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
【專利摘要】一種實(shí)現(xiàn)平板反應(yīng)器高效混合及光能充分利用的隔板裝置，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(gè)側(cè)板上的復(fù)數(shù)個(gè)矩形槽口伸出平板反應(yīng)器外，所述一個(gè)側(cè)板為受光側(cè)板或背光側(cè)板；隔板支撐結(jié)構(gòu)，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)置于復(fù)數(shù)個(gè)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，將復(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)。還涉及采用上述隔板裝置的平板式生物反應(yīng)器及隔板裝置設(shè)置方法。該方法為在微藻的不同培養(yǎng)期設(shè)置不同的隔板開口度，以實(shí)現(xiàn)平板反應(yīng)器高效混合及光能充分利用，增加藻產(chǎn)量。
【專利說明】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
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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(shí)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)】
[0002]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(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)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(bào)道。微藻有廣泛的應(yīng)用價(jià)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?yàn)楣馍锓磻?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(gè)重要組成部分。
[0003]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(shí)間低、結(jié)構(gòu)簡單、體積可放大等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(shí)，往往培養(yǎng)效果不佳，微藻產(chǎn)量降低。而在規(guī)?；囵B(yǎng)中，采用小型化的反應(yīng)器會增加基建投入及運(yùn)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(jì)時(shí)，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。
[0004]光生物反應(yīng)器不僅要能實(shí)現(xiàn)大型化、規(guī)?；呐囵B(yǎng)能力，同時(shí)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就注意到瑞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(shí)，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(shí)現(xiàn)。在實(shí)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(shí)，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(shí)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(cuò)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】

[0005]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(shí)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。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種實(shí)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:
[0008]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(gè)側(cè)板上的復(fù)數(shù)個(gè)矩形槽口伸出平板反應(yīng)器外，所述一個(gè)側(cè)板為受光側(cè)板或背光側(cè)板；
[0009]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(gè)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；
[0010]防漏水結(jié)構(gòu)，設(shè)置于所述復(fù)數(shù)個(gè)矩形槽口的口緣，內(nèi)端面緊貼對應(yīng)的隔板；
[0011]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
[0012]用于防止隔板從平板反應(yīng)器脫出的防滑離結(jié)構(gòu)。
[0013]在上述的隔板裝置中，優(yōu)選地，所述隔板支撐結(jié)構(gòu)為:
[0014]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
[0015]由上下相對的兩個(gè)矩形條組成的長條導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)；或
[0016]截面呈圓弧型的圓弧形導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)。
[0017]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。
[0018]在上述的隔板裝置中，優(yōu)選地，所述連接結(jié)構(gòu)包括連接桿以及設(shè)置于所述復(fù)數(shù)塊隔板的第一端處的連接孔，所述連接桿固設(shè)于所述連接孔中。
[0019]在上述的隔板裝置中，優(yōu)選地，所述防滑離結(jié)構(gòu)為:
[0020]固定于隔板第二端中部的至少一個(gè)突起結(jié)構(gòu)；或
[0021]扣接于隔板第二端的兩端處的薄片狀結(jié)構(gòu)，其端面呈框形；
[0022]所述隔板第二端為隔板伸入反應(yīng)器內(nèi)的一端。
[0023]一種平板式生物反應(yīng)器，它包括受光側(cè)板和背光側(cè)板，所述受光側(cè)板和背光側(cè)板分別設(shè)置上述任意一種隔板裝置，受光側(cè)板上的隔板與背光側(cè)板上的隔板相互交錯(cuò)，反應(yīng)器內(nèi)相鄰隔板之間的距離與反應(yīng)器在隔板滑動方向上的尺寸之比P為0.5-1.5。
[0024]在上述的平板式生物反應(yīng)器中，反應(yīng)器內(nèi)相鄰隔板之間的距離與反應(yīng)器在隔板滑動方向上的尺寸之比P優(yōu)選為0.8-1.2，更優(yōu)選為0.875-1.125。
[0025]上述任意一種平板式生物反應(yīng)器的隔板裝置的設(shè)置方法，該方法包括以下步驟:
[0026]在微藻培養(yǎng)初期，設(shè)置隔板開口度a ≥ 0.8 ；
[0027]在微藻培養(yǎng)中期，設(shè)置隔板開口度a為0.1 ≤ a ≤0.5;
[0028]所述隔板開口度a=d/D，0〈a〈l，其中，d為隔板與反應(yīng)器壁面之間的開口的寬度，D為反應(yīng)器在隔板滑動方向上的尺寸。[0029]在上述的活動隔板裝置的設(shè)置方法中，優(yōu)選地，還包括在微藻培養(yǎng)結(jié)束后，設(shè)置隔板開口度a≥0.8的步驟。
[0030]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0031]通過在反應(yīng)器的受光側(cè)板和背光側(cè)板間隔特定的距離、相互交錯(cuò)的安裝隔板，實(shí)現(xiàn)了平板反應(yīng)器內(nèi)的均勻混合以及藻液在光區(qū)和暗區(qū)的流動轉(zhuǎn)換，確保了反應(yīng)器光區(qū)和暗區(qū)均具有較高光能利用率，并能夠在此基礎(chǔ)上盡可能的增加暗區(qū)的空間，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器在光照方向上尺寸的增大，進(jìn)而擴(kuò)大反應(yīng)器的培養(yǎng)規(guī)模。
[0032]由于隔板能夠沿受光側(cè)板或背光側(cè)板的垂線方向滑動，因此能夠控制隔板伸入反應(yīng)器內(nèi)的尺寸，即隔板的開口度。通過在微藻不同的培養(yǎng)期，設(shè)置不同的隔板安裝狀態(tài)(開口度)，實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)初期，藻的快速繁殖；培養(yǎng)中期藻密度較高時(shí)，反應(yīng)器具有較好的混合性能、較高的光暗轉(zhuǎn)換頻率和光能利用率，增加藻的產(chǎn)量；培養(yǎng)結(jié)束后，方便微藻收集、藻液排除以及反應(yīng)器內(nèi)壁的清洗。
