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1、(10)申请公布号 CN 103966075 A (43)申请公布日 2014.08.06 CN 103966075 A (21)申请号 201310336140.1 (22)申请日 2013.08.05 C12M 1/00(2006.01) (71)申请人 福州大学 地址 350108 福建省福州市闽侯县上街镇大 学城学园路 2 号福州大学新区 (72)发明人 沈英 陈伟 徐新苗 赵云 (74)专利代理机构 福州元创专利商标代理有限 公司 35100 代理人 林捷 (54) 发明名称 多层式微藻固定化培养光生物反应装置 (57) 摘要 本发明涉及一种多层式微藻固定化培养光生 物反应装置， 其。
2、特征在于 ： 包括可透光且具有微 藻培养载体的多个培养容器8和供气系统A， 所述 供气系统 A 通过气管 B 将混合空气通入各培养容 器 8 中。气管 B 连接有布气管 6 和进气管 7。在微 藻的培养过程中， 微藻细胞固定于吸附材料 10 表 面。本发明适用于微藻固定化研究的光生物反应 器装置， 采用模块化设计， 可根据实验需要增加、 减少培养容器 8 的数量， 安装、 调试方便， 能够快 速地安排实验， 而实验过程中光源的明 / 暗周期、 空气 /CO2混合器的通断时间间隔均由电路自动 完成， 维护方便。本发明采用固定化培养方式， 对 光能、 养分和空间的利用率高， 单位占地面积产量 高，。
3、 且降低了生物质收获难度， 从而降低了微藻生 物质的生产成本。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103966075 A CN 103966075 A 1/1 页 2 1. 一种多层式微藻固定化培养的光生物反应装置， 其特征在于 ： 包括可透光且具有微 藻培养载体的多个培养容器和供气系统， 所述供气系统通过气管将混合空气通入各培养容 器中。 2. 根据权利要求 1 所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置， 其特征在于 ： 所 述。
4、培养容器中的培养载体为利于藻细胞吸附的疏水材料， 其以层叠平行的方式放置在培养 容器中， 放置间距在 5cm 到 10cm 之间。 3. 根据权利要求 2 所述的多层式微藻固定化培养光生物反应装置， 其特征在于 ： 所述 培养载体的材料为塑料、 金属、 陶瓷、 高分子聚合物中的一种或几种， 厚度在1mm到5mm的范 围内。 4. 根据权利要求 1 所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置， 其特征在于 ： 所 述供气系统包括有空气/CO2混合室、 输往空气/CO2混合室的空气管路和输往空气/CO2混合 室的 CO2管路， 所述空气管路输入端与空气供给装置相连接， 所述 CO2管路输入端与 C。
5、O2供 给装置相连接。 5. 根据权利要求 4 所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置， 其特征在于 ： 所 述空气管路、 CO2管路和气管上均设有流量调节阀和流量监测控制单元。 6. 根据权利要求 1 所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置， 其特征在于 ： 所 述培养容器为标量为 500ml 的透明玻璃烧杯。 7. 根据权利要求 1 所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置， 其特征在于 ： 所 述各气管通入各培养容器的底部， 所述伸入培养容器中气管用于固定培养载体。 8. 根据权利要求 1 所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置， 其特征在于 ： 所 述培养容器侧部设有光源。
