专利名称：一种培养光合微生物的方法和使用的光反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种培养微生物的光反应器和方法，尤其涉及一种内部具有不同长度的隔板结构设置的用于光合微生物培养的光生物反应器。
背景技术：
光反应器，通常应用于藻类、光合细菌、藓类或其他植物或微生物细胞培养的工业化生产。这些植物或微生物，特别是光合微生物可以利用光能将(X)2和水转化为各种有机物，具有光合作用效率高、环境适应性强、繁殖快、生长周期短、不占用耕地、可大规模化、自动化控制培养(生产)等特点。当前，光合微生物的培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器，开放式光生物反应器由于不具备温度控制能力、生产受季节影响，且生产过程容易受到各种异生物的污染。封闭式光生物反应器主要的基础形式有管道式、柱状式、平板式等。这些光反应器需要满足以下要求1)使反应器内每个细胞接受最多的光能。2、充分的混合及增强气体交换。管道式光生物反应器比表面积大，但氧解析困难，同时不易清洗，不适合光合微生物的大规模培养。柱状光生物反应器虽然不存在氧解析困难的问题，混合液均勻，但放大困难。 平板式光生物反应器相对于前面两种光反应器而言，同时具有光照比表面积大、光照利用率高、混合均勻，氧解析快、放大相对容易等优点，因此以平板式光生物反应器作为基础结构具有一定的优势，较其他类型封闭式光反应器更有发展前景、更易实现工业规模的应用。而在现有的平板式光生物反应器中，通常采用的隔板结构都是交错设置的等长度隔板，这种设置使得料液和气体之间的反应不够充分，同时，对废弃料液的处理不够便利， 而且装置不易清洗的缺点，同时，气体的流量和料液的流通由于处理的不便利也可能造成装置的堵塞等不可预知的情形，因此，亟待提供一种能够克服上述现有制作技术和工艺中存在的各种缺陷的光反应器。
发明内容
本发明提供了一种用于光合微生物培养的光反应器。本发明的反应器光照比表面积大、光照利用率高、光合微生物和养料混合均勻，氧解析快、易于处理废弃料液，容易清洗，不造成装置的堵塞。本发明的光反应器中所述光反应器包括光反应器主体，可转动的机械轴和支撑底座，其特征在于所述光反应器主体是扁平状立方体封闭式结构，通过气体进出口和物料进出口与外部系统连接，所述光反应器主体由两个受光面面板、顶部边框和底部边框，以及左侧边框和右侧边框组成，所述顶部边框、底部边框，左侧边框和右侧边框用于固定两个受光面；所述光反应器主体的底部边框通过所述可转动的机械轴与所述支撑底座连接；在光反应器主体内部具有并行设置的长隔板和多个短隔板，所述长隔板和短隔板与所述两个受光面面板紧密连接；所述长隔板一端与所述底部边框连接，另一端与顶部边框不连接，短隔板两端与底部边框和顶部边框均不连接，长隔板与顶部边框的距离比短隔板与顶部边框的距离小，即长隔板高于短隔板；光反应器主体内上下划分为光反应区和气体收集区，另外，所述光反应区被长隔板左右分割为液体上升区域和液体下降区域，短隔板位于液体上升区域且以相同的间距平行分布；在所述液体上升区域的底部设置有气体分布器，所述气体分布器通过进气口与外部进气管路连接；所述进气口位于所述光反应器液体上升区域一侧的边框上，出气口位于光反应器主体的顶部边框上；优选的，所述进气口为管状结构；进料口与进气口同侧设置，出料口位于液体下降区域一侧的边框或底框上。在本发明的光反应器中，用于培养光合微生物或其它微生物或植物的培养液通过进料口进入光反应器主体，在液体上升区域从光反应器主体底部上升，至高于长隔板时流入液体下降区域，并通过出料口流出。培养的光合微生物或其它微生物或植物在培养液中进行繁殖和光反应，因此培养液停留在反应器内的部分即构成所述光反应器主体的光反应区。外部进气管路提供的气体通过气体分布器进入光反应区，经液体上升区域的培养液培养液上升和释放，进入所述光反应器主体的顶部空间，即气体收集区。根据本发明的一个优选实施例，所述液体上升区域有8-20条短隔板。