曝气式光生物反应器及其应用方法.pdf

本发明涉及微藻培养工程领域，具体地说是一种培养微藻的曝气式光生物反应器及其应用方法，包括环状浅水池、进液总管、环状补液管、雾化喷嘴、热水盘管、进气总管、环状进气干管、布气支管、曝气装置，其特征在于曝气装置曝气产生的微小气泡与周围藻液的密度差，促使气泡上浮以及藻液下降，由此环状浅水池内产生无数个气液上下循环流动，使上下层藻液进行混合，而气泡的上浮强化了藻液中溶氧的解吸，氧气被气泡带至液面而释放，并且二氧化碳气体经曝气后也同时溶解在藻液中，为微藻的生长提供碳源。本发明结合开放式与封闭式光生物反应器各自优点，形成一种能以二氧化碳气体为碳源，低成本、大规模培养微藻的新型封闭式光生物反应器。

1、  一种曝气式光生物反应器包括环状浅水池(1)、隔离墙(2)、排液管(3)、排污管(4)、扁钢(5)、农用薄膜(6)、天窗(7)、透光盖板(8)、环状补液管(9)、雾化喷嘴(10)、进液总管(11)、环状进气干管(12)、进气总管(13)、布气支管(14)、曝气装置(15)、热水盘管，其特征在于：反应器为一环状浅水池(1)，环状浅水池(1)中部设有一道两端开放的隔离墙(2)，曝气式光生物反应器右部下端设有排液管(3)，反应器的底端设有排污管(4)，曝气式光生物反应器顶端设有扁钢(5)，扁钢的两端与池壁上端连接，扁钢(5)上设有覆盖整个环状浅水池(1)的农用薄膜(6)，在农用薄膜(6)上设有天窗(7)，天窗(7)上设有透光盖板(8)；扁钢(5)下面设有围绕隔离墙(2)的环状补液管(9)，补液管的下部设有雾化喷嘴(10)，环状补液管(9)与进液总管(11)相连通；环状浅水池(1)的底部、侧壁以及隔离墙(2)的侧壁上设有热水盘管；环状浅水池(1)的中下部设有平行的围绕隔离墙(2)的环状进气干管(12)，环状进气干管(12)与进气总管(13)相连通，环状进气干管(12)上与布气支管(14)连接，布气支管(14)与池底平行，并与池壁垂直，布气支管(14)的端部分别固定在池壁或隔离墙上；布气支管(14)上设有曝气装置(15)。

2、  根据权利要求1所述的曝气式光生物反应器，其特征在于所述的曝气装置(15)为微孔曝气管或穿孔曝气管或橡胶膜片微孔曝气器或钟罩式刚玉微孔曝气器或微孔圆盘曝气器或微孔圆盔曝气器或长条板形曝气器或双螺旋曝气器或旋混式曝气器或散流式曝气器或曝气软管或可变微孔曝气器或OXAZUR空气扩散器或单孔膜空气扩散器。

3、  根据权利要求1所述的曝气式光生物反应器，其特征在于所述的农用薄膜(6)采用有利于光合作用的无滴薄膜或转光膜。

4、  根据权利要求1所述的曝气式光生物反应器，其特征在于所述的透光盖板(8)采用钢化玻璃板或有机玻璃板或聚碳酸酯板或覆有农膜的扁钢框。

5、  根据权利要求1所述的曝气式光生物反应器，其特征在于所述的热水盘管为无规共聚聚丙烯PP-R管或交联聚乙烯PE-X管或耐高温聚乙烯PE-RT管或铝塑复合管XPAP或耐冲击共聚聚丙烯PP-C(B)管或聚丁烯PB管或铜管。

6、  一种曝气式光生物反应器的应用方法，其特征在于进气总管(13)接过滤空气与二氧化碳钢瓶气或二氧化碳工业废气的混合气，依靠曝气实现微藻培养中的气体交换；曝气装置曝气的气流方向与垂直向上方向的夹角为90～160度之间，曝气产生的微小气泡与周围藻液的密度差，促使气泡上浮以及藻液下降，由此环状浅水池内产生无数个气液上下循环流动，使上下层藻液混合，而气泡的上浮强化了藻液中溶氧的解吸，氧气被气泡带至液面而释放，并且二氧化碳气体经曝气后也同时溶解在藻液中；当曝气式光生物反应器中积累的氧气浓度达到一定水平时，升高或平移透光盖板(8)用于通风及散热，同时加大反应器进气总管的进气量，加快排出氧气的速度，同时保证反应器中微小的正压；在光生物反应器中营养盐浓度下降后，通过环状补液管(9)及雾化喷嘴(10)，均匀地向光生物反应器中补加营养液；在光生物反应器中由于通入大量二氧化碳导致培养液的pH值下降后，通过环状补液管(9)及雾化喷嘴(10)，均匀地喷洒碱性溶液来提高培养液的pH值；在光生物反应器中培养液温度下降至微藻适宜生长的温度下限后，在热水盘管中通入热水对培养液进行加热及保温。

