CN101709264A - 一种光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光生物反应器，包括曝气系统，用于控制所述箱体中培养液的温度的控温系统，反应器控制系统和至少一个反应器单元；其反应器单元包括箱体及其支撑框架；箱体顶部是开放式开口，内腔整体贯通，至少一个长侧面是透明的，横向相对的两短侧面和底面为圆弧形面；支撑框架呈梯形，垂直地面，两支撑框架立柱间固夹箱体。本发明的一种光生物反应器，有效解决了存在的死角问题，且便于整体收获，从培养到收获的过程中不需要所有培养液的泵出，从而大大降低了过程能耗，实现了连续培养。

Description

一种光生物反应器

技术领域

本发明涉及一种光生物反应器，可用于培养光合微生物或植物细胞。

背景技术

光合微生物或植物细胞，尤其是微藻和蓝细菌(简称藻类)的生长繁殖主要依靠简单的矿物质。藻类通过光合作用，利用光能(如太阳光和人工照明)将水和二氧化碳转化成色素、蛋白质、脂肪酸、糖类及次生代谢物等高价值有机化合物。藻类因具有极高的光及营养利用效率表现出比高等植物更强的生长潜力。

在已知的40000多种物种中，藻类是一类与众不同的生物群体，因此它们(自然)可产生许多类新的、尚未开发的生物产品。2004年全球藻类产品(如药品、营养品、农药、食品及动物饲料)年销售量估计达到了2×10⁹美元。通过利用分子生物学、代谢工程、功能基因组研究等方面的最新突破，将藻类这一极好地基因表达载体，应用于生产人及动物营养保健方面的重组蛋白和其它生物活性物质。由于藻类具有快速从周围环境中吸收CO₂、氮、磷等营养物质并将其转化为有机化合物(如储存在细胞中的蛋白)的能力，它已被提出并在自然及工程系统中测试，去除或回收废水及和火电站富含CO₂的烟气中的营养废弃物。藻类作为生物净化过程的副产物可作为生产生物燃料(如生物柴油，酒精和甲烷)、动物饲料添加剂和有机肥料的原料。虽然藻类在气、液态可再生生物能源、高附加值产品和环境生物净化方面的应用是科学的、符合环境要求的，但藻类应用的经济可行性是由供藻类生长、繁殖的工业规模光反应器的效率和成本效益决定的。

当前工业规模光反应器一般为开放式跑道池，多建成1000～5000m²环形的浅池(水深15～30cm)，用浆轮使培养液循环流动。这种生产模式的优点在于其结构和维护相对简单，但它在藻类户外生长生产力因素的控制方面有许多不足。开放式跑道池总体生产率低主要是因为缺乏温度控制、光程长及混合不均匀。培养藻类的开放式跑道池直接与空气接触而易于染菌，常导致培养失败。

开放式跑道池的缺陷推动了封闭式培养系统的发展。如用透明的管或容器制成，并用泵或气泡实现培养液混合的光生物反应器。但管式反应器自身也存在着问题。首先，管式反应器的气体交换罐是一个很大的“暗区或暗体积”(通常占总培养体积的10～15％)。其次，管式反应器中易于积累光合作用过程中生成的氧，从而抑制光合作用及生物量生产潜力。再次，在长的管式光生物反应器中一般都用泵来实现藻液的混合及循环，但泵会造成严重的细胞损伤。同时，管式反应器的应用也受到其高成本及维护费用的限制，仅用于生产小批量、高价值特种产品。

然而，近十年，人们将注意力集中到了板式光生物反应器上。板式反应器与管式系统相比，其设计优点在于：1)没有“暗区”，整个反应器可受光，从而提高了光合生产力；2)通气系统不但使藻液混合均匀而且由于气泡产生的液体动力最小，其对细胞的危害性也小；3)由于反应器高度低(如：3～10英尺)不会有O₂抑制作用；4)板式反应器可在不同的方位或以不同的倾斜角度放置，以在全年中最大限度的利用太阳光能，来提高产量；5)与管式反应器相比，板式反应器的成本和维护费用相当低。然而，目前板式反应器只是作为实验室培养装置和小型户外箱体，用于研究藻类生长生理，还未应用于藻类的工业化规模培养。

