內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器。內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器包括透明筒體，所述透明筒體內(nèi)設(shè)置有隔板，所述隔板將所述透明筒體的下部分隔成大小相等的兩個(gè)腔室；所述透明筒體的底端密封連接有底板，所述底板上位于所述隔板的兩側(cè)分別設(shè)置有一個(gè)液體循環(huán)孔；所述底板的下部設(shè)置有三通管，兩個(gè)所述腔室通過(guò)所述三通管相連通；所述三通管與液體進(jìn)出通道相連；所述三通管靠近所述底板的其中一個(gè)支管上設(shè)置有通氣組件；所述透明筒體的頂端連接有頂蓋，所述頂蓋上設(shè)置有出氣組件。本裝置能提高二氧化碳供應(yīng)，及時(shí)去除培養(yǎng)液中的分子氧；同時(shí)，降低培養(yǎng)過(guò)程的能耗，提高反應(yīng)器中的氣體分布均勻度，保證藻細(xì)胞充分?jǐn)噭?dòng)，以及降低反應(yīng)器的運(yùn)行成本。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及微藻培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是涉及一種內(nèi)循環(huán)柱式光反 應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 微藻可以利用光能和C02合成蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物等有機(jī)組分，在地球的碳 素循環(huán)和能量循環(huán)中發(fā)揮重要作用。某些種類(lèi)的微藻富含多不飽和脂肪酸、活性多糖和天 然色素等高值生物活性物質(zhì)，因此成為食品、飼料、燃料和醫(yī)藥等領(lǐng)域的重要材料來(lái)源。
[0003] 目前，在全球范圍內(nèi)，微藻生物技術(shù)已經(jīng)迅速形成了一條規(guī)模巨大的完整產(chǎn)業(yè)鏈， 其中的規(guī)模培養(yǎng)是重要環(huán)節(jié)。為承載微藻的生長(zhǎng)，研究者發(fā)明了跑道式培養(yǎng)池、圓池、管道 式光生物反應(yīng)器、平板式光反應(yīng)器等多種開(kāi)放或密閉的反應(yīng)器。不同反應(yīng)器在比表面積、容 積比、物料交換速率、密閉程度、制造成本等方面區(qū)別明顯，從而對(duì)微藻培養(yǎng)過(guò)程中對(duì)光能、 二氧化碳和其他營(yíng)養(yǎng)的利用速率，單位占地面積的微藻培養(yǎng)體積，以及是否易于產(chǎn)生污染 等多方面產(chǎn)生影響。管道光反應(yīng)器具有比表面積大、容積比大、不易污染、物料交換效率高、 易于工藝放大等優(yōu)點(diǎn)，培養(yǎng)微藻的生物質(zhì)產(chǎn)率更高，有效生物成分的積累也更容易控制，因 而廣泛用于微藻的工業(yè)化培養(yǎng)。
[0004] 由于大多數(shù)微藻屬于光合自養(yǎng)生物，適宜的光照、碳供應(yīng)和其他營(yíng)養(yǎng)元素是其生 長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的水平式和螺管式管道光反應(yīng)器系統(tǒng)中，在光和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給方面存 在一些弊端。一方面，水平式和螺管式管道光反應(yīng)器系統(tǒng)中通常采用儲(chǔ)液罐集中通氣的方 式供碳，但是這一方式下的反應(yīng)器中藻細(xì)胞的二氧化碳和氧氣的交換速率往往受到管道長(zhǎng) 度的限制，過(guò)長(zhǎng)的管道可能導(dǎo)致微藻生長(zhǎng)出現(xiàn)二氧化碳供應(yīng)不足和氧過(guò)量富集的氧化脅 迫;另一方面，為擴(kuò)大規(guī)模通常會(huì)提高管道半徑，而這一操作會(huì)大大降低反應(yīng)器中的光透過(guò) 性，導(dǎo)致微藻生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)光限制。
