CN211005401U - 一种微藻养殖反应釜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种微藻养殖反应釜，包括反应釜缸体、供气装置和冷凝装置，其特征在于，所述反应釜还包括控制系统和防水LED灯，所述控制系统包括温度控制装置、pH控制装置和至少两个LED驱动控制器，所述温度控制装置与所述冷凝装置配合，调节所述反应釜缸体内温度；所述pH控制装置与所述供气装置配合，调节二氧化碳的供给；所述防水LED灯包括LED芯片，所述LED芯片能够发出适合于藻类生长的多种波长范围的光，所述LED驱动控制器连接并控制所述防水LED灯的波长和能量，为所述反应釜缸体内的藻类提供适宜的生长环境。

Description

一种微藻养殖反应釜

技术领域

本实用新型属于藻类养殖设备技术领域，具体涉及一种微藻养殖反应釜。

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，可在反应釜中进行光合自培养。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。

目前的密闭式微藻培养装置较少且功能尚不完备，尤其是适合于雨生红球藻大规模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能量，尤其是如何满足大规模藻类养殖时藻类对光能和热能的需要，以提高藻类养殖的数量和质量，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微藻养殖反应釜，包括反应釜缸体、供气装置和冷凝装置，所述反应釜还包括控制系统和防水LED灯，所述控制系统包括温度控制装置、pH控制装置和至少两个LED驱动控制器，所述温度控制装置与所述冷凝装置配合，调节所述反应釜缸体内温度；所述pH控制装置与所述供气装置配合，调节二氧化碳的供给；所述防水LED灯包括LED芯片，所述LED芯片能够发出适合于藻类生长的多种波长范围的光，所述LED驱动控制器连接并控制所述防水LED灯的波长和能量，为所述反应釜缸体内的藻类提供适宜的生长环境。

具体的，所述微藻养殖反应釜包括反应釜缸体、供气装置和控制系统，所述供气装置和控制系统设在反应釜缸体的外部，所述反应釜缸体为密闭容器，并设有与外界连通的气体接头、培养液接头、冷却水接头和排水接头，分别用于供气排气、提供培养液、提供冷却水和排出藻液。所述反应釜缸体内部包括至少一个防水LED灯、支架、冷凝管、pH探头和温度探头，所述防水LED灯和冷凝管固定在支架上，所述冷凝管连接所述冷却水接头，所述pH探头和温度探头没入培养液中，所述pH探头、温度探头、防水LED灯和供气装置通过电路连接控制系统。所述防水LED灯包括LED芯片、散热座、透明灯罩和防水装置，所述LED芯片包括四种不同波长的芯片，所述芯片设在散热座上，LED芯片和散热座装在透明灯罩内部，透明灯罩顶部安装防水装置，透明灯罩内部填充透明吸热液体。

所述反应釜缸体选自立式或卧式形式，优选的，所述反应釜缸体为立式容器。更优选的，所述反应釜缸体为圆柱体，更优选的，所述反应釜缸体的直径为10-150cm，高度为150-280cm，可以根据藻类养殖的实际需求，选择合适的缸体尺寸。所述反应釜缸体的材质选自不锈钢、塑料或有机玻璃，优选的，所述反应釜缸体的材质为不锈钢。

优选的，所述反应釜缸体的顶部设有可拆卸的面盖，所述面盖上可以设置各种接头，所述面盖通过卡扣与反应釜缸体连接并密封，更优选的，所述面盖与缸体之间设有密封圈和法兰，便于固定连接面盖与反应釜缸体，提高所述反应釜的密封性。

优选的，所述反应釜缸体的外壁上设有视镜，便于观察反应釜缸体内部的藻类生长情况。

优选的，所述反应釜缸体的下方设有支撑座，用于支撑稳固所述反应釜缸体，同时使得所述反应釜缸体的底部与地面之间留有空间，便于排出所述反应釜缸体内部的藻液或产品。在本实用新型的一个具体实施方式中，所述支撑座为四个支撑脚，且设在反应釜缸体底部的周边，固定支撑反应釜缸体。

所述反应釜缸体内部包括至少一个防水LED灯、支架和冷凝管，所述防水LED灯和冷凝管固定在所述支架上，所述防水LED灯包括LED芯片、透明灯罩、散热部件、排气部件和防水装置，所述LED芯片设在散热部件的外表面，所述LED芯片和散热部件设在透明灯罩内部，LED芯片能够发出适合于藻类生长的多种波长范围的光，透明灯罩顶部安装防水装置。

所述防水LED灯为长条形，并竖直放置在所述反应釜缸体内部，防水LED灯的防水装置处于反应釜缸体的上部或顶部，优选的，所述防水装置处于藻液液面之上。

所述防水LED灯在反应釜缸体中的设置位置选自所述反应釜缸体的上部、中部和下部，优选的，所述防水LED灯设置在反应釜缸体的中部。

所述散热部件包括透明吸热液体和散热座，所述透明吸热液体填充在透明灯罩内部，将所述LED芯片散发的热量导出透明灯罩。

优选的，所述透明吸热液体为无色透明硅油，即所述透明灯罩内部填充无色透明硅油，所述散热座和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LED灯的散热性能，使得防水LED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。

