一种外嵌式光生物反应器及其应用

1.本发明属于生物工程技术领域，具体涉及一种外嵌式光生物反应器及其应用。


背景技术：

2.由于传统化石燃料的的普遍使用，温室气体排放量显著增加，其中最为典型的是二氧化碳(co2)的排放，需要对二氧化碳进行捕获和利用。微藻被称为微细胞工厂，其具有非凡的二氧化碳固定能力，比其他陆生物快10-50倍，生产1克干微藻生物质消耗1.83克co2。微藻生物质可用于提取高蛋白、脂质和碳水化合物，并提供了良好的营养成分(例如，色素、维生素、多不饱和脂肪酸和无数其他营养成分)。微藻还可用于处理废水，特别是污水废水、猪场废水、制药废水和乳制品废水。因此，可利用微藻培养来捕获大型碳排放领域(如发电厂)排放的co2并将废物转化为有用的商品。
3.近年来，养殖微藻使用最广泛的工业级结构为如圆形和跑道式养殖池池，其占全球微藻年供应量的90％。但是，开放式系统具有传质差、水分蒸发率高、维持健康作物条件的挑战高、易受污染、需要大面积建筑、高电力和高劳动力成本的不足，而封闭的光生物反应器不易受污染，可以提供最佳的生物生理条件，从而实现更高的生物质生产率。封闭的光生物反应器(pbr)在营养、温度、ph值和光照方面具有更大的调节生长环境的能力。因此，可以长期培养单一的微藻品种，同时降低外部污染的风险。
4.目前，研究人员开发了与pbr相关的各种技术，例如通过使用光纤或光扩散器在腔室内放置光源来进行内部照明，一定程度上改善了光传递效果，但其内置光源结构也在一定程度上阻碍了藻液流动，降低了混合特性。文献中也讨论了在平柱或立柱pbr中安装挡板或混合器以改善混合，效果相对理想，但是挡板的存在对丝状藻的流动容易产生死区，造成藻体累积。在pbr的立管段安装了一个灯笼形设计的管子，以产生多个涡流，通过高效的co2固定和混合使生物质产量提高了50％；水平管和三棱柱挡板的组合降低了nb-pbr与传统 pbr混合时间(mt)并增加了传质系数(mtc)，因此实现了70％的生物质产量增加；teslavalve (特斯拉阀)安装在垂直柱pbr的内部，以改善溶液中沿挡板的混合，从而将生物质产量提高28.1％，以上几种结构pbr均是添加内置特殊结构来进一步提高藻液流动混合，但混合效果仍有提升空间，并且这些pbr并没有较好的固碳能力，co2停留时间较短。因此需要对光生物反应器进行进一步的优化。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种外嵌式光生物反应器及其应用，在通气培养微藻的过程中从而实现藻液混合、传质、光合效率、co2固定效率的加强，进而提高微藻生物产量。
6.在本发明中，所述外嵌式光生物反应器包括中心柱、连接在中心柱两侧的外部弯管、内嵌曲体和中心柱底部的曝气孔；外部弯管与内嵌曲体的组合在保证藻液整体流动通常、回流可循环的同时，尽可能的增加了藻液流动时的涡流量，促进了混合效率，内嵌曲体
的存在是形成藻液整体上升流和下降流的保障，同时也提高了co2在反应器内的停留时间，提高了固碳效率。
7.本发明中首先提供了一种外嵌式光生物反应器，所述外嵌式光生物反应器被划分成上升管和下降管，具体包括中心柱、内嵌曲体、外部弯管和曝气孔；
8.所述中心柱包括中心柱体和与中心柱体底部封闭连接的中心柱底板，中心柱体外部连接有外部弯管，中心柱体内部嵌有多个内嵌曲体；
9.所述外部弯管包括多个外部弯管a和外部弯管b，多个外部弯管a纵向布置在中心柱体两侧，且在中心柱体两侧交错排列；所述每个外部弯管a上端与内嵌曲体连通，下端与中心柱体连通；所述外部弯管b设在中心柱体顶端，两端均与中间柱体连通；
10.所述曝气孔包括曝气孔a和曝气孔b，分别设在中心柱体底部两侧的外部弯管a上。
11.进一步的，所述中心柱体的高度、中心柱体的直径和外部弯管的内径比为7～10:1:0.2～0.4。
