一種內(nèi)置光源生物反應(yīng)器及微藻養(yǎng)殖方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種內(nèi)置光源生物反應(yīng)器。該內(nèi)置光源生物反應(yīng)器包括：反應(yīng)容器，反應(yīng)容器上設(shè)有蓋板且反應(yīng)容器容納供微藻生長的培養(yǎng)液；進(jìn)出料裝置，進(jìn)出料裝置與反應(yīng)容器密封連接，進(jìn)出料裝置上設(shè)有閥門和開關(guān)，微藻通過進(jìn)出料裝置泵入或泵出反應(yīng)容器；發(fā)光裝置，用于產(chǎn)生微藻生長所需的光源；營養(yǎng)布料裝置，營養(yǎng)布料裝置用于向反應(yīng)容器內(nèi)提供微藻生長所需的營養(yǎng)；和氣體分布器，氣體分布器用于向反應(yīng)容器內(nèi)提供微藻生長所需的氣體。本發(fā)明的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器不受天氣變化的影響且可使微藻繁殖分階段進(jìn)行，可控性較強(qiáng)，有利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的工廠化生產(chǎn)，生物反應(yīng)器的串聯(lián)和/或并聯(lián)系統(tǒng)使得微藻的大規(guī)模養(yǎng)殖變得更加高效。
【專利說明】一種內(nèi)置光源生物反應(yīng)器及微藻養(yǎng)殖方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及內(nèi)置光源生物反應(yīng)器及微藻養(yǎng)殖方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微藻生物柴油是液體生物燃料的未來發(fā)展方向，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、與普通陸生農(nóng)作物相比，單位面積的產(chǎn)率可高出數(shù)十倍，從而可實(shí)現(xiàn)工廠化養(yǎng)殖。微藻制油的原理是利用微藻光合作用，將化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳轉(zhuǎn)化為微藻自身的生物質(zhì)從而固定了碳元素，再通過誘導(dǎo)反應(yīng)使微藻自身的碳物質(zhì)轉(zhuǎn)化為油脂，然后利用物理或化學(xué)方法把微藻細(xì)胞內(nèi)的油脂轉(zhuǎn)化到細(xì)胞外，再進(jìn)行提煉加工，從而生產(chǎn)出生物柴油，即可通過藻類的光合作用，將廢水廢氣中的營養(yǎng)物質(zhì)和二氧化碳轉(zhuǎn)化為生物燃料、蛋白質(zhì)。在石油價(jià)格大幅上升，糧食短缺問題日漸突出的今天，該產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。
[0003]用于生產(chǎn)生物柴油的微藻的養(yǎng)殖主要分為兩個(gè)階段，即繁殖階段和產(chǎn)油階段。在微藻養(yǎng)殖的繁殖階段，微藻主要吸收紅黃光及藍(lán)紫光(波長范圍在620-700nm和410-470nm)，同時(shí)吸收碳、氮、磷等元素，進(jìn)行繁殖而不產(chǎn)油；在微藻養(yǎng)殖的產(chǎn)油階段，不再通入氮源保持少量磷的通入并持續(xù)通入CO2，保持光照，微藻因富碳和氮饑餓從而產(chǎn)油效率明顯增加，并繁殖速度顯著降低。
[0004]為進(jìn)一步提高微藻生物柴油的單位產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)立體化養(yǎng)殖，必須使用專用的微藻養(yǎng)殖光反應(yīng)器?，F(xiàn)有技術(shù)中的微藻養(yǎng)殖光反應(yīng)器雖然相比較跑道池、多級池等露天直接養(yǎng)殖，養(yǎng)殖密度、單位面積產(chǎn)量都有明顯提高，但是由于微藻生長與產(chǎn)油的光源仍為自然光，微藻對太陽光的利用并不充分，具有不確定與不可控性，與工廠化生產(chǎn)穩(wěn)定、持續(xù)的要求完全背道而馳，加之營養(yǎng)補(bǔ)充、二氧化碳充氣等輔助養(yǎng)殖功能也未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，使其與實(shí)際產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚有較大距離。
[0005]因此，目前本領(lǐng)域迫切需要一種技術(shù)能夠克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的微藻養(yǎng)殖光反應(yīng)器的可控性差、自動(dòng)化程度低、效率低的弊端。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種可根據(jù)不同種類藻類不同階段的養(yǎng)殖需求配比最佳的光源、二氧化碳、營養(yǎng)、溫度、流速等要素的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器，從而實(shí)現(xiàn)超高密度海藻養(yǎng)殖的穩(wěn)定、可控，滿足產(chǎn)業(yè)化需求。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種內(nèi)置光源生物反應(yīng)器，該內(nèi)置光源生物反應(yīng)器包括:
[0008]反應(yīng)容器，反應(yīng)容器上設(shè)有蓋板且反應(yīng)容器容納供微藻生長的培養(yǎng)液；
[0009]進(jìn)出料裝置，進(jìn)出料裝置與反應(yīng)容器密封連接，進(jìn)出料裝置上設(shè)有閥門和開關(guān)；
[0010] 發(fā)光裝置，發(fā)光裝置設(shè)在反應(yīng)容器內(nèi)部且當(dāng)反應(yīng)器工作時(shí)，該發(fā)光裝置至少部分或全部浸沒于的培養(yǎng)液，從而在反應(yīng)容器內(nèi)提供微藻生長所需的光，其中發(fā)光裝置所發(fā)出的光的光強(qiáng)在反應(yīng)容器的深度方向(Z軸方向)是均勻的或大致均勻的；和[0011]氣體分布器，氣體分布器用于向反應(yīng)容器內(nèi)提供微藻生長所需的氣體。
[0012]在另一優(yōu)選例中，發(fā)光裝置所發(fā)出的光的光強(qiáng)在反應(yīng)容器的水平方向(包括X軸和Y軸方向)基本均勻。
[0013]在另一優(yōu)選例中，所述“均勻的或大致均勻的”指任一深度處的光強(qiáng)Dl與在整個(gè)深度范圍的平均光強(qiáng)Dm滿足下式:
[0014]1.5 ≥ Dl/Dm ≥ 0.7。
[0015]較佳地，1.2 ≥ DI/Dm ≥ 0.8 ;更佳地 1.1 ≥ DI/Dm ≥ 0.9。
[0016]在另一優(yōu)選例中，反應(yīng)容器的周圍設(shè)有溫控裝置，該溫控裝置用于維持反應(yīng)容器內(nèi)的液體環(huán)境溫度處于適合微藻生長的范圍內(nèi)。
[0017]在另一優(yōu)選例中，反應(yīng)器還設(shè)有營養(yǎng)布料裝置，該營養(yǎng)布料裝置用于向反應(yīng)容器內(nèi)提供微藻生長所需的營養(yǎng)。
[0018]在另一優(yōu)選例中，氣體分布器為旋轉(zhuǎn)式氣體分布器，在向反應(yīng)容器中通入氣體的過程中，旋轉(zhuǎn)式氣體分布器旋轉(zhuǎn)，從而促使氣體與營養(yǎng)物質(zhì)分散于液態(tài)培養(yǎng)體系中。
[0019]在另一優(yōu)選例中，該溫控裝置為控溫水管。
[0020]在另一優(yōu)選例 中，適合微藻生長的范圍指15-45°C,較佳地20-40°C。
[0021]在另一優(yōu)選例中，內(nèi)置光源生物反應(yīng)器還設(shè)有監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測液體環(huán)境的參數(shù)，參數(shù)選自:PH值、溫度和/或養(yǎng)料濃度。
[0022]在另一優(yōu)選例中，發(fā)光裝置包括導(dǎo)光板和發(fā)光單元，發(fā)光單元產(chǎn)生的光透過導(dǎo)光板傳導(dǎo)使導(dǎo)光板整體發(fā)光。
[0023]在另一優(yōu)選例中，發(fā)光裝置還包括支架，支架用于固定支撐導(dǎo)光板，支架與反應(yīng)容器和/或蓋板可拆卸地連接，發(fā)光單元嵌于導(dǎo)光板。
[0024]在另一優(yōu)選例中，在蓋板上設(shè)有出氣孔。
[0025]在另一優(yōu)選例中，該發(fā)光單元為LED發(fā)光單元。
[0026]在另一優(yōu)選例中，該內(nèi)置光源生物反應(yīng)器中設(shè)有多塊導(dǎo)光板，較佳地3-100塊，更佳地4-80塊，最佳地5-50塊。
[0027]在另一優(yōu)選例中，導(dǎo)光板由具有防弱酸性能的透明有機(jī)材料制成。
[0028]在另一優(yōu)選例中，發(fā)光裝置工作時(shí)發(fā)射至少2個(gè)不同波長的光。
[0029]在另一優(yōu)選例中，前述不同波長的光包括:波長為600-800(較佳地650-750)nm的光、波長為400-480(較佳地430-470) nm的光。
[0030]在另一優(yōu)選例中，發(fā)光單元發(fā)出的光的色溫為1000-20000K，較佳地1500-6000K。
[0031]在另一優(yōu)選例中，發(fā)光裝置中，發(fā)光單元為LED，且LED的數(shù)量為1-10000/導(dǎo)光板；較佳地為10-1000/導(dǎo)光板。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種生產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備，該生產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備包括本發(fā)明第一方面的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器。
[0033]在另一優(yōu)選例中，至少二個(gè)內(nèi)置光源生物反應(yīng)器為串聯(lián)和/或并聯(lián)。
[0034]在另一優(yōu)選例中，相互連接的反應(yīng)器通過進(jìn)出料裝置相連。
[0035]在另一優(yōu)選例中，該生產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備被用作綠藻門、藍(lán)藻門、金藻門和紅藻門微藻的生產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種培養(yǎng)方法，該方法包括步驟:[0037](a)提供前述的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器；