[0005] 此外，為提高物料交換速率和保持藻細(xì)胞的均勻懸浮，通常采用栗送的方式實(shí)現(xiàn) 培養(yǎng)液進(jìn)出和在管道內(nèi)的流動(dòng)，培養(yǎng)液栗送量大、能耗高，且水栗的機(jī)械剪切易對(duì)藻細(xì)胞產(chǎn) 生損傷。與之相比，柱式反應(yīng)器中采用氣升式曝氣裝置，上升的氣泡流一方面使培養(yǎng)液能夠 混合良好并使藻細(xì)胞保持良好懸浮，另一方面強(qiáng)化了氣泡中二氧化碳向培養(yǎng)液中的溶解傳 遞以及培養(yǎng)液中藻細(xì)胞光合生長(zhǎng)產(chǎn)生的氧氣向氣泡的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)碳排氧;但是這 種立柱式管道反應(yīng)器在實(shí)際應(yīng)用于微藻規(guī)模培養(yǎng)時(shí)仍然存在一些問(wèn)題，比如：
[0006] 1、傳統(tǒng)的立柱式反應(yīng)器均使用從頂端插入一根通氣管及(或)曝氣元件來(lái)曝氣，藻 細(xì)胞容易粘附在這些部件之上導(dǎo)致難于清洗；
[0007] 2、傳統(tǒng)的柱式反應(yīng)器需要通入較大流量的混合氣體使藻液混合均勻。這個(gè)既導(dǎo)致 氣體的浪費(fèi)，也使得藻細(xì)胞所受剪切力過(guò)大，導(dǎo)致藻細(xì)胞容易破碎和貼壁。此外，這也使得 供氣裝置需要更高的供氣參數(shù)(或更多供氣設(shè)備）以滿(mǎn)足大批量柱式反應(yīng)器生產(chǎn)所需。
[0008] 綜上所述，有必要設(shè)計(jì)一種新的裝置，來(lái)解決上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器。本 裝置能減少二氧化碳供應(yīng)，及時(shí)去除培養(yǎng)液中的分子氧；同時(shí)，降低培養(yǎng)過(guò)程的能耗，提高 反應(yīng)器中的氣體分布均勻度，保證藻細(xì)胞充分?jǐn)噭?dòng)，以及降低反應(yīng)器的運(yùn)行成本。
[0010] 為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0011] 內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器，包括兩端開(kāi)口的圓柱形透明筒體，所述透明筒體內(nèi)沿軸向 設(shè)置有隔板，所述隔板的底端面與所述透明筒體的底端面相平齊，所述隔板的頂端面低于 所述透明筒體的頂端面，所述隔板將所述透明筒體的下部分隔成大小相等的兩個(gè)腔室；
[0012] 所述透明筒體的底端密封連接有底板，所述隔板的底端亦與所述底板連接，所述 底板上位于所述隔板的兩側(cè)分別設(shè)置有一個(gè)液體循環(huán)孔;所述底板的下部設(shè)置有三通管， 所述三通管靠近所述底板的兩個(gè)支管分別對(duì)應(yīng)連接所述底板上的兩個(gè)液體循環(huán)孔，兩個(gè)所 述腔室通過(guò)所述三通管相連通;所述三通管遠(yuǎn)離所述底板的支管與液體進(jìn)出通道相連;所 述三通管靠近所述底板的其中一個(gè)支管上設(shè)置有通氣組件；
[0013]所述透明筒體的頂端可拆卸連接有頂蓋，所述頂蓋上設(shè)置有出氣組件。
[0014] 優(yōu)選的，所述通氣組件包括設(shè)置于所述三通管的相應(yīng)支管內(nèi)的氣泡石，所述氣泡 石連接有通氣管，所述通氣管上設(shè)置有通氣止水元件。其中，氣泡石可以采用微型塑料氣泡 石。
[0015] 優(yōu)選的，所述通氣止水元件為單向閥或防水透氣膜，當(dāng)然也可以采用其他部件實(shí) 現(xiàn)其功能。
[0016] 優(yōu)選的，所述氣泡石設(shè)置于所述三通管的相應(yīng)支管內(nèi)靠近所述底板的位置。
[0017]優(yōu)選的，所述出氣組件包括設(shè)置于所述頂蓋上的出氣孔，所述出氣孔連接有倒"U" 形出氣管。