所述散热座为长条桶形，散热座的横截面为多边形，所述LED芯片安装在散热座上，优选的，所述LED芯片成排安装在散热座面向不同方向的外表面上。

优选的，所述LED芯片在散热座的外表面上成排布置，且具有不同波长的LED芯片交错排布，根据实际散热座的长度和所述光生物反应器的养殖藻类数量，合理安排所述LED芯片的设置密度。例如，所述散热座的外表面上设置一排或两排所述LED芯片，其中第一LED芯片和第二LED芯片交错排列，或者第一LED芯片和第三LED芯片交错排列，或者第一LED芯片和第四LED芯片交错排列，或者第一LED芯片、第二LED芯片和第三LED芯片按照任意顺序交错排列，或者第一LED芯片、第二LED芯片和第四LED芯片按照任意顺序交错排列，或者第四LED芯片、第二LED芯片和第三LED芯片按照任意顺序交错排列。

优选的，所述散热座同一面上设有不同波长的LED芯片，实现360度无死角光照。所述散热座同一面上的LED芯片串联或并联连接，芯片的电路汇聚后，从散热座底部的开口进入散热座内部，再从散热座顶部的开口伸出防水装置，再连接外部的电源或控制系统，所述电路的电线外部套有防水绝缘层。

所述散热座的材质为导热性良好的金属，优选的，所述散热座的材质为金属铝，有利于所述LED芯片散热。

所述排气部件连通所述透明灯罩的内部和外部，用于将透明灯罩内部受热膨胀的气体导出所述防水LED灯，保证防水LED灯安全使用。优选的，所述排气部件为排气管，所述排气管设置在LED芯片的防水电路中，所述防水电路能够穿出并所述反应釜缸体连接外部电源。

所述透明吸热液体受热后体积膨胀，同时，透明灯罩内部的空气受热也会膨胀，所述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散热座、电路和透明吸热液体进出透明灯罩。

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。

所述防水LED灯的电路通过防水接头延伸出所述反应釜缸体，然后连接LED驱动控制器。

单个所述LED芯片能够发出一种波长的光。所述多种波长范围选自以下两种或两种以上组合的波长范围：300-400nm、390-420nm、400-500nm、440-470nm、500-600nm、600-780nm或640-680nm。

例如，所述LED芯片包括七种不同波长的芯片，所述LED芯片包括第一LED芯片、第二LED芯片、第三LED芯片、第四LED芯片、第五LED芯片、第六LED芯片和第七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，第五LED芯片发出光线的波长为390-420nm，第六LED芯片发出光线的波长为440-470nm，第七LED芯片发出光线的波长为640-680nm，满足藻类不同生长阶段对光能波长的不同需求。

优选的，所述防水LED灯的照射半径为5-20cm，更优选的，所述防水LED灯的照射半径为10-15cm。根据藻液的密度或养殖藻类的数量，调节所述防水LED灯的照射半径，使得所述反应釜缸体中各个位置的藻类细胞都能接受足够的光能，避免因藻液的密度过大或藻类过多，而造成光照死角。优选的，所述防水LED灯均匀地设置在所述反应釜缸体中。

所述光照控制装置包括若干个LED驱动控制器，所述LED驱动控制器分别控制不同所述LED芯片的功率，使得所述防水LED灯在藻类不同生长阶段，提供不同波长的光照以及不同波长范围的光的能量比。所述LED驱动控制器的个数等于波长的种数，即每个LED驱动控制器控制一组波长相同的LED芯片的功率，进而控制一组波长相同的LED芯片的能量，多个LED驱动控制器即可控制多种波长的光的能量比；当一种波长的LED芯片的功率为零时，该种波长的光熄灭，通过这种方式提供不同波长的光照。

优选的，所述驱动控制器包括第一驱动控制器、第二驱动控制器、第三驱动控制器和第四驱动控制器，所述第一驱动控制器、第二驱动控制器、第三驱动控制器和第四驱动控制器分别控制所述第一发光芯片、第二发光芯片、第三发光芯片和第四发光芯片的光的能量比在(0-100)：(0-100)：(0-100)：(0-100)范围内。

所述LED驱动控制器能够调节单个所述防水LED灯的光量子通量密度为1×10⁴-8×10⁵μmol/m²·s，优选的，所述光量子通量密度为4×10⁵-6×10⁵μmol/m²·s。所述防水LED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LED灯的总和功率为60-15000W。

所述LED驱动控制器能够控制所述防水LED灯在雨生红球藻不同生长阶段提供不同波长的光照。在雨生红球藻在生长增殖及提高种群密度调控阶段，所述防水LED灯的第二LED芯片和第四LED芯片发光，分别提供波长为400-500nm和600-780nm的光照。在雨生红球藻在调控细胞虾青素合成和积累阶段，所述防水LED灯的第一LED芯片、第二LED芯片、第三LED芯片和第四LED芯片均发光，分别提供波长为300-400nm、400-500nm、500-600nm和600-780nm的光照。

