CN104560637A - 一种可旋转挂膜式微藻光合反应器 - Google Patents
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Abstract
一种可旋转挂膜式微藻光合反应器，其特征是由藻液搅拌系统、藻液回流系统、反应器主体光照挂膜系统和反应器旋转控制系统组成；藻种和培养基首先在藻液搅拌系统中混合均匀后，通过泵送入到藻液回流系统，在水位差作用下流经反应器主体光照挂膜系统，最终回流到藻液搅拌系统实现循环，反应器旋转控制系统控制反应器主体光照挂膜系统匀速旋转。本发明的大大提高了微藻光合反应器的比表面积；可以充分利用垂直的空间，大大减少占地面积；提高了光照的均匀性，强化气体交换。培养液在膜上的流动设计，大大节约了能量、物质交换所需的能耗。且设计科学合理、操作简单、维护方便，可并联微藻光合反应器的个数来扩大生产规模。
Description
技术领域
本发明属于生物技术领域，具体涉及一种可旋转挂膜式微藻光合反应器。
背景技术
微藻规模化养殖具有很好的产业化前景，但随着对微藻培养研发工作的的不断深入，人们越来越清楚地发现微藻光合反应器的研制是限制微藻产业化的一个重要因素。高效低耗的微藻光合反应器的研发是微藻生物技术的一个重要组成系统。微藻光合生物反应器主要分为开放式微藻光合反应器和和密闭式微藻光合反应器两类。
中国专利ZL2010101363004“一种用于微藻规模培养的装置及培养方法”，公开了一种关于跑道式微藻光合反应器专利，其技术方案要点是：开放式跑道池通过泵与光生物反应器相连，再从光生物反应器中流出回到开放式跑道池构成循环系统；加装踏板式搅拌装置实现培养藻液的循环流动。尽管该设计方案能直接利用天然的生长环境，易放大，跑道池的建设、运行以及清洗的成本都较低，但跑道池的比表面积小、二氧化碳利用率低；藻细胞的相互遮挡作用使入射光在穿透藻液的过程中不断衰减，导致光能利用率很不高；需要大量能耗推动培养液流动；加上占地面积大等因素，所以不适合在土地紧缺、能源紧张、春夏多雨而夏秋蒸发量大的我国广大地区开展微藻大规模周年培养。
中国专利ZL2013207575123“一种微藻规模培养的管道式光生物反应器”，公开了一种管道式微藻光合反应器专利，其技术方案要点是：封闭式培养模式，采用多组光合作用管道阵列串联组成光合反应器，与CO2补给系统连接构成循环系统。尽管该设计方案微藻不易污染，反应器光照表面积体积之比大，CO2补给充足，但其结构复杂、成本较高、体系庞大、设备占用空间大，容易出现氧气堆积、清洗困难，操作繁琐，运行维护费用高，成为限制其产业化应用的瓶颈问题。不适合能源微藻、饲料微藻低成本、大规模培养的要求。
在微藻光合反应器的设计中引进膜或由大量的线状物构成的类似膜的结构，使微藻培养物在多数时间内处于透光性能好、并具有足够持水力和生物亲和性的膜状物体的表面，可以大大提高藻液均匀接受光照、促进培养物吸收二氧化碳、呼出氧气的效率。通过延长膜状物可以充分利用垂直的空间，缓慢旋转的设计可以进一步提高光照的均匀性，强化气体交换。只需利用一个水泵把微藻培养物从低位池提升到高位池。
发明内容
本发明的目的就是针对管式微藻光合反应器和跑道式微藻光合反应器存在的问题与不足，提供一种可旋转挂膜式微藻光合反应器。
本发明由藻液搅拌系统（Ⅰ）、藻液回流系统（Ⅱ）、反应器主体光照挂膜系统（Ⅲ）和反应器旋转控制系统（Ⅳ）组成。
