一種平板氣升環流式光合微生物培養裝置的製作方法

2023-09-12 23:37:15

本發明屬於生物化工領域中用於規模化培養光能自養微生物的培養裝置，具體地說是一種平板氣升環流式光合微生物培養裝置。

背景技術：

經過一系列的實驗研究確定微藻及浮遊植物的最佳培養條件後，反應器的設計就成了關鍵。微藻的培養系統總體上分為開放型培養系統和封閉型培養系統。開放式培養系統的最大優勢在於投資少、結構簡單、成本低廉及操作簡單；但存在易受汙染、生產不穩定，且部分藻種不適合等缺點。與開放式相比，封閉式培養系統具有以下優點：1)無汙染，可實現純種培養；2)幾乎適合所有微藻及浮遊植物；3)培養條件易控制；4)單位產量下佔地面積小，成本低，易採收；5)光照面積/體積之比較大，光能和co2利用率高，水分損失低等突出優點。然而，與開放式相比，存在著建設成本高、維護難度大的缺點，若存在複雜內構件，會因清洗困難導致其壽命低。因此，設計低成本、高效的封閉式反應器就成為自養微生物規模化培養的關鍵。

氣升式環流反應器(airliftloopreactor，alr)採用氣體為推動力，能在較低的表觀氣速下就可以使液體在反應器內部按照設定的軌跡循環流動，大大提高了反應物的混合、傳質及傳熱效率，是最節能的一種反應器。與其他類型的反應器相比，該反應器內沒有運動部件，造價低，便於維修和密封，剪切力小且分布均勻，特別適宜對剪切力比較敏感的微生物。環流反應器的形狀可以是圓形或者是矩形。由於影響環流反應器混合、傳質、剪切力分布的結構參數(包括曝氣裝置、底部間隙高度、頂部分離區高度、導流板長度及上升區和降液區面積比值等)和操作參數(包括曝氣速率、氣相分壓等)比較多，尤其是頂部分離區高度、底部間隙高度影響反應器內的剪切力分布和壓降，導致其設計和放大比較困難。

光生物反應器設計的核心是以最小的能耗滿足傳質、傳熱的要求，並充分利用光能實現快速生產，同時反應器要造價低、控溫簡單有效、清洗簡單、壽命長。此外，由於吸收和散射，光在傳播方向上指數衰減；流體充分混合可產生有益於微生物生長的光明/光暗循環，相當於光強在反應器內的再分布；反應器內各處液體流速必須足夠 大，以防止微生物在反應器表面聚集、結垢。因此，具有較優結構反應器的光程及曝氣速率也必須適中，從而使微生物具有快速的光暗循環。

授權公告日為2015年5月20日、授權公告號為cn103374511b的發明專利公開了一種圓形氣升環流式光生物反應器，將光源安裝於反應器外筒和內導流筒的壁面處，氣體從反應器底部的氣體分布器進入反應器，使藻液循環流動，從而在內外套筒間的區域內接受光照，充分利用微藻的閃光效應，促進微藻生長。該反應器用於大規模培養微藻時，使用了大量的人工光源，生產成本較高且壽命短，不利於產業化推廣。

授權公告日為2010年3月17日、授權公告號為cn201424476y的實用新型專利公開了一種平板式光生物反應器，其反應器單元包括箱體及其支撐框架；箱體頂部是開放式開孔，內腔整體貫通，至少有一個長側面是透明的，橫向相對的兩短側面和底面為圓弧形面；支撐框架為梯形，垂直地面，兩支撐架立柱間固夾箱體。此反應器屬於開放式且未設內構件，藻液單純依靠氣體推動形成無規則流動，使得微藻所受光照不均勻，不利於其光合作用效率的提高，且流動速度小，極易產生貼壁現象。

授權公告日為2008年4月9日、授權公告號為cn201045139y的實用新型專利公開了一種平板式光生物反應器，其由若干個反應器主體依次橫向連接而成，相鄰反應器之間隔板上開設有孔或隙，頂部有封蓋。此反應器無引導流體流動的內構件，流體呈無規則流動，存在著能耗高、效率低的缺點。

技術實現要素：

針對規模化、高密度培養微藻時，傳統封閉式反應器造價高、控溫耗費大、受光表面積與體積比值小、內部藻液流動無規律、容易產生死區、藻細胞貼壁、能耗大以及反應器因清洗困難導致其重複利用率比較低等問題，本發明的目的在於提供一種平板氣升環流式光合微生物培養裝置。該氣升環流式光合微生物培養裝置是以鋼筋混凝土和透光玻璃為材料製作的一種封閉式平板氣升環流式光合微生物培養裝置，具有混合和傳質效果好、光能利用率高、剪切力小且均勻等優點，同時由於建設和操作成本較低、控溫和清洗簡單、壽命長等突出優點，有效地解決了培養過程中的種種不利現象，特別適合微藻和浮遊植物的大規模培養。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

