技术领域本申请涉及一种薄层卧式光生物反应器及包括此反应器的光生物培养系统。
背景技术：
微藻细胞富含糖、蛋白质、脂肪、维生素、色素、以及多种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。微藻规模化培养的核心是光生物反应器，当前可大致分为两种类型：开放式光生物反应器，比如跑道光生物反应器，以及封闭式光生物反应器，比如平板和管式光生物反应器。开放式的跑道光生物反应器相对于封闭式光生物反应器建造成本低，但占地面积大、易污染，通常产量也较低，CO2利用率不高。光合作用一般在25℃为宜，而上午培养液温度通常比较低，因此藻类无法高效利用充足的光能，并且，藻类培养产生大量的氧气也需要释放。相较于开放式培养，封闭式培养系统水温能够在较短时间内升到25℃，光能利用效率高，促进微藻的光合作用，并能够获得较高的微藻细胞密度和较高的微藻生长速率，然而封闭式光生物反应器存在溶解氧积累的问题。当微藻细胞进行光合作用所释放的氧气溶于培养基的浓度高于一定水平时，如达到或高于饱和度的300％时，高溶氧会抑制微藻的光合作用，从而降低产量。
技术实现要素：
本发明提供了一种能够高效利用阳光，并且具有除氧、降温、防止沉淀功能的光生物培养系统。为此，根据本申请的一个方面，提供了一种薄层卧式光生物反应器，所述薄层卧式光生物反应器包括：光生物培养区，其具有液体入口端和液体出口端；至少部分地限定出所述光生物培养区的底壁和连接所述底壁的相对的第一侧壁和第二侧壁；以及位于所述光生物培养区内的扰动装置，其中，所述液体入口端高于所述液体出口端，并且其中，所述扰动装置被设置于所述底壁、所述第一侧壁和第二侧壁中的至少一个上并且能够扰动沿从所述液体入口端朝向所述液体出口端的液体流动方向流动的液流。根据一个可行实施方式，所述扰动装置被配置为沿所述液体流动方向布置的至少一个挡板。根据一个可行实施方式，每个挡板可以是一体件或者由成一直线排列的多个挡板段构成。根据一个可行实施方式，所述至少一个挡板包括在其长度方向上延伸占据所述第一和第二侧壁之间的整个宽度的第一挡板。根据一个可行实施方式，所述至少一个挡板包括在其长度方向上占据延伸所述第一和第二侧壁之间的宽度的一部分的第二挡板。根据一个可行实施方式，所述第二挡板包括延伸到所述第一侧壁或第二侧壁的挡板，和/或不延伸到所述第一和第二侧壁中的任一处的挡板。延伸或靠近到第一侧壁的第一挡板与延伸到或靠近到第二侧壁的第二挡板在所述液体流动方向上呈交错设置。根据一个可行实施方式，所述第二挡板包括相互之间成“人”字形布置的挡板对，所述挡板对中的两个挡板分别具有靠近或连接至第一侧壁和第二侧壁的第一端，所述挡板对中的两个挡板从各自的第一端开始在所述宽度的方向上朝向所述液体入口端或所述液体出口端延伸。根据一个可行实施方式，所述第一挡板和/或第二挡板中的一些或每一个挡板垂直于底壁设置。根据一个可行实施方式，所述第一挡板和/或第二挡板中的一些或每一个挡板与底壁不垂直。根据一个可行实施方式，与底壁不垂直的挡板与底壁之间的角度为10°～90°，优选30°，45°或60°。根据一个可行实施方式，所述第一挡板和/或第二挡板中的一些或每一个挡板的长度方向垂直于所述液体流动方向。根据一个可行实施方式，所述第一挡板和/或第二挡板中的一些或每一个挡板的长度方向与所述液体流动方向不垂直。根据一个可行实施方式，与所述液体流动方向不垂直的挡板与所述液体流动方向呈10°～90°，优选10°，15°，20°或30°。所述挡板沿垂直于长度方向的横截面呈三角形、长条形、梯形、圆柱体、圆形的一部分、抛物线的一部分或椭圆形的一部分。根据一个可行实施方式，所述第一挡板和/或第二挡板包括穿过该挡板延伸的孔。