CN205443274U - 一种箱式环流泡沫光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种箱式环流泡沫光生物反应器，包括：一箱体，设有一进料口和一出料口，且所述进料口与所述出料口位于所述箱体的相对两侧；多块导流板，竖直设置于所述箱体内，将所述箱体分成多个隔室，所述导流板上设有多个导流孔；多个气体分布器，设置于所述箱体底部，且间隔设置于所述隔室内；一泡沫槽，设置于所述箱体上方，且与所述箱体连通，所述泡沫槽上设有泡沫排出口。

Description

一种箱式环流泡沫光生物反应器

技术领域

本实用新型涉及一种箱式环流泡沫光生物反应器。

背景技术

光生物反应器是能够有效利用光能，完成特定生物质培养等过程的反应器。光照生物质培养在未来环境和能源领域有广泛应用价值。

光生物反应器的一重要应用是用于藻类等生物的高密度培养。采用光生物反应器进行海洋微藻的人工培育是解决制约海洋微藻规模化培育放大的重要途径，对于食物蛋白、药用及其他原材料等重要生物资源的获取，以及生物柴油基础原料的获得具有重要意义。此外，利用微藻减排CO₂，是地球上最主要和有效的固碳方式，受到国内外研究者的高度重视。利用光合细菌生物制氢，具有不放氧、产氢纯度高、对太阳光谱的响应范围宽以及可与多种生物组建形成良好微生态体系等特点,被认为是绿色氢来源之一,也得到国内外研究者的广泛关注。光生物反应器技术对于上述过程的工业化、高效化具有关键性的意义。

光生物反应器的设计远比传统的化学反应器复杂，除了涉及质量传递与混合、流动方式、反应动力学、温度控制等问题外，还必须考虑光辐射这一重要因素。光能在液相中随着液体的深度的增加而迅速减小，因此只有在液相的表层，光反应才能有效的进行。因此光反应器设计的关键是如何有效的利用光源，并且同时满足传质和混合的需要。近年来，开发出各种形式的光生物反应器。从结构上划分，光生物反应器有池式、管道式、平板式/箱式、柱式等多种结构。

上世纪90年代以来，以管道式反应器和板式反应器为代表的封闭式光反应器迅速发展，至今已形成一些专利和研究报道。管道式反应器一般由透明硬质塑料或玻璃、有机玻璃封闭管，弯曲成不同形状，利用透明管道，借助自然光或人工光源进行光培养。如日本专利JP9121835-A(1995)及JP2743316-B2报道的放置在锥形支架上的管道式反应器；O.Pulz等报道的水平流动管道式反应器(Appl.Microbiol.Biotechnol,2001,58:287-293)，L.Travieso等报道的环形管道式反应器(Int.Biodeter.Biodegra.,2001,47:151-155)，世界专利WO2008010737-A1(2008)报道的列管式反应器。管道式具有光照面积大，可连续操作等优点，并在光催化反应和生物质培养方面有广泛的应用研究。但为保证光源充足，封闭管的直径一般小于0.1m，同时其造价高，不易清洗。

板式(箱式)反应器由单个或多个组合的板箱式结构组成，或者在箱体内通过安装折流板分割成多个箱室。1986年R.D.Qrtega等人首次报道了平板式光生物反应器(Biomass,1986,(10):14-156.)，此后不同形式的板式光反应器相继被报道，专利如美国专利US005104803A(1992)、US0059932A1(2003)等报道的内光源箱板式反应器，意大利专利IT124175(1994)，中国发明专利CN1880442A(2006)，世界专利WO2009069967-A2(2009)等报道的不同结构的内置折流板反应器；另外相关文献报道了一些新形式的板式反应器，如Tredici等报道的垂直嵌槽板式反应器(BioresourceTech.,1991,38:153-160)，Q.Hu等报道的倾斜鼓泡板式光生物反应器(J.Appl.Phycol.,1996,8:139-145)，S.R.Chae等报道的L型平板光生物反应器(BioresourceTech.,2006,97:322-329)等。这些反应器具有光能利用率高、结构相对简单、可根据培养需要通过单元组合设计结构等优点，适合于高密度培养。但是该类型反应器在工业放大上存在严重问题：对于结构简单的反应器，在光照方向上，反应物/生物质和气液相的混合强度低，放大箱体体积后混合传质效果变差且光照利用率降低；而折流板式的设计增加了流体的阻力，在反应器内容易形成死区，且不宜清理。

