CN104928152A - 一种光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光生物反应器，涉及光生物养殖技术领域，可以提高光生物的养殖产量。该光生物反应器包括中空的反应器本体，所述反应器本体具有至少一个受光面，所述光生物反应器还包括位于所述反应器本体内的曝气装置，所述曝气装置用于向朝向所述受光面的方向喷气。本发明中的光生物反应器用于养殖光生物。

Description

一种光生物反应器

技术领域

本发明涉及光生物养殖技术领域，尤其涉及一种光生物反应器。

背景技术

光生物是一种可进行光合作用的光自养生物，光生物通过光合作用将光能转化为化学能，使得光生物在生物能源、生物固碳、环保、食品、饲料和医药等诸多方面具有广泛应用。目前，主要采用光生物反应器对光生物进行大量养殖，在养殖过程中，将光生物混入光生物反应器里的养殖液中进行养殖。

然而，本申请发明人发现，由于受到养殖液中光生物的密度的影响，光线穿透养殖液时迅速衰减，光线能够穿透的距离仅为几毫米，使得在垂直受光面方向上，仅靠近受光面几毫米的区域为光区，之外皆为暗区，这样会导致光生物反应器中的部分光生物长时间处于光区或者暗区，而光生物的光合作用过程包括光反应和暗反应两个阶段，光生物循环进行光反应和暗反应才能够完成光合作用，光生物无法循环进行光反应和暗反应，不利于光生物进行光合作用，不利于提高光生物的养殖产量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光生物反应器，用于提高光生物的养殖产量。

为达到上述目的，本发明提供了一种光生物反应器，采用如下技术方案：

一种光生物反应器，包括中空的反应器本体，所述反应器本体具有至少一个受光面，所述光生物反应器还包括位于所述反应器本体内的曝气装置，所述曝气装置用于向朝向受光面的方向喷气。

本发明提供的光生物反应器内包括曝气装置，该曝气装置用于向朝向受光面的方向喷气，从而使得养殖液会沿着曝气装置的喷气方向做运动，使养殖液在暗区与光区之间进行循环流动，进而带动养殖液中的光生物在暗区和光区之间进行转移，即通过喷气来调节光生物在光区和暗区的循环频率，控制光生物在光区和暗区停留时间，使得养殖液中的光生物不会长时间处于光区或者暗区，进而使得光生物能够循环进行光反应和暗反应，有利于光生物进行光合作用，有利于提高光生物的养殖产量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的第一种光生物反应器的示意图；

图2为本发明实施例提供的供气装置的示意图；

图3为本发明实施例提供的曝气管的示意图；

图4为本发明实施例提供的连接结构及其与曝气管和出气口的连接关系示意图；

图5为本发明实施例提供的第二种光生物反应器的示意图；

图6为本发明实施例提供的第三种光生物反应器的示意图。

附图标记说明：

1—反应器本体；        11—受光面；           2—曝气装置；

21—供气装置；         211—进气口；          212—出气口；

22—曝气管；           221—管子；            222—端面；

223—第一通气孔；      224—环形结构；        225—第二通气孔；

23—连接结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供了一种光生物反应器，如图1所示，该光生物反应器包括：中空的反应器本体1，反应器本体1具有至少一个受光面11，该光生物反应器还包括位于反应器本体1内的曝气装置2，该曝气装置2用于向朝向受光面11的方向喷气。其中，曝气装置2喷出的气体优选为空气和二氧化碳的混合气体，以免对光生物的养殖产生不利影响。该光生物反应器可以用于养殖微藻，例如眼点拟微绿球藻。

本发明实施例提供的光生物反应器内包括曝气装置，该曝气装置用于向朝向受光面的方向喷气，从而使得养殖液会沿着曝气装置的喷气方向做运动，使养殖液在暗区与光区之间进行循环流动，进而带动养殖液中的光生物在暗区和光区之间进行转移，即通过喷气来调节光生物在光区和暗区的循环频率，控制光生物在光区和暗区停留时间，使得养殖液中的光生物不会长时间处于光区或者暗区，进而使得光生物能够循环进行光反应和暗反应，有利于光生物进行光合作用，有利于提高光生物的养殖产量。

上述曝气装置2的具体结构可以有多种，只要其能用于向朝向受光面11的方向喷气即可。示例性地，如图1所示，曝气装置2包括中空的供气装置21和多个曝气管22，其中，如图2所示，该供气装置21与多个曝气管22一一对应的多个出气口212，每个曝气管22均连接在一个出气口212上。该供气装置21还可以具有至少一个进气口211，示例性地，该进气孔211可以与空气压缩机相连。在光生物养殖过程中，气体流动的过程如下：二氧化碳和空气的混合气体由供气装置21上的进气口211通入供气装置21，然后从供气装置21的出气口212进入曝气管22，最后从曝气管22喷出，以使得曝气装置2向朝向受光面11的方向喷气。

