一种梯度光照的光生物反应器及其应用的制作方法
一种梯度光照的光生物反应器及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种梯度光照的光生物反应器及其应用；该光生物反应器为箱体式结构，被分隔成为光照强度从高到低的隔室I、隔室II和隔室III，每个反应器箱体内设置一对隔室I，一对隔室II和一个隔室III，隔室间液体通过溢流管或溢流口流动，微藻依次在光强从低到高的3个隔室中进行培养，藻液浓度和通气量根据隔室中光强从低到高而相应提高，采用梯度光照的光生物反应器及其培养微藻的方法，可提高光能的转化率；用于微藻的连续培养时相当于多个全混流反应器串联，可提高细胞产率。
【专利说明】一种梯度光照的光生物反应器及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种梯度光照的光生物反应器及其应用于微藻培养的方法。
【背景技术】
[0002] 微藻是获取食物蛋白、药物等材料的重要生物资源，同时也是第3代生物燃料的 主要原料和重要技术平台。采用光生物反应器进行微藻的规模化培养，是解决微藻资源产 业化瓶颈的的重要途径。光生物反应器是可提供一定的光照强度和流体力学环境，进行光 照生物质培养或光化学反应的反应器。采用光生物反应培养微藻，可提高微藻的培养浓度 和增殖速率，节省空间，避免外界环境对微藻培养的影响，可连续获得质量稳定的微藻资 源。
[0003] 光生物反应器中光强分布是影响光合作用，从而影响微藻增殖的重要特性。在光 反应器中进行微藻的自养培养时，影响光强分布的因素包括光照的深度、气泡大小与数量 以及微藻的细胞浓度等。其中藻细胞对光的散射作用，是造成光强随光程增加而迅速衰减 的重要原因，也是限制高细胞浓度培养的重要原因。为了改善反应器中的光强分布，提高微 藻的增殖速率和培养密度，研究者提出了各种形式的光反应器(包括管道式、板式、柱式等） 结构、人工光源的使用、藻液的循环及相应的培养方法。
[0004] 管道式反应器一般由或玻璃、有机玻璃或其他透明硬质塑料的封闭管构成，管道 弯曲成不同形状，微藻悬浮在培养液中并以一定流速在管道中流动，借助自然光或人工光 源进行光培养。为获得管道内较好的光强分布，提高微藻增殖速率，研究者对管道的直 径、管道的排布方式、管道内构件、光照的方式等进行了各种优化设计，如L. Travieso等 报道的螺旋形的管道式反应器（Int. Biodeter. Biodegra.，2001，47:151-155)，中国专利 CN102134553A公开的内设有螺旋形挡板的管道式反应器等。
[0005] 板式反应器由单个或多个组合的板箱式结构组成，或者在箱体内通过安装折流板 分割成多个箱室。不同的箱室间流体的交换往往通过气升式环流形成。为获得箱室理想的 光强分布，研究者对箱室的厚度、箱体的内部结构、箱体的排布方式、一级光照方式或人工 光源位置等进行了各种优化设计。例如，中国发明专利CN1880442A报道了一种多节的平板 式光生物反应器，在箱体内部有多个安装人工光源的中空腔体，可实现高浓度的细胞培养。 S. R. Chae等报道的L型平板光生物反应器（Bioresource Tech.，2006, 97:322-329)等，可 较好的利用光照。
[0006] 也有一些技术通过使藻液不断在光照区和暗区循环，来提高微藻的增殖速率和光 能的利用率，中国专利CN201801523U公开了一种薄板反应器，通过继电器控制光源的亮与 灭，并通过反应器内部可转动的区域，实现反应器内短周期光/暗交替培养。又如中国专利 CN101870950A公开了一种由藻液输送装置、藻液导流面和存储装置的微藻培养装置，通过 藻液输送装置使存储装置中的藻液不断流过藻液导流面接受光照。
[0007] 微藻生长要求光强在一定范围内，过高或过低都会影响微藻的生产，而在一定范 围内，生长速率随光照增加而增加。而另一方面，反应器内光强随藻细胞浓度将呈指数下 降。在微藻培养的过程中，随着培养进行，藻细胞浓度不断提高，对光的散射和吸收作用不 断加强，反应器内光强不断减弱。现有技术通过反应器设计等，虽可获得反应器内较高的光 强分布，但多采用恒定照度光源的方式，这使得在培养初期，藻细胞浓度较低时，光强过高 而使光利用率下降，甚至可能超过藻细胞承受范围而影响正常增殖。而在培养到高浓度时， 光强又不能满足微藻生长的要求而限制微藻生产和藻浓度的进一步增加。同时这些反应器 大部分都是全混流的反应器，采取连续稳定的培养方式时，为得到浓度较高的细胞液，反应 器也必须以高细胞浓度运行，因而需要较高的光照强度，造成光能利用率的降低。
[0008] 分段培养、根据藻细胞浓度不同而调整光源强度，是解决该问题的一个技术途径。 如国际专利W02012016208报道了一种采用多段培养的方式，采用了两个光强不同的反应 器，微藻先后在两反应器中分段培养，根据每个反应器中藻浓度调整光照和培养时间，以获 得较高的光利用率。但是，在一个反应器光程位置不同，光强差异也很大(光强基本随光程 增加呈指数的衰减)，如能在一个反应器中，根据光程不同而调整藻细胞的培养浓度，使光 照强度和藻细胞浓度更加匹配，则会进一步提高光利用率。
[0009] 除了光照外，藻细胞生长的不同阶段，所需要的通气量等流体力学条件也不相同， 因此根据细胞和光照条件，同时调整通气量，使反应器为细胞生长提供最优的流体力学条 件，也是提高细胞产率和光利用率的途径之一。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于提供一种在一个反应器内实现梯度光照，构建光照强度不同的 区域的光生物反应器，并相应地以不同细胞浓度藻液进行培养，以及匹配相应的通气量；将 该反应器用于微藻的连续或批式培养，特别是连续培养，基于此反应器提出优化的培养工 艺，以提高光能转换利用率和藻细胞产率。
[0011] 本发明的目的是通过下面的技术方案实现的：
[0012] 如图1?3,本发明梯度光照的光生物反应器由箱体1、隔板2、光源腔室3、光源4、 气体分布器5、溢流堰6、溢流管7、溢流口 8、气体出口 9和排液口 10组成。隔板将反应器 箱体分隔成体积不同、光照强度不同的3种隔室--隔室I、隔室II和隔室III，每组反应 器由一组对称的隔室I、一组对称的隔室II和一个隔室III构成。一对隔室II位于反应器 内靠近外壁的两侧，隔室III位于反应器中心，一对隔室I位于隔室II和隔室III之间，由 隔板2围成。
[0013] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，其中隔室I内中心位置设置光源腔室3,将 隔室I分隔成环形，光源腔室3中安装光源4。隔室I顶部和底部分别设有气体出口 9和排 液口 10。
