CN107034135B - 一种平板气升环流式光合微生物培养装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平板气升环流式光合微生物培养装置，箱体由支撑部分及安装在支撑部分上的玻璃板构成，箱体内分为多个依次串联的反应器单元，相邻两反应器单元之间通过安装在支撑部分上的连接挡板隔开；每个反应器单元内的底部均安装有至少一个曝气装置，每个曝气装置的两端上方各设有一个安装在玻璃板上的导流板；各反应器单元中的每个曝气装置均与进气管相连通，气体由每个曝气装置进入到反应器单元内，每个反应器单元的底部均开有排液口；箱体顶部密封连接有带透气孔的玻璃盖板，连接挡板与玻璃盖板之间留有间隙，相邻两反应器单元之间通过该间隙相互连通。本发明具有成本低、易于控温和清洗、能耗低、光合效率高、使用寿命长等优点。

Description

一种平板气升环流式光合微生物培养装置

技术领域

本发明属于生物化工领域中用于规模化培养光能自养微生物的培养装置，具体地说是一种平板气升环流式光合微生物培养装置。

背景技术

经过一系列的实验研究确定微藻及浮游植物的最佳培养条件后，反应器的设计就成了关键。微藻的培养系统总体上分为开放型培养系统和封闭型培养系统。开放式培养系统的最大优势在于投资少、结构简单、成本低廉及操作简单；但存在易受污染、生产不稳定，且部分藻种不适合等缺点。与开放式相比，封闭式培养系统具有以下优点：1)无污染，可实现纯种培养；2)几乎适合所有微藻及浮游植物；3)培养条件易控制；4)单位产量下占地面积小，成本低，易采收；5)光照面积/体积之比较大，光能和CO₂利用率高，水分损失低等突出优点。然而，与开放式相比，存在着建设成本高、维护难度大的缺点，若存在复杂内构件，会因清洗困难导致其寿命低。因此，设计低成本、高效的封闭式反应器就成为自养微生物规模化培养的关键。

气升式环流反应器(Airlift Loop Reactor，ALR)采用气体为推动力，能在较低的表观气速下就可以使液体在反应器内部按照设定的轨迹循环流动，大大提高了反应物的混合、传质及传热效率，是最节能的一种反应器。与其他类型的反应器相比，该反应器内没有运动部件，造价低，便于维修和密封，剪切力小且分布均匀，特别适宜对剪切力比较敏感的微生物。环流反应器的形状可以是圆形或者是矩形。由于影响环流反应器混合、传质、剪切力分布的结构参数(包括曝气装置、底部间隙高度、顶部分离区高度、导流板长度及上升区和降液区面积比值等)和操作参数(包括曝气速率、气相分压等)比较多，尤其是顶部分离区高度、底部间隙高度影响反应器内的剪切力分布和压降，导致其设计和放大比较困难。

光生物反应器设计的核心是以最小的能耗满足传质、传热的要求，并充分利用光能实现快速生产，同时反应器要造价低、控温简单有效、清洗简单、寿命长。此外，由于吸收和散射，光在传播方向上指数衰减；流体充分混合可产生有益于微生物生长的光明/光暗循环，相当于光强在反应器内的再分布；反应器内各处液体流速必须足够大，以防止微生物在反应器表面聚集、结垢。因此，具有较优结构反应器的光程及曝气速率也必须适中，从而使微生物具有快速的光暗循环。

授权公告日为2015年5月20日、授权公告号为CN103374511B的发明专利公开了一种圆形气升环流式光生物反应器，将光源安装于反应器外筒和内导流筒的壁面处，气体从反应器底部的气体分布器进入反应器，使藻液循环流动，从而在内外套筒间的区域内接受光照，充分利用微藻的闪光效应，促进微藻生长。该反应器用于大规模培养微藻时，使用了大量的人工光源，生产成本较高且寿命短，不利于产业化推广。

授权公告日为2010年3月17日、授权公告号为CN201424476Y的实用新型专利公开了一种平板式光生物反应器，其反应器单元包括箱体及其支撑框架；箱体顶部是开放式开孔，内腔整体贯通，至少有一个长侧面是透明的，横向相对的两短侧面和底面为圆弧形面；支撑框架为梯形，垂直地面，两支撑架立柱间固夹箱体。此反应器属于开放式且未设内构件，藻液单纯依靠气体推动形成无规则流动，使得微藻所受光照不均匀，不利于其光合作用效率的提高，且流动速度小，极易产生贴壁现象。

