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1、(10)申请公布号 CN 103627632 A (43)申请公布日 2014.03.12 CN 103627632 A (21)申请号 201310609278.4 (22)申请日 2013.11.27 C12M 1/38(2006.01) C12M 1/04(2006.01) C12M 1/02(2006.01) (71)申请人 青岛旭能生物工程有限责任公司 地址 266500 山东省青岛市黄岛区长江中路 198 号 (72)发明人 陈伟 徐瑶 柴文波 干松浩 潘倩倩 (74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务 所 ( 特殊普通合伙 ) 42222 代理人 张火春 (54) 发明名称 。
2、一种跑道池光生物反应器 (57) 摘要 本发明提供一种跑道池光生物反应器， 包括 跑道池 （1） 、 变速搅拌系统、 二氧化碳补给系统 （4） ， 地控温系统， 与现有技术相比， 本发明具有以 下优点 ：（1） 将可变的液压搅拌系统引入反应器 设计， 从而适合不同机械抗性类型的微藻培养 ； （2） 与传统使用电机比较， 一台液压搅拌系统可驱 动多个跑道池， 规模化应用可大大降低投资成本 和运行能耗 ；（3） 反应器增加二氧化碳补给系统， 补给系统末端设置气体细化器， 延长二氧化碳在 水中的滞留时间， 提高微藻对二氧化碳的利用率 ； （4） 跑道池顶部设置塑料薄膜， 减低外来的污染几 率 ；（5。
3、） 采用新型的循环控温系统， 延长微藻在冬 季和夏季的培养时间， 同时降低反应器能耗。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 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1页 (10)申请公布号 CN 103627632 A CN 103627632 A 1/1 页 2 1. 一种跑道池光生物反应器， 其特征在于 ： 包括跑道池 （1） 、 变速搅拌系统、 二氧化碳 补给系统 （4） ， 地控温系统， 所述变速搅拌系统包括液压动力系统 （2） 和搅拌桨 （3） ， 所述搅拌桨置于跑道池内， 使 藻液在跑道池内循。
4、环流动 ； 液压动力系统 （2） 包括 ： 为搅拌桨输入可变动力源的液压马达和驱动液压马达的电机 （31） 、 油泵 （32） 和调节、 控制液压马达的转速和方向的压力控制阀 （34） 、 流量控制阀 （36） 、 方向控制阀 （35） 构成 ； 所述二氧化碳补给系统 （4） 包括气体钢瓶、 二氧化碳深槽和气体细化器， 二氧化碳深槽 置于跑道池 （1） 池底， 所述气体细化器设置在二氧化碳深槽中 ； 所述地控温系统包括地下储水池 （51） 、 控温系统 （52） 和循环控温管路 （54） ， 及位于所 述循环控温管路上的阀门和水泵， 所述循环控温管路由分布于跑道池 （1） 的分支管路并列 而成。
5、。 2. 如权利要求 1 所述的跑道池光生物反应器， 其特征在于， 所述跑道池的正上方安装 可卷动的塑料透明薄膜。 权 利 要 求 书 CN 103627632 A 2 1/4 页 3 一种跑道池光生物反应器 技术领域 0001 本发明涉及微藻培养工程领域， 特别涉及一种跑道池光生物反应器。 背景技术 0002 微藻是自然水体的主要生产者， 在全球能量转化和碳素循环中发挥重要作用， 每 年通过微藻光合作用固定的 CO2约占全球 CO2固定量的 40% 以上。同时， 微藻细胞富含蛋白 质、 色素及多种不饱和脂肪酸等高附加值生物活性物质， 逐步成为保健食品、 医药及精细化 工等领域的重要材料来源。。
