多層式微藻固定化培養(yǎng)光生物反應(yīng)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多層式微藻固定化培養(yǎng)光生物反應(yīng)裝置，其特征在于：包括可透光且具有微藻培養(yǎng)載體的多個(gè)培養(yǎng)容器8和供氣系統(tǒng)A，所述供氣系統(tǒng)A通過(guò)氣管B將混合空氣通入各培養(yǎng)容器8中。氣管B連接有布?xì)夤?和進(jìn)氣管7。在微藻的培養(yǎng)過(guò)程中，微藻細(xì)胞固定于吸附材料10表面。本發(fā)明適用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置，采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要增加、減少培養(yǎng)容器8的數(shù)量，安裝、調(diào)試方便，能夠快速地安排實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中光源的明/暗周期、空氣/CO2混合器的通斷時(shí)間間隔均由電路自動(dòng)完成，維護(hù)方便。本發(fā)明采用固定化培養(yǎng)方式，對(duì)光能、養(yǎng)分和空間的利用率高，單位占地面積產(chǎn)量高，且降低了生物質(zhì)收獲難度，從而降低了微藻生物質(zhì)的生產(chǎn)成本。
【專利說(shuō)明】多層式微藻固定化培養(yǎng)光生物反應(yīng)裝置
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
本發(fā)明公開(kāi)了一種多層式微藻固定化培養(yǎng)光生物反應(yīng)裝置，涉及微藻培養(yǎng)系統(tǒng)領(lǐng)域。
[0002]【背景技術(shù)】:
世界能源危機(jī)不斷推動(dòng)新的替代能源出現(xiàn)，其中包括以微藻生物油為原料的生物柴油。微藻種類繁多、能夠進(jìn)行光合作用，并且廣泛分布于陸地和海洋之中，是制造生物柴油的理想原料。微藻能夠?qū)O2轉(zhuǎn)化成潛在的生物能源、食品、藥品以及作為飼料，被譽(yù)為“直接由太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)的生物工廠”。利用微藻能夠制造多種生物燃料，包括由微藻生物質(zhì)的厭氧消化作用產(chǎn)生的甲醇，對(duì)微藻油進(jìn)行酯基轉(zhuǎn)換所得到的生物柴油，以及通過(guò)生物光合作用產(chǎn)生的氫氣。伴隨著國(guó)際能源危機(jī)加劇，國(guó)際油價(jià)不斷飆升，以及由于大量使用傳統(tǒng)化石燃料造成的大氣中CO2含量升高，自然環(huán)境惡化等問(wèn)題，人們對(duì)于低碳、環(huán)保的新能源的需求越來(lái)越迫切。微藻的生長(zhǎng)極其迅速，24 h內(nèi)其生物質(zhì)就能夠翻倍，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期內(nèi)則只需要3.5 h。微藻的含油量能占到其干重的80%，含油量達(dá)到20-50%的也不在少數(shù)?？偠灾?，以微藻為原料制造生物柴油具有非常好的應(yīng)用前景。
[0003]微藻的培養(yǎng)可分為懸浮培養(yǎng)和固定培養(yǎng)兩種方式。懸浮培養(yǎng)是指微藻細(xì)胞在液體環(huán)境中不吸附在載體上自由生長(zhǎng)；而固定培養(yǎng)則是指微藻細(xì)胞吸附在特定載體如泡沫、海綿等的培養(yǎng)方式。因此發(fā)展出了相應(yīng)的生物反應(yīng)器系統(tǒng)。懸浮培養(yǎng)方式經(jīng)過(guò)多年研究，已經(jīng)能夠達(dá)到比較高的生物質(zhì)產(chǎn)量，但是卻存在光能效率低，放大培養(yǎng)潛力不足的問(wèn)題。
[0004]固定培養(yǎng)的發(fā)展初 衷是針對(duì)污水處理中如何快速將處理后的污水與微藻生物質(zhì)分離這一問(wèn)題，而這一概念發(fā)展至今已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾螌?shí)現(xiàn)在微藻的培養(yǎng)過(guò)程中減少收獲的難度。最具有典型代表的是Algae Turf Scrubber (ATS)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的微藻固定在載體上，培養(yǎng)液從微藻生物質(zhì)上流過(guò)；在收獲階段只須將微藻從載體上刮下即可。另外，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)大培養(yǎng)。將該系統(tǒng)同時(shí)用于產(chǎn)油微藻的培養(yǎng)已經(jīng)取得一定成果。除了 ATS系統(tǒng)，人們針對(duì)微藻吸附的載體也進(jìn)行了廣泛的研究，例如使用孔徑為0.45 μ m的纖維濾紙作為微藻吸附的載體，在戶外培養(yǎng)中獲得了 50-80 g m2 0-1的生物質(zhì)產(chǎn)量；以微藻在水泥表面形成生物膜作為培養(yǎng)方式,獲得了 96.4 kg/m2的總生物質(zhì)產(chǎn)量，含油率達(dá)到26.8%。
