專利名稱：一種實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光生物反應(yīng)器，特別涉及一種實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著全球石化能源的日益枯竭和環(huán)境問題的逐漸惡化，尋找一種持續(xù)可再生、環(huán)境友好型的能源形式成為各國科學(xué)家關(guān)注的焦點。在眾多的可再生能源(風(fēng)能、地?zé)崮?、水能、太陽能、海洋能?中，生物柴油以其在能量密度、燃燒性等方面與石化柴油具有極高的相似性，并且具有易降解、不含硫及芳香類化合物、對環(huán)境友好等特性，受到世界各國的廣泛關(guān)注。生物柴油是指動、植物或微生物油脂經(jīng)酯化反應(yīng)后得到的長鏈脂肪酸烷基單酯。 自1988年以來，許多歐美國家已經(jīng)開始將生物柴油作為石化柴油的替代品加以利用，但由于較高的原材料價格，使得生物柴油的價格遠高于傳統(tǒng)石化柴油，這成為制約生物柴油產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要瓶頸。目前，生產(chǎn)生物柴油的主要原料是大豆、油菜、葵花籽等經(jīng)濟作物。這種以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)的生物柴油生產(chǎn)方式，不僅產(chǎn)量低，而且與糧食作物爭奪耕地，因此不能滿足生物柴油產(chǎn)業(yè)對原料持續(xù)增長的需求。微藻是一類以光合自養(yǎng)產(chǎn)生能量的低等植物，是自然界起源最早、分布最廣、種類和數(shù)量最大的生物質(zhì)資源。在一定條件下許多微藻能夠在細胞中大量積累儲藏性三酰甘油 (微藻油)，其最高含量可達到細胞干重的50%以上。與高等陸生油料作物相比，微藻具有光合效率高、生長速率快、生長周期短、單位藻細胞油脂含量高和不占用耕地面積等優(yōu)點。 因而，從微藻油的產(chǎn)量和品質(zhì)上考慮，它應(yīng)是解決全球能源短缺的重要非糧食原料。利用微藻生產(chǎn)生物柴油存在諸多技術(shù)瓶頸，其中，產(chǎn)油微藻的低成本高密度培養(yǎng)技術(shù)是實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。初期的研究工作發(fā)現(xiàn)，某些高產(chǎn)油微藻(Narmochloropsis sp.)在實驗室培養(yǎng)時，生物量可以達到8. Og - Γ1以上，但將其進行戶外放大培養(yǎng)后，它的生物量卻不足1. Og · L—1，這種產(chǎn)量上的巨大落差，揭示了開發(fā)一種可用于產(chǎn)油微藻高密度培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器的必要性。目前用于微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器主要有敞開式和封閉式兩種類型。敞開式光生物反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易放大和成本低等優(yōu)點，已被成功應(yīng)用于餌料微藻規(guī)?；囵B(yǎng)中；封閉式光生物反應(yīng)器具有不易污染、培養(yǎng)條件易于控制、較高比表面積、光能和CO2利用率較高等優(yōu)點，但是，封閉式光生物反應(yīng)器的投資和操作成本高。國內(nèi)公開的光生物反應(yīng)器發(fā)明專利中，用于產(chǎn)油微藻培養(yǎng)的僅有以下三項其一，申請?zhí)枮椤?00820058978. 3”，名稱為“一種產(chǎn)業(yè)化培養(yǎng)微藻的生產(chǎn)裝
置”(蔡志武)。該培養(yǎng)裝置的主體為跑道池式結(jié)構(gòu)(不具備攪拌槳)，其通過鼓氣的方式實現(xiàn)藻液的循環(huán)，開放池用塑料薄膜完全覆蓋，該反應(yīng)器結(jié)合開放式與封閉式光生物反應(yīng)器各自優(yōu)點，可實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)模化培養(yǎng)。其二，申請?zhí)枮椤?010201^411. 8”，名稱為“一種富油微藻培養(yǎng)裝置”(吳其飛，江蘇大學(xué))。該反應(yīng)器借鑒了厭氧發(fā)酵罐的設(shè)計理念，其包括罐蓋、罐體、氣體分布器、夾套、溫度控制結(jié)構(gòu)、PLC自動控制系統(tǒng)，光照裝置安裝在罐體內(nèi)部。PLC自動控制系統(tǒng)可更加準確地對微藻的生長進行調(diào)控(溫度、光照和CO2),大大縮短了培養(yǎng)周期，加快了微藻的生長速度，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。其三，申請?zhí)枮椤?00680039890. 0”，名稱為“由藻類生產(chǎn)生物柴油的方法、設(shè)備和系統(tǒng)”(美國索利克斯生物燃料公司)。所述培養(yǎng)系統(tǒng)包括具有多層(包括阻熱層)的塑料袋，其可用于盛裝藻類養(yǎng)殖物或調(diào)節(jié)藻類養(yǎng)殖物的溫度。