具有仿生分形树状结构的光生反应器、应用及培养方法与流程

本发明属于生物化工领域，涉及一种具有仿生分形树状结构的光生反应器、应用及培养方法。

背景技术：

微藻能够通过光合作用将CO₂和水转化为我们生活需要的各种有机化合物(如色素、蛋白质、氨基酸、维生素和脂肪酸、多糖等)。由于藻类具有高效光利用率，以及从周围环境中快速高效吸收营养素(如CO2、氮、磷等)并转化成有机化合物的能力，使藻类成为拥有未来解决食品农业、能源危机的巨大经济潜力。同时，藻类养殖对于CO₂固定、污水处理等改善生态环境方面具有重大意义。尽管藻类具备了较高的环境与经济价值，但要实现微藻产业的经济性利用，目前仍受限于藻类养殖的核心装置—光生物反应器的设计研发。

目前，微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。开放式光生物反应器构建简单、成本低廉及操作简便，但存在易受污染、培养条件不稳定、占地面积大等缺点。与开放式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器克服了开放式光生物反应器的上述缺陷，可以控制各个生长参数，并且已经有一些规模化培养的实例。封闭式光生物反应器一般分为：管式光生物反应器、板式光生物反应器和圆柱式光生物反应器。但由于封闭式光生物反应器类型多，存在不同的缺陷，如圆柱式光生物反应器容易发生光照不足、流动存在死区的问题；而管式光生物反应器容易出现溶解氧过高、气液混合不均、温度过高以及光抑制(指的是光能超过藻体所能利用的数量时，其光合功能下降的现象)；这些会导致培养的生物浓度和产出率较低。目前，封闭式光生物反应器主要有：管道式、平板式、柱状气升式、浮式薄膜袋等。由于这些光生物反应器结构不同，其实际使用效果差异很大，对藻类的产量与品质的影响就更加明显。

在所有微藻培养过程中，光照和气液混合传质是影响微藻高密度培养的关键因素。光生物反应器的主要设计思路是使微藻细胞能得到充分的光照同时使反应物均匀混合传质。柱式反应器接收光照表面积较小；管道式光生物反应器具有较高的光照利用率，但其传统构型流动阻力大传质传热性能差，使得溶解氧过高不易释放，处于光抑制状态无法高效进行光合作用，并容易造成管道内培养温度上升形成培养条件不稳定。

因此，如何提供一种新型结构的光生反应器，以提升光照利用率以及流动性能，克服常规管式及柱式反应器的诸多缺点，促进微藻固碳及培养效率的提升，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有仿生分形树状结构的光生反应器、应用及培养方法，用于解决现有技术中光生反应器光照利用率不高、流动扩散性能及传质传热性能差、无法使藻液高效进行光合作用的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有仿生分形树状结构的光生反应器，包括柱式反应器主体，其中：所述光生反应器还包括设于所述柱式反应器主体内部的子反应器，所述子反应器采用仿生分形树状结构；所述仿生分形树状结构包括管式主干及连接于所述管式主干上部并与所述管式主干连通的管式多级分叉支干。

可选地，所述管式主干底部与所述柱式反应器主体底部连接。

可选地，所述管式多级分叉支干的每一级分叉的分叉数大于或等于2。

可选地，所述管式多级分叉支干的第一级分叉支干与水平面之间的夹角为15°-75°；分叉之间的夹角为30°-150°。

可选地，所述管式主干与所述管式多级分叉支干的第一级分叉支干的长度之比范围是1-10，内径之比范围是1-6。

可选地，所述管式多级分叉支干的每一级分叉支干的尺寸比例、角度具有分形几何的自相似性。

可选地，所述仿生分形树状结构采用透明材质。

可选地，所述管式主干与第一气体供应管路连接；所述第一气体供应管路用于向所述管式主干供应气体，使得所述管式主干内的液体在气流及循环泵的作用下向上流动，扩散到所述管式多级分叉支干中，并与气体充分混合，最终在管式多级分叉支干的末级分叉出口排出。

可选地，所述第一气体供应管路包括空气压缩机、CO₂储气装置及混合室，其中，所述空气压缩机提供的空气与所述CO₂储气装置提供的CO₂气体经过所述混合室混合后供应至所述管式主干。

可选地，所述柱式反应器主体与所述管式主干之间连接有热交换器及循环泵；所述热交换器用以对从所述柱式反应器流经至所述热交换器的液体进行降温或升温；所述循环泵用以将经过所述热交换器的液体输送至所述管式主干内。

