CN102492609B - 导流板和使用该导流板的平板式生物反应器及设置方法 - Google Patents

导流板和使用该导流板的平板式生物反应器及设置方法 Download PDF

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Abstract

导流板和使用该导流板的平板式生物反应器及设置方法，导流板是波浪形结构导流板。具有波浪形结构导流板的平板式生物反应器，是在反应器罐体内对称的设置有一对波浪形结构导流板，两个波浪形结构导流板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。导流板的设置方法是：根据所培养生物生长的需求，确定该平板式生物反应器的通气量或通气速度，得出通气比，通气比R：R＝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板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。

Description

导流板和使用该导流板的平板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平板生物反应器。特别是涉及一种通过控制导流板或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板和使用该导流板的平板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匀，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，但该气升式生物反应器在高密度培养生物时混合不够均匀。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直导流板或平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板或导流筒的结构参数，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。
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，培养液混合均匀，光照方向湍流混合均匀，光能利用率高的导流板和使用该导流板的平板式生物反应器及设置方法。
本发明所采用的技术方案是：一种导流板和使用该导流板的平板式生物反应器及设置方法，平板式生物反应器的导流板是凹凸起伏的波浪形结构导流板。
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板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板所具有的波浪有1.5个周期到50个周期。
一种具有波浪形结构导流板的平板式生物反应器，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曝气装置，所述的反应器罐体内对称的设置有一对波浪形结构导流板，两个对称设置的波浪形结构导流板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板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板所具有的波浪有1.5个周期到50个周期。
所述的波浪形结构导流板的峰高a：0＜a＜b/2，其中，b是两个波浪形结构导流板的波浪中心线c之间的距离。
一种平板式生物反应器的波浪形结构导流板的设置方法，包括如下步骤：
1)根据所培养生物生长的需求，确定该平板式生物反应器的通气量或通气速度，并计算一分钟内通入平板式生物反应器内气体的体积，再结合平板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平板式生物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＝V2/V1，其中：V1平板式生物反应器内实际培养液体积；V21分钟通入平板式生物反应器中气体的体积；
2)根据得出的通气比，确定平板式反应器所采用的具有凹凸起伏的波浪形结构导流板(11)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板安装在平板式生物反应器内所设定的导流板设置位置上。
当所述的通气比R在0-0.25时，所述的波浪形结构导流板的峰高a：0.025b≤a≤0.1b；当所述的通气比R在0.25-0.5时，所述的波浪形结构导流板的峰高a：0.125b≤a≤0.25b；当所述的通气比R高于0.5时，所述的波浪形结构导流板的峰高a：0.3b≤a≤0.35b，其中，所述的b是两个波浪形结构导流板的波浪中心线c之间的距离。
当所述的通气比R在0-0.25时，所述的波浪形结构导流板所具有的波浪周期设置有6-9个周期；当所述的通气比R在0.25-0.5时，所述的波浪形结构导流板所具有的波浪周期设置有10-13个周期；当所述的通气比R高于0.5时，所述的波浪形结构导流板所具有的波浪周期设置有14-16个周期。
本发明的导流板和使用该导流板的平板式生物反应器及设置方法，具有如下特点：
1、采用具有三角形、梯形、圆弧形、矩形等波浪结构导流板，液体在循环流动时，在导流板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，在导流板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板，在该流场中，导流板的波浪起伏可以阻挡液体的流动，当通气量较大时，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。又可以通过增加凹凸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板，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。
附图说明
图1是本发明的圆弧形波浪结构导流板的断面结构示意图；
图2是本发明的三角形波浪结构导流板的断面结构示意图；
图3是本发明的梯形波浪结构导流板的断面结构示意图；
图4是本发明的矩形波浪结构导流板的断面结构示意图；
图5是采用圆弧形波浪结构导流板的平板式生物反应器断面结构示意图；
图6是采用圆弧形波浪结构导流板的平板式生物反应器另一实施例的断面结构示意图；