胡强设计的反应器WO 2007/098150A2就是板式反应器中的一个典型代表，它具有上述优点，但该板式反应器也存在着以下不足：1)反应器中间设有挡板、两侧面相对的支撑架间在反应器顶部有连接横梁、顶部加盖、反应器下端设有收获出口。这样该反应器不能采用贯通式整体收获，其收获过程是将反应器中的全部藻液泵出或排出，然后处理所有藻液，由于藻液中藻的浓度很低，一般低于1％，所以最终只能得到其中很少的微藻。这样整个过程中动力消耗很大，处理量大，运行成本很高。2)该反应器棱角处存在处于静止状态的死角，导致清洗、消毒不完全，反应器局部培养液搅动不充分，营养分布不均匀，细胞在死角区贴壁、沉降严重甚至死亡，从而降低了培养效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种光生物反应器，其是结构简单，便于整体收获，运行费用低，可连续培养的反应器，且完全消除了板式反应器普遍存在的死角。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种光生物反应器，包括曝气系统，用于控制所述箱体中培养液的温度的控温系统，反应器控制系统和至少一个反应器单元；其反应器单元包括箱体及其支撑框架，箱体为适于容纳液体的盒体，其顶部是开放式开口，内腔整体贯通；

该箱体纵向相对的两长侧面是整体结构，至少一个长侧面是透明的；

在横向相对的短侧面上设有进料口、取样口、排液口；

该箱体的两长侧面外侧以支撑框架支撑，支撑框架沿箱体纵向均匀布设，支撑框架的高不小于箱体的高；

支撑框架呈梯形，垂直地面，以箱体的横向中垂面两侧对称设置，每侧呈直角三角形，直角三角形的垂直边为支撑框架立柱，两支撑框架立柱间固夹箱体，定位，两直角三角形底边为一根支撑杆件相连接，底边位于支撑面上。

所述的光生物反应器，其横向相对的两短侧面和底面为圆弧形面。

所述的光生物反应器，其所述箱体两长侧面外侧面上，还固设有井字形箱体框架，箱体框架的竖直件为箱体框架立柱，箱体框架立柱与支撑框架立柱相适配，两者之间以连接件固接。

所述的光生物反应器，其所述支撑框架立柱固夹箱体、两长侧面外侧固设箱体框架，是通过粘合或螺栓其中之一方式连接，或两者组合的方式连接。

所述的光生物反应器，其所述连接件，为U型卡箍和螺栓，U型卡箍两自由端及中点上有螺孔，自由端的两通孔穿设一螺栓，中点通孔穿设另一螺栓；U型卡箍横向包围箱体框架立柱和支撑框架立柱后，通过一螺栓穿过箱体框架立柱固定，另一螺栓通过U型卡箍中点的螺孔与支撑框架立柱相抵固，使箱体框架立柱与支撑框架立柱的紧密结合。

所述的光生物反应器，其所述圆弧形的两短侧面和底面，在纵向两侧边内侧设有贯通的沟槽，沟槽与长侧面的厚度相适配，长侧面固接于沟槽内；短侧面和底面相对端部设有过渡件，过渡件为四分之一球状片；短侧面、底面和长侧面间，短侧面、底面和球状片间粘合固接。

