CN211005348U - 一种小型柱式藻类光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种小型柱式藻类光生物反应器，所述光生物反应器包括至少一个反应器柱体、反应器支架、供气装置和控制装置，所述供气装置的压缩空气管路和二氧化碳管路架设在反应器支架上，并连接反应器柱体内部；所述控制装置的pH探头和温度探头设在反应器柱体内部，并通过连接反应器柱体外部的pH控制器、温度控制器和PLC控制装置；所述控制装置还包括LED能量调节器。所述反应器柱体内部设有一个防水补光灯和冷凝支架，所述防水补光灯固定在冷凝支架上；所述防水补光灯包括LED芯片、透明灯罩和防水装置，所述LED芯片包括多种不同波长的芯片，所述LED芯片设在透明灯罩的内部，透明灯罩的顶部安装防水装置；所述LED能量调节器控制LED芯片的能量。

Description

一种小型柱式藻类光生物反应器

技术领域

本实用新型属于藻类养殖设备技术领域，具体涉及一种小型柱式藻类光生物反应器。

背景技术

微藻是一类营养丰富、光合利用度高的自养植物，其生物质含有多种生化物质，如多糖、蛋白质、油脂、碳水化合物、色素等物质，其在陆地和海洋分布广泛，在食品、医药、基因工程、液体燃料等领域具有广阔的开发前景。微藻生长速度快，环境适应性较强，可在光生物反应器中进行光合自培养。雨生红球藻是一种单细胞绿藻，在缺氮、磷或在强光能射条件下，雨生红球藻细胞内虾青素大量累积。天然虾青素世界上最强的天然抗氧化剂之一，能有效清除细胞内的氧自由基，增强细胞再生能力，维持机体平衡和减少衰老细胞的堆积，由内而外保护细胞和DNA健康，从而保护皮肤健康，促进毛发生长，抗衰老、缓解运动疲劳、增强活力。

目前，雨生红球藻的大规模养殖主要采用利用室外自然光线的跑道式培养池，阻碍雨生红球藻跑道式大规模生产的主要因素是生物污染和雨生红球藻培养过程中种群密度低使单位面积产量低所导致成本过高问题。利用管道式光生物反应釜或小型系统组成的生物反应釜培养的雨生红球藻，存在的缺陷是管道壁容易被藻细胞粘连导致培养期间透光性下降、温度不稳定及清洗困难，因此只适合实验室的小规模生产。目前，本领域技术人员在藻类养殖技术领域逐渐开发了密闭式培养器或反应器。

专利CN201220515287.8提供了一种密闭式藻类养殖桶，包含槽体、上盖及至少一发光装置。其中槽体用以容置用于培养藻类的一液体培养基，该槽体为不可透光材质且包含至少一侧壁、一底部以及一上开口，该侧壁沿着该槽体的纵长方向设置，其包含设于其上的一藻类入口端，且该槽体于该纵长方向上有一高度H；该底部与该侧壁相接，包含设于其上的一收集出口端；该上开口位于该槽体的上方；该上盖用以覆盖该上开口，其中该上盖为不可透光材质；发光装置设于该槽体内部，其一端耦接至该上盖，并实质上沿着该纵长方向向下延伸，藉使每一该至少一发光装置的至少一部分可供浸置于该液体培养基的液面下方。

专利CN201310109838.X提供了密闭式藻类养殖系统，具有一藻类供应装置，一第一连通管、至少二槽体与至少二发光装置。该藻类供应装置透过第一连通管分别与该些槽体耦接并形成流体连通。每一槽体由至少一侧壁、一底部以及一上盖所组成，共同界定出一容置空间，用以容纳来自藻类供应装置的藻类培养原液。每一槽体系以不透光材质制成且具有一第一开口与一第二开口。第一开口固设于该至少一侧壁其中一者的上并与该第一连通管耦接。第二开口固设于该底部上，用以排出培养的藻类。至少二发光装置分别与每一槽体的上盖耦接，且往下延伸朝向该槽体容置空间使至少一部份该发光装置浸没至该藻类培养原液的液面下方。

专利CN201210135291.6提供了一种藻类养殖装置及其组合，该装置包括一循环管组，系包括至少两可供容置藻液的直立管，该等直立管系串联设置，包括一位于前端的头管以及位于尾端的尾管，该头管包括一输入口以及该尾管包括一输出口；一容置槽，系连接于该输出口，供容置该尾管所输出的藻液；一动力单元，系包括一进水口以及一出水口，该进水口连接于该容置槽，可供抽出该容置槽所容置的藻液；以及一歧管单元，系连接于该输入口以及该出水口，供接收该动力单元所取得的藻液，并将藻液输送至该输入口。