根据一个可行实施方式，所述挡板包括从限定所述孔的侧壁开始朝向液体入口端一侧或液体出口端一侧以与所述挡板垂直或不垂直的方式伸出的分支板。根据一个可行实施方式，所述孔的形状为矩形、圆形或三角形。相邻挡板的孔沿所述液体流动方向而形成错位设置。根据一个可行实施方式，所述扰动装置被配置为设置于所述底壁上的至少一个凸出部。根据一个可行实施方式，所述至少一个凸出部被排列成规则图案或随机的不规则图案。根据一个可行实施方式，所述凸出部中的每一个凸出部具有相同或不同的尺寸或形状。根据一个可行实施方式，所述第一侧壁和/或第二侧壁设置有突伸到所述光生物培养根据一个可行实施方式，所述扰动装置被与所述底壁、所述第一侧壁和第二侧壁中的至少一个一体地形成，或者被永久地或可拆除地附接到所述底壁和所述周围壁中的至少一个上。根据一个可行实施方式，所述底壁被配置为相对于水平方向倾斜设置的一体平板件，或通过多个水平设置的平板件和/或多个倾斜设置的平板件阶梯式连接到一起而形成。根据一个可行实施方式，所述薄层卧式光生物反应器还包括局部或整体遮盖所述薄层卧式光生物反应器的遮盖件。本申请还提供了一种包括上述薄层卧式光生物反应器的光生物培养系统。根据一个可行实施方式，所述光生物培养系统还包括设置于所述薄层卧式光生物反应器上游的封闭式光生物反应器。根据本申请的带有扰动装置的薄层卧式光生物反应器，结构简单、维护方便，由于扰动装置的设置，使液体处于不稳定流动状态，例如湍流，起到搅拌液体的作用，避免藻类沉淀，提高光能利用效率；使液体在流动过程中充分和空气接触，以吸收CO2，且同时可充分降低液体中的溶氧浓度，增强曝气除氧的作用；此外，由于使液体能够充分和空气接触，还可以起到降温作用，特别是与封闭式光生物反应器组合使用时，可使封闭式光生物反应器中的藻液在经过一定时间的光照培养液后，通过本发明的薄层卧式光生物反应器的处理，可使藻液温度恢复至适于微藻生长的温度；扰动装置的阻挡还可以降低液体的流动速度，增加液体接收光的时间，提高光合作用效率；增大液体的受光面积与总体积之比，改善光生物的光合作用。附图说明图1是根据本申请的第一实施例的薄层卧式光生物反应器的立体图；图2是根据本申请的第二实施例的薄层卧式光生物反应器的立体图；图3是根据本申请的第三实施例的薄层卧式光生物反应器的俯视图；图4是根据本申请的第四实施例的薄层卧式光生物反应器的俯视图；图5是根据本申请的第五实施例的薄层卧式光生物反应器的俯视图；图6是根据本申请的第六实施例的薄层卧式光生物反应器的俯视图；图7是根据本申请的第七实施例的薄层卧式光生物反应器的立体图；图8是根据本申请的第八实施例的薄层卧式光生物反应器的立体图；图9是根据本申请的第九实施例的薄层卧式光生物反应器的立体图；图10是包括图1的薄层卧式光生物反应器的光生物反应系统的示意图；并且图11是可替代的光生物反应系统的示意图，其中根据本申请的薄层卧式光生物反应器与封闭式光生物反应器一起使用。具体实施方式根据本发明的薄层卧式光生物反应器适用于光生物培养领域，包括但不仅限于藻类、菌类的培养，还适用于任何其它适当种类的光生物培养。图1-9示出了根据本申请的九个实施例的薄层卧式光生物反应器，其中，为清楚起见，相同的零部件用相同的参考标记表示。根据本申请的薄层卧式光生物反应器属于开放式光生物反应器，具有与传统的跑道式光生物反应器相同的诸如设备制造简单、维护方便等优势。