該反應(yīng)器以低能源消耗穩(wěn)定了培養(yǎng)系統(tǒng)中的溫度，適用于任何藻類(產(chǎn)油微藻、餌料微藻等)的培養(yǎng)。上述反應(yīng)器設(shè)計時多未考慮產(chǎn)油微藻生長及油脂積累的生物學(xué)特性，產(chǎn)油微藻的培養(yǎng)有別于餌料藻，其需要充足的光照和CO2才能促使油脂的快速積累，故上述光生物反應(yīng)器難以滿足產(chǎn)油微藻高密度培養(yǎng)的需要。目前，科研機構(gòu)普遍采用開放式光生物反應(yīng)器和平板式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)產(chǎn)油微藻，其生產(chǎn)效率普遍較低。最典型、最常用的開放式培養(yǎng)系統(tǒng)是由0SWald(1969)設(shè)計的跑道池光生物反應(yīng)器，該培養(yǎng)系統(tǒng)以自然光為光源，依靠槳輪的轉(zhuǎn)動，使培養(yǎng)液在池內(nèi)混合、 循環(huán)，防止藻體沉淀并提高藻體細胞的光能利用率，跑道池光生物反應(yīng)器具有培養(yǎng)體積大， 投資成本低的優(yōu)點，但跑道池也存在比表面積小、光能和CO2利用率低、易污染、環(huán)境條件 (溫度、光照、PH等)控制能力差等的諸多缺點，目前僅有少數(shù)幾種微藻(小球藻、鹽藻、螺旋藻等)能夠采用跑道池光生物反應(yīng)器進行培養(yǎng)。平板式光生物反應(yīng)器的歷史最早可追溯到1953年，Burlew利用自行設(shè)計的矩形透明容器培養(yǎng)小球藻，為平板反應(yīng)器的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。平板反應(yīng)器培養(yǎng)產(chǎn)油微藻具有諸多優(yōu)點比表面積大、光利用率高、結(jié)構(gòu)相對簡潔、易清洗、可根據(jù)需要設(shè)計不同的光徑、還可改變反應(yīng)器角度使之面向光線照射方向、氧的累積濃度低、適合戶外培養(yǎng)，其短的光通路及氣流強烈湍動，是實現(xiàn)產(chǎn)油微藻高密度培養(yǎng)的有利條件，但其培養(yǎng)體積較跑道池光生物反應(yīng)器小，相同的培養(yǎng)規(guī)模，其生產(chǎn)成本更高。上世紀六十年代，捷克科學(xué)家§_設(shè)計了一種用于微藻培養(yǎng)的傾斜薄層光生物反應(yīng)器，該反應(yīng)器由以下結(jié)構(gòu)組成兩條用于藻液流動的金屬甬道、CO2補充和藻液降溫的方形金屬槽、循環(huán)泵、高位塔和塑料管道等。該反應(yīng)器系統(tǒng)中，藻液經(jīng)循環(huán)泵泵至高位塔中， 高位塔中的藻液通過液流分布器進入傾斜的金屬甬道，藻液在重力的作用下回流至方形金屬槽，在此處進行CO2補給和降溫，方形金屬槽與循環(huán)泵連接，完成藻液的循環(huán)。該裝置用于培養(yǎng)小球藻時，小球藻的生物量可以達到35. Og · L—1，但該反應(yīng)器在設(shè)計上同樣存在許多問題(1)離心泵會對一些環(huán)境敏感藻株(無細胞壁藻株)產(chǎn)生一定損傷，故不能用于此類藻株的培養(yǎng)；(2)研究人員無法通過方形金屬槽觀察到藻液的循環(huán)情況，同時方形金屬槽中的藻無法接受光照；C3)方形金屬槽體積放大后，嚴重影響美觀且不利于藻液的循環(huán)；(4) 本系統(tǒng)的作者并未提供可用于更大規(guī)模培養(yǎng)的設(shè)計模型；(5)該系統(tǒng)無法克服天氣對微藻培養(yǎng)的影響；(6)方形金屬槽的垂直高度低，不利于(X)2的補給。目前，企業(yè)普遍采用傳統(tǒng)的光生物反應(yīng)器(開放池、平板式、管道式、垂直柱式等) 培養(yǎng)產(chǎn)油微藻。由于產(chǎn)油微藻的培養(yǎng)有別于餌料藻，其需要充足的光照和(X)2才能促使油脂的快速積累，而目前的光生物反應(yīng)器在設(shè)計時幾乎未考慮產(chǎn)油微藻生長及油脂積累的生物學(xué)特性，故難以滿足產(chǎn)油微藻高密度培養(yǎng)的需要。具體而言，這些光生物反應(yīng)器在技術(shù)上存在諸多缺點
(1)利用開放池光生物反應(yīng)器培養(yǎng)產(chǎn)油微藻，存在下述缺點光線難以穿透 15-30cm的液層，致使培養(yǎng)液下層的藻細胞無法接受充足的光照；另外開放池光生物反應(yīng)器較難實現(xiàn)對溫度的精確控制；藻細胞對CO2的利用率低；雨季時無法繼續(xù)培養(yǎng)；藻液循環(huán)
