專利名稱：板式光生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種板式光生物反應(yīng)器，具體地說是涉及一種具有特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的板式光生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
微藻細(xì)胞富含氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素、不飽和脂肪酸等多種高附加值的生物物質(zhì)，已經(jīng)成為人類食品、醫(yī)藥、染料、精細(xì)化工領(lǐng)域的重要材料來源。目前，隨著石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，基于生物質(zhì)的生物煉制引起了人們的高度重視，微藻作為重要的可再生能源能夠提供大量的生物質(zhì)(油脂、淀粉、纖維素)，在生物煉制領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。微藻規(guī)?；囵B(yǎng)主要分為開放式培養(yǎng)和封閉式培養(yǎng)兩種方式。開放式培養(yǎng)，是開發(fā)最早且應(yīng)用最為普遍的一種方式，目前世界各國、特別是中國仍然將其作為微藻工業(yè)化培養(yǎng)的主要方式(Borowitzka L. T.，Bioresource Technology, 1991,38 :251 252)。開放式培養(yǎng)中，有代表性的反應(yīng)器包括跑道式培養(yǎng)池、圓形培養(yǎng)池。該培養(yǎng)方式的主要優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)建簡(jiǎn)單、成本低廉及操作簡(jiǎn)便。缺點(diǎn)是光能利用率低，受外界環(huán)境因素的影響大，易被污染，水分蒸發(fā)大。封閉式培養(yǎng)通常采用多種形式(如柱式、管式和板式)的封閉式光生物反應(yīng)器。 相比于開放式培養(yǎng)，封閉式培養(yǎng)不容易受污染，節(jié)約水資源，培養(yǎng)密度高，收獲成本低，缺點(diǎn)是投資成本高(Pulz 0. ,Applied Microbiology andBiotechnology, 2001, 57 :287 293 ； Lee Y-K. , Journal of Applied Phycology, 2001,13 :307 315 ；Tsygankov A. A. ,Applied Biochemistry and Microbiology, 2001, 37 (4) :333 341)。為了克服封閉式培養(yǎng)成本高的缺陷，一方面需要降低培養(yǎng)所需的材料、能耗成本，另一方面需要大幅度提高產(chǎn)率。雖然封閉式培養(yǎng)的產(chǎn)率要高于開放式培養(yǎng)，但是微藻的光能利用率還很低。設(shè)法提高藻細(xì)胞對(duì)光能的利用率是提高產(chǎn)率、降低成本的重要途徑。由于微藻的光合作用過程可分為兩個(gè)階段，稱為光反應(yīng)和暗反應(yīng)。在光反應(yīng)階段， 藻細(xì)胞接受光量子并轉(zhuǎn)換為化學(xué)能；在暗反應(yīng)階段，藻細(xì)胞利用化學(xué)能合成細(xì)胞組份，而且在暗反應(yīng)階段，藻細(xì)胞不需要光照甚至光照反而有害。因此，對(duì)單個(gè)藻細(xì)胞而言，持續(xù)的光照意味著光量子的浪費(fèi)?？茖W(xué)家們已經(jīng)了解了，在規(guī)模培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器內(nèi)以及通常的細(xì)胞密度下，光線在培養(yǎng)液內(nèi)傳播時(shí)會(huì)迅速衰減，光的穿透距離為幾毫米，在高細(xì)胞密度下只有Imm左右。 光生物反應(yīng)器內(nèi)事實(shí)上可分為靠近光照面內(nèi)壁面的光區(qū)與之外的暗區(qū)兩部分。如果藻細(xì)胞以特定頻率(通常高于IHz的頻率)在光生物反應(yīng)器的光區(qū)與暗區(qū)頻繁置換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生 “閃光效應(yīng)”，光能的利用率會(huì)得到很大提高(Janssen M，Slenders P，Tramper J，et al.， Enzyme MicrobialTechnology, 2001, 29 298 305 ；Matthijs H. C. P, Balke H, Mur L. R, et al. ,Biotechnology and Bioengineering, 1996,50 :98 107)。