一種培養光合微生物的光反應器的製作方法
2023-06-09 19:03:36 2
專利名稱：一種培養光合微生物的光反應器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種培養光合微生物的光反應器，尤其涉及一種內部具有不同長度的隔板結構設置的用於光合微生物培養的光生物反應器。
背景技術：
光反應器，通常應用於藻類、光合細菌、蘚類或其他植物或微生物細胞培養的工業化生產。這些植物或微生物，特別是光合微生物可以利用光能將(X)2和水轉化為各種有機物，具有光合作用效率高、環境適應性強、繁殖快、生長周期短、不佔用耕地、可大規模化、自動化控制培養(生產)等特點。當前，光合微生物的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由於不具備溫度控制能力、生產受季節影響，且生產過程容易受到各種異生物的汙染。封閉式光生物反應器主要的基礎形式有管道式、柱狀式、平板式等。這些光反應器需要滿足以下要求1)使反應器內每個細胞接受最多的光能。2、充分的混合及增強氣體交換。管道式光生物反應器比表面積大，但氧解析困難，同時不易清洗，不適合光合微生物的大規模培養。柱狀光生物反應器雖然不存在氧解析困難的問題，混合液均勻，但放大困難。 平板式光生物反應器相對於前面兩種光反應器而言，同時具有光照比表面積大、光照利用率高、混合均勻，氧解析快、放大相對容易等優點，因此以平板式光生物反應器作為基礎結構具有一定的優勢，較其他類型封閉式光反應器更有發展前景、更易實現工業規模的應用。而在現有的平板式光生物反應器中，通常採用的隔板結構都是交錯設置的等長度隔板，這種設置使得料液和氣體之間的反應不夠充分，同時，對廢棄料液的處理不夠便利， 而且裝置不易清洗的缺點，同時，氣體的流量和料液的流通由於處理的不便利也可能造成裝置的堵塞等不可預知的情形，因此，亟待提供一種能夠克服上述現有製作技術和工藝中存在的各種缺陷的光反應器。
發明內容本實用新型提供了一種用於光合微生物培養的光反應器。本實用新型的反應器光照比表面積大、光照利用率高、光合微生物和養料混合均勻，氧解析快、易於處理廢棄料液， 容易清洗，不造成裝置的堵塞。本實用新型的光反應器中所述光反應器包括光反應器主體，可轉動的機械軸和支撐底座，其特徵在於所述光反應器主體是扁平狀立方體封閉式結構，通過氣體進出口和物料進出口與外部系統連接，所述光反應器主體由兩個受光面面板、頂部邊框和底部邊框，以及左側邊框和右側邊框組成，所述頂部邊框、底部邊框，左側邊框和右側邊框用於固定兩個受光面；所述光反應器主體的底部邊框通過所述可轉動的機械軸與所述支撐底座連接；在光反應器主體內部具有並行設置的長隔板和多個短隔板，所述長隔板和短隔板與所述兩個受光面面板緊密連接；所述長隔板一端與所述底部邊框連接，另一端與頂部邊
3框不連接，短隔板兩端與底部邊框和頂部邊框均不連接，長隔板與頂部邊框的距離比短隔板與頂部邊框的距離小，即長隔板高於短隔板；光反應器主體內上下劃分為光反應區和氣體收集區，另外，所述光反應區被長隔板左右分割為液體上升區域和液體下降區域，短隔板位於液體上升區域且以相同的間距平行分布；在所述液體上升區域的底部設置有氣體分布器，所述氣體分布器通過進氣口與外部進氣管路連接；所述進氣口位於所述光反應器液體上升區域一側的邊框上，出氣口位於光反應器主體的頂部邊框上；優選的，所述進氣口為管狀結構；進料口與進氣口同側設置，出料口位於液體下降區域一側的邊框或底框上。在本實用新型的光反應器中，用於培養光合微生物或其它微生物或植物的培養液通過進料口進入光反應器主體，在液體上升區域從光反應器主體底部上升，至高於長隔板時流入液體下降區域，並通過出料口流出。培養的光合微生物或其它微生物或植物在培養液中進行繁殖和光反應，因此培養液停留在反應器內的部分即構成所述光反應器主體的光反應區。外部進氣管路提供的氣體通過氣體分布器進入光反應區，經液體上升區域的培養液培養液上升和釋放，進入所述光反應器主體的頂部空間，即氣體收集區。