CN102154093A - 一种平板式光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种平板式光生物反应器，包括多个串联且相互连通的独立反应器单元，且相邻反应器单元之间通过一拉筋组件连接；所述反应器单元由透明前板、后板、侧板及底板粘合而成，形成一生物反应空间；所述拉筋组件包括一拉筋前撑板、一拉筋后撑板及一内置拉筋，该内置拉筋的一端与所述拉筋前撑板固定，另一端与所述拉筋后撑板固定；相邻反应器单元的前板部分粘合于所述拉筋前撑板的同一侧面，后板部分粘合于所述拉筋后撑板的同一侧面，侧板分别粘合于所述内置拉筋的一个侧面。内置式拉筋组件可将每一反应器单元的前、后板紧密地连接在一起，提高了反应器的承载能力，适于进行工业级别培养。

Description

一种平板式光生物反应器

技术领域

本发明涉及光生物反应器领域，尤其涉及一种包裹内置式拉筋组件的平板式光生物反应器。

背景技术

微藻是生活在淡水或海水环境中的、大多能进行光合作用的低等植物。微藻通常为单细胞，其个体较小，需要借助显微镜才能观察其形态结构。单个微藻细胞相当于一个高等植物的植株，它可以不断繁殖并行使多种多样的生理、生化功能。这些单细胞的微藻可通过类似于微生物发酵的、能够透过光线的培养装置——光生物反应器来进行规模化培养。因此光生物反应器应是一种高效、快速实现规模化培养的关键设备，通过它可以获得较高的生物量，进而进一步地进行炼制获得不同类型的微藻生物制品。

用于培养微藻的光生物反应器主要分开放式和封闭式两大类型。开放式光生物反应器的特点是：结构简单；容易放大；成本低；比表面积小；光能利用率低；对生物参数较难控制；容易污染；无法实现无菌培养；生产效率较低；和CO₂利用率低。封闭式光生物反应器的特点是：结构相对复杂；放大时受到一定限制；比表面积大；光能利用率高；与开放式光生物反应器相比，生长参数容易控制；容易控制污染；在特定条件下能实现无菌培养；生产效率较高；CO₂利用率较高。

目前大多使用的封闭式光生物反应器，主要有三种类型：管道式反应器、柱式反应器和平板式反应器。管道式反应器氧解析困难，不易清洗，不太适合微藻的大规模培养，而且造价高。柱式光生物反应器单元体积较小，不易放大、生产效率也不高。平板式光生物反应器具有以下特点：受光面积与培养体积比例较大；适合于户外微藻培养；光径可调节；光能利用效率高；能够获得较高的生物量；造价成本较低；容易清洗；容易控制；氧的累积浓度低。因此，这种平板式光生物反应器在光合自养型微藻的培养受到广泛地关注。早在1953年，Milner就开始利用矩形的透明容器培养微藻，为平板反应器的应用奠定了基础。在此之后，Samson和Leduy发明了一种平板式光生物反应器，并配备了荧光灯作为光源(1985)。一年以后，Ramos de Ortega和Roux发明了一种可用于户外的平板反应器，它是用厚的透明PVC材料制作的(1986)。在此以后，许多文献报道了不同类型的垂直平板光生物反应器的设计，并应用到不同种类的微藻规模化培养中(Tredici&Materassi，1992；Hu et al.，1996；Zhang et al.，2002；Hoekema et al.，2002)。

现有适于微藻培养的大规模培养的平板式反应器一般是由透明的平板箱体组成。箱体所采用的材料为硅酸盐玻璃或有机玻璃，在箱体内部，采用箱体相同材料的隔板粘于前后平板之间，从而起到一定加固作用。此外，还有的反应器外部粘结封条以进一步加固。然而，这种由若干平板与酸性玻璃胶粘合而成的透明容器，维持反应器结构稳定的粘合力均由酸性玻璃胶提供，存在较大的缺陷。当微藻培养液体积较大、液体高度升高时，它对反应器壁的压力增强，这时极易引起内部隔板与反应器的前后板粘结处的玻璃胶脱裂，最终导致整个反应器完全破裂。若采用有机玻璃作为箱体材料且以有机玻璃胶粘合时，由于有机玻璃具有塑性而容易引起有机玻璃板变形，最终导致整个反应器破裂。基于上述原因，当设计的平板式光生物反应器无论是应用于实验室研究中还是应用在大规模生产中，除了要考虑到它的放大性能、操作性能、培养效率外，还须考虑它的承重能力、耐用性、使用寿命以及美观程度。

