CN2303849Y

CN2303849Y - 光辐射塔板式光生物反应器

Info

Publication number: CN2303849Y
Application number: CN97205389U
Authority: CN
Inventors: 徐明芳
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 1999-01-13
Anticipated expiration: 2007-06-13

Abstract

本实用新型是光辐射塔板式光生物反应器,它有由藻液进口管、光辐射塔板、CO₂进气管、塔体、藻液出口管、测光探头,包括温度传感器、pH电极、溶氧电极、CO₂传感器在内的传感器电极组,排气管共同连接构成,传感器电极组及测光探头通过各自信号线与相应检测仪相连接,反应器分别通过装于塔体上部的藻液进口管及装于塔体底部的藻液出口管分别与超滤渗析器及低位槽相连接,光辐射塔板间隔一定间距固装于塔体内,排气管装于塔体顶部。本实用新型适于微藻高密度、高产业、大规模工业化生产、省电节能,便于实现最优化监控操作管理、成本低。

Description

光辐射塔板式光生物反应器

本实用新型是光辐射塔板式光生物反应器，属螺旋藻等微藻高密度生物养殖设备，特别涉及光合自养食品级、医用级及基因工程微藻的培养装置。

螺旋藻和其它一些微藻都是高光效自养原核浮游水生植物，目前国内外普遍采用开放式跑道池体系进行养殖。但实践证明，这种养殖体系由于无法利用计算机来自动控制养殖过程中所需的理化和生物环境以使养殖过程最优化，因此藻细胞对光能的利用率不高，光合效率仅约为1％，藻的生物量浓度低，仅为0．1～1．0g／L，以致普遍存在单位面积产量低，仅为4～7g／m²．d，产品质量不稳定，易受污染。正由于光能利用率低、低效养殖及品质差而导致成本过高，已成为目前螺旋藻等微藻产业面临的严重问题。为解决这些问题，除了设法选育优良藻种及改进生产工艺外，其关键是要研究设计新型养殖体系，以提高光能利用率，降低生产成本。特别近年来，随着藻类基因工程生物技术的发展，利用微藻作为受体或载体系统，表达一些高生物性的外源基因，如干扰素、免疫球蛋白、金属硫蛋白、防御素等，大批量生产多肽和蛋白质生物新药。因此，螺旋藻的大规模培养以及药用微藻和基因工程微藻的纯种高密度养殖，生产生物新药源，都迫切需要一种能利用计算机自动控制养殖过程、光能利用率高、抗污染力强，能保持纯种无菌培养，培养基水份蒸发量小而能维持恒定盐碱浓度、细胞繁殖速度快、能实现高密度、高产养殖的有效新型养殖反应器。

本实用新型的目的就是为了解决开放式跑道池式反应器存在的无法控制养殖过程中所需的理化和生物环境以使养殖过程最优化，导致光能利用率低，单位面积产量低，易受污染，产品质量不稳定，成本高等的问题，研究设计一种能利用计算机自动控制养殖过程、光能利用率高、抗污染能力强、能保持纯种无菌培养、细胞繁殖速度快、单位面积产量高、产品质量稳、成本低、适于大规模工业化生产的光辐射塔式光生物反应器。

