一种光合生物反应装置及光合生物反应系统的制作方法

本实用新型涉及光反应器技术领域，尤其涉及一种光合生物反应装置及光合生物反应系统。

背景技术：

光合生物反应器用于光合生物细胞或组织培养，能够生产高蛋白质、脂肪、生物燃油、多种有生物活性的碳水化合物等许多有高附加值的生化产品，因此受到国内外科研工作者和企业的高度关注。光合生物反应器分为开放式光合生物反应器和密闭式光合生物反应器。密闭式光合生物反应器相对于开放式光合生物反应器更容易实现一定程度的连续式生产。而密闭式光合生物反应器中的管道式光合生物反应器应用发展前景更为广泛。但是管式光合生物反应器的建造成本高，能耗高且光照利用率较低，难以批量化、大型化地投入到实际的生产中。

因此亟需提出一种成本低、能量利用率高的光合生物反应装置及光合生物反应系统来解决上述技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种光合生物反应装置及采用该光合生物反应装置的光合生物反应系统，该光合生物反应装置及光合生物反应系统制作成本较低，能耗低，光转化率较高。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供一种光生物反应装置，包括管式光合生物反应器和平面光合生物反应器，所述管式光合生物反应器的进口端与培养液储罐相连通，所述培养液储罐内的培养液仅能由所述培养液储罐流至所述管式光合生物反应器，所述管式光合生物反应器的出口端与所述平面光合生物反应器的进口端连通，所述平面光合生物反应器的出口端与所述培养液储罐相连通，所述平面光合生物反应器内的培养液仅能由所述平面光合生物反应器流至所述培养液储罐。

具体地，所述管式光合生物反应器由厚度为0.2mm—0.5mm的膜管拼接而成，所述膜管由upvc制成。

具体地，还包括：

第一单向阀，设置在所述培养液储罐和所述管式光合生物反应器之间，所述第一单向阀沿所述培养液储罐到所述管式光合生物反应器的方向单向导通；

第二单向阀，设置在所述平面光合生物反应器和所述培养液储罐之间，所述第二单向阀沿所述平面光合生物反应器到所述培养液储罐的方向单向导通。

具体地，还包括机架，所述管式光合生物反应器沿竖直方向设置在所述机架上，所述平面光合生物反应器沿水平方向设置在所述机架上，所述平面光合生物反应器位于所述管式光合生物反应器的上方且所述平面光合生物反应器的高度大于所述培养液储罐的液面高度。

具体地，所述平面光合生物反应器的顶部设置有排气管，所述排气管的一端连通所述平面光合生物反应器，另一端连通外部大气。

具体地，所述平面光合生物反应器为透光的培养容器。

一种光合生物反应系统，包括所述培养液储罐、气动装置和所述光合生物反应装置；所述气动装置一端连通所述培养液储罐，另一端连通外部气源，所述气动装置用于向所述培养液储罐内通入气体以将所述培养液储罐内的培养液压送至所述光合生物反应装置中。

具体地，所述气动装置包括进气管和气泵，所述进气管的两端分别连通所述培养液储罐和所述气泵，且所述进气管伸入所述培养液储罐的排气口位于所述培养液的液面上方。

具体地，还包括泄压装置，所述泄压装置一端连通所述培养液储罐，另一端连通外部大气，所述泄压装置用于排出所述培养液储罐内的多余气体以使所述培养液储罐内的气压与外部大气气压一致。

具体地，所述泄压装置包括泄压管和泄压阀，所述泄压管的一端连通于所述培养液储罐，另一端连通外部大气，所述泄压阀设置于所述泄压管上。

具体地，还包括采收系统，所述采收系统设置于所述平面光合生物反应器的出口端和所述管式光合生物反应器的进口端之间，所述采收系统用于采收所述光合生物反应装置产出的增殖细胞。

具体地，所述采收系统包括采收管道和螺杆泵，所述采收管道的两端分别连通所述平面光合生物反应器的出口端和所述管式光合生物反应器的进口端，所述螺杆泵设置于所述采收管道中；所述螺杆泵与所述管式光合生物反应器之间设置有第三单向阀，所述第三单向阀沿所述螺杆泵到所述管式光合生物反应器的方向单向导通。

