多級(jí)勢(shì)能級(jí)差驅(qū)動(dòng)微藻培養(yǎng)專(zhuān)用光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物工程領(lǐng)域的光生物反應(yīng)器，特別是指一種多級(jí)勢(shì)能級(jí)差驅(qū)動(dòng)微藻培養(yǎng)專(zhuān)用光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]微藻是一類(lèi)廣泛分布在陸地和海洋中的低等單細(xì)胞植物。微藻通過(guò)光合作用提供能量，吸收二氧化碳，代謝產(chǎn)生油脂、蛋白質(zhì)、多糖及多種有價(jià)值的次生代謝產(chǎn)物，同時(shí)釋放出氧氣。微藻的光合效率要顯著高于陸生植物，同時(shí)具有很高的固碳效率和生長(zhǎng)速率。微藻的種類(lèi)非常豐富，生長(zhǎng)環(huán)境差異較大，因此，其多樣性的組成及基因?qū)τ诓煌膽?yīng)用提供了豐富的篩選原料。此外，微藻作為單細(xì)胞植物，生長(zhǎng)期短，結(jié)構(gòu)較高等植物簡(jiǎn)單，適合進(jìn)行生物工程改造，有利于大規(guī)模、集約化培養(yǎng)。
[0003]近200年來(lái)，人類(lèi)依賴(lài)石化的工業(yè)活動(dòng)使得大氣中0)2濃度增加了約1/3，其溫室效應(yīng)所導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題已成為共識(shí)。ccy咸排成為各國(guó)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中必須履行的義務(wù)與責(zé)任。目前，傳統(tǒng)0)2減排主要采用物理或化學(xué)方法，其缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜昂貴、能耗高且不易實(shí)質(zhì)性固定碳素。生物方法是近年來(lái)人們重視并投入研發(fā)的有效固碳途徑。與造林固碳相比，微藻固碳具有效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、副產(chǎn)物可利用度高等特點(diǎn)，所需的光生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)機(jī)械固碳相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尤其適于點(diǎn)排放源，如煙道氣中0)2的減排。
[0004]以石油為代表的不可再生資源的減少造成能源短缺，致使經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)減緩甚至衰退。各國(guó)均在開(kāi)發(fā)可再生能源，尤其是清潔能源，以減少對(duì)石化能源的過(guò)度依賴(lài)。目前，可再生能源主要是生物乙醇和生物柴油。生物乙醇的發(fā)展已具有一定規(guī)模，尤其是利用非糧作物為碳源生產(chǎn)乙醇具有廣闊的發(fā)展前景，但在低成本生產(chǎn)技術(shù)方面一直難以有重大突破。近年來(lái)，生物柴油作為石化能源的替代品，已成為國(guó)際上發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的環(huán)?？稍偕茉矗萍s其大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題是原料嚴(yán)重不足。而微藻通過(guò)光自養(yǎng)生長(zhǎng)合成的油脂被認(rèn)為是一種極有前景的制備生物柴油的原料。相比高等植物產(chǎn)油和餐飲廢油，微藻油脂的單一性和脂肪酸組成更適合生物柴油的制備。
[0005]目前，用于微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器主要有開(kāi)放式和封閉式。前者的主要代表是跑道池，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投入低、運(yùn)行成本低，已被廣泛用于實(shí)際生產(chǎn)中，但跑道池存在明顯缺點(diǎn)，如易污染、光能利用度低、可控性差等，因此只適用于有限的藻種(如螺旋藻、鹽藻)。封閉式光生物反應(yīng)器主要有柱式、管道式、平板式和懸袋式，均為與外界隔絕的透明材料制成，其優(yōu)勢(shì)為培養(yǎng)條件可控性強(qiáng)、不易污染、光利用效率高，因而，尤其適用于高附加值的藻種培養(yǎng)，但是前期投入成本較高。
