CN103740581B - 一种模块化藻类光生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化藻类光生物反应器，藻类培养标准模块与光照标准模块通过螺栓连接，藻类培养标准模块的另一侧面通过螺栓与换气标准模块相连，藻类培养标准模块与培养液测控单元通过软管相连，藻类培养标准模块的第一进液口与培养液测控单元的第二出液口相连，藻类培养标准模块的出液口与培养液测控单元的第二进液口相连，换气标准模块与气体测控单元通过软管相连，换气标准模块的第一进气口与培养液测控单元的第二出气口相连，换气标准模块的第一出气口与培养液测控单元的第二出液口相连。结构简单，使用方便，提高了设备运行的稳定性，培养效率提高5-8倍，为进一步优化设计和扩充反应体积等方面提供了良好的标准化实验设备平台。
Description
技术领域
本发明属于微藻生物技术领域，特别涉及一种高效模块化藻类光生物反应器，它利用藻类的高效光合作用适用于空间飞行和潜艇航行的生命保障系统中藻类生物量高效生产及CO2固定和O2再生。
背景技术
自人类开始进行空间载人探索，受控生态生命支持系统就作为载人航天的基础而得到各方面的重视，其中涉及的CO2去除和O2再生是受控生态生命支持系统研究的一个关键技术。微藻生物由于适应性好，培养简单，运行稳定，可高效快速地生产航天乘员所需的食物及氧气等特点，成为受控生态生命支持系统研究的重要生物之一，而微藻的生长依赖于高效的光生物反应器，因此设计专用于空间封闭系统高效的微藻光生物反应器是进行相关研究的关键。
空间微藻光生物反应器的设计要满足：生物在反应器中生长迅速、光能利用率高，反应器维护和控制简单，在空间微重力环境下可有效分离液体中的气体。
空间藻类光生物反应器设计的关键之一是要提供藻类高生长速率的培养条件，需要在提高光能利用率和加强液体物质交换同时减少剪切力上等技术上进行改进。提高光能利用率可以通过提高光照表面积与体积之比的方式进行，而加强液体物质交换同时减少剪切力就需要选用稳定高效的循环系统，在培养液流动和装置方面进行优化，达到二者兼顾的目的。目前空间专用的光生物反应器主要采用气升式(MELISSA，ESA)和板式(BIOS-3，Russia)，也有采用卧式反应釜式(郭双生等)，但这些反应器的主要限制是光照面积与体积比值较小，因此光能转化效率不高，另外培养液的流动不稳定，会产生很强的剪切力，影响细胞的生长。
另外光源的选择也会影响反应器效率，目前广泛使用的光源，如太阳光、金属卤素灯、冷白炽灯等存在能耗大，发热强，容易损坏等缺点，因此近年来开发了许多以LED为光源的反应器，但需要在波长选择和配比进一步优化以适应藻类生长，此外，LED光源相应的配件标准化程度不高，现有的光强测控方面较复杂，均需要进一步改进。
空间微重力环境的重要现象是气体和液体不分离，因此如何实现微重力下的气液分离一直是藻类反应器的难点之一。目前大多数的研究多采用动态离心方式进行，也有采用中空纤维膜方式，但离心法会依赖离心机，不论在功耗还是体积重量上都对于空间飞行要求不利，中空纤维膜法存在效率低、容易堵塞等问题，因此急需开发出稳定高效的气液分离技术应用于空间藻类反应器。
传统设计的反应器整体集成了培养、搅拌、气体分离和测控等功能器件，设计复杂，各个部件不能单独运行或方便更换，大大降低了设备的稳定性，同时加大了操作的复杂程度。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种模块化藻类光生物反应器，结构简单，使用方便，本发明采用模块化、标准化的设计思路则可以在藻类培养、搅拌、气体分离和测控等功能上实现组合优化，各个单元部件既可以单独运行，也可以组合运行，还可以根据实际方便需要增加或删除，不但可以大大提高设备运行的稳定性，培养效率提高5-8倍，而且对于后期的维护和更换等工作提供了很大的便利，为进一步优化设计和扩充反应体积等方面提供了良好的标准化实验设备平台。