组合式光生物反应器系统的制作方法

1.本实用新型涉及生物工程领域的光生物反应器，特别是指一种组合式光生物反应器系统。


背景技术：

2.微藻是一类广泛分布在陆地和海洋中的低等单细胞植物。微藻通过光合作用提供能量，吸收二氧化碳，代谢产生油脂、蛋白质、多糖及多种有价值的次生代谢产物，同时释放出氧气。微藻光合效率显著高于陆生植物，同时具有很高的固碳效率和生长速率。微藻的种类非常丰富，生长环境差异较大，因此，其多样性的组成及基因对于不同的应用提供了丰富的筛选原料。此外，微藻作为单细胞植物，生长期短，结构较高等植物简单，适合进行生物工程改造，有利于大规模、集约化培养。目前微藻生产养殖已对食品、生物医药、水产、农业、能源等行业产生重大影响，但目前微藻养殖生产基本属于农田作业，靠天吃饭，生产方式落后，造成微藻养殖技术无法实现工业化生产有以下制约因素：一是主要依靠自然采光进行微藻光合作用。由于气候条件限制，阳光和气温变化较大，造成微藻光合作用效率很低，无法实现连续生产。二是缺乏对人工补光光谱的研究。微藻光合作用中对光谱波长有很强选择性，阳光光谱中400nm～500nm和600nm～630nm包括了大部分微藻对光波的吸收峰值，目前人工补光的光谱中虽然也大量采用蓝光和红光，但光谱设计中光谱范围太小，许多光谱的峰值波长和主波长基本重合，造成光谱的辐射通量较低，微藻光合作用中能量不足，人工补光作用不明显。三是目前微藻养殖生产大多采用跑道池和盘管式光生物反应器，占地面积过大，一座百吨级年生产能力的螺旋藻厂，微藻养殖用跑道池需100亩以上，一架两吨水体积盘管式光生物反应器占地面积20m2以上，售价10万以上，造成实现工业化生产所需成本过高，用地过大。由于微藻富含蛋白质和油脂，是替代大豆重要选择和生物能源的重要原料，急需实现工业化大规模生产，以降低成本满足市场需求，因此研制低成本大型微藻光生物反应器，实现全天侯、全年侯生产，是微藻工业化大批量生产的关键。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种占地面积小、成本投入低、光的辐射通量高的组合式光生物反应器系统，应用于微藻生产可有效降低微藻的生产成本，增加微藻培养产量。
4.本实用新型的整体技术构思是：
5.组合式光生物反应器系统，包括由透光材质制作的箱体、进气装置以及循环动力源，箱体上开设有进液口、排气口及出料口，箱体外侧设置有光源；系统中：
6.a、箱体呈柱状；
7.b、箱体外侧光源采用沿箱体横截面的长度方向设置、且相对分布的第一主光源、第二主光源，主光源照射光为连续光谱，峰值波长为430nm～460nm，主波长为470nm～495nm，光谱范围400nm～700nm；
8.c、循环泵通过管路分别与处于高位的箱体的进液口、处于低位的箱体的出料口连
通。
9.申请人需要说明的是，所述的柱形包括横截面为圆形、椭圆形、矩形、多边形、长圆形等，均不脱离本实用新型的实质。
10.本实用新型的具体技术构思还有：
11.为便于箱体制作且具有更好的光照效果，优选的技术方案是箱体的横截面呈长方形，第一主光源、第二主光源在箱体外侧沿长度方向相对设置。
12.为增加光照强度，进一步满足微藻在培养条件下对光照的需求，优选的技术实现手段是，所述的箱体中部或箱体外侧设有副光源，副光源照射光为连续光谱，峰值波长为600nm～630nm，主波长为560nm～590nm的连续光谱，光谱范围400nm～780nm；或采用峰值波长430nm～460nm，主波长470nm～ 495nm，光谱范围400nm～700nm的连续光谱。
13.为便于副光源的零部件组配及安装，同时便于光线的穿透及均布。优选的技术实现手段是，所述的副光源设置于箱体中部，副光源包括设置于透明管中的led灯，透明管顶端开设的进气口及排气口高于箱体内的藻液面，透明管顶端装有排气端朝向排气口的风扇。
14.副光源还可以采用如下布置方式，副光源沿箱体长度方向设置于箱体外侧，副光源采用功率为100w～850w的半导体cob高功率集成面光源，光源发光面直径为30mm～85mm，采用光学透镜或光杯聚光，光束角20
°
～60
°
，副光源采用重力热管散热，重力热管连通盒状蒸发腔，蒸发腔壁厚不少于8mm，半导体cob光源的发热端固定于盒状蒸发腔表面。
15.第一、第二主光源优选采用如下技术实现方式，第一主光源、第二主光源采用功率为100w～850w的半导体cob高功率集成面光源，光源发光面直径为30mm～85mm，采用光学透镜或光杯聚光，光束角20
