專利名稱：薄膜掛袋式單胞藻光生物反應器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光生物反應器及其制作方法，具體涉及一種薄膜掛袋式單胞藻光 生物反應器及其制作方法，適用于生產(chǎn)上作為培養(yǎng)單胞藻的封閉式反應器。
背景技術(shù)：
在單胞藻的三級生產(chǎn)性培養(yǎng)階段，有開放式培養(yǎng)和封閉式培養(yǎng)兩種方式。開放 式培養(yǎng)又包括傳統(tǒng)開放池培養(yǎng)和開放式跑道池培養(yǎng)兩種方式。傳統(tǒng)開放池主要有玻璃鋼 水槽、土池、水泥池等；開放式跑道池即指目前生產(chǎn)上流行的Oswald設(shè)計的跑道池反應器 (Race-way Photobioreactor) 0封閉式培養(yǎng)的光生物反應器又包括板式和管式等種類，但 目前都只是停留在小試或中試階段，尚未有正式應用于生產(chǎn)的報道。上述已有技術(shù)存在的問題和不足在于，開放式培養(yǎng)過程中培養(yǎng)條件難以控制，溫 度、光照強度不穩(wěn)定，水分容易蒸發(fā)。對需培養(yǎng)的藻種要求高，適合培養(yǎng)的藻種不多。培養(yǎng) 時容易受到污染，難以保證單胞藻培養(yǎng)的純度、質(zhì)量和衛(wèi)生要求，無法實現(xiàn)高密度培養(yǎng)。在 開放式培養(yǎng)系統(tǒng)中，機械攪拌還會對單胞藻產(chǎn)生剪切作用使藻體斷裂。封閉式培養(yǎng)裝置過 于復雜，成本和適用性問題一直成為制約單胞藻培養(yǎng)向生產(chǎn)性培養(yǎng)轉(zhuǎn)變的“瓶頸”。出現(xiàn)以上問題和不足的原因在于，開放式培養(yǎng)因為與外界環(huán)境接觸較多，易受外 界溫度、空氣、光照強度及光照周期變化的影響。培養(yǎng)環(huán)境的不穩(wěn)定給待培養(yǎng)的藻種提出了 較高的要求。外界灰塵、昆蟲、細菌、原生動物及其他藻種的影響，而容易受到污染。在開放 式系統(tǒng)中，單胞藻在水體中分布不均勻，也容易沉淀，不能充分利用陽光和進行氣體交換， 必須進行機械攪拌。本領(lǐng)域現(xiàn)有的平板式、管式光生物反應器過于復雜，且在培養(yǎng)單胞藻時 不具備便捷、簡單、有效、成本低的特點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種薄膜掛袋式單胞藻光生物反應器及其制作方法，以克服 現(xiàn)有技術(shù)的不足。薄膜掛袋式單胞藻光生物反應器，包括一個底部帶有倒圓錐狀的氣升部的中空透 明柱狀體，該柱狀體的頂端封閉且設(shè)有懸掛結(jié)構(gòu)，所述的氣升部底端接有充氣管，所述的柱 狀體的外側(cè)面自上而下依次設(shè)有料液進入管和藻液排出管，且氣升部和藻液排出管之間為 單胞藻生長部，位于料液進入管和藻液排出管之間為緩沖部?？紤]到加入液體時便于確定單胞藻和營養(yǎng)鹽的合適比例，在單胞藻生長部的外側(cè) 面，從下往上依次在1/3、1/2、2/3處，以及藻液排出管和單胞藻生長部的連接處分別設(shè)有 環(huán)狀或弧狀的標志線?？紤]到單胞藻在反應器中的均勻分布，使單胞藻在反應器中能充分與二氧化碳和 氧氣和營養(yǎng)鹽充分接觸，單胞藻在反應器中的分布沒有死角，氣升部設(shè)計成倒圓錐形狀。同 時，考慮到鼓氣的特點和結(jié)構(gòu)的整體效果，氣升部的高度是單胞藻生長部高度的1/10 1/5。
