[实用新型]微藻培养用光生物反应器

说明书

本实用新型公开了一种微藻培养用光生物反应器，包括：光生物反应器本体；通气及气液混合装置设置在所述光生物反应器主体底部；导流装置悬挂设置在所述光生物反应器主体内部，将所述光生物反应器主体内部分为光区和暗区，导流装置用于促进液体循环及气液传质；光源，设置在所述光生物反应器主体外周；搅拌及轴向流动推进装置包括上部搅拌桨和下部搅拌桨，所述下部搅拌桨用于提供涡流以实现气液交换、二氧化碳传质及氧气的解析，所述上部搅拌桨用于促进藻液在光区和暗区间的穿梭循环。本实用新型结构简单，操作方便，针对不同种类的微藻培养均能显著提高光能的利用效率，可以广泛应用于微藻的规模化放大培养中。

技术领域

本实用新型涉及微藻培养领域，尤其涉及一种微藻培养用光生物反应器。

背景技术

微藻富含蛋白质、不饱和脂肪酸、藻多糖、β-胡萝卜素、多种微量元素(如Cu,Fe,Se,Mn,Zn等)、维生素等高价值的营养成分，在饲料、食品、医药等领域应用广泛。目前，在可再生能源、环境治理等新兴领域也发挥着越来越重要的作用。

微藻生物技术应用的基础在于微藻的低成本与规模化培养，而微藻规模化培养的核心是光生物反应器，目前主要有开放式培养装置和封闭式光生物反应器两种。开放式培养是最古老也是应用最为普遍的一种方式，目前世界各国尤其是我国仍然将其作为微藻工业化培养的主要方式。其中以跑道式培养池、圆形培养池最为常见。该培养方式的主要优点是构造简单、成本低廉及操作简便。缺点是光能利用率低，受外界环境因素(温度、光照等气候条件)的影响大，易被污染，水分蒸发大，生产效率低。

封闭式光生物反应器有多种形式，如柱式、管式和平板式。相比于开放式培养，封闭式培养受外界环境影响较小，不容易受污染，节约水资源，培养密度相对较高，采收成本低，缺点是投资成本高、升温或降温等所造成能耗较大。为了克服封闭式培养成本高的缺陷，一方面需要降低培养所需的材料、能耗成本；另一方面需要大幅度提高藻液中的细胞密度和产率。虽然封闭式培养的产率要高于开放式培养，但是微藻的光能利用率仍然很低。设法提高微藻细胞对光能的利用率是提高产率、降低成本的重要途径。

对于光合自养型的微藻，光照是生长及产物积累的必要条件，而且微藻生长需要一定强度的光照(光补偿点)及持续时间，否则会出现光限制现象，即由于光强及光照时间的不足导致微藻的生长受到限制，严重时可导致微藻细胞的死亡。光照强度超过光补偿点后，随着光照强度增强，光合速率逐渐提高，这时光合强度就超过呼吸强度，藻细胞分裂并积累干物质。但达到一定值后，再增加光照强度，光合速率却不再增加，此即光饱和现象。光照强度继续增强，则会出现光抑制的现象，藻细胞会由于细胞色素捕获的过多的光子无法淬灭导致光氧化而出现生长抑制直至死亡等现象。因此光生物反应器的核心在于使得微藻细胞处于合适的光照强度及时间的区间范围内。

由于藻细胞间的自遮挡效应，在光生物反应器内的藻液中，沿着光照方向有着严重的光衰减现象。达到一定的细胞密度时，光线在藻液内传播会迅速衰减，光的穿透距离(光径)为几毫米至几厘米不等。光生物反应器内事实上可分为靠近光照一侧内壁面的光区与之外的暗区两部分。当微藻细胞在光生物反应器的光区与暗区之间来回穿梭，使得微藻细胞及时回到光区再次接受光照，这样才能使进入光生物反应器的光量子被充分利用。因此通过使微藻细胞在光区与暗区之间高频率来回穿梭，可以提高总体的光能利用率和微藻细胞的产量。因此促进藻细胞在光生物反应器内的光暗区之间的有序循环极其重要。

然而，在常规的光生物反应器中，藻细胞长时间处于光区或暗区，无法实现在光区与暗区之间的有序循环，藻细胞长时间位于光区会产生光抑制甚至光损伤，而距光区较远的藻细胞却长时间处于光限制状态，使得光能利用率不高。

另一方面，藻液当中的气液交换非常重要，光合作用吸收二氧化碳并释放氧气，微藻细胞的呼吸作用则反之。这些都要求藻液与外部空气之间的充分交换。此外藻液当中的无机营养元素的吸收及细胞代谢废物的外排也要求藻液进行充分的混合。由于藻细胞通常比水略重，良好的混合也能避免藻细胞的沉降及由此引发的生长受阻的状况。

实用新型内容