具体地，还包括清洁组件，所述清洁组件被配置为用于清洁所述管式光合生物反应器。

具体地，所述清洁组件包括清洗水入口，清洗球入口和清洗出口；

所述清洗水入口和所述清洗球入口通过第一三通管接头连通于所述管式光合生物反应器的出口端，所述清洗水入口用于将向所述管式光合生物反应器注入清洗水，所述清洗球入口用于将清洗球送入所述管式光合生物反应器；

所述清洗出口通过第二三通管接头连通于所述管式光合生物反应器的进口端，所述清洗水和所述清洗球从所述清洗出口流出。

相较于现有技术，本实用新型的有益效果为：

本实用新型提出了一种光合生物反应装置，该光合生物反应装置下的光合生物反应器在现有的管式光合生物反应器的出口处连接有一个平面光合生物反应器，由此增大了单位面积的设备培养容量，降低了系统能耗，提高了光照利用率，适于在大规模的光合微生物生产中使用。

本实用新型还提出了一种光合生物反应系统，该光合生物反应系统包括培养液储罐、光合生物反应装置和气动装置，气动装置通过向培养液储罐通入气体将培养液储罐内的培养液压送至光合生物反应装置，相较于现有技术，气动装置的推动力较为温和、规律，能够有效减少对培养液内的光合生物的细胞造成的损伤；通过光合生物反应装置和气动装置的配合使用，在一定程度上避免了培养液浓度不均而导致的培养液内的细胞受光不均等问题，降低了能耗，提高了培养液内微生物光合反应的效率，适合在实际生产中批量化、大型化地应用。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式提供的光生物反应系统的连接关系示意图；

图中：

1、光合生物反应装置；11、管式光合生物反应器；12、平面光合生物反应器；

2、培养液储罐；3、排气管；

4、气动装置；41、进气管；42、气泵；

5、泄压装置；51、泄压管；52、泄压阀；

6、采收系统；61、手自一体阀；62、采收管道；63、螺杆泵；

7、第一三通管接头；8、第二三通管接头；

9、清洁组件；91、清洗水入口；92、清洗球入口；93、清洗出口；

100、第一单向阀；200、第二单向阀；300、第三单向阀。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”“下”“左”“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1所示，本实施例提供了一种光合生物反应装置1，该光合生物反应装置1包括管式光合生物反应器11和平面光合生物反应器12。管式光合生物反应器11的进口端与贮存有培养液的培养液储罐2的底部出口通过管路相连通，为保证培养液储罐2内的培养液仅能由培养液储罐2流至管式光合生物反应器11，该管路上设置有第一单向阀100，第一单向阀100沿培养液储罐2到管式光合生物反应器11的方向单向导通。管式光合生物反应器11的出口端与平面光合生物反应器12的进口端连通。平面光合生物反应器12底部的出口端与培养液储罐2的上部通过管路相连通，为保证平面光合生物反应器12内的培养液仅能由平面光合生物反应器12流至培养液储罐2，该管路上设置有第二单向阀200，该第二单向阀200沿平面光合生物反应器12到培养液储罐2的方向单向导通。来自培养液储罐2的培养液依次流经管式光合生物反应器11和平面光合生物反应器12进行光反应，通过增设平面光合生物反应器12增大了单位面积的设备培养容量，有效提高了培养液中生物的光照利用率。该两型合一的光合生物反应装置1结构简单、造价低廉，养殖效率高，易于为大规模光合微生物在室外自然光照下生产所采用，适合光合微生物的大规模生产。

具体地，为降低光合生物反应装置的制造成本，管式光合生物反应器11由厚度为0.2mm—0.5mm的膜管拼接而成，膜管由upvc(unplasticizedpolyvinylchloride，硬聚氯乙烯)制成。

