平板式光生物反应器的制作方法

本发明涉及CO₂固定及藻类培养的生物工程技术领域，特别是涉及一种高效多相混合的平板式光生物反应器。

背景技术：

藻类具有极高的光和营养利用效率，可以将水和二氧化碳转化成糖类、色素、蛋白质、脂肪等高价值有机化合物可以用来制成食品、药品、营养品等。另外，利用微藻处理废水废气以及获得生物燃料也具有广阔的前景。以上应用领域都需要大型的光生物反应器进行规模化培养。

目前，工业规模光生物反应器一般为跑道池开放培养。但是开放式培养具有诸多缺点：1)光以及二氧化碳利用率低，2)培养条件难以控制，3)生产易受季节限制，4)培养液易受污染以及被雨水稀释或被大量蒸发。

封闭式光生物反应器克服了开放式光生物反应器的上述缺陷，可以控制各个生长参数，并且已经有一些规模化培养的实例。封闭式光生物反应器一般分为：管式光生物反应器、板式光生物反应器和圆柱式光生物反应器。但由于封闭式光生物反应器结构复杂，放大成本较高，对于圆柱式光生物反应器容易发生光照不足、死区和温度过高的问题；而管式光生物反应器容易出现溶解氧过高、气液混合不均以及光抑制(指的是光能超过藻体所能利用的数量时，其光合功能下降的现象。)；这些会导致培养的生物浓度和产出率较低。对于平板式光生物反应器的放大如果要克服上述问题，现有的技术只能是增加反应器的单元，这样会造成放大成本的剧增。另外光反应器内壁容易被藻体附着，所以清洗内壁也使一大麻烦，不利于放大和产业化实施。

在所有微藻培养过程中，光照是影响微藻高密度培养和限制光生物反应器放大的最关键因素。光生物反应器的主要设计思路是使微藻细胞能得到充分的光照。平板式光生物反应器系统虽然改善了光照条件，但过短的光程增加了放大的难度，反应器系统的放大只能通过增加反应器单元来实现，这就增加了成本的投入。而对于光程较大的反应器，虽然在使用内光源后提高了光的利用率，但其内光源的排布方式并不能有效解决微藻附着于内光源灯套的问题，另外复杂的内光源排布方式还会增加阻力，影响藻液的循环，同时也存在散热困难的问题。

藻类培养的研究发现：在规模化养藻的光生物反应器内以及通常的细胞密度下，光线在培养液内传播时会迅速衰减，光的穿透距离为几毫米，在高细胞密度下只有1mm左右。光生物反应器内事实上可分为靠近光照面的光区与之外的暗区两部分，当光强超过饱和值，藻液在接近光源的光区和远离光源的暗区之间快速循环(通常高于1Hz的频率)的情况下生物浓度和产出有明显的增加，这就是所谓的“闪光效应”。

要利用“闪光效应”则应考虑如何有效的加强藻液在光照方向的流动，JOrg Degen等设计的一种带挡板的平板式光生物反应器(JOrg Degen,Andrea Uebele et al.A novel airlift photobioreactor with baffles for improved light utilization through the flashing light effect[J].Journal of Biotechnol.,2001，92:89-94)。由于在内部添加了多块档板，可以有效地增加了藻液在光照方向上的流动，而且该文献指出规律的循环流动要比无规律的流动更能有效地利用“闪光效应”。但是多层挡板对上升的藻液形成了较大阻力使能耗增加，同时由于内部结构复杂也不利于清洗与放大，与此相仿的中国专利CN102260629也存在上述问题。上述平板式光生物反应器对于较大规模的培养系统都是通过增加反应器单元来实现的，最大的反应器单元体积不到300L，这大大的增加了制造成本。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的是来提供一种更加结构简单、操作方便、具有更高效气液混合效率、传质传热效率、藻液规则循环流动、光能利用率高的光生物反应器。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种平板式光生物反应器，包括反应器主体，所述平板式光生物反应器还包括：至少一个位于所述反应器主体内的多功能蛇形管；

所述多功能蛇形管包括外管、内管及多个第一隔板；所述外管及所述内管同轴分布，所述第一隔板固定于内管的外壁及外管的内壁上，将所述内管及外管之间的区域分割为若干个沿所述内管周向排布的管道；所述管道至少包括通气管道及换热管道；

