CN1880442A - 新的多节式平板光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种平板光生物反应器，所述平板光生物反应器包括：透明的平板式箱体；在所述箱体内部有多个中空导流挡板腔体，所述导流挡板腔体内部置有一个或多个人工光源，所述导流挡板腔体安装在所述反应器内的垂直平面上，各导流挡板腔体之间有间隔；和供给气体的装置。本发明有效克服了传统的光生物反应器微藻培养***在放大过程中出现的问题，显著提高了光生物反应器的光照利用效率；同时该发明具有加工简单、操作方便、成本低廉等优点，适合微藻大规模低成本的高效培养。

Description

新的多节式平板光生物反应器
技术领域
本发明涉及生物工程领域，具体涉及微藻高密度培养领域，更具体地说是涉及一种新颖的平板式光生物反应器微藻培养***。
背景技术
将光生物反应器应用于微藻高效培养是近年来国内外竞相研究的热点。目前，藻类大规模培养基本是敞开式培养，存在易污染、难控制、效率低等缺点。为了克服上述缺点，人们开始研究应用封闭式光生物反应器来进行微藻的培养，目前已开发出各种封闭式光生物反应器。光生物反应器的基础形式主要包括管式反应器、柱式反应器和平板式反应器。这些反应器设计时采用的基本思路是两条：1)减小光程以增大每个细胞能接受到的光能；2)充分的混合以保证最适光强能有效提供给细胞并增强气体交换。
封闭式光自养培养***在微藻培养上已得到了广泛的应用。应用最广泛的大规模***(可到1000L)是Baynes等1979年提出的吊袋***(Patrick Lavens，PatrickSorgeloos.Mannual on the production and use of live food for aquaculture[M].FAOFisheries Technical Paper 361，1996)，这主要是由于吊袋***搭建成本低，且操作简便，相对开放式***而言培养效率有了较大提高。目前国内主要使用吊袋***进行二级种子培养，但吊袋***还是存在一些问题：如在容器体积放大后，由于容器直径相对较大，使光照比表面积相对较小，导致光限制性的培养；通气***不畅，导致容器内藻液混合不充分，氧解析不能有效进行等，对藻体的培养效率有较大影响。
2000年，在德国的Wolfsburg建成了一套紧密垂直排布，水平流动的管式光生物反应器***(O.Pulz.Photobioreactors：production systems for phototrophicmicroorganisms[J].Appl.Microbiol.Biotechnol.，2001，57：287-293)，该反应器由直径为4cm的玻璃管制成，总长500000m，总体积700m3，占地10000m2，年产小球藻细胞干重达130-150吨。此外还有Miguel Olaizola报道的25000L由水平排列管组成的AGM(Aquasearch Growth Module)培养***(Miguel Olaizola.Commercial production of astaxanthin from Haematococcus pluvialis using 25,000-liter outdoor photobioreactors[J].Journal of Applied Phycology，2000，12：499-506)等。
在国内，中国科学院水生生物研究所、江西省科技情报研究所和烟台大学等单位，在封闭式光生物反应器方面均开展了初步的研究工作，但所研制的光生物反应器基本上无控制***。此外，1000L的玻璃管道式光生物反应器已在户外应用于小球藻的大规模培养研究。近年来，华东理工大学海洋生化工程研究所、中国科学院过程工程研究所等单位对封闭式光生物反应器及微藻的光自养培养进行了一些研究，已成功地研制开发成10-150L系列产品，实现了光生物反应器的在位蒸汽灭菌，具有pH、溶氧、光照强度、温度等参数的在线检测与二级计算机控制功能。此外大连水产学院研制了兼有内、外光源的600L气升式反应器(吴垠，孙建明，杨志平.气升式光生物反应器培养海洋微藻的中试研究[J].农业工程学报，2004，20(5)：237-240)等。
光生物反应器的几何形状是影响光能利用效率的关键因素之一。管道式光生物反应器比表面积大，但氧解析困难，同时不易清洗，不适合微藻特别是饵料微藻的大规模培养；圆柱型光生物反应器虽然不存在氧解析困难的问题，混合也很均匀，但放大困难，无论纵向还是径向放大都存在很大的问题；平板式光生物反应器相对于前面两种反应器而言，同时具有光照比表面积大、光照利用率高、混合均匀、氧解析快、放大相对容易等优点，因此以平板式光生物反应器作为基础结构具有一定的优势，较其它类型封闭式光生物反应器更有发展前景、更易实现工业规模的应用，因此众多的研究者对其进行了研究，具有代表性的有：