目前，已公开的平板式光生物反应器专利文献和已用于微藻规模化培养的平板式光生物反应器主要存在以下缺点：

(1)传统平板式光生物反应器由若干玻璃板与酸性玻璃胶粘合而成的透明容器，维持反应器结构稳定的粘合力均由酸性玻璃胶提供。一方面，玻璃胶的质量、寿命和粘合技巧会直接影响反应器的稳定性；另一方面，玻璃胶提供的拉力有限，随着反应器高度和体积的增加，液体对前后主体玻璃板的压强会加大，导致酸性玻璃胶无法牢固地粘合分隔玻璃板(玻璃拉筋)和前后主体玻璃板，会引起平板式光生物反应器的破裂。

(2)为保证平板式光生物反应器结构的稳定性，通常在反应器内部粘合若干玻璃拉筋。但玻璃拉筋最大的缺点是脆性较大，一旦玻璃拉筋出现轻微裂痕或安装位置不合理，均会引起反应器破裂。

(3)目前已公开的外置加固式平板式光生物反应器，外加固用材较多，美观度较差，而且这些材料还遮挡了一部分光线进入光反应器。

(4)现有的玻璃粘合技术，很难保证放大后的平板式光生物反应器长久使用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种可用于微藻大规模培养的平板式光生物反应器，用以解决传统平板式光生物反应器难以实现大体积培养、结构稳定性差、使用寿命短和维修繁琐等缺点。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种平板式光生物反应器，包括多个串联且相互连通的独立反应器单元，且相邻反应器单元之间通过一拉筋组件连接；所述反应器单元由透明前板、后板、侧板及底板粘合而成，形成一生物反应空间；所述拉筋组件包括一拉筋前撑板、一拉筋后撑板及一内置拉筋，该内置拉筋的一端与所述拉筋前撑板固定，另一端与所述拉筋后撑板固定；相邻反应器单元的前板部分粘合于所述拉筋前撑板的同一侧面，后板部分粘合于所述拉筋后撑板的同一侧面，侧板分别粘合于所述内置拉筋的一个侧面。

较优地，所述拉筋前撑板、拉筋后撑板及内置拉筋均为平板；所述内置拉筋的一端与所述拉筋前撑板的固定，另一端与所述拉筋后撑板固定。

较优地，所述拉筋前撑板及拉筋后撑板均为平板，所述内置拉筋为一上端和下端封口的扁管；所述拉筋前撑板、扁管及拉筋后板上开设若干组通孔，每组通孔中贯穿一锁紧部件。

较优地，还包括拉筋前加强板及拉筋后加强板；所述拉筋前支撑板、拉筋前加强板、拉筋后支撑板及拉筋后加强板均为平板，所述内置拉筋为若干圆管；所述圆管的一端与所述拉筋前撑板固定，另一端与所述拉筋后撑板固定；所述拉筋前加强板及拉筋后加强板开设与所述圆管对应的若干组通孔，每组通孔及相应圆管中贯穿一锁紧部件。

较优地，所述拉筋前撑板包括第一“L”型板和第二“L”型板，所述拉筋后撑板与所述内置拉筋分别为“T”型板的底板与中间板；所述第一“L”型板、“T”型板的中间板及第二“L”型板上开设若干组通孔，每组通孔中贯穿一锁紧部件。

较优地，包括反应器底槽，所述反应器底槽上设置有凹槽，所述凹槽的两侧壁分别贴住所述反应器单元的前板及后板。

较优地，所述反应器底槽设置有软垫，位于所述反应器单元的底板与所述凹槽的底壁之间。

较优地，所述凹槽设置有若干排料口，每一排料口与一反应器单元连通。

较优地，所述排料口包括排料管及安装于所述排料管上的阀门，所述排料管穿过所述凹槽和所述反应器单元的底板。

较优地，所述排料管的上沿低于所述反应器单元的底板或与所述反应器单元的底板平齐。

与现有技术相比，本发明在平板式光生物反应器内部引入多种形式的包裹式拉筋组件加固结构，能把每一反应器单元的前、后板紧密地连接在一起，从而极大地提高了反应器的承载能力，使得反应器具有结构稳定性好、使用寿命长和维修方便的优点。这种反应器结构简单、结实耐用，整个反应器***内的上下部分的液体都能连通流动，且容易放大到工业化级别的培养体系。此外，本发明的拉筋加固结构不会遮挡光线，也不影响外形美观。