7、  根据权利要求6所述的曝气式光生物反应器的应用方法，其特征在于所述的碱性溶液为低浓度的氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液，或者高浓度的碳酸钠溶液、碳酸钾溶液。

曝气式光生物反应器及其应用方法
[技术领域]
本发明涉及微藻培养工程领域，具体地说是一种培养微藻的曝气式光生物反应器及其应用方法。
[背景技术]
微藻能有效利用光能、二氧化碳和无机盐，合成脂肪、蛋白质、多糖以及多种高附加值的生物活性物质。随着人类对微藻认识的不断加深，开发和研制新型高效光生物反应器及其培养方法，已成为微藻生物工程技术的一个重要组成部分。
目前，微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。开放式光生物反应器主要有四种类型：浅水池、循环池、跑道池、池塘。其中，最典型、最常用的开放池培养系统是Oswald(1969)设计的跑道池反应器，该类培养系统实际上就是占地面积上千平方米，培养液深度为20厘米左右的环形浅池；以自然光为光源和热源，依靠桨轮(paddle wheel)或者旋转臂(rotating arm)的转动，使培养液在池内混合、循环，防止藻体沉淀并提高藻体细胞的光能利用率。开放式光生物反应器虽然构建简单、成本低廉、操作简便，但其存在易受污染、培养条件不稳定等缺点，只能用于螺旋藻、小球藻及盐藻等少数能耐受极端环境的微藻培养。而封闭式反应器培养条件稳定，可无菌操作，易进行高密度培养，已成为今后的发展方向。与开放式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器具有以下优点：①无污染，能实现单种、纯种培养；②培养条件易于控制；③培养密度高，易收获；④适合于所有微藻的光自养培养，尤其适合于微藻代谢产物的生产；⑤有较高的光照面积与培养体积之比，光能和二氧化碳利用率较高。因此，近年来在国内外封闭式光生物反应器的研制和开发利用较快，有些已实现了微藻的高密度商业化培养。目前封闭式光生物反应器有：管道式、平板式、柱状气升式、搅拌式发酵罐、立式吊袋、浮式薄膜袋等。
现有的封闭式光生物反应器或多或少易造成溶氧蓄积、藻体粘壁、高密度培养时二氧化碳供应不足、流动死角、设备造价昂贵等各种问题，除了管道式反应器外，基本都处于实验室规模，容积不超过1个立方米。而管道式光生物反应器目前报道的年产虽已达上百吨藻粉，但该设备的造价及维修成本很高，很难普及。
实际上，无论光生物反应器采用何种设计形式，开发一种成功的培养微藻的封闭式光生物反应器，均应遵循下列原则：(1)高光照表面积与体积之比；(2)较高的气体交换效率；(3)适合的循环方式；(4)改善光的传播途径、分配和质量；(5)防止有害次生代谢产物的积累；(6)较易实现培养条件的优化控制；(7)尽量降低制造成本。可以预见，那种成本低、容积大、设计更为合理的封闭式光生物反应器应是开发的重点和发展方向。
微藻在培养过程中所供给的碳源最常用的为碳酸氢钠，该成本占原料成本的40～70％，若以二氧化碳为碳源代替碳酸氢钠，其碳源利用率高，价格便宜，可以大幅度降低成本，理论上碳源的成本可降低90％左右。以二氧化碳气体为碳源的光生物反应器必须保证二氧化碳气体被良好地分散与吸收，而微藻产生的氧气被有效地解吸，以及培养液的均布与良好混合。
[发明内容]
本发明的目的在于克服上述现在技术存在的缺陷及不足，开发一种投资少、操作简单，能充分利用太阳光能，反应器结构简洁、实用，并能以二氧化碳气体为碳源，进行大规模培养微藻的曝气式光生物反应器。
