一种封闭式光生物反应器藻细胞无损输送系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种封闭式光生物反应器藻细胞无损循环输送系统，特别是一种涉及针对封闭式藻类光生物反应器系统采用压力提升式的藻细胞无损循环输送系统。该系统由高位储液槽、低位缓冲槽、耐压罐、管道式光生物反应器、空气压缩机和智能水位控制单元组成,其中高位储液槽位于耐压罐的上方，高位储液槽经进液口、耐压罐经出液口通过输液管1相连；低位缓冲槽位于耐压罐的次上方，低位缓冲槽经出液口、耐压罐经进液口通过带有电子阀的输液管2相连；空气压缩机通过输气管与耐压罐相连，输气管开口于耐压罐的内上部。采用本发明所述的系统，对藻细胞无损伤，收获时藻的生物量较采用泵循环的管道式光生物反应器的生物量提高70%。
【专利说明】一种封闭式光生物反应器藻细胞无损输送系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种封闭式光生物反应器藻细胞无损循环输送系统，特别是一种涉及针对封闭式藻类光生物反应器系统采用压力提升式的藻细胞无损循环输送系统。
【背景技术】
[0002]微藻光生物反应器包括开放式培养系统和封闭式培养系统。开放式光生物反应器即开放池培养系统，分为天然湖泊、跑道式养殖池。跑道式养殖池形状多为长椭圆形，由砖和水泥混凝土砌筑而成，池为平底，安装搅拌器。搅拌器通常采用叶轮式，转速为50r/min,藻液流速保持大约每分钟20m，使水流产生旋涡流以达到更好的搅拌效果。封闭式光生物反应器是用透明材料建造成不同形状结构，由光源系统提供光源的生物反应器。封闭式培养系统主要由以下单元组成:①光生物反应器主体；②循环装置；③光源系统；④控温装置；⑤通气装置溶氧排除装置培养参数调节控制系统等。封闭式培养系统分为:管道式(又分水平式和垂直式)、平板箱式、圆筒式、鼓泡柱式、浮式薄膜袋、发酵罐等。管道式光生物反应器一般采用透明的直径较小的硬质塑料或玻璃、有机玻璃管建造成不同形状结构，借助自然光或外部光源进行规模生产微藻的装置。微藻通过泵或气升技术在管内循环。密封的管道系统容易与其它加工设备配套，可用泵把管道内生长到一定生物量的藻体传送到下道工序。
[0003]藻液搅拌及循环目的是减少细胞间相互遮光作用及在生长过程中营养物和气体浓度在藻体周围形成均匀的浓度，有效排除光合作用中溶氧蓄积，防止藻体下沉及厌氧分解，提高光合作用效率，促进气液传质，加速藻的生长，是实现高密度培养，提高生物量产率的主要方法。然而，有些微藻如螺旋藻丝状体对过强的机械剪切作用耐受性差，易导致藻丝体断裂和死亡；又如雨·生红球藻在生长条件适宜的情况下雨生红球藻以绿色带鞭毛的可游动细胞形态大量繁殖；在生长环境不利的情况下，绿色游动细胞逐渐丧失鞭毛，细胞壁加厚，形成红色包囊而大量积累虾青素，机械剪切作用会使雨生红球藻以绿色带鞭毛的可游动细胞形态受损伤，因此循环和搅拌装置应具有较低的机械剪切力。封闭式光生物反应器系统则多数采用气升式或泵循环等形式。气升循环由于剪切力小适合对剪切敏感的藻细胞培养，但用于大规模培养存在动力消耗大等问题；泵循环例如离心泵、转子泵，当泵工作时，藻细胞经过叶轮会不同程度地受到损害，特别是高速旋转的叶轮或转子会打断螺旋藻藻丝或藻细胞，培养液中藻液浓度越高，这种伤害就会越大，同时对藻的光合作用速率也会有不利影响。因此要研发新的循环输送装置取代各种泵循环。
【发明内容】
