專利名稱：一種系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微藻生物工程技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
微藻作為一種重要的可再生資源，具有分布廣泛、生物量大、光合作用效率高、環(huán)境 適應(yīng)能力強(qiáng)、生長(zhǎng)周期短、產(chǎn)量高等突出特點(diǎn)。微藻的進(jìn)一步開發(fā)利用，將提供新的資源， 如微藻蛋白、生物柴油或水產(chǎn)餌料等。
但是，自然界中的微藻資源分布廣，種類多。微藻資源的開發(fā)，需要單種化、系統(tǒng)化 進(jìn)行。目前，微藻資源開發(fā)主要采用光生物反應(yīng)器進(jìn)行。
光生物反應(yīng)器有圓柱狀光生物反應(yīng)器、長(zhǎng)方體光生物反應(yīng)器、立方體光生物反應(yīng)器、 球冠體光生物反應(yīng)器、球體光生物反應(yīng)器、螺旋管道光生物反應(yīng)器、平行管道光生物反應(yīng) 器、跑道式光生物反應(yīng)器等。但是，由于這些反應(yīng)器的規(guī)模小、體積有限，比表面積小， 占地面積廣，氣體交換不充分，利用率低，在培養(yǎng)過程中溫度、pH值、溶解氧、培養(yǎng)基濃 度、光照強(qiáng)度等參數(shù)難以實(shí)時(shí)調(diào)控，不能給微藻生長(zhǎng)代謝提供適宜條件。
因此，在保障有效增大反應(yīng)器體積的前提下，如何控制表面積、透光率、氣體解析、 溫度、光強(qiáng)度、pH值、溶解氧、培養(yǎng)基濃度，如何提高生物量，提高培養(yǎng)效率，成為微藻 生物工程技術(shù)的核心技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器，能夠解決培養(yǎng)過程中比表 面積、透光率、氣體解析、溫度、光強(qiáng)度、pH值、溶解氧、培養(yǎng)基濃度等關(guān)鍵的技術(shù)問題。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器由管 道組、閥門、條件控制器、貯液罐和控制臺(tái)構(gòu)成；管道組包括并聯(lián)平行管道組、進(jìn)氣管、 微孔管道、培養(yǎng)基管、排氣管；并聯(lián)平行管道一端與管道泵相連，另一端與貯液罐相連， 管道泵與貯液罐進(jìn)料管相連，在管道泵與貯液罐間連接卸料管，貯液罐內(nèi)安裝盤狀微孔管， 微孔管在與進(jìn)氣管相連，另一端與過濾空氣管道連接；培養(yǎng)基管位于貯液罐進(jìn)口處；閥門 包含進(jìn)氣閥、氣體止回閥、緊急開關(guān)、出料閥關(guān)、取樣閥、卸料閥、排污閥；卸料閥位于管道泵后方，在管道泵與并聯(lián)平行管道間安裝排污閥，并聯(lián)平行管道組的末端設(shè)置有排氣 閥，在并聯(lián)平行的管道上方安裝水霧噴霧閥，在貯液罐的底部與并聯(lián)平行的管道間安裝出 料閥和取樣閥，在貯液罐進(jìn)口處安裝培養(yǎng)基管閥；條件控制器包含溫度傳感器、pH值傳感 器、光照傳感器、冷熱交換器、管道泵、液位傳感器、支架、照明設(shè)施；溫度傳感器、pH 值傳感器、冷熱交換器、液位傳感器都安裝在貯液罐內(nèi)，照明設(shè)施安裝管道組左右兩側(cè)， 貯液罐位于并聯(lián)平行管道組的最上方，罐口處設(shè)置有培養(yǎng)基管、進(jìn)氣管、氣體止回閥；底 部中心點(diǎn)設(shè)置出料管，取樣閥，出料管直接與并聯(lián)平行管道組最上方管道相連；控制臺(tái)位 于貯液罐下方，作為所有傳感器的信號(hào)收集與發(fā)射的中心。
所述的并聯(lián)平行管道組至少由兩套以上并聯(lián)平行管道構(gòu)成。在并聯(lián)平行管道兩端安裝 緊急開關(guān)。并聯(lián)平行管道表面安裝光照傳感器，根據(jù)光照強(qiáng)弱啟動(dòng)或關(guān)閉水霧噴淋器、光 照設(shè)備，給微藻提供適宜光強(qiáng)度。
貯液罐內(nèi)通入的氣體為過濾空氣，根據(jù)pH值傳感器的信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)大小，使pH值維 持在規(guī)定的范圍內(nèi)。