[0014] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，隔室I顶部设有溢流堰6、溢流管7,开有溢 流口 8 ;溢流堰将隔室III与隔室II分隔，隔室III中的液体通过溢流管溢流至隔室II下 部；隔室II内液体可由溢流口 8流入隔室I。
[0015] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，三类隔室底部均安装有气体分布器5,隔室 I中气体分布器安装在靠近隔室II的一侧。其他隔室中气体分布器均安装在底部中轴线 上。
[0016] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，箱体、隔板、光源腔室均由透明材料制成， 包括但不限于有机玻璃、玻璃和透明硬塑料；隔室II外侧接受太阳光照射。
[0017] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，其具有如下结构特征：隔室I的单侧宽度w 为10?16cm，隔室II的宽度为0. 8?1. 2w，隔室III的宽度为1. 5?2w，隔室I的高度为 5?8w ;光源腔室宽度为0. 5?1. 2w，腔室顶端距隔室I顶部10?20cm，腔室最低点距隔 室I底部3?8cm。反应器箱体高度比隔室I的高度高10?20cm。隔室I顶部溢流堰高 5?20cm，溢流管在隔室II中一端的开口距隔室II底部为2?4w。
[0018] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，其长度可根据培养所需的体积确定，但每 隔1?2m设一个溢流管、溢流口、气体出口及排料口。隔室I中每lm长度内设气体分布器 3?5个，隔室II中每lm长度内设气体分布器2?3个，隔室III中每lm长度内设气体分 布器3?5个，气体分布器均等间隔排列。
[0019] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，为构建光照强度梯度，光源腔室和隔室I 界面处的光量子通量，是隔室II外侧表面接受太阳光的光量子通量的1. 2?2倍。
[0020] 采用如上所述的梯度光照的光生物反应器进行微藻的培养，操作和使用方式如 下：
[0021] 可采用批式培养的方式，刚接种的稀藻液在隔室III中培养，当藻细胞浓度增加 0. 5?3倍后转入隔室II中继续培养，而隔室III中重新接种稀藻液，开始下一批培养；转 入隔室II的藻液在培养达到较高的藻细胞浓度后，转入隔室I中继续培养；同时将下一批 已在隔室III中培养的微藻转入继续培养。隔室I中培养达到需要浓度后排出藻液，得到 藻液产品，同时继续从隔室II中转入下一批培养的藻液，如此循环操作。
[0022] 如上所述采用本发明梯度光照的光生物反应器进行微藻的批式培养，还包括以下 技术特征：藻液在隔室III和隔室II (两个合计)中培养时间相当，而在隔室I (两个合计） 中培养时间为在隔室II中培养时间的2?4倍；通气量以vvm计（即每分钟通气的体积和 隔室总体积的比)，需要根据微藻种类而确定，但一般情况下，隔室II中通气量为〇. 02? 0. lwm，隔室III中通气量是隔室II中通气量的0. 5?1. 0倍，隔室I中通气量为隔室II 的1. 2?1. 5倍。
[0023] 可采用连续培养的方式(如图4)，按照上述批式培养的方法在各个隔室中建立不 同藻细胞浓度的藻液后，在隔室III中流加培养液(不含藻细胞)，同时从隔室I底部的排液 口中排出浓藻液(产品）;流加培养液速率根据总水力停留时间和反应器有效容积（3种隔室 装液体积之和）确定，而在不同隔室内的平均水力停留时间根据隔室体积确定。
[0024] 采用如上所述的在本发明的梯度光照的光生物反应器进行微藻培养的方法，还包 括以下技术方案：，藻液在隔室III和隔室II (两个合计）中水力停留时间相当，而在隔室 I (两个合计）水力停留时间为在隔室II的1. 5?3倍；通气量（以vvm计）需要根据微藻 种类而确定，但一般情况下，隔室II中通气量为0. 02?0. lvvm，隔室III中通气量是隔室 II中通气量0.5?1倍，而隔室I中通气量为隔室II的1.2?1.5倍。
[0025] 本发明提出的"梯度光照的光生物反应器及其培养微藻的方法"的特点是：
[0026] 1)在反应器中，根据不同光程位置的光照强度不同，在不同细胞浓度藻液中进行 藻细胞的培养，可更加充分的利用光能，提高光能的转化利用率。
[0027] 2)根据不同光强和不同的细胞浓度，采用不同的通气量和流体力学条件，以适应 微藻生长的需要。
[0028] 3)本发明反应器用于微藻的连续培养时，相当于多个全混流反应器串联，可提高 细胞产率。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1光反应器的正视图。图中：1_箱体、2-隔板、3-光源腔室、4-光源、5-气体分 布器、10-排液口。
[0030] 图2光反应器的侧视图。图中：6-溢流堰、7-溢流管、8-溢流口、9-气体出口。
[0031] 图3为光反应器溢流堰、溢流管和溢流口的结构详图。
[0032] 图4为光反应器连续培养微藻过程和流动示意图。
[0033] 图5为实施例2中光反应器内的光量子通量分布。
[0034] 图6为实施例3中批式培养时反应器内微藻浓度的变化曲线。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合【专利附图】
【附图说明】本发明的原理和【具体实施方式】。
[0036] 本发明的梯度光照的光生物反应器由箱体1、隔板2、光源腔室3、光源4、气体分布 器5、溢流堰6、溢流管7、溢流口 8、气体出口 9和排液口 10组成。反应器箱体、隔板、光源腔 室均由透明材料制成。隔板将反应器箱体分隔成体积不同、光照强度不同的三类隔室一一 隔室I、隔室II和隔室III，每组反应器包括一组对称的隔室I、一组对称的隔室II和一个 隔室III构成。隔室I是由隔板2围成的封闭隔室，其内中心位置设置光源腔室3,使隔室 I内部形成环形结构，隔室I顶部和底部分别设有气体出口 9和排液口 10。光源腔室3中 安装光源4,光源直接照射隔室I两侧；隔室II是由隔室I和箱体外壁构成的隔室，是顶部 开放的隔室，可同时接受太阳光和透过隔室I的光源腔室3中光源的照射；隔室III位于 两个对称的隔室I之间，是顶部开放的隔室，主要接受透过隔室I的光源腔室3中光源的照 射。根据本发明的设计，光源腔室中光源在光源腔室和隔室I界面处产生的光量子通量，是 隔室II外侧表面接受太阳光的光量子通量的1. 2?2倍，此条件下，隔室I中的平均光照 强度最高，而隔室III中平均光照强度最低。
