一種實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器的製作方法

2023-06-11 18:19:06 1

專利名稱：一種實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光生物反應器，特別涉及一種實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器。
背景技術：
微藻具有重要的開發利用價值，被廣泛應用在生物製藥、營養品、保健品、生物肥料、天然食品加工、生物餌料、汙水處理和可再生能源生產等方面。隨著全球石化能源的日益枯竭和環境的惡化，微藻作為一種潛在的可再生能源生產者，更加受到各國科學家的關注。目前已實現產業化的微藻種類相對較少，主要有螺旋藻、鹽藻、雨生紅球藻、柯氏隱甲藻和小球藻等，突破微藻的低成本高密度培養技術，是實現其產業化的關鍵。微藻可通過類似於微生物發酵的方式，在光生物反應器中進行培養，因此一種高效的光生物反應器是實現微藻規模化培養的關鍵設備。用於微藻培養的光生物反應器主要有開放式和封閉式兩種類型。封閉式光生物反應器具有不易汙染、培養條件易於控制、比表面積高、光能和CO2利用率較高等優點，但其投資和操作成本大、規模放大困難，限制了它在微藻規模化培養中的廣泛應用。敞開式光生物反應器具有結構簡單、放大容易和成本低等優點，已普遍應用於微藻的大規模培養中。最典型的開放式培養系統是由0sWald(1969)設計的跑道池光生物反應器，該反應器以自然光為光源，依靠槳輪的轉動，使培養液在池內混合、循環，防止藻細胞沉澱並提高其光能利用率。通常情況下，跑道池光生物反應器是由水泥砌成且內表面光滑的橢圓形淺池。常見的跑道池僅有一條彎道，也有公司為了增加培養體積，將跑道池改為多條彎道，多彎道會減緩跑道池水流動速度，影響藻液的循環。跑道池中培養液的深度一般為 15-25cm，池高約40-50cm。池底通常具有一定坡度(100米的跑道池，落差為10釐米)，以方便跑道池的清洗。跑道池是目前國際上使用最廣泛的微藻培養系統，採用跑道池光生物反應器的國外公司有美國PetroSun公司、美國Aurora BioFuels公司、美國PetroAlgae公司、美國 Cyanotech公司、美國Cellana公司、墨西哥BioFields公司、紐西蘭Aquaflow Bionomic公司、以色列Seambiotc公司、英國AlgaeVS公司等；國內公司有荊州蝦青素有限公司、洋浦綠地能源科技有限公司、內蒙古金驕集團、雲南綠A生物工程有限公司、嘉興大祺生物能源有限公司、東營大振生物工程有限公司、北海市康源生物工程有限責任公司、福建省神六保健食品有限公司、江門粵健生物工程有限公司、海南迪愛生(DIC)微藻有限公司、雲南麟瓏微藻養殖有限公司等。跑道池微藻培養系統雖被研究機構 和公司廣泛採用，但其生產效率普遍較低，通常情況下，養殖的生物量濃度僅有1. Og .L-1左右，與高密度培養相距甚遠，並且較低的細胞密度會導致採收成本大幅增加。針對傳統跑道池光生物反應器的諸多缺點，叢威等的「用於大規模培養微藻的低落差開放池及其使用方法和用途」(中國專利，CN101948740A)對現行跑道池進行改進，將「落差效應」引入反應器設計中，實現微藻的淺層均勻培養，提高了藻細胞密度、降低水體驅動能耗。蔡志武的「一種產業化培養微藻的生產裝置」(中國專利， CN201245640Y)，該培養裝置的主體為跑道池式結構(不具備攪拌槳)，其通過鼓氣的方式實現藻液的循環，開放池用塑料薄膜完全覆蓋，該反應器結合開放式與封閉式光生物反應器 各自優點，作者稱可實現產油微藻規模化培養。