一种规模化培养微藻的光生物反应器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种规模化培养微藻的光生物反应器，该反应器包括允许含有微藻的液体流动的流道（1）和扰流件（2），其特征在于，所述扰流件（2）具有基面、第一扰流面（21）和第二扰流面（22），所述基面贴合于所述流道（1）的内表面设置，所述第一扰流面（21）和所述第二扰流面（22）相对于所述基面倾斜设置，所述第一扰流面（21）和所述第二扰流面（22）与所述流道（1）的延伸方向（X）交叉。本实用新型提供的规模化培养微藻的光生物反应器，培养微藻时，能够增加微藻沿垂直方向的运动，使微藻在光区与暗区之间穿梭，从而提高微藻的光能利用率和光合效率，提高微藻的产量。
【专利说明】一种规模化培养微藻的光生物反应器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及光生物反应器，具体地，涉及一种规模化培养微藻的光生物反应器。
【背景技术】
[0002]近年来，微藻被认为是生物能源的重要原料之一，是解决未来能源危机的长期策略，成为研究的热点。目前，微藻的规模化培养是制约微藻生物能源产业链发展的瓶颈，如何实现微藻规模化、高产量的培养是亟待解决的问题之一。微藻光生物反应器是微藻培养的平台，影响微藻的生长状态和产量，在微藻生物能源产业化过程中起着承前启后的关键作用，研发适合微藻规模化培养的光生物反应器是推动微藻生物能源发展的首要任务。
[0003]微藻光生物反应器可以分为开放式光生物反应器和封闭式光生物反应器。
[0004]开放式光生物反应器，以跑道池为代表，优点为建设成本低、能耗低、易维护；缺点主要为微藻浓度比较低、受外界环境因素影响大、占地面积大、水分蒸发量大。跑道池光生物反应器，在实际应用中藻液厚度一般为15-30cm,常以叶轮转动的方式推动藻液在池内循环、混合，防止藻细胞沉淀吸附并增加微藻与光的接触概率。然而在实际应用中，跑道池的不足逐渐显现出来，在接种初期，微藻浓度比较低，光可以到达较深的位置，微藻能获得充足的光照进行光合作用，随着微藻的生长，浓度越来越大，光衰减严重，虽然通过搅拌可以使下层的藻细胞运动到上层，但远不能满足微藻对光的需要，单位体积内很难得到较高的生物量。
[0005]封闭式光生物反应器，例如管式、板式、柱式等，优点是可提高微藻培养的浓度、简化了后期加工、微藻各种生长因子可以控制、不易受污染、产品质量好；不足是培养器本身成本高、培养过程中能耗高。部分研究者认为封闭式光生物反应器是微藻规模化培养的发展方向，并开展了大量的研究，研发出了多种封闭式光生物反应器，推动了微藻生物能源的发展。管式、柱式和板式光生物反应器是典型的封闭式光生物反应器，在此基础上还研发了很多新型光生物反应器，在一定程度克服了开放式光生物反应器的不足，无论是自然光还是人工光源都可以得到比较高的产量。然而，仍需要研究更经济、更合理的封闭式光生物反应器提高微藻规模化培养过程中微藻的光合效率和光能利用率。
[0006]因此，无论对于开放式光生物反应器还是封闭式光生物反应器，目前仍需以低成本的方式进一步提高微藻规模化培养过程中微藻的产量。
实用新型内容
[0007]本实用新型为了以低成本的方式提高开放式和封闭式的光生物反应器规模化培养微藻的产量，提供了一种规模化培养微藻的光生物反应器。
[0008]本实用新型提供了一种规模化培养微藻的光生物反应器，该反应器包括允许含有微藻的液体流动的流道和扰流件，其中，所述扰流件具有基面、第一扰流面和第二扰流面，所述基面贴合于所述流道的内表面设置，所述第一扰流面和第二扰流面相对于所述基面倾斜设置，所述第一扰流面和第二扰流面与所述流道的延伸方向交叉。
[0009]优选地，所述扰流件通过扰流截面沿第一方向延伸而形成，所述扰流截面包括第 一边、第二边和第三边，所述第一边、第二边和第三边沿所述第一方向延伸分别形成所述第 一扰流面、所述第二扰流面和所述基面。
[0010]优选地，所述两个扰流面朝向所述基面倾斜。
[0011]优选地，所述第一边和所述第二边为直边；更优选地，所述第一边相对于所述扰 流件的高度方向倾斜的角度为第一角度，所述第二边相对于所述扰流件的高度方向倾斜的 角度为第二角度，所述第一角度大于等于所述第二角度，所述第一扰流面比所述第二扰流 面更靠近所述流道的入口 ；更进一步优选地，所述第一角度为30-60度，所述第二角度为 10-45 度。
