一种自混式漂浮微藻反应器

1.本实用新型涉及涉生物反应器技术领域，具体为一种新型漂浮光生物反应器。


背景技术：

2.生物反应器，是指利用自然存在的微生物或具有特殊降解能力的微生物接种至液相或固相的反应系统。与常规生物反应器不同，漂浮式反应器中的液体混合仅由其响应波浪的水动力运动引起，而这种运动受波浪条件(波高和波周期)、结构和培养深度的影响。
3.所谓漂浮式光生物反应器是指漂浮在水面上的光生物反应器。与陆地上的反应器相比，漂浮式光生物反应器具有不占用陆地面积、可以利用周围水体进行降温、以及利用波浪能进行混合、利用免费的海洋空间，因此该系统能够降低混合能耗及其相关的设备成本。
4.漂浮反应器一般情况下可成功培养微藻，但存在波浪能量不稳定、混合不充分的问题。在波浪条件下，小型漂浮反应器中氧传质系数小，与传统光生物反应器的传质效率相差较大，而漂浮反应器户外培养有时会因波浪运动过小而导致传质不足，溶氧积累高，导致细胞生长受到抑制。基于上述问题设计了一种自混式漂浮反应器，拟在解决波浪能量不稳定引起的混合不充分问题。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案提供了一种自混式漂浮微藻反应器，包括：
6.反应器箱体，其具有容纳空间，容纳空间内存放培养液；
7.驱动单元，其至少部分安装在反应器箱体内；
8.造浪单元，其与驱动单元连接并被驱动单元所驱动，能够在反应器箱体的容纳空间内周期性的往复运动并在培养液中形成涌浪。
9.相对于现有技术，本实施例加装造浪单元形成人造涌浪，有自然波浪能量不稳定、混合不充分时，可以加以人造涌浪，从而有效提高反应器的混合性能。
10.优选的，出于提高驱动单元稳定性考虑，提出：
11.驱动单元包括驱动电机，其通过电机底座安装在反应器箱体内壁面；
12.曲柄滑块机构，曲柄与驱动电机相连，滑块与造浪单元相连并能够在滑轨上周期性的往复运动，所述滑轨固定在反应器箱体底部。
13.曲柄滑块机构是成熟的往复运动机构，其能够提高整个驱动单元的运行可靠性。
14.优选的，曲柄滑块机构包括：
15.第一联轴器，第一联轴器将摇杆与曲柄可转动连接；
16.第二联轴器，第二联轴器将摇杆与造浪单元可转动连接。
17.优选的，造浪单元包括：
18.推流板，其通过直角连接座竖直安装在滑块上，第二联轴器安装在推流板上。
19.优选的，造浪单元包括：
20.第一推流板和第二推流板，第一推流板与第二推流板通过第二联轴器固定连接并形成一整体推流平面。
21.优选的，造浪单元包括：
22.清洁单元，其包括清洁毛刷，所述清洁毛刷安装在推流板低端，且刷毛朝向反应器箱体底部布置。
23.优选的，还包括：
24.顶棚，所述顶棚固定安装在反应器箱体顶端。
25.优选的，还包括：
26.加速度传感器,其安装在反应器箱体内，用于实时监测反应器运动响应；
27.控制单元，其获取加速度传感器的信号，并对驱动单元进行控制。
28.本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
29.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
30.图1示出了根据本发明的一个实施例的一种漂浮光生物反应器结构示意图。
31.图2示出了图1中驱动单元和造浪单元结构示意图；
32.图3示出了图2另一视角结构示意图；
33.图4示出了本实施例的控制逻辑图；
34.图5示出了本发明的第二个实施例的一种漂浮光生物反应器结构示意图；
35.图6示出了本发明图5的局部视图；
36.图7示出了本发明图5的霍尔组件安装示意图；
37.图8示出了第二实施例霍尔组件控制电路图；
38.图9示出了第二实施例霍尔组件原理示意图；
39.图10示出了第二实施例霍尔组件信号原理图；
40.图11示出了第二实施例工作流程图。
41.其中，标记与结构的对应关系如下：
