CN102352304B

CN102352304B - 一种光强在线调控的气升式光生物反应器

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Publication number: CN102352304B
Application number: CN201110289033.9A
Authority: CN
Inventors: 刘春朝; 徐玲; 王�锋; 郭晨
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: CN102352304A

Abstract

本发明涉及一种光强在线调控的气升式光生物反应器，包括反应器筒体内设的光源玻璃筒和导流筒筒体，反应器筒体侧壁的辐射仪接口组件，以及反应器外设的光调控系统。所述光源玻璃筒采用导流筒外环隙内置的方式，所述导流筒筒体与上盖及光源玻璃筒连接成整体并采用机械化轨道的升降方式；所述辐射仪接口组件可与球状辐射仪配合使用；所述光调控系统通过可进行PLC控制的智能可控直流电源，进行LED光源光强的在线调节。在满足无菌培养的基础上，本发明满足了微藻生长对光照和光暗循环的要求，解决了光生物反应器培养过程中的光强监测问题，实现了微藻培养过程中对光的有效监测和自动化调控，适用于大规模工业生产。

Description

一种光强在线调控的气升式光生物反应器

技术领域

本发明涉及一种生物反应器，特别涉及到一种用于封闭式微藻培养的光强在线调控的气升式光生物反应器。

背景技术

微藻是体积小、结构简单、生长迅速的单细胞藻类，其分布极其广泛，从热带、温带到寒带直至南北两极，从淡水湖泊、盐碱沼泽到海水，从水表到大洋深处几乎都有微藻存在和繁衍。许多微藻具有重要的经济价值。长期以来，人们仅仅是把微藻作为鱼、虾、贝类幼体或成体的直接或间接的活饵料。近几十年来，尤其在20世纪80年代后，微藻生物技术迅速发展，人们认识到微藻在进化上的多源性、遗传的多样性，藻细胞中含有多种特殊的次级代谢物，此外微藻还具有光能转换率高、对环境适应性强、易于遗传改良等特点，可以对其进行大规模培养。目前，微藻在食品、医药、化工、环保、能源等领域的开发应用价值已成为人们关注的热点，微藻培养和相关产品开发成为新兴技术产业。

目前，微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。开放式光生物反应器构建简单、成本低廉及操作简便，但存在易受污染、培养条件不稳定等缺点。封闭式反应器培养条件稳定，可无菌操作，易进行高密度培养，已成为今后的发展方向。与开放式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器具有以下优点：(1)无污染，能实现单种、纯种培养；(2)培养条件易于控制；(3)培养密度高，易收获；(4)适合于所有微藻的光自养培养，尤其适合于微藻代谢产物的生产；(5)有较高的光照面积与培养体积之比，光能和CO₂利用率较高等突出优点。因此，近年来在国外研制和开发利用较快，已实现了高密度商业化培养。目前，一般封闭式光生物反应器有：管道式、平板式、柱状气升式等等。

管式光合反应器用于藻类的培养，可以获得较高的生物量。管式光合反应器通常由玻璃或塑料制成，考虑到阳光的透射能力，管径不大于10cm。由于受到管长和管径的限制，藻在管道中的沉淀和贴壁以及管道内部的混合问题，管式光合反应器的放大也存在一定的困难。目前的大规模管式微藻培养只能依赖于一系列的小规模模块化的组合。平板式光生物反应器具有光利用率高，易放大培养，易清洗，其内部的贴壁生长和外部的盐沉淀容易处理；结构相对简洁，可以随意调节放置角度以便使其获得最佳的取光效果。由于通气量较大，板式反应器内部的剪切力较大，对微藻生长不利；板式反应器的灭菌难以实现，而且尚没有工业化的培养控制设备与之相配套，其温度控制难度较大。

与其它各类光生物反应器比较，气升式反应器的优点是：①造价低、易操作、实用性强，可在无人值守条件下长期运转；②占地面积小，光能利用效率和产量高；③结构简洁，可防止藻类附壁、缠绕和形成死角，有利于长期培养；④搅拌装置湍动温和均匀，剪切力小，不损伤藻类，循环速度高并形成湍流，提高光能利用效率，可实现高密度培养；⑤培养液无氧饱和，温度不会异常升高，不需要附加脱氧装置，不需要采用附加的降温装置和措施。

张栩等(气升式藻类光生物反应器的应用研究，海洋科学，张栩等，2000，24(5)：152-155)研制了100L外照光源、内环流气升式藻类光生物反应器以及二氧化碳配气装置。其主体是圆筒状，材料为有机玻璃，该反应器采用人工光源由12支40W荧光灯提供光照。