根據本實用新型的一個優選實施例，所述液體上升區域有8-20條短隔板。根據本實用新型的一個優選實施例，所述的光反應器還包括角度調節裝置，該角度調節裝置與光反應器主體和支撐底座分別連接，光反應器主體通過所述角度調節裝置可繞所述機械軸轉動。根據本實用新型的再一個優選實施例，其中所述的光反應器中所述氣體分布器為自進氣口延長至接近長隔板端的散氣管，其上設置有散氣孔。根據本實用新型的另一個優選實施例，其中所述的光反應器中的所述的氣體分布器的形狀為扁平狀，其內為中空設置，在所述氣體分布器的頂部和底部側面上分布有多個小孔。根據本實用新型的再一個優選實施例，其中所述的光反應器的主體沿著可轉動的機械軸可以在0-180度的範圍內旋轉。根據本實用新型的另外一個優選實施例，其中所述的光反應器的兩個受光面的面板由透明材料製成，其餘四個邊框結構由中空型材或單層材料製成。根據本實用新型的又一個優選實施例，其中製作所述底部邊框的中空型材或單層材料上接觸料液的面上設置多個孔作為進出料孔。根據本實用新型的另一個優選實施例，其中在所述光反應器主體的頂部邊框上設置有多個連接口，用於連接傳感器裝置。根據本實用新型的另一個優選實施例，所述光反應器可具有多個並行串聯使用的上述光反應器主體。根據本實用新型的上述光反應器具有以下優點首先，光照比表面積大，光照利用率高；其次，培養的光合微生物和/或培養液混合均勻，氧解析快；再次，裝置通氣性好以及培養液混合循環性好；[0029]最後，裝置清洗簡單，不造成裝置的堵塞。
通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本實用新型的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯，其中圖1是根據本實用新型的一個優選實施例的所述光反應器的整體結構示意圖。圖2是根據本實用新型的一個優選實施例的所述光反應器的主體的俯視圖。圖3是根據本實用新型的一個優選實施例的所述光反應器主體中的氣體分布器的俯視圖。圖4是根據本實用新型的一個優選實施例的所述光反應器中的角度調節裝置的側視圖。附圖中相應附圖標記對應的部件名稱如下100.光反應器主體101.進氣口[0037]102.出氣103.進料口[0038]104.出料105.機械軸[0039]106.短隔板107.長隔板[0040]108.氣體分布器109.受光面面板[0041]1101.頂部邊框1102.底部邊框[0042]1103.左側邊框1104.右側邊框[0043]111.傳感器裝置連接112.光反應區[0044]113.氣體收集區114.液體上升區域[0045]115.液體下降區域200.支撐底座附圖中相同或相似的附圖標記代表相同或相似的部件。
具體實施方式
為了更好地理解和闡釋本實用新型，下面將參照圖1-4對本實用新型作進一步的詳細描述。圖1是根據本實用新型的一個優選實施例的所述光反應器的整體結構示意圖。如圖1所示，所述光反應器的整體結構由三部分組成光反應器主體100、可轉動的機械軸105 和支撐底座200。其中，光反應器主體100由進氣口 101、出氣口 102、進料口 103、出料口 104、短隔板106、長隔板107、氣體分布器108、兩個受光面面板109、頂部邊框1101、底部邊框1102、左側邊框1103、右側邊框1104以及傳感器裝置連接口 111組成，具體位置如圖所