上述改進方案雖然在一定程度提高了跑道池光生物反應器的生產效率，但它並未解決影響跑道池光生物反應器生產效率的核心技術問題，如比表面積小、光能和CO2利用率低、易汙染、循環差、環境控制能力差(溫度、光照、pH)等。本發明專利針對上述技術問題， 提出一種新型組合開放式光生物反應器的設計方案，用以實現微藻的低成本高密度培養。總體上看，目前科研機構和企業所採用的傳統跑道池光生物反應器，其在技術上存在諸多缺點(1)利用傳統跑道池光生物反應器培養微藻時，光線難以穿透15-30cm的液層，特別是隨著藻細胞密度的增加，光線的穿透能力變得更弱，致使培養液下層的藻細胞無法接受充足的光照，其生長受到抑制；(2)傳統跑道池光生物反應器較難實現有效控溫，高溫季節時，利用水冷或風冷的方式冷卻藻液，能耗巨大，且存在地區限制(低溫海水)，低溫季節和雨季難以進行養殖；(3)傳統跑道池光生物反應器在生產過程中，容易汙染其他雜藻、細菌、真菌、原生動物或病毒等，嚴重時會引起養殖失敗；(4)利用傳統跑道池光生物反應器進行微藻養殖時，藻細胞對二氧化碳的利用率較低，跑道池屬於開放式光生物反應器，微藻可自由吸收空氣中的二氧化碳，但空氣中二氧化碳的濃度較低( 0. 03% )，難以滿足微藻快速生長的需要，二氧化碳成為限制微藻生長的主要因素之一；(5)跑道池光生物反應器中藻液循環差，藻細胞光暗區轉換速度慢，影響微藻的生長。基於上述缺陷，現有跑道池光生物反應器難以有效實現微藻規模化培養，有必要設計一種新的跑道池光生物反應器方案。

發明內容
本發明的目的在於提供一種新型跑道池光生物反應器培養系統，用以實現微藻的低成本高密度培養。為解決以上技術問題，本發明提供的技術方案是，一種實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器，包括主體跑道池、藻液噴淋單元、攪拌系統及藻液循環系統，其中所述攪拌系統包括電機和攪拌槳，所述攪拌槳置於所述主體跑道池內，使藻液在所述主體跑道池內流動；所述藻液噴淋單元通過金屬支撐架固定在所述主體跑道池內，所述藻液噴淋單元包括噴淋器和透明幕牆，所述噴淋器分散流下的藻液，所述透明幕牆防止藻液噴濺並阻止藻液與外界環境接觸；所述藻液循環系統連通所述主體跑道池和所述藻液噴淋單元，並驅動藻液在所述主體跑道池和所述藻液噴淋單元之間循環。較優地，包括二氧化碳補給槽，向所述主體跑道池中的藻液補給二氧化碳。較優地，所述二氧化碳補給槽包括深槽和具有若干均勻分布孔的氣體分布器，所述深槽設置在所述主體跑道池的池底，所述氣體分布器固定於所述深槽中。較優地，所述藻液循環系統包括外循環管，連通所述主體跑道池和所述藻液噴淋單元；離心泵，位於所述外循環管上。較優地，所述藻液循環系統包括高位槽，其進液口和出液口分別通過外循環管連通所述主體跑道池和所述藻液噴淋單元；氣源，其供氣口接在所述外循環管的上升管路上。較優地，所述透明幕牆由透明塑料薄膜製成，所述透明塑料薄膜覆蓋於固定在所述金屬支撐架的網格上。較優地，所述噴淋器為一橫截面為半圓形的長管，所述長管的兩端封口，下底面開具若干均勻分布的小孔，上弧面安裝外循環管接口。較優地，所述噴淋器為一中空長方盒，所述中空長方盒的的前側面低於後側面，上表面安裝外循環管接口。較優地，所述主體跑道池的正上方安裝可捲動的塑料透明薄膜。較優地，設置有地冷系統，所述地冷系統包括地下冰庫、循環冷卻管路及位於所述循環冷卻管路上的若干閥門和水泵，所述循環冷卻管路形成置於所述主體跑道池之中的多路分支冷卻水管。與現有技術相比，本發明提出一種新型組合跑道池光生物反應器的設計方案，用以實現微藻的低成本高密度培養。具體而言，通過優化方案後使該光生物反應器具有以下優點(1)將「藻液噴淋技術」引入反應器的設計中，在空間中對藻液進行展開，以此增加光線的透過率，提高藻細胞的光合效率；( 藻液噴淋會帶動空氣流動起到藻液降溫的作用； (3)採用新型的「地冷技術」對藻液進行降溫，可大幅降低反應器能耗；(4)反應器增設二氧化碳補給槽，提高微藻對二氧化碳的利用率；( 解決雨季連續養殖的難題。