[0012]优选地，所述第一边和所述第二边为凹曲边；更优选地，所述第一边具有第一曲率 半径，所述第二边具有第二曲率半径，所述第一曲率半径大于等于所述第二曲率半径，所述 第一扰流面比所述第二扰流面更靠近所述流道的入口 ；更进一步优选地，所述第一曲率半 径为扰流件的高度的2-10倍，所述第二曲率半径为扰流件的高度的1-5倍。
[0013]优选地，所述第一方向与所述流道的延伸方向垂直。
[0014]优选地，所述扰流件沿所述第一方向延伸的长度与所述流道的内表面沿所述第一 方向延伸的长度的比值为1:1-10。
[0015]优选地，所述扰流件为多个，相邻两个所述扰流件之间的沿所述流道的长度方向 的间距与所述流道的长度的比值为< 0.5。
[0016]优选地，所述扰流件的高度与所述流道的高度的比值为1:2_20。
[0017]优选地，所述基面贴合于所述流道的不受光面设置。
[0018]优选地，所述流道的高度为l_30cm。
[0019]优选地，所述流道的倾斜角为0-3度。
[0020]本实用新型提供的规模化培养微藻的光生物反应器，通过在开放式或封闭式光生 物反应器的内表面设置扰流件，扰流件的第一扰流面和第二扰流面相对于贴合流道的扰流 件的基面倾斜设置，并且第一扰流面和第二扰流面与所述流道的延伸方向交叉，从而培养 微藻时，能够增加微藻沿垂直方向的运动，使微藻在光区与暗区之间穿梭，从而提高微藻的 光能利用率和光合效率，提高微藻的产量。
[0021]本实用新型的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为根据本实用新型的一种实施方式的光生物反应器的正视示意图。
[0023]图2为如图1所示的光生物反应器的俯视示意图。
[0024]图3为本实用新型的光生物反应器的五种实施方式的侧视示意图。
[0025]图4为本实用新型的光生物反应器的扰流件的两种实施方式的扰流截面的示意 图。
[0026]附图标记说明
[0027]I流道；2扰流件；21第一扰流面；22第二扰流面；23扰流截面；231第一边；232 第二边；233第三边；H1扰流件的高度；H2流道的高度；A1第一角度；A2第二角度；L1相邻两个绕流件之间的沿流道的长度方向的间距；L2流道的长度；X流道的延伸方向；Y第一方向；Z扰流件的高度方向。
【具体实施方式】
[0028]以下对本实用新型的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
[0029]如图1和图2所示，本实用新型提供了一种规模化培养微藻的光生物反应器，该反应器包括允许含有微藻的液体流动的流道I和扰流件2，扰流件2具有基面(图中未示出)、第一扰流面21和第二扰流面22，基面贴合于流道I的内表面设置，第一扰流面21和第二扰流面22相对于基面倾斜设置，第一扰流面21和第二扰流面22与流道I的延伸方向X交叉。
[0030]本实用新型中，扰流件2可以是延伸体也可以是非延伸体，延伸体是指截面沿延伸方向延伸形成的几何体，该延伸方向可以是直线、曲线和折线中的一种或多种，但如本领域技术人员所知，几何体在延伸方向的任一点上的截面都与该点的延伸方向垂直。例如，三角形截面沿直线延伸方向延伸形成的延伸体为三棱柱，圆形截面沿圆弧形延伸方向延伸形成的延伸体为圆环体或圆环体的一部分。当然，扰流件2也可以为多个延伸体的组合形状，也可以为非延伸体。
[0031]优选情况下，扰流件2为延伸体，即扰流件2通过扰流截面23沿第一方向Y延伸而形成，扰流截面23包括第一边231、第二边232和第三边233，第一边231、第二边232和第三边233沿第一方向Y延伸分别形成第一扰流面21、第二扰流面22和基面。
[0032]如上所述，第一方向Y可以是直线、曲线和折线中的一种或多种，但如本领域技术人员所知，扰流件2在第一方向Y的任一点上的截面都与该点的延伸方向垂直。
[0033]由于扰流件2的基面贴合于流道I的内表面设置，因此，第一方向Y可以根据流道I的截面的形状和扰流件2的延伸长度来确定，流道I的截面即是指流道I垂直于流道I的延伸方向X的截面，当该截面为矩形时，如果扰流件2只在流道I的底面延伸，则第一方向Y为直线，如图3中(a)所示，如果扰流件2既在流道I的底面延伸，又在流道I的侧壁延伸，则第一方向Y为折线，如图3中(b)所示；当该截面为弧线和直线构成的形状时，如图3中(c)所示，则第一方向Y为曲线，具体地说，为弧线；当流道I的内表面的截面为底边为弧线的矩形时，如图3中(d)和(e)所示，如果扰流件2只在流道I的底面延伸，则第一方向为曲线，具体地说，为弧线，如图3中(d)所示，如果扰流件2既在流道I的底面延伸，又在流道I的侧壁延伸，则第一方向Y在底面为弧线，在侧壁为直线，如图3中(e)所示。此处为了清楚地描述第一方向Y，仅列举了几种情况，但并没有穷尽，本领域技术人员根据上述描述应该能够清楚地理解第一方向Y。