[0018] 作為另一種優(yōu)選方案，所述出氣組件可以包括設(shè)置于所述頂蓋上的出氣孔，所述 出氣孔連接有出氣支管，所述出氣支管連接有出氣軟管。
[0019] 優(yōu)選的，所述底板與所述透明筒體為焊接、粘接或通過(guò)密封圈密閉連接。
[0020] 優(yōu)選的，所述透明筒體的頂端外周面設(shè)置有外螺紋，所述頂蓋的周緣底部延伸設(shè) 置有連接套，所述連接套的內(nèi)周面設(shè)置有與所述外螺紋適配的內(nèi)螺紋，所述頂蓋與所述透 明筒體通過(guò)螺紋緊密連接。
[0021] 優(yōu)選的，所述隔板為透明板，所述隔板的高度比所述透明筒體的高度低10~15cm。
[0022] 優(yōu)選的，所述三通管為透明或半透明管，所述三通管的形狀為"U"形或?'形。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0024] (1)透明筒體中間有隔板，在上升氣流的帶動(dòng)下，極容易實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)液在筒體中的內(nèi) 循環(huán);藻細(xì)胞被上升氣流和循環(huán)液流攪拌與混合，大大提高了二氧化碳的吸收和傳質(zhì)效率。 [0025] (2)可以大大的降低通氣的氣量和C〇2的含量，細(xì)胞所受剪切力變小，且上升氣泡 在筒體上端破滅減少，減少了藻細(xì)胞在反應(yīng)器上端的粘壁。
[0026] (3)頂蓋的特殊設(shè)計(jì)既降低了筒體中的培養(yǎng)液外來(lái)污染的概率，同時(shí)有利于通入 氣體的無(wú)阻礙排出，從而使培養(yǎng)液中藻細(xì)胞光合作用產(chǎn)生的分子氧氣體逸出，避免藻細(xì)胞 遭受氧脅迫的抑制。
[0027] (4)本發(fā)明提供的反應(yīng)器構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于安裝和拆卸。
[0028] (5)本發(fā)明的反應(yīng)器單元可以單獨(dú)進(jìn)行藻類(lèi)培養(yǎng)用于科研或生產(chǎn)需要，也可以通 過(guò)提高反應(yīng)器單元的數(shù)目擴(kuò)大規(guī)模用于藻類(lèi)的大量培養(yǎng)，規(guī)模放大簡(jiǎn)單易行。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 以下附圖僅旨在于對(duì)本發(fā)明做示意性說(shuō)明和解釋?zhuān)⒉幌薅ū景l(fā)明的范圍。其中： [0030]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2是本發(fā)明中三通管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖3是本發(fā)明中頂蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖4是本發(fā)明中透明筒體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖5是本發(fā)明中底板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]其中：I-頂蓋；11-連接套；2-透明筒體;3-隔板;4-底板;41-液體循環(huán)孔;5-二通 管;51-第一支管;52-第二支管;6-通氣組件;61-氣泡石;62-通氣管;63-空氣逆止閥；7-出 氣組件;71 -出氣孔;72-倒"U"形出氣管;8-閘閥;9-液體進(jìn)出通道。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。在下面的詳細(xì)描述中，只通過(guò)說(shuō)明的 方式描述了本發(fā)明的某些示范性實(shí)施例。毋庸置疑，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，在 不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以用各種不同的方式對(duì)所描述的實(shí)施例進(jìn)行修 正。因此，附圖和描述在本質(zhì)上是說(shuō)明性的，而不是用于限制權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