图7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；
图8是采用三角形波浪结构导流板的平板式生物反应器另一实施例的断面结构示意图；
图9是采用梯形波浪结构导流板的平板式生物反应器断面结构示意图；
图10是采用梯形波浪结构导流板的平板式生物反应器另一实施例的断面结构示意图；
图11是采用矩形波浪结构导流板的平板式生物反应器断面结构示意图；
图12是采用矩形波浪结构导流板的平板式生物反应器另一实施例的断面结构示意图；
图13是具有波浪形结构导流板的平板式生物反应器内波峰尺寸标注的示意图；
图14a是三角形波浪结构导流板的波浪起伏周期数对液相体积传质系数的影响曲线图；
图14b是三角形波浪结构导流板的波浪起伏幅度对液相体积传质系数的影响曲线图；
图15a是三角形波浪结构导流板的波浪起伏周期数对光照区平均径向速度的影响曲线图；
图15b是三角形波浪结构导流板的波浪起伏幅度对光照区平均径向速度的影响曲线图；
图16a是三角形波浪结构导流板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；
图16b是三角形波浪结构导流板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。
图中：
1：反应器罐体        2：圆弧形波浪结构
3：三角形波浪结构    4：梯形波浪结构
5：矩形波浪结构      6：喇叭状开口
7：气体出口          8：培养液进口
9：培养液出口        10：曝气装置
11：波浪形结构导流板 12：光照区
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的导流板和使用该导流板的平板式生物反应器及设置方法做出详细说明。
本发明的平板式生物反应器的导流板，所述的导流板是凹凸起伏的波浪形结构导流板11。如图1、图2、图3、图4所示，所述的波浪形结构是圆弧形波浪结构2、三角形波浪结构3、梯形波浪结构4和矩形波浪结构5中的一种。所述的波浪形结构导流板11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板11所具有的波浪有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板的平板式生物反应器，包括有反应器罐体1，设置在反应器罐体1顶部的气体出口7和培养液进口8，设置在反应器罐体1底部的培养液出口9和曝气装置10，所述的反应器罐体1内对称的设置有一对波浪形结构导流板11，两个对称设置的波浪形结构导流板11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6。
所述的波浪形结构是圆弧形波浪结构2、三角形波浪结构3、梯形波浪结构4和矩形波浪结构5中的一种。
如图13所示，所述的波浪形结构导流板11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板11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板11的峰高a：0＜a＜b/2，其中，b是两个波浪形结构导流板11的波浪中心线c之间的距离。
本发明的平板式生物反应器的波浪形结构导流板的设置方法，包括如下步骤：
1)根据所培养生物生长的需求，确定该平板式生物反应器的通气量或通气速度，并计算一分钟内通入平板式生物反应器内气体的体积，再结合平板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平板式生物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＝V2/V1，其中：V1平板式生物反应器内实际培养液体积；V21分钟通入平板式生物反应器中气体的体积；
2)根据得出的通气比，确定平板式反应器所采用的具有凹凸起伏的波浪形结构导流板11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板11的峰高a：0.025b≤a≤0.1b；当所述的通气比R在0.25-0.5时，所述的波浪形结构导流板11的峰高a：0.125b≤a≤0.25b；当所述的通气比R高于0.5时，所述的波浪形结构导流板11的峰高a：0.3b≤a≤0.35b，其中，所述的b是两个波浪形结构导流板11的波浪中心线c之间的距离。
当所述的通气比R在0-0.25时，所述的波浪形结构导流板11所具有的波浪周期设置有6-9个周期；当所述的通气比R在0.25-0.5时，所述的波浪形结构导流板11所具有的波浪周期设置有10-13个周期；当所述的通气比R高于0.5时，所述的波浪形结构导流板11所具有的波浪周期设置有14-16个周期。
3)将具有凹凸起伏的波浪形结构导流板11安装在平板式生物反应器内所设定的导流板设置位置上。
下面给出采用图7所示的内置了凹凸起伏的波浪形结构导流板11气升式平板生物反应器的设置方式。根据培养的需要，确定该气升式平板生物反应器的通气比为0.15，采用内环流式的反应器模式。为了体现波浪起伏次数对气升式平板生物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为两个导流板波浪起伏中心线之间间距的0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4等由小到大的8种情况，来研究波浪起伏幅度对传质混合的影响。
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14a和b分别给出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7中的12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15a和b分别展示了改变波浪起伏周期数及幅度，引起光照区12平均径向速度的变化情况，可见采用本发明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分别展示了改变波浪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，可以看出在采用本发明下可有效的调节液体循环流速。
将得到的具有特定的周期数及幅度的导流板加工成三角形波浪结构的导流板，之后用该导流板替换原有的平直导流板，该导流板与原有的平直导流板只有波浪起伏的变化，其他结构参数及安装位置均保持不变。

