CN102994367A - 一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统及其灭菌方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统，包括反应器罐体、光照系统、清洗装置、进液口、出液口、循环管道、循环泵、补料装置、进水控制系统、气体供给装置、配料罐及排污口，反应器罐体为立柱式全透明的封闭容器，光照系统为内置光源系统，在反应器罐体内均匀数组安装多列光源，清洗装置与多列光源配合安装在反应器罐体内，清洗装置包括转动件、轴封、螺杆、圆形多孔板及转动清洗头；采用本发明后，可以有效清除贴壁的光合细菌，提高生产效率；同时公开了一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统的灭菌方法，采用臭氧灭菌的方法可以有效对本光生物反应系统进行灭菌。

Description

一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统及其灭菌方法

技术领域

本发明涉及微生物学技术领域，具体涉及一种规模化纯培养光合细菌的光生物反应系统及其灭菌方法。

背景技术

不产氧光合细菌(Anoxygenic Photosynthetic Bacteria，APB)是一类在厌氧条件下，利用各种有机物或无机物作为电子供体进行光合作用但不释放氧气的原核微生物的总称，传统上所称为“光合细菌（PSB）”。现有研究表明，光合细菌类群有80余属200余种，自然环境中广泛分布，在自然界物质和能量循环中具有重要作用；其代谢方式灵活多样，能进行光自养、光异养和化能异养生长，与其生存环境相适应。光合细菌作为一类重要的生物资源，在水产养殖、农业、畜牧业、环境修复和治理、医药保健以及能源等领域已有深入的研究，并且在菌种资源、生产设备、制剂和产品、以及应用等方面取得了重要进展，但针对生产实践和发展的要求，仍需要着力开发光合细菌菌种资源，规模化生产专一性好、效果稳定、高质量、高稳定性的产品和制剂。

规模化生产是满足生产实践需求的关键环节。因此，在保障高质量前提下，只有达到规模化，才能大幅度降低生产成本。而实现光合细菌制剂规模化生产的关键在于开发可控性能强、适用于多种类群生长特性的、高纯度、高密度、高活性生产光合细菌的设备和装置。目前，光合细菌培养方式主要包括“开放式光照”、“全封闭式厌氧光照”和“光生物反应器”3种类型。开放式光照培养：一般采用水泥池、培养槽等容器中开放培养，与空气接触面大，利用自然光和人工光源，生产设备简单，运行成本低廉，可用于大规模培养，这种培养方式较适合于有机废水的净化处理，但温度、光照和搅拌均匀度难以控制，菌密度低，易被杂菌污染，纯度差、质量不稳定；在水产养殖、农业种植和畜牧养殖中的应用效果不稳定，一般为现制备现应用，难于储存和商品化。全封闭式厌氧光照培养：这是理想的光合细菌培养方式，在控制的条件下，通过严格的无菌操作，生长效率高、纯度高，菌体密度高，无污染、制剂质量稳定，一般仅限于实验室小规模培养，多用于实验性研究。光生物反应器是一种典型的“相对封闭式”培养装置；自1980年以来，由于光合微生物规模化应用的需求和发展，国内外对光生物反应器的研究和开发取得了很大进展，使生产规模有了很大提高。因此，光生物反应器的发展是解决光合细菌规模化培养的关键，实现高密度和纯度培养、节能环保和规模型的智能光生物反应器是发展的必然趋势，而反应器中“光”的合理分布和高效利用是光生物反应器的核心和大型化限制因素。

