可組裝平板式光生物反應器的製作方法

2023-12-10 06:16:52

專利名稱：可組裝平板式光生物反應器的製作方法
技術領域：
本發明屬於光生物反應器一一種可快速組裝的平板式光生物反應器。
背景技術：
藻類屬於微型植物，微藻能夠利用簡單的礦物質營養素，在光合作用(日光和人 工照明)的情況下，將CO2和水轉化為我們生活需要的各種有機化合物(如色素、蛋白質、 胺基酸、維生素和脂肪酸、多糖和礦物質等人體必需的營養成份)。由於藻類具有高效光利 用率，以及從周圍環境中快速高效吸收營養素(如CO2、氮、磷等)並轉化成有機化合物的能 力，使藻類成為擁有未來解決食品、能源危機的巨大經濟潛力。藻類養殖對於CO2減排、汙水 處理以及清潔生物能源利用方面的重要作用、以及在改善生態環境的重大意義，使藻種改 良實驗室科學研究、微藻的實驗室培養與工業化養殖，以及微藻的綜合利用技術推廣研究， 成為目前最熱門的科研與應用領域之一。儘管藻類具備了較高的環境與經濟價值，但現有 的藻類養殖經驗表明，藻類養殖成本佔藻類再加工利用的主要部分，而現有的藻類養殖光 生物反應器則由於結構和製造工藝複雜，大大增加了藻類養殖成本與過程控制的難度，成 為制約藻類產業經濟性利用的主要難題。開發低成本且易於生產控制的適用於工業規模化 藻類養殖的光生物反應器的成為產業的重要難題。當前，藻類的培養主要有開放式和封閉式兩種光生物反應器，開放式生物反應器 由於不具備溫度控制能力、生產受季節影響，且生產過程容易受到各種異生物的汙染而證 明並不是最有效的方式。為此，人們開始研究各種封閉式光生物反應器，如管道式、平板 式、柱狀氣升式、浮式薄膜袋等光生物反應器。由於這些光生物反應器結構不同，其實際使 用效果差異很大，產品結構對藻類的養殖產量與養殖效果的影響就更加明顯。管道式光生 物反應器比表面積大，但氧解析困難，同時不易清洗，不適合微藻特別是餌料微藻的大規模 培養；柱狀光生物反應器雖然不存在氧解析困難的問題，混合也很均勻，但放大困難，主要 是容器的透光性制約了其發展；平板式光生物反應器相對前面兩種反應器而言，同時具有 光照比表面積大，光照利用率高、混合均勻、氧解析快、放大相對容易等優點，因此以平板式 光生物反應器作為基礎結構具有一定的優勢，較其它類型封閉式光生物反應器更有發展前 途、更易實現工業規模的應用。已有公告號CN1880442A公開發明申請專利「新的多節式平板光生物反應器」，該 專利詳細描述了光生物反應器在申請前的技術現狀，特別是與平板光生物反應器類似結構 的光生物反應器的研究與專利技術狀況，指出了前期平板式光生物反應器研究設計在內外 光源設置、光程、散熱、混合等方面的一系列問題。國內目前光生物反應器仍主要以管道式 和柱狀氣升式光反應器為主，針對平板式光生物反應器研究報導較少。已有公告號CN101405385A公開了美國亞利桑那州立大學胡強等的「光生物反應 器及其用途」的專利申請文件，文件中詳細介紹了關於目前光生物反應器的研究與專利背 景材料，指出目前平板類型的光生物反應器應用的主要技術障礙是在工程放大中缺乏一種 可用於商業推廣的工業化光生物反應器。該公開文件提出了一些光生物反應器可組裝的思路，即利用多個顯而易見的分離片斷或模件，組裝成尺寸各異、厚度不同及不同運行與連接 方式的各式各樣的光生物反應器及其系統。該專利僅提出了平板式光生物反應器的組裝思 想，提出的組裝技術大多是已經公開使用過的常規的組裝技術，缺乏對實際組裝模件的結 構特點的具體描述，實際組裝過程完全依賴於工程技術人員的具體工程設計，不具備標準 化的和可快速設計組裝的實際效果；而且提供的資料中，反應器的組裝過程與實際微藻培 養效果之間，缺乏某種必然的技術特徵聯繫；組裝過程的隨意性，導致在實際工業化的工程 應用過程中很難推廣實施。

