一种用于微藻培养的多层浅液层光生物反应器的制作方法

1.本技术涉及微藻生物技术领域，尤其涉及一种用于微藻培养的多层浅液层光生物反应器。


背景技术：

2.微藻是含有叶绿素a可进行光合作用的原生生物，胞内通常含有蛋白质、油脂(尤其是多不饱和脂肪酸)、多糖、天然色素、维生素、抗氧化物等高附加值产物，在食品、饲料、化妆品等行业已有应用，同时在生物能源、污水处理(减污降碳)、生物塑料及生物肥料生产等碳中和领域具有潜在的应用前景。
3.目前已知的微藻种类超过2万多种，但实现产业化的寥寥无几。制约微藻产业的瓶颈是培养效率及其经济性。其中光生物反应器是微藻培养的重要基础，目前光生物反应器主要有开放式(跑道池、圆池等)和封闭式(列管式、水平管式、平板式、吊袋式等)两种。前者存在细胞密度及生产效率低、能耗高的问题，后者存在设备投入及运行成本高的缺点。光生物反应器的核心关键问题是解决光能的均匀分布。
4.浅液层培养由于提高了藻液的比表面积并降低了光衰减程度，提高了微藻对光能的可获得性，从而提高单位占地面积上的产率，是具有相当潜力的培养方式。但是存在的主要问题是：1)液层较薄，无法通过常规搅拌实现藻液充分混合，尤其是养殖面积大的情况下；2)co2的补给及均匀分布存在困难，常规co2鼓泡的方式只能实现局部供应，并且大部分直接溢出至大气。气体损失量大、利用率低；3)藻液ph不能稳定控制，相应地，面积增大光合作用增强，藻液ph单调上升，而目前尚无简单方法实现浅液层的ph的稳定维持；4)贴附细胞的采收和反应器清洗，目前仍然通过人工，在培养面积扩大的情况下，自动化程度较低，效率亟待提高。


技术实现要素：

5.本技术实施例的目的是提供一种用于微藻培养的多层浅液层光生物反应器，以解决相关技术中存在的大面积浅液层液体混合、氧气解析、co2溶解传递、沉降及贴附细胞采收及反应器清洗等问题。
6.根据本技术实施例的第一方面，提供一种用于微藻培养的多层浅液层光生物反应器，包括：
7.支撑框架，所述支撑框架为若干层的支架；
8.若干层用于设置培养液的单元水槽，每层所述单元水槽设置在所述支撑框架上，每层所述单元水槽的侧边均设置有硬管管路，各层的硬管管路相连通，每层的所述硬管管路下方设置有输送泵，上方连接有软管管路，中间连接有气体管路，所述软管管路与一喷淋射流装置连通，所述硬管管路与所述软管管路的连接处设置有第一阀门，所述硬管管路和所述气体管路的连接处设置有第二阀门，所述硬管管路与所述输送泵的连接处设置有第三阀门。
9.进一步地，所述单元水槽由透明材料制成，所述单元水槽高度为20mm～100mm，其中的培养液深度为5mm～15mm。
10.进一步地，相邻两层所述单元水槽之间的间距为200～300mm。
11.进一步地，所述连接管路的直径为2～20mm。
12.进一步地，所述喷淋射流装置通过手动或自动方式进行移动。
13.进一步地，所述喷淋射流装置通过直线往复电机及连杆实现自动方式的移动。
14.进一步地，还包括传感器模块及处理器，所述传感器模块包括液位传感器、ph电极、溶氧电极，所述ph电极与所述处理器组成ph-通气偶联系统，所述液位传感器与所述处理器组成液位传感器-补液偶联系统，分别用于自动化调节以使得所述培养液在预定的ph范围及浅液层的液位高度范围内，所述溶氧电极与所述处理器相连接以监测微藻培养的状态。
15.进一步地，所述硬管管路连接至藻液储存及后处理单元，所述藻液储存及后处理单元包括依次连接的微藻回收排出管路、微藻收集装置和微藻储存及后处理装置。
16.进一步地，所述喷淋射流装置的横杆的直径为5～20mm，其中的喷孔直径为0.5～5mm，两个喷孔间距不大于50mm。
17.进一步地，所述支撑框架的每一层上均设置有光源。
18.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
