管排式光生物反应器的制造方法
【专利摘要】本申请提供了一种管排式光生物反应器，其包括n×m个管排组件，n个管排组件在一个方向上并排布置并且被并联连接构成一管排组件组，m个所述管排组件组在所述一个方向上并排布置并且被串联连接构成所述管排式光生物反应器，其中，每个管排组件包括在所述一个方向上并排布置的p个水平放置的反应管，其中，n大于等于1，m大于等于2，且p大于等于2。本申请还提供了用于前述管排式光生物反应器中的反应管。
【专利说明】管排式光生物反应器
【技术领域】
[0001]本申请总体上涉及用于培养光合微生物或光合植物组织细胞的光生物反应器领域，具体涉及一种培养光合生物的卧式管排光生物反应器及其所用管排组件。
【背景技术】
[0002]微藻细胞富含糖、蛋白质、脂肪、维生素、色素、生物活性物质、和微量元素等多种高附加值的生物物质，正在成为人类食品、医药、染料、精细化工领域的重要材料来源，具有广阔的应用前景。
[0003]微藻规模化培养的核心是光生物反应器，目前主要有开放式培养系统和封闭式培养系统两种方式。
[0004]开放式培养系统开发较早、应用最普遍。但光能利用率低、受外界环境因素影响大、易被污染、水分蒸发大。代表性的开放式光生物反应器有跑道式培养池、圆形培养池等。
[0005]相较于开放式培养系统，封闭式培养系统不容易受污染、节约水资源、光能利用率高、温度易于控制、用水量较低、水蒸发量较小、细胞密度高，但投资成本高，用电较高(培养液流动/搅动，温度控制等)。封闭式光生物反应器系统通常由玻璃或塑料制成的透明管或容器构成，通过泵或者压缩空气来完成培养物的混合。
[0006]然而，作为封闭式光生物反应器系统的一个示例的管状光生物反应器在提高藻类生物生产力的同时具有其自身的缺点。比如，管状光生物反应器的各管之间通过法兰连接，管之间间距较大，使得培养相同量的微藻使用的光生物反应器体积较大，同时法兰数目众多，连接点数目多，发生渗漏的可能性高。
[0007]另外，存在一种蛇形管光生物反应器，其主要通过管件弯曲制成，由于刚性材料的管的弯曲具有最小弯曲半径，所以这种结构的光生物反应器也很浪费空间。
【发明内容】
[0008]本发明通过提供卧式管排光生物反应器而克服了前述缺点中的一个或多个。
[0009]为此目的，本申请提供了一种管排式光生物反应器，其包括η X m个管排组件，η个管排组件在一个方向上并排布置并且被并联连接构成一管排组件组，m个所述管排组件组在所述一个方向上并排布置并且被串联连接构成所述管排式光生物反应器，其中，每个管排组件包括在所述一个方向上并排布置的P个水平放置的反应管，其中，η大于等于l，m大于等于2，且P大于等于2。
[0010]根据一个可选实施例，各管排组件具有相同的反应管长度，同一个管排组件的各反应管在该管排组件长度方向的相邻的两端各共用一个连接接头。
[0011]根据一个可选实施例，每一个管排组件的每个反应管由单一管段构成，且每个管排组件通过内壁分布的加强筋将其分为至少2个空间，优选3个或4个空间，每个被分隔的空间形成反应管的结构。通过这样的结构不仅可以起到加强支撑的作用，同时还可以大大提高空间的利用率，减少法兰等连接部件的使用，提高反应器的微藻产量。
[0012]加强筋的布置可以是均布也可以是不均匀布置，加强筋的角度通常为垂直于管壁，也可为具有一定角度，该角度为0°?90°之间，优选30°、45°、60°，通过该角度的变化，可以实现对藻液流体的状态的改变，形成湍流，利于藻液充分接受光照，提高产量。
[0013]根据一个可选实施例，每一个管排组件的每一个反应管由多个管段串联连接而成，同一个管排组件的各反应管的相应管段在所述一个方向上对齐。
[0014]根据一个可选实施例，每一个管排组件的每一个反应管的相邻两个串联连接管段通过焊接、机械固定、粘接、熔合等连接方式固定，或者每一个管排组件的每一个反应管的相邻两个串联连接管段经由单独的连接接头相连接，对于同一管排组件的所有反应管来说，在所述一个方向上相对应的、每一个反应管的相邻两个串联连接管段共用一个连接接头。
