專利名稱：高密度培養(yǎng)微藻的太陽能分光光合生物反應器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到微藻培養(yǎng)生物技術領域，尤其是一種采用太陽能光電熱互補方式工
作的高密度微藻培養(yǎng)光生物反應器系統(tǒng)。
背景技術：
隨著全球性資源短缺壓力的日益增加，開發(fā)和利用海洋藻類將是長遠解決人類食 品和能源來源的重要途徑。藻類不僅富含蛋白質、脂肪和碳水化合物這三大類人類所必需 的物質，而且還含有各種氨基酸、維生素、抗生素、高不飽和脂肪酸以及其它多種生物活性 物質，可以做為食品、藥品、生化試劑、精細化工產(chǎn)品、燃料以及其它材料的重要原料來源。 隨著人類對微藻認識的不斷加深，開發(fā)和研制新型高效光生物反應器及其在微藻的高密度 培養(yǎng)方面的應用研究已成為微藻生物技術的一個重要組成部分。 微藻培養(yǎng)主要有開放式和封閉式兩種光生物反應器。開放式光生物反應器構建簡 單、成本低廉及操作簡便，但存在易受污染、培養(yǎng)條件不穩(wěn)定等缺點。封閉式反應器培養(yǎng)條 件穩(wěn)定，可無菌操作，易進行高密度培養(yǎng)，已成為今后的發(fā)展方向。 一般封閉式光生物反應 器有管道式、平板式、柱狀氣升式、攪拌式發(fā)酵罐、浮式薄膜袋等。目前，封閉式光生物反 應器的采光方式主要有室外直接采光和人造光源采光兩種。采用室外采光易受外界環(huán)境光 照、溫度等因素影響，不利于微藻培養(yǎng)過程的控制；采用人造光源，雖然反應器在室內工作， 避免了環(huán)境因素的影響，但是人造光源消耗大量電能，不利于控制微藻大規(guī)模培養(yǎng)生產(chǎn)的 成本。 太陽能是地球上最豐富的潔凈能源，包括化石燃料在內的地球上的能源均來源于 太陽，每年入射到地球表面的太陽能約為5. 7xl024J，約為人類所用能源的10000倍，地球 每年攔截的太陽輻射能相當于目前全球電力能量的1500倍，但太陽能因其能源密度低，存 在間歇性和不穩(wěn)定性，收集困難等問題，制約了它的大規(guī)模利用，另外太陽能的利用需要有 效的載體，需要將太陽能轉化為一種可以儲存、運輸和連續(xù)輸出的能源。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種有效提高太陽能利用率，連續(xù)穩(wěn)定地應用于微藻培養(yǎng) 的太陽能分光光合生物反應器系統(tǒng)。 為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術方案一種高密度培養(yǎng)微藻的太陽能 分光光合生物反應器系統(tǒng)，包括有光生物反應器，還包括太陽能采集器，光導纖維，設置在 光生物反應器內的布光裝置，分別與光生物反應器連接的殘余氣體吸收裝置和培養(yǎng)液分離 回收裝置；所述布光裝置一端與設置在光生物反應器上的分光光強度調節(jié)裝置連接，該分 光光強度調節(jié)裝置通過光導纖維連接到太陽能采集器；在所述布光裝置的下方、與所述光 生物反應器底部之間設有氣體分布器，該氣體分布器與氣體混合裝置輸出端連接，氣體混 合裝置輸入端接入C02氣源、N2氣源或壓縮空氣等氣源，可以方便準確地調節(jié)氣源組分。
