內循環柱式光反應器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種內循環柱式光反應器。內循環柱式光反應器包括透明筒體，所述透明筒體內設置有隔板，所述隔板將所述透明筒體的下部分隔成大小相等的兩個腔室；所述透明筒體的底端密封連接有底板，所述底板上位于所述隔板的兩側分別設置有一個液體循環孔；所述底板的下部設置有三通管，兩個所述腔室通過所述三通管相連通；所述三通管與液體進出通道相連；所述三通管靠近所述底板的其中一個支管上設置有通氣組件；所述透明筒體的頂端連接有頂蓋，所述頂蓋上設置有出氣組件。本裝置能提高二氧化碳供應，及時去除培養液中的分子氧；同時，降低培養過程的能耗，提高反應器中的氣體分布均勻度，保證藻細胞充分攪動，以及降低反應器的運行成本。
【專利說明】
內循環柱式光反應器
技術領域
[0001 ]本發明涉及微藻培養相關技術設備領域，具體的說，是涉及一種內循環柱式光反 應器。
【背景技術】
[0002] 微藻可以利用光能和C02合成蛋白質、脂肪和碳水化合物等有機組分，在地球的碳 素循環和能量循環中發揮重要作用。某些種類的微藻富含多不飽和脂肪酸、活性多糖和天 然色素等高值生物活性物質，因此成為食品、飼料、燃料和醫藥等領域的重要材料來源。
[0003] 目前，在全球范圍內，微藻生物技術已經迅速形成了一條規模巨大的完整產業鏈， 其中的規模培養是重要環節。為承載微藻的生長，研究者發明了跑道式培養池、圓池、管道 式光生物反應器、平板式光反應器等多種開放或密閉的反應器。不同反應器在比表面積、容 積比、物料交換速率、密閉程度、制造成本等方面區別明顯，從而對微藻培養過程中對光能、 二氧化碳和其他營養的利用速率，單位占地面積的微藻培養體積，以及是否易于產生污染 等多方面產生影響。管道光反應器具有比表面積大、容積比大、不易污染、物料交換效率高、 易于工藝放大等優點，培養微藻的生物質產率更高，有效生物成分的積累也更容易控制，因 而廣泛用于微藻的工業化培養。
[0004] 由于大多數微藻屬于光合自養生物，適宜的光照、碳供應和其他營養元素是其生 長的關鍵因素。傳統的水平式和螺管式管道光反應器系統中，在光和營養物質供給方面存 在一些弊端。一方面，水平式和螺管式管道光反應器系統中通常采用儲液罐集中通氣的方 式供碳，但是這一方式下的反應器中藻細胞的二氧化碳和氧氣的交換速率往往受到管道長 度的限制，過長的管道可能導致微藻生長出現二氧化碳供應不足和氧過量富集的氧化脅 迫;另一方面，為擴大規模通常會提高管道半徑，而這一操作會大大降低反應器中的光透過 性，導致微藻生長過程中出現光限制。
[0005] 此外，為提高物料交換速率和保持藻細胞的均勻懸浮，通常采用栗送的方式實現 培養液進出和在管道內的流動，培養液栗送量大、能耗高，且水栗的機械剪切易對藻細胞產 生損傷。與之相比，柱式反應器中采用氣升式曝氣裝置，上升的氣泡流一方面使培養液能夠 混合良好并使藻細胞保持良好懸浮，另一方面強化了氣泡中二氧化碳向培養液中的溶解傳 遞以及培養液中藻細胞光合生長產生的氧氣向氣泡的傳遞，從而實現了補碳排氧;但是這 種立柱式管道反應器在實際應用于微藻規模培養時仍然存在一些問題，比如：
[0006] 1、傳統的立柱式反應器均使用從頂端插入一根通氣管及(或)曝氣元件來曝氣，藻 細胞容易粘附在這些部件之上導致難于清洗；
[0007] 2、傳統的柱式反應器需要通入較大流量的混合氣體使藻液混合均勻。這個既導致 氣體的浪費，也使得藻細胞所受剪切力過大，導致藻細胞容易破碎和貼壁。此外，這也使得 供氣裝置需要更高的供氣參數(或更多供氣設備）以滿足大批量柱式反應器生產所需。
