專利名稱：用于空間再生氧氣的光生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種再生氧氣的光生物反應(yīng)器，主要應(yīng)用于空間站、空間實(shí)驗(yàn)室、空間永久基地(如月球、火星基地)中CO2的凈化和O2的再生。
背景技術(shù)：
生命保障系統(tǒng)是載人航天關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，CO2的凈化和O2的再生是此關(guān)鍵中的關(guān)鍵。微藻可利用光能進(jìn)行光合作用再生O2凈化CO2。光生物反應(yīng)器作為微藻培養(yǎng)裝置是影響微藻生長(zhǎng)和再生O2速率的關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)一個(gè)適合于長(zhǎng)期宇宙飛行的藻類培養(yǎng)光生物反應(yīng)器，對(duì)于減少空間運(yùn)輸費(fèi)用、提高密閉系統(tǒng)的安全可靠性能具有十分重要的意義。
光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于空間試驗(yàn)的組裝和操作，光能利用率高，最大限度地利用能量，減少未來(lái)長(zhǎng)期飛行的能源消耗，適合微藻的連續(xù)高密度培養(yǎng)。
光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一是要提供高的光照表面積與體積之比，其目的是提高透光率及藻細(xì)胞對(duì)光能利用率；設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵是選用合適的循環(huán)裝置，減小剪切力對(duì)藻細(xì)胞的傷害；此外CO2的溶解及氣液傳質(zhì)、光合放氧時(shí)溶氧蓄積與及時(shí)排出等氣體轉(zhuǎn)移效率及光源品質(zhì)和形式的選擇，都將對(duì)光生物反應(yīng)器高效培養(yǎng)微藻有極大的影響。
目前在生命保障系統(tǒng)中用于微藻培養(yǎng)的密閉光生物反應(yīng)器主要有氣升式(MELISSA，ESA)和板式(BIOS-3，Russia)。氣升式光生物反應(yīng)器避免了剪切力的傷害，但光照面積與體積比較小，如何增大光照面積與體積比，而不影響其他性能，是需要解決的主要問(wèn)題。板式光生物反應(yīng)器是組裝最簡(jiǎn)單的一類反應(yīng)器，便于實(shí)現(xiàn)高密度微藻的培養(yǎng)，但傳質(zhì)和傳熱性能較差。
光生物反應(yīng)器要取得高密度高效培養(yǎng)，最關(guān)鍵的影響因素是光能轉(zhuǎn)化、氣體交換、營(yíng)養(yǎng)源的連續(xù)供給及生物限制因子等。目前廣泛使用的光源，如太陽(yáng)光、金屬鹵素?zé)?、冷白熾燈等存在許多弊端，為了提高光能轉(zhuǎn)化率，選擇高光強(qiáng)、窄光譜、節(jié)能、可靠的光源具有重要的意義。
三、技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光能利用率高，培養(yǎng)密度高，易于控制、可用于空間基地等艙室的O2再生裝置。
為達(dá)到上述目的，采取的技術(shù)方案是本發(fā)明主要包括光生物反應(yīng)器主體4、光照系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液加注系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、溫度測(cè)定和控制系統(tǒng)、DO、pH測(cè)定裝置。
所述的光生物反應(yīng)器主體4采用透光率較好的材料制成，分為光照區(qū)402及氣液分離和數(shù)據(jù)測(cè)量區(qū)404，光照區(qū)高徑比在2.5-5，光照面積和培養(yǎng)體積比值(S/V)在20-50m-1。反應(yīng)器頂部設(shè)有排氣口601，氣體從此排出進(jìn)入氣體處理系統(tǒng)15。氣液分離和數(shù)據(jù)測(cè)量區(qū)4中部設(shè)有排液口405，藻水混合液從此處進(jìn)入藻水分離器16。光照區(qū)中間位置設(shè)有取樣口403，底部設(shè)有進(jìn)液口401。
所述的攪拌系統(tǒng)由氣體分布器1、攪拌泵控制器13、攪拌泵505、變徑504、密封軸承503、連接塊502、U型攪拌頭501(3個(gè))組成。U型攪拌頭501用不銹鋼絲作芯，包裹塑料管后做成U型固定于連接塊502，再與攪拌泵505主軸相連，攪拌速度通過(guò)攪拌泵控制器13調(diào)節(jié)，，攪拌速度可以達(dá)到200r/min，可以用來(lái)培養(yǎng)細(xì)胞壁較薄的Spirulina等，不會(huì)造成藻類細(xì)胞的破碎，同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2和藻液的充分混合，并保證藻細(xì)胞與光源的充分接觸，達(dá)到光源的充分利用；氣體通過(guò)氣體分布器1進(jìn)入反應(yīng)器，氣泡上升實(shí)現(xiàn)攪拌，通氣量20L/h·L。