[0037] 隔室III中的含藻液体可由溢流管7流至隔室II ;隔室II中的含藻液体可由位 于隔室I顶部的溢流口 8流入隔室I。溢流堰6使隔室II和隔室III分隔，同时防止隔室 III中液体通过溢流口 8直接流入隔室I。
[0038] 在每个隔室中均安置有气体分布器5,用于将含有C02的气体分布在隔室中，同时 将藻液中溶解的氧气部分带出。其中，隔室I中气体分布器安装在靠近隔室II的一侧，可 在隔室I中形成围绕光源腔室3的气升式环流。由于分布器安装在靠近隔室II 一侧，因此 这一侧的气含率较高，光沿光程方向衰减较快；但隔室I靠近中心的一侧的气含率较低，光 沿光程方向衰减较小，可使更多的光进入隔室III中，以满足隔室III中微藻培养的需要。 隔室I内的气升式环流可以强化高藻细胞浓度下氧气的解吸和C0 2的溶解和利用。隔室II 和隔室III中气体分布器均安装在隔室底部的中轴线上。
[0039] 各个隔室的体积比根据培养不同阶段所需要的停留时间以及光量子通量的变化 确定，一个比较优的方案是，隔室I的单侧宽度w为10?16cm，隔室II的宽度为0.8? 1. 2w，隔室III的宽度为1. 5?2w。隔室I的高度为5?10w，反应器箱体高度比隔室I的 高度高10?20cm。光源腔室3的宽度为0. 5?1. Ow，腔室顶端距离隔室I顶部（以中心 计）10?20cm，腔室底端(最低点）距离隔室I底部为3?8cm。隔室I顶部溢流堰6高度 为5?20cm，连通隔室II和隔室III的溢流管，在隔室II中一端的开口距隔室II底部为 2 ?4w。
[0040] 反应器的长度根据培养所需的体积确定，但每隔1?2m应设一个溢流口、气体出 口及排料口。隔室I中每lm长度内设气体分布器3?5个，隔室II中每lm长度内设气体 分布器2?3个，隔室III中每lm长度内设气体分布器3?5个，以保证分体分布的均勻 性。气体分布器均等间隔排列。
[0041] 使用本发明的反应器可进行微藻批式培养，其过程如下：刚接种的稀藻液在隔室 III中的培养，培养时间t ni、藻细胞浓度增加0. 5?3倍后转入隔室II中继续培养，而隔 室III中重新接种稀藻液，开始下一批培养；转入隔室II的藻液在培养时间tn、达到较高 的藻细胞浓度后，转入隔室I中继续培养；同时将下一批已经在隔室III中的培养t ni时间 的微藻转入继续培养。隔室I中培养h时间，达到需要浓度后排出藻液，得到藻液产品，同 时继续从隔室II中转入下一批培养的藻液。一般情况下，t n和tm相当，而h为2?4tn ; 通气量（以vvm计)需要根据微藻种类而确定，但是一般情况下，隔室II中通气量为0. 02? 0. lvvm，隔室III中通气量不大于隔室II中通气量，而隔室I中通气量为隔室II的1. 2? 1. 5 倍。
[0042] 使用本发明的反应器也可进行微藻连续培养，其过程如下(如图4所示):按照上述 批式培养的方法在各个隔室中建立不同藻细胞浓度的藻液后，在隔室III中以一定的速率 流加培养液(不含藻细胞)，同时从隔室I底部的排液口中收集浓藻液(产品）。培养液流加 速率根据总水力停留时间和反应器有效容积（3种隔室装液体积之和）确定，而在不同隔室 内的平均停留时间根据隔室体积确定。一般情况下，隔室III中水力停留时间 m和隔室II (两个合计）中停留时间n相当，而在隔室I (两个合计）中的停留时间：为1.5?3n。通 气量（以vvm计）需要根据微藻种类而确定，但是一般情况下，隔室II中通气量为0. 02? 0. lvvm，隔室III中通气量不大于隔室II中通气量，而隔室I中通气量为隔室II的1. 2? 1.5 倍。
[0043] 本发明的具体实施方法，可由下面的具体实施例进一步说明：
[0044] 实施例1 :
[0045] 本实施例为本发明光反应器中光量子通量的分布情况。反应器的结构参数如下： 反应器总高度70cm，总长度60cm。隔室I单侧宽度w为10cm，高度为55cm，光源腔室宽度 为5cm，光源腔室上端距隔室I顶端10cm，光源腔室下端距离隔室I底部3cm。隔室II宽 度为l〇cm，隔室III宽度为18cm。三个隔室中装液量为：隔室I (两个合计）为124L，隔室 II (两个合计)为58L，隔室III为59L。隔室I顶部溢流堰高5cm，溢流管出口距离隔室II 底部为20cm，溢流口宽3cm。气体出口和排料口设置在隔室I的中心位置。隔室I和隔室 III中各均布3个膜气体分布器，隔室II中均布2个膜气体分布器。光源腔室内光源米用 LED光源，功率为108W，在隔室I表面的光量子通量为106mol/m 2 ? s。太阳光入射(在箱体 表面位置）光量子通量为78mol/m2，s。所有隔室中均装有海生小球藻(Marine chlorella sp.)的溶液，藻细胞浓度为1.0X107cell/mL，且通气量均为0.04vvm时，隔室I、隔室II、 隔室III内中心位置的平均光量子通量依次为42、33、21m 〇l/m2 *s，可见隔室I、隔室II、隔 室III中光照强度逐级递减。
[0046] 实施例2 :
[0047] 本实施例为本发明光反应器中光量子通量的分布情况。反应器的结构参数如下： 反应器总高度ll〇cm，总长度80cm。隔室I单侧宽度w为12cm，高度为95cm，光源腔室宽度 为6cm，光源腔室上端距隔室I顶端15cm，光源腔室下端距离隔室I底部5cm。隔室II宽 度为l〇cm，隔室III宽度为18cm。三个隔室中装液量为：隔室I (两个合计）为336L，隔室 II (两个合计）为146L，隔室III为146L。溢流堰高度10cm，溢流管出口距离隔室II底部 为35cm，溢流口宽5cm。气体出口和排料口设置在隔室I的中心位置。隔室I和隔室III 中各均布3个膜气体分布器，隔室II中均布2个膜气体分布器。光源腔室内光源采用LED 光源，功率为216W，在隔室I表面的光量子通量为112mol/m 2 ? s。太阳光入射(在箱体表面 位置）光量子通量为82mol/m2 ? s。所有隔室中都装有纯水，且通气量均为0. 04vvm时，反 应器内高度为〇. 5m位置的光量子通量分布如图5所示，隔室I、隔室II、隔室III内的平均 光量子通量依次为91、66、60mol/m 2 *s。所有隔室中均装有海生小球藻（Marine chlorella sp)的溶液，藻细胞浓度为1. 2X107cell/mL时，反应器内高度为0. 5m处的光量子通量分布 如图5所示，隔室I、隔室II、隔室III内的平均光量子通量依次为40、29、20mol/m2 ? s。
