光生物反应器

工业养殖藻类需要依赖光生物反应器(PBR)技术,而这项技术需要坚固、紫外线稳定、具有生物安全性和食品安全性的玻璃管。 肖特的 PBR 解决方案提供最高质量的玻璃管和极高的透光率,确保设备可靠、持久耐用。

充分利用大自然

微藻被视为食品补充剂中的植物蛋白质和营养素的令人激动的来源,有益健康。 微藻在大自然中十分常见,而工业养殖是一种高效的大规模生产方法,光生物反应器(PBR)能够大批量生产稳定高质量的未被污染的微藻。 DURAN® 硼硅酸盐玻璃管广泛 用于 PBR 技术,可为生物质生产和水净化提供理想的环境。 

Series of glass tubes and bends in an industrial photobioreactor
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生物安全

DURAN® 玻璃管不仅坚固,而且生物安全,表面粗糙度极小,可防止 PBR 内部形成生物膜。 量身定制的管接头加工质量极高,可进一步减少生物膜的形成。

Selection of algae powders and pills
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无污染

塑料容器可能会在藻类养殖过程中发生塑料中的物质浸出,而肖特为 PBR 系统提供的玻璃管和接头被美国食品药品管理局认证为食品安全。

Close up of a glass tube in a photobioreactor with green liquid
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抗紫外线

DURAN® 硼硅酸盐玻璃具有出色的紫外线稳定性,确保持续不变的高透光率。 保持高透光率的原因是长时间使用不变色——而聚合物会变黄/变棕。

An industrial photobioreactor with glass tubes and bends
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持久耐用

硼硅酸盐玻璃管具有优异的耐刮擦和抗断裂性,因此使用寿命比聚合物长五倍。 这使它成为 PBR 中长期使用的明确之选。

Top of an industrial photobioreactor with glass tubes and blue couplings
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提高生产效率

使用 DURAN® 玻璃管的 PBR 可实现极高的生产效率。 与任何其他方法相比,它有利于在相同的面积上容纳更大光敏性体积的养殖溶液,每平方米的光敏性体积最多可达200升。

Series of glass tubes of an industrial photobioreactor
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加快生长速率

在不同的位置和光照条件下,使用硼硅酸盐玻璃管的生长速率可达到每升0.3到0.6克。 这样的成果比塑料好,产生的生物质最多可比开放式液池多10倍。

Interior shot of an industrial photobioreactor with series of glass tubing on either side
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高成本效益

虽然管式玻璃光生物反应器的初始投资比较大,但从长期来看具有极高的成本效益。 高收益能够轻松覆盖初始成本,PBR 的蒸发量比开放式系统少。

全球 PBR 技术合作伙伴

肖特与一些世界领先的 藻类养殖公司合作 ,提供各种形状、尺寸和外形的玻璃管用于制造最新的光生物反应器。 DURAN® 等硼硅酸盐玻璃具有最佳透光率、长寿命、稳定的性能和出色的耐受性,是这个正在快速发展的领域的首选产品。

DURAN® 玻璃管

广受赞誉的肖特 DURAN® 硼硅酸盐玻璃管可做成各种不同的长度、直径和壁厚,坚固 抗断裂 、高度化学稳定、性能出色,能够以高性价比优化藻类养殖成果。

DURAN® 玻璃管

用于工业光生物反应器的玻璃管系统

弯管和歧管

我们可以根据客户要求设计并加工弯管,整合法兰或封闭端,确保高级、安全的连接,最大限度减少污染,优化性能。 我们的玻璃管不仅性价比高,而且生物安全、食品安全,可建立起完全互连的无缝 PBR 系统。

弯管和歧管

用于光生物反应器的玻璃歧管和弯管

接头

光生物反应器中的管接头是连接处发生污染和腐蚀的高风险区域。 肖特与客户密切合作,准确按照要求的规格精确定制易于拆装、需要时可重复使用、寿命至少10年的管接头。

接头

带有蓝色接头的透明玻璃管横截面

如何选择 PBR?

