專利名稱：光生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種光生物反應(yīng)器，適于應(yīng)用在生物菌體生產(chǎn)的方法中。
背景技術(shù)：
已經(jīng)在較長時間上認(rèn)識到，采用簡單的培植物質(zhì)，如水藻、青綠色菌類和海草的光合作用技術(shù)來生產(chǎn)生物菌體制品的商品化潛力。這種技術(shù)尋求利用如青綠色水藻的簡單單細(xì)胞有機(jī)物能力，利用陽光、二氧化碳和選用的各種無機(jī)成分來生產(chǎn)更復(fù)雜的生物菌體制品。
已經(jīng)試圖采用敞開溝槽培養(yǎng)水藻的方法來生產(chǎn)供動物和人類消耗的生物菌體制品。這種敞開溝槽方法已被證明不適用于生產(chǎn)純凈的高級制品，因為存在如下問題如敵對物種的侵入，外部污染物的污染，因二氧化碳逸入大氣而產(chǎn)量不高，以及僅照明生物菌體頂部而不能有效利用光線等。
已經(jīng)建議了在更密閉狀態(tài)下培養(yǎng)的方法。例如，GB-A-2118572描述了一種光生物反應(yīng)器，它包括基本上水平放置的許多直的透明管子，按垂直堆積方式一個放在另一個上面。各個管子串聯(lián)連接在一起，使合成混合物以擾動方式向下流經(jīng)管子。當(dāng)合成混合物通過管子時用自然光照明管子。從混合物提取生物菌體的合成制品。
EP-A-0239272描述了一種光生物反應(yīng)器，它包括一個基本上為圓柱形的直立芯體結(jié)構(gòu)?；旧蠟橥该鞯膯蝹€管子螺旋地纏繞在芯體結(jié)構(gòu)的外部，使得在使用時管子的外部曝露在自然光中。合成混合物包括了活的培植物質(zhì)以及為培植物質(zhì)生長的必需營養(yǎng)素，設(shè)置了一種裝置來使合成混合物在擾動狀態(tài)下流經(jīng)透明的管子。還提供一種裝置來從混合物提取生物菌體的合成制品。在管子和芯體結(jié)構(gòu)之間的接觸區(qū)域中促使光線透入管子。還描述了生物菌體的生產(chǎn)系統(tǒng)，它依靠采用許多連接一起的單管纏繞的光生物反應(yīng)器，從而提供合成混合物的平行流動。
申請人目前已發(fā)現(xiàn)，采用單管螺旋纏繞在支承結(jié)構(gòu)上的光生物反應(yīng)器存在各種問題。特別是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對于直徑不變的管子，支承結(jié)構(gòu)對螺旋管子提供的外徑限制了螺旋纏繞可達(dá)到的最大斜度。當(dāng)支承結(jié)構(gòu)提供的直徑增加時，螺旋可達(dá)到的最大斜度降低。從而產(chǎn)生了有關(guān)的操作問題。這類問題之一是空氣或氣體被截留在管子的下凹處，它在螺旋斜度較低時更容易發(fā)生。這種空氣或氣體的截留可導(dǎo)致懸浮生物菌體通過管子的流動問題，也弄臟了管子，由此又引起其它問題。另一個有關(guān)的操作問題是，當(dāng)纏繞的升距降低時，難以排放和排空盤繞的管子，這導(dǎo)致排放時間的增加，也導(dǎo)致需要補(bǔ)充液體來沖刷或消毒管子。
申請人目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果代之以采用平行纏繞設(shè)置的許多纏繞管子，則可改善與采用單管螺旋纏繞在支承結(jié)構(gòu)上的光生物反應(yīng)器有關(guān)的上述問題。
發(fā)明概述按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種光生物反應(yīng)器，它包括一個直立的芯體結(jié)構(gòu)；許多可由芯體結(jié)構(gòu)支承的基本透明的管子；使合成混合物流經(jīng)每個透明管子的流動裝置；以及從混合物提取生物菌體合成制品的提取裝置；其中上述透明管子平行地作螺旋纏繞。
因此，提供了一種光生物反應(yīng)器，它包括一個直立的芯體結(jié)構(gòu)；可由芯體結(jié)構(gòu)支承的基本透明的第一管子；使合成混合物流經(jīng)上述第一管子的流動裝置；以及從混合物提取生物菌體合成制品的提取裝置；其中第一管子作螺旋纏繞?？裳a(bǔ)充地提供一個或幾個附加的基本透明的管子，每個管子與上述第一管子平行地作螺旋纏繞，并且每個管子與流動裝置和提取裝置連通。
管子相互平行地作螺旋纏繞。選擇管子數(shù)目來給出螺旋纏繞的適當(dāng)斜度。最好是，平行螺旋纏繞的管子為2到10個，更好的是3到5個。