即，當(dāng)藻細(xì)胞在光生物反應(yīng)器的光區(qū)與暗區(qū)之間來回穿梭，就可使得接受過光照的藻細(xì)胞及時(shí)進(jìn)入暗區(qū)進(jìn)行暗反應(yīng)，同時(shí)使得完成了暗反應(yīng)的藻細(xì)胞回到光區(qū)再次接受光照，這樣就使得進(jìn)入光生物反應(yīng)器的光量子被充分利用。因此通過強(qiáng)化培養(yǎng)液的混合，使藻細(xì)胞在光區(qū)與暗區(qū)之間高頻率來回穿梭，可以提高總體的光能利用率和藻細(xì)胞的產(chǎn)量。然而，在傳統(tǒng)的板式光生物反應(yīng)器中，培養(yǎng)液的流動(dòng)混合尚不理想。板式光生物反應(yīng)器(包括水平放置、傾斜放置、垂直放置等)的板厚在1 IOcm之間不等，這些光生物反應(yīng)器的內(nèi)壁面往往是光滑的。受反應(yīng)器壁面的限制，在靠近內(nèi)壁面處培養(yǎng)液混合不充分，藻細(xì)胞在垂直于流動(dòng)方向(以下稱光徑方向)的速度很小，難以產(chǎn)生在光區(qū)與暗區(qū)之間的穿梭，藻細(xì)胞長時(shí)間位于光照面內(nèi)壁面附近會(huì)產(chǎn)生光抑制甚至是光損傷(即光照過量)；而距光照面內(nèi)壁面較遠(yuǎn)的藻細(xì)胞卻長時(shí)間處于光限制狀態(tài)(即光照不足)，使得光能利用率不尚ο通過一定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以強(qiáng)化培養(yǎng)液的混合。如在中國專利 CN200610026539. X中公開的加置中空擋板的板箱式光生物反應(yīng)器，通過該特定的內(nèi)部裝置可以強(qiáng)化培養(yǎng)液的流動(dòng)混合，同時(shí)，在所述的中空擋板內(nèi)可以安裝內(nèi)光源或者作為氣體分布裝置。該類加裝中空擋板的裝置雖然可以起到強(qiáng)化培養(yǎng)液的混合作用，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，而且藻細(xì)胞的混合是無序混合，難以保證藻細(xì)胞受到特定周期的光照。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有的板式光生物反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于批量制造的板式光生物反應(yīng)器，其具有特定內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)藻細(xì)胞在光生物反應(yīng)器的光區(qū)與暗區(qū)之間的來回穿梭，能發(fā)揮藻細(xì)胞的“閃光效應(yīng)”，從而提高微藻規(guī)模培養(yǎng)的光能利用率和提高微藻細(xì)胞的產(chǎn)量。本發(fā)明的板式光生物反應(yīng)器適宜于規(guī)?；囵B(yǎng)各種微藻。本發(fā)明提供的板式光生物反應(yīng)器，包括至少一個(gè)流道，其中，每一流道包括-至少2塊上擋板，設(shè)置于光照面的內(nèi)壁面上；-至少2塊下?lián)醢澹O(shè)置于無光面的內(nèi)壁面上；其中，上擋板和下?lián)醢宓拈L度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角大小為20 70度，且夾角方向相反。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述板式光生物反應(yīng)器為硬體光生物反應(yīng)器或軟體光生物反應(yīng)器。所述硬體光生物反應(yīng)器包括由硬質(zhì)板材制得的光照面和無光面、以及沿著培養(yǎng)液流動(dòng)方向設(shè)置的支撐筋板分隔從而形成截面為矩形的流道。所述軟體光生物反應(yīng)器是直接用熱壓或粘結(jié)等方法在軟體材料(如卷材或膜材)需設(shè)置筋板的位置將光照面和無光面粘結(jié)在一起，充入培養(yǎng)液后流道被撐開從而形成截面為圓形或橢圓形的流道，被粘結(jié)的部位仍起到筋板的作用。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，沿流道長度方向上，所述上擋板的間距或下?lián)醢宓拈g距為 IOmm 150mmo在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述的上、下?lián)醢逖亓鞯缹挾确较虻耐队伴L度是該板式光生物反應(yīng)器流道寬度的30 100%。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述的上、下?lián)醢宓母叨?