CN204529835U

CN204529835U - 一种气升跑道式生物反应器

Info

Publication number: CN204529835U
Application number: CN201520228205.5U
Authority: CN
Inventors: 王巧晗; 高燕琦; 宫庆礼
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2025-04-15

Abstract

本实用新型公开了一种气升跑道式生物反应器，其培养主体为透明亚克力PC材料制备成的封闭式跑道池，跑道池内部的弯处安装有两个螺杆泵机械推进泵，内部中央设有隔板，内部两侧壁分别安装有营养盐导通管和注入水导通管，内底两侧各具有一根CO₂充气管；营养盐导通管、注入水导通管和CO₂充气管分别与封闭式跑道池外部的营养盐补充装置、水处理装置和CO₂充气装置相连；所述的跑道池池壁外侧设有可开启两侧跑道池的卡扣；所述的CO₂充气管每隔0.15m设一开口，营养盐导通管、注入水导通管上分别安装有9-12根注入管。本装置增加了培养池中藻液的光照表面积体积比，改善了反应器的光照利用率，提高了培养密度，有利于工厂化微藻培养的效率。

Description

一种气升跑道式生物反应器

技术领域

本实用新型涉及一种培养藻类的生物反应器，具体涉及一种气升跑道式生物反应器，该反应器适用于培养等鞭金藻、三角褐指藻、纤细角毛藻、牟氏角毛藻、雨生红球藻等各种微藻。

背景技术

微藻能有效利用光能、CO₂和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质，可以通过微藻培养来生产保健食品、食品添加剂、饲料、生物肥料、化妆品及其他天然产品。另外，近年来利用藻类为宿主的基因产物的生产也日益受到关注。微藻生物资源的开发对于减缓土地、环境、能源和人口危机，弥补传统农作物的不足与局限，以及促进传统农业向工业化生产过渡都具有重要的意义。随着人类对微藻的认识不断加深，开发和研制新型高效光生物反应器及其在微藻的高密度培养方面的应用研究已成为微藻生物技术的一个重要组成部分。目前，微藻培养装置主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。

开放式光生物反应器已普遍应用于商业化微藻大规模培养中，它具有投资少、成本低、技术要求简单等优点，主要有四种类型：浅水池、循环池、跑道池式、池塘。其中最典型、最常用的开放池培养系统是Oswald设计的跑道池反应器(race-way photobioreaccor)，占地面积小、污染少，以自然光为光源和热源，提高了藻体细胞的光能利用率，在螺旋藻、小球藻和盐藻的大规模培养中取得良好的效果；但是，开放式光生物反应器容易受外界环境影响，难以保持较适宜的温度与光照；并且，会受到灰尘、昆虫及杂菌的污染，不易保持高质量的单藻培养；此外，光能及CO₂利用率不高，无法实现高密度培养。

美国Solix公司开发了一种水浮薄膜吊袋式微藻培养系统，是一种封闭式光生物反应器，将数百米长的吊袋悬浮于水池中，一方面供助水的浮力来减轻塑料膜的承压，另一方面也可利用水池中的水来实现吊袋培养系统的温度缓冲；然而塑料膜的承压强度低，导致此类塑料膜光反应器难于放大。此外，传统的封闭式生物反应器也存在成本昂贵、投资大，采用人工内置光源和热源、耗能高，可培育藻种单一，培养后期由于细胞浓度的升高限制光的穿透从而降低光照效率，在培养过程中由于水压增加使细胞受到损伤等缺点。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，而提供一种气升跑道式生物反应器，该生物反应器适用于阳光工厂化、规模化培养微藻，可以有效解决水泥池占地面积过大、开放池容易污染、光照利用不充分、养殖过程中藻体损伤严重、养殖成本过高等技术缺陷。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种气升跑道式生物反应器，其培养主体为透明亚克力PC材料制备成的封闭式跑道池，其特征在于，所述的跑道池内部的弯处安装有两个螺杆泵机械推进泵，内部中央设有隔板，内部两侧壁分别安装有营养盐导通管和注入水导通管，内底两侧各具有一根CO₂充气管；所述的营养盐导通管、注入水导通管和CO₂充气管分别与封闭式跑道池外部的营养盐补充装置、水处理装置和CO₂充气装置相连；所述的跑道池池壁外侧设有可开启两侧跑道池的卡扣；所述的CO₂充气管每隔0.15m设一开口，营养盐导通管、注入水导通管上分别安装有9-12根注入管。

进一步的，所述的气升跑道式生物反应器还具有不锈钢支架和辅助光源LED灯，不锈钢支架安设于跑道池的外底部，辅助光源LED灯安设于不锈钢支架上、跑道池外底部；所述的辅助光源LED灯为红色LED冷光灯、蓝色LED冷光灯和白色LED冷光灯，池体上方覆盖可卷动的塑料透光薄膜采用辅助光源；所述的不锈钢支架高0.6-1.2m，支架下方安装有若干可动轮及其驻动装置。

