微藻培養(yǎng)系統(tǒng)、腔體式光生物反應器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了微藻培養(yǎng)系統(tǒng)及腔體式光生物反應器。培養(yǎng)系統(tǒng)包括可容納培養(yǎng)液和微藻的光生物反應器；所述反應器為密閉式；器壁為具有中空夾層結構的密封體和/或器壁的材質(zhì)為輕質(zhì)保溫材料；反應器具有透氣結構；培養(yǎng)液中含有碳酸氫鹽。采用本實用新型的系統(tǒng)培養(yǎng)微藻，可以很好地控制反應器與所處水體環(huán)境之間的熱交換，使反應器中的培養(yǎng)溫度高于所處水體溫度，以提高微藻的生長速度，但不至于溫度過高而導致所培養(yǎng)微藻的死亡，其培養(yǎng)方法簡單，成本低，培養(yǎng)效率高，適合于工業(yè)化應用。
【專利說明】
微藻培養(yǎng)系統(tǒng)、腔體式光生物反應器
技術領域
[0001] 本實用新型設及微藻生物技術領域，具體設及微藻培養(yǎng)系統(tǒng)、腔體式光生物反應 器。
【背景技術】
[0002] 近些年來，自養(yǎng)微藻因其功能的多樣性得到越來越多的關注。微藻可W作為一種 新型的生物柴油原料。與大豆、甘薦、麻楓樹等能源作物相比，其具有生長周期短、光合作用 速率快、油脂含量高等優(yōu)點，有著良好的開發(fā)前景。微藻能夠高效固定大氣中的C〇2,解決因 化石燃料燃燒導致的環(huán)境問題。另外，微藻細胞中含有:蛋白質(zhì)、脂類、多糖、類胡蘿h素、色 素等高價值的營養(yǎng)成分，是優(yōu)質(zhì)的食品和飼料原料，也是化工、輕工和醫(yī)藥工業(yè)中用途極廣 的有機中間體，也可W是化妝品原料。
[0003] 與其它生物一樣，溫度是影響微藻生長的一個至關重要因素。在傳統(tǒng)的微藻培養(yǎng) 系統(tǒng)中，長時間強光照射會導致封閉式光生物反應器內(nèi)溫度會升高l〇°C~30°C，而過高的 溫度會導致微藻產(chǎn)量下降，甚至引起微藻的死亡。因此，高效的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)需要額外的溫 度控制系統(tǒng)，如噴灑水降溫，但運導致了微藻生產(chǎn)的高成本。為了避免運種狀況，有研究者 開發(fā)了浸泡于水中、或漂浮在水面上的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，例如，美國Solix公司開發(fā)的浸泡于 水中的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)、Lee等人發(fā)明的漂浮式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)、W及美國宇航局發(fā)明的漂浮式 半透膜微藻培養(yǎng)系統(tǒng)等。
[0004] 然而，上述漂浮式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)商業(yè)化應用仍然受到了限制。首先，雖然所處水體 可降低反應器內(nèi)的溫度，使其溫度不至于升至過高而導致微藻細胞死亡，但是同時也把反 應器內(nèi)的溫度降低到了與所處水體幾乎相同的溫度。由于水體的自蒸發(fā)作用，其溫度通常 都很低，例如，中國的海域中，勸海四個季度平均海洋表面溫度分別為2.8°C、12.7°C、23.5 °C和13.5°C，黃海四個季度平均海洋表面溫度分別為8.4°C、14.9°C、24.1、17 . rC，東海四 個季度平均海洋表面溫度分別為16.8°C、21.7°C、28. (TC和23. (TC，南海四個季度平均海洋 表面溫度分別為25. rC、28.2、29. TC和27. TC。過低的溫度不利于微藻的生長，導致微藻 的生長效率低下。比如，超嗜鹽桿藻在不同溫度下的生長速度明顯不同（表1)。因此，提高反 應器中的培養(yǎng)溫度至關重要。
[0005] 親1 .搖幢鹽胖疆#木同媼底下拉弟5弄的井:密底
[0006]
[0007]另外，無機碳源的供應對于微藻培養(yǎng)來說至關重要，而如何為漂浮式的反應器提 供無機碳源是一個難題。像W上所述的漂浮式光反應器，采用封閉系統(tǒng)，并在其中鼓泡通入 含有二氧化碳的壓縮氣體，運對大規(guī)模培養(yǎng)微藻來說其實是很難實現(xiàn)的。運需要為每個光 反應器安裝一個鼓泡通氣的管道系統(tǒng)。一般來說，每個漂浮反應器的尺寸不可能做的很大， 運就需要龐大數(shù)量的反應器進行大規(guī)模培養(yǎng)。在運種情況下，龐大數(shù)量的反應器的鼓泡通 氣需要非常復雜的壓縮氣體管道，運大大增加了每個反應器的制作成本和壓縮氣體管道的 建設成本，同時會大大增加操作成本。而在大面積的水域表面架設如此復雜的通氣管道，其 建設難度更大，制作和操作成本更高，而且其被波浪破壞的風險很大，所W，在大規(guī)模生產(chǎn) 中運是非常難實現(xiàn)的。而如果考慮利用敞開的反應器系統(tǒng)，雖然省去了鼓泡通氣系統(tǒng)，而且 有利于二氧化碳從空氣中傳遞到培養(yǎng)液中，從而被微藻吸收，但是敞開系統(tǒng)由于蒸發(fā)的作 用，其溫度與水體本來的溫度相差無幾，不能形成溫室效應，因此微藻生長慢，效率太低。 【實用新型內(nèi)容】
