使平板反应器高效混合及光能充分利用的隔板装置及方法
【专利摘要】一种实现平板反应器高效混合及光能充分利用的隔板装置，包括：复数块水平的隔板，在竖直方向上以固定间距层叠配置，其第一端对应穿过平板反应器的一个侧板上的复数个矩形槽口伸出平板反应器外，所述一个侧板为受光侧板或背光侧板；隔板支撑结构，使隔板能够沿受光侧板的垂线方向自由滑动；防漏水结构，设置于复数个矩形槽口的口缘，内端面紧贴对应的隔板；连接结构，设置于隔板的第一端处，将复数块隔板连接为一体；以及用于防止隔板从平板反应器脱出的防滑离结构。还涉及采用上述隔板装置的平板式生物反应器及隔板装置设置方法。该方法为在微藻的不同培养期设置不同的隔板开口度，以实现平板反应器高效混合及光能充分利用，增加藻产量。
【专利说明】使平板反应器高效混合及光能充分利用的隔板装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种气升式平板生物反应器。更具体地说，涉及实现平板反应器高效混合及光能充分利用的隔板装置，采用该隔板装置的平板式生物反应器，以及其隔板装置的设置方法。
【背景技术】
[0002]微藻能够合成蛋白质、碳水化合物、多不饱和脂肪酸及其他生物活性物质，在食品、饲料、医药、能源等多个领域有广泛的应用价值。微藻也被用来处理废水中的重金属、氮磷及其他营养物质。利用微藻光合固碳作用来处理烟气中CO2的研究也有报道。微藻有广泛的应用价值，而开发微藻的首要条件是采用合适的方式高密度的培养微藻，当前培养微藻主要有开放池和光生物反应器两种模式，随着对光生物反应器性能研究的不断深入，光生物反应器培养微藻的优势越来越明显，但其也面临培养成本高、混合传质效果不佳、光照利用不充分等问题。当前微藻商业化培养规模仍然较小，主要是因为光生物反应器性能不佳且培养成本过高，因此，开发高效低成本的光生物反应器已成为微藻生物技术的一个重要组成部分。
[0003]平板式生物反应器是一种常见的生物反应器，具有采光面积/体积(A/V)高和光/暗(L/D)循环时间低、结构简单、体积可放大等优点，适用于微藻工业化规模培养。当前在平板式生物反应器的研究中，小型化的反应器在实验室条件下可取得较好的培养效果，但当增加其尺寸规模，特别是光照路径上的尺寸时，往往培养效果不佳，微藻产量降低。而在规模化培养中，采用小型化的反应器会增加基建投入及运行成本，不利于微藻技术的推广应用。因此，在反应器设计时，应侧重于解决反应器规模的可扩展性问题，尤其是反应器在光照路径上的尺寸增加后，仍具有较好的培养效果。
[0004]光生物反应器不仅要能实现大型化、规模化的培养能力，同时还要保证高的培养效率和培养密度。在微藻培养过程中，反应器内部的混合对微藻生长速率有重要的影响。早在1978年Richmond就注意到瑞流对螺旋藻生物量的输出率有一定影响。研究发现随着混合速率的增加，微藻细胞生物量的单位产率也明显增加。对混合影响微藻生长的机理展开分析时，发现其主要是通过提高营养盐、二氧化碳与藻细胞之间的传质以及提高微藻在光区与暗区的转换频率来实现。在实际的微藻培养过程中，入射光受到微藻的吸收以及藻细胞之间遮挡的影响 ，不断衰减，且培养密度越高，光衰减现象越严重。在营养盐、温度及其他培养条件不受限制时，微藻培养密度与培养环境中光穿透的有效距离直接相关，而与光照强度无关。受光衰减及光线穿透距离的限制，会在反应器内出现光区和暗区。在近光区由于光照太强，会对微藻产生“光抑制作用”，而在暗区由于光强太弱，对微藻的生长产生“光限制”影响。