CN103184141B - 环流反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环流反应器，包括：光生物反应器，在所述光生物反应器中容纳有微藻培养液；和搅拌装置。其中，所述光生物反应器构成环形，所述搅拌装置用于搅拌微藻培养液，使之在环形的光生物反应器中循环流动。在本发明中，由于采用叶轮搅拌结合环形跑道状柔性塑料袋构成微藻培养液容器，因此，改变了曝气搅拌能耗大且管路布置复杂的状况，降低了生产成本，而且采用搅拌装置与柔性塑料袋一起构成循环流动回路，因此，能够有效防止微藻贴壁的问题，改善了反应器难清洗的问题。

Description

环流反应器
技术领域
本发明涉及微藻的生产领域，尤其涉及一种用于培养微藻的环流反应器。
背景技术
微藻能有效利用光能、CO2和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质，可以通过微藻培养来生产保健食品、食品添加剂、饲料、生物肥料、化妆品及其他天然产品。另外，近年来利用藻类为宿主的基因产物的生产也日益受到关注。随着人类对微藻的认识不断加深，开发和研制新型高效光生物反应器及其在微藻的高密度培养方面的应用研究已成为微藻生物技术的一个重要组成部分。目前，微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。开放式光生物反应器构建简单、成本低廉及操作简便，但存在易受污染、培养条件不稳定等缺点。封闭式反应器培养条件稳定，可无菌操作，易进行高密度培养，已成为今后的发展方向。一般封闭式光生物反应器有：管道式、平板式、柱状气升式、搅拌式发酵罐、浮式薄膜袋等。
目前平板式反应器养殖效果好，但是存在较大规模时曝气管路布置复杂、曝气能耗高、曝气不均等问题，制约了微藻规模化生产的发展。
美国专利No.US200780009753.7公开了一种可应用于光合生物培养的板式反应器。它通过在培养液中插入通气管路进行藻液搅动，搅拌的效果虽好，但用气体搅拌能量利用率太低，导致通气能耗过大。另外，目前广泛应用的跑道池养殖用叶轮装置来进行机械搅水，能耗低，效果也较好。
综上所述，现有的板式反应器存在如下缺点：
a)实现气体搅拌需要配套设备，包括管路、风机等，增加养殖体系复杂程度，增加投资；
b)气体搅拌能量利用率低，能耗大；
c)气体搅拌在大尺寸反应器中应用时，存在曝气不均的问题，容易造成搅拌不到位，导致微藻局部贴壁，影响微藻生长；
d)现有板式反应器需要手工清洗，清洗难度大，且效率低；
e)现有板式反应器需要藻液采收后清洗，延长了微藻生产的周期，生产效率低；
f)目前板式反应器需要沿反应器长度方向布置曝气管补充二氧化碳，补碳装置较复杂，同时增加了反应器内部清洗难度。
发明内容
本发明提供一种环流反应器，例如，板式环流反应器，用以解决现有技术中存在的技术问题中的至少一个。
根据本发明的一个方面，提供一种环流反应器，包括：光生物反应器，在所述光生物反应器中容纳有微藻培养液；和搅拌装置。其中，所述光生物反应器构成环形，所述搅拌装置用于搅拌微藻培养液，使之在环形的光生物反应器中循环流动。
根据本发明的一个优选实施例，所述光生物反应器为刚性透明板式容器、柔性透明容器或二者的结合，或者为池状反应器与透明板式容器、柔性透明容器二者中至少一种的结合，只要这些反应器或容器能够具有用于容纳微藻培养液的环形容纳空间即可。
根据本发明的另一个优选实施例，所述光生物反应器包括：刚性框架，构成环形并形成有环形内腔；和柔性透明容器，构成环形并容纳在刚性框架的内腔中，在所述柔性透明容器中容纳有微藻培养液。
根据本发明的一个优选实施例，所述搅拌装置具有与柔性透明容器的一端连通的入口和与柔性透明容器的另一端连通的出口，从而与柔性透明容器一起形成一个环流回路。
