CN216727204U - 一种光反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光反应器，包括：底座；设置在底座上的磁力搅拌装置和罐体，罐体的顶部设置有液体进口、液体出口、气体进口和气体出口；发光装置，设置罐体外，发出的光线能够射入罐体内且发光强度是可调节；恒温装置，设置罐体的外围；液体控制装置，通过管道分别连接至液体进口和液体出口；水汽冷却回流装置，通过管道连接至气体出口，能够将气体中的水蒸汽冷凝截留；通气装置，通过管道连接至气体进口，能够向所述罐体内输入气体。本实用新型可以实现光强度可调节、温度可调节、气体可调节、反应液可调节、截留冷凝水等功能，结构简单，成本低廉，效率高，且可编程化控制，能够在光照培养及光催化等各种领域中使用。

Description

一种光反应器

技术领域

本实用新型涉及光反应器设备技术领域，尤其涉及一种光反应器。

背景技术

工业革命以来，人类一直在向自然索取资源，把化石资源变成工业产品并排放大量的温室气体二氧化碳，这种方式从本质上来说还是对资源的消耗。在目前全球碳中和及发酵产品增加的大背景下，如何将排放出的二氧化碳进行回收利用，这是可持续发展最终的方向和使命所在。在“碳达峰”“碳中和”的“双碳”目标的导引下，开发高效、低成本绿色环保的新技术是至关重要的保障。

光驱动合成生物学，是用光合自养微生物来做底盘，通过合成生物技术进行代谢重塑，构建“负碳”细胞工厂，直接将二氧化碳转化为目标产品的技术平台。光合微生物已经被广泛的开发用来合成一些有价值的化学品，比如乳酸，1,3-丙二醇16和2-苯基乙醇等。光驱动微生物细胞工厂可以利用太阳能和CO2直接从头制造各种有用物质，如淀粉、塑料、能源、非能大宗化学品等，在减少和消除碳排放方面具有独特的优势和巨大的潜力。当前，合成生物学技术正在飞速发展，光驱动微生物细胞工厂面临着新的机遇，正在迎来新一轮的发展浪潮。另一方面，光驱动还可以用于光化学催化合成医药产品，这也具有非常好的前景和广大的应用价值。

光生物反应器作为光驱动技术的核心装备，为光驱动微生物细胞提供温度、光照等必要的条件，对碳和光的利用率有决定性影响，是光驱动细胞工厂走向商业化的关键。然而，目前光反应器的发展严重滞后，使得光合微生物生长极其缓慢、生物量极低，这极大的限制了光驱动合成生物学的发展。因此，开发能够简单、便捷、低成本的能够进行光合微生物高密度发酵的装备非常重要。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种光反应器，可以实现光强度可调节、温度可调节、气体可调节、反应液可调节、截留冷凝水等功能，结构简单，成本低廉，效率高，且可编程化控制，能够在光照培养及光催化等各种领域中使用，具有非常大的工业化应用前景。

实用新型内容

为实现上述目的，本实用新型提供了一种光反应器，包括：

底座；

设置在所述底座上的磁力搅拌装置；

设置在所述磁力搅拌装置上的透明的罐体，所述罐体的顶部设置有液体进口、液体出口、气体进口和气体出口；

发光装置，设置在所述底座上并位于所述罐体外，所述发光装置被配置为其发出的光线能够射入所述罐体内，且发光强度是可调节的；

恒温装置，设置在所述罐体的外围，以使所述罐体保持恒温；

液体控制装置，通过管道分别连接至所述罐体的所述液体进口和所述液体出口；

水汽冷却回流装置，通过管道连接至所述罐体的所述气体出口，所述水汽冷却回流装置被配置为能够将气体中的水蒸汽冷凝截留；

通气装置，通过管道连接至所述罐体的所述气体进口，所述通气装置配置为能够向所述罐体内输入气体。

进一步地，所述磁力搅拌装置包括设置在所述底座上的磁力搅拌器以及设置在所述罐体内的搅拌转子，所述罐体设置在所述磁力搅拌器上。

进一步地，所述发光装置包括支架、聚光组件、发光元件和控制组件；所述支架竖直设置在所述罐体外且所述支架的一端连接至所述底座；所述发光元件和所述聚光组件设置在所述支架上朝向所述罐体的一面，所述控制组件连接至所述发光元件并被配置为调节所述发光元件的发光强度。