因此，实现微藻高密度培养的关键是提高微藻细胞对光能的吸收和利用，一些研究发现微藻在反应器内光区和暗区转换对光能的有效利用及光合作用过程有重要的影响。相比于随机的扰动混合，反应器内光区和暗区之间所发生的有规律的转换混合对微藻生长更有利，该过程可通过增加光暗转换频率来提高微藻对光能的利用，促进微藻的生长。Degen et al.在平板式生物反应器内加装错开的挡板强化光照梯度的混合，所培养的小球藻的生物量是相同规模无任何隔板反应器的1.7倍。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种隔板装置、采用该隔板装置的平板式生物反应器、以及隔板装置的设置方法，以实现平板式生物反应器高效混合及光能充分利用，从而进一步增
加微藻的产量。
[0006]本发明采用的技术方案如下:
[0007]—种实现平板反应器高效混合及光能充分利用的隔板装置，其包括:
[0008]复数块水平的隔板，在竖直方向上以固定间距层叠配置，其第一端对应穿过平板反应器的一个侧板上的复数个矩形槽口伸出平板反应器外，所述一个侧板为受光侧板或背光侧板；
[0009]隔板支撑结构，设置于平板反应器的与受光侧板垂直的两个侧板上，用于支撑所述隔板，且使隔板能够沿受光侧板的垂线方向自由滑动；
[0010]防漏水结构，设置于所述复数个矩形槽口的口缘，内端面紧贴对应的隔板；
[0011]连接结构，设置于隔板的第一端处，用于将所述复数块隔板连接为一体；以及
[0012]用于防止隔板从平板反应器脱出的防滑离结构。
[0013]在上述的隔板装置中，优选地，所述隔板支撑结构为:
[0014]由复数组上下相对的矩形块组成的方块导向支撑结构；或
[0015]由上下相对的两个矩形条组成的长条导向支撑结构；或
[0016]截面呈圆弧型的圆弧形导向支撑结构。
[0017]在上述的隔板装置中，优选地，所述防漏水结构由硅胶或弹性橡胶制成，整体呈扁平的“口”字形。
[0018]在上述的隔板装置中，优选地，所述连接结构包括连接杆以及设置于所述复数块隔板的第一端处的连接孔，所述连接杆固设于所述连接孔中。
[0019]在上述的隔板装置中，优选地，所述防滑离结构为:
[0020]固定于隔板第二端中部的至少一个突起结构；或
[0021]扣接于隔板第二端的两端处的薄片状结构，其端面呈框形；
[0022]所述隔板第二端为隔板伸入反应器内的一端。
[0023]一种平板式生物反应器，它包括受光侧板和背光侧板，所述受光侧板和背光侧板分别设置上述任意一种隔板装置，受光侧板上的隔板与背光侧板上的隔板相互交错，反应器内相邻隔板之间的距离与反应器在隔板滑动方向上的尺寸之比P为0.5-1.5。
[0024]在上述的平板式生物反应器中，反应器内相邻隔板之间的距离与反应器在隔板滑动方向上的尺寸之比P优选为0.8-1.2，更优选为0.875-1.125。
[0025]上述任意一种平板式生物反应器的隔板装置的设置方法，该方法包括以下步骤:
[0026]在微藻培养初期，设置隔板开口度a ≥ 0.8 ；
[0027]在微藻培养中期，设置隔板开口度a为0.1 ≤ a ≤0.5;
[0028]所述隔板开口度a=d/D，0〈a〈l，其中，d为隔板与反应器壁面之间的开口的宽度，D为反应器在隔板滑动方向上的尺寸。[0029]在上述的活动隔板装置的设置方法中，优选地，还包括在微藻培养结束后，设置隔板开口度a≥0.8的步骤。
[0030]本发明具有以下优点:
[0031]通过在反应器的受光侧板和背光侧板间隔特定的距离、相互交错的安装隔板，实现了平板反应器内的均匀混合以及藻液在光区和暗区的流动转换，确保了反应器光区和暗区均具有较高光能利用率，并能够在此基础上尽可能的增加暗区的空间，从而实现反应器在光照方向上尺寸的增大，进而扩大反应器的培养规模。
[0032]由于隔板能够沿受光侧板或背光侧板的垂线方向滑动，因此能够控制隔板伸入反应器内的尺寸，即隔板的开口度。通过在微藻不同的培养期，设置不同的隔板安装状态(开口度)，实现了培养初期，藻的快速繁殖；培养中期藻密度较高时，反应器具有较好的混合性能、较高的光暗转换频率和光能利用率，增加藻的产量；培养结束后，方便微藻收集、藻液排除以及反应器内壁的清洗。
[0033]通过设置相邻隔板之间的距离与反应器在隔板滑动方向上的尺寸之比P，保证了藻液在相邻隔板与反应器围成的区域内产生较好的环形流动，提高了藻在光区和暗区的转换频率，实现了反应器整体较佳的光能利用率。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为一实施例平板式生物反应器的外部结构示意图；
[0035]图2a为图1平板式生物反应器的侧剖面图；
[0036]图2b为参数标注图；
[0037]图3为隔板装置在平板反应器内部的几种安装方式示意图；
[0038]图4为隔板与其支撑结构接触部分的平面示意图；
[0039]图5a是不同隔板开口度a下反应器内液体湍动能强度及分布的流场图；
[0040]图5b是不同隔板开口度a下反应器内液体流动强度及形态的矢量图；
[0041]图6a是不同隔板间距比P下反应器内液体湍动能强度及分布的流场图；
[0042]图6b是不同隔板间距比P下反应器内液体流动强度及形态的矢量图。
【具体实施方式】
[0043]本发明在平板式生物反应器的受光和背光的两侧板上，使隔板间隔特定的距离且相互交错的安装由滑动式隔板、防漏水结构、连接结构、隔板支撑结构以及防滑离结构组成的隔板装置，并通过设置隔板伸入反应器内的尺寸以及相邻两隔板的间距，实现反应器内最佳的流动混合性能及光能利用效率，增加微藻的产量。并在微藻不同的培养时期，设置不同的隔板运行状态，保证培养初期，微藻的快速增长繁殖；培养中期，藻的高密度的生长；培养结束后，便于微藻的收集及反应器内壁的清洗。下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0044]如图1和图2a所示，本平板式生物反应器包括受光侧板I和背光侧板I ’，受光侧板I和背光侧板I’均设置有隔板装置，受光侧板I上的隔板2与背光侧板I’上的隔板2
相互交错。
[0045]参照图2b，设:隔板2与反应器壁面之间的开口的宽度为d，相邻两隔板之间距离为h，反应器在隔板滑动方向上的尺寸为D，则定义隔板开口度为a=d/h，反应器内相邻隔板之间的距离h与反应器在隔板滑动方向上的尺寸D之比(简称为隔板间距比)为P，即3=h/D。本发明中，隔板间距比P的取值范围可以为0.5-1.5，隔板间距比P的优选取值范围为0.8-1.2，隔板间距比P的最佳取值范围为0.875-1.125。
[0046]下面以受光侧板I上的隔板装置为例说明隔板装置的构成。参照图1-3，隔板装置包括:复数块水平的隔板2 (图1中示出了两块)，隔板支撑结构，防漏水结构3，连接结构，以及用于防止隔板2从平板反应器脱出的防滑离结构。图中5为反应器底部支座。
[0047]复数块隔板2在竖直方向上以固定间距层叠配置，其第一端对应穿过平板反应器的受光侧板I上的复数个矩形槽口 3’伸出平板反应器外。隔板2采用薄的平板状结构，可由透明或者不透明的金属、合金、塑料、玻璃、有机玻璃加工制作。
