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CN101935610B - 一种多组鼓泡式光生物反应器 - Google Patents

一种多组鼓泡式光生物反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多组鼓泡式光生物反应器，它包括箱体、鼓泡式光生物反应单元，主导气管、光源和控制系统，两个以上的鼓泡式光生物反应单元成排置于箱体内，主导气管通过气体分布支管连接到鼓泡式光生物反应单元内的鼓气管及气体分布器，光源置于鼓泡式光生物反应单元的两侧，控制系统包括温度控制系统和光源控制系统用以控制箱体内的温度和光源的强度。本发明为实验室和小试规模的微藻培养提供了一种批量、可控、成熟的设备。

Description

一种多组鼓泡式光生物反应器
技术领域
本发明属于生物反应装置技术领域，涉及一种多组鼓泡式光生物反应器，尤其设计一种适用于微藻培养的多组鼓泡式光生物反应器。
背景技术
微藻作为一种重要的生物质资源，具有分布广、生物量大、CO2利用率高、环境适应性强、生长周期短和产量高等突出特点，是进行生物炼制的优良材料，它在生产微藻燃料、开发微藻生物制剂和提取生物活性物质等方面具有广阔的开发前景。许多微藻富含蛋白质、多糖、油脂、类胡萝卜素和不饱和脂肪酸等多种生物活性物质，是人类重要的生物资源库。藻类资源已成为食品、药物，生物能源产品的重要宝库。微藻生物质是生产生物活性物质、生物材料和生物燃料的优良原料。利用微藻或工程微藻等微藻生物质资源生产化石资源替代产品，特别是生物柴油，可为生物能源产业开辟一条新的技术路径，能有效解决生物燃料产业的原料瓶颈，为生物燃料产业的健康、稳定和可持续发展提供新的思路，从而实现化石资源的替代和社会经济的可持续发展。目前。全球的研究热点都开始集中在微藻生物炼制这一技术。微藻生物炼制技术即指以光合作用为基础，通过微藻细胞的光生物反应器规模化培养，生产生物质燃料和生物活性产品的一种技术
微藻的全球性研发浪潮已经来临，但世界各国在该领域的研发工作基本上还停留在实验研究和中试论证的起步阶段，尚未实现规模化制备。这主要是因为微藻研发过程中存在的技术难点较多，其中作为研究载体的高效光生物反应器的研制是主要瓶颈之一，因此该方向一直是微藻培养和微藻固定CO2技术的研究热点。
光生物反应器优化设计的目标主要涉及四个方面：(1)增大反应器的比表面积。光生物反应器的形式各种各样，有开放式的，也有密闭式(主要分管式、板式和锥式三类)，其中开放式的比表面积较大；(2)增强气液传质效率。一般通过设计附属器件结构来改善微藻培养过程中气液传质效果，如气液交换器、冷凝器、超滤装置、混和装置以及营养物的供应装置；(3)提供高效光源。大量研究表明微藻吸收CO2产O2速率，很大程度取决于光照条件。改善光照条件需要解决两个问题，一个是高效光源提供，另一个是光线在反应器内的有效分布。除了可以利用太阳光和普通的荧光灯作为光源外，还开发了利用发光二级管、光导纤维以及闪光灯作为光源的各种光生物反应器。光源的位置可分为外置式和内置式两种，内置式可以显著改善光线的分布，提高光源利用率，但制作成本较高。另外，各种光照操作条件，如光质、光强、光暗比以及光照时间等，对微藻生长也有很大影响；(4)提高光传递效率。研究发现单纯提高光强并不能相应地提高微藻的产O2速率。以Chlorella kessleri为藻种，利用发光二极管作为光源的光生物反应器，当藻体密度达到5×108cells/mL时，O2净产生速率为10mmol O2/(L·h)。当藻体增加到一定密度时，其表观产氧速率(OPR)开始下降，而如果光生物反应器中藻体之间没有彼此遮蔽现象，O2的生产速率将至少提高5倍。