所述内管内部设有内置光源；

所述多功能蛇形管沿长度方向包括多个直线部分及弧线部分；所述直线部分的通气管道侧壁上设有排气孔。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，所述通气管道及换热管道沿所述内管周向交替分布。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，所述第一隔板的数量为四个，所述 四个第一隔板均匀地分布于所述外管及内管之间，所述四个第一隔板在所述外管及内管之间形成两个所述通气管道及两个所述换热管道。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，所述多功能蛇形管及所述内光源管道的横截面形状均为圆形。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，所述直线部分与所述弧形部分的长度之比为1～50。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，所述多功能蛇形管的直径为3cm～20cm；所述内光源管道的直径为1cm～5cm。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，每段所述直线部分的通气管道侧壁上设有1～5排所述排气孔。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，所述多功能蛇形管的直线部分与反应器主体的顶部相平行，且所述排气孔朝向反应器主体的侧壁。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，所述内置光源为LED灯带。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，所述多功能蛇形管还包括第二隔板，所述第二隔板固定于所述内管的内壁上，将所述内管隔离成多个扇形区域，所述扇形区域的数量等于所述通气管道及所述换热管道的数量之和；所述内置光源的数量与所述扇形区域的数量相同，并分别位于每个所述扇形区域内。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，所述内管、外管、第一隔板及第二隔板的材料均为透明材料。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，所述反应器主体内所述多功能蛇形管的数量为多个，且相邻两个所述多功能蛇形管之间的间距与最外侧的所述多功能蛇形管至所述反应器主体内壁的距离相等。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，所述反应器主体的底部为弧形拉伸面。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，所述平板式光生物反应器还包括：气体分布器及外置光源；

所述气体分布器位于所述反应器主体的内部，且位于所述反应器主体的底部；所述外置光源位于所述反应器主体的外部。

作为本发明的平板式光生物反应器的一种优选方案，所述平板式光生物反应器还包括：密封顶盖、排气口、加料/接种孔及卸料孔；

所述密封顶盖覆盖于所述反应器主体的顶部；所述排气口及加料/接种孔位于所述密封顶 盖上且与所述反应器主体内部相连通；所述卸料孔经由所述反应器主体的底部与所述反应器主体的内部相连通。

如上所述，本发明的平板式光生物反应器，具有以下有益效果：

1.利用多功能蛇形管实现了藻液在光方向上的循环流动可以有效地利用闪光效应。

2.气体可在不同的高度射入藻液内，使得气液传质更加高效，温控和溶氧驱离更加高效，另外从蛇形管到侧壁面的射流对壁面有较强的冲刷作用，可以有效地减少藻体在反应器内壁和蛇形管上的附着，可以减少清洗次数。

3.内外光源结合可以通过增加多功能蛇形管实现反应器单体放大的目的，克服了平板式光生物反应器的只能通过增加反应器单元来放大的局限，有利于实现产业化。

附图说明

图1显示为本发明的平板式光生物反应器中的结构示意图。

图2为图1沿A方向的侧视图示意图。

图3显示为本发明的平板式光生物反应器中的多功能蛇形管的结构示意图。

元件标号说明

1 加料/接种孔

2 排气口

3 密封顶盖

4 反应器主体

5 卸料孔

6 多功能蛇形管

61 内管

62 外管

63 第一隔板

64 通气管道

65 换热管道

66 第二隔板

67 内置光源

68 排气孔

7 进气口/换热流股进口

8 出气口/换热流股出口

9 气体分布器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1至图3，本发明提供一种平板式光生物反应器，所述平板式光生物反应器至少包括：反应器主体4及至少一个位于所述反应器主体4内的多功能蛇形管6；

所述多功能蛇形管6包括外管62、内管61及多个第一隔板63；所述外管62及所述内管61同轴分布，所述第一隔板63固定于内管61的外壁及外管62的内壁上，即所述第一隔板63在宽度上的两端面分别固定于所述内管61的外壁及所述外管62的内壁上，所述第一隔板63在长度方向上沿所述内管61及所述外管62的长度方向延伸，将所述内管61及所述外管62之间的区域分割成多个沿所述内管61的周向排布的独立的管道，所述管道至少包括通气管道64及换热管道65；所述内管61为内光源管道，其内部设有内置光源67；所述多功能蛇形管6沿长度方向包括多个交替首尾连接的直线部分及弧线部分；所述直线部分的通气管道64侧壁上设有排气孔68。