根据本发明的一个优选实施例，所述的光反应器还包括角度调节装置，该角度调节装置与光反应器主体和支撑底座分别连接，光反应器主体通过所述角度调节装置可绕所述机械轴转动。根据本发明的再一个优选实施例，其中所述的光反应器中所述气体分布器为自进气口延长至接近长隔板端的散气管，其上设置有散气孔。根据本发明的另一个优选实施例，其中所述的光反应器中的所述的气体分布器的形状为扁平状，其内为中空设置，在所述气体分布器的顶部和底部侧面上分布有多个小孔。根据本发明的再一个优选实施例，其中所述的光反应器的主体沿着可转动的机械轴可以在0-180度的范围内旋转。根据本发明的另外一个优选实施例，其中所述的光反应器的两个受光面的面板由透明材料制成，其余四个边框结构由中空型材或单层材料制成。根据本发明的又一个优选实施例，其中制作所述底部边框的中空型材或单层材料上接触料液的面上设置多个孔作为进出料孔。根据本发明的另一个优选实施例，其中在所述光反应器主体的顶部边框上设置有多个连接口，用于连接传感器装置。根据本发明的另一个优选实施例，所述光反应器可具有多个并行串联使用的上述光反应器主体。本发明还提供了一种培养光合微生物的方法，其中采用前述本发明的光反应器， 培养液通过进料口进入光反应器主体，在液体上升区域从光反应器主体底部上升，至高于长隔板时流入液体下降区域，并通过出料口流出，外部进气管路提供的气体通过进气口经气体分布器进入光反应区，经液体上升区域的培养液培养液上升和释放，进入所述光反应器主体的气体收集区，然后通过出气口排出和收集。光合微生物产生的气体可由外部进气管路提供的气体携带或替换而从培养液释放。光合微生物产生的液态产物由培养液携带出反应器，经分离提纯装置收集。根据本发明的上述光反应器具有以下优点首先，光照比表面积大，光照利用率高；其次，培养的光合微生物和/或培养液混合均勻，氧解析快；再次，装置通气性好以及培养液混合循环性好；最后，装置清洗简单，不造成装置的堵塞。
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中图1是根据本发明的一个优选实施例的所述光反应器的整体结构示意图。图2是根据本发明的一个优选实施例的所述光反应器的主体的俯视图。图3是根据本发明的一个优选实施例的所述光反应器主体中的气体分布器的俯视图。图4是根据本发明的一个优选实施例的所述光反应器中的角度调节装置的侧视图。附图中相应附图标记对应的部件名称如下100.光反应器主体 101.进气口102.出气口103.进料口104.出料口105.机械轴106.短隔板107.长隔板108.气体分布器109.受光面面板1101.顶部边框1102.底部边框1103.左侧边框1104.右侧边框111.传感器装置连接口 112.光反应区113.气体收集区114.液体上升区域115.液体下降区域 200.支撑底座附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施例方式为了更好地理解和阐释本发明，下面将参照图1-4对本发明作进一步的详细描述。图1是根据本发明的一个优选实施例的所述光反应器的整体结构示意图。如图1 所示，所述光反应器的整体结构由三部分组成光反应器主体100、可转动的机械轴105和支撑底座200。其中，光反应器主体100由进气口 101、出气口 102、进料口 103、出料口 104、 短隔板106、长隔板107、气体分布器108、两个受光面面板109、顶部边框1101、底部边框 1102、左侧边框1103、右侧边框1104以及传感器装置连接口 111组成，具体位置如图所示。其中，光反应器主体100和支撑底座200通过可转动的机械轴105连接，所述光反应器还可以包括角度调节装置400 (在图4中示出了其结构)，该角度调节装置400与光反应器主体100和支撑底座200连接，光反应器主体100通过所述角度调节装置400可绕所述机械轴105转动。