12.进一步的，所述外嵌式光生物反应器设有多个外部弯管a和与外部弯管a相同数量的内嵌曲体，其数量为7～10个。
13.进一步的，所述外部弯管a的下端与中心柱体连通的位置为：在下一个内嵌曲体的下方外侧的中心柱体上，且外部弯管a的下端不与下一个内嵌曲体连通。
14.进一步的，通过调整外部弯管a和内嵌曲体的数目来调节中心柱体的高度。
15.进一步的，所述内嵌曲体为漏斗状，上端口径与中心柱体直径相同，下端接口直径与外部弯管a内径尺寸相同。
16.本发明中还提供了上述外嵌式光生物反应器在促进藻液混合传质和co2固定中的应用。
17.本发明中还提供了一种基于上述外嵌式光生物反应器来促进藻液混合传质和co2固定的方法，具体包括如下步骤：
18.(1)在无菌环境下挑选良好的单一微藻菌株接入培养基中，设置光照强度、ph和温度条件进行培养，得到培养后的微藻藻液；
19.(2)将微藻藻液接种至外嵌式光生物反应器中，然后通过底部曝气孔进行通气使藻液形成混流循环，进而促进藻液混合传质和co2固定。
20.进一步的，步骤(1)中，所述微藻的培养条件为：光照强度12000
±
200lx，ph控制在 8-10，温度27
±
2℃。
21.进一步的，步骤(2)中，微藻藻液的接种量为0.5～1mg/l。
22.进一步的，步骤(2)中，所通气体中含有15％～20％(v/v)的co2，通气量控制在0.01-0.1vvm。
23.进一步的，步骤(2)中，微藻藻液液面距离外嵌式光生物反应器顶部5～10cm。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
25.本发明中通过外部弯管与内嵌曲体的组合，在保证藻液整体流动通常、回流可循环的同时，尽可能的增加了藻液流动时的涡流量，促进了混合效率，内嵌曲体的存在是形成藻液整体上升流和下降流的保障，同时也提高了co2在反应器内的停留时间，提高了固碳效率。
26.传统的pbr为垂直柱反应器设计，其上升管部分通常位于中心，随着生物质的增
长，其光照可用性较差。本发明中所述nb-pbr具有上升管和下降管部分，其中藻类可以接收足够的光，从而避免了传统pbr中存在的暗区。并且，与传统的pbr相比，本发明中提供的外嵌式光生物反应器(nb-pbr)将层流转化为大量涡流，并在重力方向对co2气泡提供更高的阻力，从而提高二氧化碳碳溶解效率。nb-pbr不仅增加了混合和传质，而且还促进微藻细胞更频繁地在明暗区域之间移动，进一步促进了光合效率，从而产生更高的生物量。经实验，nb-pbr与传统pbr相比，nb-pbr减少了16％的混合时间，但增加了25.9％的传质系数。结果还表明，与传统柱pbr相比，光化学性质得到改善，生物质产量和co2固定分别提高了26％和29％。
27.本发明所述外嵌式光生物反应器中可控结构变量可单独调节，底部右侧曝气，藻液形成混流循环，形成众多不同的逆时针、顺时针液体循环流动，并在各区域形成众多不同程度的涡流，其独特设计的nb-pbr可在pbr中实现与静态混合器类似的高效混合。
28.在本发明中微藻液体液面距柱式管顶部距离不宜太近，应保留足够空间确保藻液可以随气泡循环流动，微藻液面距离顶部有一段距离，还可以保证在nb-pbr中藻液循环流动时不会涌出反应器外部，造成污染。
29.本发明操作简单，应用范围广泛，可根据不同微藻种类和养殖条件，优化nb-pbr相关的结构参数，已达到最优的混合传质、光合效率和co2固定效率条件。
附图说明
30.图1是外嵌式光生物反应器的结构图(a)和曝气孔b通气时藻液流动示意图(b)，图中 1-曝气孔a，2-曝气孔b，3-外部弯管a，4-内嵌曲体，5-外部弯管b，6-中心柱体，7-中心柱底板。
31.图2是微藻养殖过程中曝气速率对nb-pbr与传统pbr混合时间(mt)和传质系数 (mtc)的影响比较图。