[0006]目前，封閉式光生物反應(yīng)器多采用間歇式生產(chǎn)，微藻比生長(zhǎng)速率低，而且每次接種均須清洗消毒設(shè)備，生產(chǎn)效率較低。某些采用外循環(huán)柱式光生物反應(yīng)器可以進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，但由于依靠水泵提供循環(huán)動(dòng)力，造成能耗高，生產(chǎn)成本高。此外，封閉式光生物反應(yīng)器多采用單一的光強(qiáng)和通氣速率，無(wú)法根據(jù)微藻生長(zhǎng)狀況提供最適的條件。
[0007]因此，采用封閉式光生物反應(yīng)器進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)，可進(jìn)行連續(xù)式培養(yǎng)，大大提高生產(chǎn)效率；光和0)2利用度高；降低能耗，減少操作步驟；能夠?qū)ιL(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，提供最優(yōu)的培養(yǎng)條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種利用多級(jí)勢(shì)能差為主、輔助外部泵動(dòng)力作為循環(huán)動(dòng)力，以外部循環(huán)作為主要方式的多級(jí)勢(shì)能級(jí)差驅(qū)動(dòng)微藻培養(yǎng)專(zhuān)用光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明的整體技術(shù)構(gòu)思是:
[0010]多級(jí)勢(shì)能級(jí)差驅(qū)動(dòng)微藻培養(yǎng)專(zhuān)用光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，包括光反應(yīng)器、進(jìn)氣裝置以及循環(huán)動(dòng)力源，光反應(yīng)器上開(kāi)設(shè)有進(jìn)氣口、排氣口、進(jìn)液口及出料口 ；系統(tǒng)中包括:
[0011]A、光反應(yīng)器包括縱向設(shè)置且間隔分布、自首至尾由高向低依次排列的柱式反應(yīng)器，柱式反應(yīng)器側(cè)壁為透光結(jié)構(gòu)且其外側(cè)設(shè)置光源；
[0012]B、直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)柱式反應(yīng)器縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)；
[0013]C、進(jìn)出液料管路連接于相鄰的柱式反應(yīng)器出料口及進(jìn)液口之間；
[0014]D、泵送裝置通過(guò)管路分別與位于首位且處于高位的柱式反應(yīng)器的進(jìn)液口、位于末端且處于低位的柱式反應(yīng)器的出料口連通。
[0015]本發(fā)明的外循環(huán)動(dòng)力主要包括兩個(gè)來(lái)源，一是由多級(jí)柱式反應(yīng)器之間所形成的勢(shì)能差；二是由泵送裝置中的泵(優(yōu)選采用蠕動(dòng)泵)?？紤]到光源照射的需求，柱式反應(yīng)器采用透光結(jié)構(gòu)，更為優(yōu)選的是采用透明結(jié)構(gòu)的材質(zhì)，包括但不局限于玻璃、有機(jī)玻璃以及透明的高分子材料或其它合成材料等現(xiàn)有材料等，均不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。
[0016]本發(fā)明的具體技術(shù)構(gòu)思還有:
[0017]各級(jí)柱式反應(yīng)器之間勢(shì)能差的形成和控制可以通過(guò)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，也可以通過(guò)聯(lián)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、節(jié)約成本投入，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)各級(jí)柱式反應(yīng)器之間勢(shì)能差的均勻分布以利于反應(yīng)的均衡持續(xù)進(jìn)行，優(yōu)選的實(shí)施方式是:所述的各柱式反應(yīng)器之間側(cè)壁通過(guò)連桿連接并形成聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，連桿的一端設(shè)置有縱向設(shè)置、且驅(qū)動(dòng)其縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
