CN203569083U - 一种跑道池光生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种跑道池光生物反应器，包括跑道池（1）、变速搅拌系统、二氧化碳补给系统（4），地控温系统，与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：（1）将可变的液压搅拌系统引入反应器设计，从而适合不同机械抗性类型的微藻培养；（2）与传统使用电机比较，一台液压搅拌系统可驱动多个跑道池，规模化应用可大大降低投资成本和运行能耗；（3）反应器增加二氧化碳补给系统，补给系统末端设置气体细化器，延长二氧化碳在水中的滞留时间，提高微藻对二氧化碳的利用率；（4）跑道池顶部设置塑料薄膜，减低外来的污染几率；（5）采用新型的循环控温系统，延长微藻在冬季和夏季的培养时间，同时降低反应器能耗。
Description
技术领域
本实用新型涉及微藻培养工程领域，特别涉及一种跑道池光生物反应器。
背景技术
微藻是自然水体的主要生产者，在全球能量转化和碳素循环中发挥重要作用，每年通过微藻光合作用固定的CO2约占全球CO2固定量的40%以上。同时，微藻细胞富含蛋白质、色素及多种不饱和脂肪酸等高附加值生物活性物质，逐步成为保健食品、医药及精细化工等领域的重要材料来源。随着传统化石能源（石油、煤炭等）的日益枯竭，微藻作为可再生能源（油脂等）得到了人们的高度重视，具有重要社会和环境效应的微藻产业则显示出广阔的应用前景。
目前，微藻的规模化培养主要有开放式和封闭式两种培养模式。封闭式培养的反应器主要有柱式、板式和管式光生物反应器，其优点为光能利用率高、不易污染、培养密度高等，但封闭式培养的投资和操作成本较高、吨级放大不稳定、清洗消毒较困难等缺点。
开放式培养的代表性反应器为跑道式培养池，作为开发最早和应用最广的培养方式，有构建简单、投资成本低、吨级放大简单、清洗消毒便捷等优点。广泛应用于国内外的微藻生产企业：美国Cyanotech 公司、新西兰Aquaflow Bionomic公司、以色列Seambiotc 公司、英国AlgaeVS 公司；国内的云南绿A 生物工程有限公司、江苏赐百年营养食品有限公司、荆州虾青素有限公司、云南麟珑微藻养殖有限公司等。但跑道池同样也存在光能利用率低、易污染的缺点。尤其对一些普适性生长条件的微藻，让其在培养初期更快适应跑道池生境，迅速成为优势种，将大大提高微藻工业化的成功率。
循环搅拌系统是跑道池的核心组成部分，它的主要作用有：一、保障培养液中营养盐的搅拌均匀，使藻细胞在培养液各位置都能得到充足的营养供应，二、保障充分的气体交换，使大气或专用的CO2气罐的CO2在藻液中充分溶解以保障光合作用的顺利进行，三、保证藻液在培养池内循环流动，保障微藻均匀的分布在培养液中提高其光能利用率，避免藻细胞的聚集沉降。
目前的跑道池反应器多采用电机带动浆轮进行搅拌，且为了达到较低的转速，常见的多为针轮摆线减速机。电机搅拌系统大多为定速搅拌，而调速电机虽然可以达到调节输出转速的目的，但一方面成本太高，另一方面无法满足藻类培养的低转速要求（5-50转/分钟）。
电机定速搅拌系统在微藻培养中的主要缺陷有：（1）无法解决微藻不同生长阶段、生长条件与相应的搅拌频率之间的矛盾。例如在微藻的生长初期，多需要较低的扰动和水流速率，高的搅拌频率对部分微藻存在抑制作用；在生长后期，为保障更好的气体交换和避免高密度藻细胞的聚集下沉则需要较高的搅拌频率；（2）多适用于机械抗性较强的藻株培养（小球藻、螺旋藻等），对于机械抗性较弱的藻株（雨生红球藻等）培养则存在限制；（3）电机运行过程中能耗较高。
针对循环搅拌系统的缺点，蔡志武的“一种产业化培养微藻的生产装置”（中国专利，CN201245640Y）公开了一种通过鼓气方式实现藻液循环的生产装置，该装置的缺点是管路复杂，不适合大规模放大，不适合所有的藻株培养。张成武等的“一种实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器”（中国专利，CN102304462 B）公开了两套藻液循环系统（分别是搅拌桨循环系统和鼓气气升式循环系统）以适应不同抗性的藻株培养。该装置的缺点是增加了跑道池结构的复杂性和投资成本，同时也加大了后期的运行维护成本，不利于清洗和灭菌。
