一種采用氣升混合來防止微藻附壁的光生物反應器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種采用氣升混合來防止微藻附壁的光生物反應器，它包括藻液容器、氣體分布器、監測系統和供氣系統。藻液容器的底面為往上傾斜的兩個底面，呈V形結構；藻液容器的側壁上設有補料進口和藻液出口；藻液容器內的正上方設置透明導流槽；導流槽的底面為往上傾斜的兩個底面，呈V形結構；藻液容器與導流槽通過可調式連桿連接固定；藻液容器的底部中間位置設置氣體分布器。本實用新型采用氣升混合的方式攪拌藻液，克服了開放式和封閉式光生物反應器存在的不足，能夠以較低的能耗有效解決了微藻附壁現象和光強梯度分布問題，從而提高了微藻的培養密度和生產率的光生物反應器。
【專利說明】一種采用氣升混合來防止微藻附壁的光生物反應器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光生物反應器領域，特別涉及一種采用氣升混合來防止微藻附壁的光生物反應器。
【背景技術】
[0002]微藻是一種光自養生物，能夠利用無機鹽、CO2和陽光合成具有高附加值的蛋白質、脂肪酸、蝦青素、胡蘿卜素和葉綠素等有機物，并且，由于微藻的光合作用效率極高，是陸地高等植物光合效率的幾十倍，能在短時間內大量生產微藻生物質。因此，微藻在食品、飼料、醫藥、生物固碳和生物燃料等領域具有廣泛的應用前景。微藻的生長受多種因素的影響，其中包括營養液的配方、溫度、光照、PH值、溶氧濃度和CO2濃度等。在微藻的高密度培養中，光強的梯度分布是一個普遍存在的問題。由于微藻的吸收和散射作用，使入射光強在進入藻液后隨光程增加而減弱，結果導致受光表面區域的微藻細胞經常處于光抑制狀態，而處于藻液內部的微藻細胞則經常處于光限制的狀態，只有一小部分區域的微藻細胞處于最佳光強狀態，從而在藻液中形成了光區與暗區，降低了微藻生物質的產率。為了改善微藻的光照條件和提高微藻的培養密度，人們設計了許多光生物反應器，按照藻液與外界環境的關系，光生物反應器可分為開放式和封閉式兩種類型。
[0003]開放式光生物反應器具有結構簡單、維護方便、容易擴大規模和成本較低等優點，直接利用太陽進行生產。特別是開放式跑道池光生物反應器，已經被普遍用來大規模生產微藻生物質并實現了商業化的應用。但是開放式跑道池光生物反應器也存在一些缺點，比如占地面積大,微藻培養密度低,收獲成本高,水分蒸發量大,光照表面積體積比低,光能和CO2的利用效率低，生產條件不可控，容易受入侵藻種或者空氣粉塵的污染等，因此只適合在水源充足，土地便宜和氣候溫暖的熱帶、亞熱帶和溫帶地區進行生產，并且生產的微藻僅限于那些能夠忍受高鹽度或極端PH值環境的藻種，比如螺旋藻、小球藻等。此外，商業化生產的跑道池反應器使用機械葉輪進行攪拌，不僅容易對微藻造成損傷，而且湍流混合影響的范圍也僅限于靠近葉輪的流域，其它區域大多是層流，藻液上下分層，并且存在死區的比例過大等問題。雖然池底曝氣改善了混合的均勻性，但是CO2的利用效率較低，只有在曝氣點的分布密度較大時才能保證良好的混合，但是這樣會導致能耗的增加。
