用于微藻养殖的开放式生物反应器及其养殖方法.pdf

本发明公开了一种用于微藻养殖的开放式生物反应器及其养殖方法，所述生物反应器包括设置于室外的反应器(1)、气液传质装置(2)、微藻收获系统(4)和藻液回流系统(5)，所述反应器(1)呈平板状，经与二氧化碳气液交换的藻液输入反应器(1)的上游端向下游端保持平稳流动使微藻沿反应器流动方向生长，到达反应器(1)下游端后，当藻体达到要求的浓度时经微藻收获系统(4)收获分离微藻，未达到要求的浓度时经藻液回流系统(5)输送回气液传质装置(2)。本发明的用于微藻养殖的开放式生物反应器及其养殖方法不仅成本低、维护和保养容易，对于特点的藻种不易被外来微藻污染、二氧化碳利用率高，适合大规模、低成本养殖微藻。

1、  一种用于微藻养殖的开放式生物反应器，包括设置于室外的反应器(1)；其特征在于，还包括：
气液传质装置(2)，其输入口与二氧化碳输送管(31)和藻液输送管(32)连接以实现藻液和二氧化碳的气液交换，其输出口连接所述反应器(1)上游端；
微藻收获系统(4)，连接于所述反应器(1)的下游端，用于在藻体浓度达到要求时收获分离微藻；
藻液回流系统(5)，其输入口连接所述反应器(1)的下游端，其输出口连接所述气液传质装置(2)，用于在藻体浓度未达到要求时将其输送回流至所述气液传质装置(2)；
所述反应器(1)呈平板状，经与二氧化碳气液交换的藻液输入所述反应器(1)的上游端向下游端保持平稳流动，在此过程中微藻沿反应器流动方向生长，到达反应器(1)下游端后，当藻体达到要求的浓度时经所述微藻收获系统(4)收获分离微藻，当藻体未达到要求的浓度时经所述藻液回流系统(5)输送至所述气液传质装置(2)并与新鲜藻液混合后重新返回所述反应器(1)。

2、  根据权利要求1所述的用于微藻养殖的开放式生物反应器，其特征在于：所述反应器(1)倾斜设置使其内的藻液形成平稳流动，所述反应器(1)底面与水平面之间的夹角为0至1度的范围。

3、  根据权利要求1所述的用于微藻养殖的开放式生物反应器，其特征在于：还包括有助于在所述反应器(1)内形成平稳流动的流体形成装置，该流体形成装置为液体动力设备。

4、  根据权利要求1、2或3所述的用于微藻养殖的开放式生物反应器，其特征在于：所述气液传质装置(2)内设置有测量藻液pH值的pH电极(21)和测量二氧化碳浓度的二氧化碳检测器(22)，所述二氧化碳输送管(31)和藻液输送管(32)上分别设有流量大小控制装置。

5、  根据权利要求1、2或3所述的用于微藻养殖的开放式生物反应器，其特征在于：所述反应器(1)上游端沿垂直于流动方向均匀设置有多个导流堰(11)。

6、  根据权利要求1、2或3所述的用于微藻养殖的开放式生物反应器，其特征在于：所述反应器(1)下游端沿垂直于流动方向设置有控制反应器(1)内液位高低的溢流堰(12)以及位于该溢流堰(12)外侧以装载从所述溢流堰(12)溢流出来的藻液的导流槽(13)，所述微藻收获系统(4)和藻液回流系统(5)连接于该导流槽(13)处，该导流槽(13)内还设置有用于检测藻体浓度的微藻浓度检测仪(6)。

7、  根据权利要求1、2或3所述的用于微藻养殖的开放式生物反应器，其特征在于：所述反应器(1)底部设置有换热装置(14)。

8、  一种开放式生物反应器的微藻养殖方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a.将新鲜藻液与二氧化碳进行气液交换；
b.将气液交换后的藻液输入一个置于室外的平板式的反应器(1)的上游端，并使藻液沿该反应器(1)的上游端向下游端缓慢流动，藻种在缓慢流动中不断生长；
c.检测所述反应器(1)下游端的藻体浓度，如果藻体浓度达到要求则分离收获该下游端的微藻，使反应器(1)内的藻体保持最佳的生长密度，如果藻体浓度未达到要求则将所述反应器(1)下游端的藻液输送回流并与新鲜藻液混合后再次进入反应器(1)的上游端。

