專利名稱：鼓泡塔式光生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及鼓泡塔式光生物反應(yīng)器。
目前的微藻培養(yǎng)反應(yīng)器分敞開式和密閉式兩種，其各種反應(yīng)器設(shè)計(jì)主要追求較高的受光面積/體積比和消除氧積累等問題。密閉式光生物反應(yīng)器種類較多，主要有管式、平板式和柱式等幾種形式，并以管式反應(yīng)器應(yīng)用較為廣泛，與敞開式反應(yīng)器相比，密閉式具有易于保證無菌環(huán)境、培養(yǎng)條件易于控制、能夠?qū)崿F(xiàn)高細(xì)胞密度培養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但它們往往也有自己的不足，大多數(shù)反應(yīng)器由于材料和結(jié)構(gòu)原因不能進(jìn)行徹底滅菌，對(duì)于無菌條件要求嚴(yán)格，如加入有機(jī)底物的微藻混合營養(yǎng)培養(yǎng)過程不適合；相當(dāng)多數(shù)反應(yīng)器內(nèi)流體力學(xué)行為不夠清楚；或者如Chaumont D(1993)藻生物量生產(chǎn)的生物技術(shù)戶外大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)綜述《應(yīng)用藻類學(xué)雜志》5593-604(Chaumont D(1993)Biotechnology of algal biomass productiona review ofsystems for outdoor mass culture.J.Appl.Phycol.5593-604)；和Tredici MR，Materassi R(1992)從開放池到垂直嵌槽板意大利在光養(yǎng)型微生物大規(guī)模培養(yǎng)反應(yīng)器開發(fā)上的經(jīng)驗(yàn)《應(yīng)用藻類學(xué)雜志》4221-231(Tredici MR，Materassi R(1992)From open ponds to vertical alveolar panelsthe Italian experience in the development ofreactors for the mass cultivation of phototrophic microorganisms.J.Appl.Phycol.4221-231)所指出的很多反應(yīng)器溫度控制不夠理想，培養(yǎng)過程藻液常有溫度升高現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了藻細(xì)胞的生長。從Javanmardian M，Palsson BO(1991)藻的高密度光自養(yǎng)培養(yǎng)一種新型光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作和運(yùn)行《生物技術(shù)和生物工程》381182-1189(Javanmardian M，Palsson BO(1991)High-densityphotoautotrophic algal culturesdesign，constrution，and operation of a novelphotobioreactor system.Biotechnol.Bioeng.381182-1189.)也可看出某些反應(yīng)器雖技術(shù)指標(biāo)較佳，如受光面積/體積比較大和光合作用速率較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本高；有些反應(yīng)器為追求面積/體積比而占用空間較大，安裝操作不便。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種小型鼓泡塔式光生物反應(yīng)器，其在具有較高的面積/體積比和不產(chǎn)生氧積累的基礎(chǔ)上，反應(yīng)器能進(jìn)行徹底滅菌，反應(yīng)器內(nèi)流體力學(xué)行為清楚，具有良好的藻細(xì)胞的生長環(huán)境；且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，安裝操作方便，反應(yīng)器占用空間小，設(shè)備成本低。