32.图3是微藻养殖过程中外部弯管直径对nb-pbr混合时间(mt)和传质系数(mtc) 的影响比较图。
33.图4是微藻养殖过程中nb-pbr利用cfd仿真模拟图，其中a为速度矢量图，b为速度轨迹图。
34.图5是微藻养殖过程中叶绿素荧光诱导动力学参数比较图，其中a为叶绿素-a和类胡萝卜素含量，b为φpsii和fv/fm测量值。
35.图6是微藻养殖过程中nb-pbr与传统pbr中a.platensis生物量干重和ph值比较图，其中(a)为a.platensis生物量干重和ph值，(b)为总无机碳(tic)、na2co3和nahco 3
浓度。
36.图7是微藻养殖过程中显示nb-pbr和传统br中叶绿素a荧光强度的ojip曲线图，图(a)～(b)分别为1-4天的ojip曲线图，1为nb-pbr，2为传统pbr。
具体实施方式
37.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。虽然实施例中仅提及螺旋藻，但是在本发明的实施或测试中也可以使用其他球状、丝状等不贴壁藻类。
38.实施例1：
39.图1为本发明所述的外嵌式光生物反应器(nb-pbr)的结构图，从图中可以看出，本发明中所述外嵌式生物反应器包括中心柱、内嵌曲体(4)、外部弯管和曝气孔；
40.所述中心柱包括中心柱体(6)和与中心柱体(6)底部封闭连接的中心柱底板(7)，中心柱体(6)外部两侧上下错开交替外部连接有外部弯管，中心柱体(6)内部嵌有漏斗状的内嵌曲体(4)。其中，所述外部弯管分为多个外部弯管a(3)和外部弯管b(5)，其中每一个外部弯管a(3)上端与内嵌曲体(4)连接贯通，下端与中心柱体(6)连接贯通；所述外部弯管b(5)设在中心柱体(6)顶端，两端均与中间柱体(6)连接贯通，且其下端口设在距离中心柱体(6)顶部最近的内嵌曲体(4)的下侧。
41.所述外嵌式光生物反应器设有多个外部弯管a(3)和与外部弯管a(3)数量相同的内嵌曲体(4)，其数量为7～10个，所述外部弯管a(3)的下端设在下一个内嵌曲体(4)的下方外侧的中心柱体上，并且不与下一个内嵌曲体(4)连通，由此将外嵌式光生物反应器划分为上升管和下降管。在需要时可通过调整外部弯管a(3)和内嵌曲体(4)的数目来调节中心柱体(6)的高度，使得中心柱体(6)的高度、中心柱体(6)的直径和外部弯管的内径比为 7～10:1:0.2～0.4。
42.具体的，中心柱体(6)内设有n个上端口径与中心柱体(6)相同，下端接口直径与外部弯管a(5)内径尺寸相同的内嵌曲体(4)，由下至上分别记为第一内嵌曲体、第二内嵌曲体、第三内嵌曲体
…
、第n内嵌曲体，其中n为正整数，7≦n≦10；同理，中心柱体(6) 外侧交替错开的外部弯管a(3)也设有n个，由下至上分别记为第一外部弯管a、第二外部弯管a、第三外部弯管a
…
、第n外部弯管a，其中n为正整数，7≦n≦10。其中，第n外部弯管a上端接口与第n内嵌曲体相连接贯通，第n外部弯管a下端接口位于第n-1内嵌曲体下侧，并且不与第n-1内嵌曲体直接连通，依次循环。
43.此外，所述曝气孔包括曝气孔a(1)和曝气孔b(2)，分别设在中心柱体(6)底部的两侧的外部弯管上，即第一外部弯管a和第二外部弯管a，两个位置均可通气，使用时选择其一，来实现柱内藻液整体的顺时针循环和逆时针循环。当使用曝气孔a(1)通气时，柱内藻液整体呈顺时针循环，当使用曝气孔b(2)通气时，柱内藻液整体呈逆时针循环。
44.在本实施例中，采用的nb-pbr主中心柱总高70cm，直径10cm，内分为6个高度区域，每一个区域包含一个外部弯管和一个内嵌曲体(高10cm)，nb-pbr具有上升管和下降管部分，这两个部分都包含更多的流体区域，每个区域的高度为10厘米。当曝气孔b提供曝气时，藻液流动示意图如图1(b)所示，藻液形成混流循环，形成众多不同的逆时针、顺时针液体循环流动，并在各区域形成众多不同程度的涡流。