所述的貯液罐內(nèi)底部安裝的盤狀微孔管，進(jìn)入罐內(nèi)的氣體通過微孔管道，分為直徑微 小的氣泡，小氣泡增加氣體的表面積和與液體間的溶解度，有效提高氣體的利用率。貯液 罐內(nèi)還設(shè)置液位報(bào)警器，控制整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的容量。
所述的冷熱交換器根據(jù)貯液罐內(nèi)溫度傳感器信號(hào)啟動(dòng)或關(guān)閉，維持液體溫度在規(guī)定范圍。
所述的反應(yīng)器的卸料管位于反應(yīng)器的最底層，管道由開關(guān)控制。
所述的管道泵通過變頻器來控制液體的流量，既不使微藻細(xì)胞沉于管壁，又不會(huì)打傷 微藻細(xì)胞。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明反應(yīng)器在運(yùn)行過程中，培養(yǎng)液體自然向下流淌到管道組后，管道內(nèi)原液體 己被泵抽走，流速自動(dòng)加快，對(duì)管道壁壓力減少，管道不易破裂，降低泵的壓力，泵體不 易發(fā)熱、燒壞，生產(chǎn)成本得到有效節(jié)約。
2、 本發(fā)明的反應(yīng)器為兩套以上并聯(lián)平行管道，反應(yīng)器可以放大到幾噸到幾百噸，可 以有效利用立體空間，減少占地面積，光表面積是其它反應(yīng)器的10倍以上。
3、 本發(fā)明的管道設(shè)置為相互錯(cuò)位并聯(lián)平行，管道間無相互遮光現(xiàn)象發(fā)生，培養(yǎng)過程 中給藻細(xì)胞提供充足光源。4、 本發(fā)明的反應(yīng)器在運(yùn)用過程中藻細(xì)胞光合作用消耗空氣中的二氧化碳，產(chǎn)生了氧 氣， 一定程度上減少溫室效應(yīng)，保護(hù)環(huán)境。
5、 本發(fā)明反應(yīng)器的溫度、光照、pH值等運(yùn)用傳感信號(hào)，可以自動(dòng)調(diào)控到最佳的培養(yǎng)
條件，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約人力資本。
6、 本發(fā)明的并聯(lián)平行管道組設(shè)置有緊急開關(guān)，可以在特殊情況下(如管壁破裂、接 頭泄露時(shí))通過關(guān)閉緊急開關(guān)，可以避免上方的反應(yīng)器組繼續(xù)泄露。
7、 本發(fā)明反應(yīng)器的水霧噴淋裝置，既能降溫，又能遮光，起到雙重作用。
8、 本發(fā)明反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)消毒，避免死角，消除管壁內(nèi)氣泡，降低污染，提高 成功率。
9、 本發(fā)明擺脫了卸料對(duì)管道泵的依賴，利用地球引力，自動(dòng)卸料，降低成本。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，l一卸料閥；2 —排污闊；3 —培養(yǎng)基管閥；4一緊急開關(guān)；5 —取樣閥；6 —進(jìn)氣 閥；7—出料閥；8 —排氣閥；9一氣體止回閥；IO —水噴霧閥；ll一管道泵；12_并聯(lián)平 行管道組；13 —進(jìn)料管；14一卸料管；15 —進(jìn)氣管；16 —排氣管；17 —微孔管；18 —培養(yǎng) 基管；19一光照傳感器；20 —貯液罐；21—pH值傳感器；22 —溫度傳感器；23 —冷熱交換
器；24—液位傳感器；25 —控制臺(tái)；26—支架；27 —照明設(shè)施。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器，該反應(yīng)器為管道組、闊門、條件控制器、
貯液罐和控制臺(tái)構(gòu)成，管道組包括并聯(lián)平行管組12、進(jìn)氣管15、微孔管道n、培養(yǎng)基管