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的。包括光生物反應(yīng)器罐體、光源和CO2配氣裝置，其特征在于在反應(yīng)器底板19上有一平臺(tái)20，在平臺(tái)20周圍對(duì)稱豎立有護(hù)柱21和光源22，光源22均通過導(dǎo)線與時(shí)間控制器23相連；鼓泡塔反應(yīng)器罐體1座落在平臺(tái)20上，罐體頂部設(shè)有接種口7、溫度計(jì)口8、電極口9、出氣口5和取樣口6；罐體1底部有一控溫隔層3，控溫隔層3的兩側(cè)分別有循環(huán)水進(jìn)口10和循環(huán)水出口11；空氣進(jìn)氣管13與氣體流量計(jì)15的一端相連，氣體流量計(jì)15的另一端連接的氣體管路伸入配氣容器12中；CO2進(jìn)氣管14與氣體流量計(jì)16的一端相連，氣體流量計(jì)16的另一端連接的氣體管路伸入配氣容器12中；混合氣出氣管17從配氣容器12中伸出，與過濾器18的一端相連，過濾器18的另一端與進(jìn)氣管4相連，進(jìn)氣管4與位于罐體底部中央的玻璃沙芯氣體分布器2相連。
其中，接種口7膠塞中央為一溫度計(jì)口8，溫度計(jì)可置于其中。電極口9插有pH電極或DO電極。反應(yīng)器高與直徑比值為1.5～4.0，氣體分布器與反應(yīng)器直徑比值為0 25～0.50，反應(yīng)器受光面積與體積比值為30～60m-1。光源采用市售不同功率日光型節(jié)能燈，通過時(shí)間控制器根據(jù)微藻培養(yǎng)的不同階段設(shè)定光照強(qiáng)度進(jìn)行自動(dòng)控制。
本實(shí)用新型光生物反應(yīng)器是由鼓泡塔型反應(yīng)器、光源和CO2配氣系統(tǒng)三部分組成，三個(gè)部分可自由拆離和組合。光源部分包括光源和時(shí)間控制器，光源環(huán)繞在反應(yīng)器周圍，固定于一座架上面，光源的數(shù)量和位置可自由改變，光強(qiáng)因此可自由調(diào)節(jié)，并且光強(qiáng)周期可由時(shí)間控制器作進(jìn)一步控制。CO2配氣系統(tǒng)可以通過對(duì)空氣和CO2流量的不同設(shè)定使通入反應(yīng)器的空氣富含不同濃度的CO2，滿足微藻對(duì)碳源的需求。反應(yīng)器以硬玻璃為材料制作，可利用簡易的玻璃加工技術(shù)吹制而成，除溫度計(jì)插管外不需使用金屬構(gòu)件。反應(yīng)器的幾何形狀和體積設(shè)計(jì)考慮了滅菌的需要，可放入一般實(shí)驗(yàn)室用小型滅菌鍋中進(jìn)行蒸汽濕熱滅菌，避免了用化學(xué)方法滅菌而帶來的不徹底現(xiàn)象。反應(yīng)器采用圓柱狀鼓泡塔結(jié)構(gòu)，氣體從頂部進(jìn)入罐體，加工、安置和操作均很方便，氣體分布器為圓盤形玻璃沙芯，位于底部中央。反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)件較少，氣泡分布均勻，氣液混合和傳質(zhì)效果良好，整個(gè)培養(yǎng)體系剪切作用較低，有利于微藻細(xì)胞的生長，反應(yīng)器內(nèi)的流體力學(xué)行為具有鼓泡塔的基本特征。由于氣體的均勻分散和有效分離，培養(yǎng)過程不易發(fā)生氧積累的現(xiàn)象。反應(yīng)器底部做有一控溫隔層，利用恒溫循環(huán)水的進(jìn)出對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行溫度控制，避免了器壁夾套保溫方法對(duì)反應(yīng)器內(nèi)受光的較大影響和較大的加工難度。由于熱交換面積較大，溫度控制穩(wěn)定，消除了微藻培養(yǎng)中經(jīng)常發(fā)生的培養(yǎng)液溫度升高現(xiàn)象，克服了電加熱棒和循環(huán)水插管等方式控溫不夠充分的弱點(diǎn)。培養(yǎng)過程取樣通過壓差作用由頂部的取樣口(在出料時(shí)稱排料口)取出，同時(shí)當(dāng)反應(yīng)器作為微藻放大培養(yǎng)的前置種子培養(yǎng)裝置時(shí)，可通過取樣口方便地將藻液壓入下一級(jí)光生物反應(yīng)器。整個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，成本低廉。由于反應(yīng)器底部沒有端口，此反應(yīng)器可置于任一臺(tái)面之上，使用靈活方便。