[0038](b)在內(nèi)置光源生物反應(yīng)器中培養(yǎng)微藻。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種制備用于生產(chǎn)生物質(zhì)柴油的微藻的方法，該方法包括步驟:
[0040](a)提供前述的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器；
[0041](b)在內(nèi)置光源生物反應(yīng)器中培養(yǎng)用于生產(chǎn)生物質(zhì)柴油的微藻，
[0042]其中，培養(yǎng)包括第一培養(yǎng)階段和第二培養(yǎng)階段，在微藻生長的第一階段，發(fā)光單元發(fā)出的光的波長為350-900nm，較佳地570-800及400_500nm ;在微藻生長的第二階段，發(fā)光單元發(fā)出的光的波長為350-900nm，較佳地600-800及400_480nm ；
[0043](c)從內(nèi)置光源生物反應(yīng)器回收培養(yǎng)的微藻。
[0044]在另一優(yōu)選例中，在微藻生長的第一階段，發(fā)光單元發(fā)出的波長為570_800nm ;在微藻生長的第二階段，發(fā)光單元發(fā)出的波長為400-480nm。
[0045]在另一優(yōu)選例中，在微藻生長的第一階段，向內(nèi)置光源生物反應(yīng)器中提供氮源；在微藻生長的第二階段，停止向內(nèi)置光源生物反應(yīng)器中提供氮源。
[0046]在另一優(yōu)選例中，的方法還包括:對回收的微藻進(jìn)行加工(例如干燥、破壁、提取、酯交換等)從而制得生物質(zhì)柴油。
[0047]根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供了一種可用于生產(chǎn)生物質(zhì)柴油的微藻，該微藻是用第四方面所述的方法制備的。
[0048]在另一優(yōu)選例中，該微藻具有以下特性: [0049](i)微藻的大小為5-500微米；
[0050](ii)含油率(干重)10%-70%。
[0051]根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供了一種制備生物質(zhì)柴油的方法，其特征在于，包括步驟:利用本發(fā)明第五方面所述的微藻作為原料，進(jìn)行加工，從而制得生物質(zhì)柴油。
[0052]在另一優(yōu)選例中，微藻的加工包括:干燥、提取、提取、酯交換等工藝步驟。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0053]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器的立體剖視圖；
[0054]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器的立體剖視示意圖；
[0055]圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器的主視剖視示意圖；
[0056]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器的俯視剖視示意圖；
[0057]圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器的發(fā)光裝置的立體示意圖；
[0058]圖6a是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器的發(fā)光裝置的主視圖；
[0059]圖6b是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器的發(fā)光裝置的側(cè)視圖；
[0060] 圖6c是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器的發(fā)光裝置的俯視圖；以及
[0061]圖6d是根據(jù)圖6b中B部分的放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0062]本發(fā)明人經(jīng)過廣泛而深入的研究，首次開發(fā)了一種內(nèi)置光源生物反應(yīng)器，通過特殊設(shè)計(jì)的發(fā)光裝置等結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的反應(yīng)器不僅縮短培養(yǎng)時(shí)間，而且能夠顯著提高微藻的生物量密度和總有效含脂量，從而可制備品質(zhì)更好的生物柴油。在此基礎(chǔ)上完成了本發(fā)明。
[0063]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，以便更清楚理解本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)理解的是，附圖所示的實(shí)施例并不是對本發(fā)明范圍的限制，而只是為了說明本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)精神。
[0064]生物反應(yīng)器