根据本发明的另一个优选实施例，所述搅拌装置为搅拌箱，包括：箱体，所述箱体上形成有所述入口和所述出口；和内置于所述箱体内的搅拌轮。
根据本发明的另一个优选实施例，所述搅拌装置为直接放置在柔性透明容器中的搅拌叶轮。
根据本发明的另一个优选实施例，所述搅拌装置为水泵，所述水泵的入口与柔性透明容器的一端连通，出口与柔性透明容器的另一端连通。
根据本发明的另一个优选实施例，所述搅拌箱的箱体由透明材料制成。
根据本发明的另一个优选实施例，所述搅拌箱的箱体上还形成有添加/排出口，用于向箱体中添加微藻培养液、二氧化碳/排出沉积在箱体内的杂质。
根据本发明的另一个优选实施例，所述刚性框架由多个刚性框架子单元组装而成。
根据本发明的另一个优选实施例，所述柔性透明容器由一个首尾相连的柔性透明袋组成。
根据本发明的另一个优选实施例，所述刚性框架的顶部完全敞开，便于将柔性透明容器放入刚性框架的内腔中。
根据本发明的另一个优选实施例，所述刚性框架的顶部部分封闭，两端敞开，便于将柔性透明容器穿入刚性框架的内腔中。
根据本发明的另一个优选实施例，所述刚性框架包括：透明板材/网状结构；和/或支撑透明板材/网状结构的加强梁。
根据本发明的另一个优选实施例，所述柔性透明容器由柔性透明薄膜形成。
根据本发明的另一个优选实施例，所述柔性透明容器由柔性透明塑料制成。
根据本发明的另一个优选实施例，所述柔性透明容器的顶部至少部分地敞开，这样，可以方便地往柔性透明容器中填充微藻培养液。
根据本发明的另一个优选实施例，所述刚性框架的内腔具有圆形、矩形、三角形、梯形或不规则形状的横截面，并且所述柔性透明容器具有与所述刚性框架的内腔相匹配的横截面形状。
在本发明中，由于采用环形跑道状柔性塑料袋构成板式微藻培养液容器，因此，简化了设备并降低了生产成本，而且采用搅拌装置与柔性塑料袋一起构成循环流动回路，因此，能够有效防止微藻贴壁的问题，改善了板式反应器难清洗的问题。总之，与现有技术相比，本发明的各个优选实施例的环流反应器至少具有如下优点：
1)改变搅拌方式，搅拌系统简单化，减少投资；现有板式反应器多采用曝气搅拌方式，配套管路系统复杂且投资大。能耗高，同时大规模培养时，管路容易曝气不均匀。
2)提高能量利用率，降低能耗；现有板式反应器曝气搅拌能耗高，同时大规模培养时，管路容易曝气不均匀。
3)解决曝气搅拌不均的问题，改善微藻贴壁情况；现有板式反应器曝气搅拌大规模培养时，管路容易曝气不均匀，进而导致微藻贴壁现象出现。
4)流体流动冲刷，使养殖腔内部干净，保持了透明腔体壁的良好透光率。流体流动冲刷，相当于实时清洗，解决了板式反应器目前腔体内部不易清洗的问题，大大降低了人工清洗成本，同时提高了养殖生产的效率。
5)可以通过调整搅拌箱体宽度尺寸同时改变搅拌轮长度的方式，结合箱体宽度与养殖腔宽度比的变化，从而达到调节养殖腔藻液流速的效果。
6)腔体内杂质方便集中到搅拌箱处，然后集中处理。
7)补充二氧化碳时，只需要在搅拌箱或其他一个点进行补碳，然后通过藻液流动混合，简化了补碳装置，更方便了内部杂质清洗。
附图说明
图1显示根据本发明的第一优选实施例的环流反应器的结构示意图；
图2显示根据本发明的第二优选实施例的环流反应器的结构示意图；和
图3显示根据本发明的第三优选实施例的环流反应器的刚性框架的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
[第一实施例]
图1显示根据本发明的第一优选实施例的环流反应器的结构示意图。
如图1所示，该环流反应器主要包括柔性透明容器1、刚性框架2和搅拌箱3。在图1中，仅示出了中间部分的刚性框架，两端拐弯处的刚性框架被去除，用于显示柔性透明容器1。