到目前为止，已经设计和开发了多种形式的光生物反应器。从外形上来看，概括起来主要包括柱(罐)式、板（箱式）式、管式（培养管以多种方式盘绕）以及这3类结构的组合和变形，如：多层式、环流型和线圈式盘绕状等。绝大多数光生物反应器是以透光材料制造，极少数采用金属材料，均能够实现光照、控温和搅拌（机械、泵循环或气流式搅拌）。除了其外型和内部结构（液体流动方式、搅拌循环方式、温度控制方式等）不同外，最大的差别在于它们拥有不同的表面积体积比。光照是光生物反应器的关键限制因素，一般来说，板式反应器的比表面积最大，其次是管式和罐式。从光源照射方式来看，光照方式采用外置光源、内置光源和内外置光源相结合3种方式。外置光源设计是应用较早且较为简单的光照方式，照射方向包括单侧、双侧和环周型，其最大优点是可以利用太阳光，但光的损失较大、利用率低，若采用人工光源则耗能较大。内置光源可以解决光利用率低的问题，如：公开号分别为CN101402915A（2008年），CN2199988（1994年）等中国专利，将光源安装在反应器内部中心位置。但是，无论是内置光源还是外置光源，尤其是菌悬液密度较高时，光源照射的光程范围受到限制，因此，反应器内径（柱型）或厚度（箱型）不能太大，否则反应器内部特定区域光强很弱，甚至出现暗区。通过循环搅拌，菌体只能在光强合适的范围内生长，严重影响了光合细菌的生长速率，延长生长周期。因此，反应器的容积不会太大，为了弥补这一缺陷，中国专利CN201301313（2008年）设计了中心内置和外置光源的组合光照的方式，使得反应器的容积有所提高，但同样受到光源照射的光程范围限制，反应器的容积仍然不会太大，达不到大规模生产能力的要求，而外置光源光利用率低，这样的设计不能满足低成本、节能和规模化生产的需要。解决该问题的策略是在光合生物反应器内部设置多点光源，如：专利号分别为CN2918431Y（2006年）、CN1088893（2005年）和CN2301448（1997年）等中国专利，在培养装置中设置了多点光源。这种设计的特点是根据需要在反应器内均匀布光，罐式反应器内径可以大幅度提高，可以根据材料承受的耐压程度和生产需要实现反应器的大吨位设计。若不考虑利用太阳光，则可以将罐体设计为金属材料制造。但是太阳光强度高，用之不竭、取之不尽，如何即能良好地利用太阳光，又能实现大吨位制造，是光生物反应器发展的方向。张全国课题组申报的中国专利公开号为CN2918431Y（2006年）和发表的研究论文，期刊《可再生能源》，2010年38卷第三期，99~102页，采用聚光器、耦合器和光纤导光的方式，以及太阳能电池—LED灯光照的方式，乙太阳能为光源设计了光合微生物制氢反应器，符合能源发展趋势，但是，受到太阳光收集面积庞大和太阳光不连续的限制，以及制造成本和占用空间面积太大，而且制造成本很高，目前很难实现规模化生产。因此，本发明采用了内置数组多组光源光生物反应器联体设计，安装在太阳房车间内，以太阳光作为辅助光源，既合理地利用了太阳能，又能实现大规模生产，而且能耗降低，成本较低，容易实施。

光源和光照强度的设计对于光生物反应器是非常重要的。目前反应器光源设计仅考虑了光源的数量和强度，并未考虑反应器中菌悬液浊度对光强的影响，光在悬液中衰减，内层出现暗区，光合细菌仅在光强合适区域生长，严重影响了生产效率。因此，光生物反应器内部光源之间的距离，对光合细菌具有重要影响。

在光反应器运行过程中，内置光源反应器又遇到一个至关重要的问题。光合细菌具有趋旋光性，贴壁现象十分严重，严重地影响了光的穿透率，制约了光合细菌的生长速率。黄海智（CN2616547Y，2003年）设计了一种外置光源的立式光合细菌培养装置，在装置中央安装了螺杆带动罐壁刷和底部搅拌式清洗罐壁的方法。黄旭雄等（CN101402915A，2008年）提出了磁性驱动的罐内壁刷和钢丝提拉的环形光源管壁刷的方法。这些设计和方法，仅限于解决罐壁或中央单列内置光源管上的贴壁问题，且磁性驱动的罐内壁刷操作繁琐费，提拉光源管壁刷的钢丝容易被空气污染，且不能对提拉钢丝进行有效的灭菌，很难保证纯培养。因此，内置多组光源反应器内壁和内置光源光合细菌贴壁问题，亟待解决，以便光照效率低，实现光合细菌的高效培养。

在光合细菌培养和操作过程中，光合反应器并不是完全密闭的，不可避免地与外界发生气体交换，即使是密封的体系，培养液进入或菌悬液排出时，反应器内部将有气体的排出和吸入，反应器内部很容易被空气杂菌污染，或者反应器内部培养的细菌污染空气。传统的好氧发酵罐，依赖于通空气产生罐压，使罐内气体外排，而大多光合细菌培养需要厌氧培养，并不需要通气，如何保障罐内外气交换而不产生污染。张肇铭等（CN2232920Y，1995年），曾在光合细菌培养装置上设计了膨胀箱，通过膨胀箱与培养装置内部之间的连通管，来调节培养装置内部和外部的压力平衡，这种设计还不够完善，容易导致培养装置内部被空气污染。而目前采用非金属透光材料设计制造的光合反应器，难以进行彻底灭菌，也无法保证内外气体的无菌交换。因此，若采用彻底灭菌工艺生产，在反应器上设计安装气体的交换装置，通过气体过滤器与外界进行气体交换，保证排出和吸入罐内的气体过滤净化、免受污染、提高培养菌体的纯度是非常必要的。

光合细菌高密度生长，除了控制起始培养基营养成分、起始pH、光照、温度和液体均匀程度外，培养过程中的溶氧、pH、和营养成分等每一个因素都会限制菌体的高密度培养。因此，方便、简单、及时地调整生长过程中的溶氧（厌氧程度）、pH和补充营养，是高密度培养的前提。当培养过程中，菌体生长旺盛时、或特殊的代谢时期，菌体代谢会产生大量的气体，产生逃液，容易导致污染和菌悬液的损失，应该设计消泡装置。而现有光生物反应器对培养过程中的溶氧、pH和补料的控制、以及消泡装置和控制设计被忽视，应该根据培养菌种和培养条件的要求配置这些控制装置，才能实现光合细菌的高效、高密度、纯培养。