效率差。(2)參見前文所述，利用平板式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)產(chǎn)油微藻，同樣存在以下缺點 與開放池相比其培養(yǎng)規(guī)模相較?。煌ㄟ^縮短光徑的方式降低光衰減的影響，會導(dǎo)致培養(yǎng)體積的減少；反應(yīng)器串聯(lián)難度大，且投資成本高，限制了它的應(yīng)用。(3)管道式光生物反應(yīng)器在氣體的解析技術(shù)上存在一定的問題，室外培養(yǎng)時反應(yīng)器的降溫將占用大量的培養(yǎng)成本；管道式光生物反應(yīng)器多利用隔膜泵實現(xiàn)藻液的循環(huán)流動，一些較為敏感的微藻(雨生紅球藻等)，將無法進行正常生長；管道式反應(yīng)器構(gòu)建成本較高，另外其培養(yǎng)規(guī)模也相對較小，不適合產(chǎn)油微藻的低成本高密度培養(yǎng)的需要。(4)垂直柱式光生物反應(yīng)器在串聯(lián)放大技術(shù)上存在一定難度，無法滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要；通過增大光徑的方式擴大培養(yǎng)體積，將嚴重影響反應(yīng)器內(nèi)部藻液的照光狀況； 并且難以將自動清洗裝置應(yīng)用于垂直柱式光生物反應(yīng)器；藻液的循環(huán)和控溫同樣是該種類型反應(yīng)器需要解決的問題。(5)目前公開的組合型光生物反應(yīng)器，其在設(shè)計上同樣存在不足，限制了它在規(guī)?；a(chǎn)中的應(yīng)用。針對現(xiàn)有光生物反應(yīng)器存在的上述問題，有必要提出一種可用于產(chǎn)油微藻高密度培養(yǎng)的新型光生物反應(yīng)器的設(shè)計方案。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。為實現(xiàn)解決上述技術(shù)問題的目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，包括傾斜甬道、平板式光生物反應(yīng)器、液流氣升系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)及溫度控制系統(tǒng)，所述傾斜甬道的低位端位于所述平板式光生物反應(yīng)器的上方，所述液流氣升系統(tǒng)包括鼓氣裝置、高位槽和循環(huán)管道，所述高位槽的進液口通過所述循環(huán)管道連接所述平板式光生物反應(yīng)器的出液口、所述高位槽的出液口位于所述傾斜甬道的高位端上方，所述鼓氣裝置的出氣口連通所述循環(huán)管道，所述液位控制系統(tǒng)用于控制所述平板式光生物反應(yīng)器中藻液的液位，所述溫度控制系統(tǒng)用于控制所述平板式光生物反應(yīng)器中藻液的溫度。較優(yōu)地，所述傾斜甬道的高位端設(shè)置有液流分布器，所述高位槽的出液口通過連接管道連接所述液流分布器的進液口。較優(yōu)地，所述傾斜甬道的低位端設(shè)置有淺凹槽。較優(yōu)地，所述平板式光生物反應(yīng)器通過通氣管路接入所述鼓氣裝置。較優(yōu)地，設(shè)置有氣體混合系統(tǒng)，包括二氧化碳鋼瓶和氣體混合器，所述氣體混合器的一進氣口連接入所述二氧化碳鋼瓶，另一進氣口連接入所述鼓氣裝置；所述氣體混合器的一出氣口接入所述通氣管路，另一出氣口連通所述循環(huán)管道的上升管道。較優(yōu)地，所述氣體混合系統(tǒng)包括兩氣體流量計，其中一個用于控制空氣流量，另一個用于控制二氧化碳流量。較優(yōu)地，所述平板式光生物反應(yīng)器的頂部設(shè)置有伸縮板，所述伸縮板通過電機控制伸縮。較優(yōu)地，所述液位控制系統(tǒng)包括液位計、中央控制器、電磁閥和補水管路，其中所述液位計安裝在所述平板光生物反應(yīng)器的內(nèi)部，用于檢測并輸出平板光生物反應(yīng)器中藻液的液位信號；所述中央控制器接收所述液位信號，計算平板光生物反應(yīng)器中藻液的當(dāng)前液位并與設(shè)定液位比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出液位控制指令；所述電磁閥根據(jù)所述液位控制指令，開啟/關(guān)閉所述補水管路，實現(xiàn)系統(tǒng)蒸發(fā)水的自動補充。較優(yōu)地，所述溫度控制系統(tǒng)包括溫度探頭、中央控制器、電磁閥、冷水機及冷卻水管路，其中所述溫度探頭安裝在所述平板光生物反應(yīng)器內(nèi)部，用于檢測并輸出平板光生物反應(yīng)器中藻液的溫度信號；所述中央控制器接收所述溫度信號，計算平板光生物反應(yīng)器中藻液的當(dāng)前溫度并與設(shè)定液位比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出溫度控制指令；所述電磁閥根據(jù)所述溫度控制指令，開啟/關(guān)閉所述冷水機；所述冷卻水管路位于所述平板光生物反應(yīng)器內(nèi)部，通過所述冷水機加水，實現(xiàn)系統(tǒng)溫度的調(diào)節(jié)。較優(yōu)地，包括兩相互連接的高位傾斜甬道和低位傾斜甬道，其中所述高位傾斜甬道的高位端位于一高位槽的下方；所述低位傾斜甬道的低位端位于一平板式生物反應(yīng)器的上方。較優(yōu)地，由多個開放池構(gòu)成一階梯型的傾斜甬道，其中最頂部的開放池位于一高位槽的下方；最底部的開放池位于一平板式生物反應(yīng)器的上方。較優(yōu)地，包括兩高位傾斜甬道和一低位傾斜甬道，其中兩高位傾斜甬道的高位端同時位于一高位槽的下方；所述低位傾斜甬道夾設(shè)于兩高位傾斜甬道之間，且所述低位傾斜甬道的高位端同時位于兩高位傾斜甬道的低位端下方，所述低位傾斜甬道的低位端同時位于一平板式生物反應(yīng)器的上方。較優(yōu)地，包括兩組傾斜甬道、兩高位槽，其中兩組傾斜甬道形成“八”字型結(jié)構(gòu)； 兩組傾斜南道的高位端結(jié)合部上方設(shè)置兩高位槽，兩組傾斜南道低位端下方分別設(shè)置一平板式光生物反應(yīng)器。