6、及光源控制装置， 光源包括但不限于荧光灯、 发光二极管、 白炽 灯 ； 光源控制装置为定时开关装置， 用于对光照强度和时间的调节。 9. 根据权利要求 8 所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置， 其特征在于 ： 所 述光照强度的调节范围为 60-250 mol/m2/s ； 所述光照时间的调节范围为每天光照 6-24 小时。 10. 根据权利要求 9 所述的用于微藻固定化研究的光生物反应器装置， 其特征在于 ： 所 述空气/CO2混合室由混合室箱体、 气泵、 气管、 流量阀、 时间继电器组成 ； 其中混合室箱体容 积为 5L， 气泵安装于混合室箱体内， 由气管连接至布气管， 并通过对流量。
7、调节阀的调节控制 空气/CO2混合气的流量 ； 所述时间继电器是通过控制所述气泵的开关对空气/CO2混合气的 通断时间间隔进行控制， 通 / 断时间在 15s/30s 到 15s/120s 之间。 权 利 要 求 书 CN 103966075 A 2 1/4 页 3 多层式微藻固定化培养光生物反应装置 0001 技术领域 ： 本发明公开了一种多层式微藻固定化培养光生物反应装置， 涉及微藻培养系统领域。 0002 背景技术 ： 世界能源危机不断推动新的替代能源出现， 其中包括以微藻生物油为原料的生物柴 油。微藻种类繁多、 能够进行光合作用， 并且广泛分布于陆地和海洋之中， 是制造生物柴油 的理想。
8、原料。微藻能够将 CO2转化成潜在的生物能源、 食品、 药品以及作为饲料， 被誉为 “直 接由太阳驱动的生物工厂” 。 利用微藻能够制造多种生物燃料， 包括由微藻生物质的厌氧消 化作用产生的甲醇， 对微藻油进行酯基转换所得到的生物柴油， 以及通过生物光合作用产 生的氢气。 伴随着国际能源危机加剧， 国际油价不断飙升， 以及由于大量使用传统化石燃料 造成的大气中 CO2含量升高， 自然环境恶化等问题， 人们对于低碳、 环保的新能源的需求越 来越迫切。微藻的生长极其迅速， 24 h 内其生物质就能够翻倍， 在对数生长期内则只需要 3.5 h。微藻的含油量能占到其干重的 80%， 含油量达到 20-。
9、50% 的也不在少数。总而言之， 以微藻为原料制造生物柴油具有非常好的应用前景。 0003 微藻的培养可分为悬浮培养和固定培养两种方式。 悬浮培养是指微藻细胞在液体 环境中不吸附在载体上自由生长 ； 而固定培养则是指微藻细胞吸附在特定载体如泡沫、 海 绵等的培养方式。因此发展出了相应的生物反应器系统。悬浮培养方式经过多年研究， 已 经能够达到比较高的生物质产量， 但是却存在光能效率低， 放大培养潜力不足的问题。 0004 固定培养的发展初衷是针对污水处理中如何快速将处理后的污水与微藻生物质 分离这一问题， 而这一概念发展至今已经转变为如何实现在微藻的培养过程中减少收获的 难度。最具有典型代表的。
10、是 Algae Turf Scrubber（ATS） 系统。该系统中的微藻固定在载 体上， 培养液从微藻生物质上流过 ； 在收获阶段只须将微藻从载体上刮下即可。另外， 该系 统能够实现扩大培养。将该系统同时用于产油微藻的培养已经取得一定成果。除了 ATS 系 统， 人们针对微藻吸附的载体也进行了广泛的研究， 例如使用孔径为 0.45 m 的纤维滤纸 作为微藻吸附的载体， 在户外培养中获得了 50-80 g m-2 d-1的生物质产量 ； 以微藻在水泥 表面形成生物膜作为培养方式， 获得了 96.4 kg/m2的总生物质产量， 含油率达到 26.8%。 0005 因此， 固定培养以其占地面积少、。
11、 收获方便、 对液体培养液需求量少等优点， 已经 成为微藻研究领域的一个重要方向。 0006 发明内容 ： 本发明的目的在于提供一种用于微藻固定化研究的光生物反应器装置， 该用于微藻固 定化研究的光生物反应器装置结构简单、 组装灵活、 维护方便， 且能够适应微藻固定化培养 研究中所需的各种培养条件， 适用于在实验室中对微藻固定化培养这一领域进行研究。 0007 本发明是通过以下技术方案实现的 ： 本发明用于微藻固定化研究的光生物反应器装置， 其特征在于 ： 包括可透光且具有微 藻培养载体的多个培养容器8和供气系统A， 所述供气系统A通过气管B将混合空气通入各 培养容器 8 中。气管 B 连接有。