發明內容
本發明的目的是提供一種可組裝的平板式光生物反應器，提供了各組裝件的模塊 結構與組裝方法，彌補現有可組裝平板光生物反應器在組裝模具結構、結構匹配性和組裝 方法、運行控制方法等方面的諸多不足。本發明提供了一種可組裝平板式光生物反應器的主要組裝模塊與組裝方法，以及 組裝大容量光生物反應器、系列光生物反應器、以及各種安裝排列形式的平板式光生物反 應器的組裝模塊與組裝方法。通過這種模塊化組件的製作與現場組裝，滿足大批量藻類培 養中對光生物反應器低成本生產與工業化快速組裝設計的需要。本發明可組裝平板式光生物反應器包括框架、前側壁、後側壁、密封墊片、分布 器、分配管、緊固件、導流板、加料孔、接種口和排料口等，以及為確保反應器正常運行的加 料系統、通風供氣系統、環境綜合控制系統、排料系統等外部系統。其主要特徵包括圍成反 應器內部空間的前側壁、後側壁、框架，以及安裝於前側壁和後側壁與框架之間起密封作用 的密封墊片和起固定作用的緊固件，其特徵還包括框架上的加料孔，加料孔上安裝的止回 閥，固定於框架上的分布器，固定於框架中空槽內的分配管，分配管上的分配接頭與加料孔 匹配並與加料孔連接。反應器的前側壁和後側壁是透明的，或者至少其採光側的側壁板是由透明的平板 材料製造而成的。反應器的前側壁和後側壁由緊固件固定在反應器框架上，並可以有輔助 加強支架以強化緊固件的安裝效果。反應器框架為布置在平板式光反應器四周的支撐架，密封墊片置於前側壁、後側 壁與框架的密封面上，緊固件固定前側壁、後側壁於框架上並壓緊處於它們之間的密封墊 片，以保證前側壁和後側壁與框架圍成反應器內部空間的密封性。反應器的框架可為整體框架、或由底座、立柱和頂蓋等可拆分部件組裝成的整體 的框架結構。反應器框架周邊橫斷面為中空槽結構，中空槽內固定有分配管或測量和供電 電纜；反應器框架底座和兩側立柱內設計有加料孔，加料孔一端連接分配管，另一端連通固 定於框架內側的分布器，固定於框架內側的分布器為具有細小分散孔的篩板。加料孔內安裝有止回閥，在分配管內壓力高於反應器壓力時，止回閥受壓開啟，在 分配管壓力低於反應器壓力時，止回閥自動關閉，以防止反應器內培養物倒流入分配管。反應器框架立柱或底座上有接種口，用於培養物(如微藻種)注入反應器內，反應 器框架立柱或底座有排料口用於反應器內培養物的排出或收集。反應器內還安裝有導流 板，用以調節反應器內介質的循環流動方向。反應器框架的頂蓋上有儀表安裝孔、氣體排出孔、取樣檢測孔和固定支架孔等。
反應器框架的中空槽開口可裝有活動的封蓋板，防止異物落入框架內。反應器的接種與排料過程包括反應器培養物通過接種口加入反應器內，在培養 至某一階段後，通過反應器排料口排入下一隻或幾隻反應器繼續培養，或經過排料系統進 入後續收集處理機。反應器的加料系統和通風供氣系統供給過程包括反應器加料系統和通風供氣系 統與安裝在框架中空槽內的分配管連接，通過分配管、加料口向反應器內輸送各種培養物 生長所需要的各類液體或氣體營養物質；其供給通道包括需供給的物質經過外部系統管 道進入分配管、經由加料孔、加料孔出口止回閥、再經過分布器進入反應器內。