CN102443536B - 用于光合生物反应器的辅助装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于光合生物反应器的辅助装置，包括：导流器、气体分布器和传动杆。传动杆与气体分布器连接，用于带动气体分布器在导流器内上下往复运动，并且传动杆为中空的空心杆，用于向气体分布器的内部空腔通入气体。在本发明中，气体分布器的表面上分布有多个曝气微孔，并且气体分布器能够在导流器内上下往复运动或在上下往复运动的同时作旋转运动，因此，这种气体分布器不仅能够通过曝气微孔形成均匀气泡，向光合生物液体提供反应气体和利用气泡对液体进行气体搅拌，而且还能够通过前述运动，使导流器的内部和外部液体之间形成环流，从而实现机械搅拌。另外，本发明采用充气式清洗刷，其适用于不同形状和尺寸的反应器，并且清洗不留死角。

Description

用于光合生物反应器的辅助装置
技术领域
本发明涉及光生物培养技术领域，尤指一种用于光合生物反应器的辅助装置。
背景技术
目前，传统光合生物反应器为单一材料组成的管式，袋式，板式或者跑道池形式，这些光合生物反应器功能相对单一，如美国专利US20080160591中所公开的光合生物反应器。
现有的光合生物反应器，如管式或柱式反应器，虽能提高单位面积的光能利用效率，但是反应器之间间距较大，使得整块土地的光能利用效率低；同时由于自身结构比较单一，可拓展性比较差，使得温度控制以及收集和清洗等需要消耗大量人力和物力。反应器整体光能利用效率低，反应器本身无温度控制系统，反应器自身功能可拓展性差。
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地最新突破，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和工程系统中测试，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。
微藻富含蛋白质、多糖、不饱和脂肪酸等营养成分(如螺旋藻)，可用于食品、医药等行业；微藻含有β-胡萝卜素、虾靑素等多种色素(如杜氏藻)，可用于化妆品、生物工程；有些微藻可以作为动物的饲料(如鱼腥藻)，甚至是水产养殖的饵料；有些微藻中可以提取13C、15N等示踪迹，辅助现代医疗及科研实验；有些微藻还可提取抗生素和毒素，具有极高的药用价值。微藻已成为了肥料、动物饲料、保健品、食品、医药甚至化工行业的原料，具有巨大的市场开发潜力。
微藻作为生物科学领域的研究重点之一，受到了大家的广泛关注。但从目前的研究现状来看，微藻生产产业化中仍存在重要技术难题，有待突破。
在传统技术中，为了充分搅拌光合生物液体，一般采用曝气装置或机械搅拌机构对光合生物液体进行搅拌，但是，如何以简单的结构同时实现机械搅拌和曝气搅拌却一直是个未解的难题。
另外，在传统技术中，光合生物反应器的清洗方式大多采用毛刷清洗，手动或机械控制。但是，这种毛刷的形状和尺寸都不能根据反应器的形状和尺寸而变化，因此，清洗不同尺寸和不同形状的反应器时，就需要采用不同尺寸和不同形状的毛刷。另外，在清洗中，由于这种毛刷不能变形，因此，容易留有死角。
发明内容
本发明提供一种光合生物反应器，用以解决现有技术中存在的技术问题中的至少一个。
根据本发明的一个方面，提供一种用于光合生物反应器的辅助装置，包括：导流器，所述导流器具有顶部和底部开放的导流腔，并悬空地固定在所述光合生物反应器内；气体分布器，所述气体分布器的表面上均匀分布有多个曝气微孔，并可移动地容纳在所述导流器的导流腔中；和传动杆，所述传动杆与所述气体分布器连接，用于带动所述气体分布器在所述导流器内上下往复运动或在上下往复运动的同时作旋转运动，并且所述传动杆为中空的空心杆，用于向所述气体分布器的内部空腔通入气体。
根据本发明的一个优选实施例，所述气体分布器相对于所述导流器的轴线倾斜地设置。优选地，所述气体分布器相对于所述导流器的轴线的倾斜角为75°至80°。
根据本发明的另一个优选实施例，所述气体分布器的表面为非平面形状。优选地，所述气体分布器的表面为弧形或波浪形。
根据本发明的另一个优选实施例，所述传动杆上连接有两个以上的气体分布器。