作为示例，所述多功能蛇形管可以为由所述通气管道64、所述换热管道65及所述内光源管道(即内管61)构成的三合一多功能蛇形管，也可以为包括所述通气管道64、所述换热管道65、所述内光源管道及其他管道的多合一多功能蛇形管。例如，在一实施例中，如图3所示，所述第一隔板63将所述内管61及所述外管64之间的区域分割为若干个所述通气管道64及若干个所述换热管道65，即所述内管61及所述外管64之间只包括所述通气管道64及所述换热管道65，亦即部分内管61侧壁、部分外管62侧壁及相邻的两个所述第一隔板63共同构成通气管道64及换热管道65，所述通气管道64及换热管道65沿所述内管61周向交替分布，即任意一所述第一隔板63与位于其一侧的另一所述第一隔板63，及位于两所述第一隔板63之间的部分内管61的侧壁、部分外管的侧壁共同构成所述通气管道64或所述换热 管道65，而所述第一隔板63与位于其另一侧的又一所述第一隔板63，及位于两所述第一隔板63间的部分内管61的侧壁、部分外管的侧壁共同构成所述换热管道65或所述通气管道64；而在另一实施例中所述第一隔板63将所述内管61及所述外管64之间的区域分割的管道不只包括所述通气管道64及所述换热管道65，即所述第一隔板63将所述内管61及所述外管64之间的区域分割的管道除了部分用作通气管道64及换热管道65之外，还有一些所述管道根据实际需要可以为用作其他用途的管道。

作为示例，所述第一隔板63的数量可以根据实际需要进行设置，优选地，本实施例中，所述第一隔板63的数量为四个，所述四个第一隔板63均匀地分布于所述外管62及所述内管61之间，即将所述外管62及所述内管61之间的区域四等分；所述四个第一隔板63沿所述外管62及所述内管61的径向分布，在所述外管62及所述内管61之间形成两个所述通气管道64及两个所述换热管道65。

作为示例，所述多功能蛇形管6及所述内管61(即内光源管道)的横截面形状均为圆形。

作为示例，所述多功能蛇形管6的直线部分的长度及所述弧线部分的长度可以根据所述反应器主体4的尺寸及实际需要进行设计，所述直线部分与所述弧线部分的长度之比应为1～50，优选地，本实施例中，所述直线部分与所述弧线部分的长度之比为10～20。

作为示例，所述多功能蛇形管6的直径为3cm～20cm，即所述外管62的直径为3cm～20cm；所述内光源管道即所述内管61的直径为1cm～5cm。优选地，本实施例中，所述多功能蛇形管6的直径为5cm～10cm，所述内光源管道的直径为2cm～4cm。

作为示例，每段所述直线部分的通气管道64侧壁上开设多排所述排气孔68，优选地，每段所述直线部分的通气管道64侧壁上开设的所述排气孔68的排数为1～5排，此处所述的排气孔68的排数是指所述排气孔68在同一截面内沿所述通气管道64周向分布的个数，即如图3中所示，在两侧的所述通气管道64的侧壁上各开设一个所述排气孔68，此时每段所述直线部分的通气管道64侧壁上开设的所述排气孔68的排数即为两排，沿周向在所述排气孔68的两侧增设新的所述排气孔68即相应的增加了所述排气孔68的排数；优选地，每段所述直线部分的通气管道64侧壁上开设的所述排气孔68的排数为2～4排。

作为示例，每排所述排气孔68不只包括一个所述排气孔68，其沿所述直线部分的长度方向可以包括多个具有一定间隔的所述排气孔68，所述多个排气孔68沿所述直线部分的长度方向均匀分布。

作为示例，所述多功能蛇形管6还包括第二隔板66，所述第二隔板66沿所述内管61的径向固定于所述内管61的内壁上，将所述内管61均匀地隔离成多个扇形区域，所述扇形区域的数量等于所述通气管道64及所述换热管道65的数量之和；所述内置光源67的数量与所 述扇形区域的数量相同，并分别固定于每个所述扇形区域内。优选地，所述第二隔板66与所述第一隔板63的数量相等且对应的所述第一隔板63及所述第二隔板66位于同一直线上。