[0005]因此，固定培養(yǎng)以其占地面積少、收獲方便、對(duì)液體培養(yǎng)液需求量少等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為微藻研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明的目的在于提供一種用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置，該用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝靈活、維護(hù)方便，且能夠適應(yīng)微藻固定化培養(yǎng)研究中所需的各種培養(yǎng)條件，適用于在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)微藻固定化培養(yǎng)這一領(lǐng)域進(jìn)行研究。
[0007]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置，其特征在于:包括可透光且具有微藻培養(yǎng)載體的多個(gè)培養(yǎng)容器8和供氣系統(tǒng)A，所述供氣系統(tǒng)A通過(guò)氣管B將混合空氣通入各培養(yǎng)容器8中。氣管B連接有布?xì)夤?和進(jìn)氣管7。
[0008]上述培養(yǎng)容器中的培養(yǎng)載體10為對(duì)微藻細(xì)胞無(wú)毒或毒性輕微的硬質(zhì)薄板材料，其以層疊平行的方式放置在培養(yǎng)容器中，放置間距在5cm到IOcm之間。
[0009]上述培養(yǎng)載體的材料為塑料、金屬、陶瓷、高分子聚合物中的一種或幾種，厚度在2mm到5mm的范圍內(nèi)。
[0010]上述供氣系統(tǒng)A包括有空氣/CO2混合室1、輸往空氣/CO2混合室的空氣管路11和輸往空氣/CO2混合室的CO2管路12，所述空氣管路11輸入端與空氣供給裝置3相連接，所述CO2管路12輸入端與CO2供給裝置2相連接。
[0011]上述空氣管路11、C02管路12和氣管B上均設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥4和流量監(jiān)測(cè)控制單元5。
[0012]上述培養(yǎng)容器為標(biāo)量為500ml的透明玻璃燒杯。
[0013]上述各氣管(具體是進(jìn)氣管7)通入各培養(yǎng)容器的底部，所述伸入培養(yǎng)容器中氣管用于固定培養(yǎng)載體。
[0014]上述培養(yǎng)容器側(cè)部設(shè)有光源9及光源控制裝置，光源包括但不限于熒光燈、發(fā)光二極管、白熾燈；光源控制裝置為定時(shí)開(kāi)關(guān)裝置，用于對(duì)光照強(qiáng)度和時(shí)間的調(diào)節(jié)。
[0015]上述光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)范圍為60-250 ymol/m2/s ;所述光照時(shí)間的調(diào)節(jié)范圍為每天光照6-24小時(shí)。
[0016]上述空氣/CO2混合室由混合室箱體、氣泵、氣管、流量閥、時(shí)間繼電器組成；其中混合室箱體容積為5L，氣泵安裝于混合室箱體內(nèi)，由氣管連接至布?xì)夤?，并通過(guò)對(duì)流量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)控制空氣/CO2混合氣的流量；所述時(shí)間繼電器是通過(guò)控制所述氣泵的開(kāi)關(guān)對(duì)空氣/CO2混合氣的通斷時(shí)間間隔進(jìn)行控制，通/斷時(shí)間在15s/30s到15s/120s之間。
[0017]本發(fā)明用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置通過(guò)對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行模塊化處理，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要增加、減少培養(yǎng)容器8的數(shù)量，安裝、調(diào)試方便，能夠快速地安排實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中光源的明/暗周期、空氣/CO2混合器的通斷時(shí)間間隔均由電路自動(dòng)完成，維護(hù)方便。
[0018]本發(fā)明的特點(diǎn)是:反應(yīng)器裝置專門(mén)為微藻固定化培養(yǎng)領(lǐng)域的研究進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的針對(duì)性；吸附材料的層疊放置提高了對(duì)空間的利用，有利于提高反應(yīng)器裝置的單位面積產(chǎn)率；吸附材料的固定與進(jìn)氣管相結(jié)合的設(shè)計(jì)節(jié)省了反應(yīng)器裝置內(nèi)的空間，增加了培養(yǎng)液的儲(chǔ)存空間；模塊化設(shè)計(jì)使得增加和減少實(shí)驗(yàn)組數(shù)相對(duì)容易，針對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的培養(yǎng)條件(如光照、培養(yǎng)液組分、通氣量等)控制也更加容易；反應(yīng)器裝置主要由實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的器皿和常見(jiàn)的電路控制元件構(gòu)成，因此成本低廉，搭建難度低；反應(yīng)器裝置的光照循環(huán)、通氣循環(huán)等均通過(guò)自身的電路控制元件自動(dòng)完成，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所需的維護(hù)較少；在實(shí)驗(yàn)的收獲階段，只須將吸附有微藻生物質(zhì)的吸附材料從培養(yǎng)液中取出、刮下或以少量蒸餾水沖洗即可得到含水量低的微藻生物質(zhì)，方便后續(xù)的成分檢測(cè)工作。