根据本发明的另一个优选实施例，所述辅助装置还包括第一清洗刷，所述第一清洗刷设置在所述光合生物反应器内，用于清洗所述光合生物反应器的内壁；并且所述传动杆通过第一连接杆与所述第一清洗刷连接，从而带动所述第一清洗刷在所述光合生物反应器内上下往复运动或在上下往复运动的同时作旋转运动。
根据本发明的一个优选实施例，所述第一清洗刷为由柔性材料制成的充气式清洗刷，其四周表面具有刷状结构，当向所述第一清洗刷内充入气体时，所述第一清洗刷的刷状结构与所述光合生物反应器的内壁紧密接触，以便清洗所述光合生物反应器的内壁。
根据本发明的另一个优选实施例，所述辅助装置还包括第二清洗刷，所述第二清洗刷设置在所述导流器的导流腔内，用于清洗所述导流器的内壁；并且所述传动杆通过第二连接杆与所述第二清洗刷连接，从而带动所述第二清洗刷在所述光合生物反应器内上下往复运动或在上下往复运动的同时作旋转运动。
根据本发明的另一个优选实施例，所述第二清洗刷为由柔性材料制成的充气式清洗刷，其四周表面具有刷状结构，当向所述第二清洗刷内充入气体时，所述第二清洗刷的刷状结构与所述导流器的内壁紧密接触，以便清洗所述导流器的内壁。
根据本发明的另一个优选实施例，所述第一连接杆或第二连接杆为中空的空心杆，并与所述传动杆气体连通，用于向所述第一清洗刷或第二清洗刷中充气。
根据本发明的另一个优选实施例，所述辅助装置还包括至少一个光源，所述至少一个光源安装在所述导流器的侧壁中，所述导流器的侧壁由透光材料制成，从而使得所述至少一个光源的光线能够透出。
根据本发明的另一个优选实施例，所述气体分布器由微孔膜材料或激光打孔板制成。
根据本发明的另一个优选实施例，所述气体分布器的上表面和/或下表面上都均匀分布有多个曝气微孔。
根据本发明的另一个优选实施例，所述光合生物反应器和所述导流器的形状为圆形、矩形或椭圆形。
根据本发明的另一个优选实施例，所述气体分布器的周边与所述导流器的内壁之间具有预定间隙。
根据本发明的另一个优选实施例，所述导流器通过支撑柱悬空地支撑在所述光合生物反应器的底部上。
在本发明中，气体分布器的表面上均匀分布有多个曝气微孔，并且气体分布器能够在导流器内上下往复运动或在上下往复运动的同时作旋转运动，因此，这种气体分布器不仅能够通过曝气微孔形成均匀气泡，向光合生物液体提供气体(例如包括二氧化碳的气体)和利用气泡对液体进行气体搅拌，而且还能够通过上下往复运动和/或旋转运动，使导流器的内部和外部液体之间形成环流，从而实现机械搅拌。
而且，在本发明中，采用了充气式清洗刷，充气后清洗刷的形状和大小可以根据反应器或导流器的形状和大小自由变化，因此，适用性好，并且清洗时不留死角。
另外，在本发明中，还设置有外加光源，因此，外加光源，从而为微藻的光合作用提供足够的光能。
附图说明
图1显示根据本发明的一个优选实施例的光合生物反应器的辅助装置的立体示意图；
图2显示图1中的气体分布器、第二清洗刷和传动杆之间的连接关系示意图；
图3显示图1中的导流器的结构示意图，其中，在导流器的内部安装有外加光源；
图4显示图1中的导流器悬空地支撑在光合生物反应器内的示意图；和
图5显示光合生物液体在导流器的内部和外部之间形成环流的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
图1显示根据本发明的一个优选实施例的光合生物反应器的辅助装置立体示意图。
如图1所示，在光合生物反应器1内固定地设置有一个导流筒(导流器)2，并且导流筒2的顶部和底部开放。
图4显示图1中的导流器2悬空地支撑在光合生物反应器1内的示意图。在图4所示的优选实施例中，导流筒2通过多个支撑柱10悬空地支撑在光合生物反应器1的底部上。
导流筒2的内部形成引导液体流动的导流腔，如图1所示，在导流筒2的导流腔中容纳有气体分布器8。气体分布器8的表面上分布有多个曝气微孔，用于形成气泡，以便向液体中供应所需的反应气体和利用气泡对液体进行搅拌。
如图1所示，气体分布器8与一个传动杆5连接，从而在传动杆5的带动下，能够在导流筒2的导流腔内上下往复运动，就如同活塞在缸体中运动一样。
为了提高机械搅拌效果，传动杆5还能够在带动气体分布器8作上下往复运动的同时带动气体分布器8作旋转运动，这样，不仅具有活塞的抽吸效果，而且具有螺旋桨的搅动效果，从而能够大大提高气体分布器8对光合生物液体的机械搅拌效果。