本發明包括箱體、進氣管、曝氣裝置、導流板、連接擋板及玻璃 蓋板，其中箱體由支撐部分及安裝在該支撐部分上的玻璃板構成，所述箱體內分為多個依次串聯的反應器單元，相鄰兩反應器單元之間通過安裝在所述支撐部分上的連接擋板隔開；每個所述反應器單元內的底部均安裝有至少一個曝氣裝置，每個所述曝氣裝置的兩端上方各設有一個安裝在所述玻璃板上的導流板，所述曝氣裝置上方的兩導流板之間的區域為上升區，每個所述導流板與箱體端部之間的區域以及相鄰曝氣裝置之間的區域為下降區；各反應器單元中的每個所述曝氣裝置均與進氣管相連通，氣體由每個所述曝氣裝置進入到反應器單元內，帶動反應器單元內的液體由上升區至下降區循環流動，每個所述反應器單元的底部均開有排液口；所述箱體頂部可拆卸地密封連接有帶透氣孔的玻璃蓋板，所述連接擋板與玻璃蓋板之間留有間隙，相鄰兩所述反應器單元之間通過該間隙相互連通。

其中：每個所述反應器單元內的底部沿長度方向均設有兩個曝氣裝置，每個所述曝氣裝置的兩端上方各設有一個導流板，每個曝氣裝置的上方均為上升區，所述導流板與反應器單元兩端之間以及兩所述曝氣裝置之間的上方均為下降區；所述曝氣裝置的長度與上升區的長度相同，每個所述反應器單元內的上升區和下降區的面積比為1～2.5，兩所述曝氣裝置之間上方的中心下降區的面積為導流板與反應器單元任一端邊壁之間的單個下降區面積的2倍；

所述支撐部分由鋼筋混凝土澆築而成，分為端部支撐、中間支撐、底部支撐及外部支撐，該底部支撐的兩端分別設有端部支撐，所述端部支撐內表面的兩側及底部支撐長度方向的兩側均設有安裝槽，每側的安裝槽內均安裝有所述玻璃板；用於隔開兩相鄰反應器單元的每個所述連接擋板的兩側均設有外部支撐，每個所述反應器單元兩側的玻璃板外側均設有中間支撐；所述端部支撐、中間支撐及外部支撐均垂直於底部支撐，所述外部支撐的端面為「工」字型，該外部支撐兩側的玻璃板分別安裝在「工」字型的兩個槽內；

每個所述反應器單元兩端的底角位置均設有與水平面相傾斜的防死角擋板；每個所述反應器單元內的排液口均設置在底部的中心；每個所述反應器單元內的各導流板等高設置，且底部與反應器單元的底部之間留有間隙，各所述導流板的兩側分別與兩側的玻璃板密封固接；每個所述反應器單元內的導流板的上緣低於反應器單元內靜止持液高度，相鄰兩反應器單元之間的連接擋板的上緣高於導流板的上緣，且低於所述靜止持液高度；在每個所述反應器單元內的玻璃蓋板上、且位於每個反應器單元內曝氣裝置曝氣區的中心位置開有透氣孔。

本發明的優點與積極效果為：

1.本發明在箱體內通過連接擋板分隔開多個反應器單元，反應器單元內布置導流板，導流板高於反應器單元底部設定距離，使得單個反應器單元底部相互連通；使用曝氣裝置推動藻液循環流動，反應器單元內形成固定周期環流循環；下降區內接近平推流，循環流速較大，有效地避免了藻細胞沉積和貼壁現象。

2.本發明的箱體由混凝土和透明玻璃板構成，具有成本低廉且使用壽命長的特點；玻璃板插入底部支撐和端部支撐的安裝槽內，使用玻璃膠內外密封，中間支撐緊貼玻璃面板中部，有效防止反應器內注水時間長後玻璃面板變形產生的漏水、脹裂等現象，製作成本低，可長期重複使用；而且，無複雜內構件的優化設計(包括底部和頂部間隙高度、上升區和下降區面積比等優化結構和優化的曝氣速率等)使之具有易清洗、能耗低、混合和傳質效果好、光能利用率高、剪切力小且均勻等優點，因此具有建設和操作成本較低、控溫和清洗簡單、壽命長等突出優點。

3.本發明採用大面積的透明玻璃做透光介質，內構件簡單，除擋板外無其它內構件，再加上反應器內距離適中，機械或者人力清洗皆方便、維修費用低，可大大延長其使用壽命；只在上升區曝氣就能形成高效循環，可大大降低曝氣成本。