氣體分布器置于內筒與反應器底部之間，與氣體混合裝置相連，通過氣升環(huán)流混合方式使培養(yǎng)液形成循環(huán)流動。 所述布光裝置包括與光生物反應器同軸設置的雙層透明內筒以及設置在該內筒 雙層間隙中的多根彌散光纖，該彌散光纖頂端與所述分光光強度調節(jié)裝置連接。布光裝置 使用光傳遞效率高的光纖系統(tǒng)，光生物反應器內部布光采用彌散光纖，這種光纖不同于普 通光導纖維，在其入射端輸入光源時，側面可以發(fā)出連續(xù)均勻的光線；將數(shù)段彌散光纖沿內 筒軸線方向垂直裝入內筒雙層壁面之間，隨內筒置入光生物反應器后，可以在內筒內外、光 生物反應器中形成均勻有效的光照條件；這種結構具有較大的光照表面積與體積比，光能 傳遞到微藻的光路較短；在彌散光纖頂部連接光導纖維引入太陽光的同時，將LED光源安 裝在彌散光纖底端，可利用彌散光纖布光，避免重復布置光生物反應器內的輔助照明系統(tǒng)， 有利于簡化結構，保證光生物反應器的有效容積，兩種光源采用同一布光裝置布光，太陽光 源與LED輔助光源可獨立或同時工作。 還包括有輔助照明系統(tǒng)，該輔助照明系統(tǒng)一端與太陽能采集器連接，另一端與所 述布光裝置連接。系統(tǒng)設置有輔助照明系統(tǒng)，將太陽能轉變?yōu)殡娔軆Υ?，能有效改善太陽?照變化和夜晚光照強度不足的情況。 所述輔助照明系統(tǒng)包括有依次連接的太陽能電池板、蓄電池、LED輔助照明裝置、 LED光源，所述太陽能電池板設置在太陽能集熱器上，所述LED輔助照明裝置設置在光生物 反應器上，該LED光源設置在所述布光裝置的底端。 所述太陽能集熱器包括有拋物面聚光冷卻器，該拋物面聚光冷卻器內側上設有一 次拋物面聚光器反射鏡，設置在太陽能集熱器中軸上的二次聚光器反射鏡，在該二次聚光 器反射鏡上設有太陽能自動跟蹤器，所述二次聚光器反射鏡與所述光導纖維連接。太陽光 經(jīng)過拋物面反射鏡、濾光鏡、遮光器的光譜篩選和調節(jié)，得到與微藻吸收光譜耦合的光譜 帶，提高有效光密度，一次拋物面聚光器反射鏡的反射膜特性是能反射可見光透射紅外光， 其背面設置有拋物面聚光冷卻器能吸收透射紅外光。 還包括有熱交換裝置，該熱交換裝置一端與所述拋物面聚光冷卻器連接，另一端 連接到所述光生物反應器內。 所述熱交換裝置包括蓄熱器、循環(huán)泵、換熱器，所述拋物面聚光冷卻器與所述蓄熱 器連接，所述換熱器設置于光生物反應器內，換熱器、循環(huán)泵、蓄熱器之間構成換熱回路。太 陽能采集器的一次拋物面聚光器反射鏡的反射膜具有反射可見光、透射紅外光特性，太陽 光通過一次拋物面聚光器反射鏡時，反射膜反射可見光，透射紅外光，聚光冷卻器吸收透射 過來的紅外光熱能，通過管路將該熱能導入到蓄熱器中，蓄熱器與置于光生物反應器內部 的換熱器通過循環(huán)泵強制循環(huán)換熱，以控制光生物反應器內的溫度，并充分利用太陽光不 同光譜帶的能量。 在所述光生物反應器內還設置有自動檢測裝置；該自動檢測裝置能對反應過程中 的光強度、ra值、溶解氧含量等工藝參數(shù)進行實時監(jiān)控，為使用者培養(yǎng)微藻提供充分的參 考；自動檢測裝置可以與所述換熱器連接，使得熱交換裝置配合自動檢測裝置使用，能達到 自動控制反應器溫度的效果，這樣有助于熱交換過程的進行。 在所述光生物反應器頂端上設有反應器進料口和排氣口 ，在其底端上設有反應器 出料口 ，所述殘余氣體吸收裝置與所述排氣口連接，所述培養(yǎng)液分離回收裝置的兩端分別 與所述反應器進料口和反應器出料口連接；在所述排氣口上還設置有限壓閥。限壓閥的設置能保證反應器內部足夠的壓力并及時排出反應殘余氣體。 所述分光光強度調節(jié)裝置包括可調節(jié)濾光鏡和可調節(jié)光強遮光器。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點本發(fā)明裝置通過太陽能的采集、分光、傳
輸裝置，采用太陽能進行微藻的培養(yǎng)，該系統(tǒng)通過光、電、熱不同途徑，可以有效提高太陽能
的利用率，降低對外部電能的消耗，將太陽光引入室內的封閉式光反應器以代替人造光源，