授权公告日为2008年4月9日、授权公告号为CN201045139Y的实用新型专利公开了一种平板式光生物反应器，其由若干个反应器主体依次横向连接而成，相邻反应器之间隔板上开设有孔或隙，顶部有封盖。此反应器无引导流体流动的内构件，流体呈无规则流动，存在着能耗高、效率低的缺点。

发明内容

针对规模化、高密度培养微藻时，传统封闭式反应器造价高、控温耗费大、受光表面积与体积比值小、内部藻液流动无规律、容易产生死区、藻细胞贴壁、能耗大以及反应器因清洗困难导致其重复利用率比较低等问题，本发明的目的在于提供一种平板气升环流式光合微生物培养装置。该气升环流式光合微生物培养装置是以钢筋混凝土和透光玻璃为材料制作的一种封闭式平板气升环流式光合微生物培养装置，具有混合和传质效果好、光能利用率高、剪切力小且均匀等优点，同时由于建设和操作成本较低、控温和清洗简单、寿命长等突出优点，有效地解决了培养过程中的种种不利现象，特别适合微藻和浮游植物的大规模培养。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括箱体、进气管、曝气装置、导流板、连接挡板及玻璃盖板，其中箱体由支撑部分及安装在该支撑部分上的玻璃板构成，所述箱体内分为多个依次串联的反应器单元，相邻两反应器单元之间通过安装在所述支撑部分上的连接挡板隔开；每个所述反应器单元内的底部均安装有至少一个曝气装置，每个所述曝气装置的两端上方各设有一个安装在所述玻璃板上的导流板，所述曝气装置上方的两导流板之间的区域为上升区，每个所述导流板与箱体端部之间的区域以及相邻曝气装置之间的区域为下降区；各反应器单元中的每个所述曝气装置均与进气管相连通，气体由每个所述曝气装置进入到反应器单元内，带动反应器单元内的液体由上升区至下降区循环流动，每个所述反应器单元的底部均开有排液口；所述箱体顶部可拆卸地密封连接有带透气孔的玻璃盖板，所述连接挡板与玻璃盖板之间留有间隙，相邻两所述反应器单元之间通过该间隙相互连通。

其中：每个所述反应器单元内的底部沿长度方向均设有两个曝气装置，每个所述曝气装置的两端上方各设有一个导流板，每个曝气装置的上方均为上升区，所述导流板与反应器单元两端之间以及两所述曝气装置之间的上方均为下降区；所述曝气装置的长度与上升区的长度相同，每个所述反应器单元内的上升区和下降区的面积比为1～2.5，两所述曝气装置之间上方的中心下降区的面积为导流板与反应器单元任一端边壁之间的单个下降区面积的2倍；

所述支撑部分由钢筋混凝土浇筑而成，分为端部支撑、中间支撑、底部支撑及外部支撑，该底部支撑的两端分别设有端部支撑，所述端部支撑内表面的两侧及底部支撑长度方向的两侧均设有安装槽，每侧的安装槽内均安装有所述玻璃板；用于隔开两相邻反应器单元的每个所述连接挡板的两侧均设有外部支撑，每个所述反应器单元两侧的玻璃板外侧均设有中间支撑；所述端部支撑、中间支撑及外部支撑均垂直于底部支撑，所述外部支撑的端面为“工”字型，该外部支撑两侧的玻璃板分别安装在“工”字型的两个槽内；

每个所述反应器单元两端的底角位置均设有与水平面相倾斜的防死角挡板；每个所述反应器单元内的排液口均设置在底部的中心；每个所述反应器单元内的各导流板等高设置，且底部与反应器单元的底部之间留有间隙，各所述导流板的两侧分别与两侧的玻璃板密封固接；每个所述反应器单元内的导流板的上缘低于反应器单元内静止持液高度，相邻两反应器单元之间的连接挡板的上缘高于导流板的上缘，且低于所述静止持液高度；在每个所述反应器单元内的玻璃盖板上、且位于每个反应器单元内曝气装置曝气区的中心位置开有透气孔。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明在箱体内通过连接挡板分隔开多个反应器单元，反应器单元内布置导流板，导流板高于反应器单元底部设定距离，使得单个反应器单元底部相互连通；使用曝气装置推动藻液循环流动，反应器单元内形成固定周期环流循环；下降区内接近平推流，循环流速较大，有效地避免了藻细胞沉积和贴壁现象。

