微藻培养用光生物反应器的制作方法

[0001]
本实用新型涉及微藻培养领域，尤其涉及一种微藻培养用光生物反应器。


背景技术：

[0002]
微藻富含蛋白质、不饱和脂肪酸、藻多糖、β-胡萝卜素、多种微量元素(如cu,fe,se,mn,zn等)、维生素等高价值的营养成分，在饲料、食品、医药等领域应用广泛。目前，在可再生能源、环境治理等新兴领域也发挥着越来越重要的作用。
[0003]
微藻生物技术应用的基础在于微藻的低成本与规模化培养，而微藻规模化培养的核心是光生物反应器，目前主要有开放式培养装置和封闭式光生物反应器两种。开放式培养是最古老也是应用最为普遍的一种方式，目前世界各国尤其是我国仍然将其作为微藻工业化培养的主要方式。其中以跑道式培养池、圆形培养池最为常见。该培养方式的主要优点是构造简单、成本低廉及操作简便。缺点是光能利用率低，受外界环境因素(温度、光照等气候条件)的影响大，易被污染，水分蒸发大，生产效率低。
[0004]
封闭式光生物反应器有多种形式，如柱式、管式和平板式。相比于开放式培养，封闭式培养受外界环境影响较小，不容易受污染，节约水资源，培养密度相对较高，采收成本低，缺点是投资成本高、升温或降温等所造成能耗较大。为了克服封闭式培养成本高的缺陷，一方面需要降低培养所需的材料、能耗成本；另一方面需要大幅度提高藻液中的细胞密度和产率。虽然封闭式培养的产率要高于开放式培养，但是微藻的光能利用率仍然很低。设法提高微藻细胞对光能的利用率是提高产率、降低成本的重要途径。
[0005]
对于光合自养型的微藻，光照是生长及产物积累的必要条件，而且微藻生长需要一定强度的光照(光补偿点)及持续时间，否则会出现光限制现象，即由于光强及光照时间的不足导致微藻的生长受到限制，严重时可导致微藻细胞的死亡。光照强度超过光补偿点后，随着光照强度增强，光合速率逐渐提高，这时光合强度就超过呼吸强度，藻细胞分裂并积累干物质。但达到一定值后，再增加光照强度，光合速率却不再增加，此即光饱和现象。光照强度继续增强，则会出现光抑制的现象，藻细胞会由于细胞色素捕获的过多的光子无法淬灭导致光氧化而出现生长抑制直至死亡等现象。因此光生物反应器的核心在于使得微藻细胞处于合适的光照强度及时间的区间范围内。
[0006]
由于藻细胞间的自遮挡效应，在光生物反应器内的藻液中，沿着光照方向有着严重的光衰减现象。达到一定的细胞密度时，光线在藻液内传播会迅速衰减，光的穿透距离(光径)为几毫米至几厘米不等。光生物反应器内事实上可分为靠近光照一侧内壁面的光区与之外的暗区两部分。当微藻细胞在光生物反应器的光区与暗区之间来回穿梭，使得微藻细胞及时回到光区再次接受光照，这样才能使进入光生物反应器的光量子被充分利用。因此通过使微藻细胞在光区与暗区之间高频率来回穿梭，可以提高总体的光能利用率和微藻细胞的产量。因此促进藻细胞在光生物反应器内的光暗区之间的有序循环极其重要。
[0007]
然而，在常规的光生物反应器中，藻细胞长时间处于光区或暗区，无法实现在光区与暗区之间的有序循环，藻细胞长时间位于光区会产生光抑制甚至光损伤，而距光区较远
的藻细胞却长时间处于光限制状态，使得光能利用率不高。
[0008]
另一方面，藻液当中的气液交换非常重要，光合作用吸收二氧化碳并释放氧气，微藻细胞的呼吸作用则反之。这些都要求藻液与外部空气之间的充分交换。此外藻液当中的无机营养元素的吸收及细胞代谢废物的外排也要求藻液进行充分的混合。由于藻细胞通常比水略重，良好的混合也能避免藻细胞的沉降及由此引发的生长受阻的状况。


技术实现要素：

[0009]
本实用新型实施例的目的在于提供一种微藻培养用光生物反应器，以解决现存的光生物反应器的普遍性问题：随着藻细胞密度的提高，光衰减增强，光径变短导致反应器内不同区域的藻细胞受光不均，反应器体积变大时，光暗区体积比迅速减少，光能利用效率低、藻细胞生长受限的问题。本光生物反应器采用“鼓泡-气升-搅拌”一体的形式，实现微藻在光暗区之间有序穿梭循环提高微藻在光照区停留的时间，培养液中气液交换充分，混合良好，尤其是针对粘度较高的微藻培养液。
[0010]
为了达到上述目的，本实用新型实施例所采用的技术方案如下：
[0011]
本实用新型实施例提供一种微藻培养用光生物反应器，包括：
[0012]