[0004]封閉式光生物反應器克服了開放式光生物反應器的缺點，整體使用了透光良好的材料制造而成，采用自然光或者人造光照明，光線能夠有效進入藻液中，以增加光照表面積體積比的方式提高微藻的光能利用效率，具有培養密度高，生產條件可控等優點。按照結構的不同，封閉式光生物反應器大致可以分為管式、直筒式和平板式三種，它們均具有較大的光照表面積體積比，因此最佳的培養密度較高。但是管式反應器容易出現溶氧限制和PH值梯度分布問題，而直筒式和平板式反應器在擴大規模時也還存在一些困難，目前大多只是用來生產具有高附加值的基因藻和工程藻。此外，在封閉式光生物反應器中，隨著微藻細胞的生長，微藻的密度增加并分泌出一些新陳代謝物，在流體速度較小的透明內壁面上形成生物膜或微藻附壁生長，簡稱微藻附壁現象。微藻附壁極大地衰減了入射的光強，導致光生物反應器效率的降低，因此需要定期清理，增加了維護的成本和復雜性。

【發明內容】

[0005]本實用新型克服了開放式和封閉式光生物反應器存在的不足，提出了采用氣升混合的方式攪拌藻液，能夠以較低的能耗有效解決了微藻附壁現象和光強梯度分布問題，從而提高了微藻的培養密度和生產率的光生物反應器。
[0006]本實用新型是通過以下技術方案實現的:
[0007]—種采用氣升混合來防止微藻附壁的光生物反應器，它包括藻液容器、氣體分布器、監測系統和供氣系統，所述的藻液容器的底面為往上傾斜的兩個底面，呈V形結構；所述的藻液容器的側壁上設有補料進口和藻液出口 ；所述的藻液容器內的正上方設置透明導流槽；所述的導流槽的底面為往上傾斜的兩個底面，呈V形結構；所述的藻液容器與導流槽通過可調式連桿連接固定；所述的藻液容器的底部中間位置設置氣體分布器。
[0008]以上所述的藻液容器的兩個底面與水平面間的傾斜角相等，傾斜角的范圍是1-89。。
[0009]以上所述的導流槽的兩個底面與水平面間的傾斜角相等，傾斜角的范圍是1-89。。
[0010]以上所述的導流槽的兩個底面與水平面間的傾斜角大于或等于藻液容器底面的傾斜角。
[0011]以上所述的藻液容器在水平面方向上呈直線狀或者呈跑道池式的循環狀排列。
[0012]以上所述的藻液容器和導流槽上密封覆蓋有透明蓋板或透明塑料膜。
[0013]以上氣體分布器呈條狀或管狀，氣體分布器均勻設置布氣小孔。
[0014]以上所述的監測系統包括溫度傳感器、pH值傳感器、溶氧濃度傳感器和CO2濃度傳感器，按常規方法連接。
[0015]以上所述的供氣系統包括空氣壓縮機、空氣過濾器、CO2儲存容器、氣體混合容器、氣體管道和氣體閥門，按常規方法連接。
[0016]本實用新型具有的積極效果和優點如下:
[0017]1.本實用新型的藻液容器的底面為V型結構，并且采用導流槽的結構，使得氣泡沿著導流槽的V形下表面流動從而帶動藻液流動，使上下層的藻液之間能夠相互混合，提高了微藻細胞的光能利用效率和培養密度，V形導流槽的下表面也因為受到兩股分流的沖刷而有效的防止了微藻在其表面上的附壁現象，保持了導流槽良好的透光性。
[0018]2.本實用新型介于開放式和封閉式光生物反應器之間，在需要的時候將反應器的上表面用透明蓋板或者透明塑料薄膜進行密封就成了封閉式的光生物反應器，而在上表面開放的時候就成了開放式的光生物反應器，兩者可以互相轉換，它是綜合了開放式和封閉式光生物反應器特點的一種創新設計。
[0019]3.本實用新型改善了藻液混合條件，提高了光能和CO2的利用率，從而可以提高微藻的培養密度；同時，藻液的循環流動解決了微藻附壁和光強梯度分布問題，使得該反應器不僅可以用來大規模養殖螺旋藻，小球藻等能夠適應高度選擇性環境的微藻品種，還可以用來養殖具有高附加值的基因藻和工程藻，具有更高的靈活性與適應性。
