙昕; 曹懋学
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2021-12-31

Abstract

本公开涉及一种微藻光生物反应器，包括可透光的外筒以及盖设在外筒顶部的筒盖。通过在筒盖上插设可透光的玻璃柱，相邻的两个玻璃柱之间可拆卸地连接有可透光的隔离板，且外筒内设置有曝气推流组件，曝气推流组件用于向隔离板围合成的空间内进行曝气，以使得空间内的微藻循环流动，外筒的内壁均设置有二氧化硅增透膜，可以有效防止微藻沉降或者附着在外筒的内壁上造成粘壁现象，并且可以有效解决微藻附着在外筒的内壁上造成光的透过率以及利用率较低的问题，进而实现微藻与营养盐的优良的传质效果。

Description

微藻光生物反应器

技术领域

本公开涉及微藻生物技术领域，尤其涉及一种微藻光生物反应器。

背景技术

微藻光生物反应器是指能够用于对微藻光生物及其具有光合作用能力的组织或者细胞进行培养的装置。

然而，若微藻光生物反应器内发生流态紊乱时，微藻光生物反应器内的微藻容易产生沉淀并附着于微藻光反应器的内壁上，影响光的透过率及利用效率，造成微藻与营养盐的传质效果不佳。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种微藻光生物反应器。

本公开提供了一种微藻光生物反应器，包括可透光的外筒以及盖设在所述外筒顶部的筒盖；

所述筒盖上插设有至少两个可透光的且朝向所述外筒的底部延伸的玻璃柱，至少两个所述玻璃柱沿所述筒盖的周向间隔设置；且相邻的两个所述玻璃柱之间可拆卸地连接有可透光的隔离板，所述隔离板沿所述外筒的高度方向延伸；

所述外筒内设置有曝气推流组件，所述曝气推流组件用于向所述隔离板围合成的空间内进行曝气，以使得所述空间内的微藻循环流动。

根据本公开的一种实施例，所述玻璃柱的外壁以及所述外筒的内壁均设置有二氧化硅增透膜。

根据本公开的一种实施例，所述玻璃柱的底部与所述外筒的底壁之间螺纹连接。

根据本公开的一种实施例，所述玻璃柱的相对两侧侧壁上均形成有可供所述隔离板插入的插槽。

根据本公开的一种实施例，所述曝气推流组件包括曝气管、曝气叶片以及驱动电机；所述曝气叶片设于所述曝气管的管壁上且与所述曝气管连通；所述曝气管设于所述外筒内且一端延伸至所述筒盖外并与位于所述筒盖外的所述驱动电机连接，所述驱动电机用于驱动所述曝气管转动，以带动所述曝气管上的曝气叶片转动。

根据本公开的一种实施例，所述曝气管延伸至所述筒盖外的一端设置有可与进气管连通的进气口，且所述进气管上设置有气量调节阀。

根据本公开的一种实施例，所述微藻光生物反应器还包括溶解氧浓度检测器以及与所述溶解氧浓度检测器通信连接的控制器；所述溶解氧浓度检测器设于所述外筒内，用于检测所述外筒内的微藻的溶解氧浓度，所述控制器用于根据检测到的所述溶解氧浓度控制所述气量调节阀启停。

根据本公开的一种实施例，所述玻璃柱内设置有光源；所述微藻光生物反应器还包括温度检测器和与所述控制器，所述温度检测器、所述光源均与所述控制器通信连接，所述温度检测器设于所述外筒内用于检测所述微藻的温度，所述控制器用于根据检测到的所述温度控制所述光源的光照模式。

根据本公开的一种实施例，所述微藻光生物反应器还包括酸碱度检测器以及提醒装置，所述酸碱度检测器与所述提醒装置通信连接，所述酸碱度检测器设于所述外筒内用于检测所述微藻的酸碱度，所述提醒装置配置为用于显示和/或语音播报所述酸碱度。