[0004]本发明的目的，就是针对上述不足，设计出一种用于封闭式光生物反应器的藻细胞无损循环输送装置。该系统采用一定压力的空气压送藻液，不会对藻细胞产生机械损伤。系统由高位储液槽、低位缓冲槽、耐压罐、管道式光生物反应器、空气泵和智能水位控制单元组成，其中高位储液槽位于耐压罐和管道式光生物反应器的上方，高位储液槽经进液口、耐压罐经出液口通过输液管I相连，高位储液槽经出液口与管道式光生物反应器的进液端相连；低位缓冲槽位于耐压罐的次上方，管道式光生物反应器的下方，管道式光生物反应器的出液端可直接将藻液注入低位缓冲槽，低位缓冲槽经出液口、耐压罐经进液口通过带有电子阀的输液管2相连；空气压缩机通过输气管与耐压罐相连，输气管开口于耐压罐的内上部。
[0005]所述的高位储液槽，槽内设置有水位传感器，底部设置有圆形孔，输液管I穿过圆形孔向上延伸到高位储液槽内的三分之二的高度，输液管I的管口为高位储液槽的进液口 ；高位储液槽侧面靠近底部的位置设置有出液口，出液口与管道式光生物反应器的进液端相连，高位储液槽内的藻液能自然流入管道式光生物反应器内。
[0006]所述的低位缓冲槽为槽状，上部为开放式，管道式光生物反应器流出的藻液可直接流入低位储液槽内；低位缓冲槽底部设置有出液口，与输液管2相连；输液管2上设置有电子阀门，平时呈打开状态；电子阀门呈打开状态时，管道式光生物反应器中的藻液可依自然落差流入低位缓冲槽，经输液管2再流入耐压罐内。
[0007]所述的耐压罐，为一密封的罐体，罐体侧壁下部设置有进液口，与输液管2的下行端相连；罐体侧壁的上部设置有输气管口，通过输气管与空气压缩机相连；罐体上底面上设置有电子放气阀，开启电子放气阀时，耐压罐体内外气压相等；罐体的上底面中心处设有圆形孔，输液管I的一端穿过圆形孔深入到罐体内的近底部，该端的管口为耐压罐的出液口，通过输液管I与高位储液槽相连。
[0008]所述的智能水位控制单元，由单片机、水位传感器、空气压缩机控制开关、电子放气阀控制开关和输液管2上的电子阀门控制开关构成，分别与闻位储液槽内的水位传感器、空气压缩机控制开关、电子放气阀和输液管2上的电子阀门控制开关相连。使用时，设置好高位储液槽内水位传感器的高水位控制点和低水位控制点，高水位是空气压缩机控制开关的关闭点，低水位是·空气压缩机控制开关、电子放气阀控制开关工作的启动点。
[0009]所述的高位储液槽，耐压罐，低位缓冲槽,他们的容积由大到小依次为:耐压罐>低位缓冲槽>高位储液槽。
[0010]所述的输液管2，其管径是输液管I的3?5倍，输液管2的管径越大，流量也越大，流速越快。
[0011]使用时:
1、设置好高位储液槽内的水位传感器的藻液的高水位控制点和低于低水位控制点；
2、采用人工方式将藻种培养液(简称藻液，下同)各注入高位储液槽和低位缓冲槽的三分之二的容量，此时高位储液槽内的藻液不断流入管道式光生物反应器；
3、当水位传感器检测到藻液液面达到低水位控制点时，水位传感器将信息反馈给智能水位控制单元的单片机，单片机将指示电子放气阀控制开关和输液管2上的电子阀门控制开关关闭，而后启动空气压缩机向耐压罐充气，增加罐内上半部分空间的压力，压力达到一定时,罐体下部的藻液经过输液管I向高位储液槽输送藻液；当高位储液槽内设置的水位传感器检测到槽内藻液水位达到高水位控制点时，单片机将发出指令关闭空气压缩机，此时高位储液槽按照设定好的流速不间断地向管道式光生物反应器输送藻液，藻液经管道式光生物反应器后注入低位缓冲槽；
4、当设置于高位储液槽内的水位传感器检测到槽内水位达到低水位控制点时，单片机将指示电子放气阀、输液管2电子阀门控制开关打开，此时，耐压罐内的气压与大气气压相等，低位缓冲槽内的藻液通过输液管2自然快速流入耐压罐内并达到耐压罐的四分之三容积。单片机将根据实际调试后设定的滞后时间再次指示电子放气阀控制开关和输液管2上的电子阀门控制开关关闭，而后启动空气压缩机向耐压罐充气，耐压罐体下部的藻液经过输液管I向高位储液槽输送藻液。
[0012]所述的滞后时间，是指单片机指示电子放气阀和输液管2电子阀门控制开关打开到关闭的时间。通常滞后时间的长短依据输液管2和输液管I管径的倍率而定。