目前的密闭式藻类培养装置较少且功能尚不完备，尤其是适合于雨生红球藻养殖的密闭式反应器的研究较少，如何提供适合雨生红球藻的光能，且满足大量养殖时的光能、pH、温度和其它有害生物的污染问题，一直是本领域技术人员研究的问题。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种小型柱式藻类光生物反应器，所述光生物反应器包括反应器柱体，所述反应器柱体内部设有至少一个防水补光灯和冷凝支架，所述防水补光灯固定在冷凝支架上；所述防水补光灯为长条形，并竖直放置在所述反应器柱体内部；所述防水补光灯包括LED芯片、透明灯罩和防水装置，所述LED芯片包括多种不同波长的芯片，所述LED芯片设在透明灯罩的内部，透明灯罩的顶部安装防水装置。

所述反应器柱体为立式容器，优选的，所述反应器柱体的直径为5-30cm，高度为100-180cm，可以根据藻类养殖的实际需求，选择合适的柱体尺寸。所述反应器柱体的材质选自不锈钢、塑料或有机玻璃，优选的，所述反应器柱体的材质为不锈钢。

优选的，所述反应器柱体的顶部开口设有可拆卸的面盖，所述面盖上设置各种接口，所述面盖与反应器柱体可拆卸地紧密连接，更优选的，所述面盖与柱体之间设有密封圈和法兰，便于固定连接面盖与反应器柱体，提高所述光生物反应器的密封性。

所述反应器柱体设置在反应器支架上，所述反应器支架用于支撑稳固所述反应器柱体，同时使得所述反应器柱体的底部与地面之间留有空间，便于排出所述反应器柱体内部的藻液或产品。所述反应器支架为多层框架结构，能够同时支撑多个反应器柱体，以及配套的气体、液体管路和所述控制装置。

优选的，所述反应器柱体的数量为2-20个，根据培养藻类的数量，合理选择反应器柱体的数量。更优选的，每个所述反应器柱体配备一套所述控制装置。

所述反应器柱体内部包括一个防水补光灯和冷凝支架，所述防水补光灯固定在冷凝支架上。所述防水补光灯为长条形，并竖直放置在所述反应器柱体内部，防水补光灯的防水装置处于反应器柱体的上部或顶部，优选的，所述防水装置处于藻液液面之上。

所述防水补光灯包括LED芯片、透明灯罩和防水装置，LED芯片包括多种不同波长的芯片，所述LED芯片设在透明灯罩的内部，透明灯罩的顶部安装防水装置。所述LED芯片包括四种不同波长的芯片，

所述多种不同波长为以下两种或两种以上波长：300-400nm、400-500nm、500-600nm或600-780nm，满足藻类不同生长阶段对光能波长的不同需求。

优选的，与波长300-400nm对应的第一LED芯片、与波长400-500nm对应的第二LED芯片、与波长500-600nm对应的第三LED芯片、与波长600-780nm对应的第四LED芯片安装在导热铝板上，多块所述导热铝板围绕组成多面体，形成集成封装体，所述封装体设置在透明灯罩的内部。

优选的，所述LED芯片安装在灯板上，形成集成封装体，然后所述封装体设置在透明灯罩的内部。

优选的，所述LED芯片安装在导热铝板上，更优选的，多块所述导热铝板围绕组成多面体，形成集成封装体，然后所述封装体设置在透明灯罩的内部，更优选的，不同波长的所述LED芯片均匀安装在每一块导热铝板的外表面，对所述反应器柱体内的藻液进行1-360度照射。

所述导热铝板为长条形，不同波长的LED芯片贴合在导热铝板面向不同方向的外表面上，优选的，所述导热铝板同一面上设有不同波长的LED芯片，实现360度无死角光照。所述导热铝板同一面上的LED芯片串联或并联连接，芯片的电路汇聚后，从所述多面体底部的开口进入多面体内部，再从多面体顶部的开口伸出防水装置，再连接外部的电源或控制装置，所述电路的电线外部套有防水绝缘层。

所述防水补光灯的供电线路从所述面盖上的电路接口延伸出所述反应器柱体，然后连接LED能量调节器和功率显示仪，所述LED能量调节器包括第一能量调节器和第二能量调节器，第一能量调节器用于控制防水补光灯的第一LED芯片和第二LED芯片的能量，第二能量调节器用于控制防水补光灯的第三LED芯片和第四LED芯片的能量。所述功率显示仪测量防水补光灯的功率，所述功率由发光的所述LED芯片的数量和波长决定，不同单个LED芯片可独立使用或组合使用。

具体的，所述LED能量调节器调节防水补光灯的总光量子通量密度为25-1000mmol/m²·s，优选的，所述总光量子通量密度为25-500mmol/m²·s，更优选的，所述总光量子通量密度为25-100mmol/m²·s。所述防水补光灯的工作时间为藻类细胞迅速生长增殖的培养周期，所述培养周期为60-300小时，优选的，所述培养周期为60-150小时，更优选的，所述培养周期为60-100小时。所述防水补光灯的总和功率为60-15000W。

优选的，所述透明灯罩内部填充无色透明硅油，所述LED芯片浸没在无色透明硅油中，所述硅油能够吸收LED芯片发光时发出的热量，提高所述防水补光灯的散热性能，使得防水补光灯能够承受较高功率或较长时间的工作，另外，所述硅油对光线的透过保真率比空气好，不影响LED芯片发出的光线。