[0034]本实用新型中，对于流道I的截面的形状无特殊要求，可以为本领域技术人员所能想到的各种形状，例如，可以为矩形、半圆形、圆形、底边为弧线的矩形等。
[0035]本实用新型中，两个扰流面相对于基面倾斜设置，可以朝向基面倾斜，也可以背向基面倾斜。朝向基面倾斜，即是指第一边231的两端点和第二边232的两端点各自形成的直边与第三边233的两端点形成的直边的夹角小于90度。背向基面倾斜，即是指第一边231的两端点和第二边232的两端点各自形成的直边与第三边233的两端点形成的直边的夹角大于90度。本实用新型中，两个扰流面优选朝向基面倾斜。在该优选情况下，可使贴近流 道内表面处的藻细胞更容易运动到光照处进行光合作用，从而可进一步提高微藻的光能利 用率和光合效率，进一步提高微藻的产量。
[0036]根据本实用新型的一种实施方式，第一边231和第二边232为直边，如图4中(a) 所示。优选情况下，第一边231相对于扰流件2的高度方向Z倾斜的角度为第一角度Al，第 二边232相对于扰流件2的高度方向Z倾斜的角度为第二角度A2，第一角度Al大于等于第 二角度A2，第一扰流面21比第二扰流面22更靠近流道I的入口。在该优选情况下，可更进 一步提高微藻的光能利用率和光合效率，进一步提高微藻的产量。
[0037]扰流件2的高度Hl即是指扰流件2的最高点到扰流件2的基面的垂直距离。扰 流件2的高度方向Z即是指垂直于基面的方向。
[0038]更优选情况下，第一角度Al为30-60度，例如30度、35度、40度、45度、50度、55 度、60度，第二角度A2为10-45度，例如10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度。
[0039]根据本实用新型的另一种实施方式，第一边231和第二边232为凹曲边，如图4中
(b)所示。本领域技术人员应该理解的是，凹曲边指相对于扰流截面23来说，即曲边凹向扰 流截面23的内部。优选情况下，第一边231具有第一曲率半径，第二边232具有第二曲率 半径，第一曲率半径大于等于第二曲率半径，第一扰流面21比第二扰流面22更靠近流道I 的入口。在该优选情况下，可更进一步提高微藻的光能利用率和光合效率，进一步提高微藻 的产量。
[0040]更优选情况下，第一曲率半径为扰流件2的高度Hl的2-10倍，第二曲率半径为扰 流件2的高度Hl的1-5倍。
[0041]本实用新型中，对于第一方向Y无特殊要求，只要使第一扰流面21和第二扰流面 22与流道I的延伸方向X交叉即可，因此，第一方向Y除了不能与流道I的延伸方向X平行 外，可以与流道I的延伸方向X成任意角度，为了使扰流面发挥更大的扰流作用，优选情况 下，第一方向Y与流道I的延伸方向X垂直。
[0042]本实用新型中，扰流件2沿第一方向Y延伸的长度与流道I的内表面沿第一方向 Y延伸的长度的比值优选为1:1_10，更优选为1:1-5。在该优选情况下，可使扰流件2发挥 更充分的扰流作用，可进一步提高微藻的光能利用率和光合效率，进一步提高微藻的产量。
[0043]对于流道I的内表面沿第一方向Y延伸的长度，可根据第一方向Y分为多种情况， 解释如下:当如图3中(a)所示时，即第一方向Y为直线时，流道I的内表面沿第一方向Y 延伸的长度即是指流道I的底面沿第一方向Y延伸的长度，当第一方向Y与流道I的延伸 方向X垂直时，流道I的内表面沿第一方向Y延伸的长度即是指流道I的底面的宽度；当如 图3中(b)所示时，即第一方向Y为折线时，流道I的内表面沿第一方向Y延伸的长度即是 指流道I的底面沿第一方向Y延伸的长度加上流道I的侧壁沿第一方向Y延伸的长度，当 第一方向Y与流道I的延伸方向X垂直时，流道I的内表面沿第一方向Y延伸的长度即是 指流道I的底面的宽度加上流道I的两个侧壁的高度；当如图3中(c)和(d)所示时，即第 一方向Y为曲线时，流道I的内表面沿第一方向Y延伸的长度即是指流道I的底面沿第一 方向Y延伸的长度，当第一方向Y与流道I的延伸方向X垂直时，流道I的内表面沿第一方 向Y延伸的长度即是指流道I的底面的弧长；当如图3中(e)所示时，即第一方向Y在底面 为弧线，在侧壁为直线时，流道I的内表面沿第一方向Y延伸的长度即是指流道I的底面沿第一方向Y延伸的长度加上流道I的侧壁沿第一方向Y延伸的长度，当第一方向Y与流道I的延伸方向X垂直时，流道I的内表面沿第一方向Y延伸的长度即是指流道I垂直于流道I的延伸方向X的截面的底边的弧长加上流道I的两个侧壁的高度。此处为了清楚地说明流道I的内表面沿第一方向Y延伸的长度，仅列举了几种情况，但并没有穷尽，本领域技术人员根据上述描述应该能够清楚地理解流道I的内表面沿第一方向Y延伸的长度。
