一种光能生物培养系统的反应区结构和培养光能生物的方法

摘要

一种光能生物培养系统的光反应区结构，所述光反应器包括光反应器主体，可转动的机械轴和支撑底座，其中所述光反应区位于光反应器的主体内，其特征在于：所述光反应区具有并行设置的长隔板和短隔板结构；所述长隔板结构的一端与光反应器主体的顶部边框的内表面间隔一定距离D1；所述短隔板与所述顶部边框的内表面间隔一定距离D2，其中D2＞D1。本发明还公开了一种培养光能生物的方法。本发明公开的光能生物培养系统的光反应区结构和培养光能生物的方法具有光反应比表面积大、通气性好以及反应物混合均匀、循环性好的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及光能生物培养领域，尤其涉及一种光能生物培养系统的 光反应区结构和培养光能生物的方法。

背景技术

在现有的光能生物培养领域，通常采用的培养装置是光反应器，光 反应器通常应用于藻类、光合细菌、藓类或其他植物细胞培养的工业化 生产，这些微生物可以利用光能将CO₂和水转化为各种有机物，具有光合 作用效率高、环境适应性强、繁殖快、生长周期短、不占用耕地、可大 规模化、自动化控制培养(生产)等特点。

现有的光反应器通常采用的是平板式光生物反应器，这种光反应器 具有光照比表面积大、光照利用率高、混合均匀，氧解析快、放大相对 容易等优点，因此以平板式光生物反应器作为基础结构具有一定的优势， 较其他类型封闭式光反应器更有发展前景、更易实现工业规模的应用。

而在现有的平板式光生物反应器中，通常采用的反应器的反应区内 的隔板结构都是交错设置的等长度隔板，这种设置使得料液和气体之间 的反应不够充分，同时，对废弃料液的处理不够便利，而且装置不易清 洗的缺点，同时，气体的流量和料液的流通由于处理的不便利也可能造 成装置的堵塞等不可预知的情形，因此，亟待提供一种能够克服上述现 有制作技术和工艺中存在的各种缺陷的光反应器的光反应区结构及光能 生物培养方法。

发明内容

为了克服上述的上述现有制作技术和工艺中存在的各种缺陷，本发 明提出了一种光能生物培养系统的光反应区结构和培养光能生物的方 法。其中，所述的光能生物培养系统的光反应区结构中，所述光反应区 结构位于光反应器内，所述光反应器包括光反应器主体，可转动的机械 轴和支撑底座，所述光反应器主体是具有受光面的立方体封闭式结构， 并通过所述可转动的机械轴与所述支撑底座连接；其中所述光反应区结 构位于光反应器的主体内，其特征在于：

所述光反应区具有并行设置的长隔板和短隔板结构；

所述光反应器主体由两个受光面、顶部边框和底部边框，以及左侧 边框和右侧边框组成；

所述长隔板结构的一端与所述光反应器主体的底部边框的内表面密 封连接，侧面与光反应器主体的内面密封连接，另一端与光反应器主体 的顶部边框的内表面间隔一定距离D1；

所述短隔板结构与所述长隔板结构并行设置，所述短隔板的侧面与 反应器主体的内面密封连接，所述短隔板与所述底部边框的内表面间隔 一定距离d，而与所述顶部边框的内表面间隔一定距离D2，其中D2＞D1。

根据本发明的另一个优选实施例，所述的光能生物培养系统的光反 应区结构中所述的长隔板为一条，而短隔板为多条。

根据本发明的再一个优选实施例，所述的光能生物培养系统的光反 应区结构中所述的长隔板位于所述光反应器主体内部的一端，而多条短 隔板与所述长隔板并行设置，且位于光反应器主体内部的另一端。

根据本发明的另外一个优选实施例，所述的光能生物培养系统的光 反应区结构中所述的长隔板为两条，而短隔板为多条。

根据本发明的又一个优选实施例，所述的光能生物培养系统的光反 应区结构中所述的长隔板位于所述光反应器主体内部的两端，而多条短 隔板与所述长隔板并行设置，且均匀分布于所述的两条长隔板之间。

