CN207713715U - 一种阵列柱式光反应器单元及含有该单元的微藻培养系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于微藻养殖领域，具体地说是一种阵列柱式光反应器单元及含有该单元的微藻培养系统，连接箱体上沿长度方向均匀设置有多根立柱，每根立柱分别与连接箱体密封插接，每根立柱的一端位于连接箱体内，另一端设有上盖；补气管容置于连接箱体内，一端通过连接箱体上一侧开设的进气口与所述输气管相连通，另一端为位于连接箱体内的盲端或与连接箱体上另一侧开设的进气口相连；连接箱体上连通向光反应器单元中送入培养液和藻细胞的输液管。本实用新型简化了反应器的结构，提高了安装的效率、可靠性和反应器内二氧化碳供应以及分子氧去除的效率，降低了培养过程的能耗，最终提高了微藻生产效率和降低反应器的制造运行成本。

Description

一种阵列柱式光反应器单元及含有该单元的微藻培养系统

技术领域

本实用新型属于微藻养殖领域，具体地说是一种阵列柱式光反应器单元及含有该单元的微藻培养系统。

背景技术

微藻通过利用光能和CO₂合成蛋白质、脂肪和碳水化合物等有机组分，在地球的碳素循环和能量循环中发挥重要作用。许多微藻在胞内或胞外产生丰富的多不饱和脂肪酸、活性多糖和天然色素等高值生物活性物质，因此成为食品、饲料、燃料和医药等领域的重要材料来源。

在全球范围内，微藻生物技术行业正在迅速形成一条规模巨大的完整产业链，但微藻的高效规模培养仍然是影响微藻生产及成本的关键环节。目前，微藻的培养一般采用跑道式培养池、圆池、管道式光生物反应器、平板式光反应器等多种开放或密闭的反应器。跑道式培养池、圆池等具有装备造价低的优点，但是培养效率低、易受环境变化影响且易受敌害生物的污染。管道光反应器具有比表面积大、容积比大、不易污染、物料交换效率高、易于工艺放大等优点，培养微藻的生物质产率更高，有效生物成分的积累也更容易控制，因而广泛用于微藻的工业化培养。

现有的管道光反应器系统包括水平式、螺管式和立柱式等。水平式和螺管式管道光反应器系统内培养液的流动主要通过水泵来驱动。在规模生产实践中，为达到大的培养容积，管道往往长达数百米甚至数千米。一方面，过长的管道抑制了二氧化碳的均匀供给和氧气的释放，从而导致培养液供碳不足和氧过量富集产生氧化胁迫，从而抑制微藻生长。另一方面，在长的管道中为提高物料交换速率和保持藻细胞的良好悬浮，通常采用泵送的方式实现培养液进出和在管道内的流动，培养液泵送量大、能耗高，且水泵的机械剪切和管道内大流速的培养液剪切易对藻细胞产生损伤，严重影响藻细胞生长。与之相比，立柱式管道反应器中采用气升式曝气装置，上升的气泡流一方面使培养液能够混合良好并使藻细胞保持良好悬浮，另一方面强化了气泡中二氧化碳向培养液中的溶解传递以及培养液中藻细胞光合生长产生的氧气向气泡的传递，从而实现了补碳排氧，且气泡搅拌均匀，对藻细胞剪切损伤小。

然而，立柱式管道反应器在实际应用于微藻规模培养时仍然存在一些问题，比如传统的立柱式反应器均使用从顶端插入一根通气管及(或)曝气元件来曝气，藻细胞容易粘附在这些部件之上结疤而导致难于清洗的问题；而且，顶端通气由于通气分布不均，导致反应器底部存有死角，从而发生细胞沉降现象。此外，在规模生产中，往往需要成千上万根独立的立柱式光反应器组合才能达到培养规模，每一个立柱为实现其功能都需要通气管、底部和连接管道等多个部件，安装非常复杂，成本较高。上述问题成为制约立柱式光反应器发展和生产实践的瓶颈问题。

实用新型内容

为了解决现有立柱式管道反应器存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种阵列柱式光反应器单元及含有该单元的微藻培养系统。本实用新型简化了反应器的结构，提高了安装的效率和可靠性；同时，提高了反应器内二氧化碳供应和分子氧去除的效率，降低了培养过程的能耗，最终提高了微藻生产效率和降低反应器的制造运行成本。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

本实用新型包括连接箱体、立柱、补气管、输液管、输气管及上盖，其中连接箱体上沿长度方向均匀设置有多根立柱，每根所述立柱分别与连接箱体密封插接，每根所述立柱的一端位于连接箱体内，另一端设有上盖；所述补气管容置于连接箱体内，一端通过该连接箱体上一侧开设的进气口与所述输气管相连通，另一端为位于连接箱体内的盲端或与所述连接箱体上另一侧开设的进气口相连；所述连接箱体上连通向光反应器单元中送入培养液和藻细胞的输液管；

