专利名称：导流筒和使用该导流筒的柱状式生物反应器及设置方法
技术领域：
本发明涉及一种气升式筒状生物反应器。特别是涉及一种通过控制导流筒凹凸起伏的周期数及幅度，来实现反应器所培养生物的最佳流速、湍流混合及气液传质条件的导流筒和使用该导流筒的柱状式生物反应器及设置方法。
背景技术：
气升式生物反应器广泛应用于植物细胞培养及发酵工业，依据曝气位置的不同分为内循环式和外循环式两大类，在气体的带动下，反应器的流动性较其他生物反应器更均勻，随着液体携带气泡在反应器内循环流动，可实现良好的气液混合，但目前柱状气升式生物及光生物反应器内的导流筒主要是平面直导流筒，使得气升式生物反应器在高密度培养生物时混合不够均勻。此外，用该反应器培养光合生物，如微藻、光合细菌时，在特定的通气条件下，混合能力有限，加上生物间的相互遮挡，在反应器靠近光照区域，会出现“光抑制” 现象，而远离光照的区域则出现“光限制”现象，极大的影响反应器内生物的生长。而加大通气量来增强湍流混合时，在当前普遍采用的平面直导流筒的反应器内，培养液的循环液速也会随之增大，同时会出现较强的湍流扰动，将对大部分适于低流速、小扰动环境条件下生长的藻类及菌种带来不利影响，进而降低反应器的生产能力。
当前对生物及光生物反应器开发研究，主要致力于改变反应器内置导流筒的结构参数，如导流筒的高径比，导流筒安装位置，导流筒所形成的下降区与上升区截面面积比等，来提高反应器内气液传质与混合，但这些优化方式对实现光合生物在光照区的混合，尤其是光照方向的径向混合作用不大。同时未解决增大通气量带来培养液循环流速过大的问题。此外，当前所采用的平面直导流筒，其结构本身对增强反应器内的传质混合作用不大。 因此，有必要开发新型结构的导流筒来强化反应器的传质混合同时调节液体流速。发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种气液传质效率改善明显，培养液混合均勻，光照方向湍流混合均勻，光能利用率高的导流筒和使用该导流筒的柱状式生物反应器及设置方法。
本发明所采用的技术方案是一种导流筒和使用该导流筒的柱状式生物反应器及设置方法，柱状式生物反应器的导流筒是筒壁为上下贯通的凹凸起伏的波浪形结构的导流筒。
所述的波浪形结构是圆弧形波浪结构、三角形波浪结构、梯形波浪结构和矩形波浪结构中的一种。
所述的波浪形结构的导流筒的波浪中前一个波浪最高峰的峰点到下一个波浪最高峰的峰点之间为一个周期，所述的波浪形结构的导流筒所具有的波浪为1. 5个周期到50 个周期。
一种具有波浪形结构导流筒的柱状式生物反应器，包括有反应器罐体，设置在反应器罐体顶部的气体出口和培养液进口，设置在反应器罐体底部的培养液出口和进气装置，所述的进气装置采用曝气装置或由是气体分布器与进气管构成，所述的反应器罐体内设置有筒壁为波浪形结构导流筒，所述的波浪形结构导流筒所构成的上端开口和下端开口均为向外扩展的喇叭状开口。
所述的波浪形结构是圆弧形波浪结构、三角形波浪结构、梯形波浪结构和矩形波浪结构中的一种。
所述的波浪形结构导流筒的前一个最高峰的峰点到下一个最高峰的峰点之间为一个周期，所述的波浪形结构导流筒所具有的波浪有1. 5个周期到50个周期。
所述的波浪形结构导流筒的峰高a :0 <a< d，其中，d是波浪形结构导流筒的中心与波浪中心线c之间的距离。
一种柱状式生物反应器的波浪形结构导流筒的设置方法，包括如下步骤
1)根据所培养生物生长的需求，确定该柱状式生物反应器的通气量或通气速度， 并计算一分钟内通入反应器内气体的体积，再结合柱状式生物反应器内实际培养液体积， 得出一分钟内通入气体体积与反应器培养液体积的比值，将该比值定为通气比，
通气比R :R = V1Z^V2，其中=V1 1分钟通入反应器中气体的体积；V2柱状式生物反应器内实际培养液体积；