[0015]根据一个可选实施例，不同管排组件中的反应管的串联连接的相邻管段之间的连接位置在所述一个方向上对齐或错开。
[0016]根据一个可选实施例，在流体流动方向上的最上游的管排组件组的上游设有向该管排组件组的各反应管输入流体的流体分配器，在彼此串联连接的相邻两个管排组件组之间设有的集液换向结构，用于使所述彼此串联连接的相邻两个管排组件组中的一个管排组件组的各反应管中的流体汇集并且将汇集的流体重新分配到所述彼此串联连接的相邻两个管排组件组中的另一个管排组件组的各反应管中，在最下游的管排组件组的下游设有用于排出流体的流体收集器。通过上述结构，可以实现对藻液的更大批量地输送，提高藻液的循环生产效率。
[0017]根据一个可选实施例，所述集液换向结构是侧面具有多个端口，水平断面呈圆形、椭圆、矩形或多边形的柱状结构。
[0018]根据一个可选实施例，所述管排式光生物反应器的反应管具有内长度大于等于150mm且内宽度大于等于30mm的矩形横截面形状，或者具有内径大于等于150mm的圆形横截面形状，或者具有长轴大于等于150mm且短轴大于等于30mm的椭圆形横截面形状，或具有相同尺寸的近似形状。
[0019]根据一个可选实施例，η大于等于2，m大于等于3，p大于等于3。
[0020]根据一个可选实施例，所述一个方向是竖直方向或水平方向。
[0021]根据一个可选实施例，所述管排式光生物反应器包括用于支撑所述管排式光生物反应器的机械支撑结构。
[0022]根据一个可选实施例，所述管排组件组为直线式的、非直线式的、弯曲式、折线型、Z字形或其它形式。
[0023]根据一个可选实施例，所述管排式光生物反应器用于微藻培养、节能减排、废水处理领域或用于建筑领域。
[0024]根据本申请的管排式光生物反应器，安装简单、结构紧凑，减少大量管间接头(法兰)、减少占地面积、提高光能利用效率、增加微藻生物质产量，同时能够最大限度的利用空间，提高微生物培养的生产力。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1示出了根据本申请的管排式光生物反应器的一个实施方案的示意图。
[0026]图2a示出了根据本申请的管排式光生物反应器的另一个实施方案的俯视图。
[0027]图2b示出了图2a中的管排式光生物反应器沿着图2a中的虚线截取的部分的正视图。
【具体实施方式】
[0028]下面参考附图描述本申请的优选实施例，除非特别指出，相同或功能相似的元件和装置具有相同的参考标记。
[0029]在本说明书中，术语“包括”或“具有”是开放性术语，是指不排外性地包括后面列举的部件、元件或特征，即，除了包括后面列举的部件、元件、特征之外，还可能包括其它的部件、兀件、特征。
[0030]在本说明书中，被包含的部件、元件或特征前面没有数量词修饰不能理解为只包括一个这种部件、元件或特征，而是没有限制这些部件、元件或特征的数量，即可能包含一个或多个这种部件、元件或特征。
[0031]另外，在参考附图具体描述根据本申请的管排式光生物反应器之前，先定义几个与方向有关的术语，“左”、“右”、“上”和“下”均是相对于面对着附图的观察者而言的。
[0032]在本申请中，管排式光生物反应器主要用于光合微生物和光合植物组织细胞培养领域，微生物例如可以是微藻等。本说明书中的“流体”是指用于光合微生物或光合植物组织细胞培养的培养液，例如可以是用于培养微藻的培养液。
[0033]下面参考图1详细描述根据本申请的管排式光生物反应器10的一种可行实施方案。
[0034]总体上，根据本申请的管排式光生物反应器包括在竖直方向上相互堆叠并排布置的m个管排组件组，每个管排组件组包括在竖直方向上相互堆叠并排布置的η个管排组件，每个管排组件包括在竖直方向上相互堆叠并排布置的P个水平反应管。
[0035]m个管排组件组之间串联连接，每个管排组件组中的η个管排组件之间并联连接，每个管排组件中的P个水平反应管之间并联连接。流体在串联连接的相邻两个所述组中成换向流动，流动方向为0-180度之间，例如成180度反向流动，这样的结构可以增加管路的长度、延长藻类在管路中的时间，使藻类充分吸收营养，同时还可以增加微藻的产量。