光反应器主体100的中间是由两个受光面面板109，而其四周利用顶部边框1101、底部边框1102、左侧边框1103和右侧边框1104固定。两个受光面面板109与顶部边框1101、底部边框1102、左侧边框1103、右侧边框1104 —起形成扁平状立方体封闭式结构。通常受光面面板109利用透明材料制成，其余四个边框结构利用中空型材制成，当然也可以采用金属材料制作所述边框；同时，可以采用单层材料(例如金属材料)制作所述边框，只要能达到固定所述受光面面板109的效果，而上述结构使得光反应器主体100形成一个密封不透气透液的立方体封闭式结构，所述光反应器主体100通过所述的进气口 101、 出气口 102、进料口 103和出料口 104与外部系统连接，分别用于输入输出气体或液体，例如含有养分的用于培养微生物或植物的培养液。即如图1所示，所述光反应器主体是扁平状立方体封闭式结构，其底部边框1102通过可转动的机械轴105与所述支撑底座200连接。 当上述顶部边框1101、底部边框1102、左侧边框1103和右侧边框1104利用单层材料制成时，上述各板连接固定处均采用有机玻璃粘合，或采用其他方式粘合或一体化形成，从而使光反应器形成一个密封不透气的立方体封闭式结构。在光反应器主体100的内部具有并行设置的长隔板107和多个短隔板106，光反应器主体100内根据培养液区域被上下划分为光反应区112和气体收集区113，另外，所述光反应区112被长隔板107左右分割为液体上升区域114和液体下降区域115，短隔板106 在液体上升区域114中平行分布，另外，所述长隔板107的侧面与光反应器主体100的内面密封连接，各短隔板106与光反应器主体100的内面密封连接。根据本发明的一个优选实施例，所述液体上升区域有8-20条短隔板。在所述液体上升区域114的底部设置有气体分布器108，优选地，其可以延伸至或接近长隔板107端，所述气体分布器108通过所述进气口 101与外部进气管路连接；所述进气口 101为管状结构，位于所述光反应器主体100的液体上升区域114 一侧的边框，即图示的边框1104上，出气口 102位于光反应器主体100的顶部边框1101上，所述进料口 103 与进气口 101同侧设置，出料口 104位于所述液体下降区域115—侧的边框，即图示的边框 1103上。出料口 104也可位于所述液体下降区域115—侧的底框(未示出)。在本发明的光反应器中，用于培养光合微生物或其它微生物或植物的培养液通过进料口 103进入光反应器主体100，在液体上升区域114从光反应器主体100底部上升，至高于长隔板107时流入液体下降区域115，并通过出料口 104流出。培养的光合微生物或其它微生物或植物在培养液中进行繁殖和光反应，因此培养液停留在反应器内的部分即构成所述光反应器主体的光反应区。外部进气管路提供的气体通过气体分布器进入光反应区， 经液体上升区域的培养液培养液上升和释放，或携带从光合微生物或其它微生物或植物产生的气体上升，从培养液释放，进入所述光反应器主体的顶部空间，即气体收集区。光合微生物产生有用的气体可通过出气口排出和收集。光合微生物产生的液态产物由培养液携带出反应器，经分离提纯装置收集。其中，所述光反应器主体100沿着所述的可转动的机械轴105可以在0-180度的范围内旋转。优选地，所述光反应器主体100与支撑底座200的连接机械轴105可以是点连接，即可以实现根据太阳光光照方向转动所述光反应器主体100，实现所述光反应器主体100 一直朝向太阳光光照方向，保持受光面与太阳光光照方向垂直，接受光能最多的技术效