2)根据得出的通气比，确定柱状式生物反应器所采用的具有凹凸起伏的波浪形结构导流筒(5)的波浪周期数及幅度；
3)将具有凹凸起伏的波浪形结构导流筒(5)安装在柱状式生物反应器内所设定的导流筒设置位置上。
当所述的通气比R在0 0. 25时，所述的波浪形结构导流筒的峰高a是柱状反应器半径的0. 05 0. 12倍之间；当所述的通气比R在0. 25 0. 5时，所述的波浪形结构导流筒的峰高a是柱状反应器半径的0. 06 0. 2倍之间；当所述的通气比R高于0. 5时，所述的波浪形结构导流筒的峰高a是柱状反应器半径的0. 08 0. 3倍之间。
当所述的通气比R在0 0. 25时，所述的波浪形结构导流筒所具有的波浪周期设置有6 9个周期，包括半个周期情况；当所述的通气比R在0. 25 0. 5时，所述的波浪形结构导流筒所具有的波浪周期设置有10 13个周期，包括半个周期情况；当所述的通气比 R高于0. 5时，所述的波浪形结构导流筒所具有的波浪周期设置有14-16个周期，包括半个周期情况。
本发明的导流筒和使用该导流筒的柱状式生物反应器及设置方法，具有如下特占.^ \\\ ·
1、采用具有三角形、梯形、圆弧形、矩形等波浪结构的导流筒，液体在循环流动时， 在导流筒有规则的波浪起伏的作用下，可增加液体混合的次数，可极大的提高反应器内培养液混合的效果；
2.培养光合生物时，在导流筒波浪起伏结构的作用下，可明显促进光照区的径向混合，提高所培养生物的光能利用效率。
3.采用具有波浪起伏结构的导流筒，在该流场中，导流筒的波浪起伏可以阻挡液体的流动，当通气量比较大时，即可以通过增加波浪起伏的幅度，调节液体的流速，使培养液的循环速度不会随通气量的增加而增大。又可以通过增加波浪起伏周期数来增加其对液体阻碍的次数，使循环液速维持在适宜生物生长的范围。
4.采用具有三角形、梯形、圆弧形、矩形等波浪起伏结构的导流筒，通过调节波浪起伏的周期数及幅度，可增加液体在波浪起伏处的混合，同时可以延长气体在反应器的停留，增加了气液间接触传质的机会，大大提高气液间的传质。
图1是本发明的圆弧形波浪结构导流筒的断面结构示意图2是本发明的三角形波浪结构导流筒的断面结构示意图3是本发明的梯形波浪结构导流筒的断面结构示意图4是本发明的矩形波浪结构导流筒的断面结构示意图5是采用圆弧形波浪结构导流筒的柱状式生物反应器断面结构示意图6是采用圆弧形波浪结构导流筒的柱状式生物反应器另一实施例的断面结构示意图7是采用三角形波浪结构导流筒的柱状式生物反应器断面结构示意图8是采用三角形波浪结构导流筒的柱状式生物反应器另一实施例的断面结构示意图9是采用梯形波浪结构导流筒的柱状式生物反应器断面结构示意图10是采用梯形波浪结构导流筒的柱状式生物反应器另一实施例的断面结构示意图11是采用矩形波浪结构导流筒的柱状式生物反应器断面结构示意图12是采用矩形波浪结构导流筒的柱状式生物反应器另一实施例的断面结构示意图13是波浪形结构导流筒的波峰尺寸标注的示意图1 是三角形波浪结构导流筒的波浪起伏周期数对液相体积传质系数的影响曲线图14b是三角形波浪结构导流筒的波浪起伏幅度对液相体积传质系数的影响曲线图1 是三角形波浪结构导流筒的波浪起伏周期数对光照区平均径向速度的影响曲线图1 是三角形波浪结构导流筒的波浪起伏幅度对光照区平均径向速度的影响曲线图16a是三角形波浪结构导流筒的波浪起伏周期数对上升区及下降区平均液速的影响曲线图16b是三角形波浪结构导流筒的波浪起伏幅度对上升区及下降区平均液速的影响曲线图。
图17是采用三角形波浪结构导流板的平板式生物反应器断面结构示意图中
1:圆弧形波浪结构2:三角形波浪结构
3 梯形波浪结构4 矩形波浪结构
5 波浪形结构导流筒
7 气体出口
9:培养液出口
11 气体分布器
13:喇叭状开口