2.本发明的箱体由混凝土和透明玻璃板构成，具有成本低廉且使用寿命长的特点；玻璃板插入底部支撑和端部支撑的安装槽内，使用玻璃胶内外密封，中间支撑紧贴玻璃面板中部，有效防止反应器内注水时间长后玻璃面板变形产生的漏水、胀裂等现象，制作成本低，可长期重复使用；而且，无复杂内构件的优化设计(包括底部和顶部间隙高度、上升区和下降区面积比等优化结构和优化的曝气速率等)使之具有易清洗、能耗低、混合和传质效果好、光能利用率高、剪切力小且均匀等优点，因此具有建设和操作成本较低、控温和清洗简单、寿命长等突出优点。

3.本发明采用大面积的透明玻璃做透光介质，内构件简单，除挡板外无其它内构件，再加上反应器内距离适中，机械或者人力清洗皆方便、维修费用低，可大大延长其使用寿命；只在上升区曝气就能形成高效循环，可大大降低曝气成本。

4.本发明的多个反应器单元串联操作时，相邻反应器单元混凝土支撑安装槽之间部位的高度低于静止持液高度0.05m～0.35m，并且高于内部导流板高度；培养时各反应器单元间顶部藻液相互连通，能够使反应器内全部藻液均匀，从而整体控制培养条件；而且，此高度设置还能在某一单元发生意外泄露等现象时防止反应器内大部分藻液的流失。

5.本发明在进行微藻培养时，藻细胞浓度过大后容易产生相互遮蔽现象，不利于藻细胞接收光照，本发明的反应器宽度合适，再加上流体混合导致的光明/光暗效应，大大提高了藻细胞接收光照的概率，有利于藻细胞的光合作用。

6.本发明顶部玻璃盖板可自由取下，在透明薄膜等材料的辅助下可安全密封，实现封闭式培养，防止染菌；盖板中部的透气孔既可排除多余气体，也可防止染菌。

7.由于透光面积大且平板式结构，可通过表面喷水进行反应器内降温，费用低且高效；此外，也可通过补光系统将别处的光反射至反应器单元表面上，提高培养装置的利用效率。

8.本发明每个反应器单元的两个底角部设置了防死角挡板，防死角挡板的存在防止了流动死区的形成。

9.本发明每个反应器单元底部均设有排液口，有利于培养结束后藻细胞的快速收集及箱体的清洗。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明支撑部分的结构示意图；

图3为本发明支撑部分与玻璃面板安装的结构示意图；

图4为本发明底部支撑与玻璃面板安装的剖面图；

图5为本发明端部支撑与玻璃面板安装的俯视图；

图6为本发明中部支撑与玻璃面板位置的俯视图；

图7为本发明相邻两反应器单元连接部位安装的俯视图；

图8为本发明反应器盖板的结构示意图；

其中：1为进气管，2为曝气装置，3为导流板，4为透气孔，5为防死角挡板，6为排液口，7为端部支撑，8为中间支撑，9为底部支撑，10为外部支撑，11为连接挡板，12为玻璃盖板，13为玻璃板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

本发明包括箱体、进气管1、曝气装置2、导流板3、连接挡板11及盖板12，其中箱体由支撑部分及安装在该支撑部分上的透光玻璃板13构成，箱体内分为多个依次串联的反应器单元，相邻两反应器单元之间通过安装在支撑部分上的连接挡板11隔开；每个反应器单元内的底部均安装有至少一个曝气装置2，每个曝气装置2的两端上方各设有一个安装在玻璃板13上的导流板3，曝气装置2上方的两导流板3之间的区域为上升区，每个导流板3与箱体端部之间的区域以及相邻曝气装置2之间的区域为下降区；各反应器单元中的每个曝气装置2均与进气管1相连通，气体由每个曝气装置2进入到反应器单元内，带动反应器单元内的液体由上升区至下降区循环流动，每个反应器单元的底部均开有排液口6；箱体顶部可拆卸地密封连接有带透气孔4的玻璃盖板12，连接挡板11与玻璃盖板12之间留有间隙，相邻两反应器单元之间通过该间隙相互连通。

