專利名稱：一種微藻工業(yè)化生產用光合生物反應器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微藻培育之工業(yè)化生產系統(tǒng)，特別涉及封閉式管道的微藻用光合生物反應器系統(tǒng)。
但迄今在微藻的生產方式上，如美國的Earthrise螺旋藻公司、Cyanotech微藻公司、日本DIC微藻公司等，仍在采用露天大池生產系統(tǒng)進行微藻的工業(yè)化生產；即如近年新開發(fā)的微藻血球藻生產，如美國的Mera Pharmaceuticals公司和Cyanotech公司等著名微藻生產廠家，在該藻的大規(guī)模工業(yè)化生產技術上，即在藻細胞二期生產階段，仍采用大池露天進行生產。這種以大池進行微藻的粗放式生產存在諸多缺陷與困難，如占地面積過大、基建成本很高、肥料投入與能源消耗浪費多，以及受氣候影響只能進行季節(jié)性生產；更重要的是大池培養(yǎng)極易受外界化學因子和異生物污染，以至影響到藻產品的質量和穩(wěn)定生產等。為克服這些限制因素，國內外從80年代開始以來，有眾多生物技術專家和生物工程技術開發(fā)廠商，試驗了各種各類封閉式微藻光合生物反應器，以期取代大池生產方式。其中有代表性的一類如平地管道式結構光合生物反應器(Torzillo等人1993，Weissman等人1987)；二是平板式結構類光合反應器(Hu等人1996，Pulz等人1995)；第三類是圓桶型光纖光合生物反應器，采用光導纖維在反應器內傳遞與分散光能(Javanmardian等人1991)，這類反應器使藻細胞的光能利用率得到了很大提高。與此同時，國內一些科研與生產單位也試圖研制以封閉式光合反應器取代流行的大池方式進行微藻生產。如一種采用透明塑膜管并向管道內通氣的螺旋藻培養(yǎng)方式；也有采用玻璃缸、平板玻璃水槽等方式培養(yǎng)微藻等等。盡管上述各類光合生物反應器的研究與制造，在對于微藻培養(yǎng)與生產中的光照與營養(yǎng)物利用率方面，都各具不同的特色和優(yōu)點，但迄今只能是在實驗室和小、中試生產方面可資利用，遠不能擴展到微藻工業(yè)化生產上去應用。阻礙微藻光合生物反應器走向工業(yè)化生產應用的主要障礙，首先是上述各類光合生物反應器的技術操作層面復雜，投資成本太高，無法進行大水體生產；其中最困難的是藻細胞在管道中進行光合產氧而造成的溶氧蓄積難以排除；其次是閉路式管道中內溫難以控制；其三是管道內壁上發(fā)生的沾壁性污染嚴重影響光通量。此外，有的采用塑膜管道進行微藻培養(yǎng)，在夏季高溫和紫外線輻照下，很快就老化塌坍。所以迄今在微藻產業(yè)化生產上，光合生物反應器實際應用于大規(guī)模工業(yè)化生產的實例尚未見報導。
本發(fā)明的技術方案為一種微藻工業(yè)化生產用光合生物反應器系統(tǒng)，包括反應塔，微藻光合生物反應管道裝置，輸液泵，二氧化碳注氣裝置，人工光照裝置，冷熱交換器，輸液管，其特征在于反應塔采用平行直立的雙塔結構，排氧反應塔上部設有負壓泵，負壓泵側面設有氧氣排氣口，排氧反應塔中部為空腔，排氧反應塔下部與調控反應塔下部連接，調控反應塔中部為空腔，調控反應塔上部有負壓抽吸管與微藻光合生物反應管道裝置的上口連接，調控反應塔側面設有二氧化碳注入閥與二氧化碳注氣裝置相通，微藻光合生物反應管道裝置設有管道清洗閥、藻細胞采收閥，微藻光合生物反應管道裝置的下部與冷熱交換器連接，冷熱交換器與輸液泵連接，輸液泵通過輸液管與排氧反應塔的上部的負壓泵相通。
較優(yōu)的技術方案有如下列調控反應塔上部還設有液壓與氣壓調控口。
排氧反應塔下部與調控反應塔下部連接處還設有反應物采樣閥。