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种模块化藻类光生物反应器，它包括空间藻类光生物反应器由藻类培养标准模块、光照标准模块、换气标准模块、培养液测控单元和气体测控单元，它由藻培养模块、光照模块、透气模块；LED光源、Biofoil膜、第一进气口、第二出气口、第一进液口、第一出液口、组合螺栓、第一蠕动泵、第二蠕动泵、LED光源、光敏电池、pH探头、溶解氧温度探头、电导率探头、换液进口、第一换液出口、第二进液口、第二出液口、第二进气、第一气泵、氧气测定探头、二氧化碳测定探头、第一换气进气口、第二换气出气口、第二气泵、第二出气口组成。
其连接关系如图1所示：本反应器的主体为藻类培养标准模块；藻类培养标准模块透明侧面与光照标准模块通过螺栓连接；而藻类培养标准模块的另一侧面也通过螺栓与换气标准模块相连；藻类培养标准模块与培养液测控单元通过软管相连，连接关系为藻类培养标准模块的第一进液口与培养液测控单元第二出液口相连，藻类培养标准模块的第一出液口与培养液测控单元的第二进液口相连；换气标准模块与气体测控单元通过软管相连，连接关系为换气标准模块的第一进气口与培养液测控单元出的第二气口相连，换气标准模块的第一出气口与培养液测控单元的第二出液口相连。
藻类培养模块1包括透明的有机材料一次成型的组合式标准反应器主体、第一进液口、第一出液口和两侧的固定螺栓。在其通光侧面与光照标准模块用固定螺栓相连，在其另一侧与换气标准模块通过固定螺栓相连，藻类培养标准模块内液体通过第一进液口、第一出液口与培养液测控单元的第二出液口、第二进液口通过软的橡胶管相连；4-8组模块化藻类光生物反应器可以根据需要利用螺栓10组合起来，利用多通道蠕动泵对培养液进行交换，实现高效大量培养。与其它的一体式反应器相比，本模块具有以下的优点，即实现了反应器的功能专一及装配维护简便，另外反应器可以根据培养需要进行藻类液体和固体培养，截面可以设计成长方形或椭圆形以保证培养时液体流动不留死角，同时也可以避免流体剪切力和培养容器共同作用引起对细胞的伤害。另外由于设计的照光面积很大，所以光照面积和培养体积比率也很大，明显提高了光能利用率，增加藻类细胞生长速率可达其它反应器的5-8倍。
标准光照模块包括有机材料构型的组合式光照系统标准配件、多波长LED光源和固定螺栓，标准光照模块与藻类培养标准模块通光面通过螺栓相连。本模块的设计优点是实现了功能专一及装配维护简便，同时光照系统在其它反应器单色LED设计的基础上，在其上增加红、兰、白三种规格的LED光源，可进行光色和光强的配比，以适应不同藻类材料培养的需要。
标准换气模块包括有机材料构型的标准换气配件、Biofoil膜系统、第一进气口、第一出气口和固定螺栓。该模块与藻类培养标准模块侧面通过螺栓相连，其第一进气口、第一出气口通过橡胶管与气体测控部件的第二出气口、第二进气口相连。本模块的设计优点是实现了功能专一及装配维护简便，可装配至反应器主体侧边，用于在空间微重力环境下的气液分离，换气膜由专用的透气不透水的Biofoil膜组成。可以实现微重力下气液高效分离，同时可避免离心机设计的复杂性和很大的重量体积负担，另外也防止了中空纤维管效率低和易堵塞的缺点。
培养液测控单元包括第一蠕动泵；第二蠕动泵；LED光源；光敏电池；pH探头(pHG-2026B，上海科蓝)；电导率探头(DDG-2022B，上海科蓝)；溶解氧温度探头(DOG-2028B，上海科蓝)；第一换液进口；第二换液出；第二进液口；第二出液口。培养液测控单元通过软管与藻类培养模块连接，第二进液口、第二出液口分别与藻类培养模块的第一出液口、第二进液口相连；培养液在系统中流动时测定藻类浓度(光敏电池测定光密度)、pH、电导率和溶解氧分别与电脑采集卡相连，而测控数据可以直接由电脑记录；第一换液进口和第二换液出口与外界相连，进行培养液补充、更换及藻的收获；多通道蠕动泵可以通过调节流速方法对搅拌的程度进行控制。本部件的设计优点是实现了液体测控功能外置，保证了装配维护简便、蠕动泵实现了液体流动及培养液进出反应器控制。
