一種封閉式光生物反應器藻細胞無損輸送系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種封閉式光生物反應器藻細胞無損循環輸送系統，特別是一種涉及針對封閉式藻類光生物反應器系統采用壓力提升式的藻細胞無損循環輸送系統。該系統由高位儲液槽、低位緩沖槽、耐壓罐、管道式光生物反應器、空氣壓縮機和智能水位控制單元組成,其中高位儲液槽位于耐壓罐的上方，高位儲液槽經進液口、耐壓罐經出液口通過輸液管1相連；低位緩沖槽位于耐壓罐的次上方，低位緩沖槽經出液口、耐壓罐經進液口通過帶有電子閥的輸液管2相連；空氣壓縮機通過輸氣管與耐壓罐相連，輸氣管開口于耐壓罐的內上部。采用本發明所述的系統，對藻細胞無損傷，收獲時藻的生物量較采用泵循環的管道式光生物反應器的生物量提高70%。
【專利說明】一種封閉式光生物反應器藻細胞無損輸送系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種封閉式光生物反應器藻細胞無損循環輸送系統，特別是一種涉及針對封閉式藻類光生物反應器系統采用壓力提升式的藻細胞無損循環輸送系統。
【背景技術】
[0002]微藻光生物反應器包括開放式培養系統和封閉式培養系統。開放式光生物反應器即開放池培養系統，分為天然湖泊、跑道式養殖池。跑道式養殖池形狀多為長橢圓形，由磚和水泥混凝土砌筑而成，池為平底，安裝攪拌器。攪拌器通常采用葉輪式，轉速為50r/min,藻液流速保持大約每分鐘20m，使水流產生旋渦流以達到更好的攪拌效果。封閉式光生物反應器是用透明材料建造成不同形狀結構，由光源系統提供光源的生物反應器。封閉式培養系統主要由以下單元組成:①光生物反應器主體；②循環裝置；③光源系統；④控溫裝置；⑤通氣裝置溶氧排除裝置培養參數調節控制系統等。封閉式培養系統分為:管道式(又分水平式和垂直式)、平板箱式、圓筒式、鼓泡柱式、浮式薄膜袋、發酵罐等。管道式光生物反應器一般采用透明的直徑較小的硬質塑料或玻璃、有機玻璃管建造成不同形狀結構，借助自然光或外部光源進行規模生產微藻的裝置。微藻通過泵或氣升技術在管內循環。密封的管道系統容易與其它加工設備配套，可用泵把管道內生長到一定生物量的藻體傳送到下道工序。
[0003]藻液攪拌及循環目的是減少細胞間相互遮光作用及在生長過程中營養物和氣體濃度在藻體周圍形成均勻的濃度，有效排除光合作用中溶氧蓄積，防止藻體下沉及厭氧分解，提高光合作用效率，促進氣液傳質，加速藻的生長，是實現高密度培養，提高生物量產率的主要方法。然而，有些微藻如螺旋藻絲狀體對過強的機械剪切作用耐受性差，易導致藻絲體斷裂和死亡；又如雨·生紅球藻在生長條件適宜的情況下雨生紅球藻以綠色帶鞭毛的可游動細胞形態大量繁殖；在生長環境不利的情況下，綠色游動細胞逐漸喪失鞭毛，細胞壁加厚，形成紅色包囊而大量積累蝦青素，機械剪切作用會使雨生紅球藻以綠色帶鞭毛的可游動細胞形態受損傷，因此循環和攪拌裝置應具有較低的機械剪切力。封閉式光生物反應器系統則多數采用氣升式或泵循環等形式。氣升循環由于剪切力小適合對剪切敏感的藻細胞培養，但用于大規模培養存在動力消耗大等問題；泵循環例如離心泵、轉子泵，當泵工作時，藻細胞經過葉輪會不同程度地受到損害，特別是高速旋轉的葉輪或轉子會打斷螺旋藻藻絲或藻細胞，培養液中藻液濃度越高，這種傷害就會越大，同時對藻的光合作用速率也會有不利影響。因此要研發新的循環輸送裝置取代各種泵循環。
【發明內容】