最好是，支承結(jié)構(gòu)基本上為圓柱形。但是可以理解到，支承結(jié)構(gòu)不一定需要真正的圓柱形，例如，可作成截錐形。這種形狀對熱帶國家中陽光的利用是有效的，那里太陽垂直向下照射，錐形結(jié)構(gòu)可使形成的陰影最小。支承結(jié)構(gòu)可提供連續(xù)的外表面，例如由幾段空心混凝土結(jié)構(gòu)制成。替代的方式是，支承結(jié)構(gòu)可以是開敞的網(wǎng)格構(gòu)造或金屬網(wǎng)構(gòu)造。
最好是，管子材料為聚氯乙烯，它具有優(yōu)良的透光性能和低成本。它還具有抵抗生物菌體腐蝕的優(yōu)點?？梢圆捎闷渌芰?，如異丁烯酸甲酯或透明的PTFE(聚四氟乙烯)，如果能承受使用條件，甚至可采用如玻璃等非塑料材料。如果因強(qiáng)度所需，管子可具有增強(qiáng)的外涂層，例如透明的樹脂。如果在較大壓力下進(jìn)行生物菌體生產(chǎn)，建議采用這種涂層。
最好是，把許多管子螺旋纏繞在支承結(jié)構(gòu)的外部。管子相對水平成一個角度，例如3°作適當(dāng)纏繞。最好在管子和支承結(jié)構(gòu)之間的接觸區(qū)中促使光線透入管子。
最好是，支承結(jié)構(gòu)是空心的，并且包括圓柱形的壁，上述支承結(jié)構(gòu)上設(shè)有許多開孔，容許光線通過開孔并透入管子。最好是，上述許多管子的每個入口端可與公用入口管道連接，以及上述許多管子的每個出口端可與公用出口管道連接。
最好是，反應(yīng)器包括一個裝在管子之上的集流箱，它提供了水位，協(xié)助迫使合成混合物通過管子。通常至少每個管子的入口端與集流箱連通，更常見的是每個管子的入口端和出口端均與集流箱連通，從而形成封閉的環(huán)路，可以從環(huán)路排放液體，或者按照情況，可對環(huán)路添加液體。
為了簡化管路，許多管子的每一個入口端可與公用的入口管道連接，以及許多管子的每一個出口端可與公用的出口管道連接。
最好是，流動裝置包括一個空氣上升系統(tǒng)，其中公用的入口管道與集流箱和供選用的排放孔連通，公用的出口管道與上述集流箱和一個空氣源連通。替代或補(bǔ)充的方式是，流動裝置包括一個泵壓裝置。
如果采用空氣上升系統(tǒng)，則公用的出口管道通常包括與空氣上升系統(tǒng)連接的落水管。例如，空氣上升系統(tǒng)可包括與集流箱連接的升水管并在其下端具有一個空氣源。空氣源可以是一個空氣擴(kuò)散器。落水管和升水管最好是用連接管裝置連接，例如基本上為U形的連接管裝置(如U彎管)。為了協(xié)助管路系統(tǒng)的裝配和拆卸，連接管裝置可包括一個管接頭，容許分開落水管和升水管。
在公用出口管道和集流箱之間最好提供一個通氣管。通氣管的優(yōu)點是它有助于防止在管道中產(chǎn)生空氣堵塞，否則這種堵塞會妨礙或阻止合成混合物通過反應(yīng)器的運(yùn)動。
集流箱最好具有一個入水口，用于引入水和選用的營養(yǎng)素。因此當(dāng)生物菌體制品被提取時，可通過入水口引入水和/或營養(yǎng)素來補(bǔ)充系統(tǒng)。為了防止可能有害或不良有機(jī)物，如病菌有機(jī)物對合成混合物的污染，最好把入水口與在其上游位置具有過濾器(如消毒過濾器)的水供應(yīng)管線連接。消毒過濾器可以是0.2微米的過濾器，它能夠防止細(xì)菌和其它微生物的通過。
通常在集流箱上設(shè)有一個制品出口，一般裝在箱頂部和底部之間的位置上。制品出口也可作為溢流口，有助于保持集流箱中液體在預(yù)定的水平上。
為了便于系統(tǒng)的排放和接著的清潔和消毒，公用入口管道和公用出口管道中的一個或所有兩個可與一個或幾個排放孔連通。例如，一個排放孔可位于連接出口管道和升水管的連接管裝置(如U彎管)中。另一個排放孔可位于入口管道的下端。
最好是，把排放孔設(shè)置成使得管路內(nèi)基本上不留有可能聚積生物菌體的盲區(qū)。為此，最好是從管道或其它管路側(cè)向伸出排放孔，而不是向下伸出。
可以在各生長期之間，例如在每隔六個月的間隔期，對系統(tǒng)作清潔以及殺菌或消毒，通常采用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)消毒劑，如漂白劑?？梢员脡哼m當(dāng)?shù)南救芤和ㄟ^管路來實現(xiàn)消毒，這能使大多數(shù)管路表面被有效地處理。但是，由于在集流箱上端存在空氣，僅靠系統(tǒng)中泵壓的消毒液，很難或不可能有效地清潔和消毒集流箱頂部的下表面。因此，按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，在集流箱上設(shè)有一個手套孔，能手動清潔和消毒而不需打開集流箱與大氣相通。
