CN1475558A - 一种微藻工业化生产用光合生物反应器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用封闭式管道微藻工业化生产用光合生物反应器系统，由立体双排平螺旋式管道和独特的U型连接弯头，双反应塔，零剪切力之输液泵，二氧化碳注气装置，人工光照装置，冷热交换器等构成。双反应塔中的排氧反应塔设有负压喷射泵，用于从培养液中彻底排除蓄积氧，调控反应塔可调节液压和以负压向反应管道自动输送培养液。双反应塔还起到预留接种物的作用。本发明全面克服了常规微藻生产方式占地面积大、能耗大、产率低、污染严重，且不能全年全天候生长的弊端；突破性地解决了国际国内各种实验室条件下的光合反生物应器不能升级放大用作大生物量工业化生产之障碍。特别适用于大规模产业化生产高品位食品、医药级微藻产品。

Description

一种微藻工业化生产用光合生物反应器系统

技术领域

本发明涉及一种微藻培育之工业化生产系统，特别涉及封闭式管道的微藻用光合生物反应器系统。

背景技术

微藻类微生物是20世纪以来在全球得到广泛研究与开发的一种新型蛋白质资源。微藻中含有很高的蛋白质、氨基酸、维生素、不饱和脂肪酸、多糖和矿物质等多种人体需要的营养。从上世纪90年代至今，我国微藻产业如螺旋藻原粉年产量都在1000吨以上。21世纪开元以来，人们对生物科学家新发现的、具有很高健康价值的血球藻天然虾青素寄予极大的关注。该藻所含的虾青素3S-3′S，Astaxanthin是最近10年研究与开发的最激动人心的微藻生物技术产业的新产品。3S-3′S虾青素是血球藻在强光照中进行光合反应，从其β-胡萝卜素进一步合成的终端产物，具有很高纯度的旋光手性结构，被生物化学家和营养学家确认为一种比β-胡萝卜素强大10倍，比维生素E强大550倍的超级维生素。

但迄今在微藻的生产方式上，如美国的Earthrise螺旋藻公司、Cyanotech微藻公司、日本DIC微藻公司等，仍在采用露天大池生产系统进行微藻的工业化生产；即如近年新开发的微藻血球藻生产，如美国的Mera Pharmaceuticals公司和Cyanotech公司等著名微藻生产厂家，在该藻的大规模工业化生产技术上，即在藻细胞二期生产阶段，仍采用大池露天进行生产。这种以大池进行微藻的粗放式生产存在诸多缺陷与困难，如占地面积过大、基建成本很高、肥料投入与能源消耗浪费多，以及受气候影响只能进行季节性生产；更重要的是大池培养极易受外界化学因子和异生物污染，以至影响到藻产品的质量和稳定生产等。为克服这些限制因素，国内外从80年代开始以来，有众多生物技术专家和生物工程技术开发厂商，试验了各种各类封闭式微藻光合生物反应器，以期取代大池生产方式。其中有代表性的一类如平地管道式结构光合生物反应器(Torzillo等人1993，Weissman等人1987)；二是平板式结构类光合反应器(Hu等人1996，Pulz等人1995)；第三类是圆桶型光纤光合生物反应器，采用光导纤维在反应器内传递与分散光能(Javanmardian等人1991)，这类反应器使藻细胞的光能利用率得到了很大提高。与此同时，国内一些科研与生产单位也试图研制以封闭式光合反应器取代流行的大池方式进行微藻生产。如一种采用透明塑膜管并向管道内通气的螺旋藻培养方式；也有采用玻璃缸、平板玻璃水槽等方式培养微藻等等。尽管上述各类光合生物反应器的研究与制造，在对于微藻培养与生产中的光照与营养物利用率方面，都各具不同的特色和优点，但迄今只能是在实验室和小、中试生产方面可资利用，远不能扩展到微藻工业化生产上去应用。阻碍微藻光合生物反应器走向工业化生产应用的主要障碍，首先是上述各类光合生物反应器的技术操作层面复杂，投资成本太高，无法进行大水体生产；其中最困难的是藻细胞在管道中进行光合产氧而造成的溶氧蓄积难以排除；其次是闭路式管道中内温难以控制；其三是管道内壁上发生的沾壁性污染严重影响光通量。此外，有的采用塑膜管道进行微藻培养，在夏季高温和紫外线辐照下，很快就老化塌坍。所以迄今在微藻产业化生产上，光合生物反应器实际应用于大规模工业化生产的实例尚未见报导。

