CN204727884U - 一种高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,属于微藻生物技术领域。本实用新型的膜光生物反应器,包括光生物反应装置、光照装置、气体供给装置、膜渗透装置、过滤槽、渗透液收集装置。本实用新型,可将膜渗透装置分别置入光生物反应装置和过滤槽中,实现对藻液的内置式和外置式的过滤,在蠕动泵的抽滤作用下,将微藻细胞完全截留在光生物反应装置或过滤槽内,增大光生物反应装置中微藻的生物量浓度,实现微藻的高密度培养,并定期进行微藻采收;同时,经蠕动泵抽滤出的渗透液循环利用,节约微藻培养成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,属于微藻生物技术领域。
背景技术
微藻具有光能利用效率高、营养丰富、生长繁殖迅速、对环境的适应性强和容易培养等重要特性,现已有越来越多的藻类产品问世,微藻的培养和产品开发已成为当今生物技术的一个研究热点。但是,目前培养技术的不成熟,导致微藻生产成本高、效率低;同时,采收微藻生物质也是一个主要的难题,这是由于微藻很小,培养浓度较低,密度和水相近,且表面带负电荷,在培养基中会形成均一的体系,给采收过程带来很大难度。因此在微藻培养和采收过程中能量投入很高,制约了微藻的大规模产业化利用。
目前,微藻培养主要有开放式和封闭式两类光生物反应器。开放式光生物反应器构造简单,成本低廉及操作简单,但存在容易受外界污染、培养条件不稳定等问题。封闭式光生物反应器可进行无菌操作,培养条件稳定,可高密度培养,已成为今后发展趋势。传统的光生物反应器没有固液分离功能,反应器中的水力停留时间和微藻的停留时间是相同的,因此,在连续培养和采收藻产品过程中,传统的光生物反应器中最不利的限制条件是冲刷问题,即随着培养和采收微藻过程的进行,光生物反应器中生物量浓度越来越低。因此,光生物反应器通常就在最适的稀释率下运行,来达到最大的生物量产率,但最适稀释率比较小,这导致培养系统中可获得的微藻生物量浓度很低,在后续采收过程成本很高。
为了解决这个问题,本实用新型提供了一种高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,通过膜光生物反应器系统来实现生物质停留时间和稀释率之间的分离。通过膜的渗透作用,培养液滤过而微藻细胞完全被截留,从而防止冲刷问题产生,增加反应器中的生物质浓度,同时减少后续采收环节的脱水量,减少采收成本;生物质浓度也可以通过部分回流浓藻液而得到更好的控制。同时,渗透液可以再利用做为微藻培养液。此外,膜过滤操作简单,不需要类似于助凝剂和絮凝剂等化学药品,这使得采收的微藻或者回流的渗透液中不会存在化学物质。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,通过安装在光生物反应器主体中的内置式膜渗透装置或者过滤槽中外置式膜渗透装置,对微藻在反应器中的停留时间和浓度进行人工调控,增大反应器中生物量浓度,实现微藻的高密度培养,并定期进行微藻的预采收;同时循环利用渗透液,节约微藻培养成本。
本实用新型的目的是一种高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器。
所述膜光生物反应器包括光生物反应装置、光照装置、气体供给装置、膜渗透装置、过滤槽、渗透液收集装置;所述光照装置位于光生物反应装置外侧;所述光生物反应装置上部设有第一进样口和出气口,下部设有第一出样口和第一膜组件卡槽,底部设有第一微孔曝气管;所述气体供给装置通过管道与光生物反应装置底部的第一微孔曝气管相连;所述膜渗透装置能直接安装在光生物反应装置内或者安装在通过管道与光生物反应装置相连的过滤槽中;所述膜渗透装置和渗透液收集装置通过蠕动泵相连;所述渗透液收集装置通过循环管道与光生物反应装置相连。