4.本發明的多個反應器單元串聯操作時，相鄰反應器單元混凝土支撐安裝槽之間部位的高度低於靜止持液高度0.05m～0.35m，並且高於內部導流板高度；培養時各反應器單元間頂部藻液相互連通，能夠使反應器內全部藻液均勻，從而整體控制培養條件；而且，此高度設置還能在某一單元發生意外洩露等現象時防止反應器內大部分藻液的流失。

5.本發明在進行微藻培養時，藻細胞濃度過大後容易產生相互遮蔽現象，不利於藻細胞接收光照，本發明的反應器寬度合適，再加上流體混合導致的光明/光暗效應，大大提高了藻細胞接收光照的概率，有利於藻細胞的光合作用。

6.本發明頂部玻璃蓋板可自由取下，在透明薄膜等材料的輔助下可安全密封，實現封閉式培養，防止染菌；蓋板中部的透氣孔既可排除多餘氣體，也可防止染菌。

7.由於透光面積大且平板式結構，可通過表面噴水進行反應器內降溫，費用低且高效；此外，也可通過補光系統將別處的光反射至反應器單元表面上，提高培養裝置的利用效率。

8.本發明每個反應器單元的兩個底角部設置了防死角擋板，防 死角擋板的存在防止了流動死區的形成。

9.本發明每個反應器單元底部均設有排液口，有利於培養結束後藻細胞的快速收集及箱體的清洗。

附圖說明

圖1為本發明的整體結構示意圖；

圖2為本發明支撐部分的結構示意圖；

圖3為本發明支撐部分與玻璃面板安裝的結構示意圖；

圖4為本發明底部支撐與玻璃面板安裝的剖面圖；

圖5為本發明端部支撐與玻璃面板安裝的俯視圖；

圖6為本發明中部支撐與玻璃面板位置的俯視圖；

圖7為本發明相鄰兩反應器單元連接部位安裝的俯視圖；

圖8為本發明反應器蓋板的結構示意圖；

其中：1為進氣管，2為曝氣裝置，3為導流板，4為透氣孔，5為防死角擋板，6為排液口，7為端部支撐，8為中間支撐，9為底部支撐，10為外部支撐，11為連接擋板，12為玻璃蓋板，13為玻璃板。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳述。

本發明包括箱體、進氣管1、曝氣裝置2、導流板3、連接擋板11及蓋板12，其中箱體由支撐部分及安裝在該支撐部分上的透光玻璃板13構成，箱體內分為多個依次串聯的反應器單元，相鄰兩反應器單元之間通過安裝在支撐部分上的連接擋板11隔開；每個反應器單元內的底部均安裝有至少一個曝氣裝置2，每個曝氣裝置2的兩端上方各設有一個安裝在玻璃板13上的導流板3，曝氣裝置2上方的兩導流板3之間的區域為上升區，每個導流板3與箱體端部之間的區域以及相鄰曝氣裝置2之間的區域為下降區；各反應器單元中的每個曝氣裝置2均與進氣管1相連通，氣體由每個曝氣裝置2進入到反應器單元內，帶動反應器單元內的液體由上升區至下降區循環流動，每個反應器單元的底部均開有排液口6；箱體頂部可拆卸地密封連接有帶透氣孔4的玻璃蓋板12，連接擋板11與玻璃蓋板12之間留有間隙，相鄰兩反應器單元之間通過該間隙相互連通。

單個反應器單元長度為1.8m～2.2m，寬度為0.05m～0.2m，高度為1m～1.2m，內部持液高度為0.8m～1m。如圖1所示，本實施例以兩個反應器單元為例，每個反應器單元內部整體長度為2000mm，寬度為50mm，高為1000mm。如圖2～7所示，支撐部分由鋼筋混凝土澆築而成，分為端部支撐7、中間支撐8、底部支撐9及外部支撐10，本實施例的所有支撐高度均為1000mm。底部支撐9的兩端分別設有 端部支撐7，用於分隔開兩個反應器單元的連接擋板11寬度方向的兩側分別設有外部支撐10；兩個反應器單元的一端均為端部支撐7，另一端通過連接擋板11分隔開、並在連接擋板11兩側各設一個外部支撐10，每個反應器單元的端部支撐7與外部支撐10之間的設有中間支撐8。端部支撐7、中間支撐8及外部支撐10均垂直於底部支撐9。端部支撐7內表面的兩側及底部支撐9長度方向的兩側均設有安裝槽，安裝槽寬度要大於玻璃板13的厚度，可為8mm～15mm；本實施例安裝槽內寬度為8mm、槽深為50mm，兩安裝槽之間的寬度為50mm。每側的安裝槽內均塗抹玻璃膠密封，安裝槽內安裝有玻璃板13，本實施例玻璃板13的厚度為8mm。外部支撐10的端面為「工」字型，每個反應器單元每側的玻璃板13的底部插入底部支撐9上的安裝槽內，一端插入端部支撐7上的安裝槽內，另一端則插入外部支撐10「工」字型的槽內，並緊貼中間支撐8。