潘双叶等(应用光生物反应器高密度培养等鞭藻，潘双叶等，宁波大学学报，2002，15(3)：33-38)报道了一种由中科院海洋所研制的外照光源、内导流气升立式光生物反应器。其主体呈圆筒状，内有一套筒，材料为有机玻璃。

康瑞娟等(用于微藻培养的气升式光生物反应器，康瑞娟等，化学反应工程与工艺，2001，17(1)：153-158；CN 2384948Y)研究构建了一种内外光源结合的气升式内环流光生物反应器，并在其中进行了两种蓝藻的光自养培养。反应器由玻璃罐体、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。以日光灯管作为内外光源。总体积为15L，工作体积13L。

申请号为200420009076.2的实用新型专利是对实用新型专利CN99213569.9的改进，提高了该气升式反应器的安全性和稳定性。其公开了一种用于藻类及其它光合生物细胞悬浮培养的气升式光生物反应器，其气体分布器采用圆形多孔气体分布板式气体分布器，气体分布器的下端为锥面或球面，并且将内光源密封管设计成具有一段凸起或两个凸环的结构，使内光源密封管能够更加稳固；在反应器罐体的外面安装一图灯罩，使外光源能集成在灯罩内。其采用内外光源相结合的照光方式，适用于光合生物细胞培养及相关代谢产物的生产。

申请号200920029774.1和200910016839.3的专利对气升式光生物反应器进行了一些结构改造，其核心在于引入了一种新型的营养液分配器和温控系统。所述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，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。

申请号为201010561271.6的专利选择透明的内置导流筒，由内置LED提供光源，外置氙灯用于温度调节，并将其用于产油微藻的培养。

申请号为200510018203.4的专利设计了一种专门用于雨生红球藻高密度培养的气升式光生物反应器，采用内外光源的设计为微藻培养提供光照，罐体采用树脂玻璃，由于该反应器设计的针对性，限制了其应用范围。

虽然气升式光生物反应器的优点较多，但其尚未实现商业化微藻生产的应用。从已有文献报道和专利申请情况可以看出，制约其工业化规模放大主要包括以下因素：①大多数的气升式光生物反应器采用玻璃、有机玻璃等透明材料，拟通过内外照明的方式满足微藻生长对光的需求，但有机玻璃耐压性能有限，玻璃筒体在放大后的耐压能力也明显减弱，对反应器放大后的在线高温消毒灭菌造成了障碍；②一些气升式光生物反应器引入了可高温灭菌的不锈钢罐体和内置光源的设计，但在光源设计方面沿用了透明罐体反应器的设计，未能进行有效的改进以满足微藻生长的需求；③现有的光生物反应器通常无法进行内部光强的测量，对于光生物反应器光强的调节只能依靠培养经验或多次优化结果进行人工操作，而由于没有耐受高温高压的光强检测电极，将光强测定与光强调节结合进行自动化的在线调控以满足微藻对光强的要求更是难以实现，直接限制了光生物反应器放大的工业化进程。

发明内容

针对现有技术的不足，克服上述现有封闭式气升式光生物反应器存在的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种光强在线调控的气升式光生物反应器。

为了实现上述发明目的，本发明所述的一种光强在线调控的气升式光生物反应器，是对现有气升式光生物反应器结构和功能的改进。本发明通过采用导流筒外环隙内置光源的方式，使得不锈钢气升式光生物反应器在满足在线高温消毒灭菌的同时，又能满足微藻生长对光照的需求；通过新型的光强测定和光强调节系统的设计，可以实现反应器中光照强度的在线测定和调节，实现微藻培养过程中光强的自动化调节，满足不同生长阶段微藻对光强的不同需求，提高气升式光生物反应器的微藻生产效率，以满足工业化生产自动化控制的要求。

具体而言，本发明所述的内置光源位于导流筒外壁与反应器筒体内壁之间的中心部位，有别于将内置光源设于导流筒内部的设计，由于气升式反应器中微藻在导流筒内的停留时间远小于其在导流筒外部的停留时间，将内置光源设置于导流筒外环隙可以保证微藻生长对光照的需求，又能实现微藻培养过程中的光暗循环。

所述光强测定和光强调节系统主要分为光强测定和光强调控两部分。光强测定系统通过在反应器侧壁设置玻璃结构的辐射仪接口组件，配合球状辐射仪，即可实现气升式光生物反应器内光强的在线测定。光强调控系统主要有智能可控电源组成，球状辐射仪收集的数据通过PLC控制器处理后反馈给智能可控电源，通过控制智能可控直流电源的电压实现反应器内光强的调节。