所述透明灯罩保护LED芯片和电路，将藻液与LED芯片隔离开来。所述透明灯罩为长条桶形，且底部封口，顶部具有开口，所述顶部的开口允许LED芯片、电路和无色透明硅油进出透明灯罩。

所述防水补光灯还包括排气管，所述排气管设置在LED芯片的防水电路中，并从防水装置穿出所述反应器柱体，无色透明硅油受热后体积膨胀，排气管能够将透明灯罩内的多余空气导出，防止透明灯罩内部压力过大。

所述防水装置设置在透明灯罩的顶部开口，并密封顶部开口，同时允许LED芯片的电路穿出防水装置。例如，所述防水装置为硅胶盖帽，并配有卡箍，所述卡箍提供锁紧密封作用。

所述冷凝支架包括上冷凝支架和下冷凝支架，所述上冷凝支架固定支撑所述防水补光灯的中上部，所述下冷凝支架固定支撑所述防水补光灯的中下部，优选的，所述上冷凝支架固定支撑所述防水补光灯的上部，所述下冷凝支架固定支撑所述防水补光灯的底部。

所述冷凝支架为中空的管状，并浸没在藻液液面以下，用于平衡反应器柱体内部的温度。所述冷凝支架中通入冷却水，能够将所述防水补光灯发出的大量热量和藻类生长代谢过程中释放的多余热量带出反应器柱体，使得反应器柱体内部的温度始终保持在适宜藻类生长代谢的温度范围内。所述冷凝支架调节所述反应器柱体内部的温度为15-30℃，优选的，所述温度为20-25℃。所述冷凝支架对温度的调节与防水补光灯提供的多维度、可调节的光照条件相结合，为藻类提供适宜的生长环境，促进藻类生长和累积虾青素。

所述上冷凝支架和下冷凝支架采用串联或并联的方式，将上冷凝支架和下冷凝支架的进口和出口分别连接冷水进水管和冷水出水管，所述冷水进水管和冷水出水管从所述面盖上的冷凝水接口延伸出所述反应器柱体，并连接冷水机。

优选的，所述冷水进水管和冷水出水管分别设有冷凝水控制阀门，便于操作人员手动控制冷凝水供给。

所述光生物反应器还包括供气装置和控制装置。所述供气装置包括二氧化碳流量计、空气流量计、压缩空气管路和二氧化碳管路，所述空气流量计和二氧化碳流量计分别接入压缩空气管路和二氧化碳管路，所述压缩空气管路和二氧化碳管路分别向反应器柱体内通入压缩空气和二氧化碳，所述压缩空气管路和二氧化碳管路架设在所述反应器支架上。

所述控制装置包括pH探头、pH控制器、温度探头、温度控制器、PLC控制装置、LED能量调节器、功率显示仪、冷凝水流量计和控制箱。所述控制箱的正面设有功能指示灯、LED控制开关、二氧化碳控制开关和总开关；所述PLC控制装置设在控制箱的内部，所述pH探头、pH控制器、温度探头、温度控制器、LED能量调节器、功率显示仪、二氧化碳流量计、空气流量计、冷凝水流量计、无纸记录仪通过线路连接所述PLC控制装置，并由PLC控制装置控制协调。所述pH探头和温度探头没入培养液中，所述防水补光灯通过线路连接LED能量调节器和功率显示仪。

所述反应器柱体内部设有至少一个温度探头，所述温度探头没入藻液液面以下，温度探头的线路通过所述面盖上的电路接口延伸出反应器柱体，再连接温度控制器。所述控制装置连接所述冷水机，当反应器柱体内温度较高时，控制装置启动冷水机，冷却水在冷凝支架中的运动带走多余热量，当反应器柱体内温度较低时，控制装置暂停冷水机。

所述供气装置为光生物反应器提供藻类生长所需的二氧化碳和空气。所述压缩空气管路和二氧化碳管路的一端分别连接压缩空气气源和二氧化碳气源，另一端分别连接空气流量计和二氧化碳流量计，压缩空气和二氧化碳经过各自的流量计后合并流入进气管，所述进气管从所述面盖上的进气接口接入反应器柱体，面盖上也设有气体出口，平衡柱体内外气压；所述二氧化碳流量计和空气流量计分别计量、调节二氧化碳流量和压缩空气流量。

所述二氧化碳气源为工业二氧化碳，压缩空气气源为空气经过空气压缩机形成的压缩空气，二氧化碳作为藻类生长所需的碳源。

优选的，所述压缩空气管路和二氧化碳管路上分别安装无菌过滤器，对进入反应器柱体内的气体进行杀菌过滤，防止柱体内的藻液受到细菌或微生物的污染。

优选的，所述压缩空气管路和二氧化碳管路上分别设置压缩空气阀门和二氧化碳阀门，更优选的，所述压缩空气阀门设在压缩空气气源与空气流量计之间，二氧化碳阀门设在二氧化碳气源与二氧化碳流量计之间，当某一个光生物反应器暂停使用后，关闭压缩空气阀门和二氧化碳阀门，灵活控制压缩空气和二氧化碳的供给。