本實(shí)用新型的小型鼓泡塔式光生物反應(yīng)器在進(jìn)行微藻培養(yǎng)時(shí)，由于反應(yīng)器可進(jìn)行徹底滅菌，雖然培養(yǎng)條件溫和(pH顯示為中性)，也可保持培養(yǎng)全過程無污染狀態(tài)；反應(yīng)器內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性，剪切作用較小，培養(yǎng)絲狀藻細(xì)胞時(shí)，顯微鏡下觀察藻絲均以較長狀態(tài)存在；由于反應(yīng)器底部有較大的熱交換面積，溫度控制十分穩(wěn)定，溫度變化一般不超過設(shè)定值+1℃，克服了溫度波動(dòng)對(duì)藻細(xì)胞生長的嚴(yán)重影響。由于反應(yīng)器同時(shí)滿足受光面積/體積比較大和不易產(chǎn)生氧積累等條件，本反應(yīng)器適合進(jìn)行各種絲狀微藻和單細(xì)胞微藻的培養(yǎng)，并均可達(dá)到較高的細(xì)胞密度。同時(shí)，本反應(yīng)器在操作上，滅菌、接種、取樣、清洗和拆裝等各個(gè)環(huán)節(jié)均十分方便。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述。


圖1.本實(shí)用新型罐體和CO2配氣部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2.本實(shí)用新型光源部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3.本實(shí)用新型組裝后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)1.罐體 2.氣體分布器3.控溫隔層 4.進(jìn)氣管5.出氣口 6.取樣口或排料口7.接種口8.溫度計(jì)口9.電極口 10.循環(huán)水進(jìn)口 11.循環(huán)水出口 12.配氣容器13.空氣進(jìn)氣管14.CO2進(jìn)氣管 15.氣體流量計(jì) 16.氣體流量計(jì)17.混合氣出氣管 18.過濾器 19.反應(yīng)器底板 20.平臺(tái)21.護(hù)柱 22.光源 23.時(shí)間控制器實(shí)施例1.
所培養(yǎng)微藻為絲狀固氮藍(lán)藻魚腥藻7120(Anabaena sp.PCC7120)，搖瓶種液培養(yǎng)和反應(yīng)器培養(yǎng)均采用藍(lán)藻培養(yǎng)通用的BG-11培養(yǎng)基(pH7.5)。一總體積為1.8L的鼓泡塔式光生物反應(yīng)器，其工作體積為1.5L，反應(yīng)器高度為200mm，在反應(yīng)器底板19上有一平臺(tái)20，座落在其上的罐體1的直徑為120mm，在底板上19的平臺(tái)20周圍對(duì)稱豎立有護(hù)柱21和光源22，反應(yīng)器光源22由4只18W日光型節(jié)能燈提供，其均通過導(dǎo)線與時(shí)間控制器23相連；在罐體頂部設(shè)有接種口7，在其膠塞中央為一不銹鋼插管，其為溫度計(jì)口8，一溫度計(jì)置于其中，電極口9插入一DO電極，在罐體頂部還設(shè)有出氣口5和取樣口6；罐體1底部有一控溫隔層3，其高為20mm，控溫隔層3的兩側(cè)分別有循環(huán)水進(jìn)口10和循環(huán)水出口11；空氣進(jìn)氣管13與氣體流量計(jì)15的一端相連，氣體流量計(jì)15的另一端連接的氣體管路伸入配氣容器12中；CO2進(jìn)氣管14與氣體流量計(jì)16的一端相連，氣體流量計(jì)16的另一端連接的氣體管路伸入配氣容器12中；混合氣出氣管17從配氣容器12中伸出，與過濾器18的一端相連，過濾器18的另一端與進(jìn)氣管4相連，進(jìn)氣管4與位于罐體底部中央的玻璃沙芯氣體分布器2相連，其直徑為40mm，玻璃沙芯平均孔徑為80μm；反應(yīng)器制作材料為硬玻璃B40。