較優(yōu)地，包括兩組傾斜甬道和兩組高位槽，其中兩組傾斜甬道形成倒“八”字型結(jié)構(gòu)；兩組傾斜甬道的低位端結(jié)合部下方設(shè)置一平板式光生物反應(yīng)器，兩組傾斜甬道高位端上方分別設(shè)置一組高位槽。較優(yōu)地，所述傾斜甬道設(shè)置有電動升降裝置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)合薄層式開放池與平板式光生物反應(yīng)器的優(yōu)勢，利用氣升力和重力的雙重作用進行藻液循環(huán)，并充分考慮產(chǎn)油微藻生長及油脂積累的特性，實現(xiàn)產(chǎn)油微藻低成本高密度培養(yǎng)。具體而言，利用本培養(yǎng)系統(tǒng)主要可以取得以下有益的技術(shù)效果(1)解決開放池式光生物反應(yīng)器控溫困難且ω2的利用率低的問題；(2)利用氣升力和重力的雙重作用，解決了開放池中藻液循環(huán)流動性差的問題和離心力對藻細胞的損傷； (3)可實現(xiàn)環(huán)境敏感微藻的高密度培養(yǎng)；(4)克服雨水天氣對微藻培養(yǎng)的影響；( 解決了開放池式光生物反應(yīng)器光衰減嚴重的問題；(6)可實現(xiàn)控溫培養(yǎng)。


圖1為本發(fā)明實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)示意圖，描述了一種耦合式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)的工藝流程；圖2為圖1中平板式光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖1中液流氣升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4A為圖1中液流分布器類型一的示意圖；圖4B為圖1中液流分布器類型二的示意圖；圖5為圖1中傾斜甬道的結(jié)構(gòu)示意圖，實際上構(gòu)成了一種開放池光生物反應(yīng)器；圖6為本發(fā)明實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)實施例一的示意圖， 表示一種薄層單甬道耦合式光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；圖7為本發(fā)明實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)實施例二的示意圖， 表示一種為階梯形耦合式光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；圖8為本發(fā)明實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)實施例三的示意圖， 表示一種為雙薄層甬道耦合式光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；圖9為本發(fā)明實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)模化培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)實施例四的示意圖， 表示一種多薄層甬道耦合式光生物反應(yīng)器類型一的結(jié)構(gòu)；圖10為本發(fā)明實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)模化培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)實施例五的示意圖，表示一種多薄層甬道耦合式光生物反應(yīng)器類型二的結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式本發(fā)明的核心思想是將薄層式開放池、平板式光生物反應(yīng)器和液流氣升系統(tǒng)進行耦合，結(jié)合兩種不同類型光生物反應(yīng)器的優(yōu)勢，利用氣升力和重力的雙重作用進行藻液循環(huán)，并充分考慮產(chǎn)油微藻生長及油脂積累的特性，使藻細胞在薄層式開放池中接受更多的光能，在平板式光生物反應(yīng)器中補充CO2和降溫，增加光合作用效率，實現(xiàn)產(chǎn)油微藻低成本
尚jS、度培養(yǎng)。為實現(xiàn)上述構(gòu)思的目的，本發(fā)明提供以下實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的優(yōu)選解決方案，其本質(zhì)為一種耦合式光生物反應(yīng)器系統(tǒng)(以下簡稱培養(yǎng)系統(tǒng))。該培養(yǎng)系統(tǒng)具體包括薄層傾斜甬道、平板式光生物反應(yīng)器(以下簡稱平板反應(yīng)器)、高壓鼓風(fēng)機或空氣壓縮機、藻液循環(huán)管道(包括單向閥和截止閥)、液流氣升系統(tǒng)、液流分布器、液位控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、氣體混合系統(tǒng)、伸縮板等部件，以下對其中的主要部件的結(jié)構(gòu)、 功能及工作原理分別進行說明。