專利名稱：氣升式光生物反應器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于光源集成的封閉式光生物反應器，特別涉及一種用于藻類及其它光合生物細胞懸浮培養的氣升式光生物反應器。
背景技術：
目前，封閉式光生物反應器尚處于研究開發階段，種類和形式多種多樣，但還沒有定型的商業產品。實驗研究階段的封閉式光生物反應器主要有管道式和板箱式兩種。管道式光生物反應器一般采用直徑較小的透明硬質材料彎曲成不同形狀并連接起來形成，有水平放置蛇型管道式反應器、雙層排列管道式反應器、多支路并行流管道式反應器、α型管道式反應器、螺旋盤繞管道式反應器等。
板箱式光生物反應器主要有水平放置的板式光生物反應器、垂直嵌槽板式光生物反應器、多層平行排列板式光生物反應器、傾斜鼓泡板式光生物反應器等。其共同特點是把數個薄板式光生物反應器單元連接在一起，達到一定的培養規模。為了提高受光表面積，板式光生物反應器板面趨向于空間放置。
管道式和板箱式光生物反應器中，培養液的循環采用泵驅動或氣升兩種方式。由于氣升式循環對細胞的剪切作用較小，動力消耗也不大，在提供藻液流動動力的同時，還有助于氣體交換，因此大多數選用氣升式循環混合方式。
在現有的光生物反應器中，管道式反應器由于采用較小的管徑(25～50mm)而具有較大的面積體積比值，光照面積大，可獲得較高的面積產率。但管徑的減小限制了總體積的增加。同時，在又小又長的管道中維持良好的混合極其困難，造成反應器效率降低。此外，管道式光生物反應器中光合作用產生的氧的積累問題較為嚴重。在微藻培養過程中，大多數管道式反應器的溶氧水平超過200％，對細胞生長產生抑制。板箱式反應器結構雖然簡單，但放大過程中將許多操作單元連接起來卻相當復雜。而且板箱式光生物反應器要求的光路長度太短。這些都限制了它的放大潛力。
中國專利ZL99213569.9號專利報道的氣升式光生物反應器能夠較好地滿足光合生物的生長要求，大幅度提高光合細胞的產率，縮短培養周期。同時具有結構簡單、加工費用低、總耗能低、操作方便的特點，可對培養基進行徹底的蒸汽滅菌；由于采用氣升式混合方式，形成的剪切力很低，適合于較低剪切力耐受性的細胞的生長，同時又可獲得良好的物料混合、較高的氣液傳質強度，減少了光合作用產生的氧對細胞的傷害。該實用新型采用內外光源結合從而提高了照光面積與體積的比值，使光合效率得到提高。已成功用于魚腥藻7120、聚球藻7002的高密度培養。但專利ZL99213569.9公開的氣升式光生物反應器在結構上還存在一些缺陷。

發明內容
本實用新型的目的是針對ZL99213569.9號專利公開的氣升式光生物反應器在結構上存在的問題，提供一種改進的氣升式光生物反應器，以解決氣體提升管的固定、安裝時使氣體提升管與罐體保持同軸、內光源管的密封、氣體分布器下方消除死角、外光源的安裝和更換方便等問題。
本實用新型的氣升式光生物反應器，主要包括帶有pH、溶氧探頭7、加料接種口9、排氣口10、排料口12的培養罐體1、以及罐體1中的氣體提升管2、氣體分布器5、熱交換裝置、內光源密封管11和內光源3、外光源4；其特征是所述的氣體分布器5為圓形多孔氣體分布板式氣體分布器，氣體分布器的下端為錐面或球面。
所述的罐體1的下法蘭上固定有三個氣體提升管支柱13，所述的三個氣體提升管支柱的夾角為120度，每個支柱設計成椅子形狀，椅座設計成一個半圓形平臺，以使放置在上面的氣體提升管定位。平臺上設有聚四氟乙烯(或其它具有緩沖作用的材料)墊19，可以起緩沖和保護玻璃氣體提升管的作用。在支柱立面(椅背)的上部裝有帶有聚四氟乙烯端頭的不銹鋼頂絲18，起徑向緊固并定位玻璃氣體提升管的作用。當氣體提升管采用不銹鋼材質時，可以去掉聚四氟乙烯墊和頂絲前端的聚四氟乙烯端頭。詳見附圖2。