°
～60
°
。
16.为便于第一、第二主光源的散热，优选的技术实现手段是，第一主光源5、第二主光源采用重力热管散热，重力热管连通盒状蒸发腔，蒸发腔壁厚不少于8mm，半导体cob光源的发热端固定于盒状蒸发腔表面。
17.为充分利用安装空间，减少占地面积，优选的技术实现手段是，箱体包括纵向分布的至少两个，相邻的箱体之间通过管路连通。
18.为便于箱体的制作，同时利于光源的照射及透光效果，优选的技术实现手段是，箱体的长
×
宽度
×
高＝1.0m～1.5m
×
0.3m～0.8m
×
0.5m～1.0m。
19.为满足光照强度以及辐照通量的需要，优选的技术实现手段是，箱体表面照度为5000lx～70000lx。
20.为减少或避免微藻在生长中附着与箱体内壁，优选的技术实现手段是，箱体顶部设置有朝向箱体内壁的喷淋装置。
21.为便于对藻液内部提供二氧化碳，同时便于实现对于藻液的扰动，更为优选的技术实现手段是，箱体外部设置有通过管路与其内部藻液连通的气泵。
22.为便于实现对于系统整体的自动控制，优选的结构设计是，还包括一显示控制装置，所述的箱体上设有在线ph、溶解氧和温度传感器，排气口内设有co2浓度传感器，与箱体出料口相连的管路中设置有吸光度传感器；在线ph、溶解氧和温度传感器，co2浓度传感器及吸光度传感器与显示控制装置连接。吸光度与细胞浓度存在数学关系可通过预实验确定，吸光度可以反映细胞浓度和培养液的透光率，用以确定led光源的光强补偿。
23.本实用新型所取得的技术进步在于：
24.1、本实用新型有效解决了现有光源中光的穿透力差，造成光合作用效率较低的问题，所以在光谱的设计上一是要求光波具有较强的水中穿透能力，二是又能够符合大部分微藻对光波吸收峰值的要求，将主光源光谱的峰值波长和主波长两束强能量光波段设计为既具有较强的水中穿透力又符合大部分微藻对光波吸收峰值的要求，把二者统一设计在一个连续光谱中，同时光谱范围较大，达到400nm～700nm(480nm
±
10具有水中最强穿透力)，够最大限度提高光辐射通量，促进微藻光合作用。
25.2、本实用新型采用长方体形箱体的设计，一是在放置稳定的同时便于叠置，有效节省了占地空间；二是在便于采用透光材料制作的同时更有利于光照，便于光合作用的进行。经实验，采用本实用新型中的组合式光生物反应器系统培养小球藻、扁藻、角毛藻、金藻等，同等情况下相比现有培养方式能够增产50％以上。
26.3、主光源采用半导体cob高功率集成面光源，采用光学透镜或光杯聚光，采用重力热管散热，光源可直接贴合安装在重力热管蒸发腔上，在实现高光效的小角度聚光照射，进一步增强光线在藻液中穿透力的同时，散热效率高。
27.4、显示控制装置的采用，在便于实现对微藻培养过程中技术指标进行监测的同时，利于实现自动控制以及光强补偿。气泵的结构设计，使箱体中的藻液在气泵扰动下容易起泡，喷淋装置的采用，能够有效避免或减少微藻在箱体内壁粘壁的问题。
附图说明
28.图1为本实用新型中的箱体与第一、第二主光源及主光源架的结构示意图。
29.图2为箱体与管路、循环泵、气泵的装配结构示意图。
30.图3为副光源结构示意图。
31.图4为第一主光源的结构示意图。
32.图5为第二主光源的结构示意图。
33.附图中的附图标记如下：
34.1、排气口；2、喷淋装置；3、进气口；4、主光源架；5、第一主光源； 6、第二主光源；7、第一副光源；8、第二副光源；9、支架；10、第一箱体； 11、第二箱体；12、第一横管；13、第三箱体；14、第四箱体；15、第一纵管；16、第二纵管；17、第二横管；18、第三纵管；19、第四纵管；20、循环泵；21、阀门；22、出水管；23、进水管；24、第二气泵；25、第一气泵； 26、第三气泵；27、第四气泵；28、显示控制装置；29、第一重力热管散热器；30、第一重力热管盒状蒸发腔；31、第一半导体cob光源；32、光学透镜；33、第二重力热管散热器；34、第二重力热管盒状蒸发腔；35、第二半导体cob光源；36、光杯；37、透明管；38、led灯；39、风扇。
具体实施方式
35.附图给出了本实用新型的实施例，以下结合附图对本实用新型的实施例做进一步描述，但不应理解为对本实用新型的限定，本实用新型的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书所做出的等效技术手段替换，均不脱离本实用新型的保护范围。
