一种夹层浸润式半拱形固定化微藻膜反应器及其使用方法与流程

本发明涉及微藻培养及生物反应器，具体为一种夹层浸润式半拱形固定化微藻膜反应器及其使用方法。

背景技术：

1、微藻是一类能够利用光能和无机碳合成蛋白质、脂质、多糖、色素及多不饱和脂肪酸等多种产物的光合微生物，微藻规模化培养通常采用开放式跑道池、圆形池、管式光生物反应器、板式光生物反应器以及多种薄层培养装置，微藻细胞附着在滤布、酯纤维、海绵、膜材料或其他载体表面，形成微藻生物膜，再通过喷雾、滴灌、灌流、间歇浸没或载体旋转等方式向藻膜供应水分和营养盐，固定化培养可以减少培养液总体积，提高细胞局部密度，采收时可通过刮取、冲洗或载体整体取出等方式获得较高浓度的藻生物质。

2、但是，现有固定化培养仍存在以下主要问题：

3、其一，采用培养液从载体外表面自上而下流动或喷淋供液时，液流会直接冲刷微藻膜，尤其在接种和结膜初期，藻细胞与载体结合力弱，过大的剪切力容易造成细胞脱落，导致成膜周期延长和接种损失。

4、其二，表面流淌式或外表面供液容易形成明显的上下游差异，顶部或布液起始区域受到水流冲刷较强、藻膜较薄，下游区域营养液汇集、滞留时间较长、藻膜较厚，导致受光和营养供给不均匀，造成单位载体面积产率受限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种夹层浸润式半拱形固定化微藻膜反应器及其使用方法，以解决上述背景技术中提出的现有悬浮培养用水量大、藻液密度低、采收成本高，以及现有固定化培养中表面水流冲刷强、初期结膜困难、藻膜厚度分布不均、水蒸发损失大和旋转载体易脱膜的问题，通过本方案使培养液不直接强冲刷藻膜外表面，降低剪切脱落、改善膜厚均匀性、减少蒸发与水耗，提高固定化微藻膜单位面积产率。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种夹层浸润式半拱形固定化微藻膜反应器，包括支撑底架、半拱形培养主体、液体分布器、布液口、漏斗型液体收集槽、底部排液口、循环泵和回流管；

3、所述半拱形培养主体固定设置于所述支撑底架上方，所述半拱形培养主体包括位于外侧的固定化载体材料、位于内侧的带孔不锈钢支撑结构以及设置在所述固定化载体材料与所述带孔不锈钢支撑结构之间的夹层流道；

4、所述反应器整体为轴对称的半拱形结构，底部为圆形的支承区域，顶部设有顶部圆形平层结构，所述顶部圆形平层结构的直径小于底部圆形结构直径，优选为底部圆形结构直径的1/5至1/10，所述顶部圆形平层结构与底部圆形支承区域之间由缓坡弧形曲面连接，形成微藻固定化培养的主要受光面；

5、所述固定化载体材料设置在所述半拱形培养主体的缓坡弧形曲面的外侧，用于附着微藻细胞并形成微藻膜，所述固定化载体材料选自尼龙布、麻布、棉布、无纺布、滤布、聚酯纤维布、聚丙烯纤维布、海绵薄层、纤维毡、改性亲水织物中的一种或多种，所述固定化载体材料优选具有粗糙表面、良好保水性和一定透水性，以利于微藻细胞附着、营养盐渗透和后续采收，所述固定化载体材料通过压条、卡扣、扎带、边缘夹持件、可拆卸环形压框或耐腐蚀胶粘方式固定于所述带孔不锈钢支撑结构的外侧。

6、进一步地，所述固定化载体材料采用复合载体结构，所述复合载体结构包括由外至内依次设置的外侧微藻附着层、中间保水毛细层和内侧导液接触层，所述外侧微藻附着层提供粗糙表面，用于提供微藻细胞附着表面，所述内侧导液接触层与所述夹层流道接触，所述中间保水毛细层用于缓冲培养液供应波动并减少微藻膜局部干燥。

7、进一步地，所述带孔不锈钢支撑结构设置在所述固定化载体材料的内侧，用于支撑所述固定化载体材料并维持半拱形结构，所述带孔不锈钢支撑结构为薄壁结构，为带孔不锈钢板、不锈钢网板、不锈钢冲孔板或不锈钢丝网复合板，所述带孔不锈钢支撑结构的厚度优选为0.3mm至5mm，更优选为0.5mm至2mm，孔径优选为0.2mm至10mm，更优选为0.5mm至5mm，开孔率优选为5%至50%，更优选为10%至30%，所述带孔不锈钢支撑结构上的孔洞不仅允许培养液在流量较大时局部漏入所述漏斗型液体收集槽，也允许空气在反应器内外交换，有利于降低局部湿热积累、促进氧气逸散和维持微藻膜表面的气体更新。

8、进一步地，所述固定化载体材料与所述带孔不锈钢支撑结构之间限定出所述夹层流道，培养液进入所述夹层流道后沿半拱形弧面自上而下缓慢流动，并通过所述固定化载体材料的背面向外侧微藻膜供应水分和营养盐，所述夹层流道的间距优选为0.2mm至20mm，更优选为1mm至8mm。

9、进一步地，所述夹层流道内设置导液网、毛细导液层、间隔凸点、微沟槽、亲水纤维层或分区阻流件中的一种或多种，以防止培养液形成局部沟流，使培养液沿弧形曲面均匀分布，并降低对所述固定化载体材料外表面微藻膜的剪切冲刷，所述夹层流道沿径向或圆周方向分区，每个分区对应一个或多个布液口，以便调节不同区域的润湿强度。