发明内容

本发明的目的在于解决与克服目前国内外在进行微藻培养，尤其是大生物量工业化生产上的结构性限制因素及其产生的技术障碍，设计并制造出一种占地面积极少，能有效提高光能利用率，能有效控制温度，能有效解决封闭式管道中的沾壁，能有效排除管道中的溶氧蓄积，能及时供给和充分利用CO2，能以大水体、多单元组合进行大生物量工业化连续生产的微藻光合生物反应器系统。

本发明的技术方案为：

一种微藻工业化生产用光合生物反应器系统，包括反应塔，微藻光合生物反应管道装置，输液泵，二氧化碳注气装置，人工光照装置，冷热交换器，输液管，其特征在于：反应塔采用平行直立的双塔结构，排氧反应塔上部设有负压泵，负压泵侧面设有氧气排气口，排氧反应塔中部为空腔，排氧反应塔下部与调控反应塔下部连接，调控反应塔中部为空腔，调控反应塔上部有负压抽吸管与微藻光合生物反应管道装置的上口连接，调控反应塔侧面设有二氧化碳注入阀与二氧化碳注气装置相通，微藻光合生物反应管道装置设有管道清洗阀、藻细胞采收阀，微藻光合生物反应管道装置的下部与冷热交换器连接，冷热交换器与输液泵连接，输液泵通过输液管与排氧反应塔的上部的负压泵相通。

较优的技术方案有如下列：

调控反应塔上部还设有液压与气压调控口。

排氧反应塔下部与调控反应塔下部连接处还设有反应物采样阀。

微藻光合生物反应管道装置采用立体双排平螺旋式管道装置，其中立体双排平螺旋式管道装置每层单元部件为直管，采用等径U型连接弯头连接。

排氧反应塔、调控反应塔及微藻光合生物反应管道装置由高透光玻璃材料构成。

输液泵采用零剪切力培养液驱动泵。

排氧反应塔上部采用双通道双负压泵结构，双通道双负压泵侧面设有氧气排气口。

本发明采用了封闭式管道微藻光合反应器系统，充分运用了微藻光合生物反应的原理，结合细胞生理学特点，应用生物环境控制论和现代生物物理新技术，采用高硼硅增强型玻璃管道为主要材料，通过反复设计、现场制作并通过实际生产应用考验，发明了一种超大型立式全封闭玻璃管道光合生物反应器(Vertical Glass Photobioreactor，VGPR)系统。本发明VGPR为单元组合式系统，由多单元组合可直接形成工业化生产车间。

本发明VGPR系统充分优化了微藻生产过程中对于光能、温度、营养物利用，包括pH调控、排氧、二氧化碳供给、以及管道清洁等一切藻细胞生理生长条件，全面克服了常规微藻生产方式占地面积大，能耗大，产率低，污染严重，且不能全年全天候生长的弊端；突破性解决了国际国内各种实验条件下的光合生物反应器不能升级放大和用作大生物量工业化生产之障碍。本发明VGPR系统由于是立体结构，实现了全方位利用自然光，当阴雨天光照不足时采用辅助光源补光，可达到节能目的；培养液在管道中呈湍流式流动，可使藻细胞处于高频率的光/暗周期中，高效率提供藻细胞在进行光合反应时所需的光量子；二氧化碳以计量胁迫方式输入，充分满足藻细胞对二氧化碳的需要；反应塔装有负压泵，能及时有效地排除培养细胞在光合反应中发生的溶解氧，从而极大提高了光合作用效率；由于采用了零剪切力之驱动泵，藻细胞在系统中运转时不受伤害；还由于设有冷热交换器控制温度，可使藻细胞处于最佳温度中，使生物产率与产量获得稳定大幅度的提高；该VGPR系统由于是全封闭式循环连续生产培养，可以杜绝一切外界异生物和各种化学污染因子的侵染，特别适用于大规模产业化生产高品位食品、医药级微藻产品。