另外，根据本申请的薄层卧式光生物反应器区别于传统的跑道式光生物反应器一方面在于，根据本申请的光生物反应器的液体入口和液体出口之间存在高度差，使得培养光生物的液体可以利用液体的重力作用、在不存在外部动力的情况下或者外部动力很小的情况下在光生物反应器内流动起来，存在于液体中的光生物能够更加均匀地吸收光和营养，在提高光生物培养产量的同时大大节省了外部动力消耗；另一方面在于，根据本申请的光生物反应器包括扰动装置，起到搅拌液体的作用，避免藻类沉淀，使液体处于不稳定流动状态，例如湍流，提高光能利用效率；使液体在流动过程中充分和空气接触，增强曝气作用，充分降低液体中的溶氧浓度；液体能够充分和空气接触，起到降温作用；扰动装置的阻挡还可以降低液体的流动速度，增加液体接收光的时间；增大液体的受光面积与总体积之比，提高光合作用和生长速率。下面参考附图详细描述根据本申请的优选实施例。根据图中示出的本申请的优选实施例，光生物反应器100属于开放式光生物反应器。光生物反应器100可以被提供为具有任何预期形状的容器，例如但不限制于图示的矩形反应器。光生物反应器100包括光生物培养区10和限定出光生物培养区10的周围壁和底壁12，其中，光生物培养区10用于盛放包含光生物的培养液。光生物反应器100还包括用于供应培养液到光生物培养区10内的液体入口和使培养液排出光生物培养区10的液体出口。在图示的实施例中，液体入口和液体出口位于反应器的相反两端，入口端100a和出口端100b，但本领域内的技术人员可以理解这不是必须的。在如图所示光生物反应器100被配置为矩形反应器的情况下，限定出光生物反应区10的周围壁包括位于入口端100a处的入口端壁14和相反的两个侧壁16。在图示实施例中，培养液被从入口端100a处的入口端壁14上方供应至光生物反应区10，并且光生物反应器100包括位于出口端100b处的敞开的液体出口。然而，本领域内的技术人员应了解，如同敞开的液体出口一样，光生物反应器100可被配置有敞开的入口端100a，即可不包括入口端壁14，或者液体入口被形成为入口端壁14上的开口。作为替代实施方式，光生物反应器100可包括位于出口端100b处的具有液体出口的出口端壁(图9)，其中，液体出口为穿过所述出口端壁的开口。根据图示的优选实施方式，光生物反应器100的入口端100a高于出口端100b，并且底壁12为倾斜平板的形式，如图1-8所示，或者底壁12为阶梯式平板的形式，如图9所示。除此之外，设想底壁12也可以采用任何其它形式，比如波浪式底壁。这种在液体出口端和液体入口端之间存在高度差的结构使得液体能够依靠自身的重力从入口端100a向出口端100b流动，从而节省外部动力消耗或者不再需要外部动力。另外，可选地，多个倾斜平板式底壁12可与多个阶梯式的底壁组合连接形成预期长度的光生物反应器，组合后的光生物反应器可以成大致直线型、大致弧形、大致迂回形、大致折线形等。底壁之间的连接可以任意方式实现，比如密封连接或焊接等。相邻的底壁之间可以设置光生物收集结构。根据本申请的光生物反应器100在其光生物反应区10内设置有扰动装置，其被配置用于使包含着光生物的液体在流动的过程中变得不稳定或者产生扰动例如湍流，起到搅动培养液以及搅动培养液中的目标光生物的作用，使光生物能够更加充分地吸收光和营养，提供光生物的培养效率。扰动作用还避免或减少了所培养的光生物在反应器内的沉积，从而提高光生物收集效率。具体地，在根据本申请的实施例中，扰动装置体现为挡板20的形式，如图1-7和图9所示，或者体现为凸起部60的形式，如图8所示。在扰动装置体现为挡板20的形式的实施例中，为实现扰动液体的功能，挡板20横向于液体流动方向F布置。具体地，在图1-3，图5、图7和图9的实施例中，挡板20垂直于液体流动方向F布置，并且因而在侧壁16大致平行于液体流动方向F且垂直于端壁14的矩形反应器10中挡板20也垂直于侧壁16；在图4和图6的实施例中，挡板与液体流动方向F不是垂直布置，而是相对于彼此具有不同于90度的其它角度。挡板20的数量可根据反应器在液体流动方向F上的长度、液体的流速以及其它因素适当设置，并且可根据实际应用适当地改变。