[0018]為便于連桿及直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)置以利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，更為優(yōu)選的實(shí)施方式是:連桿的兩端分別與設(shè)于柱式反應(yīng)器外側(cè)的支架連接，其一端由設(shè)于一側(cè)支架上的直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。可以顯而易見(jiàn)的是，連桿與柱式反應(yīng)器的側(cè)壁以及連桿與支架之間的裝配應(yīng)采用包括但不局限于轉(zhuǎn)動(dòng)配合等活絡(luò)配合的方式。
[0019]直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以采用多種現(xiàn)有機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，并不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。其中包括但不局限于采用如下形式:直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)、鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、平行四邊形機(jī)構(gòu)、絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)、液壓缸機(jī)構(gòu)、直線電機(jī)機(jī)構(gòu)中的一種或其結(jié)合。
[0020]為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)利用勢(shì)能差作為循環(huán)動(dòng)力來(lái)源之一實(shí)現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng)和外循環(huán)的目的，優(yōu)選的實(shí)施方式是，進(jìn)出液料管路連接于相鄰且位于高位的柱式反應(yīng)器出料口及位于低位的柱式反應(yīng)器進(jìn)液口之間。這樣培養(yǎng)液可以在勢(shì)能差和外部泵送裝置的驅(qū)動(dòng)下從位于高位的柱式反應(yīng)器流向位于低位的柱式反應(yīng)器，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng)的目的。
[0021]為保證微藻在培養(yǎng)條件下對(duì)光照的需求，柱式反應(yīng)器需配備外部光源，如自然光等其他發(fā)光源，光的顏色按照培養(yǎng)的藻類(lèi)生長(zhǎng)所需而定，優(yōu)選的實(shí)施方式是，光源選用高亮度LED光源，可以顯而易見(jiàn)的是，為保證光照的效果，上述光源優(yōu)選應(yīng)對(duì)稱(chēng)置于柱式反應(yīng)器的外側(cè)。
[0022]為滿足連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中所需氣體供應(yīng)條件，優(yōu)選的實(shí)施方式是，進(jìn)氣裝置包括通過(guò)管路與柱式反應(yīng)器相連的冷卻器、氣體混合器與分配器，其中冷卻器可以選用壓縮機(jī)冷卻器，或者選用半導(dǎo)體冷卻器。
[0023]為滿足將輸入進(jìn)氣口的混合氣體的氣泡細(xì)化，提高溶解效率。優(yōu)選的實(shí)施方式是，所述的進(jìn)氣口內(nèi)設(shè)有氣體分散器，其中氣體分散器優(yōu)選采用配有燒結(jié)陶瓷的氣體分散器。
[0024]需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，為更好的優(yōu)化本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案是，還包括一接種、補(bǔ)液和收獲裝置，其中接種裝置經(jīng)管路與柱式反應(yīng)器的進(jìn)液口連通；補(bǔ)液裝置經(jīng)進(jìn)樣泵與柱式反應(yīng)器的進(jìn)液口連通；收獲裝置通過(guò)管路與柱式反應(yīng)器的出料口連通。其中接種可通過(guò)配有紫外滅菌的操作小室進(jìn)行。新鮮滅菌培養(yǎng)液通過(guò)管道接入補(bǔ)液裝置，并配有進(jìn)樣泵。收獲系統(tǒng)分為連續(xù)式和間歇式，連續(xù)式培養(yǎng)時(shí)根據(jù)微藻生長(zhǎng)速度，收集一定量藻液，并補(bǔ)充相同量的新鮮培養(yǎng)液；間歇式培養(yǎng)時(shí)，培養(yǎng)結(jié)束后，關(guān)閉循環(huán)系統(tǒng)管路，打開(kāi)每個(gè)反應(yīng)器下面的放液閥，每個(gè)反應(yīng)器中的藻液經(jīng)過(guò)單獨(dú)的管路由收獲系統(tǒng)排出。接種、補(bǔ)液和收獲等三套裝置有獨(dú)立的管路，所需的泵，優(yōu)選為蠕動(dòng)泵，可以集成在里面也可以外置，需要時(shí)將液體抽出或泵入。