[0008] 鑒于現(xiàn)有技術中微藻培養(yǎng)器W及微藻培養(yǎng)中存在的不足，本實用新型的目的之一 在于提供一種用于微藻培養(yǎng)的系統(tǒng)，采用合理的設計，可有效調(diào)控系統(tǒng)溫度。
[0009] 本實用新型的技術方案為，微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，包括可容納培養(yǎng)液和微藻的光生物反 應器;所述反應器為密閉式;所述反應器的器壁為具有中空夾層結構的密封體和/或器壁的 材質(zhì)為輕質(zhì)保溫材料;所述反應器具有透氣結構;所述培養(yǎng)液中含有碳酸氨鹽。
[0010] 本實用新型所述輕質(zhì)保溫材料的"輕質(zhì)"是指在水面上可漂浮。
[0011] 本實用新型光生物反應器采用輕質(zhì)保溫材料制成，使其可W漂浮在水面上；當采 用非輕質(zhì)材料時，可W通過制作具有中空夾層結構的器壁W到達漂浮效果。
[0012] 本實用新型微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中，碳酸氨鹽為微藻提供無機碳源，使其在光生物反應 器中進行生長。微藻光合作用所產(chǎn)生的氧氣通過具有透氣不透水的密封結構(例如，具有透 氣不透水特性的密封膜)釋放，或者通過透氣口釋放。
[0013] 本實用新型提供的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，應用于敞開的具有波浪的水體表面，所述水體 可W是，但不限于海洋、湖泊、河流、池塘、或水庫。
[0014] 本實用新型所述的微藻是任何可W在一定碳酸氨鹽濃度條件下生長的真核微藻 和藍細菌，例如，所述的微藻可W選自杜氏藻化unaliella SP.)、小球藻(化Iorella SP.)、 雨生紅球藻化ematococcus sp)、超嗜鹽桿藻化uhalothece SP .)、藍桿藻（切anothece sp.)、螺旋藻（Spirulina.)、微銷藻(Microcoleus sp.)、集胞藻（Synecho巧Stis sp.)、球 等鞭金藻（isochiTsis sp)、小定鞭金藻（Pirmnesium sp)、富油新綠藻（Neochloris oleoabundans)、微擬球藻(化nnochloropsis)、或一種拉下文名稱為Picochlorum sp的微 藻。
[0015] 本實用新型提供的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，其光反應器在提供浮力的同時，還可減少反應 器內(nèi)部與所處水體之間的熱交換，在陽光照射下形成一個漂浮式溫室，維持的微藻培養(yǎng)溫 度高于光反應器所處的水體溫度。
[0016] 1)該培養(yǎng)系統(tǒng)置于有波浪的水體表面，利用波浪的能量實現(xiàn)反應器內(nèi)培養(yǎng)液的混 和，W滿足微藻生長的傳質(zhì)要求。
[0017] 2)該培養(yǎng)系統(tǒng)中光反應器的器壁采用具有中空夾層結構的密封體制成，或采用輕 質(zhì)保溫材料制成，在提供浮力的同時，減少反應器內(nèi)部與所處水體之間的熱交換，在陽光照 射下形成一個漂浮式溫室，維持的微藻培養(yǎng)溫度高于光反應器所處的水體溫度。
[0018] 3)達到保溫效果，光反應器采用封閉的設計，微藻生長所需的無機碳源W碳酸氨 鹽的形式提供，W避免利用空氣中的二氧化碳或通入含有二氧化碳的氣體引起的熱損失。
[0019] 本實用新型的另一目的是提供一種腔體式光生物反應器，包括腔體，腔體具有腔 壁，腔壁包括上腔壁;所述腔壁為具有中空夾層結構的密封體和/或腔壁的材質(zhì)為輕質(zhì)保溫 材料;所述腔體的上部設有進出料口和透氣結構，所述進出料口和透氣結構均穿過腔壁與 腔體內(nèi)部相通。
[0020] 根據(jù)腔壁材質(zhì)的不同，腔體式光生物反應器可為剛性或柔性。
[0021] 進出料口也可采用透氣不透水的密封結構。優(yōu)選的該透氣不透水的膜材料為膨體 聚四氣乙締。其一方面可W防止水體進入反應器內(nèi)部，污染微藻。另一方面，可W光合作用 產(chǎn)生的氧氣透出去，降低溶氧的積累。
[0022] 溫度是微藻生長的重要因素，溫度過低，微藻生長緩慢，而溫度過高，則容易引起 微藻細胞的死亡，因此，控制微藻培養(yǎng)溫度在合理范圍內(nèi)至關重要。然而利用電加熱或通冷 卻水等手段控制溫度是不現(xiàn)實的。