刚性框架2构成环形跑道状并具有矩形横截面的内腔。柔性透明容器1也构成与刚性框架2大致一致的环形跑道状并容纳在刚性框架2的内腔中，并且柔性透明容器1的横截面形状与刚性框架2的内腔的横截面形状大致匹配。
在图1所示的实施例中，当柔性透明容器1中充满微藻培养液时，柔性透明容器1受到刚性框架2的矩形内腔的约束，从而形成板式微藻培养液容器。
如图1所示，作为搅拌装置的搅拌箱3包括箱体和内置于箱体内的搅拌轮(图1中有桨叶简图)。搅拌箱3的箱体上形成有与柔性透明容器1的一端连通的入口和与柔性透明容器1的另一端连通的出口，从而与柔性透明容器1一起形成一个环流回路。这样，当搅拌箱3的搅拌轮运转时，就可以搅拌柔性透明容器1中的微藻培养液，使之在柔性透明容器1中循环流动。
在本发明的一个优选实施例中，搅拌箱3的箱体可以由透明材料制成，例如，玻璃或硬质塑料，这样可以增加微藻受光的面积。但是，本发明不局限于此，搅拌箱3的箱体也可以由不透明的塑料或其他材质(如金属或土建池)制成。
在本发明的一个优选实施例中，搅拌箱3的箱体上还形成有一个添加/排出口，用于向箱体中添加微藻培养液、二氧化碳或排出沉积在箱体内的杂质。当向箱体中添加二氧化碳时，二氧化碳通过搅拌轮的搅动，通过藻液流动混合，被均匀地分布到整个微藻液体中。
在本发明的一个优选实施例中，刚性框架2由透明材料制成，例如，硬质塑料，玻璃，这样可以增加微藻液体受光面积。但是，本发明不局限于此，刚性框架2也可以由不透明材料制成，例如，金属、塑料、木质、玻璃钢、工程塑料、水泥、石质材料、钢铁。
在本发明的一个优选实施例中，刚性框架2由多个刚性框架子单元一个一个地组装而成，这种模块化组装的方式适应于各种不同长度的柔性透明容器1的需要。
在本发明的一个优选实施例中，柔性透明容器1可以由一个或多个首尾相连的柔性透明袋组成，这样，可以根据实际需要形成不同长度的柔性透明容器1。
在本发明的一个优选实施例中，刚性框架2的顶部完全敞开，便于将柔性透明容器1通过该敞开的顶部直接放入到刚性框架2的内腔中。但是，本发明不局限于此，刚性框架2的顶部也可以部分封闭，柔性透明容器1可以从刚性框架2的端口穿引到刚性框架2的内腔中。
在本发明的一个优选实施例中，刚性框架2包括透明板材/网状结构2a和支撑透明板材/网状结构2a的加强梁2b。但是，本发明不局限于此，例如，刚性框架2可以不包括加强梁2b。
在本发明的一个优选实施例中，柔性透明容器1可以由透明塑料制成，这样可以大大降低生产成本。
根据本发明的另一个优选实施例，柔性透明容器1可以是仅两端开口的环形袋(此时需要配合顶部开口的搅拌箱使用)。但是，本发明不局限于此，柔性透明容器1也可以是顶部至少部分地敞开的，这样，可以方便地往柔性透明容器中填充微藻培养液。
在本发明的一个优选实施例中，柔性透明容器1可以由柔性透明薄膜形成，例如，由柔性透明塑料桶状卷材(如PE、PP桶状卷材等)制成，这样，可以大大降低制造成本。
根据本发明的另一个优选实施例，可以去掉搅拌箱体，刚性框架形成一个首尾对接的环形框架，同时柔性透明塑料袋也自身首尾对接，柔性透明塑料袋顶部局部开口，直接降搅拌叶轮装置置于柔性袋内。
下面将根据图1来详细说明图1所示的环流反应器的安装过程：
1)将刚性框架2与搅拌箱3放置到准确安装位置；
2)将两端开口的柔性透明容器1放置在刚性框架2内，然后将柔性透明容器1的两端开口与搅拌箱3的两端开口对接；
3)环流反应器搭建完毕，在袋内放入微藻培养液(例如，通过搅拌箱3的添加口)，开动搅拌电机带动搅拌箱3内的搅拌轮进行搅拌。
图1所示的本发明的环流反应器至少具有如下优点：
1)改变搅拌方式，搅拌系统简单化，减少投资；
2)提高能量利用率，降低能耗；
3)解决曝气管曝气搅拌不均的问题，改善微藻贴壁情况。
4)添加了搅拌箱后，反应器添加培养基及清理反应器沉积杂质时更方便。
[第二实施例]