12、布气管 6 和进气管 7。 0008 上述培养容器中的培养载体 10 为对微藻细胞无毒或毒性轻微的硬质薄板材料， 说 明 书 CN 103966075 A 3 2/4 页 4 其以层叠平行的方式放置在培养容器中， 放置间距在 5cm 到 10cm 之间。 0009 上述培养载体的材料为塑料、 金属、 陶瓷、 高分子聚合物中的一种或几种， 厚度在 2mm 到 5mm 的范围内。 0010 上述供气系统A包括有空气/CO2混合室1、 输往空气/CO2混合室的空气管路11和 输往空气 /CO2混合室的 CO2管路 12， 所述空气管路 11 输入端与空气供给装置 3 相连接， 所 述 CO2管路 1。
13、2 输入端与 CO2供给装置 2 相连接。 0011 上述空气管路 11、 CO2管路 12 和气管 B 上均设有流量调节阀 4 和流量监测控制单 元 5。 0012 上述培养容器为标量为 500ml 的透明玻璃烧杯。 0013 上述各气管(具体是进气管7)通入各培养容器的底部， 所述伸入培养容器中气管 用于固定培养载体。 0014 上述培养容器侧部设有光源 9 及光源控制装置， 光源包括但不限于荧光灯、 发光 二极管、 白炽灯 ； 光源控制装置为定时开关装置， 用于对光照强度和时间的调节。 0015 上述光照强度的调节范围为 60-250 mol/m2/s ； 所述光照时间的调节范围为每 天。
14、光照 6-24 小时。 0016 上述空气/CO2混合室由混合室箱体、 气泵、 气管、 流量阀、 时间继电器组成 ； 其中混 合室箱体容积为 5L， 气泵安装于混合室箱体内， 由气管连接至布气管， 并通过对流量调节阀 的调节控制空气 /CO2混合气的流量 ； 所述时间继电器是通过控制所述气泵的开关对空气 / CO2混合气的通断时间间隔进行控制， 通 / 断时间在 15s/30s 到 15s/120s 之间。 0017 本发明用于微藻固定化研究的光生物反应器装置通过对各个部分进行模块化处 理， 可根据实验需要增加、 减少培养容器 8 的数量， 安装、 调试方便， 能够快速地安排实验， 而实验过程。
15、中光源的明 / 暗周期、 空气 /CO2混合器的通断时间间隔均由电路自动完成， 维 护方便。 0018 本发明的特点是 ： 反应器装置专门为微藻固定化培养领域的研究进行设计， 具有 很强的针对性 ； 吸附材料的层叠放置提高了对空间的利用， 有利于提高反应器装置的单位 面积产率 ； 吸附材料的固定与进气管相结合的设计节省了反应器装置内的空间， 增加了培 养液的储存空间 ； 模块化设计使得增加和减少实验组数相对容易， 针对各个实验模块的培 养条件 （如光照、 培养液组分、 通气量等） 控制也更加容易 ； 反应器装置主要由实验室常见的 器皿和常见的电路控制元件构成， 因此成本低廉， 搭建难度低 ； 。
16、反应器装置的光照循环、 通 气循环等均通过自身的电路控制元件自动完成， 在实验过程中所需的维护较少 ； 在实验的 收获阶段， 只须将吸附有微藻生物质的吸附材料从培养液中取出、 刮下或以少量蒸馏水冲 洗即可得到含水量低的微藻生物质， 方便后续的成分检测工作。 0019 附图说明 ： 图 1 是本发明的主视图 ； 图 2 是图 1 的俯视图 ； 图 3 图 1 的 A-A 剖面图 ； 附图中主要部分代表符号 ： 1. 空气 /CO2混合室 ； 2. CO2供给装置 ； 3. 空气供给装置 ； 4. 流量调节阀 ； 5. 流量监 测装置 ； 6. 布气管 ； 7. 进气管 ； 8. 培养容器 ； 9。
17、. 光源控制装置 ； 10. 培养载体。 说 明 书 CN 103966075 A 4 3/4 页 5 0020 具体实施方式 ： 为了更好理解本发明， 下面结合具体实施例对本发明作详细说明， 未详加说明的按本 领域现有技术。 0021 本发明用于微藻固定化研究的光生物反应器装置， 主要由反应器主体 （若干培养 容器排列布置而成） 、 光源 9 及控制装置和供气系统以及配套的管路、 流量阀组合而成。 0022 反应器主体包括培养容器 8、 培养载体 10 ； 供气系统包括空气供给装置 3、 CO2供给 装置 2、 空气 /CO2混合室 1、 流量监测控制单元 4,5、 进气管 7 和布气管 6。