[0033]通過設(shè)置相鄰隔板之間的距離與反應(yīng)器在隔板滑動方向上的尺寸之比P，保證了藻液在相鄰隔板與反應(yīng)器圍成的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較好的環(huán)形流動，提高了藻在光區(qū)和暗區(qū)的轉(zhuǎn)換頻率，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器整體較佳的光能利用率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為一實(shí)施例平板式生物反應(yīng)器的外部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖2a為圖1平板式生物反應(yīng)器的側(cè)剖面圖；
[0036]圖2b為參數(shù)標(biāo)注圖；
[0037]圖3為隔板裝置在平板反應(yīng)器內(nèi)部的幾種安裝方式示意圖；
[0038]圖4為隔板與其支撐結(jié)構(gòu)接觸部分的平面示意圖；
[0039]圖5a是不同隔板開口度a下反應(yīng)器內(nèi)液體湍動能強(qiáng)度及分布的流場圖；
[0040]圖5b是不同隔板開口度a下反應(yīng)器內(nèi)液體流動強(qiáng)度及形態(tài)的矢量圖；
[0041]圖6a是不同隔板間距比P下反應(yīng)器內(nèi)液體湍動能強(qiáng)度及分布的流場圖；
[0042]圖6b是不同隔板間距比P下反應(yīng)器內(nèi)液體流動強(qiáng)度及形態(tài)的矢量圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]本發(fā)明在平板式生物反應(yīng)器的受光和背光的兩側(cè)板上，使隔板間隔特定的距離且相互交錯(cuò)的安裝由滑動式隔板、防漏水結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)、隔板支撐結(jié)構(gòu)以及防滑離結(jié)構(gòu)組成的隔板裝置，并通過設(shè)置隔板伸入反應(yīng)器內(nèi)的尺寸以及相鄰兩隔板的間距，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)最佳的流動混合性能及光能利用效率，增加微藻的產(chǎn)量。并在微藻不同的培養(yǎng)時(shí)期，設(shè)置不同的隔板運(yùn)行狀態(tài)，保證培養(yǎng)初期，微藻的快速增長繁殖；培養(yǎng)中期，藻的高密度的生長；培養(yǎng)結(jié)束后，便于微藻的收集及反應(yīng)器內(nèi)壁的清洗。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0044]如圖1和圖2a所示，本平板式生物反應(yīng)器包括受光側(cè)板I和背光側(cè)板I ’，受光側(cè)板I和背光側(cè)板I’均設(shè)置有隔板裝置，受光側(cè)板I上的隔板2與背光側(cè)板I’上的隔板2
相互交錯(cuò)。
[0045]參照圖2b，設(shè):隔板2與反應(yīng)器壁面之間的開口的寬度為d，相鄰兩隔板之間距離為h，反應(yīng)器在隔板滑動方向上的尺寸為D，則定義隔板開口度為a=d/h，反應(yīng)器內(nèi)相鄰隔板之間的距離h與反應(yīng)器在隔板滑動方向上的尺寸D之比(簡稱為隔板間距比)為P，即3=h/D。本發(fā)明中，隔板間距比P的取值范圍可以為0.5-1.5，隔板間距比P的優(yōu)選取值范圍為0.8-1.2，隔板間距比P的最佳取值范圍為0.875-1.125。
[0046]下面以受光側(cè)板I上的隔板裝置為例說明隔板裝置的構(gòu)成。參照圖1-3，隔板裝置包括:復(fù)數(shù)塊水平的隔板2 (圖1中示出了兩塊)，隔板支撐結(jié)構(gòu)，防漏水結(jié)構(gòu)3，連接結(jié)構(gòu)，以及用于防止隔板2從平板反應(yīng)器脫出的防滑離結(jié)構(gòu)。圖中5為反應(yīng)器底部支座。
[0047]復(fù)數(shù)塊隔板2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)器的受光側(cè)板I上的復(fù)數(shù)個(gè)矩形槽口 3’伸出平板反應(yīng)器外。隔板2采用薄的平板狀結(jié)構(gòu)，可由透明或者不透明的金屬、合金、塑料、玻璃、有機(jī)玻璃加工制作。