图2显示根据本发明的第二优选实施例的环流反应器的结构示意图。
图2所示的第二优选实施例的环流反应器与图1所示的第一优选实施例的环流反应器的主要区别在于：图2所示的第二优选实施例的环流反应器用水泵4代替了图1所示的第一优选实施例的环流反应器中的搅拌箱3。
如图2所示，水泵4的入口与柔性透明容器1的一端连通，出口与柔性透明容器1的另一端连通，从而与柔性透明容器1一起形成一个环流回路。
下面将根据图2来详细说明图2所示的环流反应器的安装过程：
1)将刚性框架2与水泵4放置到准确安装位置；
2)将两端开口的柔性透明容器1放置在刚性框架2内，然后将柔性透明容器1的两端开口扎紧，将水泵4的出入水口分别用管道与柔性透明容器1的两端连通；
3)环流反应器搭建完毕，在柔性透明容器内放入微藻培养液(例如，通过水泵4的入口)，开动水泵4进行抽放微藻培养液，使柔性透明容器内的液体产生流动效果。
图2所示的本发明的环流反应器至少具有如下优点：
1)改变搅拌方式，搅拌系统简单化，减少投资；
2)提高能量利用率，降低能耗；
3)解决搅拌不均的问题，改善微藻贴壁情况。
[第三实施例]
图3显示根据本发明的第三优选实施例的环流反应器的刚性框架20的结构示意图。
与图1和图2所示的第一和第二实施例相比，图3所示的第三实施例的主要区别在于：图1和图2中的刚性框架2的内腔具有矩形横截面，从而构成板式反应器；而图3中的刚性框架20的内腔具有三角形横截面。
需要说明的是，本发明的刚性框架的内腔的横截面形状不局限于图示的矩形、三角形，还可以是梯形、圆形、正多边形或或不规则形状。同时，为了与刚性框架的内腔的横截面形状相匹配，柔性透明容器也应当具有对应的横截面形状。
下面将根据图3详细说明第三实施例的刚性框架20的结构。如图3所示，刚性框架20主要包括底部基板25、第一支撑板21和第二支撑板22。第一支撑板21的下端通过转轴27与底部基板25的一端转动连接，第二支撑板22的下端通过转轴28与底部基板25的另一端转动连接，第一支撑板21和第二支撑板22的上端相互依靠在一起并通过锁具26相互锁定在一起，这样，就构成了一个具有三角形横截面的内腔的刚性框架20。
在图3所示的刚性框架20中，还具有编织或连接在多个第一支撑板21上的第一网绳23和编织或连接在多个第二支撑板22上的第二网绳24，这样，就形成了具有网状结构的刚性框架20。
在图3所示的刚性框架20中，可以打开锁具26，可以将第一支撑板21和第二支撑板22旋转到预定的角度并固定在该角度处，例如，旋转到与底部基板25成120度的角度并通过阻挡块(未图示)固定在该角度处，这样，就能够形成具有梯形横截面的内腔的刚性框架。
根据以上多个实施例的说明，可以理解的是，本发明是板式(或袋式)光生物反应器与传统的跑道池的结合，实现优势互补，即，板式(或袋式)光生物反应器藻类对光的吸收效率高优点，跑道池的曝气搅拌充分特点。
最主要的发明点是将板式(或袋式)光生物反应器串联构成环状微藻养殖池，或者说将板式(或袋式)光生物反应器串联到传统的跑道池反应器中，可以省去板式(或袋式)光生物反应器的曝气管，利用搅拌槽或搅拌轮实现藻液的曝气，同时让板式(或袋式)光生物反应器中的藻液循环流动，带来的效果是，减轻了传统的板式(或袋式)光生物反应器藻液在反应器中不流动而产生的藻贴壁现象，因让传统的跑道池中的藻液在板式(或袋式)光生物反应器中，解决了跑道池藻液深部藻见光不足影响生长的问题。
利用搅拌轮搅动水体循环流动，实现藻液的搅拌。带来的效果是：1)改变曝气搅拌时能耗大的缺点；2)减轻了传统的板式(或袋式)光生物反应器曝气搅拌藻液时曝气搅拌均匀度不易控制，造成局部藻液搅拌力度不够而产生的藻贴壁现象；3)省去板式(或袋式)光生物反应器曝气搅拌时大量的曝气管路；4)改变或缓解了曝气搅拌板式反应器内腔难以清洗的状况。