7J\ ο其中，光反應器主體100和支撐底座200通過可轉動的機械軸105連接，所述光反應器還可以包括角度調節裝置400 (在圖4中示出了其結構)，該角度調節裝置400與光反應器主體100和支撐底座200連接，光反應器主體100通過所述角度調節裝置400可繞所述機械軸105轉動。光反應器主體100的中間是由兩個受光面面板109，而其四周利用頂部邊框1101、底部邊框1102、左側邊框1103和右側邊框1104固定。兩個受光面面板109與頂部邊框1101、底部邊框1102、左側邊框1103、右側邊框1104 —起形成扁平狀立方體封閉式結構。通常受光面面板109利用透明材料製成，其餘四個邊框結構利用中空型材製成，當然也可以採用金屬材料製作所述邊框；同時，可以採用單層材料(例如金屬材料)製作所述邊框，只要能達到固定所述受光面面板109的效果，而上述結構使得光反應器主體100形成一個密封不透氣透液的立方體封閉式結構，所述光反應器主體100通過所述的進氣口 101、 出氣口 102、進料口 103和出料口 104與外部系統連接，分別用於輸入輸出氣體或液體，例如含有養分的用於培養微生物或植物的培養液。即如圖1所示，所述光反應器主體是扁平狀立方體封閉式結構，其底部邊框1102通過可轉動的機械軸105與所述支撐底座200連接。 當上述頂部邊框1101、底部邊框1102、左側邊框1103和右側邊框1104利用單層材料製成時，上述各板連接固定處均採用有機玻璃粘合，或採用其他方式粘合或一體化形成，從而使光反應器形成一個密封不透氣的立方體封閉式結構。在光反應器主體100的內部具有並行設置的長隔板107和多個短隔板106，光反應器主體100內根據培養液區域被上下劃分為光反應區112和氣體收集區113，另外，所述光反應區112被長隔板107左右分割為液體上升區域114和液體下降區域115，短隔板106 在液體上升區域114中平行分布，另外，所述長隔板107的側面與光反應器主體100的內面密封連接，各短隔板106與光反應器主體100的內面密封連接。根據本實用新型的一個優選實施例，所述液體上升區域有8-20條短隔板。在所述液體上升區域114的底部設置有氣體分布器108，優選地，其可以延伸至或接近長隔板107端，所述氣體分布器108通過所述進氣口 101與外部進氣管路連接；所述進氣口 101為管狀結構，位於所述光反應器主體100的液體上升區域114 一側的邊框，即圖示的邊框1104上，出氣口 102位於光反應器主體100的頂部邊框1101上，所述進料口 103 與進氣口 101同側設置，出料口 104位於所述液體下降區域115—側的邊框，即圖示的邊框 1103上。出料口 104也可位於所述液體下降區域115 —側的底框(未示出)。在本實用新型的光反應器中，用於培養光合微生物或其它微生物或植物的培養液通過進料口 103進入光反應器主體100，在液體上升區域114從光反應器主體100底部上升，至高於長隔板107時流入液體下降區域115，並通過出料口 104流出。培養的光合微生物或其它微生物或植物在培養液中進行繁殖和光反應，因此培養液停留在反應器內的部分即構成所述光反應器主體的光反應區。外部進氣管路提供的氣體通過氣體分布器進入光反應區，經液體上升區域的培養液培養液上升和釋放，或攜帶從光合微生物或其它微生物或植物產生的氣體上升，從培養液釋放，進入所述光反應器主體的頂部空間，即氣體收集區。 光合微生物產生有用的氣體可通過出氣口排出和收集。光合微生物產生的液態產物由培養液攜帶出反應器，經分離提純裝置收集。其中，所述光反應器主體100沿著所述的可轉動的機械軸105可以在0-180度的範圍內旋轉。優選地，所述光反應器主體100與支撐底座200的連接機械軸105可以是點連接，即可以實現根據太陽光光照方向轉動所述光反應器主體100，實現所述光反應器主體 100 一直朝向太陽光光照方向，保持受光面與太陽光光照方向垂直，接受光能最多的技術效
果O在所述光反應器的實際操作和運行過程中，通過外部進氣管路，如噴氣泵等，氣體利用進氣口 101進入氣體分布器108，而後通過氣體分布器108表面的氣孔噴出，而後與料液混合，而氣體分布器108通常的形狀為扁平狀，其內為中空設置，其中，在所述氣體分布器108的一個側面上布有多個小孔，用於作為出氣孔；優選地，氣體分布器108為自進氣口延長至接近長隔板端的散氣管，散氣管的左右兩側設置有一排散氣孔(圖中未示出)。