光生物反应器本体；
[0013]
通气及气液混合装置，设置在所述光生物反应器主体底部，用于提供微藻培养所需的co
2
传质并实现气液交换，同时解析溶氧；
[0014]
导流装置，悬挂设置在所述光生物反应器主体内部，将所述光生物反应器主体内部分为光区和暗区，其中所述光区为导流装置与光生物反应器主体内壁之间的区域，所述暗区为导流装置内部的区域，导流装置用于促进液体循环及气液传质；
[0015]
光源，用于给微藻提供光照；
[0016]
搅拌及轴向流动推进装置，包括搅拌轴、安装在所述搅拌轴上部的上部搅拌桨以及安装在所述搅拌轴下部的下部搅拌桨，所述下部搅拌桨用于提供涡流以实现气液交换、二氧化碳传质及氧气的解析，所述上部搅拌桨用于促进藻液在光区和暗区间的穿梭循环，增加微藻在光区的停留时间，提高微藻对光能的利用效率，避免光限制及光抑制现象的产生。
[0017]
进一步地，所述光生物反应器主体为柱状结构，其顶部设置有带出气口的可拆卸反应器封盖，底部连接有通气装置。
[0018]
进一步地，所述光生物反应器本体的高径比为1～10：1，导流筒的直径(内径)与光生物反应器本体直径(内径)之比为0.2～0.8:1；所述光生物反应器本体的罐体直径(内径)为0.01-0.5m。
[0019]
进一步地，所述光生物反应器主体底部设置为平底状。
[0020]
进一步地，所述搅拌及轴向流动推进装置所用材质为不锈钢材质或者聚四氟乙烯有机材质。
[0021]
进一步地，所述通气及气液混合装置产生的气泡的直径为10-100μm。
[0022]
进一步地，所述光源设置在所述光生物反应器主体外周，包括功率可调的圆环型光源。
[0023]
进一步地，所述圆环型的光源与微藻培养液的流动方向垂直。
[0024]
进一步地，所述圆环型的光源的发光段的长度为0.5～5m。
[0025]
进一步地，所述圆环型的光源的截面可以是圆形或方形，优选圆形。所述圆环型的光源的实现方式包括但不限于用多个点光源在带或管上排布实现，和/或将外部光源的光导入分段发光的导光管或光棒。
[0026]
进一步地，所述多个点光源在带或管上排布的实现方式下可以采用发光二极管(led)，优选聚光型led；此时带或管状光源需要置入透明的光源套管，光源套管再固定在柱式反应器的外周。
[0027]
进一步地，所述圆环型光源的数量按照下述原则计算：光反应器内单位体积培养液的总光能为4～10kw m-3
。其中，每个圆环型光源发出的光能用通用标准方法测量。
[0028]
进一步地，所述导流装置通过设置在其上、下两端的支点悬挂在所述光生物反应器主体腔体内部。这里的支点可以采用导流筒支柱和反应器侧面支撑架分别对导流筒在轴向和径向进行固定。
[0029]
进一步地，所述导流装置、通气及气液混合装置、搅拌及轴向流动推进装置共同作用将所述光生物反应器主体腔体内部划分为上升区和下降区，所述上升区是指位于所述导流装置内部的所述光生物反应器主体腔体部分，所述下降区是指位于所述导流装置外部的所述光生物反应器主体腔体部分，所述上升区和下降区分别与暗区和光区相对应。
[0030]
进一步地，所述光生物反应器本体还可以设置夹套、视窗和传感器插口，所述封盖上还可以设置排气口、传感器插口等，所述光生物反应器本体、导流筒、封盖的材质可以选用任意对藻细胞无害又可加工成型的透明材质，如玻璃、有机玻璃等。
[0031]
进一步地，通气及气液混合装置可以采用气体分布器，可以采用通常的气升式反应器的气体分布器材质，优选不锈钢多孔烧结板。
[0032]
进一步地，所述光生物反应器本体的通气量(比)采用一般的气升式反应器的通气量，优选0.01-1vvm。
[0033]
进一步地，所述搅拌及轴向流动推进装置优先选用不锈钢或者聚四氟乙烯材质制作的斜叶桨(上部搅拌桨)和拉什顿桨(下部搅拌桨)的组合。其余可采用的搅拌桨组合包括任意一款涡轮桨与推进桨的组合。
[0034]
根据以上技术方案，本实用新型的有益效果如下：藻细胞在光区及暗区间的穿梭循环显著加快，在暗区的流速快、停留时间短。提高微藻规模培养的光能利用率，提高单位光照面积的产量，光照面积大，液体混合好，气液传质强度高，剪切力低对细胞损伤小、操作简便。培养的藻细胞密度高，采收等后道工序较为方便。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为本实用新型实施例提供的一种微藻培养用光生物反应器的透视示意图；
