[实用新型]用于空间再生氧气的光生物反应器

说明书

一、技术领域

本实用新型涉及一种再生氧气的光生物反应器，主要应用于空间站、空间实验室、空间永久基地(如月球、火星基地)中CO₂的净化和O₂的再生。

二、背景技术

生命保障系统是载人航天关键技术环节，CO₂的净化和O₂的再生是此关键中的关键。微藻可利用光能进行光合作用再生O₂净化CO₂。光生物反应器作为微藻培养装置是影响微藻生长和再生O₂速率的关键因素。设计一个适合于长期宇宙飞行的藻类培养光生物反应器，对于减少空间运输费用、提高密闭系统的安全可靠性能具有十分重要的意义。

光生物反应器的设计要满足：结构简单，便于空间试验的组装和操作，光能利用率高，最大限度地利用能量，减少未来长期飞行的能源消耗，适合微藻的连续高密度培养。

光生物反应器设计的关键之一是要提供高的光照表面积与体积之比，其目的是提高透光率及藻细胞对光能利用率；设计的另一个关键是选用合适的循环装置，减小剪切力对藻细胞的伤害；此外CO₂的溶解及气液传质、光合放氧时溶氧蓄积与及时排出等气体转移效率及光源品质和形式的选择，都将对光生物反应器高效培养微藻有极大的影响。

目前在生命保障系统中用于微藻培养的密闭光生物反应器主要有气升式(MELISSA，ESA)和板式(BIOS-3，Russia)。气升式光生物反应器避免了剪切力的伤害，但光照面积与体积比较小，如何增大光照面积与体积比，而不影响其他性能，是需要解决的主要问题。板式光生物反应器是组装最简单的一类反应器，便于实现高密度微藻的培养，但传质和传热性能较差。

光生物反应器要取得高密度高效培养，最关键的影响因素是光能转化、气体交换、营养源的连续供给及生物限制因子等。目前广泛使用的光源，如太阳光、金属卤素灯、冷白炽灯等存在许多弊端，为了提高光能转化率，选择高光强、窄光谱、节能、可靠的光源具有重要的意义。

三、技术内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、光能利用率高，培养密度高，易于控制、可用于空间基地等舱室的O₂再生装置。

为达到上述目的，采取的技术方案是：

本实用新型主要包括光生物反应器主体、搅拌装置、营养液加注装置、CO₂供给装置、光照装置、温度控制装置、DO测定探头、pH值测定探头。

所述的光生物反应器主体4采用透光率较好的材料制成，分为光照区402及气液分离区404，光照区的高径比在2.5-5，光照面积和培养体积比值(S/V)在20-50m^-1。反应器顶部设有排气口601，气体从此排出进入气体处理系统15。气液分离区4中部设有排液口405，藻水混合液从此处进入藻水分离器16。光照区的中间位置设有取样口403，底部设有进液口401。

所述的搅拌装置由气体分布器1、搅拌泵控制器13、搅拌泵505、变径504、密封轴承503、连接块502、U型搅拌头501(3个)组成。气体通过气体分布器1进入反应器，气泡上升同时实现对藻水混合液的搅拌，通气量20L/(h·L)；气体分布器1上方是U型搅拌头501，U型搅拌头501用不锈钢丝作芯，包裹塑料管后做成U型固定于连接块502，再与搅拌泵505主轴相连，搅拌速度通过搅拌泵控制器13调节，搅拌速度可以达到200r/min，可以用来培养细胞壁较薄的Spirulina等，不会造成藻类细胞的破碎，同时实现CO₂和藻水混合液的充分混合，并保证藻细胞与光源的充分接触，达到光源的充分利用。

所述的光照装置由光源3和光源控制器2组成，采用目前光效高的发光二极管作为光源，发射光谱较窄但能够覆盖藻类进行光合作用的光谱范围；通过点阵排列于反应器周围，利用光源控制器2控制光照强度。

所述的营养液加注装置由时间控制器18、隔膜泵(循环泵17和加液泵19)、营养液储罐20组成。通过时间控制器18控制循环泵17和加液泵19的工作状态实现藻水混合液在取样口403和进液口401之间的循环以及营养液从储罐向反应器的脉冲式加注，同时防止藻类在循环回路的附着。加液量根据要求可以控制在0.001-0.01L/L，时间间隔可以控制在1-12小时。

所述的温度控制装置由温度探头22、温度控制仪14和风机23组成。当反应器温度超过一定值时风机23开始工作将冷空气吹到光源3和反应器表面，带走多于的热量，实现温度的控制。