6、随着传统化石能源 （石油、 煤炭等） 的日益枯竭， 微藻作为可再生 能源 （油脂等） 得到了人们的高度重视， 具有重要社会和环境效应的微藻产业则显示出广阔 的应用前景。 0003 目前， 微藻的规模化培养主要有开放式和封闭式两种培养模式。封闭式培养的反 应器主要有柱式、 板式和管式光生物反应器， 其优点为光能利用率高、 不易污染、 培养密度 高等， 但封闭式培养的投资和操作成本较高、 吨级放大不稳定、 清洗消毒较困难等缺点。 0004 开放式培养的代表性反应器为跑道式培养池， 作为开发最早和应用最广的培养方 式， 有构建简单、 投资成本低、 吨级放大简单、 清洗消毒便捷等优点。 广泛应用于国内。
7、外的微 藻生产企业 ： 美国Cyanotech 公司、 新西兰Aquaflow Bionomic公司、 以色列Seambiotc 公 司、 英国 AlgaeVS 公司 ； 国内的云南绿 A 生物工程有限公司、 江苏赐百年营养食品有限公 司、 荆州虾青素有限公司、 云南麟珑微藻养殖有限公司等。 但跑道池同样也存在光能利用率 低、 易污染的缺点。 尤其对一些普适性生长条件的微藻， 让其在培养初期更快适应跑道池生 境， 迅速成为优势种， 将大大提高微藻工业化的成功率。 0005 循环搅拌系统是跑道池的核心组成部分， 它的主要作用有 ： 一、 保障培养液中营养 盐的搅拌均匀， 使藻细胞在培养液各位置都。
8、能得到充足的营养供应， 二、 保障充分的气体交 换， 使大气或专用的CO2气罐的CO2在藻液中充分溶解以保障光合作用的顺利进行， 三、 保证 藻液在培养池内循环流动， 保障微藻均匀的分布在培养液中提高其光能利用率， 避免藻细 胞的聚集沉降。 0006 目前的跑道池反应器多采用电机带动浆轮进行搅拌， 且为了达到较低的转速， 常 见的多为针轮摆线减速机。电机搅拌系统大多为定速搅拌， 而调速电机虽然可以达到调节 输出转速的目的， 但一方面成本太高， 另一方面无法满足藻类培养的低转速要求 （5-50 转 / 分钟） 。 0007 电机定速搅拌系统在微藻培养中的主要缺陷有 ：（1） 无法解决微藻不同生长。
9、阶 段、 生长条件与相应的搅拌频率之间的矛盾。 例如在微藻的生长初期， 多需要较低的扰动和 水流速率， 高的搅拌频率对部分微藻存在抑制作用 ； 在生长后期， 为保障更好的气体交换和 避免高密度藻细胞的聚集下沉则需要较高的搅拌频率 ；（2） 多适用于机械抗性较强的藻株 培养 （小球藻、 螺旋藻等） ， 对于机械抗性较弱的藻株 （雨生红球藻等） 培养则存在限制 ；（3） 电机运行过程中能耗较高。 0008 针对循环搅拌系统的缺点， 蔡志武的 “一种产业化培养微藻的生产装置” （中国专 说 明 书 CN 103627632 A 3 2/4 页 4 利， CN201245640Y） 公开了一种通过鼓气。
10、方式实现藻液循环的生产装置， 该装置的缺点是管 路复杂， 不适合大规模放大， 不适合所有的藻株培养。张成武等的 “一种实现微藻规模化培 养的跑道池光生物反应器” （中国专利， CN102304462 B） 公开了两套藻液循环系统 （分别是 搅拌桨循环系统和鼓气气升式循环系统） 以适应不同抗性的藻株培养。该装置的缺点是增 加了跑道池结构的复杂性和投资成本， 同时也加大了后期的运行维护成本， 不利于清洗和 灭菌。 0009 同时， 传统的跑道池光生物反应器还存在如何低成本有效控温、 CO2利用率偏低等 缺点。 0010 因此， 亟待设计一种新型的跑道池光生物反应器方案以解决现有跑道池光生物反 应器。
11、的上述缺陷。 发明内容 0011 本发明的目前在于针对背景技术中存在的问题， 提供一种跑道池光生物反应器， 用以实现微藻的低成本高密度培养。 0012 为解决以上技术问题， 本发明提供的技术方案是， 一种跑道池光生物反应器， 包括跑道池 （1） 、 变速搅拌系统、 二氧化碳补给系统 （4） ， 地 控温系统， 所述变速搅拌系统包括液压动力系统 （2） 和搅拌桨 （3） ， 所述搅拌桨置于跑道池内， 使 藻液在跑道池内循环流动 ； 液压动力系统 （2） 包括 ： 为搅拌桨输入可变动力源的液压马达和驱动液压马达的电机 （31） 、 油泵 （32） 和调节、 控制液压马达的转速和方向的压力控制阀 （。