圖1為本發明實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器結構一較優實施例的示意圖；圖2為離心泵循環系統工作原理圖；圖3為氣升式循環系統工作原理圖；圖4A為藻液噴淋器類型一結構示意圖；圖4B為藻液噴淋器類型二結構示意圖；圖5為本發明實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器中地冷系統的結構示意圖；圖6為可用於雨季養殖的跑道池系統結構示意圖。
具體實施例方式本發明優選實施例的關鍵點是將藻液的「空間展開技術」和「地冷冷卻技術」引入反應器的設計中，大幅降低了跑道池光生物反應器的能耗，提高了光生物反應器的生產效率。具體而言，本發明優選實施例提供的新型跑道池光生物反應器培養系統包括主體跑道池、藻液噴淋單元、攪拌系統、二氧化碳補給槽、藻液循環系統、地冷系統等，以下對各
5部件的結構、功能及工作原理進行詳細描述。所述主體跑道池是由水泥砌成且內表面光滑的橢圓形淺池，藻細胞在其中接收光能和各種營養成分進行分裂生長，是微藻生物量積累的主要場所。跑道池的高度通常為 40-50cm,其長度和寬度無特定要求，藻液的深度一般為15-25cm，攪拌槳提供藻液循環運動的動力。為了方便跑道池的清洗，可在池底鋪設PVC革、塑料薄膜或其它表面光滑的材料。
所述藻液噴淋單元為本發明專利的核心結構，包括金屬支撐架、噴淋器和透明幕牆。其中金屬支撐架固定在主體跑道池中，主要用於藻液噴淋單元的支撐和固定。噴淋器的作用是將藻液分成若干較細的液束，以此增大了藻細胞與空氣的接觸面積，提高了微藻的固碳速率。細液束有利於光線的透射，可提高光能利用效率。藻液噴淋會帶動空氣流動起到藻液降溫的作用。透明幕牆由透光度較高的軟質塑料薄膜製成，在保證光線高透光率的前提下，其主要作用是防止藻液噴濺並較少風對噴淋的影響。透明幕牆可以做成捲簾型、 折簾型、垂直簾型。所述攪拌系統主要用於主體跑道池中藻液的循環流動，包括電機和攪拌槳，電機型號的可根據培養規模進行選擇，攪拌槳需採用抗腐蝕的材料製作。所述藻液循環系統的主要作用是實現藻液的循環，保證藻液可以由跑道池快速進入噴淋器中。對於機械抗性較強的藻株可採用循環泵系統進行培養，對於機械抗性較弱的藻株(無細胞壁藻株)可採用氣升式循環系統進行培養。所述二氧化碳補給槽主要用於培養液中二氧化碳的補給，其結構包括深槽和氣體分布器等。深槽設置在池底(在攪拌槳前較合適)，氣體分布器固定於深槽中，以此增加了二氧化碳與培養液的接觸時間，提高二氧化碳的補充效率；氣體分布器上具有若干均勻分布的圓孔，保證鼓入的氣體細小且均勻，以提高氣液傳質效率。所述地冷系統主要用於培養液的降溫，其結構包括地下冰庫、循環管路、若干閥門和水泵等。出於對反應器節能的考慮，收集冬天的形成冰塊，並儲存於地下冰庫，以備夏日使用。循環管路中充滿易導熱的液體，循環管路在冰庫中迴旋盤繞，以增加與冰的接觸時間和接觸面積。當循環液流經冰庫時，得到充分冷卻，冷卻後的循環液流經跑道池時，對藻液進行降溫。該設計大幅降低反應器運行的能耗，提高了生產效率。為了使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。參見圖1，為本發明專利的一種較優實施例，其中1為主體跑道池，21為金屬支撐架，22為噴淋器，23為透明幕牆，3為攪拌槳，4為藻液循環系統，5為二氧化碳補充槽。各結構的功能已在發明原理中詳述，在此不再重複。