薄層傾斜甬道是該培養(yǎng)系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)油微藻細胞在其中接收更多的光能和各種營養(yǎng)成分進行分裂生長，是微藻生物量積累的主要場所。藻液在薄層傾斜甬道中循環(huán)流動方式如下藻液由高位槽進入薄層傾斜甬道中，并在重力的作用下，一級一級地緩緩向下流動，最終流入平板式光生物反應(yīng)器中。該薄層傾斜甬道中的藻液深度通常小于 lcm，薄層傾斜甬道與水平面的傾斜角度為1° -3°，薄層傾斜甬道的長度為5-lOOm、寬度 0. 2-1. Om0可供選擇的傾斜南道構(gòu)建材料有普通玻璃、鋼化玻璃、硼硅玻璃、水泥、硬質(zhì)塑料 (亞克力、聚碳酸酯、聚乙烯、PVC等)、農(nóng)用塑料膜(需支撐架)、不銹鋼板、PVC革(需支撐架)、塑鋼板(需支撐架)等。
平板式光生物反應(yīng)器是由若干特定規(guī)格大小的透明平板，通過粘合劑粘合而形成封閉的透明容器，其在該耦合培養(yǎng)系統(tǒng)中的作用主要有(1)平板反應(yīng)器底部裝有若干通氣管路，通過鼓氣對藻液進行攪拌混合的同時，可實現(xiàn)藻液中二氧化碳的補給；( 平板反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置有多條循環(huán)冷卻管路，實現(xiàn)對藻液溫度的控制；C3)雨季時，將藻液全部收集在平板反應(yīng)器中，可利用人工光源繼續(xù)培養(yǎng)。其中平板式光生物反應(yīng)器下端通過循環(huán)管道與高位槽連接，在氣升力的作用下，可將藻液推升至高位槽中。用于制作平板式光生物反應(yīng)器的透明材料有普通玻璃(0. 8-2. Ocm)、有機玻璃(亞克力、聚碳酸酯和聚乙烯)、鋼化玻璃和硼硅玻璃等。高壓鼓風(fēng)機或空氣壓縮機為市售器材，其與循環(huán)管道、高位槽組成該耦合培養(yǎng)系統(tǒng)的“液流上升系統(tǒng)”。鼓風(fēng)機或空氣壓縮機產(chǎn)生的高壓空氣，在經(jīng)過氣體混合器與二氧化碳比例混合后，分為兩路一路進入平板式光生物反應(yīng)器中，用于平板反應(yīng)器中藻液的攪拌和二氧化碳的補給；另一路進入與高位槽連通的上升管道中，該部分氣流產(chǎn)生強大的氣升力，帶動藻液進入高位槽中。其中，循環(huán)管路中裝有若干單向閥和截止閥，防止藻液倒流。藻液在循環(huán)管路可以充分與二氧化碳氣體混合，極大地提高二氧化碳的利用效率。高壓鼓風(fēng)機或空氣壓縮機的功率，需根據(jù)培養(yǎng)規(guī)模精確計算，以保證藻液可循環(huán)地流動。高位槽為一圓柱形或方形的上端開口的容器，其下端通過管道與平板式光生物反應(yīng)器連接；高位槽上端側(cè)壁上裝有管道，該管道與液流分布器連接。高位槽可用普通玻璃、有機玻璃、鋼化玻璃和硼硅玻璃，PVC等材料制作，通氣管路則可以選擇目前流行的Pra和PVC管材進行構(gòu)建。液流分布器為一中空筒型或方管型容器，其主要作用是保證藻液均勻流向薄層傾斜甬道(開放池)，其中每一組薄層傾斜甬道的高位端均安裝有液流分布器?？晒┻x擇的液流分布器制作材料有不銹鋼圓管或方管、有機玻璃、硬質(zhì)塑料等。液位控制系統(tǒng)由液位計、中央控制器、電磁閥和補水管路等組成。液位計安裝在平板式光生物反應(yīng)器內(nèi)部，用于檢測培養(yǎng)系統(tǒng)中藻液的蒸發(fā)情況，當(dāng)平板光反應(yīng)器中藻液的液位低于設(shè)定液位時，液位計將輸送指令信號至中央控制器；中央控制器判斷該信號后，發(fā)送控制指令至電磁閥；通過控制電磁閥的關(guān)閉與開啟，實現(xiàn)培養(yǎng)系統(tǒng)蒸發(fā)水的自動補充。溫度控制系統(tǒng)由溫度探頭、中央控制器、冷水機、電磁閥、冷卻水管路等組成。溫度探頭安裝在平板式光生物反應(yīng)器內(nèi)部，用于檢測培養(yǎng)系統(tǒng)的溫度，當(dāng)溫度探頭檢測到培養(yǎng)系統(tǒng)中的溫度高于設(shè)定溫度時，其將發(fā)送指令信號至中央控制器；中央控制器判斷該信號后，發(fā)送控制指令至電磁閥；電磁閥控制冷水機的開動與關(guān)閉，實現(xiàn)培養(yǎng)系統(tǒng)溫度的自動控制。氣體混合系統(tǒng)由兩個氣體流量計和氣體混合筒組成，主要用于空氣與二氧化碳的比例混合，其中一個流量計用于空氣流量的控制，另一流量計用于二氧化碳氣流量的控制； 氣體混合器用于兩種氣體的混合，其可由不銹鋼材料制作而成。伸縮板安裝在平板式光生物反應(yīng)器上端，通過電機控制其伸縮。當(dāng)雨季到來時，控制伸縮板將平板式光生物反應(yīng)器上端遮蓋住，防止雨水進入；當(dāng)雨季過后，打開伸縮板，實現(xiàn)藻液的循環(huán)。為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖1描述了本發(fā)明的整套工藝流程，其中1為傾斜甬道，2為高壓鼓風(fēng)機或空氣壓縮機，3為二氧化碳鋼瓶，4為氣體混合器，5為三相閥，6為藻液收集器，7為冷水機，8為冷卻管路，9為通氣管路，10為平板反應(yīng)器，11為液流分布器，12為單向閥，13為液位計，14為高位槽。其中主要部件結(jié)構(gòu)、功能及原理在前文已有詳述，在此不再重復(fù)。