优选的，所述光生物反应器还包括曝气装置，所述曝气装置选自曝气石或曝气管，并设置在所述柱体的底部。所述面盖上的进气接口连接气管，所述气管延伸到反应器柱体的底部，并连接所述曝气管或设置在所述曝气石的下方，使得二氧化碳与压缩空气混合并经过曝气装置变成气泡，排入反应器内部，随着气泡的上升，促进藻液的扰动，从而使藻类细胞的生长处于悬浮状态。调控所述二氧化碳流量计和空气流量计，使反应器柱体内的藻液处于流动状态，并保持藻液的营养组成、溶解氧浓度和pH值的调控性，防止藻类堆积而导致有害细菌滋生和缺少碳源，最终造成藻类的死亡。

所述反应器柱体的内部设置至少一个pH探头，所述pH探头没入藻液中，pH探头的线路通过所述面盖上的电路接口延伸并连接所述反应器柱体外部的pH控制器，所述pH控制器通过PLC控制装置连接所述二氧化碳流量计。所述pH探头用于实时监测藻液的pH值是否适合藻类生长，藻类在生长和代谢过程中会产生多种营养物和排泄物，这些物质部分释放进藻液中，会改变藻液的pH值，藻液的pH值是影响藻类生长和代谢的关键因素。

优选的，所述pH探头的数量为2-5个，便于监测不同位置藻液的pH值。

所述pH探头的设置位置选自所述反应器柱体内部的上部、中部和下部，优选的，所述pH探头设在反应器柱体内的中部。

本实用新型将藻液的pH值与藻类生长所需的碳源二氧化碳相结合，进行调控。由于二氧化碳溶于藻液后，藻液显酸性，pH值降低，本实用新型由此建立了二氧化碳与pH值的联系，通过实时监测藻液pH值，联动调整二氧化碳的流量，进而同时达到控制藻类碳源供给量和藻液pH值的双重目的。

本实用新型发现藻液的pH值控制在6-8范围内，有利于藻类生长，同时藻液pH值和二氧化碳碳源供给均最大化促进藻类生长，优选的，所述pH值为6.5-7。同时，二氧化碳流量为0.05-1L/min，优选的，二氧化碳流量为0.05-0.3L/min；空气流量为0.7-10L/min，优选的，空气流量为0.7-5L/min。本实用新型发现藻液pH值和二氧化碳流量同时满足上述条件时，藻液中藻类生长情况良好。

提供给所述光生物反应器的培养液、藻种等液体从所述面盖上的加料接口进入柱体内部，也可以打开所述面盖，从所述反应器柱体的顶部开口进入柱体内部，为所述光生物反应器提供培养液、藻种及其它藻类生长代谢所需的液体。

所述反应器柱体的下部设有取样阀，所述取样阀用于实时从反应器柱体内取样，监测藻类在生长过程中的情况，判断采收时机或调整藻类培养环境的各个参数。

所述反应器柱体的底部设有采收阀，用于将培养完成的藻类排出所述柱体，优选的，所述采收阀通过管道连接藻类处理装置，最终获得有价值的产品。

优选的，所述反应器柱体内还包括液面检测装置，所述液面检测装置包括压力传感器和电容传感器，用于监测反应器柱体内的藻液高度。

所述控制装置用于控制所述防水补光灯、温度探头、pH探头、二氧化碳流量计和空气流量计。所述LED能量调节器、功率显示仪、pH控制器、温度控制器、无纸记录仪、二氧化碳流量计和空气流量计设在控制箱的正面。所述控制箱安装在反应器支架的侧面。

优选的，所述冷凝水流量计设在所述反应器支架的侧面，并连接所述温度控制器，所述冷水进水管和冷水出水管架设在反应器支架的框架上。

具体的，所述LED能量调节器包括第一能量调节器和第二能量调节器，第一能量调节器用于控制防水补光灯的第一LED芯片、第二LED芯片的能量，第二能量调节器用于控制防水补光灯的第三LED芯片和第四LED芯片的能量，满足雨生红球藻不同生长阶段所需波长能量的调节，控制所述防水补光灯的工作时间和所发出光的能量，所述功率显示仪连接并测量防水补光灯的功率。

所述pH控制器能够预先设置藻液的pH值，并显示实测pH值。pH控制器连接并控制pH探头，pH探头采集藻液的pH值数据传回pH控制器和PLC控制装置，PLC控制装置根据实测pH值相比于预设pH值的升高或降低，联动控制二氧化碳流量计相应地加大或减小二氧化碳的流量，使得藻液pH值回归预设pH值，藻类pH值通过pH探头不断反馈给pH控制器和PLC控制装置；同时，所述PLC控制装置根据原料藻种的数量和藻类培养的时间，合理控制二氧化碳的流量，保证二氧化碳碳源的充足供给；另一方面，所述PLC控制装置根据二氧化碳的流量，相应控制空气流量计并调整空气流量，保证藻类的氧气供给。

