CN104988054A - 反应器板式外置光源 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物反应器，特别是指一种反应器板式外置光源。包括面板，设置于面板内表面的反光板，装配于反光板表面的光源；面板左右两侧设有可与相邻的面板侧边转动装配的销孔。本发明解决了现有技术存在的光利用效率低、通配性差、光照不均匀、光照能量损失大等技术问题。具有光利用效率高、适用范围广、通配性好、便于运输和安装、光能损失小等优点。

Description

反应器板式外置光源

技术领域

本发明属于生物反应器，特别是指一种反应器板式外置光源。

背景技术

光合自养型微生物和植物细胞的合成代谢和分解代谢所需能量和物质均通过光合作用获得，用光合生物反应器来培养这些生物是本领域公知的技术。光生物反应器是一种密闭式培养装置，因为光照的需要，反应器一般用可透光的材质制作釜体，再辅以光源照射。1983年Pirt等人开创性的研究工作为光生物反应器的设计奠定了基础，理想的光反应器应该具有最大的表面积与体积比、最有效的光照系统、光传递到微藻的最短光路等，为此，各种类型和形状的密闭式光生物反应器应运而生，例如，圆柱筒状、管状、环状、平板状、立方体状。

众所周知，光是影响光合微生物生长和代谢的最重要影响因素，培养时需要外加光源照射。而光的利用效率又直接关系到细胞的生长速率以及能源的消耗，它与光照强度、光照时间、光照频率和光循环周期等因素有关，因此光照是培养光合微生物的关键控制条件之一。光合微生物均有适宜生长的光照强度，在光限制阶段光照强度是微藻生长的限制因子，随光强增加光合作用速率升高，而在光饱和阶段光合作用速率达到最大并随光强升高而产生光抑制,而且有些微藻在不同的生长阶段所需要的光照强度也不相同。微藻的光合作用过程可分为光反应和暗反应两个阶段，在光反应阶段细胞吸收光量子转换为化学能，在暗反应阶段细胞利用化学能合成细胞组份，在这个阶段强光照对细胞生长反而有害，因此，对单个细胞而言持续的光照意味着光量子的浪费，相反，以一定频率的间歇性光照有利于光的利用效率。

光合反应器的光照利用效率低已是本领域技术人员所公知的技术难题，目前很多研究都集中在如何改变反应器的形状和结构来提高光利用效率，但却忽略了光源结构的影响。现有的一些反应器的光源比较简单，大多在反应器周围零星的放置一些灯管或灯泡，这样的光源有很大缺点：1、单个灯管或灯泡发出的光强随着向周围的发散呈递减趋势，这容易造成最接近光源灯的反应器表面光照过强，超出了微生物最适光强范围，抑制了该区域细胞的生长，而距离光源灯较远的地方光照较弱而限制了细胞的生长，造成整体的细胞生长速率变慢，这种光照不均的现象降低了光利用效率；2、光照强度很难调节，当需要调整光照以适应菌种的光需求和培养的需要时，目前的做法是增加或减少光照灯的数量或更换不同功率的灯，这样不断的拆解和组装灯具使得操作非常麻烦；3、光照强度调节不连续，改变光照灯的数量或功率会导致光照强度的突跃性改变，很难准确设定在一个特定值，这对于光照要求较高的菌种的培养不利，降低了光吸收效率。4、光照时间和光暗循环周期需人工控制，无法进行自动控制，浪费人力；5、光线散射使光源灯发出的光不能被有效利用，造成能量浪费；6、目前所普遍使用的光合反应器种类繁多，形状各异，当在釜体外放置光源时，需要根据釜体的各种形状来摆设光源，或者设计不同形状的光源架来放置光源，这样给光源的配置带来了困难和麻烦。近年来一些研究为了提高光的利用效率，将一些防水的光源直接置于反应器内，这样虽然缩短了光照距离，但内置光源表面容易被光合微生物附着而阻断了光的扩散，反而不能提高光的利用效率，并且内置光源散发的热量容易使其附近的微生物细胞因过热死亡，甚至可能会发生漏电的安全隐患，所以外置光源仍然是普遍应用的光照方式。

公开号为CN204097451U的专利文献中公开了一种多功能发酵罐，公开号为CN204224591U的专利文献中公开了一种光合微生物发酵罐，二者虽然采用了光反射板，因其采用固定式结构，通配性较差。公开号为CN202415537U的专利文献公开了一种光合细菌培养装置，将光源置于环形腔体内部，虽然提高了光源利用率，但因其采用专用结构，不适于与现有的光反应器配套使用且光损失较大。公开号为CN103374511A专利文献中公开了一种气升式环流光生物反应器，分别设置了内置光源和外置光源。由于外置光源未采用遮光措施，光能未能得到有效利用。公开号为CN102224236A的专利文献公开了一种托盘堆叠成的立体式光生物反应器，以自然光为光源并能够高效捕获光能，由于采用自然光为光源，照射强度不能根据光合微生物的实际需要进行有效控制。以上所述的反应器仍然存在光利用效率低的问题。

