一种梯度光照的光生物反应器及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种梯度光照的光生物反应器及其应用；该光生物反应器为箱体式结构，被分隔成为光照强度从高到低的隔室I、隔室II和隔室III，每个反应器箱体内设置一对隔室I，一对隔室II和一个隔室III，隔室间液体通过溢流管或溢流口流动，微藻依次在光强从低到高的3个隔室中进行培养，藻液浓度和通气量根据隔室中光强从低到高而相应提高，采用梯度光照的光生物反应器及其培养微藻的方法，可提高光能的转化率；用于微藻的连续培养时相当于多个全混流反应器串联，可提高细胞产率。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度光照的光生物反应器及其应用
本专利技术涉及一种梯度光照的光生物反应器及其应用于微藻培养的方法。
技术介绍
微藻是获取食物蛋白、药物等材料的重要生物资源，同时也是第3代生物燃料的 主要原料和重要技术平台。采用光生物反应器进行微藻的规模化培养，是解决微藻资源产 业化瓶颈的的重要途径。光生物反应器是可提供一定的光照强度和流体力学环境，进行光 照生物质培养或光化学反应的反应器。采用光生物反应培养微藻，可提高微藻的培养浓度 和增殖速率，节省空间，避免外界环境对微藻培养的影响，可连续获得质量稳定的微藻资 源。 光生物反应器中光强分布是影响光合作用，从而影响微藻增殖的重要特性。在光 反应器中进行微藻的自养培养时，影响光强分布的因素包括光照的深度、气泡大小与数量 以及微藻的细胞浓度等。其中藻细胞对光的散射作用，是造成光强随光程增加而迅速衰减 的重要原因，也是限制高细胞浓度培养的重要原因。为了改善反应器中的光强分布，提高微 藻的增殖速率和培养密度，研究者提出了各种形式的光反应器(包括管道式、板式、柱式等） 结构、人工光源的使用、藻液的循环及相应的培养方法。 管道式反应器一般由或玻璃、有机玻璃或其他透明硬质塑料的封闭管构成，管道 弯曲成不同形状，微藻悬浮在培养液中并以一定流速在管道中流动，借助自然光或人工光 源进行光培养。为获得管道内较好的光强分布，提高微藻增殖速率，研究者对管道的直 径、管道的排布方式、管道内构件、光照的方式等进行了各种优化设计，如L. Travieso等 报道的螺旋形的管道式反应器（Int. Biodeter. Biodegra.，2001，47:151-155)，中国专利 CN102134553A公开的内设有螺旋形挡板的管道式反应器等。 板式反应器由单个或多个组合的板箱式结构组成，或者在箱体内通过安装折流板 分割成多个箱室。不同的箱室间流体的交换往往通过气升式环流形成。为获得箱室理想的 光强分布，研究者对箱室的厚度、箱体的内部结构、箱体的排布方式、一级光照方式或人工 光源位置等进行了各种优化设计。例如，中国专利技术专利CN1880442A报道了一种多节的平板 式光生物反应器，在箱体内部有多个安装人工光源的中空腔体，可实现高浓度的细胞培养。 S. R. Chae等报道的L型平板光生物反应器（Bioresource Tech.，2006, 97:322-329)等，可 较好的利用光照。 也有一些技术通过使藻液不断在光照区和暗区循环，来提高微藻的增殖速率和光 能的利用率，中国专利CN201801523U公开了一种薄板反应器，通过继电器控制光源的亮与 灭，并通过反应器内部可转动的区域，实现反应器内短周期光/暗交替培养。又如中国专利 CN101870950A公开了一种由藻液输送装置、藻液导流面和存储装置的微藻培养装置，通过 藻液输送装置使存储装置中的藻液不断流过藻液导流面接受光照。 