[其它变化实施例]
尽管在前面已经借助于附图1-3详细说明了本发明的多个优选实施例，但是，本发明不局限于图示的优选实施例，环形的光生物反应器可以是任何合适的反应器或容器或它们的结合。
在本发明的一个可选实施例中，例如，环形的光生物反应器可以是环形的刚性透明板式容器、环形的柔性透明容器或二者的结合。
在本发明的另一个可选实施例中，例如，环形的光生物反应器可以是环形的池状反应器与环形的透明板式容器、环形的柔性透明容器二者中至少一种的结合。
由于篇幅有限，这里不再列举环形的光生物反应器的其它变化例，但是，本领域的熟练技术人员理应理解的是，具有用于容纳微藻培养液的环形内部空间的所有光生物反应器均应落入本发明的保护范围之内。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (14)

1.一种环流反应器，包括：
光生物反应器，在所述光生物反应器中容纳有微藻培养液；和
搅拌装置，
其特征在于，
所述光生物反应器构成环形，所述搅拌装置用于搅拌微藻培养液，使之在环形的光生物反应器中循环流动；
其中，所述搅拌装置为搅拌箱(3)，包括：箱体，所述箱体上形成有与所述光生物反应器的一端连通的入口和与所述光生物反应器的另一端连通的出口，以与所述光生物反应器形成环流回路；和内置于所述箱体内的搅拌轮，其中，所述搅拌箱(3)的箱体上还形成有添加/排出口，用于向箱体中添加微藻培养液、二氧化碳/排出沉积在箱体内的杂质。
2.根据权利要求1所述的环流反应器，其特征在于，
所述光生物反应器为刚性透明板式容器、柔性透明容器或二者的结合，或者为池状反应器与透明板式容器、柔性透明容器二者中至少一种的结合。
3.根据权利要求1所述的环流反应器，其特征在于，所述光生物反应器包括：
刚性框架(2)，构成环形并形成有环形内腔；和
柔性透明容器(1)，构成环形并容纳在刚性框架(2)的内腔中，在所述柔性透明容器(1)中容纳有微藻培养液。
4.根据权利要求3所述的环流反应器，其特征在于，
所述搅拌装置具有与柔性透明容器(1)的一端连通的所述入口和与柔性透明容器(1)的另一端连通的所述出口，从而与柔性透明容器(1)一起形成一个环流回路。
5.根据权利要求1所述的环流反应器，其特征在于，所述搅拌箱(3)的箱体由透明材料制成。
6.根据权利要求3所述的环流反应器，其特征在于，所述刚性框架(2)由多个刚性框架子单元组装而成。
7.根据权利要求3所述的环流反应器，其特征在于，所述柔性透明容器(1)由一个首尾相连的柔性透明袋组成。
8.根据权利要求3所述的环流反应器，其特征在于，所述刚性框架(2)的顶部完全敞开，便于将柔性透明容器(1)放入刚性框架(2)的内腔中。
9.根据权利要求3所述的环流反应器，其特征在于，所述刚性框架(2)的顶部部分封闭，两端敞开，便于将柔性透明容器(1)穿入刚性框架(2)的内腔中。
10.根据权利要求3所述的环流反应器，其特征在于，所述刚性框架(2)包括：
透明板材/网状结构(2a)；和/或
支撑透明板材/网状结构(2a)的加强梁(2b)。
11.根据权利要求3所述的环流反应器，其特征在于，所述柔性透明容器(1)由柔性透明薄膜制成。
12.根据权利要求11所述的环流反应器，其特征在于，所述柔性透明容器(1)由柔性透明塑料制成。
13.根据权利要求3所述的环流反应器，其特征在于，所述柔性透明容器(1)的顶部至少部分地敞开。
14.根据权利要求3所述的环流反应器，其特征在于，所述刚性框架(2)的内腔具有圆形、矩形、三角形、梯形或不规则形状的横截面，并且所述柔性透明容器(1)具有与所述刚性框架(2)的内腔相匹配的横截面形状。
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