为避免管道发生变形或者破损，本实施例中的光合生物反应装置1还包括机架(图中未示出)，优选采用不锈钢机架作为光合生物反应器的支撑架。该不锈钢机架包括盘管机架和盘托轨。管式光合生物反应器11沿竖直方向设置在盘管机架上，平面光合生物反应器12沿水平方向设置在盘托轨上。具体地，盘托轨水平设置于盘管机架的上方，使得平面光合生物反应器12位于管式光合生物反应器11的上方。优选地，平面光合生物反应器12的高度大于培养液储罐2内的培养液的液面高度，便于光合生物反应系统停止运行时，平面光合生物反应器12内的培养液能够回流到培养液储罐2中。

优选地，平面光合生物反应器12的顶部设置有排气管3。排气管3的一端连通平面光合生物反应器12，另一端连通外部大气，培养液中的微生物通过排气管3与外部大气进行光合反应所必需的气体交换，使平面光合生物反应器12内的压力始终与外部大气压一致。

具体地，平面光合生物反应器12为透光的培养容器，以保证光合微生物能够充分利用光照进行光合生物反应。

优选地，为降低成本，管式光合生物反应器11的管路采用pvc轻质膜管制成。

如图1所述，本实施例还提供了一种光合生物反应系统，该光合生物反应系统包括气动装置4以及上文提到的培养液储罐2和光合生物反应装置1。气动装置4的一端连通于培养液储罐2的顶部，另一端连通外部气源。

随着气动装置4不断地向培养液储罐2内打入气体，培养液储罐2内的培养液经由第一单向阀100和管式光合生物反应器11不断推送至平面光合生物反应器12中，平面光合生物反应器12内的培养液不断增多使得平面光合生物反应器12内的培养液液面高度不断升高，直到培养液对平面光合生物反应器12底部的出口端的压力大于培养液储罐2上部进口端的压力，此时平面光合生物反应器12内位于下层的培养液将通过第二单向阀200回流到培养液储罐2中。由此使得整个光合生物反应系统内的培养液逐步达到稳定循环的状态，并保持平面光合生物反应器12内上层的培养液均为最新流入的光合微生物，从而确保从平面光合生物反应器12底部的出口端回流到培养液储罐2中的是进行过一段时间光合生物反应的光合微生物。由此使得培养液内的光合微生物受光更均匀，光合微生物浓度分布更均匀，同时提高了光照利用率。

具体地，气动装置4包括进气管41和气泵42，进气管41的两端分别连通培养液储罐2的顶部和气泵42，且进气管41伸入培养液储罐2的排气口位于培养液的液面上方，排气口通入的气体将培养液储罐2内的培养液压送至光合生物反应装置1中。相较于现有技术，该气动装置4的推动力较为温和、规律，能有效减少对培养液内光合生物的细胞造成的损伤，同时在一定程度上避免了培养液浓度不均而导致的最终培养液内的细胞受光不均等问题，不断通入的气流推动管道内的培养液进行波动式的液动培养，从而达到较高的光照利用效率，提高了培养液内微生物光合反应的效率。

优选地，该光合生物反应系统还包括泄压装置5，泄压装置5一端连通培养液储罐2的顶部，另一端连通外部大气。泄压装置5用于光合生物反应系统停止运行时排出培养液储罐2内的多余气体使培养液储罐2内的气压与外部大气气压一致，便于平面光合生物反应器12内的培养液通过第二单向阀200回流到培养液储罐2中。

具体地，泄压装置5包括泄压管51和泄压阀52，泄压管51的一端连通于培养液储罐2的顶部，另一端连通外部大气，泄压阀52设置于泄压管51上，用于控制泄压管51的通断。当需要中止光合生物反应系统的运行时，气泵42将停止向培养液储罐2内送气，此时，打开泄压阀52，培养液储罐2内的气压将随着培养液储罐2内的气体通过泄压管51的排出逐渐恢复到与外部大气压一致，此时，由于平面光合生物反应器12内的培养液液面高于培养液储罐2内培养液的液面，因此，平面光合生物反应器12内的培养液将通过第二单向阀200全部自动流入到培养液储罐2中，而无需其它动力设备输送，从而避免动力设备对培养液内微生物造成损伤的同时降低了能耗。

优选地，必要时，设置多个泄压装置5以加快培养液储罐2内气体的排出，从而提高平面光合生物反应器12内的培养液流入到培养液储罐2的速率。本实施例设置有两个泄压装置5。

