CN2394915Y - 鼓泡塔式光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于微藻培养光生物反应器技术领域,特别涉及鼓泡塔式光生物反应器。在反应器底板上有一平台,平台周围有护柱和光源,光源均与时间控制器相连;反应器罐体座落在平台上,罐体底部有一控温隔层,空气进气管和CO2进气管分别进入配气容器中;混合气出气管从配气容器中伸出与过滤器相连,通过进气管与位于罐体底部的气体分布器相连。有较高的受光面积/体积比和不产生氧积累,具有有效灭菌、流体力学行为清楚等特点。

Description

鼓泡塔式光生物反应器
本实用新型属于微藻培养光生物反应器技术领域，特别涉及鼓泡塔式光生物反应器。
目前的微藻培养反应器分敞开式和密闭式两种，其各种反应器设计主要追求较高的受光面积/体积比和消除氧积累等问题。密闭式光生物反应器种类较多，主要有管式、平板式和柱式等几种形式，并以管式反应器应用较为广泛，与敞开式反应器相比，密闭式具有易于保证无菌环境、培养条件易于控制、能够实现高细胞密度培养等优点。但它们往往也有自己的不足，大多数反应器由于材料和结构原因不能进行彻底灭菌，对于无菌条件要求严格，如加入有机底物的微藻混合营养培养过程不适合；相当多数反应器内流体力学行为不够清楚；或者如Chaumont D(1993)藻生物量生产的生物技术：户外大规模培养***综述《应用藻类学杂志》5：593-604(Chaumont D(1993)Biotechnology of algal biomass production：a review ofsystems for outdoor mass culture.J.Appl.Phycol.5：593-604)；和Tredici MR，Materassi R(1992)从开放池到垂直嵌槽板：意大利在光养型微生物大规模培养反应器开发上的经验《应用藻类学杂志》4：221-231(Tredici MR，Materassi R(1992)From open ponds to vertical alveolar panels：the Italian experience in the development ofreactors for the mass cultivation of phototrophic microorganisms.J.Appl.Phycol.4：221-231)所指出的很多反应器温度控制不够理想，培养过程藻液常有温度升高现象，严重影响了藻细胞的生长。从Javanmardian M，Palsson BO(1991)藻的高密度光自养培养：一种新型光生物反应器***的设计、制作和运行《生物技术和生物工程》38：1182-1189(Javanmardian M，Palsson BO(1991)High-densityphotoautotrophic algal cultures：design，constrution，and operation of a novelphotobioreactor system.Biotechnol.Bioeng.38：1182-1189.)也可看出某些反应器虽技术指标较佳，如受光面积/体积比较大和光合作用速率较高，但结构复杂，制作成本高；有些反应器为追求面积/体积比而占用空间较大，安装操作不便。
本实用新型的目的在于提供一种小型鼓泡塔式光生物反应器，其在具有较高的面积/体积比和不产生氧积累的基础上，反应器能进行彻底灭菌，反应器内流体力学行为清楚，具有良好的藻细胞的生长环境；且设备结构简单，安装操作方便，反应器占用空间小，设备成本低。
本实用新型的技术方案是这样实现的。包括光生物反应器罐体、光源和CO2配气装置，其特征在于：在反应器底板19上有一平台20，在平台20周围对称竖立有护柱21和光源22，光源22均通过导线与时间控制器23相连；鼓泡塔反应器罐体1座落在平台20上，罐体顶部设有接种口7、温度计口8、电极口9、出气口5和取样口6；罐体1底部有一控温隔层3，控温隔层3的两侧分别有循环水进口10和循环水出口11；空气进气管13与气体流量计15的一端相连，气体流量计15的另一端连接的气体管路伸入配气容器12中；CO2进气管14与气体流量计16的一端相连，气体流量计16的另一端连接的气体管路伸入配气容器12中；混合气出气管17从配气容器12中伸出，与过滤器18的一端相连，过滤器18的另一端与进气管4相连，进气管4与位于罐体底部中央的玻璃沙芯气体分布器2相连。