所述温度探头通过线路连接温度控制器，温度控制器控制冷却水的供给，即控制所述冷水机，所述温度控制器能够预先设置藻液的温度，并显示实测温度，温度探头实时检测藻液温度数据，并传回温度控制器，温度控制器根据实测温度与预设温度的高低控制冷却水的供给，冷却水带走所述反应器柱体内防水补光灯和藻类生命活动产生的多余热量。

优选的，所述液面检测装置通过线路连接PLC控制装置，实时监测反馈所述反应器柱体内的液面高度，在供液、取样、排液和清洗过程中发挥作用。

所述无纸记录仪用于存储pH值、温度、功率的数据，所述总开关控制所述控制装置的电源供给。所述功能指示灯用于显示所述光生物反应器的功能运行状态，例如防水补光灯、二氧化碳、压缩空气、pH探头、温度探头、液位检测装置。

所述LED控制开关用于切换防水补光灯的手动或自动工作模式，所述二氧化碳控制开关用于控制二氧化碳流量计的手动或自动工作模式。上述自动模式是由PLC控制装置根据预先设定的各个参数的设定值，自动控制各个部件的工作，上述手动模式是由操作人员实时观察各个实测参数值，手动调节各个部件。

本实用新型所述的藻类优选为雨生红球藻，所述原料藻种优选为雨生红球藻藻种。

本实用新型提供的所述光生物反应器解决了现有传统微藻养殖方式受天气、光线、污染、环境温度等不良影响问题，进一步解决了微藻在自然环境中生长稳定性差、速度过慢的问题。通过给微藻提供针对性适合光合作用的光谱和良好、稳定的养殖环境，可以大幅提高微藻生长的速度，单位面积产量较高，大幅度减少微藻受自然环境因素的影响、重金属污染、真菌感染和其他藻类竞争等问题，并且缩短了微藻的生长周期。采用本实用新型所述的光生物反应器养殖雨生红球藻，可以促使雨生红球藻中虾青素含量高达细胞干重的2.5-5％，而采用传统太阳光或荧光管等培养雨生红球藻生成的虾青素含量最高不足细胞干重的1.8-2.0％。所述的光生物反应器通过模组化、标准化，可进一步解决大规模养殖微藻时出现批量壶菌交叉感染或大面积污染导致大批微藻死亡的问题。

附图说明

图1所示为本实用新型的光生物反应器的正面结构图。

图2所示为本实用新型的光生物反应器的背面结构图。

图3所示为防水LED灯的导热铝板的结构图。

图4所示为防水LED灯的结构图。

附图中，1-反应器支架，2-上冷凝支架，3-温度探头，4-反应器柱体，5-取样阀，6-下冷凝支架，7-防水补光灯，701-LED芯片，702-导热铝板，703-透明灯罩，704-防水盖帽，705-无色透明硅油，706-电路，707-排气管，8-曝气石，9-供电线路，10-冷水出水管，11-冷水进水管，12-压缩空气管路，13-二氧化碳管路，14-冷凝水控制阀门，15-二氧化碳阀门，16-压缩空气阀门，17-第一能量调节器，18-功率显示仪，19-空气流量计，20-第二能量调节器，21-pH控制器，22-温度控制器，23-冷凝水流量计，24-无纸记录仪，25-功能指示灯，26-LED控制开关，27-二氧化碳控制开关，28-pH探头，29-控制箱，30-总开关，31-采收阀，32-二氧化碳流量计，33-面盖，34-气管。

具体实施方式

实施例1

本实施例的小型柱式藻类光生物反应器的结构如图1和2所示，本实施例的藻类为雨生红球藻，藻种为雨生红球藻藻种。小型柱式藻类光生物反应器的主体为反应器柱体4，反应器柱体4为立式圆柱形容器，反应器柱体4的直径为30cm，高度为180cm，反应器柱体4的材质为有机玻璃，便于观察内部情况。反应器柱体4的顶部开口设有可拆卸的面盖33，面盖33上设置进气接口、气体出口、加料接口、电路接口和冷凝水接口，面盖33与反应器柱体4可拆卸地密封连接。

反应器柱体4设置在反应器支架1上，反应器支架1用于支撑稳固反应器柱体4，同时使得反应器柱体4的底部与地面之间留有空间，便于排出反应器柱体4内部的藻液或产品。反应器支架1为框架结构，能够同时支撑四个反应器柱体4，以及配套的气体管路、液体管路和控制装置，每个反应器柱体4配备一套控制装置和供气装置。

每个反应器柱体4内部包括一个防水补光灯7和冷凝支架，防水补光灯7固定在冷凝支架上。防水补光灯7的结构如图3-4所示，防水补光灯7为长条形，并竖直放置，防水补光灯7的防水装置为防水盖帽704，防水盖帽704处于藻液液面之上。防水补光灯7包括LED芯片701、透明灯罩703和防水盖帽704，LED芯片701包括四种不同波长的芯片，LED芯片701设在透明灯罩703的内部，透明灯罩703的顶部安装防水盖帽704。