微藻生长要求光强在一定范围内，过高或过低都会影响微藻的生产，而在一定范 围内，生长速率随光照增加而增加。而另一方面，反应器内光强随藻细胞浓度将呈指数下 降。在微藻培养的过程中，随着培养进行，藻细胞浓度不断提高，对光的散射和吸收作用不 断加强，反应器内光强不断减弱。现有技术通过反应器设计等，虽可获得反应器内较高的光 强分布，但多采用恒定照度光源的方式，这使得在培养初期，藻细胞浓度较低时，光强过高 而使光利用率下降，甚至可能超过藻细胞承受范围而影响正常增殖。而在培养到高浓度时， 光强又不能满足微藻生长的要求而限制微藻生产和藻浓度的进一步增加。同时这些反应器 大部分都是全混流的反应器，采取连续稳定的培养方式时，为得到浓度较高的细胞液，反应 器也必须以高细胞浓度运行，因而需要较高的光照强度，造成光能利用率的降低。 分段培养、根据藻细胞浓度不同而调整光源强度，是解决该问题的一个技术途径。 如国际专利W02012016208报道了一种采用多段培养的方式，采用了两个光强不同的反应 器，微藻先后在两反应器中分段培养，根据每个反应器中藻浓度调整光照和培养时间，以获 得较高的光利用率。但是，在一个反应器光程位置不同，光强差异也很大(光强基本随光程 增加呈指数的衰减)，如能在一个反应器中，根据光程不同而调整藻细胞的培养浓度，使光 照强度和藻细胞浓度更加匹配，则会进一步提高光利用率。 除了光照外，藻细胞生长的不同阶段，所需要的通气量等流体力学条件也不相同， 因此根据细胞和光照条件，同时调整通气量，使反应器为细胞生长提供最优的流体力学条 件，也是提高细胞产率和光利用率的途径之一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在一个反应器内实现梯度光照，构建光照强度不同的 区域的光生物反应器，并相应地以不同细胞浓度藻液进行培养，以及匹配相应的通气量；将 该反应器用于微藻的连续或批式培养，特别是连续培养，基于此反应器提出优化的培养工 艺，以提高光能转换利用率和藻细胞产率。 本专利技术的目的是通过下面的技术方案实现的： 如图1?3,本专利技术梯度光照的光生物反应器由箱体1、隔板2、光源腔室3、光源4、 气体分布器5、溢流堰6、溢流管7、溢流口 8、气体出口 9和排液口 10组成。隔板将反应器 箱体分隔成体积不同、光照强度不同的3种隔室--隔室I、隔室II和隔室III，每组反应 器由一组对称的隔室I、一组对称的隔室II和一个隔室III构成。一对隔室II位于反应器 内靠近外壁的两侧，隔室III位于反应器中心，一对隔室I位于隔室II和隔室III之间，由 隔板2围成。 如上所述的梯度光照的光生物反应器，其中隔室I内中心位置设置光源腔室3,将 隔室I分隔成环形，光源腔室3中安装光源4。隔室I顶部和底部分别设有气体出口 9和排 液口 10。 如上所述的梯度光照的光生物反应器，隔室I顶部设有溢流堰6、溢流管7,开有溢 流口 8 ;溢流堰将隔室III与隔室II分隔，隔室III中的液体通过溢流管溢流至隔室II下 部；隔室II内液体可由溢流口 8流入隔室I。 如上所述的梯度光照的光生物反应器，三类隔室底部均安装有气体分布器5,隔室 I中气体分布器安装在靠近隔室II的一侧。其他隔室中气体分布器均安装在底部中轴线 上。 如上所述的梯度光照的光生物反应器，箱体、隔板、光源腔室均由透明材料制成， 包括但不限于有机玻璃、玻璃和透明硬塑料；隔室II外侧接受太阳光照射。 如上所述的梯度光照的光生物反应器，其具有如下结构特征：隔室I的单侧宽度w 为10?16cm，隔室II的宽度为0. 8?1. 2w，隔室III的宽度为1. 5?2w，隔室I的高度为 5?8w ;光源腔室宽度为0. 5?1. 