曝气式光生物反应器包括环状浅水池1、隔离墙2、排液管3、排污管4、扁钢5、农用薄膜6、天窗7、透光盖板8、环状补液管9、雾化喷嘴10、进液总管11、环状进气干管12、进气总管13、布气支管14、曝气装置15、热水盘管，其特征在于：反应器为一环状浅水池1，环状浅水池中部设有一道两端开放的隔离墙2，曝气式光生物反应器右部下端设有排液管3，反应器的底端设有排污管4，曝气式光生物反应器顶端设有起支撑作用的扁钢5，扁钢的两端与池壁上端连接固定，扁钢5上设有农用薄膜6覆盖整个环状浅水池1，成为封闭式光生物反应器，在农用薄膜6上设有天窗7，天窗上设有透光盖板8；扁钢5下面设有围绕隔离墙2的环状补液管9，补液管的下部设有雾化喷嘴10，环状补液管9与进液总管11相连通；环状浅水池1的底部、侧壁以及隔离墙2的侧壁上设有热水盘管；环状浅水池1的中下部设有平行的围绕隔离墙2的环状进气干管12，环状进气干管与进气总管13相连通，环状进气干管12上与布气支管14连接，布气支管与池底平行，并与池壁垂直，布气支管14的端部分别固定在池壁或隔离墙上；布气支管14上设有曝气装置15。
所述的曝气装置15为微孔曝气管或穿孔曝气管或橡胶膜片微孔曝气器或钟罩式刚玉微孔曝气器或微孔圆盘曝气器或微孔圆盔曝气器或长条板形曝气器或双螺旋曝气器或旋混式曝气器或散流式曝气器或曝气软管或可变微孔曝气器或OXAZUR空气扩散器或单孔膜空气扩散器。
所述的透光盖板8采用钢化玻璃板或有机玻璃板或聚碳酸酯板或覆有农膜的扁钢框。
所述的热水盘管为无规共聚聚丙烯PP-R管或交联聚乙烯PE-X管或耐高温聚乙烯PE-RT管或铝塑复合管XPAP或耐冲击共聚聚丙烯PP-C(B)管或聚丁烯PB管或铜管。
曝气式光生物反应器的应用方法，其特征在于进气总管13接过滤空气与二氧化碳钢瓶气或二氧化碳工业废气的混合气，依靠曝气实现微藻培养中的气体交换；曝气装置曝气的气流方向与垂直向上方向的夹角为90～160度之间，曝气产生的微小气泡与周围藻液的密度差，促使气泡上浮以及藻液下降，由此环状浅水池内产生无数个气液上下循环流动，使上下层藻液进行混合，即气液密度差导致对流混合，而气泡的上浮强化了藻液中溶氧的解吸，氧气被气泡带至液面而释放，并且二氧化碳气体经曝气后也同时溶解在藻液中，为微藻的生长提供碳源；当曝气式光生物反应器中积累的氧气浓度达到一定水平时，升高或平移透光板进行通风及散热，同时加大反应器进气总管的进气量，用于加快排出氧气的速度，同时保证反应器中微小的正压，防止外界空气中的微生物及灰尘进入反应器；在光生物反应器中营养盐浓度下降后，通过环状补液管9及雾化喷嘴10，均匀地向光生物反应器中补加营养液；在光生物反应器中由于通入大量二氧化碳导致培养液的pH值下降后，通过环状补液管9及雾化喷嘴10，均匀地喷洒碱性溶液来提高培养液的pH值；在光生物反应器中培养液温度下降至微藻适宜生长的温度下限后，在热水盘管中通入热水对培养液进行加热及保温。
所述的二氧化碳废气为来自电厂、钢铁厂、水泥厂、陶瓷厂、化工厂的烟道气，以及生物发酵厂的二氧化碳工艺废气。
所述的微藻为淡水微藻或咸湖水微藻或海水微藻，类别为金藻或绿藻或硅藻或蓝藻或红藻，优选为螺旋藻或葡萄藻或小球藻或球等鞭金藻3011或绿色巴夫藻。所述的喷洒的碱性溶液为低浓度的氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液，或者高浓度的碳酸钠溶液、碳酸钾溶液。
由于本发明培养微藻的生产装置依靠曝气实现微藻培养中的气体交换，省去了庞大的桨轮或旋转臂，整个反应器能够方便地用农用薄膜6完整地覆盖。这里的农用薄膜选用有利于光合作用的薄膜，例如能防止在薄膜上形成雾滴而降低透光率的无滴薄膜，以及利用光学原理将光转换成对微藻光合作用有利的转光膜等。在农用薄膜6的中部留有天窗，天窗上盖有带升降或平移装置的透光盖板8。在炎热的夏天，可在农用薄膜6上再覆盖一层遮光膜，防止光照过强而抑制甚至损害微藻的生长，同时降低反应器内温度。