柱装反应器以气升式反应器为主。由于反应器内部沿着导流筒的环流，反应器内湍动程度高，有效提高了传质和混合效率，氧解吸好，CO₂的利用率高，且该类型的反应器结构简单，在发酵等行业已经有广泛的应用，具有工业化的良好的基础；但是其接受光照的表面积较小，光的利用率不用，如能提高光的利用率，该类反应器则具有良好的应用前景。

综上所述，目前应用和开发的光生物反应器，仍存在各种问题，开发对光能利用率高，同时混合和传质效果较好，适宜工业化放大和运行的光反应器，仍然是需要解决的关键技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提出一种用于光照培养微生物的箱式环流泡沫光生物反应器，以提高光能的利用率，保证反应器具有良好的混合和传递等流体力学特性，同时可完成生物质的初步富集，反应器容易工业放大和操作。

为了实现上述目的，本实用新型提供的一种箱式环流泡沫光生物反应器，包括：

一箱体，设有一进料口和一出料口，且所述进料口与所述出料口位于所述箱体的相对两侧；

多块导流板，竖直设置于所述箱体内，将所述箱体分成多个隔室，所述导流板上设有多个导流孔；

多个气体分布器，设置于所述箱体底部，且间隔设置于所述隔室内；

一泡沫槽，设置于所述箱体上方，且与所述箱体连通，所述泡沫槽上设有泡沫排出口。

上述的箱式环流泡沫光生物反应器，所述导流板的上部、下部均与所述箱体间留有间隙。

上述的箱式环流泡沫光生物反应器，所述导流板分为低位导流板和高位导流板，所述高位导流板的底边距所述箱体底部的距离大于所述低位导流板的底边距所述箱体底部的距离。

上述的箱式环流泡沫光生物反应器，所述高位导流板的底边到所述箱体底部的距离比低位导流板的底边到箱体底部的距离高20％～100％。

上述的箱式环流泡沫光生物反应器，所述低位导流板和所述高位导流板间隔排列，若所述反应器的进料口在左端、出料口在右端，位于左侧的所述高位导流板与位于右侧的所述低位导流板形成一上升段隔室，位于左侧的所述低位导流板与位于右侧的所述高位导流板形成一下降段隔室。

上述的箱式环流泡沫光生物反应器，所述气体分布器位于所述上升段隔室内。

上述的箱式环流泡沫光生物反应器，所述泡沫槽一端与所述箱体平齐，另一段比所述箱体长，长出部分的泡沫槽的侧面设有所述泡沫排出口。

上述的箱式环流泡沫光生物反应器，所述出料口与所述泡沫排出口同侧。

上述的箱式环流泡沫光生物反应器，所述箱体为纵截面是等腰梯形的长槽；梯形的上底和下底宽度的比为1～1.4:1，且下底宽度范围为10～25cm；箱体的高度和下底的比为4～10:1。

上述的箱式环流泡沫光生物反应器，所述导流板的底边距所述箱体底部的距离与所述箱体纵截面的下底宽度之比为0.5～1:1，所述导流板的上边距所述箱体顶部的距离与所述箱体纵截面的上底宽度之比为0.5～2:1。

上述的箱式环流泡沫光生物反应器，所述导流板上设有沿所述导流板纵向中线等大小均匀分布的三个导流孔，所述导流板高度与所述导流孔的孔径之比为8～11:1，所述导流板的下沿宽与孔径比为1.5～3:1。