根据本公开的一种实施例，所述外筒的侧壁上靠近所述筒盖的位置形成有取样口；所述外筒的侧壁上靠近底部的位置形成有放空管；所述筒盖上形成有排气口，且所述排气口处设置有无菌封口膜。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本公开提供了一种微藻光生物反应器，包括可透光的外筒以及盖设在外筒顶部的筒盖。通过在筒盖上插设可透光的玻璃柱，相邻的两个玻璃柱之间可拆卸地连接有可透光的隔离板，且外筒内设置有曝气推流组件，曝气推流组件用于向隔离板围合成的空间内进行曝气，以使得空间内的微藻循环流动，即可以通过曝气推流作用将外筒内的微藻搅动循环起来，并在外筒的内壁设置二氧化硅增透膜，可以有效防止微藻沉降或者附着在外筒的内壁上造成粘壁现象，从而有效解决微藻附着在外筒的内壁上造成光的透过率以及利用率较低的问题，进而实现微藻与营养盐的优良的传质效果。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例所述微藻光生物反应器的内部结构示意图；

图2为本公开实施例所述微藻光生物反应器的玻璃柱与隔离板的配合示意图。

其中，1、外筒；11、取样口；12、放空管；2、筒盖；21、排气口；3、玻璃柱；31、插槽；32、光源；33、螺纹；4、隔离板；51、曝气管；511、进气口；52、曝气叶片；521、曝气孔；53、驱动电机；6、进气管；7、控制器；8、气量调节阀；9、传感器。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

微藻是一类具有较高应用潜力的生物质能源原料。一方面，微藻可以通过基因改造实现特定目标性状，得到关于细胞代谢过程和油脂前体合成的调控信息；另一方面，微藻适应范围广，可以在不同环境下培养。然而，大量研究表明了并非所有在实验室中生长良好的藻种都适合在实际环境中规模化培养。因此，在实验室条件下研究影响微藻生长的因素，并结合实际规模化培养中出现的问题具体分析，对微藻规模化培养非常重要。影响微藻生长的因素很多，主要有光、营养盐、二氧化碳、pH、温度以及其他胁迫因素等。在微藻生长过程中施加一些方面的胁迫，会激发藻细胞的自我保护功能以抵抗外界胁迫，有时会合成大量的脂质作为能量的储存，在需要的时候再分解以释放能量维持藻细胞的正常生存，其中以光照和营养盐胁迫提高油脂合成效果最显著，其次是水动力。

参照图1、图2所示，本实施例提供一种微藻光生物反应器，用于提供微藻等微生物的反应容器。具体的，该微藻光生物反应器包括可透光的外筒1以及盖设在外筒1顶部的筒盖2。外筒1与筒盖2之间围合形成用于微藻等微生物进行反应培养的空腔。由于微藻等进行培养时需要外部光源32或者外部自然光提高光照，因此需要将外筒1设置为可透光的，因此外筒1可以为透明材质制成，比如采用玻璃制成。

其中，筒盖2上插设有至少两个可透光的且朝向外筒1的底部延伸的玻璃柱3，至少两个玻璃柱3沿筒盖2的周向间隔设置；且相邻的两个玻璃柱3之间可拆卸地连接有可透光的隔离板4，隔离板4沿外筒1的高度方向延伸，从而通过隔离板4将外筒1内进行空间划分。本实施例中，玻璃柱3具体可以设置四个，相邻的两个玻璃柱3之间设置一个隔离板4，隔离板4具体可以为弧形，四个弧形隔离板4之间共同围合形成圆柱状的结构。示例性的，玻璃柱3和隔离板4均可以为玻璃等可透光的材质制成的，以允许光透过进而对微藻提供光照。

具体实现时，玻璃柱3在外筒1内竖直设置，隔离板4也呈竖直设置。

其中，外筒1内设置有曝气推流组件，曝气推流组件用于向隔离板4围合成的空间内进行曝气，以使得空间内的微藻循环流动，从而避免微藻附着或者沉降，以确保外筒1的透光率，进而使得微藻与营养盐处于较佳的传质状态。此外，微藻在微藻光反应器内循环流动，可以保证微藻处于一种良好的光照状态，有利于微藻生长。

此外，对于筒盖2、外筒1、玻璃柱3和隔离板4而言，其均可以采用可透光材料制成。可透光材料可采用强度高、韧性好、密度小、耐老化、抗燃烧等的其他有机高分子材料。外筒1可选取其他防水性能好的轻质绝缘性材料，筒盖2可采用高强度、耐腐蚀材料替换。外筒1形状可采用立方体或长方体等形式，增加隔离板4数量以提高空间利用率。

