CN102465087B - 一种培养光合微生物的系统和培养光合微生物的方法 - Google Patents

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Abstract

一种培养光合微生物的系统，包括光反应器、通气系统、供水系统和供料系统，其中，所述光反应器包括光反应器主体，可转动的机械轴和支撑底座，其特征在于：所述支撑底座为立方体中空结构，通过可转动的机械轴与所述的光反应器主体连接，所述通气系统、供水系统和供料系统均位于所述支撑底座内。本发明还公开了一种培养光合微生物的方法。本发明公开的所述培养光合微生物的系统和方法可以实现培养装置的良好的环境适应性、搬运和运输的便利性。

Description

一种培养光合微生物的系统和培养光合微生物的方法
技术领域
本发明涉及一种培养光合微生物的系统和方法，尤其涉及一种具有光反应器、通气系统、供水系统和供料系统一体化形成的培养光合微生物的系统和方法。
背景技术
在现有的培养光合微生物的系统或装置中，通常采用光反应器来实现，光反应器，通常应用于光合微生物类、光合细菌、藓类或其他植物细胞培养的工业化生产，这些微生物可以利用光能将CO2和水转化为各种有机物，具有光合作用效率高、环境适应性强、繁殖快、生长周期短、不占用耕地、可大规模化、自动化控制培养(生产)等特点。
然而，传统的光反应器仅仅用于藻类等的培养，通常在对所述光反应器提供气体、水和料液等方面，通常需要单独的装置用以提供上述原料，由于光反应器体积较大，运输极为不便，同时，在不同的应用环境中，需要同时具备气体、水和料液提供装置才能实现微生物的培养，而上述提供装置同样体积、重量庞大，不易运输，因此亟待提供一种适应应用环境能力强且运输便利的培养光合微生物的系统或方法。
发明内容
为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出了一种培养光合微生物的系统和方法。其中，所述系统包括光反应器、通气系统、供水系统和供料系统，其中，所述光反应器包括光反应器主体，可转动的机械轴和支撑底座，其特征在于：
所述光反应器主体是具有受光面的立方体封闭式结构，其内部包括光反应区，用于培养光合微生物和收集光合微生物的产物；
所述光反应器主体通过所述可转动的机械轴与所述支撑底座连接；
所述支撑底座为立方体中空结构，所述通气系统、供水系统和供料系统均位于所述支撑底座内；
所述通气系统由供气装置、通气管路、测量通气流量的流量计及阀门组成；
所述供水系统由供水装置、通水管路、测量水流量的流量计及阀门组成；
所述供料系统由供料装置、通料管路、测量供料量的测量装置以及控制系统组成；
所述通气系统与光反应器主体上的进气口连接；
所述供水系统与光反应器主体上的进水口连接；
所述供料系统与光反应器主体上的进料口连接；
所述通气系统、供水系统和供料系统均包含有外接端口，可以与外部的补气装置、补水装置和补料装置连接。
根据本发明的一个优选实施例，所述光反应器用于培养产生能源产物的光合微生物。在这个实施例中，所述光反应器主体是扁平状立方体封闭式结构，并通过气体进出口和物料进出口与外部系统连接，所述光反应器主体由两个受光面面板、顶部边框和底部边框，以及左侧边框和右侧边框组成，所述顶部边框、底部边框，左侧边框和右侧边框用于固定两个受光面面板；
所述光反应器主体的底部边框通过所述可转动的机械轴与所述支撑底座连接；
在光反应器主体内部具有并行设置的长隔板和多个短隔板，所述长隔板和短隔板与所述两个受光面面板紧密连接；所述长隔板一端与所述底部边框连接，另一端与顶部边框不连接，短隔板两端与底部边框和顶部边框均不连接，长隔板与顶部边框的距离比短隔板与顶部边框的距离小，即长隔板高于短隔板；
光反应器主体内上下划分为光反应区和气体收集区，另外，所述光反应区被长隔板左右分割为液体上升区域和液体下降区域，短隔板位于液体上升区域且以相同的间距平行分布；
在所述液体上升区域的底部设置有气体分布器，所述气体分布器通过进气口与外部进气管路连接；
所述进气口为管状结构，位于所述光反应器液体上升区域一侧的边框上，出气口位于光反应器主体的顶部边框上；
进料口与进气口同侧设置，出料口位于液体下降区域一侧的边框上。
根据本发明的一个优选实施例，所述培养光合微生物的系统中所述的供料系统中的测量装置用于对单位时间内的供料量进行测量，并通过所述控制系统控制进料量和进料时间。