微藻光合生物反應管道裝置采用立體雙排平螺旋式管道裝置，其中立體雙排平螺旋式管道裝置每層單元部件為直管，采用等徑U型連接彎頭連接。
排氧反應塔、調控反應塔及微藻光合生物反應管道裝置由高透光玻璃材料構成。
輸液泵采用零剪切力培養(yǎng)液驅動泵。
排氧反應塔上部采用雙通道雙負壓泵結構，雙通道雙負壓泵側面設有氧氣排氣口。
本發(fā)明采用了封閉式管道微藻光合反應器系統(tǒng)，充分運用了微藻光合生物反應的原理，結合細胞生理學特點，應用生物環(huán)境控制論和現(xiàn)代生物物理新技術，采用高硼硅增強型玻璃管道為主要材料，通過反復設計、現(xiàn)場制作并通過實際生產應用考驗，發(fā)明了一種超大型立式全封閉玻璃管道光合生物反應器(Vertical Glass Photobioreactor，VGPR)系統(tǒng)。本發(fā)明VGPR為單元組合式系統(tǒng)，由多單元組合可直接形成工業(yè)化生產車間。
本發(fā)明VGPR系統(tǒng)充分優(yōu)化了微藻生產過程中對于光能、溫度、營養(yǎng)物利用，包括pH調控、排氧、二氧化碳供給、以及管道清潔等一切藻細胞生理生長條件，全面克服了常規(guī)微藻生產方式占地面積大，能耗大，產率低，污染嚴重，且不能全年全天候生長的弊端；突破性解決了國際國內各種實驗條件下的光合生物反應器不能升級放大和用作大生物量工業(yè)化生產之障礙。本發(fā)明VGPR系統(tǒng)由于是立體結構，實現(xiàn)了全方位利用自然光，當陰雨天光照不足時采用輔助光源補光，可達到節(jié)能目的；培養(yǎng)液在管道中呈湍流式流動，可使藻細胞處于高頻率的光/暗周期中，高效率提供藻細胞在進行光合反應時所需的光量子；二氧化碳以計量脅迫方式輸入，充分滿足藻細胞對二氧化碳的需要；反應塔裝有負壓泵，能及時有效地排除培養(yǎng)細胞在光合反應中發(fā)生的溶解氧，從而極大提高了光合作用效率；由于采用了零剪切力之驅動泵，藻細胞在系統(tǒng)中運轉時不受傷害；還由于設有冷熱交換器控制溫度，可使藻細胞處于最佳溫度中，使生物產率與產量獲得穩(wěn)定大幅度的提高；該VGPR系統(tǒng)由于是全封閉式循環(huán)連續(xù)生產培養(yǎng)，可以杜絕一切外界異生物和各種化學污染因子的侵染，特別適用于大規(guī)模產業(yè)化生產高品位食品、醫(yī)藥級微藻產品。
VGPR系統(tǒng)的反應塔采用平行直立的雙塔結構，排氧反應塔上部采用雙通道雙負壓泵，雙負壓泵側面各設有氧氣排氣口，能在培養(yǎng)液的運轉過程中不斷排除培養(yǎng)液中之蓄積氧；調控反應塔裝有二氧化碳注氣閥，脅迫二氧化碳直接進入立體雙排平螺旋式管道裝置的玻璃管道中參與光合反應；培養(yǎng)液包括新配置培養(yǎng)液和采收回收液由反應塔之上部注入；藻細胞采收閥從反應管道之下部排出至濾收機，采收藻泥經(jīng)噴霧干燥形成產品；立體雙排平螺旋式管道裝置可采用內徑20～100毫米，總長40～300米的直管，以等徑U形玻璃彎管連接，實現(xiàn)培養(yǎng)液在管道中湍流發(fā)生和自上而下落差自流式流動；反應塔之下部裝有零剪切力之驅動泵，從反應器管道的底層部連續(xù)抽送培養(yǎng)液，并與調控反應塔配合形成液壓負壓，從調控反應塔之內管自動吸入反應管道系統(tǒng)的上口。在管道系統(tǒng)下部設有冷熱交換溫控裝置；在VGPR系統(tǒng)的頂端和兩側，安裝微波硫燈作為光能源，發(fā)光強度可根據(jù)藻細胞生理生長要求調節(jié)；管道采用物理清洗方式，可在不停機生產和免拆卸管道的情況下，迅速清除整個管道系統(tǒng)的沾壁和其它污染物，并從專用出口排出系統(tǒng)之外。