擋板本身截面的高度)為 Imm IOmm0在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述的上、下?lián)醢宓慕孛婵蔀榫匦巍⑻菪?、三角形、半圓形或其它形狀；其中，矩形形狀的擋板的厚度為Imm 5mm;梯形、三角形或半圓形的擋板的半高處的厚度為Imm 5mm。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述擋板的材料可以是透光材料或選擇容易加工安裝的不透光材料。所述的透光材料可以是玻璃、有機(jī)玻璃、塑料(聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酯等)等中的一種；所述的不透光材料可以是塑料、橡膠、樹脂等中的一種。優(yōu)選地，所述擋板的材料與光照面的材料相同。所述光照面是由各種透光材料制得，如玻璃、有機(jī)玻璃、塑料(聚乙烯、聚氯乙烯、 聚丙烯、聚酯等)。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述流道的長度可根據(jù)實(shí)際培養(yǎng)需要作相應(yīng)的調(diào)整，并可以將多個(gè)流道并聯(lián)或串聯(lián)使用，形成不同外形的板式光生物反應(yīng)器。此時(shí)筋板同時(shí)起到折流板的作用。大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，可以根據(jù)產(chǎn)量的要求，可將多個(gè)本發(fā)明的板式光生物反應(yīng)器并聯(lián)或串聯(lián)，再配套其它裝置。本發(fā)明的提高微藻規(guī)模培養(yǎng)的光能利用率的板式光生物反應(yīng)器，可以建造在室外露天或者大棚內(nèi)，充分利用自然光，可以對(duì)各種微藻進(jìn)行培養(yǎng)，包括螺旋藻、小球藻、鹽藻、
硅藻、金藻等。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的提高微藻規(guī)模培養(yǎng)的光能利用率的板式光生物反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)在于能夠充分發(fā)揮藻細(xì)胞的“閃光效應(yīng)”，提高微藻規(guī)模培養(yǎng)的光能利用率，提高單位照光面積的產(chǎn)量。另外，本發(fā)明的提高微藻規(guī)模培養(yǎng)的光能利用率的板式光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于批量制造，可以簡(jiǎn)單地增加反應(yīng)器的個(gè)數(shù)來擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。


圖1、本發(fā)明的硬體板式光生物反應(yīng)器的一流道的透視圖； 圖2、本發(fā)明的硬體板式光生物反應(yīng)器的一流道的右視圖； 圖3、本發(fā)明的多個(gè)流道并聯(lián)的板式光生物反應(yīng)器的俯視圖； 圖4、本發(fā)明的多個(gè)流道串聯(lián)的板式光生物反應(yīng)器的俯視圖； 圖5、幾種不同截面形狀的擋板在本發(fā)明一流道內(nèi)的正視圖剖面； 圖6、本發(fā)明的板式光生物反應(yīng)器內(nèi)藻細(xì)胞在光徑方向上的位置變化； 圖7、本發(fā)明的軟體板式光生物反應(yīng)器的一截面為圓形的流道的右視圖； 圖8、本發(fā)明的軟體板式光生物反應(yīng)器的一截面為橢圓形的流道的右視9、微藻培養(yǎng)系統(tǒng)示意圖； 其中
1.流道培養(yǎng)液入口 2.流道培養(yǎng)液出口 3.光照面
4-1.上擋板 6.筋板(折流板) 9.三角形擋板 12.熱交換裝置 15.反應(yīng)器培養(yǎng)液入口
4-2.下?lián)醢?br> 5.無光面
7.矩形擋板8.梯形擋板
10.流體輸送裝置 11.光生物反應(yīng)器 13.氣液交換裝置 14端面板 16.反應(yīng)器培養(yǎng)液出口
α.上擋板的長度方向與流道中培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角