反应器中顶空气体和培养液中溶解的气体，对光合细菌的生长繁殖也有重要的影响。尤其是对氧敏感细菌来说，溶解中培养液中的氧气对菌体生长具有抑制作用，如何脱除溶氧也是实现高密度培养的重要因素。而对一些微好氧细菌来说，提供适量的氧气也是必要的。对培养自养细菌来说，需要补充CO2气体营养，同时CO2也具有调节pH的作用。对厌氧菌或固氮菌来说提供氮气对维持罐压、避免污染、保持菌体良好生长也是必要的。因此，反应器系统中脱氧、供氧、补充营养、维持厌氧环境、调节pH和维持罐压，对于培养不同类群的光合细菌而言，在反应器上设计安装抽真空装置和供给无菌气装置也是必要的。

光生物反应器及其与反应器连接的装置和连接管线能否彻底灭菌，是光合细菌纯培养的关键。黄遵锡等（CN 2575103Y）为代表的采用金属材料制备的反应器，光照采用耐高温玻璃窗光照设计，其优点是能采用高温的方式灭菌，能够达到纯培养。但其采用外置光源，光利用率低，罐容积较小，而且也没有解决光合细菌趋光贴壁问题，培养光合细菌的效率和密度较低。目前，绝大多数大型光生物反应器和内置光源管都采用非金属透光材料设计制造，采用传统的高温灭菌和蒸汽灭菌很不安全，甚至损坏反应器。虽然这些透光材料化学性质稳定，具有很强的抗腐蚀性，可以使用常规的化学消毒剂消毒，但很难达到彻底灭菌的要求，而且有残留。因而采用这类光生物反应器，灭菌不彻底，通常采用加大菌种的接种量培养优势菌群，因而很难达到纯培养的要求。如何解决这类光生物反应器彻底灭菌问题，是高效、高质量、纯培养光合细菌的关键。因此，建立一种适合于现有透光材料制造的光生物反应器、操作简便、节能的灭菌方法是非常必要的。

有鉴于此，本发明人对纯培养光合细菌的光生物反应器及其灭菌方法进行了研究和改进，本案由此产生。

发明内容

为了克服现有生产光合细菌培养设备存在的反应器内壁及光源管外壁容易被光合细菌贴壁引起的光照穿透力降低的问题，及反应器内外气体的进出容易造成染菌的问题，依据光合细菌生长的要素和特点，本发明提供了一种适用于厌氧、微好氧和耐氧等不同类群光合细菌高效纯培养的光生物反应器系统。同时为该反应器系统提供了一种操作简便、节能、彻底灭菌的方法。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：

一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统，包括反应器罐体、光照系统、清洗装置、进液口、出液口、循环管道、循环泵、补料装置、进水控制系统、气体供给装置、配料罐及排污口；反应器罐体为立柱式全透明的封闭容器；光照系统为内置光源系统，在反应器罐体内均匀数组安装多列光源，多列光源开关可分组控制；清洗装置与多列光源配合安装在反应器罐体上；进液口设置在反应器罐体侧壁的上方；出液口设置在反应器罐体底部；循环管道连接在进液口和出液口上；循环泵和补料装置设置在循环管道上；进水控制系统设置在反应器罐体顶部；气体供给装置、配料罐及排污口设置在反应器罐体底部；清洗装置包括转动件、轴封、螺杆、圆形多孔板及转动清洗头，螺杆设置在反应器罐体中心，螺杆上端穿过反应器罐体顶部与轴封密封连接，转动件安装在螺杆顶部，圆形多孔板上设有与光源相配合的通孔、供液体流动的透液孔及供螺纹套管固定的中心孔，边缘镶嵌毛刷，光源相配合的通孔边缘镶有硅胶环，中心孔设有螺纹段，螺杆穿过中心孔，将圆形多孔板活动固定于螺杆上，转动清洗头固定在螺杆底部，其下边缘与反应器罐体底部相配合并设置毛刷。

进一步，还包括气体交换器，由中央滤芯管、滤布、外罩、法兰及排气管组成；中央滤芯管上端密封，下端开口，在靠近上端处分布气孔，形成气孔区；滤布缠绕在气孔区，形成滤布区；外罩将滤布区套入其中，用法兰将中央滤芯管和外套紧密连接；排气管设有阀门，安装在外罩顶部，气体交换器，用于光生物反应器内外气体的无菌交换，通过阀门控制反应器内外气体的交换量，保持适宜的罐压。

进一步，反应器罐体由透光、耐压的有机玻璃管材和上下封头构成的立柱型容器，下封头为半圆形结构，上封头为半圆形、盘形或平板形结构；反应器罐体与封头通过可拆装的方式连接在一起，反应器罐体上下端焊接法兰，封头边缘具有法兰，通过法兰和螺栓将反应器罐体与封头连接，连接的法兰之间设有硅橡胶密封垫；反应器罐体内径为150mm~1200mm，罐体高度为300mm~3200mm。