2w，腔室顶端距隔室I顶部10?20cm，腔室最低点距隔 室I底部3?8cm。反应器箱体高度比隔室I的高度高10?20cm。隔室I顶部溢流堰高 5?20cm，溢流管在隔室II中一端的开口距隔室II底部为2?4w。 如上所述的梯度光照的光生物反应器，其长度可根据培养所需的体积确定，但每 隔1?2m设一个溢流管、溢流口、气体出口及排料口。隔室I中每lm长度内设气体分布器 3?5个，隔室II中每lm长度内设气体分布器2?本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种梯度光照的光生物反应器，由箱体、隔板、光源腔室、光源、气体分布器、溢流堰、溢流管、溢流口、气体出口和排液口组成，其特征在于：1）隔板将反应器箱体分隔成光照强度不同的3种隔室——隔室I、隔室II和隔室III，每个箱体内包括两个对称的隔室I、两个对称的隔室II和一个隔室III，一对隔室II位于反应器箱体内靠近外壁的两侧，隔室III位于反应器箱体中心，一对隔室I位于隔室II和隔室III之间；2）隔室I内中心设置光源腔室，使隔室I内为环形结构，光源腔室中安装光源；隔室I顶部和底部分别设有气体出口和排液口；3）3种隔室底部均安装气体分布器，隔室I中气体分布器安装在靠近隔室II的一侧，其他隔室中分布器均安装在底部中轴线上；4）隔室I顶部设有溢流堰、溢流管，开有溢流口；隔室III中液体通过溢流管流至隔室II下部；隔室II内液体可由溢流口流入隔室I，溢流堰将隔室III与隔室II分隔；5）箱体、隔板、光源腔室均由透明材料制成；隔室II外侧接受太阳光照射。

【技术特征摘要】
1. 一种梯度光照的光生物反应器，由箱体、隔板、光源腔室、光源、气体分布器、溢流堰、 溢流管、溢流口、气体出口和排液口组成，其特征在于： 1) 隔板将反应器箱体分隔成光照强度不同的3种隔室--隔室I、隔室II和隔室III， 每个箱体内包括两个对称的隔室I、两个对称的隔室II和一个隔室III，一对隔室II位于 反应器箱体内靠近外壁的两侧，隔室III位于反应器箱体中心，一对隔室I位于隔室II和 隔室III之间； 2) 隔室I内中心设置光源腔室，使隔室I内为环形结构，光源腔室中安装光源；隔室I 顶部和底部分别设有气体出口和排液口； 3) 3种隔室底部均安装气体分布器，隔室I中气体分布器安装在靠近隔室II的一侧， 其他隔室中分布器均安装在底部中轴线上； 4) 隔室I顶部设有溢流堰、溢流管，开有溢流口；隔室III中液体通过溢流管流至隔室 II下部；隔室II内液体可由溢流口流入隔室I，溢流堰将隔室III与隔室II分隔； 5) 箱体、隔板、光源腔室均由透明材料制成；隔室II外侧接受太阳光照射。2. 如权利要求1所述的一种梯度光照的光生物反应器，其特征在于： 1) 隔室I的单侧宽度w为10?16cm，隔室II的宽度为0. 8?1. 2w，隔室III的宽度为 1. 5?2w，隔室I高度为5?8w ;光源腔室宽度为0. 5?lw，腔室顶端距隔室I顶部10? 20cm，腔室最低点距隔室I底部3?8cm，反应器箱体高度比隔室I的高度高10?30cm， 隔室I顶部溢流堰高度为5?20cm，溢流管在隔室II中一端的开口距隔室II底部为2? 4w ； 2) 反应器的总长度根据培养所需的体积确定，但每隔1?2m设一个溢流管、溢流口、 气体出口及排料口，隔室I和隔室III中每lm长度内设气体分布器3?5个，隔室II中每 lm长度内设气体分布器2?3个，气...

【专利技术属性】
技术研发人员：何皓，蒋国强，齐泮仑，于常军，孙洪磊，王桂伟，李建忠，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11