光生物反應(yīng)器上最好設(shè)有監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)或周圍的狀態(tài)。這種監(jiān)測裝置可包括溫度傳感器、pH傳感器、光度計等。因此，例如可在一個或幾個管子的出口或其附近設(shè)有溫度傳感器。在一個實施例中，許多管子的每個出口端可與公用的出口管道連接，溫度傳感器連接到公用的出口管道上。
監(jiān)測裝置最好包括與一個或幾個上述類型監(jiān)測器連接的控制器。然后控制器可在操作上與改變系統(tǒng)狀態(tài)的裝置連接。例如，控制器可在操作上與控制以下一個或幾個狀態(tài)的裝置連接(ⅰ)營養(yǎng)素濃度；(ⅱ)O2/CO2濃度；以及(ⅲ)溫度。
在一個實施例中，反應(yīng)器上同時設(shè)有一個溫度傳感器和一個pH探測器，溫度傳感器和pH探測器與一個控制器連接，控制器在操作上連接到用于改變物理環(huán)境或合成混合物成分的裝置上。
最好是，溫度傳感器和/或控制器在操作上連接到調(diào)節(jié)合成混合物溫度的裝置上。特別是，最好是設(shè)有冷卻裝置來冷卻合成混合物。冷卻裝置可包括在管子上引導(dǎo)冷卻液(如水)的灌溉系統(tǒng)。這種灌溉系統(tǒng)可包括穿孔的冷卻環(huán)，它裝在芯體上端周圍并包圍著管子，冷卻環(huán)具有與之連接的水源。最好是，在芯體下端設(shè)有收集槽，用于收集冷卻水作再循環(huán)。當(dāng)冷卻水是軟化水時這是特別優(yōu)選的方式。
最好是，光生物反應(yīng)器還包括位于支承結(jié)構(gòu)外部和管子之間的反射裝置。但是，如果芯體結(jié)構(gòu)是充分敞開的構(gòu)造，則可以不需要這種光反射裝置，因為足夠的光線可穿入管路的下側(cè)。
光生物反應(yīng)器的尺寸可根據(jù)進(jìn)行的生物菌體生產(chǎn)情況而變化。最好是，方法和設(shè)備適應(yīng)于連續(xù)生產(chǎn)，并采用為合成混合物再循環(huán)而設(shè)置的裝置。
可單獨(dú)使用這里的光生物反應(yīng)器，或者替代的方式是，可按并聯(lián)或串聯(lián)操作方式采用許多光生物反應(yīng)器。在一個方面，這里許多光生物反應(yīng)器被設(shè)置成用于平行流動，其中每個光生物反應(yīng)器共有一個公用的芯體支承結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明的方法，提供了在從合成混合物生產(chǎn)生物菌體中上述光生物反應(yīng)器的應(yīng)用，合成混合物包括了活的培植物質(zhì)以及為培植物質(zhì)生長必需的營養(yǎng)素。
最好是，使合成混合物在擾動狀態(tài)下流經(jīng)管子。應(yīng)用擾動狀態(tài)能在需要清潔之前保持長的運(yùn)行期。從而保持最短的停工期。
最好是，使合成混合物沿管子向上流動?？纱偈构饩€在管子和支承結(jié)構(gòu)之間接觸區(qū)中透入管子。
最好是，培植物質(zhì)包括水藻以及/或者為生長的必需營養(yǎng)素包括二氧化碳和氮?dú)庠础？刹捎冒睔庾鳛榈獨(dú)庠椿虻獨(dú)庠粗?。為了盡量減小不希望的微觀物種，如細(xì)菌、變形蟲和輪蟲的生長，已發(fā)現(xiàn)采用受控的氨氣噴射是有利的。據(jù)信，氨鹽和氨離子的存在阻止了這種生長，同時作為營養(yǎng)素來源用于如Spirulina(青綠色水藻)培植物質(zhì)的生長。
諸如從糖廠或汽油精煉廢物或其它高BOD(生化耗氧量)的碳?xì)浠衔飶U物得到的廢液，至少可部分地用于合成的營養(yǎng)素，因此在處理過程中凈化廢液，從而所生產(chǎn)的生物菌體是廢液處理過程中有價值的副產(chǎn)品。
方法可在需氧或厭氧狀態(tài)下進(jìn)行。因此，可對管子供應(yīng)二氧化碳或空氣，或者可采用其它氣體，如氧氣或空氣/氧氣混合物，這根據(jù)所需的合成制品而定。某些植物合成反應(yīng)在厭氧狀態(tài)下進(jìn)行，此時不需要這種氣體輸入。