[0048]参照图3，隔板支撑结构可以采用由复数组上下相对的矩形块组成的方块导向支撑结构6，也可以采用由上下相对的两个矩形条组成的长条导向支撑结构7，还可以采用截面呈圆弧型的圆弧形导向支撑结构8。隔板支撑结构设置于平板反应器的与受光侧板I垂直的两个侧板上，用于支撑隔板2，且使隔板2能够沿受光侧板I的垂线方向自由滑动。
[0049]防漏水结构3设置于复数个矩形槽口 3’的口缘，内端面紧贴对应的隔板2。防漏水结构3整体呈扁平的“口”字形，防漏水结构3最好用硅胶或弹性橡胶制成。
[0050]防滑离结构可以采用突起型防滑离结构，也可以采用片状防滑离结构。参照图3，突起型防滑离结构为固定于隔板2第二端(图3中的前端，即伸入反应器内的一端)中部的一个或多个突起结构9。片状防滑离结构为扣接于隔板第二端(图3中的前端，即伸入反应器内的一端)的两端处的薄片状结构10，其端面呈框形。
[0051]连接结构设置于隔板2的第一端(图1中的前端，即伸出反应器外的一端)处，用于将所述复数块隔板2连接为一体。所述连接结构包括连接杆4以及设置于所述复数块隔板2的第一端处的连接孔4’，所述连接杆4固设于所述连接孔4’中。连接杆4采用高强度材料制作的长条形或圆柱形细杆，通过拉动连接杆4，实现位于反应器一侧的所述复数块隔板2的整体移动。
[0052]参照图4，隔板与其支撑结构相接触的端面可以设计为平面11、凸弧面12或锥台面13。
[0053]隔板装置的安装方法如下:
[0054]根据所设定的隔板间距比P (如P =1)，在反应器受光侧板I和背光侧板I’上确定隔板安装的位置，并在对应的位置处，开挖矩形的槽口 3’，矩形槽口 3’的宽度约为1.5-2倍隔板厚度。在矩形槽口 3’的口缘粘结有一圈扁平“口”字形结构的橡胶或硅胶防漏水结构3，防漏水结构3的厚度约为0.3-1倍的隔板厚度。在反应器内与受光侧板I垂直的两个侧板上，沿隔板滑动方向，设置隔板支撑结构，若采用方块导向支撑结构6，将四个小的矩形块粘贴在反应器的侧壁上；若采用长条导向支撑结构7，将两个矩形长条粘贴在反应器的侧壁上；若采用的圆弧形导向支撑结构8，则通过在反应器的侧板上开挖弧形凹槽的方式实现。对所采用的隔板支撑结构，让其刚好夹住隔板2，并使隔板2在导轨内能水平自由滑动。如果采用突起型防滑离结构，在隔板2伸入反应器内部的一端中间处粘结一个或多个突起结构9，突起结构9可以为锥形、三角形、半球形、圆柱形、矩形的其中一种，其高度与防漏水的硅胶或橡胶材料的厚度接近。如果采用片状防滑离结构，则在隔板2伸入反应器内部的一端的两端处(即隔板2两侧与隔板支撑结构相接处)，扣一个端面呈框形的薄片，并用胶水固定。
[0055]在隔板2伸出反应器外的一端的中心处，开设与连接杆4径向尺寸相当的连接孔4’，将连接杆4穿过连接孔4’，在隔板2与连接杆4结合处，采用胶水粘结或焊接的方式，实现连接杆4与多个隔板2的牢固连接。
[0056]上述平板式生物反应器的隔板装置的设置方法包括如下步骤:
[0057]首先，以相邻隔板2与反应器侧板围成区域的截面接近正方形的原则，确定隔板间距比P，P的优选范围为0.8-1.2。
[0058]然后，在培养初期(接种后的两天里)，设置较大的隔板开口度，使a >0.8，此时增加了气体在反应器内的分布，减小了藻的沉淀，促进了藻快速的增长繁殖。在培养中期(从接种后第三天开始)，减小隔板的开口度为0.1-0.5，此时隔板2对上升的气泡柱形成阻挡，使位于两隔板2间的藻液以隔板为边界进行环形转动，促进了藻液在光区和暗区的转换，提高了光能利用效率，促进了藻的生长。