综上，本实施例提供的微藻光生物反应器，通过曝气推流组件向隔离板4围合成的空间内进行曝气，以使得空间内的微藻循环流动，即可以通过曝气推流作用将外筒1内的微藻搅动循环起来，可以有效防止微藻沉降或者附着在外筒1的内壁上造成粘壁现象，从而有效解决微藻附着在外筒1的内壁上造成光的透过率以及利用率较低的问题，进而实现优良的传质效果。

具体实现时，可以在玻璃柱3的外壁以及外筒1的内壁均设置有二氧化硅增透膜，通过设置一层二氧化硅增透膜，可以使得微藻难以在玻璃柱3的外壁或者外筒1的内壁上沉积，且可以方便使得沉积在玻璃柱3或者外壁上的微藻在水流的冲刷作用下进行脱落，实现玻璃柱3和外筒1的内壁的自清洁与增透功能，进而可以提高透光外筒1以及玻璃柱3的光照效率。本实施例中，二氧化硅增透膜具体可以通过溶胶-凝胶法进行制备。或者，还可以通过附着纳米颗粒材料代替二氧化硅增透膜。

本实施例中，二氧化硅增透膜的设置工艺可以为采用硼硅3.3制备玻璃柱3，在适宜的温湿度工艺条件下,用浸渍提拉法在玻璃柱3外壁或外筒1的内壁制备易自洁增透涂层。待管壁溶胶自然晾干后将其置于烘箱中加热到530℃进行热处理15min，自然冷却降至室温。

详细来说，溶胶-凝胶法制备二氧化硅增透主要以无机盐或金属醇盐为原料，通过控制金属烷氧化物的水解-缩聚反应来控制溶胶-凝胶过程，得到尺寸为纳米级的粒子，形成溶胶。溶胶的具体配置方法为：按一定比例将氨水(0.08mol/L)、乙醇(99％)四甲氧基硅烷(98％)、去离子水(<0.1μs)、Levasil50/50％、1-甲氧基-2-丙醇(99.5％)先后混合在一干燥洁净的容器内，在一定温度下搅拌至少24h，然后密封起来即得到所需溶胶。

溶胶-凝胶法制备二氧化硅增透膜是由酸或碱催化正硅酸乙酯(TEOS)发生水解、缩聚反应后镀膜，在基底表面堆积一层二氧化硅颗粒膜，通过控制颗粒间的孔隙率和膜层厚度使得膜的折射率满足理想增透膜的条件，达到增透效果：膜的折射率为入射介质折射率与出射介质折射率乘积的平方根(入射介质空气折射率为1，出射介质玻璃折射率为1.52)；膜层的光学厚度(折射率乘以厚度)为参考波长1/4整倍数。膜层经过干燥、强化后具有很好的耐磨性能。

具体实现时，玻璃柱3的底部与外筒1的底壁之间通过螺纹33连接。具体的，玻璃柱3的底部形成有螺纹33，外筒1的底壁上与玻璃柱3对应的位置也形成有螺纹33，通过螺纹33配合实现玻璃柱3与外筒1的可拆卸连接，进而方便更换或者维修玻璃柱3。

具体实现时，玻璃柱3的相对两侧侧壁上均形成有可供隔离板4插入的插槽31，每两个相邻的两个玻璃柱3之间的隔离板4的两端分别插设在该相邻的两个玻璃柱3的插槽31内，从而实现隔离板4在玻璃柱3上的安装固定。

具体实现时，曝气推流组件包括曝气管51、曝气叶片52以及驱动电机53；曝气叶片52设于曝气管51的管壁上且与曝气管51连通；曝气管51设于外筒1内且一端延伸至筒盖2外并与位于筒盖2外的驱动电机53连接，驱动电机53用于驱动曝气管51转动，以带动曝气管51上的曝气叶片52转动，进而使得外筒1内的微藻形成循环水流，防止沉降或者附着。

具体的，曝气叶片52上设置有若干曝气孔521，经过曝气管51后的气体经曝气孔521吹送至外筒1内以形成推流进而将微藻搅动循环起来。示例性的，曝气叶片52可以设置有多个，多个曝气叶片52可以沿着曝气管51的周向以及轴向间隔分布。