进一步，光源系统由内置多组数组光源组成，多组数组光源在罐内均匀、竖直排列，光源组的数量依据反应器罐体的直径和所需要的光程而定；每一组光源由光源、透光套管和光源控制器组成；光源管下端密封，上端开口，上端安装在反应器的上封头上，下端穿置悬挂于圆形多孔平板上，光源管材质为透明的有机玻璃，长度为300mm~3300mm，内径45mm~80mm；光源安装在每一只光源套管内，每一只光源套管中可以安装多个日光灯光源，多组光源的导线连接到光源控制器上。

光源和光照强度的设计对于光生物反应器是非常重要的。目前反应器光源设计仅考虑了光源的数量和强度，并未考虑反应器中菌悬液浊度对光强的影响，光在悬液中衰减，内层出现暗区，光合细菌仅在光强合适区域生长，严重影响了生产效率。因此，光生物反应器内部光源之间的距离，对光合细菌具有重要影响。经过测试，设计了光源管外壁之间的距离。所述的反应器罐体数组内光源组的数量与罐体内径有关，内径大，光源组数量多。光源平行于罐体，排列在罐体中心，或者在以罐体为中心同心圆，均匀排列，光源管外壁之间的距离为100mm~200mm。例如：反应器内径150~200mm，在罐体中心安装1组光源；直径300~400mm，安装3~4组光源，均位于与罐体平行的1个同心圆上；内径约600mm，安装12~13组光源，位于2个同心圆上，一个同心圆上为3~4组，第二个同心圆上9~10组；内径约1200mm，安装27~28组光源，位于3个同心圆上。在每一个光源套管中，安装光源的数量可以是1只~4只，采用的光源为（节能型）日光灯或高亮度LED灯带或其它光源。多个光源套管内光源导线可以连接到多个控制开关上分别控制。在光合细菌培养的前期、中期和后期，随着反应器中菌悬液的密度增加而增加光源的开启数目。

进一步，光生物反应器通过自身的进液口和出液口相连，至少共享抽真空装置、供气装置及补料装置中的一套，形成多联多控反应器，或者光生物反应器通过串联的方式，将反应器的进液口与另一反应器的出液口相连，整体连成一个反应器，形成多联单控反应器；一组多联反应器安装在一个联体金属支架上，一组串联的多联单控反应器连接反应器的数量为2~8个。

按连接的方式和控制方式，将多联反应器分为多联多控反应器和多联单控反应器。多联多控是将多个反应器安装在一个联体金属支架上，将每一个反应器上部出（进）液口与自身的下部进（出）液口，通过循环管道连接起来，每个反应器自带一套循环泵装置、温度及控制装置、pH调节和补料装置、抽真空装置、供气装置、气体交换装置，也可以通过阀门控制共享一套抽真空装置、供气装置、补料装置；每个反应器的参数分别控制、独立操作，适用于菌种的生产和反应参数的实验研究，操作灵活；多联单控反应器，以串联的方式，通过连接管道，将一个反应器上部进（出）液口与另一个反应器下部的出（进）液口连接，而上部进（出）液口再与另一个反应器下部的出（进）液口连接，如此连接，最后一个反应器上部进（出）液口，与第一个反应器的下部出（进）液口连接，安装在一个联体金属支架上，构成一组多联反应器，整体连成一个大的反应器，反应器参数整体控制，多联反应器共享一套循环泵装置、温度及控制装置、pH调节和补料装置、气体交换装置、抽真空和供气装置。

进一步，循环管道还设有控温装置、pH测量装置及其控制装置、溶氧测量装置；控温装置安装在循环管管道上，温度显示器的传感探头安装在反应器的循环管道上，可多点安装。温度控制器由电加热器和水循环热交换器共同构成，连接在循环管道上，电加热管设置一只以上，每只功率800w~2000w，用于迅速提高反应器中液体的温度，达到所设置的控制温度后，关闭电源，将其中一只作为主要控制电加热管，用于反应器溶液保持温度恒定，水循环热交换器也可以进行反应器中液体的加温和降温，温度控制范围在20℃~45℃范围内任意控制，超过所设置的安全控制温度后，水循环热交换器自动断电，并警报；pH测量装置及其控制装置，用于在线检测和调节光合细菌悬液的酸碱度，pH测量装置由电极和显示器组成，pH调节控制装置由加酸罐、加碱罐、流量控制器（蠕动泵或气泵）、连接管线组成，pH装置可拆卸、可选配；溶氧测量装置，用于在线检测光合细菌悬液的溶氧，溶氧仪可拆卸，可选配。

所述的光生物反应器系统中的液体主要采用循环方式搅拌。将液体循环泵（优选电磁泵）安装在循环连接管道上，驱使液体按一定方向循环。优先采用的循环方向上部出液口流出液体，通过循环管道，由下进液口流回反应器，也可以采用方向相反的方式。

进一步，补料装置用于培养系统中营养物质的补充，由1~3个补料罐和流量控制装置构成，补料罐的容积为500ml~100L，流量控制装置使用蠕动泵控制，或者采用气泵控制，补料罐容积大小和控制方式依据反应器容积而定，补料装置可拆卸、可选配。