β.下?lián)醢宓拈L度方向與流道中培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的板式光生物反應(yīng)器，包括至少一個(gè)流道，其中，每一流道包括_至少2塊上擋板4-1，設(shè)置于光照面3的內(nèi)壁面上；-至少2塊下?lián)醢?-2，設(shè)置于無光面5的內(nèi)壁面上；其中，上擋板和下?lián)醢宓拈L度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角大小為20 70度， 且夾角方向相反。本發(fā)明的一實(shí)施方式，所述板式光生物反應(yīng)器為硬體光生物反應(yīng)器，如圖1和圖2 所示，其包括由硬質(zhì)板材制得的光照面(上面板)3和無光面(下面板)5、以及沿著培養(yǎng)液流動(dòng)方向(即由流道培養(yǎng)液入口 1至流道培養(yǎng)液出口 2的方向)設(shè)置的支撐筋板6分隔從而形成截面為矩形的流道。其中，每一流道包括至少2塊上擋板4-1，設(shè)置于光照面3的內(nèi)壁面上；至少2塊下?lián)醢?-2，設(shè)置于無光面5的內(nèi)壁面上；上擋板的長度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角α的大小以及下?lián)醢宓拈L度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角β的大小為 20 70度，且夾角α和夾角β的方向相反(如圖3、圖4所示)。本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述板式光生物反應(yīng)器為軟體光生物反應(yīng)器，如圖7和圖8所示，其直接用熱壓或粘結(jié)等方法在軟體材料(如卷材或膜材)需設(shè)置筋板的位置將光照面3和無光面5粘結(jié)在一起，充入培養(yǎng)液后流道被撐開從而形成截面為圓形或橢圓形的流道，被粘結(jié)的部位仍起到筋板(折流板)的作用。其中，每一流道包括至少2塊上擋板4-1，設(shè)置于光照面3的內(nèi)壁面上；至少2塊下?lián)醢?-2，設(shè)置于無光面5的內(nèi)壁面上；上擋板的長度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角α的大小以及下?lián)醢宓拈L度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角β的大小為20 70度，且夾角α和夾角β的方向相反(如圖3、圖4所示)。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，沿流道長度方向上，所述上擋板的間距或下?lián)醢宓拈g距為 IOmm 150mmo在本發(fā)明的實(shí)施方式中，如圖2、3、4、7、8所示，所述的上、下?lián)醢逖亓鞯缹挾确较虻耐队伴L度是該板式光生物反應(yīng)器流道寬度的30 100%。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述的上、下?lián)醢宓母叨?擋板本身截面的高度)為 Imm IOmm0在本發(fā)明的實(shí)施方式中，如圖5所示，所述的上、下?lián)醢宓慕孛婵蔀榫匦?、梯形、三角形、半圓形或其它形狀；其中，矩形形狀的擋板的厚度為Imm 5mm;梯形、三角形或半圓形的擋板的半高處的厚度為Imm 5mm。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述擋板的材料可以是透光材料或選擇容易加工安裝的不透光材料。所述的透光材料可以是玻璃、有機(jī)玻璃、塑料(聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酯等)等中的一種；所述的不透光材料可以是塑料、橡膠、樹脂等中的一種。優(yōu)選地，所述擋板的材料與光照面的材料相同。所述光照面是由各種透光材料制得，如玻璃、有機(jī)玻璃、塑料(聚乙烯、聚氯乙烯、 聚丙烯、聚酯等)。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述硬體光生物反應(yīng)器中的每一流道的光照面與無光面間的間距為IOmm 100mm，流道的寬度為IOmm 300mm。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述軟體光生物反應(yīng)器中的每一流道的光照面與無光面兩側(cè)相粘結(jié)，兩粘結(jié)處間距離為IOmm 300mm。在本發(fā)明的一實(shí)施方式中，所述流道的長度可根據(jù)實(shí)際培養(yǎng)需要作相應(yīng)的調(diào)整， 可以用筋板兼做折流板使多個(gè)流道并聯(lián)，如圖3所示；或使多個(gè)流道串聯(lián)，如圖4所示?？梢罁?jù)材料的加工性能選擇擋板的制造和安裝方式。例如，可將已單獨(dú)制造好的擋板粘結(jié)于板式光生物反應(yīng)器的內(nèi)壁面上、用模具將板式光生物反應(yīng)器的光照面3和無光面5與擋板一體成型、或?qū)⑹孪戎圃旌玫膿醢逵弥Ъ苓B接后置入板式光生物反應(yīng)器中使得擋板緊貼板式光生物反應(yīng)器的光照面3和無光面5的內(nèi)壁面。