根据本发明的另一个优选实施例，所述培养光合微生物的系统中所述的通气系统与光反应器主体上的出气口连接，形成通气回路。
根据本发明的再一个优选实施例，所述培养光合微生物的系统中所述的供水系统与光反应器主体上的出水口连接，形成水流回路。
根据本发明的另外一个优选实施例，所述培养光合微生物的系统中所述的供料系统与光反应器主体上的出料口连接，形成用料循环处理回路。
根据本发明的又一个优选实施例，所述的通气系统包含气体处理装置，用于对气体进行净化处理或回收。
根据本发明的又一个优选实施例，所述培养光合微生物的系统中所述的供水系统包含水处理装置，用于对光反应用水进行净化和过滤处理。
根据本发明的再一个优选实施例，所述培养光合微生物的系统中所述的供料系统包含用料处理装置，用于对光反应过程中的用料进行处理。
根据本发明的另一个优选实施例，所述培养光合微生物的系统中所述的进水口和进料口共享同一入口。
根据本发明的另一个方面，还提出了一种培养光合微生物的方法，其使用以上所述的光反应器系统培养所述光合微生物。光合微生物在光反应器主体内培养和反应。
根据本发明的所述培养光合微生物的系统和方法具有适应应用环境能力强，且搬运和运输便利的优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中：
图1是根据本发明一个优选实施例的所述培养光合微生物的系统的实物示意图。
图2是根据本发明一个优选实施例的所述培养光合微生物的系统中所述的光反应器主体与支撑底座之间的相应部件连接的结构示意图。
图3是根据本发明一个优选实施例的所述培养光合微生物的系统中所述的通气系统的部件结构示意图。
图4是根据本发明一个优选实施例的所述培养光合微生物的系统中所述的供水系统的部件结构示意图。
图5是根据本发明一个优选实施例的所述培养光合微生物的系统中所述的供料系统的部件结构示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
为了更好地理解和阐释本发明，下面将参照图1-5对本发明作进一步的详细描述。
图1是根据本发明一个优选实施例的所述培养光合微生物的系统的实物示意图。如图1所示，所述的培养光合微生物的系统包括光反应器100，支撑底座200，光反应器主体101，机械轴102，进气口103，进水口和进料口104，其中在优选实施例中，所述进水口和进料口共享同一入口104。所述光反应器主体101通过可转动的机械轴102与所述支撑底座200连接。光反应器主体101具有受光面105。在光反应器主体101的一侧设置有进气口103和进水口104、进料口104。
优选地，所述光反应器主体101为扁平状立方体封闭式结构，并通过气体进出口和物料进出口与外部系统连接，所述光反应器主体由两个受光面105、顶部边框和底部边框，以及左侧边框和右侧边框组成，所述顶部边框、底部边框，左侧边框和右侧边框用于固定两个受光面105；所述光反应器主体的底部边框通过所述可转动的机械轴与所述支撑底座连接；在光反应器主体内部具有并行设置的长隔板和多个短隔板，所述长隔板一端与所述底部边框连接，光反应器主体内根据培养液被上下划分为光反应区和气体收集区，另外，所述光反应区被长隔板左右分割为液体上升区域和液体下降区域，短隔板位于液体上升区域平行分布，另外，在所述液体上升区域的底部设置有气体分布器，所述气体分布器通过进气口与外部进气管路连接；所述进气口为管状结构，位于所述光反应器液体上升区域一侧的边框上，出气口位于光反应器主体的顶部边框上；进料口与进气口同侧设置，出料口位于液体下降区域一侧的边框上，包括侧面边框或底部边框。
在本发明的一个方面，所述光反应器用于培养光合微生物(例如藻类或其它微生物或植物)，并收集光合微生物产生的有用产物，包括气体(例如甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、氢气等)、固体或液体(各种代谢产物如醇类、烷烃、烯烃、脂肪酸等)，以及各种有用的重组蛋白等。
在本发明的其中一个方面，所述光反应器用于培养产生能源产物，例如乙醇等的光合微生物。培养光合微生物的培养液通过进料口进入光反应器主体，在液体上升区域从反应器底部上升，至高于长隔板时流入液体下降区域，并通过出料口流出。培养的光合微生物或其它微生物或植物在培养液中进行繁殖和光反应，因此培养液停留在反应器内的部分即构成所述光反应器主体的光反应区。外部进气管路提供的气体通过气体分布器进入光反应区，携带从光合微生物或其它微生物或植物产生的甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、氢气等能源气体，或是易挥发的液体如乙醇等上升，从培养液释放，进入所述光反应器主体的顶部空间，即气体收集区。固体或液体(各种代谢产物如醇类、烷烃、烯烃、脂肪酸等)类能源产品由培养液带出反应器，经分离提纯装置收集。