同时，传统的跑道池光生物反应器还存在如何低成本有效控温、CO2利用率偏低等缺点。
因此，亟待设计一种新型的跑道池光生物反应器方案以解决现有跑道池光生物反应器的上述缺陷。
实用新型内容
本实用新型的目前在于针对背景技术中存在的问题，提供一种跑道池光生物反应器，用以实现微藻的低成本高密度培养。
为解决以上技术问题，本实用新型提供的技术方案是，
一种跑道池光生物反应器，包括跑道池（1）、变速搅拌系统、二氧化碳补给系统（4），地控温系统，
所述变速搅拌系统包括液压动力系统（2）和搅拌桨（3），所述搅拌桨置于跑道池内，使藻液在跑道池内循环流动；
液压动力系统（2）包括：为搅拌桨输入可变动力源的液压马达和驱动液压马达的电机（31）、油泵（32）和调节、控制液压马达的转速和方向的压力控制阀（34）、流量控制阀（36）、方向控制阀（35）构成；
所述二氧化碳补给系统（4）包括气体钢瓶、二氧化碳深槽和气体细化器，二氧化碳深槽置于跑道池（1）池底，所述气体细化器设置在二氧化碳深槽中；
所述地控温系统包括地下储水池（51）、控温系统（52）和循环控温管路（54），及位于所述循环控温管路上的阀门和水泵，所述循环控温管路由分布于跑道池（1）的分支管路并列而成。
作为优选项：
所述跑道池的正上方安装可卷动的塑料透明薄膜。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：（1）将可变的液压搅拌系统引入反应器设计，从而适合不同机械抗性类型的微藻培养；（2）与传统使用电机比较，一台液压搅拌系统可驱动多个跑道池，规模化应用可大大降低投资成本和运行能耗；（3）反应器增加二氧化碳补给系统，补给系统末端设置气体细化器，延长二氧化碳在水中的滞留时间，提高微藻对二氧化碳的利用率；（4）跑道池顶部设置塑料薄膜，减低外来的污染几率；（5）采用新型的循环控温系统，延长微藻在冬季和夏季的培养时间，同时降低反应器能耗。
附图说明
图1为跑道池光生物反应器结构示意图；
图2为液压循环搅拌系统的结构示意图。
图3为地控温系统的结构示意图。
1--跑道池；2--液压动力系统；3--搅拌桨；4--二氧化碳补给系统；31--电机；32--油泵；33--油箱；34--压力控制阀；35--方向控制阀；36--流量控制阀；37--液压马达构成；51--地下储水池；52--控温系统；54--循环控温管路。
具体实施方式
本实用新型通过下列非限制的实施实例进一步加以说明，但非用以限制本发明的范围。
如图1，与图2、图3所示，一种跑道池光生物反应器，包括跑道池（1）、变速搅拌系统、二氧化碳补给系统（4），地控温系统，
所述变速搅拌系统包括液压动力系统（2）和搅拌桨（3），所述搅拌桨置于跑道池内，使藻液在跑道池内循环流动；
液压动力系统（2）包括：为搅拌桨输入可变动力源的液压马达和驱动液压马达的电机（31）、油泵（32）和调节、控制液压马达的转速和方向的压力控制阀（34）、流量控制阀（36）、方向控制阀（35）构成；
所述二氧化碳补给系统（4）包括气体钢瓶、二氧化碳深槽和气体细化器，二氧化碳深槽置于跑道池（1）池底，所述气体细化器设置在二氧化碳深槽中；
所述地控温系统包括地下储水池（51）、控温系统（52）和循环控温管路（54），及位于所述循环控温管路上的阀门和水泵，所述循环控温管路由分布于跑道池（1）的分支管路并列而成。
所述跑道池的正上方安装可卷动的塑料透明薄膜。
所述跑道池1由水泥砌成的椭圆形浅池，高度通常为10-50cm，长度和宽度无特定要求，跑道池内表面光滑，在池内可加铺PVC革、塑料薄膜等易清洗光滑材料。液压系统为跑道池藻液提供动力，通过将液压动力传输到液压马达37，经液压马达传动搅拌桨2，达到为跑道池藻液循环提供动力的目的。搅拌桨的扭力和转速可调（≥5转/分钟），根据不同藻株生长条件的差异及藻株不同生长阶段对水动力需求的差异，调节压力控制阀和流量控制阀以控制搅拌桨的扭力和转速，机械抗性较强和机械抗性较弱的藻株均可适用。搅拌桨需采用抗腐蚀材料制作。
所述二氧化碳补给系统4主要用于培养液中二氧化碳的补给，