本曝气式光生物反应器设有pH电极、溶氧电极、温度传感器、液位计，通过变送器把信号送至计算机中进行显示。同时，反应器的进气总管、进液总管、排液管上都设有手动及自动阀门，反应器天窗上的透光盖板也设有手动及自动升高或平移装置，在计算机对输入信号进行处理后，根据微藻的培养工艺，可自动调节各阀门及天窗的开度。另外，藻液浓度的检测既可以从反应器的天窗口对藻液取样分析其OD值，也可以在反应器内部的藻液中安装OD传感器，自动连续检测OD值。
本发明结合开放式与封闭式光生物反应器各自优点，形成一种能以二氧化碳气体为碳源，低成本、大规模培养微藻的新型封闭式光生物反应器，这将在推进微藻养殖的产业化过程中发挥重要作用。
[附图说明]
图1为本发明培养微藻的曝气式光生物反应器的结构示意图。
参见图1，1为环状浅水池，2为隔离墙，3为排液管，4为排污管，5为扁钢，6为农用薄膜，7为天窗，8为透光盖板，9为环状补液管，10为雾化喷嘴，11为进液总管，12为环状进气干管，13为进气总管，14为布气支管，15为曝气装置。
[具体实施方式]
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明的制造技术对本专业的人来说是容易实施的。
如图1，培养球等鞭金藻3011的曝气式光生物反应器为环状浅水池1，围墙由砖块砌筑，表面用水泥抹平，环状浅水池1的池底则铺设复合土工膜，池中用砖砌一道两端开放的隔离墙2。池的宽度为4米，长度为100米，深度为60厘米，隔离墙2高度为70厘米。曝气式光生物反应器右部下端设有排液管3，底部设有排污管4。曝气式光生物反应器顶部设有一排起支撑作用的拱形扁钢5，扁钢的两端固定在池壁上端。扁钢上采用农用薄膜6完整地覆盖整个环状浅水池1，成为封闭式光生物反应器，在农用薄膜6的中部设有天窗7，天窗上盖有透光盖板8。扁钢5下面固定有围绕隔离墙2的环状补液管9，补液管的下部开有许多雾化喷嘴10，环状补液管9与进液总管11相连通。环状浅水池1的底部、侧壁以及隔离墙2的侧壁上铺有热水盘管，管材优选为PP-R管。环状浅水池1的中下部固定有2根平行的围绕隔离墙2的环状进气干管12，环状进气干管均与进气总管13相连通，进气总管13接过滤空气与附近热电厂的二氧化碳烟道气的混合气。环状进气干管12上与数根布气支管14连接，布气支管与池底平行，并与池壁垂直，布气支管的端部分别固定在池壁或隔离墙上；布气支管14上设有多个硅橡胶微孔曝气管15，该管式曝气器曝气的气流方向均为水平向前。曝气产生的上浮气泡使上下层藻液进行混合，而气泡的上浮强化了藻液中溶氧的解吸，氧气被气泡带至液面而释放，并且二氧化碳气体经曝气后也同时溶解在藻液中，为微藻的生长提供碳源。在光生物反应器中营养盐浓度下降后，通过环状补液管9及雾化喷嘴10，均匀地向光生物反应器中补加营养液；在光生物反应器中由于通入大量二氧化碳导致培养液的pH值下降后，通过环状补液管9及雾化喷嘴10，均匀地喷洒低浓度的氢氧化钠溶液来提高培养液的pH值。在光生物反应器中培养液温度下降至15℃后，在热水盘管中通入50℃热水把培养液加热至25℃并保温。
整个曝气式光生物反应器用农用薄膜6完整地覆盖，形成封闭式光生物反应器。这里的农膜选用长寿命的聚氯乙烯无滴薄膜，防止薄膜上形成雾滴而降低透光率。在薄膜的中部开有天窗，天窗上盖有带升降装置的聚碳酸酯透光盖板8，当曝气式光生物反应器中积累的氧气浓度达到一定水平时，升高透光板进行通风及散热。在炎热的夏天，可在农用薄膜6上再覆盖一层遮光膜，防止光照过强而抑制甚至损害微藻的生长，同时降低反应器内温度。
曝气式光生物反应器中装有pH电极、溶氧电极、温度传感器、液位计等，通过变送器把信号送至计算机中进行显示。同时，反应器的进气总管、进液总管、排液管上都装有手动闸阀，藻液浓度的检测可以从反应器的天窗口对藻液取样分析其OD值。