所述的內光源密封管11的上端有一段凸起或者兩個凸環20，在凸起或者兩個凸環的外側分別套有O形橡膠圈21，所述的兩個凸環20中下側凸環的O形橡膠圈落在帶外螺紋且焊接在反應器的上法蘭23上的內光源插口管16的內壁的斜臺上；一帶內螺紋的壓帽22與內光源插口管的外螺紋配合，壓帽內的斜臺壓在上側凸環的O形橡膠圈上。詳見附圖3。
所述的反應器罐體1的外面有一圈外光源4，在外光源4的外面有一圈燈罩6，其是由金屬門軸或合頁27固定在反應器兩側的立柱30上。
所述的熱交換裝置為安裝在反應器的下法蘭上的一個加熱棒17和一個冷卻棒8。
本實用新型的氣升式光生物反應器的結構設計是基于以下幾點1)專利ZL99213569.9中氣體提升管需要用支點固定于反應器底部，不能夠方便地拆卸。考慮到氣體提升管可以采用硅硼玻璃或者不銹鋼材質，而氣體提升管的外徑有加工誤差，尤其是采用硅硼玻璃時其外徑的誤差更大，所以，如果簡單地采用三個上半部銑去一半形成半圓形平臺并焊在反應器下法蘭上的不銹鋼圓柱(三個半圓形平臺朝向下法蘭的圓心)為支撐腿，并將氣體提升管直接座在支撐腿的平臺上，由于三個半圓形平臺圍成的圓的直徑必須留出余量，將導致氣體提升管沒有真正固定，蒸汽滅菌和通氣培養時會在強的湍流沖擊下發生傾斜和晃動，并且會偏離反應器的軸線。本實用新型設計了一種新的支撐腿，其特征是沿與罐體1同軸的氣體提升管2的外徑均勻設三個圓柱形不銹鋼氣體提升管支柱13并焊接在反應器下法蘭上，三個支柱夾角120度，每個支柱設計成椅子形狀，椅座設計成一個半圓形平臺，用于放置氣體提升管2。平臺上設有聚四氟乙烯(或其它具有緩沖作用的材料)墊19，可以起緩沖和保護玻璃氣體提升管的作用。在支柱立面的上部裝有帶有聚四氟乙烯端頭的不銹鋼頂絲18，起徑向緊固并定位玻璃氣體提升管的作用。當氣體提升管采用不銹鋼材質時，可以去掉聚四氟乙烯墊和頂絲前端的聚四氟乙烯端頭。詳見附圖2。
2)專利ZL99213569.9中要求由硅硼玻璃制作的內光源密封管11與反應器上法蘭23之間要密封連接，但是沒有披露如何密封連接。由于內光源密封管11是細長的圓柱形，不僅要保證密封、垂直、拆卸方便和安全，還應該在氣、液流的沖擊下穩固、不晃動。反應器上法蘭為不銹鋼材質，玻璃管與不銹鋼如果直接接觸，會使玻璃產生局部應力而破碎，如果只有一個密封圈，這樣難以保證內光源密封管的垂直和不與不銹鋼接觸。本實用新型改進了內光源密封管11的設計以及固定、安裝和密封方法，其特征是在內光源密封管11的上端(開口端)設置一段凸起或者兩個凸環20，一段凸起或者兩個凸環的外側分別套有O形橡膠圈(硅橡膠或者氟橡膠)21，下側的O形橡膠圈落在帶外螺紋且焊接在反應器的上法蘭上的內光源插口管16內壁的斜臺上，用帶內螺紋的壓帽22從上方旋下，壓帽內的斜臺壓在上側的O形橡膠圈上，這樣將內光源管緊固、定位并與上法蘭之間密封，而且玻璃管與不銹鋼沒有接觸。兩個O形橡膠圈的距離為內光源管外徑的0.2～5倍范圍內可以滿足要求。詳見附圖3。
3)專利ZL99213569.9中的氣體分布器5可為具有單個或多個氣體噴嘴的氣體分布器，也可為圓形或環形多孔氣體分布板式氣體分布器。實驗表明，采用圓形多孔氣體分布板24比單個或多個氣體噴嘴更有利于氣體分散，比環形多孔氣體分布板便于加工和安裝。本實用新型改進了圓形多孔氣體分布板式氣體分布器的設計，使之更有利于消除氣體分布器下方的死角。本設計在圓形多孔氣體分布板式氣體分布器與進氣管之間增加了錐面或球面過渡段，結果使液體循環更順暢。詳見附圖4。
4)將插在燈腳26中的外光源4集成在環繞反應器罐體1的燈罩6內，燈罩為與罐體同軸并略大于罐體的可開閉圓筒形。燈罩均勻分為四瓣，由金屬門軸或合頁27固定在兩側的立柱30上，可自由開合，燈管豎立安裝在燈罩內，方便反應器操作和燈管的更換。燈罩閉合后接合處用鎖扣29相連，鎖扣安裝在燈罩的上、下端面或者立面，使燈罩形成一個圓筒形整體，不僅為反應器提供了均勻的光照，還可以兼作反應器滅菌時的安全圍擋。燈罩的上沿內側設置防水沿25，以免燈線接頭被水濺濕引起短路。燈罩柱形立面的兩端各開一圈通風孔，使空氣自然對流從而為燈罩內的燈管散熱。燈罩做防銹處理。立柱30截面是方形或圓形(空心)，連接內光源3和外光源4的線路從兩側立柱內部引出。