雙塔結構是本發(fā)明的主要創(chuàng)新點，雙塔配合能同時有效排氧和有效輸入二氧化碳，特別是可調節(jié)液面保持液壓平衡；雙塔結構還保證了在收獲了系統(tǒng)中大部分微藻后，可按一定比例留下部分微藻作為下一輪培養(yǎng)的藻種用，加速了微藻的培養(yǎng)和連續(xù)化生產過程。
排氧反應塔上部設負壓噴射泵，配合輸液泵形成低負壓，有利于排除培養(yǎng)液中的溶解氧，提高光合反應的效率；調控反應塔既作為液壓負壓抽送與光合反應管道裝置之間的緩沖空間，又可安裝各種動態(tài)調控與監(jiān)測設備；設置的液壓與氣壓調控口，可更好地調節(jié)雙反應塔的液面；二氧化碳注氣閥設置在調控反應塔的側面，由于驅動泵從反應管道底部不斷抽取培養(yǎng)液，造成調控塔產生液壓負壓，二氧化碳隨反應塔內的負壓抽提進入微藻光合反應管道裝置，二氧化碳不容易損失。如二氧化碳注氣閥設置在其他部位，雖然不影響系統(tǒng)的工作，但二氧化碳損失較大；輸液泵采用零剪切力培養(yǎng)液驅動泵，在輸送流體和微藻時，對藻細胞不造成剪切破壞。排氧反應塔下部與調控反應塔下部連接處還增設反應物采樣與排放閥，有利于隨時取樣以監(jiān)控微藻培養(yǎng)和對雙塔進行清洗。
VGPR系統(tǒng)的另一創(chuàng)新特點是采用立體雙排平螺旋式管道裝置。其中立體雙排平螺旋式管道每層的單元采用直管，用等徑U型彎頭連接。U型連接彎頭相對地平面略微傾斜，可將相鄰的兩根直管上下錯位連接，使整個微藻光合反應管道裝置呈立體雙排平螺旋形式。這種簡單的直管、U型連接彎頭以及獨特的連接方式，對于制作和安裝設備特別有利。同時上下層連接彎頭還起到湍流發(fā)生的效果，使藻細胞在本系統(tǒng)中獲得高頻率的光-暗反應，光合效率籍此得到很大提高。
本發(fā)明VGPR系統(tǒng)的技術特征與優(yōu)點1.本發(fā)明微藻光合生物反應器(VGPR)系統(tǒng)占地面積極小，在獲得相同產量規(guī)模的情況下，其占地面積只需常規(guī)大池培養(yǎng)系統(tǒng)的6％，土地租用費可以節(jié)省80％以上；2.可以大幅度節(jié)省水、電等能源消耗，在相同產量規(guī)模條件下，水的消耗只是大池等其他生產系統(tǒng)的12％，電的消耗是大池生產系統(tǒng)的26％，藻生產的原料(營養(yǎng)物、CO2等的投入)消耗只需大池生產方式的40％；3.全封閉結構可以控制外界化學性和生物性異物的入侵和污染，使藻產品品質得到保證；4.本發(fā)明VGPR系統(tǒng)的設備投資成本低于大池培養(yǎng)生產系統(tǒng)，由于是高度集約化生產，操作簡便，易于管理，勞動強度顯著低于大池生產管理，其人員只需大池培養(yǎng)系統(tǒng)的40％；5.本發(fā)明VGPR系統(tǒng)由于是在完全控制條件下進行生產，可進行全年、全天候生產；6.本發(fā)明系統(tǒng)由于能使藻細胞進行高效率的光合作用，所供給的各種營養(yǎng)物可以充分利用，藻的產率和收率比大池開放式培養(yǎng)提高3-5倍；7.本發(fā)明系統(tǒng)以單元組合式形成工業(yè)化生產規(guī)模，如以50單元組合，藻的年產量相當于大池生產系統(tǒng)8000米2的生產規(guī)模。藻的培養(yǎng)與采收既可按單元操作用作科研、中試生產，又可多單元組合，采取全進全出生產方式，實現(xiàn)以車間形式進行微藻大生物量產業(yè)化生產；8.本發(fā)明系統(tǒng)由于采用了科學的水力學原理設計，高強度透光材料，以及應用了不同于大池生產配方，因此不易出現(xiàn)大池生產和其它類型光合反應器中常發(fā)生的結痂和沾壁。本發(fā)明VGPR系統(tǒng)在使用中一旦在管道中有沾壁現(xiàn)象發(fā)生，可用物理清洗方式，清洗干凈全部管道系統(tǒng)，無殘毒與殘留物，不影響連續(xù)生產。