优选的，所述反应釜还包括功率变送器，用于测量所述防水LED灯的功率。

本实用新型通过所述LED驱动控制器对防水LED灯的能量、光照时间、LED芯片种类和功率进行调控，即可为雨生红球藻不同的生长阶段提供不同的光量子通量密度和光照周期，本实用新型提供的所述光量子通量密度、培养周期、光照波长和光照功率的条件的相互配合，提供了适合雨生红球藻生长的光照条件，能够大幅提高雨生红球藻生长的速度，缩短生长周期，提高累积虾青素的质量和数量。另一方面，所述防水LED灯设置密度配合上述特定的光照条件的设计，为雨生红球藻提供了全方位、多维度可调节的光照环境，完全替代传统的自然光照或荧光灯照射，克服了自然光照受天气、季节、日照时间、养殖池深度等条件的不利影响。

所述支架包括上支架和下支架，所述上支架固定支撑所述防水LED灯的中上部，所述下支架固定支撑所述防水LED灯的中下部，优选的，所述上支架固定支撑所述防水LED灯的上部，所述下支架固定支撑所述防水LED灯的底部。在本实用新型的一个具体实施方式中，所述上支架和下支架都具有纵横交错的横梁，在两个横梁的交叉处设有卡圈，所述卡圈用于套接并紧固所述防水LED灯。

优选的，所述支架还包括中间支架，所述中间支架连接支撑所述冷凝管，所述中间支架可以采用多种形式，例如，设在上支架和下支架之间的纵向支撑杆和/或横向支撑杆。

所述冷凝装置包括冷凝管和冷水机，所述冷凝管的形状选自直线形、U形、螺旋形或蛇线形中的一种或两种以上的组合，所述冷凝管设在所述反应釜缸体的内部、中部和下部的一处或两处以上的位置。所述冷凝管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连接到所述反应釜缸体外部的冷水机。

优选的，所述冷凝管的形状为螺旋形。所述冷凝管设在所述反应釜缸体的上部、中部和下部的一处或两处以上的位置，并且浸没在藻液液面以下，优选的，所述冷凝管设在反应釜缸体的上部、中部和下部；优选的，所述冷凝管对应所述防水LED灯的位置。

优选的，所述冷凝管的数量为2-10个，冷凝管可以按从上到下的顺序排列在反应釜缸体内，也可以呈阵列或方阵式布置在反应釜缸体内。在本实用新型的一个具体实施方式中，所述反应釜缸体中设有5个螺旋形的冷凝管，且按从上到下的顺序排列。

所述冷凝管中通入冷却水，能够将所述防水LED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釜缸体，使得反应釜缸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。所述冷凝管调节所述反应釜缸体内部的温度为15-30℃，优选的，所述温度为20-25℃。所述冷凝管对温度的调节与防水LED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。

所述冷凝管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连接到所述反应釜缸体的外壁上的冷却水接头，所述冷却水接头通过管道和第一阀门连接到冷水机。优选的，所述冷却水接头设在所述反应釜缸体的上部。

当具有多个冷凝管时，可以采用串联或并联的方式，将每个冷凝管的进口和出口分别与所述冷水进水管和冷水出水管连接，再统一由所述冷却水接头供水或出水。

所述温度控制装置包括温度探头，所述温度探头设在所述反应釜缸体的内部，所述温度探头和冷凝装置通过线路分别连接所述控制系统的PLC控制装置，所述PLC控制装置根据温度探头检测的温度数据控制冷凝装置对所述反应釜进行冷却。

所述温度探头没入藻液液面以下，温度探头的线路通过防水接头延伸出反应釜缸体，再连接PLC控制装置，优选的，所述PLC控制装置连接所述冷水机，当反应釜缸体内温度较高时，控制系统启动冷水机，冷却水在冷凝管中的运动带走多余热量，当反应釜缸体内温度较低时，控制系统暂停冷水机。

所述反应釜还包括供气装置，为所述反应釜缸体提供藻类生长所需的二氧化碳和空气。所述供气装置包括无菌过滤器、气体流量调节计、第一气体接头和第二气体接头，所述二氧化碳气源和空气气源连接无菌过滤器或气体流量调节计，再连接第一气体接头，所述无菌过滤器和气体流量调节计的先后顺序可任意交换，所述第一气体接头作为气体进口，所述第二气体接头作为气体出口，所述第一气体接头和第二气体接头设在反应釜缸体的外壁，并连通反应釜缸体内部。所述气体流量调节计包括二氧化碳流量计和空气流量计，分别调节二氧化碳和空气的流量。

使用时，二氧化碳和空气经过二氧化碳流量计和空气流量计控制流量，然后通过第一气体接头进入反应釜缸体内，二氧化碳和空气经过藻类生长代谢利用后，从第二气体接头再经过所述无菌过滤器，进行灭菌处理，最后排出反应釜缸体。

例如，所述二氧化碳气源为工业二氧化碳，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。

所述第一气体接头和第二气体接头的位置选自反应釜缸体的面盖、缸体中部或缸体底部。

所述二氧化碳和空气也可以经过滤后，单独通入所述反应釜缸体。

所述pH控制装置包括pH探头和pH控制器，所述供气装置包括二氧化碳流量计和空气流量计，二氧化碳和空气分别通过所述二氧化碳流量计和空气流量计为所述反应釜供气，所述pH探头、pH控制器、二氧化碳流量计和空气流量计分别通过线路连接所述PLC控制装置，PLC控制装置根据pH探头检测的pH值的升高或降低，控制二氧化碳流量增大或减小。