[0023] 對于室外的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)來說，反應器內(nèi)的溫度是由陽光輸入的熱量和反應器向 外界傳出的熱量之間的動態(tài)平衡決定的。開放的水體溫度較低，通過傳熱會降低培養(yǎng)系統(tǒng) 內(nèi)的溫度，而與環(huán)境水體相同的溫度通常并不是微藻生長理想的溫度，溫度過低不利于微 藻的生長。
[0024] 本實用新型提供的腔體式光生物反應器，其腔壁采用具有中空夾層結構的密封 體，夾層中填充氣體，例如空氣。一方面，中空夾層結構不但為反應器在水面上的漂浮提供 浮力，還由于空氣的導熱系數(shù)很低，可W起到保溫效果；另一方面，中空夾層結構還有利于 避免由于培養(yǎng)液的蒸發(fā)而在腔體壁上形成水霧，保證了光的高效進入，為微藻生長提高充 足的光源。
[0025] 作為另一種實施方式，該反應器的腔壁采用輕質(zhì)保溫材料制成，運同樣可W同時 起到保溫和提供浮力的作用。保溫效果可W通過調(diào)整腔壁的材質(zhì)及其厚度來控制。例如，在 冬季可W采用保溫效果更好的材料W及腔壁厚度較大的反應器來培養(yǎng)微藻，W維持反應器 內(nèi)外較大的溫差;而在夏季，水體溫度較高時，可W采用導熱系數(shù)較大的材料，并減小反應 器腔壁的厚度，W維持一個較小的反應器內(nèi)外溫差，防止溫度過高引起的對微藻的傷害。
[0026] 因此，本實用新型提供的腔體式光生物反應器反應器，置于野外的水體(海面、江 面、湖面、池塘、水庫等水體)表面，仍可W為微藻的提供利于其生長的、較為穩(wěn)定的溫度環(huán) 境。
[0027] 微藻的光合作用會產(chǎn)生氧氣，如果氧氣不在反應器內(nèi)的氣相中及時逸出，會造成 培養(yǎng)液中過高的溶氧濃度，運會嚴重影響微藻細胞的生長，甚至導致死亡。因此，本實用新 型的反應器的設計中，設置有透氣結構，W供氧氣逸出。
[0028] 作為優(yōu)選的技術方案，所述透氣結構包括透氣口和/或透氣不透水的密封結構。
[0029] 透氣口一般采用小口徑，優(yōu)選地，其透氣口直徑為小于0.5cm。
[0030] 優(yōu)選使用的透氣結構是透氣但不透水的密封膜，運樣在有效釋放光合作用產(chǎn)生的 氧氣的同時，可W保證整個反應器的密封性，不至于造成培養(yǎng)液的流失。同時，室外環(huán)境下， 可W避免雨水進入反應器。另外，由于透氣不透水的密封結構維持了一個封閉環(huán)境，大氣中 的灰塵和重金屬顆粒等污染物也無法進入反應器。細菌、真菌，微藻等微生物也無法進入， 輪蟲、面蟲等W攝食微藻的生物等，都無法通過該膜進入反應器內(nèi)部，可W有效地避免運些 污染。
[0031] 作為優(yōu)選的技術方案，所述密封體的材質(zhì)為透明材料，使陽光盡多地輸入到反應 器中，為微藻生長提供光和熱。
[0032] 作為優(yōu)選的技術方案，所述密封體的材質(zhì)可W為，但不限于PVC(聚氯乙締）、PP(聚 丙締）、PE(聚乙締）、或PA(聚酷胺KPMMA(聚甲基丙締酸醋)等塑料制品。
[0033] 作為優(yōu)選的技術方案，所述保溫材料為泡沫塑料。
[0034] 作為優(yōu)選的技術方案，所述泡沫塑料可W為，但不限于PVC(聚氯乙締）、PP(聚丙 締）、PE(聚乙締）、或PA(聚酷胺KPMMA(聚甲基丙締酸醋)或其它改性泡沫塑料產(chǎn)品。
[0035] 作為優(yōu)選的技術方案，所述腔壁由上腔壁、下腔壁和側腔壁組成，所述側腔壁在豎 直方向上，由至少兩個W上的中空密封單元I組成，所述中空密封單元I之間密封疊合。
[0036] 相對于單層結構，運種中空密封單元I密封疊合而成的側壁結構，在波浪沖擊時具 有更好的平衡能力，有助于反應器的穩(wěn)定。形成反應器的腔體側壁中空密封單元I優(yōu)選為方 形柱體結構。更為重要的是，多層獨立結構的設計可W防止因某個獨立結構漏氣或破裂導 致的整個反應器的下沉。
[0037] 作為優(yōu)選的技術方案，所述中空夾層結構的外層設有充氣口，也稱氣口，用W填充 氣體，為反應器提供浮力。
[0038] 作為優(yōu)選的技術方案，所述上腔壁在水平方向上，由至少兩個W上中空密封單元 n組成，所述中空密封單元n之間密封連接。運種結構有利于維持反應器的=維形狀和結 構，更有利于防止水霧的生成，保證光的進入。
[0039] 作為優(yōu)選的技術方案，所述上腔壁由具有防霧功能的聚氯乙締材料的薄膜構成， 防霧的同時，增強入射光的強度。
[0040] 作為優(yōu)選的技術方案，所述腔體的底部連接有穩(wěn)定部件，所述穩(wěn)定部件為繩索或 管道結構;所述管道結構的一端與所述腔體的內(nèi)部連通，另一端設有可拆卸式密封結構。
