一種光強在線調控的氣升式光生物反應器的製作方法

2023-09-19 20:55:40 2

專利名稱：一種光強在線調控的氣升式光生物反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種生物反應器，特別涉及到一種用於封閉式微藻培養的光強在線調控的氣升式光生物反應器。
背景技術：
微藻是體積小、結構簡單、生長迅速的單細胞藻類，其分布極其廣泛，從熱帶、溫帶到寒帶直至南北兩極，從淡水湖泊、鹽鹼沼澤到海水，從水錶到大洋深處幾乎都有微藻存在和繁衍。許多微藻具有重要的經濟價值。長期以來，人們僅僅是把微藻作為魚、蝦、貝類幼體或成體的直接或間接的活餌料。近幾十年來，尤其在20世紀80年代後，微藻生物技術迅速發展，人們認識到微藻在進化上的多源性、遺傳的多樣性，藻細胞中含有多種特殊的次級代謝物，此外微藻還具有光能轉換率高、對環境適應性強、易於遺傳改良等特點，可以對其進行大規模培養。目前，微藻在食品、醫藥、化工、環保、能源等領域的開發應用價值已成為人們關注的熱點，微藻培養和相關產品開發成為新興技術產業。目前，微藻培養主要有開放式和封閉式兩種光生物反應器。開放式光生物反應器構建簡單、成本低廉及操作簡便，但存在易受汙染、培養條件不穩定等缺點。封閉式反應器培養條件穩定，可無菌操作，易進行高密度培養，已成為今後的發展方向。與開放式光生物反應器相比，封閉式光生物反應器具有以下優點(1)無汙染，能實現單種、純種培養；(2) 培養條件易於控制；C3)培養密度高，易收穫；(4)適合於所有微藻的光自養培養，尤其適合於微藻代謝產物的生產；( 有較高的光照面積與培養體積之比，光能和(X)2利用率較高等突出優點。因此，近年來在國外研製和開發利用較快，已實現了高密度商業化培養。目前， 一般封閉式光生物反應器有管道式、平板式、柱狀氣升式等等。管式光合反應器用於藻類的培養，可以獲得較高的生物量。管式光合反應器通常由玻璃或塑料製成，考慮到陽光的透射能力，管徑不大於10cm。由於受到管長和管徑的限制，藻在管道中的沉澱和貼壁以及管道內部的混合問題，管式光合反應器的放大也存在一定的困難。目前的大規模管式微藻培養只能依賴於一系列的小規模模塊化的組合。平板式光生物反應器具有光利用率高，易放大培養，易清洗，其內部的貼壁生長和外部的鹽沉澱容易處理；結構相對簡潔，可以隨意調節放置角度以便使其獲得最佳的取光效果。由於通氣量較大，板式反應器內部的剪切力較大，對微藻生長不利；板式反應器的滅菌難以實現，而且尚沒有工業化的培養控制設備與之相配套，其溫度控制難度較大。與其它各類光生物反應器比較，氣升式反應器的優點是①造價低、易操作、實用性強，可在無人值守條件下長期運轉；②佔地面積小，光能利用效率和產量高；③結構簡潔，可防止藻類附壁、纏繞和形成死角，有利於長期培養；④攪拌裝置湍動溫和均勻，剪切力小，不損傷藻類，循環速度高並形成湍流，提高光能利用效率，可實現高密度培養；⑤培養液無氧飽和，溫度不會異常升高，不需要附加脫氧裝置，不需要採用附加的降溫裝置和措施。張栩等(氣升式藻類光生物反應器的應用研究，海洋科學，張栩等，2000，M (5) 152-155)研製了 100L外照光源、內環流氣升式藻類光生物反應器以及二氧化碳配氣裝置。其主體是圓筒狀，材料為有機玻璃，該反應器採用人工光源由12支40W螢光燈提供光照。潘雙葉等(應用光生物反應器高密度培養等鞭藻，潘雙葉等，寧波大學學報， 2002,15(3) :33-38)報導了一種由中科院海洋所研製的外照光源、內導流氣升立式光生物反應器。其主體呈圓筒狀，內有一套筒，材料為有機玻璃。康瑞娟等(用於微藻培養的氣升式光生物反應器，康瑞娟等，化學反應工程與工 2,2001,17(1) =153-158 ；CN 2384948Y)研究構建了一種內外光源結合的氣升式內環流光生物反應器，並在其中進行了兩種藍藻的光自養培養。反應器由玻璃罐體、氣體提升管、內光源密封管、熱交換裝置、氣體分布器、內外光源等部分組成。以日光燈管作為內外光源。總體積為15L，工作體積13L。申請號為200420009076. 2的實用新型專利是對實用新型專利CN99213569. 9的