光养性藻类通常可以采用两种不同的方式养殖,也就是开放或封闭式系统。 这两种方法之间的主要区别是藻液是否与空气隔离。 这一点对于哪些环境因素会影响藻液以及藻类养殖如何得到良好控制有着重要影响。

封闭式系统优点概述:

  • 生产效率明显更高

  • 污染风险低

  • 耗水量低

  • 占用空间少

  • 生物质纯度高(食品级)

  • 生产结果高度可重复

  • 产量稳定且可预测

  • 藻类密度高,收获的成本效益高

  • 可以轻松改变养殖的藻类

  • 天气依赖性低

  • 可通过人工照明实现24小时生产

详细了解这个主题: 藻类养殖常用技术比较

方法

藻类可以在天然的开放式池塘中养殖。 但是工业生产中通常会使用人造液池。 这类液池通常很浅,深度不超过30厘米。 在这些液池中,藻类能够进行光合作用,在光照下形成生物质。 开放式液池通常制造成圆环或跑道形状。 开放式跑道池尤其常见。 池水通过桨轮等装置保持流动,使藻类混合。

开放式系统的优缺点

开放式液池看起来成本低,易于建造。 但是,污染危险、水分蒸发高和容积生产率低是几个主要挑战,这些都会导致形成的生物质质量低、吸水量大以及下游工艺成本高。 由于池水不断流失,液池的含盐量通常会越来越高。 有些困难通过天台方式可以解决——但成本很高。

与开放式液池相反,在封闭式系统中养殖藻类时养殖液装在封闭的容器中。 因此,藻类与空气完全隔离。 封闭式系统有多种形式,主要采用的有管式和平板式反应器。 其他还有袋式、盘绕式或圆顶式。 在不同结构的封闭式系统中,通过引入二氧化碳或用泵保持藻类运动。

封闭式系统的优缺点

封闭式系统一开始需要较高的投资以及对藻类养殖和生产条件有更多的了解。 但是,封闭式系统能够提供更高、而且特别可靠的生产率和质量。 这是因为封闭式系统中影响养殖的因素可以得到准确控制,可以避免细菌污染和污物进入,这种设计可以比开放式液池更有效地利用光。 此外,封闭式系统还能生产食品级生物质。

如果高质量的生物质是主要养殖目标,就应该特别考虑封闭式养殖方法。 或者在需要准确控制环境来促进藻类生长的情况下。 例如当藻类用于人类营养以及作为化妆品或药品的组成部分时。 在理想情况下,这些产品都应采用食品级养殖方法生产。

开放式液池和封闭式系统的比较表

进一步了解: 该表显示了各种方法在各条重要评估标准中的得分,从“非常好”(++)到“非常差”(--)。

藻类养殖的地理位置和可使用的空间对于选择养殖方法至关重要。 基于这两个因素可能会排除开放式 PBR 方法。 此外,生产效率和产品质量明显更高以及生产的可计算性更高,也都是采用封闭式养殖方法的充分理由。 可选择的方法有很多。 最常见的封闭式藻类养殖方法是在管式 PBR、平板式反应器和塑料袋中生产。

管式 PBR 优点概述:

无论采用哪种容器材料,与其他封闭式系统相比,管式 PBR 因其几何形状而具有以下优点:

  • 在管子中能够最佳利用光照,生产效率更高,而且很少停机。

  • 几乎不会发生计划外生产中断,因此具有出色的生产可计算性。

这些优点尤其适用于玻璃管式系统。玻璃系统另外还有以下特点:

  • 玻璃的表面粗糙度低,可减少生物膜形成。

  • 可使用化学和机械方法轻松清洁。

  • 使用寿命长达50年。

在长期运行情况下,总体拥有成本最低。

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封闭式系统的类型

玻璃或聚合物材质的管子垂直或水平排列。 在大多数情况下,泵机将藻类通过管式系统,之后培养物被收集在罐体中,再重新回到管式系统中。 使用管式 PBR,可以在考虑生产过程、数量和质量的情况下可靠地计划生产。 此外,这种系统能够最佳利用现有的底面积和光照,因此生产效率极高。 而且它们还易于清洁。

这种系统使用玻璃或聚合物做成的平板。 平板可垂直或水平摆放,板与板之间有一层薄薄的藻类培养物。 这种系统可提供良好的照明条件。 但是这种系统存在加热问题,而且容易形成大量生物膜,尤其是在使用聚合物平板时。 这些生物膜难以清除,因为很难以机械方式接触到它们。

PVC 或 PE 材质的塑料袋被固定在专门的支架系统上,以截取培养上清液。 投资成本低,但很容易形成生物膜,因此需要频繁更换袋子,这不仅耗费很大人力,而且还造成大量垃圾。