[0004]本發明的目的，就是針對上述不足，設計出一種用于封閉式光生物反應器的藻細胞無損循環輸送裝置。該系統采用一定壓力的空氣壓送藻液，不會對藻細胞產生機械損傷。系統由高位儲液槽、低位緩沖槽、耐壓罐、管道式光生物反應器、空氣泵和智能水位控制單元組成，其中高位儲液槽位于耐壓罐和管道式光生物反應器的上方，高位儲液槽經進液口、耐壓罐經出液口通過輸液管I相連，高位儲液槽經出液口與管道式光生物反應器的進液端相連；低位緩沖槽位于耐壓罐的次上方，管道式光生物反應器的下方，管道式光生物反應器的出液端可直接將藻液注入低位緩沖槽，低位緩沖槽經出液口、耐壓罐經進液口通過帶有電子閥的輸液管2相連；空氣壓縮機通過輸氣管與耐壓罐相連，輸氣管開口于耐壓罐的內上部。
[0005]所述的高位儲液槽，槽內設置有水位傳感器，底部設置有圓形孔，輸液管I穿過圓形孔向上延伸到高位儲液槽內的三分之二的高度，輸液管I的管口為高位儲液槽的進液口 ；高位儲液槽側面靠近底部的位置設置有出液口，出液口與管道式光生物反應器的進液端相連，高位儲液槽內的藻液能自然流入管道式光生物反應器內。
[0006]所述的低位緩沖槽為槽狀，上部為開放式，管道式光生物反應器流出的藻液可直接流入低位儲液槽內；低位緩沖槽底部設置有出液口，與輸液管2相連；輸液管2上設置有電子閥門，平時呈打開狀態；電子閥門呈打開狀態時，管道式光生物反應器中的藻液可依自然落差流入低位緩沖槽，經輸液管2再流入耐壓罐內。
[0007]所述的耐壓罐，為一密封的罐體，罐體側壁下部設置有進液口，與輸液管2的下行端相連；罐體側壁的上部設置有輸氣管口，通過輸氣管與空氣壓縮機相連；罐體上底面上設置有電子放氣閥，開啟電子放氣閥時，耐壓罐體內外氣壓相等；罐體的上底面中心處設有圓形孔，輸液管I的一端穿過圓形孔深入到罐體內的近底部，該端的管口為耐壓罐的出液口，通過輸液管I與高位儲液槽相連。
[0008]所述的智能水位控制單元，由單片機、水位傳感器、空氣壓縮機控制開關、電子放氣閥控制開關和輸液管2上的電子閥門控制開關構成，分別與聞位儲液槽內的水位傳感器、空氣壓縮機控制開關、電子放氣閥和輸液管2上的電子閥門控制開關相連。使用時，設置好高位儲液槽內水位傳感器的高水位控制點和低水位控制點，高水位是空氣壓縮機控制開關的關閉點，低水位是·空氣壓縮機控制開關、電子放氣閥控制開關工作的啟動點。
[0009]所述的高位儲液槽，耐壓罐，低位緩沖槽,他們的容積由大到小依次為:耐壓罐>低位緩沖槽>高位儲液槽。
[0010]所述的輸液管2，其管徑是輸液管I的3?5倍，輸液管2的管徑越大，流量也越大，流速越快。
[0011]使用時:
1、設置好高位儲液槽內的水位傳感器的藻液的高水位控制點和低于低水位控制點；
2、采用人工方式將藻種培養液(簡稱藻液，下同)各注入高位儲液槽和低位緩沖槽的三分之二的容量，此時高位儲液槽內的藻液不斷流入管道式光生物反應器；
3、當水位傳感器檢測到藻液液面達到低水位控制點時，水位傳感器將信息反饋給智能水位控制單元的單片機，單片機將指示電子放氣閥控制開關和輸液管2上的電子閥門控制開關關閉，而后啟動空氣壓縮機向耐壓罐充氣，增加罐內上半部分空間的壓力，壓力達到一定時,罐體下部的藻液經過輸液管I向高位儲液槽輸送藻液；當高位儲液槽內設置的水位傳感器檢測到槽內藻液水位達到高水位控制點時，單片機將發出指令關閉空氣壓縮機，此時高位儲液槽按照設定好的流速不間斷地向管道式光生物反應器輸送藻液，藻液經管道式光生物反應器后注入低位緩沖槽；
4、當設置于高位儲液槽內的水位傳感器檢測到槽內水位達到低水位控制點時，單片機將指示電子放氣閥、輸液管2電子閥門控制開關打開，此時，耐壓罐內的氣壓與大氣氣壓相等，低位緩沖槽內的藻液通過輸液管2自然快速流入耐壓罐內并達到耐壓罐的四分之三容積。單片機將根據實際調試后設定的滯后時間再次指示電子放氣閥控制開關和輸液管2上的電子閥門控制開關關閉，而后啟動空氣壓縮機向耐壓罐充氣，耐壓罐體下部的藻液經過輸液管I向高位儲液槽輸送藻液。
[0012]所述的滯后時間，是指單片機指示電子放氣閥和輸液管2電子閥門控制開關打開到關閉的時間。通常滯后時間的長短依據輸液管2和輸液管I管徑的倍率而定。
