专利名称：用于空间再生氧气的光生物反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种再生氧气的光生物反应器，主要应用于空间站、空间实验室、空间永久基地(如月球、火星基地)中CO2的净化和O2的再生。
背景技术：
生命保障系统是载人航天关键技术环节，CO2的净化和O2的再生是此关键中的关键。微藻可利用光能进行光合作用再生O2净化CO2。光生物反应器作为微藻培养装置是影响微藻生长和再生O2速率的关键因素。设计一个适合于长期宇宙飞行的藻类培养光生物反应器，对于减少空间运输费用、提高密闭系统的安全可靠性能具有十分重要的意义。
光生物反应器的设计要满足结构简单，便于空间试验的组装和操作，光能利用率高，最大限度地利用能量，减少未来长期飞行的能源消耗，适合微藻的连续高密度培养。
光生物反应器设计的关键之一是要提供高的光照表面积与体积之比，其目的是提高透光率及藻细胞对光能利用率；设计的另一个关键是选用合适的循环装置，减小剪切力对藻细胞的伤害；此外CO2的溶解及气液传质、光合放氧时溶氧蓄积与及时排出等气体转移效率及光源品质和形式的选择，都将对光生物反应器高效培养微藻有极大的影响。
目前在生命保障系统中用于微藻培养的密闭光生物反应器主要有气升式(MELISSA，ESA)和板式(BIOS-3，Russia)。气升式光生物反应器避免了剪切力的伤害，但光照面积与体积比较小，如何增大光照面积与体积比，而不影响其他性能，是需要解决的主要问题。板式光生物反应器是组装最简单的一类反应器，便于实现高密度微藻的培养，但传质和传热性能较差。
光生物反应器要取得高密度高效培养，最关键的影响因素是光能转化、气体交换、营养源的连续供给及生物限制因子等。目前广泛使用的光源，如太阳光、金属卤素灯、冷白炽灯等存在许多弊端，为了提高光能转化率，选择高光强、窄光谱、节能、可靠的光源具有重要的意义。
三、技术内容本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、光能利用率高，培养密度高，易于控制、可用于空间基地等舱室的O2再生装置。
为达到上述目的，采取的技术方案是本发明主要包括光生物反应器主体4、光照系统、供气系统、营养液加注系统、搅拌系统、温度测定和控制系统、DO、pH测定装置。
所述的光生物反应器主体4采用透光率较好的材料制成，分为光照区402及气液分离和数据测量区404，光照区高径比在2.5-5，光照面积和培养体积比值(S/V)在20-50m-1。反应器顶部设有排气口601，气体从此排出进入气体处理系统15。气液分离和数据测量区4中部设有排液口405，藻水混合液从此处进入藻水分离器16。光照区中间位置设有取样口403，底部设有进液口401。
所述的搅拌系统由气体分布器1、搅拌泵控制器13、搅拌泵505、变径504、密封轴承503、连接块502、U型搅拌头501(3个)组成。U型搅拌头501用不锈钢丝作芯，包裹塑料管后做成U型固定于连接块502，再与搅拌泵505主轴相连，搅拌速度通过搅拌泵控制器13调节，，搅拌速度可以达到200r/min，可以用来培养细胞壁较薄的Spirulina等，不会造成藻类细胞的破碎，同时实现CO2和藻液的充分混合，并保证藻细胞与光源的充分接触，达到光源的充分利用；气体通过气体分布器1进入反应器，气泡上升实现搅拌，通气量20L/h·L。
所述的光照系统由光源3和光源控制器2组成，采用目前光效较高的LED作为光源，发射光谱比较窄但能够覆盖藻类进行光合作用的光谱范围；通过点阵排列于反应器周围，利用光源控制器2控制照度值。
所述的营养液加注系统由时间控制器18、隔膜泵(循环泵17和加液泵19)、营养液储罐20组成。通过时间控制器18控制循环泵17和加液泵19的工作状态实现藻水混合液在取样口403和进液口401之间的循环以及营养液从储罐向反应器的脉冲式加注，同时防止藻类在循环回路的附着。加液量根据要求可以控制在0.001-0.01L/L，时间间隔可以控制在1-12小时。
所述的温度控制系统由温度探头22、温度控制仪14和风机23组成。当反应器温度超过一定值时风机23开始工作将冷空气吹到光源3和反应器表面，带走多于的热量，实现温度的控制。
所述的供气系统由CO2气瓶8、空气压缩泵7、气体流量计9，气体混合装置10和过滤器21组成。通过CO2气瓶8和空气压缩泵7，利用流量计9模拟空间舱室的大气组成，控制CO2浓度在一定值，混合通过过滤器21滤掉细菌后通入光生物反应器主体4。在实际应用中可以直接通入生活舱的气体。