优选地，所述支撑底座200为立方体中空结构，其空间可容纳多个其他装置，当然，根据实际容纳的装置的数量和形状，或者根据运输过程中的需要，所述支撑底座的形状可以设置为各种立方体结构和其他形状。
进水口和进料口104分别用于提供培养微生物的水和养料。养料包括氮、磷、钾等养分和/或其它培养微生物必须的物质。可以通过进水口提供稳定的培养液，其中包括了常规氮、磷、钾等养分和/或其它培养微生物必须的物质。也可以在需要的时候通过进料口补充额外的养分。优选地，如图所示，进水口和进料口104也可共享同一入口104。在实际应用过程中，也可以使水和反应物(如料液)先前混合，而后通过单一的进料口104直接进入所述光反应器主体101，即所述进水口在先前的管路中设置，使水和反应物(如料液)在管路中混合均匀后再通过进料口104进入光反应器主体101，而仅仅在所述光反应器主体的一侧设置进料口104。在这种情况下，在需要的补充额外的养分时可通过在供水系统中加入额外的养分来实现。
图2是根据本发明一个优选实施例的所述培养光合微生物的系统中所述的光反应器与支撑底座之间的相应部件连接的结构示意图。如图2所示，在所述支撑底座200中包括通气系统201，供水系统202，供料系统203；所述光反应器主体101包括进气口103和出气口204，进水口104和出水口205，进料口104和出料口206。具体地，所述通气系统201通过接口与进气口103连接，所述进气口103和出气口204布置于光反应器主体101上；所述供水系统202通过接口与进水口104连接，所述进水口104和出水口205布置于光反应器主体1上；所述供料系统203通过接口与进料口104连接，所述进料口104和出料口206布置于光反应器主体101上。
优选地，所述通气系统201通过通气管路207与进气口103和出气口204连接，形成通气回路。优选地，所述供水系统202通过通水管路208与进水口104和出水口205连接，形成水流回路。优选地，所述供料系统203通过通料管路209与进料口104和出料口206连接，形成用料循环处理回路。
优选地，在所述通气系统中包含气体处理装置，可以用于对气体进行净化处理或释放，以便实现气体的充分利用或循环利用。另外，还可以对光合微生物产生的有用气体如甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、氢气等，或是易挥发的液体如乙醇等进行回收，提纯，达成生产替代能源的目的。
优选地，在所述供水系统中包含水处理装置，可以对光反应用水进行净化或回收，以便达到用水纯度的提高或循环利用，节省了水资源，提高了水资源利用率。另外，还可以对光合微生物产生的有用固体或液体(各种代谢产物如醇类、烷烃、烯烃、脂肪酸等)进行回收，提纯，达成生产的目的。
优选地，在所述供料系统中包含用料处理装置，可以用于对光反应过程中的用料进行处理，对无法循环使用的原材料可以实现废弃处理，对可循环使用的原材料可以多次循环使用，达到了节约资源并净化光反应环境的目的。
优选地，所述通水管路208通过接口与通料管路209连接，可以在先将水和反应物(如料液)混合然后通过通料管路209输送到进料口104，而后进入光反应器主体101，即出水口可以设置在通水管路208与通料管路209之间或者通水管路208与通料管路209的交接处。
优选地，所述通气系统、供水系统和供料系统的管路利用金属材料制作，当然，根据反应物(如料液)的不同，也可以采用其他的材料制作，例如为了节约成本，可以采用塑胶管道等。所述接口通常是机械用管道系统中的机械接头，如管接头等。
同时，更加优选地，所述通气系统、供水系统和供料系统的装置都可以固定在所述支撑底座的下表面或侧壁上，并均具有外接端口，可以与外部的补气装置、补水装置和补料装置连接。