42.附图中的标号分别为：1、顶棚，2、驱动电机，3、第一联轴器，4、电机底座，5、曲柄，6、摇杆，7、推流板，8、直角连接座，9、第二联轴器，10、滑块，11、滑轨，12、反应器箱体，13、清洁毛刷，14a、上磁性组件，14b、下磁性组件，15a、上霍尔检测组件，15b、下霍尔检测组件，16a、第一上导轨，16b、第一下导轨、16c，第二上导轨、16d、第二下导轨，17、控制芯片，18、计时器，19、加速度传感器，20、控制单元。
具体实施方式
43.为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可
以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
45.下面参照图1-11描述根据本发明的一些实施例。
46.实施例1
47.如图1-3所示，本实施例提供一种自混式漂浮微藻反应器，包括：反应器箱体12，其具有容纳空间，本实施例不对容纳空间的形状进行限定，其可以根据实际的反应需要而设定，容纳空间内存放培养液；驱动单元，其为动力输出装置，驱动单元至少部分安装在反应器箱体12内；造浪单元，其与驱动单元连接并被驱动单元所驱动，能够在反应器箱体12的容纳空间内周期性的往复运动并在培养液中形成水平方向的人造涌浪。
48.相对于现有技术，本实施例加装造浪单元形成人造涌浪，当自然波浪能量不稳定、混合不充分时，可以加以人造涌浪，从而有效提高反应器的混合性能。
49.实施例2
50.除了前述实施例所记载的技术内容，本实施例对所述驱动单元进一步限定，其还包括：驱动电机2，一种可行的安装方式为该驱动电机2通过电机底座4安装在反应器箱体12内壁面；还包括曲柄滑块机构，曲柄滑块机构是指用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构。曲柄滑块机构中与机架构成移动副的构件为滑块，通过转动副联接曲柄和滑块的构件为连杆，在本实施例中，曲柄5与驱动电机2相连，滑块10与造浪单元相连并能够在滑轨11上周期性的往复运动，所述滑轨11固定在反应器箱体12底部。
51.另外，需要说明的是，现有技术中反应器目前大多数用于陆地培养，有的反应器也会用到搅拌装置，比如叶轮式搅拌器。与现有技术不同，本实施例的设计是基于海洋培养的漂浮式反应器，一方面利用海洋环境能量对培养液进行混合，另一方面利用水平推流提高混合效果。水平推流是对海洋环境的模拟，其不同于振动台的振动模拟的水流，也不同于波轮式的搅拌，海浪的形成的一个原因是下层海水流动速度小于表层海水的速度，因此上层海水向行进方向形成周期性的海浪，而水平推流也是在反应器的下层引起人造浪，反应器下层培养液与上层培养液之间形成速度差，从而达到模拟海浪的效果。而且水平推流形成的剪切力远远小于同条件下螺旋搅拌器的剪切力，因此，不但提高了混合效果，又尽量对培养液进行保护。另外，叶轮式搅拌器还有一个缺点，就是在工作过程中，会引起液体表面的涡流，从而使更多的气体被涡流携带卷入液体中，自混式漂浮微藻反应器需要模拟自然条件下的生长环境，不能额外的引入过多的气体，因此，叶轮式搅拌器不能被使用到本实施例中，而且叶轮式搅拌器引起的涡流，也不能被称为人造浪，其与海浪有的形式有巨大的差异。
52.实施例3
53.除了前述实施例所记载的技术内容，本实施例对所述曲柄滑块机构进一步限定，其还包括：第一联轴器3，第一联轴器3将摇杆6与曲柄5可转动连接；第二联轴器9，第二联轴器9将摇杆6与造浪单元可转动连接，通过第一联轴器3和第二联轴器9，驱动电机2输出轴旋转运动在第二联轴器9处转化为造浪单元沿水平方向的往复直线运动。
54.实施例4
55.除了前述实施例所记载的技术内容，本实施例对所述造浪单元进一步限定，还包括：推流板7，其通过直角连接座8竖直安装在滑块10上，第二联轴器9安装在推流板7上。推
流板7在沿水平方向的往复直线运动过程中，对培养液进行人工造浪，促进培养液内部物质混合。
56.实施例5
57.除了前述实施例所记载的技术内容，本实施例对所述造浪单元进一步限定，还包括：第一推流板和第二推流板，第一推流板与第二推流板通过第二联轴器9固定连接并形成一整体推流平面。这主要考虑到驱动单元和造浪单元的受力均匀和安装简便考虑。第一推流板和第二推流板相对于驱动单元对称分布，不但提高了造浪效率，还节约了安装成本。
