一种正位移输送管式光生物反应器的制作方法与工艺

本发明涉及一种用于微藻人工培养的光生物反应器，特别是涉及正位移输送的管式光生物反应器，属于微藻生物技术领域。

背景技术：
微藻是光合效率最高的原始植物，比农作物的单位面积产率高出数十倍，是自然界生长最快的植物。藻类尤其是单细胞微藻能有效利用光能、二氧化碳和无机盐类合成蛋白质、油脂、碳水化合物、以及多种高附加值生物活性物质。但自然界直接获取的微藻并不能用于高附加值产品的提取，仍需要人工大规模培养获取生产原料。微藻的高密度培养是实现微藻资源综合开发利用的关键，而构建适合于微藻生长的光生物反应器则是实现微藻高密度培养的重要课题。光生物反应器一般指用于培养光合微小生物及具有光合能力的植物组织、细胞的设施或装置，通常具有光、温度、pH值、营养盐、气体交换等培养条件的调节控制系统，能进行半连续或连续培养并具有较高的光能利用率，因而能获得较高的生物密度和单位面(体)积产量。目前，光生物反应器主要有开放式光生物反应器和封闭式光生物反应器两大类，开放式光生物反应器的结构相对容易、制造价格低、易于实现，但开放式装置有非常多的不足，它只能用于少数抗逆性强的藻种的培养，而且同时存在容易染杂菌、难以控制培养参数、水的蒸发量大、培养条件不稳定等诸多问题，因而不少学者认为开放式光生物反应器已没有继续提升的空间，从而将发展目光转向了封闭式光生物反应器。与开放式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器生产期更长，各种参数控制精度更高，藻液浓度更高。目前封闭式反应器已有管式、板式、气升式、柱式等多种类型。与其他类型光生物反应器相比，管式光生物反应器具有光照比表面积大、培养参数易于监测以及能够连续化生产等优势，成为得到大规模应用的光生物反应器类型。但是管式光生物反应器也存在着混合传质效果较差、沿管长方向溶氧容易积累和微藻容易附生在反应器内壁等主要问题，影响了其应用效果，特别是由于管式光生物反应器一般直径较小，清洗困难，附壁现象会严重影响管式光生物反应器的生产效率和微藻生长密度的提高。针对以上问题，中国实用新型专利ZL201520040553.X提出一种智能调光自清洁管式光合生物反应系统，利用流体流动带动光合反应器内组合转子转动，微藻跟随转子内外翻滚，产生扰流作用，增加混合微藻培养液在反应器内的径向二次流，有利于养分传质分散，强化换热。单元组合转子对微藻培养密度有明显促进作用，但是在该系统中必须采用泵来实现藻液的循环，若选择离心泵、轴流泵等都会对微藻细胞产生剪切伤害，选择蠕动泵不会有剪切力，但是流量过小，不能应用于微藻规模化培养。因而泵的选择严重制约着智能调光自清洁管式光合生物反应系统的性能。