当气体分布器8作旋转运动时，为了进一步提高机械搅拌效果，在一个优选实施例中，可以将气体分布器8布置成倾斜于导流器2的轴线，即气体分布器8被布置不垂直于导流器2的轴线。优选地，气体分布器8相对于导流器2的轴线的倾斜角可以为75°至80°。但是，本发明不局限于此，倾斜角也可以为大于零度且小于90度的任意角。在该优选实施例中，倾斜布置的气体分布器8就如同一个倾斜的螺旋桨叶片，能够提高机械搅拌效果。
当气体分布器8作旋转运动时，为了进一步提高机械搅拌效果，在另一个优选实施例中，可以将气体分布器8的表面形成为非平面形状。例如，优选地，气体分布器8的表面可以为弧形或波浪形。但是，本发明不局限于此，气体分布器8的表面也可以为其它非平面形状，例如凹凸状。在该优选实施例中，由于气体分布器8的表面具有非平面结构，因此，这些非平面结构能够进一步提高机械搅拌效果。
当气体分布器8作旋转运动时，为了进一步提高机械搅拌效果，在又一个优选实施例中，传动杆5上连接有两个以上的气体分布器8，如同螺旋桨一样，从而进一步提高机械搅拌效果。
图5显示光合生物液体在导流器的内部和外部之间形成环流的示意图。如图5所示，通过气体分布器8的这种上下往复运动，使导流器2的内部和外部液体之间形成环流，从而实现活塞式机械搅拌，进一步提高搅拌效率，从而提高了光合生物液体的受光效率。
如图1所示，在本发明的一个优选实施例中，导流筒2大致布置在光合生物反应器的中心，这样能够使得难以受光的中心液体循环到反应器的内壁附近，从而提高液体的受光均匀性和受光效率。
如图1所示，在本发明的一个优选实施例中，传动杆5为中空的空心杆，并与气体分布器8的内部空腔气体连通，用于向所述气体分布器8的内部空腔通入气体。这样，就不需要提供额外的进气管，从而可以简化结构。
请继续参见图1，在光合生物反应器1内还设置有第一清洗刷3，该第一清洗刷3用于清洗光合生物反应器1的内壁。如图1所示，第一清洗刷3通过第一连接杆6与传动杆5连接，在传动杆5的带动下，第一清洗刷3能够在光合生物反应器1内上下往复运动，从而实现对光合生物反应器1的内壁的清洗。
在本发明的一个优选实施例中，第一清洗刷3可以为充气式清洗刷，其由橡胶等柔性材料制成，并且其四周表面具有刷状结构，例如点状凸起、条状凸起、柱状凸起。在该优选实施例中，当向第一清洗刷3中充气时，它可以如同气球一样自由膨胀和变形，使得第一清洗刷3的刷状结构与光合生物反应器1的内壁紧密接触，以便清洗光合生物反应器1的内壁。因此，同一个第一清洗刷3可以适用于不同形状和尺寸的光合生物反应器1。而且，由于其能够变形，因此，它能够容易地进入到光合生物反应器1的死角区，从而在清洗中不留死角。当不需要清洗时，可以放掉第一清洗刷3中的气体。
图2显示图1中的气体分布器、第二清洗刷和传动杆之间的连接关系示意图。
如图1和图2所示，在导流器2内还设置有第二清洗刷4，该第二清洗刷4用于清洗导流器2的内壁。如图1所示，第二清洗刷4通过第二连接杆7与传动杆5连接，在传动杆5的带动下，第二清洗刷4能够在导流器2内上下往复运动，从而实现对导流器2的内壁的清洗。
在本发明的一个优选实施例中，第二清洗刷4可以为充气式清洗刷，其由橡胶等柔性材料制成，并且其四周表面具有刷状结构，例如点状凸起、条状凸起、柱状凸起。在该优选实施例中，当向第二清洗刷4中充气时，它可以如同气球一样自由膨胀和变形，使得第二清洗刷4的刷状结构与导流器2的内壁紧密接触，以便清洗导流器2的内壁。因此，同一个第二清洗刷4可以适用于不同形状和尺寸的导流器2。而且，由于其能够变形，因此，它能够容易地进入到导流器2的死角区，从而在清洗中不留死角。当不需要清洗时，可以放掉第二清洗刷4中的气体。
在本发明的一个优选实施例中，第一连接杆6或第二连接杆7可以为中空的空心杆，并与传动杆5气体连通，用于向第一清洗刷3或第二清洗刷4中充气。这样，就不需要提供额外的进气管，从而可以简化结构。
图3显示图1中的导流器的结构示意图，其中，在导流器的内部安装有外加光源。
如图3所示，在本发明的一个优选实施中，导流筒2由透光材料制成，并在导流筒2的内壁中安装有至少一个外加光源9，外加光源9的发出的光线用于对光生物液体补光。
在本发明的一个优选实施例中，气体分布器8由微孔膜材料或激光打孔板制成。
在本发明的一个优选实施例中，气体分布器8的上表面和下表面上都可以均匀分布有多个曝气微孔。当然，也可以仅在一个表面上均匀分布有多个曝气微孔。