19.由上述实施例可知，1)利用输送泵形成藻液流动并形成喷淋射流可以方便地实现大面积浅液层藻液的混合，从而促进物质及能量的快速传递；2)射流扰动浅液层有利于藻液中光合放氧的快速解析和逸散；3)利用输送管路中的湍流实现co2的充分溶解和混合，后通过喷淋射流实现其在藻液中的扩散和均匀分布，一方面提高了对co2的捕集利用率，另一方面维持了藻液ph在近中性；4)冲刷培养槽底部贴附细胞有利于采收；5)可用于定期清洗培养单元水槽；6)各个水槽相对独立，通过上述附属装置，各个单元水槽之间又可以相互连通，便于藻液汇集和在各个水槽间分配。综上，反应器结构紧凑，各组件易于标准化，可自由组合，因此非常有利于规模化、工厂化、自动化应用。
20.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
21.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
22.图1是根据一示例性实施例示出的一种用于微藻培养的多层浅液层光生物反应器的局部效果图。
23.附图标记：
24.1、支撑框架；2、单元水槽；3、输送泵；4、硬管管路；5、第三阀门；6、气体管路；7、软管管路；8、喷淋射流装置；9、第一阀门；10、第二阀门。
具体实施方式
25.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及
附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。
26.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
27.应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
28.图1是根据一示例性实施例示出的一种用于微藻培养的多层浅液层光生物反应器的局部效果图，如图1所示，该多层浅液层光生物反应器可以包括支撑框架1和若干层用于设置培养液的单元水槽2，所述支撑框架1为若干层的支架；每层所述单元水槽2设置在所述支撑框架1上，每层所述单元水槽2的侧边均设置有硬管管路4，各层的硬管管路4相连通，每层的所述硬管管路4下方设置有输送泵3，上方连接有软管管路7，中间连接有气体管路6，所述软管管路7与一喷淋射流装置8连通，所述硬管管路4与所述软管管路7的连接处设置有第一阀门9，所述硬管管路4和所述气体管路6的连接处设置有第二阀门10，所述硬管管路4与所述输送泵3的连接处设置有第三阀门5。
29.由上述实施例可知，本技术1)利用输送泵3形成藻液流动并形成喷淋射流可以方便地实现大面积浅液层藻液的混合，从而促进物质及能量的快速传递；2)射流扰动浅液层有利于藻液中光合放氧的快速解析和逸散；3)利用输送管路中的湍流实现co2的充分溶解和混合，后通过喷淋射流实现其在藻液中的扩散和均匀分布，一方面提高了对co2的捕集利用率，另一方面维持了藻液ph在近中性；4)冲刷培养槽底部贴附细胞有利于采收；5)可用于定期清洗培养单元水槽2；6)各个水槽相对独立，通过上述附属装置，各个单元水槽2之间又可以相互连通，便于藻液汇集和在各个水槽间分配。综上，反应器结构紧凑，各组件易于标准化，可自由组合，因此非常有利于规模化、工厂化、自动化应用。
30.需要说明的是，本多层浅液层光生物反应器至少含有3层单元水槽2及相应的配件，最大层数不作设定，优选为10层。本技术对所述培养装置的长、宽、高度没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的培养装置的合理值即可。
31.具体地，本技术对所述单元水槽2的材质没有特殊限定。优选地，所述单元水槽2由透明材料制成，可以为透明塑料、玻璃，有机玻璃等透明材料之一或其组合，本技术中透光材料的选择以能够充分透光，使装置内部形成通透的光照环境为依据。