1.人工光源的板箱式光生物反应器(Samson R，Leduy A.Multistagecontinuous cultivation of blue-green alga Spirulina maxima in the flat tankphotobioreactors with recycle[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering，1985，63：105-112)：加拿大的Samson和Leduy报道了一种人工光源的板箱式光生物反应器，板箱长度122cm，板箱厚度10cm，板箱内藻液的装液高度约50cm。用16根荧光灯照光，板箱两侧每侧8根，表面平均光强30klux。反应器的总装液体积64L。表面积与体积比约20m-1，采取通气鼓泡混合。
2.水平放置的板式光生物反应器(Ramos de Ortega，Roux J C.Production ofchlorella biomass in different types of flat bioreactors in temperate zones[J].Biomass，1986，10：141-156)：法国的Ramos de Ortega和Roux报道了一种硬质聚乙烯塑料板式光生物反应器的户外培养研究。这种反应器由具有三层壁的单元板组合而成，每块单元板长6m，宽25cm，厚4cm。单元板的内部结构与空心瓦的内部结构相似，从单元板的横截面观察，可以看到两排网格状方形通孔管道。一排方形管道用来通冷却水，另一排方形管道用作藻液流动。每个方形通管长度与板长相等为6m，口径为3.85cm×1.85cm。
3.垂直嵌槽板式反应器(Tredici M R，Carlozzi P，Chini Zittelli G et al.Avertical alveolar panel(VAP)for outdoor mass cultivation of microalgae andcyanobacteria[J].Bioresource Technology，1991，38：153-160)：意大利的Tredici等开发了一种垂直嵌槽型板式反应器，反应器是用建温室的商品盖板材料改装制成。反应器的板厚1.6cm，迎光表面积为2.2m2，反应器的装液量约在25-27L之间，比表面积为80m-1。Tredici将这种盖板材料垂直放置，并采用气升循环混合，藻液沿着垂直方向流动，故称为垂直嵌槽板式反应器(Vertical AlveolarPanel，VAP)。
4.多层平行排列板式光生物反应器(Pulz O，Gerbsch N，Bachholz R.Lightenergy supply in plate-type and light diffusing optical fiber bioreactors[J].Journal ofApplied Phycology，1995，7：145-149)：德国的Pulz等报道了多层平行排列板式光生物反应器研究。这种反应器的比表面积为60m-1。试验中最多时，反应器由21个平行的板式反应器单元组成，单板的厚度为2.5cm，总体积达6000L，其中暗体积680L。该板式反应器的透光表面积为436m2，占地面积约100m2。阳光有一部分直射到反应器板面，大部分是通过反射或散射进入反应器的。
5.倾斜鼓泡板式光生物反应器(Hu Qiang，Richmond A.Productivity andphotosynthetic efficiency of Spirulina platensis as affected by light intensity，algaldensity and rate of mixing in a flat plate photobioreactor[J].Journal of AppliedPhycology，1996，8：139-145)：Hu等报道了这种板式光生物反应器的研究。该反应器的板箱用玻璃制作。反应器箱体内部没有纵向或横向隔板，形成完整的连续内部空间，以鼓泡方式混合。这种板式光生物反应器高70cm，宽90cm。
6.Graziella等设计了一种由六个平板单元组成的反应器(Modular Flat PanelPhotobioreactor，MFPP)(Graziella Chini Zittelli et al.A modular flat panelphotobioreactor(MFPP)for indoor mass cultivation of Nannochloropsis sp.Underartificial illumination[J].Journal of Applied Phycology，2000，12：521-526)，并研究了光照强度对藻内成分组成的影响。该反应器每个平板单元装液体积为20.5L，受光面积为3.4m2，灯管放在各平板单元之间，组成一个封闭的整体，整个反应器放在一个可控温的小室内。
7.Jrg Degen等设计的一种带挡板的新型平板式光生物反应器(Jrg Degen，Andrea Uebele et al.A novel airlift photobioreactor with baffles for improved lightutilization through the flashing light effect[J].Joumal of Biotechnol.，2001，92：89-94)。这种反应器由树脂玻璃制成，光照面积为0.084m2，采取两种光程(15mm和30mm)，体积分别为1.5L和3.0L，其中挡板占去7％的体积。藻液循环中向下流动的通道位于反应器宽度方向的一侧，(该空间较小)，上升通道被5块水平挡板分成相通的6个部分，这5块挡板交替的固定在反应器的前后面板上，以增加湍动，促进藻液混合。