Claims (2)

1.一种平板式生物反应器的导流板，其特征在于，所述的导流板是凹凸起伏的波浪形结构导流板（11），所述波浪形结构导流板（11）的结构设置是：
1）根据所培养生物生长的需求，确定该平板式生物反应器的通气量或通气速度，并计算一分钟内通入平板式生物反应器内气体的体积，再结合平板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平板式生物反应器培养液体积的比值，将该比值定为通气比，
通气比                                                
Figure 2011104148396100001DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 391852DEST_PATH_IMAGE002
 ，其中：
Figure 2011104148396100001DEST_PATH_IMAGE003
 平板式生物反应器内实际培养液体积；
Figure 322899DEST_PATH_IMAGE004
  1分钟通入平板式生物反应器中气体的体积；
2）根据得出的通气比，确定平板式反应器所采用的具有凹凸起伏的波浪形结构导流板（11）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板（11）的峰高a：0.025b≤a≤0.1b；当所述的通气比R在0.25-0.5时，所述的波浪形结构导流板（11）的峰高a：0.125b≤a≤0.25b；当所述的通气比R高于0.5时，所述的波浪形结构导流板（11）的峰高a：0.3b≤a≤0.35b，其中，所述的b是两个波浪形结构导流板（11）的波浪中心线c之间的距离；
当所述的通气比R在0-0.25时，所述的波浪形结构导流板（11）所具有的波浪周期设置有6-9个周期；当所述的通气比R在0.25-0.5时，所述的波浪形结构导流板（11）所具有的波浪周期设置有10-13个周期；当所述的通气比R高于0.5时，所述的波浪形结构导流板（11）所具有的波浪周期设置有14-16个周期。
2.根据权利要求1所述的平板式生物反应器的导流板，其特征在于，所述的波浪形结构是圆弧形波浪结构（2）、三角形波浪结构（3）、梯形波浪结构（4）和矩形波浪结构（5）中的一种。
3．一种具有权利要求1所述的波浪形结构导流板的平板式生物反应器，包括有反应器罐体（1），设置在反应器罐体（1）顶部的气体出口（7）和培养液进口（8），设置在反应器罐体（1）底部的培养液出口（9）和曝气装置（10），其特征在于，所述的反应器罐体（1）内对称的设置有一对波浪形结构导流板（11），两个对称设置的波浪形结构导流板（11）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（6）；所述波浪形结构导流板（11）的结构设置是：
1）根据所培养生物生长的需求，确定该平板式生物反应器的通气量或通气速度，并计算一分钟内通入平板式生物反应器内气体的体积，再结合平板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平板式生物反应器培养液体积的比值，将该比值定为通气比，
通气比
Figure 77228DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 751923DEST_PATH_IMAGE002
 ，其中：
Figure 275309DEST_PATH_IMAGE003
 平板式生物反应器内实际培养液体积；
Figure 705153DEST_PATH_IMAGE004
  1分钟通入平板式生物反应器中气体的体积；
2）根据得出的通气比，确定平板式反应器所采用的具有凹凸起伏的波浪形结构导流板（11）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板（11）的峰高a：0.025b≤a≤0.1b；当所述的通气比R在0.25-0.5时，所述的波浪形结构导流板（11）的峰高a：0.125b≤a≤0.25b；当所述的通气比R高于0.5时，所述的波浪形结构导流板（11）的峰高a：0.3b≤a≤0.35b，其中，所述的b是两个波浪形结构导流板（11）的波浪中心线c之间的距离；
当所述的通气比R在0-0.25时，所述的波浪形结构导流板（11）所具有的波浪周期设置有6-9个周期；当所述的通气比R在0.25-0.5时，所述的波浪形结构导流板（11）所具有的波浪周期设置有10-13个周期；当所述的通气比R高于0.5时，所述的波浪形结构导流板（11）所具有的波浪周期设置有14-16个周期；
将具有凹凸起伏的波浪形结构导流板（11）安装在平板式生物反应器内所设定的导流板设置位置。
4．根据权利要求3所述的具有波浪形结构导流板的平板式生物反应器，其特征在于，所述的波浪形结构是圆弧形波浪结构（2）、三角形波浪结构（3）、梯形波浪结构（4）和矩形波浪结构（5）中的一种。
5．一种权利要求4所述的平板式生物反应器的波浪形结构导流板的设置方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）根据所培养生物生长的需求，确定该平板式生物反应器的通气量或通气速度，并计算一分钟内通入平板式生物反应器内气体的体积，再结合平板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平板式生物反应器培养液体积的比值，将该比值定为通气比，
通气比
Figure 884461DEST_PATH_IMAGE001
： ，其中：
Figure 803056DEST_PATH_IMAGE003
 平板式生物反应器内实际培养液体积；
Figure 75905DEST_PATH_IMAGE004
  1分钟通入平板式生物反应器中气体的体积；
2）根据得出的通气比，确定平板式反应器所采用的具有凹凸起伏的波浪形结构导流板（11）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板（11）的峰高a：0.025b≤a≤0.1b；当所述的通气比R在0.25-0.5时，所述的波浪形结构导流板（11）的峰高a：0.125b≤a≤0.25b；当所述的通气比R高于0.5时，所述的波浪形结构导流板（11）的峰高a：0.3b≤a≤0.35b，其中，所述的b是两个波浪形结构导流板（11）的波浪中心线c之间的距离；
当所述的通气比R在0-0.25时，所述的波浪形结构导流板（11）所具有的波浪周期设置有6-9个周期；当所述的通气比R在0.25-0.5时，所述的波浪形结构导流板（11）所具有的波浪周期设置有10-13个周期；当所述的通气比R高于0.5时，所述的波浪形结构导流板（11）所具有的波浪周期设置有14-16个周期；
3）将具有凹凸起伏的波浪形结构导流板（11）安装在平板式生物反应器内所设定的导流板设置位置上。
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