作为示例，所述内置光源67为LED灯带。所述LED灯带的数量可以为一个、两个或多个，所述LED灯带的数量为一个时，沿所述内管61的中心分布，所述LED灯带的数量为两个或多个时，所述多个LED灯带应在所述内管61内均匀分布。图3为一具体示例，所述LED灯带的数量及所述第二隔板66的数量均为四个，所述四个LED灯带以所述内管61的轴线为中心对称分布。

作为示例，所述内管61、所述外管62、所述第一隔板63及所述第二隔板66的材料均为透明材料，如有机玻璃、无机玻璃、透明塑料等等。将所述内管61、所述外管62、所述第一隔板63及所述第二隔板66的材料均采用透明材料，可以确保所述内置光源67发出的光可以高效顺利地导出。

作为示例，所述多功能蛇形管6的直线部分与反应器主体4的顶部相平行，且所述排气孔68朝向反应器主体4的侧壁；即定义所述反应器主体4的顶部为上方，此时所述两个换热管道65上下分布，所述两个通气管道64左右分布。

作为示例，所述反应器主体4内所述多功能蛇形管6的数量为多个，且相邻两个所述多功能蛇形管6之间的间距与最外侧的所述多功能蛇形管6至所述反应器主体4内壁的距离相等。

通过在所述反应器主体4内设置所述多功能蛇形管6实现了藻液在光方向上的循环流动可以有效地利用闪光效应；气体可在不同的高度射入藻液内，使得气液传质更加高效，温控和溶氧驱离更加高效，另外从所述多功能蛇形管6到所述反应器主体4的侧壁面的射流对壁面有较强的冲刷作用，可以有效地减少藻体在所述反应器主体4的内壁和所述多功能蛇形管6上的附着，可以减少清洗次数。

作为示例，所述反应器主体4的底部为弧形拉伸面。将所述反应器主体4的底部设置为弧形拉伸面，可以有效地避免藻液死区的出现。

作为示例，所述反应器主体4的宽度可以在0.3m～4m之间，以确保暗区与明区之比为10:1，进而更便于实现闪光效应。

作为示例，所述平板式光生物反应器还包括气体分布器9；所述气体分布器9位于所述反应器主体4的内部，且位于所述反应器主体4的底部。在所述反应器主体4的底部设置所述气体分布器9可以在所述反应器主体4内进行有效地气体分布，并防止藻体在所述反应器主体4底部沉淀。

作为示例，所述平板式光生物反应器还包括外置光源(未示出)，所述外置光源位于所 述反应器主体4的外部，可以为自然光或人工光源；当所述外置光源为人工光源时，所述外置光源可以设置在所述反应器主体4的外壁上。在所述反应器主体4外部设置外部光源之后，内外光源结合可以通过增加所述多功能蛇形管6实现反应器单体放大的目的，克服了平板式光生物反应器的只能通过增加反应器单元来放大的局限，有利于实现产业化。

作为示例，所述平板式光生物反应器还包括：密封顶盖3、排气口2、加料/接种孔1及卸料孔5；所述密封顶盖3覆盖于所述反应器主体4的顶部；所述排气口2及加料/接种孔1位于所述密封顶盖3上且与所述反应器主体4内部相连通；所述卸料孔5经由所述反应器主体4的底部与所述反应器主体4的内部相连通。

作为示例，所述平板式光生物反应器可以连接有配气系统、温控系统、监测系统及尾气系统，所述进气口/换热流股进口7及所述出气口/换热流股出口8处的所述通气管道64与所述配气系统相连接，所述进气口/换热流股进口7及所述出气口/换热流股出口8处的所述换热管道65与所述温控系统相连接。具体的所述配气系统、温控系统、监测系统及尾气系统的设计为本领域人员所熟知，此处不再累述。

