CN220745891U - 一种导光型光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于生物技术领域，公开一种导光型光生物反应器，包括罐体、安装在罐体顶端的密封面和导光柱，密封面上设有若干导光柱孔，导光柱孔呈若干同心圆排列；密封面中部设有进料口，导光柱包括顶端的LED灯和导光柱体，导光柱体包括相连的反射柱端和导光点端，反射柱端外侧面设有反光涂层，且反射柱端的反射角度小于临界角的光线，导光点端上设有若干导光点；导光柱底端的下方设有气体分布器，气体分布器呈环形布置且气体分布器上均匀设有开孔。本实用新型采用光导方式将光线引入，采用多根导光柱插入到生物反应器内，保证了微生物充分接受光照；环形曝气器一方面保证气体充分与微生物接触，另一方面微气泡上升过程中可以对导光柱进行清洗。

Description

一种导光型光生物反应器

技术领域

本实用新型涉及生物技术领域，特别是指一种导光型光生物反应器。

背景技术

光生物反应器是指能够用于光合微生物及其具有光合作用能力的组织或者细胞培养的一类装置。这种反应器和一般的生物反应器具有相似的结构，在一般的条件下都需要一定的光照、温度以及营养物质等来对微生物进行培养和对系统的环境进行调节和控制。传统的微生物培养用生物反应器，采用日光灯或LED灯为光源，安装在反应器外部，光线利用率低，并且通常需要提高反应器的比表面积以提高微生物获得的光能，大规模培养时占地面积随之增大；新的技术采用玻璃管隔绝，并插入到反应器内部，将日光灯或是LED等插入到玻璃管内，光生物反应器占地面积小，易于放大但是该方案照明时发热量大，对微生物培养温度影响比较大。

专利CN 104450492 B公开了一种梯度光照的光生物反应器及其应用，该光生物反应器为箱体式结构，被分隔成为光照强度从高到低的隔室I、隔室II和隔室III，III，隔室间液体通过溢流管或溢流口流动，微藻依次在光强从低到高的3个隔室中进行培养，藻液浓度和通气量根据隔室中光强从低到高而相应提高，采用梯度光照的光生物反应器及其培养微藻的方法；专利CN 203820760 U公开了不锈钢光照培养发酵罐，反应器上端设置有盖板，盖体下端有向下凸的半球面体，在半球面体表面均匀分布有荧光灯安装孔，每个荧光灯安装孔内安装有一个荧光灯；专利CN 103525686A公开了一种基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器，提出反应器主体内均布设置多个空心导光管，气液分离装置设置在反应器顶板上，pH、温度、DO在线监测装置设置于反应器主体内部，将光传递的强化、CO2传质的强化以及微藻细胞光生化反应的强化耦合在一起；专利CN 208308845 U公开了一种光照均匀分布的光生物反应器，可实现360°全方位连续照射且光照强度可调的用于生物反应器的光照系统装置；专利CN 208829656U公开了一种光照均匀分布的光生物反应器，该反应器本体由透明材料制成，在反应器本体上部安装有透明的顶部活动封盖，光源均匀缠绕分布在反应器本体外侧，反应器本体内部分为工作区和集水区，在工作区内由于受光面积沿光程减少，光照强度分布近似均匀；专利CN 210584902 U公开了一种药物合成用新型光照反应器，两组光照板的结构均为弧形结构，能够将反应瓶囊括其中，而安装于光照板内壁的照明灯，则能够对反应瓶内的药液进行照射，提高药物合成的质量；专利CN 217542824 U公开了一种LED光照反应器，包括从上至下依次设有的顶部腔室、中部腔室、底部腔室，顶部腔室内上端设有LED面板，中部腔室内上端通过卡扣设有石英匀光片，中部腔室内侧设有铝膜全反射镜，底部腔室内设有连通反应箱外部的抽屉，LED面板电性连接有为其提供恒压恒流的电源；专利CN 216727204 U公开了一种光反应器，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可调节；专利CN 114106979 A公开了一种可基于微藻密度进行光照供给的生物反应器，当反应初期透明反应框内部的微藻密度较小时，由于折射透光板的作用，使得照射至透明反应框上的光线被削弱，当反应后期透明反应框内部的微藻密度较大时，折射透光板不再将灯管上的光线折射，以增大光照。