降低封閉式光反應器對于電能的消耗，同時在太陽光照條件不足時利用技術成熟的太陽能
光伏電池-LED光源輔助照明，解決利用太陽能間歇性、不穩(wěn)定性、收集困難的問題，保證微
藻的連續(xù)穩(wěn)定培養(yǎng)。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的整體結構示意圖； 圖2為本發(fā)明太陽能采集器結構示意圖； 圖3為本發(fā)明光生物反應器結構示意圖； 圖4為本發(fā)明LED輔助照明裝置與彌散光纖連接示意圖； 圖5為本發(fā)明氣體分布器結構示意圖； 附圖標記說明1_太陽能采集器，2-光導纖維，3-光生物反應器，31-內筒，4-蓄 熱器，5-循環(huán)泵，6-換熱器，7-氣體混合裝置，8-氣體分布器，9-培養(yǎng)液分離回收裝置， 10-蓄電池，11-太陽能電池板，12-分光光強度調節(jié)裝置，13-自動檢測裝置，14-LED輔助 照明裝置，15- —次拋物面聚光器反射鏡，16-拋物面聚光冷卻器，17-太陽能自動跟蹤器， 18- 二次聚光器反射鏡，19-彌散光纖，20-內筒支架，21-反應器出料口 ， 22-反應器進料口 ， 23-排氣口 ， 24-殘余氣體吸收裝置，25-LED光源，26-限壓閥，27-曝氣頭。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的內容做進一步詳細說明。
實施例 請參閱圖1到圖4所示，一種高密度培養(yǎng)微藻的太陽能分光光合生物反應器系統(tǒng)， 包括有光生物反應器3，還包括太陽能采集器1，光導纖維2，設置在光生物反應器3內的布 光裝置，分別與光生物反應器3連接的殘余氣體吸收裝置24和培養(yǎng)液分離回收裝置9 ;布 光裝置一端與設置在光生物反應器3上的分光光強度調節(jié)裝置12連接，該分光光強度調節(jié) 裝置12通過光導纖維2連接到太陽能采集器1 ;在布光裝置的下方、與光生物反應器3底 部之間設有氣體分布器8，該氣體分布器8與氣體混合裝置7連接。 本實施例中，光生物反應器3為透明的PMMA(聚甲基丙稀酸甲酉旨，即有機玻璃) 筒狀罐體(反應器設計為耐壓0. 2MPa)制成，在光生物反應器3內還同軸設置有雙層透明 PMMA密封制成的內筒31，內筒31由內筒支架20固定在光生物反應器3中，在內筒31的雙 層間隙中密封設置有多根彌散光纖19，該內筒31和彌散光纖19即組成布光裝置；彌散光 纖19頂端與分光光強度調節(jié)裝置12連接，底端與LED光源25連接。氣體分布器8即設置 于光生物反應器3底部與內筒31底部之間的空隙中，通過氣升環(huán)流混合方式使培養(yǎng)液形成 循環(huán)流動。 還包括有輔助照明系統(tǒng)，該輔助照明系統(tǒng)一端與太陽能采集器1連接，另一端與布光裝置連接，輔助照明系統(tǒng)包括有依次連接的太陽能電池板11、蓄電池10、LED輔助照明 裝置14、LED光源25，太陽能電池板11設置在太陽能集熱器1上并與其結合為一體，LED輔 助照明裝置14設置在光生物反應器3上，該LED光源25設置在布光裝置的底端。
上述太陽能集熱器1包括有拋物面聚光冷卻器16，該拋物面聚光冷卻器16內側上 設有一次拋物面聚光器反射鏡15，設置在太陽能集熱器1中軸上的二次聚光器反射鏡18， 在該二次聚光器反射鏡18上設有太陽能自動跟蹤器17，二次聚光器反射鏡18與光導纖維 2連接。 還包括有熱交換裝置，該熱交換裝置一端與拋物面聚光冷卻器16連接，另一端連 接到光生物反應器3內，熱交換裝置包括蓄熱器4、循環(huán)泵5、換熱器6，拋物面聚光冷卻器 16與蓄熱器4連接，換熱器6設置于光生物反應器3內，換熱器6、循環(huán)泵5、蓄熱器4之間 構成換熱回路。 