国外已公开的关于板式光生物反应器的发明专利主要有：
1.Jacques Delente等的光生物反应器(美国专利.US005104803A，1992-04-14)。该反应器为箱式反应器，反应器内可***多排与液体隔离的灯管做为内光源用，在反应器底部，每两排灯管之间有一个气体分布气供气，使液体绕灯管循环流动。
2.Scot D.Hoeksema等的内光源箱式光生物反应器(美国专利。US 005162051A，1992-11-10)。该反应器腔体内有四排内光源，这四排内光源与培养液隔离，形成独立的腔体，同时还作为分隔藻液上升通道与下降通道间的挡板，在反应器底部的恰当位置通气，培养液绕挡板流动形成多个循环。这样既提高了光的利用率，又克服了藻细胞易附着在内光源上的问题，提高了微藻的培养效率。
3.Tredici等的平板式光生物反应器(意大利专利.IT 1241751，1994-02-01)。该反应器内有多个挡板，在反应器底部的恰当位置通气，使培养液绕挡板流动形成多个循环。
4.James S Craigie等的内光源箱式光生物反应器(美国专利.US 2003/0059932A1，2003-03-27)。该反应器采用了内光源的形式，有独立的安装内光源的腔体，克服了藻细胞易附着在内光源上的问题。
5.Boussiba Sammy等的平板式光生物反应器(世界专利.WO 2005/006838A2，2005-01-27)。该反应器由矩形金属网状支架、塑料袋、气路及控温管等组成。使用时，将塑料袋安装在网状支架内，再将培养液及微藻添加于塑料袋中，由底部进气使培养液形成循环流动，由蛇形管进行控温。该反应器结构简单，成本低廉，适用于大规模生产。
在上述专利中，Jacques Delente等发明的箱式光生物反应器，虽然使用了内部光源，提高了光的利用率，但它不能接受外部光照，增加了运转成本，而且嵌入式的内光源还存在散热困难的问题；Scot D.Hoeksema等发明的内光源箱式光生物反应器是以Jacques Delente的发明为基础的，虽然改善了内光源的安装方法，但同样存在散热困难的问题，而且作为箱式反应器，对外部光源的利用也很有限，另外虽然其总体积达到0.3m3左右，但实际装液量仅为0.11-0.13m3，这大大增加了制造成本；Tredici等和Boussiba Sammy等发明的平板式光生物反应器，完全采用了外部光照，因而光的利用率低；James S Craigie等发明的内光源箱式光生物反应器，也不能利用外部光源，且同样存在散热问题。
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。上述短光程的平板式光生物反应器***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***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列方式还会增加阻力，影响藻液的循环；而且除了Jrg Degen等设计的新型平板式光生物反应器外都没有考虑如何有效的加强藻液在光照方向的混合，限制了光的利用率，增大了放大的难度。Jrg Degen等设计的反应器由于在内部添加了多块档板，增加了液体流动阻力，使能耗增加，同时由于内部结构复杂也不利于清洗与放大。对于较大规模的培养***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。
因此，对于平板式光生物反应器***的放大，应在增大光程提高反应器单元体积的同时，通过增大反应器的比表面积，增加人工光源和促进藻液在光照方向的混合等来提高光能的利用率，从而满足微藻高密度培养的需要。
目前，对平板式光生物反应器的研究国内鲜有报道，也没有公开的发明专利，已公开的其它形式光生物反应器发明专利主要有：郭祀远，李志勇，李琳等的管道气升式磁处理光生物反应器微藻养殖装置(中国专利.CN1187535，1998-07-15已授权)；徐明芳的螺旋藻光辐射塔板式光生物反应器养殖***及其控制方法(中国专利.CN1201826，1998-12-16)；刘昕，袁建平，王江海等的光生物反应器促进雨生红球藻增殖获取纯藻种的方法(中国专利.CN1392243，2003-01-22已授权)；林震能的自动化连续生产跑道式光生物反应器(中国专利.CN1394951，2003-02-05已授权)；丛威，康瑞娟，蔡昭玲的一体式的气升式光生物反应器及其用途(中国专利.CN1472305，2004-02-04)；骆其君，裴鲁青，严小军等的一种培养微藻的方法及使用的光生物反应器***(中国专利.CN1563346，2005-01-12)；冯斌，毕永红，江涓等的一种雨生红球藻高密度培养的气升式光生物反应器(中国专利.CN1680539，2005-10-12)；刘建国，刘伟，王增福等的微藻培养的光生物反应器装置(中国专利.CN1718720，2006-01-11)；刘建国，王增福，刘伟等的微藻规模培养的管道光生物反应器(中国专利.CN1721523，2006-01-18)。