[0036]在根据图1所示实施例的管排式光生物反应器10中，具有3个管排组件组S1、S2和S3,每个管排组件组具有2个管排组件20,每个管排组件20包括3个水平反应管。六个管排组件20从下向上依次为标注为20a-20f (第一管排组件组SI包括管排组件20a和20b,第二管排组件组S2包括管排组件20c和20d，第三管排组件组S3包括管排组件20e和20f)，每个管排组件20(a-f)中的3个反应管从下向上依次标记为22(a-f)、24(a_f)和26 (a-f)。管排式光生物反应器10具有左侧端1a和相反的右侧端10b。
[0037]流体从位于最下方的管排组件组SI进入，从最上方的管排组件组S3流出管排反应器。因而，在管排组件组Si的上游设有用于将供液源的流体分配到管排组件组SI中各管排组件的各反应管中的液流分配器40。在管排组件组S3的下游设有用于收集并且排出流体的液流收集器44。相邻两个管排组件组之间通过集液换向器串联连接，集液换向器不但实现两个管排组件组之间的机械连接还实现两者之间的流体连通。
[0038]各管排组件20a_20f的各反应管22 (a-f)、24 (a-f)和26 (a-f)分别在左侧端1a和右侧端1b具有进液口和出液口。
[0039]具体地，最下面管排组件组SI的两个管排组件20a和20b的反应管(22a，22b)、(24a, 24b)和(26a，26b)分别具有位于右侧端1b的与液流分配器40连通的进液口(未示出)、和位于左侧端的与第一集液换向器42连通的出液口(未不出)。相应地，液流分配器40具有流体容纳腔和与反应管(22a，22b)、(24a，24b)和(26a，26b)的(六个)进液口流体连通的分配端口(未示出)。第一集液换向器42具有流体容纳腔和与反应管(22a，22b)、(24a, 24b)和(26a，26b)的(六个)出液口流体连通的集液端口(未示出)。
[0040]中间管排组件组S2的两个管排组件20c和20d的反应管(22c，22d)、(24c, 24d)和(26c，26d)分别具有位于左侧端1a的与第一集液换向器42连通的进液口(未示出)、和位于右侧端1b的与第二集液换向器43连通的出液口(未不出)。相应地，第一集液换向器42还具有与反应管(22c，22d)、(24c，24d)和(26c，26d)的(六个)进液口流体连通的分配端口(未示出)。第二集液换向器43具有流体容纳腔和与反应管(22c，22d)、(24c,24d)和(26c，26d)的(六个)出液口流体连通的集液端口(未示出)。
[0041]最上面管排组件组S3的两个管排组件20e和20f的反应管(22e，22f)、(24e，24f)和(26e，26f)分别具有位于右侧端1b的与第二集液换向器43流体连通的进液口(未示出)、和位于左侧端1a的与液流收集器44流体连通的出液口(未示出)。相应地，第二集液换向器43还具有与反应管(22e，22f)、(24e,24f)和(26e，26f)的(六个)进液口流体连通的分配端口(未示出)。液流收集器44具有与反应管(22e，22f)、(24e，24f)和(26e，26f)的(六个)出液口流体连通的集液端口(未示出)以及排出液流的排出端口(未示出)。
[0042]如上述，液流分配器40、第一集液换向器42、第二集液换向器43或液流收集器44的集液端口或分配端口的数目可与相连通的管排组件的数量和各管排组件中反应管的数量相对应，并且在相连通的管排组件的数量改变或管排组件的反应管的数量改变时集液端口或分配端口的数量可也相应改变。可替代地，液流分配器40、第一集液换向器42、第二集液换向器43或液流收集器44分别具有任选数量的集液端口或分配端口。
[0043]液流分配器40、第一集液换向器42、第二集液换向器43或液流收集器44可以是具有不同数量、形状或尺寸端口的类似结构。