所述的光生物反应器，其所述两长侧面是整体结构，是依据需要以多数个侧面片的垂直侧边相互顺序固接构成的整体结构。

所述的光生物反应器，其所述箱体长度不小于0.5米，高度在0.2～3米之间。

所述的光生物反应器，其所述多个反应器单元串联后，为反应器组，反应器组内的反应器单元，摆放时，相互之间间距为0.5～3米。

所述的光生物反应器，其所述反应器组，每个相邻的反应器单元，在相对各自的支撑框架立柱上端外侧，以一横梁相互固连支撑。

所述的光生物反应器，其还包括反光镜，将照射光反射到箱体上。

所述的光生物反应器，其所述箱体，为透明或半透明，以玻璃、玻璃纤维、PVC、聚碳酸酯、聚乙烯或金属其中之一制作；支撑框架、箱体框架，为金属或有机玻璃材料制作。

本发明的一种光生物反应器针对现有反应器不便于整体收获，现有反应器运行成本高，以及现有反应器存在的死角问题，设计的板式反应器具有以下特点：1)反应器两长侧面内部及顶部开口处无连接结构。且支撑框架中相对的两立柱在反应器的顶部没有连接横梁，相邻两个反应器单元通过各自支撑框架立柱上的横梁相互连接、支撑，这样的结构即保证了反应器的强度，又保持了反应器内部整体连通，这样可以采取整体收获，收获的过程中藻液无需泵出，始终在反应器内，能耗少；2)反应器短侧面及底面采用弧形设计，完全消除了死角区，避免了反应器清洗、消毒不完全，及其中的培养液营养分布不均匀等问题。3)本发明反应器可以与一种特殊的贯通式整体收获装置配合使用，培养结束后，该收获装置在反应器内部缓慢从反应器一端运行到另一端，同时将培养物富集在反应器的一端，最后将培养物的富集液由排液口排出。整个收获过程无需将培养液全部排出，能耗少，运行费用低。从而使该反应器实现产业化连续培养应用。

附图说明

图1a本发明的一种光生物反应器单元结构图；

图1b本发明的光生物反应器采用圆弧侧面及圆弧底面消除死角示意图；

图1c本发明中圆弧底面或圆弧侧面结构图；

图1d为图1a中反应器的底面局部结构图；

图2本发明中反应器组示意图；

图3a本发明中箱体框架与支撑框架连接件结构图；

图3b本发明中箱体框架与支撑框架连接方式示意图；

图4本发明中利用反光镜增大光生物反应器对光的利用效率的侧视示意图；

图5本发明的光生物反应器曝气系统示意图。

具体实施方式

本发明的一种光生物反应器，为进一步说明其结构，现列举4个实施例：1.短侧面及底面为平面的反应器。2.短侧面及底面为为圆弧的反应器。3.反应器组。4.养殖实例。

实施例1：

如图1a、图1d、图2、图3a、图3b、图4、图5所示，为本发明的光生物反应器结构示意图。其中，长侧面1、短侧面2、支撑框架立柱8、支撑框架9、箱体框架10、箱体框架立柱11、箱体框架横筋11’、U型卡箍12、进料口14、取样口15、排液口16、反应器旁边的支撑框架17、支撑框架立柱上的横梁18、螺栓19、U型卡箍顶部螺栓19’、孔20、反光镜21、入射光22、反射光23、曝气管24、导气管25、气泵26、过滤装置27、气体28、端口密封条47。

光生物反应器，包括：箱体、支撑框架9、曝气系统，曝气系统见图5。

箱体由长侧面1、短侧面2组成。长侧面1由8mm普通玻璃通过天马牌硅酮结构胶粘贴到箱体框架10上制成。短侧面2由3mm厚衬塑不锈钢板制成。长侧面1是可以无限延长的，可由无数块首尾相连的玻璃固定于箱体框架10上构成。

本发明的光生物反应器长10m、高1.2米，宽度为15cm。长侧面1中的箱体框架10高1.2m，长10m，由截面为40mm×40mm的冷弯空心型钢衬塑制成，箱体两长侧面1上相对的两箱体框架立柱11间距离111mm，三根箱体框架横筋11’间的距离由上至下分别为600mm和440mm.支撑框架由截面为40mm×40mm的冷弯空心型钢衬塑制成，同一箱体长侧面1上相邻支撑框架立柱8间的距离与该长侧面上相邻的箱体框架立柱11间的距离一致为945mm，支撑框架立柱8与箱体框架立柱11间通过U型卡箍12相连。U型卡箍12从支撑框架立柱8一侧半包围住支撑框架立柱8和箱体框架立柱11，螺栓19穿过U型卡箍12上的孔20和相应位置箱体框架立柱11上的孔，将U型卡箍12和箱体框架立柱11固定，然后将U型卡箍顶部的螺栓19’旋入，使箱体框架立柱11和支撑框架立柱8贴紧，从而实现箱体与支撑框架的紧密连接。短侧面2高1.2m，宽度与箱体两侧长侧面1的箱体框架立柱11的外侧之间的距离相等。短侧面与长侧面1端口处的玻璃通过硅酮结构胶粘和后，其外侧利用硅酮结构胶与端口封闭条47粘和，端口密封条47材料与箱体框架10材料相同，再利用U型卡箍12从支撑框架立柱8一侧半包围住支撑框架立柱8和端口封闭条47，螺栓19穿过U型卡箍12上的孔20和相应位置端口封闭条47及短侧面2上的孔，将U型卡箍12和端口封闭条47和短侧面2固定，然后将螺栓19’旋入，使端口封闭条47、短侧面2和支撑框架立柱8贴紧，从而实现箱体端口处的紧密连接。箱体两长侧面1及两短侧面2通过硅酮结构胶，实现连接及密封。

