用于微藻兼性生长模式培养的生物反应器及其工作方法与流程

本发明涉及微藻养殖领域，是一种用于微藻兼性生长模式培养的生物反应器及其工作方法。

背景技术：

微藻是一类能依赖光合作用进行生长的微小生物，其富含蛋白质、叶绿素、类胡萝卜素，维生素等多种营养成分，广泛应用于生物医药、食品和食品添加剂、饲料和动物保健、水产养殖等行业。绝大部分微藻均能同时利用光能和有机物碳源（化学能）进行生长，称为兼性生长，又称混合营养生长。一般而言，大部分微藻的兼性生长速率是其光能自养速率和化能异养生长速率之和。微藻的兼性培养模式具有生长速率快，生物量浓度高、生产效率高的优势，然而，目前如微藻的兼性培养模式并未实现大规模推广和应用，其主要原因在于缺乏一种适合微藻兼性培养的生物反应器。

目前，用于微藻兼性培养的生物反应器主要有三种：1）小规模的（5l或10l左右）透明玻璃发酵罐；2）在不锈钢发酵罐内部加灯管；3）在不锈钢发酵罐表面开孔（安装透明玻璃，外部加灯）。上述三种装置的问题在于：第一种类型反应器的规模太小，一般常用于实验室规模，无法作为规模化生产设备；第二种类型是在发酵罐内加灯管，但由于发酵罐灭菌时的高温高压条件（高温115-121℃，高压1.1kg/cm²），考虑发酵罐安全性，存在加灯管数量有限的问题，使得发酵罐内的光照面积（或光照体积）不足，难以满足微藻的生长需求；第三种类型是在不锈钢发酵罐表面开孔，并安装透明玻璃视镜，外部安装灯，也存在发酵罐灭菌时的刚度和安全性要求，开孔数量有限，使得发酵罐内的光照面积不足。由于光合微藻的兼性生长同时需要光照条件和无菌培养环境，且光照面积不能太小（由于光在藻液中呈指数衰减，因此需要较大的光照面积保证微藻在兼性培养过程中获得充足的光能），因此，目前尚没有一种非常适合微藻高效兼性培养且易于规模化放大的培养装置。

此外，为了获得微藻内的活性物质，微藻培养常过程中需要多种生长模式进行互相切换，如为了使得小球藻积累叶黄素，通常采用异养-光自养串联模式，先采用异养模式（发酵）快速获得大量的小球藻生物质，然后进行光照进行光自养使得藻细胞快速合成和积累叶黄素。由于上述第二种和第三种类型分别在发酵罐内部和外部加光，其无法进行大面积的补光，光照不足使得微藻无法诱导合成叶黄素。因此目前尚没有一种可以使微藻在多种生长模式之间互相切换的能规模化应用的生物反应器装置。

针对上述情况，有待设计一种具有高效兼性培养微藻，且根据微藻生长所需可切换生长模式的反应器装置。

技术实现要素：

为克服上述不足，本发明的目的是向本领域提供一种用于微藻兼性生长模式培养的生物反应器及其工作方法，使其解决现有同类反应器兼性培养微藻的效率较低，且根据微藻生长所需切换生长模式较为不便，不易于规模化放大和应用的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现的。

一种用于微藻兼性生长模式培养的生物反应器，该生物反应器的主体为反应罐，反应罐顶部设有接种口和排气管。其结构要点在于所述反应罐的下方设置导流罐，导流罐底部设有放料排污口，反应罐底部与导流罐之间通过透明玻璃柱管相通连接，即反应罐内腔与导流罐内腔通过透明玻璃柱管相通；透明玻璃柱管包括中间玻璃柱管和沿中间玻璃柱管周向呈环形均布的外玻璃柱管，其中中间玻璃柱管与反应罐底部中心和导流罐顶部中心相通连接，中间玻璃柱管内设有旋转时推动中间玻璃柱管内水流朝导流罐一端流动的轴流桨，轴流桨固定于转轴，转轴伸出至反应罐顶部传动连接电机。通过上述结构，将生物反应器分为上部的反应罐和下部的透明玻璃柱管，利用透明玻璃柱管的透光性，并配合中间玻璃柱管内设置轴流桨，不仅具有极大的光照面积，满足微藻生长对光能的需求，同时具有良好的流体混合和传质性能，使该生物反应器内微藻能够在反应罐、透明玻璃柱管、导流管三者间形成循环流动，满足微藻兼性培养的要求，有效提高微藻生长速率，增加产出。

所述中间玻璃柱管由上段和下段构成，上段的上端与所述反应罐底部中心相通连接，下段的下端与所述导流罐顶部中心相通连接，上段与下段之间通过气液射流装置相通连接，气液射流装置内部设有口径小于所述中间玻璃柱管通径的射流通道，射流通道壁面设有通气孔，通气孔外接供气设备。通过该结构，有利于增强反应器内的气液传质系数，在不增加搅拌桨转速和通气量的条件下显著地提高培养液中的溶解氧含量，满足微藻高密度生长对氧的需要，提高微藻培养浓度。