从液体流动方向F方向上看，挡板20可以具有简单的矩形形状，或者任意其它适当的形状。各挡板20可沿液体流动方向F对齐排列，如图1和2所示，或者可横向于液体流动方向F交错排列，如图3-5、7和9所示。交错排列可增强液体流动的不稳定性，增强扰动效果。各挡板20可设置为平板形式，如图3-4和7所示，或者挡板20中的一些或所有挡板20可进一步设置有允许液体通过的孔隙22，如图1-2，5-6和9所示。孔隙22的设置使得液体除跨越挡板20流动之外，还可以流过这些彼此分开的孔隙，在增强液体不稳定性的同时，还可以减小液体以及因此包含在液体中培养的光生物在挡板20根部的堆积。根据培养基的体积，孔隙22可以具有任何适宜的数量、形状、尺寸和排列方式。根据另外一种可行的实施方式，对于挡板20中的一些或所有挡板20来说，可在孔隙22中的一个、多个直至所有孔隙22周围，比如考虑侧壁16的两侧，设置分支板24，如图1所示。分支板24的设置可进一步改变流过该挡板20，具体地流过该挡板20的孔隙22，之后的液体的流动轨迹，增强液体流动的不稳定性。分支板24可具有相对于挡板20的任何适当角度。各挡板20可垂直于底壁12设置，如图1，2和9所示，或者可替代地，各挡板20可倾斜于底壁12设置，例如如图3-8所示竖直布置。另外可选地，每个挡板20与底壁12的夹角可不相同。所有的挡板20可以相同的取向布置，如图1-3，5和9所示，所有挡板20彼此平行并且相对于底壁12呈相同的角度。可替代地，每个挡板20可以不同的取向布置，例如在图4和6的实施例中，相邻的挡板20分别靠近不同的侧壁16设置，并且相邻的挡板20从各自靠近入口端100a的一端开始在朝向各自一侧的侧壁16的方向上以相对于液体流动方向F的相同的角度延伸；再例如在图7的实施例中，各挡板20倾斜于底壁12布置，并且相邻的挡板20从靠近或连接底壁12的端部开始背离彼此延伸并且关于垂直于底壁12的平面是对称的。挡板20可与底壁12或侧壁16之一或两者一体地形成，或者以被单独形成并且以任何适当的方式连接于其上。挡板20可被永久地或者可拆卸地附接到光生物反应器100的周围壁或底壁12上。挡板20可以固定不动的方式或者以可动的方式设置于光生物反应区10内。在如图8所示扰动装置被配置为凸起部60的实施例中，突出部60可以具有任何预期的数量、尺寸、形状和排列图案。例如图示的突出部60为近似圆顶形的凸起，并且图示的突出部60被排列成矩阵形式，包括多个沿着垂直于液体流动方向F的方向的行和两个沿着液体流动方向F的列。当然，行和列的延伸方向和数量都不限于图示的那些。为了进一步增强液体流动的不稳定性，各凸起部60可以具有不规则的排列图案或依照一定规则重复的排列图案，各凸起部60中的一些或所有可具有彼此不同的形状、尺寸。与挡板20相同，凸起部60可与底壁12一体地形成，或者单独形成并且被以任何适当的方式附接到底壁12。可选地，侧壁16也可以包括突起特征。作为可选实施方式，根据本申请的光生物反应器100还可以包括下述特征中的一个或多个：挡板20和凸起60的形状可大致呈矩形、弧形、三角形、梯形或任意其它形状；挡板20和凸起60的延伸范围可以覆盖侧壁16之间的整个宽度或其一部分；挡板20可以与液体的流动方向垂直或呈0～90°布置，优选10°，15°，20°或30°；相邻的挡板20之间可以呈大致“人”字型交替布置(图4和6)，也可以横向于液体流动方向F错开布置(图3，5和9)；挡板20和凸起60可被有规律地布置或随机布置；挡板20和凸起60的高度为2-60mm，根据液体流速和预期曝气效果的不同可以选择20mm，40mm，或60mm；挡板20的间距5-200mm，根据流速和预期曝气效果的不同可以选择5mm，50mm，100mm；底壁12与水平方向之间的倾角优选10°，15°或