根据本发明的再一个优选实施例，所述的光能生物培养系统的反应 区结构反应区配置中所述的长隔板和短隔板为多条，且平均分布于光反 应器内。

根据本发明的另一个优选实施例，所述的光能生物培养系统的光反 应区结构中所述的长隔板和短隔板相对于反应区的中线对称分布。

根据本发明的又一个优选实施例，所述的光能生物培养系统的光反 应区结构中所述的长隔板和短隔板上具有气孔结构。

根据本发明的再一个优选实施例，所述的光能生物培养系统的光反 应区结构中相对于反应区的中线，最外侧的长隔板上无气孔结构。

根据本发明的另一个方面，公开了一种包含上述光反应区结构的光 反应器，其中：所述光反应器包括光反应器主体，可转动的机械轴和支 撑底座，其特征在于：

所述光反应器主体是扁平状立方体封闭式结构，并通过气体进出口 和物料进出口与外部系统连接，所述光反应器主体由两个受光面面板、 顶部边框和底部边框，以及左侧边框和右侧边框组成，所述顶部边框、 底部边框，左侧边框和右侧边框用于固定两个受光面面板；

所述光反应器主体的底部边框通过所述可转动的机械轴与所述支撑 底座连接；

如上述的光反应区结构，所述光反应区被长隔板左右分割为液体上 升区域和液体下降区域；

所述光反应器主体具有进气口和出气口，进气口位于所述光反应器 液体上升区域一侧的边框上，出气口位于光反应器主体的顶部边框上；

所述光反应器主体具有进料口和出料口，进料口与进气口同侧设置， 出料口位于液体下降区域一侧的边框上。

根据本发明的一个优选实施例，其中所述的光反应器中所述的在所 述液体上升区域的底部设置有气体分布器，所述气体分布器通过进气口 与外部进气管路连接。

根据本发明的再一个方面，还公开了一种培养光能生物的方法，该 方法使用上述的光反应器，光合微生物在光反应区内培养和反应，培养 液通过进料口进入光反应器主体，在液体上升区域从反应器底部上升， 至高于长隔板时流入液体下降区域，并通过出料口流出，外部进气管路 提供的气体通过进气口经气体分布器进入光反应区，经过培养液上升， 或同时携带光合微生物产生的气体上升，从培养液释放进入所述光反应 器主体的气体收集区，然后通过出气口排出和收集，光合微生物产生的 液态产物由培养液携带出反应器，经分离提纯装置收集。

本发明公开的光能生物培养系统的光反应器、光反应区结构和培养 光能生物的方法可以实现在光能生物培养过程中，在所述反应区内的反 应物的反应比表面积大、通气性好以及反应物混合均匀、循环性好的优 点。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述， 本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中：

图1是根据本发明的一个优选实施例的一种光能生物培养系统中包 含光反应区结构的光反应器的整体结构示意图。

图2是根据本发明的一个优选实施例的一种光能生物培养系统的光 反应区结构的俯视图。

图3是根据本发明的另一个优选实施例的一种光能生物培养系统的 光反应区结构的俯视图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

为了更好地理解和阐释本发明，下面将参照图1-3对本发明作进一步 的详细描述。

图1是根据本发明的一个优选实施例的一种光能生物培养系统中包 含光反应区结构的光反应器的整体结构示意图。如图1所示，光反应器 包括光反应器主体100，机械轴结构102和支撑底座200。所述光反应器 主体100通过机械轴结构102与支撑底座200连接。所述光反应器主体 100是扁平状立方体封闭式结构，通过气体进出口107、108和物料进出 口109、110与外部系统连接。所述光反应器主体由两个受光面面板101、 顶部边框1101和底部边框1102，以及左侧边框1103和右侧边框1104 组成。所述顶部边框1101、底部边框1102，左侧边框1103和右侧边框 1104用于固定两个受光面面板101。所述支撑底座200是立方体中空结 构。

所述光反应区1056位于光反应器的主体100内，用于培养光合微生 物和收集光合微生物的产物。

光反应区1056中具有并行设置的长隔板结构103和短隔板结构104， 所述光反应区1056位于光反应器的主体100内，所述光反应区1056由液体 上升区域105和液体下降区域106构成。所述长隔板结构103的一端与所述 光反应器主体100的底部边框1102的内表面密封连接，侧面与光反应器主 体100的内面密封连接，另一端与光反应器主体100的顶部边框1101的内 表面间隔一定距离D1。所述短隔板结构104与所述长隔板结构103并行设 置，所述短隔板104的侧面与反应器主体110的内面密封连接，所述短隔 板104与所述底部边框1102的内表面间隔一定距离d，而与所述顶部边框 1101的内表面间隔一定距离D2，其中D2＞D1。具体距离间隔大小可参见图 2所示。

制作长隔板103和短隔板104的材料通常采用金属材料，例如不锈钢、 铝等，也可以采用防腐蚀性较好的化学材料等。根据不同的反应物类型 和光反应环境，可以对材料进行多种选择。