其中，接种口7胶塞中央为一温度计口8，温度计可置于其中。电极口9插有pH电极或DO电极。反应器高与直径比值为1.5～4.0，气体分布器与反应器直径比值为0 25～0.50，反应器受光面积与体积比值为30～60m-1。光源采用市售不同功率日光型节能灯，通过时间控制器根据微藻培养的不同阶段设定光照强度进行自动控制。
本实用新型光生物反应器是由鼓泡塔型反应器、光源和CO2配气***三部分组成，三个部分可自由拆离和组合。光源部分包括光源和时间控制器，光源环绕在反应器周围，固定于一座架上面，光源的数量和位置可自由改变，光强因此可自由调节，并且光强周期可由时间控制器作进一步控制。CO2配气***可以通过对空气和CO2流量的不同设定使通入反应器的空气富含不同浓度的CO2，满足微藻对碳源的需求。反应器以硬玻璃为材料制作，可利用简易的玻璃加工技术吹制而成，除温度计插管外不需使用金属构件。反应器的几何形状和体积设计考虑了灭菌的需要，可放入一般实验室用小型灭菌锅中进行蒸汽湿热灭菌，避免了用化学方法灭菌而带来的不彻底现象。反应器采用圆柱状鼓泡塔结构，气体从顶部进入罐体，加工、安置和操作均很方便，气体分布器为圆盘形玻璃沙芯，位于底部中央。反应器内部构件较少，气泡分布均匀，气液混合和传质效果良好，整个培养体系剪切作用较低，有利于微藻细胞的生长，反应器内的流体力学行为具有鼓泡塔的基本特征。由于气体的均匀分散和有效分离，培养过程不易发生氧积累的现象。反应器底部做有一控温隔层，利用恒温循环水的进出对反应器进行温度控制，避免了器壁夹套保温方法对反应器内受光的较大影响和较大的加工难度。由于热交换面积较大，温度控制稳定，消除了微藻培养中经常发生的培养液温度升高现象，克服了电加热棒和循环水插管等方式控温不够充分的弱点。培养过程取样通过压差作用由顶部的取样口(在出料时称排料口)取出，同时当反应器作为微藻放大培养的前置种子培养装置时，可通过取样口方便地将藻液压入下一级光生物反应器。整个反应器***结构简单，加工容易，成本低廉。由于反应器底部没有端口，此反应器可置于任一台面之上，使用灵活方便。
本实用新型的小型鼓泡塔式光生物反应器在进行微藻培养时，由于反应器可进行彻底灭菌，虽然培养条件温和(pH显示为中性)，也可保持培养全过程无污染状态；反应器内流体运动表现出很强的规律性，剪切作用较小，培养丝状藻细胞时，显微镜下观察藻丝均以较长状态存在；由于反应器底部有较大的热交换面积，温度控制十分稳定，温度变化一般不超过设定值+1℃，克服了温度波动对藻细胞生长的严重影响。由于反应器同时满足受光面积/体积比较大和不易产生氧积累等条件，本反应器适合进行各种丝状微藻和单细胞微藻的培养，并均可达到较高的细胞密度。同时，本反应器在操作上，灭菌、接种、取样、清洗和拆装等各个环节均十分方便。
下面结合附图及实施例对本实用新型的技术方案作进一步的描述。
图1.本实用新型罐体和CO2配气部分的结构示意图；
图2.本实用新型光源部分的结构示意图；
图3.本实用新型组装后的结构示意图。
图中标号：
1.罐体           2.气体分布器        3.控温隔层      4.进气管
5.出气口         6.取样口或排料口    7.接种口        8.温度计口
9.电极口         10.循环水进口       11.循环水出口   12.配气容器
13.空气进气管    14.CO2进气管       15.气体流量计   16.气体流量计
17.混合气出气管  18.过滤器           19.反应器底板   20.平台
21.护柱          22.光源             23.时间控制器
实施例1.