作为上述技术方案的一种改进，所述反应器内置导流筒通过吊装拉杆与反应器上盖连接在一起，可以与固定于上盖上的光源玻璃筒同时上下移动，避免经常拆卸可能造成的损坏。

进一步地，上盖采用机械化轨道的升降方式。

进一步地，导流筒外壁还设有扶正簧，能够有效的防止导流筒位置的偏移。

作为上述技术方案的一种改进，所述光强测定系统的辐射仪接口组件采用圆柱形套筒，从侧面插入，套筒与水平面成15°夹角，套筒直径由所选用球状辐射仪的尺寸决定，球状辐射仪感光探头在套筒中的位置可沿套筒中轴线方向调节，套筒进入反应器的深度以不能触碰到导流筒为佳，套筒位于玻璃筒附近，其中轴线与放置光源玻璃筒中轴线的距离应保持在1-3cm，以保证高密度培养条件下光强的测定。

进一步地，所述的套筒的材质为耐高温硼硅玻璃或其他耐高温透光材料。

作为上述技术方案的一种改进，所述光强调控系统必须使用可进行PLC控制的智能可控直流电源，与之相配套的光源采用LED光源，单根LED光源的光强可调范围在0～2000μmol/(m²s)。

本发明的优点在于：

1、采用导流筒外环隙内置光源的方式，可以有效的保证微藻的光照时间，与导流筒内的暗区形成光暗循环，这一设计满足了微藻生长对光照和光暗循环的要求，适用于不锈钢气升式光生物反应器，可进行无菌培养；

2、光源、导流筒和罐盖的一体化设计，辅之以机械升降轨道，可以简化光照系统的拆卸和维护，提高安全性，满足工业化放大的要求；

3、辐射仪接口组件的引入，解决了光生物反应器培养过程中的光强监测问题，又能满足无菌培养的要求；

4、将光强调控系统引入光生物反应器装置，实现了光强的在线调控，解决了微藻培养放大过程中对光的有效监测和调控，有利于工业上的放大，适用于大规模工业生产。

综上所述，本发明针对微藻培养对光的节律的需求，设计了导流筒外环隙内置光源，并采用新型的光强监测与调控系统，实现了封闭式反应器中光的在线检测和调控，该新型气升式光生物反应器可进行大规模微藻光照无菌培养，适用于工业化的微藻生产与放大。

附图说明

图1为光强在线调控的气升式光生物反应器系统示意图。

图2为光强在线调控的气升式光生物反应器主体正视图和俯视图。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

在图1和图2中，附图标记分别表示如下：

1、气体分布器 2、气升反应器主体 3、内置导流筒

4、LED光源 5、电极监测系统 6、配气系统

7、光调控系统 8、尾气分析系统 9、PLC控制器

10、微机系统 11、光照管接口 12、备用接口

13、裙座 14、出料管 15、测温护管

16、密封条 17、上法兰 18、导流筒筒体

19、夹套筒体 20、辐射仪接口组件 21、反应器筒体

22、液面计 23、吊装拉杆 24、法兰

25、上盖 26、螺栓 27、进出水口

28、扶正簧 29、环板 30、pH、DO、浊度接口

31、光源玻璃筒 32、螺栓 33、弹性垫圈

34、下法兰 35、进气管 36、锥形封头

37、消泡传感器 38、排气管 39、接种口

实施例一

如图1所示，本发明的一种光强在线调控的气升式光生物反应器，该装置主要由气体分布器1、气升反应器主体2、内置导流筒3、LED光源4、电极监测系统5、配气系统6、光调控系统7、尾气分析系统8、PLC控制器9、微机系统10组成。

所述气体分布器1用于将通入的空气和CO₂分布成均匀细小的气泡通入反应器；

所述气升反应器主体2为不锈钢气升式光生物反应器；

所述内置导流筒3为不锈钢材料的圆柱形筒体；

所述LED光源4采用现有市场上能够采购到的0.5WLED灯珠连接成的灯条，每根LED光源由四根LED灯条组成；

所述电极监测系统5由用于检测溶氧、pH、浊度、温度和光强的5组电极组成；

所述配气系统6可通过PLC控制提供不同配比的空气和CO₂的混合气体；

所述光调节系统7主要由智能可控直流电源组成，并能够通过PLC控制器调节电压以达到调节光源光强的目的；

所述尾气分析系统8可进行尾气中O₂和CO₂成分的分析；

所述PLC控制器9实现各系统的监测和反馈控制；

所述微机系统10主要进行数据的收集和各系统操作的记录，可对PLC控制器9中的控制参数进行设定和修改。

本发明的一种光强在线调控的气升式光生物反应器工作时，由配气系统6提供反应所需气体经过气体分布器1后通入气升反应器主体2中，通过内置导流筒3带动液体形成内环流，LED光源4为微藻的生长提供光源并通过光调节系统7实现过程中光强的自动调控，培养过程中电极监测系统5和尾气分析系统8可对各参数进行监测，PLC控制器9根据预设值，对配气系统6、光调节系统7、电极监测系统5进行反馈控制，反应过程中各参数变化和操作记录储存于微机系统中。