所述膜渗透装置,在本实用新型的一种实施方式中,外置式安装时是安装在通过管道与光生物反应装置相连的过滤槽中,所述过滤槽上部设有第二进样口,下部设有第二出样口、第二膜组件卡槽,底部设有第二微孔曝气管;所述第二微孔曝气管与气体供给装置相连。光生物反应装置和过滤槽上均设有膜组件卡槽,当位置空间有限时,可选择内置式安装膜渗透装置,即将膜渗透装置直接安装在光生物反应装置中,使膜光生物反应器结构简单、紧凑,节约所占空间;当不受位置空间的限制或要获得更大的生物量产率时,可选择外置式安装膜渗透装置,即将膜渗透装置安装在与光生物反应装置相连的过滤槽中,通过膜渗透装置的过滤作用,过滤槽中藻液浓度很高,采收浓藻液提高产率,这样可以避免光生物反应装置中生物量浓度过高时产生的光遮蔽现象,同时部分回流过滤槽中浓藻液至光生物反应装置,增强系统稳定性,保持光生物反应装置中最适生长的藻液浓度。
所述光生物反应装置,在本实用新型的一种实施方式中,顶部法兰固定并密封。密封的生长环境可以防止外界污染,确保稳定的培养条件。
所述法兰,在本实用新型的一种实施方式中,其上设有孔,可以插入所需在线监测探头,方便检测培养过程。
所述法兰,在本实用新型的一种实施方式中,其上插入溶氧检测探头、pH检测探头和CO2检测探头。根据溶氧检测探头、pH检测探头的在线监测数值,随时调节培养液中溶氧浓度和pH值,维持微藻最佳的生长条件;根据微藻生长需要,通入CO2时,当CO2检测探头检测到培养液上方CO2浓度较高时,停止继续通入气体,培养液上方中的CO2可以缓慢溶入培养液中被充分利用,从而节约CO2的用量。
所述第一微孔曝气管、第二微孔曝气管、第一出样口、第二出样口处装有阀门,控制开关。微孔曝气管形成的气泡微小,不仅有利于CO2溶解于培养液中,大幅度提高CO2在水中停留时间,而且气泡会起到搅拌作用,有效的保证了反应装置内部藻液营养分布均匀一致,避免光生物反应装置内存在的死角问题,降低细胞贴壁生长,提高微藻培养效率。第一出样口、第二出样口处装有阀门,方便取样。
所述气体供给装置,在本实用新型的一种实施方式中,包括空气供给装置和CO2供给装置,空气供给装置和CO2供给装置上分别连接气体流量计。使用气体流量计可以将通气量控制在微藻生长所需范围,根据微藻在不同生长时期的生长需求,调节向培养液中通入的空气/CO2混合气体比例和通入量,满足微藻生长需要。此外,通过控制膜渗透装置底部的微孔曝气管的曝气量,对膜片表面进行有效的水力冲刷,防止在抽滤过程中微藻细胞在膜表面过度淤积,在运行过程中就对膜表面的污染起到控制作用。
所述膜渗透装置,在本实用新型的一种实施方式中,使用的膜为平板微滤膜。根据藻种和培养条件的不同,选用不同规格的平板微滤膜,将微藻细胞完全截留在光生物反应装置或过滤槽中。平板微滤膜机械强度高,清洗简单更换方便,运行费用低,使用寿命长。
所述平板微滤膜,在本实用新型的一种实施方式中,通过硅胶管与蠕动泵相连接。根据不同藻种和培养体系的特点来筛选不同的膜材料及膜孔径。膜材料可以是PVDF、PTEE、PVC、PE或尼龙材质等,膜孔径可以是0.4~4.0微米孔径的膜片。
所述循环管道,在本实用新型的一种实施方式中,其一端连接到光生物反应装置的上部。通过循环管道,将渗透液回流至光生物反应装置中,作为微藻培养液再利用,重复利用水资源和营养盐,降低微藻培养成本。
所述光照装置,在本实用新型的一种实施方式中,是一个或者多个,位于光生物反应装置的两侧或者多侧或者四周。所述光照装置可以采用自然光源或人造光源。
所述渗透液收集装置,在本实用新型的一种实施方式中,其上设有第三出样口,可以直接排放出渗透液。
在本实用新型的一种实施方式中,所述光生物反应装置与过滤槽的连接管道上、膜渗透装置与渗透液收集装置的连接管道上、渗透液收集装置与光生物反应装置的连接管道上,均设有流量计。可以通过流量计控制微藻的培养条件。
本实用新型的有益效果是:(1)本实用新型的膜光生物反应器为两用装置,膜渗透装置可以内置于光生物反应装置内,或者是外置于过滤槽中,方便实验者根据实际实验条件或需求而选择;(2)在蠕动泵的抽滤作用下,可实现对藻液的内置式和外置式的过滤,微藻细胞被完全截留在光生物反应装置或过滤槽内,实现微藻的高密度培养,并定期排出浓藻液、预采收微藻;外置式过滤时,可将过滤槽中浓藻液部分回流至光生物反应装置中,增强系统稳定性,保持光生物反应装置中最适的生物量浓度,获得最大生物量产率;同时,经蠕动泵抽滤出的渗透液循环利用,节约微藻培养成本;(3)微孔曝气管、取样口、阀门、法兰、在线监测探头、流量计等的联合使用,便于实时调节和监测微藻培养状态,便于根据微藻在不同生长时期的生长状态来调节光照强度、曝气量、CO2进气量和浓度以及培养液中pH值、溶氧值等等,以优化微藻培养条件。