所述气液射流装置的上端和下端均形成法兰接头，所述中间玻璃柱管的上段下端和下段上端均设有与气液射流装置法兰接头对应固定连接的法兰端头，法兰接头与法兰端头之间垫设弹性密封垫后通过螺栓、螺母形成固定连接；气液射流装置的射流通道壁面沿环形方向均布设有至少三个通气孔，射流通道外侧面设有导通各通气孔的环形管路，环形管路通过通气管路外接所述供气设备。通过该结构，方便气液射流装置的安装，且供气效果较佳。

所述反应罐底部和导流罐顶部均设有与对应透明玻璃柱管对接的法兰接头，透明玻璃柱管的两端均设有与法兰接头相连的法兰端头，法兰接头与法兰端头之间垫设弹性密封垫后通过螺栓、螺母形成固定连接。通过该结构，使透明玻璃柱管与反应罐和导流管之间具有一定伸缩能力，从而能够有效应对生物反应器进行蒸汽高温灭菌时的高温膨胀状态，保证使用的安全性。

所述导流罐内形成椭圆弧内腔，以保证导流管内导流的平顺性，减少阻力，减少死区（微藻容易沉积的区域）的比例。

所述生物反应器的外围周向均布设有对所述外玻璃柱管和中间玻璃柱管进行补光的led灯。通过该led灯，实现在光照不足的环境下对透明玻璃柱管内的微藻进行及时的补光，从而保证微藻的生长效率。

所述导流罐的外侧面设有用于与导流罐内部形成热交换的换热夹套。通过该结构，利用外部冷热交换介质流入换热夹套内，从而对导流管内形成有效的热交换，有利于保持该生物反应器内部合理的温度。

所述反应罐内设置分别监测温度、ph值、溶氧值的温度传感器、ph传感器、溶氧传感器。从而方便对该生物反应器内部环境和培养过程进行实时监测，及时调整操作条件和工艺。

所述外玻璃柱管设有至少四根，且相邻外玻璃柱管之间以及外玻璃柱管与中间玻璃柱管之间均设有间距。通过合理的间隙，便于安装、维护和清洗操作。

该用于微藻兼性生长模式培养的生物反应器的工作方法为：将微藻种液通过火焰接种方式或接种罐压差接种方式由接种口通入反应罐内，开启电机，电机带动轴流桨推动中间玻璃柱管内培养液由反应罐流至导流罐内，经中间的气液射流装置后，由气液射流装置向中间玻璃柱管内供氧，提高培养液中的溶解氧含量，再由导流罐经外玻璃柱管回流至反应罐内，如此循环；当外部光照不足时，通过辅助的led灯对外玻璃柱管进行光照，以满足微藻兼性生长时对光照的所需，实现藻细胞内光诱导生物活性物质的合成，以上述方法实现该生物反应器内微藻兼性培养。

本发明整体结构较为紧凑合理，使用较为安全可靠，适合于微藻兼性培养，且根据微藻生长所需可切换生长模式，使微藻生长速率较高，生物浓度高，产出高，易于实现微藻培养的规模化放大和应用，适合作为微藻培养的生物反应器使用，或同类反应器的结构改进。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图中部分作了剖视。

图2是本发明的外玻璃柱管和内玻璃柱管相对于反应罐底部的分布状态结构示意图。

图3是图2的外玻璃柱管由四根增加到八根。

图4是本发明气液射流装置的剖视结构示意意图，图中作了a-a剖视。

图5是图4的a-a剖视结构示意图

图中序号及名称为：1、反应罐，101、接种口，102、排气管，103、备用口，2、中间玻璃柱管，201、上段，202、下段，3、外玻璃柱管，4、导流罐，401、放料排污口，5、换热夹套，6、轴流桨，7、转轴，8、电机，9、气液射流装置，901、通气导管，10、温度传感器，11、ph传感器，12、溶氧传感器，13、弹性密封垫，14、led灯。