所培养微藻为丝状固氮蓝藻鱼腥藻7120(Anabaena sp.PCC7120)，摇瓶种液培养和反应器培养均采用蓝藻培养通用的BG-11培养基(pH7.5)。一总体积为1.8L的鼓泡塔式光生物反应器，其工作体积为1.5L，反应器高度为200mm，在反应器底板19上有一平台20，座落在其上的罐体1的直径为120mm，在底板上19的平台20周围对称竖立有护柱21和光源22，反应器光源22由4只18W日光型节能灯提供，其均通过导线与时间控制器23相连；在罐体顶部设有接种口7，在其胶塞中央为一不锈钢插管，其为温度计口8，一温度计置于其中，电极口9***一DO电极，在罐体顶部还设有出气口5和取样口6；罐体1底部有一控温隔层3，其高为20mm，控温隔层3的两侧分别有循环水进口10和循环水出口11；空气进气管13与气体流量计15的一端相连，气体流量计15的另一端连接的气体管路伸入配气容器12中；CO2进气管14与气体流量计16的一端相连，气体流量计16的另一端连接的气体管路伸入配气容器12中；混合气出气管17从配气容器12中伸出，与过滤器18的一端相连，过滤器18的另一端与进气管4相连，进气管4与位于罐体底部中央的玻璃沙芯气体分布器2相连，其直径为40mm，玻璃沙芯平均孔径为80μm；反应器制作材料为硬玻璃B40。
反应器培养用的培养基通过接种口7加入到反应器罐体1中，培养基与罐体放入灭菌锅中一起灭菌，种液培养在旋转式摇床上进行，摇床转速为130rpm，温度为32℃，光强为160μEm-2s-1，培养6天后，在超净工作台上在火焰旁通过接种口7接入鼓泡塔式光生物反应器，接种量为20％。反应器培养条件为：温度32℃，通气量(空气)0.178vvm，表面最大光强624μEm-2s-1，最小光强110μEm-2s-1。反应器培养10天细胞生长达到稳定期，最大细胞密度为0.89g/L，对数生长期细胞比生长速率为0.30d-1。显微镜下观察藻丝均较长，细胞形态饱满，没有杂菌污染。培养结束后通过接种口7、排料口6等排出培养液，并进行清洗。

Claims (4)

1.一种鼓泡塔式光生物反应器，包括光生物反应器罐体、光源和CO2配气装置，其特征在于：在反应器底板(19)上有一平台(20)，在平台(20)周围对称竖立有护柱(21)和光源(22)，光源(22)均通过导线与时间控制器(23)相连；鼓泡塔反应器罐体(1)座落在平台(20)上，罐体顶部设有接种口(7)、温度计口(8)、电极口(9)、出气口(5)和取样口(6)；罐体(1)底部有一控温隔层(3)，控温隔层(3)的两侧分别有循环水进口(10)和循环水出口(11)；空气进气管(13)与气体流量计(15)的一端相连，气体流量计(15)的另一端连接的气体管路伸入配气容器(12)中；CO2进气管(14)与气体流量计(16)的一端相连，气体流量计(16)的另一端连接的气体管路伸入配气容器(12)中；混合气出气管(17)从配气容器(12)中伸出，与过滤器(18)的一端相连，过滤器(18)的另一端与进气管(4)相连，进气管(4)与位于罐体底部中央的玻璃沙芯气体分布器(2)相连。
2.如权利要求1所述的鼓泡塔式光生物反应器，其特征在于所述的接种口(7)胶塞中央为一温度计口(8)。
3.如权利要求1所述的鼓泡塔式光生物反应器，其特征在于所述的电极口(9)插有pH电极或DO电极。
4.如权利要求1所述的鼓泡塔式光生物反应器，其特征在于所述的反应器高与直径比值为1.5～4.0，气体分布器与反应器直径比值为0.25～0.50，反应器受光面积与体积比值为30～60m-1。
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