气体测控单元5包括第二进气口；第二出气口；第一气泵；第二气泵；氧气测定探头(MIC-500-O2M，深圳逸云天)；二氧化碳测定探头(YTIAQ-CO2，深圳逸云天)；第一换气进气口；第二换气出气口，气体测控单元通过橡胶管与换气标准模块相连，连接关系为气体测控单元的第二出气口、第二进气口与换气标准模块的第一进气口、第二出气口。本部件的设计优点是实现了气体测控功能外置，保证了装配维护简便。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
本发明采用标准模块化的创新设计思路，实现了在藻类培养、搅拌、气体分离和测控等功能上的模块化优化设计，各个单元部件既可以单独运行，也可以组合运行，还可以根据实际需要方便增删，不但可以大大提高设备运行的稳定性，培养效率提高5-8倍，而且对于后期的维护和更换等工作提供了很大的便利，为进一步优化设计和扩充反应体积等方面提供了良好的标准化实验设备平台。藻类反应器主体可以根据培养需要进行藻类液体和固体培养，截面可以设计成长方形或椭圆形以保证培养时液体流动不留死角，同时也可以避免流体剪切力和培养容器共同作用引起对细胞的伤害。另外由于设计的照光面积很大，所以光照面积和培养体积比率也很大，明显提高了光能利用率，增加藻类细胞生长速率可达其它反应器的5-8倍。标准光照模块在其它反应器单色LED设计的基础上，在其上增加红、兰、白三种规格的LED光源，可进行光色和光强的配比，以适应不同藻类材料培养的需要。标准换气模块换气膜由专用的透气不透水的Biofoil膜组成，可以实现微重力下气液高效分离，同时可避免离心机设计的复杂性和很大的重量体积负担，另外也防止了中空纤维管效率低和易堵塞的缺点。培养液搅拌及测控部件与气体浓度测控部件实现了液体、气体测控功能外置，保证了装配维护简便、气液流动及更换的高效控制。
附图说明
图1为一种模块化藻类光反应器连接示意图。
图2为一种模块化光反应器单体侧面示意图。
图3为一种模块化光反应器单体截面示意图。
图4为一种培养液测控单元结构示意图。
图5为一种气体测控单元结构示意图。
图6四组模块化藻类光反应器组合图
其中：1.藻培养模块；2.光照模块；3.透气模块；4.培养液测控单元；5.气体测控单元；6.第一进气口；7.第一出气口；8.第一进液口；9.第一出液口；10.组合螺栓；11.第一LED光源；12.Biofile膜(NC0535503,Fisher公司生产)；13.第二蠕动泵；14.第一蠕动泵；15.第二LED光源；16.光敏电池；17.pH探头(pHG-2026B，上海科蓝)；18.电导率探头(DDG-2022B，上海科蓝)；19.溶解氧温度探头(DOG-2028B，上海科蓝)；20.第一换液进口；21.第二换液出口；22.第二出液口；23.第二进液口；24.第二进气口；25.第二出气口；26.第一气泵；27.第二气泵；28.氧气测定探头(MIC-500-O2M，深圳逸云天)；29.二氧化碳测定探头(YTIAQ-CO2，深圳逸云天)；30.第一换气进气口；31.第二换气出气口。
具体实施方式
实施例1：
根据图1、图2、图3、图4、图5所示，一种模块化藻类光生物反应器，它包括空间藻类光生物反应器由藻类培养标准模块1、光照标准模块2、换气标准模块3、培养液测控单元4和气体测控单元5。其连接关系如图1所示：本反应器的主体为藻类培养标准模块1；藻类培养标准模块1透明侧面与光照标准模块2通过螺栓10连接；而藻类培养标准模块1的另一侧面也通过螺栓10与换气标准模块3相连；藻类培养标准模块1与培养液测控单元4通过软管相连，连接关系为藻类培养标准模块1的第一进液口8与培养液测控单元4的第二出液口22相连，藻类培养标准模块1的第一出液口9与培养液测控单元第二进液口23相连；换气标准模块3与气体测控单元5通过软管相连，连接关系为换气标准模块3的第一进气口6与培养液测控单元第二出气口25相连，换气标准模块3的第一出气口7与培养液测控单元4的第二进气口24相连。