大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，可以根據(jù)產(chǎn)量的要求，可將多個(gè)本發(fā)明的板式光生物反應(yīng)器并聯(lián)或串聯(lián)，再配套其它裝置。例如，如圖9所示，在實(shí)際生產(chǎn)培養(yǎng)藻細(xì)胞的過程中，整個(gè)培養(yǎng)系統(tǒng)中除了上述的本發(fā)明的提高微藻規(guī)模培養(yǎng)的光能利用率的板式光生物反應(yīng)器11以外， 還配有氣液交換裝置13用于供氣和進(jìn)行氧解析、流體輸送裝置10、熱交換裝置12，連接裝置、物料分配裝置、溫度監(jiān)測(cè)控制裝置，以及其它附屬裝置。本發(fā)明的板式光生物反應(yīng)器的原理是當(dāng)培養(yǎng)液以一定的速度流過本發(fā)明的板式光生物反應(yīng)器時(shí)，會(huì)在流道內(nèi)形成螺旋形的運(yùn)動(dòng)，并且會(huì)在擋板之間產(chǎn)生漩渦，推動(dòng)藻細(xì)胞在光徑方向上形成一定的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)藻細(xì)胞在板式光生物反應(yīng)器的光區(qū)和暗區(qū)的來回穿梭。通過調(diào)整培養(yǎng)液的流速、擋板的尺寸、擋板的距離，可以得到不同的光暗循環(huán)周期，而且光暗循環(huán)的頻率可以高于1Hz。圖6表示的是在一硬體板式光反應(yīng)器內(nèi)，流道的光照面3和無光面5內(nèi)表面間距16mm、上擋板和下?lián)醢宓拈L度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向成45度角并充滿流道寬度、擋板的間距為80mm、擋板高度為4mm、擋板厚度為2mm時(shí)，代表藻細(xì)胞的粒子在反應(yīng)器內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其在光徑方向上的位置隨時(shí)間的變化?？梢郧宄乜吹剑Ｗ釉诠鈴椒较蛏嫌幸?guī)律地波動(dòng)，一個(gè)完整的光暗循環(huán)周期約為160ms。當(dāng)板式光生物反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)液流速是lOcm/s lOOcm/s時(shí)，在此范圍內(nèi)可以形成500ms 20ms的光暗循環(huán)周期，對(duì)應(yīng)的光暗循環(huán)頻率為2Hz 50Hz。本發(fā)明的提高微藻規(guī)模培養(yǎng)的光能利用率的板式光生物反應(yīng)器，可以建造在室外露天或者大棚內(nèi)，充分利用自然光，可以對(duì)各種微藻進(jìn)行培養(yǎng)，包括螺旋藻、小球藻、鹽藻、 硅藻、金藻等。實(shí)施例1在室外自然光照下進(jìn)行螺旋藻的培養(yǎng)。構(gòu)建的培養(yǎng)系統(tǒng)的板式光生物反應(yīng)器水平放置，制造材質(zhì)為有機(jī)玻璃板，上、下面板的厚度為2mm，端面板14和筋板6的厚度均為 2mm，筋板6的長度為80cm。板式光生物反應(yīng)器的尺寸為長lm、寬1. 02^1、上下面板內(nèi)表面間距16mm，平板內(nèi)部由筋板分割為10條各為IOcm寬的流道，各流道并聯(lián)(如圖3)。緊貼上面板和下面板內(nèi)側(cè)粘貼由有機(jī)玻璃板材料制備的矩形截面擋板3，上擋板和下?lián)醢宓拈L度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角大小為45度，且夾角方向相反，擋板長度14. lcm(擋板沿培養(yǎng)液流道寬度方向的投影長度是流道寬度的100% )，沿流道長度方向上擋板的間距為 80mm，擋板高度為4mm，擋板厚度為2mm。每個(gè)流道內(nèi)安裝10塊上擋板和10塊下?lián)醢?擋板之間的區(qū)域覆蓋光生物反應(yīng)器的有效光照面的約82% )。培養(yǎng)系統(tǒng)由10個(gè)串聯(lián)的上述板式光生物反應(yīng)器11 (分成兩組，每組串聯(lián)5個(gè))、 流體輸送裝置10 (市售隔膜泵)、熱交換裝置12、氣液交換裝置13構(gòu)成，連接方式如圖9所示，其中板式光生物反應(yīng)器11水平放置。培養(yǎng)液在反應(yīng)器內(nèi)的流速為20cm/s。