9.本發(fā)明具有軍事意義，VGPR單元設施可在任何地域如海島、高山安裝應用，生產高品質、高蛋白微藻營養(yǎng)食物，且操作簡單，有很大的戰(zhàn)略意義；10.本發(fā)明VGPR系統(tǒng)尤其適合于進行微藻的定向脅迫培養(yǎng)，可以強化培養(yǎng)藻細胞生產多不飽和脂肪酸、特定維生素，可以有機絡合多種重要的礦物質元素如富碘、富硒、富鍺、富鐵、富鋅等微藻產品，這是大池生產無法比擬的；11.本發(fā)明可以實現(xiàn)在嚴格控制條件下進行生產，無廢氣，只排出氧氣，可純化環(huán)境，無廢液，培養(yǎng)液可以重復利用，只需補充新鮮營養(yǎng)物質，無其它有害副產物。更由于微藻蛋白質豐富，含多不飽和脂肪酸和多種維生素，且藻細胞生產周期短、繁殖速度快等高產優(yōu)質特性，從長遠發(fā)展戰(zhàn)略考慮，本發(fā)明對于實現(xiàn)微藻的生物技術綠色革命，開發(fā)新的食物資源，保障人類的生命與健康，具有重大的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實經(jīng)濟意義。
圖2為本發(fā)明微藻工業(yè)化生產用光合生物反應器系統(tǒng)結構俯視圖。
其余結構如實施例1。
其運行過程如下在VGPR系統(tǒng)之下部安裝有一種零剪切力培養(yǎng)液驅動泵，輸液泵8將反應管道中之培養(yǎng)液，通過輸液管1注入負壓泵9，培養(yǎng)液以噴射方式注入其下部排氧反應塔4a，在此過程中，藻細胞在光合反應中產生的過飽和氧以負壓通過氧氣排氣口10排出系統(tǒng)外；如不及時排除，培養(yǎng)液中的氧分壓pO2可達400％，本發(fā)明VGPR可以控制pO2在100％以下，釋放了氧氣的培養(yǎng)液通過雙塔下部之聯(lián)結彎管進入調控反應塔4b；反應物采樣閥7，用以采樣檢查藻細胞生長的光密度和營養(yǎng)物的消耗情況，反應物采樣閥7還兼作反應塔清洗、換液等用途；培養(yǎng)液從調控反應塔4b上部的負壓抽吸管12被自動抽吸至微藻光合生物反應管道裝置2；二氧化碳在二氧化碳注氣閥5處被脅迫抽送進微藻光合生物反應管道裝置2，作為藻細胞在進行光合作用中之碳素營養(yǎng)；本發(fā)明反應管道的總長度可以在40～300米之間連接，根據(jù)生物量的生產實際需要進行調整，上下連接彎頭3同時起到湍流發(fā)生的效果，使藻細胞在本系統(tǒng)中獲得高頻率的光-暗反應。藻細胞在晴天高光照時，以自然光作為光量子來源，光照不足或進行藻細胞脅迫培養(yǎng)時開啟人工光照裝置13作為補充光源。反應管道中的培養(yǎng)液在晴天高光照下升溫較快，本發(fā)明VGPR系統(tǒng)的底部設有冷熱水交換器14，用以控制夏季高溫和冬季低溫，使藻細胞穩(wěn)定在最適溫度條件中。
本發(fā)明由于優(yōu)化了微藻細胞的最佳生長條件如溫度、光照、pH、溶氧水平(D.O.)、以及碳、氮、磷等營養(yǎng)物的利用，可使藻細胞活躍進行生長繁殖，細胞生物量增加很快。培養(yǎng)液從VGPR反應管道的上口逐級流向底層管，然后經(jīng)輸液泵8再次流入反應塔，24小時周而復始循環(huán)。當培養(yǎng)藻達到一定的光密度或細胞濃度時，可從底層管的藻細胞采收閥15排出至采收過濾機，藻泥被送去噴霧干燥或作其它處理。過濾液仍含部份營養(yǎng)，經(jīng)補充新鮮營養(yǎng)物以后，再次被泵送回VGPR系統(tǒng)。排氧反應塔4a與調控反應塔4b中保留的藻細胞足以成為下一輪全系統(tǒng)微藻培養(yǎng)的接種物。
