CN201148438Y - 空间微藻光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种空间微藻光生物反应器，包括反应器主体、光源供应组件、藻液循环回路、溶解氧脱除组件、二氧化碳供应组件、温度控制组件、循环泵和参数测量控制组件；反应器主体、循环泵、溶解氧脱除组件、二氧化碳供应组件和温度控制组件沿藻液流动方向依次连接在藻液循环回路上；光源供应组件位于反应器主体外侧；参数测量控制组件包括参数测量装置和参数控制单元；参数测量装置连接在藻液循环回路上的反应器主体之后，参数控制单元通过电信号分别与各组件连接。本实用新型的空间微藻反应器主体内藻体/培养液/二氧化碳气体三相均匀分布、能高效供应培养液中二氧化碳气体并脱除藻液中溶解氧，也可用于地面进行微藻生理生化研究使用。

Description

空间微藻光生物反应器
技术领域
本实用新型应用于长期载人航天环控生保技术研究领域，特别涉及载人航天空间条件下微藻培养和微藻生理生化研究领域。
背景技术
建立安全可靠的长期载人环控生保系统，是未来人类空间飞行和地外星球定居与开发等飞行任务成功的关键。通过生物技术，模拟自然生态学的原理，在地外建立生物再生式生保系统，是目前国际上研究的热点。
在生物再生式生保系统中，微藻作为其中的关键生物部件，不仅能提供氧气和营养丰富的藻类蛋白，而且还具有清除系统中二氧化碳等废气和净化废水的功能。针对空间环境条件特点，如何进行微藻培养？目前，美、俄和欧空局已在研制几种微藻光生物反应器，但未见相关技术的报道。我国在微藻光生物反应器研制方面的工作，主要集中于微藻的地面条件培养。针对空间微重力条件微藻培养装置的研制，目前国内还未见相关报道。
目前的地面微藻培养装置不能适用于空间环境使用。比如：反应器主体大多采用开放式设计，这不能适应空间密封环境的需要；其二氧化碳的添加采用鼓泡形式直接在培养液中添加，但由于空间环境是微重力或无重力环境，使很CO2难融入到培养基，这样造成CO2利用率低；此外，微重力条件下的气/液分离主要采取动态离心的方法进行，巨大的离心力将严重损伤藻体细胞，这种方法显然不适合藻类等活性生物体的培养。因此这些方式都不能适用于空间环境。
实用新型内容
本实用新型需要解决的主要技术问题是：克服现有技术不足，针对空间微重力条件的特点，提供一种空间微藻培养过程中反应器主体内藻体/培养液/二氧化碳气体三相均匀分布、高效供应培养液中二氧化碳气体、能脱除藻液中溶解氧的空间微藻光生物反应器。
本实用新型的技术解决方案是：空间微藻光生物反应器，包括反应器主体、光源供应组件、藻液循环回路、溶解氧脱除组件、二氧化碳供应组件、温度控制组件、循环泵和参数测量控制组件；反应器主体、循环泵、溶解氧脱除组件、二氧化碳供应组件和温度控制组件沿藻液循环方向依次连接在藻液循环回路上；光源供应组件位于反应器主体上下两侧；参数测量控制组件包括参数测量装置和参数控制单元；参数测量装置连接在藻液循环回路上的反应器主体之后，参数控制单元通过电信号分别与光源供应组件、温度控制组件、二氧化碳供应组件和溶解氧脱除组件连接。
所述的反应器主体采取卧式反应釜结构，反应釜的搅拌器采用左右平衡的两片螺旋浆叶形式。
所述的循环泵为隔膜泵，其泵头不直接接触藻液。
循环泵的最大功率为40W，最大流速为5.0升/分钟。
所述温度控制组件采用热交换器，交换介质为恒温水。
所述参数测量装置采用多探头形式，用来测量藻液的温度(T)、溶解氧(DO)、酸碱度(pH值)、电导度(EC值)和藻体浓度。
所述溶解氧脱除组件和二氧化碳供应组件分别由一个圆柱状壳体和中空纤维膜组成。
本实用新型与现有技术相比的优点在于：
1、本实用新型采用卧式反应釜结构形式作为反应器主体，满足了微藻培养过程中低剪切力的需要，并降低了系统总能耗；而且采用的左右平衡螺旋浆叶膜片结构设计，在剪切力很小的情况下实现了微藻反应器主体内固液气三相的均匀分布，从而能够充分满足藻体的生长需要。
2、本实用新型中的循环泵采用隔膜泵，隔膜泵的泵头不直接接触培养液，同时控制循环泵的最大功率和最大流速，在为藻液循环提供主要动力同时，大大减小对藻体的机械损伤。
3、本实用新型采用透气不透水的中空纤维膜管技术，使得二氧化碳气体以无泡形式向培养液中渗透，从而达到供应的二氧化碳量和藻体吸收二氧化碳的量始终处于平衡状态，使CO2的吸收利用率达到90％以上。这不仅提高了藻体对二氧化碳的吸收利用率，而且大大减轻了空间微重力条件下的气/液分离负荷。
4、本实用新型采用中空纤维膜管技术进行溶解氧的脱除，使含有饱和溶解氧的藻体培养液在流经脱氧膜组件时，溶解氧在中空膜管内的负压作用下透过膜管壁上的微孔进入膜管内腔被分离出来，及时地排除了培养液中的溶解氧。
此外，本实用新型不仅为进一步开展我国空间受控生态生保系统研究奠定了重要基础，也为地面进行微藻生理生化等基础研究提供了新的技术手段。
附图说明
图1为本实用新型空间微藻光生物反应器工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，空间微藻光生物反应器，包括反应器主体1、光源供应组件2、藻液循环回路3、溶解氧脱除组件4、二氧化碳供应组件5、温度控制组件6、循环泵7和参数测量控制组件；反应器主体1、循环泵7、溶解氧脱除组件2、二氧化碳供应组件3和温度控制组件6沿藻液循环方向依次连接在藻液循环回路3上；光源供应组件2位于反应器主体1的上下两侧。
参数测量控制组件包括参数测量装置8和参数控制单元9；参数测量装置8连接在藻液循环回路3上的反应器主体1之后，参数控制单元9通过电信号分别与光源供应组件2、溶解氧脱除组件4、二氧化碳供应组件5以及温度控制组件6连接。
反应器主体1采取卧式反应釜结构，反应釜的搅拌器采用左右平衡的两片螺旋浆叶形式。在反应釜内，固相在液相内被浆叶均匀分散；液相被浆叶提升，在气相中飞散开来，产生细微液滴；气体被浆叶背面负压区吸入液相，形成气泡。大量的液滴和气泡存在使气-液传质面积很大。在反应器主体1内，浆叶的转速跟流动场基本无关，可维持低剪切力的流动场，从而满足螺旋藻生长的要求。反应器主体1材质为透明的有机玻璃，结构为圆柱体结构。其体积大小应根据所要求生产藻体的多少、所放出的氧气量以及所提供的光源等条件来确定。本实用新型中的反应器主体1内径为15厘米，长为45厘米，反应釜的有机玻璃厚度为1.0厘米。
本实用新型中的光源供应组件2选用电磁感应灯，共2盏，分别位于反应器主体1的上下两侧，功率大小为80W。
循环泵7为隔膜泵，其泵头不直接接触藻液，最大功率为40瓦，最大流速为5.0升/分钟。
本实用新型的温度控制组件6采用热交换器，交换介质为恒温水。
参数测量装置8采用多探头形式，用来测量藻液的温度(T)、溶解氧(DO)、酸碱度(pH值)、电导度(EC值)和藻体浓度。
本实用新型的空间微藻光生物反应器动态工作过程如下：
藻液进入反应器主体1内，开启测量控制单元5和光源供应组件2，进行藻体的正常培养。在培养过程中，参数测量装置8测量藻液的温度(T)、溶解氧(DO)、酸碱度(pH值)、电导度(EC值)和藻体浓度，并将各种参数反馈到参数控制单元9，参数控制单元9根据参数变化情况和藻液培养要求，对各部件进行控制。
当藻液的溶解氧含量高于设定值时，藻液从溶解氧脱除膜组件4中循环。最后，含溶解氧较少的藻液由溶解氧脱除膜组件4上的藻液出口流出，重新进入循环系统。
当藻液流经二氧化碳供应组件5时，二氧化碳进入到中空纤维膜，在气体压力的作用下，由膜壁上的微孔扩散进入到藻液中，在组件中吸收二氧化碳后，从二氧化碳供应组件5的藻液出口进入到循环系统。并通过温度控制组件6进行热交换后，在系统内循环。