10、进一步地，所述顶部圆形平层结构上设置所述液体分布器，所述液体分布器可以为环形分布管、圆形盘式分布器、带孔环管、径向分支管或环形槽式分布器，所述液体分布器上设置若干布液口，所述布液口为小孔、短管、狭缝、滴头或微孔布液件，多个所述布液口沿所述顶部圆形平层结构的圆周方向均匀布置，使培养液能够均匀进入全周或分区的夹层流道。

11、进一步地，所述漏斗型液体收集槽设置在所述半拱形培养主体的下方，用于收集从整个半拱形弧面下流的培养液以及经所述带孔不锈钢支撑结构漏下的培养液，所述漏斗型液体收集槽的上缘对应所述半拱形培养主体的底部圆形区域，其底部由周缘向中央逐渐收缩至所述底部排液口，所述底部排液口经管路与所述循环泵连接，所述循环泵的出口通过所述回流管与所述顶部液体分布器或所述布液口连接，从而形成培养液闭路循环。

12、进一步地，所述反应器还包括 ph 传感器、温度传感器、液位传感器、电导率传感器、溶解氧传感器、营养盐传感器、载体表面湿度传感器或控制器中的一种或多种，所述 ph传感器、电导率传感器、溶解氧传感器和营养盐传感器优选设置在漏斗型液体收集槽、底部排液口前端、循环泵入口管路、循环泵出口管路、回流管或靠近液体分布器的进液管路处，用于监测回收培养液或即将进入夹层流道的培养液的 ph、盐度、溶解氧和营养盐状态，其中，当所述反应器还包括所述控制器时，所述控制器与所述循环泵连接，用于根据检测信号调节所述循环泵的启停、流量或脉冲供液周期。

13、进一步地，所述反应器还包括刮取件、柔性刮片、反向冲洗管路、载体拆卸件或载体压紧件中的一种或多种，用于在固定化微藻膜达到目标厚度或目标生物量后采收微藻，并在采收后保留部分残余藻膜作为下一轮培养的种膜。

14、本发明还提供一种夹层浸润式半拱形固定化微藻膜反应器的微藻培养方法，包括如下步骤：

15、s1，将所述固定化载体材料安装于所述带孔不锈钢支撑结构的外侧，并在所述固定化载体材料与所述带孔不锈钢支撑结构之间形成所述夹层流道；

16、s2，将培养液加入所述漏斗型液体收集槽或配套储液容器中；

17、s3，启动所述循环泵，使培养液经所述回流管进入所述顶部液体分布器，并由所述布液口进入所述夹层流道；

18、s4，将微藻种子液接种于所述固定化载体材料外表面，或通过所述夹层流道进行背侧浸润方式使微藻细胞附着于所述固定化载体材料；

19、s5，在结膜初期采用低流量或间歇式夹层浸润供液，在生长期采用连续或脉冲式夹层浸润供液，使微藻在所述固定化载体材料表面形成固定化微藻膜；

20、s6，当固定化微藻膜达到目标厚度或目标生物量后，采用刮取、柔性刮片、提高供液流量冲洗、反向冲洗或拆卸所述固定化载体材料的方式采收微藻。

21、进一步地，在结膜初期，培养液供液强度可以低于生长期供液强度，以减少微藻细胞脱落，在微藻膜稳定形成后，适当提高所述循环泵流量以增强营养供应。

22、进一步地，在采收期，短时间提高所述循环泵流量，或采用反向冲洗使部分微藻膜脱落进入所述漏斗型液体收集槽和所述底部排液口。采收时可以保留5%至30%的残留藻膜作为下一轮培养的种膜。

23、进一步地，培养液循环系统可根据ph值、温度、液位、电导率、溶解氧、营养盐浓度或载体表面湿度信号进行反馈控制，对于小球藻、栅藻等绿藻，培养液ph可控制在6.0至8.5；对于螺旋藻，培养液ph可控制在8.5至11.0。

24、进一步地，培养液可以为bg11培养基、z氏培养基、f/2培养基、sm培养基、d1培养基、养殖尾水、农业废水、食品加工废水、生活污水二级出水或经营养盐调配的工业废水。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、培养液在固定化载体材料与带孔不锈钢支撑结构之间的夹层流道中沿半拱形弧面自上而下流动、从背面浸润外侧微藻膜，不直接强冲刷外表面藻膜，既有利于接种初期微藻细胞的附着与均匀结膜，又能显著降低藻膜所受剪切力及因重力造成的滑脱，半拱形缓坡构型相比倒v形陡坡贴壁结构具有更平缓的液体下行路径，可抑制局部冲刷带并改善藻膜厚度分布均匀性，夹层浸润与背面供液大幅减少培养液外露面积，从而降低蒸发损失与盐分浓缩风险，且固定化培养显著缩减培养液总体积、提高单位体积生物量负荷，减少后续采收处理水量，漏斗型液体收集槽与循环泵、回流管构成闭路循环，能够回收未被藻类利用的培养液与营养盐，降低营养盐流失，带孔不锈钢支撑结构兼具支撑、透液、透气与散热功能，既可在流量较大时局部泄流防止夹层积水，又使反应器内外空气连通、促进气体更新与散热，从而有利于固定化微藻膜的长期稳定生长并提高单位载体面积的微藻产率。