18、排氣管16;并聯(lián)平行管道12—端與管道泵11相連，另一端與貯液罐20相連，管道 泵11與貯液罐20進(jìn)料管13相連；在管道泵11與貯液罐20間連接卸料管14;貯液罐20 內(nèi)安裝盤狀微孔管17，微孔管17再與進(jìn)氣管15相連，另一端與過濾空氣管道連接；培養(yǎng) 基管18和位于貯液罐20進(jìn)口處。閥門包含進(jìn)氣閥6、氣體止回閥9、緊急開關(guān)4、出料閥 7、取樣閥5、卸料閥1、排污閥2;卸料閥1位于管道泵11后方，在管道泵11與并聯(lián)平 行管道12間安裝排污閥2，并聯(lián)平行管道組12的末端設(shè)置有排氣閥8，在并聯(lián)平行的管 道12上方安裝水霧噴霧閥10，在并聯(lián)平行管道12兩端安裝緊急開關(guān)4，在貯液罐20的 底部與并聯(lián)平行的管道12間安裝出料閥7、取樣閥5，在貯液罐20進(jìn)口處安裝培養(yǎng)基管 閥3。條件控制器包含溫度傳感器22、 pH值傳感器21、光照傳感器19、冷熱交換器23、 管道泵11、液位傳感器24、照明設(shè)施27。溫度傳感器22、 pH值傳感器21、冷熱交換器23、液 位傳感器24都安裝在貯液罐20內(nèi)，照明設(shè)施27安裝管道組12左右兩側(cè)；支架26支撐 管道組12;控制臺(tái)25為位于貯液罐20下方，為所有傳感器的信號(hào)收集與發(fā)射的中心。
以上所述的溫度傳感器22、 pH值傳感器21、光照傳感器19、冷熱交換器23、管道泵 11、液位傳感器24、照明設(shè)施27，以及管道泵ll、緊急開關(guān)4和所有閥門等均為現(xiàn)有技 術(shù)產(chǎn)品。
例如5噸系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器，在長(zhǎng)40m、寬lm的場(chǎng)地內(nèi)，按照?qǐng)D1 方式設(shè)計(jì)光生物反應(yīng)器。
首先在場(chǎng)地上安裝管道支架，每?jī)蓚€(gè)支架間距為1.5m，支架焊接U型卡槽20對(duì)，將 透明的并聯(lián)平行管道(DN63)安裝到卡槽內(nèi)，每5根管道為一個(gè)并聯(lián)單位，管道末端用U 型管道連接，首端每5根管道頭為一個(gè)單位與上方的另5根管道頭相互串連，每根管道的 首尾安裝有緊急開關(guān)4;并聯(lián)平行管道12上方安裝光照傳感器19和水霧噴淋器10;在管 道首端與貯液罐間安裝管道泵ll、卸料閥l、排污閥2，貯液罐內(nèi)安裝溫度傳感器22、 pH 值傳感器21、冷熱交換器23、微孔管道17、液位報(bào)警器24。每5根并聯(lián)平行管道為一個(gè) 反應(yīng)器單元，每個(gè)單元工作體積為1.25噸，整個(gè)系統(tǒng)分為4個(gè)單元，總工作體積為5噸， 光表面積為385平方米。
管道反應(yīng)器安裝完畢后，進(jìn)行徹底消毒處理，消毒方式為傳統(tǒng)的化學(xué)處理，在經(jīng)過鹽 酸、次氯酸鈉、高錳酸鉀、臭氧等反復(fù)進(jìn)行消毒，最后用消毒過的無菌水將管道反應(yīng)器沖 洗干凈。
利用上述反應(yīng)器系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻(以紅球藻為代表)的具體過程如下
(1) 分別關(guān)閉卸料閥1、排污閥2。然后依次打開培養(yǎng)基閥3、罐體的出料閥7、并 聯(lián)平行管道組兩端的緊急開關(guān)4，并聯(lián)平行管道組最上端的排氣閥8，將無污染的紅球藻 培養(yǎng)液經(jīng)過培養(yǎng)基管道18進(jìn)入貯液罐20，在進(jìn)入各并聯(lián)平行管道組12。
(2) 每一組并聯(lián)平行管道12內(nèi)培養(yǎng)液達(dá)到體積后，管道內(nèi)空氣通過排氣閥8排盡； 當(dāng)IC液罐20內(nèi)的液體體積達(dá)規(guī)定容積后關(guān)閉培養(yǎng)基。
(3) 將無污染的藻種通過培養(yǎng)基管自動(dòng)接入貯液罐20內(nèi)；接完藻種后用無菌培養(yǎng)基 沖洗管道，將藻種管道內(nèi)殘余的藻種藻液充分沖入罐內(nèi)。
(4) 打開變頻器，啟動(dòng)管道泵11，并聯(lián)平行管道組12內(nèi)培養(yǎng)藻液通過進(jìn)料管13，進(jìn) 入到貯液罐20內(nèi)，罐內(nèi)的培養(yǎng)液通過罐底的出料管自動(dòng)回補(bǔ)給并聯(lián)平行管道組12，這樣 就形成一個(gè)循環(huán)。(5) 打開進(jìn)氣閥6，把空氣通入進(jìn)氣管15，再進(jìn)入盤狀微孔管道17，空氣形成微泡 后充分溶解在培養(yǎng)液體內(nèi)，溶解的二氧化碳形成碳酸，并開始調(diào)節(jié)藻液的pH值，未溶解