综上，现有技术的缺陷在于：(1)如果光生物反应器体积放大时，一般的光照方式难以穿透水体，就会造成光生物反应器内培养液光照弱，培养的微藻生长不好甚至停滞的情况；(2)采用空心管内插入光源，光源从空心管中传出，光源与导光管之间有空气间隙，光线的耦合和捕获效率比较低；(3)传统导光柱只能将光导入到底端，光源分布不均匀，并且微藻的趋光性贴敷在导光柱上会影响光源的散射。

因此，亟需研究一种光生物反应器。

实用新型内容

本实用新型提出一种导光型光生物反应器，解决了现有技术中光生物反应器内培养液光照弱、光线的耦合和捕获效率比较低、光源分布不均匀等问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种导光型光生物反应器，包括罐体、安装在罐体顶端的密封面和导光柱，罐体包括周向的罐壁、罐壁顶端设置的法兰盘、与罐壁底端连接的罐底、以及由罐壁和罐底围成的内腔，密封面安装在法兰盘上，密封面有若干导光柱孔，导光柱孔呈若干同心圆排列，导光柱贯穿导光柱孔进入内腔；密封面中部设有进料口，导光柱包括顶端的LED灯和导光柱体，LED灯顶部经导线连接到控制器，导光柱体包括反射柱端和导光点端，反射柱端外侧面设有反光涂层，且反射柱端的反射角度小于临界角的光线，导光点端上设有若干导光点；导光柱底端的下方设有气体分布器，气体分布器底部连接进气管，且进气管贯穿至罐壁外部，气体分布器呈环形布置且气体分布器上均匀设有开孔，气体分布器环形直径分别与导光柱孔所在的各同心圆直径相同。

优选的，所述LED灯采用LED灯珠，LED灯外形为半圆柱型，用于保证LED灯珠与导光柱之间无空气间隙。

优选的，所述密封面与法兰盘通过螺栓连接，且导光柱孔贯穿密封面。

优选的，所述导光柱孔直径与导光柱直径相同，且导光柱与导光柱孔之间设有密封层。

更为优选的，导光柱插入到导光柱孔内，密封层为采用胶密封。

优选的，所述进料口采用法兰式连接，保证进料口方便打开，且进料口顶部安装安全阀，当光生物反应器气体过多，压力升高时，可以自动释放气体，保证反应器安全。

优选的，所述反射柱端长度为反应器密封面至光生物培养液面的距离，导光点端深入到光生物培养液面以下。

优选的，所述气体分布器采用环形曝气器，由于曝气器产生连续气泡具有上升力，上升的气泡群受到导光柱的阻碍后散开，气泡沿着导光柱上升，达到气体清洗导光柱的目的。曝气器可以采用脉冲式供气，脉冲时间间隔可调节，通过脉冲冲击可以更加容易清洗导光柱。

优选的，根据培养微生物细胞大小不同，所述气体分布器上部开孔的孔径为0.1-1mm。

本实用新型与背景技术相比所产生的有益效果：

1、导光型光生物反应器采用光导的方式将光线引入，解决了传统的光生物反应器光源直接插入导致发热影响微生物的生长；

2、导光型光生物反应器采用多根导光柱插入到生物反应器内，保证了微生物充分接受光照；

3、通过环形曝气器的布置，一方便保证气体充分与微生物接触，另一方面微气泡上升过程中可以对导光柱进行清洗，防止微生物在导光柱上附着，避免微藻的趋光性贴敷在导光柱上会影响光源的散射。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一种导光型光生物反应器的整体结构示意图；

