[发明专利]反应器板式外置光源

说明书

技术领域

本发明属于生物反应器，特别是指一种反应器板式外置光源。

背景技术

光合自养型微生物和植物细胞的合成代谢和分解代谢所需能量和物质均通过光合作用获得，用光合生物反应器来培养这些生物是本领域公知的技术。光生物反应器是一种密闭式培养装置，因为光照的需要，反应器一般用可透光的材质制作釜体，再辅以光源照射。1983年Pirt等人开创性的研究工作为光生物反应器的设计奠定了基础，理想的光反应器应该具有最大的表面积与体积比、最有效的光照系统、光传递到微藻的最短光路等，为此，各种类型和形状的密闭式光生物反应器应运而生，例如，圆柱筒状、管状、环状、平板状、立方体状。

众所周知，光是影响光合微生物生长和代谢的最重要影响因素，培养时需要外加光源照射。而光的利用效率又直接关系到细胞的生长速率以及能源的消耗，它与光照强度、光照时间、光照频率和光循环周期等因素有关，因此光照是培养光合微生物的关键控制条件之一。光合微生物均有适宜生长的光照强度，在光限制阶段光照强度是微藻生长的限制因子，随光强增加光合作用速率升高，而在光饱和阶段光合作用速率达到最大并随光强升高而产生光抑制,而且有些微藻在不同的生长阶段所需要的光照强度也不相同。微藻的光合作用过程可分为光反应和暗反应两个阶段，在光反应阶段细胞吸收光量子转换为化学能，在暗反应阶段细胞利用化学能合成细胞组份，在这个阶段强光照对细胞生长反而有害，因此，对单个细胞而言持续的光照意味着光量子的浪费，相反，以一定频率的间歇性光照有利于光的利用效率。

光合反应器的光照利用效率低已是本领域技术人员所公知的技术难题，目前很多研究都集中在如何改变反应器的形状和结构来提高光利用效率，但却忽略了光源结构的影响。现有的一些反应器的光源比较简单，大多在反应器周围零星的放置一些灯管或灯泡，这样的光源有很大缺点：1、单个灯管或灯泡发出的光强随着向周围的发散呈递减趋势，这容易造成最接近光源灯的反应器表面光照过强，超出了微生物最适光强范围，抑制了该区域细胞的生长，而距离光源灯较远的地方光照较弱而限制了细胞的生长，造成整体的细胞生长速率变慢，这种光照不均的现象降低了光利用效率；2、光照强度很难调节，当需要调整光照以适应菌种的光需求和培养的需要时，目前的做法是增加或减少光照灯的数量或更换不同功率的灯，这样不断的拆解和组装灯具使得操作非常麻烦；3、光照强度调节不连续，改变光照灯的数量或功率会导致光照强度的突跃性改变，很难准确设定在一个特定值，这对于光照要求较高的菌种的培养不利，降低了光吸收效率。4、光照时间和光暗循环周期需人工控制，无法进行自动控制，浪费人力；5、光线散射使光源灯发出的光不能被有效利用，造成能量浪费；6、目前所普遍使用的光合反应器种类繁多，形状各异，当在釜体外放置光源时，需要根据釜体的各种形状来摆设光源，或者设计不同形状的光源架来放置光源，这样给光源的配置带来了困难和麻烦。近年来一些研究为了提高光的利用效率，将一些防水的光源直接置于反应器内，这样虽然缩短了光照距离，但内置光源表面容易被光合微生物附着而阻断了光的扩散，反而不能提高光的利用效率，并且内置光源散发的热量容易使其附近的微生物细胞因过热死亡，甚至可能会发生漏电的安全隐患，所以外置光源仍然是普遍应用的光照方式。

公开号为CN204097451U的专利文献中公开了一种多功能发酵罐，公开号为CN204224591U的专利文献中公开了一种光合微生物发酵罐，二者虽然采用了光反射板，因其采用固定式结构，通配性较差。公开号为CN202415537U的专利文献公开了一种光合细菌培养装置，将光源置于环形腔体内部，虽然提高了光源利用率，但因其采用专用结构，不适于与现有的光反应器配套使用且光损失较大。公开号为CN103374511A专利文献中公开了一种气升式环流光生物反应器，分别设置了内置光源和外置光源。由于外置光源未采用遮光措施，光能未能得到有效利用。公开号为CN102224236A的专利文献公开了一种托盘堆叠成的立体式光生物反应器，以自然光为光源并能够高效捕获光能，由于采用自然光为光源，照射强度不能根据光合微生物的实际需要进行有效控制。以上所述的反应器仍然存在光利用效率低的问题。

目前，关于光合反应器的发明设计已有很多的报道，但仍没有一种专门的、完善的、匹配各种光合反应器的外置光源。因此，迫切需要一种光照分布均匀、光照强度连续自动调节、使用方便、发光周期频率可调的高效外置光源，以提高光利用效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反应器板式外置光源，以解决光利用效率低的问题，提高了细胞生长速率和光合反应器的产率，并且所述光源可以方便灵活地组装后适配与现有不同形状的反应釜。