考慮到便于通過料液進入管加注料液，防止培養(yǎng)液倒流入料液進入管，同時便于 藻液排出管排出成熟的單胞藻，而且能在反應進行過程中，起到緩沖二氧化碳的作用，料液 進入管和藻液排出管需保持適當距離，二者之間為緩沖部，緩沖部的高度是單胞藻生長部 高度的1/5 1/3。為了確保單胞藻在生長時得到足夠的陽光，本發(fā)明采用透光率在75%以上的塑料 薄膜制作，該透光率在75%以上的塑料薄膜可以是低密度聚乙烯。考慮到較好地固定光生物反應器的主體結(jié)構(gòu)，并使之能脫離地面，防止反應器受 到破損，柱狀體的頂端設(shè)有懸掛結(jié)構(gòu)。所述的懸掛結(jié)構(gòu)可以是掛鉤或吊環(huán)。制作本發(fā)明時，首先，選高度在1 ail之間、直徑在100 500mm之間且上下端開 放的薄膜筒狀體，在該筒狀體的下端口上標注兩個相互對稱的下標記點，在兩個下標記點 以上0. 5 1. 5個直徑高度的外側(cè)面上標注兩個上標記點，在兩個下標記點連線兩側(cè)的下 端口上標注兩個相互對稱的弧線段；將一個弧線段的兩個端點與另一個弧線段的端點分別 對接而形成周長與充氣管相吻合的開口 ；沿著弧線段對接后的端點與該端點一側(cè)的上標記 點將筒狀體的外側(cè)面熱封在一起，即形成了倒圓錐狀的氣升部；將充氣管與上述開口固接 在一起；再依次將藻液排出管和料液進入管道入氣升部上方的筒狀體外側(cè)面上；最后將筒 狀體的上端口封閉即可。本發(fā)明具有投資少、成功率高、安裝方便、操作簡單、占地面積小、設(shè)備靈活便于移 動、規(guī)?？梢噪S生產(chǎn)需要隨意控制、操作簡單等優(yōu)點，既可進行小量大面積培養(yǎng)，也可實現(xiàn) 生產(chǎn)性培養(yǎng)。尤其是本發(fā)明可以使用可降解的低密度聚乙烯為材料，作一次性使用，因而減 少了培養(yǎng)過程中清理和維護的費用，極大地降低了成本。本發(fā)明在設(shè)計制作過程中充分考 慮到了單胞藻的培養(yǎng)和生長中的具體特性，著重在單胞藻規(guī)?；a(chǎn)上提高生產(chǎn)效率，簡 化了許多次要結(jié)構(gòu)，而只保留下對單胞藻的培養(yǎng)和生長最不可或缺的部件，同時考慮大批 量生產(chǎn)時面臨的成本和空間問題，兼顧了降低反應器自身的制作成本、簡化反應器的操作， 以及提高單胞藻的生產(chǎn)效率等一系列因素。


圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明以筒狀薄膜制作氣升部的示意圖。圖3是本發(fā)明以筒狀薄膜制成氣升部之后的示意圖。其中，1、氣升部，2、柱狀體，3、懸掛結(jié)構(gòu)，4、充氣管，5、料液進入管，6、藻液排出管， 7、單胞藻生長部，8、緩沖部，9、標志線，10、單胞藻，11、上標記點，12、下標記點，13、弧線段。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明包括一個底部帶有倒圓錐狀的氣升部1的中空透明柱狀體2， 該柱狀體2的頂端設(shè)有懸掛結(jié)構(gòu)3，所述的氣升部1底端接有充氣管4，所述的柱狀體2的 外側(cè)面自上而下依次設(shè)有料液進入管5和藻液排出管6，且氣升部1和藻液排出管6之間為 單胞藻生長部7，位于料液進入管5和藻液排出管6之間為緩沖部8。上述單胞藻生長部7的外側(cè)面，從下往上依次在1/3、1/2、2/3，以及藻液排出管6 和單胞藻生長部7的連接處分別設(shè)有環(huán)狀或弧狀的標志線9。進行單胞藻的連續(xù)培養(yǎng)時，便于在單胞藻生長部1/3處時以單胞藻藻種的比例較高；從1/3 1/2處單胞藻的濃度適當 降低，營養(yǎng)鹽的濃度相應加大；從2/3處到藻液排出管6和單胞藻生長部7的連接處，以補 充營養(yǎng)鹽為主，因為此時是單胞藻利用光合作用進行分裂生殖為主?？紤]到單胞藻在反應器中的均勻分布，使單胞藻在反應器中能充分與二氧化碳 和氧氣和營養(yǎng)鹽充分接觸，單胞藻在反應器中的分布沒有死角，氣升部1設(shè)計成倒圓錐形 狀。同時，考慮到鼓氣的特點和結(jié)構(gòu)的整體效果，氣升部1的高度是單胞藻生長部高度的 1/10 1/5?？