[发明专利]一种实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器

说明书

技术领域

本发明涉及光生物反应器，特别涉及一种实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器。

背景技术

微藻具有重要的开发利用价值，被广泛应用在生物制药、营养品、保健品、生物肥料、天然食品加工、生物饵料、污水处理和可再生能源生产等方面。随着全球石化能源的日益枯竭和环境的恶化，微藻作为一种潜在的可再生能源生产者，更加受到各国科学家的关注。

目前已实现产业化的微藻种类相对较少，主要有螺旋藻、盐藻、雨生红球藻、柯氏隐甲藻和小球藻等，突破微藻的低成本高密度培养技术，是实现其产业化的关键。微藻可通过类似于微生物发酵的方式，在光生物反应器中进行培养，因此一种高效的光生物反应器是实现微藻规模化培养的关键设备。

用于微藻培养的光生物反应器主要有开放式和封闭式两种类型。封闭式光生物反应器具有不易污染、培养条件易于控制、比表面积高、光能和CO₂利用率较高等优点，但其投资和操作成本大、规模放大困难，限制了它在微藻规模化培养中的广泛应用。敞开式光生物反应器具有结构简单、放大容易和成本低等优点，已普遍应用于微藻的大规模培养中。

最典型的开放式培养系统是由Oswald(1969)设计的跑道池光生物反应器，该反应器以自然光为光源，依靠桨轮的转动，使培养液在池内混合、循环，防止藻细胞沉淀并提高其光能利用率。通常情况下，跑道池光生物反应器是由水泥砌成且内表面光滑的椭圆形浅池。常见的跑道池仅有一条弯道，也有公司为了增加培养体积，将跑道池改为多条弯道，多弯道会减缓跑道池水流动速度，影响藻液的循环。跑道池中培养液的深度一般为15-25cm，池高约40-50cm。池底通常具有一定坡度(100米的跑道池，落差为10厘米)，以方便跑道池的清洗。

跑道池是目前国际上使用最广泛的微藻培养系统，采用跑道池光生物反应器的国外公司有：美国PetroSun公司、美国Aurora BioFuels公司、美国PetroAlgae公司、美国Cyanotech公司、美国Cellana公司、墨西哥BioFields公司、新西兰Aquaflow Bionomic公司、以色列Seambiotc公司、英国AlgaeVS公司等；国内公司有：荆州虾青素有限公司、洋浦绿地能源科技有限公司、内蒙古金骄集团、云南绿A生物工程有限公司、嘉兴大祺生物能源有限公司、东营大振生物工程有限公司、北海市康源生物工程有限责任公司、福建省神六保健食品有限公司、江门粤健生物工程有限公司、海南迪爱生(DIC)微藻有限公司、云南麟珑微藻养殖有限公司等。

跑道池微藻培养系统虽被研究机构和公司广泛采用，但其生产效率普遍较低，通常情况下，养殖的生物量浓度仅有1.0g·L^-1左右，与高密度培养相距甚远，并且较低的细胞密度会导致采收成本大幅增加。针对传统跑道池光生物反应器的诸多缺点，丛威等的“用于大规模培养微藻的低落差开放池及其使用方法和用途”(中国专利，CN101948740A)对现行跑道池进行改进，将“落差效应”引入反应器设计中，实现微藻的浅层均匀培养，提高了藻细胞密度、降低水体驱动能耗。蔡志武的“一种产业化培养微藻的生产装置”(中国专利，CN201245640Y)，该培养装置的主体为跑道池式结构(不具备搅拌桨)，其通过鼓气的方式实现藻液的循环，开放池用塑料薄膜完全覆盖，该反应器结合开放式与封闭式光生物反应器各自优点，作者称可实现产油微藻规模化培养。

上述改进方案虽然在一定程度提高了跑道池光生物反应器的生产效率，但它并未解决影响跑道池光生物反应器生产效率的核心技术问题，如比表面积小、光能和CO₂利用率低、易污染、循环差、环境控制能力差(温度、光照、pH)等。本发明专利针对上述技术问题，提出一种新型组合开放式光生物反应器的设计方案，用以实现微藻的低成本高密度培养。

总体上看，目前科研机构和企业所采用的传统跑道池光生物反应器，其在技术上存在诸多缺点：

(1)利用传统跑道池光生物反应器培养微藻时，光线难以穿透15-30cm的液层，特别是随着藻细胞密度的增加，光线的穿透能力变得更弱，致使培养液下层的藻细胞无法接受充足的光照，其生长受到抑制；

(2)传统跑道池光生物反应器较难实现有效控温，高温季节时，利用水冷或风冷的方式冷却藻液，能耗巨大，且存在地区限制(低温海水)，低温季节和雨季难以进行养殖；

(3)传统跑道池光生物反应器在生产过程中，容易污染其他杂藻、细菌、真菌、原生动物或病毒等，严重时会引起养殖失败；