目前，关于光合反应器的发明设计已有很多的报道，但仍没有一种专门的、完善的、匹配各种光合反应器的外置光源。因此，迫切需要一种光照分布均匀、光照强度连续自动调节、使用方便、发光周期频率可调的高效外置光源，以提高光利用效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反应器板式外置光源，以解决光利用效率低的问题，提高了细胞生长速率和光合反应器的产率，并且所述光源可以方便灵活地组装后适配与现有不同形状的反应釜。

本发明的整体技术构思是：

反应器板式外置光源，包括面板，设置于面板内表面的反光板，装配于反光板表面的光源；面板左右两侧设有可与相邻的面板侧边转动装配的销孔。

可以显而易见的是，反光板应选用可使光有效反射的材质制作，优选采用镜面材质。面板优选采用不透光的材质制作，其中包括但不局限于采用金属、木质、工程塑料等常用的且易于成型的材质，为便于散热且便于工业化成型，优选采用金属。面板的形状可以根据反应器的外形制作成平板状、弧面板状或异形板状结构，均不脱离本发明的实质。

本发明的具体技术构思还有：

为便于对光源实现远端控制，优选的技术方案是，还包括一光感控制电路，该光感控制电路的感应端设于与光源位于同侧的面板表面，光感控制电路的控制端外置。

光感控制电路可以选用多种现有方式实现，均不脱离本发明的实质。其中较为优选的技术实现方式是，所述的光感控制电路包括光度感应器及光感控制器。

为对光源发出的照射光的频率进行有效控制，以满足不同光合微生物或同一光合微生物在不同阶段的生长需要，优选的技术实现方式是，还包括一频闪电路，该频闪电路的输出端接光源。

更为优选的技术实现方式是，采用频闪电路控制的光源所发出的频闪光的光/暗周期频率为10ms-2s/30ms-3s。

为对光源发出的照射光的强度进行有效调整，以适应不同光合微生物的生长需要，还包括一调光电路，该调光电路的输出端接光源。

调光电路可以选用多种现有方式实现，均不脱离本发明的实质。其中较为优选的技术实现方式是，所述的调光电路包括电控器及可调电阻。

频闪电路、调光电路、光感控制电路因属于现有技术范畴，申请人在此对其具体结构不再赘述。

为避免漏光，便于对光源散射的照射能量进行有效捕获，优选的实施方式是，所述的面板顶部转动配合有上遮光板。更为优选的实施方式是，所述的面板底部转动装配有下遮光板。更进一步的优选实施方式是，上、下遮光板内表面铺设有反光板或采用反光材质制作。

为便于外置光源的移动和布置，使其便于与不同形状和类型的反应釜适配，优选的实施方式是，所述的面板底部装配有底脚或滚轮。更为优选的实施方式是采用滚轮。

为实现布线合理的要求，优选的实施方式是，所述的面板上开设有线槽。更为优选的技术方案是，所述的线槽开设于面板下部。为便于满足面板通配和快速组装的需要，优选的技术方案是，可以通过接线器实现光源线及电线的快速连接。

为便于实现多个面板组装后的固定，可以显而易见的结构设计是，在首尾两端设置的面板上装配有适配的锁扣。

为便于多个面板连接后的结构固定，更为优选的结构设计是，与面板两侧的销孔适配的销轴底端螺纹配合有螺栓，可以在面板装配完毕后通过紧固螺栓的方式实现面板转动的锁定，进而达到使结构固定的功效。

本发明所取得的实质性特点和显著的技术进步在于：

1、本发明采用能实现快速装配的面板作为主要结构单元，能够有效根据现有不同形状的反应釜组配使用，便于实现光源照射均匀的要求，适用范围广、通配性好且便于运输和安装。

2、光感控制电路和调光电路的结构设计，可以满足不同光合微生物在生长过程中对光照的需求，便于控制。

3、采用面板左右两侧销孔及面板下部底脚或滚轮的结构设计，可以有效实现结构调整和固定。

4、上、下遮光板的结构设计能够保证光源照射能量的有效使用，避免光能的损失。

5、采用线槽的结构设计，在满足布线合理的前提下，能够有效实现各类电源线、信号线的快速连接。

6、通过调节频闪电路和调光电路，使光源发出频率和光强可调的快速频闪光，大大提高了光利用效率。

附图说明

本发明的附图有：

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的使用状态示意图。

本发明的附图标记如下：

1、面板；2、反光板；3、光源；4、销孔；5、上遮光板；6、光度感应器；7、光感控制器；8、电控器；9、下遮光板；10、接线器；11、底脚或滚轮；12、线槽；13、锁扣；14、频闪电路；15、可调电阻。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步描述，但不作为对本发明的限定，本发明的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书作出的等效技术手段替换，均不脱离本发明的保护范围。