可以利用某些生物菌體合成反應(yīng)在需氧狀態(tài)下進(jìn)行而某些反應(yīng)在厭氧狀態(tài)下進(jìn)行的事實，為此提供了串聯(lián)操作的兩個或更多的上述反應(yīng)器，一個第一反應(yīng)器(或一排反應(yīng)器)用于進(jìn)行需氧反應(yīng)，它導(dǎo)致放出如二氧化碳的氣體，在與第一生物菌體制品分離之后，它在第二反應(yīng)器中用于利用該氣體的厭氧反應(yīng).。
最好是，在管子和支承結(jié)構(gòu)之間接觸區(qū)中促使光線透入管子。促使光線透入的裝置可包括對管子和/或芯體提供相鄰于管子和芯體結(jié)構(gòu)之間接觸區(qū)的光線反射裝置。在芯體結(jié)構(gòu)和纏繞管子之間插入如鋁箔的材料，可適當(dāng)?shù)靥峁┕饩€反射裝置。作為替代方式，可把芯體結(jié)構(gòu)漆成白色和/或設(shè)置成反射的表面，例如已知為balotini的小玻璃球。作為替代或補(bǔ)充方式，芯體可以是充分開敞的網(wǎng)格構(gòu)造，容許足夠的光線透入管路的下側(cè)。為了協(xié)助光線透入，可在芯體結(jié)構(gòu)的頂部附近放置反射裝置，如反射鏡。作為替代方式，在芯體的空心內(nèi)可包括某些人造光源，如垂直的熒光燈來提供芯體內(nèi)的充分照明?？蛇B續(xù)采用或僅在需要時采用這種補(bǔ)充的照明，例如在晚上或非?；璋禇l件下采用?？砂堰@種補(bǔ)充光線作成閃爍照明來最大程度地利用光線。
附圖簡述現(xiàn)參照附圖以舉例方式來描述本發(fā)明，其中

圖1是本發(fā)明光生物反應(yīng)器的示意圖；圖2是本發(fā)明供替代的光生物反應(yīng)器的示意圖；圖3是相似于圖1的示意圖，但說明了另外的一些零部件；圖4是圖1和3實施例的入口和出口管道以及空氣上升系統(tǒng)的示意圖；圖5是放大的示意圖，說明了把盤繞管子裝在芯體結(jié)構(gòu)上的裝置；圖6是沿圖5中A-A線的視圖；以及圖7是入口或出口管道一部分的剖視圖。
發(fā)明詳述圖1所示的光生物反應(yīng)器包括了一個芯體支承結(jié)構(gòu)10，它是直立和基本上為圓柱形。三個(帶1、帶2、帶3)基本上為透明的管子20,22,24螺旋纏繞在支承結(jié)構(gòu)上。每個管子按照與其它每個管子平行的方式作纏繞。栓釘(在圖1中未表示)可從芯體支承結(jié)構(gòu)10上突出，以支承管子20,22,24和防止纏繞管子的滑動。在使用中，合成混合物被傳送通過每個管子，一般是沿著向上的方向。
芯體支承結(jié)構(gòu)10的下端裝在地面上，每個管子20,22,24的下入口端通過閥門30,32,34與形成公用入口管道的落水管40連接。落水管40的上端與集流箱50連通，落水管的下端送到一個排放孔(圖中未示)中。
集流箱50上設(shè)有空氣出口52，其中空氣出口52與止回閥54和過濾器56連接。集流箱50可包含任何合適的裝置(圖中未示)使制品流被提取到管線60上，管線60與具有下彎管(或空氣閘)64的管子62連接。例如，依靠溢流堰裝置來提取在流槽中朝混合物頂部上升的較富集制品。替代的方式是，如水力旋流器的其它分離裝置可替代集流箱50。圖中管線60表示為從集流箱50的側(cè)面延伸；但同樣可沿芯體結(jié)構(gòu)10的中心向下延伸，從而在結(jié)構(gòu)底部提取制品。集流箱還可包含一個凈化系統(tǒng)來去除多余的空氣和回收產(chǎn)生的氧氣。
集流箱還與升水管70連接。從一個擴(kuò)散器把空氣送入升水管70的下端。升水管70上還設(shè)有一個排放出口72，在這個實施例中，還有一個二氧化碳入口74。但可以理解到，如果需要，二氧化碳入口可位于管路的其它位置。一個回收管道80還與升水管70連接?；厥展艿?0的上端通過閥門90,92,94與管子20,22,24的上出口端連接。
在管線60上的制品流可通到任何附屬設(shè)備來從生物菌體處理和/或提取所需的制品。特別有用的是，使生物菌體沿著與適當(dāng)?shù)牟蝗芑焯崛┝飨驗轫樍骰蚰媪鞣较?，通過固體/液體或液體/液體的接觸器。與一系列的接觸器接觸就可提取一系列的制品，如果需要，可重復(fù)循環(huán)在各接觸器之間的提取階段。一種合適的提取器已知為Graesser接觸器的筒型接觸器，并在GB專利說明號1,145,894中作了描述。