单个反应器单元长度为1.8m～2.2m，宽度为0.05m～0.2m，高度为1m～1.2m，内部持液高度为0.8m～1m。如图1所示，本实施例以两个反应器单元为例，每个反应器单元内部整体长度为2000mm，宽度为50mm，高为1000mm。如图2～7所示，支撑部分由钢筋混凝土浇筑而成，分为端部支撑7、中间支撑8、底部支撑9及外部支撑10，本实施例的所有支撑高度均为1000mm。底部支撑9的两端分别设有端部支撑7，用于分隔开两个反应器单元的连接挡板11宽度方向的两侧分别设有外部支撑10；两个反应器单元的一端均为端部支撑7，另一端通过连接挡板11分隔开、并在连接挡板11两侧各设一个外部支撑10，每个反应器单元的端部支撑7与外部支撑10之间的设有中间支撑8。端部支撑7、中间支撑8及外部支撑10均垂直于底部支撑9。端部支撑7内表面的两侧及底部支撑9长度方向的两侧均设有安装槽，安装槽宽度要大于玻璃板13的厚度，可为8mm～15mm；本实施例安装槽内宽度为8mm、槽深为50mm，两安装槽之间的宽度为50mm。每侧的安装槽内均涂抹玻璃胶密封，安装槽内安装有玻璃板13，本实施例玻璃板13的厚度为8mm。外部支撑10的端面为“工”字型，每个反应器单元每侧的玻璃板13的底部插入底部支撑9上的安装槽内，一端插入端部支撑7上的安装槽内，另一端则插入外部支撑10“工”字型的槽内，并紧贴中间支撑8。

每个反应器单元内的底部支撑9上沿长度方向均设有两个曝气装置2，两个曝气装置2与底部支撑9长度方向的中心线共线；本实施例的曝气装置2为曝气管，采用纳米曝气管，长度为700mm。每个曝气装置2的两端上方各设有一个导流板3，即每个反应器单元内各设有四个导流板3，且等高设置、相互平行。导流板3的上缘低于反应器单元内静止持液高度，连接挡板11的上缘高于导流板3的上缘，且低于静止持液高度。每个导流板3的厚度为2mm～5mm，宽度与两侧玻璃板13间距相当，导流板3的下缘高于底部支撑9上方0.04m～0.2m，顶部高度比静止持液高度低0.1m～0.4m(本实施例为0.1m)，并使用玻璃胶与两侧的玻璃板13密封连接；本实施例的导流板3采用高700mm，厚5mm的玻璃，使用玻璃胶固定于两侧玻璃板13之间，导流板3的悬空高度为100mm。连接挡板11的高度低于静止持液高度，并且高出导流板3上缘，两反应器单元之间通过连接挡板11上部区域相互连通；本实施例的连接挡板11的高度为850mm。

每个反应器单元包含两个上升区和三个下降区，每个曝气装置2的上方均为上升区，曝气装置2的长度与上升区的长度相同；每个反应器单元中，第一个导流板的外侧、第二个导流板与第三个导流板之间以及第三个导流板的外侧均为下降区，第一个导流板外侧的下降区及第三个导流板外侧的下降区均为边壁单个下降区，第二个导流板与第三个导流板之间的下降区为中心下降区，中心下降区的面积为边壁单个下降区面积的2倍，每个反应器单元内的上升区和下降区的面积比为1～2.5。

每个反应器单元两端的底角位置均设有与水平面相倾斜的防死角挡板5，即端部支撑7的底角与底部支撑9之间以及连接挡板11与底部支撑9之间均设有与水平面相倾斜的防死角挡板5，该防死角挡板5由上至下向内倾斜，与水平面呈135°夹角，防死角挡板5的存在防止了流动死角的形成。每个反应器单元内底部支撑9的中心均开有排液口6，有利于培养结束后藻细胞的快速收集及箱体的清洗。

每个反应器单元对应上方的玻璃盖板12的中心开有透气孔4，孔径为30mm～80mm，透气孔用透气塞密封。玻璃盖板12可自由取下，在透明薄膜的辅助下可安全密封。

本发明在实验室内进行实验时，在箱体两侧并排分布布置40根日光灯管提供光能；在大规模培养时整个培养装置置于室外，采用太阳光作为光源。

实验例

以培养小球藻做实例，培养前，向反应器内注满清水，加入约200mL次氯酸钠溶液，利用空气压缩机通过进气管1和曝气管2向反应器持续通入空气，浸泡24小时进行灭菌处理。打开排液口6将次氯酸钠溶液排出，用清水反复冲洗反应器3～5遍后注入小球藻培养基、藻液和清水至持液高度为900mm处。利用空气压缩机和气体钢瓶以0.05vvm的曝气速率通入浓度为2％的二氧化碳和空气的混合气，培养过程中定时检查反应器内的pH、溶氧浓度、溶解二氧化碳浓度、单位体积内藻细胞干重等参数。培养结束后，利用每个反应单元底部的排液口排出藻液。清洗反应器前，像反应器内注满清水浸泡2小时后用毛刷子即可清洗干净。