所述反应釜缸体的内部设置至少一个pH探头，所述pH探头没入藻液中，并通过线路和防水接头连接所述反应釜缸体外部的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和空气流量计。所述pH控制器和PLC控制系统根据pH探头检测到的pH值得升高或降低，控制供给反应釜缸体的二氧化碳流量增大或减小。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釜缸体内部的上部、中部和下部，优选的，所述pH探头设在反应釜缸体内的中部。

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、二氧化碳流量和空气流量同时满足上述条件时，藻液中藻类生长情况良好。

优选的，所述反应釜还包括曝气装置，更优选的，所述曝气装置为纳米曝气管，所述纳米曝气管的设置位置选自所述反应釜缸体内的中下部或底部，用于将二氧化碳和空气均匀送入所述反应釜缸体内。

纳米曝气管安装简单，更换和调整便捷，成本低。所述纳米曝气管的设置位置选自所述反应釜缸体内的底部或所述下支架上，优选的，所述纳米曝气管均匀排布在所述下支架上，借助下支架上的所述防水LED灯作为定位点或隔离点，均匀铺开纳米曝气管，提高曝气均匀性。

所述纳米曝气管连接所述第一气体接头，无菌二氧化碳和无菌压缩空气的混合气体通过纳米曝气管的孔洞均匀进入藻液，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，使反应釜缸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。

所述反应釜还具有供液和排液的功能，所述供液功能是为所述反应釜提供培养液、补给水或其他反应器供给的藻种藻液。所述排液功能是将所述反应釜缸体中的藻液或清洗液等液体排出。

所述反应釜还包括培养液接头，所述培养液接头将培养液箱与反应釜缸体内部连通，为所述反应釜提供培养液，满足藻类在反应釜缸体内的生长和代谢需求，优选的，所述培养液接头与培养液箱之间设置第二阀门，便于控制培养液的供给。优选的，所述培养液接头设在所述面盖上。

优选的，所述反应釜还包括补给水接头，用于向藻液中补充纯水，根据藻类不同的生长情况调节藻液密度或营养物质密度。所述补给水接头连接反渗透装置，反渗透装置与补给水接头之间设有第三阀门，便于控制纯水的供给。

优选的，所述反应釜还包括原料藻种接头，用于向所述反应釜缸体中加入原料藻种，所述原料藻种接头连接藻种培养箱，藻种培养箱与原料藻种接头之间设有第四阀门，便于控制藻种的供给。

所述反应釜还包括排液装置，用于排出藻液。所述排液装置包括排液接头、多通管件、取样阀、第五阀门和第六阀门。所述排液接头设在所述反应釜缸体的底部，并连接多通管件的一个开口，所述多通管件的其它开口通过管道分别连接取样阀、第五阀门和第六阀门。所述取样阀用于实时取样，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。所述第五阀门为采收阀门，并通过管道连接藻类处理装置，最终获得有价值的产品。所述第六阀门为排泄阀门，并通过管道连接下水管，用于排出废物或清洗液。

任选的，所述取样阀单独设置在所述反应釜缸体的下部或底部，便于操作人员随时取样。

优选的，所述反应釜还包括清洗装置，用于清洗所述反应釜缸体。所述清洗装置包括清洗头和清洗液接头，所述清洗液接头和清洗头分别设在所述反应釜缸体面盖的外表面和内表面，清洗液接头一端连接所述反应釜缸体外部的纯水箱或消毒水箱，另一端连接所述反应釜缸体内部的清洗头，优选的，所述纯水箱或消毒水箱与清洗液接头之间设有第七阀门，优选的，所述清洗头为CIP清洗头，提供360度强劲冲洗力，将所述反应釜缸体内的残留顽固藻类或藻类代谢物冲洗干净。一批藻类养殖完成后，排出所述反应釜缸体，然后打开第七阀门，纯水箱或消毒水箱中的清水或消毒水经过管道进入清洗液接头，最后从所述清洗头中喷入反应釜缸体内，将残留藻类或藻类代谢物冲洗干净，所有污物和清洗液从所述排液装置的第六阀门排出。

优选的，所述反应釜缸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，用于监测反应釜缸体内的藻液高度。在本实用新型的一个具体实施方式中，所述反应釜缸体的底部设有液位传感器，用于监测反应釜缸体内的藻液高度。

所述反应釜缸体内具有多种线路和管路，例如，所述防水LED灯的电路、pH探头的电路、温度探头的电路、二氧化碳的气路、空气的气路，这些线路和管路分别通过多个防水接头接出所述反应釜缸体，再分别连接对应的设备或气源，优选的，所述反应釜缸体外壁上设有线管盒，所述线管盒用于容纳上述线路和管路，保护上述线路和管路，便于操作。

所述反应釜还包括控制系统，用于控制所述防水LED灯、温度探头、pH探头、二氧化碳流量计和空气流量计。所述控制系统包括PLC控制装置和控制箱，所述LED驱动控制器、PLC控制装置、pH控制器和功率变送器设在所述控制箱的内部，所述二氧化碳流量计和空气流量计设在控制箱的内部或外侧。所述LED驱动控制器、pH控制器、功率变送器、二氧化碳流量计、空气流量计、温度探头和液面检测装置通过线路连接所述PLC控制装置，并由PLC控制装置控制协调。

