[发明专利]一种适于微藻高效培养的相切套管内置曝气光生物反应器

说明书

技术领域

本发明属于可再生生物能源领域，涉及产油固碳微藻的培养技术，更加具体地说，涉及一种有内置曝气相切套管的可增强反应器中气液传质和光能利用率的封闭式半连续培养装置，可用于培养微藻、生产相关产品或提供水产养殖饵料等。

背景技术

能源危机、温室效应与环境污染使得化石能源的替代成为必然。众多研究表明，藻类生物在高效固碳制取生物燃料方面具有很大潜力。文献报道（Kong Weibao,Hua Shaofeng,Song Hao,Xia Chungu.Progress on biodiesel production using microalgae[J].Chinese Oils and Fats 2010;35:51-56），微藻在合成油脂的同时还可以高效固碳，地球上生物每年通过光合作用可固定8×10¹⁰t碳，生产14.6×10¹⁰t生物质，其中一半以上应归功于藻类光合作用。因此，光合作用效率高、含油量高、生长周期短、油脂面积产率高的固碳微藻能源化利用技术受到普遍关注。

能源微藻的高效培养是微藻能源规模化制备的关键环节之一。常用的微藻培养系统可分成四类：跑道池、板式光生物反应器、柱式光生物反应器、管式光生物反应器。表1为四种常用微藻培养系统的特点比较。

表1：四种常用微藻培养系统的特点

利用光能且与外部隔离以控制培养条件的封闭式光生物反应器，有利于在大规模培养过程中对环境参数进行良好控制，并可避免外来生物污染，因此受到广泛关注。（文献来源：Ugwu CU,Aoyagi H,Uchiyama H.Photobioreactors for mass cultivation of algae[J].Bioresource Technology 2008;99:4021-4028）。相比较，管式光生物反应器由于其较高的光照体表面积比，微藻产量高，以及简单的动力循环系统、投入较少，得到了广泛的应用。进一步分析表明，如表1所述，管式光生物反应器通常存在CO₂补充不及时、pH升高、气液混合效果差、溶解氧（DO）积累造成氧抑制、扩大管径造成光照效率低等局限性，这从一定程度上制约了培养规模的进一步扩大。

发明内容

本发明目的旨在克服现有技术的不足，通过设计一种内置曝气的相切套管式光生物反应器，来增强气液混合、调节pH、及时补充CO₂并排除溶氧（DO）、提高大管径反应器的光照效率，且减轻微藻贴壁生长现象，减小维护清洗费用，以获得高效的培养效果，并可用于微藻的大规模培养。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种适于微藻高效培养的相切套管内置曝气光生物反应器，包括透明外管（即外管）和内置曝气管（即内管），

所述内置曝气管管径为外管管径的三分之一到一半，且与透明外管相切于外管底部，所述内置曝气管的管壁底部去除圆弧，与部分外管管壁形成内管管腔；所述内置曝气管管壁的背光处对称设置有曝气孔；

所述透明外管的上方设置有排气管；所述透明外管和内置曝气管通过两端设置的法兰进行密封；

所述透明外管的一端法兰设置有进液管，在另一端法兰设置有出液管，用于向透明外管中进出培养液；

所述内置曝气管的一端法兰设置有进气管，另一端法兰设置有高压排气阀。

在本发明的技术方案中，透明外管的管径为50~300mm，材料可以为透光性好的玻璃、有机玻璃、树脂或者塑料；相应的曝气管的管径为20~150mm，其材料可以为透光性好的玻璃、有机玻璃、树脂或者塑料，也可以为了打孔方便采用一些不透光材料，剖光铝管等，管壁厚度为5~15mm，相切套管长度根据实际培养过程中的培养规模决定，如果一个单元管段过长，需要每隔一段距离在套管之间设有支撑装置。

曝气管上曝气孔的大小为直径0.5—4mm，一般开孔方向为背光处，与光照方向夹角为30°~60°，可优选60度，即曝气孔的位置位于内管管径的水平直径之下，曝气孔与内管圆心的连线与垂直直径的夹角为30度—60度，密度可选择在每米5—20个，具体的开孔大小、开孔密度、开孔方向要由套管尺寸和通气速度决定，如附图3所示。

排气管的直径可选择30~100mm，根据通气速度的不同，每隔一段距离设置一个排气管，以直径30mm的排气管为例，在通气量为10L/min下，每隔1米设置一个，以免气体堆积破环速度场。