藻種來自中國科學(xué)院過程工程研究所，品種為鈍頂螺旋藻，培養(yǎng)基為Zarrouk培養(yǎng)基，培養(yǎng)液中碳酸氫鈉的初始濃度為0. lmol/L。培養(yǎng)前用經(jīng)0. 2 μ微濾膜過濾后的水清洗上述的光生物反應(yīng)器。按照Zarrouk培養(yǎng)基配方配制160L培養(yǎng)基，培養(yǎng)基用0.2 μ微濾膜過濾。按常規(guī)方法制備種液，接種密度 0. lg/L。培養(yǎng)液pH值設(shè)定在9. 0，環(huán)境溫度25 35°C，采用戶外自然光照，控制培養(yǎng)溫度為32士 1°C。定期取樣測(cè)定藻細(xì)胞密度。當(dāng)藻細(xì)胞密度達(dá)到3g(干重)/L時(shí)開始半連續(xù)采收，采收方法是(大約每3天)將培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)培養(yǎng)液的20%引出，將過濾后的過濾液返回原培養(yǎng)系統(tǒng)中。過濾得到的藻細(xì)胞收獲后洗滌、干燥。培養(yǎng)期間定期檢測(cè)其它營養(yǎng)鹽的濃度并及時(shí)補(bǔ)充，并補(bǔ)充少量水以彌補(bǔ)水的蒸發(fā)損耗。培養(yǎng)期間，向培養(yǎng)系統(tǒng)中的每個(gè)氣液交換裝置內(nèi)通入空氣和二氧化碳的混合氣體，混合氣體的流量是0. 6L/L. min,混合氣體中二氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)為3%。培養(yǎng)過程持續(xù)30天， 螺旋藻的面積產(chǎn)率約為36g/m2. d。比較例1在自然光照下進(jìn)行螺旋藻的培養(yǎng)。其它條件同實(shí)施例1，所不同的是板式光生物反應(yīng)器中無擋板。培養(yǎng)過程持續(xù)30天，螺旋藻的面積產(chǎn)率為25g/m2. d。顯然，同樣培養(yǎng)條件下，在本發(fā)明實(shí)施例1的擋板板式光生物反應(yīng)器內(nèi)的面積產(chǎn)率高于在比較例1的無擋板板式光生物反應(yīng)內(nèi)的面積產(chǎn)率，即本發(fā)明的擋板板式光生物反應(yīng)器使得藻細(xì)胞的光能利用率提高明顯。實(shí)施例2在自然光照下進(jìn)行螺旋藻的培養(yǎng)。其它條件同實(shí)施例1，所不同的是所放入擋板的高度為2mm，厚度為1mm，沿流道長度方向上擋板的間距為30mm，擋板的長度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角大小為70度，擋板沿培養(yǎng)液流道寬度方向的投影長度是流道寬度的50%， 每個(gè)流道內(nèi)安裝25塊上擋板和25塊下?lián)醢?，擋板之間的區(qū)域覆蓋光生物反應(yīng)器的有效光照面的約74% )。培養(yǎng)過程持續(xù)30天，螺旋藻的面積產(chǎn)率約為34g/m2. d。高于比較例1在無擋板板式光生物反應(yīng)器內(nèi)同樣培養(yǎng)條件下的面積產(chǎn)率05g/mw2. q)，表明藻細(xì)胞的光能利用率提高明顯。實(shí)施例3在自然光照下進(jìn)行螺旋藻的培養(yǎng)。其它條件同實(shí)施例1，所不同的是所放入擋板的高度為6mm，厚度為3mm，沿流道長度方向上擋板的間距為100mm，擋板的長度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向成20度角。每個(gè)流道內(nèi)安裝6塊上擋板和6塊下?lián)醢?，擋板之間的區(qū)域覆蓋光生物反應(yīng)器的有效光照面的約78% )。培養(yǎng)過程持續(xù)30天，螺旋藻的面積產(chǎn)率約為33g/m2. d。高于比較例1在無擋板板式光生物反應(yīng)內(nèi)同樣培養(yǎng)條件下的面積產(chǎn)率05g/m2. d)，表明藻細(xì)胞的光能利用率提高明顯。實(shí)施例4在自然光照下進(jìn)行螺旋藻的培養(yǎng)。其它條件同實(shí)施例1，所不同的是沿流道長度方向上擋板的間距為15mm，擋板沿培養(yǎng)液流道寬度方向的投影長度是流道寬度的30%，每個(gè)流道內(nèi)安裝50塊上擋板和50塊下?lián)醢?，擋板之間的區(qū)域覆蓋光生物反應(yīng)器的有效光照面的約 % )培養(yǎng)過程持續(xù)30天，螺旋藻的面積產(chǎn)率約為34g/m2. d。高于比較例1在無擋板板式光生物反應(yīng)內(nèi)同樣培養(yǎng)條件下的面積產(chǎn)率05g/m2. d)，表明藻細(xì)胞的光能利用率提高明顯。實(shí)施例5在自然光照下進(jìn)行螺旋藻的培養(yǎng)。其它條件同實(shí)施例1，所不同的是培養(yǎng)液入口流速為 50cm/s。培養(yǎng)過程持續(xù)30天，螺旋藻的面積產(chǎn)率約為39g/m2. d。高于比較例1在無擋板板式光生物反應(yīng)內(nèi)同樣培養(yǎng)條件下的面積產(chǎn)率05g/m2. d)，表明藻細(xì)胞的光能利用率提高明顯。實(shí)施例6在自然光照下進(jìn)行螺旋藻的培養(yǎng)。其它條件同實(shí)施例1，所不同的是培養(yǎng)液入口流速為 10cm/s。