[0041] 本實用新型所提供的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)漂浮在水面上時，波浪可W為反應器的混和提 供動力，相對于傳統(tǒng)的電能驅(qū)動的攬拌裝置，波浪提供的動力是完全免費的，運可W顯著地 降低生產(chǎn)能耗和成本。但是，波浪提供混和動力的同時，也可能造成反應器的傾覆，因此，采 取底部連接有穩(wěn)定部件的設計，可增加反應器在水面上的穩(wěn)定性。
[0042] 作為穩(wěn)定結構的改進結構，在腔體的底部安裝一定長度的繩索，并墜 W重物，W增 加反應器的穩(wěn)定性。
[0043] 作為另一種穩(wěn)定結構的改進結構，也可W在反應器腔體的底部安裝一定長度的管 道結構，提高對反應器的穩(wěn)定作用。管道結構的一端與所述光生物反應器的腔體內(nèi)部連通， 另一端設有可拆卸式密封結構，如密封蓋。
[0044] 上述腔體式光生物反應器收集微藻，W所述管道結構沉降微藻形成微藻濃縮液。 微藻培養(yǎng)結束后，其所得細胞的收獲一直是非常困難的問題。例如，在開放池系統(tǒng)中，通常 細胞密度不到Ig/L，如果通過離屯、或過濾的手段來實現(xiàn)微藻細胞的分離，需要大量的能耗 和成本。在使用本實用新型的反應器時，所培養(yǎng)的藻液會進入到管道中，并在此管道中沉 降，最終在軟管底部形成微藻濃縮液，運可W大大方便微藻的收獲過程，降低能耗和成本。
[0045] 所述的管道結構的材料不予特別限定，可W采用不誘鋼、PVC(聚氯乙締）、PP(聚丙 締）、PE(聚乙締)或PA(聚酷胺)等材料。
[0046] 作為優(yōu)選的技術方案，所述中空夾層結構中填充氣體，例如空氣。
[0047] 采用W上所述的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)或W上所述的腔體式光生物反應器培養(yǎng)微藻，將微 藻和含有可溶性碳酸氨鹽的微藻培養(yǎng)液置于所述的腔體式光生物反應器中，然后將該腔體 式光生物反應器置于有波浪的水體表面，利用波浪的能量為主要推動力實現(xiàn)反應器內(nèi)培養(yǎng) 液的混和，W滿足反應器內(nèi)傳質(zhì)要求。
[0048] 微藻培養(yǎng)需要碳源，目前的培養(yǎng)系統(tǒng)一般靠在反應器中通入含有二氧化碳的氣體 或者利用空氣中的二氧化碳來實現(xiàn)。通入含有二氧化碳的氣體是一個非常有效的二氧化碳 提供手段，但是，如前所述，對于大規(guī)模的微藻培養(yǎng)來說，為每一個光反應器安裝一個二氧 化碳通氣系統(tǒng)的不現(xiàn)實的。而利用空氣中的二氧化碳，必須采用開放式設計，W利于二氧化 碳從氣相從液相的傳遞。
[0049] 對于工業(yè)化、大規(guī)模的密閉式培養(yǎng)系統(tǒng)，上述兩種手段都不可行。為解決此問題， 本實用新型所提供的培養(yǎng)系統(tǒng)利用碳酸氨鹽為微藻生長提供碳源。所述的可溶性碳酸氨鹽 為碳酸氨鋼、碳酸氨鐘、碳酸氨巧、碳酸氨錠等可溶性碳酸氨鹽中的至少一種?？扇苄蕴妓?氨鹽在微藻培養(yǎng)液中的濃度可W根據(jù)微藻對碳酸氨鹽濃度的耐受性和生產(chǎn)實際需要進行 選擇，其濃度可W是從極低的濃度至飽和濃度。所述可溶性碳酸氨鹽在微藻培養(yǎng)液中的濃 度為0.0 lmol/L至其飽和濃度。
[0050] 在可W耐受的范圍內(nèi)，碳酸氨鹽濃度越高，其支持微藻細胞生長的可能密度越高。 例如，如果微藻培養(yǎng)基中含有O.lmol/L的碳酸氨鹽，如果運些碳酸氨鹽全部被消耗，可W提 供1.2g/L的無機碳。通常來說，微藻生物質(zhì)的干重中含有約50%的碳，因此，從理論上來說 運1.2g/L的碳可W供約2.4g/L的微藻生長。而且，很多微藻都可W在更高濃度的碳酸氨鹽 環(huán)境下生長，例如，超嗜鹽桿藻可W在飽和的碳酸氨鋼中生長，運個濃度已經(jīng)高于Imol/L， 運可W為其生長提供非常充足的碳源。
[0051] 碳酸氨鹽濃度較高時，可W選用嗜鹽堿微藻，例如，杜氏藻(Dunaliella SP.)、小 球藻(Qilorella sp.)、超嗜鹽桿藻巧uhalothece sp.)、藍桿藻(切ano1:hece sp.)、螺旋藻 (Spirulina sp.)、微銷藻(Microcoleus sp.)、集胞藻（Synecho巧Stis sp.)等，運些藻類 對于高濃度的碳酸氨鹽具有良好的耐受性。需要說明的是，本實用新型適用于任何一種可 W在一定碳酸氨鹽濃度下生長的微藻。
[0052] 本實用新型的有益效果：
[0053] 本實用新型提供的是微藻培養(yǎng)系統(tǒng)及腔體式光生物反應器。
[0054] 本實用新型的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)可漂浮在水體表面，利用波浪的能量實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)培養(yǎng) 液混和微藻的震蕩培養(yǎng)。
