一种微藻养殖用大型光生物反应器的制作方法

1.本发明属于微生物生产技术领域，具体涉及一种微藻养殖用大型光生物反应器。


背景技术：

2.随着微藻产业的不断发展，微藻的工业化养殖技术已变得越来越重要。与传统的跑道池、管式或板式生物光合反应器等养殖技术相比，微藻的工业化养殖可实现微藻的大规模连续化高效生产，具有养殖密度高，饵料系数低，生长快，病害少，不污染水资源等优点，是未来微藻养殖业发展的主要趋势。微藻养殖用大型和超大型光合生物反应器的开发是微藻工业化养殖技术中最为重要的技术环节，目前仍存在技术空白。
3.流体分散技术是大型和超大型生物反应器的技术难点之一，也是技术关键，涉及光吸收、电子传递、光合磷酸化、碳同化等重要反应步骤，对微藻的产量和质量产生直接影响。与化工设备最大的区别在于，由于生物的脆弱性，流体分散最好在低剪切力下进行，以减少剪切力对微藻细胞的伤害，这就使传统的高搅设备受到了限制。
4.搅拌器是流体分散最常见的方式，其技术也非常成熟，但是应用于大型反应器中，却存在能耗高、设备沉重、维修成本高、密封性差等很多问题，而且放大效应突出，流体状况复杂，模拟计算困难，难以满足微藻工业化养殖的需要
5.鼓泡床以及类似的气浮式反应器以气体作为强化液体分散的手段，在微生物培养和环保尾气处理中应用较多，但气体本身通常也是关键的反应物，其流量会受到反应工艺的严格限制，而要想满足大型反应器的液体分散要求，就必须要求足够高的气体通量，两者之间的矛盾往往难以解决，而且，大通量气流会引起严重的雾沫夹带现象，对反应极为不利，因此在大型反应器的设计中很少直接采用。
6.另外，微藻养殖过程中的流体分散还必须与微藻的光反应和暗反应特性相适应，也就是说，对于不同的光照条件，对微藻的流动速度、流动方向等流体分布要求也是不同的，如何从工程化角度实现光合反应的可控进行也是大型反应器的设计难点。
7.而生物的器内附着也是一个棘手的难题，尤其在微藻培养过程中这一问题更为突出，这一点从舰船和潜艇的外壁生物污染上就可以看出。
8.因此，针对现有技术中存在的问题，亟需开发一种低剪切力条件下的分散效率高、能耗低、抗生物器内附着的微藻养殖用大型光生物反应器。


技术实现要素：

9.本发明的目的是弥补现有技术的不足，提供一种微藻养殖用大型光生物反应器。本发明的光生物反应器具有光反应效率高、能耗低、抗生物器内附着等优点。
10.为了达到上述的目的，本发明采取以下技术方案：
11.一种微藻养殖用大型光生物反应器，包括：
12.光反应装置，微藻在所述光反应装置中吸收二氧化碳通过光合作用进行繁殖；
13.藻液循环系统，所述光反应装置中藻液通过所述藻液循环系统经过滤采出藻泥后
返回所述光反应装置；
14.co2补充与循环系统，用于新鲜co2以及反应后的co2进入所述光反应装置参与微藻繁殖；
15.水下光照系统，所述水下光照系统位于所述光反应装置内用于为微藻光合作用提供所需的光照；
16.营养物质补充系统，用于为微藻繁殖提供营养物质。
17.进一步的，所述光反应装置包括反应器、反应器底座、顶板、反应器电子视镜、反应器在线藻浓度检测计和反应器光强度检测计。
18.进一步的，所述反应器底座采用斜坡设计，其最低点为含藻液体出口，坡度为2-5
‰
。
19.进一步的，所述反应器底座的焊接部分均需做圆角处理，其中反应器壁与反应器底座的连接部分的圆角半径≥10cm，其它部分的圆角半径≥1cm。
20.进一步的，所述反应器内壁经抛光处理，其表面粗糙度ra≤0.05。
21.进一步的，所述反应器采用不锈钢或碳钢材质制备而成，当反应器采用碳钢材质时，内壁经防腐涂层处理。
22.进一步的，对于有自然光照要求的工艺，光反应装置上部采用平面的透明玻璃或有机玻璃作为顶板，顶板与水平面的夹角为10～30
°
。