: O在所述光反应器的实际操作和运行过程中，通过外部进气管路，如喷气泵等，气体利用进气口 101进入气体分布器108，而后通过气体分布器108表面的气孔喷出，而后与料液混合，而气体分布器108通常的形状为扁平状，其内为中空设置，其中，在所述气体分布器108的一个侧面上布有多个小孔，用于作为出气孔；优选地，气体分布器108为自进气口延长至接近长隔板端的散气管，散气管的左右两侧设置有一排散气孔(图中未示出)。水可以通过水泵等供水系统进入循环系统(图中未示出)，而后反应物通过管路系统(属外部系统，图中未示出)与水混合，形成料液，而后通过进料口 103进入光反应器主体100;当气体通过管路和料液混合后，由于气体的作用，料液被不断搅拌并在光反应器主体100的光反应区112充分反应，而后气体到达光反应器主体100的气体收集区113，从出气口 102 排出；料液通过进料口 103进入光反应器主体100时可以选择直接进入光反应器主体100 的液体上升区域114，料液在外力作用下(例如，可以通过泵等机械装置提供外力)不断上升，越过长隔板107的顶端，通过长隔板107与所述光反应器主体100的上部的间隔，在重力作用下下降，进入液体下降区域115通过图示的左侧边框1103上设置的出料口 104流出光反应器外。由于光合微生物以悬浮态生活在料液中，所述的短隔板106将液体上升区域 114分割成几个更小的空间，气体在每个空间中均勻分布，不断上升，给料液提供充足的气体，同时对料液起到一个搅拌的作用，达到更好的循环效果。优选地，所述料液进入光反应器主体100时也可以采用其他方式进入上述液体上升区域114，可以在制造图示的底部边框1102的中空型材或单层材料上接触所述料液的面上设置多个孔作为进出料孔，而料液通过上述孔结构进入液体上升区域114(所述孔未示出)。优选地，当利用中空型材制作左侧边框1103时，可以在中空型材中设置管路，形成管状出料口 104。出料口 104也可位于所述液体下降区域115—侧的底框(未示出)。 所述料液可以通过在型材接触料液的一面的液体下降区域115的范围内设置多个孔，而通过所述孔流入上述管状出料口，从而流出光反应器主体100外。优选的，液体上升区域114 的底部边框1102上也设置出料口 104。在培养过程中，上述液体上升区域的出料口 104关闭，而只在清洗反应器的时候使用。也就是说，在需要清洗光反应器主体100时(例如发现微生物出现污染或大量死亡而沉淀的时候)，就停止在进料口 103的输入，并打开液体上升区域114的边框上设置的出料口 104，放出培养液。这种设计大大增加了清洗光反应器的效果和效率。更加优选地，也可以在所述液体下降区域115设置短隔板，实现料液的搅拌反应。 另外，也可以设置多个长隔板107，中间间隔有短隔板106，而所述气体分布器108的端部只需要和最靠近图示的左侧边框一侧的长隔板密封连接即可。此外，在光反应器主体100的顶部边框1101上设置有多个连接口 111，用于连接传感器装置。所述传感器装置用于测定所述光反应器的主体100的受光照强度和温度等信息，并实时发送调节信号给所述的角度调节装置400 (在图4中示出)，不断调整光反应器的主体100的角度，从而实现料液在光照作用下的最充分的反应。由于影响光合微生物的繁殖和生长的因素中，光照时影响光合微生物高密度培养的关键因素。光合微生物在不同生长状况下所需要的光照强度不同。基于上述原理，设置了可转动的机械轴105和角度调节装置400，角度调节装置400可以是气泵或其他角度调节装置。通过调节光反应器主体100 的角度，可以调节光反应器主体100的受光面面板109的光照强度。支撑底座200如图所示为立方体框架结构，四个底角可以利用塑料垫脚结构吸附地面，达到支撑光反应器主体100，并固定所述光反应器主体100的效果。通常支撑底座利用金属材料制作，同时在所述支撑底座200的中间区域可以包含有附属结构，例如充气机， 水泵等，当然所述附属结构也可以独立于上述支撑底座结构而在该支撑底座外部设置。图2是根据本发明的一个优选实施例的所述光反应器的主体100的俯视图。如图2所示，所述光反应器主体100的顶部边框1101上具有出气口 102和多个传感器装置连接口 111 (图示为6个，均勻对称设置)，当光反应器主体100的四个边框结构，即顶部边框1101、底部边框1102、左侧边框1103和右侧边框1104利用中空型材制成时，所述出气口 102和多个传感器装置连接口 111为管状结构；当光反应器主体100的四个边框结构，即顶部边框1101、底部边框1102、左侧边框1103和右侧边框1104利用单层材料制成时，所述出气口 102和多个传感器装置连接口 111为孔状结构。