技术实现要素：
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种正位移输送管式光生物反应器，由正位移传动系统、光合反应系统和支撑附件三部分组成，正位移传动系统由齿轮、传动轴、电机、密封塞、链条、入口锥和上水管组成，采用电机带动齿轮转动，通过链条传动，使密封塞在上水管内将藻液分段密封运送进入光合反应系统，为藻液循环提供动力来源；光合反应系统包括光合反应管段、分水槽、水槽、连接管、出水管等，光合反应管段内安转单元组合转子，为微藻光合反应提供反应场所；支撑附件包括电机架、齿轮支撑板和支撑架等，将整个系统支撑固定。电机通过传动轴带动主动齿轮转动，在链条的带动下，从动齿轮围绕齿轮转轴转动，链条由内链板和外链板通过销钉穿过销钉孔进行固定安装，链条上均匀安装有密封塞，密封塞主体与链条之间通过楔块进行固定；密封圈可直接套在密封塞主体上，也可将密封塞主体加工为中间带槽的形状，避免密封圈沿链条轴向滑动，当使用一段时间密封圈被磨损导致密封不严时，可拆下安装新的密封圈。随链条的运动，密封塞通过入口锥进入上水管，并在上水管内自下而上运动，密封塞主体外圈的密封圈与上水管管壁紧密配合，且上水管内涂有聚四氟乙烯涂层来减少磨损，密封塞下部管段体积增大压力降低，水槽中的藻液跟随密封塞运动而进入上水管，到达一定高度后通过出水管进入光合反应系统。链条上均匀安装密封塞的间距应小于上水管长度，保证随密封塞向上运动其上下空间内产生足够的压差，将藻液吸入上水管，实现藻液的正位移输送，在整个系统中循环流动。藻液进入光合反应系统后，首先通过出水管进入分水槽，分水槽可根据流速、流量及生产规模等的需要与多根光合反应管段相连接，分水槽与光合反应管段由连接管连接，连接方式可采用螺纹连接或法兰连接等方式。光合反应管段内装有单元组合转子，包括限位件、挂件、转子和转轴，藻液流动带动转子转动，从而产生扰流，使营养成分、二氧化碳、微藻细胞等都更加均匀分布。藻液经过光合反应管段后充分进行光合作用，流回水槽，其中水槽内藻液高度应高于入口锥入口端所在平面。支撑附件为整个装置提供支撑作用。电机架用于放置电机，使电机输出端与主动齿轮中心在同一水平高度，通过传动轴连接。支撑架、左横梁与右横梁组成光合反应系统的支撑部分，分水槽搭在支撑架上，右横梁开有半圆孔，用于光合反应管段的固定。主动齿轮连接的传动轴和从动齿轮连接的齿轮转轴都连接在齿轮支撑板上，齿轮支撑板与左横梁焊接在一起，将齿轮位置固定。该光生物反应器的光照采用外部光照，可根据需要将水槽密闭起来，形成封闭式培养环境，向水槽内通二氧化碳，加取样口等。本发明一种正位移输送管式光生物反应器，其优点和作用为：(1)电机带动下的齿轮传动实现了密封塞在上水管内对藻液的正位移输送，使藻液在光合反应系统内循环流动，正位移输送方式流量大，藻液流动能够带动单元组合转子转动，本发明避免了微藻细胞受泵的剪切力伤害，利于实现微藻的高密度培养；(2)分水槽所连接的光合反应管段数目可根据流量、流速及培养规模调整，结构灵活，适应性强；(3)动态循环的培养模式大大提高了微藻的生长速率，利于实现微藻的规模化培养。附图说明图1是本发明一种正位移输送管式光生物反应器的结构图。图2是图1的俯视图。图3是图1的右视图。图4是链条与密封塞配合处结构图。图5是图4的左视图。图6是图4的俯视图。图7是槽内链条与密封塞配合处结构图。图8是光合反应管段结构图。图中：1-从动齿轮，2-齿轮转轴，3-入口锥，4-左横梁，5-齿轮支撑板，6-上水管，7-电机架，8-电机，9-密封塞，10-链条，11-主动齿轮，12-传动轴，13-出水管，14-分水槽，15-连接管，16-支撑架，17-右横梁，18-光合反应管段，19-水槽，20-内链板，21-销钉孔，22-外链板，23-销钉，24-密封塞主体，25-密封圈，26-楔块，27-限位件，28-挂件，29-转子，30-转轴。具体实施方式如图1、图2、图3所示，本发明一种正位移输送管式光生物反应器，由正位移传动系统、光合反应系统和支撑附件三部分组成，正位移传动系统由齿轮、传动轴12、电机8、密封塞9、链条10、入口锥3和上水管6组成，采用电机8带动齿轮转动，通过链条10传动，使密封塞9在上水管6内将藻液分段密封运送进入光合反应系统，为藻液循环提供动力来源；光合反应系统包括光合反应管段18、分水槽14、水槽19、连接管15和出水管13等，光合反应管段18内安转单元组合转子，为微藻光合反应提供反应场所；支撑附件包括电机架7、齿轮支撑板5和支撑架16等，将整个系统支撑固定。如图4-图7所示，电机8通过传动轴12带动主动齿轮11转动，在链条10的带动下，从动齿轮1围绕齿轮转轴2转动，链条10由内链板20和外链板22通过销钉23穿过销钉孔21进行固定安装，链条10上均匀安装有密封塞9，密封塞主体24与链条10之间通过楔块26进行固；密封圈25可直接套在密封塞主体24上，也可将密封塞主体24加工为中间带槽的形状，避免密封圈25沿链条10轴向滑动，当使用一段时间密封圈25被磨损导致密封不严时，可拆下安装新的密封圈25。随链条10的运动，密封塞9通过入口锥3进入上水管6，并在上水管6内自下而上运动，密封塞主体24外圈的密封圈25与上水管6管壁紧密配合，且上水管6内涂有聚四氟乙烯涂层来减少磨损，密封塞9下部管段体积增大压力降低，水槽19中的藻液跟随密封塞9运动而进入上水管6，到达一定高度后通过出水管13进入光合反应系统。链条10上均匀安装密封塞9的间距应小于上水管6长度，保证随密封塞9向上运动，其上下空间内产生足够的压差，实现藻液的正位移输送，在整个系统中循环流动。如图8所示，藻液进入光合反应系统后，首先通过出水管13进入分水槽14，分水槽14可根据流速、流量及生产规模等的需要与多根光合反应管段18相连接，分水槽14与光合反应管段18由连接管15连接，连接方式可采用螺纹连接或法兰连接等方式。光合反应管段18内装有单元组合转子，包括限位件27、挂件28、转子29和转轴30，藻液流动带动转子29转动，从而产生扰流，使营养成分、二氧化碳、微藻细胞等都更加均匀分布。藻液经过光合反应管段18后充分进行光合作用，流回水槽19，其中水槽19内藻液高度应高于入口锥3入口端所在平面。支撑附件为整个装置提供支撑作用。电机架7用于放置电机8，使电机8输出端与主动齿轮11中心在同一水平高度，通过传动轴12连接。支撑架16、左横梁4与右横梁17组成光合反应系统的支撑部分，分水槽14搭在支撑架16上，右横梁17开有半圆孔，用于光合反应管段18的固定。主动齿轮11连接的传动轴12和从动齿轮1连接的齿轮转轴2都连接在齿轮支撑板5上，齿轮支撑板5与左横梁4焊接在一起，将齿轮位置固定。该光生物反应器的光照采用外部光照，可根据需要将水槽19密闭起来，形成封闭式培养环境，向水槽19内通二氧化碳，加取样口等。