58.实施例6
59.除了前述实施例所记载的技术内容，本实施例对所述造浪单元进一步限定，还包括：清洁单元，其包括清洁毛刷13，所述清洁毛刷13安装在推流板7低端，且刷毛朝向反应器箱体12底部布置。
60.反应器箱体12底部内培养液内沉积物的累积，会淤积成沉淀层，这将会影响滑块在滑轨上的正常运行，因此安装清洁单元能有效的在人造涌浪时将沉淀层清除，消除滑块在滑轨上运动的障碍和隐患。另外还可以设顶棚1，所述顶棚1固定安装在反应器箱体12顶端。这主要是由反应器反应需要而设定的，其为现有技术，技术效果不再赘述。
61.实施例7
62.除了前述实施例所记载的技术内容，本实施例进一步限定，还包括：
63.加速度传感器,其安装在反应器箱体12内，用于实时监测反应器运动响应；控制单元，其获取加速度传感器的信号，并对驱动单元进行控制。
64.加速度传感器优选三自由度加速度传感器，用于实时监测反应器运动响应，其可以安装在反应器侧壁面，本实施例中对安装位置没有特别要求。加速度传感器用于测量反应器本体瞬时加速度，所以控制单元中设置加速度阈值应该为海况剧烈时反应器自身的瞬时加速度。由反应器混合装置引起的小规模运动远小于海况剧烈时反应器的运动幅度。当传感器监测到海况不够剧烈时，启动人工造浪。当外部海况足够剧烈时，人工造浪便会停止，即当反应器受到低频率的外部激励或无外部激励时(海况平稳)，推流装置进行作业提高反应器的混合；当反应器受到高频率的外部激励时(海况剧烈)，推流装置则不进行作业，加装有三自由度加速度传感器用于实时监测反应器运动响应，智能开启反应器作业，有效的节省能源。
65.实施例8
66.自混式漂浮微藻反应器驱动电机2为开环控制的步进电机，其对推流板7的往复运动提供动力。但在自混式漂浮微藻反应器使用的过程中，容易出现人工造浪失效的情况，推流板7因为液体阻力较大而被损坏，一种常见的推流板7损坏的形式是相对于导轨不再保持垂直而是发生的倾斜，在推流板7倾斜时，不能有效的人工造浪。因此，提高自混式漂浮微藻反应器人工造浪的可靠性是本实施例需要解决的技术问题。
67.除了前述实施例所记载的技术内容，本实施例进一步限定，还包括：
68.上霍尔检测组件15a，其形成在推流板7端部的上侧；下霍尔检测组件15b，其形成在推流板7端部，且位于的上霍尔检测组件15a的下侧；第一上导轨16a，其具有槽状截面，水平设置在反应器箱体12内壁上，并与滑轨11平行设置；第一下导轨16b，其具有槽状截面，水平设置在反应器箱体12内壁上与第一上导轨16a平行，且位于第一上导轨16a下方；其中，第
一上导轨16a的槽底设有上磁性组件14a，上霍尔检测组件15a被第一上导轨16a的槽状结构导向并与上磁性组件14a相对设置；第一下导轨16b的槽底设有下磁性组件14b，下霍尔检测组件15b被第一下导轨16b的槽状截面导向，并与下磁性组件14b相对设置；上霍尔检测组件15a与下霍尔检测组件15b均与控制单元20相连，控制单元20还包括计时器18。
69.霍尔元件是一种半导体磁电器件，它是利用霍尔效应来进行工作的。线性霍尔元件是一种模拟信号输出的磁传感器，输出电压随输入的磁力密度线性变化。将霍尔元件作为位置检测元件是现有技术，使用时霍尔检测组件靠近磁性组件但不接触，将磁场感应信号转化为电信号。
70.本实施例具体来说，控制单元20内预先存储了推流板7在与滑轨11保持垂直状态时上霍尔检测组件15a，下霍尔检测组件15b分别从上磁性组件14a，下磁性组件14b检测的位置数据和往复运动的时间周期数据；在使用时，由于推流板7上的上霍尔检测组件15a，下霍尔检测组件15b分别检测相对于第一上导轨16a，第一下导轨16b的位置磁信号，并转化为控制单元20可识别的电信号，并附有时间数据信息，控制单元20根据预先设置在其内部的数据来对照上霍尔检测组件15a，下霍尔检测组件15b实时采集到的信号是否在可接受的数值阈值范围内，从而来判断推流板7是否发生了倾斜。如果推流板7发生倾斜，那么上霍尔检测组件15a，下霍尔检测组件15b在该时刻采集的位置信号将与控制单元20内预先存储的数据不符，控制器将判定推流板7工作状态失效。