图3是根据本发明一个优选实施例的所述培养光合微生物的系统中所述的通气系统的部件结构示意图。如图3所示，所述通气系统201包括供气装置301，通气管路207，气体流量计302，阀门303，控制装置304和外接端口305，其中，所述供气装置301可以是充气泵、充气机等用于提供气体的机械装置，其通过接口与通气管路207连接，为所述光反应器主体101提供气体，通气管路207与气体流量计302连接，所述气体流量计302可以对通气管路207中的通气流量进行测量，而气体流量计302与阀门303连接，当不需要对光反应器主体101继续提供气体时，可以关闭阀门303，而同时，所述阀门303还可以通过控制装置304对通气管路207中的通气流量进行控制，当气体流量计302反馈回气流不足的信息时，所述阀门303在控制装置304作用下可以加大通气量，反之则减小通气量。同时，所述供气装置301具有外接端口305，可以与外部的补气装置306连接，当所述供气装置301气压不足或无法提供充足的气体时，可以通过外部的补气装置306进行气压或气体量的补足。在本发明的一个方面，通过通气系统向反应器主体提供CO2等碳源气体，以及/或提供空气或惰性气体等，用于置换出微生物产生的，溶解在培养液中的能源产物(如乙醇)。在本发明的一个方面，以0.01-10vvm的速度控制富含CO2的气体的流量，或是以0.1-10vvm的速度控制用于置换乙醇产物的空气的流量。
图4是根据本发明一个优选实施例的所述培养光合微生物的系统中所述的供水系统的部件结构示意图。如图4所示，所述供水系统202包括供水装置401，通水管路208，水流量计402，阀门403，控制装置404和外接端口405，其中，所述供水装置401可以是水泵、压水机等用于提供水源的机械装置，其通过接口与通水管路208连接，为所述光反应器主体101提供水源，通水管路208与水流量计402连接，所述水流量计402可以对通水管路208中的水流量进行测量，而水流量计402与阀门403连接，当不需要对光反应器主体101继续提供水源时，可以关闭阀门403，而同时，所述阀门403还可以通过控制装置404对通气管路208中的水流量进行控制，当水流量计402反馈回水源不足的信息时，所述阀门403在控制装置404作用下可以加大通水量，反之则减小通水量。同时，所述供水装置401具有外接端口405，可以与外部的补水装置406连接，当所述供水装置401水压不足或无法提供充足的水源时，可以通过外部的补水装置406进行水压或水量的补足。在本发明的一个方面，通过供水系统提供培养光合微生物的培养液。在本发明的一个方面，以0-100升/分钟的流速控制循环供给培养液的速度。
图5是根据本发明一个优选实施例的所述培养光合微生物的系统中所述的供料系统的部件结构示意图。如图5所示，供料系统203包括供聊装置501，通料管路209，料流量计502，阀门503，控制系统504和外接端口505，其中，所述供料装置501可以是传送带、输送装置等用于提供反应物(如料液)的机械装置，其通过接口与通料管路209连接，为所述光反应器主体101提供反应物，通料管路209与料流量计502连接，所述料量计502可以对通料管路209中的供料量进行测量，而料流量计502与阀门503连接，当不需要对光反应器主体101继续提供反应物(如料液)时，可以关闭阀门503，而同时，所述阀门503还可以通过控制系统504对通气管路209中的料流量进行控制，如可以对单位时间内的供料量进行测量，当料流量计502反馈回反应物(如料液)不足的信息时，所述阀门503在控制系统504作用下可以加大通料量，反之则减小通料量，此外，所述控制系统504还可以对进料时间进行控制，即控制阀门503的开关。同时，所述供料装置501具有外接端口505，可以与外部的补料装置506连接，当所述供料装置501反应物(料液)不足或无法提供充足的反应物时，可以通过外部的补料装置506进行反应物(如料液)的补足。
在图4和图5所示的供水系统202和供料系统203中，可以将二者通过接口连接，而由供水系统202的通水管路208直接将水源提供给供料系统203，然后在供料系统203中的通料管路209中与供料装置501提供的原料(如光合微生物等微生物)混合，在二者充分混合均匀后，通过通料管路209输送到进料口104，即将充分混合的料液直接通过进料口104输送到光反应器主体101中，而所述的进水口设置在通水管路208和通料管路209的结合处。