防水补光灯7包括第一LED芯片、第二LED芯片、第三LED芯片和第四LED芯片，第一LED芯片发出光线的波长为300-400nm，第二LED芯片发出光线的波长为400-500nm，第三LED芯片发出光线的波长为500-600nm，第四LED芯片发出光线的波长为600-780nm，满足藻类不同生长阶段对光能波长的不同需求。

LED芯片701安装在导热铝板702上，导热铝板702为长条形，四块导热铝板702围绕组成四面体，并形成封装体，封装体设置在透明灯罩703的内部。四种波长的LED芯片701均匀、成排安装在每一块导热铝板702的外表面，对反应器柱体4内的藻液进行1-360度照射。导热铝板702为长条形，导热铝板702同一面上的LED芯片701串联连接，芯片的供电线路汇聚后，从封装体底部的开口进入封装体内部，再从封装体顶部的开口伸出防水盖帽704，再连接外部的电源或控制装置，供电线路的电线外部套有防水绝缘层。

防水补光灯7的供电线路9从面盖33上的电路接口延伸出反应器柱体4，然后连接LED能量调节器和功率显示仪18，LED能量调节器包括第一能量调节器17和第二能量调节器20，第一能量调节器17用于控制防水补光灯7的第一LED芯片和第二LED芯片的能量，第二能量调节器20用于整体控制防水补光灯7的第三LED芯片和第四LED芯片的能量，功率显示仪18计量和调节防水补光灯7的功率。

具体的，LED能量调节器调节防水补光灯7的总光量子通量密度为25-1000mmol/m²·s。防水补光灯的工作时间为藻类细胞迅速生长增殖的培养周期，培养周期为60小时。

透明灯罩703内部填充无色透明硅油705，LED芯片701浸没在无色透明硅油705中，无色透明硅油705能够吸收LED芯片701发光时发出的热量，提高防水补光灯7的散热性能，使得防水补光灯7能够承受较高功率或较长时间的工作，另外，无色透明硅油705对光线的透过保真率比空气好，不影响LED芯片701发出的光线。

透明灯罩703保护LED芯片701和电路706，将藻液与LED芯片701隔离开来。透明灯罩703为长条桶形，且底部封口，顶部具有开口，顶部的开口允许LED芯片701、电路706和无色透明硅油705进出透明灯罩703。

防水补光灯7还包括排气管707，排气管707设置在LED芯片701的电路706中，并从防水盖帽704穿出反应器柱体4，无色透明硅油705受热后体积膨胀，排气管707能够将透明灯罩703内的多余空气导出，防止透明灯罩703内部压力过大。

防水盖帽704设置在透明灯罩703的顶部开口，并密封顶部开口，同时允许LED芯片701的电路706穿出防水盖帽704。防水盖帽704为硅胶盖帽，内部中空，上下各配有一个配有卡箍，卡箍提供锁紧密封作用。

冷凝支架包括上冷凝支架2和下冷凝支架6，上冷凝支架2固定支撑防水补光灯7的上部，下冷凝支架6固定支撑防水补光灯7的底部。

冷凝支架为中空的管状，并浸没在藻液液面以下。冷凝支架中通入冷却水，能够将防水补光灯7发出的大量热量和藻类生长代谢过程中释放的多余热量带出反应器柱体，使得反应器柱体4内部的温度始终保持在适宜藻类生长代谢的温度范围内。冷凝支架调节反应器柱体4内部的温度为25℃。冷凝支架对温度的调节与防水补光灯7提供的多维度、可调节的光照条件相结合，为藻类提供适宜的生长环境，促进藻类生长和累积虾青素。

上冷凝支架2和下冷凝支架6采用并联的方式，将上冷凝支架2和下冷凝支架6的进口和出口分别连接冷水进水管11和冷水出水管10，冷水进水管11和冷水出水管10从面盖33上的冷凝水接口延伸出反应器柱体4，并连接冷水机。冷水进水管11和冷水出水管10分别设有冷凝水控制阀门14，便于操作人员手动控制冷凝水供给。

反应器柱体4内部设有一个温度探头3，温度探头3没入藻液液面以下，温度探头3的线路通过面盖33上的电路接口延伸出反应器柱体4，再连接控制装置，控制装置连接冷水机，当反应器柱体4内温度较高时，控制装置启动冷水机，冷却水在冷凝支架中的运动带走多余热量，当反应器柱体4内温度较低时，控制装置暂停冷水机。

光生物反应器还包括供气装置，为光生物反应器提供藻类生长所需的二氧化碳和空气。供气装置包括二氧化碳流量计32、空气流量计19、压缩空气管路12和二氧化碳管路13，压缩空气管路12和二氧化碳管路13的一端分别连接压缩空气气源和二氧化碳气源，另一端分别连接空气流量计19和二氧化碳流量计32，压缩空气和二氧化碳经过各自的流量计后合并流入进气管，进气管从面盖33上的进气接口接入反应器柱体4，面盖33上也设有气体出口，平衡柱体内外气压；二氧化碳流量计32和空气流量计19分别计量、调节二氧化碳流量和压缩空气流量。