所述的藻类培养标准模块1(如图2和图3)包括透明的有机材料一次成型的组合式标准反应器主体、第一进液口8、第一出液口9和两侧的固定螺栓10。在其通光侧面与光照标准模块3用固定螺栓10相连，在光照标准模块3另一侧与换气标准模块4通过固定螺栓相连，藻类培养标准模块1内液体通过进液口8、出液口9与培养液测控单元4的第二出液口22、第二进液口23通过软的橡胶管相连；4-8组模块化藻类光生物反应器可以根据需要利用螺栓10组合起来，利用多通道蠕动泵对培养液进行交换，实现大量高效培养。
所述的标准光照模块2(如图2)包括有机材料构型的组合式光照系统标准配件(光照模块主体)、第一LED光源11(多波长)和固定螺栓10，标准光照模块2与藻类培养标准模块1通光面通过螺栓10相连。组合式光照系统标准配件与第一LED光源11通过螺栓10固定。
所述的标准换气模块3(如图2)包括有机材料构型的标准换气配件、Biofoil膜系统、第一进气口6、第一出气口7和固定螺栓10。该标准换气模块3与藻类培养标准模块1侧面通过螺栓10相连，其第一进气口6、第一出气口7通过橡胶管与气体测控单元5的第二出气口25、第二进气口24相连。标准换气配件与Biofoil膜系统通过螺栓10固定。
所述的培养液测控单元4(如图4)包括第一蠕动泵14.；第二蠕动泵13.；第二LED光源15.；光敏电池16.；pH探头(pHG-2026B，上海科蓝)17.；电导率探头(DDG-2022B，上海科蓝)18.；溶解氧温度探头(DOG-2028B，上海科蓝)19.；第一换液进口20.；第二换液出口21.；第二出液口22.；第二出液口22.。培养液测控单元通过软管与藻类培养标准模块1连接，第二进液口23、第二出液口22分别与藻类培养标准模块1的第一出液口9、第一进液口8相连，同时第二进液口23和第二出液口22分别与第一蠕动泵14和第二蠕动泵13相连，对培养液流量进行控制；培养液在系统中流动时测定光敏电池16电流(反映藻液浓度)、pH探头17、电导率探头18和溶解氧温度探头19分别与电脑采集卡相连，而测控数据(包括光敏电池16、pH探头17、电导率探头18和溶解氧温度探头19)可以直接由电脑记录，第二LED光源15通过外接220V电源变压器控制光照；第一换液进口20和第二换液出口21与外界通过阀门相连，可根据藻液浓度决定是否进行培养液补充、更换及藻的收获；多通道蠕动泵可以通过调节流速方法对搅拌的程度进行控制。
所述的气体测控单元5(如图5)包括第二进气口24.；第二出气口25.；第一气泵一26.；第二气泵27.；氧气测定探头(MIC-500-O2M，深圳逸云天)28.；二氧化碳测定探头(YTIAQ-CO2，深圳逸云天)29.；第一换气进气口30.；第二换气出气口31.气体测控单元5通过橡胶管与换气标准模块3相连，气体测控单元5分别与第二出气口25、第二进气口24相连，换气标准模块3与第一进气口6、出第一气口7相连，第二出气口25与第一进气口6相连，第二进气口二24与第一出气口7相连，同时第二进气口24和第二出气口25分别与第一气泵26和第二气泵27相连，对气体流量进行控制；气体在系统中流动时氧气测定探头28、二氧化碳测定探头29分别与电脑采集卡相连，而测控数据可以直接由电脑记录；第一换气进气口30和第二换气出气口31与外界通过阀门相连，可根据系统内气体浓度测控数据选择是否与外界相连。