本实用新型是通过下述结构技术方案来实现的：光辐射塔板式光生物反应器的结构示意图如图1所示，它由藻液进口管1、光辐射塔板2、二氧化碳CO₂多孔进气管3、塔体4、藻液出口管5、测光探头6、包括温度传感器7、pH电极8、溶氧电极9、CO₂传感器10在内的传感器电极组11、排气管12共同连接构成，其相互位置及连接关系为：光辐射塔板式光生物反应器分别通过藻液进口管1、藻液出口管5与超滤渗析器及低位槽相连接，装置于反应器上部的包括温度传感器7、PH电极8、溶氧电极9、CO₂传感器10在内的传感器电极组11分别通过各自信号传输线分别与PH-T双控效显仪、溶氧测定仪、自动CO₂分析仪相连接，装置于反应器中上部的测光探头6通过光照强度信号传输线与数字式照度计相连接，多块由内层为多个发光二极管集成的光发射板及外层为两块透明有机玻璃板密封构成的光辐射塔板2相隔一定间距交错固定粘接于反应器的塔体4内部，反应器塔体4采用有机玻璃板卷封粘接成圆柱体，反应器的塔体4外侧设有开口，在塔体4的中上部装置有CO₂多孔进气管3及测光探头6，在塔体的上端部固装有藻液进口管1，塔体4的顶部装有排气管12和传感器电极组11，塔体底部固装有藻液出口管5。其作用控制原理如下：光辐射塔板式光生物反应器不仅是光能的辐射器和接收器，而且它具有一定体积的培养藻液填充空间，这是实现工业化大规模生产基本单元产率的基础。藻液从藻液进口管1进入反应器塔体中，依次通过交错安装于塔体内的光辐射塔板2，充分吸收光辐射塔板上传播的连续稳定的光能，二氧化碳通过CO₂多微孔进气管3进入到藻液中，不仅能提供藻体生长的有效碳源，而且使藻液的pH值维持恒定，使藻液在不断循环中，通过对光能的吸收连续进行光合固碳作用，促进光合产物形成及生物量的增长，光合放氧(氧气或溶氧D．O)则通过装于反应器塔体顶部的排气管12以及真空泵的抽吸作用除去，有效地克服溶氧蓄积导致的光呼吸和光抑制现象，藻液在反应器中经光合作用和排除溶氧后，在重力作用下流到低位槽中，通过装于低位槽中间的间壁式热交换器的调温作用，使藻液温度始终控制在25～35℃范围内，以保证最适宜的生长条件。藻液在循环泵的作用下，连续不断泵入超滤渗析器中，从废液出口管排除去一部分藻类生长次级代谢废液；从新鲜培养液进口管可以及时补充新鲜营养液以保证本反应器内的连续培养过程，实现高密度养殖。因此，在泵的作用下，连续不断循环流动，不仅增加气液传质、能量传递，而且促进溶氧的排出，有效地控制养殖过程的理化及生物环境。计算机自动控制程序流程图如图2所示。其监控原理为：设置在光辐射塔板式光生物反应器中的温度传感器、CO₂传感器、测光探头、pH电极和溶氧电极测得养殖参数信号，通过多路开关输送至调频传送器传送至多路输入程控集成运算放大器，再经运算放大器将信号放大，放大后的信号经A／D转换后通过I／O串行接口进入计算机处理器处理后，分别再通过串行I／O接口和D／A数模转换器输送至多路控制继电器调节控制CO₂供给调节阀、热交换控制阀、新鲜培养液液泵、真空泵调节阀等来调节光辐射塔板式光生物反应器内的CO₂含量、温度，进而调节培养液的pH值，完成养殖参数的自动控制，实现养殖过程最优化。

本实用新型与现有技术相比有如下优点和有益效果：(1)本实用新型从结构和控制方法上有效地解决了藻类养殖过程中光能利用的技术难题，从而实现光生物反应器的藻类连续生产操作的最优化自动监控管理，保证了高密度、高产量、无菌纯种的藻类养殖；(2)本实用新型不仅适合螺旋藻的大规模工业化生产，而且对具有很高经济价值的药用微藻、基因工程微藻等光合自养藻类的大量养殖、生产生物新药源，具有广阔的应用前景；(3)由于本实用新型利用了高光辐射强度、窄光谱、低发热、低能耗的发光二极管构成的光辐射光电塔板作为光生物反应器的内部光源交叉间隔安装在反应器壳体内，它不仅是反应器的内部光源，而且能支撑藻体循环折流。当藻液在重力作用下从上而下流经光辐射光电塔板时，能使藻体在两塔板间均匀、稳定地受光，由于光传播路径短、光能衰减很小，这一方面可促使藻细胞进行高光能转化率的光合作用，使光合产物得以广泛的积累，另一方面也能使藻细胞的暗呼吸消耗性碳损失减低到最低程度。而且由于光辐射塔板中的光电板的光强度大小可控制，从而可有效地控制光照强度以防光照超胞和及光抑制的发生，使本实用新型的光能转化率和光合产物积累明显提高；(4)由于光辐射塔板是由两层有机玻璃板固定在反应器中，而内层光电板则从光生物反应器壳体外侧开口处插入两层相隔2cm的有机玻璃板中，体积小、重量轻、便于加工安装、灵活可拆、便于检修、更新及防漏、绝缘，操作简便，容易掌握；(5)由于发光二极管(LED)具有体积小、重量轻，单个LED仅需1．8V／20mA电能，节能省电。本实用新型节能效果显著，成本大大降低；(6)由于本反应器能与超滤渗析器连接使用，使藻体生长过程中次级代谢废液不断除去，新鲜营养培养液连续不断补充，有效地促进藻类高密度养殖。而且排出的废液经适当处理，便可循环使用，降低生产成本，经济有效地提高投入／产出的比例；(7)本实用新型的在线培养参数，如温度、pH值、光照强度、溶氧DO等可通过传感器或电极的信号测定，可实现计算机自监控管理，实现养殖过程的最优化；(8)由于本光生物反应器中的光辐射塔板加工安装方便，使塔体结构可放大、缩小及多塔并串联组合，而且其基本部件采用标准件，装配与拆卸灵活、方便，非常适合大规模工业化生产。因此，本实用新型采用光辐射塔板作为光反应器内部光源，并可采用计算机自动控制的密封式光生物反应器，这对于光合自养微藻的大规模工业化生产、加工、管理养殖过程，延长生产时间，打破季节性、地域性以及昼夜的限制，蕴藏巨大的经济潜力。