附图说明

图1为本发明平板式生物反应器的示意图；

图2A为图1中拉筋组件实施例一的前视图；

图2B为图1中拉筋组件实施例一的左视图；

图2C为图1中拉筋组件实施例一的俯视图；

图2D为图1中拉筋组件实施例一的立体图；

图3A为图1中拉筋组件实施例二的前视图；

图3B为图1中拉筋组件实施例二的左视图；

图3C为图1中拉筋组件实施例二的俯视图；

图3D为图1中拉筋组件实施例二的立体图；

图4A为图1中拉筋组件实施例三的前视图；

图4B为图1中拉筋组件实施例三的左视图；

图4C为图1中拉筋组件实施例三的俯视图；

图4D为图1中拉筋组件实施例三的立体图；

图5A为图1中拉筋组件实施例四的前视图；

图5B为图1中拉筋组件实施例四的左视图；

图5C为图1中拉筋组件实施例四的俯视图；

图5D为图1中拉筋组件实施例四的立体图；

图6为图1所示平板式生物反应器组装完成后的效果图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，为本发明平板式光生物反应器的一较优实施例，其包括：一由特定规格大小的玻璃平板，然后用玻璃胶将它们粘合在一起而形成的一个封闭式透明反应器装置1；若干内置式不锈钢拉筋组件2；一不锈钢反应器底槽3。

所述封闭式透明反应器装置1为平板式光生物反应器的主体部分，微藻在其中接收光能和各种功能营养成分，从而进行细胞***生长。该封闭式透明反应器装置1由若干独立且相互连通的反应器单元11组成，其中：每一反应器单元11包括一块玻璃底板111、一玻璃前板113、一玻璃后板114及两块玻璃侧板112，它们之间通过酸性玻璃胶粘合，形成一生物反应空间；相邻反应器单元11通过内置式不锈钢拉筋组件2连接，可实现反应器单元11的多级串联且相互连通，从而形成一个较大的反应体系。本实施例中，相邻反应器单元11通过玻璃侧板上端和下端的连通孔连通，从而保证整个平板式光生物反应器中培养液的循环流动。一般地，根据培养体积的要求，可选择合适玻璃板厚度、高度和反应器单元11的数量，在此不再赘述。

所述反应器内置式不锈钢拉筋组件2是维系反应器稳定和实现反应器单元11多级串联的核心部件，它包括一拉筋前撑板、一拉筋后撑板及一内置拉筋。所述内置拉筋的一端与拉筋前撑板固定，另一端与拉筋后撑板固定。装配时，相邻反应器单元的前板部分粘合于拉筋前撑板的同一侧面，后板部分粘合于拉筋后撑板的同一侧面，侧板分别粘合于内置拉筋的一个侧面。这样，通过拉筋组件2对前、后玻璃板施加一定拉力来维持反应器结构的稳定性，可在很大程度上克服了传统反应器仅通过玻璃板作为内拉筋所带来的缺点。

所述反应器底槽3为各反应器单元11的底部加固装置，保护平板式光生物反应器底部玻璃板不被硬质底面损坏。该反应器底槽3包括不锈钢凹槽31、透明塑料软垫(图未示出)和排料口32三部分，其中：不锈钢凹槽31的两侧壁分别贴住反应器单元11的前、后板，一方面增加了反应器底部抗损坏能力，另一方面也对反应器前、后板施加支撑力，阻止反应器单元由底部裂开；透明塑料软垫置于不锈钢凹槽31底壁和反应器底板之间，较好地起到缓冲作用；排料口32设置在不锈钢凹槽31的一端，由一根不锈钢圆排料管和一个阀门组成，该不锈钢圆排料管穿过不锈钢凹槽31和反应器底部玻璃板，优选地将不锈钢圆排料管的上沿稍低于或与反应器底部玻璃板平齐，以保证排料彻底。当然，不锈钢凹槽31上也可设置多个排料口，每一排料口与一反应器单元连通，在此不再赘述。

本发明中的拉筋组件2为关键部件，它可以采用多种结构形式，兹举几例进行说明：

实施例一

同时参见图2A～图2D，第一种类型的拉筋组件为“隔板型”，由不锈钢拉筋前撑板21、不锈钢内置拉筋隔板22和不锈钢拉筋后撑板23组成，其中：拉筋隔板22为内置拉筋，其一端与拉筋前撑板21的中部焊接，另一端与拉筋后撑板23的中部焊接，从而由这三块不锈钢板焊接成“工”字型结构。

装配时，拉筋前撑板21的内侧压住相邻反应器单元的前板，拉筋后撑板23的内侧压住相邻反应器单元的后板；根据反应器光径大小，确定中部不锈钢拉筋隔板22的宽度，并使得相邻反应器单元的侧板分别粘合在“工”字型结构中部的不锈钢拉筋隔板22的两侧。