32.具体地，所述单元水槽2层叠形成多层结构，本技术对每个单元水槽2的高度没有特殊的限定，尺寸的设定根据实际应用进行选择，具体的，每个单元水槽2的高度优选为20～100mm，更优选为55mm。本技术对两层单元水槽2之间的间距没有特殊的限定，尺寸的设定根据实际应用进行选择，具体的，两个单元水槽2之间的间距优选为200～300mm，更优选为250mm。所述单元水槽2高度为20mm～100mm，其中的培养液深度为5mm～15mm。
33.具体地，相邻两层所述单元水槽2之间的间距为200～300mm。
34.在具体实施中，co2与压缩空气的混合气经由气体接口及第二阀门10、硬管管路4、软管管路7及第一阀门9在管路中利用湍流充分混合和溶解后通入藻液，混合气中co2的体积占比为1～15％。混合气的流量为0.1～0.5vvm，优选为0.3vvm。
35.具体地，所述硬管管路4、软管管路7及气体管路6的直径为2～20mm，优选为10mm。
36.在具体实施中，输送泵3可以为手动或自动启停；若所述输送泵3需自动启停，则可以通过控制与所述输送泵3相连接的电源的定时通断实现，也可以通过可编程序控制器(plc)实现，所述输送泵3的控制方式为本领域内的常规设置，此处不作赘述。
37.具体地，所述喷淋射流装置8通过手动或自动方式进行移动，在具体实施中，所述喷淋射流装置8通过直线往复电机及连杆实现自动方式的移动，单独作用可以实现单层喷淋射流装置8的水平往复移位，也可通过并联实现多层联动。水平运动速率0.01～0.1m s-1
。
38.在具体实施中，所述喷淋射流装置8的长度不作设定，只需略短于水槽宽度但使其喷淋可最大限度地覆盖水槽范围。喷淋装置横杆的直径为5～20mm，喷孔直径为0.5～5mm。两个喷孔间距不大于50mm。
39.在具体实施中，所述喷淋射流装置8实现co2的均匀分布与藻液中氧气的解析。co2的均匀分布的间接效果为ph的稳定维持。由于是浅液层，喷淋射流冲击水槽底部沉积的藻泥，从而实现全水槽藻液的均匀混合，方便采收。此外采收完后利用喷淋射流装置8可以实现反应器培养水槽和相应管路的清洗和消毒。
40.具体地，还包括传感器模块及处理器，所述传感器模块包括液位传感器、ph电极、溶氧电极，所述ph电极与所述处理器组成ph-通气偶联系统，所述液位传感器与所述处理器组成液位传感器-补液偶联系统，分别用于自动化调节以使得所述培养液在预定的ph范围及浅液层的液位高度范围内。在具体实施中，通过设置合理的ph范围(7.5
±
1)及浅液层的液位高度(5mm～15mm)，当超出上述合理范围时，自动开启或关闭相应的控制开关，实现在线自动化调节，所述溶氧电极与所述处理器相连接以监测微藻培养的状态，表征光合放氧的强度。
41.具体地，所述硬管管路4连接至藻液储存及后处理单元，所述藻液储存及后处理单元包括依次连接的微藻回收排出管路、微藻收集装置和微藻储存及后处理装置。收集单元水槽2内的藻液时保持第二阀门10关闭，打开第三阀门5，启动输送泵3，藻液在泵及重力的作用下进入采收管路开始后续的常规采收流程。
42.具体地，当藻液需要在不同水槽间转移时，只需开启或关闭相应的阀门，启动相应的输送泵3即可。例如从甲水槽转移至乙水槽，仅需要保持乙水槽附属的第一阀门9及其与甲水槽附属的输送泵3(甲泵)之间管路上的第三阀门5为开启状态，其余所有阀门均为关闭状态。启动甲泵，藻液即可转移至乙水槽。
43.所述培养液中的营养物质包括氮源、磷源、硫酸盐、硅酸盐、钠、钾、钙、镁、铁、微量金属元素等以及维生素等，本技术对所述营养液体的配制方法没有特殊的限定，采用常规的配量方法配制成适合微藻生长繁殖的营养液即可。
