CN205275589U - 一种光合反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光合反应器包括用于容纳光合微生物培养液的光合反应管(100)，所述光合反应管(100)的一端通过第一贮液管(110)与空气源(200)连接，所述光合反应管(100)的另一端通过第二贮液管(120)和真空泵(300)连接，所述空气源(200)与所述第一贮液管(110)密封连接，所述真空泵(300)与所述第二贮液管(120)密封连接。本实用新型是根据空气动力学原理，采用真空泵驱动空气流动和氧气排出，实现了养殖液的往返式流动和整体循环流动，并对管内气体的排出和外部气体的进入交换能够进行精细调控，具有耗能极低、结构简单、容易进行标准化的生产组装等特点，为光合微生物大规模的工业生产装备制造提供借鉴。

Description

一种光合反应器

技术领域

本实用新型涉及微生物培养技术，更具体的说，涉及一种采用气压驱动的光合反应器。

背景技术

在地球上所有能够进行光合作用的绿色生物中，光合微生物尤其是藻类和光合细菌等具有超强的光能转化效率(15-18％)。而且能够利用简单的无机盐类，在适宜的温度、水气环境条件下，短期内生产出大量的生物质。其生物产量约占到全部生物总量的三分之二。象作为人们主食的小麦、水稻、马玲薯等碳3作物光能转化率只有1％，具有较高效率的碳四作物如甘蔗、玉米也不过3-5％。因此这些光合微生物成为人们利用太阳能来制造食品、饲料、能源、水产饵料、药品和含有各种生物活性物质健康产品的巨大潜力所在。

为了能够进行高光效、高密度、高产量、高质量的生物产品工业化生产，从20世纪九十年代以来，国内外都把研发封闭式生物反应器作为藻类和光合细菌等实现产业化的主要装备，封闭型系统具有培养参数可控、受外界因素干扰小、环境适应性强等优点，受到更加广泛的关注。开放式设备容易浸染杂藻、杂菌、昆虫，严重限制了开放型培养系统的使用，封闭式生物反应器可以较好的解决。

当前封闭式生物反应器有管道式、平板式、柱状气升式、搅拌罐发酵式、薄膜袋平放、斜放、吊立式等类型，并申请获得了大量有关专利。从实际应用来看，以管道式光生物反应器发展最快，因其可靠性、延续伸展性、容易规模化生产和成本较低最有发展前景。然而，制约管道式发展的瓶颈技术如：活性氧的排除问题、动力系统对细胞易于造成损伤的剪切力问题、管道较难清洗和不能完全封闭式运转等难题一直没有得到根本上的解决。

在光合作用的过程当中、细胞依靠体内的核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(简称Rubisco)和NADPH合成有机物(Calvin循环)产生大量活性氧分子、若不及时清除这些氧分子将会对细胞的光合器官造成伤害。而且Rubisco的催化作用也受到严重影响，因为其易于和氧结合导致固碳效果降低，最终导致光合效率大大下降。因此，现有的光合反应器中需要设置专门的排气或者排氧装置，例如，中国CN102365356A号专利公开了一种适用于特别是藻类的光合微生物培养的光合反应器，包括至少一个光合反应管、至少一个返回管、至少一个用于循环液体培养介质的装置、至少一个气体注射装置以及定位在反应器的顶部内的至少一个排气装置其中气体注射装置的放置和/或反应管或返回管的构造被设计成使得经由注射装置注射的气体通过在反应管内沿着低到高的流动方向循环而再次升高到排气装置，使得注射气体和液体培养介质在反应通道的大致水平的反应区段内形成气体/液体两相流动。中国CN2744690A号专利公开了一种植物性藻类及微生物光合反应器，包括：一光合反应管路，其为一透光管路；一加压输液部件，其入口端连通于该透光管路的出口端；以及一排氧及调节部件，其包括一中空的喷射排氧装置和一中空的液面调节装置，该喷射排氧装置包括相组接的一排氧筒和一集液筒，该排氧筒设有一进液口、一上排气口和一中空管壁，该进液口连通于该加压输液部件的出口端，该上排气口位于该排氧筒的顶端，该中空管壁自该上排气口向下延伸且相对地位于该进液口的内侧，该液面调节装置包括一调节筒，该调节筒连通于该集液筒，该透光管路的入口端连通于该调节筒。