具体的，所述LED驱动控制器连接并控制所述防水LED灯的工作时间和所发出光的波长和能量，所述功率变送器测量防水LED灯的功率。

所述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值回归正常水平，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。本实用新型通过所述PLC控制装置对pH控制器、pH探头、二氧化碳流量计和空气流量计的联动控制，实现对藻类生长环境的各种因素的多维度、协调性控制，为藻类提供适宜的生长环境。

所述温度探头通过线路连接PLC控制装置，PLC控制装置连接并控制冷却水的供给，即控制所述冷水机，温度探头实时检测藻液温度数据，并传回PLC控制装置，PLC控制装置根据温度高低控制冷却水的供给，冷却水带走所述反应釜缸体内防水LED灯和藻类生命活动产生的多余热量。

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釜缸体内的液面高度，在供液、取样、排液和清洗过程中发挥作用。

优选的，所述控制系统还包括排风扇，为所述控制系统及时散热，所述排风扇设在控制箱的侧面的镂空处。

优选的，所述控制箱的外表面还可以设置数据显示屏，用于显示所述反应釜各个参数和运行情况，例如，温度、pH值、二氧化碳流量、空气流量、液位高度，还有防水LED灯的数量、工作时间、波长、功率等参数，便于操作人员观察控制所述反应釜。

优选的，本实用新型的所有接头为快速接头。

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反应釜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反应釜养殖雨生红球藻，可以促使雨生红球藻中虾青素含量高达细胞干重的4.5-8％，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％。所述的反应釜通过模组化、工业化、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反应釜的整个透视图。

图2所示为本实用新型的反应釜的侧面透视图。

图3所示为防水LED灯5的散热座的结构图。

图4所示为防水LED灯5的电路的结构图。

图5所示为防水LED灯5的结构图。

附图中，1-pH探头，2-液位传感器，3-取样阀，4-控制箱，5-防水LED灯，501-排气管，502-端盖帽，503-透明灯罩，504-无色透明硅油，505-第一LED芯片，506-第二LED芯片，507-第三LED芯片，508-第四LED芯片，509-第一LED驱动控制器，510-第二LED驱动控制器，511-第三LED驱动控制器，512-第四LED驱动控制器，513-防水外套，514-灯片，515-散热座，516电路，6-1-上支架，6-2-下支架，7-冷凝管，8-CIP清洗头，9-防水接头，10-1-气体接头，10-2-清洗液接头，10-3-原料藻种接头，10-4-补给水接头，10-5-培养液接头，11-视镜，12-无菌过滤器，13-卡扣，14-密封圈，15-1-二氧化碳流量计，15-2-空气流量计，16-pH控制器，17-功率变送器，18-LED驱动控制器，19-面盖，20-反应釜缸体，21-法兰，22-PLC控制装置，23-排风扇，24-纳米曝气管，25-排液接头，26-中间支架，27-线管盒，28-1-第三阀门，28-2-第四阀门，28-3-第七阀门，28-4-第二阀门，28-5-第五阀门，28-6-第六阀门，28-7-第一阀门，29-温度探头，30-支撑脚。

具体实施方式

实施例1

本实施例的微藻养殖反应釜的结构如图1和2所示，本实施例的藻类或藻细胞为雨生红球藻或雨生红球藻细胞，藻种为雨生红球藻藻种。微藻养殖反应釜的主体为反应釜缸体20，反应釜缸体20为立式圆柱体，直径为100cm，高度为225cm，设计容纳溶液量为1000L，反应釜缸体20的材质为不锈钢。

反应釜缸体20的顶部设有可拆卸的面盖19，面盖19上设置气体接头10-1、清洗液接头10-2、原料藻种接头10-3、补给水接头10-4和培养液接头10-5，面盖19通过卡扣13与反应釜缸体20连接并密封，面盖19与反应釜缸体20之间设有密封圈14和法兰21，便于固定连接面盖19与反应釜缸体20，提高反应釜的密封性。反应釜缸体20的外壁上设有视镜11，便于观察反应釜缸体20内部的藻类生长情况。

反应釜缸体20的下方设有四个支撑脚30，且均匀设在反应釜缸体20底部的周边，用于支撑稳固反应釜缸体20，同时使得反应釜缸体20的底部与地面之间留有空间，便于排出其内部的藻液或产品。

反应釜缸体20内部包括40个防水LED灯5、上支架6-1、下支架6-2和冷凝管7，防水LED灯5和冷凝管7的顶部固定在上支架6-1上，底部固定在下支架6-2上，防水LED灯的照射半径为10cm，且均匀设置，使得反应釜缸体20中各个位置的藻类细胞都能接受足够的光能，避免因藻液的密度过大或藻类过多，而造成光照死角。

防水LED灯5的结构如图3-5所示，防水LED灯5包括LED芯片、密封设置的透明灯罩503、散热部件、排气部件和防水装置，密封设置的透明灯罩503的顶部安装防水装置。