紤]到便于通過料液進入管5加注料液，防止培養(yǎng)液倒流入料液進入管5，同時便 于藻液排出管6排出成熟的單胞藻，而且能在反應進行過程中，起到緩沖二氧化碳的作用， 位于料液進入管5和藻液排出管6之間為緩沖部，且緩沖部8的高度是單胞藻生長部7高 度的1/5 1/3。該反應器可以采用透光率在75%以上的材料制作而成，如低密度聚乙烯?？紤]到單胞藻能在充足的二氧化碳和氧氣的環(huán)境下在溶液中均勻分布，有效地進 行光合作用與呼吸，從氣升部底部以氣升式鼓氣的方法往上充入二氧化碳與空氣的混合氣。本發(fā)明所述的薄膜掛袋式單胞藻光生物反應器的一種制作方法，包括以下步驟如圖2、3所示，首先，選高度在1 an之間、直徑在100 500mm之間且上下端開 放的薄膜筒狀體，在該筒狀體的下端口上標注兩個相互對稱的下標記點12，在兩個下標記 點12以上0. 5 1. 5個直徑高度的外側(cè)面上標注兩個上標記點11，在兩個下標記點12連 線兩側(cè)的下端口上標注兩個相互對稱的弧線段13 ；將一個弧線段13的兩個端點與另一個 弧線段13的端點分別對接而形成周長與充氣管4相吻合的開口 ；沿著弧線段13對接后的 端點與該端點一側(cè)的上標記點11將筒狀體的外側(cè)面熱封在一起，即形成了倒圓錐狀的氣 升部1 ；將充氣管4與上述開口固接在一起；再依次將藻液排出管6和料液進入管5通入氣 升部1上方的筒狀體外側(cè)面上；最后將筒狀體的上端口封閉即可。上述的將充氣管4與開口固接在一起，以及將藻液排出管6和料液進入管5通入 筒狀體外側(cè)面上，均可以采用熱封的方式；為了簡單起見，上端口可以捏合在一起而封閉。 如圖3所示，由于上端口已封閉，所以使用時可以將筒狀體的上段作為懸掛結(jié)構(gòu)3以打結(jié)的 方式綁固在培養(yǎng)掛架上，從而省去了掛鉤、吊環(huán)之類的懸掛結(jié)構(gòu)。另外，還可以采用其他制作方式，如分段制作氣升部1、柱狀體2，然后將各個部分 熱封在一起。本發(fā)明可以選擇不同的材料制作，通常采用可降解的低密度聚乙烯為材料制作的 可以作為一次性反應器。實施例1 :以低密度聚乙烯為材料。整個反應器采用透光率在75%以上的低密度聚乙烯材料采用上述方法制作而成。 所述的柱狀體2內(nèi)徑150mm，高度1200mm，其中單胞藻生長部7高度900mm，緩沖部8高度 300mm，倒圓錐形的氣升部1底面半徑150mm，高度90mm，且緩沖部8頂端封閉。懸掛結(jié)構(gòu)縱 向尺寸600mm，內(nèi)徑150mm。因低密度聚乙烯具有良好的韌性，所述的懸掛結(jié)構(gòu)3可以是柱 狀體2頂部的延伸，即把長出所需1200mm高度的部分打結(jié)即可用于懸掛。在氣升部1的倒圓錐形頂端設(shè)有充氣管4，充氣管4與氣升部1無縫隙連接；從下
5而上在單胞藻生長部7的1/3、1/2、2/3處、以及藻液排出管6和單胞藻生長部7的連接處 分別標有環(huán)狀或弧狀的標志線9。在柱狀體2的外側(cè)面自上而下依次設(shè)有料液進入管5和 藻液排出管6，均與柱狀體2外側(cè)面無縫隙連接。 在外界自然光或者人工光源的照射下，單胞藻生長時，通過氣升部底端充氣管不 斷充入含有(X)2和空氣的混合氣體，為單胞藻的生長提供氣升式攪拌，使單胞藻、營養(yǎng)鹽和 氣體達到三相平衡，利于單胞藻的生長。之后，生長成熟的單胞藻會隨著氣升式攪拌和營養(yǎng) 鹽的不斷加入，通過藻液排出管進入收集系統(tǒng)。連續(xù)加注培養(yǎng)液和藻種、氣升部不斷充入 CO2和空氣的混合氣體進行氣升攪拌、藻液排出管不斷將成熟的單胞藻排入收集系統(tǒng)，三者 形成有機連續(xù)的一個系統(tǒng)，可以不斷地生產(chǎn)出成熟的單胞藻。這種培養(yǎng)方式，可減少單胞藻 死亡、老化和下沉，以及營養(yǎng)鹽濃度過大等問題。