进一步的，所述的跑道式生物反应器还具有双面跑道清洁装置，包括清洁池内片和清洁池外片，二者密实地置于跑道池内外，利用异性磁极的吸引作用可使里面的一片跟着外面一片运动。

进一步的，所述的跑道池规格为：长54-60m，单侧宽0.6-0.7m、总宽度1.2-1.4m，池高0.5-0.6m；所述的隔板长52-58m，距离池两侧均为1m，隔板高0.4m，注水水深0.2-0.3m，营养盐补充管和注入水补充管距离池底0.2m以下；跑道池厚度均一，均为3mm；卡扣位于池高0.4m处。

进一步的，所述的CO₂充气管上的开口，方向为斜向上，以防止藻体沉淀，使藻体于培养液中混合均匀，防止污染；CO₂通气量为1-3％V：V，雷诺数为2×10³-2×10⁵。

上述的水处理装置为生物反应器提供水源，水处理装置通过位于跑道池拐弯处的初始注水管为其提供初始水源，随后，通过注入管为跑道池提供补充注水；营养盐补充装置根据电脑设定程序，通过注入管为跑道池提供营养盐。

上述的跑道式生物反应器，主要适用于球等鞭金藻、三角褐指藻、纤细角毛藻、牟氏角毛藻、雨生红球藻等微藻的规模化培养。

本实用新型生物反应器，结构简单、操作方便，极大地增加了培养池中藻液的光照表面积体积比，改善了光生物反应器的光照利用率，提高了开放式光生物反应器的培养密度，大幅提高生产率，节省了生产成本，节约了资源消费，降低了劳动强度，提高了土地的重复使用率，符合农业可持续发展的战略，特别有利于提升现有情况下工厂化微藻培养的效率。

附图说明

图1：本实用新型气升跑道式生物反应器的整体结构示意图；

图2：本实用新型气升跑道式生物反应器的CO₂补气管位置、以及充气方向示意图；

图3：本实用新型气升跑道式生物反应器的双面磁力清洁装置位置示意图；

图4：本实用新型气升跑道式生物反应器的卡扣及隔板结构示意图；

其中：1、营养盐补充装置，2、螺杆泵机械推进泵，3、水处理装置，4、CO₂充气装置，5、营养盐导通管，6、注入水导通管，7、CO₂充气管，8、不锈钢支架，9、辅助光源LED灯，10、初始注水管，11、注入管，12、卡扣，13、隔板，14、双面跑道清洁装置的清洁池内片，15、双面跑道清洁装置的清洁池外片。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的气升跑道式生物反应器进的结构和运行方式进行详细的描述。

一种气升跑道式生物反应器，主要适用于球等鞭金藻、三角褐指藻、纤细角毛藻、牟氏角毛藻、雨生红球藻等微藻的规模化培养，其培养主体为封闭式跑道池，如图1所示：

跑道池内部的弯处安装有两个螺杆泵机械推进泵2，内部中央设有隔板13，内部两侧壁分别安装有营养盐导通管5和注入水导通管6，内底两侧各具有一根CO₂充气管7；营养盐导通管、注入水导通管和CO₂充气管分别与封闭式跑道池外部的营养盐补充装置1、水处理装置3和CO₂充气装置4相连；跑道池池壁外侧设有可开启两侧跑道池的卡扣12，卡扣可开启两侧跑道池，当培养藻类时外侧可用卡扣密封；CO₂充气管每隔0.15m设一开口，营养盐导通管、注入水导通管上分别安装有9-12根注入管11。跑道池安设于不锈钢支架8上，跑道池的外底部、不锈钢支架上安装有辅助光源LED灯；所述的不锈钢支架高0.6-1.2m，支架下方安装有若干可动轮及其驻动装置，使装置最大限度的节省土地占用面积，避免土地资源污染。跑道式生物反应器还具有双面跑道清洁装置，包括清洁池内片14和清洁池外片15，二者密实地置于跑道池内外，利用异性磁极的吸引作用可使里面的一片跟着外面一片运动，由于微藻的挂壁发生在池内表面，所以无论是采取人工还是自动化清洁都很方便。水处理装置3为生物反应器提供水源，水处理装置通过位于跑道池拐弯处的初始注水管10为其提供初始水源，随后，通过注入管为跑道池提供补充注水；营养盐补充装置根据电脑设定程序，通过注入管为跑道池提供营养盐。

所述的辅助光源LED灯为红色LED冷光灯、蓝色LED冷光灯和白色LED冷光灯，相较单一的人工光源热源，能大幅节约资源，避免资源浪费；且水温保持微藻生长所需最适温度、光照，在如阴、雨天不良天气条件下及夜晚无自然光时，可于池体上方覆盖可卷动的塑料透光薄膜采用辅助光源，促进微藻生长，缩短微藻培养周期。