可选地，所述柱式反应器主体底部设有气体分布器；所述气体分布器与第二气体供应管路连接，用以对所述柱式反应器主体内的液体进行鼓泡并提供反应气体。

可选地，所述第二气体供应管路包括空气压缩机，用以向所述气体分布器供应气体。

可选地，所述光生反应器的光源采用人工光源或自然光光源。

可选地，所述柱式反应器主体的侧壁包括透明材质。

可选地，所述柱式反应器主体为圆柱状或多边形柱状。

可选地，所述柱式反应器主体顶部连接有集液罩，用以对从所述的管式多级分叉支干流出的液体进行挡流集液，使液体回流至所述柱式反应器主体底部。

可选地，所述集液罩的轮廓为弧形或锥形。

可选地，所述集液罩采用透明材质。

可选地，所述集液罩上设置有人工光源。

可选地，所述人工光源包括LED灯带。

可选地，所述集液罩上还设有用于排放反应尾气的排气装置。

可选地，所述光生反应器还连接有配气系统、温控系统、循环系统、监测系统或尾气分析系统。

本发明还提供一种具有仿生分形树状结构的光生反应器的应用，所述具有仿生分形树状结构的光生反应器采用上述任意一项所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器。

可选地，所述应用是利用所述光生反应器进行微藻培养及CO₂固定。

本发明还提供一种培养方法，包括如下步骤：

将含有CO₂的气体输送至采用仿生分形树状结构的子反应器的管式主干；

利用气流及循环泵的推动作用，使所述管式主干中的藻液向上流动，扩散到所述子反应器的管式多级分叉支干中，并与所述气体充分混合；

采用自然光光源及人造光源中的至少一种作为光源，使藻液在光照条件下于所述管式多级分叉支干中进行光合作用。

可选地，还包括采用集液罩对从所述的管式多级分叉支干流出的藻液进行挡流集液的步骤，以使藻液回流至柱式反应器主体底部。

可选地，还包括利用设置于所述集液罩上的排气装置将含有氧气的尾气排出。

可选地，还包括利用设置于所述柱式反应器主体底部的气体分布器对藻液进行鼓泡的步骤，以提供反应气体并防止藻液沉积。

可选地，采用空气压缩机将将其分为两路，一路空气与CO₂混合后输送至所述管式主干，另一路空气输送至所述气体分布器。

可选地，还包括利用循环泵将所述柱式反应器主体内的藻液抽至所述管式主干的步骤。

可选地，还包括利用热交换器将从所述柱式反应器流经至所述热交换器的藻液进行降温或升温的步骤。

如上所述，本发明的具有仿生分形树状结构的光生反应器、应用及培养方法，具有以下有益效果：

本发明基于自然仿生理论、分形流动最优构建理论设计了分形树状结构带有循环喷淋流动过程的光生反应器。分形树状结构具有自然界树枝分叉多、光照表面积高，流动扩散性能好、流动阻力降小等优势，能够有效提升光照利用率以及流动性能。此外，循环喷淋过程将使柱式、管式内较高藻液的温度随喷淋外循环得到自然下降，并释放出光合作用生成的氧气，减弱了微藻培养过程中的光抑制效应，并且大尺度循环也有助于强化传质过程。本发明的光生反应器通过柱管耦合，解决了常规管式及柱式反应器各自的诸多缺点，从而有助于促进微藻固碳及培养效率的提升。

附图说明

图1显示为本发明的具有仿生分形树状结构的光生反应器的结构示意图。

图2显示为本发明的具有仿生分形树状结构的光生反应器中子反应器的结构示意图。

图3显示为本发明的具有仿生分形树状结构的光生反应器采用锥形集液罩时的结构示意图。

图4显示为本发明的具有仿生分形树状结构的光生反应器的管路连接图。

图5显示为本发明的培养方法的操作流程图。

元件标号说明

1 柱式反应器主体

2 子反应器

3 气体分布器

4 集液罩

5 管式主干

6 多级分叉支干

601 第一级分叉支干

602 第二级分叉支干

603 第三级分叉支干

604 第四级分叉支干

605 第五级分叉支干

7 空气压缩机

8 CO₂储气装置

9 混合室

10 热交换器

11 循环泵

V1、V2、V3、V4、V5 阀门

F1、F2、F3 流量计

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本发明提供一种具有仿生分形树状结构的光生反应器，请参阅图1，显示为所述光生反应器的结构示意图，包括柱式反应器主体1以及设于所述柱式反应器主体1内部的子反应器2。

请参阅图2，显示为所述子反应器2的结构示意图，其采用仿生分形树状结构，包括管式主干5及连接于所述管式主干5上部并与所述管式主干5连通的管式多级分叉支干6。

具体的，所述管式主干5底部与所述柱式反应器主体1底部连接。作为示例，所述柱式反应器主体1的轮廓可以是但不限于圆柱状或多边形柱状。所述管式主干5底部通过紧固件或卡固件固定于所述柱式反应器主体1底部。

