CN203462055U - 一种采用气升混合来防止微藻附壁的光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用气升混合来防止微藻附壁的光生物反应器，它包括藻液容器、气体分布器、监测系统和供气系统。藻液容器的底面为往上倾斜的两个底面，呈V形结构；藻液容器的侧壁上设有补料进口和藻液出口；藻液容器内的正上方设置透明导流槽；导流槽的底面为往上倾斜的两个底面，呈V形结构；藻液容器与导流槽通过可调式连杆连接固定；藻液容器的底部中间位置设置气体分布器。本实用新型采用气升混合的方式搅拌藻液，克服了开放式和封闭式光生物反应器存在的不足，能够以较低的能耗有效解决了微藻附壁现象和光强梯度分布问题，从而提高了微藻的培养密度和生产率的光生物反应器。

Description

一种采用气升混合来防止微藻附壁的光生物反应器

技术领域

本实用新型涉及光生物反应器领域，特别涉及一种采用气升混合来防止微藻附壁的光生物反应器。 

背景技术

微藻是一种光自养生物，能够利用无机盐、CO₂和阳光合成具有高附加值的蛋白质、脂肪酸、虾青素、胡萝卜素和叶绿素等有机物，并且，由于微藻的光合作用效率极高，是陆地高等植物光合效率的几十倍，能在短时间内大量生产微藻生物质。因此，微藻在食品、饲料、医药、生物固碳和生物燃料等领域具有广泛的应用前景。微藻的生长受多种因素的影响，其中包括营养液的配方、温度、光照、PH值、溶氧浓度和CO₂浓度等。在微藻的高密度培养中，光强的梯度分布是一个普遍存在的问题。由于微藻的吸收和散射作用，使入射光强在进入藻液后随光程增加而减弱，结果导致受光表面区域的微藻细胞经常处于光抑制状态，而处于藻液内部的微藻细胞则经常处于光限制的状态，只有一小部分区域的微藻细胞处于最佳光强状态，从而在藻液中形成了光区与暗区，降低了微藻生物质的产率。为了改善微藻的光照条件和提高微藻的培养密度，人们设计了许多光生物反应器，按照藻液与外界环境的关系，光生物反应器可分为开放式和封闭式两种类型。 

开放式光生物反应器具有结构简单、维护方便、容易扩大规模和成本较低等优点，直接利用太阳进行生产。特别是开放式跑道池光生物反应器，已经被普遍用来大规模生产微藻生物质并实现了商业化的应用。但是开放式跑道池光生物反应器也存在一些缺点，比如占地面积大，微藻培养密度低，收获成本高，水分蒸发量大，光照表面积体积比低，光能和CO₂的利用效率低，生产条件不可控，容易受入侵藻种或者空气粉尘的污染等，因此只适合在水源充足，土地便宜和气候温暖的热带、亚热带和温带地区进行生产，并且生产的微藻仅限于那些能够忍受高盐度或极端pH值环境的藻种，比如螺旋藻、小球藻等。此外，商业化生产的跑道池反应器使用机械叶轮进行搅拌，不仅容易对微藻造成损伤，而且湍流混合影响的范围也仅限于靠近叶轮的流域，其它区域大多是层流，藻液上下分层，并且存在死区的比例过大等问题。虽然池底曝气改善了混合的均匀性，但是CO₂的利用效率较低，只有在曝气点的分布密度较大时才能保证良好的混合，但是这样会导致能耗的增加。 

封闭式光生物反应器克服了开放式光生物反应器的缺点，整体使用了透光良好的材料制造而成，采用自然光或者人造光照明，光线能够有效进入藻液中，以增加光照表面积体积比的方式提高微藻的光能利用效率，具有培养密度高，生产条件可控等优点。按照结构的不同，封闭式光生物反应器大致可以分为管式、直筒式和平板式三种，它们均具有较大的光照表面积体积比，因此最佳的培养密度较高。但是管式反应器容易出现溶氧限制和pH值梯度分布问题，而直筒式和平板式反应器在扩大规模时也还存在一些困难，目前大多只是用来生产具有高附加值的基因藻和工程藻。此外，在封闭式光生物反应器中，随着微藻细胞的生长，微藻的密度增加并分泌出一些新陈代谢物，在流体速度较小的透明内壁面上形成生物膜或微藻附壁生长，简称微藻附壁现象。微藻附壁极大地衰减了入射的光强，导致光生物反应器效率的降低，因此需要定期清理，增加了维护的成本和复杂性。 

发明内容

 本实用新型克服了开放式和封闭式光生物反应器存在的不足，提出了采用气升混合的方式搅拌藻液，能够以较低的能耗有效解决了微藻附壁现象和光强梯度分布问题，从而提高了微藻的培养密度和生产率的光生物反应器。 