15 三角形波浪结构导流板6 反应器罐体 8:培养液进口 10 曝气装置 12 进气管 14 光照区16 平板式生物反应器
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的导流筒和使用该导流筒的柱状式生物反应器及设置方法做出详细说明。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明的柱状式生物反应器的导流筒，所述的导流筒是筒壁为上下贯通的凹凸起伏的波浪形结构导流筒5。所述的波浪形结构是圆弧形波浪结构1、三角形波浪结构2、梯形波浪结构3和矩形波浪结构4中的一种。所述的波浪形结构的导流筒5的波浪中前一个波浪最高峰的峰点到下一个波浪最高峰的峰点之间为一个周期， 所述的波浪形结构的导流筒5所具有的波浪为1. 5个周期到50个周期。
如图5 图12所示，本发明的具有波浪形结构导流筒的柱状式生物反应器，包括有反应器罐体6，设置在反应器罐体6顶部的气体出口 7和培养液进口 8，设置在反应器罐体6底部的培养液出口 9和进气装置，所述的进气装置采用曝气装置10或由是气体分布器 11与进气管12构成，其特征在于，所述的反应器罐体6内设置有筒壁为波浪形结构导流筒 5，所述的波浪形结构导流筒5所构成的上端开口和下端开口均为向外扩展的喇叭状开口 13。
所述的波浪形结构是圆弧形波浪结构1、三角形波浪结构2、梯形波浪结构3和矩形波浪结构4中的一种。
如图13所示，所述的波浪形结构导流筒5的前一个最高峰的峰点到下一个最高峰的峰点之间为一个周期b，所述的波浪形结构导流筒5所具有的波浪有1. 5个周期到50个周期。
所述的波浪形结构导流筒5的峰高a :0 < a < d，其中，d是波浪形结构导流筒5 的中心与波浪中心线c之间的距离。
本发明的的柱状式生物反应器的波浪形结构导流筒的设置方法，包括如下步骤
1)根据所培养生物生长的需求，确定该柱状式生物反应器的通气量或通气速度， 并计算一分钟内通入反应器内气体的体积，再结合柱状式生物反应器内实际培养液体积， 得出一分钟内通入气体体积与反应器培养液体积的比值，将该比值定为通气比，
通气比R :R = V1Z^V2，其中=V1 1分钟通入反应器中气体的体积；V2柱状式生物反应器内实际培养液体积；
2)根据得出的通气比，确定柱状式生物反应器所采用的具有凹凸起的伏波浪形结构导流筒5的波浪周期数及幅度；
当所述的通气比R在0 0. 25时，所述的波浪形结构导流筒5的峰高a是柱状反应器半径的0. 05 0. 12倍之间；当所述的通气比R在0. 25 0. 5时，所述的波浪形结构导流筒5的峰高a是柱状反应器半径的0. 06 0. 2倍之间；当所述的通气比R高于0. 5时，所述的波浪形结构导流筒5的峰高a是柱状反应器半径的0. 08 0. 3倍之间。
当所述的通气比R在0 0. 25时，所述的波浪形结构导流筒5所具有的波浪周期设置有6 9个周期，包括半个周期情况；当所述的通气比R在0. 25 0. 5时，所述的波浪形结构导流筒5所具有的波浪周期设置有10 13个周期，包括半个周期情况；当所述的通气比R高于0. 5时，所述的波浪形结构导流筒5所具有的波浪周期设置有14-16个周期，包括半个周期情况。
3)将具有凹凸起的伏波浪形结构导流筒5安装在柱状式生物反应器内所设定的导流筒设置位置上。
以安装有三角形导流筒的柱状气升式光生物反应器培养微藻为例，说明本发明的
具体实施方式