所述的DO测定探头25和pH值测定探头24和温度探头22安装在反应器顶部，深入到排液口405位置以下。
四
图1为本发明连续运行系统示意图；图2为本发明光生物反应器主体正视图；图3为本发明搅拌装置示意图；
图4为本发明反应器顶板示意图。
附图标记1-气体分布器；2-光源控制器；3-光源；4-光生物反应器主体；5-搅拌装置；6-反应器顶板；7-空气压缩机；8-CO2气瓶；9-气体流量计；10-气体混合装置；11-pH计；12-溶氧仪；13-搅拌泵控制器；14-温度控制仪；15-气体处理系统；16-藻水分离器；17-循环泵；18-时间控制器；19-加液泵；20-储液罐；21-过滤器；22-温度探头；23-风机；24-pH探头；25-DO探头；401-进液口；402-光照区；403-取样口；404-气液分离和数据测量区；405-排液口；501-U型搅拌头；502-连接块；503-密封轴承；504-变径；505-搅拌泵；506-搅拌泵支架；601-排气口；602-搅拌泵支架加固块；603-螺丝孔；604-进气孔；605-pH探头安装孔；606-DO探头安装孔；607-温度探头安装孔。
五具体实施例方式
本发明主要包括光生物反应器主体、光照系统、供气系统、营养液加注系统、搅拌系统、温度测定和控制系统、DO、pH测定装置组成。其中光生物反应器主体4采用透光率较好的材料制成，分为光照区402及气液分离和数据测量区404，气液分离和数据测量区404中部设有排液口405，藻水混合液从此处进入藻水分离器16。光照区中间位置设有取样口403，底部设有进液401口；搅拌系统由气体分布器1、搅拌泵控制器13、搅拌泵505、变径504、密封轴承503、连接块504、U型搅拌头501(3个)组成；光照系统由光源3和光源控制器2组成；营养液加注系统由时间控制器18、隔膜泵(循环泵17和加液泵19)、营养液储罐组成20；温度控制系统由温度探头22、温度控制仪14和风机23组成；供气系统由CO2气瓶8、空气压缩泵7、气体流量计9，气体混合装置10和过滤器21组成；反应器顶部设有DO测定探头25和pH值的测定探头24。
连续运行时，事先配制的营养液通过加液泵19和循环泵17在时间控制器18的控制下脉冲式加注；通过CO2气瓶8和空气压缩泵7，利用流量计9模拟空间舱室的大气组成，控制CO2浓度在一定值，混合通过过滤器21滤掉细菌后通入光生物反应器，通过U型搅拌头501的机械搅拌使之与藻水混合液均匀混合，促进传质；所需光照度通过光源3和光源控制器2控制；藻水混合液由排液口505排出进入藻水分离器16，气体由排气口601排出进入气体处理装置15。本发明用于空间再生氧气的光生物反应器，通过自行设计的LED光源实现了较高的光能利用率，采用的搅拌装置能够使CO2和微藻细胞充分的接触，有利于光合作用的进行，采用脉冲式加液实现了微藻的连续高密度培养和O2的再生。
权利要求
1.一种用于空间再生氧气的光生物反应器，包括光生物反应器主体、光照系统、供气系统、营养液加注系统、搅拌系统、温度测定和控制系统。
2.根据权利要求1所述的用于空间再生氧气的光生物反应器，其特征在于光生物反应器主体分为光照区及气液分离和数据测量区。光照区高径比2.5-5，光照面积和培养体积比值(S/V)在20-50m-1。
3.根据权利要求1所述的用于空间再生氧气的光生物反应器，其特征在于搅拌系统采用双重搅拌(1)机械搅拌，采用较柔和的U型搅拌头，搅拌速度可以达到200r/min，可以用来培养细胞壁较薄的Spirulina等，不会造成藻类细胞的破碎，同时实现了固液气的充分混合，并保证了光能的有效利用。(2)气体搅拌，通气量20L/h·L。
4.根据权利要求1所述的用于空间再生氧气的光生物反应器，其特征在于营养液加注系统通过时间控制器控制循环泵和加液泵的工作状态进行营养液的脉冲式加注，加液量根据要求可以控制在0.001-0.01L/L，时间间隔可以控制在1-12小时，实现了微藻的连续培养。
全文摘要
本发明公开了一种用于空间再生氧气的光生物反应器。该光生物反应器属于微藻生物技术领域，主要包括光生物反应器主体、光照系统、供气系统、营养液加注系统、搅拌系统、温度测定和控制系统、DO、pH测定装置。该发明利用时间控制器定时向反应器中加入一定量的营养液，通入的CO
文档编号C12M3/00GK101033449SQ20061016209
公开日2007年9月12日 申请日期2006年12月12日 优先权日2006年12月12日
发明者刘红, 杨晨亮 申请人:北京航空航天大学