[0013]上述过程，不断循环往复，使藻液在耐压罐、高位储液槽、管道式光生物反应器和低位缓冲槽之间循环流动，实现无损输送藻细胞的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]1、图1是本发明所述的藻细胞无损输送系统工作原理示意图。
[0015]2、图2是本发明所述的藻细胞无损输送系统中智能水位控制单元内各器件之间的连接原理图。
[0016]3、图3是本发明所述的藻细胞无损输送系统中耐压罐结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明专利的工作原理与工作过程作进一步的说明。
[0018]图1中，I是高位储液槽；2是管道式光生物反应器；3是低位缓冲槽；4是电子阀门；5是耐压罐；6是空气压缩机；7是输液管I。
[0019]图2中，8是高位储液槽内设置的水位传感器；9是单片机；10是电子阀门控制开关；11是罐体上底面上设置的电子放气阀控制开关，12是空气压缩机控制开关。
[0020]图3中，5是耐压罐；7是输液管I ;13是耐压罐与低位缓冲槽之间的输液管2 ；14是电子放气阀；15是耐压罐与空气压缩机相连的输气管。
[0021]实施例1
按照上述所述的结构，构制藻细胞无损输送系统。
[0022]藻种:钝顶螺旋藻。
[0023]光强:在室外条件下光强度范围为2000— lOOOOLx。
[0024]培养时间:6d，藻丝体不发生断裂和死亡，收获时螺旋藻的生物量为1.7-2.5g (干重)/L，较采用泵循环的管道式光生物反应器的生物量提高40-70%。
[0025]管道式光生物反应器:S型透明玻璃反应器，垂直高度9.6米。
[0026]输液管2的管径是输液管I的4倍。
[0027]使用时:启动水位传感器(8)，当检测到高位储液槽(I)中藻液水位低于低水位控制点时，水位传感器(8)将信号通过电路反馈给单片机(9);此时单片机(9)将指示电子放气阀(14)控制开关(11)、输液管2 (13)上的电子阀门(4)控制开关(10)关闭，而后空气压缩机(6)的控制开关(12)开启并向耐压罐(5)充气，增加罐体内上半部分空间的压力，压力达到一定时，罐体下部的藻液经过输液管I (7)向高位储液槽(I)输送藻液。当高位储液槽(I)内设置的水位传感器(8)检测到槽内藻液水位达到高水位控制点时，单片机(9)将发出指令:空气压缩机(6)的控制开关(12)关闭。此时高位储液槽(I)按照设定好的流速不间断地向管道式光生物反应器(2)输送藻液，藻液经管道式光生物反应器(2)后注入低位缓冲槽(3)，随着藻液不间断流出，高位储液槽(I)中的水位不断降低；设置于高位储液槽(I)内的藻液水位传感器(8 )检测到槽内水位达到低水位控制点时，单片机(9 )将指示电子放气阀(14)的控制开关(11)、输液管2 (13)上的电子阀门(4)的控制开关(10)打开，此时，耐压罐(5)内的气压与大气气压相等，低位缓冲槽(3)内的藻液通过输液管2 (13)自然快速流入耐压罐(5)内并达到耐压罐(5)的四分之三容积处，单片机(9)将根据实际调试后设定的滞后时间再次指示电子放气阀(14)的控制开关(11)和电子阀门(4)的控制开关(10)关闭，而后启动空气压缩机(6)向耐压罐充气，罐体下部的藻液经过输液管I向高位储液槽(I)输送藻液。如此循环往复。藻细胞培养成熟时,从低位缓冲槽排放出。
[0028]采用本发明所述的系统，本实施例收获时螺旋藻经过6天的培养，其生物量为
1.7-2.5g(干重)/L，较采用泵循环的管道式光生物反应器的生物量提高65%。
[0029]实施例2
系统结构和工作原理与实施例1相同。
