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導流板和使用該導流板的平板式生物反應器及設置方法

2023-10-20 10:09:07 1

專利名稱:導流板和使用該導流板的平板式生物反應器及設置方法
技術領域:
本發明涉及一種氣升式平板生物反應器。特別是涉及一種通過控制導流板或導流筒凹凸起伏的周期數及幅度,來實現反應器所培養生物的最佳流速、湍流混合及氣液傳質條件的導流板和使用該導流板的平板式生物反應器及設置方法。
背景技術:
氣升式生物反應器廣泛應用於植物細胞培養及發酵工業,依據曝氣位置的不同分為內循環式和外循環式兩大類,在氣體的帶動下,反應器的流動性較其他生物反應器更均勻,隨著液體攜帶氣泡在反應器內循環流動,可實現良好的氣液混合,但該氣升式生物反應器在高密度培養生物時混合不夠均勻。此外,用該反應器培養光合生物,如微藻、光合細菌時,在特定的通氣條件下,混合能力有限,加上生物間的相互遮擋,在反應器靠近光照區域, 會出現「光抑制」現象,而遠離光照的區域則出現「光限制」現象,極大的影響反應器內生物的生長。而加大通氣量來增強湍流混合時,在當前普遍採用的平直導流板或平直導流筒的反應器內,培養液的循環液速也會隨之增大,同時會出現較強的湍流擾動,將對大部分適於低流速、小擾動環境條件下生長的藻類及菌種帶來不利影響,進而降低反應器的生產能力。當前對生物及光生物反應器開發研究,主要致力於改變反應器內置導流板或導流筒的結構參數,如導流筒的高徑比,導流筒安裝位置,導流筒所形成的下降區與上升區截面面積比等,來提高反應器內氣液傳質與混合,但這些優化方式對實現光合生物在光照區的混合,尤其是光照方向的徑向混合作用不大。同時未解決增大通氣量帶來培養液循環流速過大的問題。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是,提供一種氣液傳質效率改善明顯,培養液混合均勻,光照方向湍流混合均勻,光能利用率高的導流板和使用該導流板的平板式生物反應器及設置方法。本發明所採用的技術方案是一種導流板和使用該導流板的平板式生物反應器及設置方法,平板式生物反應器的導流板是凹凸起伏的波浪形結構導流板。所述的波浪形結構是圓弧形波浪結構、三角形波浪結構、梯形波浪結構和矩形波浪結構中的一種。所述的波浪形結構導流板的前一個最高峰的峰點到下一個最高峰的峰點之間為一個周期,所述的波浪形結構導流板所具有的波浪有1. 5個周期到50個周期。一種具有波浪形結構導流板的平板式生物反應器,包括有反應器罐體,設置在反應器罐體頂部的氣體出口和培養液進口,設置在反應器罐體底部的培養液出口和曝氣裝置,所述的反應器罐體內對稱的設置有一對波浪形結構導流板,兩個對稱設置的波浪形結構導流板所構成的上端開口和下端開口均為向外擴展的喇叭狀開口。所述的波浪形結構是圓弧形波浪結構、三角形波浪結構、梯形波浪結構和矩形波浪結構中的一種。所述的波浪形結構導流板的前一個最高峰的峰點到下一個最高峰的峰點之間為一個周期,所述的波浪形結構導流板所具有的波浪有1. 5個周期到50個周期。所述的波浪形結構導流板的峰高a :0 < a < b/2,其中,b是兩個波浪形結構導流板的波浪中心線c之間的距離。一種平板式生物反應器的波浪形結構導流板的設置方法,包括如下步驟1)根據所培養生物生長的需求,確定該平板式生物反應器的通氣量或通氣速度, 並計算一分鐘內通入平板式生物反應器內氣體的體積,再結合平板式生物反應器內實際培養液體積,得出一分鐘內通入氣體體積與平板式生物反應器培養液體積的比值,將該比值定為通氣比,通氣比R :R = V2Z^V1,其中=V1平板式生物反應器內實際培養液體積;V21分鐘通入平板式生物反應器中氣體的體積;2)根據得出的通氣比,確定平板式反應器所採用的具有凹凸起伏的波浪形結構導流板(11)的波浪周期數及幅度;3)將具有凹凸起伏的波浪形結構導流板安裝在平板式生物反應器內所設定的導流板設置位置上。當所述的通氣比R在0-0. 25時,所述的波浪形結構導流板的峰高a 0. 025b彡a彡0. Ib ;當所述的通氣比R在0. 25-0. 5時,所述的波浪形結構導流板的峰高a 0. 125b ^ a^ 0. 25b ;當所述的通氣比R高於0. 5時,所述的波浪形結構導流板的峰高a 0. 3b ^ a ^ 0. 