实施例1

本实施例的整体构造如图示，包括面板1，设置于面板1内表面的反光板2，装配于反光板2表面的光源3；面板1左右两侧设有可与相邻的面板1侧边转动装配的销孔4。

还包括一光感控制电路，该光感控制电路的感应端设于与光源3位于同侧的面板1表面，光感控制电路的控制端外置。

所述的光感控制电路包括光度感应器6及光感控制器7。

还包括一频闪电路14，该频闪电路的输出端接光源3。

采用频闪电路控制的光源所发出的频闪光的光/暗周期频率为10ms-2s/30ms-3s。

还包括一调光电路，该调光电路的输出端接光源3，调光电路采用电控器8及可调电阻15。

电控器8分别与可调电阻15、光感控制器7以及频闪电路14电连接，以便发出控制指令实现远程控制。

反光板选用镜面材质制作，面板采用铝合金材质制作。

面板1顶部采用销轴转动配合有上遮光板5。所述的面板1底部采用销轴转动装配有下遮光板9。

所述的面板1底部装配有滚轮11。

面板1下部开设有线槽12。在首尾两端设置的面板上装配有适配的锁扣13。

相邻的面板1上的电源线、信号线通过接线器10连接。

实施例2

频闪光照与连续光照培养雨生红球藻生产虾青素

本实施例使用的藻种为雨生红球藻Haematococcus pluvialis(UTEX2505)，培养所用的基础培养基为本领域公知的BG11培养基，发酵培养所用的培养基为四水硝酸钙0.15g/L，硝酸钾0.1g/L，β-甘油磷酸二氢钠0.05g/L，七水硫酸镁0.04g/L，维生素B120.01μg/L，维生素B70.01μg/L，维生素B11.0μg/L，三羟基氨基甲烷50.0mg/L，六水氯化铁0.196mg/L，四水氯化锰0.036mg/L，七水硫酸锌0.022mg/L，六水氯化钴0.004mg/L，二水钼酸钠0.0025mg/L，乙二胺四乙酸二钠1.0mg/L。

将一定浓度的藻液以10％的接种量接入装有200ml基础培养基的三角瓶(500mL)中，置于光照培养箱中于25℃，3500lx，光/暗周期频率为2s/30ms的条件下，通气培养7天。再以10％接种量接入到两个100cm高，120cm宽，4cm厚，容积40L的平板式光合反应器中，反应器用透明玻璃材质制作，内装灭菌的发酵培养基。其中一个平板反应器设置实施例1所述的外置光源，设定光照强度为3500lx，光/暗的周期频率为10ms/30ms；另一平板反应器设置实施例1所述的外置光源，设定光照强度为3500lx，光照持续。两个反应器温度控制25℃，向底部通气，通气量为0.2vvm。培养120h时频闪光照反应器中细胞生长速率为0.07±0.004/h；连续光照反应器细胞生长速率为0.04±0.003/h。培养120h后将两个光源的光照强度都提高到10000lx继续培养140h，分别收获生物质，提取虾青素。频闪光照培养的最终生物量达到1.3g/L，虾青素产量为25.6mg/L；连续光照培养的最终生物量为0.7g/L，虾青素产量为12.5mg/L。由结果得出，频闪光照比持续光照的细胞生长速率提高1.75倍，虾青素产量提高2.05倍，光利用效率大幅度提高。

实施例3

本实施例所用藻种、种子培养、发酵培养和反应器类型同实施例2。

平板反应器设置实施例1所述的外置光源，设定光照强度为4000lx，光/暗的周期频率为2s/3s，反应器温度和通气量控制同实施例2。培养120h后将光照强度都提高到9000lx继续培养140h，收获生物质，最终生物量达到0.9g/L，虾青素产量为17.1mg/L。

实施例4

本实施例所用藻种、种子培养、发酵培养和反应器类型同实施例2。

平板反应器设置实施例1所述的外置光源，设定光照强度为4000lx，光/暗的周期频率为10ms/3s，反应器温度和通气量控制同实施例2。培养160h后将光照强度都提高到12000lx继续培养180h，收获生物质，最终生物量达到0.5g/L，虾青素产量为11.2mg/L。

实施例5

本实施例所用藻种、种子培养、发酵培养和反应器类型同实施例2。

平板反应器设置实施例1所述的外置光源，设定光照强度为5000lx，光/暗的周期频率为500ms/800ms，反应器温度和通气量控制同实施例2。培养120h后将光照强度都提高到10000lx继续培养140h，收获生物质，最终生物量达到1.6g/L，虾青素产量为32.7mg/L。