进一步，供气装置，用于反应器内部少量气体的供给。供给气体为氮气、CO₂气体或其它气体，多种气体可一种或多种按比例供给，用于调节反应器罐压、溶氧，辅助气流搅拌、供给气体营养。供气装置由气泵、气体钢瓶、储气罐、总过滤器、分过滤器、气体分布环和连接管道组成。不同气体经过各自的总过滤器过滤，过滤气体通过连接管道分别与多个分过滤器的进气口连接，每个分过滤器的净化空气通过出气口和供气管道与多个反应器的进气口连接。气体供给通过气体分布环供气，气体分布环由不锈钢管制成，呈环状，分布开孔，一端封闭成盲端，一端为进气口，进气口通过管道和阀门与供气管道连接，每分钟的供气量为反应器容积的0~10%。

进一步，还包括抽真空装置，安装于气体交换器的排气管上，用于罐体内部抽真空、或者罐内物料的脱气调节溶氧、也可以作为反应器进料的一种方式，抽真空装置包括真空泵、缓冲罐、气体过滤器和相应的连接管道组成；通过连接管道和阀门，一台真空泵控制多个反应器抽真空。

进一步，还包括消泡装置，消泡装置包括消泡剂罐，通过连接管道和阀门控制，一套消泡装置可以给多个光生物反应器补加消泡剂，消泡剂罐可拆卸，可选配。消泡剂罐上有进气接口，通过阀门控制与净化空气管道连接，通过高压净化过滤气体提供动力，调节阀门控制消泡剂进入光合生物反应器内。消泡剂罐的容积为500ml~100L。

一种高效纯培养光合细菌的光生物反应器的灭菌方法，臭氧发生器安装在光生物反应器上，利用臭氧对光生物反应器内部、连接的管道和阀门内部进行灭菌。适合于反应器排空后残留微生物菌体的灭活，以及清洗后进料前，反应器空罐的灭菌。臭氧灭菌装置是臭氧发生器，将臭氧发生器的臭氧输出口与输出管道相连。臭氧进气口位于反应器底部，进气口通过管道和阀连接到臭氧输出管道上，反应器及其所有的接管道，通过阀门控制连接到臭氧排气管上，与相应的气体交换器连接，通过气体交换器排出室外。通过管道和阀门控制，一台臭氧发生器能对多个光生物反应器进行灭菌。其特征在于：臭氧发生器安装在光生物反应器上，利用臭氧对光生物反应器进行灭菌。

进一步，臭氧通气量为反应器容积的4~8倍，继续通气60min~80min，先关闭气体排出阀，再关闭臭氧气体进入阀，反应器内部的臭氧气体在反应器中保持40min~60min，即可达到彻底灭菌，灭菌后残余的臭氧气体通过气体交换器排出室外。

进一步，将反应器抽真空后，再通入臭氧灭菌。真空度达到0.05MPa~0.08MPa，关闭真空泵和抽真空管道阀门，开启臭氧发生器和臭氧气体管道阀门，通入臭氧气体，通气量达到反应器容积的4~8倍，开启排气阀门，继续通入臭氧气体40min~60mim，关闭排气阀门和臭氧进气控制阀门，臭氧在光生物反应器中保持20min~40min，即可达到彻底灭菌，灭菌后残余的臭氧气体通过气体交换器排出室外。

一种高效纯培养光合细菌的光生物反应器系统及其灭菌方法的应用，适用于高纯度、高密度培养厌氧、耐氧及兼性光合细菌。

采用本发明的光生物反应系统及其灭菌方法后，具有如下优点：

本发明采用高透光材料设计制造的立柱式反应器内部数组安装了均匀分布的多组光源而且分组控制，具有反应器内壁和多组内置光源管外壁专用清洗装置，克服了外置人工光源光照效率低的缺陷、内置单光源照射光程范围有限而无法增大反应器罐体内径的限制、以及光合细菌趋光和严重的贴壁效应。内置多组均匀分布光源，不需要安装外置人工光源，能够完全满足光照要求，而设计高透光立柱式反应器，有利于辅助利用自然太阳光，节省能源。再者，清洗装置随时高效清洗反应器内壁和多组光源管外壁，解决了光合细菌培养过程中的趋光贴壁难题，光照强度高，光利用率高、有利于光合细菌高密度培养，有利于反应器罐体内径大，有利于制造大型规模化光生物反应器，适合于光合细菌的工业化规模生产。

现有技术重点考虑了光照、温度和培养液的搅拌或循环的设计，而忽略了在光生物反应器如何实现控制溶氧（抽真空、充气等装置）、调节控制pH和补料装置的设计。本发明反应器设计安装了溶氧、pH和补料的调节和控制装置，采用了保持光生物反应器内壁光滑平整的设计，将这些装置安装在循环管道上，以利于反应器内壁贴壁光合细菌的清除，这些装置也作为可选配置，根据需要匹配。溶氧、pH和营养成分也是光合细菌生长重要的限制因子，与光照、温度和搅拌协调匹配才能实现菌体高密度培养，其中一个因素不合适即达不到高密度培养目的。