[0048] 实施例3 :
[0049] 本实施例为采用本发明光反应器批式培养海生小球藻（Marine chlorella sp)。 反应器同实施例1。在室内采用日光灯模拟太阳光，保持光照参数同实施例1，光暗周期 为16h:8h。培养基为F/2改良培养基，接种浓度为1.2X10 6Cell/mL。接种后藻在隔室 III中培养48h后转入隔室II中继续培养，同时隔室III中重新装入新培养液，并仍按 1. 2X 106cell/mL接种；在隔室II中培养48h后转入隔室I中继续培养，同时将下一批藻液 从隔室III转入隔室II，微藻在隔室I中培养112h后采收。隔室III、隔室II、隔室I中通 气量依次为〇? 〇2vvm、0. 03vvm和0? 04vvm，气体中C02的平均体积含量为1200ppm。按照上 述过程持续循环培养，达到稳定状态时，各隔室中微藻生长情况如图6所示。隔室III排出 藻液细胞浓度为2. 2X106cell/mL，隔室II排出藻液细胞浓度为1. lX107cell/mL，隔室I 采收藻液细胞浓度达到4. 2X 107cell/mL，细胞干重0. 38g/L，油脂含量(质量分数）26. 4%。
[0050] 实施例4 :
[0051] 本实施例为采用本发明光反应器连续培养海生小球藻。反应器同实施例1，培养 基、光照方式及强度、通气量及通气中C0 2含量同实施例3。按照实施例3的方法，培养4个 批次后，开始建立连续稳定操作，进料(培养液，不含藻细胞）流率为1. 2L/h，即在隔室III、 隔室II和隔室I中藻液的水力停留时间依次为49h、48h和103h。达到稳态操作时，隔室 I中藻细胞浓度为2. 6?2. 9X 106cell/mL，隔室II中藻细胞浓度为1. 2?1. 4X 107cell/ mL，隔室III中藻细胞浓度为4. 4?4. 8X 107cell/mL。以不采用梯度光照和浓度连续培养 的实验作为对比组，通气量均为0. 04vvm，其他培养条件和反应器相同，稳定状态时，反应器 内各处藻液浓度均为2. 8?3. 2X 107cell/mL。采用本发明和对照组培养得到的细胞干重、 油脂含量(质量分数)、单位培养体积微藻的产率以及按照甘油三脂燃烧热（37000kJ/kg)计 算的光能转化利用率列于表1中。可见本发明的梯度光照的反应器和培养方法，可显著提 高单位培养体积的微藻产率和光能转化利用率。
[0052] 表1本发明及对照组培养海生小球藻的结果
[0053]
【权利要求】
1. 一种梯度光照的光生物反应器，由箱体、隔板、光源腔室、光源、气体分布器、溢流堰、 溢流管、溢流口、气体出口和排液口组成，其特征在于： 1) 隔板将反应器箱体分隔成光照强度不同的3种隔室--隔室I、隔室II和隔室III， 每个箱体内包括两个对称的隔室I、两个对称的隔室II和一个隔室III，一对隔室II位于 反应器箱体内靠近外壁的两侧，隔室III位于反应器箱体中心，一对隔室I位于隔室II和 隔室III之间； 2) 隔室I内中心设置光源腔室，使隔室I内为环形结构，光源腔室中安装光源；隔室I 顶部和底部分别设有气体出口和排液口； 3) 3种隔室底部均安装气体分布器，隔室I中气体分布器安装在靠近隔室II的一侧， 其他隔室中分布器均安装在底部中轴线上； 4) 隔室I顶部设有溢流堰、溢流管，开有溢流口；隔室III中液体通过溢流管流至隔室 II下部；隔室II内液体可由溢流口流入隔室I，溢流堰将隔室III与隔室II分隔； 5) 箱体、隔板、光源腔室均由透明材料制成；隔室II外侧接受太阳光照射。
2. 如权利要求1所述的一种梯度光照的光生物反应器，其特征在于： 1) 隔室I的单侧宽度w为10?16cm，隔室II的宽度为0. 8?1. 2w，隔室III的宽度为 1. 5?2w，隔室I高度为5?8w ;光源腔室宽度为0. 5?lw，腔室顶端距隔室I顶部10? 20cm，腔室最低点距隔室I底部3?8cm，反应器箱体高度比隔室I的高度高10?30cm， 隔室I顶部溢流堰高度为5?20cm，溢流管在隔室II中一端的开口距隔室II底部为2? 4w ； 2) 反应器的总长度根据培养所需的体积确定，但每隔1?2m设一个溢流管、溢流口、 气体出口及排料口，隔室I和隔室III中每lm长度内设气体分布器3?5个，隔室II中每 lm长度内设气体分布器2?3个，气体分布器均等间隔排列。
3. 如权利要求1所述的一种梯度光照的光生物反应器，其特征在于：光源腔室和隔室I 界面处的光量子通量，是隔室II外侧表面接受太阳光的光量子通量的1. 2?2倍。
4. 一种权利要求1所述的梯度光照的光生物反应器的应用，其特征在于：其用于批式 培养微藻，操作方法为：刚接种的稀藻液在隔室III中培养，当藻细胞浓度增加0. 5?3倍 后转入隔室II中继续培养，而隔室III中重新接种稀藻液，开始下一批培养；转入隔室II 的藻液在培养达较高藻细胞浓度后，转入隔室I中继续培养；同时将下一批已在隔室III中 培养的藻液转入继续培养；隔室I中培养达到需要浓度后排出藻液，得到藻液产品，同时继 续从隔室II中转入下一批培养的藻液，如此循环操作。
5. 如权利要求4所述的梯度光照的光生物反应器的应用，其特征在于：批式培养微藻 的方法，藻液在隔室III和隔室II中培养时间相当，而在隔室I中培养时间为在隔室II中 培养时间的2?4倍；隔室II中通气量为0. 02?0. lvvm，隔室III中通气量为隔室II中 通气量的〇. 5?1倍；隔室I中通气量为隔室II的1. 2?1. 5倍。
6. 如权利要求4所述的梯度光照的光生物反应器的应用，其特征在于：其用于连续稳 态培养微藻时，操作方法为：按照权利要求4所述的培养方法在各个隔室中建立不同藻细 胞浓度的藻液后，在隔室III中流加培养液，同时从隔室I底部的排液口中收集产品浓藻 液。
7. 如权利要求4所述的梯度光照的光生物反应器的应用，其特征在于：藻液在隔室III 和隔室II中水力停留时间相当，而在隔室I中水力停留时间为在隔室II中的1. 5?3倍； 隔室II中通气量为0. 02?0. lvvm，隔室III中通气量为隔室II中通气量的0. 5?1倍； 而隔室I中通气量为隔室II的1. 2?1. 5倍。
【文档编号】C12M1/04GK104450492SQ201310426471
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】何皓, 蒋国强, 齐泮仑, 于常军, 孙洪磊, 王桂伟, 李建忠 申请人:中国石油天然气股份有限公司