在該培養(yǎng)系統(tǒng)中，藻液的流動方向如圖1中箭頭所示藻液在氣升力的作用下，由管道進入高位槽14中，高位槽14中的藻液在短暫儲存后，通過氣體分布器11進入薄層傾斜甬道1中，并在重力的作用下沿甬道一級一級地緩緩向下流動，最終匯入平板反應(yīng)器10 中；藻液在平板反應(yīng)器10中可以進行二氧化碳的補充的和溫度的控制，藻液由平板反應(yīng)器 10下端出口進入管道中，在氣升力的作用下回流至高位槽14，完成整個循環(huán)。當(dāng)培養(yǎng)結(jié)束后，藻液可由藻液收集器6進行收集。平板反應(yīng)器如圖2所示，其中平板反應(yīng)器10的接口 101通過管道與高位槽14相連接冷卻水管8與冷水機7相連接。平板反應(yīng)器可優(yōu)選采用外置加固或內(nèi)拉筋的方式(已另行申請專利)構(gòu)建。其中用于制作平板反應(yīng)器的透明材料有普通玻璃、有機玻璃(亞克力、聚碳酸酯和聚乙烯)、鋼化玻璃和硼硅玻璃等。圖3為耦合式培養(yǎng)系統(tǒng)的“液流上升系統(tǒng)”，其中管路接口 21與高壓鼓風(fēng)機2連接，可實現(xiàn)壓縮氣體的鼓入。管路接口 102與平板式光生物反應(yīng)器下端接口 101相連，將培養(yǎng)系統(tǒng)連接成一個封閉的循環(huán)體系。高壓鼓風(fēng)機2產(chǎn)生的高壓氣體由管路接口 21鼓入上升管道22，在氣泡快速上升的過程中產(chǎn)生強大的氣升力，帶動培養(yǎng)液向上運動，實現(xiàn)藻液的循環(huán)。圖4A和圖4B為兩種類型的液流分布器11，其中藻液由液流分布器11上部的連接管路進入，當(dāng)藻液的高度超過液流分布器“前擋板”的高度時，藻液將平緩地流入傾斜甬道 1中。由于液流分布器11的作用是保證傾斜甬道1中的藻液均勻平穩(wěn)流動，故為此在每一組甬道的高位端均安裝有液流分布器11。圖5為傾斜甬道1的結(jié)構(gòu)，其高位端裝有液流分布器11，在低位端設(shè)置有淺凹槽， 保證藻液可以全部流入下一級甬道的高位端。優(yōu)選地，傾斜甬道1中的藻液深度通常小于 5cm，傾斜甬道與水平面的角度為1-3°，傾斜甬道的長度為5-100m，寬度為0. 2-1. 0m。在遵循本發(fā)明上述專利設(shè)計原理的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建多種不同形式的耦合式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)，現(xiàn)舉例說明如下實施例一、單薄層甬道耦合式光生物反應(yīng)器參見圖6，該模型是本發(fā)明最直觀的表現(xiàn)形式，其包括兩條相互連接的薄層傾斜甬道1 (高位薄層甬道和低位薄層甬道)、一組平板反應(yīng)器10、高壓鼓風(fēng)機2、一個高位槽14、 兩組液流分布器11、一組液位控制系統(tǒng)、一組溫度控制系統(tǒng)、氣體混合系統(tǒng)、伸縮板等。薄層傾斜甬道1與水平面的角度為1-3°，長度為5-100m，寬度0. 2-1. Om ；每條薄層甬道1底部均裝有電動升降裝置，可以通過控制升降裝置，調(diào)節(jié)薄層傾斜甬道1與水平面的角度。該模型培養(yǎng)規(guī)模相對較小，可用于實驗室應(yīng)用基礎(chǔ)方面的研究。實施例二、階梯形耦合式光生物反應(yīng)器參見圖7，該模型是本發(fā)明的另外一種直觀表現(xiàn)形式，其開放池部分為階梯結(jié)構(gòu)， 構(gòu)成另一種形式的薄層傾斜甬道。藻液由最上層階梯緩緩流向最底層階梯，藻細胞在流動的過程中，可接受充足的光照進行生長。階梯數(shù)量可根據(jù)培養(yǎng)規(guī)模進行設(shè)置，該模型僅需一組液流分布器11即可實現(xiàn)藻液的均勻分布。當(dāng)該系統(tǒng)的培養(yǎng)規(guī)模較大時，可以考慮增加前述“液流上升系統(tǒng)”，由此以加速藻液的循環(huán)。
實施例三、雙薄層甬道耦合式光生物反應(yīng)器參見圖8，該模型是由圖6所示“單甬道耦合式光生物反應(yīng)器”改進而來，“單薄層甬道耦合式光生物反應(yīng)器”的培養(yǎng)規(guī)模相對較小，當(dāng)為其增加一條高位甬道后，其培養(yǎng)規(guī)模將加倍。圖8中，雙薄層甬道耦合式光生物反應(yīng)器有兩條高位薄層甬道、一條低位薄層甬道、兩個高位槽等，它可以實現(xiàn)藻液的快速循環(huán)。實施例四、多薄層甬道耦合式光生物反應(yīng)器類型一前三種類型的耦合式光生物反應(yīng)器，其培養(yǎng)規(guī)模很難繼續(xù)擴大，針對上述問題，設(shè)計出一種可用于產(chǎn)油微藻戶外規(guī)?；囵B(yǎng)的設(shè)計模型。該模型由若干傾斜甬道(類似太陽能板)、兩組光生物反應(yīng)器系統(tǒng)、兩個高位槽等結(jié)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。藻液由液流分布器分為兩部分，兩部分藻液分別從不同方向進入兩個平板式光生物反應(yīng)器中，藻液在此處進行二氧化碳的補充和溫度的控制，隨后在氣升力的作用下進入高位槽，完成藻液的循環(huán)。該實施例中，薄層傾斜甬道的數(shù)量可根據(jù)培養(yǎng)規(guī)模進行設(shè)置。