气升封闭式光生物反应器的制作方法

专利名称：气升封闭式光生物反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种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封闭式光生物反应器。
目前，封闭式光生物反应器尚处于实验研究阶段，种类和形式多种多样，还无定型的商业产品。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。管道封闭式光生物反应器一般采用管径较小的透明硬质材料弯曲成不同形状并连接起来形成，其形式有水平放置的蛇型管道封闭式光生物反应器、双层排列管道封闭式光生物反应器、多支路并行的管道封闭式光生物反应器、α型管道封闭式光生物反应器及螺旋盘绕管道封闭式光生物反应器等。在此类管道封闭式光生物反应器中，由于采用较小的管径(25-50mm)，虽具有较大的面积/体积比值，光照面积大，可获得较高的面积产率，但管径的窄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，会造成反应器效率降低，此外，此类管道封闭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，大多数管道封闭式反应器的溶氧水平超过200％，会对细胞生长产生抑制。板箱封闭式光生物反应器主要有水平放置的板式封闭光生物反应器、垂直嵌槽板封闭式光生物反应器、多层平行排列板式封闭光生物反应器及倾斜鼓泡板式封闭光生物反应器等。这些板箱封闭式光生物反应器的共同特点是把数个薄板式封闭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，板式封闭光生物反应器板面趋向于空间放置，这种板箱封闭式光生物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，而且板箱封闭式光生物反应器光路长度太短，限制了它的放大潜力。
本实用新型的目的在于克服上述封闭式光生物反应器存在的诸多缺陷，而提供一种具有较大面积体积比，较高光合效率，混合、传质良好，结构简单，操作简便，性能稳定，易于放大的气升封闭式光生物反应器，可用于藻类及其它光合生物的高密度培养。
本实用新型实施方案如下本实用新型提供的气升封闭式光生物反应器，其特征在于主要包括培养罐、气体提升管、气体分布器、热交换装置、密封管式内光源及外光源，培养罐为圆筒型空心罐体，其上端盖上安装有加料接种管、排气管及pH、溶氧探头，下端盖上安装有排料管及热交换器，培养罐内中下部装有与培养罐同心的气体提升管，气体提升管内安装密封管式内光源，与放置于培养罐外的配气装置的气路相通的气体分配器位于气体提升管内中密封管式内光源的下方，培养罐外部设有外光源，所述的气体分布器或为具有单个或多个气体喷嘴的气体分布器，或为圆形或环形多孔气体分布板式气体分布器；培养罐的高径比为5-15；培养罐与气体提升管的直径比为1.3-1.5；培养罐高度与气体提升管高度比为1.5-1.25；气体提升管距培养罐底端的距离为气体提升管直径的1/2-1/6；气体分布器直径为培养罐直径的1/3-1/4；当气体提升管与培养罐环间作为提升区域时，提升管的上端为喇叭口形。
本实用新型提供的气升式光生物反应器具有以下优点由于采用配置内、外光源的内环流式结构，提升管与培养罐罐底间有适当的距离供培养液形成良好的循环流动，避免了死角，使混合更充分，操作更稳定；气升管底部的气体分布器，使气体分布均匀，同时形成较大的升力，不仅使培养液形成循环流动，还可使气体分散成小气泡，增大气液接触面积，提高气液传质速率；培养罐内内置密封管式内光源，不仅增大了反应器总照光面积，而且使光程缩短，大大提高了生物的光合效率；本实用新型的气升封闭式光生物反应器，利用气体膨胀功提供能量驱动液体进行循环，并使空气或空气二氧化碳混合气均匀分散在液相中进行良好的接触，促进了CO2的吸收和光合作用产生的氧的驱除，可有效提高CO2利用率，减少光合作用产生的氧的积累对细胞生长的抑制；本实用新型的气升封闭式光生物反应器，无机械搅拌，总耗能低，同时可获得良好的物料混合、较高的气液传质强度、低剪切应力、较大的光照面积和较短的光路长度等藻类生长的适宜条件，可显著提高光合效率，缩短培养周期，提高细胞培养密度，提高产率；本实用新型的气升封闭式反应器结构简单，加工费用低，操作方便，可对培养基进行彻底的蒸汽灭菌，已成功地应用于微藻高密度培养。
以下结合附图及实施例进一步描述本实用新型附


