[發(fā)明專利]使平板反應(yīng)器高效混合及光能充分利用的隔板裝置及方法

有效

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• 申請日: 2013-10-29
• 公開（公告）號: CN103571741A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 毛獻(xiàn)忠;王淋淋;陶益
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)深圳研究生院
• 主分類號: C12M1/00
• 分類號: C12M1/00;C12R1/89
• 代理公司: 深圳市匯力通專利商標(biāo)代理有限公司 44257
• 代理人: 李保明;張慧芳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氣升式平板生物反應(yīng)器。更具體地說，涉及實現(xiàn)平板反應(yīng)器高效混合及光能充分利用的隔板裝置，采用該隔板裝置的平板式生物反應(yīng)器，以及其隔板裝置的設(shè)置方法。

背景技術(shù)

微藻能夠合成蛋白質(zhì)、碳水化合物、多不飽和脂肪酸及其他生物活性物質(zhì)，在食品、飼料、醫(yī)藥、能源等多個領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價值。微藻也被用來處理廢水中的重金屬、氮磷及其他營養(yǎng)物質(zhì)。利用微藻光合固碳作用來處理煙氣中CO₂的研究也有報道。微藻有廣泛的應(yīng)用價值，而開發(fā)微藻的首要條件是采用合適的方式高密度的培養(yǎng)微藻，當(dāng)前培養(yǎng)微藻主要有開放池和光生物反應(yīng)器兩種模式，隨著對光生物反應(yīng)器性能研究的不斷深入，光生物反應(yīng)器培養(yǎng)微藻的優(yōu)勢越來越明顯，但其也面臨培養(yǎng)成本高、混合傳質(zhì)效果不佳、光照利用不充分等問題。當(dāng)前微藻商業(yè)化培養(yǎng)規(guī)模仍然較小，主要是因為光生物反應(yīng)器性能不佳且培養(yǎng)成本過高，因此，開發(fā)高效低成本的光生物反應(yīng)器已成為微藻生物技術(shù)的一個重要組成部分。

平板式生物反應(yīng)器是一種常見的生物反應(yīng)器，具有采光面積/體積（A/V）高和光/暗（L/D）循環(huán)時間低、結(jié)構(gòu)簡單、體積可放大等優(yōu)點，適用于微藻工業(yè)化規(guī)模培養(yǎng)。當(dāng)前在平板式生物反應(yīng)器的研究中，小型化的反應(yīng)器在實驗室條件下可取得較好的培養(yǎng)效果，但當(dāng)增加其尺寸規(guī)模，特別是光照路徑上的尺寸時，往往培養(yǎng)效果不佳，微藻產(chǎn)量降低。而在規(guī)模化培養(yǎng)中，采用小型化的反應(yīng)器會增加基建投入及運行成本，不利于微藻技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此，在反應(yīng)器設(shè)計時，應(yīng)側(cè)重于解決反應(yīng)器規(guī)模的可擴(kuò)展性問題，尤其是反應(yīng)器在光照路徑上的尺寸增加后，仍具有較好的培養(yǎng)效果。

光生物反應(yīng)器不僅要能實現(xiàn)大型化、規(guī)?；呐囵B(yǎng)能力，同時還要保證高的培養(yǎng)效率和培養(yǎng)密度。在微藻培養(yǎng)過程中，反應(yīng)器內(nèi)部的混合對微藻生長速率有重要的影響。早在1978年Richmond就注意到湍流對螺旋藻生物量的輸出率有一定影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著混合速率的增加，微藻細(xì)胞生物量的單位產(chǎn)率也明顯增加。對混合影響微藻生長的機(jī)理展開分析時，發(fā)現(xiàn)其主要是通過提高營養(yǎng)鹽、二氧化碳與藻細(xì)胞之間的傳質(zhì)以及提高微藻在光區(qū)與暗區(qū)的轉(zhuǎn)換頻率來實現(xiàn)。在實際的微藻培養(yǎng)過程中，入射光受到微藻的吸收以及藻細(xì)胞之間遮擋的影響，不斷衰減，且培養(yǎng)密度越高，光衰減現(xiàn)象越嚴(yán)重。在營養(yǎng)鹽、溫度及其他培養(yǎng)條件不受限制時，微藻培養(yǎng)密度與培養(yǎng)環(huán)境中光穿透的有效距離直接相關(guān)，而與光照強(qiáng)度無關(guān)。受光衰減及光線穿透距離的限制，會在反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)光區(qū)和暗區(qū)。在近光區(qū)由于光照太強(qiáng)，會對微藻產(chǎn)生“光抑制作用”，而在暗區(qū)由于光強(qiáng)太弱，對微藻的生長產(chǎn)生“光限制”影響。因此，實現(xiàn)微藻高密度培養(yǎng)的關(guān)鍵是提高微藻細(xì)胞對光能的吸收和利用，一些研究發(fā)現(xiàn)微藻在反應(yīng)器內(nèi)光區(qū)和暗區(qū)轉(zhuǎn)換對光能的有效利用及光合作用過程有重要的影響。相比于隨機(jī)的擾動混合，反應(yīng)器內(nèi)光區(qū)和暗區(qū)之間所發(fā)生的有規(guī)律的轉(zhuǎn)換混合對微藻生長更有利，該過程可通過增加光暗轉(zhuǎn)換頻率來提高微藻對光能的利用，促進(jìn)微藻的生長。Degen?et?al.在平板式生物反應(yīng)器內(nèi)加裝錯開的擋板強(qiáng)化光照梯度的混合，所培養(yǎng)的小球藻的生物量是相同規(guī)模無任何隔板反應(yīng)器的1.7倍。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種隔板裝置、采用該隔板裝置的平板式生物反應(yīng)器、以及隔板裝置的設(shè)置方法，以實現(xiàn)平板式生物反應(yīng)器高效混合及光能充分利用，從而進(jìn)一步增加微藻的產(chǎn)量。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種實現(xiàn)平板反應(yīng)器高效混合及光能充分利用的隔板裝置，其包括：

復(fù)數(shù)塊水平的隔板，在豎直方向上以固定間距層疊配置，其第一端對應(yīng)穿過平板反應(yīng)器的一個側(cè)板上的復(fù)數(shù)個矩形槽口伸出平板反應(yīng)器外，所述一個側(cè)板為受光側(cè)板或背光側(cè)板；

隔板支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)置于平板反應(yīng)器的與受光側(cè)板垂直的兩個側(cè)板上，用于支撐所述隔板，且使隔板能夠沿受光側(cè)板的垂線方向自由滑動；

防漏水結(jié)構(gòu)，設(shè)置于所述復(fù)數(shù)個矩形槽口的口緣，內(nèi)端面緊貼對應(yīng)的隔板；

連接結(jié)構(gòu)，設(shè)置于隔板的第一端處，用于將所述復(fù)數(shù)塊隔板連接為一體；以及

用于防止隔板從平板反應(yīng)器脫出的防滑離結(jié)構(gòu)。

在上述的隔板裝置中，優(yōu)選地，所述隔板支撐結(jié)構(gòu)為：

由復(fù)數(shù)組上下相對的矩形塊組成的方塊導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)；或

由上下相對的兩個矩形條組成的長條導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)；或

截面呈圓弧型的圓弧形導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)。

在上述的隔板裝置中，優(yōu)選地，所述防漏水結(jié)構(gòu)由硅膠或彈性橡膠制成，整體呈扁平的“口”字形。