以上专利都为气升式管状或柱状光生物反应器，管状反应器虽然较易于放大，但氧解析差，清洗困难，动力消耗大；而柱状反应器的长光程则增加了放大的难度。为了增加混合，刘昕等的光生物反应器采用了调速桨叶轮搅拌器及卷水轮装置，刘建国等的管道光生物反应器采用了机械装置推动水体的流动，这些装置不但增加了能耗，产生的剪切力还会对藻细胞造成伤害。为了提高反应器的总光强，弥补自然光照的不足，人工光源已广泛地应用于光反应器中微藻的培养。目前人工光源常采用外置和内置两种方式，在上述专利的光照***中，林震能的跑道式光生物反应器将光照***置于连通管交叉叠加而形成的“井”字形立体空间内，冯斌等的气升式光生物反应器同时采用了内光源和外光源，其它反应器***都采用了外光源的形式。外置光源操作方便，但光能利用效率低；内置光源较大地提高了光的利用率，但由于其产生的热量和细胞的附壁性限制了内置光源的应用。
因此，本领域仍然需要提供新的适用于大规模培养微藻的平板光生物反应器。
发明内容
本发明以先进的光生物反应器设计理念为指导，着重从提高反应器中光能利用效率的角度出发，研究并设计出了一种比表面积大、光能利用率高、藻液混合及循环状况好的新型微藻生产***。
具体而言，本发明提供了一种平板光生物反应器，所述平板光生物反应器包括：
透明的平板式箱体；
在所述箱体内部有多个中空导流挡板腔体，所述导流挡板腔体内部置有一个或多个人工光源，所述导流挡板腔体安装在所述反应器内的垂直平面上，各导流挡板腔体之间有间隔；和
供给气体的装置。
在一个较佳的实施方案中，所述各导流挡板腔体之间间隔为10-100mm。
在另一个较佳的实施方案中，所述平板光生物反应器的总体积为1000L或更大。
在另一个较佳的实施方案中，所述供给气体的装置为在所述反应器底部的气体分布器。
在另一个较佳的实施方案中，所述导流挡板腔体安装在所述反应器内的同一垂直平面上，该垂直平面将反应器内部区域分为流体上升通道和流体下降通道，所述供给气体的装置在所述流体上升通道内。较佳的，所述流体上升通道和流体下降通道的截面积之比为0.5∶1至3∶1。
在另一个较佳的实施方案中，所述导流挡板腔体安装在所述反应器内的多个垂直平面上，该垂直平面将反应器内部区域分为多个流体上升通道和流体下降通道，所述供给气体的装置在所述流体上升通道的一个或多个内。
在另一个较佳的实施方案中，所述平板光生物反应器还包括控制温度的装置、检测pH的装置、检测溶氧的装置、检测温度的装置、以及进料和排料装置。
在另一个较佳的实施方案中，所述导流挡板空腔内的人工光源与光路控制***相连。
本发明另一方面还涉及上述平板光生物反应器在培养微藻中的应用。
本发明有效克服了传统的光生物反应器微藻培养***在放大过程中出现的问题，其优点和新颖性主要表现在下述5个方面：
1)反应器内部多节导流挡板中空腔体的采用，不仅改善了反应器的总体混合，而且增强了流体径向即光照方向的混合，更有效地促进液体循环，减少动力消耗，提高了入射光的利用率。
2)创新性地设置了反应器内部多节挡板中空腔体，在其中放置人工光源，避免了外置和单纯内置光源的缺点，光能利用效率高。
3)光照比表面积大，内外表面可同时受光，增大了光照的比表面积，同时减小了光程。
4)反应器体积大(1000L)，且其设计的几何形状易于进一步放大。
5)易于加工制作，操作方便，加工和使用成本低。
本发明的目的是从以上几方面来提高光生物反应器的光照利用效率，同时对反应器培养***进行优化，以获得适合微藻大规模低成本高效培养的新型微藻培养***，加快光生物反应器在微藻工厂化生产中的实际应用，促进微藻培养技术产业化的发展。
附图说明
图1显示了内光源分为三节时，一侧通气的多节-气升式-内光源-平板光生物反应器的主视图，其中各符号含义如下：1平板反应器箱体；2进气管；3导流挡板中空腔体；4内部光源(节能日光灯)；5气体分布器；6控温蛇形管；7光路控制***；8手孔(加料孔、接种孔)；9排气孔；10密封顶盖；11pH、溶氧、温度传感器探头；12排料口；13流体上升通道；14流体下降通道；15导流挡板腔体间间隙。
图2显示了图1所示的内光源分为三节时，一侧通气的多节-气升式-内光源-平板光生物反应器的侧视图。
图3显示了内光源分为三节时，中间通气的多节-气升式-内光源-平板光生物反应器的侧视图，其中各符号含义如图1。
图4显示了自然光照下1000L多节-气升式-内光源-平板光生物反应器与单节平板光生物反应器中球等鞭金藻3011培养效果比较图。
图5显示了不同培养***中三角褐指藻培养效果比较图。
图6显示了自然光照下不同培养***中球等鞭金藻3011培养效果比较图。
图7显示了自然光照补加人工光条件下不同培养***中球等鞭金藻3011培养效果比较图。
具体实施方式
如前所述，光生物反应器的几何形状是影响光能利用效率的关键因素之一。平板式光生物反应器相对于其它形式的反应器而言，同时具有光照比表面积大、光照利用率高、混合均匀、氧解析快、放大相对容易等优点，因此以平板式反应器作为基础结构具有一定的优势。但目前大多数平板式光生物反应器光程过短，规模较小，采用外置光源，光能利用率低，同时混合情况，特别是光照方向的混合也有待改善。本发明即是以平板式光生物反应器为基础结构，对其进行创新性的改进优化，使其适应于微藻的大规模高效培养。