防水LED灯5为长条形，并竖直放置在密闭反应器罐体20的中部，透明灯罩503保护LED芯片和电路516，将藻液与LED芯片隔离开来。透明灯罩503为长条桶形，且底部封口，顶部具有开口，顶部的开口允许散热座515、电路516进出透明灯罩503。

防水LED灯5的防水装置为端盖帽502，端盖帽502设在透明灯罩503的顶部开口，并密封透明灯罩503的顶部开口，同时允许LED芯片的电路516穿出端盖帽502。端盖帽502上下两端设有开口，上下两端的开口使用喉箍锁紧，并处于藻液液面之上。

LED芯片包括第一LED芯片505、第二LED芯片506、第三LED芯片507和第四LED芯片508，第一LED芯片505的波长为300-400nm，第二LED芯片506的波长为400-500nm，第三LED芯片507的波长为500-600nm，第四LED芯片508的波长为600-780nm。

散热部件包括散热液体和散热座515，散热液体为无色透明硅油504，即透明灯罩503内部填充无色透明硅油504，散热座515和LED芯片浸没在无色透明硅油504中，无色透明硅油504能够吸收LED芯片发光时发出的热量，提高防水LED灯5的散热性能，使得防水LED灯5能够承受较高功率或较长时间的工作，另外，无色透明硅油504对光线的透过保真率比空气好，不影响LED芯片发出的光线。

散热座515为横截面为正方形的长条桶形，散热座515的面向不同方向的外表面上分别设有灯片514，LED芯片安装在灯片514上。LED芯片在散热座515的外表面上成排布置，按照第一LED芯片505、第二LED芯片506、第三LED芯片507和第四LED芯片508的顺序从上到下重复排布。散热座515同一面上的LED芯片串联或并联连接，芯片的电路516汇聚后，从散热座515底部的开口进入散热座515内部，再从散热座515顶部的开口伸出端盖帽502，再连接外部的电源或控制系统，电路516的电线外部套有防水外套513。散热座515的材质为金属铝，有利于LED芯片散热。

排气部件为排气管501，排气管501设在防水外套513的内部，与电路516一同伸出透明灯罩503。排气管501连通透明灯罩503的内部和外部，用于将透明灯罩503内部受热膨胀的气体导出防水LED灯5。无色透明硅油504受热后体积膨胀，同时，透明灯罩503内部的空气受热也会膨胀，排气管501能够将透明灯罩503内的多余空气导出，防止透明灯罩503内部压力过大。

防水LED灯5的电路516通过防水接头延伸出密闭反应器罐体20，然后连接LED驱动控制器。

LED驱动控制器通过控制LED芯片的功率，进而控制防水LED灯5在藻类不同生长阶段提供不同波长的光照以及不同波长范围的光的能量比。本实施例包括四个LED驱动控制器，每个LED驱动控制器控制一种波长相同的LED芯片的功率，进而控制一种波长相同的LED芯片的能量，即第一LED驱动控制器509控制第一LED芯片505，第二LED驱动控制器510控制第二LED芯片506，第三LED驱动控制器511控制第三LED芯片507，第四LED驱动控制器512控制第四LED芯片508。当一种波长的LED芯片的功率为零时，该种波长的光熄灭，通过这种方式提供不同波长的光照。

防水LED灯5的光量子通量密度为6×10⁵μmol/m²·s，防水LED灯5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，功率为300W。可以使用功率变送器用于测量防水LED灯5的功率。

支架的材质为不锈钢，支架包括上支架6-1、下支架6-2和中间支架26，上支架6-1和下支架6-2都具有纵横交错的横梁，在两个横梁的交叉处设有卡圈，卡圈用于套接防水LED灯5。中间支架26为固定在上支架6-1和下支架6-2之间的纵向支撑杆，且用于固定冷凝管7。

反应釜缸体20内部包括五个冷凝管7，冷凝管7的形状为螺旋形，且从上到下依次排列在反应釜缸体20的上部、中部和下部，所有冷凝管7浸没在藻液液面以下。冷凝管7中通入冷却水，将防水LED灯5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釜缸体20，使得反应釜缸体20内部的温度始终保持在适宜藻类生长代谢的温度范围内。冷凝管7调节反应釜缸体20内部的的温度为25℃。5个串联的冷凝管7的进口和出口分别连接冷水进水管和冷水出水管，冷水进水管和冷水出水管连接到反应釜缸体20的外壁上部的冷却水接头，再统一由冷却水接头供水，冷却水接头通过管道和第一阀门28-7连接到冷水机。

反应釜缸体20内部设有一个温度探头29，温度探头29没入藻液液面以下，温度探头29的线路通过防水接头9延伸出反应釜缸体20，再连接PLC控制装置22，PLC控制装置22连接冷水机，当反应釜缸体20内温度较高时，PLC控制装置22启动冷水机，冷却水在冷凝管7中的运动带走多余热量，当反应釜缸体20内温度较低时，PLC控制装置22暂停冷水机。温度探头29与防水LED灯5提供的多维度、可调节的光照条件相结合，为雨生红球藻提供适宜的生长环境，促进雨生红球藻生长和累积虾青素。