水可以通過水泵等供水系統進入循環系統(圖中未示出)，而後反應物通過管路系統(屬外部系統，圖中未示出)與水混合，形成料液，而後通過進料口 103進入光反應器主體100;當氣體通過管路和料液混合後，由於氣體的作用，料液被不斷攪拌並在光反應器主體100的光反應區112充分反應，而後氣體到達光反應器主體100的氣體收集區113，從出氣口 102 排出；料液通過進料口 103進入光反應器主體100時可以選擇直接進入光反應器主體100 的液體上升區域114，料液在外力作用下(例如，可以通過泵等機械裝置提供外力)不斷上升，越過長隔板107的頂端，通過長隔板107與所述光反應器主體100的上部的間隔，在重力作用下下降，進入液體下降區域115通過圖示的左側邊框1103上設置的出料口 104流出光反應器外。由於光合微生物以懸浮態生活在料液中，所述的短隔板106將液體上升區域 114分割成幾個更小的空間，氣體在每個空間中均勻分布，不斷上升，給料液提供充足的氣體，同時對料液起到一個攪拌的作用，達到更好的循環效果。優選地，所述料液進入光反應器主體100時也可以採用其他方式進入上述液體上升區域114，可以在製造圖示的底部邊框1102的中空型材或單層材料上接觸所述料液的面上設置多個孔作為進出料孔，而料液通過上述孔結構進入液體上升區域114(所述孔未示出)。優選地，當利用中空型材製作左側邊框1103時，可以在中空型材中設置管路，形成管狀出料口 104。出料口 104也可位於所述液體下降區域115—側的底框(未示出)。 所述料液可以通過在型材接觸料液的一面的液體下降區域115的範圍內設置多個孔，而通過所述孔流入上述管狀出料口，從而流出光反應器主體100外。優選的，液體上升區域114 的底部邊框1102上也設置出料口 104。在培養過程中，上述液體上升區域的出料口 104關閉，而只在清洗反應器的時候使用。也就是說，在需要清洗光反應器主體100時(例如發現微生物出現汙染或大量死亡而沉澱的時候)，就停止在進料口 103的輸入，並打開液體上升區域114的邊框上設置的出料口 104，放出培養液。這種設計大大增加了清洗光反應器的效果和效率。更加優選地，也可以在所述液體下降區域115設置短隔板，實現料液的攪拌反應。 另外，也可以設置多個長隔板107，中間間隔有短隔板106，而所述氣體分布器108的端部只需要和最靠近圖示的左側邊框一側的長隔板密封連接即可。此外，在光反應器主體100的頂部邊框1101上設置有多個連接口 111，用於連接傳感器裝置。所述傳感器裝置用於測定所述光反應器的主體100的受光照強度和溫度等信息，並實時發送調節信號給所述的角度調節裝置400 (在圖4中示出)，不斷調整光反應器的主體100的角度，從而實現料液在光照作用下的最充分的反應。由於影響光合微生物的繁殖和生長的因素中，光照時影響光合微生物高密度培養的關鍵因素。光合微生物在不同生長狀況下所需要的光照強度不同。基於上述原理，設置了可轉動的機械軸105和角度調節裝置400，角度調節裝置400可以是氣泵或其他角度調節裝置。通過調節光反應器主體100 的角度，可以調節光反應器主體100的受光面面板109的光照強度。支撐底座200如圖所示為立方體框架結構，四個底角可以利用塑料墊腳結構吸附地面，達到支撐光反應器主體100，並固定所述光反應器主體100的效果。通常支撐底座利用金屬材料製作，同時在所述支撐底座200的中間區域可以包含有附屬結構，例如充氣機， 水泵等，當然所述附屬結構也可以獨立於上述支撐底座結構而在該支撐底座外部設置。圖2是根據本實用新型的一個優選實施例的所述光反應器的主體100的俯視圖。 如圖2所示，所述光反應器主體100的頂部邊框1101上具有出氣口 102和多個傳感器裝置連接口 111 (圖示為6個，均勻對稱設置)，當光反應器主體100的四個邊框結構，即頂部邊框1101、底部邊框1102、左側邊框1103和右側邊框1104利用中空型材製成時，所述出氣口 102和多個傳感器裝置連接口 111為管狀結構；當光反應器主體100的四個邊框結構，即頂部邊框1101、底部邊框1102、左側邊框1103和右側邊框1104利用單層材料製成時，所述出氣口 102和多個傳感器裝置連接口 111為孔狀結構。