所述的光照系統(tǒng)由光源3和光源控制器2組成，采用目前光效較高的LED作為光源，發(fā)射光譜比較窄但能夠覆蓋藻類進(jìn)行光合作用的光譜范圍；通過(guò)點(diǎn)陣排列于反應(yīng)器周?chē)?，利用光源控制?控制照度值。
所述的營(yíng)養(yǎng)液加注系統(tǒng)由時(shí)間控制器18、隔膜泵(循環(huán)泵17和加液泵19)、營(yíng)養(yǎng)液儲(chǔ)罐20組成。通過(guò)時(shí)間控制器18控制循環(huán)泵17和加液泵19的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)藻水混合液在取樣口403和進(jìn)液口401之間的循環(huán)以及營(yíng)養(yǎng)液從儲(chǔ)罐向反應(yīng)器的脈沖式加注，同時(shí)防止藻類在循環(huán)回路的附著。加液量根據(jù)要求可以控制在0.001-0.01L/L，時(shí)間間隔可以控制在1-12小時(shí)。
所述的溫度控制系統(tǒng)由溫度探頭22、溫度控制儀14和風(fēng)機(jī)23組成。當(dāng)反應(yīng)器溫度超過(guò)一定值時(shí)風(fēng)機(jī)23開(kāi)始工作將冷空氣吹到光源3和反應(yīng)器表面，帶走多于的熱量，實(shí)現(xiàn)溫度的控制。
所述的供氣系統(tǒng)由CO2氣瓶8、空氣壓縮泵7、氣體流量計(jì)9，氣體混合裝置10和過(guò)濾器21組成。通過(guò)CO2氣瓶8和空氣壓縮泵7，利用流量計(jì)9模擬空間艙室的大氣組成，控制CO2濃度在一定值，混合通過(guò)過(guò)濾器21濾掉細(xì)菌后通入光生物反應(yīng)器主體4。在實(shí)際應(yīng)用中可以直接通入生活艙的氣體。
所述的DO測(cè)定探頭25和pH值測(cè)定探頭24和溫度探頭22安裝在反應(yīng)器頂部，深入到排液口405位置以下。
四

圖1為本發(fā)明連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明光生物反應(yīng)器主體正視圖；圖3為本發(fā)明攪拌裝置示意圖；
圖4為本發(fā)明反應(yīng)器頂板示意圖。
附圖標(biāo)記1-氣體分布器；2-光源控制器；3-光源；4-光生物反應(yīng)器主體；5-攪拌裝置；6-反應(yīng)器頂板；7-空氣壓縮機(jī)；8-CO2氣瓶；9-氣體流量計(jì)；10-氣體混合裝置；11-pH計(jì)；12-溶氧儀；13-攪拌泵控制器；14-溫度控制儀；15-氣體處理系統(tǒng)；16-藻水分離器；17-循環(huán)泵；18-時(shí)間控制器；19-加液泵；20-儲(chǔ)液罐；21-過(guò)濾器；22-溫度探頭；23-風(fēng)機(jī)；24-pH探頭；25-DO探頭；401-進(jìn)液口；402-光照區(qū)；403-取樣口；404-氣液分離和數(shù)據(jù)測(cè)量區(qū)；405-排液口；501-U型攪拌頭；502-連接塊；503-密封軸承；504-變徑；505-攪拌泵；506-攪拌泵支架；601-排氣口；602-攪拌泵支架加固塊；603-螺絲孔；604-進(jìn)氣孔；605-pH探頭安裝孔；606-DO探頭安裝孔；607-溫度探頭安裝孔。
五具體實(shí)施例方式
本發(fā)明主要包括光生物反應(yīng)器主體、光照系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液加注系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、溫度測(cè)定和控制系統(tǒng)、DO、pH測(cè)定裝置組成。其中光生物反應(yīng)器主體4采用透光率較好的材料制成，分為光照區(qū)402及氣液分離和數(shù)據(jù)測(cè)量區(qū)404，氣液分離和數(shù)據(jù)測(cè)量區(qū)404中部設(shè)有排液口405，藻水混合液從此處進(jìn)入藻水分離器16。光照區(qū)中間位置設(shè)有取樣口403，底部設(shè)有進(jìn)液401口；攪拌系統(tǒng)由氣體分布器1、攪拌泵控制器13、攪拌泵505、變徑504、密封軸承503、連接塊504、U型攪拌頭501(3個(gè))組成；光照系統(tǒng)由光源3和光源控制器2組成；營(yíng)養(yǎng)液加注系統(tǒng)由時(shí)間控制器18、隔膜泵(循環(huán)泵17和加液泵19)、營(yíng)養(yǎng)液儲(chǔ)罐組成20；溫度控制系統(tǒng)由溫度探頭22、溫度控制儀14和風(fēng)機(jī)23組成；供氣系統(tǒng)由CO2氣瓶8、空氣壓縮泵7、氣體流量計(jì)9，氣體混合裝置10和過(guò)濾器21組成；反應(yīng)器頂部設(shè)有DO測(cè)定探頭25和pH值的測(cè)定探頭24。