微藻研发过程中存在较多的技术难点，其中缺乏高效、节能、技术成熟的光生物反应器作为研究基础，其极大的限制了微藻研发和规模化发展。这主要是由于微藻光生物反应器设计，涉及较多学科的交叉，目前的研究没有从深层次系统地理解和掌握其设计的基本科学原理和规律，因此难以形成解决关键问题的核心技术。开发出低成本、高效、节能的微藻光生物反应器设计技术，无疑将为微藻生物技术的研究打下坚实的基础，握住未来微藻生物经济的主动权。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种布局简洁、实用、用于小规模生产的多组鼓泡式光生物反应器，以填补国内空白。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种多组鼓泡式光生物反应器，它包括箱体、鼓泡式光生物反应单元，主导气管、光源和控制系统，两个以上的鼓泡式光生物反应单元成排置于箱体内，主导气管通过气体分布支管与鼓泡式光生物反应单元内的鼓气管及鼓气管底部的气体分布器相连通，光源置于每排鼓泡式光生物反应单元的两侧，控制系统包括温度控制系统和光源控制系统用以控制箱体内的温度和光源的强度。
其中，箱体上设有可开启的盖。
其中，箱体内壁涂有反光材料。
其中，每一排鼓泡式光生物反应单元顶上置有一根主导气管。
其中，每一根气体分布支管上设有气体流量计。
其中，所述的鼓泡式光生物反应单元由高透光材料制成，下端圆弧收底，上端收口打磨，用橡皮塞密封，橡皮塞上预留进气口、出气口、补料口和电极插口。
其中，光源的波长根据要求配置，波段为250nm-780nm中的任意波段。
其中，光源为管状灯，从鼓泡式光生物反应单元的接近上沿位置至接近底端位置均匀平行分布多根管状灯。
其中，相邻两排鼓泡式光生物反应单元之间的光源为单排或者双排。
其中，相邻两排鼓泡式光生物反应单元之间设有一挡板，挡板将箱体分割成多室，挡板表面涂有反光材料。
有益效果：本发明相对现有技术具有如下优点和效果：
1、采用特殊设计的箱体结构。本装置箱体内壁涂有反光材料，可有效防止光线外泄，增加光照强度，提高光能利用率。开合设计密封合理，能有效的确保温度和光能的有效控制。
2、采用微电脑智能自动光源控制系统。本装置光源部分自动控制系统通过调节亮灯数量控制光照强度，并可通过控制实现多段光源控制，如光暗循环，不同光强的循环切换，也可以根据光源波段的要求进行替换。
3、光源、生物反应器成套设计。本装置反应器部分独立舱室。可实现舱室的独立组分供气和光强控制。此外，可实现独立光生物反应器的通气速率控制。结构简洁，操作方便，可控制温度、光强、光质、通气速率、气体组分，可批量处理。
4、光源强度和光质可控。本光照培养系统光源采用可拆换设计，能根据不同藻种和微藻的生长情况对光源进行更换。本装置光源部分可以根据生物质生长所需的光质，配置不同光波段的光源，光波段可从红外到近紫外任意波段。
5、温度智能可控。本光照培养系统涵盖多点温度传感，制冷压缩机、电热加热系统，实现了光照培养系统中的光温度准确可控。
附图说明
图1为本发明的多组鼓泡式光生物反应器的主视结构示意图。
图2为本发明的多组鼓泡式光生物反应器的俯视结构示意图。
图3为本发明的多组鼓泡式光生物反应器的左视结构示意图。
图4为本发明的多组鼓泡式光生物反应器的多排光源方式。
图5为本发明的多组鼓泡式光生物反应器使用挡板的一种方式。
图6为本发明的多组鼓泡式光生物反应器使用挡板的另一种方式。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1：
图1为本发明的多组鼓泡式光生物反应器的主视结构示意图，图2为其俯视结构示意图，图3为其左视结构示意图。通过图1～3可对本发明的装置结构有明确了解。本发明的多组鼓泡式光生物反应器，主要包括箱体1、鼓泡式光生物反应单元2，主导气管3、光源4和控制系统5。
