一种气升式光生物反应器.pdf

本发明涉及一种气升式光生物反应器，包括反应器罐体内的内光源装置，反应器罐体壁上的接种口与排料口，以及反应器罐体顶部的封盖上的测量口、排气口及底部的下封盖和温控器，其特征是还包括固定在下封盖中心通孔上的分配器装置，并凭借其中的多个分配通道与反应器罐体的内腔室相通，营养素分别经加料管道由注料孔进入分配通道中。分配器装置的阶梯形圆台外面有一互相盖合的密封盖，其上对应各分配通道的环形腔室内设置有单向阀。本发明实现了多介质在反应器内的均匀分配与混合，可防止培养基倒流入分配通道，结构合理，营养素注入方便可靠，适用于实验室或工业规模化微藻养殖及其它光合生物细胞的悬浮培养，具有较好的工业放大应用前景。

1、  一种气升式光生物反应器，包括反应器罐体(1)内的内光源装置(7)，反应器罐体(1)壁上的接种口(6)与排料口(11)，反应器罐体(1)顶部的封盖(10)上的测量口(8)、排气口(9)及底部的下封盖(2)和温控器(3)，其特征是还包括固定在下封盖(2)中心通孔上的分配器装置(4)，并经由分配通道(41)与反应器罐体(1)的内腔室相通，加料管道(12)内的营养素经由注料孔(42)进入各分配通道(41)中。

2、  如权利要求1所述的气升式光生物反应器，其特征是所述的分配器装置(4)是阶梯圆台形，各分配通道(41)的出口设置在圆台侧面或顶部上。

3、  如权利要求1或2所述的气升式光生物反应器，其特征是所述的分配器装置(4)的阶梯圆台形外面有一互相盖合的密封盖(45)，密封盖(45)其上的对应各分配通道(41)的环形腔室(43)内设置有单向阀(46)，环形腔室(43)间由O形密封圈(44)隔离。