12、34） 、 流量控制阀 （36） 、 方向控制阀 （35） 构成 ； 所述二氧化碳补给系统 （4） 包括气体钢瓶、 二氧化碳深槽和气体细化器， 二氧化碳深槽 置于跑道池 （1） 池底， 所述气体细化器设置在二氧化碳深槽中 ； 所述地控温系统包括地下储水池 （51） 、 控温系统 （52） 和循环控温管路 （54） ， 及位于所 述循环控温管路上的阀门和水泵， 所述循环控温管路由分布于跑道池 （1） 的分支管路并列 而成。 0013 作为优选项 ： 所述跑道池的正上方安装可卷动的塑料透明薄膜。 0014 与现有技术相比， 本发明具有以下优点 ：（1） 将可变的液压搅拌系统引入反应器 设计， 从而。
13、适合不同机械抗性类型的微藻培养 ；（2） 与传统使用电机比较， 一台液压搅拌系 统可驱动多个跑道池， 规模化应用可大大降低投资成本和运行能耗 ；（3） 反应器增加二氧 化碳补给系统， 补给系统末端设置气体细化器， 延长二氧化碳在水中的滞留时间， 提高微藻 对二氧化碳的利用率 ；（4） 跑道池顶部设置塑料薄膜， 减低外来的污染几率 ；（5） 采用新型 的循环控温系统， 延长微藻在冬季和夏季的培养时间， 同时降低反应器能耗。 0015 附图说明 0016 图 1 为跑道池光生物反应器结构示意图 ； 说 明 书 CN 103627632 A 4 3/4 页 5 图 2 为液压循环搅拌系统的结构示意图。
14、。 0017 图 3 为地控温系统的结构示意图。 0018 1- 跑道池 ； 2- 液压动力系统 ； 3- 搅拌桨 ； 4- 二氧化碳补给系统 ； 31- 电机 ； 32- 油泵 ； 33- 油箱 ； 34- 压力控制阀 ； 35- 方向控制阀 ； 36- 流量控制阀 ； 37- 液压马 达构成 ； 51- 地下储水池 ； 52- 控温系统 ； 54- 循环控温管路。 具体实施方式 0019 本发明通过下列非限制的实施实例进一步加以说明， 但非用以限制本发明的范 围。 0020 1. 如图 1， 与 2， 图 3 所示， 一种跑道池光生物反应器， 包括跑道池 （1） 、 变速搅拌系统、 二氧化。
15、碳补给系统 （4） ， 地控温系统， 所述变速搅拌系统包括液压动力系统 （2） 和搅拌桨 （3） ， 所述搅拌桨置于跑道池内， 使 藻液在跑道池内循环流动 ； 液压动力系统 （2） 包括 ： 为搅拌桨输入可变动力源的液压马达和驱动液压马达的电机 （31） 、 油泵 （32） 和调节、 控制液压马达的转速和方向的压力控制阀 （34） 、 流量控制阀 （36） 、 方向控制阀 （35） 构成 ； 所述二氧化碳补给系统 （4） 包括气体钢瓶、 二氧化碳深槽和气体细化器， 二氧化碳深槽 置于跑道池 （1） 池底， 所述气体细化器设置在二氧化碳深槽中 ； 所述地控温系统包括地下储水池 （51） 、 控温。
16、系统 （52） 和循环控温管路 （54） ， 及位于所 述循环控温管路上的阀门和水泵， 所述循环控温管路由分布于跑道池 （1） 的分支管路并列 而成。 0021 跑道池的正上方安装可卷动的塑料透明薄膜。 0022 所述跑道池 1 由水泥砌成的椭圆形浅池， 高度通常为 10-50cm， 长度和宽度无特定 要求， 跑道池内表面光滑， 在池内可加铺 PVC 革、 塑料薄膜等易清洗光滑材料。液压系统为 跑道池藻液提供动力， 通过将液压动力传输到液压马达 37， 经液压马达传动搅拌桨 2， 达到 为跑道池藻液循环提供动力的目的。搅拌桨的扭力和转速可调 （ 5 转 / 分钟） ， 根据不同 藻株生长条件的。