[0025]為便于實(shí)現(xiàn)對(duì)于系統(tǒng)整體的自動(dòng)控制，優(yōu)選的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是，還包括一套控制裝置，所述的柱式反應(yīng)器上分別設(shè)有在線pH、溶解氧和溫度傳感器，柱式反應(yīng)器的排氣口內(nèi)設(shè)有CO2濃度傳感器，與柱式反應(yīng)器的出液口相連的管路中設(shè)置有吸光度傳感器，其中吸光度檢測(cè)器優(yōu)選為在線檢測(cè)裝置，無(wú)需取樣；上述在線pH、溶解氧和溫度傳感器，CO2濃度傳感器及吸光度傳感器與控制裝置連接。
[0026]上述控制中pH值和吸光值與微藻生長(zhǎng)狀態(tài)和密度有關(guān)，可決定收獲量及補(bǔ)液量；溶解氧DO值和吸光值反映光合作用強(qiáng)度和藻液透光率，可決定光強(qiáng)和CO2濃度；溫度通過(guò)冷卻氣體的通氣速率和循環(huán)流速調(diào)節(jié)；排氣0)2濃度與藻液吸收CO 2效率有關(guān)，可由通氣速率和通氣CO2濃度調(diào)節(jié)。信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，控制通氣速率、CO2濃度、補(bǔ)液和光強(qiáng)?；旌蠚怏w經(jīng)過(guò)冷卻后進(jìn)入柱式反應(yīng)器，因此通氣速率可調(diào)節(jié)反應(yīng)液溫度；0)2濃度是靠空氣與CO2氣源的配比調(diào)節(jié)。吸光度與細(xì)胞濃度存在數(shù)學(xué)關(guān)系可通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定，吸光度可以反映細(xì)胞濃度和培養(yǎng)液的透光率，用以確定LED光源的光強(qiáng)補(bǔ)償。
[0027]本發(fā)明所取得的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的技術(shù)進(jìn)步在于:
[0028]1、本發(fā)明利用勢(shì)能級(jí)差提供外循環(huán)動(dòng)力，混合均勻，效率高，且可獨(dú)立運(yùn)行或者串聯(lián)運(yùn)行。
[0029]2、每組反應(yīng)器只需要一個(gè)動(dòng)力泵，節(jié)省能源消耗和設(shè)備投資。
[0030]3、采用連桿聯(lián)動(dòng)配合直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為形成柱式反應(yīng)器連續(xù)勢(shì)能級(jí)差的主要方式，其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單方便，容易實(shí)現(xiàn)。
[0031]4、該光生物反應(yīng)器系統(tǒng)適于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)物的微藻，與傳統(tǒng)封閉式反應(yīng)器相比，可以顯著提高生長(zhǎng)速率、能夠控溫、培養(yǎng)環(huán)境清潔、自動(dòng)化程度高、可間歇也可連續(xù)生產(chǎn)，而且最大程度減低能耗，較好的實(shí)現(xiàn)了低成本的高密度培養(yǎng)。
[0032]5、該設(shè)備給微藻養(yǎng)殖提供了多元化的解決方案，不僅可以獨(dú)立培養(yǎng)，而且可以串聯(lián)培養(yǎng)，以及獨(dú)立-串聯(lián)交替式的培養(yǎng)。其中獨(dú)立-串聯(lián)的方式可以將種子液培養(yǎng)-擴(kuò)大培養(yǎng)的過(guò)程結(jié)合起來(lái)，提升了培養(yǎng)效率。
[0033]6、采用半導(dǎo)體冷卻器預(yù)冷氣體，然后依靠低溫氣體使藻液降溫，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且效率尚O
[0034]7、采用程控LED光源，壽命長(zhǎng)，能耗低，光強(qiáng)可控。
【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖2是本發(fā)明的控制原理圖。
[0037]圖3是利用本發(fā)明中的系統(tǒng)培養(yǎng)培養(yǎng)微擬球藻的細(xì)胞密度變化示意圖。
[0038]圖4是利用本發(fā)明中的系統(tǒng)培養(yǎng)培養(yǎng)微擬球藻的生物量密度變化示意圖。
[0039]圖5是利用本發(fā)明中的系統(tǒng)培養(yǎng)培養(yǎng)小球藻的細(xì)胞密度變化示意圖。
[0040]圖6是利用本發(fā)明中的系統(tǒng)培養(yǎng)培養(yǎng)小球藻的生物量密度變化示意圖。
[004