如俯视图所示，长隔板107和短隔板106是具有一定厚度的长方体隔板结构，短隔板106位于液体上升区域114且以相同的间距平均分布，长隔板107的下端与光反应器主体100的下部密封连接，上端与光反应器主体100的顶部边框不连接，间隔一段距离；短隔板106的下端与光反应器主体100的底部边框间隔一端距离，而上端与光反应器主体100 的顶部边框也间隔一端距离，但是上述距离小于长隔板上端与光反应器主体100的顶部边框的距离。受光面面板109利用四个边框结构，即顶部边框1101、底部边框1102、左侧边框 1103和右侧边框1104固定，所述受光面面板109如图所示为透明材料制成，而四个边框结构，即顶部边框1101、底部边框1102、左侧边框1103和右侧边框1104利用为方形中空型材，当然也可以利用金属材料制作所述边框，同时，可以采用单层材料(例如金属材料)制作所述边框，只要能达到固定所述受光面面板109的效果，而上述结构使光反应器主体100 形成一个密封不透气的立方体封闭式结构。图3是根据本发明的一个优选实施例的所述光反应器主体中的气体分布器的俯视图。如图3所示，所述气体分布器108的形状为扁平状，其内为中空设置，其中，在所述气体分布器108的顶部和底部侧面上(图示为顶部侧面)布有多个小孔，图中仅仅示出了俯视视角的所述气体分布器的顶部侧面。所述气体分布器108的端部分别与长隔板107以及进气口 101连接，优选地，气体分布器108也可以不与长隔板107连接，而是具有一定间隔。 在实际的制作过程中，所述气体分布器108通常采用金属材料，例如铝合金或不锈钢制作。优选地，所述气体分布器108为延长至接近长隔板107 —端的散气管，散气管的左右两侧设置有一排散气孔(图中未示出)。所述排气孔的形状以及上述分布的小孔的形状通常为圆形，当然，可以设置为其他形状。而排气管也可以设置为多条，同理，气体分布器 108也可以采用多个，根据培养过程中所需气流的需求可以执行多种配置。所述气体分布器108通过进气口 101与外部进气管路连接，当然优选地，所述进气口 101、外部进气管路以及气体分布器108或者散气管的数量可以进行多种选择和配置，只要满足在培养过程中所需的气体的气流大小。图4是根据本发明的一个优选实施例的所述光反应器中的角度调节装置400的侧视图。如图4所示，所述角度调节装置400的一端401(图示为较细的一端)与所述光反应器主体100连接，另一端402(图示为较粗的一端)与所述光反应器中的支撑底座连接。所述角度调节装置的两端401和402是嵌套式结构，可以实现伸缩和推拉的机械特性，所述光反应器主体100可以利用角度调节装置400的伸缩和推拉特性实现绕机械轴105转动的效果，从而使得光反应器主体100的受光面面板109的受光照强度得到调节。根据光反应器主体100上通过传感器装置连接口 111连接的传感器所感应的光照强度信息或温度信息， 所述角度调节装置400可以实现光反应器主体100绕机械轴105的转动。所述角度调节装置400通常利用金属材料制作，当然根据实际需要，也可以采用光感材料制作，实现自身温度测控，同时内部可以嵌有液压传动装置，实现所述角度调节装置400的端部401和402向外方向的拉伸。本发明还公开了一种培养光合微生物的方法，其中采用前述本发明所述的光反应器，培养液通过进料口进入光反应器主体，在液体上升区域从光反应器主体底部上升，至高于长隔板时流入液体下降区域，并通过出料口流出，外部进气管路提供的气体通过进气口经气体分布器进入光反应区，经液体上升区域的培养液上升和释放，进入所述光反应器主体的气体收集区，然后通过出气口排出和收集。光合微生物产生的气体可由外部进气管路提供的气体携带或替换而从培养液释放。光合微生物产生的液态产物由培养液携带出反应器，经分离提纯装置收集。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此夕卜，显然“包括” 一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个部件、单元或装置也可以由一个部件、单元或装置通过软件或者硬件来实现。