本实用新型是通过以下技术方案实现的： 

一种采用气升混合来防止微藻附壁的光生物反应器，它包括藻液容器、气体分布器、监测系统和供气系统，所述的藻液容器的底面为往上倾斜的两个底面，呈V形结构；所述的藻液容器的侧壁上设有补料进口和藻液出口；所述的藻液容器内的正上方设置透明导流槽；所述的导流槽的底面为往上倾斜的两个底面，呈V形结构；所述的藻液容器与导流槽通过可调式连杆连接固定；所述的藻液容器的底部中间位置设置气体分布器。

以上所述的藻液容器的两个底面与水平面间的倾斜角相等，倾斜角的范围是1-89°。 

以上所述的导流槽的两个底面与水平面间的倾斜角相等，倾斜角的范围是1-89°。 

以上所述的导流槽的两个底面与水平面间的倾斜角大于或等于藻液容器底面的倾斜角。 

以上所述的藻液容器在水平面方向上呈直线状或者呈跑道池式的循环状排列。 

以上所述的藻液容器和导流槽上密封覆盖有透明盖板或透明塑料膜。 

以上气体分布器呈条状或管状，气体分布器均匀设置布气小孔。 

以上所述的监测系统包括温度传感器、pH值传感器、溶氧浓度传感器和CO₂浓度传感器，按常规方法连接。 

以上所述的供气系统包括空气压缩机、空气过滤器、CO₂储存容器、气体混合容器、气体管道和气体阀门，按常规方法连接。 

本实用新型具有的积极效果和优点如下： 

1.本实用新型的藻液容器的底面为V型结构，并且采用导流槽的结构，使得气泡沿着导流槽的V形下表面流动从而带动藻液流动，使上下层的藻液之间能够相互混合，提高了微藻细胞的光能利用效率和培养密度，V形导流槽的下表面也因为受到两股分流的冲刷而有效的防止了微藻在其表面上的附壁现象，保持了导流槽良好的透光性。

2.本实用新型介于开放式和封闭式光生物反应器之间，在需要的时候将反应器的上表面用透明盖板或者透明塑料薄膜进行密封就成了封闭式的光生物反应器，而在上表面开放的时候就成了开放式的光生物反应器，两者可以互相转换，它是综合了开放式和封闭式光生物反应器特点的一种创新设计。 

3.本实用新型改善了藻液混合条件，提高了光能和CO₂的利用率，从而可以提高微藻的培养密度；同时，藻液的循环流动解决了微藻附壁和光强梯度分布问题，使得该反应器不仅可以用来大规模养殖螺旋藻，小球藻等能够适应高度选择性环境的微藻品种，还可以用来养殖具有高附加值的基因藻和工程藻，具有更高的灵活性与适应性。 

4.本实用新型的监测系统和供气系统可以通过单片机或微机进行整合，能够实现智能化的生产管理。 

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。 

图2为本实用新型的水平面上呈跑道池环状结构的俯视图。 

图3为本实用新型的水平面上呈跑道池环状结构的侧视图。 

图4为本实用新型的水平面上呈直线状结构的结构示意图。 

图5为本实用新型的水平面上呈直线状结构的水平组合的结构示意图。 

图6为本实用新型的水平面上呈直线状结构的垂直组合的结构示意图。 

附图标识： 

1-藻液容器，2-导流槽，3-连杆，4-气体分布器。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明。 

实施例1： 

一种采用气升混合来防止微藻附壁的光生物反应器，它包括藻液容器1、导流槽2、气体分布器4、监测系统和供气系统，所述的藻液容器1的侧壁上设有补料进口和藻液出口；所述的藻液容器1的底面为往上倾斜的两个底面，呈V形结构；两个底面与水平面间的倾斜角相等，倾斜角为1°。所述的藻液容器1的正上方设置透明导流槽2；所述的导流槽2的底面为往上倾斜的两个底面，呈V形结构；所述的导流槽2的两个底面与水平面间的倾斜角相等，倾斜角为1°。所述的导流槽2的两个底面与水平面间的倾斜角等于藻液容器1底面的倾斜角。

所述的藻液容器1与导流槽2通过可调式连杆3连接固定；连杆3可以调节导流槽2和藻液容器1底面间的垂直距离；所述的藻液容器1的底部中间位置设置气体分布器4。所述的气体分布器4呈管状，气体分布器4均匀设置布气小孔。所述的藻液容器1在水平面方向上呈跑道池式的循环状排列。 

从气体分布器4出来的气泡在浮力作用下上升并带动周围的液体形成一股上升流，导流槽将该股上升流对称分割成两股沿着导流槽2的V形下表面流动的分流，使得气泡影响的区域扩大到包括侧壁边缘附近的整个流域，使上下层的藻液之间能够相互混合，微藻细胞从而经历光暗周期，提高了微藻细胞的光能利用效率和培养密度，V形导流槽的下表面也因为受到两股分流的冲刷而有效的防止了微藻在其表面上的附壁现象，保持了导流槽良好的透光性。 

