專利名稱：空間微藻光生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型應(yīng)用于長(zhǎng)期載人航天環(huán)控生保技術(shù)研究領(lǐng)域，特別涉及載人航 天空間條件下微藻培養(yǎng)和微藻生理生化研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
建立安全可靠的長(zhǎng)期載人環(huán)控生保系統(tǒng)，是未來人類空間飛行和地外星球 定居與開發(fā)等飛行任務(wù)成功的關(guān)鍵。通過生物技術(shù)，模擬自然生態(tài)學(xué)的原理， 在地外建立生物再生式生保系統(tǒng)，是目前國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。
在生物再生式生保系統(tǒng)中，微藻作為其中的關(guān)鍵生物部件，不僅能提供氧 氣和營(yíng)養(yǎng)豐富的藻類蛋白，而且還具有清除系統(tǒng)中二氧化碳等廢氣和凈化廢水
的功能。針對(duì)空間環(huán)境條件特點(diǎn)，如何進(jìn)行微藻培養(yǎng)？目前，美、俄和歐空局 已在研制幾種微藻光生物反應(yīng)器，但未見相關(guān)技術(shù)的報(bào)道。我國(guó)在微藻光生物 反應(yīng)器研制方面的工作，主要集中于微藻的地面條件培養(yǎng)。針對(duì)空間微重力條 件微藻培養(yǎng)裝置的研制，目前國(guó)內(nèi)還未見相關(guān)報(bào)道。
目前的地面微藻培養(yǎng)裝置不能適用于空間環(huán)境使用。比如反應(yīng)器主體大 多采用開放式設(shè)計(jì)，這不能適應(yīng)空間密封環(huán)境的需要；其二氧化碳的添加采用 鼓泡形式直接在培養(yǎng)液中添加，但由于空間環(huán)境是^L重力或無重力環(huán)境，使很 C02難融入到培養(yǎng)基，這樣造成C02利用率低；此外，《效重力條件下的氣/液分 離主要采取動(dòng)態(tài)離心的方法進(jìn)行，巨大的離心力將嚴(yán)重?fù)p傷藻體細(xì)胞，這種方 法顯然不適合藻類等活性生物體的培養(yǎng)。因此這些方式都不能適用于空間環(huán)境。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型需要解決的主要技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)不足，針對(duì)空間微 重力條件的特點(diǎn)，提供一種空間微藻培養(yǎng)過程中反應(yīng)器主體內(nèi)藻體/培養(yǎng)、^/二氧 化碳?xì)怏w三相均勻分布、高效供應(yīng)培養(yǎng)液中二氧化碳?xì)怏w、能脫除藻液中溶解氧的空間微藻光生物反應(yīng)器。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是空間微藻光生物反應(yīng)器，包括反應(yīng)器主體、 光源供應(yīng)組件、藻液循環(huán)回路、溶解氧脫除組件、二氧化碳供應(yīng)組件、溫度控 制組件、循環(huán)泵和參數(shù)測(cè)量控制組件；反應(yīng)器主體、循環(huán)泵、溶解氧脫除組件、 二氧化石友供應(yīng)組件和溫度控制組件沿藻液循環(huán)方向依次連接在藻液循環(huán)回路 上；光源供應(yīng)組件位于反應(yīng)器主體上下兩側(cè)；參數(shù)測(cè)量控制組件包括參數(shù)測(cè)量 裝置和參數(shù)控制單元；參數(shù)測(cè)量裝置連接在藻液循環(huán)回路上的反應(yīng)器主體之后， 參數(shù)控制單元通過電信號(hào)分別與光源供應(yīng)組件、溫度控制組件、二氧化碳供應(yīng) 組件和溶解氧脫除組件連接。
所述的反應(yīng)器主體采取臥式反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)，反應(yīng)釜的攪拌器采用左右平衡的 兩片螺旋漿葉形式。
所述的循環(huán)泵為隔膜泵，其泵頭不直接接觸藻液。
循環(huán)泵的最大功率為40W，最大流速為5.0升/分鐘。
所述溫度控制組件采用熱交換器，交換介質(zhì)為恒溫水。
所述參數(shù)測(cè)量裝置采用多探頭形式，用來測(cè)量藻液的溫度(T)、溶解氧(DO)、 酸堿度(pH值)、電導(dǎo)度(EC值)和藻體濃度。
所述溶解氧脫除組件和二氧化碳供應(yīng)組件分別由一個(gè)圓柱狀殼體和中空纖 維膜組成。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于