主體跑道池1的池底預埋若干螺栓，用於固定金屬支撐架21，透明幕牆23固定在金屬支撐架21上，其下邊緣略高於培養液上表面，攪拌槳3與電機連接後，固定於跑道池的指定位置，當跑道池規模較大時，可增設一組攪拌系統，以加速藻液循環。參見圖2和圖3，為本培養系統的藻液循環示意圖。圖2為循環泵系統的工作原理圖，其藻液循環的動力源為「循環泵」，跑道池中的藻液在循環泵的加壓作用下，由外循環管進入噴淋器，噴淋器將藻液分解成若干細液束後，回流至跑道池中，完成藻液循環。該循環系統可用於機械抗性較強藻株的培養(小球藻等)。圖3為氣升式循環系統，該系統由高位槽、外循環管、氣源等結構組成。氣源提供藻液循環的動力，當氣源鼓入壓縮空氣後，氣泡在氣升力的作用下向上運動，帶動跑道池中的藻液經過外循環管進入高位槽中，而後在重力的作用下進入噴淋器，完成藻液循環。該循環方式對藻細胞的損傷較小，適宜機械抗性較弱藻株的培養。實施例一、不同類型噴淋器的組建(1)噴淋器類型一參見圖4A，由塑料或金屬材料製成的橫截面為半圓形的長管，其兩端封口，下底面開具若干均勻分布的小圓孔，半圓型管的上弧面安裝兩組外循環管接口，用於藻液的進入， 該噴淋性形成若干連續的細液束。(2)噴淋器類型二參見圖4B，由塑料或金屬材料製成的中空長方盒，其兩端封口，下表面未開具均勻分布小圓孔，藻液可由如圖4B所示的前表面緩慢流下，流下的藻液不同於噴淋器類型一， 該噴淋器形成類似瀑布的連續液流。 實施例二、透明幕牆的組建透明幕牆23可由透明塑料薄膜製成，利用用金屬絲或塑料繩製作網格，將透明塑料薄膜固定其上即可，透明幕牆可以做成捲簾型、折簾型、垂直簾型或直接固定在金屬支撐架21上。實施例三、跑道池冷卻系統的組建參見圖5，為跑道池光生物反應器冷卻系統(地冷系統)的結構示意圖，其中41為冰庫，42為循環冷卻管路。冷卻循環水由冰庫流出，通過水泵加壓後，進入分支冷卻水管，為保證高效的藻液冷卻效果，每個跑道池中設置兩組冷卻管路。循環冷卻水最終匯集至總回流管，返回至冰庫中。實施例四、可用於雨季培養的跑道池系統在遵循本發明專利原理的基礎上，設計可用於雨季養殖的光生物反應器模型，參見圖6所示，安裝若干相互平行的噴淋器於跑道池上，用於藻液的噴淋。兩組可活動的透明幕牆，用於防止藻液噴濺並較少風對噴淋的影響，透明幕牆可以做成捲簾型、折簾型、垂直簾型。跑道池正上方安裝可捲動的塑料透明薄膜，當天氣晴朗時，薄膜捲起，當雨季到來時， 塑料薄膜覆蓋整個跑道池，防止雨水進入。如前述，傳統的跑道池光生物反應器存在比表面積小、光能和二氧碳利用率低、易汙染、環境控制能力差(溫度、光照、PH)、受季節和地區限制、培養種類少等缺點，影響了其在微藻大規模培養中的生產效率。而本發明專利革新傳統技術，提出一種新型組合跑道池光生物反應器的設計方案，首次提出藻液的空間展開技術，並將「地冷冷卻技術」引入反應器的設計中，大幅降低了跑道池光生物反應器的能耗，提高了光生物反應器的生產效率，在實際研究和生產中，可進一步解決以下關鍵技術問題⑴培養藻液的降溫；⑵光能傳遞效率低；⑶二氧化碳的高效補給；(4)雨季連續培養。以上僅是本發明的優選實施方式，應當指出的是，上述優選實施方式不應視為對本發明的限制，本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明的精神和範圍內，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器，其特徵在於，包括主體跑道池、藻液噴淋單元、攪拌系統及藻液循環系統，其中所述攪拌系統包括電機和攪拌槳，所述攪拌槳置於所述主體跑道池內，使藻液在所述主體跑道池內流動；所述藻液噴淋單元通過金屬支撐架固定在所述主體跑道池內，所述藻液噴淋單元包括噴淋器和透明幕牆，所述噴淋器分散流下的藻液，所述透明幕牆防止藻液噴濺並阻止藻液與外界環境接觸；所述藻液循環系統連通所述主體跑道池和所述藻液噴淋單元，並驅動藻液在所述主體跑道池和所述藻液噴淋單元之間循環。