在圖2中簡化表示的另一種供替代的光生物反應(yīng)器也包括一個芯體支承結(jié)構(gòu)110，它是直立和基本上為圓柱形。三個(帶1、帶2、帶3)基本上為透明的管子120,122,124螺旋纏繞在支承結(jié)構(gòu)上。每個管子按照與其它每個管子平行的方式作纏繞。栓釘(圖中未示)可從芯體支承結(jié)構(gòu)110上突出，用于支承管子120,122,124和防止纏繞管子的滑動。在使用中，合成混合物被傳送通過每個管子，一般是沿著向上的方向。
芯體支承結(jié)構(gòu)110的下端裝在地面上，每個管子120,122,124的下入口端通過閥門130,132,134與公用入口管道140連接。在使用中，從集流箱(圖中未示)把合成混合物泵壓(圖中未表示泵壓裝置)到公用入口管道140的入口142，然后平行地通過管子120,122,124。每個管子120,122,124的上端通過閥門190,192,194與具有出口182的回收管道180連接，因此容許把合成混合物回收到集流箱。
泵壓裝置可包括隔膜泵或其它合適類型的泵，它們從而可與各種氣源連接，例如，二氧化碳和/或空氣、營養(yǎng)素和氮?dú)庠?，如由氨氣、氨鹽、尿素、復(fù)合肥料等提供的氮?dú)庠础?br> 圖3示意地說明了一般設(shè)計與圖1實施例相同的一種光生物反應(yīng)器，但具有幾個要強(qiáng)調(diào)的附加零部件。在圖3中，與圖1反應(yīng)器零部件相應(yīng)的零部件的最后兩位編號相同，但在圖3中，編號前面冠以數(shù)字“2”。
從圖3可看出，生物反應(yīng)器上設(shè)有一個冷卻環(huán)，它包括一段穿孔管道，環(huán)繞著螺旋管子220,222,224的上端。冷卻環(huán)202通過T形件204與管子206連接，從而通過泵208和另一段管子210與收集槽212連接。
一個與控制器(圖中未示)連接的溫度探測器214設(shè)置在出口管道上端的一個孔內(nèi)。控制器又與泵208連接。溫度探測器位于螺旋管子的頂上，這是因為當(dāng)管子中的水達(dá)到該點時已得到曝露在陽光中的最大時間，它將是最熱的水。如果溫度傳感器指示出溫度高于某個預(yù)定的界限值(例如，水已達(dá)到有害于管內(nèi)細(xì)胞生長的溫度)，控制器啟動泵來促使水流到冷卻環(huán)202，由此水可似瀑布地在螺旋盤繞管子之外沿管子表面落下，來冷卻合成混合物。由于水最好是軟化水或去離子水，以防止在管子上形成石灰垢或其它礦物質(zhì)，因此最好使水作再循環(huán)，把水收集在收集槽212中并通過管子206,210把水泵壓回到冷卻環(huán)202就可達(dá)到這一點。通過在槽壁中一個由浮閥控制的入口(圖中未示)可自動填滿收集槽的水面。
除了溫度探測器，還可把控制器連接到測量管內(nèi)其它化學(xué)和物理狀態(tài)的其它探測器上。例如，在集流箱壁中可設(shè)置一個pH探測器214，用于測量管內(nèi)合成混合物的相對酸度或堿度。如果pH偏離反應(yīng)器中培養(yǎng)有機(jī)物的優(yōu)化值，控制器可通過適當(dāng)位置的孔按計算機(jī)程序引入pH調(diào)節(jié)物質(zhì)。例如在水藻情形，合成混合物的pH隨水藻生長而增加，可引入CO2來恢復(fù)pH到適于水藻的更大酸性值。
監(jiān)測器的另一個例子是光度計，可把控制器與集流箱中水/營養(yǎng)素入口218連接，以控制(如通過電磁閥)水和營養(yǎng)素對集流箱的流入。因此，例如在亮的陽光中，此時有機(jī)物將生長較快，可采用比光線較差和生長較慢時更快的速率把營養(yǎng)素送入集流箱。
為了防止在出口管道上端中形成空氣穴，在出口管道的一個孔中安裝了通氣管215，并與集流箱連接。因此在系統(tǒng)中存在的任何空氣可逸入集流箱，從那里它可通過空氣出口252排放到大氣中。
最好是，在防止合成混合物中細(xì)胞受到病菌或其它有機(jī)物污染的狀態(tài)下進(jìn)行光生物反應(yīng)器的操作。因此，反應(yīng)器上設(shè)有幾個協(xié)助消滅或去除這種不希望有機(jī)物的零部件。在使用反應(yīng)器之前，采用如漂白劑的適當(dāng)殺菌材料來徹底漂洗管路，可采用空氣上升裝置使漂白劑在系統(tǒng)中到處流動，或者采用輔助泵(圖中未示)泵壓。為了容許從系統(tǒng)排放合成混合物和容許接著用殺菌溶液和漂洗水作沖刷，分別在落水管240和升水管270的下端設(shè)有排放孔272和273。沿著系統(tǒng)泵壓殺菌溶液，管路和集流箱內(nèi)的大多數(shù)表面可被殺菌或消毒。但是，很難消毒集流箱頂部的下表面。因此，設(shè)置了一個手套孔219，其中可安裝一個堅韌的抗殺菌劑的防水手套。然后可利用手套把集流箱的清潔液濺潑到箱頂部的下表面上，或者擦洗箱內(nèi)不易接觸的表面而不需打開集流箱。