反应釜还包括供气装置，为反应釜提供藻类生长所需的二氧化碳和空气。供气装置包括无菌过滤器12、二氧化碳流量计15-1、空气流量计15-2、气体接头10-1和第二气体接头，二氧化碳流量计15-1和空气流量计15-2一端连接二氧化碳气源和空气气源，另一端连接第一气体接口，气体接头10-1作为气体进口，第一气体接头作为气体出口，气体接头10-1设在反应釜缸体20的面盖上，第一气体接头设在外壁的中上部，并连通罐体内部。

二氧化碳气源为工业二氧化碳，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。使用时，二氧化碳和空气经过二氧化碳流量计15-1和空气流量计15-2控制流量，然后通过第一气体接头进入反应釜缸体20内，二氧化碳和空气经过藻类生长代谢利用后，从第二气体接头经过无菌过滤器12，流出反应釜缸体20。

反应釜缸体20的中下部设置一个pH探头1，pH探头1没入藻液中，并通过线路和防水接头9连接反应釜缸体20外部的pH控制器16，pH控制器16通过PLC控制装置22连接二氧化碳流量计15-1和空气流量计15-2。pH探头1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。

本实施例的藻液pH值控制在6.8，有利于藻类生长，同时，二氧化碳流量为0.3L/min，空气流量为5L/min。本实用新型将藻液的pH值与藻类生长所述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。

反应釜还包括曝气装置，曝气装置为纳米曝气管24，纳米曝气管24安装简单，更换和调整便捷，成本低。纳米曝气管24均匀排布在下支架6-2上，借助下支架6-2上的防水LED灯5作为定位点或隔离点，均匀铺开纳米曝气管24，提高曝气均匀性。

纳米曝气管24连接过第一气体接头，无菌二氧化碳和无菌压缩空气的混合气体通过纳米曝气管24的孔洞均匀进入藻液，随着气泡的上升，促进藻液的扰动，从而使藻细胞的生长处于悬浮状态，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。

反应釜还具有供液和排液的功能，供液功能是为反应釜提供培养液、补给水或其他反应器供给的藻种藻液。排液功能是将反应釜中的藻液或清洗液等液体排出。

培养液接头10-5将培养液箱与反应釜缸体20内部连通，为反应釜提供培养液，满足藻类的生长和代谢需求，培养液接头10-5与培养液箱之间设置第二阀门28-4，便于控制培养液的供给。补给水接头10-4用于向藻液中补充纯水，根据藻类不同的生长情况调节藻液密度或营养物质密度。补给水接头10-4连接反渗透装置，反渗透装置与补给水接头10-4之间设有第三阀门28-1，便于控制纯水的供给。原料藻种接头10-3用于向反应釜中加入原料藻种，原料藻种接头连接藻种培养箱，藻种培养箱与原料藻种接头10-3之间设有第四阀门28-2，便于控制藻种的供给。

排液装置包括排液接头25、三通管件、取样阀3、第五阀门28-5和第六阀门28-6。排液接头25设在反应釜缸体20的底部，并连接三通管件的一个开口，三通管件的其它开口通过管道分别连接第五阀门28-5和第六阀门28-6。取样阀3单独设置在反应釜缸体20的下部，便于操作人员随时取样，监测藻液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。第五阀门28-5为采收阀门，并通过管道连接藻类处理装置，最终获得有价值的产品。第六阀门28-6为排泄阀门，并通过管道连接下水管，用于排出废物或清洗液。

反应釜还包括清洗装置，用于清洗反应釜缸体20。清洗装置包括CIP清洗头8和清洗液接头10-2，清洗液接头10-2和CIP清洗头8分别设在反应釜缸体20面盖的外表面和内表面，清洗液接头10-2一端连接反应釜缸体20外部的消毒水箱，另一端连接CIP清洗头8，消毒水箱与清洗液接头10-2之间设有第七阀门28-3。一批藻类养殖完成后，排出反应釜缸体20，然后打开第七阀门28-3，消毒水箱中的消毒水经过管道进入清洗液接头10-2，最后从CIP清洗头8中喷入反应釜缸体20内，将残留藻类或藻类代谢物冲洗干净，所有污物和清洗液从第六阀门28-6排出。

反应釜缸体20的底部设有液位传感器2，并通过线路连接PLC控制装置22，实时监测反馈反应釜缸体20内的液面高度，在供液、取样、排液和清洗过程中发挥作用。

反应釜缸体20内的防水LED灯5的电路、pH探头1的电路、温度探头29的电路，二氧化碳的气路，空气的气路，这些线路和管路分别通过多个防水接头9接出反应釜缸体20，反应釜缸体20外壁上设有线管盒27，线管盒27用于容纳上述线路和管路，再分别连接对应的设备或气源，保护上述线路和管路，便于操作。

反应釜还包括控制系统，用于控制防水LED灯5、温度探头29、pH探头1、二氧化碳流量计15-1和空气流量计15-2。控制系统包括PLC控制装置22和控制箱4，LED驱动控制器18、PLC控制装置22、pH控制器16和功率变送器17设在控制箱4的内部，二氧化碳流量计15-1和空气流量计15-2设在控制箱4的外侧。LED驱动控制器18内部安装有第一LED驱动控制器509、第二LED驱动控制器510、第三LED驱动控制器511和第四LED驱动控制器512。LED驱动控制器18、pH控制器16、功率变送器17、二氧化碳流量计15-1、空气流量计15-2、温度探头29和液位传感器2通过线路连接PLC控制装置22，并由PLC控制装置22控制协调。控制箱4的侧面的镂空处设置排风扇23，为控制系统及时散热。控制箱4的外表面还设置数据显示屏，用于显示反应釜各个参数和运行情况，便于操作人员观察控制反应釜。