[0013]上述過程，不斷循環往復，使藻液在耐壓罐、高位儲液槽、管道式光生物反應器和低位緩沖槽之間循環流動，實現無損輸送藻細胞的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]1、圖1是本發明所述的藻細胞無損輸送系統工作原理示意圖。
[0015]2、圖2是本發明所述的藻細胞無損輸送系統中智能水位控制單元內各器件之間的連接原理圖。
[0016]3、圖3是本發明所述的藻細胞無損輸送系統中耐壓罐結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明專利的工作原理與工作過程作進一步的說明。
[0018]圖1中，I是高位儲液槽；2是管道式光生物反應器；3是低位緩沖槽；4是電子閥門；5是耐壓罐；6是空氣壓縮機；7是輸液管I。
[0019]圖2中，8是高位儲液槽內設置的水位傳感器；9是單片機；10是電子閥門控制開關；11是罐體上底面上設置的電子放氣閥控制開關，12是空氣壓縮機控制開關。
[0020]圖3中，5是耐壓罐；7是輸液管I ;13是耐壓罐與低位緩沖槽之間的輸液管2 ；14是電子放氣閥；15是耐壓罐與空氣壓縮機相連的輸氣管。
[0021]實施例1
按照上述所述的結構，構制藻細胞無損輸送系統。
[0022]藻種:鈍頂螺旋藻。
[0023]光強:在室外條件下光強度范圍為2000— lOOOOLx。
[0024]培養時間:6d，藻絲體不發生斷裂和死亡，收獲時螺旋藻的生物量為1.7-2.5g (干重)/L，較采用泵循環的管道式光生物反應器的生物量提高40-70%。
[0025]管道式光生物反應器:S型透明玻璃反應器，垂直高度9.6米。
[0026]輸液管2的管徑是輸液管I的4倍。
[0027]使用時:啟動水位傳感器(8)，當檢測到高位儲液槽(I)中藻液水位低于低水位控制點時，水位傳感器(8)將信號通過電路反饋給單片機(9);此時單片機(9)將指示電子放氣閥(14)控制開關(11)、輸液管2 (13)上的電子閥門(4)控制開關(10)關閉，而后空氣壓縮機(6)的控制開關(12)開啟并向耐壓罐(5)充氣，增加罐體內上半部分空間的壓力，壓力達到一定時，罐體下部的藻液經過輸液管I (7)向高位儲液槽(I)輸送藻液。當高位儲液槽(I)內設置的水位傳感器(8)檢測到槽內藻液水位達到高水位控制點時，單片機(9)將發出指令:空氣壓縮機(6)的控制開關(12)關閉。此時高位儲液槽(I)按照設定好的流速不間斷地向管道式光生物反應器(2)輸送藻液，藻液經管道式光生物反應器(2)后注入低位緩沖槽(3)，隨著藻液不間斷流出，高位儲液槽(I)中的水位不斷降低；設置于高位儲液槽(I)內的藻液水位傳感器(8 )檢測到槽內水位達到低水位控制點時，單片機(9 )將指示電子放氣閥(14)的控制開關(11)、輸液管2 (13)上的電子閥門(4)的控制開關(10)打開，此時，耐壓罐(5)內的氣壓與大氣氣壓相等，低位緩沖槽(3)內的藻液通過輸液管2 (13)自然快速流入耐壓罐(5)內并達到耐壓罐(5)的四分之三容積處，單片機(9)將根據實際調試后設定的滯后時間再次指示電子放氣閥(14)的控制開關(11)和電子閥門(4)的控制開關(10)關閉，而后啟動空氣壓縮機(6)向耐壓罐充氣，罐體下部的藻液經過輸液管I向高位儲液槽(I)輸送藻液。如此循環往復。藻細胞培養成熟時,從低位緩沖槽排放出。
[0028]采用本發明所述的系統，本實施例收獲時螺旋藻經過6天的培養，其生物量為
1.7-2.5g(干重)/L，較采用泵循環的管道式光生物反應器的生物量提高65%。
[0029]實施例2
系統結構和工作原理與實施例1相同。