所述不锈钢气升式光生物反应器结构如图2所示，反应器筒体21的两头设有法兰24和上法兰17，反应器筒体21通过上法兰17和下法兰34与锥形封头36由螺栓32和弹性垫圈33连接，反应器筒体21通过法兰24与上盖25通过螺栓26连接，反应器筒体21与锥形封头36之间以及反应器筒体21与上盖25之间均设有密封条16，反应器底部设有出料管14，锥形封头的侧面设有垂直向上伸入反应器内部的测温护管15用于放置温度电极，在锥形封头另一侧设有进气管35，反应器筒体21外壁四周设有夹套筒体19用于控温，夹套筒体19上下设有进出水口27，反应器筒体21中间部位设有穿透筒壁的pH、DO、浊度接口30和辐射仪接口组件20用于连接相应电极，各接口与夹套筒体19之间通过环板29隔开，反应器筒体21正面设有带刻度的液面计22，反应器筒体21内设导流筒筒体18，导流筒筒体18通过吊装拉杆23与上盖25连接成一体，导流筒筒体18外壁设有扶正簧28，光源玻璃筒31穿过上盖25上的光照管接口11垂直向下深入反应器内部并固定于上盖25上，反应器上设有备用接口12、消泡传感器37、排气管38、接种口39，整个不锈钢气升式光生物反应器固定于裙座13上方。

所述反应器筒体21、夹套筒体19、导流筒筒体18、上盖25、吊装拉杆23、锥形封头36均采用不锈钢材质。

所述光源玻璃筒31为U型，设置数量6根，均匀分布于同一圆周上。

所述的光源玻璃筒31位于导流筒外壁与反应器筒体内壁之间的中心部位。

所述上盖25采用机械化轨道的升降方式。

所述光强测定系统的辐射仪接口组件20采用圆柱形套筒，从侧面插入，套筒与水平面成15°夹角，套筒直径由所选用球状辐射仪的尺寸决定，球状辐射仪感光探头在套筒中的位置可沿套筒中轴线方向调节，套筒进入反应器的深度以不能触碰到导流筒为佳，套筒位于玻璃筒附近，其中轴线与放置光源玻璃筒中轴线的距离应保持在1-3cm，以保证高密度培养条件下光强的测定。

所述的套筒的材质为耐高温硼硅玻璃或其他耐高温透光材料。

所述LED光源的单根光强可调范围在0～2000μmol/(m²s)。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种光强在线调控的气升式光生物反应器，所述反应器主要由气体分布器（1）、气升反应器主体（2）、内置导流筒（3）、LED光源（4）、电极监测系统（5）、配气系统（6）、光调控系统（7）、尾气分析系统（8）、PLC控制器（9）、微机系统（10）组成，其特征在于，所述气升反应器主体（2）内设光源玻璃筒（31）和导流筒筒体（18），其侧壁还设有辐射仪接口组件（20），所述光调控系统（7）可通过PLC控制器（9）进行光强的在线调控；所述辐射仪接口组件（20）采用圆柱形套筒，从侧面插入，套筒与水平面成15°夹角，套筒位于光源玻璃筒附近，其中轴线与放置光源玻璃筒中轴线的水平距离应保持在1-3cm；

所述光源玻璃筒（31）采用导流筒外环隙内置的方式。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述导流筒筒体（18）通过吊装拉杆（23）与上盖（25）连接成整体，可以与固定于上盖上的光源玻璃筒（31）同时上下移动。

3.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述光调控系统（7）使用可进行PLC控制的智能可控直流电源，与之相配套的光源采用LED光源。

4.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述光调控系统（7）使用可进行PLC控制的智能可控直流电源，与之相配套的光源采用LED光源。

5.根据权利要求1-4之一所述的反应器，其特征在于，所述光源玻璃筒（31）为U型，设置数量6根，均匀分布于同一圆周上。

6.根据权利要求1-5之一所述的反应器，其特征在于，导流筒筒体（18）外壁还设有扶正簧。

7.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述上盖（25）采用机械化轨道的升降方式。

8.根据权利要求1-7之一所述的反应器，其特征在于，所述套筒需配合球状辐射仪使用，球状辐射仪感光探头在套筒中的位置可沿套筒中轴线方向调节。

9.根据权利要求1-8之一所述的反应器，其特征在于，所述套筒的材质为耐高温硼硅玻璃或其他耐高温透光材料。