PLC控制装置22能够通过控制第一LED驱动控制器509、第二LED驱动控制器510、第三LED驱动控制器511和第四LED驱动控制器512，调节防水LED灯5的能量。

pH控制器16连接并控制pH探头1，pH探头1采集藻液的pH值数据并传回pH控制器16和PLC控制装置22，PLC控制装置22根据pH值的升高或降低，联动控制二氧化碳流量计15-1相应地加大或减小二氧化碳的流量，使得藻液pH值回归正常水平，藻类pH值通过pH探头1不断反馈给pH控制器16和PLC控制装置22；同时，PLC控制装置22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，PLC控制装置22根据二氧化碳的流量，相应控制空气流量计15-2并调整空气流量，保证藻类的氧气供给。

温度探头29通过线路连接PLC控制装置22，PLC控制装置22连接并控制冷却水的供给，即控制冷水机，温度探头29实时检测并采集藻液温度数据，并传回PLC控制装置22，PLC控制装置22根据温度高低控制冷却水的供给，冷却水带走反应釜缸体内防水LED灯5和藻类生命活动产生的多余热量。

Claims (10)

1.一种微藻养殖反应釜，包括反应釜缸体、供气装置和冷凝装置，其特征在于，所述反应釜还包括控制系统和防水LED灯，所述控制系统包括温度控制装置、pH控制装置和至少两个LED驱动控制器，所述温度控制装置与所述冷凝装置配合，调节所述反应釜缸体内温度；所述pH控制装置与所述供气装置配合，调节二氧化碳的供给；所述防水LED灯包括LED芯片，所述LED芯片能够发出适合于藻类生长的多种波长范围的光，所述LED驱动控制器连接并控制所述防水LED灯的波长和能量，为所述反应釜缸体内的藻类提供适宜的生长环境。

2.根据权利要求1所述的反应釜，其特征在于，所述温度控制装置包括温度探头，所述温度探头设在所述反应釜缸体的内部，所述温度探头和冷凝装置通过线路分别连接所述控制系统的PLC控制装置，所述PLC控制装置根据温度探头检测的温度数据控制冷凝装置对所述反应釜进行冷却。

3.根据权利要求2所述的反应釜，其特征在于，所述pH控制装置包括pH探头和pH控制器，所述供气装置包括二氧化碳流量计和空气流量计，二氧化碳和空气分别通过所述二氧化碳流量计和空气流量计为所述反应釜供气，所述pH探头、pH控制器、二氧化碳流量计和空气流量计分别通过线路连接所述PLC控制装置，PLC控制装置根据pH探头检测的pH值的升高或降低，控制二氧化碳流量增大或减小。

4.根据权利要求1所述的反应釜，其特征在于，所述防水LED灯包括LED芯片、透明灯罩、散热部件和排气部件，所述LED芯片设在散热部件的外表面，LED芯片和散热部件设在透明灯罩内部，LED芯片能够发出适合于藻类生长的多种波长范围的光；

所述多种波长范围选自以下两种或两种以上组合的波长范围：300-400nm、400-500nm、500-600nm或600-780nm。

5.根据权利要求4所述的反应釜，其特征在于，所述LED驱动控制器分别控制不同所述LED芯片的功率，使得所述防水LED灯在藻类不同生长阶段，提供不同波长的光照以及不同波长范围的光的能量比；所述LED驱动控制器的个数等于波长的种数，每个LED驱动控制器控制一组波长相同的LED芯片的功率，进而控制一组波长相同的LED芯片的能量。

6.根据权利要求4所述的反应釜，其特征在于，所述散热部件包括透明吸热液体和散热座，所述透明吸热液体填充在透明灯罩内部，将所述LED芯片散发的热量导出透明灯罩。

7.根据权利要求6所述的反应釜，其特征在于，所述散热座为长条桶形，散热座的横截面为多边形，所述LED芯片成排安装在散热座面向不同方向的外表面上。

8.根据权利要求4所述的反应釜，其特征在于，所述排气部件为排气管，所述排气管设置在LED芯片的防水电路中，并连通所述透明灯罩的内部和外部，用于将透明灯罩内部受热膨胀的气体导出所述防水LED灯。

9.根据权利要求1所述的反应釜，其特征在于，所述反应釜还包括曝气装置，所述曝气装置为纳米曝气管，所述纳米曝气管的设置位置选自所述反应釜缸体内的中下部或底部，用于将二氧化碳和空气均匀送入所述反应釜缸体内。

10.根据权利要求1所述的反应釜，其特征在于，所述冷凝装置包括冷凝管和冷水机，所述冷凝管的形状选自直线形、U形、螺旋形或蛇线形中的一种或两种以上的组合，所述冷凝管设在所述反应釜缸体的内部、中部和下部的一处或两处以上的位置；

所述冷凝管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连接到所述反应釜缸体外部的冷水机。

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