[0008] 綜上所述，有必要設計一種新的裝置，來解決上述問題。

【發明內容】

[0009] 本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種內循環柱式光反應器。本 裝置能減少二氧化碳供應，及時去除培養液中的分子氧；同時，降低培養過程的能耗，提高 反應器中的氣體分布均勻度，保證藻細胞充分攪動，以及降低反應器的運行成本。
[0010] 為了達成上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0011] 內循環柱式光反應器，包括兩端開口的圓柱形透明筒體，所述透明筒體內沿軸向 設置有隔板，所述隔板的底端面與所述透明筒體的底端面相平齊，所述隔板的頂端面低于 所述透明筒體的頂端面，所述隔板將所述透明筒體的下部分隔成大小相等的兩個腔室；
[0012] 所述透明筒體的底端密封連接有底板，所述隔板的底端亦與所述底板連接，所述 底板上位于所述隔板的兩側分別設置有一個液體循環孔;所述底板的下部設置有三通管， 所述三通管靠近所述底板的兩個支管分別對應連接所述底板上的兩個液體循環孔，兩個所 述腔室通過所述三通管相連通;所述三通管遠離所述底板的支管與液體進出通道相連;所 述三通管靠近所述底板的其中一個支管上設置有通氣組件；
[0013]所述透明筒體的頂端可拆卸連接有頂蓋，所述頂蓋上設置有出氣組件。
[0014] 優選的，所述通氣組件包括設置于所述三通管的相應支管內的氣泡石，所述氣泡 石連接有通氣管，所述通氣管上設置有通氣止水元件。其中，氣泡石可以采用微型塑料氣泡 石。
[0015] 優選的，所述通氣止水元件為單向閥或防水透氣膜，當然也可以采用其他部件實 現其功能。
[0016] 優選的，所述氣泡石設置于所述三通管的相應支管內靠近所述底板的位置。
[0017]優選的，所述出氣組件包括設置于所述頂蓋上的出氣孔，所述出氣孔連接有倒"U" 形出氣管。
[0018] 作為另一種優選方案，所述出氣組件可以包括設置于所述頂蓋上的出氣孔，所述 出氣孔連接有出氣支管，所述出氣支管連接有出氣軟管。
[0019] 優選的，所述底板與所述透明筒體為焊接、粘接或通過密封圈密閉連接。
[0020] 優選的，所述透明筒體的頂端外周面設置有外螺紋，所述頂蓋的周緣底部延伸設 置有連接套，所述連接套的內周面設置有與所述外螺紋適配的內螺紋，所述頂蓋與所述透 明筒體通過螺紋緊密連接。
[0021] 優選的，所述隔板為透明板，所述隔板的高度比所述透明筒體的高度低10~15cm。
[0022] 優選的，所述三通管為透明或半透明管，所述三通管的形狀為"U"形或?'形。
[0023] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0024] (1)透明筒體中間有隔板，在上升氣流的帶動下，極容易實現培養液在筒體中的內 循環;藻細胞被上升氣流和循環液流攪拌與混合，大大提高了二氧化碳的吸收和傳質效率。 [0025] (2)可以大大的降低通氣的氣量和C〇2的含量，細胞所受剪切力變小，且上升氣泡 在筒體上端破滅減少，減少了藻細胞在反應器上端的粘壁。
[0026] (3)頂蓋的特殊設計既降低了筒體中的培養液外來污染的概率，同時有利于通入 氣體的無阻礙排出，從而使培養液中藻細胞光合作用產生的分子氧氣體逸出，避免藻細胞 遭受氧脅迫的抑制。
[0027] (4)本發明提供的反應器構造簡單，易于安裝和拆卸。
[0028] (5)本發明的反應器單元可以單獨進行藻類培養用于科研或生產需要，也可以通 過提高反應器單元的數目擴大規模用于藻類的大量培養，規模放大簡單易行。
【附圖說明】