[0030]采用本发明培养雨生红球藻时，在室外条件下，光强度范围为2000— 10000LX，经 IOd培养，藻细胞没有出现因机械剪切而损失死亡，收获时的生物量为1.3-2.0g (干重)/L， 较采用泵循环的管道式光生物反应器的生物量提高63%。
[0031]以上所述的仅是本发明专利的优选实施例。本发明装置易于制造，投资成本少，便于开展藻类细胞规模培养以及培养条件优化的研究工作。
【权利要求】
1.一种封闭式光生物反应器藻细胞无损输送系统，其特征在于系统由高位储液槽、低位缓冲槽、耐压罐、管道式光生物反应器、空气压缩机和智能水位控制单元组成，其中高位储液槽位于耐压罐和管道式光生物反应器的上方，高位储液槽经进液口、耐压罐经出液口通过输液管I相连，高位储液槽经出液口与管道式光生物反应器的进液端相连，高位储液槽出液口与管道式光生物反应器的进液口相连；低位缓冲槽位于耐压罐的次上方，管道式光生物反应器的下方，管道式光生物反应器的出液端可直接将藻液注入低位缓冲槽，低位缓冲槽经出液口、耐压罐经进液口通过带有电子阀的输液管2相连；空气压缩机通过输气管与耐压罐相连，输气管开口于耐压罐的内上部。
2.根据权利要求1所述的一种封闭式光生物反应器藻细胞无损输送系统，其特征在于所述的高位储液槽，槽内设置有水位传感器，底部设置有圆形孔，输液管I穿过圆形孔向上延伸到高位储液槽内的三分之二的高度，输液管I的管口为高位储液槽的进液口 ；高位储液槽侧面靠近底部的位置设置有出液口，出液口与管道式光生物反应器的进液端相连，高位储液槽内的藻液能自然流入管道式光生物反应器内。
3.根据权利要求1所述的一种封闭式光生物反应器藻细胞无损输送系统，其特征在于所述的低位缓冲槽为槽状，上部为开放式，管道式光生物反应器流出的藻液可直接流入低位储液槽内；低位缓冲槽底部设置有出液口，与输液管2相连；输液管2上设置有电子阀门，平时呈打开状态；电子阀门呈打开状态时，管道式光生物反应器中的藻液可依自然落差流入低位缓冲槽，经输液管2再流入耐压罐内。
4.根据权利要求1所述的一种封闭式光生物反应器藻细胞无损输送系统，其特征在于所述的所述的耐压罐，为一密封.的罐体，罐体侧壁下部设置有进液口，与输液管2的下行端相连；罐体侧壁的上部设置有输气管口，通过输气管与空气压缩机相连；罐体上底面上设置有电子放气阀，开启电子放气阀时，耐压罐体内外气压相等；罐体的上底面中心处设有圆形孔，输液管I的一端穿过圆形孔深入到罐体内的近底部，该端的管口为耐压罐的出液口，通过输液管I与高位储液槽相连。
5.根据权利要求1所述的一种封闭式光生物反应器藻细胞无损输送系统，其特征在于所述的智能水位控制单元，由单片机、水位传感器、空气压缩机控制开关、电子放气阀控制开关和输液管2上的电子阀门控制开关构成，分别与高位储液槽内设置有水位传感器、空气压缩机控制开关、电子放气阀和输液管2上的电子阀门控制开关相连；使用时，设置好高位储液槽内水位传感器的高水位控制点和低水位控制点，高水位是空气压缩机控制开关的关闭点，低水位是空气压缩机控制开关、电子放气阀控制开关工作的启动点。
6.根据权利要求1所述的一种封闭式光生物反应器藻细胞无损输送系统，其特征在于所述的高位储液槽，耐压罐，低位缓冲槽，他们的容积由大到小依次为:耐压罐>低位缓冲槽> 高位储液槽。
7.根据权利要求1所述的一种封闭式光生物反应器藻细胞无损输送系统，其特征在于所述的输液管2，其管径是输液管I的3?5倍。
【文档编号】C12M1/00GK103436431SQ201310348303
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月12日 优先权日:2013年8月12日
【发明者】陈必链, 陈骁翔, 吴钦缘, 王明兹, 黄键 申请人:福建师范大学