所述的跑道池规格优选为：长54-60m，单侧宽0.6-0.7m、总宽度1.2-1.4m，池高0.5-0.6m；所述的隔板长52-58m，距离池两侧均为1m，隔板高0.4m，注水水深0.2-0.3m，营养盐补充管和注入水补充管距离池底0.2m以下；跑道池厚度均一，均为3mm；卡扣位于池高0.4m处；与现有的开放式水泥池相比，本培养器清洁、环保，能有效提高土地重复使用率，避免污染土地。

所述的CO₂充气管上的开口，方向为斜向上，以防止藻体沉淀，使藻体于培养液中混合均匀，防止污染；CO₂通气量为1-3％V：V，雷诺数为2×10³-2×10⁵，以避免培养液pH值下降及微藻细胞因充气剪切力过大而破损且能够满足微藻碳源的补充。

所述的跑道池材质优选为透明亚克力PC材料，封闭式亚克力PC材料，能有效避免培养过程中培养环境对藻类的污染，且透明的材料极大地增加了培养池中藻液的光照表面积体积比，改善了反应器的光照利用率，提高了反应器的培养密度，从而提高生产率；与塑料膜光反应器相比，承压强度高，可重复利用，更适于工厂化生产。

使用本实用新型生物反应器进行微藻培养时，包括以下步骤：

(1)培养装置准备：开启两侧跑道池的卡扣，对跑道池内部结构进行常规的消毒处理；

(2)接种：第1天在跑道池的内部添加MCM培养液，培养液高度0.15m(装液量750L)，接种球等鞭金藻、三角褐指藻、纤细角毛藻、牟氏角毛藻、雨生红球藻等微藻，使细胞接种密度为2.5×10⁴cells/ml；

(3)培养管理：培养期间的平均气温和光照强度：8:00时13℃，130μmol/m²/s，13:00时25℃，380μmol/m²/s，17:00时13℃，150μmol/m²/s；螺杆泵机械推进装置的螺旋泵推动使培养液于池内混合、循环，螺旋泵流量最大为100m³/h，扬程为120m，转速500r/min，培养过程中补充空气/CO₂的混合气体(1-3％CO₂，v/v)，雷诺数为2×10³-2×10⁵；

(4)收获藻种：培养10天后，微藻细胞密度可达2.0-2.5×10⁵cells/ml，相对于传统培养模式，细胞培养浓度可以提高56.3-72.7％。

综上所述，本实用新型培养装置，极大地增加了培养池中藻液的光照表面积体积比，改善了光生物反应器的光照利用率，提高了开放式光生物反应器的培养密度，大幅提高生产率。

上述实例只是为说明本实用新型的技术构思以及技术特点，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种气升跑道式生物反应器，其培养主体为透明亚克力PC材料制备成的封闭式跑道池，其特征在于，所述的跑道池内部的弯处安装有两个螺杆泵机械推进泵(2)，内部中央设有隔板(13)，内部两侧壁分别安装有营养盐导通管(5)和注入水导通管(6)，内底两侧各具有一根CO₂充气管(7)；所述的营养盐导通管、注入水导通管和CO₂充气管分别与封闭式跑道池外部的营养盐补充装置(1)、水处理装置(3)和CO₂充气装置(4)相连；所述的跑道池池壁外侧设有可开启两侧跑道池的卡扣(12)；所述的CO₂充气管每隔0.15m设一开口，营养盐导通管、注入水导通管上分别安装有9-12根注入管(11)。

2.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述的气升跑道式生物反应器还具有不锈钢支架(8)和辅助光源LED灯(9)，不锈钢支架安设于跑道池的外底部，辅助光源LED灯安设于不锈钢支架上、跑道池外底部；所述的辅助光源LED灯为红色LED冷光灯、蓝色LED冷光灯和白色LED冷光灯，池体上方覆盖可卷动的塑料透光薄膜采用辅助光源；所述的不锈钢支架高0.6-1.2m，支架下方安装有若干可动轮及其驻动装置。

3.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述的跑道式生物反应器还具有双面跑道清洁装置，包括清洁池内片(14)和清洁池外片(15)，二者密实地置于跑道池内外，利用异性磁极的吸引作用可使里面的一片跟着外面一片运动。

4.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述的跑道池规格为：长54-60m，单侧宽0.6-0.7m、总宽度1.2-1.4m，池高0.5-0.6m；所述的隔板长52-58m，距离池两侧均为1m，隔板高0.4m，注水水深0.2-0.3m，营养盐补充管和注入水补充管距离池底0.2m以下；跑道池厚度均一，均为3mm；卡扣位于池高0.4m处。

5.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述的CO₂充气管上的开口，方向为斜向上；CO₂通气量为1-3％V：V，雷诺数为2×10³-2×10⁵。

6.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述的水处理装置(3)为生物反应器提供水源，水处理装置通过位于跑道池拐弯处的初始注水管(10)为其提供初始水源，随后，通过注入管为跑道池提供补充注水；营养盐补充装置根据电脑设定程序，通过注入管为跑道池提供营养盐。