光生物反应器的短侧面2上还设有进料口14、取样口15和排液口16，分别为管路外直径为58mm、28mm、58mm，管壁厚为：4mm。管路上分别安装相应的塑料球阀，并通过硅酮密封胶与短侧面相连。培养液30和微藻藻种分别从进料口14注入反应器，微藻培养过程中，可从取样口15取出不同深度处的藻液，以供分析研究。分批培养完毕或清洗时，含成熟微藻的藻液或洗涤水废水由排液口16排出。

见图1d所示，光生物反应器箱体底面玻璃46宽度大于反应器箱体宽度，为25cm。箱体底面玻璃46边缘距离与其同侧的长侧面上的玻璃5cm，在箱体长侧面1玻璃外侧及箱体底面46上部，用硅酮结构胶粘入防漏加固条45。防漏加固条45材料为4mm厚普通玻璃，宽度为4cm，长度与相邻箱体框架立柱11间的距离相等。防漏加固条45的粘入，有效的防止了箱体底面玻璃46与长侧面玻璃粘接处漏水。

本发明的光生物反应器还包括曝气系统(见图5)，包括：气泵26、过滤装置27、和曝气管24、和导气管25。

二氧化碳和空气的混合物气体28，通过过滤装置27，除去其中的微生物、病菌和粉尘，成为气体无菌气体。经由输气管25达到气泵26，气体28在气泵处26获得动能，经由输气管25，从曝气管24的两端输入。曝气管为山河牌超微孔曝气增氧管，管径2cm、孔径为微米级，所生成气泡直径为20-30微米，购自江阴江达机械装备有限公司，其全部表面无规则的分布着微米级孔径，一方面，气体通过曝气管24由箱体底部相上扩散，实现了培养液30竖直方向上的循环；另一方面，气体28由曝气管24的两端通入，使得曝气管24中两端气压高于中部气压，促进了培养液30水平方向上的循环流动。

本发明还可以利用反光镜增大反应器对光的利用效率(见图4)。在箱体的背光面放置反光镜21，没有照射到箱体或透过箱体的入射光22经反光镜21反射后，其反射光23再次照射到反应器上。这样更大程度上的利用了光源，增大了光生物反应器对光的利用效率。

实施例2：

如图1b、图1c，其中圆弧形侧面6、圆弧形底面7、圆弧底面或圆弧侧面结构6/7、圆弧底面或圆弧侧面截面图6a/7a、圆弧底面或圆弧侧面上的沟槽6b/7b、与圆弧底面或圆弧侧面相粘贴的玻璃48、玻璃内侧面49、圆弧侧面中内圆弧50。

本发明反应器的短侧面2及底面采用圆弧型结构，如图1b、图1c所示。圆弧侧面6和圆弧底面7材料为有机玻璃或塑料，经模具加工而成。圆弧底面或圆弧侧面上具有沟槽6b/7b，玻璃48与圆弧侧面6和圆弧底面7在沟槽6b/7b处通过硅酮结构密封胶连接。玻璃内侧面49与圆弧底面或圆弧侧面6/7的内圆弧50相切。因此完全消除了侧壁和底面的棱角处的死角。