，在实际培养时，选择柱状气升式光生物反应器，该反应器的半径为0. Im,高为lm，反应器实际培养液体积为V2 = 30L，首先根据微藻生长的需要，确定其需要的通气量，然后由气体流量计得出1分钟通入反应器的气体的体积V1 = 6L，计算出通气比R = 0. 2，通过本发明可知在该通气比下导流筒波浪起伏的周期数控制在6-9个，波浪起伏的幅度控制在柱状反应器半径的0. 05-0. 12倍之间，因此选择凹凸起伏的波浪形结构导流筒5 的波浪周期数为7个，保证凹凸起伏的波浪形结构导流筒5上下两端均为喇叭状的开口，波浪起伏的幅度与反应器半径的比值的0. 06，即凹凸起伏的波浪形结构导流筒5的起伏的幅度为0. 006m，其中波浪起伏中心c与该凹凸起伏波浪形结构导流筒5轴向距离d(图13所示)为0. 03m,凹凸起伏的波浪形结构导流筒5高为0. 65m,之后将该伏波浪形结构导流筒5 安装在该柱状气升式反应器内，其中凹凸起伏的波浪形结构导流筒5的中心与反应器的中心重合，波浪形结构导流筒5底部距离反应器底部为0. Im,凹凸起伏的波浪形结构导流筒5 顶端距离反应器顶端为0. 25m，在凹凸起伏的波浪形结构导流筒5的底部通过三个支架将凹凸起伏的波浪形结构导流筒5固定在反应器内部，之后将该反应器用于微藻实际培养。
具有波浪形结构导流筒的柱状式生物反应器的利记博彩app和工艺与普通的具有平直导流筒的柱状式生物反应器相同，安装方法简单，成本低，可广泛应用于柱状气升式反应器内部，而在导流筒波浪起伏结构的作用下，反应器内传质混合效果改善明显。
下面以一种同样具有波浪形结构导流筒的反应器结构(参考图7和图13)来说明波浪形结构对传质混合的改善的效果。在0. 15的通气比条件下，采用内循环式的反应器模式来运行。为了展示波浪起伏次数对反应器传质效果的影响，将波浪起伏周期数从3个增加到13个来研究，此外，设置波浪起伏的幅度a是波浪形结构导流筒5的中心与波浪中心线c之间的距离d的0. 05,0. 1,0. 15,0. 2,0. 25,0. 3,0. 35,0. 4倍由小到大的8种情况，来研究波浪起伏幅度对传质混合的影响。在图13中该三角形导流筒的波浪起伏中心c与该凹凸起伏的波浪形结构导流筒轴向距离d与柱状式生物反应器的半径的差，记作t，当t/d < O. 1或更小时，用图7所示的具有三角形波浪结构导流筒的柱状式生物反应器的实际运行效果与图17所示的结构尺寸相似的平板式反应器运行结果基本一致。
为了体现本发明对反应器内传质特性的影响，选择液相体积传质系数来评价反应器的内气液传质效果。图Ha和b分别展示了改变周期数及幅度，引起液相体积传质系数的变化，可见采用本发明技术能达到调节传质效果的目的。
为了体现本发明能有效提高光合生物的光能利用效率，选择该反应器光照区域， 即图8中的14代表的区域来研究该区域光照方向的混合效果，以该区域的平均径向速度为评价指标来研究。图1 和b分别展示了改变波浪起伏周期数及幅度，引起光照区14平均径向速度的变化情况，可见改变采用本发明技术能有效调节光照方向的混合。
为了体现本发明能有效调节液体速度，以内环流反应器中上升区的平均液相速度，下降区平均液相速度为评价指标来研究波浪起伏的周期数及幅度对液体循环速度的影响。图16a和b分别展示了改变凹凸起伏周期数及幅度对上升区和下降区平均液相速度的影响，可以看出在本发明下可有效的调节液体循环流速。
权利要求
1.一种柱状式生物反应器的导流筒，其特征在于，该导流筒是筒壁为上下贯通的凹凸起伏的波浪形结构的导流筒(5)。
2.根据权利要求1所述的柱状式生物反应器的导流筒，其特征在于，所述的波浪形结构是圆弧形波浪结构(1)、三角形波浪结构O)、梯形波浪结构(3)和矩形波浪结构中的一种。
3.根据权利要求1所述的柱状式生物反应器的导流筒，其特征在于，所述的波浪形结构的导流筒(5)的波浪中前一个波浪最高峰的峰点到下一个波浪最高峰的峰点之间为一个周期，所述的波浪形结构的导流筒(5)所具有的波浪为1. 5个周期到50个周期。