其中：所述立柱为玻璃立柱，呈中空的圆柱状，各所述立柱的轴向中心线与所述连接箱体长度方向的中心线垂直相交；所述补气管为开设有孔的高分子材料管或金属材料管，其长度方向与所述连接箱体的长度方向相同；所述连接箱体长度方向相对的两侧端面中，任一侧端面上或两侧端面上开设有进气口；所述连接箱体的侧面上开设有多个进气口；

所述连接箱体的上表面为平面，该平面上沿长度方向均匀开设有多个圆孔，每个圆孔中均插有一根立柱，所述立柱通过密封圈与圆孔实现密封；所述密封圈的顶部为圆环形，其轴向的截面为“U”形；所述连接箱体的端面为方形、三角形或半圆形。

本实用新型含有阵列柱式光反应器单元的微藻培养系统，包括至少两个阵列柱式光反应器单元，各所述阵列柱式光反应器单元并联或串联连接；

其中：各所述阵列柱式光反应器单元中的输液管并联或串联连接，各所述阵列柱式光反应器单元中的输气管并联或串联连接。

本实用新型的优点与积极效果为：

1.本实用新型提供的阵列柱式光反应器单元结构简单，包含的零部件少，解决了安装和维护繁琐的问题，降低了制造成本。

2.本实用新型使用上升气流加速物质传递和促进藻细胞悬浮，大大提高了二氧化碳的吸收和传质效率，同时避免藻细胞沉积和粘壁。

3.本实用新型提供的光反应器单元适宜批量生产，通过光反应器单元数目的简单叠加实现快速提高生产规模，有助于管道式光反应器的大规模应用。

附图说明

图1为本实用新型阵列柱式光反应器单元实施例一的立体结构示意图；

图2为本实用新型阵列柱式光反应器单元实施例一的长度方向剖面图；

图3A为本实用新型新型阵列柱式光反应器单元实施例一的侧视图；

图3B为本实用新型新型阵列柱式光反应器单元实施例二的侧视图；

图3C为本实用新型新型阵列柱式光反应器单元实施例三的侧视图；

其中：1为连接箱体，2为密封圈，3为立柱，4为补气管，5为输液管，6为输气管，7为上盖。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

实施例一

如图1、图2及图3A所示，阵列柱式光反应器单元包括连接箱体1、密封圈2、立柱3、补气管4、输液管5、输气管6及上盖7，其中连接箱体1是由金属材料(如不锈钢或铝合金)或高分子材料(聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯中的一种或两种以上)制成的管件；本实施例的连接箱体1使用不锈钢材质制成，为方形管(端面为方形)，顶面为平面；在顶面上沿长度方向均匀开设有多个圆孔，每个圆孔中均插有一根立柱3，立柱3通过密封圈2与圆孔实现密封。本实施例在连接箱体1的顶面上开有三个直径为64mm的圆孔，相邻圆孔的中心距为120mm。在每个圆孔内放置一密封圈2，之后将立柱3的一端插入密封圈2并沿圆孔的轴向方向推抵进入连接箱体1内，另一端设有上盖7。立柱3为玻璃立柱，呈中空的圆柱状，各立柱3的轴向中心线与连接箱体1长度方向的中心线垂直相交。补气管4容置于连接箱体1内，连接箱体1长度方向相对的两侧端面中，任一侧端面上或两侧端面上开设有进气口；本实施例是在两侧端面上均开设有进气口，其中一侧的进气口连接有输气管6。补气管4的一端通过连接箱体1上长度方向相对的一侧端面开设的进气口与输气管6相连通，另一端为位于连接箱体1内的盲端或与连接箱体1上另一侧开设的进气口相连；本实施例的补气管4的另一端与连接箱体1上另一侧开设的进气口相连。各立柱3插入连接箱体1时，当接触到连接箱体1内的补气管4或其他定位元件时即已安装到位。本实施例的密封圈2的顶部为圆环形，其高度方向的截面为“U”形；密封圈2由弹性材料(如橡胶)制成，位于立柱3外周与连接箱体1顶面上开设的圆孔之间，安装到位后立柱3挤压密封圈2而达到密封效果。连接箱体1上连通有输液管5，使用时通过输液管5将培养液和藻细胞送入光反应器单元中。

本实施例的补气管4为开设有孔的高分子材料管或金属材料管，金属材料可为不锈钢或铝合金，高分子材料可为聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯中的一种或两种以上。补气管4的长度方向与连接箱体1的长度方向相同。