1、 本實(shí)用新型采用臥式反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)形式作為反應(yīng)器主體，滿足了微藻培養(yǎng) 過程中低剪切力的需要，并降低了系統(tǒng)總能耗；而且采用的左右平衡螺旋漿葉 膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在剪切力很小的情況下實(shí)現(xiàn)了微藻反應(yīng)器主體內(nèi)固液氣三相的 均勻分布，從而能夠充分滿足藻體的生長(zhǎng)需要。
2、 本實(shí)用新型中的循環(huán)泵采用隔膜泵，隔膜泵的泵頭不直接接觸培養(yǎng)液， 同時(shí)控制循環(huán)泵的最大功率和最大流速，在為藻液循環(huán)提供主要?jiǎng)恿ν瑫r(shí)，大 大減小對(duì)藻體的積4成損傷。3、 本實(shí)用新型采用透氣不透水的中空纖維膜管技術(shù)，使得二氧化碳?xì)怏w以 無泡形式向培養(yǎng)液中滲透，從而達(dá)到供應(yīng)的二氧化碳量和藻體吸收二氧化碳的 量始終處于平衡狀態(tài)，使C02的吸收利用率達(dá)到90%以上。這不僅提高了藻體 對(duì)二氧化碳的吸收利用率，而且大大減輕了空間微重力條件下的氣/液分離負(fù)荷。
4、 本實(shí)用新型采用中空纖維膜管技術(shù)進(jìn)行溶解氧的脫除，使含有飽和溶解 氧的藻體培養(yǎng)液在流經(jīng)脫氧膜組件時(shí)，溶解氧在中空膜管內(nèi)的負(fù)壓作用下透過 膜管壁上的微孔進(jìn)入膜管內(nèi)腔被分離出來，及時(shí)地排除了培養(yǎng)液中的溶解氧。
此外，本實(shí)用新型不僅為進(jìn)一步開展我國(guó)空間受控生態(tài)生保系統(tǒng)研究奠定 了重要基礎(chǔ)，也為地面進(jìn)行微藻生理生化等基礎(chǔ)研究提供了新的技術(shù)手段。

圖1為本實(shí)用新型空間微藻光生物反應(yīng)器工作流程圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，空間微藻光生物反應(yīng)器，包括反應(yīng)器主體1、光源供應(yīng)組件2、 藻液循環(huán)回路3、溶解氧脫除組件4、 二氧化碳供應(yīng)組件5、溫度控制組件6、 循環(huán)泵7和參數(shù)測(cè)量控制組件；反應(yīng)器主體1、循環(huán)泵7、溶解氧脫除組件2、 二氧化碳供應(yīng)組件3和溫度控制組件6沿藻液循環(huán)方向依次連接在藻液循環(huán)回 路3上；光源供應(yīng)組件2位于反應(yīng)器主體1的上下兩側(cè)。
參數(shù)測(cè)量控制組件包括參數(shù)測(cè)量裝置8和參數(shù)控制單元9;參數(shù)測(cè)量裝置8 連接在藻液循環(huán)回路3上的反應(yīng)器主體1之后，參數(shù)控制單元9通過電信號(hào)分 別與光源供應(yīng)組件2、溶解氧脫除組件4、 二氧化碳供應(yīng)組件5以及溫度控制組 件6連接。
反應(yīng)器主體1采取臥式反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)，反應(yīng)釜的攪拌器采用左右平衡的兩片 螺旋漿葉形式。在反應(yīng)釜內(nèi)，固相在液相內(nèi)被漿葉均勻分散；液相被漿葉提升， 在氣相中飛散開來，產(chǎn)生細(xì)樣支液滴；氣體被漿葉背面負(fù)壓區(qū)吸入液相，形成氣 泡。大量的液滴和氣泡存在使氣一液傳質(zhì)面積很大。在反應(yīng)器主體1內(nèi)，漿葉 的轉(zhuǎn)速跟流動(dòng)場(chǎng)基本無關(guān)，可維持低剪切力的流動(dòng)場(chǎng)，從而滿足螺旋藻生長(zhǎng)的要求 反應(yīng)器主體1材質(zhì)為透明的有機(jī)玻璃，結(jié)構(gòu)為圓柱體結(jié)構(gòu)。其體積大小 應(yīng)根據(jù)所要求生產(chǎn)藻體的多少、所放出的氧氣量以及所提供的光源等條件來確
定。本實(shí)用新型中的反應(yīng)器主體1內(nèi)徑為15厘米，長(zhǎng)為45厘米，反應(yīng)釜的有 機(jī)玻璃厚度為1.0厘米。
本實(shí)用新型中的光源供應(yīng)組件2選用電磁感應(yīng)燈，共2盞，分別位于反應(yīng) 器主體1的上下兩側(cè)，功率大小為80W。
循環(huán)泵7為隔膜泵，其泵頭不直接接觸藻液，最大功率為40瓦，最大流速 為5.0升/分鐘。
本實(shí)用新型的溫度控制組件6采用熱交換器，交換介質(zhì)為恒溫水。
參數(shù)測(cè)量裝置8采用多探頭形式，用來測(cè)量藻液的溫度(T)、溶解氧(DO)、 酸堿度(pH值)、電導(dǎo)度(EC值)和藻體濃度。
本實(shí)用新型的空間微藻光生物反應(yīng)器動(dòng)態(tài)工作過程如下:.