4.一种具有权利要求1所述的波浪形结构导流筒的柱状式生物反应器，包括有反应器罐体(6)，设置在反应器罐体(6)顶部的气体出口(7)和培养液进口(8)，设置在反应器罐体(6)底部的培养液出口(9)和进气装置，所述的进气装置采用曝气装置(10)或由是气体分布器(11)与进气管(12)构成，其特征在于，所述的反应器罐体(6)内设置有筒壁为波浪形结构导流筒(5)，所述的波浪形结构导流筒(5)所构成的上端开口和下端开口均为向外扩展的喇叭状开口(13)。
5.根据权利要求4所述的具有波浪形结构导流筒的柱状式生物反应器，其特征在于， 所述的波浪形结构是圆弧形波浪结构(1)、三角形波浪结构O)、梯形波浪结构(3)和矩形波浪结构中的一种。
6.根据权利要求4所述的具有波浪形结构导流筒的柱状式生物反应器，其特征在于， 所述的波浪形结构导流筒(5)的前一个最高峰的峰点到下一个最高峰的峰点之间为一个周期，所述的波浪形结构导流筒(5)所具有的波浪有1. 5个周期到50个周期。
7.根据权利要求4所述的具有波浪形结构导流筒的柱状式生物反应器，其特征在于， 所述的波浪形结构导流筒(5)的峰高a :0 <a< d，其中，d是波浪形结构导流筒(5)的中心与波浪中心线c之间的距离。
8.—种权利要求4所述的柱状式生物反应器的波浪形结构导流筒的设置方法，其特征在于，包括如下步骤1)根据所培养生物生长的需求，确定该柱状式生物反应器的通气量或通气速度，并计算一分钟内通入反应器内气体的体积，再结合柱状式生物反应器内实际培养液体积，得出一分钟内通入气体体积与反应器培养液体积的比值，将该比值定为通气比，通气比R :R = V1ZiV2，其中=V1 1分钟通入反应器中气体的体积；V2柱状式生物反应器内实际培养液体积；2)根据得出的通气比，确定柱状式生物反应器所采用的具有凹凸起伏的波浪形结构导流筒(5)的波浪周期数及幅度；3)将具有凹凸起伏的波浪形结构导流筒(5)安装在柱状式生物反应器内所设定的导流筒设置位置上。
9.根据权利要求8所述的柱状式生物反应器的波浪形结构导流筒的设置方法，其特征在于，当所述的通气比R在0 0. 25时，所述的波浪形结构导流筒(5)的峰高a是柱状反应器半径的0. 05 0. 12倍之间；当所述的通气比R在0. 25 0. 5时，所述的波浪形结构导流筒(5)的峰高a是柱状反应器半径的0. 06 0. 2倍之间；当所述的通气比R高于0. 5 时，所述的波浪形结构导流筒(5)的峰高a是柱状反应器半径的0. 08 0. 3倍之间。
10.根据权利要求8所述的柱状式生物反应器的波浪形结构导流筒的设置方法，其特征在于，当所述的通气比R在0 0. 25时，所述的波浪形结构导流筒(5)所具有的波浪周期设置有6 9个周期，包括半个周期情况；当所述的通气比R在0. 25 0. 5时，所述的波浪形结构导流筒(5)所具有的波浪周期设置有10 13个周期，包括半个周期情况；当所述的通气比R高于0. 5时，所述的波浪形结构导流筒(5)所具有的波浪周期设置有14-16个周期，包括半个周期情况。
全文摘要
导流筒和使用该导流筒的柱状式生物反应器及设置方法，导流筒是其筒壁为上下贯通的凹凸起伏的波浪形结构的导流筒。该生物反应器是在反应器罐体内设置有筒壁为波浪形结构导流筒，波浪形结构导流筒所构成的上端开口和下端开口均为向外扩展的喇叭状开口。波浪形结构导流筒的设置方法根据所培养生物生长的需求，确定该柱状式生物反应器的通气量或通气速度，得出通气比，通气比RR＝V1/V2，其中V1 1分钟通入反应器中气体的体积；V2柱状式生物反应器内实际培养液体积；根据得出的通气比，确定波浪形结构导流筒的波浪周期数及幅度，并将其安装在反应器罐体内。本发明可增加液体混合的次数，可极大的提高反应器内培养液混合的效果，提高光能利用效率，大大提高气液间的传质。
文档编号C12M3/00GK102517212SQ20111041563
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者季民, 尤学一, 王淋淋 申请人:天津大学