[发明专利]一种气升式环流光生物反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种内外光源同时照射下降段的气升式环流光生物反应器，属于生物化工领域。该反应器特别适合于微藻的培养，从而可用于制备生物柴油，生产药品和食品等高经济附加值产品以及固定二氧化碳，达到环境保护的目的。

背景技术

气升式环流反应器是一种新型的反应设备，由于其高效的传热传质特性和良好的混合特性，在生物、化学和环境工程中得到了很广泛的应用。气升式环流反应器主要由上升管、下降管和气液分离区三部分组成，其结构简单，无搅拌装置。在整个反应过程中，反应器内相含率分布、液体循环速率等是影响气液传质传热的关键变量。

目前，微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。开放式光生物反应器构建简单、成本低廉及操作简便，但存在易受污染、培养条件不稳定等缺点。封闭式反应器培养条件稳定，可无菌操作，易进行高密度培养，已成为今后的发展方向。与开放式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器具有以下优点：(1)无污染，能实现单种、纯种培养；(2)培养条件易于控制；(3)培养密度高，易收获；(4)适合于所有微藻的光自养培养，尤其适合于微藻代谢产物的生产；(5)有较高的光照面积与培养体积之比，光能和CO₂利用率较高等突出优点。因此，近年来在国外研制和开发利用较快，已实现了高密度商业化培养。目前一般封闭式光生物反应器有：管道式、平板式、柱状气升式等。

与其它各类光生物反应器比较，气升式反应器的优点是：①造价低、易操作、实用性强，可在无人值守条件下长期运转；②占地面积小，光能利用效率和产量高；③结构简洁，可防止藻类附壁、缠绕和形成死角，有利于长期培养；④搅拌装置湍动温和均匀，剪切力小，不损伤藻类，循环速度高并形成湍流，提高光能利用效率，可实现高密度培养；⑤培养液无氧饱和，温度不会异常升高，不需要附加脱氧装置，不需要采用附加的降温装置和措施。

CN 2748464Y涉及一种用于藻类及其它光合生物细胞悬浮培养的气升式光生物反应器。气体分布器采用圆形多孔气体分布板式气体分布器，气体分布器的下端为锥面或球面，将内光源密封管设计成具有一段凸起或两个凸环的结构，使内光源密封管能够更加稳固；在反应器罐体的外面安装一圈灯罩，使外光源能集成在灯罩内。采用内外光源相结合的照光方式，适用于光合生物细胞培养及相关代谢产物的生产。

CN 102352304A涉及一种光强在线调控的气升式光生物反应器，包括反应器筒体内设的光源玻璃筒和导流筒筒体，反应器筒体侧壁的辐射仪接口组件，以及反应器外设的光调控系统。所述光源玻璃筒采用导流筒外环隙内置的方式，所述导流筒筒体与上盖及光源玻璃筒连接成整体并采用机械化轨道的升降方式；所述辐射仪接口组件可与球状辐射仪配合使用；所述光调控系统通过可进行PLC控制的智能可控直流电源，进行LED光源光强的在线调节。

气升式环流光生物反应器已被逐渐用于生物化工领域。例如，微藻通过光合作用合成的油脂是一种制备生物柴油的大宗原料。光能是微藻生物柴油的唯一能量来源，微藻反应器中的光分布对微藻的生长速率和产量有着巨大的影响。气升式环流反应器作为微藻合成油脂的光生物反应器，一般来说，液相下降段中的微藻处于有光区，但上升段的微藻处于无光区。微藻在光区和暗区之间间断运行，形成闪光效应，可以促进微藻的生长。因此，下降段中的光强的衰减分布比较重要。除此以外，与搅拌式反应器相比，气升式环流反应器不需要搅拌装置，因此可以减小能量的投入和降低微藻污染的风险。气升式环流反应器中氧气和二氧化碳可以得到有效的交换，且流场稳定，较小的剪切力也可以减小对微藻的损耗，因此在微藻培养中广泛使用。

由于微藻细胞对光照条件的变化比较敏感，光强的改变对微藻的生长有明显的影响，例如，最适宜紫球藻生长的光强约为100μEm^-2s^-1到200μEm^-2s^-1。如光强太弱，微藻生长中所需光照不足，引起微藻生长速率较低；如光强太强，部分光合作用单元处于光抑制状态从而无法进行光合作用，同样使光合作用效率降低，微藻生长缓慢。因此在光生物反应器中反应器结构设计及其光源的布局非常重要。