反应器内部的流体混合效果是影响反应器中光照利用效率一个关键因素。实现反应器内部的流体混合可通过机械搅拌和通气来实现。由于微藻的附壁性及对流体剪切力的敏感性，有机械搅拌的反应器不利于清洗且不利于培养对剪切力敏感的藻类，而且造价和维护费用高，不适合微藻的经济生产；通过通气来带动藻液循环是目前微藻培养中最常用的方法，同时通气又可以提供微藻生长所需的碳源，但常用的通气方式带动的藻液循环较慢，难以达到充分的混合，尤其在光照方向上的混合很差。
本发明即通过在反应器内部采取独特的结构，一方面促进了藻液在光照方向的混合与总体混合，提高藻液的循环速度，从而提高光的利用率。另一方面，本发明将内外光源的优点有机地结合在一起，避免了各自的缺点，在提高微藻对光的利用率的同时，解决了藻细胞易附着在内光源上这一问题，并且改善了内光源的散热问题。
具体地说，本发明提供了一种平板光生物反应器，所述平板光生物反应器包括：透明的平板式箱体；在所述箱体内部有多个中空导流挡板腔体，所述导流挡板腔体内部置有一个或多个人工光源，所述导流挡板腔体安装在所述反应器内的垂直平面上，各导流挡板腔体之间有间隔；和供给气体的装置。本发明的多节-气升式-内光源-平板光生物反应器适用于培养各种微藻。本发明对于具体培养的微藻并无过多限制，这些微藻通常能够通过市售途径获得。
下面将从增加反应器的光照比表面积、采用独特的光照***、加强藻液内部混合与循环、增大光反应器体积、检测控制及安装操作等方面来具体说明本发明的实施方法。
1.增加反应器的光照比表面积
本发明采用透明的长方形平板式箱体，为了充分的利用自然光照，降低能耗，在设计上尽可能的增加了外部表面积，以1000L平板光生物反应器为例，能接受自然光照的面积为6.5m2；同时透明的导流挡板腔体壁面作为反应器内部光照表面积，能接收人工光源和部分自然光的光照面积为4.2m2。这种外部和内部可同时接收光照的设计方式大大增加了反应器的光照面积，其光照比表面积达11∶1，远远超过了其它平板或圆柱型光生物反应器的光照比表面积。
2.采用独特的人工光源放置方式
反应器具有多节的导流挡板中空腔体，腔体内壁上安装有两排共六个小支架，用于放置节能日光灯管，其光强可通过光路控制***调节。因此，导流挡板腔体除了具有一般气升式反应器的导流作用外，还为内置人工光源提供了独立的空间，避免了藻体与光源的直接接触，从而解决了内置光源由于微藻的趋光性而粘附于灯管表面、遮挡光线的问题。同时将人工光源放置于内部空腔又可避免外置人工光源光照利用效率低的问题，这样的放置方式既提高了光照利用效率，又方便安全操作。另外，为了提高人工光源的利用效率，采取了人工光照和自然光照有机结合的给光工艺，即在自然光强低于一定值(如傍晚和阴雨天)时再开启人工光源。
3.加强反应器内藻液的整体循环、上下混合及光照方向的混合
反应器内部有垂直的导流挡板中空腔体，将反应器从厚度方向分隔为横截面积不同的两个流体通道，较宽通道靠近底部处放置气体分布器，此通道作为气升式结构的上升通道，而较窄的一侧作为气升式结构的下降通道，气体分布器与底部以及液面与导流档板腔体皆保持适当的距离，这样大大的提高了反应器由上到下的混合，促进了藻液的整体循环。
同时导流挡板中空腔体在垂直方向上按一定比例进行分割，形成多节式的导流挡板腔体结构，且多节导流挡板腔体间保持一定的间隙，允许反应器上升通道和下降通道在中间连通，使部分藻液回流。通常的气升式反应器中，液流循环只在反应器的顶部或底部才有光照方向的液流交换，而由于光照在藻液中的衰减，造成光照方向上光强分布不均，这对反应器内部藻细胞获得光照是不利的。多节式导流挡板腔体结构可以增强光照方向的混合，缩短藻细胞在上升通道和下降通道之间的平均循环时间，这对生产规模的大体积光生物反应器是相当重要的。
在传统光生物反应器中，促进反应器光照方向混合的方法为在反应器内部添加各种挡板，这虽在一定程度上促进了光照方向的混合，但反应器内部结构复杂，加工与清洗都很困难；而且添加挡板增加了压头损失，不利于藻液的整体循环和上下混合，使动力消耗增加，生产成本提高，不利于反应器的放大。
本发明通过采用特殊的多节-气升式的形式，避免了传统反应器的缺点，同时加强反应器内藻液的整体循环、上下混合与光照方向的混合，大大加强了反应器的总体混合效果，因而提高了光照利用效率。同时反应器内部的流体流动速度可通过气体流量和气体分布器进行控制。
4.反应器的体积
实现光生物反应器中微藻的低成本规模化培养，关键之一就是反应器的体积要足够大，这是目前限制光生物反应器在微藻工厂化生产中实际应用的瓶颈。本发明在多年对反应器结构优化的基础上，研发出的1000L平板式光生物反应器，大于大多数国内其它形式的光生物反应器，且研发时充分考虑到反应器进一步放大的可行性，在反应器结构和各部件的比例上(如：流体上升通道、流体下降通道和挡板空腔的截面积保持比例为2∶1∶1)进行了有利于放大的合理搭配。
5.检测控制及安装操作
本发明的反应器配有pH、溶氧及温度的在线检测***，并可实现计算机的二级控制。根据这些参数的实时检测结果进行培养工艺的合理调节，具体表现为：根据pH的高低进行通气量的调节，当藻液的pH超过生长范围时，可增大通气量以维持pH在适宜的范围内；根据溶氧的高低判断藻细胞光合作用的强弱，并据此进行合理的光照调节；反应器内有用于温度控制的蛇形管，通过调节进入蛇形管的控温水的温度来控制培养温度。
