专利名称：气升式光生物反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光源集成的封闭式光生物反应器，特别涉及一种用于藻类及其它光合生物细胞悬浮培养的气升式光生物反应器。
背景技术：
目前，封闭式光生物反应器尚处于研究开发阶段，种类和形式多种多样，但还没有定型的商业产品。实验研究阶段的封闭式光生物反应器主要有管道式和板箱式两种。管道式光生物反应器一般采用直径较小的透明硬质材料弯曲成不同形状并连接起来形成，有水平放置蛇型管道式反应器、双层排列管道式反应器、多支路并行流管道式反应器、α型管道式反应器、螺旋盘绕管道式反应器等。
板箱式光生物反应器主要有水平放置的板式光生物反应器、垂直嵌槽板式光生物反应器、多层平行排列板式光生物反应器、倾斜鼓泡板式光生物反应器等。其共同特点是把数个薄板式光生物反应器单元连接在一起，达到一定的培养规模。为了提高受光表面积，板式光生物反应器板面趋向于空间放置。
管道式和板箱式光生物反应器中，培养液的循环采用泵驱动或气升两种方式。由于气升式循环对细胞的剪切作用较小，动力消耗也不大，在提供藻液流动动力的同时，还有助于气体交换，因此大多数选用气升式循环混合方式。
在现有的光生物反应器中，管道式反应器由于采用较小的管径(25～50mm)而具有较大的面积体积比值，光照面积大，可获得较高的面积产率。但管径的减小限制了总体积的增加。同时，在又小又长的管道中维持良好的混合极其困难，造成反应器效率降低。此外，管道式光生物反应器中光合作用产生的氧的积累问题较为严重。在微藻培养过程中，大多数管道式反应器的溶氧水平超过200％，对细胞生长产生抑制。板箱式反应器结构虽然简单，但放大过程中将许多操作单元连接起来却相当复杂。而且板箱式光生物反应器要求的光路长度太短。这些都限制了它的放大潜力。
中国专利ZL99213569.9号专利报道的气升式光生物反应器能够较好地满足光合生物的生长要求，大幅度提高光合细胞的产率，缩短培养周期。同时具有结构简单、加工费用低、总耗能低、操作方便的特点，可对培养基进行彻底的蒸汽灭菌；由于采用气升式混合方式，形成的剪切力很低，适合于较低剪切力耐受性的细胞的生长，同时又可获得良好的物料混合、较高的气液传质强度，减少了光合作用产生的氧对细胞的伤害。该实用新型采用内外光源结合从而提高了照光面积与体积的比值，使光合效率得到提高。已成功用于鱼腥藻7120、聚球藻7002的高密度培养。但专利ZL99213569.9公开的气升式光生物反应器在结构上还存在一些缺陷。
发明内容
本实用新型的目的是针对ZL99213569.9号专利公开的气升式光生物反应器在结构上存在的问题，提供一种改进的气升式光生物反应器，以解决气体提升管的固定、安装时使气体提升管与罐体保持同轴、内光源管的密封、气体分布器下方消除死角、外光源的安装和更换方便等问题。
本实用新型的气升式光生物反应器，主要包括带有pH、溶氧探头7、加料接种口9、排气口10、排料口12的培养罐体1、以及罐体1中的气体提升管2、气体分布器5、热交换装置、内光源密封管11和内光源3、外光源4；其特征是所述的气体分布器5为圆形多孔气体分布板式气体分布器，气体分布器的下端为锥面或球面。
所述的罐体1的下法兰上固定有三个气体提升管支柱13，所述的三个气体提升管支柱的夹角为120度，每个支柱设计成椅子形状，椅座设计成一个半圆形平台，以使放置在上面的气体提升管定位。平台上设有聚四氟乙烯(或其它具有缓冲作用的材料)垫19，可以起缓冲和保护玻璃气体提升管的作用。在支柱立面(椅背)的上部装有带有聚四氟乙烯端头的不锈钢顶丝18，起径向紧固并定位玻璃气体提升管的作用。当气体提升管采用不锈钢材质时，可以去掉聚四氟乙烯垫和顶丝前端的聚四氟乙烯端头。详见附图2。