反應(yīng)器培養(yǎng)用的培養(yǎng)基通過接種口7加入到反應(yīng)器罐體1中，培養(yǎng)基與罐體放入滅菌鍋中一起滅菌，種液培養(yǎng)在旋轉(zhuǎn)式搖床上進(jìn)行，搖床轉(zhuǎn)速為130rpm，溫度為32℃，光強(qiáng)為160μEm-2s-1，培養(yǎng)6天后，在超凈工作臺(tái)上在火焰旁通過接種口7接入鼓泡塔式光生物反應(yīng)器，接種量為20％。反應(yīng)器培養(yǎng)條件為溫度32℃，通氣量(空氣)0.178vvm，表面最大光強(qiáng)624μEm-2s-1，最小光強(qiáng)110μEm-2s-1。反應(yīng)器培養(yǎng)10天細(xì)胞生長達(dá)到穩(wěn)定期，最大細(xì)胞密度為0.89g/L，對(duì)數(shù)生長期細(xì)胞比生長速率為0.30d-1。顯微鏡下觀察藻絲均較長，細(xì)胞形態(tài)飽滿，沒有雜菌污染。培養(yǎng)結(jié)束后通過接種口7、排料口6等排出培養(yǎng)液，并進(jìn)行清洗。
權(quán)利要求1.一種鼓泡塔式光生物反應(yīng)器，包括光生物反應(yīng)器罐體、光源和CO2配氣裝置，其特征在于在反應(yīng)器底板(19)上有一平臺(tái)(20)，在平臺(tái)(20)周圍對(duì)稱豎立有護(hù)柱(21)和光源(22)，光源(22)均通過導(dǎo)線與時(shí)間控制器(23)相連；鼓泡塔反應(yīng)器罐體(1)座落在平臺(tái)(20)上，罐體頂部設(shè)有接種口(7)、溫度計(jì)口(8)、電極口(9)、出氣口(5)和取樣口(6)；罐體(1)底部有一控溫隔層(3)，控溫隔層(3)的兩側(cè)分別有循環(huán)水進(jìn)口(10)和循環(huán)水出口(11)；空氣進(jìn)氣管(13)與氣體流量計(jì)(15)的一端相連，氣體流量計(jì)(15)的另一端連接的氣體管路伸入配氣容器(12)中；CO2進(jìn)氣管(14)與氣體流量計(jì)(16)的一端相連，氣體流量計(jì)(16)的另一端連接的氣體管路伸入配氣容器(12)中；混合氣出氣管(17)從配氣容器(12)中伸出，與過濾器(18)的一端相連，過濾器(18)的另一端與進(jìn)氣管(4)相連，進(jìn)氣管(4)與位于罐體底部中央的玻璃沙芯氣體分布器(2)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的鼓泡塔式光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的接種口(7)膠塞中央為一溫度計(jì)口(8)。
3.如權(quán)利要求1所述的鼓泡塔式光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的電極口(9)插有pH電極或DO電極。
4.如權(quán)利要求1所述的鼓泡塔式光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器高與直徑比值為1.5～4.0，氣體分布器與反應(yīng)器直徑比值為0.25～0.50，反應(yīng)器受光面積與體積比值為30～60m-1。
專利摘要本實(shí)用新型屬于微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及鼓泡塔式光生物反應(yīng)器。在反應(yīng)器底板上有一平臺(tái),平臺(tái)周圍有護(hù)柱和光源,光源均與時(shí)間控制器相連;反應(yīng)器罐體座落在平臺(tái)上,罐體底部有一控溫隔層,空氣進(jìn)氣管和CO
文檔編號(hào)C12M1/42GK2394915SQ992173
公開日2000年9月6日 申請(qǐng)日期1999年8月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月2日
發(fā)明者喻國策, 蔡昭鈴, 歐陽藩 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院化工冶金研究所