【专利摘要】本发明涉及一种梯度光照的光生物反应器及其应用；该光生物反应器为箱体式结构，被分隔成为光照强度从高到低的隔室I、隔室II和隔室III，每个反应器箱体内设置一对隔室I，一对隔室II和一个隔室III，隔室间液体通过溢流管或溢流口流动，微藻依次在光强从低到高的3个隔室中进行培养，藻液浓度和通气量根据隔室中光强从低到高而相应提高，采用梯度光照的光生物反应器及其培养微藻的方法，可提高光能的转化率；用于微藻的连续培养时相当于多个全混流反应器串联，可提高细胞产率。
【专利说明】一种梯度光照的光生物反应器及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种梯度光照的光生物反应器及其应用于微藻培养的方法。
【背景技术】
[0002] 微藻是获取食物蛋白、药物等材料的重要生物资源，同时也是第3代生物燃料的 主要原料和重要技术平台。采用光生物反应器进行微藻的规模化培养，是解决微藻资源产 业化瓶颈的的重要途径。光生物反应器是可提供一定的光照强度和流体力学环境，进行光 照生物质培养或光化学反应的反应器。采用光生物反应培养微藻，可提高微藻的培养浓度 和增殖速率，节省空间，避免外界环境对微藻培养的影响，可连续获得质量稳定的微藻资 源。
[0003] 光生物反应器中光强分布是影响光合作用，从而影响微藻增殖的重要特性。在光 反应器中进行微藻的自养培养时，影响光强分布的因素包括光照的深度、气泡大小与数量 以及微藻的细胞浓度等。其中藻细胞对光的散射作用，是造成光强随光程增加而迅速衰减 的重要原因，也是限制高细胞浓度培养的重要原因。为了改善反应器中的光强分布，提高微 藻的增殖速率和培养密度，研究者提出了各种形式的光反应器(包括管道式、板式、柱式等） 结构、人工光源的使用、藻液的循环及相应的培养方法。
[0004] 管道式反应器一般由或玻璃、有机玻璃或其他透明硬质塑料的封闭管构成，管道 弯曲成不同形状，微藻悬浮在培养液中并以一定流速在管道中流动，借助自然光或人工光 源进行光培养。为获得管道内较好的光强分布，提高微藻增殖速率，研究者对管道的直 径、管道的排布方式、管道内构件、光照的方式等进行了各种优化设计，如L. Travieso等 报道的螺旋形的管道式反应器（Int. Biodeter. Biodegra.，2001，47:151-155)，中国专利 CN102134553A公开的内设有螺旋形挡板的管道式反应器等。
[0005] 板式反应器由单个或多个组合的板箱式结构组成，或者在箱体内通过安装折流板 分割成多个箱室。不同的箱室间流体的交换往往通过气升式环流形成。为获得箱室理想的 光强分布，研究者对箱室的厚度、箱体的内部结构、箱体的排布方式、一级光照方式或人工 光源位置等进行了各种优化设计。例如，中国发明专利CN1880442A报道了一种多节的平板 式光生物反应器，在箱体内部有多个安装人工光源的中空腔体，可实现高浓度的细胞培养。 S. R. Chae等报道的L型平板光生物反应器（Bioresource Tech.，2006, 97:322-329)等，可 较好的利用光照。
[0006] 也有一些技术通过使藻液不断在光照区和暗区循环，来提高微藻的增殖速率和光 能的利用率，中国专利CN201801523U公开了一种薄板反应器，通过继电器控制光源的亮与 灭，并通过反应器内部可转动的区域，实现反应器内短周期光/暗交替培养。又如中国专利 CN101870950A公开了一种由藻液输送装置、藻液导流面和存储装置的微藻培养装置，通过 藻液输送装置使存储装置中的藻液不断流过藻液导流面接受光照。
[0007] 微藻生长要求光强在一定范围内，过高或过低都会影响微藻的生产，而在一定范 围内，生长速率随光照增加而增加。而另一方面，反应器内光强随藻细胞浓度将呈指数下 降。在微藻培养的过程中，随着培养进行，藻细胞浓度不断提高，对光的散射和吸收作用不 断加强，反应器内光强不断减弱。现有技术通过反应器设计等，虽可获得反应器内较高的光 强分布，但多采用恒定照度光源的方式，这使得在培养初期，藻细胞浓度较低时，光强过高 而使光利用率下降，甚至可能超过藻细胞承受范围而影响正常增殖。而在培养到高浓度时， 光强又不能满足微藻生长的要求而限制微藻生产和藻浓度的进一步增加。同时这些反应器 大部分都是全混流的反应器，采取连续稳定的培养方式时，为得到浓度较高的细胞液，反应 器也必须以高细胞浓度运行，因而需要较高的光照强度，造成光能利用率的降低。
[0008] 分段培养、根据藻细胞浓度不同而调整光源强度，是解决该问题的一个技术途径。 如国际专利W02012016208报道了一种采用多段培养的方式，采用了两个光强不同的反应 器，微藻先后在两反应器中分段培养，根据每个反应器中藻浓度调整光照和培养时间，以获 得较高的光利用率。但是，在一个反应器光程位置不同，光强差异也很大(光强基本随光程 增加呈指数的衰减)，如能在一个反应器中，根据光程不同而调整藻细胞的培养浓度，使光 照强度和藻细胞浓度更加匹配，则会进一步提高光利用率。
[0009] 除了光照外，藻细胞生长的不同阶段，所需要的通气量等流体力学条件也不相同， 因此根据细胞和光照条件，同时调整通气量，使反应器为细胞生长提供最优的流体力学条 件，也是提高细胞产率和光利用率的途径之一。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于提供一种在一个反应器内实现梯度光照，构建光照强度不同的 区域的光生物反应器，并相应地以不同细胞浓度藻液进行培养，以及匹配相应的通气量；将 该反应器用于微藻的连续或批式培养，特别是连续培养，基于此反应器提出优化的培养工 艺，以提高光能转换利用率和藻细胞产率。
[0011] 本发明的目的是通过下面的技术方案实现的：
[0012] 如图1?3,本发明梯度光照的光生物反应器由箱体1、隔板2、光源腔室3、光源4、 气体分布器5、溢流堰6、溢流管7、溢流口 8、气体出口 9和排液口 10组成。隔板将反应器 箱体分隔成体积不同、光照强度不同的3种隔室--隔室I、隔室II和隔室III，每组反应 器由一组对称的隔室I、一组对称的隔室II和一个隔室III构成。一对隔室II位于反应器 内靠近外壁的两侧，隔室III位于反应器中心，一对隔室I位于隔室II和隔室III之间，由 隔板2围成。
[0013] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，其中隔室I内中心位置设置光源腔室3,将 隔室I分隔成环形，光源腔室3中安装光源4。隔室I顶部和底部分别设有气体出口 9和排 液口 10。