[0037]
图2为本实用新型实施例提供的一种微藻培养用光生物反应器的俯视图；
[0038]
图3为本实用新型实施例与对照例培养结束时藻细胞干重结果比较；
[0039]
图4为本实用新型实施例提供的一种微藻培养用光生物反应器内部流场速率分布图；
[0040]
附图标识：1、光生物反应器本体；2、导流筒；3、气体分布器；41、搅拌电机；42搅拌轴；43、上部搅拌桨；44、下部搅拌桨；5、封盖；6、圆环型光源；7、光区；8、暗区。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本实用新型的实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0042]
下面结合附图对本实用新型的反应器进行进一步的说明。
[0043]
如图1和图2所示，本实用新型实施例提供一种微藻培养用光生物反应器，包括光生物反应器本体1、通气及气液混合装置、导流装置、光源、搅拌及轴向流动推进装置，所述通气及气液混合装置设置在所述光生物反应器主体底部，用于提供微藻培养所需的co
2
传质并实现气液交换，同时解析溶氧；所述导流装置悬挂设置在所述光生物反应器主体内部，将所述光生物反应器主体内部分为光区7和暗区8，其中所述光区7为导流装置与光生物反应器主体内壁之间的区域，所述暗区8为导流装置内部的区域，导流装置用于促进液体循环及气液传质；所述光源设置在所述光生物反应器主体外周，用于给微藻提供光照；所述搅拌及轴向流动推进装置包括搅拌轴42(由搅拌电机41驱动)、安装在所述搅拌轴42上部的上部搅拌桨43以及安装在所述搅拌轴42下部的下部搅拌桨44，所述下部搅拌桨44用于提供涡流以实现气液交换、二氧化碳传质及氧气的解析，所述上部搅拌桨43用于促进藻液在光区和暗区间的穿梭循环。
[0044]
本实施例中导流装置采用导流筒2，当然部件限于图示的结构。
[0045]
本实施例中通气及气液混合装置采用气体分布器3，当然部件限于图示的结构。
[0046]
本实施例中，所述光生物反应器主体为柱状结构，其顶部设置有带出气口的可拆卸反应器封盖5。
[0047]
本实施例中，所述光源包括功率可调的圆环型光源6。
[0048]
本实用新型所述的一种微藻培养用光生物反应器应用到微藻培养过程，主要包括按照配方进行特定体积的培养基的配制、过滤除菌、接种、过程检测、藻液采收等步骤。
[0049]
对照例
[0050]
在小试规模的反应器中开展对比实验，1l鼓泡柱式反应器使用玻璃材料，其规格尺寸如下；内径46mm，壁厚2mm，高度600mm。装液量700ml。双侧光照射，反应器表面光照强度400μe m-2 s-1
。通过直径为2mm的不锈钢管伸入反应器底部进行鼓泡通气。
[0051]
在该反应器中培养海洋微藻紫球藻porphyridium cruentum，培养液是以硝酸钾为氮源的asw培养基。装液量为700ml，接种密度为0.8g l-1
。通入含co
2
体积分数为5％的空气二氧化碳混合气，通气量为0.14l min-1
，控制培养温度为25
±
1℃。藻细胞终密度达到13.85g l-1
，体积产率为0.87g l-1 d-1
。
[0052]
实施例一(全)
[0053]
光生物反应器本体1采用高透光有机玻璃制成，厚度5mm，内径180mm，反应器高为
500mm；导流筒用有机玻璃，厚度5mm，内径120mm，高为360mm，下沿距本体底部的距离为20mm；通过支撑杆固定于底面；圆环型光源直径220mm，上中下等距离分布3个圆环型光源，每个发光圆环带长度700mm，由2圈led构成，每一圈排布双芯3528型、最大功率为0.15w的发光二极管贴片35个。实际测量每个棒状光源发出的光能为10.5w，进入培养液的总光能为31.5w。反应器外表面光照强度400μe m-2 s-1
。底部气体分布器的外壳用不锈钢制成，通气面为直径40mm的不锈钢烧结多孔板，平均孔径为60μm。反应器总容积12l，有效容积(装液量)为10l。搅拌电机固定于反应器顶部，搅拌轴及搅拌桨垂直伸入液面以下，下部搅拌桨为六叶拉什顿桨，上部搅拌桨为四叶斜叶桨。搅拌电机功率500w，搅拌桨伸展直径90mm。搅拌转速设置为400rpm。