[0044]图3中(b) - (d)示出了扰流件2沿第一方向Y延伸的长度与流道I的内表面沿第一方向Y延伸的长度的比值为1:1的情况；图3中(a)和(e)示出了扰流件2沿第一方向Y延伸的长度与流道I的内表面沿第一方向Y延伸的长度的比值小于I的情况，即扰流件2沿第一方向Y延伸的长度仅为流道I的内表面沿第一方向Y延伸的长度的一部分。
[0045]本实用新型中，对于扰流件2的个数无特殊要求，为了起到更好的扰流效果，扰流件2优选为多个，即多于一个。多个扰流件2的形状可以相同也可以不同。当扰流件2为多个时，相邻两个扰流件2之间的沿流道I的长度方向的间距LI与流道I的长度L2的比值优选< 0.5。相邻两个扰流件2之间的沿流道I的长度方向的间距LI如图1所示。在该优选情况下，可使藻细胞上下运动的频率更快，发挥微藻的“闪光效应”，从而可进一步提高微藻的光能利用率和光合效率，进一步提高微藻的产量。
[0046]本实用新型中，扰流件2的高度Hl与流道I的高度H2的比值优选为1:2_20，进一步优选为1:5-15。在该优选情况下，扰流件2能够起到更充分的扰流效果。如前所述，扰流件2的高度Hl即是指扰流件2的最高点到扰流件2的基面的垂直距离。流道I的高度H2如本领域技术人员所公知，即是指流道承装液体时的最大液面高度。扰流件2的高度Hl与流道I的高度H2如图1所示。
[0047]本实用新型中，扰流件2的基面优选贴合于流道I的不受光面设置。在该优选情况下，可进一步提高微藻的光能利用率和光合效率，进一步提高微藻的产量。这是由于不受光面附近的微藻接受不到光照，扰流件2的基面贴合于流道I的不受光面设置，可使接受不到光照的不受光面附近的微藻在扰流件2的扰流作用下运动到光照处，从而进一步提高流道I内微藻的光能利用率和光合效率，进一步提高微藻的产量。
[0048]本实用新型中，流道I的高度H2可以为l_30cm,例如lcm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cmo
[0049]本领域技术人员应该理解的是，微藻是在泵的作用下在流道中流动的，因此，为了降低泵的能耗，流道I的倾斜角优选为0-3度，例如0度、I度、2度、3度。流道I的倾斜角指的是流道I相对于水平面的倾斜角度。
[0050]本实用新型提供的规模化培养微藻的光生物反应器的流道I可以是一个也可以是多个，可以根据实际培养微藻的量设定。
[0051]本实用新型中，对于流道I的壁厚无特殊要求，可以采用本领域常规的设置。对于流道I和扰流件2的材质也无特殊要求，可以为透明的玻璃、塑料和树脂中的一种或多种，也可以为不透明的不锈钢、铝合金和水泥中的一种或多种，扰流件2的材质和流道I的材质可以相同也可以不同，为了制造方便，优选扰流件2的材质和流道I的材质相同。
[0052]本实用新型中，扰流件2可以为实心结构也可以为中空结构。
[0053]本实用新型中，对于扰流件2在流道I的内表面的设置方式也无特殊要求，可以采用本领域技术人员所能想到的各种方式，例如，可以将扰流件2与流道I制造成一个整体，也可以将扰流件2粘附于或组装于流道I上。
[0054]本实用新型提供的规模化培养微藻的光生物反应器可以是开放式光生物反应器， 如图3中(C)所示；也可以是封闭式光生物反应器，如图3中(a)、(b)、(d)和(e)所示。
[0055]本实用新型中，对于微藻的种类没有特别的限制，优选为产油微藻，更优选为具有 较大的产业利用价值的产油工程微藻，例如，微藻可以选自小球藻、栅藻、螺旋藻、金藻和三 角褐指藻中的至少一种。
[0056]以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限 于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技 术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
[0057]另外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛 盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各 种可能的组合方式不再另行说明。
[0058]此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违 背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。