在所述光反应器主体100的底部边框一侧设置有气体分布器111， 在右侧边框1104一侧设置有进气口107，在顶部边框一侧设置有出气口 108。在所述光反应器的实际操作和运行过程中，通过外部进气管路，如 喷气泵等。气体利用进气口107进入气体分布器111，而后通过气体分 布器111表面的气孔喷出，而后与反应物(如料液)混合，发生反应。 气体分布器111通常的形状为扁平状，其内为中空设置。其中，在所述 气体分布器111的一个侧面上布有多个小孔，用于出气。优选地，气体 分布器111为延长至或接近长隔板103端的散气管(如图所示)，散气管 的左右两侧设置有一排散气孔(图中未示出)。

在所述光反应器主体100位于短隔板一侧的底部边框设有进料口 109。水或培养液可以通过水泵等供水系统进入循环系统(属外部系统， 图中未示出)，反应物(光能微生物和/或养料)通过管路系统(属外部 系统，图中未示出)与水混合，而后通过进料口进入光反应器主体100。 当气体通过管路和反应物(光能微生物和/或养料)进入光反应器主体 100后，由于气体的作用，料液被不断搅拌并在光反应器主体100的光 反应区1056的液体上升区域105发生充分反应，而后气体到达光反应器 主体100的气体收集区(图示的液体上升区域105上部的空间)，从出气 口108排出，有用气体经过收集处理。在所述光反应器主体100位于长 隔板103一侧的底部边框1102设有出料口110。用于培养蓝藻等光能生 物的培养液通过进料口109进入光反应器主体100，在液体上升区域105 从反应器底部上升，至高于长隔板103时流入液体下降区域106，并通 过出料口110流出。

在本发明中，培养的光合微生物或其它微生物或植物在培养液中进 行繁殖和光反应，因此培养液停留在光反应器内的部分即构成所述光反 应器主体100的光反应区1056。外部进气管路提供的气体通过气体分布器 111进入光反应区1056，携带从光合微生物或其它微生物或植物产生的气 体上升，从培养液释放，进入所述光反应器主体100的顶部空间，即气体 收集区。

优选的，液体上升区域105的边框上也设置出料口(图中未示出)。 在培养过程中液体上升区域的边框上设置的出料口关闭，而只在清洗反 应器的时候使用。也就是说，在需要清洗反应器(例如发现微生物出现 污染或大量死亡而沉淀的时候)，就停止在进料口的输入，并打开液体 上升区域的边框上设置的出料口，放出培养液。这种设计大大增加了清 洗反应器的效果和效率。

根据本发明的一个方面，在光反应器主体100的顶部边框1101上设置 有多个连接口112(图示为6个，相对于光反应器主体100的中线对称分 布)，用于连接传感器装置。所述传感器装置用于测定所述光反应器的 主体100的受光照强度、温度、光反应器主体100内的气体含量等信息， 由于影响光能微生物的繁殖和生长的因素中，光照和气体含量是影响光 能微生物高密度培养的关键因素。光能生物在不同生长状况下所需要的 光照强度和气体含量不同。基于上述原理，设置了可转动的机械轴102， 这样可以通过机械轴结构102调节光反应器主体100的角度，达到调节光 反应器主体100的受光面101的受光照强度的效果。

支撑底座200如图所示为立方体框架结构，四个底角可以利用塑料 垫脚结构吸附地面，达到支撑光反应器主体100，并固定所述光反应器 100的效果。通常支撑底座200利用金属材料制作，同时在所述支撑底 座200的中间区域可以包含有附属结构(图中未示出)，例如充气机，水 泵等。当然所述附属结构也可以独立于上述结构而在支撑底座外部设置。

图2是根据本发明的一个优选实施例的一种光能生物培养系统的光 反应区结构的俯视图。如图2所示，光反应器主体100包括受光面101、顶 部边框1101和底部边框1102，以及左侧边框1103和右侧边框1104组成， 所述顶部边框1101、底部边框1102，左侧边框1103和右侧边框1104用于 固定受光面101。

光反应区1056(可参见图1，以下相同)内具有并行设置的长隔板103 和多个短隔板结构104，用于培养光合微生物和收集光合微生物的产物。 所述光反应区1056由液体上升区域105和液体下降区域106构成(在图中 分别示出)，所述长隔板结构103的一端与所述光反应器主体100的底部 边框1102的内表面密封连接，侧面与光反应器主体100的内面密封连接， 另一端与光反应器主体100的顶部边框1101的内表面间隔一定距离D1。D1 通常在10-25cm，优选15-20cm。所述短隔板结构104与所述长隔板结构103 并行设置，所述短隔板104的侧面与反应器主体110的内面密封连接，所 述短隔板104与所述底部边框1102的内表面间隔一定距离d。D1通常在 2-5cm，优选3-5cm。所述短隔板104与所述顶部边框1101的内表面间隔一 定距离D2，其中D2＞D1。D2通常在15-30cm，优选20-25cm。