[0044]优选地，液流分配器40、第一集液换向器42、第二集液换向器43和液流收集器44中的一个或多个可由光可透过的材料制成。另外优选地，排气装置可设置于所述液流分配器40、第一集液换向器42、第二集液换向器43和液流收集器44中的一个或多个上。
[0045]根据本申请，m个管排组件组中的相邻两个管排组件组通过集液换向器(42或43)串联连接，集液换向器首先将上游管排组件组中的各反应管的流体收集到集液换向器的流体容置腔内，然后将流体分配到下游管排组件组中的各反应管中。此过程实现了对上游管排组件组中的各反应管的流体的混合，使得各反应管中参数可能不同的流体得到均衡，使分配到下游管排组件组中的各反应管中的流体更加均匀。
[0046]串联连接的管排组件组在竖直方向上并置，集液换向器位于管排组件组的两端，相邻的管排组件组之间的间距仅仅取决于集液换向器的结构，例如在集液换向器是包括多个端口的筒体的情况下，仅仅取决于上游管排组件组中各反应管通向集液换向器的出液口和下游管排组件组中各反应管与集液换向器连通的进液口之间的间距限制，而不必受由管材料所限定的最小弯曲半径的限制，这最小化了相邻的管排组件组之间的间距、最小化了同一个管排组件组内各管排组件之间的间距、最小化了同一个管排组件内各反应管之间的间距，因而减小了管排式光生物反应器的体积(具体地，在本立式生物反应器中，减小了高度)，提高了空间利用率。与现有技术中的管式光生物反应器相比而言，在反应器体积相同的情况下，根据本申请的管式光生物反应器所需占地面积更小；对于占地面积相同的生物反应器来说，微生物培养生产力更高。
[0047]另外，每个反应管可以是单一管段或者由依次串联连接的多个管段构成。具体地，在图1所示实施例中，每个反应管22 (a-f)、24 (a-f)和26 (a_f)都由左侧管段和右侧管段两个管段构成。
[0048]图1中还示意性示出了连接左侧管段和右侧管段的连接部。根据本申请，相邻两个管段可以通过焊接、熔合等连接方式直接连接，也可以经由单独的连接装置，例如图1所示的连接接头28，间接连接。在使用间接连接的实施例中，有利地，各管排组件20(a-f)中的三个反应管22 (a-f)、24 (a-f)和26 (a_f)的左侧管段和右侧管段经由一个连接接头28进行连接。
[0049]对于包括相并联连接的多个反应管的每一个管排组件20来说，其每一个反应管的相邻两个串联连接的管段与在竖直方向上对齐的本管排组件中其它各反应管的相邻两个串联连接的管段经由单一连接接头进行连接，与各反应管都具有自己的连接接头相比，一方面，大大减少了连接接头的数目，这相应地减少了连接接头出现故障从而导致流体泄漏的可能性，降低了反应管内流体污染的可能性，延长了微生物培养时间，提高所培养的微生物的品质；另一方面，单件式连接接头结构紧凑、刚性好，因此通过单一一个单件式连接接头将一个管排组件的所有反应管对接，使得该管排组件刚性好、稳定性提高、结构紧凑以及因此显著增大了空间利用率。对于相同大小的空间来讲，大大提高了微藻培养生产力。
[0050]如果构成单一反应管的管段较多，为了减小挠度，可选地，在中间部位连接接头28处设置有用于支撑管排组件20的中间支撑装置。
[0051]如图1所示，构成各反应管的管段的连接部，即连接接头28的位置，在竖直方向上对齐。可选地，各反应管的对应管段的对应连接部在竖直方向上错开，例如，上下相邻的反应管的对应管段之间的对应连接部在左右方向上错开，这样，此相邻两个反应管的最大挠度位置在竖直方向上错开，位于下面的反应管能够为上面的反应管提供一定程度的支撑作用，起到减小反应管变形的效果。
[0052]在图1所示的实施方案中，各管排组件组直线式延伸在第一集液换向器和第二集液换向器之间，即各反应管是笔直的。然而，各管排组件组可以非直线式地延伸在第一和第二集液换向器之间。例如，在根据图2a、2b所示的另一种可行实施方案中，管排式光生物反应器10的各管排组件组S1、S2、S3、S4呈大致Z字形延伸在第一集液换向器42和第二集液换向器43之间。换言之，每个反应管由相应的管段组成大致Z字形。图2中的箭头指示了反应器中流体的流动方向。可以设想，每个管排组件组可以以其它形式延伸在第一和第二集液换向器之间。