改進，提高了該氣升式反應器的安全性和穩定性。其公開了一種用於藻類及其它光合生物細胞懸浮培養的氣升式光生物反應器，其氣體分布器採用圓形多孔氣體分布板式氣體分布器，氣體分布器的下端為錐面或球面，並且將內光源密封管設計成具有一段凸起或兩個凸環的結構，使內光源密封管能夠更加穩固；在反應器罐體的外面安裝一圖燈罩，使外光源能集成在燈罩內。其採用內外光源相結合的照光方式，適用於光合生物細胞培養及相關代謝產物的生產。申請號200920029774. 1和200910016839. 3的專利對氣升式光生物反應器進行了
一些結構改造，其核心在於引入了一種新型的營養液分配器和溫控系統。所述氣升式光生物反應器，包括反應器罐體內的內光源裝置，反應器罐體壁上的接種口與排料口，以及反應器罐體頂部的封蓋上的測量口、排氣口及底部的下封蓋和溫控器，還包括固定在下封蓋中心通孔上的分配器裝置，並憑藉其中的多個分配通道與反應器罐體的內腔室相通，營養素分別經加料管道由注料孔進入分配通道中。分配器裝置的階梯形圓臺外面有一互相蓋合的密封蓋，其上對應各分配通道的環形腔室內設置有單向閥。申請號為201010561271.6的專利選擇透明的內置導流筒，由內置LED提供光源，
外置氙燈用於溫度調節，並將其用於產油微藻的培養。申請號為200510018203. 4的專利設計了一種專門用於雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器，採用內外光源的設計為微藻培養提供光照，罐體採用樹脂玻璃，由於該反應器設計的針對性，限制了其應用範圍。雖然氣升式光生物反應器的優點較多，但其尚未實現商業化微藻生產的應用。從已有文獻報導和專利申請情況可以看出，制約其工業化規模放大主要包括以下因素①大多數的氣升式光生物反應器採用玻璃、有機玻璃等透明材料，擬通過內外照明的方式滿足微藻生長對光的需求，但有機玻璃耐壓性能有限，玻璃筒體在放大後的耐壓能力也明顯減弱，對反應器放大後的在線高溫消毒滅菌造成了障礙；②一些氣升式光生物反應器引入了可高溫滅菌的不鏽鋼罐體和內置光源的設計，但在光源設計方面沿用了透明罐體反應器的設計，未能進行有效的改進以滿足微藻生長的需求；③現有的光生物反應器通常無法進行內部光強的測量，對於光生物反應器光強的調節只能依靠培養經驗或多次優化結果進行人工操作，而由於沒有耐受高溫高壓的光強檢測電極，將光強測定與光強調節結合進行自動化的在線調控以滿足微藻對光強的要求更是難以實現，直接限制了光生物反應器放大的工業化進程。

發明內容
針對現有技術的不足，克服上述現有封閉式氣升式光生物反應器存在的缺陷，本發明的目的之一在於提供一種光強在線調控的氣升式光生物反應器。為了實現上述發明目的，本發明所述的一種光強在線調控的氣升式光生物反應器，是對現有氣升式光生物反應器結構和功能的改進。本發明通過採用導流筒外環隙內置光源的方式，使得不鏽鋼氣升式光生物反應器在滿足在線高溫消毒滅菌的同時，又能滿足微藻生長對光照的需求；通過新型的光強測定和光強調節系統的設計，可以實現反應器中光照強度的在線測定和調節，實現微藻培養過程中光強的自動化調節，滿足不同生長階段微藻對光強的不同需求，提高氣升式光生物反應器的微藻生產效率，以滿足工業化生產自動化控制的要求。