具体的，所述管式多级分叉支干6的每一级分叉的分叉数大于或等于2，优选为3-4。本实施例中，所述管式多级分叉支干6采用每次分叉数为3的结构，分叉级数为5级。

具体的，所述管式主干5与所述管式多级分叉支干6的第一级分叉支干601的长度之比范围是1-10，优选为3-5；内径之比范围是1-6，优选为2-4。本实施例中，所述管式主干5直径为20cm，高度为1m；3个第一级分叉支干601的直径是12cm，长度是0.3m；9个第二级分叉支干602的直径是9cm，长度是0.21m；27个第三级分叉支干603的直径是6.75cm，长度是0.14m；81个第四级分叉支干604的直径是5cm，长度是0.10m；243个第五级分叉支干605的直径是3.8cm，长度是0.07m。外部柱式反应器主体1的有效容积为250-500升。

具体的，所述管式多级分叉支干6的第一级分叉支干601与水平面之间的夹角为15°-75°，优选为30°-50°；分叉之间的夹角为30°-150°，优选为60°-90°。

本实施例中，每一级分叉支干的尺寸比例、角度等优选为具有分形几何特有的自相似性，即每一级分叉支干设计具有等比例类推性质。在其它实施例中，每一级分叉支干设计也可以不局限于有序类推，而是可以包括其他有规则或无规则的分形/分叉结构，此处不应过分限制本发明的保护范围。

本实施例中，所述仿生分形树状结构采用透明材质，例如有机玻璃，使得光线能够透过分形树管壁，为管内的液体提供光照条件。

作为示例，所述管式主干5与第一气体供应管路连接；所述第一气体供应管路用于向所述管式主干5供应气体，使得所述管式主干5内的液体在气流及循环泵的作用下向上流动，扩散到所述管式多级分叉支干6中，并与气体充分混合，最终在管式多级分叉支干6的末级分叉出口排出。

作为示例，所述第一气体供应管路包括空气压缩机、CO₂储气装置及混合室，其中，所述空气压缩机提供的空气与所述CO₂储气装置提供的CO₂气体经过所述混合室混合后供应至所述管式主干5。

作为示例，所述柱式反应器主体1与所述管式主干5之间连接有热交换器及循环泵；所述热交换器用以对从所述柱式反应器流经至所述热交换器的液体进行降温或升温；所述循环泵用以将经过所述热交换器的液体输送至所述管式主干5内。

进一步的，如图1所示，所述柱式反应器主体1底部设有气体分布器3，顶部连接有集液罩4。

具体的，所述气体分布器3与第二气体供应管路连接，用以对所述柱式反应器主体1内的液体进行鼓泡并提供反应气体。作为示例，所述第二气体供应管路包括空气压缩机，用以向所述气体分布器供应气体。其中，所述第二气体供应管路与所述第一气体供应管路可共用一个空气压缩机。

具体的，所述集液罩4用以对从所述的管式多级分叉支干6流出的液体进行挡流集液，使液体回流至所述柱式反应器主体1底部。本实施例中，所述集液罩4上还设有用于排放反应尾气的排气装置，例如排气孔或排气槽等。

所述集液罩4的轮廓包括但不限于弧形或锥形，其中，图1显示为本发明的光生反应器采用弧形集液罩时的情形，图3显示为本发明的光生反应器采用锥形集液罩时的情形。自顶部向下倾斜的结构有利于喷射到集液罩的液体快速回流至所述柱式反应器主体1底部。

本发明中，所述光生反应器的光源既可以采用人工光源，也可以采用自然光光源。

当采用自然光光源时，所述柱式反应器主体1的侧壁及所述集液罩4均优选采用透明材质，例如有机玻璃，以利于自然光入射到反应腔体内。

当采用人工光源时，人工光源既可以悬设于所述集液罩4上方，也可以固定于所述集液罩4表面。若采用人工光源悬设于所述集液罩4上方的形式，或者采用人工光源布设于所述集液罩4外表面的形式，所述柱式反应器主体1的侧壁及所述集液罩4均优选采用透明材质。若采用人工光源布设于所述集液罩4内部的形式，所述柱式反应器主体1及所述集液罩4也可以采用不透明材质。

作为示例，所述人工光源包括LED灯带。

进一步的，本发明的光生反应器还连接有配气系统、温控系统、循环系统、监测系统或尾气分析系统，其具体设计可由本领域技术人员根据实际情况进行灵活调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。

本发明基于自然仿生理论、分形流动最优构建理论设计了分形树状结构带有循环喷淋流动过程的光生反应器。分形树状结构具有自然界树枝分叉多、光照表面积高，流动扩散性能好、流动阻力降小等优势，能够有效提升光照利用率以及流动性能。此外，循环喷淋过程将使柱式、管式内较高液体的温度随喷淋外循环得到自然下降，并释放出反应气体，减弱了光抑制效应，并且大尺度循环也有助于强化传质过程。