23.进一步的，所述微藻循环系统包括依次相连的循环泵、视镜、电子视镜、在线藻浓度检测计、流量计与流量自动调节阀组、连续过滤设备、连续消毒设备和流体分散管组。
24.进一步的，所述的连续过滤设备的过滤精度≤10μm。
25.进一步的，所述的连续消毒设备为纳米二氧化钛光催化设备，其光源为100～400nm多谱段连续紫外线光谱，光催化设备的光照面积与反应物体积之比(a/v值)≥20。
26.进一步的，所述流体分散管组由两个以上流体分散管构成，流体分散管垂直安装于所述光反应装置内，所述流体分散管上端为进料端，下端封闭，管周设置有多个开口。
27.进一步的，所述反应器在线藻浓度检测计或在线藻浓度检测计为在线浊度仪或在线色浊度仪。
28.进一步的，所述co2补充与循环系统包括co2进气流量计与流量自动调节阀组、co2缓冲罐、气体分散管组、o2浓度在线检测仪、co2浓度在线检测仪、co2循环压缩泵、co2循环气流量计与流量自动调节阀组和循环气放空阀组。
29.进一步的，所述气体分散管组置于所述光反应装置下部，所述气体分散管组的平均孔径＜100μm、开孔率≥35％、动力效率≥4.5kgco2/kwh、其产生的气泡平均直径≤3mm。
30.进一步的，所述水下光照系统包括光反应管，其垂直安装于光反应装置内，所述光反应管的外部为中空透明管，内部为可调光强度的led光源。优选的，所述透明管的材料为玻璃或高透明耐水有机玻璃。
31.进一步的，所述led光源的波长为400～700nm，辐照强度≥80μmol
·
m-2
·
s-1
，光亮度≥3000lux。优选的，所述led光源的波长为400～525nm单色光或450～600nm蓝绿混合光，辐照强度为150～300μmol
·
m-2
·
s-1
，光亮度为3500～5000lux。
32.进一步的，所述光反应管为两个以上，光反应管之间的安装间距根据介质的光衰减系数、介质流速以及微藻生长特性等反应条件确定，最优的为30～200cm，光反应管通过
照明控制系统进行光分布的精确控制，以满足不同藻种对光反应和暗反应的光照要求。
33.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
34.(1)本发明所提供的微藻养殖用大型光生物反应器，以器外循环结合流体分散管替代传统的反应搅拌器，解决了大型和超大型反应器的物料分散难题，实现了低剪切力条件下的藻液高效分散和混合，不但可以有效解决传统搅拌复杂的机械机构所带来的负载重、制造成本高、不易维护、密封易泄露等一系列问题，而且易于模拟仿真和计算，解决了传统搅拌的工程放大难题，对于大型光生物反应器、尤其是超大型反应器的设计和开发具有积极意义。
35.(2)本发明所提出的光反应管，其技术与流体分散技术紧密结合，光分布设计利用反应器内的藻液流动特性实现微藻细胞在光区与暗区之间的快速穿梭，使得微藻细胞接受光强的不断波动形成光暗循环的闪光效应；所实现的光控技术首次将闪光频率作为技术指标应用于微藻规模化化养殖，对加强微藻的物质能量传递和导光作用、提高微藻光反应器培养效率、实现微藻的高密度养殖具有重要作用。
36.(3)本发明所述的藻浓度在线连续检测设备，利用藻液浓度与光色度、光吸收的对应关系，首次将工业光检测设备用于微藻的规模化养殖，与传统的显微计数方法相比，检测效率和检测精度明显提高，而且可以实现藻浓度的在线检测和连续检测，为藻浓度的精密化控制奠定了基础。
37.(3)本发明同时提出了可工业实现的给碳和二氧化碳循环控制技术，可实现二氧化碳的精确供给和稳定控制，同时避免氧中毒的发生，最大限度的提高二氧化碳的利用率。
38.(4)本发明将先进工业控制技术与微藻养殖技术相结合，为微藻以及水产品的大规模养殖奠定了基础。
附图说明
39.图1为本发明微藻养殖用大型光生物反应器的结构示意图。
40.附图标记