封闭的管式光生物反应器都具有实验室和生产型规模,因为它们是唯一能够生产高质量生物质,也就是能够经济高效地生产 DHA、虾青素或螺旋藻等高端藻类产品的系统。 作为膳食补充剂的藻类最好在封闭式系统中生长,因为这种系统可以确保高纯度和高生产率,提供高质量的最终产品。 此外,玻璃容器可确保以食品级的水平进行生产。

不同封闭式系统养殖方法比较表

进一步了解: 该表显示了各种方法在各条重要评估标准中的得分,从“非常好”(++)到“非常差”(--)。

封闭式 PBR 的核心组件是藻类在其中生长的容器。 这种容器可以用透明塑料或玻璃制造。 这两种材料各有优缺点,都会影响生产必须中断的频率和 PBR 的总体拥有成本。 这些因素会影响藻类的生产成本。

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制造 PBR 的材料

用塑料袋养殖藻类时,通常使用聚乙烯这种聚合物。 PE 袋的采购成本特别低。 但是通常情况下至少要在一季或一年后更换一次。 这是因为藻类很容易覆盖在袋子上,袋子也很难清洁。 更换袋子需要耗费材料和大量人力,因此成本昂贵。

平板式和管式反应器通常使用聚氯乙烯。 对于相同的体积来说,这类系统的采购成本比玻璃系统的低。 由于 PVC 无法透射整个光谱,因此这类系统中的藻类养殖效率比其他材料的低。 此外,如果在室外使用,PVC 在紫外线辐射下分解速度非常快,因此每2至4年就需要更换一次。

可用于制造管式反应器的另一种塑料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA 或 Perspex)。 与 PVC 相比,PMMA 的优点是可透射整个光谱,而且几乎不会分解。 PMMA 在阳光下的使用寿命约为10年。 但是,PMMA 反应器的成本比相同体积的玻璃反应器高,而且后者可使用50年。 此外,生物膜形成是 PMMA 等塑料的常见问题。

一般而言,为了确保塑料制成的光生物反应器能够具有相同的生产效率,必须在运营过程中相当频繁地更换塑料元件。 在反应器运行时间较长的情况下,这会提高总体拥有成本。 此外,某些类型的聚合物会向藻液中释放物质,因此无法进行食品级藻类养殖。

管式 PBR 基本上都用硼硅酸盐玻璃制成。 与各类聚合物相比,这种玻璃具有许多优势。 它可使整个光谱的光线照射到管子里的藻类。 它可以抵抗紫外线辐射、化学品和盐水。 这就是为什么硼硅酸盐玻璃管使用50年后仍能提供与初次交付时相同的高生产率。 这种玻璃管也不容易形成生物膜。 即使形成生物膜,也可以非常方便地清除。

硼硅酸盐玻璃的优点:

透光

  • 出色的透光率

  • 无曝晒或褐变作用

  • 无需添加防紫外线物质或涂层,可确保材料性能

  • 硼硅酸盐玻璃的使用寿命超过50年

防火

  • 玻璃不会燃烧或释放有毒烟雾

浸出

  • 玻璃是一种高度耐化学性的材料。 如果使用塑料,不同类型的聚合物可能会使双酚分子等危险物质的单体或低聚物浸出释放到藻类培养物中。

清洁

  • 具有极高的机械稳定性,可以使用聚合物颗粒进行过程中连续清洁

  • 具有化学稳定性,可以进行原位清洁(CIP)

  • 与优质聚合物相比,材料与维护成本更低

热稳定性

  • 仅适用管式装置: 热膨胀系数低,无需膨胀弯管。

  • 举例:5.5米长的管子温度升高20°C/36°F,硼硅酸盐玻璃的膨胀率只有0.36毫米/0.01英寸,而聚合物的膨胀率则为3.3-8.8毫米/0.13英寸-0.35英寸,具体取决于聚合物类型

节约成本

  • 玻璃管可使用五十年以上

  • 仅适用管式装置: 机械稳定性高,因此可减少所需支架的数量,增加支架之间的距离,管子不会下垂

  • 举例:与 PMMA 管相比,间距增加一倍

  • 仅适用管式装置: 管子长度5.5米,因此可减少接头数量

下垂(仅适用管式装置)

  • 与聚合物管子相反,玻璃管不会永久变形

  • 排空系统后,管中不会形成水坑

玻璃与各类聚合物比较表

进一步了解: 该表显示了各种方法在各条重要评估标准中的得分,从“非常好”(++)到“非常差”(--)。

如果您主要关注藻类生产成本、PBR 系统的使用寿命和总体拥有成本,那么您一定会做出正确的选择,使用管式玻璃 PBR。 但是,不同的玻璃 PBR 之间也存在显著差异。 这些差异会对最终的系统性能产生重大影响,因此您必须了解它们。

