CN108611262A - 自洁内管壁管道式光生物反应器 - Google Patents

Abstract

光能微生物规模化培养离不开光生物反应器，透明盘管密闭光生物反应器有效率高，培养的产品不易被其他生物污染的优点，但存在着最大弊端是：无法在密闭状态下清刷内管壁的附着物，本设计解决此问题所采用的方案是，在反应器的透明盘管中，置入一个用发泡胶制作的清刷球，利用循环流动的液体对其冲击，清刷球在管道中作不规则的旋转、翻滚运动，随液体流动前进对透明管内壁清刷，液体循环由一台循环泵驱动，改变循环泵转向就改变液体流动方向，清刷球就可在透明管内来回清刷，有益效果是内管壁始终保持洁净不遮挡外部光照，还有避免存在附壁的老死的微生物斑块脱落混杂在产品中影响产品质量的可能，厌氧培养方式与充气培养方式转换简单，可适应不同光能微生物培养。

Description

自洁内管壁管道式光生物反应器

本发明属于光能微生物培养技术领域：

光能微生物培养过程离不开光生物反应器(反应设施)，光生物反应器(反应设施)五花八门，大型的密闭式光生物反应器，是规模化高效率培养生产高纯度光能微生物必不可少的设备，但是大型密闭反应器至今还停留在研究阶段，还鲜见有长久应用的高效实用的案例报道。

背景技术：

目前规模化人工培养小球藻、螺旋藻等微藻以及光合细菌的主要设施有露天开放式大池、露天开放式跑道池、透明塑料容器、平板玻璃缸反应器、大口径玻璃柱反应器、玻璃排管密闭反应器、玻璃螺旋管密闭反应器等，它们各有千秋但都存在诸多弊端。

露天开放式大池或露天开放式跑道池来培养微藻的具体弊端是：易受到其它生物污染不能保证成活与纯度，增殖缓慢藻液浓度低且采收困难，只能生产些低端产品，若要生产较高纯度产品就必须采用密闭式反应器。

采用平板玻璃缸密闭培养或大口径玻璃柱密闭培养以及透明塑料容器密闭培养，虽然不易受到其它生物污染，但是单位容量小，生产效率低且操作繁琐，每个培养周期结束后都要人工洗刷内部，玻璃排管密闭反应器培养和玻璃螺旋管密闭反应器的好处是不易受到其它生物污染，单位容量可以做得很大，生产效率与增殖速度较露天开放式大池或露天开放式跑道池快得多，但最大的弊端则是很难对管道内部进行清刷，微藻和光合细菌生来具有趋光性，在反应器中喜欢附着堆积在反应器的向光壁上，如堆积层不及时清除越积越厚则光源被严重遮挡，导致密闭式光生物反应器效能下降，麻烦的是多次堆积层的老化、死亡一旦脱落混杂在产品中，会影响到产品质量，玻璃排管密闭反应器和玻璃螺旋管密闭反应器因受结构限制，管道长弯头多，想对管道内壁进行彻底清刷十分困难，若要在培养过程中对管道内壁进行清刷更是不可能，由于存在密闭状态下无法清刷内部堆积物这一难以克服的弊端，故上述玻璃排管密闭反应器和玻璃螺旋管密闭反应器均无法得到广泛应用，至今未见报道能在密闭状态下清刷内管壁的实例。

为了克服上述规模化人工培养微藻和光合细菌等的不同类型光生物反应器(反应设施)的弊端，本设计提供一款能自动清刷内管壁附着物的透明盘管密闭式光生物反应器，它可以在密闭的透明盘管反应器内部自动清刷粘附在内管壁上的附着物，使光线不被附着物遮挡以提高光照效率，是规模化高效率人工培养高纯度微藻和光合细菌较理想的光生物反应器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用透明盘管(或透明螺旋管)、三通、柔性清刷球、限位栅格、磁电传感器、光电传感器、阀门、循环泵、空气过滤器以及鼓风机等组成一系统。在透明盘管里置入一个专门制作的清刷球，清刷球球体采用发泡塑胶制作，清刷球中心嵌入一粒小金属球，发泡塑胶球体表面布满密集短爪，并开有两个偏心且相互垂直交叉的贯穿导流孔道，清刷球整体外径与透明盘管管材的内径相等，偏心距为清刷球外径的1/6～1/4，导流孔直径为清刷球外径的1/4～1/3，清刷球整体(含中心小金属球)比重为0.75～1.25。

自动清刷的工作原理：

反应器注满培养液和藻种(菌种)后启动循环泵，液体在循环泵推动下沿管道循环流动，柔性清刷球在流体冲击推动下顺着液体流动方向在透明管内移动，由于柔性清刷球球体上开有两个偏心且相互交叉贯穿的导流孔道，绝大多数情况下柔性清刷球在管道里受液流迎面冲击的阻力不一致，故在流体冲击下柔性清刷球不仅会前行还会翻滚、旋转，依靠球体表面密布的短爪对管道内壁作清刷，从盘管的一端(循环泵的出口)一直清刷到另一端(循环泵的进口)，由于柔性清刷球中心嵌入一粒金属球，当柔性清刷球运动到盘管的末端(循环泵的进口)，会被安装于循环泵进口前的磁电传感器探测到，此时磁电传感器输出信号，控制循环泵反转使流体改变方向，柔性清刷球在反向流体冲击下沿着管道回到盘管的起始端(循环泵的出口)，起始端(循环泵的出口)前也安装有另一只相同的磁电传感器，当探测到柔性清刷球中心的金属球时磁电传感器输出信号，控制轴流泵从反转变为正转，柔性清刷球又随着液体流动的方向往盘管的末端前进，周而复始直到循环泵停止运转。

