[發明專利]一種模塊化藻類光生物反應器

有效

• 申請號: 201410014372.X
• 申請日: 2014-01-13
• 公開（公告）號: CN103740581A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 王高鴻;胡智泉;李小燕;劉永定
• 申請（專利權）人: 中國科學院水生生物研究所
• 主分類號: C12M1/00
• 分類號: C12M1/00;C12M1/36
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 王敏鋒

技術領域

本發明屬于微藻生物技術領域，特別涉及一種高效模塊化藻類光生物反應器，它利用藻類的高效光合作用適用于空間飛行和潛艇航行的生命保障系統中藻類生物量高效生產及CO₂固定和O₂再生。

背景技術

自人類開始進行空間載人探索，受控生態生命支持系統就作為載人航天的基礎而得到各方面的重視，其中涉及的CO₂去除和O₂再生是受控生態生命支持系統研究的一個關鍵技術。微藻生物由于適應性好，培養簡單，運行穩定，可高效快速地生產航天乘員所需的食物及氧氣等特點，成為受控生態生命支持系統研究的重要生物之一，而微藻的生長依賴于高效的光生物反應器，因此設計專用于空間封閉系統高效的微藻光生物反應器是進行相關研究的關鍵。

空間微藻光生物反應器的設計要滿足：生物在反應器中生長迅速、光能利用率高，反應器維護和控制簡單，在空間微重力環境下可有效分離液體中的氣體。

空間藻類光生物反應器設計的關鍵之一是要提供藻類高生長速率的培養條件，需要在提高光能利用率和加強液體物質交換同時減少剪切力上等技術上進行改進。提高光能利用率可以通過提高光照表面積與體積之比的方式進行，而加強液體物質交換同時減少剪切力就需要選用穩定高效的循環系統，在培養液流動和裝置方面進行優化，達到二者兼顧的目的。目前空間專用的光生物反應器主要采用氣升式(MELISSA，ESA)和板式(BIOS-3，Russia)，也有采用臥式反應釜式（郭雙生等），但這些反應器的主要限制是光照面積與體積比值較小，因此光能轉化效率不高，另外培養液的流動不穩定，會產生很強的剪切力，影響細胞的生長。

另外光源的選擇也會影響反應器效率，目前廣泛使用的光源，如太陽光、金屬鹵素燈、冷白熾燈等存在能耗大，發熱強，容易損壞等缺點，因此近年來開發了許多以LED為光源的反應器，但需要在波長選擇和配比進一步優化以適應藻類生長，此外，LED光源相應的配件標準化程度不高，現有的光強測控方面較復雜，均需要進一步改進。

空間微重力環境的重要現象是氣體和液體不分離，因此如何實現微重力下的氣液分離一直是藻類反應器的難點之一。目前大多數的研究多采用動態離心方式進行，也有采用中空纖維膜方式，但離心法會依賴離心機，不論在功耗還是體積重量上都對于空間飛行要求不利，中空纖維膜法存在效率低、容易堵塞等問題，因此急需開發出穩定高效的氣液分離技術應用于空間藻類反應器。

傳統設計的反應器整體集成了培養、攪拌、氣體分離和測控等功能器件，設計復雜，各個部件不能單獨運行或方便更換，大大降低了設備的穩定性，同時加大了操作的復雜程度。

發明內容

本發明的目的是在于提供了一種模塊化藻類光生物反應器，結構簡單，使用方便，本發明采用模塊化、標準化的設計思路則可以在藻類培養、攪拌、氣體分離和測控等功能上實現組合優化，各個單元部件既可以單獨運行，也可以組合運行，還可以根據實際方便需要增加或刪除，不但可以大大提高設備運行的穩定性，培養效率提高5-8倍，而且對于后期的維護和更換等工作提供了很大的便利，為進一步優化設計和擴充反應體積等方面提供了良好的標準化實驗設備平臺。

為了實現上述的目的，本發明采用以下技術措施：

一種模塊化藻類光生物反應器，它包括空間藻類光生物反應器由藻類培養標準模塊、光照標準模塊、換氣標準模塊、培養液測控單元和氣體測控單元，它由藻培養模塊、光照模塊、透氣模塊；LED光源、Biofoil膜、第一進氣口、第二出氣口、第一進液口、第一出液口、組合螺栓、第一蠕動泵、第二蠕動泵、LED光源、光敏電池、?pH探頭、溶解氧溫度探頭、電導率探頭、換液進口、第一換液出口、第二進液口、第二出液口、第二進氣、第一氣泵、氧氣測定探頭、二氧化碳測定探頭、第一換氣進氣口、第二換氣出氣口、第二氣泵、第二出氣口組成。

其連接關系如圖1所示：本反應器的主體為藻類培養標準模塊；藻類培養標準模塊透明側面與光照標準模塊通過螺栓連接；而藻類培養標準模塊的另一側面也通過螺栓與換氣標準模塊相連；藻類培養標準模塊與培養液測控單元通過軟管相連，連接關系為藻類培養標準模塊的第一進液口與培養液測控單元第二出液口相連，藻類培養標準模塊的第一出液口與培養液測控單元的第二進液口相連；換氣標準模塊與氣體測控單元通過軟管相連，連接關系為換氣標準模塊的第一進氣口與培養液測控單元出的第二氣口相連，換氣標準模塊的第一出氣口與培養液測控單元的第二出液口相連。