[0029] 以下附圖僅旨在于對本發明做示意性說明和解釋，并不限定本發明的范圍。其中： [0030]圖1是本發明實施例的結構示意圖；
[0031] 圖2是本發明中三通管的結構示意圖；
[0032] 圖3是本發明中頂蓋的結構示意圖；
[0033] 圖4是本發明中透明筒體的結構示意圖；
[0034] 圖5是本發明中底板的結構示意圖。
[0035]其中：I-頂蓋；11-連接套；2-透明筒體;3-隔板;4-底板;41-液體循環孔;5-二通 管;51-第一支管;52-第二支管;6-通氣組件;61-氣泡石;62-通氣管;63-空氣逆止閥；7-出 氣組件;71 -出氣孔;72-倒"U"形出氣管;8-閘閥;9-液體進出通道。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合附圖和實施例，進一步闡述本發明。在下面的詳細描述中，只通過說明的 方式描述了本發明的某些示范性實施例。毋庸置疑，本領域的普通技術人員可以認識到，在 不偏離本發明的精神和范圍的情況下，可以用各種不同的方式對所描述的實施例進行修 正。因此，附圖和描述在本質上是說明性的，而不是用于限制權利要求的保護范圍。
[0037] 如圖1至圖5所示，內循環柱式光反應器，包括兩端開口的圓柱形透明筒體2,所述 透明筒體2內沿軸向設置有隔板3,所述隔板3的底端面與所述透明筒體2的底端面相平齊， 所述隔板3的頂端面低于所述透明筒體2的頂端面，所述隔板3將所述透明筒體2的下部分隔 成大小相等的兩個腔室;本實施例中，透明筒體2采用外徑15cm、壁厚0.5cm、長度為150cm的 有機玻璃筒，中間的隔板3長140cm，寬14cm，厚0 · 4cm;
[0038] 所述透明筒體2的底端密封粘接有底板4,所述隔板3的底端亦與所述底板4粘接， 所述底板4上位于所述隔板3的兩側分別設置有一個直徑為5cm的液體循環孔41;所述底板4 的下部設置有"Y"形三通管5,所述三通管5靠近所述底板4的兩個第一支管51(支管外徑 5cm)分別對應連接所述底板上的兩個液體循環孔41，兩個所述腔室通過所述三通管5相連 通;所述三通管5遠離所述底板4的第二支管52與閘閥8相接后與液體進出通道9相連;所述 三通管5靠近所述底板4的其中一個第一支管51上設置有通氣組件6;所述通氣組件6包括設 置于所述三通管的相應支管41內的氣泡石61，所述氣泡石61連接有通氣管62,所述通氣管 62上設置有空氣逆止閥63(單向閥），空氣逆止閥63也可以采用防水透氣膜代替實現其防水 透氣功能；其中，氣泡石61可以采用微型塑料氣泡石，當然也可以采用樹脂氣泡石、碳化硅 氣泡石等；所述氣泡石最好設置于所述三通管5的相應第一支管51內靠近所述底板4的位 置，以提高通氣效果。
[0039] 所述透明筒體2的頂端可拆卸連接有頂蓋1，所述頂蓋1上設置有出氣組件7;本實 施例中，透明筒體2的頂端外周面設置有外螺紋，所述頂蓋1的周緣底部延伸設置有連接套 11，頂蓋1用聚丙烯材料澆注，所述連接套11的內周面設置有與所述外螺紋適配的內螺紋， 所述頂蓋1與所述透明筒體2通過螺紋緊密連接。
[0040] 本實施例中，所述出氣組件7包括設置于所述頂蓋1上的0.4cm的出氣孔71，所述出 氣孔71通過粘連的方式連接有兩臂不等長的倒"U"形出氣管72,需要說明的是，頂蓋1中央 也可以直接設置豎直出氣支管，出氣支管上可連接出氣軟管。
[0041] 使用時，將培養液和藻細胞經進液體進出通道9栗入光反應器或通過透明筒體上 端加入光反應器中，通過外部供氣系統將空氣經通氣組件進入光反應器，帶動藻細胞在光 反應器中均勻懸浮。