4、  如权利要求1或2所述的气升式光生物反应器，其特征是上述的温控器(3)设置在反应器罐体(1)外进行温度控制。

一种气升式光生物反应器
技术领域
本发明属于微藻封闭养殖用光生物反应器——一种气升式光生物反应器。
背景技术
藻类属于微型植物，微藻能够利用简单的矿物质营养素，在光合作用(日光和人工照明)的情况下，将CO₂和水转化为我们生活需要的各种有机化合物(如色素、蛋白质、氨基酸、维生素和脂肪酸、多糖和矿物质等人体必需的营养成份)。由于藻类具有高效光利用率，以及从周围环境中快速高效吸收营养素(如CO₂、氮、磷等)并转化成有机化合物的能力，使藻类成为拥有未来解决食品、能源危机的巨大经济潜力。藻类养殖对于CO₂减排、污水处理以及清洁生物能源利用方面的重要作用、以及在改善生态环境的重大意义，使藻种改良实验室科学研究、微藻的实验室培养与工业化养殖，以及微藻的综合利用技术推广研究，成为目前最热门的科研与应用领域之一。尽管藻类具备了较高的环境与经济价值，但要实现藻类产业的经济性利用，目前仍受限于工业规模化藻类养殖的光生物反应器的研制。
当前，藻类的培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器，开放式生物反应器由于不具备温度控制能力、生产受季节影响，且生产过程容易受到各种异生物的污染而证明并不是最有效的方式。为此，人们开始研究各种封闭式光生物反应器，如管道式、平板式、柱状气升式、浮式薄膜袋等光生物反应器。由于这些光生物反应器结构不同，其实际使用效果差异很大，产品结构对藻类的养殖产量与养殖效果的影响就更加明显。
已有公告号CN2384948Y，以及康瑞娟等发表在“化学反应工程与工艺2002，17(1)”上的“用于微藻培养的气升式光生物反应器”的论文。公开技术构建的基于内外光源结合的气升式内环流光生物反应器，该产品主要由罐体、气体提升管、内光源密封管、热交换装置、气体分布器、内外光源等部分组成。其核心技术是：采用日光灯管作为内外光源；采用气体分布器使通入的混合气体形成细小的气泡，提高气液的传质面积与效果；采用热交换装置加热或冷却培养液温度。公告号CN2748464Y在前一专利技术基础上，仅针对其结构件的使用稳定性和安全性做了必要的修改。技术上主要存在的问题是内光源密封管采用一段或两段凸环玻璃制品制造，再加O形橡胶圈密封的结构形式，密封管加工制造与装配过程复杂，成本高；采用气体分布器的结构只能对气体这一种注入介质起到分布作用，而且无法防止培养液倒流入分布器，气体分布器使用过程中，分布器孔受到微藻滋生容易被堵塞，影响长期使用效果；另外，采用在罐体内加装热交换装置的办法，也会由于加热器表面温度高使部分培养物受到伤害而死亡，影响产量；再者，由于其内部支持构件较多，不利于物料混合，造成微藻附着影响生长，并且会遮挡光线穿透力而影响总体光合作用效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种气升式光生物反应器，以克服现有技术结构及其长期使用性能上的诸多不足。
本发明是对已有柱状气升式光生物反应器结构与功能的改进，通过采用一种新型营养素分配器装置和温控模式，使反应器罐体内注料均匀分布而且无堵塞，温控器设置在反应器罐体外进行温度控制，实现了对多介质营养素(如培养液等)的稳定性更高、更合理的处理，对罐体内培养物的损伤更小。
本发明的技术方案包括反应器罐体内的内光源装置，反应器罐体壁上的接种口与排料口，以及反应器罐体顶部的封盖上的测量口、排气口及底部的下封盖和温控器，其特征是还包括固定在下封盖中心通孔上的分配器装置，并经由其中的多个分配通道与反应器罐体的内腔室相通，加料管道经由注料孔进入各分配通道中。
分配器装置是阶梯圆台形，各分配通道的出口设置在圆台侧面或者顶部上。
考虑到培养物倒流入分配通道堵塞分配通道的可能情况，所述的分配器装置的阶梯圆台形外面有一相盖合的密封盖，密封盖其上的对应各分配通道的环形腔室内设置有单向阀，环形腔室间由O形密封圈隔离。
分配器装置由阶梯圆台与相应的密封盖、单向阀、O形密封圈组成，分配通道与密封盖配装后，在阶梯处形成数个环形腔室，环形腔室间由O形密封圈隔离；在密封盖的侧面或者顶面上安装有单向阀，单向阀能允许营养素注入并防止培养液倒流入分配通道；其中注料孔，分配通道与环形腔室连通，呈T形或L形，分配器装置和密封盖由下封盖压紧在反应器罐体上。