41.光反应装置：1-1反应器、1-2反应器底座、1-3顶板、1-4反应器电子视镜、1-5反应器在线藻浓度检测计，1-6反应器光强度检测计；
42.藻液循环系统：2-1循环泵、2-2连续过滤设备、2-3连续消毒设备、2-4流体分散管组、2-5流量计与流量自动调节阀组、2-6在线藻浓度检测计、2-7视镜、2-8电子视镜；
43.co2补充与循环系统：3-1co2进气流量计与流量自动调节阀组、3-2co2缓冲罐、3-3气体分散管组、3-4o2浓度在线检测仪、3-5co2浓度在线检测仪、3-6co2循环压缩泵、3-7co2循环气流量计与流量自动调节阀组、3-8循环气放空阀组；
44.水下光照系统：4-1光反应管；
45.营养物质补充系统：5-1营养液配置罐。
具体实施方式
46.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有
其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
47.除非另作定义，本公开所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内有一般技能的人士所理解的通常意义。
48.图1为本发明微藻养殖用大型光生物反应器的结构示意图。如图1所示，本发明的微藻养殖用大型光生物反应器包括光反应装置、藻液循环系统、co2补充与循环系统、水下光照系统和营养物质补充系统。
49.本发明的光反应装置包括反应器1-1、反应器底座1-2、顶板1-3、反应器电子视镜1-4、反应器在线藻浓度检测计1-5和反应器光强度检测计1-6。反应器1-1用于微藻吸收二氧化碳发生光合作用从而进行繁殖。反应器1-1可以采用不锈钢或碳钢材质。反应器底座1-2采用斜坡设计，其最低点为循环液出口，坡度为2-5
‰
，优选的，坡度为4
‰
。反应器底座1-2的焊接部分均需做圆角处理，其中反应器1-1壁与反应器底座1-2的连接部分的圆角半径≥10cm，其它部分的圆角半径≥1cm；反应器1-1内壁需做抛光处理，其表面粗糙度ra≤0.05，优选的，ra≤0.01；反应器1-1如采用碳钢材质，其内壁需做防腐涂层处理，优选的，所述防腐涂层为聚四氟乙烯涂层。
50.在本发明的一个实施例中，微藻养殖工艺有自然光照要求，则反应器1-1上部为顶板1-3，所述顶板1-3为透明顶板。所述透明顶板1-3与水平面的夹角为10～30
°
，优选的，夹角为25
°
，并且采用轻钢结构作为顶板支撑。所述透明顶板1-3可采用平面的透明玻璃或有机透明玻璃制作而成。反应器1-1外部可做保温隔热处理，保温材料为硅酸岩棉。
51.本发明的藻液循环系统由循环泵2-1、连续过滤设备2-2、连续消毒设备2-3、流体分散管组2-4、流量计与流量自动调节阀组2-5、在线藻浓度检测计2-6、视镜2-7、电子视镜2-8、及其配套中间罐、管件、仪表、阀门等组成。
52.本发明藻液循环系统的工艺流程为：藻液经循环泵2-1自反应器1-1底部采出后，进入连续过滤设备2-2；经连续过滤设备2-2过滤后，微藻滤饼去成品单元进一步加工，滤液则进入连续消毒设备2-3；经消毒除菌后，通过流体分散管组2-4回到反应器1-1中。
53.在本发明的一个实施例中连续过滤设备2-2的过滤精度≤10μm。
54.在本发明的一个实施例中连续消毒设备2-3为纳米二氧化钛光催化设备，其光源为100～400nm多谱段连续紫外线光谱，光催化反应器的光照面积与反应物体积之比(a/v值)≥20。