9、  根据权利要求8所述的开放式生物反应器的微藻养殖方法，其特征在于：所述步骤a中新鲜藻液与二氧化碳在气液传质装置内进行气液交换，并通过控制新鲜藻液和二氧化碳的输入量来控制该气液传质装置内的藻液保持pH值为4～10、二氧化碳浓度为0.2～1560ppm。

10、  根据权利要求8所述的开放式生物反应器的微藻养殖方法，其特征在于：所述反应器(1)内藻液的流速控制在10～40cm/s。

11、  根据权利要求8所述的开放式生物反应器的微藻养殖方法，其特征在于：所述步骤c中，收获时所要求的藻体浓度为10⁵～10⁸个/ml。

用于微藻养殖的开放式生物反应器及其养殖方法
技术领域
本发明涉及一种微藻养殖使用的反应器及使用该反应器的养殖方法，尤其涉及一种用于室外养殖微藻的生物反应器及其养殖方法。
背景技术
传统的微藻养殖反应器主要有两种类型：封闭式反应器和开放式反应器。封闭式反应器主要有管式反应器、竖直平板式反应器、袋式反应器及搅拌釜式等几种类型，封闭式反应器在养殖过程中不易污染，水体中藻体浓度高，微藻养殖过程易于控制，但是封闭式反应器也存在如下不足：1、由于藻液受光照影响，吸收大量热量，导致反应器内部温度上升，因此养殖过程需要大量换热设备；2、封闭式反应器通常需要加装人工光照系统，从而增加了能源消耗；3、封闭式反应器内壁容易污染，不易清理，很难实现微藻养殖的连续化；4、结构复杂，放大相对困难；5、设备造价昂贵，维护及操作费用高。而传统开放式反应器主要是跑道池反应器，其特点是反应器水平放置，培养液主要靠浆轮或者旋转臂的转动实现循环，其造价低廉，维护和保养容易，但是存在养殖过程中易被浮游动物、其他微藻等外来物种污染、藻体浓度较低、二氧化碳利用率低等缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种用于微藻养殖的开放式生物反应器及其养殖方法，利用快速生长的藻种来解决传统开放式反应器养殖中藻种易污染、二氧化碳利用率低等问题，实现微藻养殖的连续或半连续操作，并且适合大规模、低成本养殖微藻。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是，设计制造一种用于微藻养殖的开放式生物反应器，包括设置于室外的反应器；此外还包括：
气液传质装置，其输入口与二氧化碳输送管和藻液输送管连接以实现藻液和二氧化碳的气液交换，其输出口连接所述反应器上游端；
微藻收获系统，连接于所述反应器的下游端，用于在藻体浓度达到要求时收获分离微藻，使反应器内保持最佳生长密度；
藻液回流系统，其输入口连接所述反应器的下游端，其输出口连接所述气液传质装置，用于在藻体浓度未达到要求时将其输送回流至所述气液传质装置；
所述反应器呈平板状，经与二氧化碳气液交换的藻液输入所述反应器的上游端向下游端保持平稳流动，在此过程中微藻沿反应器流动方向生长，到达反应器下游端后，当藻体达到要求的浓度时经所述微藻收获系统收获分离微藻，当藻体未达到要求的浓度时经所述藻液回流系统输送至所述气液传质装置并与新鲜藻液混合后重新返回所述反应器。
所述反应器倾斜设置使其内的藻液形成平稳流动，所述反应器底面与水平面之间的夹角为0至1度的范围。或者，设置有助于在所述反应器内形成平稳流动的流体形成装置，该层流形成装置为液体动力设备。
所述气液传质装置内设置有测量藻液pH值的pH电极和测量二氧化碳浓度的二氧化碳检测器，所述二氧化碳输送管和藻液输送管上分别设有流量大小控制装置，用于根据检测出来的藻液pH值和二氧化碳浓度分别控制所输入的藻液和二氧化碳的流量。
所述反应器上游端沿垂直于流动方向均匀设置有多个导流堰，可使反应器内部的藻种分布更加均匀。
所述反应器下游端沿垂直于流动方向设置有控制反应器内液位高低的溢流堰以及位于该溢流堰外侧以装载从所述溢流堰溢流出来的藻液的导流槽，所述微藻收获系统和藻液回流系统连接于该导流槽处，该导流槽内还设置有用于检测藻体浓度的微藻浓度检测仪。