Claims (9)

1、空间微藻光生物反应器，其特征在于：
包括反应器主体(1)、光源供应组件(2)、藻液循环回路(3)、溶解氧脱除组件(4)、二氧化碳供应组件(5)、温度控制组件(6)、循环泵(7)和参数测量控制组件；
反应器主体(1)、循环泵(7)、溶解氧脱除组件(4)、二氧化碳供应组件(5)和温度控制组件(6)沿藻液循环方向依次连接在藻液循环回路(3)上；光源供应组件(2)位于反应器主体(1)外侧，为反应器主体(1)内的藻液培养提供光照；
所述参数测量控制组件包括参数测量装置(8)和参数控制单元(9)；参数测量装置(8)连接在藻液循环回路(3)上的反应器主体(1)之后，参数控制单元(9)通过电信号分别与光源供应组件(2)、溶解氧脱除组件(4)、二氧化碳供应组件(5)以及温度控制组件(6)连接。
2、根据权利要求1的空间微藻光生物反应器，其特征在于：所述的反应器主体(1)采取卧式反应釜结构，反应釜的搅拌器采用左右平衡的两片螺旋浆叶形式。
3、根据权利要求1的空间微藻光生物反应器，其特征在于：所述光源供应组件(2)对称位于反应器主体(1)上下两侧。
4、根据权利要求1的空间微藻光生物反应器，其特征在于：所述循环泵(7)为隔膜泵，其泵头不直接接触藻液。
5、根据权利要求1或4的空间微藻光生物反应器，其特征在于：所述循环泵(7)的最大功率为40瓦，最大流速为5.0升/分钟。
6、根据权利要求1的空间微藻光生物反应器，其特征在于：所述温度控制组件(6)采用热交换器，交换介质为恒温水。
7、根据权利要求1的空间微藻光生物反应器，其特征在于：所述参数测量装置(9)采用多探头形式，用来测量藻液的温度、溶解氧、酸碱度、电导度和藻体浓度。
8、根据权利要求1的空间微藻光生物反应器，其特征在于：所述的溶解氧脱除组件(4)由一个圆柱状壳体和中空纤维膜组成。
9、根据权利要求1的空间微藻光生物反应器，其特征在于：所述的二氧化碳供应组件(5)由一个圆柱状壳体和中空纤维膜组成。
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