18、。 0023 培养容器 8 由若干标量为 500ml 的透明玻璃烧杯排列布置而成， 每个培养容器 8 内设置一根进气管 7， 间隔放置若干层培养载体 10。其中， 进气管 7 穿过培养载体 10 中心 位置， 并起到固定和支撑培养载体的作用。进气管 7 的出口位于培养容器 8 的底部。每一 根进气管 7 与布气管 6 之间通过流量调节阀 4 连接， 并通过流量调节阀 4 调节各培养容器 8 的进气量。 0024 光源9及控制装置中的光源9可采用荧光灯、 发光二极管、 白炽灯等常用于微藻研 究中的人造光源。针对光强的控制可通过调整光源与培养容器 8 之间的距离以及增减人造 光源的数量来进行调节。。
19、针对光源明 / 暗时长的控制采用对定时开关的设置完成。 0025 供气系统包括空气供给装置 3、 CO2供给装置 2、 空气 /CO2混合室 1、 流量监测控制 单元 4,5、 进气管 7 和布气管 6。其中空气供给装置 3 采用空气泵， 通过流量监测单元对空 气流量进行监测， 通过流量阀对空气流量进行调节。CO2供给装置 2 可采用 CO2发生器、 CO2 气瓶中的一种或几种， 通过流量监测单元对 CO2流量进行监测， 通过流量阀对 CO2流量进行 调节。同时调节空气供给装置 3 和 CO2供给装置 2 的流量阀以进行空气 /CO2比例的调节。 空气 /CO2混合室 1 由混合室箱体、 气泵。
20、、 气管、 流量阀、 时间继电器组成 ； 其中混合室箱体容 积为 5L， 除空气入口、 CO2入口以及混合气出口之外， 所有其他缝隙均进行密封处理。气泵 安装于混合室箱体内， 由气管连接至布气管 6， 并通过对配套空气 /CO2混合室 1 的流量阀 4 的调节， 控制空气/CO2混合气的输出流量 ； 对空气/CO2混合气的通断时间间隔进行控制， 则 通过设置连接在空气 /CO2混合室内气泵上的时间继电器进行。 0026 实施例 1 ： 培养容器 8 由 32 个标量 500 mL 的广口玻璃烧杯分两排组成。每个培养容器 8 内设 置一根进气管 7， 间隔 1.5 cm 放置 4 层直径为 8 。
21、cm、 厚度为 0.2 cm、 材质为玻璃钢瓦的培 养载体 10。进气管 7 和布气管 6 的采用采用孔径为 0.4 cm 塑料软管。进气管 7 穿过培养 载体 10 中心位置到达培养容器 8 的底部， 除起到向培养容器中通入空气 /CO2混合器之外， 兼起到固定和支撑培养载体 10 的作用。每一根进气管 7 与布气管 6 之间通过流量阀 4 连 接， 并通过流量阀 4 调节各培养容器 8 的进气量。每个培养容器 8 中分别加入除去氮元素 的 Basal 培养液、 824 mM 的氮营养元素分别为尿素、 硝酸钾、 柠檬酸铁铵和甘氨酸、 藻种斜 生栅藻和蒸馏水， 最终体积为 500 mL。接种浓。
22、度为 0.3 g/L 培养周期 14 天， 光源明 / 暗周 期为 14/10 h， 空气 /CO2混合器通断时间为 15/60 s， 混合气中 CO2的体积浓度为 2%。所获 得的结果中， 最高的值为 ： 生物质产率， 11.02 g m-2 d-1； 固定率， 99.74%。 0027 实施例 2 ： 本例采用微拟球藻作为藻种， 其余步骤与上述实例相同。所获得的结果中， 最高的值 为 ： 生物质产率， 14.26 g m-2 d-1； 固定率， 72.52%。 说 明 书 CN 103966075 A 5 4/4 页 6 0028 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与 修饰， 皆应属本发明的涵盖范围。 说 明 书 CN 103966075 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103966075 A 7 2/2 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 103966075 A 8 。