下面对说明书附图进一步说明如下：图1为光辐射塔板式光生物反应器的结构示意图；图2为本实用新型实现计算机处理的自动控制程序流程图。图中：1为藻液进口管、2为光辐射塔板、3为CO₂多微孔进气管、4为光生物反应器的塔体、5为藻液出口管、6为测光探头、7为温度传感器、8为pH电极、9为溶氧电极、10为CO₂传感器、11为传感器电极组、12为排气管。

本实用新型实施方式如下：可按图1所示，设计、加工、制造或选购本反应器的各组成部件。(1)如：温度传感器7可选购3TC-Pt100型，pH电极8可选购E-201型塑复pH电极，溶氧电极9可选DO-24型，CO₂传感器10可选Mettler Toledo CO₂传感器，测光探头6可选GK型光电传感器；(2)采用一般的机加工方法或制造现有反应器的常规方法，加工本光辐射塔板式光生物反应器的其它组成部件，然后按图1所示并按上面说明书所述的连接关系进行安装、连接，便能实现本光生物反应器。发明人建议光辐射塔板2由两层有机玻璃板密封套粘接在反应器塔体4内，交错粘接的间距可为5～6cm，反应器塔体4外侧设有开口，以便装拆、检修光发射板，光发射板是由多个发光二极管LED并联集成构成的印刷电路板，发光二极管可选GaAIAS-LED型，反应器塔体可用5mm的有机玻璃板卷封粘接而成；然后再结合上面所述的本实用新型控制原理及流程进行螺旋藻的养殖自动控制在线培养参数，便能较好实现本实用新型的养殖过程最优化。

Claims

1、一种光辐射塔板式光生物反应器，其特征在于：它由藻液进口管(1)、光辐射塔板(2)、CO₂多微孔进气管(3)、反应器的塔体(4)、藻液出口管(5)、测光探头(6)、包括温度传感器(7)、pH电极(8)、溶氧电极(9)、CO₂传感器(10)在内的传感器电极组(11)、排气管(12)共同连接构成，其相互位置及连接关系为：光辐射塔板式光生物反应器分别通过藻液进口管(1)、藻液出口管(5)分别与超滤渗析器及低位槽相连接，装置于反应器上部的包括温度传感器(7)、pH电极(8)、溶氧电极(9)、CO₂传感器(10)在内的传感器电极组(11)分别通过各自信号传输线分别与pH-T双控数显仪、溶氧测定仪、自动CO₂分析仪相连接，装置于反应器中上部的测光探头(6)通过光照强度信号线与数字式照度计相连接，多块由内层为多个发光二极管集成的光发射板及外层为两块透明有机玻璃板密封构成的光辐射塔板(2)相隔一定间距交错固定粘接于反应器的塔体(4)内部，反应器塔体(4)采用有机玻璃板卷封粘接成圆柱体，反应器塔体(4)外侧设有开口，在反应器塔体的中上部装置有CO₂多孔进气管(3)，在塔体的上端部固装有藻液进口管(1)，塔体的顶部装有排气管(12)和传感器电极组(11)，塔体底部固装有藻液出口管(5)。