整个反应器垂直安装在三角型的支架上，起到稳定和加固反应器的作用，同时在反应器前后两面的中部有一横向支架，可以防止随着反应器体积增加和水压增大所引起的反应器壁面凸起变形问题。
反应器操作方便，其进水管道直接与反应器连接，打开管道的阀门即可自动向反应器中添加培养用水或清洗用水；同时放料口可通过管道与其它***连接，如在海水养殖中与育苗池连接，实现饵料的自动投喂。
下面将结合附图来进一步说明本发明的多节-气升式-内光源-平板光生物反应器的结构。
图1显示了本发明的多节-气升式-内光源-平板光生物反应器的主视图，图2为该平板光生物反应器的侧视图。图中，反应器内的箭头表示藻液的循环流动方向。为确保光照利用率，本发明的平板光生物反应器中的各个部件如箱体、中空导流挡板腔体等应用对光线透明的材料制成。同时，为了满足反应器内部混合的要求，所述材料还需要具有一定的强度。所述材料可以选自有机玻璃或聚合物材料，较佳的材料是有机玻璃。
如图1和图2所示，本发明的多节-气升式-内光源-平板光生物反应器的外壳为平板式箱体。术语“平板”具有本领域技术人员所知道和认可的含义，其表示箱体的宽度(或厚度)远远小于箱体的高度和长度。因此，当箱体的宽度在300-800mm之间，长度和高度在1000-2000mm之间(其具体尺寸可根据具体需求和结构设计而异)的反应器也属于平板式反应器。例如，在图3所示在两个垂直平面内放置导流挡板中空腔体的情况下，箱体的宽度可以稍大一些。
在反应器的透明箱体1中，进气管2由顶部通过密封顶盖10的穿板接头连接进入反应器，下端与供给气体的装置5相连。所述供给气体的装置5可以采用本领域技术人员熟知的那些装置，如气体分布器。为了确保较好的混合和供气效果，气体分布器5宜在反应器的底部。所供给的气体可以根据藻体培养需要而定。例如，所用气体可以是空气，也可以是含一定浓度CO2的混合气体。进入反应器的气体不但为藻体生长提供必须的碳源，而且基于气升式原理，能带动藻液的整体循环。
透明箱体内固定了多个导流挡板中空腔体3，将长方形的箱体分为流体上升通道13、流体下降通道14和导流挡板中空腔体三部分。为了确保和促进反应器内的混合充分，导流挡板中空腔体3可上下边缘可以设计成能够减小流体阻力的各种形状。所述导流挡板中空腔体3内具有一个或多个小的支架，因而可以根据需要放置一个或多个人工光源4。人工光源4可以采取光生物培养领域中常用的光源，其中节能日光灯是较佳的。但是，本领域技术人员也完全可以采用在透明箱体1的长度方向上放置多个点光源的方式。人工光源4的光强可通过外部的光路控制***7进行调控。所述导流挡板中空腔体可以是一端或两端固定在透明平板箱体的宽度方向的侧壁上，以便于安装人工光源4，以及与外部的光路控制***7相连接。
在一个较佳的实施方案中，如图1和图2所示，所述多个导流挡板中空腔体3分布在宽度方向的同一个或多个垂直平面内，且各个导流挡板中空腔体3内的多个人工光源4也分布在宽度方向的同一个或多个垂直平面内。然而，本领域技术人员应当理解，这仅仅代表了本发明的一个较佳的实施方案，而本发明的范围并不应局限于所述附图所示的具体排列方式。相信即使各导流挡板中空腔体3或各人工光源4不严格分布在宽度方向的同一个垂直平面内也应能实现本发明的发明目的。
本发明的平板光生物反应器是多节的，即，各导流挡板中空腔体3是分开的，其间具有一定的间隙15，该间隙15通常在10-100mm之间，较佳的在20-80mm之间，更佳的在30-70mm之间，还要佳的约为50mm左右。如图2中的水平箭头所示，所述间隙15使得流体上升通道13和流体下降通道14在反应器的中间连通，从而使得部分藻液回流，促进了混合。例如，在垂直平面内可以有两个、三个、四个、五个或更多个分开的导流挡板中空腔体3，从而形成两节、三节、四节、五节或更多节的平板光生物反应器。最顶部和最底部的导流挡板中空腔体3宜与箱体的顶部和底部保持一定的距离(通常约100-200mm)，以便藻液的循环混合。
如上所述，导流挡板中空腔体3将长方形的箱体分为流体上升通道13、流体下降通道14和导流挡板中空腔体三部分。气体分布器5将气体均匀地分布于培养藻液中，然后带动藻液从流体上升通道13向流体下降通道14循环流动，同时，部分藻液由导流挡板腔体3间的间隙15从下降通道向上升通道横向流动，从而加强光照方向的流体混合，更好地利用光能。在一个较佳的实施方案中，所述流体上升通道13的截面积(在宽度方向上)宜大于流体下降通道14的截面积，例如，为流体下降通道14的截面积的1.5-3倍，较佳的为2-2.5倍。气体分布器5则位于流体上升通道13内。
如图1所示，反应器内还安装有控制培养温度的控温装置(如控温蛇形管)6，通过调节进入蛇形管的控温水的温度来控制培养温度。光路控制***7用于调节人工光照的时间和光强大小。另外，反应器还具有用于加料和接种的手孔8(培养过程中加盖封住)、排气孔9、反应器密封顶盖10；以及用于测量反应器内藻液温度、pH及溶氧的传感器11，以便将获取的过程数据传递到控制分析终端，用于培养条件的优化控制和结果处理。
附图3显示了本发明多节-气升式-内光源-平板光生物反应器的另一实施方案。在该实施方案中，在透明箱体1内的宽度方向上的两个垂直平面内分布了多个导流挡板中空腔体3，从而形成了中间为流体上升通道13、两侧为流体下降通道14的藻液循环模式。此时，宜使气体分布器5位于流体上升通道13内。当然，本领域技术人员在阅读了本发明的上述两个具体实施方案后也可以想到采用的排列方式，如在透明箱体1内的宽度方向上的三个或更多垂直平面内分布导流挡板中空腔体3，并根据需要布置一个或多个气体分布器5。