此外，由于在光生物的养殖过程中，当外部光源照射的光线的强度发生变化时，光线可以穿透的养殖液的距离也会发生变化，进而使得养殖液的光区和暗区的厚度(即光区和暗区沿垂直于受光面方向的深度)发生变化。且光生物进行光反应有光子数量多少的要求，通常光生物进行一次光反应需要8个光子。当光照强度大时，光生物在单位时间获得光子的数量多，所以光生物在光区需要停留的时间短；当光照强度弱时，光生物在单位时间内获得的光子的数量少，所以光生物在光区需要停留的时间长，以便吸收足够光子数进行光反应。如果曝气装置2喷射气体的情况不能随着光照强度而变化，则不能调节、控制光生物在光区和暗区的循环频率和停留时间，不利于光生物循环进行光反应和暗反应，不利于提高光生物的养殖产量。

因此，为了解决上述问题，提高光生物的养殖产量，本发明实施例中提供曝气管22的以下三种结构，其中，当曝气管22为第一种结构时，曝气管22的喷气量可调，当曝气管22为第二种结构时，曝气管22可伸缩，从而使得曝气管22与受光面11之间的距离可调，当曝气管22为第三种结构时，曝气管22与受光面11之间的距离以及喷气量均可调。

第一种结构，如图3所示，每个曝气管22为包括由内到外依次套装的N级管子221，任意相邻的两级管子221可沿周向方向相对转动，N为大于等于2的正整数。具体地，第1级管子221的一端为开口，另一端为端面222，端面222上设置有多个第一通气孔223；第i级管子221的一端为开口，另一端为端面222，端面222上具有多个第一通气孔223以及与第i-1级管子相对应的圆形开口，且第i级管子221的端面222上的圆形开口的直径与第i-1级管子221的直径相同；且，第i-1级管子221还包括自开口的一端向外延伸的环形结构224，环形结构224的外径与第i级管子221的直径相同，环形结构224上设置有多个第二通气孔225，第二通气孔225和第一通气孔223一一对应且尺寸相同，i为大于等于2且小于等于N的正整数。

具有第一种结构的曝气管22在使用过程中，当相互套装的任意两级管子221之间沿周向方向相对转动时，第i-1级管子221包括的环形结构224上的第二通气孔225与第i级管子221的端面222上的第一通气孔223之间的位置关系将会发生变化，二者可以完全重合，此时第i级管子221的端面222的喷气量最大，二者可以部分重合，此时第i-1级管子221的喷气量居中，二者也可以完成不重合，此时第i-1级管子221不喷气。因此，当光生物反应器的曝气管22具有第一种结构时，曝气管22的喷气量可调，从而能够调节光生物在光区的停留时间的长短以及光生物在光区和暗区的循环频率，以适应光线强度的变化，以有利于光生物循环进行光反应和暗反应，进而提高光生物的养殖产量。

第二种结构，如图3所示，每个曝气管22为包括由内到外依次套装的N级管子221，任意相邻的两级管子221可沿轴向方向相对移动，N为大于等于2的正整数。具体地，第1级管子221的一端为开口，另一端为端面222，端面222上设置有多个第一通气孔223；第i级管子221的一端为开口，另一端为端面222，端面上具有多个第一通气孔223以及与第i-1级管子相对应的圆形开口，且第i级管子221的端面222上的圆形开口的直径与第i-1级管子221的直径相同，i为大于等于2且小于等于N的正整数。

具有第二种结构的曝气管22在使用过程中，当相互套装的任意两级管子221之间沿轴向方向相对移动时，即可对曝气管22中的各级管子221的端面222与受光面11之间的距离进行调节，实现曝气管22的压缩和拉伸，进而能够调节光生物在光区的停留时间的长短以及光生物在光区和暗区的循环频率，以适应光线强度的变化，以有利于光生物循环进行光反应和暗反应，进而提高光生物的养殖产量。

示例性地，当光线强度逐渐增强时，应使上述曝气管22拉伸，各个管子221的端面222与受光面11之间的距离减小，以使得光生物在光区的停留时间较短，光生物在光区和暗区的循环频率较大，当光线强度逐渐减弱时，应使上述曝气管22收缩，各个管子221的端面222与受光面11之间的距离增大，以使得光生物在光区的停留时间较长，光生物在光区和暗区的循环频率较小，以实现在不同强度的光线照射下，光生物均能循环进行光反应和暗反应，进而提高光生物的养殖产量。