专门的排氧排气设备不仅大大增加了光合反应器的复杂程度，维护和清洗变得更为难度，而且使用的动力系统，如离心泵、隔膜泵、蠕动泵、风囊泵等，仍然存在对细胞不同程度的损伤。例如，CN1511941A公开了一种封闭管道式光合反应器，包括受光反应管道，藻液储液瓶和反应器动力系统，其动力系统采用风囊泵，按藻液储液瓶、受光反应管道的吸入管、风囊泵、受光反应管道的回流管，再到藻液储液瓶的顺序连接，其吸入管的输入端与藻液储液瓶连接，形成藻液循环回路，在吸入管上连接有通气侧管。虽然该专利使用剪切力较小的风囊泵作为动力，但是对于耐受力较差的微生物仍然存在较大影响。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种光合反应器，包括用于容纳光合微生物培养液的光合反应管，所述光合反应管的一端通过第一贮液管与空气源连接，所述光合反应管的另一端通过第二贮液管和真空泵连接，所述空气源与所述第一贮液管密封连接，所述真空泵与所述第二贮液管密封连接。

在本实用新型提供的光合反应器中，所述光合反应管中设置有至少一个止回阀；所述第一贮液管与所述第二贮液管通过回流管相连通，所述回流管上设置有电磁阀；所述第二贮液管上设置有排气阀。

在本实用新型提供的光合反应器中，所述光合反应管为用透明管道制造并成一定斜角度的多层盘管，盘管直径20mm～300mm，盘管总长1m～2000m；所述光合反应管中最大液位差0.1m～9.5m。

在本实用新型提供的光合反应器中，所述光合反应管与所述第一贮液管的连接位置为所述光合反应管在竖直方向的最底端，该连接位置设置有用于排出杂物的排污阀。

实施本实用新型，具有如下有益效果：本实用新型是根据空气动力学原理，采用真空泵驱动空气流动和氧气排出，实现了养殖液的往返式流动和整体循环流动，并对管内气体的排出和外部气体的进入交换能够进行精细调控，具有耗能极低、结构简单、容易进行标准化的生产组装等特点，为光合微生物大规模的工业生产装备制造提供借鉴。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型光合反应器较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

当前封闭式光合反应器有管道式、平板式、柱状气升式、搅拌罐发酵式、薄膜袋平放、斜放、吊立式等类型，其中以管道式光合反应器最有发展前景，然而，管道式光合反应器具有的活性氧的排除问题、动力系统对细胞易于造成损伤的剪切力问题、管道较难清洗和不能完全封闭式运转等难题一直没有得到根本上的解决。

本实用新型的主要创新点在于，在光合反应器的光合反应管100两端分别连接空气源200和真空泵300，借助真空泵300的抽气作用，使得从空气源200进入的空气有规律的沿着光合反应管100流动，最后从真空泵300中流出，不断带出光合作用产生的氧气，另外，空气沿着光合反应管100流动的过程中充分与微生物培养液接触，以溶解光合作用必须的二氧化碳，同时可以起到搅拌培养液的作用，维持高效、连续、高纯度的光合微生物培养。

图1示出了本实用新型光合反应器较佳实施例的结构，如图1所示，光合反应器包括用于容纳光合微生物培养液的光合反应管100，光合反应管100的两端分别连接空气源200和真空泵300。为了使得空气能够顺利进入光合反应管100并沿着光合反应管100持续流动，光合反应管100整体上应该具有持续向上的倾斜角，例如螺旋向上的蛇形管。光合反应管100中局部位置的向下倾斜和水平设置也不会对空气的持续流动构成影响，因为伴随着空气在向下倾斜位置和水平位置的积累，在向下倾斜位置和水平位置形成局部位置的无液区或者无液段，更多的空气进入该无液区或者无液段后会继续沿着光合反应管100持续流动，最终从真空泵300流出，带出光合反应管100中光合微生物光合作用产生的氧气。

