一种带有藻种快速扩培器的模块化微藻培养系统的制作方法

本发明涉及一种用于实现微藻大规模高密度高产率培养的培养系统。属于微藻生物工程技术领域。

背景技术：

微藻是一种生长迅速且环境适应性极强的生物，其生物质所含各种生化物质，如油脂、蛋白质、碳水化合物及色素等均具有较高经济价值，极具开发前景。特别是近些年来，微藻被认为是用于生产生物燃料的最前途原料之一。

在光生物反应器中进行光合自养培养是微藻培养的主要模式。在进行大规模培养时，需要大量藻种。传统上，藻种的生产是微藻在光合自养条件下，利用逐级扩培方式实现的，存在着扩培周期太长并易于因污染导致扩培失败、提供的细胞密度低等问题，成为阻碍微藻大规模光合自养培养的主要难题。光合自养培养相比，异养培养具有生长速率高、生物质产率高并避免野生藻类物种污染的优势。如在微藻培养系统增加一套封闭式反应器，在其中异养扩培微藻细胞作为藻种，无疑可大幅度降低藻种扩培失败的风险、缩短扩培周期并提高光反应器中的细胞密度，从而极大提高微藻的产率。

微藻的室外培养所面临的气候和环境条件波动较大，实际运行工况多变，需要培养系统频繁对各单元进行调整。

因此，有必要提供一种带有藻种快速扩培器的模块化微藻培养系统，以降低微藻大规模生产系统安排、维护和调整的难度，并极大提高微藻生物质，特别是油脂的产率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服常规微藻培养反应器存在的缺点，提供一种安装调整方便，可以大幅度提高微藻产量的带有藻种快速扩培器的模块化微藻培养系统。

本发明带有藻种快速扩培器的模块化微藻培养系统，采取以下技术方案：

该系统，包括藻种扩培器、光生物反应器、培养基添加系统、气体输送系统和藻液输送及上清液回流系统五个模块；光生物反应器倾斜设置，藻种扩培器安装于光反应器的背光侧；

所述藻种扩培器，包括扩培器腔体，腔体内的上部和下部之间设置有中间导流隔板，腔体两端分别设置有与腔体内上部连通的培养基输入口，腔体内的上部设置有搅拌器，腔体的下部设置有藻种液输出口，藻种液输出口上连接有流量控制器，藻种液输出口与光生物反应器上的藻种液输入口连接，藻种液输送管上连接有计量蠕动泵；

所述光生物反应器，包括反应器腔体，反应器腔体内设置有导流隔板，将反应器腔体分为上下相通的左右两侧，左侧设置有曝气孔板，曝气孔板上均匀分布有气孔，左侧底部设置有进气口；右侧底部设置有藻种液输入口和回流上清液及培养基进口；右侧设置有藻液输出口，藻液输出口与藻液输送管连接；反应器腔体的顶部设置有排气口；

所述培养基添加系统，包括营养素储罐、有机物储罐和培养基储罐，营养素储罐、有机物储罐和培养基储罐分别通过进料管与藻种扩培器上的培养基输入口连接，培养基储罐通过进料管与光生物反应器上的回流上清液及培养基进口连接，所有进料管上均连接计量蠕动泵；

所述气体输送系统，包括CO₂气瓶、空气压缩机、气体混合器和气体输送管，CO₂气瓶和空气压缩机上均带有气体流量计，气体流量计均与气体混合器连接，气体混合器与气体输送管连接，气体输送管中连接有气体质量流量控制器，气体输送管与光生物反应器上的的进气口连接；

所述藻液输送及上清液回流系统，包括固液分离器、藻液输送管和上清液回流管，藻液输送管与固液分离器连接，上清液回流管的一端与固液分离器连接，另一端与光生物反应器的回流上清液及培养基进口连接。

所述光生物反应器安装在支架上，光生物反应器与支架之间带有角度调整器。

所述光生物反应器与水平面夹角为50°-70°。

所述藻种扩培器中的藻种液输出口朝向光反应器一侧。

所述反应器腔体内的藻液输出口处设置有藻液引流板。

所述反应器腔体内上部安装有液位传感器，以防止液位过高由排气口泄露。

本发明可用于微藻大规模培养及相关微藻生物能源的生产；能够培养可异养培养并生长迅速的微藻，如小球藻、四尾栅藻、斜生栅藻、金藻、三角褐指藻、硅藻等；具有以下特点：

1.采用模块化设计，所有模块均事先制造生产，在现场组装，用支架固定，运行时各模块之间的物质均通过管件输送，大大降低安装、维护和管理难度，并可随时根据工况调整各单元组件数量，将生产维持在最优工况下。