[0037] 如圖1至圖5所示，內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器，包括兩端開(kāi)口的圓柱形透明筒體2,所述 透明筒體2內(nèi)沿軸向設(shè)置有隔板3,所述隔板3的底端面與所述透明筒體2的底端面相平齊， 所述隔板3的頂端面低于所述透明筒體2的頂端面，所述隔板3將所述透明筒體2的下部分隔 成大小相等的兩個(gè)腔室;本實(shí)施例中，透明筒體2采用外徑15cm、壁厚0.5cm、長(zhǎng)度為150cm的 有機(jī)玻璃筒，中間的隔板3長(zhǎng)140cm，寬14cm，厚0 · 4cm;
[0038] 所述透明筒體2的底端密封粘接有底板4,所述隔板3的底端亦與所述底板4粘接， 所述底板4上位于所述隔板3的兩側(cè)分別設(shè)置有一個(gè)直徑為5cm的液體循環(huán)孔41;所述底板4 的下部設(shè)置有"Y"形三通管5,所述三通管5靠近所述底板4的兩個(gè)第一支管51(支管外徑 5cm)分別對(duì)應(yīng)連接所述底板上的兩個(gè)液體循環(huán)孔41，兩個(gè)所述腔室通過(guò)所述三通管5相連 通;所述三通管5遠(yuǎn)離所述底板4的第二支管52與閘閥8相接后與液體進(jìn)出通道9相連;所述 三通管5靠近所述底板4的其中一個(gè)第一支管51上設(shè)置有通氣組件6;所述通氣組件6包括設(shè) 置于所述三通管的相應(yīng)支管41內(nèi)的氣泡石61，所述氣泡石61連接有通氣管62,所述通氣管 62上設(shè)置有空氣逆止閥63(單向閥），空氣逆止閥63也可以采用防水透氣膜代替實(shí)現(xiàn)其防水 透氣功能；其中，氣泡石61可以采用微型塑料氣泡石，當(dāng)然也可以采用樹(shù)脂氣泡石、碳化硅 氣泡石等；所述氣泡石最好設(shè)置于所述三通管5的相應(yīng)第一支管51內(nèi)靠近所述底板4的位 置，以提高通氣效果。
[0039] 所述透明筒體2的頂端可拆卸連接有頂蓋1，所述頂蓋1上設(shè)置有出氣組件7;本實(shí) 施例中，透明筒體2的頂端外周面設(shè)置有外螺紋，所述頂蓋1的周緣底部延伸設(shè)置有連接套 11，頂蓋1用聚丙烯材料澆注，所述連接套11的內(nèi)周面設(shè)置有與所述外螺紋適配的內(nèi)螺紋， 所述頂蓋1與所述透明筒體2通過(guò)螺紋緊密連接。
[0040] 本實(shí)施例中，所述出氣組件7包括設(shè)置于所述頂蓋1上的0.4cm的出氣孔71，所述出 氣孔71通過(guò)粘連的方式連接有兩臂不等長(zhǎng)的倒"U"形出氣管72,需要說(shuō)明的是，頂蓋1中央 也可以直接設(shè)置豎直出氣支管，出氣支管上可連接出氣軟管。
[0041] 使用時(shí)，將培養(yǎng)液和藻細(xì)胞經(jīng)進(jìn)液體進(jìn)出通道9栗入光反應(yīng)器或通過(guò)透明筒體上 端加入光反應(yīng)器中，通過(guò)外部供氣系統(tǒng)將空氣經(jīng)通氣組件進(jìn)入光反應(yīng)器，帶動(dòng)藻細(xì)胞在光 反應(yīng)器中均勻懸浮。
[0042] 在5個(gè)獨(dú)立的內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器中，接種21L蛋白核小球藻(初始細(xì)胞密度O.lg/ L)，通入含0.4%二氧化碳的空氣，通氣量根據(jù)藻液的pH值進(jìn)行反饋調(diào)控，使藻液pH維持在 7-8之間，在雙面200yE/mol/s的光照條件下培養(yǎng)6天，平均的藻細(xì)胞密度達(dá)到2.5g/L，平均 的體積生物質(zhì)產(chǎn)率為〇.4g/L/day。在培養(yǎng)中定時(shí)記錄藻液溶氧變化、通氣含量4-6次。結(jié)果 如下表所示：
[0043] ?〇〇44]~由上表數(shù)據(jù)可知|，在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中