所述的藻液搅拌系统（Ⅰ）包括微藻混合池（1）、进液口（2）、排液口（3）、搅拌叶片（4）。微藻混合池（1）位于微藻光合反应器的底部，微藻混合池（1）边缘的上部设有进液口（2），下部设有排液口（3），搅拌叶片（4）设于微藻混合池（1）中间。培养基由进液口（2）进入微藻混合池（1），藻种以一定的接种量加入微藻混合池中培养，获得的高浓度微藻再由排液口（3）流出，可与后续的微藻收获系统相连。微藻培养过程中，特别是高密度培养，搅拌叶片（4）的转动，促进微藻细胞在培养基中均匀分散，防止絮凝沉淀。
所述的藻液回流系统（Ⅱ）由支架（5）、泵（6）、过滤收集器（7）、溢流管（8）、藻液储液池（9）、藻液吸入管（10）和藻液出液管（11）组成。支架（5）竖立于微藻混合池（1）侧面，藻液储液池（9）放置在支架（5）的顶部。在藻液储液池（9）的上端设有溢流管（8），溢流管（8）的下出口连接到微藻混合池（1）；在藻液储液池（9）的下端设有藻液出液管（11），其出口端连接到藻液分配器（13）；藻液吸入管（10）出口设于藻液储液池（9）的上方，其另一端通过泵（6）与过滤收集器（7）相连，过滤收集器（7）固定于藻液混合池（1）中。藻液混合池（1）中的藻液在泵（6）的作用下，通过过滤收集器（7）--藻液吸入管（10），匀速吸入藻液储液池（9）中。藻液储液池（9）中的藻液通过藻液出液管（11）匀速流出至反应器主体光照挂膜系统（Ⅲ），最后回到藻液混合池（1）实现循环。在藻液储液池（9）的上端所设溢流管（8），可以把超过安全水位的藻液直接导流回到到藻液混合池（1），防止藻液溢出。
所述的反应器主体光照挂膜系统（Ⅲ）由藻液分配池（12）、藻液分配器（13）、和挂膜（14）组成。藻液分配器（13）分上下两个部分，其上部连接到藻液分配池（12）的底部，挂膜（14）均匀地悬挂于藻液分配器（13）上下两个部分之间。藻液储液池（9）中的藻液由于重力作用经藻液出液管（11）进入到藻液分配池（12），通过藻液分配器（13）的上部均匀分配到挂膜（14）上端的各个部位，并在重力驱动下由上而下曲折流向挂膜（14）的下端，进入藻液分配器（13）的下部，最终流回藻液混合池（1）中，实现循环。
所述的反应器旋转控制系统（Ⅳ）由减速机（15）、拉杆（16）、小皮带轮（17）、皮带（18）、大皮带轮（19）、轴承（20）、中心管（21）、中心轴（22）和预埋件（23）组成。拉杆（16）的一端横向焊接在支架（5）的上端；拉杆（16）的另一端与中心轴（22）上端固定、中心轴（22）下端固定在置于藻液混合池（1）底部中间的预埋件（23）上；减速机（15）固定在拉杆（16）上，小皮带轮（17）固定在减速机（15）的转轴上，小皮带轮（17）通过皮带（18）与大皮带轮（19）连接；中心管（21）通过轴承（20）固定在中心轴（22）上，大皮带轮（19）、藻液分配池（12）、反应器主体光照挂膜系统（Ⅲ）和搅拌叶片（4）从上到下依次固定在中心管（21）上。反应器旋转控制系统（Ⅳ）运行时，减速机（15）带动小皮带轮（17）；小皮带轮（17）通过皮带（18）带动大皮带轮（19）；大皮带轮（19）带动中心管（21）的旋转。调节减速机（15）的转速能够控制反应器主体光照挂膜系统（Ⅲ）和搅拌叶片（4）的转速，实现藻液在反应器主体挂膜系统（Ⅲ）的各个部位都有机会均匀接受光照，以及维持微藻混合池中微藻细胞与培养基的均匀混合，防止微藻贴壁和沉降。
四个子系统之间的连接关系是：藻种和培养基首先在藻液搅拌系统（Ⅰ）中混合均匀后，通过泵送入到藻液回流系统（Ⅱ），在水位差作用下流经反应器主体光照挂膜系统（Ⅲ），最终回流到藻液搅拌系统（Ⅰ）实现循环。反应器旋转控制系统（Ⅳ）控制反应器主体光照挂膜系统（Ⅲ）匀速旋转。
所述的旋转挂膜式微藻光合反应器在大规模生产时，根据需要，可以将多个旋转挂膜式微藻光合反应器并联使用。