[0054]
在该反应器中培养海洋微藻紫球藻porphyridium cruentum，培养液是以硝酸钾为氮源的asw培养基。装液量为10l，接种密度为0.8g l-1
。通入含co
2
体积分数为5％的空气二氧化碳混合气，通气量为2l min-1
，控制培养温度为25
±
1℃。藻细胞终密度达到12.32g l-1
，体积产率为0.77g l-1 d-1
。
[0055]
实施例二(体积放大)
[0056]
光生物反应器本体1采用高透光有机玻璃制成，厚度8mm，内径180mm，反应器高为1.5m；导流筒用有机玻璃，厚度5mm，内径120mm，高为1.35m，下沿距本体底部的距离为20mm；通过支撑杆固定于底面；圆环型光源直径220mm，上中下等距离分布7个圆环型光源，每个发光圆环带长度700mm，由2圈led构成，每一圈排布双芯3528型、最大功率为0.15w的发光二极管贴片35个。实际测量每个棒状光源发出的光能为10.5w，进入培养液的总光能为73.5w。反应器外表面平均光照强度400μe m-2 s-1
。底部气体分布器的外壳用不锈钢制成，通气面为直径40mm的不锈钢烧结多孔板，平均孔径为60μm。反应器总容积36l，有效容积(装液量)为30l。搅拌电机固定于反应器顶部，搅拌轴及搅拌桨垂直伸入液面以下，下部搅拌桨为六叶拉什顿桨，上部搅拌桨为四叶斜叶桨。搅拌电机功率1.5kw，搅拌桨伸展直径90mm。搅拌转速设置为400rpm。
[0057]
在该反应器中培养海洋微藻紫球藻porphyridium cruentum，培养液是以硝酸钾为氮源的asw培养基。装液量为30l，接种密度为0.8g l-1
。通入含co
2
体积分数为5％的空气二氧化碳混合气，通气量为6l min-1
，控制培养温度为25
±
1℃。藻细胞终密度达到12.01g l-1
，体积产率为0.75g l-1 d-1
。
[0058]
实施例三(通气搅拌式)
[0059]
光生物反应器本体1采用高透光有机玻璃制成，厚度5mm，内径180mm，反应器高为500mm；内部不设置导流筒。外周圆环型光源直径220mm，上中下等距离分布3个圆环型光源，每个发光圆环带长度700mm，由2圈led构成，每一圈排布双芯3528型、最大功率为0.15w的发光二极管贴片35个。实际测量每个棒状光源发出的光能为10.5w，进入培养液的总光能为31.5w。反应器外表面光照强度400μe m-2 s-1
。底部气体分布器的外壳用不锈钢制成，通气面为直径40mm的不锈钢烧结多孔板，平均孔径为60μm。反应器总容积12l，有效容积(装液量)为10l。搅拌电机固定于反应器顶部，搅拌轴及搅拌桨垂直伸入液面以下，下部搅拌桨为六叶拉什顿桨，上部搅拌桨为四叶斜叶桨。搅拌电机功率500w，搅拌桨伸展直径90mm。搅拌转速设置为400rpm。
[0060]
在该反应器中培养海洋微藻紫球藻porphyridium cruentum，培养液是以硝酸钾
为氮源的asw培养基。装液量为10l，接种密度为0.8g l-1
。通入含co
2
体积分数为5％的空气二氧化碳混合气，通气量为2l min-1
，控制培养温度为25
±
1℃。藻细胞终密度达到6.16g l-1
，体积产率为0.39g l-1 d-1
。
[0061]
实施例四(气升式)
[0062]
光生物反应器本体1采用高透光有机玻璃制成，厚度5mm，内径180mm，反应器高为500mm；导流筒用有机玻璃，厚度5mm，内径120mm，高为360mm，下沿距本体底部的距离为20mm；通过支撑杆固定于底面；圆环型光源直径220mm，上中下等距离分布3个圆环型光源，每个发光圆环带长度700mm，由2圈led构成，每一圈排布双芯3528型、最大功率为0.15w的发光二极管贴片35个。实际测量每个棒状光源发出的光能为10.5w，进入培养液的总光能为31.5w。反应器外表面光照强度400μe m-2 s-1
。底部气体分布器的外壳用不锈钢制成，通气面为直径40mm的不锈钢烧结多孔板，平均孔径为60μm。反应器总容积12l，有效容积(装液量)为10l。不设搅拌电机、搅拌轴及搅拌桨。
