CN201778022U - 一种富油微藻培养装置 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种富油微藻培养装置 

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，光照强度均匀，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O型密封圈，O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O型密封圈内。 

所述的O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1～3μm，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匀，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匀的缺点，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±0.5℃，能有效地降低培养时由于白炽灯照明产生的大量热量和代谢热量，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。 

附图说明

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O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

下面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、O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、O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O型圈的性能，本实用新型的O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±0.5℃。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匀的缺点，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℃。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，混合均匀，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。 

Claims (6)

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(8)和夹套(6)，所述罐盖(9)与罐体(8)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(8)的两侧，罐体(8)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(4)的光照强度、光源(4)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O型密封圈(2)，O型密封圈的材质为硅胶，O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O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1～3μm。 

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