进一步地，所述发光元件包括LED灯珠，所述聚光组件包括聚光杯和透镜，所述聚光杯和所述透镜围合形成容纳所述LED灯珠的容纳空间。

进一步地，所述控制组件包括电源接口、变压器、第一整流电路、第一可编程控制器、驱动电路、可编程输入按钮开关和直流输出端子，所述变压器的一端连接所述电源接口，另一端连接所述第一整流电路的一端，所述第一整流电路的另一端分别连接所述第一可编程控制器和所述驱动电路，所述驱动电路上设置有所述直流输出端子，所述可编程输入按钮开关分别连接所述第一可编程控制器和所述驱动电路；所述控制组件配置为通过电压调节、电流调节或脉冲宽度调制实现所述发光强度的调节。

进一步地，所述发光装置还包括第一散热风扇、第一散热块，所述第一散热块设置在所述支架上，所述第一散热风扇安装在所述第一散热块上。

进一步地，所述恒温装置包括设置在所述罐体外围的透明夹套和泵，所述透明夹套上设置有相对的循环水出口和循环水入口，所述泵通过带保温材料的管子分别连接所述循环水出口和所述循环水入口。

进一步地，所述液体控制装置包括第一出液管、第一进液管、第一蠕动泵、第一泵控制器、第二出液管、第二进液管、第二蠕动泵、第二泵控制器、第二可编程控制器；所述第一出液管和所述第一进液管分别连接所述第一蠕动泵，所述第一蠕动泵连接所述第一泵控制器，所述第一泵控制器连接所述第二可编程控制器；所述第二出液管和所述第二进液管分别连接所述第二蠕动泵，所述第二蠕动泵连接所述第二泵控制器，所述第二泵控制器连接所述第二可编程控制器。

进一步地，所述水汽冷却回流装置包括排气管、固定在所述排气管上的导热块、安装在所述导热块上的半导体制冷芯片、安装在所述半导体制冷芯片的热端的第二散热块、安装在所述第二散热块上的第二散热风扇、连接所述半导体制冷芯片和所述第二散热风扇的控制器；其中所述控制器包括与交流电源连接的可调变压器、与所述可调变压器连接的第二整流电路、与所述第二整流电路连接的温度控制电路，所述温度控制电路通过线缆分别连接至所述第二散热风扇和所述半导体制冷芯片；所述排气管穿过所述罐体的所述气体出口。

进一步地，所述通气装置包括第一进气口、第一减压阀、第一可调流量计、第二进气口、第二减压阀、第二可调流量计、气体混合器、过滤器、出气口和曝气头；所述第一进气口、所述第一减压阀、所述第一可调流量计通过管道依次连接，所述第二进气口、所述第二减压阀、所述第二可调流量计通过管道依次连接，所述第一可调流量计和所述第二可调流量计分别连接至所述气体混合器，所述气体混合器、所述过滤器、所述出气口依次连接，所述出气口与所述罐体的所述气体进口通过进气管连通，所述进气管的端部设置有所述曝气头。

本实用新型提供的光反应器具有以下技术效果：本实用新型可以实现光强度可调节、温度可调节、气体可调节、反应液可调节、截留冷凝水等功能，结构简单，成本低廉，效率高，且可编程化控制，能够在光照培养及光催化等各种领域中使用，具有非常大的工业化应用前景。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本实用新型的一个较佳实施例的反应器结构示意图；

图2是水汽冷却回流装置的结构示意图；

图3是发光装置的控制组件结构示意图；

图4是通气装置的结构示意图；

图5是液体控制装置的结构示意图。

其中，101-底座；102-循环水入口；103-第一散热风扇；104-LED灯珠；105-第一散热块；106-支架；107-聚光杯；108-透镜；109-盖子；110-液体进口；111-气体进口；112-液体出口；113-气体出口；114-水汽冷却回流装置；115-硅胶垫；116-循环水出口；117-罐体；118-夹套；119-曝气头；120-磁力搅拌器；