当天气寒冷或者安装于高纬度寒冷地区时，所述反应器底部还可以设置有换热装置，使藻液保持一定温度。
本发明的开放式生物反应器的微藻养殖方法包括如下步骤：
a.将新鲜藻液与二氧化碳进行气液交换；
b.将气液交换后的藻液输入一个置于室外的平板式的反应器的上游端，并使藻液沿该反应器的上游端向下游端缓慢流动，藻种在缓慢流动中不断生长；
c.检测所述反应器下游端的藻体浓度，如果藻体浓度达到要求则分离收获该下游端的微藻，使反应器内的藻体保持最佳的生长密度，如果藻体浓度未达到要求则将所述反应器下游端的藻液输送回流并与新鲜藻液混合后再次进入反应器的上游端。
所述步骤a中新鲜藻液与二氧化碳在气液传质装置内进行气液交换，并通过控制新鲜藻液和二氧化碳的输入量来控制该气液传质装置内的藻液保持pH值为4～10、二氧化碳浓度为0.2～1560ppm。
所述反应器内藻液的流速控制在10～40cm/s。
所述步骤c中，收获时所要求的藻体浓度为10⁵～10⁸个/ml。
同现有技术相比较，本发明的用于微藻养殖的开放式生物反应器及其养殖方法具有如下优点：(1)由于反应器内的流动方式采用平稳流动，使藻种沿着反应器轴线生长，到达反应器底部后，即达到较高的浓度，经收获系统收获，可以实现连续或半连续操作，并可以使反应器内部保持最佳生长密度，提高藻体生长速率。(2)对于所筛选的生长迅速的藻种，使用本发明所涉及的反应器及其操作方法，可以有效的避免其他藻种的严重污染，确保所用藻种在反应器中的种群优势。(3)由于反应器加装了气液传质装置，大大增强了二氧化碳气体的利用率，有效降低了成本。(4)由于采用了导流堰，使得反应器内部的藻种分布在更加均匀，有效的提高了藻种的生长速率。(5)本发明所涉及的反应器可以通过若干个缓冲器互相连接，连接方式可以串联、并联及混联，从而有效的提高整个系统的处理量及处理效率。(6)本发明由于加装了换热装置，可以适用于寒冷或高纬度地区的微藻养殖。(7)本发明中所用二氧化碳及加热用废气可以来自于火电厂的废气，适用于火电厂的废气处理。(8)本反应器结构简单，能耗低，易于扩大生产。
附图说明
图1为本发明用于微藻养殖的开放式生物反应器的平面结构示意图；
图2为本发明用于微藻养殖的开放式生物反应器的竖向结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述。
如图1所示，本发明的用于微藻养殖的开放式生物反应器包括：反应器1、气液传质装置2、微藻收获系统4、藻液回流系统5、微藻浓度检测仪6、泵7、以及流量计、控制阀等。其中：
所述反应器1呈平板状并设置于室外，如图2所示，可以将该反应器1倾斜设置，其底面与水平面之间的夹角α为0至1度的范围，根据不同藻种所需要的生长时间而具体设定，利用重力的作用使其内的藻液形成平稳流动；或者，将该反应器1水平放置，通过安装流体形成装置，如离心泵等液体动力设备，使该反应器1内的藻液形成平稳流动。如图1，所述反应器1上游端沿垂直于流动方向均匀设置有多个导流堰11，其下游端沿垂直于流动方向设置有控制反应器1内液位高低的溢流堰12以及位于该溢流堰12外侧的导流槽13，所述微藻浓度检测仪6设置在该导流槽13内用于检测藻体的浓度。
所述气液传质装置2的输入口与二氧化碳输送管31和藻液输送管32连接，其输出口连接所述反应器1的上游端。所述二氧化碳输送管31上设有流量控制阀93和流量计85等流量大小控制装置，所述藻液输送管32上设有流量控制阀92和流量计84等流量大小控制装置。所述气液传质装置2内设置有测量藻液PH值的PH电极21和测量二氧化碳浓度的二氧化碳检测器22，根据所检测出来的藻液pH值和二氧化碳浓度而通过流量大小控制装置分别控制藻液和二氧化碳的输入量。如图2所示，因为二氧化碳的质量较轻，所以将所述二氧化碳输送管31的入口安装在气液传质装置2的底部，将所述藻液输送管32的入口安装在气液传质装置2的顶部，可使藻液和二氧化碳在气液传质装置2内实现更加充分的气液交换后才输送至反应器1内，能有效提高二氧化碳的利用率。所述气液传质装置2可以采用PVC材料制作，采用填料塔设计，内部可以填装塑料纹丝网填料。