本发明采用组合式多联体设计，即多个反应器可以进行多联单控和多联多控操作。多联单控反应器是将多个反应器连接在一起，其本质是一个反应器，统一控制光照、温度、循环搅拌、抽真空、充气、排气、pH调节和补料。多联单控反应器的特点是多个反应器公用一套循环泵装置、一套温度及控制装置、一套pH调节和补料装置、一套气体交换装置以及一套抽气排气装置。生产规模更大，适用于规模化生产，使不同反应器中产品质量稳定一致，减少了逐个控制的工作量和操作的不一致性，提高了工作效率，降低成本。多联多控反应器是将多个反应器安装在一个联体底座上，每个反应器分别控制、独立操作。多联多控反应器的特点：除了公用一套抽气排气装置外，每个反应器自带一套循环泵装置、一套温度及控制装置、一套pH调节和补料装置、一套气体交换装置，适用于菌种的生产和反应参数的实验研究，操作灵活。

本发明反应器设计了内部清洗器，包括灭菌、涮洗，清洗过程不需要开罐和拆卸即可完成，解决了光生物反应器，尤其是多组内置光源反应器拆卸清洗的难题。反应器物料排出后，启动灭菌装置，灭菌后，开启进水装置和刷洗装置清洗反应器内壁、光源管壁和底部封头内壁，操作更加方便简单省时。特别适合于内置多组光源的大型反应器，光源在罐内排列密集，光源管固定在上封头（顶盖）。尤其是大型反应器和多反应器的组合，假如每个反应器均需拆卸清洗，繁琐费时。

本发明也可以采用传动杆控制装置同时控制多联体光生物反应器每一个反应器的清洗装置，可实现机械化控制，可随时或连续清洗多联反应器内壁和多组内置光源管壁，解决了逐个清洗多联体反应器的问题。省时、快捷、节省人力、操作简单。

本发明克服了现有光透明材质设计制造的光生物反应器灭菌不够彻底的现象，针对现有光生物反应器提供了一种常温、安全的灭菌方法和灭菌工艺。利用臭氧对反应器、连接的附属设备和连接管道进行灭菌，灭菌彻底，操作简单，节能。现有以高分子透明材料制造大容量光生物反应器，尤其是内置光源管，采用高温灭菌不安全，通常以大接种量，培养优势菌，而不是真正意义上的纯培养。通过灭菌，减少污染，保证了光合细菌的高纯度培养，也避免了反应器清洗向环境中排放大量的活菌，有效地避免了培养菌株被噬菌体感染的机会。

附图说明

图1本发明的光生物反应系统结构示意图；

图2本发明的清洗装置示意图；

图3本发明的圆形多孔板示意图；

图4本发明的气体交换器结构示意图。

反应器罐体1               光照系统2

清洗装置3                 进液口4

出液口5                   循环管道6

循环泵7                   补料装置8

进水控制系统9             气体供给装置10

配料罐控制装置11          排污口12

温度显示器13              溶氧电极装置14

电加热装置15              水循环热交换器16

pH测量装置17              取样装置18

pH调节装置19              室外排气管道20

抽真空装置21              气体交换装置22

消泡装置23                储罐控制装置24

臭氧灭菌控制装置25        转动件31

轴封32                    螺杆33

圆形多孔板34                光源相配合的通孔341

供液体流动的透液孔342       中心孔343

边缘镶嵌毛刷344             转动清洗头35

中央滤芯管221               滤布222

外罩223法兰224              排气管225

具体实施方式

实施例1光生物反应器系统

光生物反应器系统包括反应器罐体1、光照系统2、清洗装置3、进液口4、出液口5、循环管道6、循环泵7、补料装置8、进水控制系统9、气体供给装置10、配料罐控制装置11、排污口12、温度显示器13、溶氧电极装置14、电加热装置15、水循环热交换器16、pH测量装置17、取样装置18、pH调节装置19、室外排气管道20、抽真空装置21、气体交换装置22、消泡装置23、储罐控制装置24；反应器罐体1为立柱式全透明的封闭容器；光照系统2为内置光源系统，在反应器罐体1内均匀数组安装多列光源，多列光源开关可分组控制；清洗装置3与多列光源配合安装在反应器罐体1上；进液口4设置在反应器罐体1底部；出液口5设置在反应器罐体1侧壁的上方；循环管道6连接在进液口4和出液口5上；循环泵7、补料装置8、温度显示器13、溶氧电极和显示器14、电加热装置15、水循环热交换器16、pH测量装置17、取样装置18、pH调节装置19设置在循环管道6上；进水控制系统9及消泡装置23设置在反应器罐体1顶部；气体供给装置10、配料罐控制装置11、储罐控制装置24及排污口12设置在反应器罐体1底部；室外排气管道20、抽真空装置21设置在气体供给装置10上。臭氧灭菌控制装置25连接在罐体底部，经过反应器罐体到气体交换器排出室外，用于反应器罐体内部灭菌；通过反应器罐体与各连接的管道相通，各连接管道通过阀门控制与臭氧排气管连接，汇合于另一个气体交换器排出室外，用于反应器所有连接的管道灭菌。