的二氧化碳與藻細(xì)胞光合作用產(chǎn)生的氧氣進(jìn)行交換，促進(jìn)光合作用；氣泡在上升的過程中 帶動(dòng)藻液不斷流動(dòng)，發(fā)揮攪拌、混勻，使藻細(xì)胞獲得均勻光線；同時(shí)可避免貯液罐20內(nèi)、 并聯(lián)平行管道12內(nèi)存在死角，降低光抑制現(xiàn)象和光不足問題的發(fā)生，充氣量大小通過進(jìn) 氣閥6調(diào)節(jié)。最后解析出的氧氣、空氣通過貯液罐20頂?shù)臍怏w止回閥9排到大氣中。
(6) 在培養(yǎng)過程中，若溫度過高、光照過強(qiáng)，光照傳感器19、溫度傳感器22發(fā)出警 報(bào)，同時(shí)并聯(lián)平行管道12上方的水霧噴淋閥10會(huì)自動(dòng)打開，進(jìn)行噴霧降溫，減弱光照； 若光照過低，并聯(lián)平行管道旁的光照設(shè)施27自動(dòng)啟動(dòng)，進(jìn)行補(bǔ)光照。若溫度過低，溫度 傳感器22發(fā)警報(bào)，貯液罐20內(nèi)的冷熱交換器23自動(dòng)啟動(dòng)，進(jìn)行加溫。
(7) 在培養(yǎng)過程中，隨著藻細(xì)胞密度的增大，培養(yǎng)液的pH會(huì)隨著升高，到達(dá)最高點(diǎn) 后，pH值傳感器21報(bào)警，空氣通入量就會(huì)增加，更多的二氧化碳就進(jìn)入藻液調(diào)節(jié)pH值， 使pH值維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。
(8) 在培養(yǎng)過程中，若發(fā)生管道破裂、連接點(diǎn)泄漏時(shí)，液位傳感器24就報(bào)警，應(yīng)立 即關(guān)閉緊急開關(guān)4，避免上方管道內(nèi)藻液泄漏。
(9) 在培養(yǎng)過程中，必須進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)藻細(xì)胞的形狀、大小、顏色、密度、增值速 率等參數(shù)，用專用取樣器，在取樣閥5處取樣。
(10) 經(jīng)過一段時(shí)間的培養(yǎng)后，整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)藻液細(xì)胞密度達(dá)到收獲的密度，即可以 進(jìn)行藻液收獲，收獲時(shí)，停止管道泵ll，關(guān)閉進(jìn)氣閥6，打開并聯(lián)平行管道組底部卸料閥 1，待管道內(nèi)藻液流盡后，再用無菌水沖刷殘留的藻液，保持整個(gè)反應(yīng)器干凈，無污染。
(11) 用一定濃度的消毒液浸泡并聯(lián)平行管道組12、貯液罐20、各個(gè)控制參數(shù)探頭、 閥門，開啟管道泵ll，進(jìn)行循環(huán)消毒，避免管道內(nèi)死角或氣泡的影響。經(jīng)過一定時(shí)間消毒 后，全部消毒液打開排污閥2，再用無菌水沖刷殘留消毒液，然后可以重新開始下一輪的 微藻細(xì)胞培養(yǎng)。
實(shí)施的結(jié)果表明本發(fā)明將并聯(lián)平行管道組和閥門有效閉合連接在一起，解決了比表面 積增大、體積幾十噸到幾百噸，占地面積小，有效利用立體空間，氣體交換更充分，利用 率增加，在培養(yǎng)過程中溫度、pH值、培養(yǎng)基濃度、光照強(qiáng)度等參數(shù)能實(shí)時(shí)調(diào)控，給微藻生 長(zhǎng)代謝提供最佳適宜條件，能有效縮短養(yǎng)殖時(shí)間，避免外界敵害生物的危害，降低生產(chǎn)成 本，該反應(yīng)器可用于連續(xù)或半連續(xù)微藻細(xì)胞培養(yǎng)，為開發(fā)微藻生物資源提供實(shí)際技術(shù)支撐， 生產(chǎn)微藻蛋白、生物柴油或水產(chǎn)餌料等產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1、一種系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器，其特征在于由管道組、閥門、條件控制器、貯液罐和控制臺(tái)構(gòu)成；管道組包括并聯(lián)平行管道組、進(jìn)氣管、微孔管道、培養(yǎng)基管、排氣管；并聯(lián)平行管道一端與管道泵相連，另一端與貯液罐相連，管道泵與貯液罐進(jìn)料管相連，在管道泵與貯液罐間連接卸料管，貯液罐內(nèi)安裝盤狀微孔管，微孔管在與進(jìn)氣管相