[0014] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，隔室I顶部设有溢流堰6、溢流管7,开有溢 流口 8 ;溢流堰将隔室III与隔室II分隔，隔室III中的液体通过溢流管溢流至隔室II下 部；隔室II内液体可由溢流口 8流入隔室I。
[0015] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，三类隔室底部均安装有气体分布器5,隔室 I中气体分布器安装在靠近隔室II的一侧。其他隔室中气体分布器均安装在底部中轴线 上。
[0016] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，箱体、隔板、光源腔室均由透明材料制成， 包括但不限于有机玻璃、玻璃和透明硬塑料；隔室II外侧接受太阳光照射。
[0017] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，其具有如下结构特征：隔室I的单侧宽度w 为10?16cm，隔室II的宽度为0. 8?1. 2w，隔室III的宽度为1. 5?2w，隔室I的高度为 5?8w ;光源腔室宽度为0. 5?1. 2w，腔室顶端距隔室I顶部10?20cm，腔室最低点距隔 室I底部3?8cm。反应器箱体高度比隔室I的高度高10?20cm。隔室I顶部溢流堰高 5?20cm，溢流管在隔室II中一端的开口距隔室II底部为2?4w。
[0018] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，其长度可根据培养所需的体积确定，但每 隔1?2m设一个溢流管、溢流口、气体出口及排料口。隔室I中每lm长度内设气体分布器 3?5个，隔室II中每lm长度内设气体分布器2?3个，隔室III中每lm长度内设气体分 布器3?5个，气体分布器均等间隔排列。
[0019] 如上所述的梯度光照的光生物反应器，为构建光照强度梯度，光源腔室和隔室I 界面处的光量子通量，是隔室II外侧表面接受太阳光的光量子通量的1. 2?2倍。
[0020] 采用如上所述的梯度光照的光生物反应器进行微藻的培养，操作和使用方式如 下：
[0021] 可采用批式培养的方式，刚接种的稀藻液在隔室III中培养，当藻细胞浓度增加 0. 5?3倍后转入隔室II中继续培养，而隔室III中重新接种稀藻液，开始下一批培养；转 入隔室II的藻液在培养达到较高的藻细胞浓度后，转入隔室I中继续培养；同时将下一批 已在隔室III中培养的微藻转入继续培养。隔室I中培养达到需要浓度后排出藻液，得到 藻液产品，同时继续从隔室II中转入下一批培养的藻液，如此循环操作。
[0022] 如上所述采用本发明梯度光照的光生物反应器进行微藻的批式培养，还包括以下 技术特征：藻液在隔室III和隔室II (两个合计)中培养时间相当，而在隔室I (两个合计） 中培养时间为在隔室II中培养时间的2?4倍；通气量以vvm计（即每分钟通气的体积和 隔室总体积的比)，需要根据微藻种类而确定，但一般情况下，隔室II中通气量为〇. 02? 0. lwm，隔室III中通气量是隔室II中通气量的0. 5?1. 0倍，隔室I中通气量为隔室II 的1. 2?1. 5倍。
[0023] 可采用连续培养的方式(如图4)，按照上述批式培养的方法在各个隔室中建立不 同藻细胞浓度的藻液后，在隔室III中流加培养液(不含藻细胞)，同时从隔室I底部的排液 口中排出浓藻液(产品）;流加培养液速率根据总水力停留时间和反应器有效容积（3种隔室 装液体积之和）确定，而在不同隔室内的平均水力停留时间根据隔室体积确定。
[0024] 采用如上所述的在本发明的梯度光照的光生物反应器进行微藻培养的方法，还包 括以下技术方案：，藻液在隔室III和隔室II (两个合计）中水力停留时间相当，而在隔室 I (两个合计）水力停留时间为在隔室II的1. 5?3倍；通气量（以vvm计）需要根据微藻 种类而确定，但一般情况下，隔室II中通气量为0. 02?0. lvvm，隔室III中通气量是隔室 II中通气量0.5?1倍，而隔室I中通气量为隔室II的1.2?1.5倍。
[0025] 本发明提出的"梯度光照的光生物反应器及其培养微藻的方法"的特点是：
[0026] 1)在反应器中，根据不同光程位置的光照强度不同，在不同细胞浓度藻液中进行 藻细胞的培养，可更加充分的利用光能，提高光能的转化利用率。
[0027] 2)根据不同光强和不同的细胞浓度，采用不同的通气量和流体力学条件，以适应 微藻生长的需要。
[0028] 3)本发明反应器用于微藻的连续培养时，相当于多个全混流反应器串联，可提高 细胞产率。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1光反应器的正视图。图中：1_箱体、2-隔板、3-光源腔室、4-光源、5-气体分 布器、10-排液口。
[0030] 图2光反应器的侧视图。图中：6-溢流堰、7-溢流管、8-溢流口、9-气体出口。
[0031] 图3为光反应器溢流堰、溢流管和溢流口的结构详图。
[0032] 图4为光反应器连续培养微藻过程和流动示意图。
[0033] 图5为实施例2中光反应器内的光量子通量分布。
[0034] 图6为实施例3中批式培养时反应器内微藻浓度的变化曲线。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合【专利附图】
【附图说明】本发明的原理和【具体实施方式】。
[0036] 本发明的梯度光照的光生物反应器由箱体1、隔板2、光源腔室3、光源4、气体分布 器5、溢流堰6、溢流管7、溢流口 8、气体出口 9和排液口 10组成。反应器箱体、隔板、光源腔 室均由透明材料制成。隔板将反应器箱体分隔成体积不同、光照强度不同的三类隔室一一 隔室I、隔室II和隔室III，每组反应器包括一组对称的隔室I、一组对称的隔室II和一个 隔室III构成。隔室I是由隔板2围成的封闭隔室，其内中心位置设置光源腔室3,使隔室 I内部形成环形结构，隔室I顶部和底部分别设有气体出口 9和排液口 10。光源腔室3中 安装光源4,光源直接照射隔室I两侧；隔室II是由隔室I和箱体外壁构成的隔室，是顶部 开放的隔室，可同时接受太阳光和透过隔室I的光源腔室3中光源的照射；隔室III位于 两个对称的隔室I之间，是顶部开放的隔室，主要接受透过隔室I的光源腔室3中光源的照 射。根据本发明的设计，光源腔室中光源在光源腔室和隔室I界面处产生的光量子通量，是 隔室II外侧表面接受太阳光的光量子通量的1. 2?2倍，此条件下，隔室I中的平均光照 强度最高，而隔室III中平均光照强度最低。