具體而言，本發明所述的內置光源位於導流筒外壁與反應器筒體內壁之間的中心部位，有別於將內置光源設於導流筒內部的設計，由於氣升式反應器中微藻在導流筒內的停留時間遠小於其在導流筒外部的停留時間，將內置光源設置於導流筒外環隙可以保證微藻生長對光照的需求，又能實現微藻培養過程中的光暗循環。所述光強測定和光強調節系統主要分為光強測定和光強調控兩部分。光強測定系統通過在反應器側壁設置玻璃結構的輻射儀接口組件，配合球狀輻射儀，即可實現氣升式光生物反應器內光強的在線測定。光強調控系統主要有智能可控電源組成，球狀輻射儀收集的數據通過PLC控制器處理後反饋給智能可控電源，通過控制智能可控直流電源的電壓實現反應器內光強的調節。作為上述技術方案的一種改進，所述反應器內置導流筒通過吊裝拉杆與反應器上蓋連接在一起，可以與固定於上蓋上的光源玻璃筒同時上下移動，避免經常拆卸可能造成的損壞。進一步地，上蓋採用機械化軌道的升降方式。進一步地，導流筒外壁還設有扶正簧，能夠有效的防止導流筒位置的偏移。作為上述技術方案的一種改進，所述光強測定系統的輻射儀接口組件採用圓柱形套筒，從側面插入，套筒與水平面成15°夾角，套筒直徑由所選用球狀輻射儀的尺寸決定， 球狀輻射儀感光探頭在套筒中的位置可沿套筒中軸線方向調節，套筒進入反應器的深度以不能觸碰到導流筒為佳，套筒位於玻璃筒附近，其中軸線與放置光源玻璃筒中軸線的距離應保持在l-3cm，以保證高密度培養條件下光強的測定。進一步地，所述的套筒的材質為耐高溫硼矽玻璃或其他耐高溫透光材料。作為上述技術方案的一種改進，所述光強調控系統必須使用可進行PLC控制的智能可控直流電源，與之相配套的光源採用LED光源，單根LED光源的光強可調範圍在0 2000 μ mol/(m2s)。本發明的優點在於1、採用導流筒外環隙內置光源的方式，可以有效的保證微藻的光照時間，與導流筒內的暗區形成光暗循環，這一設計滿足了微藻生長對光照和光暗循環的要求，適用於不鏽鋼氣升式光生物反應器，可進行無菌培養；2、光源、導流筒和罐蓋的一體化設計，輔之以機械升降軌道，可以簡化光照系統的拆卸和維護，提高安全性，滿足工業化放大的要求；3、輻射儀接口組件的引入，解決了光生物反應器培養過程中的光強監測問題，又能滿足無菌培養的要求；4、將光強調控系統引入光生物反應器裝置，實現了光強的在線調控，解決了微藻培養放大過程中對光的有效監測和調控，有利於工業上的放大，適用於大規模工業生產。綜上所述，本發明針對微藻培養對光的節律的需求，設計了導流筒外環隙內置光源，並採用新型的光強監測與調控系統，實現了封閉式反應器中光的在線檢測和調控，該新型氣升式光生物反應器可進行大規模微藻光照無菌培養，適用於工業化的微藻生產與放大。


圖1為光強在線調控的氣升式光生物反應器系統示意圖。圖2為光強在線調控的氣升式光生物反應器主體正視圖和俯視圖。
具體實施例方式為便於理解本發明，本發明列舉實施例如下。本領域技術人員應該明了，所述實施例僅僅用於幫助理解本發明，不應視為對本發明的具體限制。在圖1和圖2中，附圖標記分別表示如下1、氣體分布器2、氣升反應器主體3、內置導流筒4、LED光源5、電極監測系統6、配氣系統7、光調控系統8、尾氣分析系統9、PLC控制器10、微機系統11、光照管接口12、備用接口13、裙座14、出料管15、測溫護管16、密封條17、上法蘭18、導流筒筒體19、夾套筒體20、輻射儀接口組件21、反應器筒體
