一種新型的多功能氣升式列管光生物反應器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微藻生物技術領域，涉及一種反應器主體及多功能氣升式列管光生物反應器。
【背景技術】
[0002]微藻富含蛋白質(zhì)、多糖、色素、多不飽和脂肪酸及多種維生素，同時微藻具有吸收N/P及積累油脂的能力。因此，微藻在食品、醫(yī)藥、飼料，餌料、環(huán)保及能源等諸多領域具有重要的應用價值。
[0003]光生物反應器是微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)和光誘導(即通過光照誘導藻細胞合成并積累有用物質(zhì)，如色素、蛋白質(zhì)等)及混合營養(yǎng)培養(yǎng)的核心裝置。目前，光生物反應器主要分為敞開式和封閉式兩種。敞開式光生物反應器主要指跑道池和圓池，它們是當前微藻規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)中應用最廣的培養(yǎng)系統(tǒng)。敞開式光生物反應器雖然具有建造容易、操作方便及運行成本低等優(yōu)點，但也存在許多缺點，如藻細胞密度及產(chǎn)率低、培養(yǎng)條件不易控制、容易受;原生動物等污染等。
[0004]與敞開式光生物反應器相比，封閉式光生物反應器具有藻細胞培養(yǎng)密度及產(chǎn)量高、藻細胞品質(zhì)穩(wěn)定、培養(yǎng)條件易于控制及不易受原生動物污染等優(yōu)點。因此，封閉式光生物反應器在微藻高密度高效率培養(yǎng)(如藻種培養(yǎng)等)、微藻高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)等方面具有廣闊的應用前景。近年來能源微藻的規(guī)模化培養(yǎng)需要大量藻種，而傳統(tǒng)大池逐級擴培方式存在著周期長、易于受污染(可導致擴培失敗)等問題，因而，采用封閉式光生物反應器作為能源微藻(不可異養(yǎng)培養(yǎng)或異養(yǎng)生長速率極慢的藻種)的種子擴培裝置，可大幅度降低能源微藻種子擴培失敗的風險，同時縮短種子擴培周期，提高能源微藻培養(yǎng)效率。
[0005]目前，封閉式光生物反應器主要有平板式、柱式及管式三種類型。當前，應用最廣的封閉式光生物反應器為管式光生物反應器。與其他類型的封閉光生物反應器相比，管式光生物反應器存在著光照比表面積大、制作工藝相對成熟與簡單、工程放大相對容易等優(yōu)勢。因此，目前國內(nèi)外不少微藻企業(yè)或研究機構(gòu)均采用管式光生物反應器培養(yǎng)微藻，如在德國的沃爾夫斯堡建成了規(guī)?；墓苁椒磻?，用于生產(chǎn)小球藻，以色列的Algatech公司采用管式反應器生產(chǎn)雨生紅球藻(光自養(yǎng)培養(yǎng)雨生紅球藻的綠色細胞、光誘導雨生紅球藻積累蝦青素)、中國的云彩金可公司也采用管式光生物反應器生產(chǎn)雨生紅球藻。平板光生物反應器雖然具有光照比表面積大、光程短、氧解析容易等優(yōu)點，但是存在著反應器內(nèi)死角較多、工程制作難度大、長度方向放大困難等缺點，目前較少應用在微藻規(guī)?；囵B(yǎng)中。柱式光生物反應器相比管式光生物反應器，具有混合均勻，氧解析容易、制作簡單等優(yōu)點，但其工程放大存在較大難度，無論是在高度還是徑向方向放大都比較困難。因此，目前柱式光生物反應器也很少在微藻大規(guī)模中被采用。
[0006]雖然管式光生物反應器在微藻規(guī)?；囵B(yǎng)中被廣泛應用，但其還是存在著混合能力差、氧解析難、溫度難以控制、內(nèi)壁清洗及維護困難等諸多問題。
[0007]國內(nèi)外對柱式和管式光生物反應器進行不斷研究與改進，目前相關方面的研究及專利如下:
[0008]1)石悅等開發(fā)了“一種微藻培養(yǎng)簡易柱式反應器”(CN101760429A)，其特點在于采用由多個三通組合形成樹枝狀的通氣裝置，使得反應器內(nèi)通氣分布均勻，提高了藻液的混合效果。
[0009]2)孟振等提出了 “一種用于餌料微藻培養(yǎng)的圓柱式光生物反應器”(CN203462044U)，將熒光燈置于有機玻璃管套中，然后將其放置在柱式反應器的中央?yún)^(qū)域，形成內(nèi)光源式的柱式反應器，顯著地提高了光能利用率。
[0010]3) Suh等報道了一種雙層的柱式光生物反應器，夕卜層直徑7.5cm,內(nèi)層直徑5.1cm。內(nèi)層圓柱用來培養(yǎng)雨生紅球藻細胞，內(nèi)層和外層之間形成的夾套用于雨生紅球藻的光誘導，積累蝦青素。該裝置利用了雨生紅球藻需要強光誘導，低光生長的特性，充分提高了雨生紅球藻對光的利用效率(In Soo Suh, Hyun-Na Joo, Choul-Gyun Lee.A noveldouble-layered photob1reactor for simultaneous Haematococcus pluvialis cellgrowth and astaxanthin accumulat1n.Journal of B1technology, 2006, 125(4):540-546)。
[0011]4)美國的綠色燃料技術公司(Greenfuel Technologies Corporat1n)開發(fā)了一種三角形的管式光生物反應器，采用雙分布器技術增加了管道中藻液在光照方向的混合，并輔助開發(fā)了計算機自動控制系統(tǒng)以控制整個微藻培養(yǎng)過程(Isaac Berzin, Xiaoxinffu.Phototb1reactor and process for b1mass product1n and mitigat1n ofpollutants in flue gases.W02007/011343 Al)。
[0012]5)馬欣欣等提出了一種“光生物反應器”(CN101597567A)，其是由透明緩沖罐、管道、蠕動泵及檢測系統(tǒng)(pH、溶氧)等組成的管式光生物反應器。與一般傳統(tǒng)的管式光生物反應器相比，該裝置的緩沖罐為透明材料制成，增加了培養(yǎng)系統(tǒng)的受光面積；其次，該裝置采用蠕動泵輸送藻液，降低了對藻細胞的剪切傷害。
[0013]6)石悅等開發(fā)了一種“微藻培養(yǎng)的光生物反應器”(CN101748054A)，是一種結(jié)構(gòu)簡單，容易拆裝清洗的環(huán)形管狀的光生物反應器，通過底部通氣形成藻液的混合及循環(huán)流動，且底部為U型彎管，降低了反應器內(nèi)的死區(qū)比例。
[0014]7)梁文偉等提出了 “一種系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應器”(CN101654653)，其是由管道組、閥門、貯藏液罐及控制系統(tǒng)組成的管式光生物反應器。與一般的管式反應器相t匕，該裝置的主要特點在于貯藏液罐位于管道組的上方，依靠泵和重力雙重作用力促使藻液在管道中流動，降低了對泵的要求(如壓頭)。此外，采用了溫度、光照、pH等多種檢測裝置并結(jié)合控制系統(tǒng)對培養(yǎng)條件進行自動控制，實現(xiàn)最佳的培養(yǎng)條件并降低了勞動強度。
[0015]8)叢威等提出一種“管式光生物反應器、培養(yǎng)微藻細胞的系統(tǒng)和方法”(CN102134553A)，開發(fā)了一種含內(nèi)置螺旋形擋板的管式光生物反應器，可以促進了藻液的氧解析和C02吸收，并提高了藻液在徑向方向的混合及藻細胞的光暗循環(huán)頻率。