【权利要求】
1.一种规模化培养微藻的光生物反应器，该反应器包括允许含有微藻的液体流动的流道(I)和扰流件(2)，其特征在于，所述扰流件(2)具有基面、第一扰流面(21)和第二扰流面(22)，所述基面贴合于所述流道(I)的内表面设置，所述第一扰流面(21)和所述第二扰流面(22)相对于所述基面倾斜设置，所述第一扰流面(21)和所述第二扰流面(22)与所述流道(I)的延伸方向(X)交叉。
2.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于，所述扰流件(2)通过扰流截面(23)沿第一方向(Y)延伸而形成，所述扰流截面(23)包括第一边(231)、第二边(232)和第三边(233)，所述第一边(231)、所述第二边(232)和所述第三边(233)沿所述第一方向(Y)延伸分别形成所述第一扰流面(21)、所述第二扰流面(22)和所述基面。
3.根据权利要求2所述的光生物反应器，其特征在于，所述第一扰流面(21)和所述第二扰流面(22)朝向所述基面倾斜。
4.根据权利要求3所述的光生物反应器，其特征在于，所述第一边(231)和所述第二边(232)为直边。
5.根据权利要求4所述的光生物反应器，其特征在于，所述第一边(231)相对于所述扰流件(2)的高度方向(Z)倾斜的角度为第一角度(Al)，所述第二边(232)相对于所述扰流件(2)的高度方向(Z)倾斜的角度为第二角度(A2)，所述第一角度(Al)大于等于所述第二角度(A2)，所述第一扰流面(21)比所述第二扰流面(22)更靠近所述流道(I)的入口。
6.根据权利要求5所述的光生物反应器，其特征在于，所述第一角度(Al)为30-60度，所述第二角度(A2)为10-45度。
7.根据权利要求3所述的光生物反应器，其特征在于，所述第一边(231)和所述第二边(232)为凹曲边。
8.根据权利要求7所述的光生物反应器，其特征在于，所述第一边(231)具有第一曲率半径，所述第二边(232 )具有第二曲率半径，所述第一曲率半径大于等于所述第二曲率半径，所述第一扰流面(21)比所述第二扰流面(22 )更靠近所述流道(I)的入口。
9.根据权利要求8所述的光生物反应器，其特征在于，所述第一曲率半径为扰流件(2)的高度(Hl)的2-10倍，所述第二曲率半径为扰流件(2)的高度(Hl)的1-5倍。
10.根据权利要求2-9中任意一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述第一方向(Y)与所述流道(I)的延伸方向(X)垂直。
11.根据权利要求2-9中任意一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述扰流件(2)沿所述第一方向(Y)延伸的长度与所述流道(I)的内表面沿所述第一方向(Y)延伸的长度的比值为1:1-10。
12.根据权利要求1-9中任意一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述扰流件(2)为多个，相邻两个所述扰流件(2)之间的沿所述流道(I)的长度方向的间距(LI)与所述流道(I)的长度(L2)的比值≤0.5。
13.根据权利要求1-9中任意一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述扰流件(2)的高度(Hl)与所述流道(I)的高度(H2)的比值为1:2-20。
14.根据权利要求1-9中任意一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述基面贴合于所述流道(I)的不受光面设置。
15.根据权利要求1-9中任意一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述流道(I)的高度(H2)为 1-30cm。
16.根据权利要 求1-9中任意一项所述的光生物反应器，其特征在于，所述流道(I)的倾斜角为0-3度。
【文档编号】C12M1/00GK203393137SQ201320434342
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年7月19日 优先权日:2013年7月19日
【发明者】朱俊英, 荣峻峰, 宗保宁, 黄绪耕, 周旭华, 程琳 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院