[0065]如圖1和圖2所示，所述內(nèi)置光源生物反應(yīng)器包括反應(yīng)容器1、發(fā)光裝置2、進(jìn)出料裝置3、蓋板5、氣體分布器6、營養(yǎng)布料裝置、溫控裝置7、以及監(jiān)測和控制系統(tǒng)等。反應(yīng)容器I上設(shè)有蓋板5，反應(yīng)容器I與進(jìn)出料裝置3密封連接，且進(jìn)出料裝置上設(shè)有閥門和開關(guān)，用于控制進(jìn)出料的進(jìn)行或停止，反應(yīng)容器I內(nèi)設(shè)有發(fā)光裝置2用于產(chǎn)生微藻生長各階段所需的穩(wěn)定光源，反應(yīng)容器I的底部設(shè)有氣體分布器6用于通入微藻生長各階段所需的氣體，營養(yǎng)布料裝置用于向反應(yīng)容器中提供養(yǎng)料，反應(yīng)容器的周圍設(shè)有溫控裝置7(圖示為控溫水管)用于保持反應(yīng)容器內(nèi)溶液的溫度在適合微藻繁殖與產(chǎn)油的溫度范圍內(nèi)。
[0066]該生物反應(yīng)器的下部(如約30%~90%，或50%~70%的高度)可埋于地下。
[0067]該生物反應(yīng)器可設(shè)置在發(fā)電廠周圍，利用發(fā)電產(chǎn)生的廢水廢氣作為微藻養(yǎng)殖的物質(zhì)和能量來源，具有環(huán)保減排的作用。該反應(yīng)容器I可以為不透光的密閉容器，在陰雨天與夜間也可以通過自身的發(fā)光裝置進(jìn)行發(fā)光，供微藻生長所用。在內(nèi)置光源生物反應(yīng)器中設(shè)有監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測反應(yīng)器中溶液PH值和溫度等。
[0068]此外，本發(fā)明的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器也可用于絲藻、甲藻或其他水生生物的高密 度產(chǎn)業(yè)化養(yǎng)殖。
[0069]圖3是該內(nèi)置光源生物反應(yīng)器的主視剖視示意圖；如圖3所示，在反應(yīng)容器的壁上設(shè)有溫控裝置7，溫控裝置7可以為任何合適的形式，例如控溫隔套。較佳地，溫控裝置7為控溫水管，發(fā)電廠排出的具有一定溫度的廢水可用于在控溫水管中流通以保持生物反應(yīng)器內(nèi)的溫度在15 °C~45 °C之間。
[0070]在生物反應(yīng)器的蓋板5的頂部設(shè)有出氣孔，用于釋放微藻光合作用產(chǎn)生的氧氣。
[0071]圖4是該內(nèi)置光源生物反應(yīng)器的俯視剖視示意圖。如圖所示，在內(nèi)置光源生物反應(yīng)器的底部設(shè)有氣體分布器6,氣體分布器6可為旋轉(zhuǎn)式、槽式、管式或其他任何合適的形式。在微藻養(yǎng)殖過程中，通過氣體分布器向反應(yīng)容器中通入二氧化碳、空氣或其他氣體。較佳地，本實(shí)例中采用旋轉(zhuǎn)式氣體分布器，在通入氣體的過程中，氣體分布器6旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)通入的氣體與底部容器內(nèi)液體的擾動(dòng)，從而有利于氣體與營養(yǎng)物質(zhì)在溶液中均勻分布。
[0072]在反應(yīng)容器的一個(gè)或多個(gè)位置(例如容器壁上、容器底部、容器頂部和蓋板內(nèi)側(cè)等)安裝營養(yǎng)布料裝置。營養(yǎng)布料裝置在微藻生長的不同階段提供不同的養(yǎng)料。
[0073]反應(yīng)容器中其他營養(yǎng)物質(zhì)的通入速率與CO2的通入速率可成一定的比例，通過CO2在線監(jiān)測系統(tǒng)可以確定溶液中CO2的溶解量，同時(shí)通過監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測溶液的PH值獲知溶液的酸堿度。控制系統(tǒng)能夠控制的CO2和營養(yǎng)物質(zhì)的通入速率，保證溶液中營養(yǎng)物質(zhì)的溶解量及PH值在適合微藻生長繁殖或產(chǎn)油的范圍內(nèi)。
[0074]發(fā)光裝置
[0075]圖5為發(fā)光裝置2的立體示意圖。發(fā)光裝置的設(shè)置使得生物反應(yīng)器可在無陽光或其他外部光源的情況下進(jìn)行養(yǎng)殖生產(chǎn)等正常運(yùn)作。如圖5所述，所述發(fā)光裝置由支架9、LED發(fā)光單元組10和導(dǎo)光板11構(gòu)成，導(dǎo)光板11由支架9固定，支架9的頂端固定在蓋板5上，LED發(fā)光單元組10位于導(dǎo)光板11的頂部，導(dǎo)光板11或全部伸入液面之下。在本發(fā)明的生物反應(yīng)器中，設(shè)有多個(gè)發(fā)光裝置2，各個(gè)導(dǎo)光板均可以單獨(dú)地安裝或拆卸。
[0076]導(dǎo)光板可用透明有機(jī)材料(例如亞克力)制成，且具有防弱酸性能。LED發(fā)光單元組在導(dǎo)光板的頂部與導(dǎo)光板直接接觸，LED發(fā)光單元組發(fā)出的光可透過導(dǎo)光板傳導(dǎo)并使導(dǎo)光板整體發(fā)光。
[0077]發(fā)光裝置2的支架9的頂端與蓋板5可拆卸地連接，從而便于發(fā)光裝置的拆除、更換或重新安裝；發(fā)光裝置2懸掛在反應(yīng)容器中而不接觸容器的底部，因而不影響容器底部氣體分布器的旋轉(zhuǎn)。應(yīng)理解，發(fā)光裝置的支架也可以以其他任何合適的方式在任何合適的位置與反應(yīng)容器固定。