图2是本实用新型一种导光型光生物反应器的俯视图；

图3是本实用新型密封面与导光柱孔示意图；

图4是本实用新型进料口与密封面连接示意图；

图5是本实用新型导光柱结构示意图；

图6是本实用新型进气管与气体分布器连接示意图。

其中，1、控制器；2、罐壁；3、导光柱；4、进气管；5、控制阀；6、罐底；7、气体分布器；8、法兰盘；9、LED灯；10、导线；11、密封面；12、导光柱孔；13、进料口；14、安全阀；15、反射柱端；16、导光点端。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所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作出创造性劳动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。

一种导光型光生物反应器，如图1-6所示，包括罐体、安装在罐体顶端的密封面11和导光柱3，罐体包括周向的罐壁2、罐壁2顶端设置的法兰盘8、与罐壁2底端连接的罐底6、以及由罐壁2和罐底6围成的内腔，内腔内装有培养液，密封面11安装在法兰盘8上，密封面11上设有若干导光柱孔12，导光柱孔12呈若干同心圆排列，导光柱3贯穿导光柱孔12进入内腔；密封面11中部设有进料口13，导光柱3包括顶端的LED灯9和导光柱体，LED灯9顶部经导线10连接到控制器1，外部电源接入控制器给LED灯供电；导光柱体包括反射柱端15和导光点端16，反射柱端15外侧面设有反光涂层，且反射柱端15的反射角度小于临界角的光线，防止光线在反射柱端15散出；导光点端16上设有若干导光点；导光柱3底端的下方设有气体分布器7，气体分布器7底部连接进气管4，且进气管4贯穿至罐壁2外部，气体分布器7呈环形布置且气体分布器7上均匀设有开孔，气体分布器7环形直径分别与导光柱孔12所在的各同心圆直径相同。

光生物反应器罐壁2采用不锈钢制作，保证反应器的结构强度，内壁做抛光，使导入的光能够在反应器内可以全反射。需要注意的是，光生物反应器优选采用圆桶式结构，也可以采用方形或其他形式的结构；本实用新型对反应器的形状不做限定。

光生物反应器罐底6部采用不锈钢椭圆形封头，保证罐体的结构强度，罐壁2和罐底6焊接。

导光柱3采用PMMA材料，透光率可以达到93％，导光柱3根据反应器的高度设计；反射柱端15长度为反应器密封面11至光生物培养液面的距离，导光点端16深入到光生物培养液面以下。需要注意的是，导光柱3除了采用PMMA材质外，也可以采用透明ABS、AS(SAN)或PC等透光率较高的材质。导光柱3除了采用圆柱形外，也可以采用方形等其他形状，本实用新型不做限定。导光点端16采用激光雕刻技术印上导光点，当光线射到各个导光点时，反射光会往各个角度扩散，然后破坏反射条件由导光柱3射出。

导光点端16除了采用激光雕刻外，也可以采用V型十字网格雕刻、UV网版印刷技术印上导光点。

在该实施例中，当微藻生物量达到0.45g/L时，透光深度仅为5cm，所以导光柱孔呈圆形排列，圆心距离≤10cm，最外圈导光柱孔圆形距离罐壁≤5cm，每个同心圆导光柱孔的直线距离≤10cm。

优选的，所述LED灯9采用LED灯珠，LED灯9外形为半圆柱型，用于保证LED灯珠与导光柱3之间无空气间隙。

优选的，所述密封面11与法兰盘8通过螺栓连接，且导光柱孔12贯穿密封面11。

优选的，所述导光柱孔12直径与导光柱3直径相同，且导光柱3与导光柱孔12之间设有密封层，即导光柱3与导光柱孔12之间采用光学环氧胶粘合。

优选的，所述进料口13采用法兰式连接，保证进料口13方便打开，且进料口13顶部安装安全阀14，当光生物反应器气体过多，压力升高时，可以自动释放气体，保证反应器安全。

