CN101942383A - 一种光生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种特定光谱多组鼓泡式光生物反应器。反应器由光源部分和反应器部分组成。光源部分由多组不同光波段的荧光灯横向并排固定在灯具上，光波段根据需要配置从红外到近紫外的任意波段；反应器部分为单排或者双排放置培养罐，上端用橡皮塞密封；采用微电子系统控制光源，实现自动化控制；鼓泡器采用多孔陶瓷材料或者高分子材料的小球或者平板，均匀鼓出微小气泡。本发明结构简单，操作方便，有较高的光照比表面积，特定波段照射提高光能利用率，气液混合充分，特别适用于实验室小规模微藻培养，同时具有较好工业放大前景。
Description
技术领域
本发明属于微藻培养光生物反应器领域，特别涉及特定光谱多组鼓泡式光生物反应器。
背景技术
微藻作为生物圈中重要组成部分，一般为光合自养型。它能有效利用光能将水和二氧化碳转化成蛋白质、脂肪酸、色素、糖类及次生代谢物等。可作为水产养殖的饵料，人类营养品，同时微藻生物产量大，生物质丰富，可提炼生产乙醇，生物柴油等生物能源。
柱式培养主要分气升式和鼓泡式。中国专利ZL99217362.0公开了一种鼓泡塔式光生物反应器，其在具有较高面积/体积比和不产生氧积累的基础上，反应器能彻底灭菌，反应器内流体力学行为清楚，具有良好的藻细胞的生长环境。但其光能利用率不高，光线外泄，而且不能根据微藻生长需要进行光质选择。
目前气升式光生物反应器在实验室微藻培养中使用的比较多，可通过内环流或者外环流实现气液混合。但结构较复杂，且存在环流死角；增加的内环流筒使得反应器直径变粗，使得光照比表面积降低，不利于微藻的生长；不易工业化放大生产。
鼓泡式光生物反应器相对气升式光生物反应器更简单，光能利用率更高，维护成本低，且更易实现工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于克服上述气升式反应器的不足，开发一套反应器布局简洁、实用，用于小规模生产的封闭式光生物反应器。特定光谱多组鼓泡式光生物反应器正是一种高效培养微藻细胞的装置。
本发明的技术方案为：一种光生物反应器，由光源部分和反应器部分组成，其中光源部分由荧光灯、灯具、控制系统、挡板和上盖板组成；荧光灯固定在灯具上，两个灯具两侧的挡板和灯具上侧的上盖板拼接成封闭空间；荧光灯根据配置发出不同波段的光，并由控制系统控制；反应器部分由培养罐、反应器支架、气体分布管、阀门、气体分布支管、固定平台组成，培养罐由中部和下端两块固 定平台固定，中部那块固定平台钻有穿过培养罐的孔，下端那块固定平台为平板；培养罐上端用橡皮塞密封，橡皮塞上留有进气口、出气口、补料口和温度电极；混合气体由气体分布管后通过阀门到达气体分布支管，气体分布支管插入培养罐中并与培养罐底部的鼓泡器相连，气体经由鼓泡器进入培养罐中的培养液；连好外部通气设备的反应器部分放置于光源部分中，将挡板和上盖板装好，通过光源部分的控制系统设置好荧光灯的开关程序，即可进行培养。
优选本发明所述的培养罐的材料为高硼硅玻璃或者石英玻璃。
优选所述的鼓泡器为多孔陶瓷材料或者高分子材料；鼓泡器的形状为小球或者平板。
所述的培养罐采用单排或者双排放置；每排组数为3-10个。
所述光源部分的荧光灯发出特定波段光，2-6组不同光波段的荧光灯固定在一个灯具上，光波段根据微藻不同生长阶段需要选择从红外到近紫外任意波段。
优选光源部分灯具和挡板内表面采用镜面材料。有效增加光照强度，提高光能利用率。
所述光源部分的挡板和上盖板，拼接而成长方体封闭空间，防止光线外泄，同时也提高光能利用率；上盖板可向两侧翻开，方便观察培养过程；下端也可装有滚轮，方便灯具移动。