二氧化碳气源为工业二氧化碳，压缩空气气源为空气经过空气压缩机形成的压缩空气，二氧化碳作为藻类生长所需的碳源。

压缩空气管路12和二氧化碳管路13上分别安装无菌过滤器，对进入反应器柱体4内的气体进行杀菌过滤，防止柱体内的藻液受到细菌或微生物的污染。

压缩空气管路12和二氧化碳管路13架设在反应器支架1的框架上。压缩空气阀门16设在压缩空气气源与空气流量计19之间，二氧化碳阀门15设在二氧化碳气源与二氧化碳流量计32之间，当某一个光生物反应器暂停使用后，关闭该光生物反应器的压缩空气阀门16和二氧化碳阀门15，灵活控制压缩空气和二氧化碳的供给。

光生物反应器还包括曝气石8，并设置在柱体的底部。面盖33上的进气接口连接气管34，气管34延伸到反应器柱体4的底部，并设置在曝气石8的下方，使得二氧化碳与压缩空气混合并经过曝气石8变成气泡，排入反应器内部，随着气泡的上升，促进藻液的扰动，从而使藻类细胞的生长处于悬浮状态。调控二氧化碳流量计32和空气流量计19，使反应器柱体4内的藻液处于流动状态，并保持藻液的营养组成、溶解氧浓度和pH值的调控性，防止藻类堆积而导致有害细菌滋生和缺少碳源，最终造成藻类的死亡。

反应器柱体4的中部设置一个pH探头28，pH探头28没入藻液中，pH探头28的线路通过面盖33上的电路接口延伸并连接反应器柱体4外部的pH控制器21，pH控制器21通过PLC控制装置连接二氧化碳流量计32。pH探头28用于实时监测藻液的pH值是否适合藻类生长，藻类在生长和代谢过程中会产生多种营养物和排泄物，这些物质部分释放进藻液中，会改变藻液的pH值，藻液的pH值是影响藻类生长和代谢的关键因素。

本实施例将藻液的pH值控制在6.8，有利于藻类生长，同时藻液pH值和二氧化碳碳源供给均最大化促进藻类生长。同时，二氧化碳流量为0.3L/min，空气流量为5L/min。

提供给光生物反应器的培养液、藻种等液体从面盖33上的加料接口进入柱体内部，也可以打开面盖33，从反应器柱体4的顶部开口进入柱体内部，为光生物反应器提供培养液、藻种及其它藻类生长代谢所需的液体。

反应器柱体4的下部设有取样阀5，取样阀5用于实时从反应器柱体4内取样，监测藻类在生长过程中的情况，判断采收时机或调整藻类培养环境的各个参数。反应器柱体4的底部设有采收阀31，用于将培养完成的藻类排出柱体，获得有价值的产品。

光生物反应器还包括控制装置，用于控制防水补光灯7、温度探头3、pH探头28、二氧化碳流量计32和空气流量计19。控制装置包括温度探头3、pH探头28、LED能量调节器、PLC控制装置、pH控制器21、功率显示仪18、温度控制器22、无纸记录仪24、冷凝水流量计23和控制箱29，控制箱29的正面设有功能指示灯25、LED控制开关26、二氧化碳控制开关27和总开关30。PLC控制装置设在控制箱29的内部，LED能量调节器、pH控制器21、功率显示仪18、温度控制器22、无纸记录仪24、二氧化碳流量计32和空气流量计19设在控制箱29的正面。LED能量调节器、pH控制器21、温度控制器22、功率显示仪18、二氧化碳流量计32、空气流量计19、无纸记录仪24、冷凝水流量计23通过线路连接PLC控制装置，并由PLC控制装置控制协调。

冷凝水流量计23设在反应器支架1的侧面，并连接温度控制器22，冷水进水管11和冷水出水管10架设在反应器支架1的框架上。控制箱29安装在反应器支架1的侧面。

具体的，LED能量调节器包括第一能量调节器17和第二能量调节器20，第一能量调节器17用于控制防水补光灯7的第一LED芯片和第二LED芯片、的能量，第二能量调节器20用于控制防水补光灯7的第三LED芯片和第四LED芯片的能量，控制防水补光灯7的工作时间和所发出光的能量，功率显示仪18连接并测量防水补光灯7的功率。

pH控制器21能够预先设置藻液的pH值，并显示实测pH值。pH控制器21连接并控制pH探头28，pH探头28采集藻液的pH值数据传回pH控制器21和PLC控制装置，PLC控制装置根据实测pH值相比于预设pH值的升高或降低，联动控制二氧化碳流量计32相应地加大或减小二氧化碳的流量，使得藻液pH值回归预设pH值，藻类pH值通过pH探头28不断反馈给pH控制器21和PLC控制装置；同时，PLC控制装置根据原料藻种的数量和藻类培养的时间，合理控制二氧化碳的流量，保证二氧化碳的充足供给；另一方面，PLC控制装置根据二氧化碳的流量，相应控制空气流量计19并调整空气流量，保证藻类的氧气供给。