17、差异及藻株不同生长阶段对水动力需求的差异， 调节压力控制阀和流量控 制阀以控制搅拌桨的扭力和转速， 机械抗性较强和机械抗性较弱的藻株均可适用。搅拌桨 需采用抗腐蚀材料制作。 0023 所述二氧化碳补给系统 4 主要用于培养液中二氧化碳的补给， 所述地控温系统主要用于培养液冬季的升温和夏季的降温， 所述地下蓄水池布置在地 下， 有利于水温的稳定 （冬暖夏凉） ， 降低能耗， 同时冬季可使用加热器或锅炉的余热加温， 夏季可使用冷水机帮助降温， 保障适合于藻株生长的水温。 所述循环管路铺设于跑道池内。 0024 为更好地说明本发明， 便于理解本发明的技术方案， 进行了如下对比试验 ： 对比试验一 两。
18、 个 长 为 4 米、 宽 为 2 米 的 椭 园 型 跑 道 池 进 行 阳 光 大 棚 内 的 雨 生 红 球 藻 (Haematococcus) 培养。培养液高度为 0.15 米 ( 装液量 1200 升 )， 采用加富的 MCM 培养 基， 细胞接种密度 2.0*104 个 /mL。其中对照跑道池的搅拌系统通过电机驱动， 整个培养周 说 明 书 CN 103627632 A 5 4/4 页 6 期中转速为30转/分钟， 无二氧化碳补充体系。 实验组则采用本实验新型跑道池， 在藻液接 入初期， 搅拌频率为 10 转 / 分钟， 在藻液培养中期， 转速上调至 17 转 / 分钟， 至藻液培。
19、养末 期， 转速调制 30 转 / 分钟， 培养过程中二氧化碳补充系统， 通入空气 /CO2 的混合气体 （5 CO2， v/v） ， 通气量为0.2VVM。 培养周期内， 平均气温和光照强度为 ： 8:00 时17， 150umol/ m2/s， 13:00 时29， 400umol/m2/s， 17:00 时23， 170umol/m2/s。 培养10天后， 取样分析， 藻细胞浓度达 1.9*105 个 /mL， 而对照组培养 10 天后藻细胞浓度为 1.1 *105个 /mL。相对 于对照组， 细胞培养浓度提高了 72.7。 0025 对比试验二 两 个 长 为 4 米、 宽 为 2 米。
20、 的 椭 园 型 跑 道 池 进 行 进 行 阳 光 大 棚 内 的 微 囊 藻 (Microcystis) 培养。培养液高度为 0.15 米 ( 装液量 1200 升 )， 采用 MA 培养基， 细胞接 种密度 1.2*106 个 /mL。其中对照跑道池的搅拌系统通过电机驱动， 整个培养周期中转速 为 30 转 / 分钟， 无二氧化碳补充体系。实验组则采用本实验新型跑道池， 在藻液接入初期， 搅拌频率为 15 转 / 分钟， 在藻液培养中期， 转速上调至 25 转 / 分钟， 至藻液培养末期， 转速 调制 33 转 / 分钟， 培养过程中二氧化碳补充系统， 通入空气 /CO2 的混合气体 （。
21、5 CO2， v/ v） ， 通气量为 0.2VVM。培养周期内， 平均气温和光照强度为 ： 8:00 时 24， 190umol/m2/s， 13:00 时 36， 630umol/m2/s， 17:00 时 30， 230umol/m2/s。培养 10 天后， 取样分析， 藻细 胞浓度达 4.7*107 个 /mL， 而对照组培养 10 天后藻细胞浓度为 2.6 *107 个 /mL。相对于 对照组， 细胞培养浓度提高了 80.8。 0026 对比试验三 跑道池冷却系统组建， 冷水机 （湿帘和风机） 对地下蓄水池的水进行降温， 冷却循环水 经地下蓄水池流出， 经水泵加压后进入分支水管， 每个跑道池设置两组水管， 循环水最终流 回地下蓄水池， 通过循环水稳定培养液的水温， 保障微藻正常培养温度， 延长培养周期。 0027 申请人声明， 本发明通过上述实施例来说明本发明的结构组成， 但本发明并不局 限于上述结构， 所属技术领域的技术人员应该明了， 对本发明的任何改进， 对本发明所选用 部件的等效替换及辅助部件的添加、 具体方式的选择等， 均落在本发明的保护范围和公开 范围之内。 说 明 书 CN 103627632 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103627632 A 7 。