高端玻璃优点概述:

  • 这种玻璃无机械应力且稳定,使光生物反应器使用寿命达到50年

  • 管壁更薄,生产效率更高

  • 由于管长相同,PBR 结构简单、无张力、无间隙

  • 不易形成生物膜

  • 很少因清洁而中断生产

  • 组件之间协调配合,形成完整的集成系统

详细了解这个主题:

为什么高端玻璃是光生物反应器的最佳选择

PBR 管的玻璃必须能够耐受各种环境影响和清洁过程,这样您就可以高效使用这些玻璃管很多年来养殖藻类。 这就是肖特使用硼硅酸盐玻璃的原因。 这种玻璃:

  1. 紫外线稳定: 即使数十年暴露在阳光和紫外线辐射下,玻璃的透光率也几乎保持不变。

  2. 化学稳定: 因此可使用多种化学溶液清洁和消毒玻璃管,清除反应器里的生物污损。

  3. 耐盐: 在计划养殖海藻时, 这一点尤为重要。

在我们的硼硅酸盐玻璃资料表中详细了解硼硅酸盐玻璃的物理和化学特性。 下载硼硅酸盐玻璃数据表。

选择制造 PBR 的玻璃管时,合适的玻璃类型不是唯一重要的因素。 同样重要的还有玻璃的制造方式、玻璃管的加工方式以及系统的整体设计方式。 因此,能够提供高生产率和出色成本效益的高端玻璃组件与低质量玻璃组件不同。

详细了解这个主题: 如何使用高端玻璃组件的 PBR 使藻类养殖的经济可行性更高

高端玻璃更好的原因表格

进一步了解: 该表显示了各种方法在各条重要评估标准中的得分,从“非常好”(++)到“非常差”(--)。

Silvia Fluch 博士介绍 ecoduna(现称 Jongerius ecoduna)为何选择肖特玻璃管建造其广泛的光生物反应器系统。

客户反馈

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“我们决定使用肖特 DURAN® 玻璃管建造我们的光生物反应器。 我们的体验非常棒。 这些玻璃管使光线准确地照在藻类上,使其能够最佳生长。 玻璃的使用寿命很长。 这种玻璃管比塑料管更稳定,更易于清洁。 总而言之,我们拥有更长的设备使用寿命,同时减小了微藻生产成本。”
Orri Björnsson
Algalif 首席执行官
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“我们使用肖特玻璃元件,将 Phyco-Flows™ 封装在两个铝框架中,框架用不锈钢网固定,以避免光生物反应器及其元件受到著名的冲绳台风的影响。 现在,Phyco-Flow™ 系统被亲切地称为1号到4号台风。 每一个阶段共包含5000米长的肖特玻璃管。”
Joe McDonald
Varicon Aqua 总经理
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“我们希望我们采用最先进的玻璃组件的光生物反应器和工艺设计能够使可持续水产养殖取得重大进步。 这种玻璃真正影响着 GemTube™ 系统的成功因素——而且挪威海洋硅谷现在可以从中获益。”
Sander Hazewinkel
LGem 首席商务官
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“管式玻璃光生物反应器是生产高价值和高质量产品的理想选择, 而且也非常适合用于生产那些需要严格控制生产或者会产生挥发性化合物的微藻品种。”
Edgar Santos
葡萄牙 Algatec A4F
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“细菌是藻类的敌人,塑料在多次清洁后表面上经常会出现划痕,为这些敌人提供了完美的繁殖基础。 由于肖特玻璃管坚固耐用,光生物反应器可提供稳定不变的良好生产条件,且没有被污染的风险。”
Silvia Fluch 博士
ecoduna 前首席运营官
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“我们建造了一座房子形状的光生物反应器,象征人们的日常生活。 对此,玻璃具有最好的外观和触感,而且环保、可回收。 结构设计是一大挑战。 光生物反应器通常不会安装成这种形式。 为了获得正确的弯曲角度,必须专门制作一些管子。 在最终设计中,将肖特标准玻璃管和连接件以及荷兰玻璃制品公司 VBGL 特制的玻璃管结合起来。”
Sander Hazewinkel
LGem 首席商务官