35b,其中,所述的b是兩個波浪形結構導流板的波浪中心線c之間的距離。當所述的通氣比R在0-0. 25時,所述的波浪形結構導流板所具有的波浪周期設置有6-9個周期;當所述的通氣比R在0. 25-0. 5時,所述的波浪形結構導流板所具有的波浪周期設置有10-13個周期;當所述的通氣比R高於0. 5時,所述的波浪形結構導流板所具有的波浪周期設置有14-16個周期。本發明的導流板和使用該導流板的平板式生物反應器及設置方法,具有如下特點。1、採用具有三角形、梯形、圓弧形、矩形等波浪結構導流板,液體在循環流動時,在導流板有規則的波浪起伏的作用下,可增加液體混合的次數,可極大的提高反應器內培養液混合的效果;2、培養光合生物時,在導流板波浪起伏結構的作用下,可明顯促進光照區的徑向混合,提高所培養生物的光能利用效率;3、採用具有波浪起伏結構的導流板,在該流場中,導流板的波浪起伏可以阻擋液體的流動,當通氣量較大時,即可以通過增加波浪起伏的幅度,調節液體的流速,使培養液的循環速度不會隨通氣量的增加而增大。又可以通過增加凹凸起伏周期數來增加其對液體阻礙的次數,使循環液速維持在適宜生物生長的範圍;4、採用具有三角形、梯形、圓弧形、矩形等波浪起伏結構的導流板,通過調節波浪起伏的周期數及幅度,可增加液體在波浪起伏處的混合,同時可以延長氣體在反應器的停留,增加了氣液間接觸傳質的機會,大大提高氣液間的傳質。


〔0024〕圖1是本發明的圓弧形波浪結構導流板的斷面結構示意〔0025〕圖2是本發明的三角形波浪結構導流板的斷面結構示意〔0026〕圖3是本發明的梯形波浪結構導流板的斷面結構示意〔0027〕圖4是本發明的矩形波浪結構導流板的斷面結構示意〔0028〕圖5是採用圓弧形波浪結構導流板的平板式生物反應器斷面結構示意〔0029〕圖6是採用圓弧形波浪結構導流板的平板式生物反應器另一實施例的斷面結構
示意〔0030〕圖7是採用三角形波浪結構導流板的平板式生物反應器斷面結構示意〔0031〕圖8是採用三角形波浪結構導流板的平板式生物反應器另一實施例的斷面結構 示意〔0032〕圖9是採用梯形波浪結構導流板的平板式生物反應器斷面結構示意〔0033〕圖10是採用梯形波浪結構導流板的平板式生物反應器另一實施例的斷面結構示 意〔0034〕圖11是採用矩形波浪結構導流板的平板式生物反應器斷面結構示意〔0035〕圖12是採用矩形波浪結構導流板的平板式生物反應器另一實施例的斷面結構示 意〔0036〕圖13是具有波浪形結構導流板的平板式生物反應器內波峰尺寸標註的示意〔0037〕圖是三角形波浪結構導流板的波浪起伏周期數對液相體積傳質係數的影響 曲線〔0038〕圖是三角形波浪結構導流板的波浪起伏幅度對液相體積傳質係數的影響曲 線〔0039〕圖153是三角形波浪結構導流板的波浪起伏周期數對光照區平均徑向速度的影 響曲線〔0040〕圖156是三角形波浪結構導流板的波浪起伏幅度對光照區平均徑向速度的影響 曲線〔0041〕圖163是三角形波浪結構導流板的波浪起伏周期數對上升區及下降區平均液速 的影響曲線〔0042〕圖166是三角形波浪結構導流板的波浪起伏幅度對上升區及下降區平均液速的 影響曲線圖。
〔0043〕圖中
〔0044〕1反應器罐體 2圓弧形波浪結構
^004533 三角形波浪結構 4 梯形波浪結構
^004635矩形波浪結構 6喇叭狀開口
〔0047〕7氣體出口 8培養液進口
^004839培養液出口 10曝氣裝置
〔00則11 波浪形結構導流板12 光照區
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明的導流板和使用該導流板的平板式生物反應器及設置方法做出詳細說明。本發明的平板式生物反應器的導流板,所述的導流板是凹凸起伏的波浪形結構導流板11。如圖1、圖2、圖3、圖4所示,所述的波浪形結構是圓弧形波浪結構2、三角形波浪結構3、梯形波浪結構4和矩形波浪結構5中的一種。所述的波浪形結構導流板11的前一個最高峰的峰點到下一個最高峰的峰點之間為一個周期,所述的波浪形結構導流板11所具有的波浪有1. 5個周期到50個周期。如圖5 圖12所示,本發明的具有波浪形結構導流板的平板式生物反應器,包括有反應器罐體1,設置在反應器罐體1頂部的氣體出口 7和培養液進口 8,設置在反應器罐體1底部的培養液出口 9和曝氣裝置10,所述的反應器罐體1內對稱的設置有一對波浪形結構導流板11,兩個對稱設置的波浪形結構導流板11所構成的上端開口和下端開口均為向外擴展的喇叭狀開口 6。