[0042] 在5個獨立的內循環柱式光反應器中，接種21L蛋白核小球藻(初始細胞密度O.lg/ L)，通入含0.4%二氧化碳的空氣，通氣量根據藻液的pH值進行反饋調控，使藻液pH維持在 7-8之間，在雙面200yE/mol/s的光照條件下培養6天，平均的藻細胞密度達到2.5g/L，平均 的體積生物質產率為〇.4g/L/day。在培養中定時記錄藻液溶氧變化、通氣含量4-6次。結果 如下表所示：
[0043] ?〇〇44]~由上表數據可知|，在整個培養過程中
，藻液中溶氧^量表現了某種程度的穩定，說1明該反應器對溶氧較好的排除特性;而根據pH反饋調節的通氣流量也很低，大概在0.025- 0.04vvm之間，這充分表明該柱式反應器氣體混合效果好、對C02溶解效果好。
[0045]以上所述僅為本發明示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本發明的范圍。任何 本領域的技術人員，在不脫離本發明的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均 應屬于本發明保護的范圍。
【主權項】
1. 內循環柱式光反應器，其特征在于:包括兩端開口的圓柱形透明筒體，所述透明筒體 內沿軸向設置有隔板，所述隔板的底端面與所述透明筒體的底端面相平齊，所述隔板的頂 端面低于所述透明筒體的頂端面，所述隔板將所述透明筒體的下部分隔成大小相等的兩個 腔室； 所述透明筒體的底端密封連接有底板，所述隔板的底端亦與所述底板連接，所述底板 上位于所述隔板的兩側分別設置有一個液體循環孔;所述底板的下部設置有三通管，所述 三通管靠近所述底板的兩個支管分別對應連接所述底板上的兩個液體循環孔，兩個所述腔 室通過所述三通管相連通;所述三通管遠離所述底板的支管與液體進出通道相連;所述三 通管靠近所述底板的其中一個支管上設置有通氣組件； 所述透明筒體的頂端可拆卸連接有頂蓋，所述頂蓋上設置有出氣組件。2. 根據權利要求1所述的內循環柱式光反應器，其特征在于:所述通氣組件包括設置于 所述三通管的相應支管內的氣泡石，所述氣泡石連接有通氣管，所述通氣管上設置有通氣 止水元件。3. 根據權利要求2所述的內循環柱式光反應器，其特征在于:所述通氣止水元件為單向 閥或防水透氣膜。4. 根據權利要求2所述的內循環柱式光反應器，其特征在于:所述氣泡石設置于所述三 通管的相應支管內靠近所述底板的位置。5. 根據權利要求1所述的內循環柱式光反應器，其特征在于:所述出氣組件包括設置于 所述頂蓋上的出氣孔，所述出氣孔連接有倒"U"形出氣管。6. 根據權利要求1所述的內循環柱式光反應器，其特征在于:所述出氣組件包括設置于 所述頂蓋上的出氣孔，所述出氣孔連接有出氣支管，所述出氣支管連接有出氣軟管。7. 根據權利要求1所述的內循環柱式光反應器，其特征在于:所述底板與所述透明筒體 為焊接、粘接或通過密封圈密閉連接。8. 根據權利要求1所述的內循環柱式光反應器，其特征在于:所述透明筒體的頂端外周 面設置有外螺紋，所述頂蓋的周緣底部延伸設置有連接套，所述連接套的內周面設置有與 所述外螺紋適配的內螺紋，所述頂蓋與所述透明筒體通過螺紋緊密連接。9. 根據權利要求1所述的內循環柱式光反應器，其特征在于:所述隔板為透明板，所述 隔板的高度比所述透明筒體的高度低10~15cm。10. 根據權利要求1所述的內循環柱式光反應器，其特征在于:所述三通管為透明或半 透明管，所述三通管的形狀為"U"形或?'形。
【文檔編號】C12M1/00GK105838584SQ201610308630
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】彭小偉
【申請人】彭小偉