温控器主要设置在反应器罐体外进行温度控制。温控器通过加热或冷却营养素注入时的温度，控制培养基的温度在设定的范围内波动。当培养基的温度高于设定的温度值时，温控器通过降低注入的营养素的温度，达到降低培养基温度的目的；当培养基温度低于设计值时，温控器通过加热提高注入的包括混合气体在内的各营养素的温度，达到升高培养基温度的目的。由于加热和冷却过程针对的是无机介质，利用小温差物料混合来调节培养基的温度，温度变化柔和，对藻类生物培养过程影响小。
本发明实现了多介质营养素在培养液内的均匀分配与混合，在分布口加装单向阀，防止培养液倒流入分配通道注料孔堵塞通道的情况；设计的内光源密封罩加工更简便、拆装清理更方便；培养基的温度控制采用外置温控器，通过调节无机营养素的加料温度实现培养基温度在规定的温度范围内变化，减少了加热棒局部高温区造成培养物死亡的可能性。因此，本发明的结构合理，营养素注入控制与培养基温度控制更加方便可靠，内光源光照度可控范围更宽，适用于实验室或工业规模化微藻养殖及其它光合生物细胞的悬浮培养，具有较好的实验室应用和工业过程放大前景。
下面参照附图对本发明的优选实施例做详细说明。
附图说明
图1为本发明单个光生物反应器基本结构示意图。
其中，1.反应器罐体，2.下封盖，3.温控器，4.分配器装置，41.分配通道，42.注料孔，43.环形腔室，44.O形密封圈，45.密封盖，46.单向阀；5.密封罩，6.接种口，7.内光源装置  71.内光源，72.支架，73.通气口，74.亮度调节器  75.绝缘板8.测量口，9.排气口，10.封盖，11.排料口，12.加料管道。
具体实施例
如图1所示，本发明包括反应器罐体1内的内光源装置7，反应器罐体1壁上的接种口6与排料口11，反应器罐体1顶部的封盖10上的测量口8、排气口9及底部的下封盖2和温控器3，其特征是还包括固定在下封盖2中心通孔上的分配器装置4，并经由分配通道41与反应器罐体1的内腔室相通，加料管道12内的营养素经由注料孔42进入分配通道41中。
所述的分配器装置4是阶梯圆台形，各分配通道41的出口设置在阶梯形圆台侧面或顶部上。
所述的分配器装置4的阶梯形圆台外面有一互相盖合的密封盖45，其上的对应各分配通道41的环形腔室43内设置有8单向阀46。
图1中所述的阶梯圆台形分配器装置4由分配通道41、O形密封圈44、密封盖45和单向阀46组成，分配通道41的入口有四个包括混合气体在内的营养素注料孔42，分配通道41与密封盖45配装时形成环形腔室43，环形腔室43之间由O形密封圈44隔离，密封盖45的侧面有若干分布口(也可在其顶部开孔)，用于安装单向阀46。分配通道41呈T型或L型通道，与对应的环形腔室43连通，各注料孔42分别与经温控器3调整好的不同营养素如CO₂、空气、含氮或含磷物质等营养素加料管道12连接。分别从对应注料孔42注料时，通过调节其加料速度控制加料总量，当加料压力大于反应器内培养基压力时，单向阀46开启，各种营养素均匀分散地从其中的单向阀46加入到培养基中，并在气体鼓泡情况下，加速营养素的混合与扩散；当营养素停止注料时，单向阀46关闭，防止培养基倒流入分配器装置4，堵塞分配通道。显然采用气分配器装置4能够强化各种介质的混合和强化培养液的扰动，又不堵塞分配通道。
温控器3设置在反应器罐体1外进行温度控制。
反应器罐体1由玻璃、有机玻璃或聚乙烯透明材料制成(当不需要外光源时，可选用陶瓷等非透明材料制造)，中间开孔的下封盖2与封盖10设有卡口与反应器罐体1连接。下封盖2压紧分配器装置4并压紧与反应器罐体1底部密封垫片(图中省略)，保证反应器罐体1底部的密封安装要求。下封盖2中间开孔，使分配器装置4固定其中，反应器罐体1底部的注料口42与反应器罐体1外部营养素加料管道12连接。
所述的封盖10上设有多个测量口8，分别用于对反应器罐体1中培养基pH值、温度、溶氧等数据的测量；排气口9用于不溶性或溢出气体的排放；封盖10中间开孔，用于密封罩5与内光源装置7的安装固定。
所述的内光源装置7的密封罩5呈U形结构，由透明材料制成，其长度和内径可根据藻类养殖的光程选取适当值。密封罩5顶部的折边与封盖10配装；并且可以拆下密封罩5清除其表面附着物或更换其它尺寸的密封罩5。
所述的内光源装置7由多组照明的内光源71、支架72、亮度调节器74和绝缘板75组成，内光源71固定在支架72上，支架72与绝缘板75连接，绝缘板75上有便于内光源71散热的通气口73，绝缘板75与上封盖10连接，并压紧密封罩5，可确保培养基不外漏；通常的亮度调节器74可以控制内光源71的照度值。
本发明可组合成串联或者并联养殖系统，实现特种养殖和大规模养殖目标。
本发明也不难通过其固定支架调整，实现不同安装角度控制要求。