所述的光源部分由自动控制系统来控制，通过自动控制系统可调节亮灯和灭灯时间及亮灯盏数，并控制光照强度，同时可设置亮灯时间和熄灯时间，实现实验光照时间和光照强度的一致性和可重复性。
所述反应器部分的培养罐材料优选为高透光率的高硼硅玻璃或者石英玻璃，上端用橡皮塞密封；橡皮塞上留有进气口，出气口，补料口和温度电极；鼓泡器在培养罐底部，与插入培养罐中的气体分布支管相连；培养罐可进行灭菌处理。
所述的气体分布管与各个气体分布支管之间由阀门连接，各个气体分布支管由对应的阀门单独控制。固定平台采用有机玻璃板或者钢板。
有益效果：
1、采用特定波段照射的光源。由于藻类在不同生长阶段需要的不同光质的光，本装置光源部分可以根据生物质生长所需的光质，配置可发出特定波段的光的荧光灯，光波段可从红外到近紫外任意波段。
2、采用特殊设计的灯具。本装置光源部分灯具内表面采用高反光的镜面材 料，侧面挡板和上盖板拼接后形成长方体封闭空间，有效防止光线外泄，增加光照强度，提高光能利用率；同时也让处于暗周期的微生物时能更好的进行暗反应；上盖板向两侧翻开，随时观察反应进程。
3、采用自动控制系统。本装置光源部分自动控制系统通过调节亮灯数量控制光照强度，可以设置亮灯和灭灯时间，使实验条件有较高的一致性和可重复性。
4、培养罐采用多组单排或者双排放置。本装置反应器部分每排排列3-10组培养罐，接受相同强度的光照，混合气体通过气体分布管进入各个培养罐中培养液，用鼓泡器进行气体分散；结构简洁，操作方便，容易放大。
附图说明
图1为本发明光生物反应器的侧视结构示意图；
图2为本发明光生物反应器的反应器部分结构示意图；
图3为本发明光生物反应器的俯视结构示意图；
其中：1-培养罐；2-反应器支架；3-固定平台；4-橡皮塞；5-进气口；6-出气口；7-补料口；8-温度电极；9-鼓泡器；10-气体分布管；11-阀门；12-气体分布支管；13-荧光灯；14-灯具；15-控制系统；16-挡板；17-上盖板。
具体实施方式
实施例1
本发明具体结构示意图如图1，图2所示，本特定光谱多组鼓泡式光生物反应器包括光源部分和反应器部分。反应器部分由培养罐(1)、反应器支架(2)、气体分布管(10)、阀门(11)、气体分布支管(12)、中部和下端两块固定平台(3)组成，单排或者双排放置得培养罐(1)由中部和下端两块固定平台(3)固定，气体分布管(10)，根据所配培养罐数目装上阀门(11)，阀门(11)与气体分布支管(12)相连，气体分布支管(12)直接通过培养罐(2)上端的橡皮塞(4)插到培养罐(2)底部，鼓泡器(9)与气体分布支管(12)相连，将由气体分布管(10)通入的气体分散成小气泡进入培养罐(2)中的培养液内；光源部分包括荧光灯(13)、灯具(14)、控制系统(15)、挡板(16)和上盖板(17)；荧光灯(13)横向并排固定在灯具(14)上，灯具(14)上各电源线与控制系统(15)相连，通过控制系统(15)控制荧光灯(13)的开关时间和开关数量；灯具(14)两侧装有挡板(16)，上端装有上盖板(17)；把连接好外部通气设备后 的反应器部分置于光源部分内，灯具(14)旁的挡板(16)和上盖板(17)能将光源部分连接成一个长方体密闭空间，培养过程中可以翻开上盖板(17)观察培养进程；培养罐(2)采用高硼硅玻璃圆筒，上端打磨后用橡皮塞(4)密封；橡皮塞上留有进气口(5)、出气口(6)、补料口(7)和温度电极(8)。
实施例2
用10×2排特定光谱鼓泡式光生物反应器培养微藻(以小球藻为例)。
(1)将所有规格直径为90mm高600mm的高硼硅玻璃培养罐置于灭菌锅中高温灭菌然后固定于反应器支架上，将气体分布支管与鼓泡器相连，插上温度电极，插上出气口。