201-排气管；202-第二散热块；203-半导体制冷芯片；204-第二散热风扇；205-供电和控制线缆；206-温度传感器；207-进气方向；208-交流电源；209-可调变压器；210-第二整流电路；211-温度控制电路；212-导热块

301-电源接口；302-变压器；303-第一整流电路；304-第一可编程控制器；305-驱动电路；306-可编程输入按钮开关；307-直流输出端子；

401-第一气流方向；402-第一进气口；403-第一减压阀；404-第一可调流量计；405-气体混合器；406-第二气流方向；407-出气口；408-第二可调流量计；409-第二减压阀；410-第二进气口；

501-第一出液管；502-第一进液管；503-第一蠕动泵；504-第一泵控制器；505-第二可编程控制器；506-第二泵控制器；507-第二蠕动泵；508-第二出液管；509-第二进液管。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本实用新型的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本实用新型的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本实用新型提供了一种光反应器，包括底座101、罐体117、可调节的发光装置、恒温装置、磁力搅拌装置、液体控制装置、水汽冷却回流装置114和通气装置。底座101是支撑部件，可以设置在地面或反应台上。罐体117是一个透明的反应容器，是反应发生的场所，其设置在底座101上。罐体117的顶部设置有液体进口110、液体出口112、气体进口111和气体出口113。发光装置设置在罐体117外并安装在底座101上，发光装置发射出来的光线可以照射进入罐体117内。发光装置的发光强度是可调的，其发光强度的调节可以是连续调节方式、周期性变化或根据用户需求通过程序控制。恒温装置设置在罐体117的外壁周围，可以实现罐体117内的恒温控制。液体控制装置通过管道与罐体117的液体进口110、液体出口112连接，以控制罐体117内的反应液流加及排液速率。磁力搅拌装置安装在底座101上并位于罐体117底部，以带动罐体117内的反应液旋转混动。水汽冷却装置与罐体117的气体出口113连接，以截留气体中的水汽。通气装置与罐体117的气体进口111连接，以向罐体117内通入气体。

在一些实施方式中，如图1所示，罐体117由玻璃或石英玻璃制成，具有良好的透光度。在一些实施方式中，如图1所示，罐体117是敞口容器，开口处设置有可灭菌的盖子109。盖子109可拆卸地连接在罐体117上，较佳地可以采用螺纹连接。液体进口110、液体出口112、气体进口111和气体出口113设置在盖子109上。罐体117可以实现整体灭菌，可以承受0.1MPa的压力。在一些实施方式中，盖子109与罐体117之间设置有硅胶垫115。

在一些实施方式中，如图1所示，发光装置包括支架106、聚光组件、发光元件和控制组件。支架106竖直安装在罐体117外，一端连接在底座101上。发光元件和聚光组件安装在支架106上朝向罐体117的一面。发光元件可以选用集成式LED灯珠104，功率0-200W，波长400-800nm，或其他波长的组合。聚光组件包括聚光杯107和透镜108，聚光杯107和透镜108围合形成一个容纳空间，发光角度可以为60度。发光元件位于该容纳空间内。聚光组件和发光元件的数量均可以为多个，两者一一对应。控制组件可以控制发光元件的发光强度，实现发光强度的调节，控制灯珠104最大功率的0-100％范围内输出。例如，可以实现输出功率的连续调节，或者实现光的亮暗的周期性控制及程序控制。在一些实施方式中，如图3所示，控制组件包括电源接口301、变压器302、第一整流电路303、第一可编程控制器304、驱动电路305、可编程输入按钮开关306和直流输出端子307。电源接口301用于与外界的电源连接。变压器302的一端连接电源接口301，另一端连接第一整流电路304的一端；第一整流电路303的另一端分别连接第一可编程控制器304和驱动电路305，驱动电路305上设置直流输出端子307，可编程输入按钮开关306分别连接第一可编程控制器304和驱动电路305。控制组件通过电压调节、电流调节或脉冲宽度调制(PWM)等方式实现输出功率的调节。第一整流电路303可以选用现有技术中常见的整流电路结构或芯片。驱动电路305可以选用现有技术中已有的LED驱动电路结构或芯片。第一可编程控制器304可以选用现有设计中已有的可编程控制装置。