本实施例中的光合反应管100的一端通过第一贮液管110与空气源200连接，光合反应管100的另一端通过第二贮液管120和真空泵300连接，空气源200与第一贮液管110密封连接，真空泵300与第二贮液管120密封连接。特别需要说明的是，第一贮液管110、第二贮液管120可以为单独设置的管道，也可以与光合反应管100一体成型设置而作为光合反应管100的一部分。光合反应管100采用透明材料制造，例如玻璃管、亚克力管、PV、PVC、PC、ABS管等。

在本实用新型的另一较佳实施例中，除具有上述技术特征外，光合反应管100中设置有至少一个止回阀400，使得光合反应管100中微生物培养液只能单向流动；第一贮液管110与第二贮液管120通过回流管500相连通，回流管500上设置有电磁阀510；第二贮液管120上设置有排气阀600，排气阀600直接与大气连通，或者通过管道与第一贮液管110共同连接同一个空气源200。优选的，光合反应管100为用透明管道制造并成一定斜角度的多层盘管，盘管直径20mm～300mm，盘管总长1m～2000m；光合反应管100中最大液位差0.1m～9.5m。光合反应管100与第一贮液管110的连接位置为光合反应管100在竖直方向的最底端，该连接位置设置有用于排出杂物的排污阀700，定期把培养液中具有下沉特性的死藻及时排出，同时可以用于排出清洗管道时产生的污水、杂物。

本实用新型的光合反应器进行光合微生物的培养过程中，在光合反应管100中容纳有微生物培养液，包括如下步骤：

S100、将光合反应管100的两端分别连接空气源200和真空泵300；

S200、启动真空泵300，光合反应管100中真空泵300一端的压力低于空气源200一端的压力，从空气源200进入的空气沿着光合反应管100流动、从真空泵300流出。

本实施例中，步骤S100中的空气源200可以根据培养的光合微生物类型做调整，对于抗逆性较强的光合微生物，可以直接使用未作过滤处理的空气作为空气源200，将空气存入加压罐后与光合反应管100连通，或者直接将光合反应管100与外界环境连通；对于抗逆性较差的光合微生物，需要使用过滤处理后的空气作为空气源200，光合反应管100直接与空气过滤器连接，或者在光合反应管100和空气过滤器之间设置存气罐，以持续供应过滤后的空气。

步骤S200中，启动真空泵300后，光合反应管100的两端会产生压力差，即光合反应管100中真空泵300一端的压力低于空气源200一端的压力，该压力差的存在迫使空气进入光合反应管100。

步骤S100中光合反应管100与空气源200、真空泵300之间的连接分别通过第一贮液管110、第二贮液管120实现。本实施例的光合微生物的培养方法在正压和负压下均可工作，具体到步骤S200中，第二贮液管120中的相对压力为-0.01MPa～0.95MPa，相对压力是一种以大气压力作为基准所表示的压力，但是无论第二贮液管120中的相对压力为正压还是负压，第一贮液管110中的气压大于第二贮液管120中的气压，两者之间的压力差为500Pa～0.1MPa，只要此压力差存在，空气即可顺利进入光合反应管100并顺利排出产生的氧气，光合微生物的培养过程即可正常进行。

在本实用新型的光合反应器进行光合微生物的培养过程中，具有两种不同实施方式，在实施方式Ⅰ中，除具有上述技术特征外，步骤S200还包括：

S201、真空泵300启动后，第一贮液管110和第二贮液管120中的压力差、液位差逐渐增大；

S202、当液位低于第一贮液管110的底部时，空气进入光合反应管100并沿着光合反应管100流动，直至进入第二贮液管120并从真空泵300流出，第一贮液管110和第二贮液管120中的压力差趋于稳定。