(2)将培养液倒入培养罐，倒至有效容积刻度线，将插有气体分布支管、出气口、补料口和温度电极的橡皮塞塞在培养罐上端口。
(3)打开配气装置，通过气体流量计控制二氧化碳占气体的体积比例为1％，打开气体分布支管上的阀门，往培养罐中鼓泡。
(4)根据实验方案将不同光质的荧光灯固定在灯具上。用不同光波段的光进行培养，根据实验方案，采用白光、红光和蓝光三种光源对藻种进行培养，通过光源部分控制系统对不同光波段灯的开关周期和频率进行设置，设置开关时间为12:12，将挡板和上盖板拼接起来，需要观察时打开上盖板观察反应过程。光照强度为45μmol/(m2·s)。
(5)实验过程中监测并记录培养温度，控制反应温度在25℃。
(6)经过7天的培养，利用722分光光度计测量培养液在波长680nm的吸光度值，达到采收浓度后，即可对藻液进行收集。收集时关闭光源，移开光源部分灯具，关闭气体分布支管阀门，将藻液从培养罐中倒出。
(7)收集完毕，及时清洗培养罐，保持培养罐干净无污染，留待下次使用。
本发明采用特定光波段照射，满足不同藻类不同生长阶段的需求；采用自行设计的光源部分，防止光线外泄，增强光照强度，大大提高光能利用率；可设置亮灯盏数，亮灯时间和熄灯时间的自动控制系统大大提高了实验条件的一致性和实验的可重复性；采用多孔陶瓷材料或者高分子材料的小球或者平板作为鼓泡器，使混合气体以极微小的气泡分散到培养液中，利于二氧化碳的吸收。本发明结构简洁，自动化程度高，可为藻类培养提供可调节光强可设置光质的光源，适合于小规模微藻培养实验。
Claims (7)
1.一种光生物反应器，由光源部分和反应器部分组成，其中光源部分由荧光灯(13)、灯具(14)、控制系统(15)、挡板(16)和上盖板(17)组成；荧光灯(13)固定在灯具(14)上，两个灯具两侧的挡板(16)和灯具上侧的上盖板(17)拼接成封闭空间；荧光灯(13)根据配置发出不同波段的光，并由控制系统(15)控制；反应器部分由培养罐(1)、反应器支架(2)、气体分布管(10)、阀门(11)、气体分布支管(12)、固定平台(3)组成，培养罐(1)由中部和下端两块固定平台(3)固定，中部那块固定平台钻有穿过培养罐的孔，下端那块固定平台为平板；培养罐(1)上端用橡皮塞(4)密封，橡皮塞(4)上留有进气口(5)、出气口(6)、补料口(7)和温度电极(8)；混合气体由气体分布管(10)后通过阀门(11)到达气体分布支管(12)，气体分布支管(12)插入培养罐(1)中并与培养罐(1)底部的鼓泡器(9)相连，气体经由鼓泡器(9)进入培养罐(1)中的培养液；连好外部通气设备的反应器部分放置于光源部分中。
2.如权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述的荧光灯(13)根据需要配置从红外到近紫外的任意波段。
3.如权利要求1所述光生物反应器，其特征在于，所述的培养罐(1)的材料为高硼硅玻璃或者石英玻璃。
4.如权利要求1所述光生物反应器，其特征在于，所述的鼓泡器(9)为多孔陶瓷材料或者高分子材料；鼓泡器(9)形状为小球或者平板。
5.如权利要求1所述光生物反应器，其特征在于，所述的培养罐(1)采用单排或者双排放置；每排组数为3-10个。
6.如权利要求1所述光生物反应器，其特征在于，所述的气体分布管(10)与各个气体分布支管(12)之间由阀门(11)连接，各个气体分布支管(12)由对应的阀门(11)单独控制。
7.如权利要求1所述光生物反应器，其特征在于，所述的光源部分灯具(14)和挡板(16)内表面采用镜面材料。
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