45.本实施例中还以螺旋藻为例，提供了采用上述外嵌式光生物反应器培养微藻，促进藻液混合传质和co2固定，具体步骤如下所示：
46.(1)在无菌环境下挑选良好的单一螺旋藻菌株接入普通柱式反应器中，并根据陈秀《磁场干预黄丝藻生长及利用淀粉发酵废水高效培养策略研究》文献记载配制bg-11培养基，在普通柱式反应器中bg-11培养基悬浮培养螺旋藻藻种，光照强度12000
±
200lx，ph控制在 8-10，温度27
±
2℃。
47.(2)将步骤(1)中培养的螺旋藻藻种按0.5～1mg/l的接种量接种至外嵌式光生物反应器中，接种时藻液液面距离外嵌式光生物反应器顶部5～10cm，然后通过底部的曝气孔
通入 0.01-0.1vvm的气体(含有15％co2)使藻液形成混流循环，进而达到促进藻液混合传质和co2固定的目的。
48.实施例2：
49.传质系数评价光生物反应器的传质能力，混合时间反映光生物反应器的混合能力。co2是标准条件下微藻生长的主要限制因素之一，随着传质能力的提高，更多的co2被溶解。因此，有必要提高光生物反应器的传质能力。柱式pbr的整体性能在很大程度上取决于结构参数，即如何设计pbr。
50.混合时间(mt)和传质系数(mtc)的测定方法如下所示：
51.对于mt的测试是使用ph探头(inpro3253i/sg/120mettler toledo)，步骤为：
52.首先在nb-pbr中倒入7l蒸馏水，再通过滴加6mol/l的hcl将蒸馏水ph值调成3，然后将naoh(2.5-3.5ml，12μmol/l)滴入溶液中，并在溶液中引入碱度痕量，测量ph稳定的所需时间，并通过测量ph获得两个连续峰，mt由两个连续的差异确定，测量过程中 nb-pbr始终保持底部通气状态(空气，0.01-0.1vvm)。
53.mtc通过溶液中的n2气体曝气来计算，步骤为：
54.首先通过曝气将氧气含量降低到4mg/l，接着通入空气将溶解氧含量增加到5mg/l，使用氧气探头(inpro6850i/12/120mettler toledo)测量，设备每0.1秒自动保存一次数据，一个发射器(i-7017fc，icp das)在连接两个探头，并通过系统软件收集分析数据。
55.(1)曝气速率对nb-pbr与传统pbr混合时间(mt)和传质系数(mtc)的影响：
56.本实施例中以蒸馏水为研究对象，通过空气泵调节底部通气的速率，分别通入空气0.01、 0.03、0.05、0.07、0.1vvm，来考察曝气速率对nb-pbr与传统pbr混合时间(mt)和传质系数(mtc)的影响，混合时间(mt)和传质系数(mtc)的测定方法参照如上述所示。
57.图2为微藻养殖过程中曝气速率对nb-pbr与传统pbr混合时间(mt)和传质系数 (mtc)的影响比较图。从图2中可以看出，当气体曝气率从0.01vvm增加到0.1vvm时， nb-pbr中的混合时间减少，传质系数增加，分别为(75s和3.53h-1
左右)，主要原因是大量快速移动的气泡显着增加了湍流的强度，加快了溶解速度，提高了传质性能。湍流促进微藻细胞的旋转混合，可以增加暴露在光照下的表面积，保持一致的溶液温度的同时，并利用结构产生的涡流，可以提高co2的固定速率。曝气产生的气泡运动是扰乱nb-pbr内藻液流动的唯一途径，在气泡上升的过程中，co2不断地通过气液界面，溶解到水中，为微藻的生长提供碳源。如果气泡在水中停留的时间足够长，它就会完全溶解在水中并消失。因此，气泡在上升阶段的持续时间较长，有利于co2的传输。此外，高浓度的溶解co2可以促进co2与水之间的反应，这可能会产生更多的碳酸氢根离子用于光合作用。
58.因此，增加的气体曝气率可以缩短混合时间和提高传质效率。
59.(2)外部弯管的内径nb-pbr与传统pbr混合时间(mt)和传质系数(mtc)的影响：