培養(yǎng)過程持續(xù)30天，螺旋藻的面積產(chǎn)率約為32g/m2. d。高于比較例1在無擋板板式光生物反應(yīng)內(nèi)同樣培養(yǎng)條件下的面積產(chǎn)率05g/m2. d)，表明藻細(xì)胞的光能利用率提高明顯。實(shí)施例7在自然光照下進(jìn)行螺旋藻的培養(yǎng)。其它條件同實(shí)施例1，所不同的是，板式光生物反應(yīng)器的上下面板內(nèi)表面間距30mm，所放入擋板的高度為10mm，厚度為5mm，沿流道長度方向上擋板的間距為120mm，上擋板的長度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向成60度角，下?lián)醢宓拈L度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向成30度角，上擋板與下?lián)醢宓拈L度方向與流道長度方向相比的傾斜方向相反。每個(gè)流道內(nèi)安裝7塊上擋板和7塊下?lián)醢?，擋板之間的區(qū)域覆蓋光生物反應(yīng)器的有效光照面的約78%)。培養(yǎng)過程持續(xù)30天，螺旋藻的面積產(chǎn)率約為33g/m2. d。高于比較例2在無擋板板式光生物反應(yīng)內(nèi)同樣培養(yǎng)條件下的面積產(chǎn)率03g/m2. d)，表明藻細(xì)胞的光能利用率提高明顯。比較例2在自然光照下進(jìn)行螺旋藻的培養(yǎng)。其它條件同實(shí)施例7，所不同的是板式光生物反應(yīng)器中無擋板。培養(yǎng)過程持續(xù)30天，螺旋藻的面積產(chǎn)率為23g/m2. d。實(shí)施例8在自然光照下進(jìn)行螺旋藻的培養(yǎng)。其它條件同實(shí)施例1，所不同的是，板式光生物反應(yīng)器的上下面板內(nèi)表面間距30mm，所放入擋板的截面形狀是三角形，擋板的高度為8mm， 半高處的厚度為3mm。培養(yǎng)過程持續(xù)30天，螺旋藻的面積產(chǎn)率約為32g/m2. d。高于比較例2在無擋板板式光生物反應(yīng)內(nèi)同樣培養(yǎng)條件下的面積產(chǎn)率03g/m2. d)，表明藻細(xì)胞的光能利用率提高明顯。實(shí)施例9
在室外自然光照下進(jìn)行螺旋藻的培養(yǎng)。其它條件同實(shí)施例1，所不同的是板式光生物反應(yīng)器(如圖幻是由聚乙烯薄膜制成的軟體板式光生物反應(yīng)器，聚乙烯薄膜厚度為 0. 2mm。用熱壓的方法在如圖3所示設(shè)置筋板的位置將光照面和無光面粘結(jié)在一起，板式反應(yīng)器的長度為lm，寬度為1. 02^1，通過粘結(jié)將板式光生物反應(yīng)器分成10個(gè)IOcm寬的流道。通過內(nèi)置模具同時(shí)在外部熱壓的方式在每個(gè)流道的光照面和無光面內(nèi)側(cè)形成向內(nèi)凸起(擋板4)，凸起的截面形狀為三角形(如圖5中的9)，凸起的高度4mm、半高寬度2mm，凸起(擋板)的長度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角大小為45度，且光照面和無光面的凸起的長度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角方向相反，凸起沿培養(yǎng)液流道寬度方向的投影長度為 10cm，沿流道長度方向上凸起(擋板)的間距為80mm。每個(gè)流道內(nèi)光照面和無光面內(nèi)側(cè)各設(shè)置10個(gè)凸起(擋板)，凸起之間的區(qū)域覆蓋光生物反應(yīng)器的有效光照面的約82%。實(shí)際培養(yǎng)時(shí)，將培養(yǎng)液泵入板式光生物反應(yīng)器時(shí)，每個(gè)流道被撐開為長直徑(寬) 約為8cm、短直徑(高)約為3. 6cm的橢圓形狀(如圖8)。配制的培養(yǎng)基體積約為170L，控制條件和采收方法同實(shí)施例1，采收時(shí)的密度約為 5g/L。培養(yǎng)期間定期檢測(cè)其它營養(yǎng)鹽的濃度并及時(shí)補(bǔ)充，并補(bǔ)充少量水以彌補(bǔ)水的蒸發(fā)損耗。培養(yǎng)期間，向培養(yǎng)系統(tǒng)中的每個(gè)氣液交換裝置內(nèi)通入空氣和二氧化碳的混合氣體，混合氣體的流量是1. OL/L. min,混合氣體中二氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)為3%。培養(yǎng)過程持續(xù)30天， 螺旋藻的面積產(chǎn)率約為38g/m2. d。比較例3在自然光照下進(jìn)行螺旋藻的培養(yǎng)。其它條件同實(shí)施例9，所不同的是板式光生物反應(yīng)器內(nèi)沒有凸起(擋板)。培養(yǎng)過程持續(xù)30天，螺旋藻的面積產(chǎn)率約為26g/m2. d。顯然，同樣培養(yǎng)條件下，在本發(fā)明實(shí)施例9的擋板板式光生物反應(yīng)器內(nèi)的面積產(chǎn)率高于在比較例3的無擋板板式光生物反應(yīng)內(nèi)的面積產(chǎn)率，即本發(fā)明的擋板板式光生物反應(yīng)器使得藻細(xì)胞的光能利用率提高明顯。