為了消毒整個系統(tǒng)，最好是在合成混合物的每個成分引入反應(yīng)器之前進(jìn)行消毒，至今是可能的。因此，例如，進(jìn)入入口218的水/營養(yǎng)素溶液首先被過濾，以去除宏觀的污染物，然后通過0.2微米的過濾器作消毒過濾，以去除直到細(xì)菌尺寸的有機(jī)物。另外，水/營養(yǎng)素溶液在到集流箱的途中流經(jīng)或通過一個紫外消毒裝置或殺菌裝置。
在集流箱的空氣入口上還安裝有消毒過濾器和止回閥，以防止帶有病菌或其它不希望細(xì)菌物種的空氣傳播的污染物。
在圖4中更清楚地表示了典型的管路布局。因此，如圖1和3實施例所示，三個管子320,322和324平行地作螺旋纏繞，并在其下端連接到入口管道340和在其上端連接到出口管道380。出口管道380具有一個從那里向下延伸的落水管區(qū)381，由管接頭383把落水管區(qū)381與U彎管385連接，U彎管又用接頭389與升水管370連接。U彎管385包括一個管接頭387(例如為帶螺紋的套或帶凸緣的管接頭)，它可使管路脫開或協(xié)助裝配。在U彎管內(nèi)還包括一個排放閥391。
在升水管370的下端有一個空氣擴(kuò)散器339，它可以是我們同在審理的申請?zhí)?901740.2中發(fā)布的形式?？諝鈹U(kuò)散器339把空氣噴射到合成混合物中，由此使混合物沿升水管370升到集流箱。
出口管道380的上端上設(shè)有兩個孔，一個裝有溫度探測器314，另一個裝有通氣管。溫度探測器和通氣管的作用在上面已經(jīng)描述，這里不需要再重復(fù)，入口管道340包括一個厚壁主體區(qū)341，它以放大的縱向剖面表示在圖7中。管道主體區(qū)的壁足夠厚，能鉆出孔341a、341b和341c，并且?guī)чy門的管子320、322和324可被安裝和固定在其上面。如果引到入口管的落水管直徑較大，并且具有較厚的壁，則可以省去單獨(dú)的厚壁管道主體區(qū)，管子的孔可直接鉆在落水管中。對于出口管道381可采用相似的構(gòu)造形式。
在圖4中還可更清楚地看到集流箱中各種孔的設(shè)置。因此，集流箱的上部具有水/營養(yǎng)素入口孔318、播種孔319(通過它可引入如水藻的菌母培養(yǎng)物)、裝有止回閥(如球閥)的空氣出口孔321、與消毒過濾器連接以防止空氣傳播污染物的空氣入口孔323，以及手套孔325。空氣入口孔的目的是萬一驅(qū)動空氣上升系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)失效而使系統(tǒng)內(nèi)壓力降低時，容許空氣流回系統(tǒng)。消毒過濾器防止在任何空氣流回時污染物進(jìn)入集流箱。手套孔325包括一個圓柱形的直立邊緣，手套的開口沿著邊緣伸展，手套采用如橡皮的適當(dāng)堅韌的防水材料制成。由夾緊帶325a把手套固定在邊緣上。
靠近集流箱頂部有一個入口孔327，安裝了來自出口管道的通氣管315。在集流箱的另一側(cè)，正好在集流箱一半以上，有一個制品出口孔/溢流孔329?？?29中安裝了一個出口管，通過它可把制品混合物引到收獲設(shè)備或直接引到使用生物菌體的地點。在集流箱的底部，在箱的兩側(cè)有孔331和333，其中分別裝有pH探測器和采樣流出管。
如在圖1中已描述，芯體結(jié)構(gòu)上可設(shè)有栓釘來安裝管子。適當(dāng)栓釘構(gòu)造之例如圖5和6所示。圖5說明的芯體結(jié)構(gòu)502由金屬網(wǎng)540形成，它可以電鍍或噴塑來防止銹蝕。鉤狀栓釘506在焊點504a焊接到網(wǎng)上，栓釘襯以如PVC之類的適當(dāng)塑料帶，以防止裝在栓釘上的反應(yīng)器管子被擦傷和磨耗。
可以理解到，以上詳細(xì)描述的光生物反應(yīng)器易于裝配，并且如果需要，可以作成模塊形式。因此采用閥門和接頭易于把管子分段制造，容許在需要時取出反應(yīng)器制品和/或引入必要供應(yīng)的補(bǔ)充營養(yǎng)素。這對于快速反應(yīng)，如某些發(fā)酵反應(yīng)特別有用。