[0048]參照圖3，隔板支撐結(jié)構(gòu)可以采用由復(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)6，也可以采用由上下相對的兩個(gè)矩形條組成的長條導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)7，還可以采用截面呈圓弧型的圓弧形導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)8。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I垂直的兩個(gè)側(cè)板上，用于支撐隔板2，且使隔板2能夠沿受光側(cè)板I的垂線方向自由滑動。
[0049]防漏水結(jié)構(gòu)3設(shè)置于復(fù)數(shù)個(gè)矩形槽口 3’的口緣，內(nèi)端面緊貼對應(yīng)的隔板2。防漏水結(jié)構(gòu)3整體呈扁平的“口”字形，防漏水結(jié)構(gòu)3最好用硅膠或彈性橡膠制成。
[0050]防滑離結(jié)構(gòu)可以采用突起型防滑離結(jié)構(gòu)，也可以采用片狀防滑離結(jié)構(gòu)。參照圖3，突起型防滑離結(jié)構(gòu)為固定于隔板2第二端(圖3中的前端，即伸入反應(yīng)器內(nèi)的一端)中部的一個(gè)或多個(gè)突起結(jié)構(gòu)9。片狀防滑離結(jié)構(gòu)為扣接于隔板第二端(圖3中的前端，即伸入反應(yīng)器內(nèi)的一端)的兩端處的薄片狀結(jié)構(gòu)10，其端面呈框形。
[0051]連接結(jié)構(gòu)設(shè)置于隔板2的第一端(圖1中的前端，即伸出反應(yīng)器外的一端)處，用于將所述復(fù)數(shù)塊隔板2連接為一體。所述連接結(jié)構(gòu)包括連接桿4以及設(shè)置于所述復(fù)數(shù)塊隔板2的第一端處的連接孔4’，所述連接桿4固設(shè)于所述連接孔4’中。連接桿4采用高強(qiáng)度材料制作的長條形或圓柱形細(xì)桿，通過拉動連接桿4，實(shí)現(xiàn)位于反應(yīng)器一側(cè)的所述復(fù)數(shù)塊隔板2的整體移動。
[0052]參照圖4，隔板與其支撐結(jié)構(gòu)相接觸的端面可以設(shè)計(jì)為平面11、凸弧面12或錐臺面13。
[0053]隔板裝置的安裝方法如下:
[0054]根據(jù)所設(shè)定的隔板間距比P (如P =1)，在反應(yīng)器受光側(cè)板I和背光側(cè)板I’上確定隔板安裝的位置，并在對應(yīng)的位置處，開挖矩形的槽口 3’，矩形槽口 3’的寬度約為1.5-2倍隔板厚度。在矩形槽口 3’的口緣粘結(jié)有一圈扁平“口”字形結(jié)構(gòu)的橡膠或硅膠防漏水結(jié)構(gòu)3，防漏水結(jié)構(gòu)3的厚度約為0.3-1倍的隔板厚度。在反應(yīng)器內(nèi)與受光側(cè)板I垂直的兩個(gè)側(cè)板上，沿隔板滑動方向，設(shè)置隔板支撐結(jié)構(gòu)，若采用方塊導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)6，將四個(gè)小的矩形塊粘貼在反應(yīng)器的側(cè)壁上；若采用長條導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)7，將兩個(gè)矩形長條粘貼在反應(yīng)器的側(cè)壁上；若采用的圓弧形導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)8，則通過在反應(yīng)器的側(cè)板上開挖弧形凹槽的方式實(shí)現(xiàn)。對所采用的隔板支撐結(jié)構(gòu)，讓其剛好夾住隔板2，并使隔板2在導(dǎo)軌內(nèi)能水平自由滑動。如果采用突起型防滑離結(jié)構(gòu)，在隔板2伸入反應(yīng)器內(nèi)部的一端中間處粘結(jié)一個(gè)或多個(gè)突起結(jié)構(gòu)9，突起結(jié)構(gòu)9可以為錐形、三角形、半球形、圓柱形、矩形的其中一種，其高度與防漏水的硅膠或橡膠材料的厚度接近。如果采用片狀防滑離結(jié)構(gòu)，則在隔板2伸入反應(yīng)器內(nèi)部的一端的兩端處(即隔板2兩側(cè)與隔板支撐結(jié)構(gòu)相接處)，扣一個(gè)端面呈框形的薄片，并用膠水固定。
[0055]在隔板2伸出反應(yīng)器外的一端的中心處，開設(shè)與連接桿4徑向尺寸相當(dāng)?shù)倪B接孔4’，將連接桿4穿過連接孔4’，在隔板2與連接桿4結(jié)合處，采用膠水粘結(jié)或焊接的方式，實(shí)現(xiàn)連接桿4與多個(gè)隔板2的牢固連接。
[0056]上述平板式生物反應(yīng)器的隔板裝置的設(shè)置方法包括如下步驟:
[0057]首先，以相鄰隔板2與反應(yīng)器側(cè)板圍成區(qū)域的截面接近正方形的原則，確定隔板間距比P，P的優(yōu)選范圍為0.8-1.2。