该光合生物反应系统还包括采收系统6，采收系统6设置于平面光合生物反应器12的出口端和管式光合生物反应器11的进口端之间，采收系统6用于采收平面光合生物反应器12产出的增殖细胞。

具体地，采收系统6包括采收管道62、手自一体阀61、螺杆泵63和采收箱(图中未标出)，采收管道62的两端分别连通平面光合生物反应器12的出口端和管式光合生物反应器11的进口端，手自一体阀61和螺杆泵63设置于采收管道62中，螺杆泵63和采收箱连通。优选地，手自一体阀61设置于平面光合生物反应器12的出口端与螺杆泵63之间，当开始采收时，开启手自一体阀61和螺杆泵63，将光合生物反应装置1内的培养液采收至采收箱中。进一步优选地，螺杆泵63与管式光合生物反应器11的进口端之间设置有第三单向阀300，第三单向阀300沿螺杆泵63到管式光合生物反应器11的方向单向导通，以防止培养液从管式光合生物反应器11的进口端返流到采收系统6。

为了便于布线，本实施例中，气泵42、手自一体阀61和螺杆泵63均设置在光合生物反应系统的控制机箱下方，与控制机箱组成一体。

在本实施例中，光合生物反应系统还包括清洁组件9，清洁组件9被配置为用于清洁管式光合生物反应器11。

具体地，清洁组件9包括清洗水入口91、清洗球入口92和清洗出口93。其中，清洗水入口91和清洗球入口92通过第一三通管接头7连通于管式光合生物反应器11的出口端，优选地，管式光合生物反应器11的出口端与第一三通管接头7的接口7a相连通，清洗水入口91与第一三通管接头7的接口7c相连通，清洗球入口92与第一三通管接头7的接口7b相连通。清洗水入口91用于向管式光合生物反应器11注入清洗水，以冲洗管式光合生物反应器11的内腔，清洗球入口92用于将清洗球导入到管式光合生物反应器11，以冲洗管式光合生物反应器11的管道内壁。

清洗出口93通过第二三通管接头8连通于管式光合生物反应器11的进口端，优选地，管式光合生物反应器11的进口端与第二三通管接头8的接口8a相连通，培养液储罐2的底部出口通过管道与第二三通管接头8的接口8c相连通，并如前文所述该管道上设置有第一单向阀100，这里第一单向阀100也起到防止清洗水流入培养液储罐2的作用，清洗出口93与第二三通管接头8的接口8b相连通，清洗水和清洗球均从清洗出口93流出。实际操作时，先将清洗球通过清洗球入口92导入到管式光合生物反应器11中，再通过外设的加压泵将清洗水由清洗水入口91泵送到管式光合生物反应器11中，使清洗水能够推动清洗球在管式光合生物反应器11内运动并最终从清洗出口93一同流出，实现清洗管式光合生物反应器11内壁的作用。

下面对本实施例提供的光合生物反应系统的工作过程进行简要说明。

首先，打开气泵42，气泵42将气体经由进气管41打入到培养液储罐2中，将培养液储罐2内的培养液压送至管式光合生物反应器11中，由此开始对培养液进行无损培养。管式光合生物反应器11内的培养液逐渐增多并流入到与其连通的平面光合生物反应器12中，培养液内的细胞在平面光合生物反应器12中得到充足的光照，开始大量增殖；当检测到平面光合生物反应器12内的培养液细胞含量趋于稳定时，关闭气泵42并打开泄压阀52，使培养液储罐2内的压力与大气压达到一致，此时平面光合生物反应器12内的培养液将通过其底部的出口端流入到培养液储罐2中，由此完成培养液在光合生物反应系统中的一次循环。当平面光合生物反应器12内的培养液全部回流至培养液储罐2内时，关闭泄压阀52，再次打开气泵42，开始下一次循环。当培养液在光合生物反应系统中的循环次数达到预设值时，启动手自一体阀61和螺杆泵63开始采收工作；当光合生物反应系统停机维护时，则启动清洁组件9开始管路的清洗工作。

以上实施方式只是阐述了本实用新型的基本原理和特性，本实用新型不受上述实施方式限制，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。