權(quán)利要求
1.一種板式光生物反應(yīng)器，包括至少一個(gè)流道，其特征在于，每一流道包括-至少2塊上擋板，設(shè)置于光照面的內(nèi)壁面上；-至少2塊下?lián)醢?，設(shè)置于無光面的內(nèi)壁面上；其中，上擋板和下?lián)醢宓拈L度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角大小為20 70度，且夾角方向相反。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板式光生物反應(yīng)器，其中，所述板式光生物反應(yīng)器為硬體光生物反應(yīng)器或軟體光生物反應(yīng)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的板式光生物反應(yīng)器，其中，所述硬體光生物反應(yīng)器包括由硬質(zhì)板材制得的光照面和無光面、以及沿著培養(yǎng)液流動(dòng)方向設(shè)置的支撐筋板分隔從而形成截面為矩形的流道。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的板式光生物反應(yīng)器，其中，所述軟體光生物反應(yīng)器是直接在軟體材料需設(shè)置筋板的位置將光照面和無光面粘結(jié)在一起，充入培養(yǎng)液后流道被撐開從而形成截面為圓形或橢圓形的流道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板式光生物反應(yīng)器，其中，沿流道長度方向上，所述上擋板的間距或下?lián)醢宓拈g距為IOmm 150mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的板式光生物反應(yīng)器，其中，所述的上、下?lián)醢逖亓鞯缹挾确较虻耐队伴L度是該板式光生物反應(yīng)器流道寬度的30 100%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的板式光生物反應(yīng)器，其中，所述的上、下?lián)醢宓母叨葹?Imm IOmm0
8.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的板式光生物反應(yīng)器，其中，所述的上、下?lián)醢宓慕孛鏋榫匦?、梯形、三角形、半圓形；矩形形狀的擋板的厚度為Imm 5mm;梯形、三角形或半圓形的擋板的半高處的厚度為Imm 5mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的板式光生物反應(yīng)器，其中，所述擋板的材料是透明的玻璃、有機(jī)玻璃、塑料，或不透光的塑料、橡膠、樹脂。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的板式光生物反應(yīng)器，其中，所述流道并聯(lián)或串聯(lián)使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種板式光生物反應(yīng)器，包括至少一個(gè)流道，其中，每一流道包括至少2塊上擋板，設(shè)置于光照面的內(nèi)壁面上；至少2塊下?lián)醢?，設(shè)置于無光面的內(nèi)壁面上；其中，上擋板和下?lián)醢宓拈L度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角大小為20～70度，且夾角方向相反。該板式光生物反應(yīng)器具有特定內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)藻細(xì)胞在光生物反應(yīng)器的光區(qū)與暗區(qū)之間的來回穿梭，能發(fā)揮藻細(xì)胞的“閃光效應(yīng)”，從而提高微藻規(guī)模培養(yǎng)的光能利用率和提高微藻細(xì)胞的產(chǎn)量。本發(fā)明的板式光生物反應(yīng)器適宜于規(guī)?；囵B(yǎng)各種微藻。
文檔編號(hào)C12M1/42GK102260629SQ20101019383
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者叢威, 張慶華, 薛升長 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院過程工程研究所