专利名称：一种富油微藻培养装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种培养富油微藻设备，尤其是一种光合作用培养微藻装置的技 术，涉及微藻培养工程领域与环保技术领域。
背景技术：
进入21世纪，人类已面临严重的能源问题，解决能源短缺问题和能源开发利用中 引起的环境污染问题将是人类可持续发展的关键所在。为了缓解能源紧张局面，欧美发达 国家大力研究推广应用生物柴油，发展生物柴油，油脂原料是关键，微藻作为长远战略资源 正在大力开发。微藻资源丰富，而且细胞内一般富含油脂，是一种应用前景较好的生物柴油生产 潜在新原料。微藻能有效利用光能、二氧化碳和无机盐，合成脂肪、蛋白质、多糖及多种高附 加值的生物活性物质。随着人类对微藻认识的不断加深，开发和研制高效新型的光生物反 应装置及其培养方法，已成为微藻生物工程技术的一个重要组成部分。目前，微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。开放式微藻培养装置 主要有四种类型浅水池、循环池、跑道池式、池塘。其中，最典型、最常用的开放池培养系统 是Oswald设计的跑道池反应器，该类培养系统实际上就是占地面积上千平方米，培养液深 度为20厘米左右的环形浅池；以自然光为光源和热源，依靠桨轮或者旋转臂的转动，使培 养液在池内混合、循环，防止藻体沉淀并提高藻体细胞的光能利用率。开放式光生物反应器 虽然建造简单、成本低廉、操作简便，但其存在易受污染、培养条件不稳定等缺点，只能用于 螺旋藻、小球藻及盐藻等少数能耐受极端环境的微藻培养。而封闭式反应器培养条件稳定， 可无菌操作，易进行高密度培养，已成为今后的发展方向。与开放式培养装置相比，封闭式 培养装置能实现以下功能1)无污染，能实现单种、纯种培养；2)培养条件(如温度、光照 时间和光照强度、二氧化碳进气量等)易于控制；3)培养密度高，易收获；4)适合于所有微 藻的光培养，尤其适合于微藻代谢产物的生产；5)有较高的光照面积与培养体积之比，光 能和二氧化碳利用率较高。因此，近年来在国内外封闭式培养装置的研制和开发利用较快， 有些已实现了微藻的高密度商业化培养。目前封闭式培养装置有管道式、平板式、柱状气 升式、搅拌式发酵罐、立式吊袋等。但用于大规模生产的封闭式培养装置还不多，而且对于 微藻培养的过程参数都没有进行很好的调节与控制。现有的藻类培养装置只是简单地进行 光照，对温度和光照强度都没进行很好的调节控制。另一方面，微藻培养的生产成本也居高不下，要降低微藻培养的原料成本，必须改 变目前常用的以碳酸氢钠、葡萄糖等为主的碳源，采用富含二氧化碳的工厂废气作为主要 碳源的原料供应方式，同时实现二氧化碳的减排。影响微藻生长和细胞成分的主要因素是光照、温度、二氧化碳、盐度、碱度等，合适 的培养条件对于提高微藻产量和质量非常重要。发明内容本实用新型的目的在于克服上述技术存在的缺陷及不足，开发一种微藻培养光生 物反应器，可以调节装置内的光辐射强度，光照强度均勻，提高光的利用效率，温度控制程 度高，二氧化碳气体雾化搅拌，有利于微藻及细胞的生长，同时不受杂菌污染干扰的新型结 构微藻培养装置。为实现上述目的，本实用新型所提出的微藻培养装置包括光合培养反应器、光源、 光源玻璃管、二氧化碳气体分布装置及PLC控制系统。所述的光合培养反应器，包括罐盖、 罐体和夹套，所述罐盖与罐体固定连接，所述设有上出水口和下进水口的夹套设置在罐体 的两侧，罐体上设有温度计接口、排气口、进气口、压力表口、加料口和出料口 ；光合培养反 应器的罐体中设有光源玻璃管，玻璃管中设有光源，光源玻璃管与罐体的接触处设有密封 装置，二氧化碳气体分布装置设在罐体底部，并与罐体上的进气口相连，PLC控制系统控制 所述光源的光照强度、光源的光照时间、培养温度和二氧化碳气体分布装置。所述光源由若干白炽灯组成，并用照明电缆通出光源玻璃管外。所述密封装置为0型密封圈，0型密封圈设置在光源玻璃管与罐体联接部分的沟 槽中，光源玻璃管外壁设置在0型密封圈内。所述的0型密封圈的材质为硅胶；所述照明电缆为硅胶护套电缆；所述玻璃管为