22、液面計23、吊裝拉杆對、法蘭25 λ上蓋W、螺栓27、進出水口觀、扶正簧W、環板30、pH、DO、濁度接口31、光源玻璃筒32、螺栓33、彈性墊圈34、下法蘭35、進氣管36、錐形封頭37、消泡傳感器38、排氣管39、接種口實施例一如圖1所示，本發明的一種光強在線調控的氣升式光生物反應器，該裝置主要由氣體分布器1、氣升反應器主體2、內置導流筒3、LED光源4、電極監測系統5、配氣系統6、 光調控系統7、尾氣分析系統8、PLC控制器9、微機系統10組成。所述氣體分布器1用於將通入的空氣和(X)2分布成均勻細小的氣泡通入反應器；所述氣升反應器主體2為不鏽鋼氣升式光生物反應器；所述內置導流筒3為不鏽鋼材料的圓柱形筒體；所述LED光源4採用現有市場上能夠採購到的0. 5WLED燈珠連接成的燈條，每根LED光源由四根LED燈條組成；所述電極監測系統5由用於檢測溶氧、pH、濁度、溫度和光強的5組電極組成；所述配氣系統6可通過PLC控制提供不同配比的空氣和CO2的混合氣體；所述光調節系統7主要由智能可控直流電源組成，並能夠通過PLC控制器調節電壓以達到調節光源光強的目的；所述尾氣分析系統8可進行尾氣中O2和(X)2成分的分析；所述PLC控制器9實現各系統的監測和反饋控制；所述微機系統10主要進行數據的收集和各系統操作的記錄，可對PLC控制器9中的控制參數進行設定和修改。本發明的一種光強在線調控的氣升式光生物反應器工作時，由配氣系統6提供反應所需氣體經過氣體分布器1後通入氣升反應器主體2中，通過內置導流筒3帶動液體形成內環流，LED光源4為微藻的生長提供光源並通過光調節系統7實現過程中光強的自動調控，培養過程中電極監測系統5和尾氣分析系統8可對各參數進行監測，PLC控制器9根據預設值，對配氣系統6、光調節系統7、電極監測系統5進行反饋控制，反應過程中各參數變化和操作記錄儲存於微機系統中。所述不鏽鋼氣升式光生物反應器結構如圖2所示，反應器筒體21的兩頭設有法蘭 24和上法蘭17，反應器筒體21通過上法蘭17和下法蘭；34與錐形封頭36由螺栓32和彈性墊圈33連接，反應器筒體21通過法蘭M與上蓋25通過螺栓沈連接，反應器筒體21與錐形封頭36之間以及反應器筒體21與上蓋25之間均設有密封條16，反應器底部設有出料管14，錐形封頭的側面設有垂直向上伸入反應器內部的測溫護管15用於放置溫度電極，在錐形封頭另一側設有進氣管35，反應器筒體21外壁四周設有夾套筒體19用於控溫，夾套筒體19上下設有進出水口 27，反應器筒體21中間部位設有穿透筒壁的pH、DO、濁度接口 30 和輻射儀接口組件20用於連接相應電極，各接口與夾套筒體19之間通過環板四隔開，反應器筒體21正面設有帶刻度的液面計22，反應器筒體21內設導流筒筒體18，導流筒筒體 18通過吊裝拉杆23與上蓋25連接成一體，導流筒筒體18外壁設有扶正簧觀，光源玻璃筒 31穿過上蓋25上的光照管接口 11垂直向下深入反應器內部並固定於上蓋25上，反應器上設有備用接口 12、消泡傳感器37、排氣管38、接種口 39，整個不鏽鋼氣升式光生物反應器固定於裙座13上方。所述反應器筒體21、夾套筒體19、導流筒筒體18、上蓋25、吊裝拉杆23、錐形封頭 36均採用不鏽鋼材質。所述光源玻璃筒31為U型，設置數量6根，均勻分布於同一圓周上。所述的光源玻璃筒31位於導流筒外壁與反應器筒體內壁之間的中心部位。所述上蓋25採用機械化軌道的升降方式。所述光強測定系統的輻射儀接口組件20採用圓柱形套筒，從側面插入，套筒與水平面成15°夾角，套筒直徑由所選用球狀輻射儀的尺寸決定，球狀輻射儀感光探頭在套筒中的位置可沿套筒中軸線方向調節，套筒進入反應器的深度以不能觸碰到導流筒為佳，套筒位於玻璃筒附近，其中軸線與放置光源玻璃筒中軸線的距離應保持在l_3cm，以保證高密度培養條件下光強的測定。所述的套筒的材質為耐高溫硼矽玻璃或其他耐高溫透光材料。