实施例二

同时参见图3A～图3D，第二种类型的拉筋组件为“不锈钢中空板型”，由不锈钢拉筋前撑板21、不锈钢拉筋后撑板23、上端和下端封口且中空的不锈钢拉筋扁管24及铆钉29等组成。其中，不锈钢拉筋扁管24和不锈钢拉筋前撑板21、不锈钢拉筋后撑板23上开具均匀分布且位置相同的若干组通孔；铆钉作为锁紧部件贯穿这些通孔，以便固定相应的反应器单元。

装配时，不锈钢拉筋前撑板21的两侧分别部分压在并粘合在相邻反应器单元的前板上，不锈钢板拉筋后撑板23的两侧分别部分压在并粘合在相邻反应器单元的后板上，而相邻反应器单元的侧板分别粘合在不锈钢拉筋扁管24的两侧，最后通过螺母及铆钉对不锈钢拉筋前撑板21及不锈钢拉筋后撑板23起加固作用。

这种“不锈钢中空板型”拉筋组件结构的优点是拆装方便，如某反应器单元出现故障，可快速拆卸进行维修。

实施例三

同时参见图4A～图4D，该拉筋组件为“算盘型”，由四块不锈钢板及若干中空不锈钢拉筋圆管25和铆钉组成。这四块不锈钢板分别为不锈钢拉筋前撑板21、不锈钢拉筋后撑板23、不锈钢拉筋前加强板(图未示出)及不锈钢拉筋后加强板(图未示出)，其中：不锈钢拉筋圆管25与不锈钢拉筋前撑板21及不锈钢拉筋后撑板23焊接在一起，形成“算盘”结构。而拉筋前加强板及拉筋后加强板开设与圆管25对应的若干组通孔，每组通孔及相应圆管25中贯穿一锁紧部件。

装配时，反应器单元前、后板包出该“算盘”结构，而铆钉29作为锁紧部件穿过不锈钢拉筋圆管25、拉筋前加强板及拉筋后加强板上所开设的通孔，以便加固相应的反应器单元。

实施例四

同时参见图5A～图5D，该拉筋组件为“拉链型”，类似拉链结构，由第一“L”型不锈钢板26、第二“L”型不锈钢板27、T型不锈钢板28及若干铆钉29和橡胶垫组成，其中：第一“L”型不锈钢板26、第二“L”型不锈钢板27、T型不锈钢板28型板的中间板上开设若干通孔，铆钉穿过这些通孔，以固定相邻反应器单元的前、后板。

实施例五

这种类型拉筋组件为“塑料中空板型”，其结构与实施例二所述的拉筋组件的结构二类似，区别在于，将不锈钢拉筋扁管24替换成亚克力材料和玻璃材料组合而成的拉筋扁管结构，在此不再赘述。

采用上述任一不锈钢拉筋组件2作为反应器单元11的连接部件，均可实现反应器单元的多级串联。另外，该拉筋组件结构的引入提高了反应器抗损坏能力，克服了仅由玻璃板作为内拉筋所带来的弊病，增加了反应器的使用寿命。此外，反应器单元中培养液均通过连接通道连通，极大地增加了培养液的流动循环性，可对微藻的生长起到促进作用。

以下对本发明一试验项目的具体实施方案进行说明：

1、中试规模平板式光生物反应器的构建项目

构建培养体积为1000L左右的平板式光生物反应器体系，用以产油微藻中试规模的培养。考虑产油微藻油脂积累特性及培养空间限制，选择光径较小且高度较高的反应器，从而提高油脂收获量和减少反应器占地面积。在本实施项目设置中，平板式光生物反应器光径3cm，每个反应器单元尺寸120cm×60cm×3cm(最大装液液面高度为100cm)，计算可得55个反应器单元，每一反应器单元培养体积为18L，考虑剥离对液体压强的承受能力和玻璃的成本，选择厚度为12mm的普通玻璃，反应器拉筋组件可以根据实际情况选择任意一种，本项目选择第二种类型，具体实施步骤为：

(1)首先利用较为廉价的水泥或角铁制作反应器支架，可安装在室内，也可安装在室外；

(2)制作反应器底槽，尺寸为5cm×3cm×3300cm，反应器底槽可分段加工焊接(每段为5cm×3cm×3300cm)，反应器底槽每隔10m设置一个排料口；

(3)将反应器底槽安装在反应器支架上，通过水平仪调节反应器底槽水平后，用玻璃胶将塑料透明软垫粘合到反应器底槽内，反应器玻璃底板粘合到透明软垫之上，完成反应器底部制作；