所述的内光源密封管11的上端有一段凸起或者两个凸环20，在凸起或者两个凸环的外侧分别套有O形橡胶圈21，所述的两个凸环20中下侧凸环的O形橡胶圈落在带外螺纹且焊接在反应器的上法兰23上的内光源插口管16的内壁的斜台上；一带内螺纹的压帽22与内光源插口管的外螺纹配合，压帽内的斜台压在上侧凸环的O形橡胶圈上。详见附图3。
所述的反应器罐体1的外面有一圈外光源4，在外光源4的外面有一圈灯罩6，其是由金属门轴或合页27固定在反应器两侧的立柱30上。
所述的热交换装置为安装在反应器的下法兰上的一个加热棒17和一个冷却棒8。
本实用新型的气升式光生物反应器的结构设计是基于以下几点1)专利ZL99213569.9中气体提升管需要用支点固定于反应器底部，不能够方便地拆卸。考虑到气体提升管可以采用硅硼玻璃或者不锈钢材质，而气体提升管的外径有加工误差，尤其是采用硅硼玻璃时其外径的误差更大，所以，如果简单地采用三个上半部铣去一半形成半圆形平台并焊在反应器下法兰上的不锈钢圆柱(三个半圆形平台朝向下法兰的圆心)为支撑腿，并将气体提升管直接座在支撑腿的平台上，由于三个半圆形平台围成的圆的直径必须留出余量，将导致气体提升管没有真正固定，蒸汽灭菌和通气培养时会在强的湍流冲击下发生倾斜和晃动，并且会偏离反应器的轴线。本实用新型设计了一种新的支撑腿，其特征是沿与罐体1同轴的气体提升管2的外径均匀设三个圆柱形不锈钢气体提升管支柱13并焊接在反应器下法兰上，三个支柱夹角120度，每个支柱设计成椅子形状，椅座设计成一个半圆形平台，用于放置气体提升管2。平台上设有聚四氟乙烯(或其它具有缓冲作用的材料)垫19，可以起缓冲和保护玻璃气体提升管的作用。在支柱立面的上部装有带有聚四氟乙烯端头的不锈钢顶丝18，起径向紧固并定位玻璃气体提升管的作用。当气体提升管采用不锈钢材质时，可以去掉聚四氟乙烯垫和顶丝前端的聚四氟乙烯端头。详见附图2。
2)专利ZL99213569.9中要求由硅硼玻璃制作的内光源密封管11与反应器上法兰23之间要密封连接，但是没有披露如何密封连接。由于内光源密封管11是细长的圆柱形，不仅要保证密封、垂直、拆卸方便和安全，还应该在气、液流的冲击下稳固、不晃动。反应器上法兰为不锈钢材质，玻璃管与不锈钢如果直接接触，会使玻璃产生局部应力而破碎，如果只有一个密封圈，这样难以保证内光源密封管的垂直和不与不锈钢接触。本实用新型改进了内光源密封管11的设计以及固定、安装和密封方法，其特征是在内光源密封管11的上端(开口端)设置一段凸起或者两个凸环20，一段凸起或者两个凸环的外侧分别套有O形橡胶圈(硅橡胶或者氟橡胶)21，下侧的O形橡胶圈落在带外螺纹且焊接在反应器的上法兰上的内光源插口管16内壁的斜台上，用带内螺纹的压帽22从上方旋下，压帽内的斜台压在上侧的O形橡胶圈上，这样将内光源管紧固、定位并与上法兰之间密封，而且玻璃管与不锈钢没有接触。两个O形橡胶圈的距离为内光源管外径的0.2～5倍范围内可以满足要求。详见附图3。
3)专利ZL99213569.9中的气体分布器5可为具有单个或多个气体喷嘴的气体分布器，也可为圆形或环形多孔气体分布板式气体分布器。实验表明，采用圆形多孔气体分布板24比单个或多个气体喷嘴更有利于气体分散，比环形多孔气体分布板便于加工和安装。本实用新型改进了圆形多孔气体分布板式气体分布器的设计，使之更有利于消除气体分布器下方的死角。本设计在圆形多孔气体分布板式气体分布器与进气管之间增加了锥面或球面过渡段，结果使液体循环更顺畅。详见附图4。
4)将插在灯脚26中的外光源4集成在环绕反应器罐体1的灯罩6内，灯罩为与罐体同轴并略大于罐体的可开闭圆筒形。灯罩均匀分为四瓣，由金属门轴或合页27固定在两侧的立柱30上，可自由开合，灯管竖立安装在灯罩内，方便反应器操作和灯管的更换。灯罩闭合后接合处用锁扣29相连，锁扣安装在灯罩的上、下端面或者立面，使灯罩形成一个圆筒形整体，不仅为反应器提供了均匀的光照，还可以兼作反应器灭菌时的安全围挡。灯罩的上沿内侧设置防水沿25，以免灯线接头被水溅湿引起短路。灯罩柱形立面的两端各开一圈通风孔，使空气自然对流从而为灯罩内的灯管散热。灯罩做防锈处理。立柱30截面是方形或圆形(空心)，连接内光源3和外光源4的线路从两侧立柱内部引出。