所述微藻收获系统4和藻液回流系统5分别连接一个三向阀91的两个接口，该三向阀91的另一个接口连接泵7，该泵7的另一端通过管道连接于所述反应器1的导流槽13处，泵7与三向阀91之间安装有流量计81，微藻收获系统4与三向阀91之间安装有流量计82，藻液回流系统5与三向阀91之间安装有流量计83。所述微藻收获系统4可采用离心、微滤、泡沫分离等有效的分离方法分离出微藻，但并不局限于上述分离方法。所述藻液回流系统5为一液体管道，其另一端连接所述气液传质装置2。当导流槽13处的藻体浓度达到要求时，控制所述三向阀91连通微藻收获系统4以收获微藻，而当藻体浓度未达到要求时，控制所述三向阀91连通藻液回流系统5，使藻液重新回流至所述气液传质装置2内。
此外，当本发明的生物反应器在寒冷的天气或安装在高纬度寒冷地区时，可以在所述反应器1底部设置一换热装置14，该换热装置14可以是与火电厂废气相连的废气换热管，充分利用其热能使反应器1内的藻液保持一定的温度。
如图1，所述反应器1的长度L和宽度D可根据处理量和藻种生长所需的时间而具体设计，此外，根据需要，还可以设置若干个缓冲器将多个反应器串联、并联或混联连接起来，从而有效地提高整个系统的处理量及处理效率。
本发明开放式生物反应器的微藻养殖方法包括如下步骤：
a.将新鲜藻液与二氧化碳输入气液传质装置2内进行气液交换，控制藻液和二氧化碳的输入量使得气液传质装置2内藻液的pH值为4～10、二氧化碳的浓度为0.2～1560ppm；
b.将气液交换后的藻液输入所述反应器1的上游端，藻液沿该反应器1的上游端向下游端缓慢流动，设置反应器1的倾斜度或动力装置的功率，控制藻液的流速在10～40cm/s之间，在导流堰11的作用下藻种均匀分布于反应器1内，藻种在缓慢流动中不断生长，到达下游端时即达到最高的浓度，并越过所述溢流堰12溢流至所述导流槽13内；
c.检测所述反应器1下游端导流槽13内的藻体浓度，如果藻体的浓度达到要求则被泵送至微藻收获系统4以分离收获微藻，使反应器1内的藻体保持最佳的生长密度；如果藻体的浓度未达到要求则被泵送至藻液回流系统5输送回流至所述气液传质装置2内并与新鲜藻液混合后再次进入反应器1的上游端。收获时所要求的藻体浓度为10⁵～10⁸个/ml。
上述气液传质装置2内藻液的pH值和二氧化碳浓度、反应器1内藻液的流速、以及收获时所要求的藻体浓度等的最佳值最好根据所养殖的藻种而具体设定。下面以常见的几类藻种为例进行说明：
一、硅藻Chaetoceros spp.：气液传质装置2内藻液的pH值控制在8.2，二氧化碳浓度控制在26ppm，反应器1内藻液的流速控制在28cm/s，收获时所要求的藻体浓度控制在：8.2×10⁶个/ml；
二、硅藻Chaetoceros gracilis：气液传质装置2内藻液的pH值控制在8.3，二氧化碳浓度控制在3.8ppm，反应器1内藻液的流速控制在30cm/s，收获时所要求的藻体浓度控制在：1.2×10⁷个/ml；
三、小球藻Chlorella spp：气液传质装置2内藻液的pH值控制在8.0，二氧化碳浓度控制在38ppm，反应器1内藻液的流速控制在38cm/s，收获时所要求的藻体浓度控制在：6.7×10⁶个/ml；
四、新月菱形藻：气液传质装置2内藻液的pH值控制在5.2，白天二氧化碳浓度控制在400ppm，夜间二氧化碳浓度控制在1200ppm，反应器1内藻液的流速控制在16cm/s，收获时所要求的藻体浓度控制在：8.2×10⁵个/ml。