具体实施方式

现结合附图，对本发明作进一步描述。

如图1、图2、图4、图5所示，该生物反应器的主体为不锈钢材质的反应罐1，反应罐顶部设有用于进料的接种口101和备用口103，以及用于排气的排气管102，排气管设有排气阀。反应罐的下方设置带有椭圆弧内腔的不锈钢材质的导流罐4，导流罐底部设有放料排污口401，放料排污口下方设置有隔膜阀，初始状态下为关闭状态。反应罐底部与导流罐之间通过耐高温高压的透明玻璃柱管相通连接，透明玻璃柱管采用石英玻璃管或高硼硅玻璃管，具体为：反应罐底部和导流罐顶部均设有与对应透明玻璃柱管对接的法兰接头，透明玻璃柱管的两端均设有与法兰接头相连的法兰端头，法兰接头与法兰端头之间垫设弹性密封垫13后通过螺栓、螺母形成固定连接。通过上述连接，使反应罐内腔与导流罐内腔通过透明玻璃柱管相通。透明玻璃柱管包括一根中间玻璃柱管2和四根沿中间玻璃柱管周向呈环形均布的外玻璃柱管3，相邻外玻璃柱管之间以及外玻璃柱管与中间玻璃柱管之间均设有间距，以便于拆装、维护或清洗操作。中间玻璃柱管由上段201和下段202构成，上段的上端与反应罐底部中心相通连接，下段的下端与导流罐顶部中心相通连接，上段与下段之间通过气液射流装置9相通连接。气液射流装置为不锈钢套筒结构，气液射流装置的上端和下端均形成法兰接头，中部设有口径小于中间玻璃柱管通径的射流通道，两端的法兰接头至中部的射流通道形成渐小锥形渐变。射流通道的壁面沿环形均布设有三个通气孔902，射流通道的壁面外侧面焊接设有导通各通气孔的环形管路903，环形管路通过通气管路901外接供气设备，通过供气设备向气液射流装置内供给无菌空气。中间玻璃柱管的上段下端和下段上端均设有与气液射流装置法兰接头对应固定连接的法兰端头，法兰接头与法兰端头之间垫设弹性密封垫后通过螺栓、螺母形成固定连接。

上述中间玻璃柱管2的上段201内设有旋转时推动中间玻璃柱管内培养液朝导流罐4一端流动的轴流桨6，轴流桨的数量根据需要设定，轴流桨固定于转轴7，转轴伸出至反应罐顶部传动连接电机8，反应罐顶部设有用于穿接并使转轴定位旋转的轴定位座，以及固定连接电机的电机支架。

为了在光照不足的环境下对透明玻璃柱管内的微藻进行及时的补光，该生物反应器的外围周向均布设有对外玻璃柱管2和中间玻璃柱管1进行补光的led灯14。led灯根据需要时进行布设，不需要时可以移除。

为了方便检测该生物反应器内的培养环境，同时便于调节该生物反应器内部的温度，反应罐1内设置分别监测温度、ph值、溶氧值的温度传感器10、ph传感器11、溶氧传感器12，导流罐4的外侧面设有用于与导流罐内部形成热交换的换热夹套5。从而利用外部冷热交换介质流入换热夹套内，对导流管内形成有效的热交换，实现内部温度的调节。

该用于微藻兼性生长模式培养的生物反应器的工作方法为：

首先，将生物反应器清洗干净，校正并安装好ph传感器11、溶氧传感器12和温度传感10器，通过接种口101按比例接入微藻生长所需的无机盐和有机碳源（如葡萄糖）等营养物质和水，配成微藻生长所需浓度的培养基。关闭除安装在排气管102上的排气阀外的所有阀门，通过换热夹套5直接通入蒸汽，使培养基的温度上升至90-100℃左右；然后打开通气导管901和排污放料口401，并由通气导管和排污放料口向生物反应器内通入蒸汽，使培养基的温度上升至121℃，维持高温20min进行蒸汽消毒，待消毒结束后，换热夹套内通入冷却水进行降温至微藻生长所需的温度（一般为25-35℃）。

然后，打开外部辅助的led灯14对外玻璃柱管3进行光照（led的数量和光照强度根据微藻生长情况进行调节），以满足微藻生长所需。将微藻藻种由接种口101通入反应罐1内，开启电机8，电机带动轴流桨6推动中间玻璃柱管2内水流由反应罐流至导流罐4内，经中间的气液射流装置9后，由气液射流装置向中间玻璃柱管内供氧，使培养基获得充足的溶解氧，再由导流罐经外玻璃柱管3回流至上方的反应罐内，实现充分的混合，以利于微藻生长和对营养物质的吸收。以上述培养基流动循环，实现微藻高效兼性培养，从而提高微藻生长速率，增加产量。当培养完成后，关闭电机，并打开导流罐底部放料排污口的隔膜阀，即可实现放料操作。

如图3所示，外玻璃柱管3的数量亦可根据需要设定为其它的数量，例如八根。该生物反应器可以通过增加玻璃管柱的直径、玻璃管柱的高度及玻璃管柱的数量进行放大，解决生物反应器放大困难的问题。以上内容旨在说明本发明的技术手段，并非限制本发明的技术范围。本领域技术人员结合现有公知常识对本发明做显而易见的改进或替换，例如改变反应罐、中间玻璃柱管、外玻璃柱管、导流罐的尺寸、材料等，均落入本发明权利要求的保护范围之内。