所述LED光源的單根光強可調範圍在0 2000 μ mol/(m2s)。申請人:聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的詳細工藝設備和工藝流程， 但本發明並不局限於上述詳細工藝設備和工藝流程，即不意味著本發明必須依賴上述詳細工藝設備和工藝流程才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發明的任何改進， 對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護範圍和公開範圍之內。
權利要求
1.一種光強在線調控的氣升式光生物反應器，所述反應器主要由氣體分布器(1)、氣升反應器主體(2)、內置導流筒(3)、LED光源(4)、電極監測系統(5)、配氣系統(6)、光調控系統(7)、尾氣分析系統(8)、PLC控制器(9)、微機系統(10)組成，其特徵在於，所述氣升反應器主體O)內設光源玻璃筒(31)和導流筒筒體(18)，其側壁還設有輻射儀接口組件 (20)，所述光調控系統(7)可通過PLC控制器(8)進行光強的在線調控。
2.根據權利要求1所述的反應器，其特徵在於，所述光源玻璃筒(31)採用導流筒外環隙內置的方式。
3.根據權利要求1或2所述的反應器，其特徵在於，所述導流筒筒體(18)通過吊裝拉杆與上蓋0 連接成整體，可以與固定於上蓋上的光源玻璃筒(31)同時上下移動。
4.根據權利要求1-3之一所述的反應器，其特徵在於，所述輻射儀接口組件00)採用圓柱形套筒，從側面插入，套筒與水平面成15°夾角，套筒位於光源玻璃筒附近，其中軸線與放置光源玻璃筒中軸線的水平距離應保持在l-3cm。
5.根據權利要求1-4之一所述的反應器，其特徵在於，所述光調控系統(7)使用可進行 PLC控制的智能可控直流電源，與之相配套的光源採用LED光源。
6.根據權利要求1-5之一所述的反應器，其特徵在於，所述光源玻璃筒(31)為U型，設置數量6根，均勻分布於同一圓周上。
7.根據權利要求1-6之一所述的反應器，其特徵在於，導流筒筒體(18)外壁還設有扶正簧。
8.根據權利要求1-7之一所述的反應器，其特徵在於，所述上蓋05)採用機械化軌道的升降方式。
9.根據權利要求1-8之一所述的反應器，其特徵在於，所述套筒需配合球狀輻射儀使用，球狀輻射儀感光探頭在套筒中的位置可沿套筒中軸線方向調節。
10.根據權利要求1-9之一所述的反應器，其特徵在於，所述套筒的材質為耐高溫硼矽玻璃或其他耐高溫透光材料。
全文摘要
本發明涉及一種光強在線調控的氣升式光生物反應器，包括反應器筒體內設的光源玻璃筒和導流筒筒體，反應器筒體側壁的輻射儀接口組件，以及反應器外設的光調控系統。所述光源玻璃筒採用導流筒外環隙內置的方式，所述導流筒筒體與上蓋及光源玻璃筒連接成整體並採用機械化軌道的升降方式；所述輻射儀接口組件可與球狀輻射儀配合使用；所述光調控系統通過可進行PLC控制的智能可控直流電源，進行LED光源光強的在線調節。在滿足無菌培養的基礎上，本發明滿足了微藻生長對光照和光暗循環的要求，解決了光生物反應器培養過程中的光強監測問題，實現了微藻培養過程中對光的有效監測和自動化調控，適用於大規模工業生產。
文檔編號C12M1/36GK102352304SQ20111028903
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者劉春朝, 徐玲, 王 鋒, 郭晨 申請人:中國科學院過程工程研究所