本实施例中，曝气管51可以设于外筒1的中心，以使得外筒1内的微藻充分循环流动起来，以确保外筒1内的微藻不会发生局部沉降或者附着。

具体实现时，曝气管51延伸至筒盖2外的一端设置有可与进气管6连通的进气口511，且进气管6上设置有气量调节阀8。通过进气管6向曝气管51内输送气体，气体比如可以为氧气等，流经曝气管51内的气体最终经曝气叶片52上的曝气孔521吹至外筒1内以吹动微藻循环起来。另外，为了控制外筒1内的溶解氧的浓度，可以通过调节气量调节阀8来调节进气量进而位置外筒1内的微藻中合适的溶解氧量，以满足微藻对于溶解氧的需求。

为了实现外筒1内的溶解氧的自动控制，本实施例中，微藻光生物反应器还包括溶解氧浓度检测器以及与溶解氧浓度检测器通信连接的控制器7。溶解氧浓度检测器设于外筒1内，用于检测外筒1内的微藻的溶解氧浓度，控制器7用于根据检测到的溶解氧浓度控制气量调节阀8启停。也就是说，随着外筒1内的微藻的培养时间的增加，微藻数量随之增加，维持稳定的溶解氧浓度有利于微藻的高密度繁殖。因此，本实施例中可利用溶解氧检测器来检测溶解氧的浓度，进而通过气量调节阀8来调节进气量以维持微藻中合适的溶解氧量，实现溶解氧的自动控制。

示例性的，当微藻中的溶解氧超过12mg/L时，溶解氧检测器将检测到的结果发送至控制器7，由控制器7发出信号对进气管6上的气量调节阀8进行调节，以控制外部空压机减少或停止曝气；当微藻中的溶解氧低于5mg/L时，则通过控制器7调节气量调节阀8，以加大曝气量。

另外，为了提高对于微藻的光照，可以在玻璃柱3内设置光源32对微藻进行光照，光源32比如为LED灯，从而可充分利用发出的光能，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。同时，将光源32设于玻璃柱3内，可以通过玻璃柱3将光源32和微藻分隔开，从而防止外源对微藻的污染。

具体实现时，微藻光生物反应器还包括温度检测器和与控制器7，温度检测器、光源32均与控制器7通信连接，温度检测器设于外筒1内用于检测微藻的温度，控制器7用于根据检测到的温度控制光源32的光照模式。比如，，当微藻中温度超过藻类生长最适温度(20～35℃)时，控制器7发出信号对光源32的预设的光照模式进行调解，如光暗比12：12，光照1h无光照1h循环，光暗比12:12，光照2小时无光照2小时循环，或光暗比12:12，光照3小时无光照3小时循环等。

具体实现时，微藻光生物反应器还包括酸碱度检测器以及提醒装置，酸碱度检测器与提醒装置通信连接，酸碱度检测器设于外筒1内用于检测微藻的酸碱度，提醒装置配置为用于显示和/或语音播报酸碱度，从而提示工作人员添加药品进行调节缓冲，从而可以满足微藻的PH值处于适宜的PH范围内，以满足微藻的PH值培养条件。

具体的，溶解氧检测器、温度检测器、酸碱度检测器均可以通过传感器9进行检测，该传感器9可以继承溶解氧检测、温度检测以及酸碱度检测等。

具体实现时，参照图1和图2所示，外筒1的侧壁上靠近筒盖2的位置形成有取样口11，主要是通过取样口11来定时检测微藻的生长情况，还可增加外界环境与外筒1内部的空气交换。外筒1的侧壁上靠近底部的位置形成有放空管12，放空管12主要作用是收获高密度微藻，此外在清洗的时候可以将清洗废水排出。筒盖2上形成有排气口21，且排气口21处设置有无菌封口膜，保证微藻光反应器内通气良好且确保微藻不受外来污染。