高硼玻璃管。所述夹套与罐体的空间具体为25 30毫米。夹套的上出水口和下进水口之间依次设有热回水电磁阀、水箱、循环泵和热进水 电磁阀构成培养反应器恒温控制系统。所述的气体分布器从内到外依次设有保护层、过滤层和烧结层，烧结层由5层烧 结网组成，过滤层为斜网，过滤层外加保护层，过滤层为150目，保护层为100目，材质均为 SUS316L，气体分布器的出气孔径达到1 3μπι，使气泡非常细化，不存在气泡破碎时爆破微 藻细胞，影响娇嫩微藻的生长。采用先进的PLC控制系统对二氧化碳进气及进气时间进行控 制，同时对培养温度进行精确控制。反应器内水体在无数根微小气流的推动下，带动藻液主体 流动；同时，每一股气体微射流都能在一定范围内产生卷吸混合，使上下层藻液充分混合，而 气泡的上浮强化了藻液中溶氧的解析，氧气被气泡带至液面而释放；此时气体微射流中的二 氧化碳也同时溶解在藻液中，为微藻的生长提供碳源。本实用新型培养微藻的生产装置依靠 气体搅拌，而且气体分布非常均勻，溶解度高，代替了剧烈的机械搅拌方式，避免了桨叶的机 械剪切力使微藻破碎，从根本上解决了微藻细胞受到外界机械剪切力破碎的问题。前述的一种微藻培养装置，提供了一种自动控温内照式光合培养装置。光照强度 可调，以提高光的利用效率，通过PLC控制系统进行时间段和强度两变量的控制。克服了利 用太阳光从外照射不均勻的缺点，由于微藻生长使藻液浓度越来越大，太阳光照很难穿透 到液体中间去，并且光照从一个角度照射，另一个方向的微藻受光度就几乎没有。内置光源 向四周发射，各个方向都能受到光的照射，必要时可以装置数根玻璃管，保证藻液都能受到 光的照射。前述的一种微藻培养装置，采用的PLC控制系统能对光照强度、光照时间、培养温 度进行自动控制。通过夹套连接管道利用电磁阀对培养温度进行调节，PLC控制系统采用 PID智能模糊控制，控制精度达到士0. 5°C，能有效地降低培养时由于白炽灯照明产生的大
4量热量和代谢热量，有助于提高微藻的产量和质量。同时还可以通过水浴方式对藻液进行 恒温控制，防止夜间或天冷季节的温降，可以在一年任何季节进行微藻的培养。
图1是本实用新型光合培养反应器的结构示意图；图1中1为支柱，2为0型圈，3为光源玻璃管，4为光源，5为温度计接口，6为夹 套，7为上出水口，8为罐体，9为罐盖，10为排气口，11为加料口，12为压力表口，13为进气 口，14为二氧化碳气体分布器，15为下进水口，16为出料口图2是本实用新型的气体分布器结构示意图；图2中17为烧结层，18为过滤层，19为保护层图3是本实用新型的PLC自动控制系统执行流程示意图。图3中20为流量计，21为二氧化碳进气阀，22为排气阀，23为排水阀，24为热回 水电磁阀，25为出料阀，26为冷水进阀，27为热进水电磁阀，28为循环泵，29为水箱具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施方式进行描述。如图1所示，本实用新型包括光源4、玻璃管3、罐体8、罐盖9、夹套6、气体分布器 14等，罐体8与罐体9通过紧固件固定连接成一体，两者之间设有密封垫圈，罐体8与罐体 9采用不锈钢制造，不锈钢的罐体8与罐盖9的散热效果好又防腐蚀。