VGPR系统的反应塔采用平行直立的双塔结构，排氧反应塔上部采用双通道双负压泵，双负压泵侧面各设有氧气排气口，能在培养液的运转过程中不断排除培养液中之蓄积氧；调控反应塔装有二氧化碳注气阀，胁迫二氧化碳直接进入立体双排平螺旋式管道装置的玻璃管道中参与光合反应；培养液包括新配置培养液和采收回收液由反应塔之上部注入；藻细胞采收阀从反应管道之下部排出至滤收机，采收藻泥经喷雾干燥形成产品；立体双排平螺旋式管道装置可采用内径20～100毫米，总长40～300米的直管，以等径U形玻璃弯管连接，实现培养液在管道中湍流发生和自上而下落差自流式流动；反应塔之下部装有零剪切力之驱动泵，从反应器管道的底层部连续抽送培养液，并与调控反应塔配合形成液压负压，从调控反应塔之内管自动吸入反应管道系统的上口。在管道系统下部设有冷热交换温控装置；在VGPR系统的顶端和两侧，安装微波硫灯作为光能源，发光强度可根据藻细胞生理生长要求调节；管道采用物理清洗方式，可在不停机生产和免拆卸管道的情况下，迅速清除整个管道系统的沾壁和其它污染物，并从专用出口排出系统之外。

双塔结构是本发明的主要创新点，双塔配合能同时有效排氧和有效输入二氧化碳，特别是可调节液面保持液压平衡；双塔结构还保证了在收获了系统中大部分微藻后，可按一定比例留下部分微藻作为下一轮培养的藻种用，加速了微藻的培养和连续化生产过程。

排氧反应塔上部设负压喷射泵，配合输液泵形成低负压，有利于排除培养液中的溶解氧，提高光合反应的效率；调控反应塔既作为液压负压抽送与光合反应管道装置之间的缓冲空间，又可安装各种动态调控与监测设备；设置的液压与气压调控口，可更好地调节双反应塔的液面；二氧化碳注气阀设置在调控反应塔的侧面，由于驱动泵从反应管道底部不断抽取培养液，造成调控塔产生液压负压，二氧化碳随反应塔内的负压抽提进入微藻光合反应管道装置，二氧化碳不容易损失。如二氧化碳注气阀设置在其他部位，虽然不影响系统的工作，但二氧化碳损失较大；输液泵采用零剪切力培养液驱动泵，在输送流体和微藻时，对藻细胞不造成剪切破坏。排氧反应塔下部与调控反应塔下部连接处还增设反应物采样与排放阀，有利于随时取样以监控微藻培养和对双塔进行清洗。

VGPR系统的另一创新特点是采用立体双排平螺旋式管道装置。其中立体双排平螺旋式管道每层的单元采用直管，用等径U型弯头连接。U型连接弯头相对地平面略微倾斜，可将相邻的两根直管上下错位连接，使整个微藻光合反应管道装置呈立体双排平螺旋形式。这种简单的直管、U型连接弯头以及独特的连接方式，对于制作和安装设备特别有利。同时上下层连接弯头还起到湍流发生的效果，使藻细胞在本系统中获得高频率的光-暗反应，光合效率籍此得到很大提高。

本发明VGPR系统的技术特征与优点：

1.本发明微藻光合生物反应器(VGPR)系统占地面积极小，在获得相同产量规模的情况下，其占地面积只需常规大池培养系统的6％，土地租用费可以节省80％以上；

2.可以大幅度节省水、电等能源消耗，在相同产量规模条件下，水的消耗只是大池等其他生产系统的12％，电的消耗是大池生产系统的26％，藻生产的原料(营养物、CO2等的投入)消耗只需大池生产方式的40％；

3.全封闭结构可以控制外界化学性和生物性异物的入侵和污染，使藻产品品质得到保证；

4.本发明VGPR系统的设备投资成本低于大池培养生产系统，由于是高度集约化生产，操作简便，易于管理，劳动强度显著低于大池生产管理，其人员只需大池培养系统的40％；