多组反应器的安装(如图6)：4组(分别编号为A,B,C,D)模块化藻类光生物反应器可以根据需要利用螺栓10组合起来，利用多通道蠕动泵对培养液进行测控，实现高效大量培养，也可以根据需要增加多组反应器。
Claims (1)
1.一种模块化藻类光生物反应器，它包括藻类培养标准模块(1)、光照标准模块(2)、换气标准模块(3)、培养液测控单元(4)和气体测控单元(5)，其特征在于：藻类培养标准模块(1)透明侧面与光照标准模块(2)通过螺栓(10)连接，藻类培养标准模块(1)的另一侧面通过螺栓(10)与换气标准模块(3)相连，藻类培养标准模块(1)与培养液测控单元(4)通过软管相连，藻类培养标准模块(1)的第一进液口(8)与培养液测控单元的第二出液口(22)相连，藻类培养标准模块(1)的第一出液口(9)与培养液测控单元(4)的第二进液口(23)相连，换气标准模块(3)与气体测控单元(5)通过软管相连，换气标准模块(3)的第一进气口(6)与气体测控单元(5)的第二出气口(25)相连，换气标准模块(3)的第一出气口(7)与气体测控单元(5)的第二进气口(24)相连；
所述的藻类培养标准模块(1)包括透明的有机材料一次成型的组合式标准反应器主体、第一进液口(8)、第一出液口(9)和两侧的固定螺栓(10)，在通光侧面与光照标准模块(3)用固定螺栓(10)相连，在光照标准模块(3)另一侧与换气标准模块(4)通过固定螺栓相连，藻类培养标准模块(1)内液体通过第一进液口(8)、第一出液口(9)与培养液测控单元(4)的第二出液口(22)、第二进液口(23)通过软的橡胶管相连；
所述的标准光照模块(2)包括有机材料构型的组合式光照系统标准配件、多波长LED光源(11)和固定螺栓(10)，标准光照模块(2)与藻类培养标准模块(1)通光面通过螺栓(10)相连，组合式光照系统标准配件与第一LED光源(11)通过螺栓(10)固定；
所述的标准换气模块(3)包括有机材料构型的标准换气配件、Biofoil膜系统、第一进气口(6)、第一出气口(7)和固定螺栓(10)，标准换气模块(3)与藻类培养标准模块(1)侧面通过螺栓相连，第一进气口(6)、第一出气口(7)通过橡胶管与气体测控单元(5)的第二出气口(25)、第二进气口(24)相连，标准换气配件与Biofoil膜系统通过螺栓(10)固定。
所述的培养液测控单元(4)包括第一蠕动泵(13)、第二蠕动泵(14)、LED光源二(15)、光敏电池(16)、pH探头(17)、电导率探头(18)、溶解氧探头(19)、第一换液进口(20)、第二换液出口(21)、第二进液口(23)、 第二出液口(22)，培养液测控单元通过软管与藻类培养标准模块(1)连接，第二进液口(23)、第二出液口(22)分别与藻类培养标准模块(1)的第一出液口(9)、第一进液口(8)相连，第二进液口(23)和第二出液口(22)分别与第一蠕动泵(14)和第二蠕动泵(13)相连，光敏电池(16)、pH探头(17)、电导率探头(18)和溶解氧探头(19)分别与电脑采集卡相连，第一换液进口(20)和第二换液出口(21)与外界通过阀门相连；
所述的气体测控单元(5)包括第二进气口(24)、第二出气口(25)、第一气泵(26)、第二气泵(27)、氧气测定探头(28)、二氧化碳测定探头(29)、第一换气进气口(30)、第二换气出气口(31)，气体测控单元(5)通过橡胶管与换气标准模块(3)相连，气体测控单元(5)分别与第二出气口(25)、第二进气口(24)相连，第二出气口(25)与第一进气口(6)相连，第二进气口(24)与第一出气口(7)相连，第二进气口(24)和第二出气口(25)分别与第一气(26)和第二气泵(27)相连，氧气测定探头(28)、二氧化碳测定探头(29)分别与电脑采集卡相连，第一换气进气口(30)和第二换气出气口(31)与外界通过阀门相连。
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