[0059]最后，在藻培养结束后，增大隔板开口度，使a >0.8，减小了隔板2对藻液的阻挡，促进了藻液从反应器快速排出，同时方便了对反应器内壁的清洗。
[0060]相较于本发明的隔板设置方法，如果采用的是固定的隔板(即隔板开口度不可调节)，在培养初期，隔板与藻的接触面积较大，且多层隔板又间接起到了隔板沉淀池的效果，会引起藻的沉降，从而减缓藻的快速增长繁殖。而在培养结束后，由于固定隔板的存在，会增加微藻收集的难度，同时由于隔板的阻挡也会增加排除藻液的成本。此外，在反应器维护期间，固定隔板的存在也不利于反应器内壁的清洗。
[0061]下面给出了不同隔板间距比和隔板开口度下反应器内液体的流动及混合情况:
[0062]为了说明本发明对反应器内液体混合及光区、暗区流动转换的调节作用，图5a和5b分别给出了曝气位置在反应器底部中间及隔板间距比P为I的条件下，不同的隔板开口度a (变化范围为0.1-0.7)对反应器内液体湍动能和液体流动的影响。如图可以看出，在a=0.5时，湍动能在反应器不同区域内的分布最均匀。在a <0.5时，随着a的增大，湍动能的分布逐渐趋于均匀；当a >0.5时，在最下层隔板与反应器壁面之间的开口处，出现局部湍动能较大的区域，湍动能分布的均匀性变差。分析液体的流动情况可以看出，随a的增大，液体流速不断减小，同时隔板区域内液体的环形流动也不断的减弱。在a较小时，液体的流速高、光区和暗区的流动转换效果好，但局部的流速高于0.12m/s，所形成的剪切力过大，会造成藻细胞的损伤，因此，不利于微藻的生长。在a为0.5附近时，液体流速约为0.7m/s，处在适宜微藻生长的流速附近，且此时液体仍能保持较好的环形流动，有利于藻液在光区和暗区的流动转换，对微藻生长有利。
[0063]为了体现本发明中隔板设置方法对液体流动混合的调节作用，在隔板开口度为
0.5，曝气位置为反应器底部中间时，设置隔板间距比P在0.5到1.5之间变化，如图6a和6b可以看出，在较小的P下，8卩P <0.75时，液体在隔板区域内难以形成有效的环形流动，湍动能的分布也极不均匀，出现大范围的死区。在0.875 S ^ <1.125时，此时隔板区域内湍动能的分布较均匀，且液体可在隔板区域内维持较好的环形流动，有利于实现藻液在光区和暗区的转换，提高光能利用率。而随着隔板间距比的进一步增大，在P ^ 1.25时，隔板围绕的空间内开始出现局部湍动能较大的区域，且此时的液体的环形流动较弱，难以产生有效的环形流动，不利于藻液在光区和暗区的转换，光能利用效率低。
[0064]上述隔板装置及设置方法，至少具有如下优点:
[0065]1.隔板采用薄的平板状结构，在安装隔板的矩形槽口处，镶嵌一圈以弹性橡胶或硅胶为材质的扁平的“ 口 ”字形防漏水结构，该结构一方面对隔板进行无缝的包裹，另一方面保证隔板在其中灵活的滑动。
[0066]2.在反应器内部与隔板的结合处，沿隔板滑行方向，设置导轨形式的支撑结构，让隔板的边缘部分嵌入到支撑结构内，从而保证隔板在水平方向上滑动。
[0067]3.对位于反应器一侧的所有隔板，采用高强度材料制作的长条形或圆柱形细杆进行连接，通过拉动连接杆，实现位于反应器一侧的所有隔板的整体移动。
[0068]4.控制相邻两隔板之间的距离，使相邻两个隔板与反应器壁围成区域的截面近似呈正方形，从而保证藻液在该区域内产生较好的环形流动，提高藻在光区和暗区的转换频率，实现反应器整体较佳的光能利用率。