罐体8的中下部设 有夹套6，可通水用来冷却培养过程中产生的代谢热和光照产生的热量，同时还可以通过水 浴方式对藻液进行恒温控制，防止夜间或天冷季节的温降，夹套6有上、下两个接口 7、15， 当培养器内温度高时，冷却水从下接口 15进入，从上接口 7流出；当培养器内温度低需要升 温时，配备一个电加热水箱，通过水泵和电磁阀等控制机构对培养器进行恒温控制，由于不 锈钢材料传热系数大，确保藻液培养温度恒定。为了达到所需要的冷却效果，本实施例夹套 6的厚度是30毫米，增加水的流速，能有效地实现去除热量。本实施例中玻璃管3、光源4、 0型圈2等组成了光照装置，光源为白炽灯，并用照明电缆通出玻璃管3外，玻璃管3与罐 盖9的接触处设有密封装置，所述密封装置由玻璃管3、0型圈2及紧固加工件组成。密封 装置使得反应器内的藻液不会泄露出来。为保证0型圈的性能，本实用新型的0型密封圈 2采用耐高温的硅胶制成，玻璃筒体3采用耐高温的硼硅玻璃制成，同时照明电缆也采用耐 高温的硅胶制成护套。采用这些措施能确保微藻的光照培养。图2所示，本技术采用的气体分布器的烧结层17由5层烧结网组成，过滤层18为 斜网，过滤层18外加保护层19，保护层19为100目，材质SUS316L。该气体分布器14能细 化气流，增加二氧化碳在藻液中的溶解度，有利于微藻的吸收利用，同时避免了搅拌时对微 藻的破坏。气体非常细化，反应器内水体在无数根微小气流的推动下，带动藻液主体流动； 同时，每一股气体微射流都能在一定范围内产生卷吸混合，使上下层藻液充分混合，而气泡 的上浮强化了藻液中溶氧的解析，氧气被气泡带至液面而释放；此时气体微射流中的二氧 化碳也同时溶解在藻液中，为微藻的生长提供碳源。图3所示，本实用新型采用PLC控制系统对微藻培养过程中温度、光照、二氧化碳 进行控制。该PLC控制系统由台达PLC中央控制器及智能模块组成，通过变送器把信号 送到中央控制器，能实现微藻培养过程中参数设定、数据实时动态显示、实时曲线、历史曲 线、查询分析、报表及曲线打印、自动安全防护报警、可设置密码使其他人无法修改发酵参数、不因断电而丢失各参数的设定值等功能。温度采用PID智能模糊控制，控制精度达到 士0. 5°C。当培养器内温度高时，可通自来水来冷却培养过程中产生的代谢热和光照产生的 热量；当培养器内温度低需要升温时，配备一个电加热水箱，通过水泵和电磁阀等控制机构 对培养器进行恒温控制，可以在一年任何季节进行微藻的培养。该控制系统提供一种自动控温内照式光合培养装置。光照强度可调，以提高光的 利用效率，通过PLC控制系统进行光照时间和强度两变量的控制，通过各传感器传送信号 到中央控制系统，中央处理器进行处理反馈信号到电磁阀、调节阀等执行机构进行自动控 制。克服了利用太阳光从外照射不均勻的缺点，由于微藻生长使藻液浓度越来越大，太阳光 照很难穿透到液体中间去，并且光照从一个角度照射，另一个方向的微藻受光度就几乎没 有。内置光源向四周发射，各个方向都能受到光的照射，必要时可以装置数根玻璃管，保证 藻液都能受到光的照射。微藻光照培养不受天气及夜晚的影响，提高了微藻培养的产量。同时该控制系统还可以根据微藻生长过程规律，分段补充二氧化碳的进气量以及 进气量的大小。当微藻生长旺盛时，通过调节阀加大二氧化碳的通气量，增加藻液中的二氧 化碳含量，促进微藻的生长，防止了微藻在生长过程中营养不良。在微藻平稳生长期，通入 稳定的气体维持藻液的搅拌，有利于传热传质。该控制系统还可以增加藻液的酸碱度及藻 液浓度OD值的控制。整个装置的运行过程如下当微藻在装置内培养时，对藻液进行通气培养，根据微藻的生长周期来确定二氧 化碳的通气量，通过二氧化碳进气阀21来进行调节，并通过流量计20来计量，通过信号反 馈到PLC控制系统，系统根据设定值来进行变量控制，适当地调整二氧化碳进气阀21的开 度，气体从排气阀22中排出。