以上所述是本发明的一种实施方案，本发明的关键点在于在反应器单元内部设置了导流板(包括采用优化的底部间隙高度、顶部脱气高度和导流板长度以及较宜的上升区面积/降液区面积比值)，减少流体局部循环的机会，使反应器单元内液体在最小的曝气速率下实现较大流量的定向流动，从而满足微藻规模化培养中混合、传质的需要，并且让反应器内藻细胞接受光照的机会得到提高，并有效防止藻液贴壁、沉淀，从而得到了造价与传统跑道池相当但却非常高效、节能且寿命长的封闭式光合微生物培养装置。

Claims (6)

1.一种平板气升环流式光合微生物培养装置，其特征在于：包括箱体、进气管(1)、曝气装置(2)、导流板(3)、连接挡板(11)及玻璃盖板(12)，其中箱体由支撑部分及安装在该支撑部分上的玻璃板(13)构成，所述箱体内分为多个依次串联的反应器单元，相邻两反应器单元之间通过安装在所述支撑部分上的连接挡板(11)隔开；每个所述反应器单元内的底部均安装有至少一个曝气装置(2)，每个所述曝气装置(2)的两端上方各设有一个安装在所述玻璃板(13)上的导流板(3)，所述曝气装置(2)上方的两导流板(3)之间的区域为上升区，每个所述导流板(3)与箱体端部之间的区域以及相邻曝气装置(2)之间的区域为下降区；各反应器单元中的每个所述曝气装置(2)均与进气管(1)相连通，气体由每个所述曝气装置(2)进入到反应器单元内，带动反应器单元内的液体由上升区至下降区循环流动，每个所述反应器单元的底部均开有排液口(6)；所述箱体顶部可拆卸地密封连接有带透气孔(4)的玻璃盖板(12)，所述连接挡板(11)与玻璃盖板(12)之间留有间隙，相邻两所述反应器单元之间通过该间隙相互连通；

所述支撑部分由钢筋混凝土浇筑而成，分为端部支撑(7)、中间支撑(8)、底部支撑(9)及外部支撑(10)，该底部支撑(9)的两端分别设有端部支撑(7)，所述端部支撑(7)内表面的两侧及底部支撑(9)长度方向的两侧均设有安装槽，每侧的安装槽内均安装有所述玻璃板(13)；用于隔开两相邻反应器单元的每个所述连接挡板(11)的两侧均设有外部支撑(10)，每个所述反应器单元两侧的玻璃板(13)外侧均设有中间支撑(8)；

所述端部支撑(7)、中间支撑(8)及外部支撑(10)均垂直于底部支撑(9)，所述外部支撑(10)的端面为“工”字型，该外部支撑(10)两侧的玻璃板(13)分别安装在“工”字型的两个槽内；

每个所述反应器单元内的各导流板(3)等高设置，且底部与反应器单元的底部之间留有间隙，各所述导流板(3)的两侧分别与两侧的玻璃板(13)密封固接；

每个所述反应器单元内的导流板(3)的上缘低于反应器单元内静止持液高度，相邻两反应器单元之间的连接挡板(11)的上缘高于导流板(3)的上缘，且低于所述静止持液高度。

2.按权利要求1所述的平板气升环流式光合微生物培养装置，其特征在于：每个所述反应器单元内的底部沿长度方向均设有两个曝气装置(2)，每个所述曝气装置(2)的两端上方各设有一个导流板(3)，每个曝气装置(2)的上方均为上升区，所述导流板(3)与反应器单元两端之间以及两所述曝气装置(2)之间的上方均为下降区。

3.按权利要求2所述的平板气升环流式光合微生物培养装置，其特征在于：所述曝气装置(2)的长度与上升区的长度相同，每个所述反应器单元内的上升区和下降区的面积比为1～2.5，两所述曝气装置(2)之间上方的中心下降区的面积为导流板(3)与反应器单元任一端边壁之间的单个下降区面积的2倍。

4.按权利要求1或2所述的平板气升环流式光合微生物培养装置，其特征在于：每个所述反应器单元两端的底角位置均设有与水平面相倾斜的防死角挡板(5)。

5.按权利要求1或2所述的平板气升环流式光合微生物培养装置，其特征在于：每个所述反应器单元内的排液口(6)均设置在底部的中心。

6.按权利要求1或2所述的平板气升环流式光合微生物培养装置，其特征在于：在每个所述反应器单元内的玻璃盖板(12)上、且位于每个反应器单元内曝气装置(2)曝气区的中心位置开有透气孔(4)。

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