上述的箱式环流泡沫光生物反应器，所述泡沫槽为纵截面是等腰梯形的长槽；所述泡沫槽和所述箱体纵截面的中心线重合；所述泡沫槽纵截面下底和所述箱体纵截面的上底宽度比为1～1.5:1，所述泡沫槽纵截面上底和下底宽度比为1～2:1；所述泡沫槽深度为箱体高度的15％～25％。

上述的箱式环流泡沫光生物反应器，所述上升段隔室与所述下降段隔室的长度比为1～1.3:1，所述上升段隔室的长度与所述箱体的高度比为1:4～10。

上述的箱式环流泡沫光生物反应器，所述箱体的材质为玻璃或有机玻璃，所述箱体的顶部封闭或敞开。

本实用新型的有益效果：

1)泡沫层可提高了培养物的浓度，同时减小光损失，从而可提高光能利用效率和平均细胞密度；

2)通过环流在液层和泡沫层形成物质(包括溶解的气体或者其他培养物质)的交换和传递，可获得较高的传质效率和氧解吸速率，有利于生物质的培养；

3)导流板通过高、低间隔放置，同时纵向开孔，可实现液体的混合的均匀；

4)排料时，直接将反应产物或生物质进行了浓集，实现了反应和分离的耦合，提高了过程的效率和经济性。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实用新型的限定。

附图说明

图1是本实用新型的箱式环流泡沫光生物反应器的正视图；

图2是本实用新型的箱式环流泡沫光生物反应器的侧视图。

其中，附图标记

箱体1

气体分布器2

导流板3

高位导流板31

低位导流板32

泡沫槽4

出料口5

泡沫排出口6

进料口7

下降段隔室8

上升段隔室9

具体实施方式

本实用新型提供的的箱式环流泡沫光反应器，包括箱体1，气体分布器2、导流板3、泡沫槽4。

反应器的箱体为长槽状，其纵截面为等腰梯形，其上底和下底宽度比为1:1～1.4:1，为保证光的照射和流动，其下底宽度范围为10～25cm；箱体的高度(梯形的高度)和下底的比为4:1～10:1；这样的设计可以改善光在反应器的分布，得到较好的流体力学特性。箱体的长度由培养量或停留时间决定。箱体的两端分别设有进料口7和出料口5，进料口7和出料口5设置于箱体的相对两侧，本实施例中的进料口7位于箱体左侧下方，出料口5位于箱体右侧上方。

在箱体1内间隔一定距离竖直安装若干个导流板3，导流板3和箱体1前后面垂直相交，将箱体1分成若干个隔室；该些导流板3两侧边固定在反应器的箱体上，导流板3下部与箱体底部、导流板上部与箱体顶部均留有间隙。导流板3的底边到箱体底部的距离和箱体截面下底宽度之比为0.5:1～1:1，导流板3的上边到箱体顶部的距离和箱体截面上底宽度之比为0.5:1～2:1；所有导流板3的高度均相同，但分高位和低位两种安装方式间隔排列，根据该些导流板3的底边、上边到箱体底部的距离不同，导流板3分为高位导流板31和低位导流板32，高位导流板31与低位导流板32间隔排列，高位导流板31的底边距箱体1底部的距离大于低位导流板32的底边距箱体底部的距离，前者到箱体底部的距离比后者高出20％～100％。在导流板分隔而成的隔室底部中心，间隔的安装气体分布器2，若反应器的进料口在左端、出料口在右端，则隔室的左侧为高位导流板31，右侧为低位导流板32，其喷射区域中心的高度位于两导流板下边缘之间。位于左侧的高位导流板31与位于右侧的低位导流板32形成一上升段隔室，位于左侧的低位导流板32与位于右侧的高位导流板31形成一下降段隔室，气体分布器2设置于上升段隔室9内。通过安装导流板3和气体分布器2，可在反应器的箱体1内形成如图1中的所示环流和整体的推流流动。其原理为：在装有气体分布器2的隔室通气后，该隔室内液体的拟均相密度降低，从而和没有鼓气的相邻隔室中的流体形成密度差，根据气升式环流反应器的原理，密度差将推动流体从鼓气的上升段隔室(上升段)向没有鼓气的下降段隔室8(下降段)流动，从而形成环流。同时由于导流板3中间开导流孔，部分液体将通过该些导流孔进入相邻隔室。图1所示，在气体分布器的右侧是低位导流板32，底部间隙小因而流动阻力大；在气体分布器的左侧是高位导流板31，底部间隙大因而流动阻力小；这就使更多的流体按照图1中实线的方向流动，从而在表观上形成一个从反应器入口到出口的推流。