而為了加快藻液循環(huán)速度，高位槽14的數(shù)量同樣可以增加。實施例五、多薄層甬道耦合式光生物反應(yīng)器類型二參見圖10，該模型與圖9 “多薄層甬道耦合式光生物反應(yīng)器類型一”相似。不同之處在于，甬道的傾斜方向與圖9所示“多薄層甬道耦合式光生物反應(yīng)器類型一”相反，藻液是由兩側(cè)匯集到中心平板反應(yīng)器中，然后通過管道輸送至外圍兩組平板反應(yīng)器中，隨后在氣升力的作用下進入外圍兩組高位槽中，完成藻液的循環(huán)，該模型同樣可用于產(chǎn)油微藻戶外規(guī)?；囵B(yǎng)。上述實施例反應(yīng)器系統(tǒng)的培養(yǎng)效果已在產(chǎn)油微藻小試規(guī)模培養(yǎng)中得到了證實。相對于目前科研機構(gòu)和企業(yè)普遍采用開放池和平板式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)產(chǎn)油微藻，生產(chǎn)效率普遍較低，難以滿足產(chǎn)業(yè)化需要的諸多缺點，以上實施例的培養(yǎng)系統(tǒng)包括但不僅限于以下優(yōu)點(1)實現(xiàn)產(chǎn)油微藻的低成本高密度培養(yǎng)；(2)降低反應(yīng)器構(gòu)建成本；(3)實現(xiàn)產(chǎn)油微藻全年連續(xù)培養(yǎng)；(3)解決傳統(tǒng)光生物反應(yīng)器無法克服的控溫、CO2高效補給及光衰減等的問題。綜上所述，本發(fā)明在綜合分析影響產(chǎn)油微藻生長及油脂積累的關(guān)鍵因素的基礎(chǔ)上，并結(jié)合§etlik(1960s)的設(shè)計模型，提出將薄層式開放池式光生物反應(yīng)器、平板式光生物反應(yīng)器和液流氣升系統(tǒng)進行耦合，利用兩種反應(yīng)器各自優(yōu)勢，通過氣升力和重力的雙重作用進行藻液循環(huán)、CO2的高效補充，實現(xiàn)產(chǎn)油微藻低成本高密度培養(yǎng)。以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其關(guān)鍵點是結(jié)合開放池與平板式光生物反應(yīng)器的優(yōu)勢，利用氣升力和重力的雙重作用，并充分考慮產(chǎn)油微藻生長及油脂積累的特性，實現(xiàn)產(chǎn)油微藻低成本高密度培養(yǎng)。應(yīng)當(dāng)指出的是，上述優(yōu)選實施方式不應(yīng)視為對本發(fā)明的限制， 本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準。對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)模化培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于，包括傾斜甬道、平板式光生物反應(yīng)器、液流氣升系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)及溫度控制系統(tǒng)，所述傾斜甬道的低位端位于所述平板式光生物反應(yīng)器的上方，所述液流氣升系統(tǒng)包括鼓氣裝置、高位槽和循環(huán)管道，所述高位槽的進液口通過所述循環(huán)管道連接所述平板式光生物反應(yīng)器的出液口、所述高位槽的出液口位于所述傾斜甬道的高位端上方，所述鼓氣裝置的出氣口連通所述循環(huán)管道，所述液位控制系統(tǒng)用于控制所述平板式光生物反應(yīng)器中藻液的液位，所述溫度控制系統(tǒng)用于控制所述平板式光生物反應(yīng)器中藻液的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于， 所述傾斜南道的高位端設(shè)置有液流分布器，所述高位槽的出液口通過連接管道連接所述液流分布器的進液口。
3.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)模化培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于， 所述傾斜甬道的低位端設(shè)置有淺凹槽。
4.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于， 所述平板式光生物反應(yīng)器通過通氣管路接入所述鼓氣裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于， 設(shè)置有氣體混合系統(tǒng)，包括二氧化碳鋼瓶和氣體混合器，所述氣體混合器的一進氣口連接入所述二氧化碳鋼瓶，另一進氣口連接入所述鼓氣裝置；所述氣體混合器的一出氣口接入所述通氣管路，另一出氣口連通所述循環(huán)管道的上升管道。
6.如權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于， 所述氣體混合系統(tǒng)包括兩氣體流量計，其中一個用于控制空氣流量，另一個用于控制二氧化碳流量。
7.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于， 所述平板式光生物反應(yīng)器的頂部設(shè)置有伸縮板，所述伸縮板通過電機控制伸縮。