每個反應器單元內的底部支撐9上沿長度方向均設有兩個曝氣裝置2，兩個曝氣裝置2與底部支撐9長度方向的中心線共線；本實施例的曝氣裝置2為曝氣管，採用納米曝氣管，長度為700mm。每個曝氣裝置2的兩端上方各設有一個導流板3，即每個反應器單元內各設有四個導流板3，且等高設置、相互平行。導流板3的上緣低於反應器單元內靜止持液高度，連接擋板11的上緣高於導流板3的上緣，且低於靜止持液高度。每個導流板3的厚度為2mm～5mm，寬度與兩側玻璃板13間距相當，導流板3的下緣高於底部支撐9上方0.04m～0.2m，頂部高度比靜止持液高度低0.1m～0.4m(本實施例為0.1m)，並使用玻璃膠與兩側的玻璃板13密封連接；本實施例的導流板3採用高700mm，厚5mm的玻璃，使用玻璃膠固定於兩側玻璃板13之間，導流板3的懸空高度為100mm。連接擋板11的高度低於靜止持液高度，並且高出導流板3上緣，兩反應器單元之間通過連接擋板11上部區域相互連通；本實施例的連接擋板11的高度為850mm。

每個反應器單元包含兩個上升區和三個下降區，每個曝氣裝置2的上方均為上升區，曝氣裝置2的長度與上升區的長度相同；每個反應器單元中，第一個導流板的外側、第二個導流板與第三個導流板之間以及第三個導流板的外側均為下降區，第一個導流板外側的下降區及第三個導流板外側的下降區均為邊壁單個下降區，第二個導流板與第三個導流板之間的下降區為中心下降區，中心下降區的面積為邊壁單個下降區面積的2倍，每個反應器單元內的上升區和下降區的面積比為1～2.5。

每個反應器單元兩端的底角位置均設有與水平面相傾斜的防死 角擋板5，即端部支撐7的底角與底部支撐9之間以及連接擋板11與底部支撐9之間均設有與水平面相傾斜的防死角擋板5，該防死角擋板5由上至下向內傾斜，與水平面呈135°夾角，防死角擋板5的存在防止了流動死角的形成。每個反應器單元內底部支撐9的中心均開有排液口6，有利於培養結束後藻細胞的快速收集及箱體的清洗。

每個反應器單元對應上方的玻璃蓋板12的中心開有透氣孔4，孔徑為30mm～80mm，透氣孔用透氣塞密封。玻璃蓋板12可自由取下，在透明薄膜的輔助下可安全密封。

本發明在實驗室內進行實驗時，在箱體兩側並排分布布置40根日光燈管提供光能；在大規模培養時整個培養裝置置於室外，採用太陽光作為光源。

實驗例

以培養小球藻做實例，培養前，向反應器內注滿清水，加入約200ml次氯酸鈉溶液，利用空氣壓縮機通過進氣管1和曝氣管2向反應器持續通入空氣，浸泡24小時進行滅菌處理。打開排液口6將次氯酸鈉溶液排出，用清水反覆衝洗反應器3～5遍後注入小球藻培養基、藻液和清水至持液高度為900mm處。利用空氣壓縮機和氣體鋼瓶以0.05vvm的曝氣速率通入濃度為2％的二氧化碳和空氣的混合氣，培養過程中定時檢查反應器內的ph、溶氧濃度、溶解二氧化碳濃度、單位體積內藻細胞乾重等參數。培養結束後，利用每個反應單元底部的排液口排出藻液。清洗反應器前，像反應器內注滿清水浸泡2小時後用毛刷子即可清洗乾淨。

以上所述是本發明的一種實施方案，本發明的關鍵點在於在反應器單元內部設置了導流板(包括採用優化的底部間隙高度、頂部脫氣高度和導流板長度以及較宜的上升區面積/降液區面積比值)，減少流體局部循環的機會，使反應器單元內液體在最小的曝氣速率下實現較大流量的定向流動，從而滿足微藻規模化培養中混合、傳質的需要，並且讓反應器內藻細胞接受光照的機會得到提高，並有效防止藻液貼壁、沉澱，從而得到了造價與傳統跑道池相當但卻非常高效、節能且壽命長的封閉式光合微生物培養裝置。