2.各模块间用管件连接，相对位置自由度大，可充分利用场地空间。

3.采用独立的异养藻种扩培器，与光生物反应器同时运行，大幅度降低藻种扩培失败的风险、缩短扩培周期并提高光反应器中的细胞密度至8-10g L^-1，可将生物质产率提高4-6倍。

4.在藻种扩培器中和光生物反应器分别采用异养/富氮和自养/缺氮培养，大大提高了油脂含量，培养小球藻时油脂产率是一般光生物反应器的10倍左右。

5.利用曝气装置，使藻液在反应器中循环流动，可起到良好的藻液混合、补充无机碳源和去除过饱合氧气的作用，防止藻细胞贴壁生长，减轻过饱和氧气对藻细胞产生的毒害。

6.微藻收获后的大部分上清液回流到反应器中，节省水和各类化学试剂的使用量，减少废水的排放；反应器内部装液位传感器，可防止液位过高从排气口泄露。

7计量泵与气体流量计均可采用微电脑控制，既可实现人工控制，也可实现自动化控制。

附图说明

图1是本发明的平面结构示意图，

图2是本发明的侧面示意图。

图3是本发明中光生物反应器的结构示意图，

图4是本发明中藻种扩培器的结构示意图。

图5是本发明中藻种扩培器的侧面剖视图。

图中：1.藻液输送管；2.上清液回流管；3.培养基进料管；4.光生物反应器；5.培养基输送管路；6.硝酸盐溶液进料管；7.甘油溶液进料管；8.藻种扩培器；9.藻种液输送管；10.硝酸盐溶液储罐；11.甘油溶液储罐；12.培养基储罐；13.支架；14.CO₂气瓶；15.气体混合器；16.空气压缩机；17.气体输送管路；18.反应器腔体；19.排气口；20.液位传感器；21.导流隔板；22.藻液引流板；23.藻液输出口；24.藻种液输入口；25.回流上清液及培养基进口；26.曝气孔板；27.进气口；28.培养基输入口；29.扩培器腔体；30.搅拌器；31.中间导流隔板；32.藻种液(含藻种细胞藻液)输出口。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的模块化微藻培养。包括藻种扩培器8、光生物反应器4、培养基添加系统、气体输送系统和藻液输送及上清液回流系统五个模块。光生物反应器4安装在支架13上，支架13上带有角度调整器，用来调整光生物反应器4的倾斜角度。光生物反应器4与水平面夹角为50-70°。藻种扩培器8安装于光反应器4的背光侧。所有模块均事先制造生产，在现场组装，运行时各模块之间的物质均通过管件输送。可异养培养并生物迅速的微藻均可在本发明中培养，如小球藻、四尾栅藻、斜生栅藻、金藻、三角褐指藻、硅藻等，可用于微藻大规模培养及相关微藻生物能源的生产工作。

藻种扩培器8的结构如图4和图5所示，包括扩培器腔体29，腔体29内的上部和下部之间设置有中间导流隔板31。腔体29两端分别设置有与腔体内上部连通的培养基输入口28，腔体29内的上部设置有多组间隔排布的搅拌器30。腔体29的下部设置有多个藻种液输出口32，藻种液输出口32上连接有流量控制器。藻种液输出口32朝向光反应器4一侧，一个藻种液输出口32与一个光反应器4连接，藻种液输出口32通过藻种液输送管9与光生物反应器4上的藻种液输入口24连接(参见图1)，藻种液输送管9上连接有计量蠕动泵。

光生物反应器4的结构如图3所示，包括反应器腔体18，为透光有机玻璃材质，具有较好的性能。腔体18内的中间设置有导流隔板21，将腔体18分为上下相通的左侧和右侧两部分，左侧设置有呈凸起拱形的曝气孔板26，曝气孔板26上均匀分布有气孔。曝气孔板26与腔体18之间存在空腔。腔体18的左侧底部设置有进气口27。腔体18右侧底部设置有藻种液输入口24和回流上清液及培养基进口25。回流上清液及培养基进口25分别与上清液回流管2和培养基进料管3连接(参见图1)，培养基进料管3上连接计量蠕动泵。腔体18的右侧设置有藻液输出口23，在腔体18内的藻液输出口23处设置有藻液引流板22。藻液输出口23与待收获藻液输送管1连接(参见图1)。腔体18的顶部设置有排气口19，排气口19与曝气孔板26斜对。腔体18内上部安装有液位传感器20，以防止液位过高由排气口泄露。