環境綜合控制系統包括反應器內的測量與控制兩部分，反應器的測量儀表通過框 架的頂蓋安裝固定在反應器內，以測量反應器運行的各種參數，如PH值、溫度、溶氧等，通 過反應器環境綜合控制系統，調節加料物的溫度、PH值、氧氣與營養物供應量在需要的範圍 內運行。反應器溫度控制方法包括反應器的內部溫度控制主要是通過添加不同物料溫度 來實現的，即在反應器外部系統管路上加裝冷卻器或加熱器，當反應器內溫度高於設定值 時，使添加的培養營養物經過冷卻器降溫後，再向反應器內加入；在反應器內溫度低於設定 值時，使添加的培養營養物經過加熱器升溫後，再向反應器內加入。反應器還可通過培養液循環溫控系統實現反應器溫度輔助控制，控制方法包括 在反應器上安裝過濾器、吸入管、吸入泵、冷卻器和加熱器、回流管及閥門等附件，將過濾器 與吸入管插入反應器培養液內，在需要啟動反應器內部溫度輔助控制系統時，通過啟動吸 入泵，使反應器內培養液通過過濾器、吸入管進入冷卻器或者加熱器，以降低或升高培養液 的溫度後，由回流管回到反應器內，實現反應器培養液內循環溫度控制調節，過濾器能有效 地防止培養物的吸入而受到吸入泵的傷害。本發明除組裝為單個平板式光生物反應器外，也可由數個反應器串聯或並聯組裝 成大容積反應器，並通過外部系統管網和環境綜合控制系統向各個反應器內輸送營養物和 實現集成控制。本發明的單只可組裝平板式光生物反應器的組裝方法包括第一步，在反應器框架的加料孔上安裝好止回閥，並在反應器框架內側安裝固定 好分布器，在反應器框架的中空槽內固定好分配管，並將分配管的分配接頭與框架加料孔 連接；第二步，在反應器框架的頂蓋上，安裝測量儀表、出氣管、導流板支架等附件，導流板 可直接安裝於框架上或輔助支架上；第三步，在反應器框架密封面處安裝好密封墊片，用緊 固件將反應器前側壁和後側壁固定在反應器框架上，並壓緊密封墊片；第四步，將外部加料 系統或通風供氣系統管道與分配管連接，接種管道與反應器框架上的接種口連接，排料口 與下一級反應器連接或者與排料系統管道連接，連接好儀表測量信號線，安裝框架封蓋板， 檢查組裝安裝完整性。上述安裝步驟和順序，可根據操作者的操作習慣，做適應性調整。當採用兩隻或多隻反應器串聯連接組裝時，前一隻反應器的排料口與後一隻的反 應器接種口連接；多隻反應器串聯或並聯連接時，框架內的分配管也可根據系統設計要求， 實現串聯或並聯互連。本發明提供了一種可組裝平板式光生物反應器模塊化組裝件的結構、組裝過程與 控制方法，通過模塊式快速組裝、有效加料方式、通風供氣方式和密封方式，以及與環境綜合控制系統，實現不同容積光生物反應器的現場快速組裝、拆卸清洗再組裝、運行控制等要 求，適用於實驗室或工業規模化微藻養殖及其它光合生物細胞的懸浮培養對反應器容積的 特殊要求，具有較好的實驗室應用和工業過程放大前景。下面參照附圖對本發明的優選實施例做詳細說明。


圖1為本發明平板式光生物反應器的框架及分配管裝配剖面示意圖。圖2為本發明平板式光生物反應器組裝後橫斷面剖面示意圖。圖3為本發明三隻平板式光生物反應器串聯組裝裝配示意圖。圖4為本發明反應器內部溫度輔助控制系統原理圖。其中，1.前側壁，2.框架，3.分配管，4.分配接頭，5.加料孔，6.接種口，7.排料 口，8.緊固件，9.止回閥，10.分布器；11.後側壁，12.密封墊片，13.封蓋板，14.導流板， 15.測量電極、16.過濾器、17.吸入管、18.吸入泵、19.冷卻器、20.加熱器、21、回流管