在光反应器主体100内根据培养液被上下划分为光反应区1056和气 体收集区(在液体上升区域105上部的空间)，另外，所述光反应区1056 被长隔板103左右分割为液体上升区域105和液体下降区域106，短隔板 104在液体上升区域105中平行分布，另外，所述长隔板103的侧面与光反 应器主体100的内面密封连接，各短隔板104与光反应器主体100的内面密 封连接。

针对气体分布器111的功能和作用以及位置在图1中已经描述，在此 不再赘述，图2中显示的气体分布器111与图1中相同。其中，当反应物(如 料液)通过进料口(图2中未示出)进入光反应器主体100时可以选择直 接或间接进入光反应器主体100的光反应区1056，反应物在外力作用下 (例如，可以通过泵等机械装置提供外力)不断上升，越过长隔板103 的顶端，通过长隔板103与所述光反应器主体100的上部的间隔，在重力 作用下下降，进入液体下降区域106，而后在重力作用下通过出料口流出 光反应器主体100外。由于光能生物通常以悬浮态生活在料液中，所述的 短隔板104将光反应区1056分割成几个更小的空间，气体在每个空间中均 匀分布，不断上升，给反应物(如料液)提供充足的气体，同时对反应 物(如料液)起到一个搅拌的作用，达到更好的循环效果。

优选地，所述短隔板104上分布有气孔结构，可以使得短隔板104之 间也存在反应物(如料液)之间的混合搅拌反应，从而使得反应物之间 进一步发生二次反应并进一步混合搅拌，达到反应更加充分的效果。

图3是根据本发明的另一个优选实施例的一种光能生物培养系统的 光反应区结构的俯视图。如图3所示，在图2中已经描述的相同的结构在 此不再赘述，其中图3中的长隔板103的数量是2条，沿光反应区1056(可 参见图1，以下相同)的中线位置对称分布，而短隔板104是多条，所述 的长隔板103位于所述光反应器主体100的内部的两端，而多条短隔板104 与所述长隔板103并行设置，且均匀分布于所述的两条长隔板103之间； 气体分布器111的两端分别与两条长隔板103密封连接，当然，也可以与 两条长隔板103之间具有一定距离，同时短隔板104上也可以分布有气孔 结构(图中未示出)。

优选地，所述长隔板的数量不局限为2条，可以有多条，但是最外侧 的两条长隔板上不具有气孔结构，而中间的长隔板结构可以具有气孔结 构。同时，最外侧的两条长隔板的顶部高于中间的其他长隔板，这样可 以在最外侧的两条长隔板之间的区域形成一个大的光反应区，达到反应 物之间的充分的反应和循环搅拌。

更加优选地，所述中间的长隔板也是对称均匀分布的，所述的长隔 板和短隔板相对于反应区的中线对称分布，这样在最外侧两端的长隔板 之间就形成了规则的光反应区，气体和反应物(如料液)可以从两侧边 框或者底部边框上的进气口(未示出)和进料口(未示出)进入，在规 则的光反应区中不断反应、搅拌，达到最佳的充分反应效果。

本发明公开的光能生物培养系统中的光反应区结构正是因为采用了 长短不同的隔板布局，使得在光能生物培养过程中，在所述光反应区内 的反应物的反应比表面积大、通气性好且反应物混合均匀、循环性好。

此外，本发明还公开了一种培养光能生物的方法，该方法使用上述 的光反应器结构，实现培养所述光能生物和收集能源物质(如乙醇等替代 能源产品)的效果。在本发明的一个方面，带有光能生物的培养液通过进 料口进入光反应器主体，在液体上升区域从反应器底部上升，至高于长 隔板时流入液体下降区域，并通过出料口流出。培养液停留在反应器内 的部分即构成所述光反应器主体的光反应区，培养的光能生物在培养液 中进行繁殖和光反应。外部进气管路提供的气体(二氧化碳等碳源)通 过气体分布器进入光反应区，携带从光合微生物或其它微生物或植物产 生的气体(如甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、氢气等)或是易挥发的液体(甲 醇、乙醇等)上升，从培养液释放，进入所述光反应器主体的顶部空间， 即气体收集区。气体从反应器的顶部边框的出气口排出和被收集，用于 替代能源用途。光合微生物产生的液态产物由培养液携带出反应器，经 分离提纯装置收集。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的 细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的 具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是 示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上 述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所 有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所 涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步 骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个部件、单元或装置也 可以由一个部件、单元或装置通过软件或者硬件来实现。