[0078]圖6a_6c分別是內(nèi)置光源生物反應(yīng)器的發(fā)光裝置的主視圖、側(cè)視圖和俯視圖；圖6d是圖6b中B部分的放大圖。
[0079]LED發(fā)光單元組10包括一個(gè)個(gè)小的LED發(fā)光單元，發(fā)光單元所產(chǎn)生的光可以是復(fù)合色或者單色光，單色LED發(fā)光波長范圍為350-900nm，復(fù)合光色溫范圍為1500-20000K。單個(gè)導(dǎo)光板上的LED發(fā)光單元的數(shù)量可以是1-10000個(gè)。
[0080]其中發(fā)光裝置所發(fā)出的光的光強(qiáng)在反應(yīng)容器的深度方向(Z軸方向)是均勻的或大致均勻的；發(fā)光裝置所發(fā)出的光的光強(qiáng)在反應(yīng)容器的水平方向(包括X軸和Y軸方向)基本均勻?！熬鶆虻幕虼笾戮鶆虻摹敝溉我簧疃忍幍墓鈴?qiáng)Dl與在整個(gè)深度范圍的平均光強(qiáng)Dm滿足下式:
[0081]1.5 ≤ Dl/Dm ≤ 0.7。
[0082]較佳地，1.2 ≤ DI/Dm ≤ 0.8 ;更佳地 1.1 ≤ DI/Dm ≤ 0.9。
[0083]發(fā)光裝置工作時(shí)能夠發(fā)射至少2個(gè)不同波長的光。該不同波長的光包括:波長為570-800nm的光、波長為400_500nm的光。
[0084]實(shí)際上，LED發(fā)光單兀組10可以位于導(dǎo)光板11的底部或者嵌于發(fā)光板的其他合適的位置，只要保證其發(fā)出的光可在整塊導(dǎo)光板中傳導(dǎo)使得整塊導(dǎo)光板發(fā)光即可。
[0085]較佳地，LED發(fā)光單元組的能量來源為太陽能光板吸收太陽能而產(chǎn)生的電能。如此以來，本發(fā)明的生物反應(yīng)器雖沒有直接利用太陽能，但通過太陽能光板將不穩(wěn)定的太陽能收集起來用于發(fā)電，將其產(chǎn)生的電穩(wěn)定地供應(yīng)給生物反應(yīng)器的發(fā)光單元組使其持續(xù)地發(fā)光，保證微藻養(yǎng)殖的穩(wěn)定、持續(xù)性。
[0086]生產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)
[0087]微藻的繁殖和產(chǎn)油階段可在同一個(gè)生物反應(yīng)器中進(jìn)行，但需要隨著生長的進(jìn)行，更換發(fā)光裝置，改變營養(yǎng)物質(zhì)通入的種類與速率，過程較為復(fù)雜。
[0088]為了實(shí)現(xiàn)高效的大規(guī)模養(yǎng)殖，可采用多個(gè)生物反應(yīng)器串聯(lián)或并聯(lián)組成大規(guī)模的生產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。生物反應(yīng)器之間的串聯(lián)或并聯(lián)通過進(jìn)出料口連接，通過泵系統(tǒng)可以完成生物反應(yīng)器之間的進(jìn)料和出料。
[0089]考慮到微藻養(yǎng)殖過程中的數(shù)量變化，對光源和營養(yǎng)物質(zhì)的需求量也在不斷發(fā)生變化，可采用多個(gè)生物反應(yīng)器串聯(lián)的養(yǎng)殖系統(tǒng)，例如，采用三個(gè)生物反應(yīng)器串聯(lián)的系統(tǒng)完成微藻繁殖和產(chǎn)油的全部生長過程:
[0090]將適量的藻種放入第一級生物反應(yīng)器中，繁殖增加至一定數(shù)量，通過進(jìn)出料口進(jìn)入第二級生物反應(yīng)器進(jìn)行進(jìn)一步生長繁殖，而后再進(jìn)入第三級生物反應(yīng)器，不再繁殖，只主要進(jìn)行產(chǎn)油，而較少繁殖。
[0091]在第一級和第二級生物反應(yīng)器中設(shè)置有發(fā)光波長僅適合有利于微藻繁殖的發(fā)光裝置，且營養(yǎng)布料裝置向反應(yīng)容器中通入磷酸銨、磷酸二氫鉀或磷酸氫二鉀等氮氧化物作為氮磷源，同時(shí)添加鐵、鋅等元素，氣體分布器向反應(yīng)容器中通入氮氧化物和C02，第二級生物反應(yīng)器中發(fā)光強(qiáng)度和營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)速率較第一級生物反應(yīng)器大，以適應(yīng)繁殖增多的微藻的生長需求；在第三級生物反應(yīng)器中設(shè)置有發(fā)光波長僅適合有利于微藻產(chǎn)油的發(fā)光裝置，PH和溫度等同時(shí)調(diào)節(jié)至適合微藻產(chǎn)油的條件，且營養(yǎng)布料裝置不提供氮源，氣體分布器向反應(yīng)容器中通入C02。
[0092]不同級的生物反應(yīng)器可根據(jù)需求選擇不同的尺寸，例如第一級生物反應(yīng)器的尺寸較后兩級較小。
[0093]第一級生物反應(yīng)器中的微藻排出至第二級生物反應(yīng)器后，可向第一級生物反應(yīng)器通入新的藻種，同時(shí)進(jìn)行新一輪養(yǎng)殖。為了提高藻種的純度，可從第二級生物反應(yīng)器排出的微藻中過濾出部分作為第一級生物反應(yīng)器的藻種。
[0094]培養(yǎng)方法
[0095]本發(fā)明提供了一種培養(yǎng)微藻的方法，該方法包括步驟:
[0096]1.提供本發(fā)明的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器；