具體實施例如圖1和圖2所示，本發明組裝平板式光生物反應器包括反應器前側壁1、後側壁 11、框架2、以及安裝於前側壁1和後側壁11與框架2之間起密封作用的密封墊片12、起固 定作用的緊固件8，其特徵還包括框架2上的加料孔5，加料孔5上安裝的止回閥9，固定於 框架2上的分布器10，固定於框架2中空槽內的分配管3，分配管3上的分配接頭4與加料 孔5匹配並與加料孔5連接。圖1為本發明平板式光生物反應器的框架及分配管裝配剖面示意圖，圖中在反應 器框架2底座和兩側中空槽立柱內，分別固定有分配管3，分配管3的分配接頭4與框架2 上的加料孔5連接，實現由分配管3通過加料孔5向反應器內部加料和通風供氣操作。框 架2的頂蓋有測量和排氣孔，用於測量儀表、支撐板和排氣管等的安裝。在反應器外部配套 系統安裝後，分配管3通過與外部系統管路連接，實現向反應器內供應各類培養液的需要。圖2為本發明平板式光生物反應器組裝後橫斷面剖面示意圖，圖中框架2上的加 料孔5內安裝有止回閥9，框架2內固定有分布器10，在框架2的中空槽內，固定有分配管 3，分配管3的分配接頭4與加料孔5匹配並連接，螺釘8固定前側壁1和後側壁11於框架 2上並壓緊密封墊片12在其密封面上，完成平板式光生物反應器的快速組裝。圖3為本發明三隻平板式光生物反應器串聯組裝裝配示意圖，附圖示意了導流板 14、測量電極15、加料系統與通風供氣系統與反應器的一種串聯安裝連接結構，在反應器串 聯組裝過程中，最前端的反應器接種口 6與接種管道連接，並通過其反應器的排料口 7連接 至下一級反應器的接種口 6，最後一隻反應器的排料口 7接入排料管道，形成反應器串聯組 裝模式。同樣的，當需要實現並聯組裝模式時，則將反應器的接種口 6並聯連接接種管道， 而反應器的排料口 7並聯連接排料管道，形成並聯組裝模式。反應器配套加料系統和通風 供氣系統，可以與反應器分配管3實現串聯連接或並聯連接。圖4為本發明反應器培養液內循環溫度輔助控制系統原理圖，帶過濾器16的吸入 管17插入反應器內，利用吸入泵18將反應器內的培養液吸入系統管道，過濾器16可防止 培養物和顆粒物進入系統管道。吸入的培養液經過吸入泵18，並根據溫度控制要求，在需要降溫時流經冷卻器19，降低培養液的溫度後，經過回流管21回流入反應器，達到降低反應 器內液體溫度的目的，在需要提高溫度時流經加熱器20，在升高培養液的溫度後，經過回流 管21回流入反應器。 本發明裝置可安裝於固定支架上，以提高安裝的穩定性，也不難通過其固定支架 調整，實現不同安裝角度控制要求。
權利要求
1.一種可組裝平板式光生物反應器，包括圍成反應器內部空間的前側壁(1)、後側壁 (11)、框架0)，以及安裝於前側壁⑴和後側壁(11)與框架(2)之間起密封作用的密封 墊片(12)和起固定作用的緊固件(8)，其特徵還包括框架(2)上的加料孔(5)，加料孔(5) 上安裝的止回閥(9)，固定於框架(2)上的分布器(10)，固定於框架O)中空槽內的分配管 (3)，分配管C3)上的分配接頭(4)與加料孔(5)匹配並與加料孔( 連接。