在一些实施方式中，如图1所示，发光装置还包括第一散热组件。第一散热组件安装在支架106上，可以包括风冷或水冷散热元件，可以在LED功率大于100W时启动散热。较佳地，第一散热组件包括第一散热风扇103和第一散热块105，第一散热块105安装在支架106上，第一散热风扇103安装在第一散热块105上。散热组件还可以包括温控开关(图中未示出)，用于散热组件失效时的过温保护。

在一些实施方式中，如图1所示，恒温装置包括一个循环水提供装置，可以实现循环水的加热或者制冷，温度范围-20～100度，精度0.1度，冷媒可以为水或者添加了防冻剂的水，或者其他可用作冷媒的液体。具体地，恒温装置包括设置在罐体117外围的透明夹套118和泵(图中未示出)，透明夹套118包裹罐体117外侧壁的部分，透明夹套118的底部设置有循环水入口102，相对的顶部设置有循环水出口116，循环水入口102和循环水出口116连接有带保温材料的管子。泵连接管子，实现循环水的流动。通过泵及管子，可以将恒温水(或其他冷媒)通入到夹套118中，进而实现罐体117的恒温控制。

在一些实施方式中，如图1所示，磁力搅拌装置包括设置在罐体117外且位于罐体117底部的磁力搅拌器120和位于罐体117内的搅拌转子(图中为示出)。磁力搅拌器120安装在底座101上，然后再将罐体117安装在磁力搅拌器120上。磁力搅拌器120可以连接220V电源，提供搅拌驱动力，其转速连续可调。在搅拌动力驱动下带动搅拌转子转动，进而带动罐体117内的反应液旋转混合。

液体控制装置由液体流加和排液两部分组成，可以实现不同的液体流加及排液速率，流速连续空调，可用于反应液的流加、反应液外排、反应液液位控制、反应液成分控制、反应酸碱性控制、恒化培养等操作。在一些实施方式中，如图1和图5所示，液体控制装置包括出液管、进液管、蠕动泵、泵控制器和第二可编程控制器505。出液管的一端穿过罐体117的液体出口112并且插入到罐体117内部，较佳地，该端接近罐体117内的底部；出液管的另一端连接蠕动泵。进液管的一端穿过罐体117的液体进口110，另一端连接蠕动泵。蠕动泵连接泵控制器，泵控制器连接第二可编程控制器505。通过第二可编程控制器，可以控制蠕动泵的输出功率，从而达到控制反应液的流加、排液速率的目的。在一些实施方式中，出液管、进液管、蠕动泵和泵控制器可分别设置成两组，即如图所示，上面为第一组，包括第一出液管501、第一进液管502、第一蠕动泵503和第一泵控制器504；下面为第二组，包括第二出液管508、第二进液管509、第二蠕动泵507和第二泵控制器506。通过两组出液管、进液管、蠕动泵和泵控制器，可以达到反应液成分控制、酸碱性控制、恒化培养等目的。蠕动泵、泵控制器、第二可编程控制器均可以选用现有技术已有的装置。