2.如權利要求1所述的實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器，其特徵在於，包括二氧化碳補給槽，向所述主體跑道池中的藻液補給二氧化碳。
3.如權利要求2所述的實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器，其特徵在於，所述二氧化碳補給槽包括深槽和具有若干均勻分布孔的氣體分布器，所述深槽設置在所述主體跑道池的池底，所述氣體分布器固定於所述深槽中。
4.如權利要求1所述的實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器，其特徵在於，所述藻液循環系統包括外循環管，連通所述主體跑道池和所述藻液噴淋單元；離心泵，位於所述外循環管上。
5.如權利要求1所述的實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器，其特徵在於，所述藻液循環系統包括高位槽，其進液口和出液口分別通過外循環管連通所述主體跑道池和所述藻液噴淋單元；氣源，其供氣口接在所述外循環管的上升管路上。
6.如權利要求1所述的實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器，其特徵在於，所述透明幕牆由透明塑料薄膜製成，所述透明塑料薄膜覆蓋於固定在所述金屬支撐架的網格上。
7.如權利要求1所述的實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器，其特徵在於，所述噴淋器為一橫截面為半圓形的長管，所述長管的兩端封口，下底面開具若干均勻分布的小孔，上弧面安裝外循環管接口。
8.如權利要求1所述的實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器，其特徵在於，所述噴淋器為一中空長方盒，所述中空長方盒的的前側面低於後側面，上表面安裝外循環管接口。
9.如權利要求1所述的實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器，其特徵在於，所述主體跑道池的正上方安裝可捲動的塑料透明薄膜。
10.如權利要求1 9任一項所述的實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器，其特徵在於，設置有地冷系統，所述地冷系統包括地下冰庫、循環冷卻管路及位於所述循環冷卻管路上的若干閥門和水泵，所述循環冷卻管路形成置於所述主體跑道池之中的多路分支冷卻水管。
全文摘要
本發明公開一種實現微藻規模化培養的跑道池光生物反應器，包括主體跑道池、藻液噴淋單元、攪拌系統及藻液循環系統，其中所述攪拌系統包括電機和攪拌槳，所述攪拌槳置於所述主體跑道池內，使藻液在所述主體跑道池內流動；所述藻液噴淋單元通過金屬支撐架固定在所述主體跑道池內，所述藻液噴淋單元包括噴淋器和透明幕牆，所述噴淋器分散流下的藻液，所述透明幕牆防止藻液噴濺並阻止藻液與外界環境接觸；所述藻液循環系統連通所述主體跑道池和所述藻液噴淋單元，並驅動藻液在所述主體跑道池和所述藻液噴淋單元之間循環。本發明提供的新型跑道池光生物反應器的設計方案，可用以實現微藻的低成本高密度培養。
文檔編號C12M1/02GK102304462SQ20111025399
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月29日 優先權日2011年8月29日
發明者劉敏勝, 吳洪, 張成武, 朱振旗, 李濤, 李愛芬 申請人:暨南大學