44.在本技术中，所述光源不作特别限定，优选采用日光和人工光的组合，太阳光及其散射光可以作为微藻生长的光源，设置人工光源可以在夜间及阴雨天时维持微藻光合作用，进一步提高年产量。更优选的，采用可调光亮度的led人工光。在具体实施中，所述支撑框架1的每一层上均可以设置有光源，优选地，光源水平固定于每层支撑框架1的横杆上，以
增强安全性和有效性。
45.在本技术中，操作方法具体优选如下：
46.配制微藻培养液，加入各个单层水槽至设定深度后按照特定的接种量接种藻细胞，启动输送泵3、启动co2阀门10并启动喷淋射流装置8并使其移位，从而使得藻液充分混合。依据藻种不同确定不同的培养周期，通常介于3～15天，每天定时启动4～6次。使得藻细胞接受光照进行生长繁殖。培养周期结束时，将藻液通过输送泵3回流至储液罐，通过采收管路将藻液收集并进行离心等后处理操作。残留在各个水槽中的藻液可以作为下批次的种子，在反应器中加入适量的培养液，开始下一批次的培养，直至完全重复上述的培养过程。
47.下面结合具体实施例对本技术所述的一种用于微藻培养的多层浅液层光生物反应器做进一步详细的介绍，本技术的技术方案包括但不限于以下实施例。
48.实施例
49.本实施例中，培养所用的藻种为小球藻，所用的培养基为bg11，培养温度25℃，通过调节混合气(含5％co2)的流量(约1l min-1
)控制ph在7～8.5范围内，3支1.2m led灯(功率10w/支)水平置于培养架横杆处，提供均匀光照，水槽表面光强约50mmol e m-2
s-1
。反应器框架总高度2.5m，设置10层单层水槽，两层水槽之间的间距为25cm，反应器水槽为有机玻璃材质，厚度5mm，尺寸如下：长度1m，宽度1m，水槽深度0.05m，装液深度10mm。装液总体积为10l，初始接种量0.2g l-1
，培养4天后，细胞密度1.21g l-1
，每层细胞净增加量(1.21-0.2)
×
10＝10.1g。生物量增加了5.05倍。单位占地面积产率：10.1
÷4×
10＝25.25g m-2
d-1
。
50.对比例
51.对比例所采用的单水槽尺寸同实施例，采用单水槽静置培养，所用的培养基及光照、温度等培养条件同实施例，液位深度设定同实施例为0.01m，装液体积为10l。初始接种密度0.2g l-1
d-1
，培养4天后，细胞密度0.45g l-1
。实际细胞增加量为(0.45-0.2)
×
10＝2.5g。生物量仅增加了1.25倍。如果设置同实施例类似的10层反应器，则单位占地面积产率：2.5
÷4×
10＝6.25g m-2
d-1
。
52.对比例采用的是常规容器，虽然液层较薄，光衰减较少。但缺少必要的混合限制了物质能量的传递，仅通过表面与空气实现co2交换，因此不够充分，培养第2天ph即升至9.5以上，这限制了藻细胞的进一步生长。相反地，实施例中，藻细胞在浅液层水槽中，由于受光均匀，且通过喷淋射流装置8实现了培养液不断循环，有利于氧气的解析和co2的均匀分布，并稳定维持ph。此外避免了微藻细胞长期黏附于培养水槽底面，降低采收难度。实现物质和能量交换，因此生长迅速。由于间歇短时间启动，能耗并未显著增加。相较于普通光生物反应器水泵及气泵需要长期运行能源损耗更小，因此更为节能、环保。此外在设置10层的情况下，单位占地面积产率显著高于现有技术中的该藻的面积产率5～15g m-2
d-1
。由于采用轻质硬质框架，而且每层水槽固定放置，可以往高处层叠更多层，从而进一步提高单位占地面积产率。因此本技术具有简便、实用、应用前景广阔的特点。
53.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
54.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并
且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。