在光生物反應器3內還設置有自動檢測裝置13，該自動檢測裝置13可以與換熱器 6連接。 殘余氣體吸收裝置24和培養(yǎng)液分離回收裝置9與光生物反應器3的連接通過在 光生物反應器3頂端上設有反應器進料口 22和排氣口 23實現(xiàn)，在其底端上設有反應器出 料口 21 ，殘余氣體吸收裝置24與排氣口 23連接，用于吸收光生物反應器3反映產(chǎn)生的殘余 氣體，培養(yǎng)液分離回收裝置9的兩端分別與反應器進料口 22和反應器出料口 21連接；在排 氣口 23上還設置有限壓閥26。 本光生物反應器系統(tǒng)主要用于微藻的培養(yǎng)，具體操作如下 實施微藻培養(yǎng)之前，將飽和高溫蒸汽通過進料口 22通入反應器內部，使用高溫蒸 汽和高壓水對反應器進行沖洗消毒。將預先配置好微藻的培養(yǎng)液，通過反應器進料口 22泵 入反應器內，接入微藻菌種。在光照條件充足時，太陽能采集器1將采集到的太陽光通過光 導纖維2導入分光光強度調節(jié)裝置12，光束在經(jīng)過分光光強度調節(jié)裝置12后得到適合微藻 生長的光譜，進入光生物反應器3內，通過密封置入光生物反應器3內筒31間隙的彌散光 纖19在光生物反應器3中形成均勻有效的光照條件。太陽能電池板11與太陽能采集器1 采用一體化設計，在采集太陽光的同時，采集電能儲存于蓄電池IO，在光照條件不足時，通 過與蓄電池相連的LED輔助照明裝置14提供照明，保證反應器中的光照條件。
經(jīng)過一定的反應時間后，通過反應器出料口 21放出富含微藻的培養(yǎng)液，經(jīng)過培養(yǎng) 液分離回收裝置9得到微藻，分離得到的培養(yǎng)液再循環(huán)進入光生物反應器3重復利用。
請參閱圖5所示，氣體分布器8采用環(huán)形管路，上部均布數(shù)個曝氣頭27與管路相 連，置于光生物反應器3底部與布光裝置底部之間的空隙中，循環(huán)方式為內環(huán)流式。這種氣 升環(huán)流混合方式使培養(yǎng)液形成循環(huán)流動，獲得良好的物料混合和較高的氣液傳質強度；同 時循環(huán)形成的剪切力較采用循環(huán)泵強制循環(huán)方式很低，有效降低對培養(yǎng)微藻結構的破壞作 用，適用于較低剪切力耐受性的微藻的培養(yǎng)。 上列詳細說明是針對本發(fā)明可行實施例的具體說明，該實施例并非用以限制本發(fā) 明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實施或變更，均應包含于本案的專利范圍中。
權利要求
一種高密度培養(yǎng)微藻的太陽能分光光合生物反應器系統(tǒng)，包括有光生物反應器(3)，其特征在于還包括太陽能采集器(1)，光導纖維(2)，設置在光生物反應器(3)內的布光裝置，分別與光生物反應器(3)連接的殘余氣體吸收裝置(24)和培養(yǎng)液分離回收裝置(9)；所述布光裝置一端與設置在光生物反應器(3)上的分光光強度調節(jié)裝置(12)連接，該分光光強度調節(jié)裝置(12)通過光導纖維(2)連接到太陽能采集器(1)；在所述布光裝置的下方、與所述光生物反應器(3)底部之間設有氣體分布器(8)，該氣體分布器(8)與氣體混合裝置(7)連接。
2. 如權利要求1所述的高密度培養(yǎng)微藻的太陽能分光光合生物反應器系統(tǒng)，其特征在 于所述布光裝置包括與光生物反應器(3)同軸設置的雙層透明內筒(31)以及設置在該內 筒(31)雙層間隙中的多根彌散光纖(19)，該彌散光纖(19)頂端與所述分光光強度調節(jié)裝 置(12)連接。