实施例6

本实施例所用藻种、种子培养、发酵培养和反应器类型同实施例2。

平板反应器设置实施例1所述的外置光源，设定光照强度为5000lx，光/暗的周期频率为1s/2s，反应器温度和通气量控制同实施例2。培养120h后将光照强度都提高到18000lx继续培养140h，收获生物质，最终生物量达到1.3g/L，虾青素产量为30.2mg/L。

实施例7

光照强度连续式调节与突跃式调节培养雨生红球藻生产虾青素

本实施例所用藻种、种子培养、发酵培养和反应器类型同实施例2。

种子液接种到平板式光生物反应器后，设置实施例1所述的外置光源。其中一个反应器的光源设定初始光照强度为3000lx，并以每小时50lx的速度逐渐递增至8000lx，之后以每小时100lx的速度逐渐递增至16000lx，维持16000lx的强度继续培养80h。另一个反应器光源的起始光照强度设为5500lx，培养120h后将光照强度提高至14000lx继续培养140h。收集两个反应器的生物质并测定虾青素含量。连续调节光照的反应器的最终生物量达到2.1g/L，虾青素产量为49.2mg/L；突跃式调节光照的反应器最终生物量为1.2g/L，虾青素产量为25.5mg/L。连续光强调节比传统的突跃式光强调节使虾青素产量提高2.0倍。

实施例8

频闪光源与普通光源培养雨生红球藻生产虾青素

本实施例所用藻种、种子培养、发酵培养和反应器类型同实施例2。

种子液接种到平板式光生物反应器后，其中一个反应器设置实施例1所述的外置光源，光源上安装LED灯泡，每个灯泡功率为3W，设定光源的光/暗周期频率为100ms/120ms。光照强度由3000lx开始以每小时40lx的速度逐渐递增至5000lx，在此光照下运行40小时，之后以每小时120lx的速度逐渐递增至15000lx，维持10000lx的强度继续培养90h。另一个反应器采用普通的光源，即在一个人工焊接的金属架上固定若干灯座，灯座上放置功率为3W的LED灯，将金属架放置在离平板反应器周围的一定距离内，通电后用光度测定仪人工测定反应器表面的平均光照强度，通过增加或减少LED灯的数量或功率来调整光强，使光强平均值为5000lx，培养120h后，增加LED灯的数量和功率使光强增加至12000lx，继续培养140h。两个光源均连接电度表，测定整个培养过程中的用电量。培养结束后收集藻细胞，提取虾青素。

采用实施例1所述的频闪光源培养所得生物量为2.5g/L，虾青素产量为53.4mg/L，光源耗电量为148.8kwh，单位耗电量获得虾青素的产量为0.36mg/L/kwh；采用普通光源培养所得生物量为1.1g/L，虾青素产量为21.8mg/L，光源耗电量为300.2kwh，单位耗电量获得虾青素的产量为0.073mg/L/kwh。由此得出实施例1中所述光源的光利用效率是普通光源的4.9倍。

Claims (12)

1.反应器板式外置光源，包括面板(1)，设置于面板(1)内表面的反光板(2)，装配于反光板(2)表面的光源(3)；其特征在于面板(1)左右两侧设有可与相邻的面板(1)侧边转动装配的销孔(4)。

2.根据权利要求1所述的反应器板式外置光源，其特征在于还包括一光感控制电路，该光感控制电路的感应端设于与光源(3)位于同侧的面板(1)表面，光感控制电路的控制端外置。

3.根据权利要求1所述的反应器板式外置光源，其特征在于所述的光感控制电路包括光度感应器(6)及光感控制器(7)。

4.根据权利要求1所述的反应器板式外置光源，其特征在于还包括一频闪电路(14)，该频闪电路的输出端接光源(3)。

5.根据权利要求4所述的反应器板式外置光源，其特征在于频闪光的光/暗周期频率为10ms-2s/30ms-3s。

6.根据权利要求1所述的反应器板式外置光源，其特征在于还包括一调光电路，该调光电路的输出端接光源(3)。

7.根据权利要求1所述的反应器板式外置光源，其特征在于所述的调光电路包括电控器(8)及可调电阻(15)。

8.根据权利要求1所述的反应器板式外置光源，其特征在于所述的面板(1)顶部转动配合有上遮光板(5)。

9.根据权利要求1所述的反应器板式外置光源，其特征在于所述的面板(1)底部装配有底脚或滚轮(11)。

10.根据权利要求1所述的反应器板式外置光源，其特征在于所述的面板(1)底部转动装配有下遮光板(9)。

11.根据权利要求1所述的反应器板式外置光源，其特征在于所述的面板(1)上开设有线槽(12)。

12.根据权利要求1所述的反应器板式外置光源，其特征在于所述的线槽(12)开设于面板(1)下部。