權(quán)利要求
1.一種薄膜掛袋式單胞藻光生物反應器，其特征在于該反應器包括一個底部帶有倒圓 錐狀的氣升部(1)的中空透明柱狀體O)，該柱狀體O)的頂端封閉且設(shè)有懸掛結(jié)構(gòu)(3)， 所述的氣升部(1)底端接有充氣管G)，所述的柱狀體( 的外側(cè)面自上而下依次設(shè)有料液 進入管( 和藻液排出管(6)，且氣升部(1)和藻液排出管(6)之間為單胞藻生長部(7)， 位于料液進入管( 和藻液排出管(6)之間為緩沖部(8)。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜掛袋式單胞藻光生物反應器，其特征在于在上述單胞藻 生長部(7)的外側(cè)面，從下往上依次在1/3、1/2、2/3，以及藻液排出管(6)與單胞藻生長部(7)的連接處分別設(shè)有環(huán)狀或弧狀的標志線(9)。
3.如權(quán)利要求1所述的薄膜掛袋式單胞藻光生物反應器，其特征在于上述氣升部(1) 的高度是單胞藻生長部(7)高度的1/10 1/5。
4.如權(quán)利要求1所述的薄膜掛袋式單胞藻光生物反應器，其特征在于上述料液緩沖部(8)的高度是單胞藻生長部(7)高度的1/5 1/3。
5.如權(quán)利要求1所述的薄膜掛袋式單胞藻光生物反應器，其特征在于上述氣升部(1)、 柱狀體O)以及充氣管、料液進入管( 和藻液排出管(6)是透光率在75%以上的塑 料薄膜制作而成。
6.如權(quán)利要求5所述的薄膜掛袋式單胞藻光生物反應器，其特征在于上述透光率在 75 %以上的塑料薄膜是低密度聚乙烯。
7.權(quán)利要求1所述的薄膜掛袋式單胞藻光生物反應器的一種制作方法，其特征在于該 方法包括以下步驟首先，選高度在1 an之間、直徑在100 500mm之間且上下端開放的薄膜筒狀體，在 該筒狀體的下端口上標注兩個相互對稱的下標記點(12)，在兩個下標記點(1 以上0.5 1.5個直徑高度的外側(cè)面上標注兩個上標記點(11)，在兩個下標記點(1 連線兩側(cè)的下 端口上標注兩個相互對稱的弧線段(13)；將一個弧線段(13)的兩個端點與另一個弧線段 (13)的端點分別對接而形成周長與充氣管(4)相吻合的開口 ；沿著弧線段(13)對接后的 端點與該端點一側(cè)的上標記點(11)將筒狀體的外側(cè)面熱封在一起，即形成了倒圓錐狀的 氣升部(1)；將充氣管(4)與上述開口固接在一起；再依次將藻液排出管(6)和料液進入管 (5)通入氣升部(1)上方的筒狀體外側(cè)面上；最后將筒狀體的上端口封閉即可。
8.如權(quán)利要求7所述的制作方法，其特征在于所述的將筒狀體的上端口封閉是將上端 口捏合在一起而封閉。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種薄膜掛袋式單胞藻光生物反應器及其制作方法。該反應器包括一個底部帶有倒圓錐狀的氣升部的中空透明柱狀體，該柱狀體的頂端封閉且設(shè)有懸掛結(jié)構(gòu)，氣升部底端接有充氣管，柱狀體的外側(cè)面自上而下依次設(shè)有料液進入管和藻液排出管，且氣升部和藻液排出管之間為生長部，位于料液進入管和藻液排出管之間為緩沖部。制作時可將筒狀薄膜的下端制成倒圓錐狀的氣升部，將頂端封閉，并在筒狀薄膜的側(cè)面依次接入充氣管、料液進入管和藻液排出管即可。本發(fā)明具有投資少、成功率高、安裝方便等優(yōu)點，在功能性和生產(chǎn)性能以及成本和操作方面取得了平衡，既可進行小量大面積培養(yǎng)，也可實現(xiàn)生產(chǎn)性培養(yǎng)。
文檔編號C12M1/00GK102086437SQ20101057072
公開日2011年6月8日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者宮慶禮, 赫勇, 鄧志科 申請人:中國海洋大學