所述的波浪形結構是圓弧形波浪結構2、三角形波浪結構3、梯形波浪結構4和矩形波浪結構5中的一種。如圖13所示,所述的波浪形結構導流板11的前一個最高峰的峰點到下一個最高峰的峰點之間為一個周期,所述的波浪形結構導流板11所具有的波浪有1. 5個周期到50 個周期。所述的波浪形結構導流板11的峰高a :0 <a< b/2,其中,b是兩個波浪形結構導流板11的波浪中心線C之間的距離。本發明的平板式生物反應器的波浪形結構導流板的設置方法,包括如下步驟1)根據所培養生物生長的需求,確定該平板式生物反應器的通氣量或通氣速度, 並計算一分鐘內通入平板式生物反應器內氣體的體積,再結合平板式生物反應器內實際培養液體積,得出一分鐘內通入氣體體積與平板式生物反應器培養液體積的比值,將該比值定為通氣比,通氣比R :R = V2Z^V1,其中=V1平板式生物反應器內實際培養液體積;V21分鐘通入平板式生物反應器中氣體的體積;2)根據得出的通氣比,確定平板式反應器所採用的具有凹凸起伏的波浪形結構導流板11的波浪周期數及幅度;當所述的通氣比R在0-0. 25時,所述的波浪形結構導流板11的峰高a 0. 025b ^ a ^ 0. Ib ;當所述的通氣比R在0. 25-0. 5時,所述的波浪形結構導流板11的峰高a :0. 125b彡a彡0. 25b ;當所述的通氣比R高於0. 5時,所述的波浪形結構導流板11的峰高a :0.北彡a彡0. 35b,其中,所述的b是兩個波浪形結構導流板11的波浪中心線c之間的距離。當所述的通氣比R在0-0. 25時,所述的波浪形結構導流板11所具有的波浪周期設置有6-9個周期;當所述的通氣比R在0. 25-0. 5時,所述的波浪形結構導流板11所具有的波浪周期設置有10-13個周期;當所述的通氣比R高於0. 5時,所述的波浪形結構導流板 11所具有的波浪周期設置有14-16個周期。3)將具有凹凸起伏的波浪形結構導流板11安裝在平板式生物反應器內所設定的導流板設置位置上。
下面給出採用圖7所示的內置了凹凸起伏的波浪形結構導流板11氣升式平板生物反應器的設置方式。根據培養的需要,確定該氣升式平板生物反應器的通氣比為0. 15,採用內環流式的反應器模式。為了體現波浪起伏次數對氣升式平板生物反應器傳質效果的影響,將波浪起伏周期數從3個增加到13個來研究,此外,設置波浪起伏的幅度為兩個導流板波浪起伏中心線之間間距的0. 05、0. 1、0. 15、0. 2、0. 25、0. 3、0. 35、0. 4等由小到大的8種情況,來研究波浪起伏幅度對傳質混合的影響。為了體現本發明對反應器內傳質特性的影響,選擇液相體積傳質係數來評價反應器的內氣液傳質效果。圖Ha和b分別給出了改變周期數及幅度,引起液相體積傳質係數的變化,可見採用本發明能達到調節傳質效果的目的。為了體現本發明能有效提高光合生物的光能利用效率,選擇該反應器光照區域, 即圖7中的12代表的區域來研究該區域光照方向的混合效果,以該區域的平均徑向速度為評價指標來研究。圖1 和b分別展示了改變波浪起伏周期數及幅度,引起光照區12平均徑向速度的變化情況,可見採用本發明能有效調節光照方向的混合。為了體現本發明能有效調節液體速度,以內環流反應器中上升區的平均液相速度,下降區平均液相速度為評價指標來研究波浪起伏的周期數及幅度對液體循環速度的影響。圖16a和b分別展示了改變波浪起伏周期數及幅度對上升區和下降區平均液相速度的影響,可以看出在採用本發明下可有效的調節液體循環流速。將得到的具有特定的周期數及幅度的導流板加工成三角形波浪結構的導流板,之後用該導流板替換原有的平直導流板,該導流板與原有的平直導流板只有波浪起伏的變化,其他結構參數及安裝位置均保持不變。
權利要求
1.一種平板式生物反應器的導流板,其特徵在於,所述的導流板是凹凸起伏的波浪形結構導流板(11)。
2.根據權利要求1所述的平板式生物反應器的導流板,其特徵在於,所述的波浪形結構是圓弧形波浪結構O)、三角形波浪結構(3)、梯形波浪結構(4)和矩形波浪結構(5)中的一種。
3.根據權利要求1所述的平板式生物反應器的導流板,其特徵在於,所述的波浪形結構導流板(11)的前一個最高峰的峰點到下一個最高峰的峰點之間為一個周期,所述的波浪形結構導流板(11)所具有的波浪有1. 5個周期到50個周期。