附图说明
图1为内置式膜光生物反应器结构示意图;其中:1.光生物反应装置,2.膜渗透装置,4.光生物反应装置微孔曝气管(第一微孔曝气管),5.光生物反应装置出样口(第一出样口),6.光生物反应装置膜组件卡槽(第一膜组件卡槽),7.光生物反应装置进样口(第一进样口),8.出气口,9.法兰,10.气体供给装置,11.气体流量计,12.光照装置,13.蠕动泵,17.渗透液收集装置,18.渗透液收集装置出样口(第三出样口);
图2为外置式膜光生物反应器结构示意图;其中:3.过滤槽,14.过滤槽出样口(第二出样口),15.过滤槽膜组件卡槽(第二膜组件卡槽),16.过滤槽进样口(第二进样口),19.过滤槽微孔曝气管(第二微孔曝气管)。
具体实施方式
实施例1:高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器(膜渗透装置内置)
本实用新型膜光生物反应器,如图1所示,主要包括光生物反应装置1、光照装置12、气体供给装置10、膜渗透装置2、渗透液收集装置17。光照装置12位于光生物反应装置1的外侧,光生物反应装置1的上部设有第一进样口7和出气口8,下部设有第一出样口5和第一膜组件卡槽6,底部设有第一微孔曝气管4。气体供给装置10通过管道与光生物反应装置1底部的第一微孔曝气管4相连,气体供给装置10包括空气供给装置和CO2供给装置,空气供给装置和CO2供给装置上分别连接气体流量计11。光生物反应装置1的顶部通过法兰上9密封,法兰9上打孔,可以插入溶氧仪探头、pH检测探头和CO2检测探头等在线监测探头。
其中:膜渗透装置2通过第一膜组件卡槽6安装在光生物反应装置1内,膜渗透装置2和渗透液收集装置17通过蠕动泵13相连,渗透液收集装置17通过循环管道与光生物反应装置1相连。
在光生物反应装置中培养微藻,气体供给装置负责提供微藻生长所需要的空气和CO2;通过蠕动泵的抽滤作用,培养液被抽出至渗透液收集装置中,光生物反应装置中的藻浓度进一步增大,可定期采收浓藻液;同时渗透液循环利用作为微藻培养基。微藻的实际生长情况和生长环境可以通过取样口取样和在线监测探头得到,实验人员可以根据实际情况适当调节光照强度、CO2进气量和浓度以及培养液中pH值、溶氧值等等,优化微藻培养条件。
实施例2:高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器(膜渗透装置外置)
本实用新型膜光生物反应器,如图2所示,主要包括光生物反应装置1、光照装置12、气体供给装置10、膜渗透装置2、渗透液收集装置17。光照装置12位于光生物反应装置1的外侧,光生物反应装置1的上部设有第一进样口7和出气口8,下部设有第一出样口5和第一膜组件卡槽6,底部设有第一微孔曝气管4。气体供给装置10通过管道与光生物反应装置1底部的第一微孔曝气管4相连以及与过滤槽3底部的第二微孔曝气管19相连,气体供给装置10包括空气供给装置和CO2供给装置,空气供给装置和CO2供给装置上分别连接气体流量计11。光生物反应装置1的顶部通过法兰上9密封,法兰9上打孔,可以插入各种监测探头。膜渗透装置2和渗透液收集装置17通过蠕动泵13相连,渗透液收集装置13通过循环管道与光生物反应装置1相连。所述光生物反应装置1与过滤槽3的连接管道上、膜渗透装置2与渗透液收集装置17的连接管道上、渗透液收集装置17与光生物反应装置1的连接管道上,均设有流量计。
其中:膜渗透装置2安装在通过管道与光生物反应装置相连的过滤槽3中,过滤槽3上部设有第二进样口16,下部设有第二出样口14、第二膜组件卡槽15,底部设有第二微孔曝气管19;所述第二微孔曝气管19与气体供给装置10相连。