水汽冷却回流装置114用于冷凝节流排出气体中的水蒸汽。在一些实施方式中，如图1和图2所示，水流冷却回流装置包括排气管201、导热块212、半导体制冷芯片203、第二散热组件。排气管201穿过罐体117的气体出口113，以垂直或近似垂直的方式安装在罐体117上，以方便截留的水汽沿着管壁留下。导热块212以焊接、螺丝固定或嵌套的方式固定在排气管201上，并与之密切接触形成良好的导热性能。导热块212可以由铝、铜或合金等导热良好的材料制成。半导体制冷芯片203安装在导热块212上。半导体制冷芯片203的冷端接触导热块212，半导体制冷芯片203和导热块212之间可以涂敷导热硅脂。导热块212上不接触半导体制冷芯片203的部分可以包裹隔热材料。半导体制冷芯片203的热端安装有第二散热组件。在一些实施方式中，第二散热组件包括第二散热风扇204和第二散热块202，第二散热块202连接半导体制冷芯片203，第二散热风扇204连接第二散热块202。第二散热风扇204和半导体制冷芯片203均可以由电源供电，并由控制器控制。控制器可调节控制导热块212的温度在0-4度，以冷凝截留排气管201中的水蒸汽。在一些实施方式中，电源可以为交流电源208，通过可调变压器209连接第二整流电路210，第二整流电路210再连接温度控制电路211，温度控制电路211通过供电和控制线缆205连接至半导体制冷芯片203和第二散热风扇204。在一些实施方式中，在半导体制冷芯片203上还设置有温度传感器206，采集温度反馈给控制器，以他提供控制精度。水汽冷却装置的工作过程如下：罐体117内的气体从进气方向207进入到排气管201，气体经过排气管201上设置导热块212的这一段时，水蒸汽迅速冷却而冷凝为水，并沿着排气管201的管壁流下，从而达到截留排出气体中的水蒸汽的目的。第二整流电路210、温度控制电路209均可以选用现有技术中已有的电路结构或芯片。

通气装置可实现任意两种气体的任意比例的混合，能够通过无菌过滤掉气体中的颗粒物和细菌。气体通过微米级气孔均匀出气，形成微米气泡(气雾)，达到良好的曝气效果。如图4所示，通气装置按照气体流经的顺序包括：进气口、减压阀、可调流量计、气体混合器405、过滤器、出气口407、曝气头119。上述部分通过管道相连，过滤器连同其之后的部分可整体高压灭菌。减压阀可帮助实现气体恒压控制，压力调节范围0.5～9.0kgf/cm²，流量计连续可调，调节范围0-5L/min，曝气头119气孔孔径为微米级(～5um)。曝气头119使用耐高温耐腐蚀材料，比如金属氧化物、陶瓷等。出气口与罐体117的气体进口111通过进气管连通，该进气管深入到罐体117内部，端部设置曝气头119。在一些实施方式中，进气口、减压阀、可调流量计的数量设置为两个，分别形成两组进气通路，即第一进气口402、第一减压阀403、第一可调流量计404形成第一组进气通路，第二进气口410、第二减压阀409、第二可调流量计408形成第二组进气通路，两组进气通路连接至同一个气体混合器405。第一气体从气流方向401进入第一进气口402，第二气体从气流方向401进入第二进气口410，最后在气体混合器405内混合后通过出气口407排入至罐体117内。该通气装置可实现不同气体不同比例的混合，并过滤气体中的细菌等颗粒物，然后通入罐体117底部，形成均匀气雾级汽包，实现充分曝气。

本实用新型可以实现光强度可调节、温度可调节、气体可调节、反应液可调节、截留冷凝水等功能，结构简单，成本低廉，效率高，且可编程化控制，能够在光照培养及光催化等各种领域中使用，具有非常大的工业化应用前景。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光反应器，其特征在于，包括：