，藻液中溶氧^量表現(xiàn)了某種程度的穩(wěn)定，說(shuō)1明該反應(yīng)器對(duì)溶氧較好的排除特性;而根據(jù)pH反饋調(diào)節(jié)的通氣流量也很低，大概在0.025- 0.04vvm之間，這充分表明該柱式反應(yīng)器氣體混合效果好、對(duì)C02溶解效果好。
[0045]以上所述僅為本發(fā)明示意性的【具體實(shí)施方式】，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何 本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均 應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器，其特征在于:包括兩端開(kāi)口的圓柱形透明筒體，所述透明筒體 內(nèi)沿軸向設(shè)置有隔板，所述隔板的底端面與所述透明筒體的底端面相平齊，所述隔板的頂 端面低于所述透明筒體的頂端面，所述隔板將所述透明筒體的下部分隔成大小相等的兩個(gè) 腔室； 所述透明筒體的底端密封連接有底板，所述隔板的底端亦與所述底板連接，所述底板 上位于所述隔板的兩側(cè)分別設(shè)置有一個(gè)液體循環(huán)孔;所述底板的下部設(shè)置有三通管，所述 三通管靠近所述底板的兩個(gè)支管分別對(duì)應(yīng)連接所述底板上的兩個(gè)液體循環(huán)孔，兩個(gè)所述腔 室通過(guò)所述三通管相連通;所述三通管遠(yuǎn)離所述底板的支管與液體進(jìn)出通道相連;所述三 通管靠近所述底板的其中一個(gè)支管上設(shè)置有通氣組件； 所述透明筒體的頂端可拆卸連接有頂蓋，所述頂蓋上設(shè)置有出氣組件。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器，其特征在于:所述通氣組件包括設(shè)置于 所述三通管的相應(yīng)支管內(nèi)的氣泡石，所述氣泡石連接有通氣管，所述通氣管上設(shè)置有通氣 止水元件。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器，其特征在于:所述通氣止水元件為單向 閥或防水透氣膜。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器，其特征在于:所述氣泡石設(shè)置于所述三 通管的相應(yīng)支管內(nèi)靠近所述底板的位置。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器，其特征在于:所述出氣組件包括設(shè)置于 所述頂蓋上的出氣孔，所述出氣孔連接有倒"U"形出氣管。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器，其特征在于:所述出氣組件包括設(shè)置于 所述頂蓋上的出氣孔，所述出氣孔連接有出氣支管，所述出氣支管連接有出氣軟管。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器，其特征在于:所述底板與所述透明筒體 為焊接、粘接或通過(guò)密封圈密閉連接。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器，其特征在于:所述透明筒體的頂端外周 面設(shè)置有外螺紋，所述頂蓋的周緣底部延伸設(shè)置有連接套，所述連接套的內(nèi)周面設(shè)置有與 所述外螺紋適配的內(nèi)螺紋，所述頂蓋與所述透明筒體通過(guò)螺紋緊密連接。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器，其特征在于:所述隔板為透明板，所述 隔板的高度比所述透明筒體的高度低10~15cm。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)循環(huán)柱式光反應(yīng)器，其特征在于:所述三通管為透明或半 透明管，所述三通管的形狀為"U"形或?'形。
【文檔編號(hào)】C12M1/00GK105838584SQ201610308630
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】彭小偉
【申請(qǐng)人】彭小偉