在图示的优选实施例中，光合生物反应器1和导流器2均为圆形。但是，本发明不局限于此，光合生物反应器1和导流器2也可以为矩形、椭圆形或其它任何一种形状。因为，在本发明中，清洗刷能够适用于任何形状的光合生物反应器1和导流器2。
在本发明的一个优选实施例中，气体分布器8的周边与导流器2的内壁之间具有预定间隙，这样在上下运动时无摩擦，降低能耗，同时仍可起到机械搅拌的作用。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (18)

1.一种用于光合生物反应器的辅助装置，其特征在于：包括：
导流器(2)，所述导流器具有顶部和底部开放的导流腔，并悬空地固定在所述光合生物反应器(1)内；
气体分布器(8)，所述气体分布器的表面上分布有多个曝气微孔，并可移动地容纳在所述导流器的导流腔中；和
传动杆(5)，所述传动杆与所述气体分布器连接，用于带动所述气体分布器在所述导流器内上下往复运动或在上下往复运动的同时作旋转运动，并且所述传动杆为中空的空心杆，用于向所述气体分布器的内部空腔通入气体。
2.根据权利要求1所述的辅助装置，其特征在于，所述气体分布器(8)相对于所述导流器(2)的轴线倾斜地设置。
3.根据权利要求2所述的辅助装置，其特征在于，所述气体分布器(8)相对于所述导流器(2)的轴线的倾斜角为75°至80°。
4.根据权利要求1所述的辅助装置，其特征在于，所述气体分布器(8)的表面为非平面形状。
5.根据权利要求4所述的辅助装置，其特征在于，所述气体分布器(8)的表面为弧形或波浪形。
6.根据权利要求1所述的辅助装置，其特征在于，所述传动杆(5)上连接有两个以上的气体分布器(8)。
7.根据权利要求1所述的辅助装置，还包括：
第一清洗刷(3)，所述第一清洗刷设置在所述光合生物反应器内，用于清洗所述光合生物反应器的内壁；并且
所述传动杆通过第一连接杆(6)与所述第一清洗刷连接，从而带动所述第一清洗刷在所述光合生物反应器内上下往复运动或在上下往复运动的同时作旋转运动。
8.根据权利要求7所述的辅助装置，还包括：
第二清洗刷(4)，所述第二清洗刷设置在所述导流器的导流腔内，用于清洗所述导流器的内壁；并且
所述传动杆通过第二连接杆(7)与所述第二清洗刷连接，从而带动所述第二清洗刷在所述光合生物反应器内上下往复运动或在上下往复运动的同时作旋转运动。
9.根据权利要求8所述的辅助装置，其特征在于，所述第一清洗刷为由柔性材料制成的充气式清洗刷，其四周表面具有刷状结构，当向所述第一清洗刷内充入气体时，所述第一清洗刷的刷状结构与所述光合生物反应器的内壁紧密接触，以便清洗所述光合生物反应器的内壁。
10.根据权利要求9所述的辅助装置，其特征在于，所述第二清洗刷为由柔性材料制成的充气式清洗刷，其四周表面具有刷状结构，当向所述第二清洗刷内充入气体时，所述第二清洗刷的刷状结构与所述导流器的内壁紧密接触，以便清洗所述导流器的内壁。
11.根据权利要求10所述的辅助装置，其特征在于，所述第一连接杆(6)或第二连接杆(7)为中空的空心杆，并与所述传动杆气体连通，用于向所述第一清洗刷或第二清洗刷中充气。
12.根据权利要求10所述的辅助装置，还包括：
至少一个光源(9)，所述至少一个光源(9)安装在所述导流器(2)的侧壁中，所述导流器(2)的侧壁由透光材料制成，从而使得所述至少一个光源(9)的光线能够透出。
13.根据权利要求1所述的辅助装置，其特征在于，所述气体分布器由微孔膜材料或激光打孔板制成。
14.根据权利要求1所述的辅助装置，其特征在于，所述气体分布器的上表面和/或下表面上都均匀分布有多个曝气微孔。
15.根据权利要求1所述的辅助装置，其特征在于，所述光合生物反应器和所述导流器的横截面形状为圆形、矩形或椭圆形。
16.根据权利要求1所述的辅助装置，其特征在于，所述气体分布器的周边与所述导流器的内壁之间具有预定间隙。
17.根据权利要求1所述的辅助装置，其特征在于，所述导流器通过支撑柱(10)悬空地支撑在所述光合生物反应器的底部上。
18.根据权利要求1所述的辅助装置，其特征在于，所述导流器大致布置在光合生物反应器的中心。
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