第三种结构，如图3所示，在第二种结构的基础上，任意相邻的两级管子221还可沿周向方向相对转动；且，第i-1级管子221还包括自开口的一端向外延伸的环形结构224，环形结构224的外径与第i级管子221的直径相同，环形结构224上设置有多个第二通气孔225，第二通气孔225和第一通气孔223一一对应且尺寸相同，i为大于等于2且小于等于N的正整数。

具有第三种结构的曝气管22在使用过程中，曝气管22与受光面11之间的距离以及喷气量均可调，从而能够调节光生物在光区的停留时间的长短以及光生物在光区和暗区的循环频率，以适应光线强度的变化，以有利于光生物循环进行光反应和暗反应，进而提高光生物的养殖产量。其具体调节方式已经在第一种结构和第二种结构中进行详细描述，此处不再进行赘述的描述。

上述三种结构中提及的第N级管子221的最大直径不大于10厘米，以3～5厘米为宜，且每级管子221的长度以3～5厘米为宜。在实际应用过程中，随光生物反应器光程的增加，各级管子221的最大直径也随之增加，每个曝气管22包括的管子221的级数也随之增加，但应保证曝气管22拉伸后至最大长度时不超过光生物反应器的光程。

此外，本申请的发明人发现，当曝气装置2沿垂直于光区和暗区的界限的方向喷气时，养殖液在光区和暗区之间的流动效果最好，然而当采用自然光作为外部光源时，光线与受光面11之间的夹角也会随着时间的改变而变化，从而使得养殖液的光区和暗区发生变化，导致曝气装置2无法一直沿垂直于光区和暗区的界限的方向喷气，进而使得养殖液在光区和暗区之间的循环流动效果不理想。为了解决上述问题，如图4所示，本发明实施例中提供的光生物反应器还可以包括中空的连接结构23，每个曝气管22均通过一个连接结构23连接在一个出气口212上，其中，连接结构23与曝气管22连接的一端的轴向与受光面11的法线方向之间的夹角可调，以使得其连接的曝气管22的喷气方向可调，进而使得曝气装置2能够一直沿垂直于光区和暗区的界限的方向喷气，以使得养殖液在光区和暗区之间的循环流动效果较好。

为了便于本领域技术人员实现，本发明提供一种连接结构23的具体结构，示例性地，如图4所示，连接结构23为表面具有褶皱的管状结构，管状结构的一端连接在出气口212上，管状结构的另一端连接在曝气管22底部。管状结构上一侧的褶皱被拉伸，其相对侧的褶皱被压缩时，从而使得管状结构弯曲，从而能够对管状结构与曝气管22连接的一端的轴向与受光面11的法线方向之间的夹角进行调节。当曝气管22包括N级管子时，曝气管22的底部指的是第N级管子的朝向供气装置21的一端。示例性地，管状结构的两端可以通过螺丝分别与出气口212和曝气管22底部连接，此时，管状结构的两端以及出气口212和曝气管22底部均应设置有螺孔，当然管状结构的两端也可以通过粘合等其他方式分别与出气口212和曝气管22底部连接，本发明实施例对此不进行限定。

需要说明的是，连接结构23的具体结构不局限于此，本领域技术人员可以根据实际需要选择。例如，连接结构23可以选用授权公告号为CN201696738U的专利中所述的结构，由于该结构在该专利中已经进行了详细描述，本发明实施例不再进行赘述。

此外，根据实际中光生物养殖的需要，本发明实施例提供的光生物反应器可以为箱状结构或者筒状结构。示例性地，如图1所示，当光生物反应器为箱状结构，且该光生物反应器具有两个相对的受光面11时，供气装置21为板状，供气装置21位于光生物反应器的中间，供气装置21的两个侧面分别朝向两个受光面11，供气装置21的两个侧面上均具有多个出气口(图中未示出)，每个出气口上均连接一个曝气管22。如图5所示，当光生物反应器为箱状结构，且该光生物反应器具有一个受光面11时，供气装置21为板状，供气装置21位于光生物反应器中与受光面11相对的一侧，供气装置21的朝向受光面11的侧面上具有多个出气口(图中未示出)，每个出气口上均连接一个曝气管22。如图6所示，当光生物反应器为筒状结构，且筒状结构的侧面为受光面11时，供气装置21为长方体结构或者圆柱体结构，供气装置21位于光生物反应器的轴线上，供气装置21的每个侧面上均具有多个出气口(图中未示出)，每个出气口上均连接一个曝气管22。