为了减少水分的蒸发和空气中粉尘的污染，在藻液容器1和导流槽2上表面密封覆盖有透明盖板，从而形成密封式的跑道池光生物反应器。 

所述的监测系统包括温度传感器、PH值传感器、溶氧浓度传感器、CO₂浓度传感器和oD检测器，它们之间按常规方法连接。所述的供气系统包括空气压缩机、空气过滤器、CO₂储存容器、气体混合容器、气体管道和气体阀门，它们之间按常规方法连接。 

使用时，藻液容器1里的藻液的深度为0.1-0.3m，导流槽2内充入纯净水，水的液面与藻液的液面等高，导流槽2的侧壁高出液面5-10cm，以将藻液和纯净水隔开，空气压缩机向气体分布器4提供压缩空气。工作时，藻液在水平方向上循环，跑道池转弯区域处的微藻细胞送入跑道池直线区装有导流槽2的区域接受混合和光照。为了减少水分的蒸发和空气中粉尘的污染，在V形容器和导流槽2的上表面覆盖一块透明板，从而形成密封式的跑道池光生物反应器。此时导流槽内的纯净水还可通过管道与外界相连通，从而对藻液进行冷却或加热，以实现对反应器中温度变量的控制。 

实施例2： 

与实施例1不同之处在于，藻液容器1使用透光良好的板材制成，并架设在一个与其V形底面形状相匹配的金属焊件支架上，在水平方向上呈直线状结构，反应器单元具体如图4所示。气体分布器4呈条状，条状气体分布器4沿着藻液容器1最底面处的中心线安装，为了增强混合效果，气体分布器还可以被分割成小段，相邻的两小段之间用气体管道相连接，各小段的气体分布器均由附属装置固定在底面上，由此不仅造成了垂直方向的混合，也实现了水平方向的混合。该反应器的上方可以保持开放。

实施例3： 

与实施例1不同之处在于藻液容器1的底面为往上倾斜的两个底面，呈V形结构；两个底面与水平面间的倾斜角相等，倾斜角的范围是80°，导流槽2的两个底面与水平面间的倾斜角大于藻液容器1底面的倾斜角，为89°。

该新型反应器单元可按照图5所示，由3个反应器进行水平组合安装，以形成大规模的光生物反应器培养系统。 

实施例4： 

与实施例1不同之处在于藻液容器1的底面为往上倾斜的两个底面，呈V形结构；两个底面与水平面间的倾斜角相等，倾斜角的范围是89°，导流槽2的两个底面与水平面间的倾斜角等于藻液容器1底面的倾斜角，为89°。为了减少水分的蒸发和空气中粉尘的污染，在藻液容器1和导流槽2上表面密封覆盖有透明塑料膜，从而形成密封式的跑道池光生物反应器。

该新型反应器单元可按照图6所示，由3个反应器进行垂直组合安装，以形成大规模的光生物反应器培养系统。 

Claims (7)

1.一种采用气升混合来防止微藻附壁的光生物反应器，它包括藻液容器（1）、气体分布器（4）、监测系统和供气系统，其特征在于：所述的藻液容器（1）的底面为往上倾斜的两个底面，呈V形结构；所述的藻液容器（1）的侧壁上设有补料进口和藻液出口；所述的藻液容器（1）内的正上方设置透明导流槽（2）；所述的导流槽（2）的底面为往上倾斜的两个底面，呈V形结构；所述的藻液容器（1）与导流槽（2）通过可调式连杆（3）连接固定；所述的藻液容器（1）的底部中间位置设置气体分布器（4）。

2.根据权利要求1所述的一种采用气升混合来防止微藻附壁的光生物反应器，其特征在于：所述的藻液容器（1）的两个底面与水平面间的倾斜角相等，倾斜角的范围是1-89°。

3.根据权利要求1所述的一种采用气升混合来防止微藻附壁的光生物反应器，其特征在于：所述的导流槽（2）的两个底面与水平面间的倾斜角相等，倾斜角的范围是1-89°。

4.根据权利要求1所述的一种采用气升混合来防止微藻附壁的光生物反应器，其特征在于：所述的导流槽（2）的两个底面与水平面间的倾斜角大于或等于藻液容器（1）底面的倾斜角。

5.根据权利要求1所述的一种采用气升混合来防止微藻附壁的光生物反应器，其特征在于：所述的藻液容器（1）在水平面方向上呈直线状或者呈跑道池式的循环状排列。

6.根据权利要求1所述的一种采用气升混合来防止微藻附壁的光生物反应器，其特征在于：所述的藻液容器（1）和导流槽（2）上密封覆盖有透明盖板或透明塑料膜。

7.根据权利要求1所述的一种采用气升混合来防止微藻附壁的光生物反应器，其特征在于：所述的气体分布器（4）呈条状或管状，气体分布器（4）均匀设置布气小孔。

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