图1为本实用新型结构示意图其中培养罐1气体提升管2密封管式内光源3外光源4气体分布器5配气装置6pH、溶氧探头7热交换装置8加料接种管9排气管10 内光源密封管11 排料管12由图知，本实用新型提供的气升封闭式光生物反应器，其特征在于主要包括培养罐1、气体提升管2、气体分布器5、热交换装置8、密封管式内光源3及外光源4，培养罐1为圆筒型空心罐体，其上端盖上安装有加料接种管9、排气管10及pH、溶氧探头7，培养罐罐底上安装有排料管12及热交换器8，培养罐内中下部装有与培养罐同心的气体提升管2，气体提升管2内安装密封管式内光源3，与放置于培养罐1外的配气装置6气路相通的气体分配器5位于气体提升管2内密封管式内光源3的下方，培养罐1外部设有外光源4，所述的气体分布器2或为具有单个或多个气体喷嘴的气体分布器，或为圆形或环形多孔气体分布板式气体分配器；实施例1本实施例提供的气升封闭式光生物反应器，培养罐1直径为182mm，高为1000mm，气体提升管2高度为666mm，直径为131mm，气体提升管2底端距培养罐罐底的距离为65mm，密封管式内光源3的密封管11直径为45mm，该气升封闭式生物反应器有效容积为15升，气体分布器5直径为50mm的不锈钢烧结多孔板，孔径为80μ。培养罐1、气体提升管2、内光源密封管11用硬质硅硼玻璃制作，其余部件为不锈钢制成，内光源密封管11内配置40W日光灯构成密封管式内光源3，培养罐1外四周均匀分布4-16支40W日光灯构成外光源4。在该气升封闭式生物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4mW/cm2，通入含5％CO2的空气二氧化碳混合气，气量为21/min，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2本实施例提供的气升封闭式光生物反应器，培养罐1直径为182mm，高为1800mm，气体提升管2直径为120mm，气体提升管2高度为1400mm，气体提升管2底端距培养罐罐底的距离为20mm，密封管式内光源3的密封管11直密封管式内光源3的密封管11直径为45mm，该气升封闭式生物反应器有效容积为15升，气体分布器5直径为50mm的不锈钢烧结多孔板，孔径为80μ。培养罐1、气体提升管2、内光源密封管11用硬质硅硼玻璃制作，其余部件为不锈钢制成，内光源密封管11内配置40W日光灯构成密封管式内光源3，培养罐1外四周均匀分布4-16支40W日光灯构成外光源4。在该气升封闭式生物反应器中培养单细胞海洋蓝藻Synechococcus.SP.PCC.7002，以Medium A为培养基，光强为4mW/cm2，通入含1％CO2的空气二氧化碳混合气，气量为21/min，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3本实施例提供的气升封闭式光生物反应器，培养罐1直径为130mm，高为2000mm，气体提升管2直径为100mm，气体提升管2高度为130mm，气体提升管2底部距培养罐罐底的距离为30mm，密封管式内光源3的密封管式内光源3的密封管11直径为45mm，该气升封闭式生物反应器有效容积为18升，气体分布器5直径为32mm的不锈钢烧结多孔板，孔径为80μ。培养罐1、气体提升管2、内光源密封管11用硬质硅硼玻璃制作，其余部件为不锈钢制成，内光源密封管11内配置40W日光灯构成密封管式内光源3，培养罐1外四周均匀分布4-16支40W日光灯构成外光源4。在该气升封闭式生物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4mW/cm2，通入含5％CO2的空气二氧化碳混合气，气量为21/min，接种密度为0.1g/l干重。藻细胞终密度达到2.34g/l干重。体积产率为0.334g/ld，面积产率为5.4g/m2d。
权利要求1.一种气升封闭式光生物反应器，其特征在于主要包括培养罐、气体提升管、气体分布器、热交换装置、密封管式内光源及外光源，培养罐为圆筒型空心罐体，其上端盖上安装有加料接种管、排气管及pH、溶氧探头，下端盖上安装有排料管及热交换器，培养罐内中下部装有与培养罐同心的气体提升管，气体提升管内安装密封管式内光源，与放置于培养罐外的配气装置的气路相通的气体分配器位于气体提升管内密封管式内光源下方，培养罐外部设有外光源，所述的气体分布器或为具有单个或多个气体喷嘴的气体分布器，或为圆形或环形多孔气体分布板式气体分布器。
2.按权利要求1所述的气升封闭式光生物反应器，其特征在于所述的培养罐的高径比为5-15。
3.按权利要求1所述的气升封闭式光生物反应器，其特征在于培养罐与气体提升管的直径比为1.3-1.5。
4.按权利要求1所述的气升封闭式光生物反应器，其特征在于培养罐高度与气体提升管高度比为1.5-1.25。
5.按权利要求1所述的气升封闭式光生物反应器，其特征在于气体提升管底端距培养罐罐底的距离为气体提升管直径的1/2-1/6；气体分布器直径为培养罐直径的1/3-1/4。
6.按权利要求1所述的气升封闭式光生物反应器，其特征在于当气体提升管与培养罐环间作为提升区域时，气体提升管的上端为喇叭口形。
专利摘要本气升封闭式光生物反应器:其培养罐上端盖上安装有加料接种管、排气管及pH、溶氧探头,下端盖上安装有排料管及热交换器,培养罐内中下部装有与培养罐同心的气体提升管,提升管内安装密封管式内光源,提升管外设外光源,内光源下方放置的气体分配器与罐体外的配气装置气路相通,提升管与罐底间留有距离作为培养液循环流动的通道,该反应器照光面积大,液体混合好,气液传质强度高,剪切力低,适用于各种光合细胞的培养,可大幅度提高产量,缩短培养周期,降低成本。
文档编号C12M1/42GK2384948SQ99213569
公开日2000年6月28日 申请日期1999年6月11日 优先权日1999年6月11日
发明者康瑞娟, 喻国策, 邵葵, 施定基, 蔡昭铃 申请人:中国科学院化工冶金研究所