实施例二

本发明还提供一种具有仿生分形树状结构的光生反应器的应用，所述具有仿生分形树状结构的光生反应器采用实施例一中所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器。

具体的，所述应用也可以是生物、化工、环境等领域的微生物培养、化学反应容器、环境污染物的生物净化等。

作为示例，所述应用是利用所述光生反应器进行微藻培养及CO₂固定。

实施例三

本发明还提供一种培养方法。

作为示例，图4显示了该培养方法所采用的光生反应器的管路连接图。如图所示，所述光生反应器与空气压缩机7、CO₂储气装置8、混合室9、热交换器10以及循环泵11连接，其中，空气压缩机7将空气分为两路，一路空气与CO₂经混合室9混合后输入进采用仿生分形树状结构的子反应器2的管式主干，另一路空气输入进设于柱式反应器主体1底部的气体分布器3；热交换器10可以对藻液进行降温或升温；循环泵11将所述柱式反应器主体1内的藻液抽取至所述子反应器2，使得藻液能够在光生反应器的柱式反应器主体1与子反应器2之间不断循环。图4中还示出了阀门V1、V2、V3、V4、V5及流量计F1、F2、F3，所述阀门用于对气路或液路进行开启或关闭，所述流量计用于调控气体或液体的流量。

作为示例，图5显示为该培养方法的操作流程图，包括如下步骤：

步骤S1：将含有CO₂的气体输送至采用仿生分形树状结构的子反应器的管式主干；

步骤S2：利用气流及循环泵的推动作用，使所述管式主干中的藻液向上流动，扩散到所述子反应器的管式多级分叉支干中，并与所述气体充分混合；

步骤S3：采用自然光光源及人造光源中的至少一种作为光源，使藻液在光照条件下于所述管式多级分叉支干中进行光合作用。

具体的，首先在所述柱式反应器主体1内加入藻液及培养液，打开相关的配气系统、温控系统、循环系统、监测系统、尾气分析系统等，将5％(v/v)CO₂与空气压缩机的一路空气在混合室混合后按照一定气量通入所述子反应器2的管式主干。

在气流及循环泵11的作用下，所述管式主干5内的藻液向上流动，扩散到所述子反应器2的管式多级分叉支干中，并与气体充分混合。

在光照的作用下，藻液于所述管式多级分叉支干中进行光合作用，实现微藻培养及固碳。

最终，藻液在管式多级分叉支干的末级分叉出口排出。

进一步的，本发明的培养方法还包括步骤S4：采用集液罩4对从所述的管式多级分叉支干流出的藻液进行挡流集液，以使藻液回流至柱式反应器主体1底部。

进一步的，本发明的培养方法还包括利用设置于所述集液罩4上的排气装置将含有氧气的尾气排出的步骤。

进一步的，本发明的培养方法还包括利用设置于所述柱式反应器主体1底部的气体分布器3对藻液进行鼓泡的步骤，所述气体分布器3将空气压缩机7输入的另一路空气以微小气泡的形式输入所述柱式反应器主体1，从而进行鼓泡反应，防止藻液沉积，并有助于藻液的循环流动。气体分布器底部的进气不仅可以防止藻液沉积，还提供了反应气体，起到了一举多得的作用。

本实施例中，空气压缩机7输入的另一路空气并未与额外的CO₂混合，但空气中本身存在的CO₂也可以作为反应气体与微藻在光作用下进行反应，只是效率没有额外加入CO₂的情况高。在另一实施例中，也可以将空气与额外的CO₂混合后分为两路，分别输入进采用仿生分形树状结构的子反应器2的管式主干及设于所述柱式反应器主体1底部的气体分布器3。

需要指出的是，在培养过程中，上述各步骤均可同步进行，而不分先后顺序。

本实施例中在光源照射下进行小球藻的培养，温度为25℃，培养7天后，体积产率为0.98g/Ld，CO₂固定效率达36％，相比传统反应器具有更高的微藻培养及固碳效率，对微藻经济发展、CO₂减排等具有重要的意义。

综上所述，本发明的具有仿生分形树状结构的光生反应器、应用及培养方法基于自然仿生理论、分形流动最优构建理论设计了分形树状结构带有循环喷淋流动过程的光生反应器。分形树状结构具有自然界树枝分叉多、光照表面积高，流动扩散性能好、流动阻力降小等优势，能够有效提升光照利用率以及流动性能。此外，循环喷淋过程将使柱式、管式内较高藻液的温度随喷淋外循环得到自然下降，并释放出光合作用生成的氧气，减弱了微藻培养过程中的光抑制效应，并且大尺度循环也有助于强化传质过程。本发明的光生反应器通过柱管耦合，解决了常规管式及柱式反应器各自的诸多缺点，从而有助于促进微藻固碳及培养效率的提升。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。