雖然以上描述了空氣上升操作來提供管路中流動所需的動力，但在某些反應(yīng)中可能希望采用更高的流動狀態(tài)，例如，當(dāng)制品細(xì)胞不太脆弱的情形。此時作為常規(guī)設(shè)計的例子，可采用泵來保持循環(huán)。如果需要有壓縮氣體，可采用文氏管噴射或氣流噴射。當(dāng)對生長需要一定熱量時，氣流噴射特別適合。如果在反應(yīng)器中生長的有機(jī)物足夠結(jié)實，可以同時省去集流箱和空氣上升系統(tǒng)，代之以采用一個或幾個泵作為使合成混合物循環(huán)的唯一裝置。
可提供中間泵以及/或者空氣或氣流噴射來控制管路的流率，甚至長流動的流率。當(dāng)反應(yīng)介質(zhì)具有變粘傾向，例如在某些發(fā)酵過程中，這特別有價值。
上述方法和設(shè)備適用于廣闊范圍的生物菌體生產(chǎn)過程。可以理解到，供應(yīng)到生物反應(yīng)器的營養(yǎng)素和操作狀態(tài)可能有很大不同。
如果希望，可控制反應(yīng)器的供應(yīng)系統(tǒng)，在不同條件下引入少量的一種或幾種微量元素，如硒、鈷、銅、鋅、鎵和鍺，改變微量元素量。
采用混合物再循環(huán)的連續(xù)操作過程方式以最小的損耗來保持盡可能低的氣體和營養(yǎng)素的消耗。氧氣制品可用于附近的化工廠。產(chǎn)生的任何熱量可用于熱交換。
權(quán)利要求
1．一種光生物反應(yīng)器，它包括一個直立的芯體結(jié)構(gòu)；許多可由芯體結(jié)構(gòu)支承的基本透明的管子；使合成混合物流經(jīng)每個透明管子的流動裝置；以及從混合物提取生物菌體合成制品的提取裝置；其中上述透明管子平行地作螺旋纏繞。
2．按照權(quán)利要求1的光生物反應(yīng)器，其中支承結(jié)構(gòu)基本上為圓柱形。
3．按照權(quán)利要求1或2的光生物反應(yīng)器，其中許多管子螺旋纏繞在支承結(jié)構(gòu)的外部，在管子和支承結(jié)構(gòu)之間的接觸區(qū)中促使光線透入管子。
4．按照權(quán)利要求1到3中任一條的光生物反應(yīng)器，其中支承結(jié)構(gòu)是空心并且包括圓柱形的壁，上述支承結(jié)構(gòu)上具有開口，容許光線通過開口從而透入管子。
5．按照上述權(quán)利要求中任一條的光生物反應(yīng)器，其中至少每個管子的入口端與集流箱連通。
6．按照權(quán)利要求5的光生物反應(yīng)器，其中每個管子的入口端和出口端均與集流箱連通，從而形成一個環(huán)路。
7．按照權(quán)利要求1到6中任一條的光生物反應(yīng)器，其中上述許多管子的每個入口端可與公用入口管道連接，以及上述許多管子的每個出口端可與公用出口管道連接。
8．按照權(quán)利要求7的光生物反應(yīng)器，其中流動裝置包括一個空氣上升系統(tǒng)，其中上述公用入口管道與集流箱和選用的排放孔連通，上述公用出口管道與上述集流箱和一個空氣源連通。
9．按照權(quán)利要求8的光生物反應(yīng)器，其中公用出口管道包括一個與空氣上升系統(tǒng)連接的落水管。
10．按照權(quán)利要求9的光生物反應(yīng)器，其中空氣上升系統(tǒng)包括一個與集流箱連接的升水管，并在其下端具有一個空氣源。
11．按照權(quán)利要求10的光生物反應(yīng)器，其中空氣源是一個空氣擴(kuò)散器。
12．按照權(quán)利要求10或11的光生物反應(yīng)器，其中由連接管裝置，例如基本上為U形的連接管裝置(如U彎管)連接落水管和升水管。
13．按照權(quán)利要求12的光生物反應(yīng)器，其中連接管裝置包括一個管接頭，容許落水管和升水管脫開。
14．按照權(quán)利要求8到13中任一條的光生物反應(yīng)器，其中在公用出口管道和集流箱之間設(shè)有一個通氣管。
15．按照權(quán)利要求5到14中任一條的光生物反應(yīng)器，其中集流箱具有一個入水口，用于引入水和選用的營養(yǎng)素。
16．按照權(quán)利要求16的光生物反應(yīng)器，其中入水口與在其上游位置具有過濾器(如消毒過濾器)的水供應(yīng)管線連接。
17．按照權(quán)利要求5到16中任一條的光生物反應(yīng)器，其中集流箱具有一個制品出口，如在箱的頂部和底部之間的位置上。
18．按照權(quán)利要求7到17中任一條的光生物反應(yīng)器，其中公用入口管道和公用出口管道中的一個或所有兩個與一個或幾個排放孔連通。
19．按照權(quán)利要求12的光生物反應(yīng)器，其中連接管裝置包括一個排放孔。
20．按照權(quán)利要求7和與之有關(guān)的任一條權(quán)利要求的光生物反應(yīng)器，其中上述公用入口管道與排放孔連通。