[0055] 本實用新型的腔體式光生物反應器，接受光照支持微藻生長，同時利用光照提高 反應器內(nèi)溫度通過反應器腔壁的設計和制作來控制反應器與所處水體環(huán)境之間的熱交換， 使反應器中的培養(yǎng)溫度高于所處水體溫度，W提高微藻的生長速度，但不至于溫度過高而 導致所培養(yǎng)微藻的死亡：
[0056] 1、為避免過多的熱量損失，該反應器結構的腔壁采用中空夾層設計，W減少壁面 和環(huán)境之間的熱交換，同時運種結構又使其穩(wěn)定漂浮在水面提供浮力。
[0057] 2、該反應器采用封閉的設計，W減少氣體交換和蒸發(fā)引起的熱損失。
[0058] 3、側壁設計成至少一個W上中空密封單元并疊合，且在反應器腔體底部設置有穩(wěn) 定結構，W提高反應器的漂浮性和穩(wěn)定性。尤為重要的是，其能夠防止因某個獨立結構漏氣 或破裂導致的整個反應器的下沉。
[0059] 利用本實用新型中與腔體式反應器下壁連通的管道結構，可W在管道中形成微藻 濃縮液，大大方便微藻的收集。
[0060] 本實用新型提供的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)、腔體式光生物反應器，采用碳酸氨鹽作為碳源， 一方面提供微藻生長所需要的碳源，同時避免鼓泡式提供碳源所帶來的通氣系統(tǒng)復雜而導 致的反應器制作困難和高成本，也能避免通氣的高能耗問題。
【附圖說明】
[0061 ]圖1腔體式光生物反應器用于微藻培養(yǎng)示意圖；
[0062] 圖2腔體式光生物反應器結構示意圖；
[0063] 圖3剛性腔體式光生物反應器正視圖；
[0064] 圖4剛性腔體式光生物反應器俯視圖；
[0065] 圖5柔性腔體式光生物反應器正視圖；
[0066] 圖6柔性腔體式光生物反應器俯視圖；
[0067] 圖7器壁材質(zhì)為輕質(zhì)保溫材料的光生物反應器正視圖；
[0068] 圖8器壁材質(zhì)為輕質(zhì)保溫材料的光生物反應器俯視圖；
[0069] 圖9剛性腔體式光生物反應器室內(nèi)培養(yǎng)的超嗜鹽桿藻生長曲線；
[0070] 圖10剛性腔體式光生物反應器室內(nèi)培養(yǎng)的杜氏鹽藻藻生長曲線；
[0071] 圖11剛性腔體式光生物反應器室外培養(yǎng)的超嗜鹽桿藻生長曲線；
[0072] 圖12水體和不同底部結構的柔性反應器(PVC材料）內(nèi)培養(yǎng)液溫度變化（（24)小 時）；
[0073] 圖13水體和不同底部結構的柔性反應器(PVC材料）內(nèi)培養(yǎng)液溫度變化(12天）；
[0074] 圖14不同底部結構的柔性反應器(PVC材料)室外培養(yǎng)的超嗜鹽桿藻生長曲線；
[00對圖中，1腔體;2腔壁;21上腔壁;22下腔壁;23側腔壁;24中空密封單元I ;25中空密 封單元n ;3中空夾層結構;4充氣口；5進出料口；6透氣口；7透氣不透水的密封結構;8穩(wěn)定 部件;9可拆卸式密封蓋；
[0076] A曲線:反應器1#，液面高度5厘米；
[0077] B曲線:反應器1#，液面高度10厘米；
[0078] C曲線:反應器2#，液面高度5厘米；
[0079] a曲線:雙層充氣底的反應器；
[0080] b曲線:單層底的反應器；
[00川 C曲線:水溫。
【具體實施方式】
[0082]下述非限制性實施例可W使本領域的普通技術人員更全面地理解本實用新型，但 不W任何方式限制本實用新型。下述內(nèi)容僅僅是對本申請要求保護的范圍的示例性說明， 本領域技術人員可W根據(jù)所公開的內(nèi)容對本申請的實用新型做出多種改變和修飾，而其也 應當屬于本申請要求保護的范圍之中。
[0083] 實施例1腔體式光生物反應器
[0084] 如圖1、圖2所示，該反應器包括腔體1，腔體1的腔壁2為具有中空夾層結構3的密封 體，中空夾層結構3外層上設有充氣日4。腔壁袖腔體1由上腔壁21、下腔壁22和側腔壁23組 成。
[0085] 腔體1的上部分別設有進出料口 5和透氣口 6，進出料口 5和透氣口 6均穿過腔壁2與 腔體1內(nèi)部相通。使用時，通過進出料口 5放入用于培養(yǎng)的物料，如微藻W及微藻培養(yǎng)液，并 在微藻的培養(yǎng)過程中，也通過該進出料口，取樣，觀察微藻的生長情況。進出料口5和透氣口 6均設置了透氣不透水的密封結構7,其具有透氣不透水的膜材料。一方面，該膜材料可W透 過光合作用產(chǎn)生的氧氣，另一方面，使反應器處在封閉的狀態(tài)，W減少氣體交換和蒸發(fā)引起 的熱損失，提高反應器內(nèi)的溫度。
[0086] 腔體1的底部連接有穩(wěn)定部件8,穩(wěn)定部件8為管道結構，管道結構的一端與光生物 反應器的腔體內(nèi)部連通，另一端設有可拆卸式密封結構9。在使用時，所培養(yǎng)的藻液中的一 部分會進入該管道中，細胞在此管道中沉降，最終在軟管底部形成微藻濃縮液，運可W大大 方便微藻的收獲過程，降低能耗和成本。