综上，本实施例的微藻光反应器的运行过程为：首先将微藻光反应器安装在一个相对平整的、有通风和光照的场地。然后取出一定体积事先培养好的微藻，倒入清洗干净并消毒的微藻光生物反应器中，通过曝气叶片52的推流作用和隔离板4的分隔作用使微藻由微藻光反应器中部流向四周并形成循环流动，微藻在微藻光反应器中可以完全混合，一方面加强了微藻与营养盐之间的传质效果，另一方面可以有效防止其出现沉降和粘壁的现象。当微藻中的溶解氧过高或过低时，可通过溶解氧检测器和控制器7对进气管6的进气量进行调节来实现溶解氧的自动控制。微藻生长过程中的光能来自于外界自然光和玻璃柱3内的光源32。该光源32的光照强度也可手动或通过温度检测器和控制器7自动调节，可结合内部微藻温度和外部自然光强度调节预设好的光照模式，减少能量损失。另外，本实施例的微藻光反应器占地面积小、光能利用率高，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。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的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公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，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

1.一种微藻光生物反应器，其特征在于，包括可透光的外筒(1)以及盖设在所述外筒(1)顶部的筒盖(2)；

所述筒盖(2)上插设有至少两个可透光的且朝向所述外筒(1)的底部延伸的玻璃柱(3)，至少两个所述玻璃柱(3)沿所述筒盖(2)的周向间隔设置；相邻的两个所述玻璃柱(3)之间可拆卸地连接有可透光的隔离板(4)，所述隔离板(4)沿所述外筒(1)的高度方向延伸；

所述外筒(1)内设置有曝气推流组件，所述曝气推流组件用于向所述隔离板(4)围合成的空间内进行曝气，以使得所述空间内的微藻循环流动。

2.根据权利要求1所述的微藻光生物反应器，其特征在于，所述玻璃柱(3)的外壁以及所述外筒(1)的内壁均设置有二氧化硅增透膜。

3.根据权利要求1所述的微藻光生物反应器，其特征在于，所述玻璃柱(3)的底部与所述外筒(1)的底壁之间螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的微藻光生物反应器，其特征在于，所述玻璃柱(3)的相对两侧侧壁上均形成有可供所述隔离板(4)插入的插槽(31)。

5.根据权利要求1至4任一项所述的微藻光生物反应器，其特征在于，所述曝气推流组件包括曝气管(51)、曝气叶片(52)以及驱动电机(53)；所述曝气叶片(52)设于所述曝气管(51)的管壁上且与所述曝气管(51)连通；所述曝气管(51)设于所述外筒(1)内且一端延伸至所述筒盖(2)外并与位于所述筒盖(2)外的所述驱动电机(53)连接，所述驱动电机(53)用于驱动所述曝气管(51)转动，以带动所述曝气管(51)上的所述曝气叶片(52)转动。

6.根据权利要求5所述的微藻光生物反应器，其特征在于，所述曝气管(51)延伸至所述筒盖(2)外的一端设置有可与进气管(6)连通的进气口(511)，且所述进气管(6)上设置有气量调节阀(8)。

7.根据权利要求6所述的微藻光生物反应器，其特征在于，所述微藻光生物反应器还包括溶解氧浓度检测器以及与所述溶解氧浓度检测器通信连接的控制器(7)；所述溶解氧浓度检测器设于所述外筒(1)内，用于检测所述外筒(1)内的微藻的溶解氧浓度，所述控制器(7)用于根据检测到的所述溶解氧浓度控制所述气量调节阀(8)启停。

8.根据权利要求1至4任一项所述的微藻光生物反应器，其特征在于，所述玻璃柱(3)内设置有光源(32)；所述微藻光生物反应器还包括温度检测器和与所述控制器(7)，所述温度检测器、所述光源(32)均与所述控制器(7)通信连接，所述温度检测器设于所述外筒(1)内用于检测所述微藻的温度，所述控制器(7)用于根据检测到的所述温度控制所述光源(32)的光照模式。

9.根据权利要求1至4任一项所述的微藻光生物反应器，其特征在于，所述微藻光生物反应器还包括酸碱度检测器以及提醒装置，所述酸碱度检测器与所述提醒装置通信连接，所述酸碱度检测器设于所述外筒(1)内用于检测所述微藻的酸碱度，所述提醒装置配置为用于显示和/或语音播报所述酸碱度。

10.根据权利要求1至4任一项所述的微藻光生物反应器，其特征在于，所述外筒(1)的侧壁上靠近所述筒盖(2)的位置形成有取样口(11)；所述外筒(1)的侧壁上靠近底部的位置形成有放空管(12)；所述筒盖(2)上形成有排气口(21)，且所述排气口(21)处设置有无菌封口膜。