本发明采用了膜状结构，大大提高了微藻光合反应器的比表面积，使微藻培养物在多数时间内处于透光、并具有足够持水力和生物亲和性的膜状物体的表面，可以大大强化藻液均匀接受光照、促进培养物吸收二氧化碳、呼出氧气的效率。本发明的微藻光合反应器可以充分利用垂直的空间，大大减少占地面积；为反应器的膜系统设计了缓慢旋转的结构可以进一步提高光照的均匀性，强化气体交换。培养液在膜上的流动是重力驱动的，大大节约了推动光合反应器中能量、物质交换所需的能耗。此外，该反应器设计科学合理、操作简单、维护方便，还可以通过增加并联的同类微藻光合反应器的个数来扩大生产规模。
附图说明
图1为旋转挂膜式微藻光合反应器的主视图。其中，1为藻液混合池；2为进液口；3为排液口；4为搅拌叶片；5为支架；6为泵；7为过滤收集器；8为溢流管；9为藻液储液池；10为藻液吸入管；11为藻液出液管；12为藻液分配池；13为藻液分配器；14为挂膜；15为减速机；16为拉杆；17为小皮带轮；18为皮带；19为大皮带轮；20为轴承；21为中心管；22为中心轴；23为预埋件。
图2为旋转挂膜式微藻光合反应器的侧视图。其中，Ⅰ为藻液搅拌系统，Ⅱ为藻液回流系统，Ⅲ为反应器主体光照挂膜系统，Ⅳ为反应器旋转控制系统。
具体实施方式
本发明将通过以下实施例作进一步说明。
实施例1。
本实施例由藻液搅拌系统Ⅰ、藻液回流系统Ⅱ、反应器主体光照挂膜系统Ⅲ和反应器旋转控制系统Ⅳ组成。
所述的藻液搅拌系统Ⅰ包括微藻混合池1、进液口2、排液口3、搅拌叶片4。微藻混合池1位于微藻光合反应器的底部，微藻混合池1边缘的上部设有进液口2，下部设有排液口3，搅拌叶片4设于微藻混合池1中间。培养基由进液口2进入微藻混合池1，藻种以一定的接种量加入微藻混合池中培养，获得的高浓度微藻再由排液口3流出，可与后续的微藻收获系统相连。微藻培养过程中，特别是高密度培养，搅拌叶片4的转动，促进微藻细胞在培养基中均匀分散，防止絮凝沉淀。
所述的藻液回流系统Ⅱ由支架5、泵6、过滤收集器7、溢流管8、藻液储液池9、藻液吸入管10和藻液出液管11组成。支架5竖立于微藻混合池1侧面，藻液储液池9放置在支架5的顶部。在藻液储液池9的上端设有溢流管8，溢流管8的下出口连接到微藻混合池1；在藻液储液池9的下端设有藻液出液管11，其出口端连接到藻液分配器13；藻液吸入管10出口设于藻液储液池9的上方，其另一端通过泵6与过滤收集器7相连，过滤收集器7固定于藻液混合池1中。藻液混合池1中的藻液在泵6的作用下，通过过滤收集器7--藻液吸入管10，匀速吸入藻液储液池9中。藻液储液池9中的藻液通过藻液出液管11匀速流出至反应器主体光照挂膜系统Ⅲ，最后回到藻液混合池1实现循环。在藻液储液池9的上端所设溢流管8，可以把超过安全水位的藻液直接导流回到到藻液混合池1，防止藻液溢出。
所述的反应器主体光照挂膜系统Ⅲ由藻液分配池12、藻液分配器13、和挂膜14组成。藻液分配器13分上下两个部分，其上部连接到藻液分配池12的底部，挂膜14均匀地悬挂于藻液分配器13上下两个部分之间。藻液储液池9中的藻液由于重力作用经藻液出液管11进入到藻液分配池12，通过藻液分配器13的上部均匀分配到挂膜14上端的各个部位，并在重力驱动下由上而下曲折流向挂膜14的下端，进入藻液分配器13的下部，最终流回藻液混合池1中，实现循环。