反应器的箱体的上端为泡沫槽4，泡沫槽4与箱体1连通(如图2)，其纵截面也是等腰梯形，且其中心线和箱体纵截面的中心线重合。泡沫槽纵截面梯形的下底和箱体纵截面梯形的上底宽度比为1:1～2:1，泡沫槽纵截面梯形的上底和下底宽度比为1:1～1.5:1；泡沫槽的深度为箱体高度的15％～25％；长度上，泡沫槽一端和箱体平齐，另一段比箱体长出10-60cm，此长出部分槽侧方安装泡沫排出口6，用于将收集的泡沫和泡沫中的生物质排出，泡沫排出口6与出料口5位于同侧。

下面结合生物质光照培养，具体说明本反应器的操作方式：

在反应器内加入培养液，使液位达到导流板上方。接种生物质，加入适量表面活性剂作为泡沫稳定剂，通空气(或富含CO₂的气体，如烟道气)进行培养。在气升式环流的作用下，气泡在液相中不断分散，同时表面活性物质聚集在气泡界面，在液面上形成泡沫层，在优化的操作条件下，可使泡沫层恰好位于泡沫槽内。光从反应器的上方和四周射入。在环流作用和泡沫吸附的共同作用下，液相中生物质不断向泡沫液相中富集，同时一部分生物质随环流和泡沫的破裂返回液层，这种交换和混合不断发生，使得每个生物细胞都能很好的接受光照；气泡中CO₂不断迅速传递到泡沫液相中，被泡沫液相中生物进行光合吸收；泡沫液相随环流和气泡更新而不断与液相主体进行交换；随泡沫液的更新，溶解在液相中的营养物质被不断带到泡沫区，而泡沫中的代谢产物，包括溶解的氧气，则被不断的带回液相主体，被稀释或解吸，形成连续的培养过程。随着流体向出口侧的推流，生物质不断生长并向出口侧流动，达到培养时间的生物质从泡沫槽出口6流出，静置消泡后，收集生物质，而泡沫液可以和新鲜料液合并返回进料口7循环使用。

为进一步说明利用本实用新型提供的反应器的效果，特举一下实施例：

实施例1

本实施例为本实用新型光反应器的泡沫相和液相的光衰变情况。反应器为有机玻璃制造，顶部敞开，主要结构参数如下：箱体纵截面梯形的上底16cm，下底12cm，箱体高度105cm，箱体长度244cm，有效容积350L；11块导流板将箱体分成12个隔室，上升段隔室和下降段隔室8的长度均为20cm(即相邻两导流板之间的距离均为20cm)，反应器进口侧为上升段隔室。导流板的高度均为77cm，高位导流板31距箱体底部为12cm，低位导流板32距箱体底部为8cm，导流板上开孔孔径为7cm，每两孔间距14cm，最下孔距导流板下方14cm。在上升段隔室安装膜式气体分布器，气体分布器分布区的中心高度与导流板下边沿平齐，分布器直径为18mm，总高度为48mm，平均孔径为5mm。泡沫槽上底和下底宽度均为20cm，深度为20cm，长度为260cm。测量体系为水-空气体系，其中含有0.8×10⁸cell/mL的小球藻(MarineChlorella)。采用Tween20为泡沫稳定剂。装液量为340L，通气量为30L/min，稳定时液相高度为103cm，泡沫相高度为5cm；以日光灯为光源，入射光照度I₀＝4200lx。在本实用新型的泡沫光反应中，光衰减的程度小于纯液相。