為了使圓筒形燈罩穩固，在燈罩的背面增加一根立柱30，在3根立柱的上端預留一個螺母，將圖5所示的環形連桿28的三個孔分別對應穿入并用螺母緊固。詳見附圖5。
5)本實用新型對專利ZL99213569.9的熱交換裝置做了改進，將溫度控制單元分為兩個一個加熱棒17和一個冷卻棒8，都安裝在反應器的下法蘭上，通過背螺母緊固，用硅橡膠或氟橡膠圈或墊密封。熱交換裝置的示意圖見附圖6。
本實用新型的反應器的上、下法蘭與玻璃罐體之間用擴口法蘭14通過螺栓與螺母15連接，用硅橡膠墊密封。
本實用新型在專利ZL99213569.9的基礎上做出了較大的改進，使整個光反應器的設計更加合理，操作更方便，可靠性更強。已成功地應用于多種微藻及植物細胞的培養，取得了良好的效果。


圖1.本實用新型氣升式光生物反應器結構示意圖。
圖2A.本實用新型氣體提升管支柱正面平視示意圖。
圖2B.本實用新型氣體提升管支柱側面剖視示意圖。
圖3A.本實用新型一段凸起內光源管安裝示意圖。
圖3B.本實用新型兩個凸環內光源管安裝示意圖。
圖4.本實用新型氣體分布器外形示意圖(A過渡段為錐面；B過渡段為球而)。
圖5.燈罩示意圖(A燈罩俯視圖；B燈罩平視圖；C環形連桿)。
圖6.熱交換裝置示意圖(A冷卻棒示意圖；B用蒸氣加熱的加熱棒示意圖；C用電熱絲加熱的加熱棒示意圖)。
附圖標記1.反應器罐體 2.氣體提升管 3.內光源4.外光源 5.氣體分布器 6.燈罩7.pH、溶氧探頭 8.冷卻棒 9.加料接種口10.排氣口 11.內光源密封管 12.排料口13.氣體提升管支柱 14.擴口法蘭 15.螺栓與螺母16.內光源插口管17.加熱棒 18.不銹鋼頂絲19.聚四氟乙烯墊20.凸起或凸環 21.O形橡膠圈22.壓帽23.上法蘭 24.多孔分布板25.防水沿 26.燈腳 27.合頁或門軸28.環形連桿29.鎖扣 30.立柱31.開啟方向32.冷卻水進口 33.冷凝水出口34.冷卻水出口 35.蒸氣進口 36.電熱絲進出口具體實施方式
以下實施例所采用的氣升式光生物反應器的結構如前所述。
實施例1如附圖1所示氣升式光生物反應器，罐體內徑165mm，氣體提升管外徑131mm，內光源密封管外徑45mm，反應器有效容積15升。氣體分布器為直徑50mm的不銹鋼燒結多孔板，孔徑為80微米，采用錐面過渡段(附圖4A)。罐體、氣體提升管、內光源密封管用硬質硅硼玻璃制作，其余部件為不銹鋼制成，密封材料用硅橡膠。按照附圖2A和附圖2B所示方案安裝氣體提升管，圖2A中陰影部分表示椅形聚四氟乙烯墊，支柱下端焊在反應器下法蘭上。新的安裝方案可以保證在氣速0.015～0.02m/s以下蒸汽消毒或通氣培養時，氣體提升管不振動、不傾斜。按照附圖3A和3B所示方案安裝內光源密封管，在蒸汽消毒和通氣培養過程中，內光源密封管不振動，與上法蘭間的密封良好。用模擬培養基試驗，在正常操作下，可保證整個培養過程不染菌。
實施例2同實施例1的有效容積為15升的氣升式光生物反應器，內光源密封管內配置40W日光燈。按照附圖5A～C所示的燈罩內均勻分布4～16支40W日光燈。采用內置電熱絲的加熱裝置(附圖6C)和通冷卻水的冷卻裝置(附圖6A)控制溫度。在該反應器中培養絲狀體淡水藍藻Anabaena SP.PCC.7120，培養液是以NaNO3為氮源的BG-11培養基，光強為2.8～5.6mW/cm2，通入含5wt％CO2的空氣二氧化碳混合氣，氣量為2L/分鐘，接種密度為0.1g/L干重。藻細胞終密度達到1.10g/L。體積產率為0.275g/Ld，面積產率為5.4g/m2d。培養過程中溶氧變化不大。與搖床培養相比產量提高2～3倍，培養周期縮短了10天。