所述的反应器旋转控制系统Ⅳ由减速机15、拉杆16、小皮带轮17、皮带18、大皮带轮19、轴承20、中心管21、中心轴22和预埋件23组成。拉杆16的一端横向焊接在支架5的上端；拉杆16的另一端与中心轴22上端固定、中心轴22下端固定在置于藻液混合池1底部中间的预埋件23上；减速机15固定在拉杆16上，小皮带轮17固定在减速机15的转轴上，小皮带轮17通过皮带18与大皮带轮19连接；中心管21通过轴承20固定在中心轴22上，大皮带轮19、藻液分配池12、反应器主体光照挂膜系统Ⅲ和搅拌叶片4从上到下依次固定在中心管21上。反应器旋转控制系统Ⅳ运行时，减速机15带动小皮带轮17；小皮带轮17通过皮带18带动大皮带轮19；大皮带轮19带动中心管21的旋转。调节减速机15的转速能够控制反应器主体光照挂膜系统Ⅲ和搅拌叶片4的转速，实现藻液在反应器主体挂膜系统Ⅲ的各个部位都有机会均匀接受光照，以及维持微藻混合池中微藻细胞与培养基的均匀混合，防止微藻贴壁和沉降。
实施例2。应用实例。
开始微藻养殖前，先配制含活性氯10mg/L的漂白粉水溶液，导入藻液混合池，启动泵和旋转装置运行2天杀死杂藻、浮游动物及其虫卵后，从排液口放掉废液，再用清水清洗旋转挂膜式微藻光合反应器2次，随后即可将5000L微藻培养基，从进液口导入藻液混合池，以15%的接种量接入小球藻藻种，先开启藻液搅拌系统10分钟，把藻液混合均匀，紧接着开启泵将藻液送入到藻液储液池，调节溢流管和藻液进液管阀门到适宜的位置，控制好流速，藻液在重力驱动下自动流经主体光照挂膜系统回到藻液混合池。经过6天的循环培养，藻液中小球藻干物质含量达到4.1g/L。
Claims (1)
1.一种可旋转挂膜式微藻光合反应器，其特征是由藻液搅拌系统（Ⅰ）、藻液回流系统（Ⅱ）、反应器主体光照挂膜系统（Ⅲ）和反应器旋转控制系统（Ⅳ）组成；
所述的藻液搅拌系统（Ⅰ）包括微藻混合池（1）、进液口（2）、排液口（3）、搅拌叶片（4）；微藻混合池（1）位于微藻光合反应器的底部，微藻混合池（1）边缘的上部设有进液口（2），下部设有排液口（3），搅拌叶片（4）设于微藻混合池（1）中间；
所述的藻液回流系统（Ⅱ）由支架（5）、泵（6）、过滤收集器（7）、溢流管（8）、藻液储液池（9）、藻液吸入管（10）和藻液出液管（11）组成；支架（5）竖立于微藻混合池（1）侧面，藻液储液池（9）放置在支架（5）的顶部；在藻液储液池（9）的上端设有溢流管（8），溢流管（8）的下出口连接到微藻混合池（1）；在藻液储液池（9）的下端设有藻液出液管（11），其出口端连接到藻液分配器（13）；藻液吸入管（10）出口设于藻液储液池（9）的上方，其另一端通过泵（6）与过滤收集器（7）相连，过滤收集器（7）固定于藻液混合池（1）中；
所述的反应器主体光照挂膜系统（Ⅲ）由藻液分配池（12）、藻液分配器（13）、和挂膜（14）组成；藻液分配器（13）分上下两个部分，其上部连接到藻液分配池（12）的底部，挂膜（14）均匀地悬挂于藻液分配器（13）上下两个部分之间；
所述的反应器旋转控制系统（Ⅳ）由减速机（15）、拉杆（16）、小皮带轮（17）、皮带（18）、大皮带轮（19）、轴承（20）、中心管（21）、中心轴（22）和预埋件（23）组成；拉杆（16）的一端横向焊接在支架（5）的上端；拉杆（16）的另一端与中心轴（22）上端固定、中心轴（22）下端固定在置于藻液混合池（1）底部中间的预埋件（23）上；减速机（15）固定在拉杆（16）上，小皮带轮（17）固定在减速机（15）的转轴上，小皮带轮（17）通过皮带（18）与大皮带轮（19）连接；中心管（21）通过轴承（20）固定在中心轴（22）上，大皮带轮（19）、藻液分配池（12）、反应器主体光照挂膜系统（Ⅲ）和搅拌叶片（4）从上到下依次固定在中心管（21）上。
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