60.本实施例中通过改变外部弯管的内径，分别将内径调整为2、2.5、3、3.5、4和4.5cm，并将通气量保持在0.1vvm，然后采用(1)中的方法分别测定nb-pbr与传统pbr的混合时间和传质系数，测定结果如图3所示。
61.图3为微藻养殖过程中外部弯管直径对nb-pbr混合时间(mt)和传质系数(mtc) 的影响比较图。从图中可以看出，mt从75秒减少到69秒，nb-pbr与传统pbr相比，mtc 从3.53增加到3.88h-1
。可见，随着弯曲臂直径的增加，更多的流体能够上升，因为较宽的管比窄管允
许足够的空间来增加混合并减少花费的时间。
62.因此，增加了pbr和co2溶解中营养物质的均匀混合，这增加在a.platensis有效生长期间消耗的hco
3-离子的转化(co2 h2o
→
hco
3- h

)。
63.综上，曝气速率和外部弯管内径对nb-pbr内藻液混合时间和传质系数的有较大的影响。当气体曝气率从0.01vvm增加到0.1vvm时，nb-pbr中的混合时间减少约75s，传质系数增加约3.53h-1
左右，提高了混合特性。而在保证通气量一定的情况下，随着外部弯管内径的增加，nb-pbr与传统pbr相比，mt从75秒减少到69秒，mtc从3.53增加到3.88h-1
，外部弯管内径的增加能够较好的改善了流体的混合特性。
64.实施例3：
65.藻液的流动的仅通过从底部曝气产生的动能来维持，进而形成整体顺逆循环和部分区域的涡流循环，模拟过程较为费时，因此本实施例中通过cfd单一改变通气速率(0.01-0.05m/s) 来模拟nb-pbr中的培养条件来确认藻液的速度大小和涡流。
66.图4为微藻养殖过程中nb-pbr利用cfd仿真模拟图，其中a为速度矢量图，b为速度轨迹图。模拟结果表明，涡流发生在弯曲臂和主柱区域，nb-pbr上升段和下降段相同，从而支持了每个段的涡流形成。速度达到0.04到0.05m/s之间，而径向速度在传统pbr的解决方案中，当输入气体速率为0.12vvm时，其速度低至0.01m/s，nb-pbr将径向速度提高了1.9倍。可见，改进的径向流增强了微藻在暗区和亮区之间的移动，从而增强了微藻的闪光效应，进而对微藻的光合作用和生物量积累产生了积极影响。而本发明中所述nb-pbr 独特设计的6段(上升管和下降管各3段)设计用于产生分布广泛的流态，使光生物反应器不同深度的微藻能够获得良好的光/暗循环周期。
67.实施例4：
68.叶绿素是光合作用中重要的色素，超过60％叶绿素与光捕获天线复合物结合，吸收光能并将激发能量传输到光合反应中心。而类胡萝卜素是天线系统和叶绿素结合蛋白的重要组成部分，可以帮助捕获光能并去除微藻细胞中多余的自由基。螺旋藻中的叶绿素主要是叶绿素 a。arthrospira sp.中的叶绿素a含量越高，细胞的光合效率越高。
69.因此，本实施例中考察了微藻养殖过程中叶绿素荧光诱导的动力学参数以及微藻养殖过程中nb-pbr和传统pbr中叶绿素a荧光强度，具体考察步骤为：
70.使用aquapen便携式叶绿素荧光仪进行测量，在微藻培养过程中，每隔12h取5ml藻液，加蒸馏水稀释5倍，在黑暗条件下暗反应15min，随后用荧光仪对其qa、ojip、npq1等值进行测量，通过连接电脑分析软件导出数据分析。
71.图5是微藻养殖过程中叶绿素荧光诱导动力学参数比较结果图，其中a为叶绿素a和类胡萝卜素参数，b为φpsii和fv/fm参数。从图a中可以看出，传统pbr中细胞的平均叶绿素a含量和平均类胡萝卜素含量分别为7.45mg/g和0.66mg/g。nb-pbr中细胞的平均叶绿素a含量和平均类胡萝卜素含量分别为8.21mg/g和0.75mg/g，分别增加了10.3％和13.9％。 nb-pbr细胞中叶绿素a和类胡萝卜素含量的增加促进了螺旋藻的光合作用和co2固定。