[0087] 腔壁2的材質(zhì)優(yōu)選透明材料，可W采用娃酸鹽玻璃；有機玻璃；塑料如聚氯乙締 (PVC)、聚丙締(PP)、聚乙締牌)或聚酷胺(PA)等。腔體形狀可W采用扁平式、平板式、柱式、 管式、袋式等形狀，其中優(yōu)選方形扁平結構，該結構利于其穩(wěn)定性增強培養(yǎng)液的傳質(zhì)，而且， 有利于增加其接受光照的面積。
[0088] 實施例2剛性腔體式光生物反應器
[0089] 如圖3、圖4所示，該反應器包括腔體1，腔體1的腔壁2由腔體1由上腔壁21、下腔壁 22和側腔壁23經(jīng)粘合連接而成。側腔壁23和下腔壁22均為具有中空夾層結構3的密封體。腔 體1的上部分別設有進出料口 5和透氣口 6，進出料口 5和透氣口 6均穿過腔壁2與腔體1內(nèi)部 相通。
[0090] 使用時，通過進出料口5放入用于培養(yǎng)的物料，如微藻W及微藻培養(yǎng)液，并在微藻 的培養(yǎng)過程中，也通過該進出料口，取樣，觀察微藻的生長情況。進出料口5和透氣口6均設 置了透氣不透水的密封結構7,其具有透氣不透水的膜材料。在培養(yǎng)過程中，一方面，該膜材 料可W透過光合作用產(chǎn)生的氧氣，另一方面，使反應器處在封閉的狀態(tài)，W減少氣體交換和 蒸發(fā)引起的熱損失，提高反應器內(nèi)的溫度。
[0091 ]在本實施例中制作的剛性腔體式光生物反應器，其形狀為方形，腔壁2為具有中空 夾層結構3的高透明的有機玻璃，玻璃厚度為1. Ocm,中空夾層厚度為2.0cm。按照此方法，審U 作光生物反應器1#和2#，其中反應器1#的長度為25.Ocm,寬度為22.7cm，高度為14.Ocm,反 應器2#的長度為50.0 cm,寬度為50.0 cm,高度為12.0畑1。
[0092] 實施例3柔性腔體式光生物反應器
[0093] 如圖5、圖6所示，該反應器包括腔體1，腔體1的腔壁2由腔體1由上腔壁21、下腔壁 22和側腔壁23組成。腔壁2為透明度很高的聚氯乙締(PVC)薄膜。
[0094] 側腔壁23為具有中空夾層結構3的密封體，在豎直方向上，由3個中空密封單元124 組成，中空密封單元124之間密封疊合，每一個中空密封單元I都設有用于充氣和放氣的充 氣口 4。
[OOM]上腔壁21為具有中空夾層結構3的密封體，在水平方向上，由若干個中空密封單元 1125組成，所述中空密封單元n 25之間密封連接。腔體1的上部分別設有進出料口5和透氣 口 6，進出料口 5和透氣口 6均穿過腔壁2與腔體1內(nèi)部相通。
[0096] 本實施例中制作了兩個尺寸為40X40X20的長方形的光生物反應器3#和4#，其區(qū) 別是:反應器3#的底部是單層的，反應器4#底部是夾層結構的，使用時，充入空氣，充氣厚度 的為2.0cm。
[0097] 實施例4器壁材質(zhì)為輕質(zhì)保溫材料的腔體式光生物反應器
[0098] 如圖7、圖8所示，該反應器包括腔體1，上腔壁21，下腔壁22和側腔壁23。腔體1的上 部分別設有進出料口 5和透氣口 6，進出料口 5和透氣口 6均穿過上腔壁21與腔體1內(nèi)部相通。 其中下腔壁22和側腔壁23均為輕質(zhì)保溫的發(fā)泡聚乙締塑料，厚度為3.0厘米。上腔壁21材 質(zhì)，優(yōu)選的為具有防霧功能的聚氯乙締，厚度為0.1厘米。本實施例中制作了一個尺寸為40 X 40 X 20的長方形的光生物反應器5#。
[0099] 實施例5剛性腔體式光生物反應器室內(nèi)培養(yǎng)微藻
[0100] 利用實施例2中所述的光生物反應器1#和2#，在室內(nèi)培養(yǎng)超嗜鹽桿藻和杜氏鹽藻， 其培養(yǎng)基配方如下:其中表2為超嗜鹽桿藻培養(yǎng)基，表3為杜氏鹽藻培養(yǎng)基。
[0101] 親2瞄暗鹽巧蕩睹幕某
[0104] 表對±氏鹽藻培養(yǎng)基
[0102]
[0103]
[0105]
[0106] 將上述培養(yǎng)基配方成分按比例溶于蒸饋水中，得微藻培養(yǎng)液。超嗜鹽桿藻的培養(yǎng)： 在光反應器1#中添加該微藻培養(yǎng)液，直至達到10.Ocm的液層厚度，選取對數(shù)生長期的超嗜 鹽桿藻化Uhalothece ZMOOl) W10%接種率接種，初始接種密度為分別為0.20g/L。具有波 浪的池內(nèi)水溫恒定為20± TC，室內(nèi)人工光源下培養(yǎng)，光強恒定為300皿〇1 E/WVs。
[0107] 杜氏鹽藻的培養(yǎng):在光反應器1#中添加該微藻培養(yǎng)液，直至達到10.Ocm的液層厚 度，并選取對數(shù)生長期的杜氏鹽藻，W10%接種率接種，初始接種密度為分別為O.lOg/L.具 有波浪的池內(nèi)水溫恒定為20 ± TC，室內(nèi)人工光源下培養(yǎng)，光強恒定為300WI1O1 E/WVs。
[0108] 開始養(yǎng)殖，每天定時取樣測干重。測干重方法如下：