21．按照權(quán)利要求5和與之有關(guān)的任一條權(quán)利要求的光生物反應(yīng)器，其中集流箱上設(shè)有一個手套孔，例如在其頂部表面中。
22．按照上述權(quán)利要求中任一條的光生物反應(yīng)器，其中一個溫度傳感器設(shè)在或靠近一個或幾個管子的出口上。
23．按照權(quán)利要求22的光生物反應(yīng)器，其中許多管子的每個出口端可與公用出口管道連接，溫度傳感器與公用出口管道連接。
24．按照上述權(quán)利要求中任一條的光生物反應(yīng)器，它包括一個用于測量pH的探測器。
25．按照權(quán)利要求24的光生物反應(yīng)器，其中pH探測器裝在集流箱的壁中。
26．按照權(quán)利要求22到25中任一條的光生物反應(yīng)器具有溫度傳感器和pH探測器，溫度傳感器和pH探測器連接到一個控制器上，控制器在操作上連接到用于改變物理環(huán)境或合成混合物成分的裝置上。
27．按照權(quán)利要求26的光生物反應(yīng)器，其中控制器在操作上與控制以下一個或幾個狀態(tài)的裝置連接(ⅰ)營養(yǎng)素濃度；(ⅱ)O2/CO2濃度；以及(ⅲ)溫度。
28．按照權(quán)利要求26或27的光生物反應(yīng)器，其中溫度傳感器和/或控制器在操作上連接到用于調(diào)節(jié)合成混合物溫度的裝置上。
29．按照上述權(quán)利要求中任一條的光生物反應(yīng)器，其中設(shè)有冷卻裝置來冷卻合成混合物。
30．按照權(quán)利要求29的光生物反應(yīng)器，其中冷卻裝置包括一個灌溉系統(tǒng)，用于在管子上引導(dǎo)冷卻液體(如水)。
31．按照權(quán)利要求30的光生物反應(yīng)器，其中灌溉系統(tǒng)包括一個穿孔冷卻環(huán)，它裝在芯體上端周圍并包圍著管子，冷卻環(huán)具有與之連接的水源。
32．按照權(quán)利要求31的光生物反應(yīng)器，其中收集槽設(shè)在芯體下端，用于收集冷卻水作再循環(huán)。
33．按照權(quán)利要求30到32中任一條的光生物反應(yīng)器，其中設(shè)有用于軟化冷卻水的裝置。
34．按照上述權(quán)利要求中任一條的光生物反應(yīng)器，其中上述流動裝置包括一個或幾個泵。
35．按照權(quán)利要求34的光生物反應(yīng)器，其中泵代表了主要流動裝置。
36．按照上述權(quán)利要求中任一條的光生物反應(yīng)器還包括反射裝置，它位于支承結(jié)構(gòu)外部和管子之間。
37．在從合成混合物的生物菌體生產(chǎn)中按照上述權(quán)利要求中任一條的光生物反應(yīng)器的應(yīng)用，合成混合物包括了活的培植物質(zhì)以及為培植物質(zhì)生長必需的營養(yǎng)素。
38．按照權(quán)利要求37的應(yīng)用，其中在管子和支承結(jié)構(gòu)之間接觸區(qū)中促使管線透入管子。
39．按照權(quán)利要求37或38的應(yīng)用，其中培植物質(zhì)包括水藻、青綠色菌類或海草，以及/或者生長必需的營養(yǎng)素包括二氧化碳和氮?dú)庠?，最好是氨氣?br> 40．一種光生物反應(yīng)器，它包括一個直立的支承結(jié)構(gòu)；許多可由支承結(jié)構(gòu)支承的基本透明的管子；使合成混合物流經(jīng)每個透明管子的流動裝置；以及從混合物提取生物菌體合成制品的提取裝置；其中上述透明管子平行地作螺旋纏繞。
全文摘要
提供了一種光生物反應(yīng)器,它包括一個直立的芯體結(jié)構(gòu);許多可由芯體結(jié)構(gòu)支承的基本透明的管子;使合成混合物流經(jīng)每個透明管子的流動裝置;以及從混合物提取生物菌體合成制品的提取裝置。上述透明管子平行地作螺旋纏繞。還提供了在從合成混合物的生物菌體生產(chǎn)中光生物反應(yīng)器的應(yīng)用,合成混合物包括了活的培植物質(zhì)以及為培植物質(zhì)生長必需的營養(yǎng)素。
文檔編號C12M1/04GK1323343SQ99811994
公開日2001年11月21日 申請日期1999年8月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月28日
發(fā)明者伊恩·邁克爾·伯比奇, 喬納森·德斯蒙德·哈珀 申請人:阿達(dá)維塔有限公司