如俯視圖所示，長隔板107和短隔板106是具有一定厚度的長方體隔板結構，短隔板106位於液體上升區域114且以相同的間距平均分布，長隔板107的下端與光反應器主體100的下部密封連接，上端與光反應器主體100的頂部邊框不連接，間隔一段距離；短隔板106的下端與光反應器主體100的底部邊框間隔一端距離，而上端與光反應器主體100 的頂部邊框也間隔一端距離，但是上述距離小於長隔板上端與光反應器主體100的頂部邊框的距離。受光面面板109利用四個邊框結構，即頂部邊框1101、底部邊框1102、左側邊框 1103和右側邊框1104固定，所述受光面面板109如圖所示為透明材料製成，而四個邊框結構，即頂部邊框1101、底部邊框1102、左側邊框1103和右側邊框1104利用為方形中空型材，當然也可以利用金屬材料製作所述邊框，同時，可以採用單層材料(例如金屬材料)製作所述邊框，只要能達到固定所述受光面面板109的效果，而上述結構使光反應器主體100 形成一個密封不透氣的立方體封閉式結構。圖3是根據本實用新型的一個優選實施例的所述光反應器主體中的氣體分布器的俯視圖。如圖3所示，所述氣體分布器108的形狀為扁平狀，其內為中空設置，其中，在所述氣體分布器108的頂部和底部側面上(圖示為頂部側面)布有多個小孔，圖中僅僅示出了俯視視角的所述氣體分布器的頂部側面。所述氣體分布器108的端部分別與長隔板107 以及進氣口 101連接，優選地，氣體分布器108也可以不與長隔板107連接，而是具有一定間隔。在實際的製作過程中，所述氣體分布器108通常採用金屬材料，例如鋁合金或不鏽鋼製作。優選地，所述氣體分布器108為延長至接近長隔板107 —端的散氣管，散氣管的左右兩側設置有一排散氣孔(圖中未示出)。所述排氣孔的形狀以及上述分布的小孔的形狀通常為圓形，當然，可以設置為其他形狀。而排氣管也可以設置為多條，同理，氣體分布器 108也可以採用多個，根據培養過程中所需氣流的需求可以執行多種配置。所述氣體分布器108通過進氣口 101與外部進氣管路連接，當然優選地，所述進氣口 101、外部進氣管路以及氣體分布器108或者散氣管的數量可以進行多種選擇和配置，只要滿足在培養過程中所需的氣體的氣流大小。圖4是根據本實用新型的一個優選實施例的所述光反應器中的角度調節裝置400 的側視圖。如圖4所示，所述角度調節裝置400的一端401(圖示為較細的一端)與所述光反應器主體100連接，另一端402 (圖示為較粗的一端)與所述光反應器中的支撐底座連接。所述角度調節裝置的兩端401和402是嵌套式結構，可以實現伸縮和推拉的機械特性， 所述光反應器主體100可以利用角度調節裝置400的伸縮和推拉特性實現繞機械軸105轉動的效果，從而使得光反應器主體100的受光面面板109的受光照強度得到調節。根據光反應器主體100上通過傳感器裝置連接口 111連接的傳感器所感應的光照強度信息或溫度信息，所述角度調節裝置400可以實現光反應器主體100繞機械軸105的轉動。所述角度調節裝置400通常利用金屬材料製作，當然根據實際需要，也可以採用光感材料製作，實現自身溫度測控，同時內部可以嵌有液壓傳動裝置，實現所述角度調節裝置400的端部401和402向外方向的拉伸。還公開了一種培養光合微生物的方法，其中採用前述的光反應器，培養液通過進料口進入光反應器主體，在液體上升區域從光反應器主體底部上升，至高於長隔板時流入液體下降區域，並通過出料口流出，外部進氣管路提供的氣體通過進氣口經氣體分布器進入光反應區，經液體上升區域的培養液上升和釋放，進入所述光反應器主體的氣體收集區， 然後通過出氣口排出和收集。光合微生物產生的氣體可由外部進氣管路提供的氣體攜帶或替換而從培養液釋放。光合微生物產生的液態產物由培養液攜帶出反應器，經分離提純裝置收集。對於本領域技術人員而言，顯然本實用新型不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本實用新型的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本實用新型。