培养基添加系统，包括硝酸盐溶液储罐10、甘油溶液储罐11和培养基储罐12，参见图1。硝酸盐溶液储罐10通过硝酸盐溶液进料管6和计量蠕动泵与藻种扩培器8上的培养基输入口28连接，甘油溶液储罐11通过甘油溶液进料管7和计量蠕动泵与藻种扩培器8上的培养基输入口28连接。培养基储罐12通过培养基输送管5和计量蠕动泵与藻种扩培器8上的培养基输入口28连接。硝酸盐溶液、甘油溶液和培养基混合进入藻种扩培器8内。同时，培养基储罐12通过培养基进料管3与光生物反应器4上的回流上清液及培养基进口25连接。硝酸盐(一般为硝酸钠)溶液)作为营养素。甘油溶液作为有机物输入到藻种扩培器8中，输入量由计量蠕动泵控制。

气体输送系统包括CO₂气瓶14、空气压缩机16、气体混合器15和气体输送管17，参见图1。CO₂气瓶14和空气压缩机16上均带有气体流量计，CO₂气瓶14和空气压缩机16上的气体流量计均与气体混合器15连接，气体混合器15与气体输送管17连接。气体输送管17中连接有气体质量流量控制器，气体输送管17与光生物反应器4的进气口27连接。以空气泵或气瓶输送的CO₂、灭菌空气或CO₂与灭菌空气混合气体作为气源通入光生物反应器4。

藻液输送及上清液回流系统，包括固液分离器、藻液输送管1和上清液回流管2，图中未画出固液分离器。藻液输送管1与固液分离器连接，将藻液输送至固液分离设备。上清液回流管2的一端与固液分离器连接，另一端与光生物反应器4的回流上清液及培养基进口25连接，将大部分上清液回流至光生物反应器4中。

一套模块化微藻培养系统可设置一组藻种扩培器8、1-2组培养基添加系统、一组气体输送系统和1-10组光生物反应器4，每组光生物反应器4配置一组藻液输送及上清液回流系统和一组安装支架。组件的具体数量和安装位置由现场条件和生产要求灵活控制。

藻种扩培器8为微藻培养系统的主要模块之一。扩培器腔体29为藻种增殖的生物反应空间。混合了硝酸盐溶液和甘油溶液的培养基由培养基输入口28进入扩培器腔体29内，在搅拌器30的搅拌在立刻与原有藻种液混合，并在中间导流隔板31的引导下在扩培器腔体29内不断循环流动，并不断增殖；部分藻种液由藻种液输出口32作为藻种导出，通过藻种液输送管9和计量蠕动泵输送由藻种液输入口24进入光生物反应器4。本发明中利用异养条件的藻种扩培器为光生物反应器提供藻种，大幅度降低藻种扩培失败的风险、缩短扩培周期并提高光反应器中的细胞密度，从而极大提高微藻的产率。

光生物反应器4为微藻培养系统的主要模块之一。反应器腔体18内的空腔为微藻生长的生物反应空间。藻种液从藻种液输入口24进入反应器腔体18，回流上清液和培养基由回流上清液及培养基进口8进入反应器腔体24中，立刻与原有藻液混合。混合气体从进气口27进入反应器腔体18中，经曝气孔板26形成细小气泡，对藻液进行曝气和搅拌，并在导流隔板21引导下形成循环流动，上升到液面的气体经排气管19排出。通过液位传感器20的反馈控制进气进液速率。部分循环到非曝气侧的藻液在藻液引流板22引导下由藻液输出口23经藻液输送管1排出，作为待收获藻液。利用曝气孔板代替石英曝气头，可以有效提高曝气的均匀度，增加微藻对气体的利用率，减少紊流对微藻生长的干扰，从而提高微藻生长效率，从而提高反应器中的微藻浓度，减少藻类贴壁生长。设置导流隔板21，一方面提高了反应器的机械强度，一方面在单侧曝气的配合下，形成藻液在反应器内的循环流动，有利于藻细胞与气体和营养物质的接触，加大了传质效率和原料的利用效率。采用液位传感器20的反馈信息自动控制进气进液速率，稳定液面高度，防止液泛等不利操作。

工作中，CO₂气瓶14中的CO₂与空气压缩机16输出的空气，经气体流量计按比例混合后由气体混合器15混合，经气体输送管17输入光生物反应器4。光生物反应器4输出的待收获藻液由藻液输送管1送去进行固液分离，固液分离后的上清液大部分回流至光生物反应器4中。