此外，本发明还公开了使用上述优选实施例中所述的培养光合微生物的系统中所述装置的方法，其方法步骤通过结合上述优选实施例中各个装置的使用方法可一目了然，在此不再赘述。通过以上优选实施例可知，本发明请求保护的培养光合微生物的系统和方法具有适应应用环境能力强且运输便利的培养光合微生物的系统或方法。因为上述系统不仅自身具有所述的通气系统，供水系统和供料系统，而且上述系统与所述光反应器一体化形成，不仅结构简单而且运输非常便利，此外，当所述通气系统，供水系统和供料系统的资源耗尽时，也可以与外在的补气系统、补水系统和补料系统通过外部端口连接，从而实现了原料的补足，因此大大提高了应用环境的适应性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个部件、单元或装置也可以由一个部件、单元或装置通过软件或者硬件来实现。

Claims (9)

1.一种培养光合微生物的系统，包括光反应器、通气系统、供水系统和供料系统，其中，所述光反应器包括光反应器主体，可转动的机械轴和支撑底座，其特征在于：
所述光反应器主体是具有受光面的立方体封闭式结构,其内部包括光反应区，用于培养光合微生物和收集光合微生物的产物；
所述光反应器主体通过所述可转动的机械轴与所述支撑底座连接；
所述支撑底座为立方体中空结构，所述通气系统、供水系统和供料系统均位于所述支撑底座内；
所述通气系统由供气装置、通气管路、测量通气流量的流量计及阀门组成；
所述供水系统由供水装置、通水管路、测量水流量的流量计及阀门组成；
所述供料系统由供料装置、通料管路、测量供料量的测量装置以及控制系统组成；
所述通气系统与光反应器主体上的进气口连接；
所述供水系统与光反应器主体上的进水口连接；
所述供料系统与光反应器主体上的进料口连接；
所述通气系统、供水系统和供料系统均包含有外接端口，可以与外部的补气装置、补水装置和补料装置连接,
其中所述光反应器主体是扁平状立方体封闭式结构，并通过气体进出口和物料进出口与外部系统连接，所述光反应器主体由两个受光面面板、顶部边框和底部边框，以及左侧边框和右侧边框组成，所述顶部边框、底部边框，左侧边框和右侧边框用于固定两个受光面面板；
所述光反应器主体的底部边框通过所述可转动的机械轴与所述支撑底座连接；
在光反应器主体内部具有并行设置的长隔板和多个短隔板，所述长隔板和短隔板与所述两个受光面面板紧密连接；所述长隔板一端与所述底部边框连接，另一端与顶部边框不连接，短隔板两端与底部边框和顶部边框均不连接，长隔板与顶部边框的距离比短隔板与顶部边框的距离小，即长隔板高于短隔板；
光反应器主体内上下划分为光反应区和气体收集区，另外，所述光反应区被长隔板左右分割为液体上升区域和液体下降区域，短隔板位于液体上升区域且以相同的间距平行分布；
在所述液体上升区域的底部设置有气体分布器，所述气体分布器通过进气口与外部进气管路连接；
所述进气口为管状结构，位于所述光反应器液体上升区域一侧的边框上，出气口位于光反应器主体的顶部边框上；
进料口与进气口同侧设置，出料口位于液体下降区域一侧的边框上。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述的供料系统中的测量装置用于对单位时间内的供料量进行测量，并通过所述控制系统控制进料量和进料时间。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述的供水系统与光反应器主体上的出水口连接，形成水流回路。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述的供料系统与光反应器主体上的出料口连接，形成用料循环处理回路。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述的通气系统包含气体处理装置，用于对气体进行净化处理或回收。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述的供水系统包含水处理装置，用于对光反应用水进行净化和过滤处理。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述的供料系统包含用料处理装置，用于对光反应过程中的用料进行处理。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述进水口和进料口共享同一入口。
9.一种采用权利要求1-8任意一项所述的系统来培养光合微生物的方法，其中光合微生物在光反应器主体内培养和反应。
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