温度探头3通过线路连接温度控制器22，温度控制器22控制冷却水的供给，即控制冷水机，温度控制器22能够预先设置藻液的温度，并显示实测温度，温度探头3实时检测藻液温度数据，并传回温度控制器22，温度控制器22根据实测温度与预设温度的高低控制冷却水的供给，冷却水带走反应器柱体4内防水补光灯7和藻类生命活动产生的多余热量。

无纸记录仪24用于存储pH值、温度、功率等数据，总开关30控制控制装置的电源供给。功能指示灯25包括防水补光灯指示灯、二氧化碳指示灯、压缩空气指示灯、pH探头指示灯、温度探头指示灯、冷凝水指示灯、电源指示灯，各指示灯亮起表示对应的设备正在运行，各指示灯熄灭表示对应的设备停止工作。

LED控制开关26用于切换防水补光灯7的手动或自动工作模式，二氧化碳控制开关27用于控制二氧化碳流量计的手动或自动工作模式。上述自动模式是由PLC控制装置根据预先设定的各个参数的设定值，自动控制各个部件的工作，上述手动模式是由操作人员实时观察各个实测参数值，手动调节各个部件。

Claims (10)

1.一种小型柱式藻类光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器包括至少一个反应器柱体、反应器支架、供气装置和控制装置，所述供气装置的压缩空气管路和二氧化碳管路架设在反应器支架上，并连接反应器柱体内部；所述控制装置的pH探头和温度探头设在反应器柱体内部，并通过连接反应器柱体外部的pH控制器、温度控制器和PLC控制装置；所述控制装置还包括LED能量调节器；

所述反应器柱体内部设有一个防水补光灯和冷凝支架，所述防水补光灯固定在冷凝支架上；所述防水补光灯为长条形，并竖直放置在所述反应器柱体内部；所述防水补光灯包括LED芯片、透明灯罩和防水装置，所述LED芯片包括多种不同波长的芯片，所述LED芯片设在透明灯罩的内部，透明灯罩的顶部安装防水装置；所述LED能量调节器控制LED芯片的能量。

2.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述反应器柱体的顶部开口设有可拆卸的面盖，所述反应器柱体设置在反应器支架上，所述反应器支架为多层框架结构。

3.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述多种不同波长为以下两种或两种以上波长：300-400nm、400-500nm、500-600nm或600-780nm。

4.根据权利要求3所述的光生物反应器，其特征在于，与波长300-400nm对应的第一LED芯片、与波长400-500nm对应的第二LED芯片、与波长500-600nm对应的第三LED芯片、与波长600-780nm对应的第四LED芯片安装在导热铝板上，多块所述导热铝板围绕组成多面体，形成集成封装体，所述封装体设置在透明灯罩的内部。

5.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述透明灯罩内部填充无色透明硅油，所述LED芯片浸没在无色透明硅油中；所述防水装置设置在透明灯罩的顶部开口，并密封顶部开口。

6.根据权利要求5所述的光生物反应器，其特征在于，所述防水补光灯还包括排气管，所述排气管设置在LED芯片的防水电路中，并从防水装置穿出所述反应器柱体。

7.根据权利要求4所述的光生物反应器，其特征在于，所述LED能量调节器控制包括第一能量调节器和第二能量调节器，第一能量调节器用于控制防水补光灯的第一LED芯片、第二LED芯片的能量，第二能量调节器用于控制防水补光灯的第三LED芯片和第四LED芯片的能量。

8.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述供气装置包括二氧化碳流量计、空气流量计、压缩空气管路和二氧化碳管路，所述空气流量计和二氧化碳流量计分别接入压缩空气管路和二氧化碳管路，所述压缩空气管路和二氧化碳管路分别向反应器柱体内通入压缩空气和二氧化碳。

9.根据权利要求8所述的光生物反应器，其特征在于，所述控制装置包括pH探头、pH控制器、温度探头、温度控制器、PLC控制装置、LED能量调节器、功率显示仪、冷凝水流量计和控制箱；所述控制箱的正面设有功能指示灯、LED控制开关、二氧化碳控制开关和总开关；

所述PLC控制装置设在控制箱的内部，所述pH探头、pH控制器、温度探头、温度控制器、LED能量调节器、功率显示仪、二氧化碳流量计、空气流量计、冷凝水流量计通过线路连接所述PLC控制装置，并由PLC控制装置控制协调；所述pH探头和温度探头没入培养液中，所述防水补光灯通过线路连接LED能量调节器和功率显示仪。

10.根据权利要求1-9任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述反应器柱体的数量为2-20个，每个所述反应器柱体配备一套所述控制装置和供气装置。

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