[0037] 隔室III中的含藻液体可由溢流管7流至隔室II ;隔室II中的含藻液体可由位 于隔室I顶部的溢流口 8流入隔室I。溢流堰6使隔室II和隔室III分隔，同时防止隔室 III中液体通过溢流口 8直接流入隔室I。
[0038] 在每个隔室中均安置有气体分布器5,用于将含有C02的气体分布在隔室中，同时 将藻液中溶解的氧气部分带出。其中，隔室I中气体分布器安装在靠近隔室II的一侧，可 在隔室I中形成围绕光源腔室3的气升式环流。由于分布器安装在靠近隔室II 一侧，因此 这一侧的气含率较高，光沿光程方向衰减较快；但隔室I靠近中心的一侧的气含率较低，光 沿光程方向衰减较小，可使更多的光进入隔室III中，以满足隔室III中微藻培养的需要。 隔室I内的气升式环流可以强化高藻细胞浓度下氧气的解吸和C0 2的溶解和利用。隔室II 和隔室III中气体分布器均安装在隔室底部的中轴线上。
[0039] 各个隔室的体积比根据培养不同阶段所需要的停留时间以及光量子通量的变化 确定，一个比较优的方案是，隔室I的单侧宽度w为10?16cm，隔室II的宽度为0.8? 1. 2w，隔室III的宽度为1. 5?2w。隔室I的高度为5?10w，反应器箱体高度比隔室I的 高度高10?20cm。光源腔室3的宽度为0. 5?1. Ow，腔室顶端距离隔室I顶部（以中心 计）10?20cm，腔室底端(最低点）距离隔室I底部为3?8cm。隔室I顶部溢流堰6高度 为5?20cm，连通隔室II和隔室III的溢流管，在隔室II中一端的开口距隔室II底部为 2 ?4w。
[0040] 反应器的长度根据培养所需的体积确定，但每隔1?2m应设一个溢流口、气体出 口及排料口。隔室I中每lm长度内设气体分布器3?5个，隔室II中每lm长度内设气体 分布器2?3个，隔室III中每lm长度内设气体分布器3?5个，以保证分体分布的均勻 性。气体分布器均等间隔排列。
[0041] 使用本发明的反应器可进行微藻批式培养，其过程如下：刚接种的稀藻液在隔室 III中的培养，培养时间t ni、藻细胞浓度增加0. 5?3倍后转入隔室II中继续培养，而隔 室III中重新接种稀藻液，开始下一批培养；转入隔室II的藻液在培养时间tn、达到较高 的藻细胞浓度后，转入隔室I中继续培养；同时将下一批已经在隔室III中的培养t ni时间 的微藻转入继续培养。隔室I中培养h时间，达到需要浓度后排出藻液，得到藻液产品，同 时继续从隔室II中转入下一批培养的藻液。一般情况下，t n和tm相当，而h为2?4tn ; 通气量（以vvm计)需要根据微藻种类而确定，但是一般情况下，隔室II中通气量为0. 02? 0. lvvm，隔室III中通气量不大于隔室II中通气量，而隔室I中通气量为隔室II的1. 2? 1. 5 倍。
[0042] 使用本发明的反应器也可进行微藻连续培养，其过程如下(如图4所示):按照上述 批式培养的方法在各个隔室中建立不同藻细胞浓度的藻液后，在隔室III中以一定的速率 流加培养液(不含藻细胞)，同时从隔室I底部的排液口中收集浓藻液(产品）。培养液流加 速率根据总水力停留时间和反应器有效容积（3种隔室装液体积之和）确定，而在不同隔室 内的平均停留时间根据隔室体积确定。一般情况下，隔室III中水力停留时间 m和隔室II (两个合计）中停留时间n相当，而在隔室I (两个合计）中的停留时间：为1.5?3n。通 气量（以vvm计）需要根据微藻种类而确定，但是一般情况下，隔室II中通气量为0. 02? 0. lvvm，隔室III中通气量不大于隔室II中通气量，而隔室I中通气量为隔室II的1. 2? 1.5 倍。
[0043] 本发明的具体实施方法，可由下面的具体实施例进一步说明：
[0044] 实施例1 :
[0045] 本实施例为本发明光反应器中光量子通量的分布情况。反应器的结构参数如下： 反应器总高度70cm，总长度60cm。隔室I单侧宽度w为10cm，高度为55cm，光源腔室宽度 为5cm，光源腔室上端距隔室I顶端10cm，光源腔室下端距离隔室I底部3cm。隔室II宽 度为l〇cm，隔室III宽度为18cm。三个隔室中装液量为：隔室I (两个合计）为124L，隔室 II (两个合计)为58L，隔室III为59L。隔室I顶部溢流堰高5cm，溢流管出口距离隔室II 底部为20cm，溢流口宽3cm。气体出口和排料口设置在隔室I的中心位置。隔室I和隔室 III中各均布3个膜气体分布器，隔室II中均布2个膜气体分布器。光源腔室内光源米用 LED光源，功率为108W，在隔室I表面的光量子通量为106mol/m 2 ? s。太阳光入射(在箱体 表面位置）光量子通量为78mol/m2，s。所有隔室中均装有海生小球藻(Marine chlorella sp.)的溶液，藻细胞浓度为1.0X107cell/mL，且通气量均为0.04vvm时，隔室I、隔室II、 隔室III内中心位置的平均光量子通量依次为42、33、21m 〇l/m2 *s，可见隔室I、隔室II、隔 室III中光照强度逐级递减。
[0046] 实施例2 :
[0047] 本实施例为本发明光反应器中光量子通量的分布情况。反应器的结构参数如下： 反应器总高度ll〇cm，总长度80cm。隔室I单侧宽度w为12cm，高度为95cm，光源腔室宽度 为6cm，光源腔室上端距隔室I顶端15cm，光源腔室下端距离隔室I底部5cm。隔室II宽 度为l〇cm，隔室III宽度为18cm。三个隔室中装液量为：隔室I (两个合计）为336L，隔室 II (两个合计）为146L，隔室III为146L。溢流堰高度10cm，溢流管出口距离隔室II底部 为35cm，溢流口宽5cm。气体出口和排料口设置在隔室I的中心位置。隔室I和隔室III 中各均布3个膜气体分布器，隔室II中均布2个膜气体分布器。光源腔室内光源采用LED 光源，功率为216W，在隔室I表面的光量子通量为112mol/m 2 ? s。太阳光入射(在箱体表面 位置）光量子通量为82mol/m2 ? s。所有隔室中都装有纯水，且通气量均为0. 04vvm时，反 应器内高度为〇. 5m位置的光量子通量分布如图5所示，隔室I、隔室II、隔室III内的平均 光量子通量依次为91、66、60mol/m 2 *s。所有隔室中均装有海生小球藻（Marine chlorella sp)的溶液，藻细胞浓度为1. 2X107cell/mL时，反应器内高度为0. 5m处的光量子通量分布 如图5所示，隔室I、隔室II、隔室III内的平均光量子通量依次为40、29、20mol/m2 ? s。