4.一種具有權利要求1所述的波浪形結構導流板的平板式生物反應器,包括有反應器罐體(1),設置在反應器罐體(1)頂部的氣體出口(7)和培養液進口(8),設置在反應器罐體(1)底部的培養液出口(9)和曝氣裝置(10),其特徵在於,所述的反應器罐體(1)內對稱的設置有一對波浪形結構導流板(11),兩個對稱設置的波浪形結構導流板(11)所構成的上端開口和下端開口均為向外擴展的喇叭狀開口(6)。
5.根據權利要求4所述的具有波浪形結構導流板的平板式生物反應器,其特徵在於, 所述的波浪形結構是圓弧形波浪結構O)、三角形波浪結構(3)、梯形波浪結構(4)和矩形波浪結構(5)中的一種。
6.根據權利要求4所述的具有波浪形結構導流板的平板式生物反應器,其特徵在於, 所述的波浪形結構導流板(11)的前一個最高峰的峰點到下一個最高峰的峰點之間為一個周期,所述的波浪形結構導流板(11)所具有的波浪有1. 5個周期到50個周期。
7.根據權利要求4所述的具有波浪形結構導流板的平板式生物反應器,其特徵在於, 所述的波浪形結構導流板(11)的峰高a :0 < a < b/2,其中,b是兩個波浪形結構導流板 (11)的波浪中心線c之間的距離。
8.—種權利要求4所述的平板式生物反應器的波浪形結構導流板的設置方法,其特徵在於,包括如下步驟1)根據所培養生物生長的需求,確定該平板式生物反應器的通氣量或通氣速度,並計算一分鐘內通入平板式生物反應器內氣體的體積,再結合平板式生物反應器內實際培養液體積,得出一分鐘內通入氣體體積與平板式生物反應器培養液體積的比值,將該比值定為通氣比,通氣比R :R = V2ZiV1,其中=V1平板式生物反應器內實際培養液體積;V21分鐘通入平板式生物反應器中氣體的體積;2)根據得出的通氣比,確定平板式反應器所採用的具有凹凸起伏的波浪形結構導流板 (11)的波浪周期數及幅度;3)將具有凹凸起伏的波浪形結構導流板(11)安裝在平板式生物反應器內所設定的導流板設置位置上。
9.根據權利要求8所述的平板式生物反應器的波浪形結構導流板的設置方法,其特徵在於,當所述的通氣比R在0-0. 25時,所述的波浪形結構導流板(11)的峰高a 0. 025b ^ a^O. Ib ;當所述的通氣比R在0. 25-0. 5時,所述的波浪形結構導流板(11)的峰高a :0. 125b彡a彡0. 25b ;當所述的通氣比R高於0. 5時,所述的波浪形結構導流板(11) 的峰高a :0.北彡a彡0. 35b,其中,所述的b是兩個波浪形結構導流板(11)的波浪中心線c之間的距離。
10.根據權利要求8所述的平板式生物反應器的波浪形結構導流板的設置方法,其特徵在於,當所述的通氣比R在0-0. 25時,所述的波浪形結構導流板(11)所具有的波浪周期設置有6-9個周期;當所述的通氣比R在0. 25-0. 5時,所述的波浪形結構導流板(11)所具有的波浪周期設置有10-13個周期;當所述的通氣比R高於0. 5時,所述的波浪形結構導流板(11)所具有的波浪周期設置有14-16個周期。
全文摘要
導流板和使用該導流板的平板式生物反應器及設置方法,導流板是波浪形結構導流板。具有波浪形結構導流板的平板式生物反應器,是在反應器罐體內對稱的設置有一對波浪形結構導流板,兩個波浪形結構導流板所構成的上端開口和下端開口均為向外擴展的喇叭狀開口。導流板的設置方法是根據所培養生物生長的需求,確定該平板式生物反應器的通氣量或通氣速度,得出通氣比,通氣比RR=V1/V2,其中V1 1分鐘通入反應器中氣體的體積;V2柱狀式生物反應器內實際培養液體積;根據得出的通氣比,確定波浪形結構導流板的波浪周期數及幅度,並將其安裝在反應器罐體內。本發明可增加液體混合的次數,可極大的提高反應器內培養液混合的效果,提高光能利用效率,大大提高氣液間的傳質。
文檔編號C12M1/00GK102492609SQ201110414839
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月13日 優先權日2011年12月13日
發明者季民, 尤學一, 王淋淋 申請人:天津大學

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