71.在硬件安装上，霍尔检测组件的信号线可以通过推流板7及摇杆6将信号线及供电线引出，比如，通过摇杆6的管状空腔结构走线并与控制单元20相连。如果推流板7工作状态失效，控制单元20将发出信号将步进电机停机。
72.如果需要提高检测可靠性，也可以增设冗余的第二上导轨16c和第一下导轨16d，结构和原理均与前文相同，不再赘述。
73.实施例9
74.除了前述实施例所记载的技术内容，本实施例进一步限定，还包括：
75.如图5-7所示，上磁性组件14a，下磁性组件14b固定在反应器箱体12内壁上，并分别位于第一上导轨16a，第一下导轨16b的槽底，并与上霍尔检测组件15a，下霍尔检测组件15b分别对应，以上磁性组件14a为例，其包括间隔分布多个n磁极和/或多个s磁极，这里对极性并不做过多的限制，只要是能够引起霍尔检测组件信号发生间隔性变化即可。上磁性组件14a包括数量为n个的n极与数量为n-1个的间隙，n极与间隙在沿第一上导轨16a长度方向上等宽距；下磁性组件14b包括数量为n个的n极与数量为n-1个的间隙，n极与间隙在沿第一下导轨16b长度方向上等宽距。
76.推流板7在滑轨11往复滑动时，上霍尔检测组件15a相对于上磁性组件14a发生移动，由于上磁性组件14a固定不动，上霍尔检测组件15a在通过间隔分布多个n磁极和/或多个s磁极时，生成感应信号，并转化成为控制单元20可识别的高低电平脉冲数据的集合，下霍尔检测组件15b检测原理与上霍尔检测组件15a相同，同样生成高低电平脉冲数据的集合；控制单元20内的计时器18对上述高低电平脉冲数据的集合加入时间数据参数，形成能够表征推流板7姿态的位置数据。
77.控制单元20将该将位置数据与预先存储的数据相对照，分析推流板7的运动是否符合相应的规律或者是否在可接受的误差范围内，如果位置数据与预先存储的数据相对照
发现偏离太多，则可判断推流板7因倾斜而工作状态失效。
78.结合图11说明，还包括如下控制步骤：
79.s3)在s2)驱动单元启动后，获取下霍尔检测组件检测到的下位置数据，并结合计时器提供的时间参数判断下位置数据是否正常，不正常则驱动单元停止工作。如果下霍尔检测组件检测到的下位置数据不正常，说明滑块与造浪单元的推流板在滑轨上周期性的往复运动不正常，这可能是发生了滑块的卡堵，无法在规定时间达到滑轨上的规定位置，但也有可能是驱动单元损坏，因此需要停机检查。
80.s4)如果下位置数据正常，结合计时器提供的时间参数判断上霍尔检测组件获取的上位置数据与下霍尔检测组件检测到的下位置数据的组合是否正常，不正常则驱动单元停止工作。当下位置数据正常，但上位置数据不正常时，说明推流装置则不进行作业，比如推流板发生了倾斜，需要停机检查。
81.参见图10，上磁性组件14a与下磁性组件14b在竖直方向上有1/2的n极宽度的相位差，在图中为附图标记d。这样设置的优势在于，大大提高了检测的精度。由于上磁性组件14a与下磁性组件14b布置的n极的相位不同，推流板7的上磁性组件14a在经历一个高电平脉冲周期内，下磁性组件14b将有高电平和低电平两种不同的状态，通过上下磁性组件检测的高低电平组合值可以在1/2的n极宽度上得到准确的位置信号。从图10可见，当推流板7为垂直状态时，在t1-t4四个时间间隔中，上磁性组件14a与下磁性组件14b得到的信号分别为高高，高低，低低，低高，也即在一个检测周期内有四个不同的信号可以用来监控推流板7的姿态，如果推流板7发生倾斜，则检测出的数据组合必然也与预设数据有偏差，而且在1/2的n极宽度上即可检出，这大大提高了检测的精度。
82.本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
83.本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
84.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
85.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。