5.本发明VGPR系统由于是在完全控制条件下进行生产，可进行全年、全天候生产；

6.本发明系统由于能使藻细胞进行高效率的光合作用，所供给的各种营养物可以充分利用，藻的产率和收率比大池开放式培养提高3-5倍；

7.本发明系统以单元组合式形成工业化生产规模，如以50单元组合，藻的年产量相当于大池生产系统8000米2的生产规模。藻的培养与采收既可按单元操作用作科研、中试生产，又可多单元组合，采取全进全出生产方式，实现以车间形式进行微藻大生物量产业化生产；

8.本发明系统由于采用了科学的水力学原理设计，高强度透光材料，以及应用了不同于大池生产配方，因此不易出现大池生产和其它类型光合反应器中常发生的结痂和沾壁。本发明VGPR系统在使用中一旦在管道中有沾壁现象发生，可用物理清洗方式，清洗干净全部管道系统，无残毒与残留物，不影响连续生产。

9.本发明具有军事意义，VGPR单元设施可在任何地域如海岛、高山安装应用，生产高品质、高蛋白微藻营养食物，且操作简单，有很大的战略意义；

10.本发明VGPR系统尤其适合于进行微藻的定向胁迫培养，可以强化培养藻细胞生产多不饱和脂肪酸、特定维生素，可以有机络合多种重要的矿物质元素如富碘、富硒、富锗、富铁、富锌等微藻产品，这是大池生产无法比拟的；

11.本发明可以实现在严格控制条件下进行生产，无废气，只排出氧气，可纯化环境，无废液，培养液可以重复利用，只需补充新鲜营养物质，无其它有害副产物。更由于微藻蛋白质丰富，含多不饱和脂肪酸和多种维生素，且藻细胞生产周期短、繁殖速度快等高产优质特性，从长远发展战略考虑，本发明对于实现微藻的生物技术绿色革命，开发新的食物资源，保障人类的生命与健康，具有重大的战略意义和现实经济意义。

附图说明

图1为本发明微藻工业化生产用光合生物反应器系统结构主视图。

图2为本发明微藻工业化生产用光合生物反应器系统结构俯视图。

具体实施方式

实施例1一种微藻工业化生产用光合生物反应器系统，包括反应塔，微藻光合生物反应管道装置2，输液泵8，二氧化碳注气装置，人工光照装置13，冷热交换器14，输液管1，反应塔采用平行直立的双塔结构，排氧反应塔4a上部设有负压泵9，负压泵9侧面设有氧气排气口10，排氧反应塔4a中部为空腔，排氧反应塔4a下部与调控反应塔4b下部连接，连接处还设有反应物采样阀7，调控反应塔.4b中部为空腔，调控反应塔4b上部有负压抽吸管12与微藻光合生物反应管道装置2的上口连接，调控反应塔4b上部还设有液压与气压调控口11，调控反应塔4b侧面设有二氧化碳注入阀5与二氧化碳注气装置相通，微藻光合生物反应管道装置2设有管道清洗阀6、藻细胞采收阀15，微藻光合生物反应管道装置2的下部与冷热交换器14连接，冷热交换器14与输液泵8连接，输液泵8通过输液管1与排氧反应塔4a的上部的负压泵9相通。

实施例2

一种微藻工业化生产用光合生物反应器系统，微藻光合生物反应管道装置2采用立体双排平螺旋式管道装置，其中立体双排平螺旋式管道装置每层单元部件为直管，采用等径U型连接弯头3连接；排氧反应塔4a、调控反应塔4b及微藻光合生物反应管道装置2由高透光玻璃材料构成。输液泵8采用零剪切力培养液驱动泵；排氧反应塔4a上部采用双通道双负压泵9结构，双通道双负压泵9侧面设有氧气排气口10。