[0109] 準確量取藻液40ml，1000 Orpm離屯、10分鐘收集藻細胞，量取lOg/L的氯化鋼水溶液 40mL清洗收集的藻細胞，重復兩次。最后收集的藻細胞加入5mL的氯化鋼水溶液中，于105°C 下烘干至質(zhì)量恒定，用精密分析天平稱量藻細胞干重，并計算微藻的干重。
[0110] 結果:如圖9、10中的曲線所示，本實用新型的光生物器能夠培養(yǎng)超嗜鹽桿藻和杜 氏鹽藻。其中，超嗜鹽桿藻在第九天時，細胞濃度最大，此時的濃度Cx=2.29g/L。且在第四 天時，其體積產(chǎn)率最大，為0.61g/L/d。杜氏鹽藻在第7天時取得最大細胞濃度為0.72g/L。從 上述數(shù)據(jù)可W看出，采用本實用新型的光生物反應器在培養(yǎng)條件下培養(yǎng)的微藻可W達到較 高的細胞濃度。
[0111] 實施例6剛性腔體式光生物反應器室外培養(yǎng)微藻
[0112] 利用實施例2中所述的光生物反應器1#和2#，在室外培養(yǎng)超嗜鹽桿藻，其培養(yǎng)基配 方W及培養(yǎng)液的制備同實施例4。溫度和光照不做任何人工處理，完全依賴自然條件。
[0113] 開始養(yǎng)殖，每天定時取樣測干重。測干重方法如同實施例2。
[0114] 結果：由圖11所示，本實用新型的光生物反應器1#和2#，在室外條件下均能夠成功 培養(yǎng)超嗜鹽桿藻。其中反應器1和2培養(yǎng)的最大細胞濃度依次位，1.47g/L，1.28g/L(分別對 應圖11中的C和B)。如圖11中的A所示，其最大濃度0.95g/L。
[0115] 結論:從上述數(shù)據(jù)可W看出，采用本實用新型的光生物反應器和培養(yǎng)條件下培養(yǎng) 的微藻可W達到較高的細胞濃度，且其能耗、培養(yǎng)、操作成本低。
[0116] 實施例7柔性腔體式光生物反應器室外培養(yǎng)微藻
[0117] 利用實施例3中所述的光生物反應器3#和4#，在室外培養(yǎng)超嗜鹽桿藻。漂浮條件和 反應器內(nèi)溫度測定:將制作好的反應器漂浮于室外具有波浪的水池中，在上述光反應器中3 和4中添加該微藻培養(yǎng)液，并選取對數(shù)生長期的Euhalothece ZMOOl，初始接種密度為 0.20g/L，在運種情況下，分別測量反應器內(nèi)部和其所處水體的溫度、光強在早7時至晚1卵寸 時間段內(nèi)的變化。
[0118] 由圖12可見，在7點-13點時間范圍內(nèi)，由于陽光的照射，培養(yǎng)液溫度逐漸增加，并 在13時達到最大，為29°C。另一方面，池內(nèi)的水溫也會升高，與反應器內(nèi)不同的是，其在15時 到最高溫度，為23.9°C，且低于反應器的培養(yǎng)液溫度，運是因為水的比熱烙很大，因此水體 溫度改變不大。應該指出的是，在一天的實驗時間范圍內(nèi)，漂浮式溫室反應器內(nèi)均比所處水 體的溫度高，且他們之間的最大溫差出現(xiàn)在13時，為5.7°C，說明本實用新型的光生物反應 器具有較好的保溫性。
[0119] 如圖12所示，單層反應器內(nèi)的溫度會比水溫度高，但是溫度差介于-0.1到0.7°C， 并沒有多大的顯著性差異。與單層底部的反應器相比，具有空氣夾層底部的反應器，可W形 成較大的溫度差(5.7°C)。底部具有充氣結構的反應器和水溫有較大的溫度差異由于充氣 的空氣層的熱阻較大阻礙了熱量的傳遞，從而保持較高的溫度。在此需要指出的是，如圖13 所示，具有空氣夾層底部的反應器在整個培養(yǎng)周期內(nèi)（白天)都維持比水體和單層反應器內(nèi) 的培養(yǎng)液較高的溫度，說明本實用新型的反應器具有較好的的保溫功能，且較穩(wěn)定。而且運 個溫度差可W通過調(diào)節(jié)空氣層的厚度和占整個底面積的比例來實現(xiàn)，W此可W通過反應器 底部的設計來實現(xiàn)反應器內(nèi)溫度的調(diào)控。但是。在實際生產(chǎn)中，使用何種反應器映取決于培 養(yǎng)的藻種，不同的藻種具有不同的適宜的生長溫度范圍。
[0120] 在本實施例中所選的超嗜鹽桿藻是一種具有較高最適生長溫度的微藻，較高的溫 度利于其生長。因此，具有保溫功能的反應器能夠促進其生長。如圖14所示，反應器4#的微 藻最終生物量達到0.89g/L，而反應器3#的最終生物量只有0.67g/L。由此可知，本實施例的 反應器，在室外能夠培養(yǎng)微藻，且具有保溫功能，并能夠促進微藻的生長。
[0121] 結論:從上述數(shù)據(jù)可W看出，采用本實施例的光生物反應器和培養(yǎng)條件下培養(yǎng)的 微藻可W達到較高的細胞濃度，其保溫效果良好，可W維持細胞較快的生長。
【主權項】