實施例3同實施例2的有效容積為15升的氣升式光生物反應器，氣體提升管改為不銹鋼材質，氣體分布器改用球面過渡段。培養單細胞海洋藍藻Synechococcus.SP.PCC.7002，以Medium A為培養基，光強為2.8～5.6mW/cm2，通入含1wt％CO2的空氣二氧化碳混合氣，氣量為2L/分鐘，接種密度為0.13g/L干重。藻細胞終密度達到2.36g/L。體積產率為0.39g/Ld，面積產率為7.64g/m2d。
實施例4同實施例3的有效容積為15升的氣升式光生物反應器，培養紅花細胞，采用MS基本培養基，光強為1.4～5.8mW/cm2，通入含1wt％CO2的空氣二氧化碳混合氣，氣量為2L/分鐘，接種密度為2～3g/L(干重)，培養20天的細胞密度達到10g/L(干重)。培養過程中沒有細胞在氣體分布器下方沉積。
權利要求1.一種氣升式光生物反應器，主要包括帶有pH、溶氧探頭(7)、加料接種口(9)、排氣口(10)、排料口(12)的培養罐體(1)、以及罐體(1)中的氣體提升管(2)、氣體分布器(5)、熱交換裝置、內光源密封管(11)和內光源(3)、外光源(4)；其特征是所述的氣體分布器(5)為圓形多孔氣體分布板式氣體分布器，氣體分布器的下端為錐面或球面。
2.如權利要求1所述的光生物反應器，其特征是所述的罐體(1)的下法蘭上固定有三個氣體提升管支柱(13)。
3.如權利要求2所述的光生物反應器，其特征是所述的三個氣體提升管支柱(13)為椅子形狀，椅座設計成一個半圓形平臺。
4.如權利要求2或3所述的光生物反應器，其特征是所述的三個氣體提升管支柱(13)的支柱立面的上部進一步裝有起徑向緊固并定位氣體提升管作用的頂絲(18)。
5.如權利要求2或3所述的光生物反應器，其特征是所述的三個氣體提升管支柱(13)的夾角為120度。
6.如權利要求4所述的光生物反應器，其特征是所述的三個氣體提升管支柱(13)的夾角為120度。
7.如權利要求1所述的光生物反應器，其特征是所述的內光源密封管(11)的上端有一段凸起或者兩個凸環(20)，在凸起或者兩個凸環的外側分別套有O形橡膠圈(21)。
8.如權利要求7所述的光生物反應器，其特征是所述的兩個凸環(20)中下側凸環的O形橡膠圈落在帶外螺紋且焊接在反應器的上法蘭(23)上的內光源插口管(16)的內壁的斜臺上；一帶內螺紋的壓帽(22)與內光源插口管的外螺紋配合，壓帽內的斜臺壓在上側凸環(20)的O形橡膠圈上。
9.如權利要求1所述的光生物反應器，其特征是所述的反應器罐體(1)的外面有一圈外光源(4)，在外光源(4)的外面有一圈燈罩(6)。
10.如權利要求1所述的光生物反應器，其特征是所述的熱交換裝置為安裝在反應器的下法蘭上的一個加熱棒(17)和一個冷卻棒(8)。
專利摘要本實用新型屬于光源集成的封閉式光生物反應器，特別涉及一種用于藻類及其它光合生物細胞懸浮培養的氣升式光生物反應器。本實用新型的氣體分布器采用圓形多孔氣體分布板式氣體分布器，氣體分布器的下端為錐面或球面。并且將內光源密封管設計成具有一段凸起或兩個凸環的結構，使內光源密封管能夠更加穩固；在反應器罐體(1)的外面安裝一圈燈罩，使外光源(4)能集成在燈罩(6)內。采用內外光源相結合的照光方式，適用于光合生物細胞培養及相關代謝產物的生產。該反應器具有照光面積大，液體混合好，氣液傳質強度高，剪切力低、操作簡便等特點，可廣泛適用于各種光合細胞的培養。可以大幅度提高產量，縮短培養周期，降低成本。
文檔編號C12M3/00GK2748464SQ2004200090
公開日2005年12月28日 申請日期2004年5月31日 優先權日2004年5月31日
發明者叢威, 呂文華, 康瑞娟, 蔡昭鈴 申請人:中國科學院過程工程研究所