[0016]9)MUeller-ReeS等提出了一種將管道繞成圓錐形的管式光生物反應器，與一般的管式反應器相比，提高了單位占地面積上管道的長度，因而可以顯著地提高單位面積的藻細胞產(chǎn)率。(Tubular photob1reactor, US 8586344B2)
[0017]上述研究者設計或開發(fā)了的柱式或管式光生物反應器，在一定程度上對微藻培養(yǎng)系統(tǒng)進行了改進或優(yōu)化，提高了藻細胞的生長速率和產(chǎn)率，或在工程操作、條件控制等方面實現(xiàn)了改進。但是上述各研究者提出的光生物反應器，還沒有完全解決柱式和管式光生物反應器存在著的主要問題。目前，柱式光生物反應器存在的主要問題是放大困難，在高度方向或徑向方向放大均不太容易現(xiàn)實。在高度方向放大會增加材料的強度要求，并造成柱式反應器之間擋光嚴重及操作困難；在徑向方向放大，會顯著增加反應器內(nèi)的暗區(qū)比例，造成藻細胞生長效率降低。因此，只能增加單個柱式反應器的數(shù)量，實現(xiàn)規(guī)?；囵B(yǎng)系統(tǒng)，但這樣造成投資成本高，且在接種、采收、條件控制等操作方面存在著諸多不便。而對于管式光生物反應器，目前主要從增加管道長度角度進行放大，這容易造成溶氧解析困難，對藻細胞生長產(chǎn)生氧抑制并降低了光合效率；此外，通常具有一定規(guī)模的管式光生物反應器，采用泵對藻液進行輸送，而泵或多或少地會對藻細胞存在著一定的剪切傷害，包括剪切力較小的隔膜泵或蠕動泵。因此，采用泵對藻液進行混合及輸送會造成對藻細胞的傷害，降低藻細胞的培養(yǎng)密度及產(chǎn)量。雖然小規(guī)模的管式光生物反應器可以采用氣升式系統(tǒng)對藻液進行輸送，降低對藻細胞的傷害，但氣升式系統(tǒng)難以應用于具有一定規(guī)模的管式光生物反應器(管道較長，流體阻力較大，氣升作用難以使得藻液在管道中保持一定的流速)。同時，管式光生物反應器較長時，難以對管道內(nèi)壁進行有效清洗，容易造成清洗不干凈，不僅擋光而且會增加敵害生物污染的機率。此外，管式光生物反應器管徑較小，光照比表面積大，容易積累熱量，造成溫度控制困難。因此，本領域仍然需要一種混合效果好、氣液傳質(zhì)系數(shù)高、比光照面積大、對藻細胞剪切傷害低、在工程上容易放大且操作方便的光生物反應器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明以提高氣液傳質(zhì)系數(shù)、增強微藻的C02吸收效率、降低培養(yǎng)液中02積累對藻細胞生長的不利影響，避免傳統(tǒng)規(guī)?；苁焦馍锓磻髦休斔捅脤υ寮毎a(chǎn)生剪切傷害等為目的，同時從光生物反應器的工程放大、方便運行及操作等角度考慮，設計了本發(fā)明所述的一種新型、多功能氣升式列管光生物反應器，采用該光生物反應器不僅可以實現(xiàn)微藻的高效率、高密度及規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)，光誘導培養(yǎng)及混合營養(yǎng)培養(yǎng)，而且可以實現(xiàn)光合細菌的高密度及高效率培養(yǎng)，同時可以實現(xiàn)微藻固碳及污水處理。
[0019]具體而言，本發(fā)明提供一種光生物反應器主體(反應裝置)，所述反應裝置含有2根以上并列放置的透明的垂直管道，和分別與所述垂直管道的頂部和底部連通的連接管或連接槽。
[0020]本發(fā)明還提供一種光生物反應器，所述光生物反應器含有所述反應器主體、通氣系統(tǒng)、以及任選的參數(shù)檢測與控制系統(tǒng)。
[0021]在一個具體實施例中，所述反應器主體是透明的，由多個垂直管道在底部及頂部通過連接管(槽)形成一個整體。所述反應器的主體的單個長度為1?1000m,高度為0.1?5m,寬度為 l-200cm。
[0022]在一個具體實施例中，所述垂直管道的直徑為1?100cm