1. 微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，包括可容納培養(yǎng)液和微藻的光生物反應器;其特征在于， 所述反應器為密閉式； 所述反應器的器壁為具有中空夾層結構（3)的密封體和/或器壁的材質(zhì)為輕質(zhì)保溫材 料； 所述反應器具有透氣結構； 所述培養(yǎng)液中含有碳酸氫鹽。2. 根據(jù)權利要求1所述的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述透氣結構包括透氣口（ 6)和/ 或透氣不透水的密封結構(7)。3. 根據(jù)權利要求1所述的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述密封體的材質(zhì)為透明材料。4. 根據(jù)權利要求1所述的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述密封體的材質(zhì)為高分子聚合 物材料。5. 根據(jù)權利要求4所述的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述高分子聚合物材料為聚氯乙 烯、聚丙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸酯或聚酰胺。6. 根據(jù)權利要求1所述的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述輕質(zhì)保溫材料為泡沫塑料。7. 根據(jù)權利要求6所述的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述泡沫塑料為聚氯乙烯、聚丙 烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸酯或聚酰胺。8. 根據(jù)權利要求1所述的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述中空夾層結構（3)中填充氣 體。9. 根據(jù)權利要求1所述的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)應用于具有波浪的水體 表面，所述水體為海洋、湖泊、河流、池塘、或水庫。10. 腔體式光生物反應器，其特征在于，包括腔體（1 )，腔體（1)具有腔壁(2 )，腔壁(2)包 括上腔壁(21);所述腔壁(2)為具有中空夾層結構(3)的密封體和/或腔壁(2)的材質(zhì)為輕 質(zhì)保溫材料;所述腔體(1)的上部設有進出料口（ 5)和透氣結構，所述進出料口（ 5)和透氣結 構均穿過上腔壁(21)與腔體(1)內(nèi)部相通。11. 根據(jù)權利要求10所述的腔體式光生物反應器，其特征在于，所述透氣結構包括透氣 口（6)和/或透氣不透水的密封結構(7)。12. 根據(jù)權利要求10所述的腔體式光生物反應器，其特征在于，所述密封體的材質(zhì)為透 明材料。13. 根據(jù)權利要求10所述的腔體式光生物反應器，其特征在于，所述密封體的材質(zhì)為高 分子聚合物材料。14. 根據(jù)權利要求13所述的腔體式光生物反應器，其特征在于，所述高分子聚合物材料 為聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸酯或聚酰胺。15. 根據(jù)權利要求10所述的腔體式光生物反應器，其特征在于，所述輕質(zhì)保溫材料為泡 沫塑料。16. 根據(jù)權利要求15所述的腔體式光生物反應器，其特征在于，所述泡沫塑料為聚氯乙 烯、聚丙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸酯或聚酰胺。17. 根據(jù)權利要求10所述的腔體式光生物反應器，其特征在于，所述腔壁(2)由上腔壁 (21)、下腔壁(22)和側腔壁(23)組成，所述側腔壁(23)在豎直方向上，由至少兩個以上的中 空密封單元1(24)組成，所述中空密封單元1(24)之間密封疊合。18. 根據(jù)權利要求10所述的腔體式光生物反應器，其特征在于，中空夾層結構（3)的外 層設置有充氣口（4)。19. 根據(jù)權利要求17所述的腔體式光生物反應器，其特征在于，所述上腔壁(21)在水平 方向上，由至少兩個以上中空密封單元Π (25)組成，所述中空密封單元Π (25)之間密封連 接。20. 根據(jù)權利要求10所述的腔體式光生物反應器，其特征在于，所述腔體（1)的底部連 接有穩(wěn)定部件(8);所述穩(wěn)定部件(8)為繩索、錨、或管道結構;所述管道結構的一端與所述 腔體(1)的內(nèi)部連通，另一端設有可拆卸式密封結構(9)。21. 根據(jù)權利要求10所述的腔體式光生物反應器，其特征在于，所述中空夾層結構（3) 中填充氣體。
【文檔編號】C12M1/00GK205420364SQ201521013602
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年12月8日
【發(fā)明人】遲占有, 朱陳霸, 朱賀, 李佳琪, 程龍燕, 唐穎
【申請人】大連理工大學