[发明专利]套管式光生物反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种微藻培养技术中的生物反应器，尤其涉及一种有内置曝气管的可增强反应器中气液传质和光能利用率的封闭式连续培养装置。

背景技术

现阶段微藻能源的发展成为解决能源问题的一个方向，微藻与其他植物相比具有更高的生长效率、更快的生长周期和CO₂固定能力。在合成油脂方面，微藻具有光合作用效率高、含油量高、生长周期短、油脂面积产率高等优点，高等植物种子脂肪酸含量为干重的15％-20％，而在一些藻类中大多含有30％～50％左右脂类，有的甚至高达85％。在固定CO₂方面，微藻在光自养培养过程中可固定大量CO₂，地球上生物每年通过光合作用可固定8×10¹⁰t碳，生产14.6×10¹⁰t生物质，其中一半以上应归功于藻类光合作用。

为了达到优化微藻培养效率的目的，需要适合大规模培养的封闭式培养系统，进而对大规模培养过程中的环境参数进行良好的控制。目前，用于微藻培养的光生物反应器大致分成四类：跑道池、板式光生物反应器、柱式光生物反应器和管式光生物反应器，其各自的优缺点比较如下表所示。

由于，管式光生物反应器具有较高的光照体表面积比，以及简单的水力循环系统，微藻产量高，投入较少，所以管式光生物反应器最适合用于微藻扩大化培养的光生物反应器。但是传统管式光生物反应器还存在CO₂补充不及时、气液混合效果差、溶解氧(DO)容易积累、扩大管径会造成光照效率低等缺点，这些缺点从一定程度上制约着管式光生物反应系统的进一步扩大化。

因此，如何能够加强CO₂在藻液中的扩散、藻液中溶解氧的交换和去除、光衰减和光抑制的预防、藻液的循环与混合，提高微藻培养效率，进一步扩大化培养，是微藻能源领域的核心问题之一。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种套管式光生物反应器，用以克服传统光生物反应器的缺点和不足，可以增强气液混合、调节pH、及时补充CO₂和排除溶氧(DO)、提高大管径反应器的光照效率；可用于高效的培养微藻、生产相关产品或提供水产养殖饵料等大规模培养。

为了解决上述技术问题，本发明套管式光生物反应器予以实现的技术方案是：包括管件和分别设置在所述管件两端的法兰，其中，一端法兰上设有进液管，另一端法兰上设有出液管，所述管件为一透明套管，包括透明外管和设置在所述透明外管内、且与透明外管同轴布置的一透明曝气管；所述透明外管的顶部设有排气管，所述透明曝气管的管壁上沿轴向设有一排曝气孔，所述透明曝气管的一端设有进气管。

进一步讲，本发明套管式光生物反应器，其中，所述透明外管和所述透明曝气管的两端均与设置在两端的法兰密封。

所述透明外管的外径为50～300mm，所述透明曝气管的外径为30～200mm，所述透明外管的外径至所述透明曝气管的内径之间的径向厚度为5～15mm。

所述曝气孔位于透明曝气管斜下方的管壁上，所述曝气孔的孔径为0.5-4mm，优选的孔径为1mm，其开孔方向优选为背光斜下角30°～60°，最优选为背光斜下角45°，所述曝气孔的开孔间距为20mm，所述曝气孔也可以采取非等距布置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过内置的透明曝气管2，如图2-1和图2-2所示，与传统管式光生物反应器相比增加了有利生长区10占总生长区的比例，减弱了增加管径带来的光衰减现象，使通过增加管径来扩大化培养成为可能。同时，如图3所示，光照方向如F所示，背光面的曝气孔7喷出的气泡11，由于浮力作用向上流动，带动背光区微藻和向光区微藻的循环流动，如液体流向Q所示，使藻细胞处于一种光暗交替的状态。不同的光暗比和循环周期可以通过调节套管的内外管径、气体流速、曝气孔7的开孔大小、开孔密度、开孔位置来获得，从而精确的控制每个藻细胞的光照环境，解决了光衰减和光抑制的矛盾，提高了光能利用率。

2)如图3所示，本发明通过曝气孔7喷射出富含CO₂的气泡11，分散到藻液中，可以随时为藻细胞的光合作用提供充足的CO₂，大大提高了光合作用的效率。同时，可以根据pH传感器的反馈信息，通过调节透明曝气管2进气管5的进气流量和CO₂的浓度来调节藻液中pH值，从而防止随着管长的增加造成的pH升高现象，使藻细胞处于最适合生长的pH范围，提高生长率。