連，另一端與過濾空氣管道連接；培養(yǎng)基管位于貯液罐進(jìn)口處；閥門包含進(jìn)氣閥、氣體止回閥、緊急開關(guān)、出料閥關(guān)、取樣閥、卸料閥、排污閥；卸料閥位于管道泵后方，在管道泵與并聯(lián)平行管道間安裝排污閥，并聯(lián)平行管道組的末端設(shè)置有排氣閥，在并聯(lián)平行的管道上方安裝水霧噴霧閥，在貯液罐的底部與并聯(lián)平行的管道間安裝出料閥和取樣閥，在貯液罐進(jìn)口處安裝培養(yǎng)基管閥；條件控制器包含溫度傳感器、pH值傳感器、光照傳感器、冷熱交換器、管道泵、液位傳感器、溫度傳感器、pH值傳感器、冷熱交換器、液位傳感器都安裝在貯液罐內(nèi)，并連接到控制臺(tái)；貯液罐罐口處設(shè)置有培養(yǎng)基管、進(jìn)氣管、氣體止回閥；底部中心點(diǎn)設(shè)置出料管和取樣閥，出料管直接與并聯(lián)平行管道組最上方管道相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器，其特征在于并聯(lián)平行 管道組至少由兩套以上的并聯(lián)平行管道構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器，其特征在于并聯(lián)平行 管道組兩端設(shè)置有緊急開關(guān)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器，其特征在于貯液罐內(nèi)通 入的氣體為過濾空氣,根據(jù)pH值傳感器的信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)大小,使pH值維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器，其特征在于反應(yīng)器中 有卸料管，位于反應(yīng)器的最底層，管道由閥門控制。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器，其特征在于貯液罐內(nèi)設(shè)置液位報(bào)警器，控制整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的容量。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器，其特征在于反應(yīng)器中 還設(shè)有照明設(shè)施，照明設(shè)施安裝于并聯(lián)平行管道組左右兩側(cè)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器，其特征在于控制臺(tái)位 于貯液罐下方，作為所有傳感器的信號(hào)收集與發(fā)射的中心。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器，其特征在于貯液罐位 于并聯(lián)平行管道組的最上方。
全文摘要
本發(fā)明是一種系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器。它包含并聯(lián)平行管道組、控制閥、pH值傳感器、溫度傳感器、光照傳感器、水霧噴淋器、液位報(bào)警器、管道泵、進(jìn)氣管、排氣管、進(jìn)料管、卸料管、培養(yǎng)基管、微孔管道、貯液罐、冷熱交換器、控制臺(tái)、支架、照明設(shè)施等。本發(fā)明將管道組、閥門有效閉合連接在一起，解決了微藻培養(yǎng)過程中體積增大的同時(shí)比表面積也可增大，占地面積小，有效利用立體空間，氣體交換更充分，利用率增加，在培養(yǎng)過程中溫度、pH值、培養(yǎng)基濃度、光照強(qiáng)度等參數(shù)能實(shí)時(shí)調(diào)控，給微藻生長(zhǎng)代謝提供最佳適宜條件，能有效縮短養(yǎng)殖時(shí)間，避免外界敵害生物的危害，降低生產(chǎn)成本，該反應(yīng)器可用于連續(xù)或半連續(xù)微藻細(xì)胞培養(yǎng)，生產(chǎn)微藻蛋白、生物柴油或水產(chǎn)餌料等產(chǎn)品。
文檔編號(hào)C12M1/42GK101654653SQ20091009502
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者劉建國, 勇 張, 梁文偉 申請(qǐng)人:云南愛爾發(fā)生物技術(shù)有限公司