3. 如權利要求1或2所述的高密度培養(yǎng)微藻的太陽能分光光合生物反應器系統(tǒng)，其特 征在于還包括有輔助照明系統(tǒng)，該輔助照明系統(tǒng)一端與太陽能采集器(1)連接，另一端與 所述布光裝置連接。
4. 如權利要求3所述的高密度培養(yǎng)微藻的太陽能分光光合生物反應器系統(tǒng)，其特征在 于所述輔助照明系統(tǒng)包括有依次連接的太陽能電池板(11)、蓄電池(10)、LED輔助照明裝 置(14)、LED光源(25)，所述太陽能電池板(11)設置在太陽能集熱器(1)上，所述LED輔 助照明裝置(14)設置在光生物反應器(3)上，所述LED光源(25)設置在所述布光裝置的 底端。
5. 如權利要求1所述的高密度培養(yǎng)微藻的太陽能分光光合生物反應器系統(tǒng)，其特征在 于所述太陽能集熱器(1)包括有拋物面聚光冷卻器(16)，該拋物面聚光冷卻器(16)內側 上設有一次拋物面聚光器反射鏡(15)，設置在太陽能集熱器(1)中軸上的二次聚光器反射 鏡(18)，在該二次聚光器反射鏡(18)上設有太陽能自動跟蹤器(17)，所述二次聚光器反射 鏡(18)與所述光導纖維(2)連接。
6. 如權利要求5所述的高密度培養(yǎng)微藻的太陽能分光光合生物反應器系統(tǒng)，其特征在 于還包括有熱交換裝置，該熱交換裝置一端與所述拋物面聚光冷卻器(16)連接，另一端 連接到所述光生物反應器(3)內。
7. 如權利要求6所述的高密度培養(yǎng)微藻的太陽能分光光合生物反應器系統(tǒng)，其特征在 于所述熱交換裝置包括蓄熱器(4)、循環(huán)泵(5)、換熱器(6)，所述拋物面聚光冷卻器(16) 與所述蓄熱器(4)連接，所述換熱器(6)設置于光生物反應器(3)內，換熱器(6)、循環(huán)泵 (5)、蓄熱器(4)之間構成換熱回路。
8. 如權利要求1或2所述的高密度培養(yǎng)微藻的太陽能分光光合生物反應器系統(tǒng)，其特 征在于在所述光生物反應器(3)內還設置有自動檢測裝置(13)。
9. 如權利要求1所述的高密度培養(yǎng)微藻的太陽能分光光合生物反應器系統(tǒng)，其特征在 于在所述光生物反應器(3)頂端上設有反應器進料口 (22)和排氣口 (23)，在其底端上設 有反應器出料口 (21)，所述殘余氣體吸收裝置(24)與所述排氣口 (23)連接，所述培養(yǎng)液分 離回收裝置(9)的兩端分別與所述反應器進料口 (22)和反應器出料口 (21)連接；在所述 排氣口 (23)上還設置有限壓閥(26)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高密度培養(yǎng)微藻的太陽能分光光合生物反應器系統(tǒng)，包括有光生物反應器，還包括太陽能采集器，光導纖維，設置在光生物反應器內的布光裝置，分別與光生物反應器連接的殘余氣體吸收裝置和培養(yǎng)液分離回收裝置；所述布光裝置一端與設置在光生物反應器上的分光光強度調節(jié)裝置連接，該分光光強度調節(jié)裝置通過光導纖維連接到太陽能采集器；在所述布光裝置的下方、與所述光生物反應器底部之間設有氣體分布器，該氣體分布器與氣體混合裝置輸出端連接。該系統(tǒng)可以有效提高太陽能的利用率，降低對外部電能的消耗，解決利用太陽能間歇性、不穩(wěn)定性、收集困難的問題，保證微藻的連續(xù)穩(wěn)定培養(yǎng)。
文檔編號C12M1/34GK101709262SQ20091021369
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月10日 優(yōu)先權日2009年12月10日
發(fā)明者周衛(wèi)征, 尚?；? 朱順妮, 楊康, 王忠銘, 袁振宏 申請人:中國科學院廣州能源研究所