[0058]然后，在培養(yǎng)初期(接種后的兩天里)，設(shè)置較大的隔板開口度，使a >0.8，此時(shí)增加了氣體在反應(yīng)器內(nèi)的分布，減小了藻的沉淀，促進(jìn)了藻快速的增長繁殖。在培養(yǎng)中期(從接種后第三天開始)，減小隔板的開口度為0.1-0.5，此時(shí)隔板2對上升的氣泡柱形成阻擋，使位于兩隔板2間的藻液以隔板為邊界進(jìn)行環(huán)形轉(zhuǎn)動，促進(jìn)了藻液在光區(qū)和暗區(qū)的轉(zhuǎn)換，提高了光能利用效率，促進(jìn)了藻的生長。
[0059]最后，在藻培養(yǎng)結(jié)束后，增大隔板開口度，使a >0.8，減小了隔板2對藻液的阻擋，促進(jìn)了藻液從反應(yīng)器快速排出，同時(shí)方便了對反應(yīng)器內(nèi)壁的清洗。
[0060]相較于本發(fā)明的隔板設(shè)置方法，如果采用的是固定的隔板(即隔板開口度不可調(diào)節(jié))，在培養(yǎng)初期，隔板與藻的接觸面積較大，且多層隔板又間接起到了隔板沉淀池的效果，會引起藻的沉降，從而減緩藻的快速增長繁殖。而在培養(yǎng)結(jié)束后，由于固定隔板的存在，會增加微藻收集的難度，同時(shí)由于隔板的阻擋也會增加排除藻液的成本。此外，在反應(yīng)器維護(hù)期間，固定隔板的存在也不利于反應(yīng)器內(nèi)壁的清洗。
[0061]下面給出了不同隔板間距比和隔板開口度下反應(yīng)器內(nèi)液體的流動及混合情況:
[0062]為了說明本發(fā)明對反應(yīng)器內(nèi)液體混合及光區(qū)、暗區(qū)流動轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)作用，圖5a和5b分別給出了曝氣位置在反應(yīng)器底部中間及隔板間距比P為I的條件下，不同的隔板開口度a (變化范圍為0.1-0.7)對反應(yīng)器內(nèi)液體湍動能和液體流動的影響。如圖可以看出，在a=0.5時(shí)，湍動能在反應(yīng)器不同區(qū)域內(nèi)的分布最均勻。在a <0.5時(shí)，隨著a的增大，湍動能的分布逐漸趨于均勻；當(dāng)a >0.5時(shí)，在最下層隔板與反應(yīng)器壁面之間的開口處，出現(xiàn)局部湍動能較大的區(qū)域，湍動能分布的均勻性變差。分析液體的流動情況可以看出，隨a的增大，液體流速不斷減小，同時(shí)隔板區(qū)域內(nèi)液體的環(huán)形流動也不斷的減弱。在a較小時(shí)，液體的流速高、光區(qū)和暗區(qū)的流動轉(zhuǎn)換效果好，但局部的流速高于0.12m/s，所形成的剪切力過大，會造成藻細(xì)胞的損傷，因此，不利于微藻的生長。在a為0.5附近時(shí)，液體流速約為0.7m/s，處在適宜微藻生長的流速附近，且此時(shí)液體仍能保持較好的環(huán)形流動，有利于藻液在光區(qū)和暗區(qū)的流動轉(zhuǎn)換，對微藻生長有利。
[0063]為了體現(xiàn)本發(fā)明中隔板設(shè)置方法對液體流動混合的調(diào)節(jié)作用，在隔板開口度為
0.5，曝氣位置為反應(yīng)器底部中間時(shí)，設(shè)置隔板間距比P在0.5到1.5之間變化，如圖6a和6b可以看出，在較小的P下，8卩P <0.75時(shí)，液體在隔板區(qū)域內(nèi)難以形成有效的環(huán)形流動，湍動能的分布也極不均勻，出現(xiàn)大范圍的死區(qū)。在0.875 S ^ <1.125時(shí)，此時(shí)隔板區(qū)域內(nèi)湍動能的分布較均勻，且液體可在隔板區(qū)域內(nèi)維持較好的環(huán)形流動，有利于實(shí)現(xiàn)藻液在光區(qū)和暗區(qū)的轉(zhuǎn)換，提高光能利用率。而隨著隔板間距比的進(jìn)一步增大，在P ^ 1.25時(shí)，隔板圍繞的空間內(nèi)開始出現(xiàn)局部湍動能較大的區(qū)域，且此時(shí)的液體的環(huán)形流動較弱，難以產(chǎn)生有效的環(huán)形流動，不利于藻液在光區(qū)和暗區(qū)的轉(zhuǎn)換，光能利用效率低。
[0064]上述隔板裝置及設(shè)置方法，至少具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0065]1.隔板采用薄的平板狀結(jié)構(gòu)，在安裝隔板的矩形槽口處，鑲嵌一圈以彈性橡膠或硅膠為材質(zhì)的扁平的“ 口 ”字形防漏水結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一方面對隔板進(jìn)行無縫的包裹，另一方面保證隔板在其中靈活的滑動。