所述地控温系统主要用于培养液冬季的升温和夏季的降温，所述地下蓄水池布置在地下，有利于水温的稳定（冬暖夏凉），降低能耗，同时冬季可使用加热器或锅炉的余热加温，夏季可使用冷水机帮助降温，保障适合于藻株生长的水温。所述循环管路铺设于跑道池内。
为更好地说明本实用新型，便于理解本实用新型的技术方案，进行了如下对比试验：
对比试验一
两个长为4米、宽为2米的椭园型跑道池进行阳光大棚内的雨生红球藻(Haematococcus) 培养。培养液高度为 0.15米 (装液量1200升)，采用加富的MCM培养基，细胞接种密度2.0*104 个/mL。其中对照跑道池的搅拌系统通过电机驱动，整个培养周期中转速为30转/分钟，无二氧化碳补充体系。实验组则采用本实验新型跑道池，在藻液接入初期，搅拌频率为10转/分钟，在藻液培养中期，转速上调至17转/分钟，至藻液培养末期，转速调制30转/分钟，培养过程中二氧化碳补充系统，通入空气/CO2 的混合气体（5％ CO2，v/v），通气量为0.2VVM。培养周期内，平均气温和光照强度为：8:00 时17℃，150umol/m2/s，13:00 时29℃，400umol/m2/s，17:00 时23℃，170umol/m2/s。培养10天后，取样分析，藻细胞浓度达1.9*105 个/mL，而对照组培养10天后藻细胞浓度为1.1 *105个/mL。相对于对照组，细胞培养浓度提高了72.7％。
对比试验二
两个长为4米、宽为2米的椭园型跑道池进行进行阳光大棚内的微囊藻 (Microcystis) 培养。培养液高度为 0.15米 (装液量1200升)，采用MA培养基，细胞接种密度1.2*106 个/mL。其中对照跑道池的搅拌系统通过电机驱动，整个培养周期中转速为30转/分钟，无二氧化碳补充体系。实验组则采用本实验新型跑道池，在藻液接入初期，搅拌频率为15转/分钟，在藻液培养中期，转速上调至25转/分钟，至藻液培养末期，转速调制33转/分钟，培养过程中二氧化碳补充系统，通入空气/CO2 的混合气体（5％ CO2，v/v），通气量为0.2VVM。培养周期内，平均气温和光照强度为：8:00 时24℃，190umol/m2/s，13:00 时36℃，630umol/m2/s，17:00 时30℃，230umol/m2/s。培养10天后，取样分析，藻细胞浓度达 4.7*107 个/mL，而对照组培养10天后藻细胞浓度为2.6 *107 个/mL。相对于对照组，细胞培养浓度提高了80.8％。
对比试验三
跑道池冷却系统组建，冷水机（湿帘和风机）对地下蓄水池的水进行降温，冷却循环水经地下蓄水池流出，经水泵加压后进入分支水管，每个跑道池设置两组水管，循环水最终流回地下蓄水池，通过循环水稳定培养液的水温，保障微藻正常培养温度，延长培养周期。
申请人声明，本实用新型通过上述实施例来说明本实用新型的结构组成，但本实用新型并不局限于上述结构，所属技术领域的技术人员应该明了，对本实用新型的任何改进，对本实用新型所选用部件的等效替换及辅助部件的添加、具体方式的选择等，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。
Claims (2)
1.一种跑道池光生物反应器，其特征在于：包括跑道池（1）、变速搅拌系统、二氧化碳补给系统（4），地控温系统，
所述变速搅拌系统包括液压动力系统（2）和搅拌桨（3），所述搅拌桨置于跑道池内，使藻液在跑道池内循环流动；
液压动力系统（2）包括：为搅拌桨输入可变动力源的液压马达和驱动液压马达的电机（31）、油泵（32）和调节、控制液压马达的转速和方向的压力控制阀（34）、流量控制阀（36）、方向控制阀（35）构成；
所述二氧化碳补给系统（4）包括气体钢瓶、二氧化碳深槽和气体细化器，二氧化碳深槽置于跑道池（1）池底，所述气体细化器设置在二氧化碳深槽中；
所述地控温系统包括地下储水池（51）、控温系统（52）和循环控温管路（54），及位于所述循环控温管路上的阀门和水泵，所述循环控温管路由分布于跑道池（1）的分支管路并列而成。
2.如权利要求1 所述的跑道池光生物反应器，其特征在于，所述跑道池的正上方安装可卷动的塑料透明薄膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20140430 |