[0097]2.將藻種投放于該內(nèi)置光源生物反應(yīng)器中，向反應(yīng)器中提供微藻生存所需的養(yǎng)料(包括氮源、磷源、無機(jī)鹽(例如鐵、鋅)等)并提供二氧化碳或空氣，開啟發(fā)光裝置產(chǎn)生微藻生長所需的光。
[0098]特別地，本發(fā)明提供了一種用于培養(yǎng)生產(chǎn)生物質(zhì)柴油的微藻的方法，該方法包括步驟:
[0099]1.提供本發(fā)明的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器；
[0100]2.將藻種投放于該內(nèi)置光源生物反應(yīng)器中，向反應(yīng)器中提供微藻生存所需的養(yǎng)料(包括氮源、磷源、無機(jī)鹽(例如鐵、鋅)等)并提供二氧化碳或空氣，開啟發(fā)光裝置產(chǎn)生微藻生長所需的光，其中
[0101]在微藻生長的第一階段，發(fā)光單元發(fā)出的光的波長為350-900nm，較佳地570-800及400-500nm ;在微藻生長的第二階段，發(fā)光單元發(fā)出的光的波長為350-900nm，較佳地600-800 及 400-480nm。
[0102]較佳地，在微藻生長的第一階段和第二階段采用不同波長的光作為光源，配合營養(yǎng)物質(zhì)和氣體的供給，使得微藻在第一階段主要進(jìn)行繁殖，在第二階段主要進(jìn)行產(chǎn)油。例如，在第一階段采用紅光作為光源并通入氮源，而第二階段采用藍(lán)光作為光源且停止通入氮源。
[0103]適用于本發(fā)明的微生物沒有特別限制，只要其可利用光源進(jìn)行生長。代表性的微生物包括(但并不限于):綠藻門、藍(lán)藻門、金藻門和紅藻門微藻。一種優(yōu)選的微生物是微綠球藻(Nannochloropsis Iimnetica)淡水種。
[0104]制備方法
[0105]本發(fā)明提供了一種制備生物質(zhì)柴油的方法，該方法采用通過前述方法制備的用于生產(chǎn)生物質(zhì)柴油的微藻作為原料，進(jìn)行加工，從而制得生物質(zhì)柴油，一種典型的加工過程包括步驟:
[0106]利用過濾、壓濾或者氣泡懸浮的方法收集微藻，然后通過纖維素酶解及均質(zhì)的方法破壁后分離藻油與藻體，經(jīng)萃取、浸出或壓濾后取得純凈的藻油，采用酯交換法、溶劑稀釋法或熱分解法后獲得可直接用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的生物柴油。
[0107]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
[0108]相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下主要優(yōu)點(diǎn):
[0109]1.現(xiàn)有技術(shù)中的生物反應(yīng)器依賴于外部自然光，在陰雨天等光強(qiáng)較弱的天氣情況下，微藻無法獲得充足的光源而減緩生長，而本發(fā)明的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器不受天氣變化的影響；
[0110]2.現(xiàn)有技術(shù)不適合大池養(yǎng)殖，因?yàn)橹挥薪咏厣媳砻娴奈⒃宀拍塬@得較充足的光源，而本發(fā)明的生物反應(yīng)器中內(nèi)置多個(gè)均勻分布的發(fā)光裝置，且本發(fā)明的生物反應(yīng)器中的氣體分布器和營養(yǎng)布料裝置都有利于反應(yīng)容器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的均勻分布，使得能夠?qū)崿F(xiàn)大池養(yǎng)殖、立體養(yǎng)殖，提高養(yǎng)殖效率；
[0111]3.本發(fā)明的生物反應(yīng)器可根據(jù)微藻的不同生長階段采用不同的內(nèi)置光源及營養(yǎng)、溫度、PH等條件，使得微藻繁殖分階段進(jìn)行，可控性較強(qiáng)，有利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的工廠化生產(chǎn)；
[0112]4.本發(fā)明的生物反應(yīng)器的串聯(lián)和/或并聯(lián)系統(tǒng)使得微藻的大規(guī)模養(yǎng)殖變得更加聞效。
[0113] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件，或按照制造廠商所建議的條件。除非另外說明，否則百分比和份數(shù)是重量百分比和重量份數(shù)。
[0114]在實(shí)施例1-3中，采用如圖1所示的本發(fā)明的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器。
[0115]實(shí)施例1
[0116]選取常規(guī)的微綠球藻(Nannochloropsis Iimnetica)淡水種，初始養(yǎng)殖密度為