[0053]由上述，整个管排式光生物反应器10的体积被最小化，不但节省了空间，而且提高了整个管排式光生物反应器10的稳定性。根据本申请的反应管为矩形管，但不局限于矩形管。
[0054]实验表明，与传统的管式光生物反应器相比，在使用相同材料的反应管且培养体积相同的情况下，根据本申请的光生物反应器接头数量能够减少至少90%，占地面积减少50-60%，材料(总重量)节省(减轻)30-40%。
[0055]具有优势地，串联连接的管排组件组通过诸如前面描述的第一和第二集液换向器等集液换向结构实现，集液换向结构的作用原理是先将上游管排组件组中各管排组件的流体汇聚，然后统一分配到下游管排组件组中的各管排组件的各管。作为集液换向结构的一种可行结构，所述第一和第二集液换向器分别是侧面具有多个端口、水平断面呈圆形、椭圆、矩形或多边形的柱状结构。
[0056]在本作用原理下，各管排组件组中的管排组件数目、各管排组件中反应管的数量、甚至尺寸都可以不相同。也就是说，在总体布置方式不变的情况下，管排组件组的数量、各管排组件组中管排组件的数量、各管排组件中反应管的数量、形状和尺寸都可以根据需要而改变。
[0057]这大大增加了按照可用空间具体设计管排组件组数目、管排组件数目、管排组件中反应管数目的灵活性，更能充分利用空间。而且，相邻的管排组件组中管排组件数目或者反应管数目、尺寸不同还能实现液流流动参数的改变，例如，液流速度自动改变等，在不改变反应管结构的基础上，又能实现扰动液流从而提高微生物培养生产力的作用。
[0058]根据本申请，构成各管排组件的反应管可由任何适宜的透光材料制成，包括但不限制于玻璃、PVC、PC等。
[0059]参照图1，根据本申请的管排式光生物反应器10的操作方法包括:
[0060]目标流体被从供液系统供应至管排式光生物反应器10的位于右侧端1b的液流分配器40、经由最下面管排组件组SI的两个管排组件20a和20b的反应管(22a，22b)、(24a，24b)和(26a，26b)的进液口而分配至各反应管(22a，22b)、(24a，24b)和(26a，26b)；同时来自供气系统的二氧化碳气体也被供应至各反应管(22a，22b)、(24a，24b)和(26a，26b)，从而与被供给的流体一起循环；
[0061]进入最下面管排组件组SI的两个管排组件20a和20b的各反应管(22a，22b)、(24a, 24b)和(26a，26b)的混合有二氧化碳的流体自右向左流动、从各反应管(22a，22b)、(24a, 24b)和(26a，26b)的位于左侧端1a的出液口流出、进入第一集液换向器42、之后经由管排组件组S2的两个管排组件20c和20d的各反应管(22c，22d)、(24c，24d)和(26c，26d)的位于左侧端1a的进液口进入各反应管(22c，22d)、(24c，24d)和(26c，26d)，此时流体中二氧化碳浓度有所降低、开始产生氧气并且氧气浓度逐渐升高；
[0062]进入各反应管(22c，22d)、(24c, 24d)和(26c，26d)的混合有二氧化碳和氧气的流体自左向右流动、从它们位于右侧端1b的出液口流出、进入位于右侧端1b的第二集液换向器43、之后经由最上面管排组件组S3的两个管排组件20e和20f的各反应管(22e，22f)、(24e，24f)和(26e，26f)的位于右侧端1b的进液口进入各反应管(22e，22f)、(24e,24f)和(26e,26f),此时流体中二氧化碳浓度进一步降低而氧气浓度进一步升高；
[0063]进入各反应管(22e，22f)、(24e，24f)和(26e，26f)的混合有二氧化碳和氧气的流体自右向左流动、从它们位于左侧端1a的出液口流出、进入位于左侧端1a的液流收集器44，最后被排出管排式光生物反应器。
[0064]在可选实施例中，对于本申请的立式管排式光生物反应器10来讲，可还包括位于管排组件20左右两侧的用于支撑所述多个管排组件20的支撑结构。