优选的，所述气体分布器采用环形曝气器，由于曝气器产生连续气泡具有上升力，上升的气泡群受到导光柱3的阻碍后散开，气泡沿着导光柱3上升，达到气体清洗导光柱的目的。曝气器可以采用脉冲式供气，脉冲时间间隔可调节，通过脉冲冲击可以更加容易清洗导光柱3。

优选的，根据培养微生物细胞大小不同，所述气体分布器7上部开孔的孔径为0.1-1mm。

如果光生物反应器体积放大时，传统的光照方式难以穿透水体，就会造成光生物反应器内培养液光照弱，培养的微藻生长不好甚至停滞；本实用新型采用多根导光柱将外部的光源均匀导入到发酵液内部，保证反应器内微藻能均匀的接收光照。传统反应器采用空心管内插入光源，光源从空心管中传出，光源与导光管之间有空气间隙，光线的耦合和捕获效率比较低；本实用新型将光源固定到导光柱内部，光源发出的大部分光线会被导光柱所捕获并传导，光折射效率比较高。本实用新型采用导光柱将外部的光线导入到反应器内部，实现了光源与反应器内部微藻培养液的隔绝，实现反应器的全密封，而且光源产生的热量在光生物反应器外部散出，不会将光源的热量传递到光反应器内部，保证了微藻培养温度稳定性；本实用新型采用点状分布的导光柱，将导光柱的导入的光线在导光柱的表面形成散射，避免了传统导光柱只能将光导入到顶端，保证了光源在发酵罐均匀分布；同时曝气器采用圆环状，与导光柱布置的环形直径相同，在保证补充微生物CO2碳源的同时可以对导光柱进行气体冲洗，防止微藻的趋光性贴敷在导光柱上影响光源的散射。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种导光型光生物反应器，其特征在于，

包括罐体、安装在罐体顶端的密封面和导光柱，罐体包括周向的罐壁、罐壁顶端设置的法兰盘、与罐壁底端连接的罐底、以及由罐壁和罐底围成的内腔，密封面安装在法兰盘上，密封面上设有若干导光柱孔，导光柱孔呈若干同心圆排列，导光柱贯穿导光柱孔进入内腔；密封面中部设有进料口，导光柱包括顶端的LED灯和导光柱体，LED灯顶部经导线连接到控制器，导光柱体包括反射柱端和导光点端，反射柱端外侧面设有反光涂层，且反射柱端的反射角度小于临界角的光线，导光点端上设有若干导光点；导光柱底端的下方设有气体分布器，气体分布器底部连接进气管，且进气管贯穿至罐壁外部，气体分布器呈环形布置且气体分布器上均匀设有开孔，气体分布器环形直径分别与导光柱孔所在的各同心圆直径相同。

2.如权利要求1所述的一种导光型光生物反应器，其特征在于，

所述LED灯采用LED灯珠，LED灯外形为半圆柱型，用于保证LED灯珠与导光柱之间无空气间隙。

3.如权利要求1所述的一种导光型光生物反应器，其特征在于，

所述密封面与法兰盘通过螺栓连接，且导光柱孔贯穿密封面。

4.如权利要求1所述的一种导光型光生物反应器，其特征在于，

所述导光柱孔直径与导光柱直径相同，且导光柱与导光柱孔之间设有密封层。

5.如权利要求1所述的一种导光型光生物反应器，其特征在于，

所述进料口采用法兰式连接，且进料口顶部安装安全阀。

6.如权利要求1所述的一种导光型光生物反应器，其特征在于，

所述反射柱端长度为反应器密封面至光生物培养液面的距离，导光点端深入到光生物培养液面以下。

7.如权利要求1所述的一种导光型光生物反应器，其特征在于，

所述气体分布器采用环形曝气器。

8.如权利要求1所述的一种导光型光生物反应器，其特征在于，

所述气体分布器上部开孔的孔径为0.1-1mm。