数个鼓泡式光生物反应单元2成排置于箱体1内，每一排鼓泡式光生物反应单元2顶上置有一根主导气管3，主导气管3通过每一根气体分布支管12与每一个鼓泡式光生物反应单元内的鼓气管6及鼓气管底部的气体分布器7相连通进行鼓泡，气体分布器7采用氧化铝高温煅烧而成或高分子材料制成，使混合气体以极微小的气泡分散到培养液中，为了可以单独控制每一个光生物反应单元的气体流量，在每一根气体分布支管6上、且位于鼓泡式光生物反应单元2上方设有气体流量计9。气体流量计的设置是为独立控制气体流量而设，也可以直接使用阀门控制，在主导气管3上设置阀门或气体流量计以同时控制成排光生物反应单元2的气体流速，或者在部分气体分布支管上设置阀门或气体流量计以控制部分光生物反应单元2的气体流速都不影响本发明的实质，都在本发明的保护范围之内，甚至不设置任何阀门或气体流量计，整个箱体内的光生物反应单元2都采用相同的气体流速，也在本发明的保护范围之内。主导气管3外接供气系统，供气系统由气源、气体混合装置、缓冲容器、过滤器、气体流量计组成，本领域技术人员根据现有技术可实现供气系统的组装。
上述鼓泡式光生物反应单元2由高透光材料制成，如高硼硅玻璃。其下端圆弧收底，上端收口打磨，用橡皮塞10密封，橡皮塞上预留进气口、出气口、补料口和电极插口(如温度电极或者pH电极)。本发明对鼓泡式光生物反应单元2的数量、尺寸、排列方式没有任何限制，本领域技术人员可根据不同微藻的培养需求以及所需要的生产规模，对鼓泡式光生物反应单元2进行形状上的适应性改变，选择合适尺寸规格的光生物反应单元，确定适合的单元数量，进行排列的设置，以及确定所适配的箱体的大小，上述变化都在本发明的保护范围之内。
光源4置于每排鼓泡式光生物反应单元2的两侧，光源4的波长覆盖红外到近紫外的任意波段(即波长为250nm-780nm)，可采用可变波长的光源或者通过更换不同波长的光源实现光源波长可控。光源4可为任意形状或大小的灯，只要均匀分布于光生物反应单元2的两侧即可，优选为管状灯，从鼓泡式光生物反应单元2的接近上沿位置至接近底端位置，从上至下均匀平行分布多根管状灯。管状等可采用一端固定在箱体上的方式或者两端固定在箱体上的方式，或者通过支架实现固定，本领域技术人员可根据需要选择合适的固定方式，并且这种固定可选择永久固定或者可拆卸固定，方便更换不同光源的灯管或者损坏的灯管。本发明对光源的数量不做任何限制，本领域技术人员可根据不同微藻的所需光照强度，设置适应数量的光源。光源4可采用单排的方式排量，也可采用多排的方式排列。如图3所示的装置就是本发明装置的一种方式，即每排鼓泡式光生物反应单元2的两侧都设有一排由数个从上之下平行排列的管状灯。而图4为本发明装置的另一种方式，即在图3所示装置的基础上，相邻两排鼓泡式光生物反应单元2之间设有两排管状灯。当然，还可以根据需要在相邻两排鼓泡式光生物反应单元2之间设置两排以上的光源。或者不规则的设置相邻两排鼓泡式光生物反应单元2之间的光源的排数。
箱体1上设有可开启的盖8，方便鼓泡式光生物反应单元2的取出置入，也方便光源4的更换，本发明对盖的位置和大小不做任何限制，可设置在箱体的侧壁或者箱体的顶部。为了便于观察箱体1内部的反应情况，还可在箱体1上设置一个观察窗。箱体1内壁涂有反光材料，实现光能有效利用。箱体可以采用双层密封结构，以保持箱体内温度。箱体1通常留有进气管道口和出气管道口。
控制系统5包括温度控制系统和光源控制系统用以控制箱体内的温度和光源的强度。温度控制系统包括：制冷压缩机，风机电扇、电加热系统、多点温度传感器、微电脑控温系统。本领域技术人员可根据现有技术显现箱体内的温度可控。光源控制系统5由微电脑智能控制照明系统，例如可通过控制灯管的亮灯数量实现光照强度的可控，还可以设置时间循环，让光源在某段时间内产生照明，在某段时间内熄灭。本领域技术人员可根据现有技术编制照明程序。