实施例2清洗和控制装置

清洗装置3包括转动件31、轴封32、螺杆33、圆形多孔板34及转动清洗头35，螺杆33设置在反应器罐体1中心，螺杆33上端穿过反应器罐体1顶部与轴封32密封连接，转动件31安装在螺杆33顶部，圆形多孔板34上设有与光源相配合的通孔341，、供液体流动的透液孔342及中心孔343，光源相配合的通孔边缘镶嵌硅橡胶环，圆形多孔板边缘镶嵌毛刷344，中心孔343设有螺纹段，螺杆33穿过中心孔343的螺纹段，将圆形多孔板34活动固定于螺杆33上，转动清洗头34固定在螺杆33底部，其下边缘与反应器罐体1底部相配合并设置毛刷。

实施例3气体交换器

如图4所示，气体交换器22，材质为硬质塑料管，由中央滤芯管221、滤布222、外罩223、法兰224及排气管225组成；中央滤芯管221上端密封，下端开口，在靠近上端处分布气孔，形成气孔区；滤布222缠绕在气孔区，形成滤布区；外罩将滤布区套入其中，用法兰224将中央滤芯管221和外罩223紧密连接；排气管225设有阀门，安装在外罩223顶部，气体交换器，用于光生物反应器内外气体的无菌交换，通过阀门控制反应器内外气体的流量，保持适宜的罐压。

实施例4直接通入臭氧灭菌方法

八联单控圆柱型光生物反应器，反应器罐体内径为0.40m，高为2.0m，反应器总容积约为2m³，反应器内部数组4列平行光源。采用臭氧产量为100g/h、流量约为0.5~0.8m³/min的臭氧发生器。关闭反应器其它相关阀门，打开气体交换器阀门，启动臭氧发生器，通气量约达反应器容积的4倍，继续通气60min，先关闭气体排出阀，再关闭臭氧气体进入阀，反应器内部的臭氧气体在反应器中保持40min，灭菌后残余的臭氧气体通过气体交换器排出室外。将灭菌的液体培养基泵入反应器内，开启循环泵，使液体在反应器中循环10分钟，无菌操作从反应器中取50ml培养基，加入含有100ml肉汤培养基的500ml三角瓶中，间隔1分钟取样，重复取样6次，于30℃培养48小时，培养液澄清未见浑浊，表明反应器灭菌彻底。另外，延长通入臭氧的时间以及关闭臭氧后延长臭氧在反应器中的保持时间，也未见培养液浑浊。

实施例5先抽真空再通入臭氧灭菌方法

四联单控圆柱型光生物反应器，反应器罐体内径为0.40m，高为2.0m，容积约为1m³，反应器内部数组4列平行光源。采用臭氧产量为100g/h、流量约为0.5~0.8m³/min的臭氧发生器。将反应器抽真空，真空度达到0.08MPa，关闭真空泵和抽真空管道阀门，开启臭氧发生器和臭氧气体管道阀门，通入臭氧气体，通气量达到反应器容积的4~8倍，开启排气阀门，继续通入臭氧气体40min，关闭排气阀门和臭氧进气控制阀门，臭氧在光生物反应器中保持20min，灭菌后残余的臭氧气体通过气体交换器排出室外。将灭菌的液体培养基泵入反应器内，开启循环泵，使液体在反应器中循环10分钟，无菌操作取50ml培养基，加入含有100ml肉汤培养基的500ml三角瓶中，间隔1分钟取样，重复取样6次，于30℃培养48小时，培养液澄清未见浑浊，表明反应器灭菌彻底。另外，延长通入臭氧的时间以及关闭臭氧后延长臭氧在反应器中的保持时间，也未见培养液浑浊。

Claims (10)

1.一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统，包括反应器罐体、光照系统、清洗装置、进液口、出液口、循环管道、循环泵、补料装置、进水控制系统、气体供给装置、配料罐及排污口，反应器罐体为立柱式全透明的封闭容器，反应器内外通过气体交换器交换气体，光照系统为内置光源系统，在反应器罐体内数组安装多列光源，清洗装置与多列光源配合安装在反应器罐体上，其特征在于：清洗装置包括转动件、轴封、螺杆、圆形多孔板及转动清洗头，螺杆设置在反应器罐体中心，螺杆上端穿过反应器罐体顶部与轴封密封连接，转动件安装在螺杆顶部，圆形多孔板上设有与光源相配合的通孔、供液体流动的透液孔及供螺纹套管固定的中心孔，边缘镶嵌毛刷，中心孔设有螺纹段，螺杆穿过中心孔，将圆形多孔板活动固定于螺杆上，转动清洗头固定在螺杆底部，其下边缘与反应器罐体底部相配合并镶嵌毛刷。