藻液進(jìn)入反應(yīng)器主體1內(nèi)，開啟測(cè)量控制單元5和光源供應(yīng)組件2，進(jìn)行藻 體的正常培養(yǎng)。在培養(yǎng)過程中，參數(shù)測(cè)量裝置8測(cè)量藻液的溫度(T)、溶解氧(DO)、 酸堿度(pH值)、電導(dǎo)度(EC值)和藻體濃度，并將各種參M饋到參數(shù)控制 單元9,參數(shù)控制單元9根據(jù)參數(shù)變化情況和藻液培#求，對(duì)各部件進(jìn)行控制。
當(dāng)藻液的溶解氧含量高于設(shè)定值時(shí)，藻液從溶解氧脫除膜組件4中循環(huán)。 最后，含溶解氧較少的藻液由溶解氧脫除膜組件4上的藻液出口流出，重新進(jìn) 入循環(huán)系統(tǒng)。
當(dāng)藻液流經(jīng)二氧化碳供應(yīng)組件5時(shí)，二氧化碳進(jìn)入到中空纖維膜，在氣體 壓力的作用下，由膜壁上的微孔擴(kuò)散進(jìn)入到藻液中，在組件中吸收二氧化石J^， 從二氧化碳供應(yīng)組件5的藻液出口進(jìn)入到循環(huán)系統(tǒng)。并通過溫度控制組件6進(jìn) 行熱交換后，在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。
權(quán)利要求1、空間微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于包括反應(yīng)器主體(1)、光源供應(yīng)組件(2)、藻液循環(huán)回路(3)、溶解氧脫除組件(4)、二氧化碳供應(yīng)組件(5)、溫度控制組件(6)、循環(huán)泵(7)和參數(shù)測(cè)量控制組件；反應(yīng)器主體(1)、循環(huán)泵(7)、溶解氧脫除組件(4)、二氧化碳供應(yīng)組件(5)和溫度控制組件(6)沿藻液循環(huán)方向依次連接在藻液循環(huán)回路(3)上；光源供應(yīng)組件(2)位于反應(yīng)器主體(1)外側(cè)，為反應(yīng)器主體(1)內(nèi)的藻液培養(yǎng)提供光照；所述參數(shù)測(cè)量控制組件包括參數(shù)測(cè)量裝置(8)和參數(shù)控制單元(9)；參數(shù)測(cè)量裝置(8)連接在藻液循環(huán)回路(3)上的反應(yīng)器主體(1)之后，參數(shù)控制單元(9)通過電信號(hào)分別與光源供應(yīng)組件(2)、溶解氧脫除組件(4)、二氧化碳供應(yīng)組件(5)以及溫度控制組件(6)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的空間微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器 主體(1 )采取臥式反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)，反應(yīng)釜的攪拌器采用左右平衡的兩片螺旋漿葉 形式。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的空間微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于所述光源供應(yīng) 組件(2)對(duì)稱位于反應(yīng)器主體(1 )上下兩側(cè)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的空間微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于所述循環(huán)泵(7) 為隔膜泵，其泵頭不直接接觸藻液。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或4的空間微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于所述循環(huán) 泵(7)的最大功率為40瓦，最大流速為5.0升/分鐘。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1的空間微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于所述溫度控制 組件(6)采用熱交換器，交換介質(zhì)為恒溫水。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1的空間微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于所述參數(shù)測(cè)量裝置(9)采用多探頭形式，用來測(cè)量藻液的溫度、溶解氧、酸堿度、電導(dǎo)度和 藻體濃度。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1的空間微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的溶解氧 脫除組件(4)由一個(gè)圓柱狀殼體和中空纖維膜組成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1的空間微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的二氧化 碳供應(yīng)組件(5)由一個(gè)圓柱狀殼體和中空纖維膜組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種空間微藻光生物反應(yīng)器，包括反應(yīng)器主體、光源供應(yīng)組件、藻液循環(huán)回路、溶解氧脫除組件、二氧化碳供應(yīng)組件、溫度控制組件、循環(huán)泵和參數(shù)測(cè)量控制組件；反應(yīng)器主體、循環(huán)泵、溶解氧脫除組件、二氧化碳供應(yīng)組件和溫度控制組件沿藻液流動(dòng)方向依次連接在藻液循環(huán)回路上；光源供應(yīng)組件位于反應(yīng)器主體外側(cè)；參數(shù)測(cè)量控制組件包括參數(shù)測(cè)量裝置和參數(shù)控制單元；參數(shù)測(cè)量裝置連接在藻液循環(huán)回路上的反應(yīng)器主體之后，參數(shù)控制單元通過電信號(hào)分別與各組件連接。本實(shí)用新型的空間微藻反應(yīng)器主體內(nèi)藻體/培養(yǎng)液/二氧化碳?xì)怏w三相均勻分布、能高效供應(yīng)培養(yǎng)液中二氧化碳?xì)怏w并脫除藻液中溶解氧，也可用于地面進(jìn)行微藻生理生化研究使用。
文檔編號(hào)C12R1/89GK201148438SQ200720309340

公開日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者唐永康, 秦利鋒, 艾為黨, 董文平, 郭雙生, 馬加爐 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍總裝備部航天醫(yī)學(xué)工程研究所