其它同实施例1。

实施例3：

本发明即可做成独立的光生物反应器单元，如图1a所示，也可做成光生物反应器组(见图2)。其中每个反应器单元高1.2m，长50m，厚0.15m。各反应器单元平行放置，间距为0.6m，反应器组中边缘处反应器的外长侧面支撑框架立柱8与反应器旁边的支撑框架17相连接，以保持反应器组图3的稳定性。反应器组图3内部的反应器单元各自的支撑框架立柱8通过支撑框架上的横梁18与相邻反应器单元对应的支撑框架立柱8相连，以相互支撑，实现反应器组整体的稳定性。

实施例4：

用本发明的光生物反应器培养小球藻，培养基为：NaNO₃ 0.25g、K₂HPO₄·3HO₂ 0.075g、MgSO₄·7H₂O 0.075g、CaCl₂·2H₂O 0.025g，KH₂PO₄0.015g、NaCl 0.025g、FeCl₃·6H₂O 0.005g，接种量为10％，温度控制在25℃，曝气气速为1m³/h，连续培养20天，通过进行整体贯通打捞式收获(参考200910137526.3号专利)，不必循环培养液，产量达到18g/(m²·d)。

Claims (12)

1.一种光生物反应器，包括曝气系统，用于控制所述箱体中培养液的温度的控温系统，反应器控制系统和至少一个反应器单元；其特征在于，反应器单元包括箱体及其支撑框架，箱体为适于容纳液体的盒体，其顶部是开放式开口，内腔整体贯通；

该箱体纵向相对的两长侧面是整体结构，至少一个长侧面是透明的；在横向相对的短侧面上设有进料口、取样口、排液口；  该箱体的两长侧面外侧以支撑框架支撑，支撑框架沿箱体纵向均匀布设，支撑框架的高不小于箱体的高；  支撑框架呈梯形，垂直地面，以箱体的横向中垂面两侧对称设置，每侧呈直角三角形，直角三角形的垂直边为支撑框架立柱，两支撑框架立柱间固夹箱体，定位，两直角三角形底边为一根支撑杆件相连接，底边位于支撑面上。

2.如权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，横向相对的两短侧面和底面为圆弧形面。

3.如权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述箱体两长侧面外侧面上，还固设有井字形箱体框架，箱体框架的竖直件为箱体框架立柱，箱体框架立柱与支撑框架立柱相适配，两者之间以连接件固接。

4.如权利要求1或3所述的光生物反应器，其特征在于，所述支撑框架立柱固夹箱体、两长侧面外侧固设箱体框架，是通过粘合或螺栓其中之一方式连接，或两者组合的方式连接。

5.如权利要求3所述的光生物反应器，其特征在于，所述连接件，为U型卡箍和螺栓，U型卡箍两自由端及中点上有螺孔，自由端的两通孔穿设一螺栓，中点通孔穿设另一螺栓；U型卡箍横向包围箱体框架立柱和支撑框架立柱后，通过一螺栓穿过箱体框架立柱固定，另一螺栓通过U型卡箍中点的螺孔与支撑框架立柱相抵固，使箱体框架立柱与支撑框架立柱紧密结合。

6.如权利要求2所述的光生物反应器，其特征在于，所述圆弧形的两短侧面和底面，在纵向两侧边内侧设有贯通的沟槽，沟槽与长侧面的厚度相适配，长侧面固接于沟槽内；短侧面和底面相对端部设有过渡件，过渡件为四分之一球状片；短侧面、底面和长侧面间，短侧面、底面和球状片间粘合固接。

7.如权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述两长侧面是整体结构，是依据需要以多数个侧面片的垂直侧边相互顺序固接构成的整体结构。

8.如权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述箱体长度不小于0.5米，高度在0.2～3米之间。

9.如权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述多个反应器单元串联后，为反应器组，反应器组内的反应器单元，摆放时，相互之间间距为0.5～3米。

10.如权利要求9所述的光生物反应器，其特征在于，所述反应器组，每个相邻的反应器单元，在相对各自的支撑框架立柱上端外侧，以一横梁相互固连支撑。

11.如权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，还包括反光镜，将照射光反射到箱体上。

12.如权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述箱体，为透明或半透明，以玻璃、玻璃纤维、PVC、聚碳酸酯、聚乙烯或金属其中之一制作；支撑框架、箱体框架，为金属或有机玻璃材料制作。

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