要使反应器盘管中的液体循环流动，不限于用轴流泵，也可以采用其他类型的泵，考虑到轴流泵结构简单，性能符合本设计要求，所以采用轴流泵作为驱动液体循环的动力，故说明书附图1所画的循环泵是轴流泵的图形。

附图说明：

附图1是本设计反应器的结构原理图；

附图2是柔性清刷球的结构示意图；

以下结合说明书附图1对本设计作进一步说明：

反应器由透明盘管1、顶部三通2、进液单向阀3、呼吸阀4、空气过滤器5、鼓风机6、进气单向阀7、进气三通8、末端磁电传感器9、末端限位栅格10、循环泵11、始端限位栅格12、始端磁电传感器13、光电传感器14、排液三通15、排液阀16、柔性清刷球17组成。

一、微藻培养

操作步骤如下，首先将排液阀16关闭，然后将配制好的培养液和藻种通过进液单向阀3注满整个反应器后开动鼓风机6，此时空气经进气单向阀7进入反应器，开动循环泵11，反应器开始工作，藻液在反应器内流动循环，柔性清刷球17在循环的藻液冲击下不断地翻滚、旋转并顺着藻液前行对透明盘管1进行清刷，在阳光照射下微藻光合作用所释放的氧气和鼓风机6鼓入的空气中被微藻利用后的多余成分通过呼吸阀4排向大气，由于培养过程中柔性清刷球17始终对内管壁进行清刷不让微藻附着，所以透明盘管1始终保持高透光率，当柔性清刷球17从透明盘管1的起始端(循环泵11的出口)走到末端(循环泵11的进口)时，被安装在循环泵11进口处的末端限位栅格10挡住，同时被安装在循环泵11进口处前面的磁电感应器9探测到，因为柔性清刷球17的中心嵌入一粒金属球，所以会被磁电感应器探测到，此时磁电感应器9输出信号控制循环泵11反转，藻液随着反方向循环流动，柔性清刷球17同样做着不规则的翻滚、旋转动作并沿着透明盘管1前行清刷回到透明盘管1的起始端(循环泵11的出口)，被被安装在循环泵11的出口的起始端限位栅格12挡住，同时被安装在循环泵11出口处前面的磁电感应器13探测到，此时磁电感应器13输出信号控制循环泵11从反转运行变为正转运行，柔性清刷球17又随着流动的藻液从透明盘管1的起始端(循环泵11的出口)往末端(循环泵11的进口)前进，周而复始直到循环泵11停止运转，微藻培养过程中的浓度变化始终被安装在透明盘管1上的光电感应器14感知，并通过信号线传输到控制终端，整个培养过程可以自动化控制，当培养结束后关闭所有电源，打开排液阀16排出浓藻液。

二、光合菌培养

操作步骤与微藻培养的操作步骤略有差异，由于光合菌可以在厌氧环境中培养不需要空气，所以培养全程停开鼓风机6，其他操作步骤与微藻培养的操作步骤完全一致，此处不再重复。

本发明明的有益效果有以下几个方面：

一、在密闭的系统内能利用循环流动的液体，自动清刷附着在透明管内壁上的附着物，使光线不被遮挡，始终对培养液保持高效光照以缩短培养周期。

二、避免存在附壁的老化老死的微生物斑块脱落混杂在产品中影响产品质量的可能。

三、在密闭系统内培养的微生物不会被其它生物污染，能够获取高纯度产品，得以提高产品附加值。

四、只要场地允许可以任意放大反应器容量(加长管道、增大管径)以增加产能。

五、充气培养方式与厌氧培养方式转换简单，能适应不同种类的光能微生物培养，可以做到一套反应器培养多种光能微生物，还能实现自动化控制，节省设备投资和人工成本。

Claims (2)

1.自洁内管壁其技术特征是：

在反应器的透明盘管中，置入一个外表面密布着短爪，外径与透明管管材的内径相等的用发泡胶制作的柔性清刷球，柔性清刷球结构独特，在透明盘管内受循环流动的液体冲击，做着不规则的翻滚、旋转运动，且随液体流动方向前行清刷掉透明盘管内壁的附着物。

2.柔性清刷球其技术特征是：

柔性清刷球采用发泡胶制作，在球心嵌入一粒金属小球，球体外表面密布着短爪，整体比重(含金属小球)为0.75～1.25，在球体偏心位置开有两个贯穿且相互垂直交叉的导流孔道，偏心距为柔性球外径的1/6～1/4，导流孔直径为柔性球外径的1/4～1/3，利用球心的金属小球触动磁电感应器，让磁电感应器输出信号控制循环泵的旋转方向来控制反应器中的液体流动方向，球体上两个贯穿且相互交叉的导流孔的作用是，使流动液体作用在清刷球迎面上的压力不平衡，清刷球就会作不规则的翻滚、旋转运动。