在本发明的具体实施例中，所用的多节-气升式-内光源-平板光生物反应器总体积为1000L，其基本外形尺寸为1800×1450×400(高×长×宽单位mm)，上升通道宽度为200mm，下降通道厚度与导流板中空腔体宽度皆为100mm。每个导流挡板空腔间的间隙为50mm，第一个导流挡板空腔上沿到反应器顶部的距离为200mm，第三个导流挡板空腔下沿到反应器底部的距离为120mm。然而，本领域技术人员应当理解，本发明的多节-气升式-内光源-平板光生物反应器并不仅仅局限于这一具体方式。
为了详细说明本发明的使用方法及其优势所在，下面以三个实施实例进行具体说明：
实施例1：采用本发明与单节平板光生物反应器培养效率的比较
在自然光照下，比较了本发明的1000L多节-气升式-内光源-平板光生物反应器与1000L单节气升式平板光生物反应器的培养效率。所用培养基为：NaNO3：90mg/L，KH2PO4：5mg/L，FeC6H5O7·5H2O：0.5mg/L；培养温度为25～30℃；1000L多节平板式反应器及1000L单节平板式反应器实际装液体积为800L左右，气液比为0.1vvm；培养所用藻种为球等鞭金藻3011(可市售购得)。
试验用海水经过沉淀、加压沙滤等初步处理后，再采用氧化法消毒，使用前每立方米海水约加入1L市售漂白液(有效氯含量约10％)，通气混匀，处理8～10小时后按每L漂白液100克的量加入硫代硫酸钠中和，并用碘化钾淀粉试剂检验是否有余氯的存在(通常此时为硫代硫酸钠稍过量)，如无余氯，则继续通气1～2小时，氧化稍过量的硫代硫酸钠。
自然光照条件下，1000L多节平板反应器与1000L单节平板反应器的球等鞭金藻3011培养结果如附图4所示。培养前期(46h之前)，两个反应器中藻细胞生长差别不大；培养46h后，多节平板式反应器中藻细胞密度逐渐高于单节平板式反应器；培养至118h，多节平板式反应器中达到最高细胞密度为755×104个/ml，而单节平板式反应器为662×104个/ml，前者比后者提高0.14倍。这说明多节-气升式-内光源-平板光生物反应器特殊的多节隔板结构加强了藻液的混合，特别是光照方向的混合，促进了藻液的总体循环，使反应器内的藻细胞都能获得合理的光照，提高了光能的利用效率，更有利于藻细胞的生长。
实施例2：采用本发明高密度培养在海水育苗中广泛应用的三角褐指藻
所用培养基为：NaNO3：90mg/L，KH2PO4：5mg/L，FeC6H5O7·5H2O：0.5mg/L；培养温度为20～25℃；1000L平板式反应器实际装液体积为800L左右。试验用海水处理方法同实施例1。
分别在自然光照和增加人工光源的情况下，比较了本发明的1000L平板式反应器与300L圆柱型反应器的培养效率，300L圆柱型反应器为一种***带支架的立袋，是目前国内工厂化饵料微藻培养用的一种较先进的培养***。培养过程中，各种反应器表面的自然光强平均为：阳面约8000lx，阴面约3500lx；增加人工光源组灯管-液体体积比为6根灯管/300L，在夜间(18:00-7:00)进行照光，其中1000L平板式反应器人工光源形式为内光源，300L圆柱型反应器为外光源。各反应器内的气液比为0.1vvm，实验结果如附图5所示。
在相同的气液比下，夜间不增加人工光源时，1000L平板反应器生长情况明显好于300L圆柱型反应器。在培养的前96h，细胞浓度较低时，两种反应器内细胞生长速率基本一致；但随着细胞密度的增大，300L圆柱型反应器中细胞的生长受到光限制，生长变慢，到146h时细胞数开始出现下降；而由于平板式反应器的光照比表面积大，光照条件好，所以随着细胞密度的增大，细胞仍保持快速生长。最终1000L平板反应器中最高藻细胞密度到达888×104cell/ml，而300L圆柱型反应器中最高藻细胞密度为633×104cell/ml；平板反应器中细胞密度比圆柱型反应器有了较大的提高，培养结束时密度提高了0.4倍。由此说明多节-气升式-内光源-平板光生物反应器的结构使光的利用效率得到了较大的提高。
在相同的气液比下，夜间增加人工光源时，两种类型的反应器中细胞生长明显加快，说明在两种反应器中不增加人工光源时，光照仍然是细胞生长较大的限制因素。两种反应器同时增加相同灯管-液体体积比的人工光源时，前期藻细胞密度低时，两者的生长速率基本相当，但后期随着细胞密度的增大，圆柱型反应器由于混合情况差，光照利用效率低，光限制致使细胞基本停止生长。最终1000L平板反应器中最高藻细胞密度到达1472×104cell/ml，而300L圆柱型反应器中最高藻细胞密度为997×104cell/ml；平板反应器中细胞密度比圆柱型反应器有了较大的提高，培养结束时密度提高了近0.5倍。这进一步说明多节-气升式-内光源-平板光生物反应器的结构使光的利用效率得到了较大的提高。
通过以上两组实验结果可以看出，由于多节-气升式-内光源-平板光生物反应器光程短，且采用了特殊的多节-气升式形式，大大促进了藻液在光照方向的混合，使每个藻细胞都能得到较充分的光照，从而提高了光照的利用率，促进了藻细胞的生长。同时，通过比较两组实验可以发现，在没有增加人工光源时，平板反应器中细胞终密度比圆柱型反应器提高了0.4倍；增加人工光源时，前者细胞终密度比后者提高了近0.5倍，这说明平板反应器的人工光源放置方式(内部光源)明显提高了光照利用效率。