作为本发明的一个优选方式，可以在相邻两排鼓泡式光生物反应单元2之间设置挡板11，挡板11表面涂有反光材料，挡板11将箱体1分割成多室，实现各个室的光源强度独立。本发明不限制挡板的数量，可根据需要划分多少个独立的室，设置相应数量的挡板，例如可像图5所示，在所有相邻两排鼓泡式光生物反应单元2之间设置挡板，使得每一排鼓泡式光生物反应单元2都形成独立的空间，实现光照强度的独立，也可以像图6所示，在某一个相邻两排鼓泡式光生物反应单元2之间设置挡板，将箱体划分成两个独立的室。是否设置挡板与光源的排数并不冲突，例如可以采用相邻两排鼓泡式光生物反应单元2之间设置两排光源的方式，将挡板插在两排光源之间(图5)，也可以采用相邻两排鼓泡式光生物反应单元2之间设置单排光源的方式，将挡板插在单排光源和光生物反应单元之间，只要保证划分的每个室都具有光源即可(图6)。本发明对挡板的固定方式不做任何限制，可采用箱体卡槽固定挡板，或者支架固定挡板，或者将挡板固定在光源上等方式都可以，甚至不采用任何固定方式，直接将挡板插入光源与光源之间或者光源与光生物反应单元之间，也在本发明的保护范围之类。
通过本发明的多组鼓泡式光生物反应器可实现培养过程中温度、光强、光质、通气速率、气体组分的控制。
实施例2：
在实施例1描述的多组鼓泡式光生物反应器培养小球藻，将鼓泡式光生物反应单元(直径10cm，高为60cm)中装入f/2培养基，箱体外灭菌，接入小球藻，接种量均为0.2g/L，再装入箱体内，将主导气管、气体分布支管与鼓气管和气体分布器连接，插上温度电极或者pH电极，插上出气口，塞紧橡皮塞。打开配气装置，通过气体流量计控制二氧化碳和空气的比例，打开气体分布支管上的阀门，往鼓泡式光生物反应单元中鼓泡。如图5所示，在反应器的四个腔中的控制光照强度依次为3000lux、5000lux、70000lux，9000lux，箱体温度控制在26℃，CO2的通气含量分别为1％(v/v)、3％(v/v)、5％(v/v)，7％(v/v)，培养两周后，生物量最高达到2.253g/L，油脂含量为35％。实验结束后，及时清洗鼓泡式光生物反应单元，留待下次使用。

Claims (8)

1.一种多组鼓泡式光生物反应器，其特征在于它包括箱体(1)、鼓泡式光生物反应单元(2)，主导气管(3)、光源(4)和控制系统(5)，两个以上的鼓泡式光生物反应单元(2)成排置于箱体(1)内，主导气管(3)通过气体分布支管(12)与鼓泡式光生物反应单元内的鼓气管(6)及鼓气管底端的气体分布器(7)相连通，光源(4)置于每排鼓泡式光生物反应单元(2)的两侧，控制系统(5)包括温度控制系统和光源控制系统用以控制箱体内的温度和光源的强度；
所述的鼓泡式光生物反应单元(2)由高透光材料制成，下端圆弧收底，上端收口打磨，用橡皮塞(10)密封，橡皮塞上预留进气口、出气口、补料口和电极插口；
箱体(1)上设有可开启的盖(8)。
2.根据权利要求1所述的多组鼓泡式光生物反应器，其特征在于箱体(1)内壁涂有反光材料。
3.根据权利要求1所述的多组鼓泡式光生物反应器，其特征在于每一排鼓泡式光生物反应单元(2)顶上置有一根主导气管(3)。
4.根据权利要求1所述的多组鼓泡式光生物反应器，其特征在于每一根气体分布支管(6)上装有气体流量计(9)。
5.根据权利要求1所述的多组鼓泡式光生物反应器，其特征在于光源(4)的波长为250nm～780nm。
6.根据权利要求1所述的多组鼓泡式光生物反应器，其特征在于光源(4)为管状灯，从鼓泡式光生物反应单元(2)的接近上沿位置至接近底端位置均匀平行分布多根管状灯。
7.根据权利要求1或6所述的多组鼓泡式光生物反应器，其特征在于相邻两排鼓泡式光生物反应单元(2)之间的光源(4)为单排或者双排。
8.根据权利要求1所述的多组鼓泡式光生物反应器，其特征在于相邻两排鼓泡式光生物反应单元(2)之间设有一挡板(11)，挡板(11)将箱体(1)分割成多室，挡板(11)表面涂有反光材料。 
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