在光生物反应装置中培养微藻,气体供给装置负责提供微藻生长所需要的气体,通过蠕动泵的抽滤作用,过滤槽中的藻浓度增大,培养液被排出至渗透液收集槽中,定期采收浓藻液,同时渗透液循环利用作为微藻培养基。微藻的实际生长情况和生长环境可以通过取样口取样和在线监测探头得到,实验人员可以根据实际情况适当调节光照强度、气体流量、液体流量或者从进样口补加培养成分等。
虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上,但其并非用以限定本实用新型,任何熟悉此技术的人,在不脱离本实用新型的精神和范围内,都可做各种的改动与修饰,因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (10)
1.一种高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,其特征在于,所述膜光生物反应器包括光生物反应装置、光照装置、气体供给装置、膜渗透装置、过滤槽、渗透液收集装置;所述光生物反应装置上部设有第一进样口和出气口,下部设有第一出样口和第一膜组件卡槽,底部设有第一微孔曝气管;所述光照装置位于光生物反应装置外侧;所述气体供给装置通过管道与光生物反应装置底部的第一微孔曝气管相连;所述膜渗透装置直接安装在光生物反应装置内或者安装在通过管道与光生物反应装置相连的过滤槽中;所述膜渗透装置和渗透液收集装置通过蠕动泵相连;所述渗透液收集装置通过循环管道与光生物反应装置相连。
2.根据权利要求1所述的高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,其特征在于,所述膜渗透装置安装在通过管道与光生物反应装置相连的过滤槽中时,过滤槽上部设有第二进样口,下部设有第二出样口、第二膜组件卡槽,底部设有第二微孔曝气管;所述第二微孔曝气管与气体供给装置相连。
3.根据权利要求1所述的高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,其特征在于,所述光生物反应装置顶部由法兰固定并密封。
4.根据权利要求3所述的高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,其特征在于,所述法兰上设有孔,能够插入溶氧检测探头、pH检测探头和CO2检测探头。
5.根据权利要求2所述的高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,其特征在于,所述第一微孔曝气管、第二微孔曝气管、第一出样口、第二出样口处装有阀门,控制开关。
6.根据权利要求1所述的高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,其特征在于,所述气体供给装置包括空气供给装置和CO2供给装置,空气供给装置和CO2供给装置上分别连接气体流量计。
7.根据权利要求1-6任一所述的高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,其特征在于,所述膜渗透装置中使用的膜为平板微滤膜。
8.根据权利要求1-6任一所述的高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,其特征在于,所述循环管道一端连接到光生物反应装置的上部。
9.根据权利要求8所述的高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,其特征在于,所述光照装置是一个或者多个,位于光生物反应装置的两侧或者多侧或者四周。
10.根据权利要求9所述的高密度培养耦合预采收微藻的膜光生物反应器,其特征在于,所述光生物反应装置与过滤槽的连接管道上、膜渗透装置与渗透液收集装置的连接管道上、渗透液收集装置与光生物反应装置的连接管道上,均设有流量计。
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