(4)将拉筋组件焊接到反应器不锈钢底槽的指定位置，每隔60cm焊接一个；

(5)首先将反应器单元侧面玻璃板粘合到不锈钢拉筋上，然后粘合反应器后主体玻璃板到制定位置，带玻璃胶干后，在粘合反应器前主体玻璃板到指定位置，螺杆穿过两块不锈钢板及不锈钢扁管后，将前后两块主体玻璃板牢牢固定，如图6所示，平板式光反应器主体部分制作完成；

(6)培养过程中所需光照设备、循环冷却设备及通气设备需另外配置。

2、微藻的高密度培养试验

试验所用平板式光生物反应器高120cm，宽120cm，光径3.3 cm，装液体积36 L。使用时，根据不同藻种的生长需要，在反应器中加入新鲜培养基进行微藻的培养。

采用上述平板式光生物反应器已成功进行了产油小球藻和栅藻的培养，培养条件如下：光强300μmol·m^-2·s^-1、温度24℃±1℃，培养16天后可达到收获期，细胞干重可达5-6g·L^-1，细胞中总脂含量可达到干重的40～50％。

上述反应器已使用1年以上，运行情况良好。

以上实施例中，反应器单元的材料为玻璃，也可采用其它透明材料；拉筋组件及反应器底槽的材料为不锈钢，显然也可以其它金属或塑胶等材料。本发明中的关注点在于反应器的结构，对其制作材料部作限制，使用者可根据具体情况予以选择，在此不再赘述。

以上对本发明进行了详细介绍，文中应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，其中以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种平板式光生物反应器，其特征在于，包括多个串联且相互连通的独立反应器单元，且相邻反应器单元之间通过一拉筋组件连接；所述反应器单元由透明前板、后板、侧板及底板粘合而成，形成一生物反应空间；所述拉筋组件包括一拉筋前撑板、一拉筋后撑板及一内置拉筋，该内置拉筋的一端与所述拉筋前撑板固定，另一端与所述拉筋后撑板固定；相邻反应器单元的前板部分粘合于所述拉筋前撑板的同一侧面，后板部分粘合于所述拉筋后撑板的同一侧面，侧板分别粘合于所述内置拉筋的一个侧面。

2.如权利要求1所述的平板式光生物反应器，其特征在于，所述拉筋前撑板、拉筋后撑板及内置拉筋均为平板；所述内置拉筋的一端与所述拉筋前撑板的固定，另一端与所述拉筋后撑板固定。

3.如权利要求1所述的平板式光生物反应器，其特征在于，所述拉筋前撑板及拉筋后撑板均为平板，所述内置拉筋为一上端和下端封口的扁管；所述拉筋前撑板、扁管及拉筋后板上开设若干组通孔，每组通孔中贯穿一锁紧部件。

4.如权利要求1所述的平板式光生物反应器，其特征在于，还包括拉筋前加强板及拉筋后加强板；所述拉筋前支撑板、拉筋前加强板、拉筋后支撑板及拉筋后加强板均为平板，所述内置拉筋为若干圆管；所述圆管的一端与所述拉筋前撑板固定，另一端与所述拉筋后撑板固定；所述拉筋前加强板及拉筋后加强板开设与所述圆管对应的若干组通孔，每组通孔及相应圆管中贯穿一锁紧部件。

5.如权利要求1所述的平板式光生物反应器，其特征在于，所述拉筋前撑板包括第一“L”型板和第二“L”型板，所述拉筋后撑板与所述内置拉筋分别为“T”型板的底板与中间板；所述第一“L”型板、“T”型板的中间板及第二“L”型板上开设若干组通孔，每组通孔中贯穿一锁紧部件。

6.如权利要求1～5任一项所述的平板式光生物反应器，其特征在于，包括反应器底槽，所述反应器底槽上设置有凹槽，所述凹槽的两侧壁分别贴住所述反应器单元的前板及后板。

7.如权利要求6所述的平板式光生物反应器，其特征在于，所述反应器底槽设置有软垫，位于所述反应器单元的底板与所述凹槽的底壁之间。

8.如权利要求7所述的平板式光生物反应器，其特征在于，所述凹槽设置有若干排料口，每一排料口与一反应器单元连通。

9.如权利要求8所述的平板式光生物反应器，其特征在于，所述排料口包括排料管及安装于所述排料管上的阀门，所述排料管穿过所述凹槽和所述反应器单元的底板。

10.如权利要求9所述的平板式光生物反应器，其特征在于，所述排料管的上沿低于所述反应器单元的底板或与所述反应器单元的底板平齐。

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