本发明的所述平板式光生物反应器的工作原理为：培养液和藻种由所述加料/接种孔1注入所述反应器主体4内，培养液高度应高于最上端的所述多功能蛇形管6，高出的高度约为所述多功能蛇形管6两个上下相邻的直线部分之间的距离的一半。CO₂或空气等原料气体进入所述通气管道64后在直线部分经排气孔68射入藻液内，藻液在气体射流的推动下从所述多功能蛇形管6附近向所述反应器主体4侧壁面流动，在到达侧壁面附近时向上下偏转，由于直线段的所述多功能蛇形管6的直线段互相平行，偏转后的藻液会与上下相邻的被侧壁面偏转的藻液汇合，接着从侧壁面流向两条平行的所述多功能蛇形管6中间，由于所述多功能蛇形管6所在的平面是所述反应器主体4的对称面，流动也相对于该面是对称的，汇合后流回来的藻液在该平面附近也会向上下两个方向偏转返回到所述多功能蛇形管6的直线处，这样每个所述多功能蛇形管6可以驱动四个对称的规则的藻液环流，如图2所示，图中箭头即为藻液环流；同时在内外光源的照射下，促使微藻在光源方向上交替流动达到明暗交替规律地的受光，大大减低了遮光效应，增强了闪光效应；同时实现反应器内流场均匀，强化了气液混合避免死区；此外，射流很好地起到了冲刷所述反应器主体4内壁以及壁面藻体附着在所述多功能蛇形管6外壁面，有效地解决了藻体挂壁的现象，提高了光透率，减少了藻类收集等后处理的成本。另外，所述多功能蛇形管6上的换热管可以高效地控制所述反应器主体内的温度，可以将反应器内的温度控制在最优的范围内；所述反应器主体4的底部设置为弧形拉伸面并设有所述气体分布器9向上驱气以减少藻体在所述反应器主体底部的沉淀；反应过程中的从藻液释放出的气体经所述反应器主体4顶部的所述排气口2排出，产出的物料可 以从底部的所述卸料孔5排出。从而，本发明能有效地实现规模化经济地高密度微藻培养，同时达到高效固碳及保护环境的效果。

在一实施例中，如图1所示的多功能平板式光生物反应器，采用有机玻璃材料制成，所述反应器主体4的宽度100cm，高度为120cm，厚度为60cm，有效容积为700升。所述多功能蛇形管6为一层，内光源管内有均布的所述LED灯带，所述直线部分的通气管道64上左右各开两排直径为1mm的微孔，孔间间距5mm。在底部的所述气体分布器9为管式气体分布管，所述气体分布器9上开设有2排间距5mm的直径为1mm的微孔，开孔方向朝上。

该实施例中反应器的具体工作方式为：首先加入藻液，打开相关的配气系统、温控系统、监测系统、尾气分析系统等，将含5％(v/v)CO2的空气二氧化碳混合气按2L/min气量从所述多功能蛇形管6两端通入所述同期通道64内，气体以微小气泡的形式从气孔排出并驱动藻液形成规则环流。同时底部所述气体分布器9通入的气量为0.5L/min，防止藻体沉积在所述反应器主体4的底部。

在内外光源的复合照射条件下，进行小球藻的培养，温度为25°，接种密度为0.05g/L干重，培养三天后，藻细胞密度达到1.05g/L，体积产率为0.32g/Ld，所述反应器主体4及导流筒壁面藻体附壁现象不明显。

由此可知，使用本发明的平板式光生物反应器可以得到较高的微藻产率，同时可以很好的解决藻体附壁的现象。

本发明的所述平板式光生物反应器可以用来进行微藻培养，也可以用于其他生物及化工反应过程。

综上所述，本发明提供一种平板式光生物反应器，所述平板式光生物反应器包括反应器主体及至少一个位于所述反应器主体内的多功能蛇形管。利用多功能蛇形管实现了藻液在光方向上的循环流动可以有效地利用闪光效应；气体可在不同的高度射入藻液内，使得气液传质更加高效，温控和溶氧驱离更加高效，另外从蛇形管到侧壁面的射流对壁面有较强的冲刷作用，可以有效地减少藻体在反应器内壁和蛇形管上的附着，可以减少清洗次数；内外光源结合可以通过增加多功能蛇形管实现反应器单体放大的目的，克服了平板式光生物反应器的只能通过增加反应器单元来放大的局限，有利于实现产业化。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。