[0063]
在该反应器中培养海洋微藻紫球藻porphyridium cruentum，培养液是以硝酸钾为氮源的asw培养基。装液量为10l，接种密度为0.8g l-1
。通入含co
2
体积分数为5％的空气二氧化碳混合气，通气量为2l min-1
，控制培养温度为25
±
1℃。藻细胞终密度达到7.01g l-1
，体积产率为0.44g l-1 d-1
。
[0064]
实施例五(鼓泡式)
[0065]
光生物反应器本体1采用高透光有机玻璃制成，厚度5mm，内径180mm，反应器高为500mm；不设置导流筒；外周圆环型光源直径220mm，上中下等距离分布3个圆环型光源，每个发光圆环带长度700mm，由2圈led构成，每一圈排布双芯3528型、最大功率为0.15w的发光二极管贴片35个。实际测量每个棒状光源发出的光能为10.5w，进入培养液的总光能为31.5w。反应器外表面光照强度400μe m-2 s-1
。底部气体分布器的外壳用不锈钢制成，通气面为直径40mm的不锈钢烧结多孔板，平均孔径为60μm。反应器总容积12l，有效容积(装液量)为10l。不设置搅拌电机、搅拌轴及搅拌桨。
[0066]
在该反应器中培养海洋微藻紫球藻porphyridium cruentum，培养液是以硝酸钾为氮源的asw培养基。装液量为10l，接种密度为0.8g l-1
。通入含co
2
体积分数为5％的空气二氧化碳混合气，通气量为2l min-1
，控制培养温度为25
±
1℃。藻细胞终密度达到2.85g l-1
，体积产率为0.18g l-1 d-1
。
[0067]
实施例六(在其他藻类培养上的应用)
[0068]
同实施例1中所用的、本实用新型所述的反应器中培养淡水小球藻chlorella vulgaris，培养液是以nano
3
为氮源的bg-11培养基。装液量为10l，接种密度为0.3g l-1
。通入含co
2
体积分数为3％的空气二氧化碳混合气，通气量为2l min-1
，控制培养温度为25
±
1℃。培养7天后藻细胞终密度达到3.5g l-1
，体积产率为0.46g l-1 d-1
。
[0069]
在该反应器中培养海洋饵料微藻球等边金藻isochrysis galbana，培养液是以nano3为氮源的2f海水培养基。装液量为10升，接种密度为0.2g l-1
。通入含co
2
体积分数为3％的空气二氧化碳混合气，通气量为2l min-1
，控制培养温度为25
±
1℃，搅拌转速降至150rpm(由于该藻有鞭毛，为降低桨叶对鞭毛的影响)。培养7天后藻细胞终密度达到1.5g l-1
，体积产率为0.19g l-1 d-1
。
[0070]
通过实施例1、2和对比实施例的结果看出，通过本实用新型对柱式反应器内部构
造及通气搅拌装置等组合，提高微藻规模培养的光能利用率，藻细胞终密度和体积产率均得到很大程度的提高，与小试反应器中理想光照、混合条件下的结果接近(详见图3)，表明本实用新型所述光生物反应器的体积放大是可行的。
[0071]
实施例1、2与实施例3～5的比较结果表明，本实用新型的光生物反应器的微藻细胞产率是传统培养装置培养结果的2～4倍。而且随着反应器体积的扩大，提升的产率倍数更大。
[0072]
通过实施例4与5的结果之间的比较，本实用新型所述的光生物反应器在高度上的放大切实可行，培养终细胞密度未受体积放大的显著影响，原因在于光区和暗区的划分及微藻在两个区域的快速穿梭循环，尤其是在暗区具有沿轴线向上的更大的平均速率，因此在该区域的停留时间更短(详见图4)。而光反应器的放大是规模化培养的瓶颈。本实用新型的反应器有望为其他类型的光生物反应器的放大提供参考。
[0073]
实施例6验证了本实用新型的光生物反应器在其他微藻(包括淡水及海水藻、有鞭毛和无鞭毛藻)培养中的运用，与已有的可公开获取的数据相比，本实用新型培养微藻的细胞产率较高。说明了本实用新型具有极广泛的实用价值。
[0074]
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本实用新型的权利要求保护范围之内。

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