權利要求
1.一種微藻工業(yè)化生產用光合生物反應器系統(tǒng)，包括反應塔，微藻光合生物反應管道裝置(2)，輸液泵(8)，二氧化碳注氣裝置，人工光照裝置(13)，冷熱交換器(14)，輸液管(1)，其特征在于反應塔采用平行直立的雙塔結構，排氧反應塔(4a)上部設有負壓泵(9)，負壓泵(9)側面設有氧氣排氣口(10)，排氧反應塔(4a)中部為空腔，排氧反應塔(4a)下部與調控反應塔(4b)下部連接，調控反應塔(4b)中部為空腔，調控反應塔(4b)上部有負壓抽吸管(12)與微藻光合生物反應管道裝置(2)的上口連接，調控反應塔(4b)側面設有二氧化碳注入閥(5)與二氧化碳注氣裝置相通，微藻光合生物反應管道裝置(2)設有管道清洗閥(6)、藻細胞采收閥(15)，微藻光合生物反應管道裝置(2)的下部與冷熱交換器(14)連接，冷熱交換器(14)與輸液泵(8)連接，輸液泵(8)通過輸液管(1)與排氧反應塔(4a)的上部的負壓泵(9)相通。
2.根據(jù)權利要求1所述的微藻工業(yè)化生產用光合生物反應器系統(tǒng)，其特征在于調控反應塔(4b)上部還設有液壓與氣壓調控口(11)。
3.根據(jù)權利要求1所述的微藻工業(yè)化生產用光合生物反應器系統(tǒng)，其特征在于排氧反應塔(4a)下部與調控反應塔(4b)下部連接處還設有反應物采樣閥(7)。
4.根據(jù)權利要求1所述的微藻工業(yè)化生產用光合生物反應器系統(tǒng)，其特征在于微藻光合生物反應管道裝置(2)采用立體雙排平螺旋式管道裝置，其中立體雙排平螺旋式管道裝置每層單元部件為直管，采用等徑U型連接彎頭(3)連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的微藻工業(yè)化生產用光合生物反應器系統(tǒng)，其特征在于排氧反應塔(4a)、調控反應塔(4b)及微藻光合生物反應管道裝置(2)由高透光玻璃材料構成。
6.根據(jù)權利要求1所述的微藻工業(yè)化生產用光合生物反應器系統(tǒng)，其特征在于輸液泵(8)采用零剪切力培養(yǎng)液驅動泵。
7.根據(jù)權利要求1所述的微藻工業(yè)化生產用光合生物反應器系統(tǒng)，其特征在于排氧反應塔(4a)上部采用雙通道雙負壓泵(9)結構，雙通道雙負壓泵(9)側面設有氧氣排氣口(10)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用封閉式管道微藻工業(yè)化生產用光合生物反應器系統(tǒng)，由立體雙排平螺旋式管道和獨特的U型連接彎頭，雙反應塔，零剪切力之輸液泵，二氧化碳注氣裝置，人工光照裝置，冷熱交換器等構成。雙反應塔中的排氧反應塔設有負壓噴射泵，用于從培養(yǎng)液中徹底排除蓄積氧，調控反應塔可調節(jié)液壓和以負壓向反應管道自動輸送培養(yǎng)液。雙反應塔還起到預留接種物的作用。本發(fā)明全面克服了常規(guī)微藻生產方式占地面積大、能耗大、產率低、污染嚴重，且不能全年全天候生長的弊端；突破性地解決了國際國內各種實驗室條件下的光合反生物應器不能升級放大用作大生物量工業(yè)化生產之障礙。特別適用于大規(guī)模產業(yè)化生產高品位食品、醫(yī)藥級微藻產品。
文檔編號C12M3/00GK1475558SQ03128138
公開日2004年2月18日 申請日期2003年6月9日 優(yōu)先權日2003年6月9日
發(fā)明者繆堅人 申請人:繆堅人