[0019]【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
圖1是本發(fā)明的主視圖；
圖2是圖1的俯視圖；
圖3圖1的A-A剖面圖；
附圖中主要部分代表符號(hào):
1.空氣/CO2混合室；2.CO2供給裝置；3.空氣供給裝置；4.流量調(diào)節(jié)閥；5.流量監(jiān)測(cè)裝置；6.布?xì)夤埽?.進(jìn)氣管；8.培養(yǎng)容器；9.光源控制裝置；10.培養(yǎng)載體。[0020]【具體實(shí)施方式】:
為了更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明，未詳加說(shuō)明的按本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)。
[0021]本發(fā)明用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置，主要由反應(yīng)器主體(若干培養(yǎng)容器排列布置而成)、光源9及控制裝置和供氣系統(tǒng)以及配套的管路、流量閥組合而成。
[0022]反應(yīng)器主體包括培養(yǎng)容器8、培養(yǎng)載體10 ;供氣系統(tǒng)包括空氣供給裝置3、C02供給裝置2、空氣/CO2混合室1、流量監(jiān)測(cè)控制單元4，5、進(jìn)氣管7和布?xì)夤?。
[0023]培養(yǎng)容器8由若干標(biāo)量為500ml的透明玻璃燒杯排列布置而成,每個(gè)培養(yǎng)容器8內(nèi)設(shè)置一根進(jìn)氣管7，間隔放置若干層培養(yǎng)載體10。其中，進(jìn)氣管7穿過(guò)培養(yǎng)載體10中心位置，并起到固定和支撐培養(yǎng)載體的作用。進(jìn)氣管7的出口位于培養(yǎng)容器8的底部。每一根進(jìn)氣管7與布?xì)夤?之間通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥4連接，并通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥4調(diào)節(jié)各培養(yǎng)容器8的進(jìn)氣量。
[0024]光源9及控制裝置中的光源9可采用熒光燈、發(fā)光二極管、白熾燈等常用于微藻研究中的人造光源。針對(duì)光強(qiáng)的控制可通過(guò)調(diào)整光源與培養(yǎng)容器8之間的距離以及增減人造光源的數(shù)量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。針對(duì)光源明/暗時(shí)長(zhǎng)的控制采用對(duì)定時(shí)開(kāi)關(guān)的設(shè)置完成。
[0025]供氣系統(tǒng)包括空氣供給裝置3、CO2供給裝置2、空氣/CO2混合室1、流量監(jiān)測(cè)控制單元4，5、進(jìn)氣管7和布?xì)夤?。其中空氣供給裝置3采用空氣泵，通過(guò)流量監(jiān)測(cè)單元對(duì)空氣流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)流量閥對(duì)空氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。CO2供給裝置2可采用CO2發(fā)生器、CO2氣瓶中的一種或幾種，通過(guò)流量監(jiān)測(cè)單元對(duì)CO2流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)流量閥對(duì)CO2流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)調(diào)節(jié)空氣供給裝置3和CO2供給裝置2的流量閥以進(jìn)行空氣/CO2比例的調(diào)節(jié)?？諝?CCV混合室I由混合室箱體、氣泵、氣管、流量閥、時(shí)間繼電器組成；其中混合室箱體容積為5L，除空氣入口、CO2入口以及混合氣出口之外，所有其他縫隙均進(jìn)行密封處理。氣泵安裝于混合室箱體內(nèi)，由氣管連接至布?xì)夤?，并通過(guò)對(duì)配套空氣/CO2混合室I的流量閥4的調(diào)節(jié)，控制空氣/CO2混合氣的輸出流量；對(duì)空氣/CO2混合氣的通斷時(shí)間間隔進(jìn)行控制，則通過(guò)設(shè)置連接在空氣/CO2混合室內(nèi)氣泵上的時(shí)間繼電器進(jìn)行。
[0026]實(shí)施例1:
培養(yǎng)容器8由32個(gè)標(biāo)量500 mL的廣口玻璃燒杯分兩排組成。每個(gè)培養(yǎng)容器8內(nèi)設(shè)置一根進(jìn)氣管7，間隔1.5 cm放置4層直徑為8 cm、厚度為0.2 cm、材質(zhì)為玻璃鋼瓦的培養(yǎng)載體10。進(jìn)氣管7和布?xì)夤?的采用采用孔徑為0.4 cm塑料軟管。進(jìn)氣管7穿過(guò)培養(yǎng)載體10中心位置到達(dá)培養(yǎng)容器8的底部，除起到向培養(yǎng)容器中通入空氣/CO2混合器之外，兼起到固定和支撐培養(yǎng)載體10的作用。每一根進(jìn)氣管7與布?xì)夤?之間通過(guò)流量閥4連接，并通過(guò)流量閥4調(diào)節(jié)各培養(yǎng)容器8的進(jìn)氣量。每個(gè)培養(yǎng)容器8中分別加入除去氮元素的Basal培養(yǎng)液、8~24 mM的氮營(yíng)養(yǎng)元素分別為尿素、硝酸鉀、檸檬酸鐵銨和甘氨酸、藻種斜生柵藻和蒸懼水，最終體積為500 mL。接種濃度為0.3 g/L培養(yǎng)周期14天,光源明/暗周期為14/10 h，空氣/CO2混合器通斷時(shí)間為15/60 S，混合氣中CO2的體積濃度為2%。所獲得的結(jié)果中，最高的值為:生物質(zhì)產(chǎn)率，11.02 g HT2CT1 ;固定率，99.74%。
[0027]實(shí)施例2: 本例采用微擬球藻作為藻種，其余步驟與上述實(shí)例相同。所獲得的結(jié)果中，最高的值為:生物質(zhì)產(chǎn)率，14.26 g m_2 Cf1 ;固定率，72.52%。[0028] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多層式微藻固定化培養(yǎng)的光生物反應(yīng)裝置，其特征在于:包括可透光且具有微藻培養(yǎng)載體的多個(gè)培養(yǎng)容器和供氣系統(tǒng)，所述供氣系統(tǒng)通過(guò)氣管將混合空氣通入各培養(yǎng)容器中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置，其特征在于:所述培養(yǎng)容器中的培養(yǎng)載體為利于藻細(xì)胞吸附的疏水材料，其以層疊平行的方式放置在培養(yǎng)容器中，放置間距在5cm到10cm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多層式微藻固定化培養(yǎng)光生物反應(yīng)裝置，其特征在于:所述培養(yǎng)載體的材料為塑料、金屬、陶瓷、高分子聚合物中的一種或幾種，厚度在Imm到5mm的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置，其特征在于:所述供氣系統(tǒng)包括有空氣/CO2混合室、輸往空氣/CO2混合室的空氣管路和輸往空氣/CO2混合室的CO2管路，所述空氣管路輸入端與空氣供給裝置相連接，所述CO2管路輸入端與CO2供給裝置相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置，其特征在于:所述空氣管路、CO2管路和氣管上均設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥和流量監(jiān)測(cè)控制單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置，其特征在于:所述培養(yǎng)容器為標(biāo)量為500ml的透明玻璃燒杯。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置，其特征在于:所述各氣管通入各培養(yǎng)容器的底部，所述伸入培養(yǎng)容器中氣管用于固定培養(yǎng)載體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置，其特征在于:所述培養(yǎng)容器側(cè)部設(shè)有光源及光源控制裝置，光源包括但不限于熒光燈、發(fā)光二極管、白熾燈；光源控制裝置為定時(shí)開(kāi)關(guān)裝置，用于對(duì)光照強(qiáng)度和時(shí)間的調(diào)節(jié)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置，其特征在于:所述光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)范圍為60-250 μ mol/m2/s ;所述光照時(shí)間的調(diào)節(jié)范圍為每天光照6_24小時(shí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于微藻固定化研究的光生物反應(yīng)器裝置，其特征在于:所述空氣/CO2混合室由混合室箱體、氣泵、氣管、流量閥、時(shí)間繼電器組成；其中混合室箱體容積為5L，氣泵安裝于混合室箱體內(nèi)，由氣管連接至布?xì)夤?，并通過(guò)對(duì)流量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)控制空氣/CO2混合氣的流量；所述時(shí)間繼電器是通過(guò)控制所述氣泵的開(kāi)關(guān)對(duì)空氣/0)2混合氣的通斷時(shí)間間隔進(jìn)行控制，通/斷時(shí)間在15s/30s到15s/120s之間。
【文檔編號(hào)】C12M1/00GK103966075SQ201310336140
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月5日
【發(fā)明者】沈英, 陳偉, 徐新苗, 趙云 申請(qǐng)人:福州大學(xué)