72.从图b中可以看出，φpsii和etr从螺旋藻生长12小时开始逐渐下降，随着藻类生物量的增加，藻类密度迅速增加。由于φpsii的计算公式为φpsii＝(fm'fs)/fm'，式中fm'为光适应中的最大荧光，fs为稳定状态下的荧光；因此当藻类光合作用处于稳定状态时需要更高的荧光。
73.ojip瞬变也可以被转化为生物物理参数，包含f0和fm之间被认为是可变荧光(fv) 和比率fv/f0和fv/fm被用来评估光合效率，叶绿素荧光参数可用于量化psii反应中心的供体和受体侧的变化，叶绿素荧光参数的分析提供了关于光合电子传递链中能量的吸收、利用和传递以及电子转移状态的丰富信息。因此，本实施例中还通过四天的叶绿素荧光的快速诱导动力学曲线(由ojip测试)考察了psii的光化学反应。
74.图7为微藻养殖过程中显示nb-pbr和传统br中叶绿素a荧光强度的ojip曲线图，四幅图分别为1-4天的ojip曲线图。从图中可以看出，当叶绿素荧光仪测量孔径从0.1增加到 2.0mm时，φpo和abs/rc分别从0.48增加到0.52和5.5到6.3，这说明最大光化学效率和单位反应中心吸收的光能都增加了，足量的hco3-促进了卡尔文循环反应，从而对atp 和nadph的需求增强，进而促进了色素吸收更多的光能。由于较高的吸收光能增强了psii 反应中心的最大光能转换效率，因此φpo逐渐增加。此外，φeo、eto/rc和tro/rc分别从0.19、1.1和2.68增加到了0.342、0.983和0.787，这表明电子转移链加速了。而φdo和 dio/rc分别从0.54和3.3下降到0.48和2.6，表明用于散热的光能减少了，散热的减少表明更高比例的光能被用于光合作用。
75.因此，连续四天的ojip曲线反应了光合速率随着nf孔径的增加而逐渐增加。
76.实施例5：
77.本实施例中考察了微藻养殖过程中nb-pbr与传统pbr中螺旋藻(a.platensis)生物量干重和ph值，考察方法如下所示：
78.利用过滤法进行收集藻体细胞，使用称量法测量微藻细胞干重，利用ph计测量ph值。
79.图6是微藻养殖过程中nb-pbr与传统pbr中a.platensis生物量干重和ph值比较图，其中(a)为a.platensis生物量干重图，(b)为ph值参数图。从图中可以看出，在a.platensis培养 144小时期间，与传统pbr相比，nb-pbr的生物量产量显着增加了23％(g/l)(图6所示)。随后，nb-pbr结构在弯管管部分产生了改善的流动，导致在维持营养物质和co2溶解的均匀性方面。
80.此外，由于a.platensis的密度较低，溶液的ph值在前24小时内迅速下降，这是因为 co2和h2o的化学转化导致hco
3-,而过量的co2供应导致转化h 离子，随后na2co3在溶液中转化为nahco3离子，即：
81.(co2 h2o
→
hco
3- h

)and(co2 na2co3 h2o
→
2nahco3,hco
3-→
co2 oh-)。
82.由于生物量随着培养时间的增加和藻类培养密度的增加，有效的h 离子通过主动运输逐渐被a.platensis利用，同时释放出溶液中的oh-离子，ph值逐渐升高。因此，24小时后生物质产量的逐渐增加导致溶解的co2消耗增加。高ph值表明微藻细胞实现了更高的co2固定率，因此nb-pbr相对于传统pbr表现出更高的ph值。
83.综上所述，本发明所述nb-pbr促进了整个培养物中的混合和传质以及a.platensis细胞的频繁移动，从而提高了光化学效率。新型nb-pbr显着提高了a.platensis的生物量产量 26％。
84.所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。