2.如权利要求1所述的一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统，其特征在于：还包括气体交换器，由中央滤芯管、滤布、外罩、法兰及排气管组成；中央滤芯管上端密封，下端开口，在靠近上端处分布气孔，形成气孔区；滤布缠绕在气孔区，形成滤布区；外罩将滤布区套入其中，用法兰将中央滤芯管和外套紧密连接；排气管设有阀门，安装在外罩顶部。

3.如权利要求1所述的一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统，其特征在于：反应器罐体由透光、耐压的有机玻璃管材和上下封头构成的立柱型容器，下封头为半圆形结构，上封头为半圆形、盘形或平板形结构；反应器罐体与封头通过可拆装的方式连接在一起，反应器罐体上下端焊接法兰，封头边缘具有法兰，通过法兰和螺栓将反应器罐体与封头连接，连接的法兰之间设有硅橡胶密封垫；光源系统由内置多组数组光源组成，多组数组光源在罐内均匀、竖直排列，光源组的数量依据反应器罐体的直径和所需要的光程而定；每一组光源由光源、透光套管和光源控制器组成，透光套管下端密封，上端开口，上端安装在反应器的上封头上，下端悬挂穿过圆形多孔平板上的与光源相配合的通孔，通孔边缘镶有硅胶环，透光套管材质为透明的有机玻璃，光源安装在透光套管内，多组光源的导线连接到光源控制器上。

4.如权利要求1所述的一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统，其特征在于：光生物反应器通过自身的进液口和出液口相连，至少共享抽真空装置、供气装置及补料装置中的一套，形成多联多控反应器，或者光生物反应器通过串联的方式，将反应器的进液口与另一反应器的出液口相连，整体连成一个反应器，形成多联单控反应器；一组多联反应器安装在一个联体金属支架上，一组串联的多联单控反应器连接反应器的数量为2~8个。

5.如权利要求1所述的一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统，其特征在于：循环管道上还设有控温装置、pH测量装置及其控制装置、溶氧测量装置；控温装置包括温度显示器和温度控制器，温度显示器安装在循环管道上，温度控制器由电加热器和水循环热交换器共同构成，连接在循环管道上；pH测量装置由电极和显示器组成，pH控制装置由加酸罐、加碱罐、流量控制器、连接管线组成，pH测量及其控制装置可拆卸、可选配；溶氧测量装置可拆卸，可选配。

6.如权利要求1所述的一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统，其特征在于：补料装置，由1~3个补料罐和流量控制装置构成，流量控制装置使用蠕动泵控制，或者采用气泵控制，补料装置可拆卸、可选配；供气装置，不同气体经过各自的总过滤器过滤，过滤气体通过连接管道分别与多个分过滤器的进气口连接，每个分过滤器的净化空气通过出气口和供气管道与多个反应器的进气口连接；气体供给通过气体分布环供气，气体分布环由不锈钢管制成，呈环状，分布开孔，一端封闭成盲端，一端为进气口，进气口通过管道和阀门与供气管道连接；抽真空装置，安装于气体交换器的排气管上，抽真空装置包括真空泵、缓冲罐、气体过滤器和相应的连接管道组成；通过连接管道和阀门，一台真空泵控制多个反应器抽真空；消泡装置，消泡装置包括消泡剂罐，通过连接管道和阀门控制，一套消泡装置可以给多个光生物反应器补加消泡剂，消泡剂罐可拆卸，可选配；消泡剂罐上有进气接口，通过阀门控制与净化空气管道连接，通过高压净化过滤气体提供动力，调节阀门控制消泡剂进入光合生物反应器内。

7.一种高效纯培养光合细菌的光生物反应器的灭菌方法，其特征在于：臭氧发生器安装在光生物反应器上，利用臭氧对光生物反应器进行灭菌；反应器及其连接管道，通过阀门控制连接到臭氧发生器上，与相应的气体交换器连接，通过气体交换器排出室外。

8.如权利要求7所述的一种高效纯培养光合细菌的光生物反应器的灭菌方法，其特征在于：臭氧通气量为反应器容积的4~8倍，继续通气60min~80min，先关闭气体排出阀，再关闭臭氧气体进入阀，反应器内部的臭氧气体在反应器中保持40min~60min，灭菌后残余的臭氧气体通过气体交换器排出室外。

9.如权利要求7所述的一种高效纯培养光合细菌的光生物反应器的灭菌方法，其特征在于：将反应器抽真空后，再通入臭氧灭菌，真空度达到0.05MPa~0.08MPa，关闭真空泵和抽真空管道阀门，开启臭氧发生器和臭氧气体管道阀门，通入臭氧气体，通气量达到反应器容积的4~8倍，开启排气阀门，继续通入臭氧气体40min~60mim，关闭排气阀门和臭氧进气控制阀门，臭氧在光生物反应器中保持20min~40min，灭菌后残余的臭氧气体通过气体交换器排出室外。

10.一种高效纯培养光合细菌的光生物反应器系统及其灭菌方法的应用，其特征在于：适用于高纯度、高密度培养厌氧、耐氧及兼性光合细菌。

Images