55.在本发明的一个实施例中，流体分散管组2-4由一个或多个流体分散管构成，流体分散管组2-4中流体分散管的数目根据光生物反应器的体积而定，例如500m3复合藻养殖用大型光生物反应器可选择40-50个流体分散管为宜。流体分散管垂直安装于大型反应器中，所述流体分散管上端为进料端，下端封闭；所述流体分散管上分布有多个开口，通过开口尺寸、开口方向和分散管布置等设计实现不同的流体分散效果。流体分散管组2-4的作用原理是：高压流体进入流体分散管，经流体分散管的开口沿水平方向高速喷出，在反应器内形成剧烈的流体湍流，同时伴随大量涡旋液生成，反应器内的流体随之发生不规则的高速运动和剧烈碰撞，从而实现在低剪切力条件下高效分散和混合的目的。
56.在本发明的一个实施例中，反应器在线藻浓度检测计1-5和在线藻浓度检测计2-6可采用在线浊度仪或在线色浊度仪。对于低浓度微藻养殖(≤1000ppm)，优选的为采用高精度在线浊度仪，即利用不同角度布置的密封光电二极管探测藻液中微藻所形成的散射光，
同时与直射光进行比对测量出微藻的浓度；对于高浓度微藻养殖(＞1000ppm)，优选的为采用在线色浊度仪作为藻浓度的连续检测设备，即以恒定光强穿透藻液，由于藻液和微藻的吸收或者散射，导致光强衰减，衰减后的光被密封的光电二极管检测到，从而测量出微藻的浓度。所述的在线浊度仪或在线色浊度仪，其光程长(opl)≤80mm，其分辨率和重复精度小于各个量程的
±
0.05％，其光学部件的防护等级≥ip65。
57.本发明的co2补充与循环系统包括co2进气流量计与流量自动调节阀组3-1、co2缓冲罐3-2、气体分散管组3-3、o2浓度在线检测仪3-4、co2浓度在线检测仪3-5、co2循环压缩泵3-6、co2循环气流量计与流量自动调节阀组3-7、循环气放空阀组3-8及其配套管件、仪表、阀门等组成。o2浓度在线检测仪3-4、co2浓度在线检测仪3-5用于监测反应器1-1光合作用的情况以便实时控制co2进气和co2循环气的流量。
58.co2补充与循环系统的工艺流程为：新鲜co2通过进气流量计与流量自动调节阀组3-1后进入co2缓冲罐3-2，与循环co2混合后通过气体分散管组3-3，分散成微小气泡后进入藻液之中；反应后的co2和o2混合气经co2循环压缩泵3-6，一部分经循环气放空阀组3-8放空，一部分经co2循环气流量计与流量自动调节阀组3-7进入co2缓冲罐3-2，与新鲜co2混合后循环回反应器1-1中。co2补充与循环系统利用co2和o2在水中溶解度差异实现co2和o2的快速分离，通过控制co2循环气流量和co2进气流量比实现碳氧浓度的精确控制和稳定控制。
59.在本发明的一个实施例中，co2补充与循环系统中的气体分散管组3-3，采用惰性多孔材料进行气体分散，其材料的平均孔径＜100μm、开孔率≥35％、动力效率≥4.5kgco2/kwh、其产生的气泡平均直径≤3mm。
60.本发明的水下光照系统包括光反应管4-1，光反应管4-1外部为中空的透明管，材料为玻璃或高透明耐水有机玻璃，其作用主要用于光源与反应介质的物理隔离和光源的保护；光反应管4-1内部为可调光强度的的led光源，其波长为400～700nm，辐照强度≥80μmol
·
m-2
·
s-1
，光亮度≥3000lux；光反应管4-1垂直安装于反应器1-1内，光反应管4-1为多根，光反应管之间的安装间距根据介质的光衰减系数、介质流速以及微藻生长特性等反应条件确定，最优的为30～200cm；光反应管4-1通过照明控制系统进行光分布的精确控制，以满足不同藻种对光反应和暗反应的光照要求。优选的，led波长为400～525nm单色光或450～600nm蓝绿混合光，辐照强度为150～300μmol
·
m-2
·
s-1
，光亮度为3500～5000lux。
61.本发明的营养物质补充系统包括营养液配置罐5-1，营养液配置罐5-1用于储存和配置适合微藻繁殖的营养液，并与经连续消毒设备2-3消毒后的滤液混合一并通过流体分散管组2-4进入反应器1-1中。
62.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。