底座；

设置在所述底座上的磁力搅拌装置；

设置在所述磁力搅拌装置上的透明的罐体，所述罐体的顶部设置有液体进口、液体出口、气体进口和气体出口；

发光装置，设置在所述底座上并位于所述罐体外，所述发光装置被配置为其发出的光线能够射入所述罐体内，且发光强度是可调节的；

恒温装置，设置在所述罐体的外围，以使所述罐体保持恒温；

液体控制装置，通过管道分别连接至所述罐体的所述液体进口和所述液体出口；

水汽冷却回流装置，通过管道连接至所述罐体的所述气体出口，所述水汽冷却回流装置被配置为能够将气体中的水蒸汽冷凝截留；

通气装置，通过管道连接至所述罐体的所述气体进口，所述通气装置配置为能够向所述罐体内输入气体。

2.如权利要求1所述的光反应器，其特征在于，所述磁力搅拌装置包括设置在所述底座上的磁力搅拌器以及设置在所述罐体内的搅拌转子，所述罐体设置在所述磁力搅拌器上。

3.如权利要求1所述的光反应器，其特征在于，所述发光装置包括支架、聚光组件、发光元件和控制组件；所述支架竖直设置在所述罐体外且所述支架的一端连接至所述底座；所述发光元件和所述聚光组件设置在所述支架上朝向所述罐体的一面，所述控制组件连接至所述发光元件并被配置为调节所述发光元件的发光强度。

4.如权利要求3所述的光反应器，其特征在于，所述发光元件包括LED灯珠，所述聚光组件包括聚光杯和透镜，所述聚光杯和所述透镜围合形成容纳所述LED灯珠的容纳空间。

5.如权利要求3所述的光反应器，其特征在于，所述控制组件包括电源接口、变压器、第一整流电路、第一可编程控制器、驱动电路、可编程输入按钮开关和直流输出端子，所述变压器的一端连接所述电源接口，另一端连接所述第一整流电路的一端，所述第一整流电路的另一端分别连接所述第一可编程控制器和所述驱动电路，所述驱动电路上设置有所述直流输出端子，所述可编程输入按钮开关分别连接所述第一可编程控制器和所述驱动电路；所述控制组件配置为通过电压调节、电流调节或脉冲宽度调制实现所述发光强度的调节。

6.如权利要求3所述的光反应器，其特征在于，所述发光装置还包括第一散热风扇、第一散热块，所述第一散热块设置在所述支架上，所述第一散热风扇安装在所述第一散热块上。

7.如权利要求1所述的光反应器，其特征在于，所述恒温装置包括设置在所述罐体外围的透明夹套和泵，所述透明夹套上设置有相对的循环水出口和循环水入口，所述泵通过带保温材料的管子分别连接所述循环水出口和所述循环水入口。

8.如权利要求1所述的光反应器，其特征在于，所述液体控制装置包括第一出液管、第一进液管、第一蠕动泵、第一泵控制器、第二出液管、第二进液管、第二蠕动泵、第二泵控制器、第二可编程控制器；所述第一出液管和所述第一进液管分别连接所述第一蠕动泵，所述第一蠕动泵连接所述第一泵控制器，所述第一泵控制器连接所述第二可编程控制器；所述第二出液管和所述第二进液管分别连接所述第二蠕动泵，所述第二蠕动泵连接所述第二泵控制器，所述第二泵控制器连接所述第二可编程控制器。

9.如权利要求1所述的光反应器，其特征在于，所述水汽冷却回流装置包括排气管、固定在所述排气管上的导热块、安装在所述导热块上的半导体制冷芯片、安装在所述半导体制冷芯片的热端的第二散热块、安装在所述第二散热块上的第二散热风扇、连接所述半导体制冷芯片和所述第二散热风扇的控制器；其中所述控制器包括与交流电源连接的可调变压器、与所述可调变压器连接的第二整流电路、与所述第二整流电路连接的温度控制电路，所述温度控制电路通过线缆分别连接至所述第二散热风扇和所述半导体制冷芯片；所述排气管穿过所述罐体的所述气体出口。

10.如权利要求1所述的光反应器，其特征在于，所述通气装置包括第一进气口、第一减压阀、第一可调流量计、第二进气口、第二减压阀、第二可调流量计、气体混合器、过滤器、出气口和曝气头；所述第一进气口、所述第一减压阀、所述第一可调流量计通过管道依次连接，所述第二进气口、所述第二减压阀、所述第二可调流量计通过管道依次连接，所述第一可调流量计和所述第二可调流量计分别连接至所述气体混合器，所述气体混合器、所述过滤器、所述出气口依次连接，所述出气口与所述罐体的所述气体进口通过进气管连通，所述进气管的端部设置有所述曝气头。

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