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：
本實(shí)用新型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)容本實(shí)用新型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。 本實(shí)用新型解決上述技術(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。 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)比較具有以下優(yōu)點(diǎn) 1、本實(shí)用新型反應(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) 原液體已被泵抽走，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、本實(shí)用新型的反應(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io倍以上。 3、本實(shí)用新型的管道設(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、本實(shí)用新型的反應(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、本實(shí)用新型反應(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、本實(shí)用新型的并聯(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、本實(shí)用新型反應(yīng)器的水霧噴淋裝置，既能降溫，又能遮光，起到雙重作用。 8、本實(shí)用新型反應(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、本實(shí)用新型擺脫了卸料對(duì)管道泵的依賴，利用地球引力，自動(dòng)卸料，降低成本。
圖1是本實(shí)用新型的系統(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-卸料閥；2-排污閥；3-培養(yǎng)基管閥；4-緊急開關(guān)；5_取樣閥；6-進(jìn)氣閥； 7-出料閥；8_排氣閥；9-氣體止回閥；10-水噴霧閥；11_管道泵；12_并聯(lián)平行管道組； 13-進(jìn)料管；14-卸料管；15-進(jìn)氣管；16-排氣管；17-微孔管；18-培養(yǎng)基管；19-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)施方式本實(shí)用新型系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器，該反應(yīng)器為管道組、閥門、條件控制 器、支架和控制臺(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17、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 狀霧微孔管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11、緊急開關(guān)4和所有閥門等均為現(xiàn)有技術(shù)
A 口 廣PR o 例如5噸系統(tǒng)化培養(yǎng)微藻的并聯(lián)平行管道光生物反應(yīng)器，在長(zhǎng)40m、寬lm的場(chǎng)地 內(nèi)，按照?qǐng)D1方式設(shè)計(jì)了并聯(lián)平行光生物反應(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根管道頭相互串聯(lián)，每根管道的首尾 安裝有緊急開關(guān)；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11、卸料閥1、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)貯液罐20內(nèi)的液體體積達(dá)規(guī)定容積后關(guān)閉培養(yǎng)基。[0034] (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11，關(guān)閉進(jìn)氣閥6，打開并聯(lián)平行管道組底部卸料閥
l，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11，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)果表明本實(shí)用新型將并聯(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。
專利摘要本實(shí)用新型是一種系統(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。本實(shí)用新型將管道組、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)C12M1/00GK201501861SQ200920169440

公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月10日
發(fā)明者劉建國, 張勇, 梁文偉 申請(qǐng)人:云南愛爾發(fā)生物技術(shù)有限公司