为了使圆筒形灯罩稳固，在灯罩的背面增加一根立柱30，在3根立柱的上端预留一个螺母，将图5所示的环形连杆28的三个孔分别对应穿入并用螺母紧固。详见附图5。
5)本实用新型对专利ZL99213569.9的热交换装置做了改进，将温度控制单元分为两个一个加热棒17和一个冷却棒8，都安装在反应器的下法兰上，通过背螺母紧固，用硅橡胶或氟橡胶圈或垫密封。热交换装置的示意图见附图6。
本实用新型的反应器的上、下法兰与玻璃罐体之间用扩口法兰14通过螺栓与螺母15连接，用硅橡胶垫密封。
本实用新型在专利ZL99213569.9的基础上做出了较大的改进，使整个光反应器的设计更加合理，操作更方便，可靠性更强。已成功地应用于多种微藻及植物细胞的培养，取得了良好的效果。
图1.本实用新型气升式光生物反应器结构示意图。
图2A.本实用新型气体提升管支柱正面平视示意图。
图2B.本实用新型气体提升管支柱侧面剖视示意图。
图3A.本实用新型一段凸起内光源管安装示意图。
图3B.本实用新型两个凸环内光源管安装示意图。
图4.本实用新型气体分布器外形示意图(A过渡段为锥面；B过渡段为球而)。
图5.灯罩示意图(A灯罩俯视图；B灯罩平视图；C环形连杆)。
图6.热交换装置示意图(A冷却棒示意图；B用蒸气加热的加热棒示意图；C用电热丝加热的加热棒示意图)。
附图标记1.反应器罐体 2.气体提升管 3.内光源4.外光源 5.气体分布器 6.灯罩7.pH、溶氧探头 8.冷却棒 9.加料接种口10.排气口 11.内光源密封管 12.排料口13.气体提升管支柱 14.扩口法兰 15.螺栓与螺母16.内光源插口管17.加热棒 18.不锈钢顶丝19.聚四氟乙烯垫20.凸起或凸环 21.O形橡胶圈22.压帽23.上法兰 24.多孔分布板25.防水沿 26.灯脚 27.合页或门轴28.环形连杆29.锁扣 30.立柱31.开启方向32.冷却水进口 33.冷凝水出口34.冷却水出口 35.蒸气进口 36.电热丝进出口具体实施方式
以下实施例所采用的气升式光生物反应器的结构如前所述。
实施例1如附图1所示气升式光生物反应器，罐体内径165mm，气体提升管外径131mm，内光源密封管外径45mm，反应器有效容积15升。气体分布器为直径50mm的不锈钢烧结多孔板，孔径为80微米，采用锥面过渡段(附图4A)。罐体、气体提升管、内光源密封管用硬质硅硼玻璃制作，其余部件为不锈钢制成，密封材料用硅橡胶。按照附图2A和附图2B所示方案安装气体提升管，图2A中阴影部分表示椅形聚四氟乙烯垫，支柱下端焊在反应器下法兰上。新的安装方案可以保证在气速0.015～0.02m/s以下蒸汽消毒或通气培养时，气体提升管不振动、不倾斜。按照附图3A和3B所示方案安装内光源密封管，在蒸汽消毒和通气培养过程中，内光源密封管不振动，与上法兰间的密封良好。用模拟培养基试验，在正常操作下，可保证整个培养过程不染菌。
实施例2同实施例1的有效容积为15升的气升式光生物反应器，内光源密封管内配置40W日光灯。按照附图5A～C所示的灯罩内均匀分布4～16支40W日光灯。采用内置电热丝的加热装置(附图6C)和通冷却水的冷却装置(附图6A)控制温度。在该反应器中培养丝状体淡水蓝藻Anabaena SP.PCC.7120，培养液是以NaNO3为氮源的BG-11培养基，光强为2.8～5.6mW/cm2，通入含5wt％CO2的空气二氧化碳混合气，气量为2L/分钟，接种密度为0.1g/L干重。藻细胞终密度达到1.10g/L。体积产率为0.275g/Ld，面积产率为5.4g/m2d。培养过程中溶氧变化不大。与摇床培养相比产量提高2～3倍，培养周期缩短了10天。