0.lg/L,反應(yīng)器液面深度為80cm(截面積為ImX 1.5m)。第一階段采用波長706nm的紅光LED為光源，溫度恒定為24°C，培養(yǎng)液中預(yù)先添加微量磷酸銨及鋅、鐵等微量元素肥，并且分別通入一定量的CO2 (約90% )及作為氮源的NO或NO2等氮氧化物一小時(shí)后放入按初始養(yǎng)殖密度放入藻種，開始養(yǎng)殖。36小時(shí)以后測得生物量密度增加為6.86g/L(干重/溶液，下同)，72小時(shí)后測得生物量密度9.71g/L，將反應(yīng)器內(nèi)微藻移至另一反應(yīng)器(液面深度為80cm,截面積為2m X 3m)中，停止氮氧化物供應(yīng)，保持CO2供應(yīng)，使用波長為450nm的藍(lán)光LED為光源，溫度恒定為28°C，移至另一反應(yīng)器24小時(shí)后，取水樣檢測，氮源基本耗盡，生物量密度為10.64g/L，移至另一反應(yīng)器72小時(shí)后，生物量密度增加為12.88g/L，養(yǎng)殖結(jié)束，共計(jì)144個(gè)小時(shí)。
[0117]肉眼觀察反應(yīng)器內(nèi)微藻分布均勻。過濾后得到微藻，檢測后總脂含量(干重)為45.08%，三?；视椭舅狨?甘油三酯)占總脂含量89.6%，總有效含脂率40.39%，總有效含脂量密度5.20g/L。
[0118]實(shí)施例2
[0119]選取微綠球藻(Nannochloropsis Iimnetica)淡水種,初始養(yǎng)殖密度為0.lg/L,反應(yīng)器液面深度為80cm(截面積為ImX 1.5m)。第一階段采用波長450nm的藍(lán)光LED為光源，溫度恒定為24°C，培養(yǎng)液中預(yù)先添加微量磷酸銨及鋅、鐵等微量元素肥，并且分別通入一定量的CO2 (約90% )及作為氮源的NO或NO2等氮氧化物一小時(shí)后放入按初始養(yǎng)殖密度放入藻種，開始養(yǎng)殖。36小時(shí)以后測得生物量密度增加為5.66g/L，72小時(shí)后測得生物量密度
8.03g/L，將反應(yīng)器內(nèi)微藻移至另一反應(yīng)器(液面深度為80cm，截面積為2mX3m)中，停止氮氧化物供應(yīng)，保持CO2供應(yīng)，使用波長706nm的紅光LED為光源，溫度恒定為30°C，移至另一反應(yīng)器24小時(shí)后，取水樣檢測，氮源基本耗盡，生物量密度為9.21g/L，移至另一反應(yīng)器72小時(shí)后，生物量密度增加為10.52g/L，養(yǎng)殖結(jié)束，共計(jì)144個(gè)小時(shí)。
[0120]肉眼觀察反應(yīng)器內(nèi)微藻分布均勻。過濾后得到微藻，檢測后總脂含量(干重)為43.98%，三酰基甘油脂肪酸酯(甘油三酯)占總脂含量77.7%，總有效含脂率34.17%，總有效含脂量密度3.59g/L。
[0121]實(shí)施例3
[0122]選取微綠球藻(Nannochloropsis Iimnetica)淡水種,初始養(yǎng)殖密度為0.lg/L,反應(yīng)器液面深度為80cm (截面積為2mX 3m)中。第一階段采用波長706nm的紅光LED為光源，溫度恒定為24°C，培養(yǎng)液中預(yù)先添加微量磷酸銨及鋅、鐵等微量元素肥，并且分別通入一定量的CO2 (約90% )及作為氮源的NO或NO2等氮氧化物一小時(shí)后放入按初始養(yǎng)殖密度放入藻種，開始養(yǎng)殖。按一定時(shí)間取樣，測定生物量密度。144個(gè)小時(shí)后養(yǎng)殖結(jié)束。
[0123]結(jié)果:36小時(shí)后測得生物量密度增加為6.86g/L，72小時(shí)后測得生物量密度為
9.91g/L，108小時(shí)后測得生物量密度為12.22g/L，144個(gè)小時(shí)后養(yǎng)殖結(jié)束后測得最終生物量密度為14.34g/L。肉眼觀察反應(yīng)器內(nèi)微藻分布均勻。過濾后得到微藻，檢測后總脂含量(干重)為24.52%，三酰基甘油脂肪酸酯(甘油三酯)占總脂含量81.6%，總有效含脂率20.01%,總有效含脂量密度2.45g/L。
[0124]對比例I
[0125]選取微綠球藻(Nannochloropsis Iimnetica)淡水種,初始養(yǎng)殖密度為0.lg/L,反應(yīng)器液面深度為80cm(截面積為2mX3m)中。采用自然光為光源，實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)殖，培養(yǎng)液中預(yù)先添加微量磷酸銨及鋅、鐵等微量元素肥，并且分別通入一定量的CO2 (約90% )及作為氮源的NO或NO2等氮氧化物，144個(gè)小時(shí)后養(yǎng)殖結(jié)束。除非特別說明，其它培養(yǎng)條件同實(shí)施例1o
[0126]結(jié)果:肉眼觀測液面表面微藻密度明顯更大，并形成聚集層，測得最終平均生物量密度僅為3.01g/L,總有效含脂率19.99%，總有效含脂量密度僅為0.60g/L。
[0127]對比例2
[0128]選取微綠球藻(Nannochloropsis Iimnetica)淡水種,初始養(yǎng)殖密度為0.lg/L,反應(yīng)器液面深度為80cm(截面積為2mX3m)。采用自然光為光源，實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)殖，培養(yǎng)液中預(yù)先添加微量磷酸銨及鋅、鐵等微量元素肥，并且分別通入一定量的空氣及作為氮源的NO或NO2等氮氧化物，144個(gè)小時(shí)后養(yǎng)殖結(jié)束。除非特別說明，其它培養(yǎng)條件同實(shí)施例1。
[0129]結(jié)果:肉眼觀測液面表面微藻密度明顯更大，并形成聚集層，測得最終平均生物量密度僅為1.29g/L，總有效含脂率28.32%，總有效含脂量密度僅為0.37g/L。
[0130]更清楚地，上述實(shí)施例與對比例的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如表1所示:
[0131]表1[0132]
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)置光源生物反應(yīng)器，其特征在于，所述內(nèi)置光源生物反應(yīng)器包括: 反應(yīng)容器，所述反應(yīng)容器上設(shè)有蓋板且所述反應(yīng)容器容納供微藻生長的培養(yǎng)液； 進(jìn)出料裝置，所述進(jìn)出料裝置與所述反應(yīng)容器密封連接； 發(fā)光裝置，所述發(fā)光裝置設(shè)在反應(yīng)容器內(nèi)部且當(dāng)所述反應(yīng)器工作時(shí)，所述發(fā)光裝置至少部分或全部浸沒于所述的培養(yǎng)液，從而在反應(yīng)容器內(nèi)提供微藻生長所需的光，其中所述發(fā)光裝置所發(fā)出的光的光強(qiáng)在反應(yīng)容器的深度方向(Z軸方向)是均勻的或大致均勻的；和 氣體分布器，所述氣體分布器用于向所述反應(yīng)容器內(nèi)提供微藻生長所需的氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器，其特征在于，所述反應(yīng)容器的周圍設(shè)有溫控裝置，所述溫控裝置用于維持反應(yīng)容器內(nèi)的液體環(huán)境溫度處于適合微藻生長的范圍內(nèi)；和/或 所述反應(yīng)器還設(shè)有營養(yǎng)布料裝置，所述營養(yǎng)布料裝置用于向所述反應(yīng)容器內(nèi)提供微藻生長所需的營養(yǎng)；和/或 所述氣體分布器為旋轉(zhuǎn)式氣體分布器，在向反應(yīng)容器中通入氣體的過程中，所述旋轉(zhuǎn)式氣體分布器旋轉(zhuǎn)，從而促使氣體與營養(yǎng)物質(zhì)分散于液態(tài)培養(yǎng)體系中。
3.如權(quán)利要求1 所述的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器，其特征在于，內(nèi)置光源生物反應(yīng)器還設(shè)有監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測所述液體環(huán)境的參數(shù)，所述參數(shù)選自:PH值、溫度和/或養(yǎng)料濃度。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器，其特征在于，所述發(fā)光裝置包括導(dǎo)光板和發(fā)光單元，所述發(fā)光單元產(chǎn)生的光透過導(dǎo)光板傳導(dǎo)使導(dǎo)光板整體發(fā)光。
5.如權(quán)利要求4所述的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器，其特征在于，所述發(fā)光裝置還包括支架，所述支架用于固定支撐所述導(dǎo)光板，所述支架與所述反應(yīng)容器和/或所述蓋板可拆卸地連接，所述發(fā)光單元嵌于所述導(dǎo)光板；和/或 所述發(fā)光裝置工作時(shí)發(fā)射至少2個(gè)不同波長的光；和/或 所述發(fā)光單元發(fā)出的復(fù)合光的色溫為1000-20000K，較佳地1500-6000K ;和/或 所述發(fā)光裝置中，發(fā)光單元為LED，且LED的數(shù)量為1-10000/導(dǎo)光板；較佳地為10-1000/導(dǎo)光板。
6.—種生產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備，其特征在于，它包括二個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器。
7.一種培養(yǎng)方法，其特征在于，包括步驟: (a)提供權(quán)利要求1所述的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器； (b)在所述內(nèi)置光源生物反應(yīng)器中培養(yǎng)微藻。
8.一種制備用于生產(chǎn)生物質(zhì)柴油的微藻的方法，其特征在于，包括步驟: (a)提供權(quán)利要求1所述的內(nèi)置光源生物反應(yīng)器； (b)在所述內(nèi)置光源生物反應(yīng)器中培養(yǎng)用于生產(chǎn)生物質(zhì)柴油的微藻， 其中，所述培養(yǎng)包括第一培養(yǎng)階段和第二培養(yǎng)階段，在微藻生長的第一階段，所述發(fā)光單元發(fā)出的光的波長為350-900nm，較佳地570-800及400-500nm ;在微藻生長的第二階段，所述發(fā)光單元發(fā)出的光的波長為350-900nm，較佳地600-800及400_480nm ； (c)從所述內(nèi)置光源生物反應(yīng)器回收所述微藻。
9.一種可用于生產(chǎn)生物質(zhì)柴油的微藻，其特征在于，所述的微藻是用權(quán)利要求8所述的方法制備的。
10.一種制備生物質(zhì)柴油的方法，其特征在于，包括步驟:將權(quán)利要求9所述的可用于生產(chǎn)生物質(zhì)柴油的微藻作 為原料進(jìn)行加工，從而制得生物質(zhì)柴油。
【文檔編號】C12M1/38GK104017726SQ201410309429
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】張玟籍, 陳輝 申請人:張玟籍, 陳輝