权利要求
1.一种光反应器，包括光反应器主体，可转动的机械轴和支撑底座，其特征在于 所述光反应器主体是扁平状立方体封闭式结构，通过气体进出口和物料进出口与外部系统连接，所述光反应器主体由两个受光面面板、顶部边框和底部边框，以及左侧边框和右侧边框组成，所述顶部边框、底部边框，左侧边框和右侧边框用于固定所述两个受光面面板；所述光反应器主体的底部边框通过所述可转动的机械轴与所述支撑底座连接； 在光反应器主体内部具有并行设置的长隔板和多个短隔板，所述长隔板和短隔板与所述两个受光面面板紧密连接；所述长隔板一端与所述底部边框连接，另一端与顶部边框不连接，短隔板两端与底部边框和顶部边框均不连接，长隔板与顶部边框的距离小于短隔板与顶部边框的距离；光反应器主体内上下划分为光反应区和气体收集区；另外，所述光反应区被长隔板左右分割为液体上升区域和液体下降区域，短隔板位于液体上升区域且以相同的间距平行分布；另外，在所述液体上升区域的底部设置有气体分布器，所述气体分布器通过进气口与外部进气管路连接；所述进气口位于所述光反应器液体上升区域一侧的边框上，出气口位于光反应器主体的顶部边框上；进料口与进气口同侧设置，出料口位于液体下降区域一侧的边框或底框上。
2.如权利要求1所述的光反应器，其中还包括角度调节装置，该角度调节装置与光反应器主体和支撑底座分别连接，光反应器主体通过所述角度调节装置可绕所述机械轴转动。
3.如权利要求2所述的光反应器，其中所述的光反应器主体沿着可转动的机械轴可以在0-180度的范围内旋转。
4.如权利要求1所述的光反应器，其中所述气体分布器为自进气口延长至接近长隔板端的散气管，其上设置有散气孔。
5.如权利要求4所述的光反应器，其中所述的气体分布器的形状为扁平状，其内为中空设置，其中，在所述气体分布器的顶部和底部侧面上布有多个小孔。
6.如权利要求1所述的光反应器，其中光反应器的两个受光面的面板由透明材料制成。
7.如权利要求1所述的光反应器，其中光反应器四个边框结构由中空型材或单层材料制成。
8.如权利要求7所述的光反应器，其中在液体上升区域的底部边框或底框上也设置出料口。
9.如权利要求1所述的光反应器，其特征在于所述光反应器的主体可多个并行串联使用。
10.一种培养光合微生物的方法，其中采用如权利要求1-9中任一项定义的光反应器， 光合微生物在光反应区内培养和反应，培养液通过进料口进入光反应器主体，在液体上升区域从光反应器主体底部上升，至高于长隔板时流入液体下降区域，并通过出料口流出，夕卜部进气管路提供的气体通过进气口经气体分布器进入光反应区，经液体上升区域的培养液培养液上升和释放进入所述光反应器主体的气体收集区，然后通过出气口排出和收集，另夕卜，光合微生物产生的液态产物由培养液携带出反应器，经分离提纯装置收集。
全文摘要
一种光反应器，包括光反应器主体，可转动的机械轴和支撑底座，其特征在于所述光反应器主体由两个受光面面板和边框组成；所述光反应器主体的底部边框通过所述可转动的机械轴与所述支撑底座连接；在光反应器主体内部具有并行设置的长隔板和多个短隔板，所述光反应区被长隔板左右分割为液体上升区域和液体下降区域，在所述液体上升区域的底部设置有气体分布器，所述气体分布器通过进气口与外部进气管路连接。本发明公开的光反应器具有反应比表面积大、装置通气性好以及培养液混合循环性好的优点，适用于光合能源微生物的大规模培养。
文档编号C12M1/04GK102465089SQ20111026396
公开日2012年5月23日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者徐志农, 范文俊, 郑晓光 申请人:浙江齐成碳能科技有限公司