36.本实施例的整体技术构造如图示，组合式光生物反应器系统包括由透光材质制作的箱体、进气装置以及循环动力源，箱体上开设有进液口、排气口及出料口，箱体外侧设置
有光源；系统中：
37.a、箱体采用横截面为长方形的四棱柱结构；
38.b、箱体外侧光源采用沿箱体横截面长度方向设置、且相对分布的第一主光源5、第二主光源6，第一主光源5、第二主光源6设置于主光源架4上，主光源照射光为连续光谱，峰值波长为430nm～460nm，主波长为470nm～ 495nm，光谱范围400nm～700nm；
39.c、循环泵20通过管路分别与处于高位的箱体的进液口、处于低位的箱体的出料口连通。
40.组合式光生物反应器系统在微藻培养中的应用。
41.所述的箱体内壁设有副光源，副光源照射光为连续光谱，峰值波长为 600nm～630nm，主波长为560nm～590nm的连续光谱，光谱范围400nm～780nm。
42.所述的副光源设置于箱体中部，包括沿箱体中轴线间隔分布的第一副光源7、第二副光源8，第一副光源7、第二副光源8包括设置于透明管37中的led灯38，透明管37顶端开设的进气口3及排气口1高于箱体内的藻液面，透明管37顶端装有排气端朝向排气口1的风扇39。
43.第一主光源5、第二主光源6采用功率为100w～850w的半导体cob高功率集成面光源，光源发光面直径为30mm～85mm，第一主光源5采用光学透镜聚光，第二主光源6采用光杯聚光，光束角20
°
～60
°
。第一主光源5包括与第一重力热管盒状蒸发腔30装配的第一重力热管散热器29，第一半导体 cob光源31的热端与第一重力热管盒状蒸发腔30连接，光学透镜32设置于第一半导体cob光源31后方。第二主光源6包括与第二重力热管盒状蒸发腔 34装配的第二重力热管散热器33，第二半导体cob光源35的热端与第二重力热管盒状蒸发腔34连接，第二半导体cob光源35置于光杯36内。
44.第一主光源5、第二主光源6采用重力热管散热，重力热管连通盒状蒸发腔，蒸发腔壁厚不少于8mm，半导体cob光源的发热端固定与盒状蒸发腔表面。
45.箱体包括纵向分布且横向间隔放置的第一箱体10、第二箱体11、第三箱体13、第四箱体14，第一箱体10与第二箱体11之间通过第一横管12连通，相邻的箱体之间通过管路连通，第三箱体13、第四箱体14之间通过第二横管 17连通，第二箱体11与第四箱体14之间通过第一纵管15及电磁阀连通，第一箱体10与第三箱体13之间通过第二纵管16及电磁阀连通，第四箱体14 下部连通第三纵管18，第三箱体13下部连通第四纵管19，第三纵管18、第四纵管19的出口经电磁阀、阀门21分别连通出水管22、进水管23。
46.箱体的长
×
宽度
×
高＝1.0m～1.5m
×
0.3m～0.8m
×
0.5m～1.0m。
47.箱体表面照度为5000lx～70000lx。
48.箱体顶部设置有朝向箱体内壁的喷淋装置2。
49.箱体外部设置有通过管路与其内部藻液连通的气泵包括分别与第一箱体 10连接的第一气泵25，与第二箱体11连接的第二气泵24，与第三箱体13连接的第三气泵26，与第四箱体14连接的第四气泵27。
50.还包括一显示控制装置28，所述的箱体上设有在线ph、溶解氧和温度传感器，排气口内设有co2浓度传感器，与箱体出料口相连的管路中设置有吸光度传感器；在线ph、溶解氧和温度传感器，co2浓度传感器及吸光度传感器与显示控制装置28连接。吸光度与细胞浓度存在数学关系可通过预实验确定，吸光度可以反映细胞浓度和培养液的透光率，用以确
定led光源的光强补偿。
51.为验证本实用新型的效果，申请人采用本实施例中的组合式光生物反应器系统进行了如下试验：
52.一、试验时间：2021年4月～2021年12月；
53.二、试验内容：采用本实用新型中的组合式光生物反应器系统与现有大型跑道池进行对比，培养小球藻、扁藻、角毛藻、金藻；试验中以本实施例中1.5吨水组合式长方体光生物反应器系统为生产实验设备，依靠200w半导体特种连续光谱聚光灯具照明，促进螺旋藻光合作用，截至2021年12月，以单位养殖水体(吨)作为计量标准，7天为一个生产周期；
54.三、试验结果：1.5吨水组合式光生物反应器系统培养的小球藻、扁藻、角毛藻、金藻产量为14公斤，是跑道池最好产量记录的2倍，组合式光生物反应器系统年平均日产量是跑道池的10倍以上(由于受气候条件影响，跑道池正常生产时间较短)。