[0065]可选地，根据本申请的管排式光生物反应器10也可以在水平面内布置，在这种情况下可设置或不设置支撑结构。
[0066]上面仅以示例方式描述本发明的原理，但不意于限制本发明的保护范围。相反，这里描述的结构可以体现为许多其它形式。在不偏离由下面的权利要求限定的实质和范围的情况下，本领域内的技术人员可以对上述实施例进行各种替代和修改。
【权利要求】
1.一种管排式光生物反应器，其包括nXm个管排组件，η个管排组件在一个方向上并排布置并且被并联连接构成一管排组件组，m个所述管排组件组在所述一个方向上并排布置并且被串联连接构成所述管排式光生物反应器，其中，每个管排组件包括在所述一个方向上并排布置的P个水平放置的反应管，其中，η大于等于1，m大于等于2，且P大于等于2。
2.根据权利要求1所述的管排式光生物反应器，其中，各管排组件具有相同的反应管长度，同一个管排组件的各反应管在该管排组件长度方向的相邻两端各共用一个连接接头。
3.根据权利要求2所述的管排式光生物反应器，其中，每一个管排组件包含至少一个反应管的结构，每个反应管由单一管段构成，且每个管排组件通过内壁分布的加强筋将其分为多个空间，形成反应管结构。
4.根据权利要求2所述的管排式光生物反应器，其中，每一个管排组件的每一个反应管由至少2个管段串联连接而成，同一个管排组件的各反应管的相应管段在所述一个方向上对齐。
5.根据权利要求4所述的管排式光生物反应器，其中，每一个管排组件的每一个反应管的相邻两个串联连接管段通过焊接、机械固定、粘接、熔合连接，或者每一个管排组件的每一个反应管的相邻两个串联连接管段经由单独的连接接头相连接，对于同一管排组件的所有反应管来说，在所述一个方向上相对应的、每一个反应管的相邻两个串联连接管段共用一个连接接头。
6.根据权利要求5所述的管排式光生物反应器，其中，不同管排组件中的反应管的串联连接的相邻管段之间的连接位置在所述一个方向上对齐或错开。
7.根据权利要求1-6中任一所述的管排式光生物反应器，其中，在流体流动方向上的最上游的管排组件组的上游设有向该管排组件组的各反应管输入流体的流体分配器，在彼此串联连接的相邻两个管排组件组之间设有的集液换向结构，用于使所述彼此串联连接的相邻两个管排组件组中的一个管排组件组的各反应管中的流体汇集并且将汇集的流体重新分配到所述彼此串联连接的相邻两个管排组件组中的另一个管排组件组的各反应管中，在最下游的管排组件组的下游设有用于排出流体的流体收集器。
8.根据权利要求7所述的管排式光生物反应器，其中，所述集液换向结构是侧面具有多个端口，水平断面呈圆形、椭圆、矩形、花瓣形或多边形的柱状结构。
9.根据权利要求8所述的管排式光生物反应器，其中，所述管排式光生物反应器的反应管内壁具有长度大于等于150mm且宽度大于等于30mm的矩形横截面形状，或者具有内径大于等于150mm的圆形横截面形状，或者具有长轴大于等于150mm且短轴大于等于30mm的椭圆形或近似椭圆形横截面形状。
10.根据权利要求1-9任一所述的管排式光生物反应器，其中，η大于等于2，m大于等于3，P大于等于3。
11.根据权利要求ι-?ο中任一所述的管排式光生物反应器，其中，所述一个方向是竖直方向或水平方向。
12.根据权利要求11所述的管排式光生物反应器，其中，所述管排式光生物反应器包括用于支撑所述管排式光生物反应器的机械支撑结构。
13.根据权利要求1-12中任一所述的管排式光生物反应器，其中，所述管排组件组是直线式的或非直线式的。
14.根据权利要求1-13中任一所述的管排式光生物反应器，其中，所述管排式光生物反应器用于微藻培养、节能减排、废水处理领域或用于建筑领域。
【文档编号】C12M1/00GK104263635SQ201410531774
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】胡强, 杜长雷, 张嗣忆 申请人:国家开发投资公司, 中国电子工程设计院