其余结构如实施例1。

其运行过程如下：在VGPR系统之下部安装有一种零剪切力培养液驱动泵，输液泵8将反应管道中之培养液，通过输液管1注入负压泵9，培养液以喷射方式注入其下部排氧反应塔4a，在此过程中，藻细胞在光合反应中产生的过饱和氧以负压通过氧气排气口10排出系统外；如不及时排除，培养液中的氧分压pO₂可达400％，本发明VGPR可以控制pO₂在100％以下，释放了氧气的培养液通过双塔下部之联结弯管进入调控反应塔4b；反应物采样阀7，用以采样检查藻细胞生长的光密度和营养物的消耗情况，反应物采样阀7还兼作反应塔清洗、换液等用途；培养液从调控反应塔4b上部的负压抽吸管12被自动抽吸至微藻光合生物反应管道装置2；二氧化碳在二氧化碳注气阀5处被胁迫抽送进微藻光合生物反应管道装置2，作为藻细胞在进行光合作用中之碳素营养；本发明反应管道的总长度可以在40～300米之间连接，根据生物量的生产实际需要进行调整，上下连接弯头3同时起到湍流发生的效果，使藻细胞在本系统中获得高频率的光-暗反应。藻细胞在晴天高光照时，以自然光作为光量子来源，光照不足或进行藻细胞胁迫培养时开启人工光照装置13作为补充光源。反应管道中的培养液在晴天高光照下升温较快，本发明VGPR系统的底部设有冷热水交换器14，用以控制夏季高温和冬季低温，使藻细胞稳定在最适温度条件中。

本发明由于优化了微藻细胞的最佳生长条件如温度、光照、pH、溶氧水平(D.O.)、以及碳、氮、磷等营养物的利用，可使藻细胞活跃进行生长繁殖，细胞生物量增加很快。培养液从VGPR反应管道的上口逐级流向底层管，然后经输液泵8再次流入反应塔，24小时周而复始循环。当培养藻达到一定的光密度或细胞浓度时，可从底层管的藻细胞采收阀15排出至采收过滤机，藻泥被送去喷雾干燥或作其它处理。过滤液仍含部份营养，经补充新鲜营养物以后，再次被泵送回VGPR系统。排氧反应塔4a与调控反应塔4b中保留的藻细胞足以成为下一轮全系统微藻培养的接种物。

Claims (7)

1、一种微藻工业化生产用光合生物反应器系统，包括反应塔，微藻光合生物反应管道装置(2)，输液泵(8)，二氧化碳注气装置，人工光照装置(13)，冷热交换器(14)，输液管(1)，其特征在于：反应塔采用平行直立的双塔结构，排氧反应塔(4a)上部设有负压泵(9)，负压泵(9)侧面设有氧气排气口(10)，排氧反应塔(4a)中部为空腔，排氧反应塔(4a)下部与调控反应塔(4b)下部连接，调控反应塔(4b)中部为空腔，调控反应塔(4b)上部有负压抽吸管(12)与微藻光合生物反应管道装置(2)的上口连接，调控反应塔(4b)侧面设有二氧化碳注入阀(5)与二氧化碳注气装置相通，微藻光合生物反应管道装置(2)设有管道清洗阀(6)、藻细胞采收阀(15)，微藻光合生物反应管道装置(2)的下部与冷热交换器(14)连接，冷热交换器(14)与输液泵(8)连接，输液泵(8)通过输液管(1)与排氧反应塔(4a)的上部的负压泵(9)相通。

2、根据权利要求1所述的微藻工业化生产用光合生物反应器系统，其特征在于：调控反应塔(4b)上部还设有液压与气压调控口(11)。

3、根据权利要求1所述的微藻工业化生产用光合生物反应器系统，其特征在于：排氧反应塔(4a)下部与调控反应塔(4b)下部连接处还设有反应物采样阀(7)。

4、根据权利要求1所述的微藻工业化生产用光合生物反应器系统，其特征在于：微藻光合生物反应管道装置(2)采用立体双排平螺旋式管道装置，其中立体双排平螺旋式管道装置每层单元部件为直管，采用等径U型连接弯头(3)连接。

5、根据权利要求1所述的微藻工业化生产用光合生物反应器系统，其特征在于：排氧反应塔(4a)、调控反应塔(4b)及微藻光合生物反应管道装置(2)由高透光玻璃材料构成。

6、根据权利要求1所述的微藻工业化生产用光合生物反应器系统，其特征在于：输液泵(8)采用零剪切力培养液驱动泵。

7、根据权利要求1所述的微藻工业化生产用光合生物反应器系统，其特征在于：排氧反应塔(4a)上部采用双通道双负压泵(9)结构，双通道双负压泵(9)侧面设有氧气排气口(10)。