在实施方式Ⅰ中，步骤S201中真空泵300启动后，第一贮液管110和第二贮液管120中开始形成压力差并逐渐增大，第一贮液管110中的液位下降，第二贮液管120中的液位上升。步骤S202中，第一贮液管110中的液位下降至底部时以气泡的形式顺利进入光合反应管100，由于空气密度大大小于培养液密度，并且光合反应管100具有持续向上倾斜角，借助气泡自身的浮力即可逐渐上升，表现为空气沿着光合反应管100流动，直至进入第二贮液管120，使得第二贮液管120中的压力不会随着真空泵300的工作而持续降低，当真空泵300每分钟抽气量与进入光合反应管100中的空气气量相同后，气泡即在整个反应器内成规律上升，第一贮液管110和第二贮液管120中的压力差保持在一个较稳定的范围内。

在实施方式Ⅱ中，除具有上述技术特征外，步骤S202之后还包括：

S203、当第一贮液管110和第二贮液管120中的压力差趋于稳定后，关闭真空泵300，打开电磁阀510和排气阀600，微生物培养液从第二贮液管120中沿着回流管500进入第一贮液管110，第一贮液管110和第二贮液管120中的液位差逐渐变小；

S204、关闭电磁阀510和排气阀600，转入步骤S201，直至微生物的光合培养过程完毕。

在实施方式Ⅱ中，提供了一种真空泵300间歇工作的培养方式，不同于前述实施例中真空泵300连续工作方式只需要常规光合反应管100即可工作。步骤S203中真空泵300启动后，排气阀600可以连通过滤过的空气，也可以直接与大气相连通，具体根据具体微生物种类做选择，最优选是直接连通空气源200。当第一贮液管110和第二贮液管120中的压力差趋于稳定后，第一贮液管110和第二贮液管120中具有最大的液位差和压力差，关闭真空泵300、打开电磁阀510和排气阀600之后，第一贮液管110和第二贮液管120中的气压相等，由于止回阀400的存在，第二贮液管120中的微生物培养液无法直接回流进入光合反应管100中，只能从第二贮液管120中沿着回流管500进入第一贮液管110，第一贮液管110和第二贮液管120中的液位差逐渐变小。步骤S204中，重新回到步骤S201的状态，即关闭电磁阀510和排气阀600、启动真空泵300，如此循环，直至微生物的光合培养过程完毕。

上述实施例中的光合微生物的培养方法中，可以与其它现有技术混搭使用，例如在光合反应管100上连通理化指标在线监测仪和自动控制箱，可依据设定的理化指标，在其变动达到一定值后可自动指示自动控制箱启动本机，依用户条件而配置的人工照明，人工加热、人工降温，自动启动。针对培养液的PH值及各种必备营养元素的变化，理化指标在线检测仪将提示用户添加调整。这样可使光合微生物不受各种水泵工作产生的机械损伤，及时排出氧气吸收二氧化碳，均匀接收阳光或灯光，维持高效、连续、高纯度生产。

显然，上面描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

Claims (4)

1.一种光合反应器，包括用于容纳光合微生物培养液的光合反应管(100)，其特征在于，所述光合反应管(100)的一端通过第一贮液管(110)与空气源(200)连接，所述光合反应管(100)的另一端通过第二贮液管(120)和真空泵(300)连接，所述空气源(200)与所述第一贮液管(110)密封连接，所述真空泵(300)与所述第二贮液管(120)密封连接。

2.根据权利要求1所述的光合反应器，其特征在于，所述光合反应管(100)中设置有至少一个止回阀(400)；所述第一贮液管(110)与所述第二贮液管(120)通过回流管(500)相连通，所述回流管(500)上设置有电磁阀(510)；所述第二贮液管(120)上设置有排气阀(600)。

3.根据权利要求1所述的光合反应器，其特征在于，所述光合反应管(100)为用透明管道制造并成一定斜角度的多层盘管，盘管直径20mm～300mm，盘管总长1m～2000m；所述光合反应管(100)中最大液位差0.1m～9.5m。

4.根据权利要求1所述的光合反应器，其特征在于，所述光合反应管(100)与所述第一贮液管(110)的连接位置为所述光合反应管(100)在竖直方向的最底端，该连接位置设置有用于排出杂物的排污阀(700)。