[0030]采用本發明培養雨生紅球藻時，在室外條件下，光強度范圍為2000— 10000LX，經 IOd培養，藻細胞沒有出現因機械剪切而損失死亡，收獲時的生物量為1.3-2.0g (干重)/L， 較采用泵循環的管道式光生物反應器的生物量提高63%。
[0031]以上所述的僅是本發明專利的優選實施例。本發明裝置易于制造，投資成本少，便于開展藻類細胞規模培養以及培養條件優化的研究工作。
【權利要求】
1.一種封閉式光生物反應器藻細胞無損輸送系統，其特征在于系統由高位儲液槽、低位緩沖槽、耐壓罐、管道式光生物反應器、空氣壓縮機和智能水位控制單元組成，其中高位儲液槽位于耐壓罐和管道式光生物反應器的上方，高位儲液槽經進液口、耐壓罐經出液口通過輸液管I相連，高位儲液槽經出液口與管道式光生物反應器的進液端相連，高位儲液槽出液口與管道式光生物反應器的進液口相連；低位緩沖槽位于耐壓罐的次上方，管道式光生物反應器的下方，管道式光生物反應器的出液端可直接將藻液注入低位緩沖槽，低位緩沖槽經出液口、耐壓罐經進液口通過帶有電子閥的輸液管2相連；空氣壓縮機通過輸氣管與耐壓罐相連，輸氣管開口于耐壓罐的內上部。
2.根據權利要求1所述的一種封閉式光生物反應器藻細胞無損輸送系統，其特征在于所述的高位儲液槽，槽內設置有水位傳感器，底部設置有圓形孔，輸液管I穿過圓形孔向上延伸到高位儲液槽內的三分之二的高度，輸液管I的管口為高位儲液槽的進液口 ；高位儲液槽側面靠近底部的位置設置有出液口，出液口與管道式光生物反應器的進液端相連，高位儲液槽內的藻液能自然流入管道式光生物反應器內。
3.根據權利要求1所述的一種封閉式光生物反應器藻細胞無損輸送系統，其特征在于所述的低位緩沖槽為槽狀，上部為開放式，管道式光生物反應器流出的藻液可直接流入低位儲液槽內；低位緩沖槽底部設置有出液口，與輸液管2相連；輸液管2上設置有電子閥門，平時呈打開狀態；電子閥門呈打開狀態時，管道式光生物反應器中的藻液可依自然落差流入低位緩沖槽，經輸液管2再流入耐壓罐內。
4.根據權利要求1所述的一種封閉式光生物反應器藻細胞無損輸送系統，其特征在于所述的所述的耐壓罐，為一密封.的罐體，罐體側壁下部設置有進液口，與輸液管2的下行端相連；罐體側壁的上部設置有輸氣管口，通過輸氣管與空氣壓縮機相連；罐體上底面上設置有電子放氣閥，開啟電子放氣閥時，耐壓罐體內外氣壓相等；罐體的上底面中心處設有圓形孔，輸液管I的一端穿過圓形孔深入到罐體內的近底部，該端的管口為耐壓罐的出液口，通過輸液管I與高位儲液槽相連。
5.根據權利要求1所述的一種封閉式光生物反應器藻細胞無損輸送系統，其特征在于所述的智能水位控制單元，由單片機、水位傳感器、空氣壓縮機控制開關、電子放氣閥控制開關和輸液管2上的電子閥門控制開關構成，分別與高位儲液槽內設置有水位傳感器、空氣壓縮機控制開關、電子放氣閥和輸液管2上的電子閥門控制開關相連；使用時，設置好高位儲液槽內水位傳感器的高水位控制點和低水位控制點，高水位是空氣壓縮機控制開關的關閉點，低水位是空氣壓縮機控制開關、電子放氣閥控制開關工作的啟動點。
6.根據權利要求1所述的一種封閉式光生物反應器藻細胞無損輸送系統，其特征在于所述的高位儲液槽，耐壓罐，低位緩沖槽，他們的容積由大到小依次為:耐壓罐>低位緩沖槽> 高位儲液槽。
7.根據權利要求1所述的一種封閉式光生物反應器藻細胞無損輸送系統，其特征在于所述的輸液管2，其管徑是輸液管I的3?5倍。
【文檔編號】C12M1/00GK103436431SQ201310348303
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月12日 優先權日:2013年8月12日
【發明者】陳必鏈, 陳驍翔, 吳欽緣, 王明茲, 黃鍵 申請人:福建師范大學