实施例3同实施例2的有效容积为15升的气升式光生物反应器，气体提升管改为不锈钢材质，气体分布器改用球面过渡段。培养单细胞海洋蓝藻Synechococcus.SP.PCC.7002，以Medium A为培养基，光强为2.8～5.6mW/cm2，通入含1wt％CO2的空气二氧化碳混合气，气量为2L/分钟，接种密度为0.13g/L干重。藻细胞终密度达到2.36g/L。体积产率为0.39g/Ld，面积产率为7.64g/m2d。
实施例4同实施例3的有效容积为15升的气升式光生物反应器，培养红花细胞，采用MS基本培养基，光强为1.4～5.8mW/cm2，通入含1wt％CO2的空气二氧化碳混合气，气量为2L/分钟，接种密度为2～3g/L(干重)，培养20天的细胞密度达到10g/L(干重)。培养过程中没有细胞在气体分布器下方沉积。
权利要求1.一种气升式光生物反应器，主要包括带有pH、溶氧探头(7)、加料接种口(9)、排气口(10)、排料口(12)的培养罐体(1)、以及罐体(1)中的气体提升管(2)、气体分布器(5)、热交换装置、内光源密封管(11)和内光源(3)、外光源(4)；其特征是所述的气体分布器(5)为圆形多孔气体分布板式气体分布器，气体分布器的下端为锥面或球面。
2.如权利要求1所述的光生物反应器，其特征是所述的罐体(1)的下法兰上固定有三个气体提升管支柱(13)。
3.如权利要求2所述的光生物反应器，其特征是所述的三个气体提升管支柱(13)为椅子形状，椅座设计成一个半圆形平台。
4.如权利要求2或3所述的光生物反应器，其特征是所述的三个气体提升管支柱(13)的支柱立面的上部进一步装有起径向紧固并定位气体提升管作用的顶丝(18)。
5.如权利要求2或3所述的光生物反应器，其特征是所述的三个气体提升管支柱(13)的夹角为120度。
6.如权利要求4所述的光生物反应器，其特征是所述的三个气体提升管支柱(13)的夹角为120度。
7.如权利要求1所述的光生物反应器，其特征是所述的内光源密封管(11)的上端有一段凸起或者两个凸环(20)，在凸起或者两个凸环的外侧分别套有O形橡胶圈(21)。
8.如权利要求7所述的光生物反应器，其特征是所述的两个凸环(20)中下侧凸环的O形橡胶圈落在带外螺纹且焊接在反应器的上法兰(23)上的内光源插口管(16)的内壁的斜台上；一带内螺纹的压帽(22)与内光源插口管的外螺纹配合，压帽内的斜台压在上侧凸环(20)的O形橡胶圈上。
9.如权利要求1所述的光生物反应器，其特征是所述的反应器罐体(1)的外面有一圈外光源(4)，在外光源(4)的外面有一圈灯罩(6)。
10.如权利要求1所述的光生物反应器，其特征是所述的热交换装置为安装在反应器的下法兰上的一个加热棒(17)和一个冷却棒(8)。
专利摘要本实用新型属于光源集成的封闭式光生物反应器，特别涉及一种用于藻类及其它光合生物细胞悬浮培养的气升式光生物反应器。本实用新型的气体分布器采用圆形多孔气体分布板式气体分布器，气体分布器的下端为锥面或球面。并且将内光源密封管设计成具有一段凸起或两个凸环的结构，使内光源密封管能够更加稳固；在反应器罐体(1)的外面安装一圈灯罩，使外光源(4)能集成在灯罩(6)内。采用内外光源相结合的照光方式，适用于光合生物细胞培养及相关代谢产物的生产。该反应器具有照光面积大，液体混合好，气液传质强度高，剪切力低、操作简便等特点，可广泛适用于各种光合细胞的培养。可以大幅度提高产量，缩短培养周期，降低成本。
文档编号C12M3/00GK2748464SQ2004200090
公开日2005年12月28日 申请日期2004年5月31日 优先权日2004年5月31日
发明者丛威, 吕文华, 康瑞娟, 蔡昭铃 申请人:中国科学院过程工程研究所