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本實用新型的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化涵括在本實用新型內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，顯然「包括」 一詞不排除其他部件、單元或步驟，單數不排除複數。系統權利要求中陳述的多個部件、單元或裝置也可以由一個部件、單元或裝置通過軟體或者硬體來實現。
權利要求1.一種培養光合微生物的光反應器，包括光反應器主體，可轉動的機械軸和支撐底座， 其特徵在於所述光反應器主體是扁平狀立方體封閉式結構，通過氣體進出口和物料進出口與外部系統連接，所述光反應器主體由兩個受光面面板、頂部邊框和底部邊框，以及左側邊框和右側邊框組成，所述頂部邊框、底部邊框，左側邊框和右側邊框用於固定所述兩個受光面面板；所述光反應器主體的底部邊框通過所述可轉動的機械軸與所述支撐底座連接；在光反應器主體內部具有並行設置的長隔板和多個短隔板，所述長隔板和短隔板與所述兩個受光面面板緊密連接；所述長隔板一端與所述底部邊框連接，另一端與頂部邊框不連接，短隔板兩端與底部邊框和頂部邊框均不連接，長隔板與頂部邊框的距離小於短隔板與頂部邊框的距離；光反應器主體內上下劃分為光反應區和氣體收集區；另外，所述光反應區被長隔板左右分割為液體上升區域和液體下降區域，短隔板位於液體上升區域且以相同的間距平行分布；另外，在所述液體上升區域的底部設置有氣體分布器，所述氣體分布器通過進氣口與外部進氣管路連接；所述進氣口位於所述光反應器液體上升區域一側的邊框上，出氣口位於光反應器主體的頂部邊框上；進料口與進氣口同側設置，出料口位於液體下降區域一側的邊框或底框上。
2.如權利要求1所述的培養光合微生物的光反應器，其中還包括角度調節裝置，該角度調節裝置與光反應器主體和支撐底座分別連接，光反應器主體通過所述角度調節裝置可繞所述機械軸轉動。
3.如權利要求2所述的培養光合微生物的光反應器，其中所述的光反應器主體沿著可轉動的機械軸可以在0-180度的範圍內旋轉。
4.如權利要求1所述的培養光合微生物的光反應器，其中所述氣體分布器為自進氣口延長至接近長隔板端的散氣管，其上設置有散氣孔。
5.如權利要求4所述的培養光合微生物的光反應器，其中所述的氣體分布器的形狀為扁平狀，其內為中空設置，其中，在所述氣體分布器的頂部和底部側面上布有多個小孔。
6.如權利要求1所述的培養光合微生物的光反應器，其中光反應器的兩個受光面的面板由透明材料製成。
7.如權利要求1所述的培養光合微生物的光反應器，其中光反應器四個邊框結構由中空型材或單層材料製成。
8.如權利要求7所述的培養光合微生物的光反應器，其中在液體上升區域的底部邊框或底框上也設置出料口。
9.如權利要求1所述的培養光合微生物的光反應器，其特徵在於所述光反應器的主體可多個並行串聯使用。
專利摘要一種培養光合微生物的光反應器，包括光反應器主體，可轉動的機械軸和支撐底座，其特徵在於所述光反應器主體由兩個受光面面板和邊框組成；所述光反應器主體的底部邊框通過所述可轉動的機械軸與所述支撐底座連接；在光反應器主體內部具有並行設置的長隔板和多個短隔板，所述光反應區被長隔板左右分割為液體上升區域和液體下降區域，在所述液體上升區域的底部設置有氣體分布器，所述氣體分布器通過進氣口與外部進氣管路連接。本實用新型公開的光反應器具有反應比表面積大、裝置通氣性好以及培養液混合循環性好的優點，適用於光合能源微生物的大規模培養。
文檔編號C12M3/00GK202265566SQ201120334328
公開日2012年6月6日 申請日期2011年9月7日 優先權日2011年9月7日
發明者徐志農, 範文俊, 鄭曉光 申請人:浙江齊成碳能科技有限公司