光照培养时，打开照明电源，通过PLC控制系统来进行光照时 间和光照强度的调节。同时PLC系统还可以进行温度自动控制，当温度高于培养温度时，冷 水阀26打开，同时排水阀23打开；当温度低于培养温度时，循环泵28、热进水电磁阀27和 热回水电磁阀24同时打开，热水回到水箱中进行循环使用，水箱中的水温设定高于培养温 度约5°C。微藻在该装置中生长结束后，从出料阀25中放出进行收集。实验证明，本实用新型可提供藻液中的光效率，气体交换方便，混合均勻，温度控 制稳定，精确度高，加快了微藻的生长，能提高微藻的产量和质量。
权利要求1.一种富油微藻培养装置，其特征在于所述装置包括光合培养反应器、光源(4)、光 源玻璃管(3)、二氧化碳气体分布器(14)及PLC控制系统；所述的光合培养反应器包括罐 盖(9)、罐体⑶和夹套(6)，所述罐盖(9)与罐体⑶固定连接，所述设有上出水口(7)和 下进水口(15)的夹套(6)设置在罐体⑶的两侧，罐体⑶上设有温度计接口(5)、排气口 (10)、进气口(13)、压力表口(12)、加料口 (11)和出料口 (16)；罐体(8)中设有光源玻璃管 (3)，玻璃管(3)中设有光源(4)，光源玻璃管(3)与罐体(8)的接触处设有密封装置，二氧 化碳气体分布器(14)设在罐体(8)底部，并与罐体(8)上的进气口(13)相连，PLC控制系 统控制光源⑷的光照强度、光源⑷的光照时间、培养温度和二氧化碳气体分布器(14)。
2.权利要求1所述的富油微藻培养装置，其特征在于所述光源(4)由若干白炽灯组 成，并用照明电缆通出光源玻璃管(3)外，照明电缆为硅胶护套电缆。
3.权利要求1所述的富油微藻培养装置，其特征在于所述密封装置为0型密封圈 (2)，0型密封圈的材质为硅胶，0型密封圈(2)设置在光源玻璃管(3)与罐体(8)联接部分 的沟槽中，光源玻璃管(3)外壁设置在0型密封圈(2)内。
4.权利要求1所述的富油微藻培养装置，其特征在于所述光源玻璃管(3)为高硼玻 璃管。
5.权利要求1所述的富油微藻培养装置，其特征在于所述夹套(6)与罐体的空间为 25 30毫米，夹套(6)的上出水口(7)和下进水口(15)之间依次设有热回水电磁阀(24)、 水箱(29)、循环泵(28)和热进水电磁阀(27)构成培养反应器恒温控制系统。
6.权利要求1所述的富油微藻培养装置，其特征在于所述的气体分布器(14)从内到 外依次设有保护层(19)、过滤层(18)和烧结层(17)，烧结层(17)由5层烧结网组成，过滤 层(18)为斜网，过滤层为150目，保护层为100目，气体分布器(14)的出气孔径达到1 3 μ m0
专利摘要本实用新型公开了一种富油微藻培养装置，涉及微藻培养技术工程领域。所述装置包括罐盖、罐体、气体分布器、夹套、温度控制机构以及PLC自动控制系统；还设有光照装置，所述光照装置包括玻璃管，玻璃管中放置数个白炽灯；玻璃管与罐体的接触处设有密封装置，该密封装置包括圆管、设置在圆管和玻璃管之间的O型密封圈。本实用新型使用方便，温度控制精确，自动化控制程度高，通过PLC控制系统进行光照时间段和强度两变量的控制，同时对培养温度进行自动控制，并且气体分布均匀，可以根据微藻生长过程规律，分段补充二氧化碳的进气量以及进气量的大小，大大缩短了培养周期，加快了微藻的生长速度，培养密度大，提高了生产效率，降低了生产成本。
文档编号C12M1/00GK201778022SQ2010201294
公开日2011年3月30日 申请日期2010年3月12日 优先权日2010年3月12日
发明者吴其飞, 孙文敬, 崔凤杰, 张志才, 林琳, 管国强, 钱静亚, 黄达明 申请人:江苏大学