多节-气升式-内光源-平板光生物反应器的体积为圆柱型的三倍，这样既实现了反应器的成功放大，又提高了培养效率，这说明多节-气升式-内光源-平板光生物反应器中特殊的多节-气升式形式和内部光源放置方式促进了反应器中光照方向混合，提高了光能利用率，更有利于藻细胞的生长。
实施例3：采用本发明高密度培养在海水育苗中广泛应用的球等鞭金藻3011
所用培养基为：NaNO3：90mg/L，KH2PO4：5mg/L，FeC6H5O7·5H2O：0.5mg/L；培养温度为24～32℃；1000L平板式反应器实际装液体积为800L左右。试验用海水处理方法同实施例1。
分别在自然光照和补加人工光源的情况下，比较了本发明的1000L多节-气升式-内光源-平板光生物反应器与300L圆柱型反应器的培养效率。增加人工光源组中，当白天(8:00-18:00)日光光强＜8000lx时补加人工光源，灯管-液体体积比为6根灯管/300L，其中1000L平板式反应器人工光源形式为内光源，300L圆柱型反应器为外光源，各反应器内的气液比为0.1vvm。
自然光照条件下，1000L平板反应器与300L圆柱型反应器的球等鞭金藻3011培养结果如附图6所示。平板反应器中的细胞生长曲线从100×104个/ml左右开始逐渐高于相同条件下的圆柱型反应器，培养120h达到最高细胞密度，平板反应器为453×104个/ml，圆柱型反应器为377×104个/ml，前者比后者提高0.2倍。
自然光照且白天补加人工光照条件下，1000L平板反应器与300L圆柱型反应器中球等鞭金藻3011培养结果如附图7所示。平板反应器内细胞生长曲线从70×104cells/ml后一直高于同样条件下的圆柱型反应器，培养94h平板反应器中达到最高细胞密度362×104cells/ml，圆柱型反应器为269×104cells/ml，前者比后者提高出了0.35倍。
以上两组实验结果再次说明由于多节-气升式-内光源-平板光生物反应器光程短，且采用了特殊的多节-气升式结构，大大促进了藻液在光照方向的混合，有利于微藻的生长。由于补加人工光组实验中，自然光照相对较弱导致最高细胞密度反而低于自然光照组，但补加人工光组实验中平板反应器最高细胞密度比圆柱型反应器提高的倍数更大，这说明平板反应器人工光源放置方式(内部光源)明显地提高了反应器的光照利用效率。所以多节-气升式-内光源-平板光生物反应器特殊的内部结构促进了藻液在光照方向的混合，提高了光能利用率，更有利于藻细胞的生长。
综上所述，1000L多节-气升式-内光源-平板光生物反应器以先进的光生物反应器设计理念为指导，集中了平板式光生物反应器和圆柱式光生物反应器的优点，并创新性的设置了反应器内独立的中空腔体，放置内部光源，避免了单纯内置和外置光源的缺点，中空腔体同时作为改善反应器内部混合效果的隔板，既大大促进了藻液在光照方向的混合，增强了光照的利用效率，又避免了传统内光源光生物反应器的不足，大大提高了微藻的培养效率。
尽管本发明描述了具体的例子，但是有一点对于本领域技术人员来说是明显的，即在不脱离本发明的精神和范围的前提下可对本发明作各种变化和改动。因此，所附权利要求覆盖了所有这些在本发明范围内的变动。本文引用的所有出版物、专利和专利申请均纳入本文作参考。

Claims (10)

1.一种平板光生物反应器，其特征在于，所述平板光生物反应器包括：
透明的平板式箱体；
在所述箱体内部有多个中空导流挡板腔体，所述导流挡板腔体内部置有一个或多个人工光源，所述导流挡板腔体安装在所述反应器内的垂直平面上，各导流挡板腔体之间有间隔；和
供给气体的装置。
2.如权利要求1所述的平板光生物反应器，其特征在于，所述各导流挡板腔体之间间隔为10-100mm。
3.如权利要求1所述的平板光生物反应器，其特征在于，所述平板光生物反应器的总体积为1000L或更大。
4.如权利要求1所述的平板光生物反应器，其特征在于，所述供给气体的装置为在所述反应器底部的气体分布器。
5.如权利要求1所述的平板光生物反应器，其特征在于，所述导流挡板腔体安装在所述反应器内的同一垂直平面上，该垂直平面将反应器内部区域分为流体上升通道和流体下降通道，所述供给气体的装置在所述流体上升通道内。
6.如权利要求5所述的平板光生物反应器，其特征在于，所述流体上升通道和所述流体下降通道的截面积之比为0.5∶1至3∶1。
7.如权利要求1所述的平板光生物反应器，其特征在于，所述导流挡板腔体安装在所述反应器内的多个垂直平面上，该垂直平面将反应器内部区域分为多个流体上升通道和流体下降通道，所述供给气体的装置在所述流体上升通道的一个或多个内。
8.如权利要求1所述的平板光生物反应器，其特征在于，所述平板光生物反应器还包括控制温度的装置、检测pH的装置、检测溶氧的装置、检测温度的装置、以及进料和排料装置。
9.如权利要求1所述的平板光生物反应器，其特征在于，所述导流挡板空腔内的人工光源与光路控制***相连。
10.权利要求1-9任一项所述的平板光生物反应器在培养微藻中的应用。
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