[0020]4.本實用新型的監測系統和供氣系統可以通過單片機或微機進行整合，能夠實現智能化的生產管理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0022]圖2為本實用新型的水平面上呈跑道池環狀結構的俯視圖。
[0023]圖3為本實用新型的水平面上呈跑道池環狀結構的側視圖。
[0024]圖4為本實用新型的水平面上呈直線狀結構的結構示意圖。
[0025]圖5為本實用新型的水平面上呈直線狀結構的水平組合的結構示意圖。
[0026]圖6為本實用新型的水平面上呈直線狀結構的垂直組合的結構示意圖。
[0027]附圖標識:
[0028]1-藻液容器，2-導流槽，3-連桿，4-氣體分布器。
【具體實施方式】
[0029]下面結合具體實施例和附圖對本實用新型作進一步說明。
[0030]實施例1:
[0031]一種采用氣升混合來防止微藻附壁的光生物反應器，它包括藻液容器1、導流槽
2、氣體分布器4、監測系統和供氣系統，所述的藻液容器I的側壁上設有補料進口和藻液出口 ；所述的藻液容器I的底面為往上傾斜的兩個底面，呈V形結構；兩個底面與水平面間的傾斜角相等，傾斜角為1°。所述的藻液容器I的正上方設置透明導流槽2;所述的導流槽2的底面為往上傾斜的兩個底面，呈V形結構；所述的導流槽2的兩個底面與水平面間的傾斜角相等，傾斜角為1°。所述的導流槽2的兩個底面與水平面間的傾斜角等于藻液容器I底面的傾斜角。
[0032]所述的藻液容器I與導流槽2通過可調式連桿3連接固定；連桿3可以調節導流槽2和藻液容器I底面間的垂直距離；所述的藻液容器I的底部中間位置設置氣體分布器
4。所述的氣體分布器4呈管狀，氣體分布器4均勻設置布氣小孔。所述的藻液容器I在水平面方向上呈跑道池式的循環狀排列。
[0033]從氣體分布器4出來的氣泡在浮力作用下上升并帶動周圍的液體形成一股上升流，導流槽將該股上升流對稱分割成兩股沿著導流槽2的V形下表面流動的分流，使得氣泡影響的區域擴大到包括側壁邊緣附近的整個流域，使上下層的藻液之間能夠相互混合，微藻細胞從而經歷光暗周期，提高了微藻細胞的光能利用效率和培養密度，V形導流槽的下表面也因為受到兩股分流的沖刷而有效的防止了微藻在其表面上的附壁現象，保持了導流槽良好的透光性。
[0034]為了減少水分的蒸發和空氣中粉塵的污染，在藻液容器I和導流槽2上表面密封覆蓋有透明蓋板，從而形成密封式的跑道池光生物反應器。
[0035]所述的監測系統包括溫度傳感器、PH值傳感器、溶氧濃度傳感器、CO2濃度傳感器和oD檢測器，它們之間按常規方法連接。所述的供氣系統包括空氣壓縮機、空氣過濾器、CO2儲存容器、氣體混合容器、氣體管道和氣體閥門，它們之間按常規方法連接。
[0036]使用時，藻液容器I里的藻液的深度為0.1-0.3m，導流槽2內充入純凈水，水的液面與藻液的液面等高，導流槽2的側壁高出液面5-lOcm，以將藻液和純凈水隔開，空氣壓縮機向氣體分布器4提供壓縮空氣。工作時，藻液在水平方向上循環，跑道池轉彎區域處的微藻細胞送入跑道池直線區裝有導流槽2的區域接受混合和光照。為了減少水分的蒸發和空氣中粉塵的污染，在V形容器和導流槽2的上表面覆蓋一塊透明板，從而形成密封式的跑道池光生物反應器。此時導流槽內的純凈水還可通過管道與外界相連通，從而對藻液進行冷卻或加熱，以實現對反應器中溫度變量的控制。
[0037]實施例2:
[0038]與實施例1不同之處在于，藻液容器I使用透光良好的板材制成，并架設在一個與其V形底面形狀相匹配的金屬焊件支架上，在水平方向上呈直線狀結構，反應器單元具體如圖4所示。氣體分布器4呈條狀，條狀氣體分布器4沿著藻液容器I最底面處的中心線安裝，為了增強混合效果，氣體分布器還可以被分割成小段，相鄰的兩小段之間用氣體管道相連接，各小段的氣體分布器均由附屬裝置固定在底面上，由此不僅造成了垂直方向的混合，也實現了水平方向的混合。該反應器的上方可以保持開放。
[0039]實施例3:
[0040]與實施例1不同之處在于藻液容器I的底面為往上傾斜的兩個底面，呈V形結構；兩個底面與水平面間的傾斜角相等，傾斜角的范圍是80°，導流槽2的兩個底面與水平面間的傾斜角大于藻液容器I底面的傾斜角，為89°。
[0041]該新型反應器單元可按照圖5所示，由3個反應器進行水平組合安裝，以形成大規模的光生物反應器培養系統。
[0042]實施例4:
[0043]與實施例1不同之處在于藻液容器I的底面為往上傾斜的兩個底面，呈V形結構；兩個底面與水平面間的傾斜角相等，傾斜角的范圍是89°，導流槽2的兩個底面與水平面間的傾斜角等于藻液容器I底面的傾斜角，為89°。為了減少水分的蒸發和空氣中粉塵的污染，在藻液容器I和導流槽2上表面密封覆蓋有透明塑料膜，從而形成密封式的跑道池光生物反應器。
[0044]該新型反應器單元可按照圖6所示，由3個反應器進行垂直組合安裝，以形成大規模的光生物反應器培養系統。
【權利要求】
1.一種采用氣升混合來防止微藻附壁的光生物反應器，它包括藻液容器(I)、氣體分布器(4)、監測系統和供氣系統，其特征在于:所述的藻液容器(I)的底面為往上傾斜的兩個底面，呈V形結構；所述的藻液容器(I)的側壁上設有補料進口和藻液出口 ；所述的藻液容器(I)內的正上方設置透明導流槽(2);所述的導流槽(2)的底面為往上傾斜的兩個底面，呈V形結構；所述的藻液容器(I)與導流槽(2)通過可調式連桿(3)連接固定；所述的藻液容器(I)的底部中間位置設置氣體分布器(4)。
2.根據權利要求1所述的一種采用氣升混合來防止微藻附壁的光生物反應器，其特征在于:所述的藻液容器(I)的兩個底面與水平面間的傾斜角相等，傾斜角的范圍是1-89°。
3.根據權利要求1所述的一種采用氣升混合來防止微藻附壁的光生物反應器，其特征在于:所述的導流槽(2)的兩個底面與水平面間的傾斜角相等，傾斜角的范圍是1-89°。
4.根據權利要求1所述的一種采用氣升混合來防止微藻附壁的光生物反應器，其特征在于:所述的導流槽(2)的兩個底面與水平面間的傾斜角大于或等于藻液容器(I)底面的傾斜角。
5.根據權利要求1所述的一種采用氣升混合來防止微藻附壁的光生物反應器，其特征在于:所述的藻液容器(I)在水平面方向上呈直線狀或者呈跑道池式的循環狀排列。
6.根據權利要求1所述的一種采用氣升混合來防止微藻附壁的光生物反應器，其特征在于:所述的藻液容器(I)和導流槽(2)上密封覆蓋有透明蓋板或透明塑料膜。
7.根據權利要求1所述的一種采用氣升混合來防止微藻附壁的光生物反應器，其特征在于:所述的氣體分布器(4)呈條狀或管狀，氣體分布器(4)均勻設置布氣小孔。
【文檔編號】C12M1/34GK203462055SQ201320342903
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年6月17日 優先權日:2013年6月17日
【發明者】黃文 , 何開巖, 謝安, 鐘水庫, 曾威, 孫備 申請人:廣西大學