連續(xù)運(yùn)行時(shí)，事先配制的營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)加液泵19和循環(huán)泵17在時(shí)間控制器18的控制下脈沖式加注；通過(guò)CO2氣瓶8和空氣壓縮泵7，利用流量計(jì)9模擬空間艙室的大氣組成，控制CO2濃度在一定值，混合通過(guò)過(guò)濾器21濾掉細(xì)菌后通入光生物反應(yīng)器，通過(guò)U型攪拌頭501的機(jī)械攪拌使之與藻水混合液均勻混合，促進(jìn)傳質(zhì)；所需光照度通過(guò)光源3和光源控制器2控制；藻水混合液由排液口505排出進(jìn)入藻水分離器16，氣體由排氣口601排出進(jìn)入氣體處理裝置15。本發(fā)明用于空間再生氧氣的光生物反應(yīng)器，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的LED光源實(shí)現(xiàn)了較高的光能利用率，采用的攪拌裝置能夠使CO2和微藻細(xì)胞充分的接觸，有利于光合作用的進(jìn)行，采用脈沖式加液實(shí)現(xiàn)了微藻的連續(xù)高密度培養(yǎng)和O2的再生。
權(quán)利要求
1.一種用于空間再生氧氣的光生物反應(yīng)器，包括光生物反應(yīng)器主體、光照系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液加注系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、溫度測(cè)定和控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于空間再生氧氣的光生物反應(yīng)器，其特征在于光生物反應(yīng)器主體分為光照區(qū)及氣液分離和數(shù)據(jù)測(cè)量區(qū)。光照區(qū)高徑比2.5-5，光照面積和培養(yǎng)體積比值(S/V)在20-50m-1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于空間再生氧氣的光生物反應(yīng)器，其特征在于攪拌系統(tǒng)采用雙重?cái)嚢?1)機(jī)械攪拌，采用較柔和的U型攪拌頭，攪拌速度可以達(dá)到200r/min，可以用來(lái)培養(yǎng)細(xì)胞壁較薄的Spirulina等，不會(huì)造成藻類細(xì)胞的破碎，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了固液氣的充分混合，并保證了光能的有效利用。(2)氣體攪拌，通氣量20L/h·L。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于空間再生氧氣的光生物反應(yīng)器，其特征在于營(yíng)養(yǎng)液加注系統(tǒng)通過(guò)時(shí)間控制器控制循環(huán)泵和加液泵的工作狀態(tài)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液的脈沖式加注，加液量根據(jù)要求可以控制在0.001-0.01L/L，時(shí)間間隔可以控制在1-12小時(shí)，實(shí)現(xiàn)了微藻的連續(xù)培養(yǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于空間再生氧氣的光生物反應(yīng)器。該光生物反應(yīng)器屬于微藻生物技術(shù)領(lǐng)域，主要包括光生物反應(yīng)器主體、光照系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液加注系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、溫度測(cè)定和控制系統(tǒng)、DO、pH測(cè)定裝置。該發(fā)明利用時(shí)間控制器定時(shí)向反應(yīng)器中加入一定量的營(yíng)養(yǎng)液，通入的CO
文檔編號(hào)C12M3/00GK101033449SQ20061016209
公開(kāi)日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2006年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月12日
發(fā)明者劉紅, 楊晨亮 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)