实施例2

本实施例为采用本实用新型的光生物反应器进行海生小球藻(MarineChlorella)的培养。反应器同实施例1，光从的反应器顶部和四周射入，入射照度I₀＝4200lx。接种密度为4.2×10⁶cell/ml，培养基采用f/2改良海水培养基，并加入表面活性剂Tween20，浓度为30mg/L。初始pH8.2，温度为室温，培养液340L，通气量为30L/min，稳定时液层高度为103cm，泡沫层高度为3cm。此条件下培养180h，藻细胞密度的增长情况如表1所示。其中对照组为在同样的反应器内全部为液相(液面高度为106cm)培养时的情况。稳定后小球藻在泡沫中的富集比为1.4～1.6。

表1小球藻的细胞密度增长情况(10⁶cell/mL)

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，包括：

一箱体，设有一进料口和一出料口，且所述进料口与所述出料口位于所述箱体的相对两侧；

多块导流板，竖直设置于所述箱体内，将所述箱体分成多个隔室，所述导流板上设有多个导流孔；

多个气体分布器，设置于所述箱体底部，且间隔设置于所述隔室内；

一泡沫槽，设置于所述箱体上方，且与所述箱体连通，所述泡沫槽上设有泡沫排出口。

2.如权利要求1所述的箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，所述导流板的上部、下部均与所述箱体间留有间隙。

3.如权利要求2所述的箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，所述导流板分为低位导流板和高位导流板，所述高位导流板的底边距所述箱体底部的距离大于所述低位导流板的底边距所述箱体底部的距离。

4.如权利要求3所述的箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，所述高位导流板的底边到所述箱体底部的距离比所述低位导流板的底边到箱体底部的距离高20％～100％。

5.如权利要求4所述的箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，所述低位导流板和所述高位导流板间隔排列，若所述反应器的进料口在左端、出料口在右端，位于左侧的所述高位导流板与位于右侧的所述低位导流板形成一上升段隔室，位于左侧的所述低位导流板与位于右侧的所述高位导流板形成一下降段隔室。

6.如权利要求5所述的箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，所述气体分布器位于所述上升段隔室内。

7.如权利要求1所述的箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，所述泡沫槽一端与所述箱体平齐，另一段比所述箱体长，长出部分的泡沫槽的侧面设有所述泡沫排出口。

8.如权利要求7所述的箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，所述出料口与所述泡沫排出口同侧。

9.如权利要求1所述的箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，所述箱体为纵截面是等腰梯形的长槽；梯形的上底和下底宽度的比为1～1.4:1，且下底宽度范围为10～25cm；箱体的高度和下底的比为4～10:1。

10.如权利要求9所述的箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，所述导流板的底边距所述箱体底部的距离与所述箱体纵截面的下底宽度之比为0.5～1:1，所述导流板的上边距箱体顶部的距离与所述箱体纵截面的上底宽度之比为0.5～2:1。

11.如权利要求1所述的箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，所述导流板上设有沿所述导流板纵向中线等大小均匀分布的三个导流孔，所述导流板高度与所述导流孔的孔径之比为8～11:1，所述导流板的下沿宽与孔径比为1.5～3:1。

12.如权利要求10所述的箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，所述泡沫槽为纵截面是等腰梯形的长槽；所述泡沫槽和所述箱体纵截面的中心线重合；所述泡沫槽纵截面下底和所述箱体纵截面的上底宽度比为1～1.5:1，所述泡沫槽纵截面上底和下底宽度比为1～2:1；所述泡沫槽深度为箱体高度的15％～25％。

13.如权利要求5所述的箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，所述上升段隔室与所述下降段隔室的长度比为1～1.3:1，所述上升段隔室的长度与所述箱体的高度比为1:4～10。

14.如权利要求1所述的箱式环流泡沫光生物反应器，其特征在于，所述箱体的材质为玻璃或有机玻璃，所述箱体的顶部封闭或敞开。