实施例二

为了便于本领域技术人员理解本发明中的光生物反应器的优势，本发明实施例中对采用本发明中的光生物反应器进行眼点拟微绿球藻养殖的养殖产量，以及采用现有技术中的光生物反应器进行眼点拟微绿球藻养殖的养殖产量进行对比。

对比实验一

采用本发明提供的如图1所示的光生物反应器进行眼点拟微绿球藻养殖，该光生物反应器为箱状结构，且该光生物反应器具有两个相对的受光面11，供气装置21为板状，供气装置21位于光生物反应器的中间，供气装置21的两个侧面分别朝向两个受光面11，供气装置21的两个侧面上均具有多个出气口212，每个出气口212上均连接一个曝气管22。该光生物反应器的规格为1米(长)×1米(高)×0.2米(宽)，供气装置21的规格为1米(长)×0.8米(高)×0.02米(宽)。采用自然光作为外部光源，该光生物反应器的两个受光面11分别朝向东西方向，使用该光生物反应器对初始接种浓度为1克/升的藻液进行培养，并利用空气压缩机向供气装置21中通入二氧化碳和氧气的混合气体。

养殖过程具体如下：首先，上午八点左右，将朝东的曝气管22拉伸，使曝气管22伸长到其第一级管子距离朝东的受光面1～3厘米处，再旋转各级管子221，以将各级管子221包括的环形结构224上的第二通气孔225与下一级管子221的端面222上的第一通气孔223的重合度调节为1/4；其次，在八点到十一点之间，每隔一小时，将朝东的各个曝气管22的轴向与受光面11的法线方向之间的夹角向上增大15度，同时将第一通气孔223和第二通气孔225的重合度增加1/4；再次，从下午十四点左右开始，将朝东的曝气管22收缩，使曝气管22缩短到其第一级管子距离朝东的受光面5～7厘米处，同时将朝西的曝气管22拉伸，使曝气管22伸长到其第一级管子距离朝西的受光面1～3厘米处，再将各个曝气管22的轴向与受光面11的法线方向之间的夹角向上调节为45度，同时使第一通气孔223和第二通气孔225完全重合；最后，在十四点到十七点之间，每隔一小时，将各个曝气管22的轴向与受光面11的法线方向之间的夹角向下减小15度，同时将第一通气孔223和第二通气孔225的重合度减少1/4。

采用现有技术的光生物反应器进行眼点拟微绿球藻养殖时，与上述养殖过程的区别仅在于光生物反应器中无曝气装置。

采用本发明提供的如图1所示的光生物反应器养殖眼点拟微绿球藻连续五天，眼点拟微绿球藻的单位面积产量达到25.6克/平方米/天，光转化效率为4.8％。而采用现有技术的光生物反应器养殖眼点拟微绿球藻连续五天。眼点拟微绿球藻的单位面积产量为15.8克/平方米/天，光转化效率为3.8％。由以上数据可以看出，采用本发明提供的光生物反应器对眼点拟微绿球藻进行养殖，大大提高了眼点拟微绿球藻的养殖产量。

对比实验二

采用本发明提供的如图5所示的光生物反应器进行眼点拟微绿球藻养殖，该光生物反应器为箱状结构，且该光生物反应器具有一个受光面11，供气装置21为板状，供气装置21位于光生物反应器中与受光面11相对的一侧，供气装置21的朝向受光面11的侧面上具有多个出气口212，每个出气口212上均连接一个曝气管22。该光生物反应器的规格为1米(长)×1米(高)×0.1米(宽)，供气装置21的规格为1米(长)×0.8米(高)×0.02米(宽)。采用自然光作为外部光源，该光生物反应器的受光面11朝南，使用该光生物反应器对初始接种浓度为1克/升的藻液进行培养，并利用空气压缩机向供气装置21中通入二氧化碳和氧气的混合气体。

养殖过程具体如下：首先，上午八点左右，将曝气管22拉伸，使曝气管22伸长到其第一级管子距离受光面1～3厘米处，再旋转各级管子221，以将各级管子221包括的环形结构224上的第二通气孔225与下一级管子221的端面222上的第一通气孔223的重合调节为1/4，且各个曝气管22向东调节，以使其轴向与受光面11的法线方向之间的夹角为60度；其次，在八点到十一点之间，每隔一小时，将各个曝气管22的轴向向西调节15度，同时将第一通气孔223和第二通气孔225的重合度增加1/4；再次，从下午十四点左右开始，将各个曝气管22的轴向向西调节15度，将曝气管22收缩，使曝气管22缩短到其第一级管子距离受光面3～5厘米处；最后，在十四点到十七点之间，每隔一小时，将曝气管22的轴向向西调节15度，同时将第一通气孔223和第二通气孔225的重合度减少1/4。