[0069]5.控制隔板伸入反应器内的尺寸，即隔板的开口度a，在初始培养时，藻密度低，光穿透能力好，设置较大的a值，即a >0.8，增加了气体在反应器内的分布，减小了微藻在隔板上的沉降，促进了藻的快速增长繁殖。在培养中期，藻达到较大密度时，设置a值的区间为:0.1 < a <0.5，实现了反应器内均匀的混合性能，并促进了藻液在隔板间较好的流动转换，进而提高了光暗转换频率和光能利用效率。在培养结束后，设置较大的a值，即a ^ 0.8，减小了隔板对藻 液排出及微藻收集的阻挡，同时方便了反应器内壁的清洗。
【权利要求】
1.实现平板反应器高效混合及光能充分利用的隔板装置，其特征在于，包括: 复数块水平的隔板，在竖直方向上以固定间距层叠配置，其第一端对应穿过平板反应器的一个侧板上的复数个矩形槽口伸出平板反应器外，所述一个侧板为受光侧板或背光侧板； 隔板支撑结构，设置于平板反应器的与受光侧板垂直的两个侧板上，用于支撑所述隔板，且使隔板能够沿受光侧板 的垂线方向自由滑动； 防漏水结构，设置于所述复数个矩形槽口的口缘，内端面紧贴对应的隔板； 连接结构，设置于隔板的第一端处，用于将所述复数块隔板连接为一体；以及 用于防止隔板从平板反应器脱出的防滑离结构。
2.根据权利要求1所述的隔板装置，其特征在于:所述隔板支撑结构为 由复数组上下相对的矩形块组成的方块导向支撑结构；或 由上下相对的两个矩形条组成的长条导向支撑结构；或 截面呈圆弧型的圆弧形导向支撑结构。
3.根据权利要求1所述的隔板装置，其特征在于:所述防漏水结构由硅胶或弹性橡胶制成，整体呈扁平的“口”字形。
4.根据权利要求1所述的隔板装置，其特征在于:所述连接结构包括连接杆以及设置于所述复数块隔板的第一端处的连接孔，所述连接杆固设于所述连接孔中。
5.根据权利要求1所述的隔板装置，其特征在于:所述防滑离结构为 固定于隔板第二端中部的至少一个突起结构；或 扣接于隔板第二端的两端处的薄片状结构，其端面呈框形； 所述隔板第二端为隔板伸入反应器内的一端。
6.—种平板式生物反应器,包括受光侧板和背光侧板,其特征在于:所述受光侧板和背光侧板分别设置权利要求1至5任意一项所述的隔板装置，受光侧板上的隔板与背光侧板上的隔板相互交错，反应器内相邻隔板之间的距离与反应器在隔板滑动方向上的尺寸之比 3 为 0.5-1.5。
7.根据权利要求6所述的平板式生物反应器，其特征在于:反应器内相邻隔板之间的距离与反应器在隔板滑动方向上的尺寸之比P为0.8-1.2。
8.根据权利要求6所述的平板式生物反应器，其特征在于:反应器内相邻隔板之间的距离与反应器在隔板滑动方向上的尺寸之比P为0.875-1.125。
9.权利要求6至8任意一种平板式生物反应器的隔板装置的设置方法，其特征在于，包括以下步骤: 在微藻培养初期，设置隔板开口度a ^ 0.8 ； 在微藻培养中期，设置隔板开口度a为0.1 < a <0.5; 所述隔板开口度a=d/D，0〈a〈l，其中，d为隔板与反应器壁面之间的开口的宽度，D为反应器在隔板滑动方向上的尺寸。
10.权利要求9所述的活动隔板装置的设置方法，其特征在于，还包括如下步骤:在微藻培养结束后，设置隔板开口度a >0.8。
【文档编号】C12M1/00GK103571741SQ201310522290
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月29日 优先权日:2013年10月29日
【发明者】毛献忠, 王淋淋, 陶益 申请人:清华大学深圳研究生院