[0048] 实施例3 :
[0049] 本实施例为采用本发明光反应器批式培养海生小球藻（Marine chlorella sp)。 反应器同实施例1。在室内采用日光灯模拟太阳光，保持光照参数同实施例1，光暗周期 为16h:8h。培养基为F/2改良培养基，接种浓度为1.2X10 6Cell/mL。接种后藻在隔室 III中培养48h后转入隔室II中继续培养，同时隔室III中重新装入新培养液，并仍按 1. 2X 106cell/mL接种；在隔室II中培养48h后转入隔室I中继续培养，同时将下一批藻液 从隔室III转入隔室II，微藻在隔室I中培养112h后采收。隔室III、隔室II、隔室I中通 气量依次为〇? 〇2vvm、0. 03vvm和0? 04vvm，气体中C02的平均体积含量为1200ppm。按照上 述过程持续循环培养，达到稳定状态时，各隔室中微藻生长情况如图6所示。隔室III排出 藻液细胞浓度为2. 2X106cell/mL，隔室II排出藻液细胞浓度为1. lX107cell/mL，隔室I 采收藻液细胞浓度达到4. 2X 107cell/mL，细胞干重0. 38g/L，油脂含量(质量分数）26. 4%。
[0050] 实施例4 :
[0051] 本实施例为采用本发明光反应器连续培养海生小球藻。反应器同实施例1，培养 基、光照方式及强度、通气量及通气中C0 2含量同实施例3。按照实施例3的方法，培养4个 批次后，开始建立连续稳定操作，进料(培养液，不含藻细胞）流率为1. 2L/h，即在隔室III、 隔室II和隔室I中藻液的水力停留时间依次为49h、48h和103h。达到稳态操作时，隔室 I中藻细胞浓度为2. 6?2. 9X 106cell/mL，隔室II中藻细胞浓度为1. 2?1. 4X 107cell/ mL，隔室III中藻细胞浓度为4. 4?4. 8X 107cell/mL。以不采用梯度光照和浓度连续培养 的实验作为对比组，通气量均为0. 04vvm，其他培养条件和反应器相同，稳定状态时，反应器 内各处藻液浓度均为2. 8?3. 2X 107cell/mL。采用本发明和对照组培养得到的细胞干重、 油脂含量(质量分数)、单位培养体积微藻的产率以及按照甘油三脂燃烧热（37000kJ/kg)计 算的光能转化利用率列于表1中。可见本发明的梯度光照的反应器和培养方法，可显著提 高单位培养体积的微藻产率和光能转化利用率。
[0052] 表1本发明及对照组培养海生小球藻的结果
[0053]
【权利要求】
1. 一种梯度光照的光生物反应器，由箱体、隔板、光源腔室、光源、气体分布器、溢流堰、 溢流管、溢流口、气体出口和排液口组成，其特征在于： 1) 隔板将反应器箱体分隔成光照强度不同的3种隔室--隔室I、隔室II和隔室III， 每个箱体内包括两个对称的隔室I、两个对称的隔室II和一个隔室III，一对隔室II位于 反应器箱体内靠近外壁的两侧，隔室III位于反应器箱体中心，一对隔室I位于隔室II和 隔室III之间； 2) 隔室I内中心设置光源腔室，使隔室I内为环形结构，光源腔室中安装光源；隔室I 顶部和底部分别设有气体出口和排液口； 3) 3种隔室底部均安装气体分布器，隔室I中气体分布器安装在靠近隔室II的一侧， 其他隔室中分布器均安装在底部中轴线上； 4) 隔室I顶部设有溢流堰、溢流管，开有溢流口；隔室III中液体通过溢流管流至隔室 II下部；隔室II内液体可由溢流口流入隔室I，溢流堰将隔室III与隔室II分隔； 5) 箱体、隔板、光源腔室均由透明材料制成；隔室II外侧接受太阳光照射。
2. 如权利要求1所述的一种梯度光照的光生物反应器，其特征在于： 1) 隔室I的单侧宽度w为10?16cm，隔室II的宽度为0. 8?1. 2w，隔室III的宽度为 1. 5?2w，隔室I高度为5?8w ;光源腔室宽度为0. 5?lw，腔室顶端距隔室I顶部10? 20cm，腔室最低点距隔室I底部3?8cm，反应器箱体高度比隔室I的高度高10?30cm， 隔室I顶部溢流堰高度为5?20cm，溢流管在隔室II中一端的开口距隔室II底部为2? 4w ； 2) 反应器的总长度根据培养所需的体积确定，但每隔1?2m设一个溢流管、溢流口、 气体出口及排料口，隔室I和隔室III中每lm长度内设气体分布器3?5个，隔室II中每 lm长度内设气体分布器2?3个，气体分布器均等间隔排列。
3. 如权利要求1所述的一种梯度光照的光生物反应器，其特征在于：光源腔室和隔室I 界面处的光量子通量，是隔室II外侧表面接受太阳光的光量子通量的1. 2?2倍。
4. 一种权利要求1所述的梯度光照的光生物反应器的应用，其特征在于：其用于批式 培养微藻，操作方法为：刚接种的稀藻液在隔室III中培养，当藻细胞浓度增加0. 5?3倍 后转入隔室II中继续培养，而隔室III中重新接种稀藻液，开始下一批培养；转入隔室II 的藻液在培养达较高藻细胞浓度后，转入隔室I中继续培养；同时将下一批已在隔室III中 培养的藻液转入继续培养；隔室I中培养达到需要浓度后排出藻液，得到藻液产品，同时继 续从隔室II中转入下一批培养的藻液，如此循环操作。
5. 如权利要求4所述的梯度光照的光生物反应器的应用，其特征在于：批式培养微藻 的方法，藻液在隔室III和隔室II中培养时间相当，而在隔室I中培养时间为在隔室II中 培养时间的2?4倍；隔室II中通气量为0. 02?0. lvvm，隔室III中通气量为隔室II中 通气量的〇. 5?1倍；隔室I中通气量为隔室II的1. 2?1. 5倍。
6. 如权利要求4所述的梯度光照的光生物反应器的应用，其特征在于：其用于连续稳 态培养微藻时，操作方法为：按照权利要求4所述的培养方法在各个隔室中建立不同藻细 胞浓度的藻液后，在隔室III中流加培养液，同时从隔室I底部的排液口中收集产品浓藻 液。
7. 如权利要求4所述的梯度光照的光生物反应器的应用，其特征在于：藻液在隔室III 和隔室II中水力停留时间相当，而在隔室I中水力停留时间为在隔室II中的1. 5?3倍； 隔室II中通气量为0. 02?0. lvvm，隔室III中通气量为隔室II中通气量的0. 5?1倍； 而隔室I中通气量为隔室II的1. 2?1. 5倍。
【文档编号】C12M1/04GK104450492SQ201310426471
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】何皓, 蒋国强, 齐泮仑, 于常军, 孙洪磊, 王桂伟, 李建忠 申请人:中国石油天然气股份有限公司
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