2.如權利要求1所述的可組裝平板式光生物反應器，其特徵在於反應器的框架(2)可 為整體框架、或由底座、兩側立柱和頂蓋等可拆分部件組裝成的整體的框架結構，反應器框 架⑵四周為中空槽結構，中空槽內固定有分配管⑶或測量和供電電纜，分配管⑶為柔 性或剛性材料製成的具有分配接頭(4)為支管的流體分配通道；固定於框架O)內側的分 布器(10)為具有細小分散孔的篩板。
3.如權利要求1所述的可組裝平板式光生物反應器，其特徵在於反應器框架(2)側面 立柱或底座上有接種口(6)和排料口(7)，反應器內還安裝有導流板(14)，其頂蓋上安裝在 測量電極(15)、排氣口及輔助支架。
4.如權利要求1所述的可組裝平板式光生物反應器，其輔助系統包括加料系統、通風 供氣系統、接種系統、排料系統、環境綜合控制系統等，其特徵還包括由過濾器(16)、吸入管 (17)、吸入泵(18)、冷卻器(19)、加熱器(20)、回流管(21)、控制器及閥門附件等組成的反 應器溫度輔助控制系統，其特徵在於過濾器(16)連接吸入管(17)插入反應器內，吸入管 (17)連接吸入泵(18)並通過吸入泵(18)將反應器內的培養液吸入系統管道，冷卻器(19) 和加熱器00)的進口並聯連接於吸入泵(18)的出口，其出口端並聯連接後經回流管 回流入反應器內。在反應器需要降溫時由控制閥門使吸入的培養液流經冷卻器(19)，降低 培養液的溫度後，經過回流管回流入反應器，達到降低反應器內液體溫度的目的；在 需要提高溫度時由控制閥門使吸入的培養液流經加熱器(20)，在升高培養液的溫度後，經 過回流管回流入反應器。
5.如權利要求1所述的可組裝平板式光生物反應器，其組裝順序包括但不限於以下方 法和步驟第一步，在反應器框架O)的加料孔(5)上安裝好止回閥(9)，並在反應器框架O)內 側安裝固定好分布器(10)，在反應器框架O)的中空槽內固定好分配管(3)，並將分配管 (3)的分配接頭(4)與框架O)的加料孔(5)連接。第二步，在反應器框架O)的頂蓋上，安裝測量儀表、排氣管、導流板(14)及支架等附件。第三步，在反應器框架(2)密封面處安裝好密封墊片(12)，用緊固件(8)將反應器前側 壁(1)和後側壁(11)固定在反應器框架( 上，並壓緊密封墊片(12)。第四步，將外部加料系統或通風供氣系統管道與分配管(3)連接、接種系統與反應器 框架(2)上的接種口(6)連接，排料口(7)與下一級反應器接種口(6)連接或者與排料系 統管道連接，連接好儀表測量信號線，安裝框架封蓋板(13)，完成反應器的組裝安裝。
全文摘要
一種可組裝平板式光生物反應器，包括框架、前側壁、後側壁、密封墊片、分布器、分配管、緊固件、導流板、加料孔、接種口和排料口等，以及為確保反應器正常運行的加料系統、通風供氣系統、環境綜合控制系統、排料系統等外部系統。其主要特徵是反應器框架為布置在光反應器四周的支撐架，框架與反應器前側壁和後側壁共同圍成反應器內部空間，由緊固件和密封墊片固定並密封。反應器框架底座或兩側立柱中空槽內安裝有分配管，分配管與外部系統管路和框架上的加料孔連接，向反應器內供應營養物。本發明提供了一種快速組裝平板式光生物反應器部件結構與組裝方法，可用於微藻等光合生物的工業化低成本大批量培養，具有較好的工業應用前景。
文檔編號C12M1/36GK102108332SQ20091026591
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月24日 優先權日2009年12月24日
發明者吳懷之, 吳美玲, 平濤, 章志斌 申請人:青島生物能源與過程研究所