为了防止通气不均匀，本实施例的连接箱体1可采用分段加气；即，在连接箱体1的侧面上开设多个进气口，侧面上开设的进气口可每隔3—10米开设一个。

本实用新型的工作原理为：

使用时，通过输液管5将培养液和藻细胞输送进入光反应器单元中，通过外部供气系统将空气经输气管6压入光反应器单元中，带动藻细胞在光反应器单元中均匀悬浮。

实施例二

如图3B所示，本实施例与实施例一的区别在于：本实施例的连接箱体1使用聚丙烯材质制成，连接箱体1的端面为等腰三角形，顶角角度介于60～90°之间，顶面开有三个直径32mm的圆孔，相邻圆孔的中心距为100mm。在每个圆孔内放置一密封圈2，之后将立柱3的一端插入密封圈2并沿圆孔的轴向方向推抵进入端面为等腰三角形的连接箱体1内，当接触到等腰三角形的两个内壁时即已安装到位。其余均与实施例一完全相同。

实施例三

如图3C所示，本实施例与实施例一的区别在于：本实施例的连接箱体1使用聚氯乙烯材质制成，连接箱体1的端面为半圆形，顶面开有三个直径52mm的圆孔，相邻圆孔的中心距为200mm。在每个圆孔内放置一密封圈2，之后将立柱3的一端插入密封圈2并沿圆孔的轴向方向推抵进入端面为半圆形的连接箱体1内，当接触到半圆形的内壁时即已安装到位。其余均与实施例一完全相同。

一种含有阵列柱式光反应器单元的微藻培养系统，包括至少两个阵列柱式光反应器单元，各阵列柱式光反应器单元并联或串联连接。各阵列柱式光反应器单元中的输液管5并联或串联连接，各阵列柱式光反应器单元中的输气管6并联或串联连接。

实施例四

一种含有阵列柱式光反应器单元的微藻培养系统，将四个250L阵列柱式光反应器单元通过各自末端的输液管5并联连接，之后通过管道与水泵及储液罐连接；将四个阵列柱式光反应器单元的输气管6并联连接，之后通过管道与鼓风机及二氧化碳储罐连接，组成一个完整的1000L培养容积的微藻培养系统。应了解，通过将多个阵列光反应器单元通过串联连接或并联连接，以及二者并用的方式，可以组合形成培养容积更大的微藻培养系统。

Claims (10)

1.一种阵列柱式光反应器单元，其特征在于：包括连接箱体(1)、立柱(3)、补气管(4)、输液管(5)、输气管(6)及上盖(7)，其中连接箱体(1)上沿长度方向均匀设置有多根立柱(3)，每根所述立柱(3)分别与连接箱体(1)密封插接，每根所述立柱(3)的一端位于连接箱体(1)内，另一端设有上盖(7)；所述补气管(4)容置于连接箱体(1)内，一端通过该连接箱体(1)上一侧开设的进气口与所述输气管(6)相连通，另一端为位于连接箱体(1)内的盲端或与所述连接箱体(1)上另一侧开设的进气口相连；所述连接箱体(1)上连通向光反应器单元中送入培养液和藻细胞的输液管(5)。

2.根据权利要求1所述的阵列柱式光反应器单元，其特征在于：所述立柱(3)为玻璃立柱，呈中空的圆柱状，各所述立柱(3)的轴向中心线与所述连接箱体(1)长度方向的中心线垂直相交。

3.根据权利要求1所述的阵列柱式光反应器单元，其特征在于：所述补气管(4)为开设有孔的高分子材料管或金属材料管，其长度方向与所述连接箱体(1)的长度方向相同。

4.根据权利要求1所述的阵列柱式光反应器单元，其特征在于：所述连接箱体(1)长度方向相对的两侧端面中，任一侧端面上或两侧端面上开设有进气口。

5.根据权利要求1所述的阵列柱式光反应器单元，其特征在于：所述连接箱体(1)的侧面上开设有多个进气口。

6.根据权利要求1所述的阵列柱式光反应器单元，其特征在于：所述连接箱体(1)的上表面为平面，该平面上沿长度方向均匀开设有多个圆孔，每个圆孔中均插有一根立柱(3)，所述立柱(3)通过密封圈(2)与圆孔实现密封。

7.根据权利要求6所述的阵列柱式光反应器单元，其特征在于：所述密封圈(2)的顶部为圆环形，其轴向的截面为“U”形。

8.根据权利要求1所述的阵列柱式光反应器单元，其特征在于：所述连接箱体(1)的端面为方形、三角形或半圆形。

9.一种含有权利要求1至8任一权利要求所述阵列柱式光反应器单元的微藻培养系统，其特征在于：包括至少两个阵列柱式光反应器单元，各所述阵列柱式光反应器单元并联或串联连接。

10.根据权利要求9所述的微藻培养系统，其特征在于：各所述阵列柱式光反应器单元中的输液管(5)并联或串联连接，各所述阵列柱式光反应器单元中的输气管(6)并联或串联连接。