8.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于， 所述液位控制系統(tǒng)包括液位計、中央控制器、電磁閥和補水管路，其中所述液位計安裝在所述平板光生物反應(yīng)器的內(nèi)部，用于檢測并輸出平板光生物反應(yīng)器中藻液的液位信號；所述中央控制器接收所述液位信號，計算平板光生物反應(yīng)器中藻液的當(dāng)前液位并與設(shè)定液位比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出液位控制指令；所述電磁閥根據(jù)所述液位控制指令，開啟/關(guān)閉所述補水管路，實現(xiàn)系統(tǒng)蒸發(fā)水的自動補充。
9.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于， 所述溫度控制系統(tǒng)包括溫度探頭、中央控制器、電磁閥、冷水機及冷卻水管路，其中所述溫度探頭安裝在所述平板光生物反應(yīng)器內(nèi)部，用于檢測并輸出平板光生物反應(yīng)器中藻液的溫度信號；所述中央控制器接收所述溫度信號，計算平板光生物反應(yīng)器中藻液的當(dāng)前溫度并與設(shè)定液位比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出溫度控制指令；所述電磁閥根據(jù)所述溫度控制指令，開啟/關(guān)閉所述冷水機；所述冷卻水管路位于所述平板光生物反應(yīng)器內(nèi)部，通過所述冷水機加水，實現(xiàn)系統(tǒng)溫度的調(diào)節(jié)。
10.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于， 包括兩相互連接的高位傾斜甬道和低位傾斜甬道，其中所述高位傾斜甬道的高位端位于一高位槽的下方；所述低位傾斜甬道的低位端位于一平板式生物反應(yīng)器的上方。
11.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于， 由多個開放池構(gòu)成一階梯型的傾斜甬道，其中最頂部的開放池位于一高位槽的下方；最底部的開放池位于一平板式生物反應(yīng)器的上方。
12.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)模化培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于， 包括兩高位傾斜甬道和一低位傾斜甬道，其中兩高位傾斜甬道的高位端同時位于一高位槽的下方；所述低位傾斜甬道夾設(shè)于兩高位傾斜甬道之間，且所述低位傾斜甬道的高位端同時位于兩高位傾斜甬道的低位端下方，所述低位傾斜甬道的低位端同時位于一平板式生物反應(yīng)器的上方。
13.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于， 包括兩組傾斜甬道、兩高位槽，其中兩組傾斜甬道形成“八”字型結(jié)構(gòu)；兩組傾斜甬道的高位端結(jié)合部上方設(shè)置兩高位槽，兩組傾斜南道低位端下方分別設(shè)置一平板式光生物反應(yīng)ο
14.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于， 包括兩組傾斜甬道和兩組高位槽，其中兩組傾斜甬道形成倒“八”字型結(jié)構(gòu)；兩組傾斜甬道的低位端結(jié)合部下方設(shè)置一平板式光生物反應(yīng)器，兩組傾斜南道高位端上方分別設(shè)置一組高位槽。
15.如權(quán)利要求1 14任一項所述的實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)， 其特征在于，所述傾斜甬道設(shè)置有電動升降裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開一種實現(xiàn)產(chǎn)油微藻規(guī)模化培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，包括傾斜甬道、平板式光生物反應(yīng)器、液流氣升系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)及溫度控制系統(tǒng)，傾斜甬道的低位端位于平板式光生物反應(yīng)器的上方，液流氣升系統(tǒng)包括鼓氣裝置、高位槽和循環(huán)管道，高位槽的進液口通過循環(huán)管道連接平板式光生物反應(yīng)器的出液口、高位槽的出液口位于傾斜甬道的高位端上方，鼓氣裝置的出氣口連通循環(huán)管道，液位控制系統(tǒng)用于控制平板式光生物反應(yīng)器中藻液的液位，溫度控制系統(tǒng)用于控制平板式光生物反應(yīng)器中藻液的溫度。本發(fā)明利用氣升力和重力的雙重作用進行藻液循環(huán)，并充分考慮產(chǎn)油微藻生長及油脂積累的特性，可實現(xiàn)產(chǎn)油微藻低成本高密度培養(yǎng)。
文檔編號C12M1/36GK102296024SQ201110251480
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月29日
發(fā)明者劉敏勝, 吳洪, 張成武, 朱振旗, 李濤, 李愛芬 申請人:暨南大學(xué)