20°；挡板20上的孔隙22的面积至少为1mm2；孔隙22的形状可以为圆形、矩形、三角形、花瓣形或其他形状；分支板24的形状可以为圆形、矩形、三角形、梯形、花瓣形或其他形状；分支板24与挡板20之间的角度为90°或小于90°，通常选择为45°或60°；挡板20与底壁12之间的角度可以为90°或小于90°，通常选择为30°，45°或60°；液体的深度最佳为2-3cm；可在光生物反应器100上方提供可打开/可关闭的遮盖件，遮盖件由透明材料制成，包括但不仅限于玻璃、PVC、PC、COP、COC、PMMA、PC、PS、KResin、PET或ABS；限定出光生物培养区10的光生物反应器100的内表面是光滑的，以避免破坏包含在流动的液体中的光合微生物；构成阶梯式底壁12的阶梯部具有不大于5cm的高度差，以避免光生物细胞由于受到过度冲击而破坏；制成光生物反应器100的周围壁、底壁12、挡板20的材料包括但不限制于不锈钢、聚氯乙烯、聚碳酸酯、亚格力、玻璃。上面详细描述了薄层卧式光生物反应器的多个优选实施例，但本领域内的技术人员应理解，关于每个实施例描述的特征和优势可以进行任意重新组合而形成新的实施例，这些新的实施例都落在本申请的保护范围内。图10示出了包括根据本申请的薄层卧式光生物反应器100的光生物反应系统。作为开放式光生物反应器使用的带有扰动装置的薄层卧式光生物反应器，所培养的光生物能够随液体一起经历充分的扰动，进而能够更加均匀地、充分地接收光进而进行光合作用，更加均匀地吸收营养，提高光生物培养产量，另外，能够充分地释放光生物培养所产生的氧气，曝气更加充分。液体被通过泵71从储蓄池72提升至配液器73，之后液体被分配到根据本申请的光生物反应器100。在光生物反应器100内，液体中的光合微生物得到充分的光照，进行生长。经过光生物收集过程之后，液体被重新排回储蓄池72。其中储蓄池72做成可维持液体循环的最小容积，使光合微生物得到更加充分的光照，促进其快速生长。图11示出了一种可替代的光生物反应系统200，其中根据本申请的薄层卧式光生物反应器与封闭式光生物反应器一起使用，封闭式光生物反应器位于薄层卧式光生物反应器的上游，即从封闭式光生物反应器流出的液体流入薄层卧式光生物反应器，由于扰动装置的存在，在封闭式光生物反应器中产生的高浓度氧气能够得到充分释放，温度被充分降低。另外，如上述还能进一步提高光生物的培养效率以及收集效率。图11中的封闭式光生物反应器被示例性表示为管排光生物反应器30，但也可以是其它类型的封闭式光生物反应器。培养液被通过泵71从储蓄池72提升至管排光生物反应器30。在管排光生物反应器30内，液体中的光生物吸收培养液中的营养，吸收二氧化碳，排出氧气。经过管排光生物反应器30之后，携带着所培养的光生物以及高浓度氧的流体被排出管排光生物反应器30进入集液池74，在集液池内液体中的部分氧气被释放到大气中。其中集液池74做成可维持液体循环的最小容积，使光合微生物得到更加充分的光照，促进其快速生长。随着流体流出集液池74而进入根据本申请的光生物反应器100，再返回到储蓄池72。在光生物反应器100内，一方面，光生物得到充分光照进一步生长，从而进一步提高光生物的培养量；另一方面，没有完全释放的氧气被进一步充分地释放，流体的温度更迅速地降低；第三方面，由于设置了扰动装置，液体的流动更加不稳定，使得所培养的光生物难以发生沉积，能够高效的收集。这样，除提高了作为开放式光生物反应器的优势之外，还解决了从封闭式光生物反应器流出的流体中溶氧浓度过大而在集液池内不能释放完全、流体温度过高、以及液体排放过程中出现微藻沉积而不利于收集等技术问题。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。