采用现有技术的光生物反应器进行眼点拟微绿球藻养殖时，与上述养殖过程的区别仅在于光生物反应器中无曝气装置。

采用本发明提供的如图4所示的光生物反应器养殖眼点拟微绿球藻连续五天，眼点拟微绿球藻的单位面积产量达到28.8克/平方米/天，光转化效率为5.4％。而采用现有技术的光生物反应器养殖眼点拟微绿球藻连续五天。眼点拟微绿球藻的单位面积产量为16.3克/平方米/天，光转化效率为4.0％。由以上数据可以看出，采用本发明提供的光生物反应器对眼点拟微绿球藻进行养殖，大大提高了眼点拟微绿球藻的养殖产量。

由以上两个对比实验可知，采用本发明提供的光生物反应器能够大大提高光生物的养殖产量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光生物反应器，包括中空的反应器本体，所述反应器本体具有至少一个受光面，其特征在于，所述光生物反应器还包括位于所述反应器本体内的曝气装置，所述曝气装置用于向朝向所述受光面的方向喷气。

2.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述曝气装置包括中空的供气装置和多个曝气管，所述供气装置包括与多个曝气管一一对应连接的多个出气口。

3.根据权利要求2所述的光生物反应器，其特征在于，所述曝气管为包括由内到外依次套装的N级管子，N为大于等于2的正整数，任意相邻的两级管子可沿轴向方向相对移动；

其中，第1级管子的一端为开口，另一端为端面，所述端面上设置有多个第一通气孔；第i级管子的一端为开口，另一端为端面，所述端面上具有多个第一通气孔以及与第i-1级管子相对应的圆形开口，且第i级管子的端面上的圆形开口的直径与第i-1级管子的直径相同，i为大于等于2且小于等于N的正整数。

4.根据权利要求3所述的光生物反应器，其特征在于，任意相邻的两级管子可沿周向方向相对转动；且，第i-1级管子还包括自开口的一端向外延伸的环形结构，所述环形结构的外径与第i级管子的直径相同，所述环形结构上设置有多个第二通气孔，所述第二通气孔和所述第一通气孔一一对应且尺寸相同，i为大于等于2且小于等于N的正整数。

5.根据权利要求2所述的光生物反应器，其特征在于，所述曝气管为包括由内到外依次套装的N级管子，N为大于等于2的正整数，任意相邻的两级管子可沿周向方向相对转动；

其中，第1级管子的一端为开口，另一端为端面，所述端面上设置有多个第一通气孔；第i级管子的一端为开口，另一端为端面，所述端面上具有多个第一通气孔以及与第i-1级管子相对应的圆形开口，且第i级管子的端面上的圆形开口的直径与第i-1级管子的直径相同；

且，第i-1级管子还包括自开口的一端向外延伸的环形结构，所述环形结构的外径与第i级管子的直径相同，所述环形结构上设置有多个第二通气孔，所述第二通气孔和所述第一通气孔一一对应且尺寸相同，i为大于等于2且小于等于N的正整数。

6.根据权利要求2所述的光生物反应器，其特征在于，还包括中空的连接结构，每个所述曝气管均通过一个所述连接结构连接在一个所述出气口上，所述连接结构与所述曝气管连接的一端的轴向与所述受光面的法线方向之间的夹角可调。

7.根据权利要求6所述的光生物反应器，其特征在于，所述连接结构为表面具有褶皱的管状结构，所述管状结构的一端连接在所述出气口上，所述管状结构的另一端连接在所述曝气管底部。

8.根据权利要求2-7任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器为箱状结构，所述光生物反应器具有两个相对的受光面，所述供气装置为板状，所述供气装置位于所述光生物反应器的中间，所述供气装置的两个侧面分别朝向两个所述受光面，所述供气装置的两个侧面上均具有多个所述出气口，每个所述出气口上均连接一个所述曝气管。

9.根据权利要求2-7任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器为箱状结构，所述光生物反应器具有一个受光面，所述供气装置为板状，所述供气装置位于所述光生物反应器中与所述受光面相对的一侧，所述供气装置的朝向所述受光面的侧面上具有多个所述出气口，每个所述出气口上均连接一个所述曝气管。

10.根据权利要求2-7任一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器为筒状结构，所述筒状结构的侧面为受光面，所述供气装置为长方体结构或者圆柱体结构，所述供气装置位于所述光生物反应器的轴线上，所述供气装置的每个侧面上均具有多个所述出气口，每个所述出气口上均连接一个所述曝气管。