[0066]2.在反應(yīng)器內(nèi)部與隔板的結(jié)合處，沿隔板滑行方向，設(shè)置導(dǎo)軌形式的支撐結(jié)構(gòu)，讓隔板的邊緣部分嵌入到支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而保證隔板在水平方向上滑動。
[0067]3.對位于反應(yīng)器一側(cè)的所有隔板，采用高強(qiáng)度材料制作的長條形或圓柱形細(xì)桿進(jìn)行連接，通過拉動連接桿，實(shí)現(xiàn)位于反應(yīng)器一側(cè)的所有隔板的整體移動。
[0068]4.控制相鄰兩隔板之間的距離，使相鄰兩個(gè)隔板與反應(yīng)器壁圍成區(qū)域的截面近似呈正方形，從而保證藻液在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較好的環(huán)形流動，提高藻在光區(qū)和暗區(qū)的轉(zhuǎn)換頻率，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器整體較佳的光能利用率。
[0069]5.控制隔板伸入反應(yīng)器內(nèi)的尺寸，即隔板的開口度a，在初始培養(yǎng)時(shí)，藻密度低，光穿透能力好，設(shè)置較大的a值，即a >0.8，增加了氣體在反應(yīng)器內(nèi)的分布，減小了微藻在隔板上的沉降，促進(jìn)了藻的快速增長繁殖。在培養(yǎng)中期，藻達(dá)到較大密度時(shí)，設(shè)置a值的區(qū)間為:0.1 < a <0.5，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器內(nèi)均勻的混合性能，并促進(jìn)了藻液在隔板間較好的流動轉(zhuǎn)換，進(jìn)而提高了光暗轉(zhuǎn)換頻率和光能利用效率。在培養(yǎng)結(jié)束后，設(shè)置較大的a值，即a ^ 0.8，減小了隔板對藻 液排出及微藻收集的阻擋，同時(shí)方便了反應(yīng)器內(nèi)壁的清洗。
【權(quán)利要求】
1.實(shí)現(xiàn)平板反應(yīng)器高效混合及光能充分利用的隔板裝置，其特征在于，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(gè)側(cè)板上的復(fù)數(shù)個(gè)矩形槽口伸出平板反應(yīng)器外，所述一個(gè)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(gè)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(gè)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)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔板裝置，其特征在于: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(gè)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)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔板裝置，其特征在于: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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔板裝置，其特征在于:所述連接結(jié)構(gòu)包括連接桿以及設(shè)置于所述復(fù)數(shù)塊隔板的第一端處的連接孔，所述連接桿固設(shè)于所述連接孔中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔板裝置，其特征在于:所述防滑離結(jié)構(gòu)為 固定于隔板第二端中部的至少一個(gè)突起結(jié)構(gòu)；或 扣接于隔板第二端的兩端處的薄片狀結(jié)構(gòu)，其端面呈框形； 所述隔板第二端為隔板伸入反應(yīng)器內(nèi)的一端。
6.—種平板式生物反應(yīng)器,包括受光側(cè)板和背光側(cè)板,其特征在于:所述受光側(cè)板和背光側(cè)板分別設(shè)置權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的隔板裝置，受光側(cè)板上的隔板與背光側(cè)板上的隔板相互交錯(cuò)，反應(yīng)器內(nèi)相鄰隔板之間的距離與反應(yīng)器在隔板滑動方向上的尺寸之比 3 為 0.5-1.5。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的平板式生物反應(yīng)器，其特征在于:反應(yīng)器內(nèi)相鄰隔板之間的距離與反應(yīng)器在隔板滑動方向上的尺寸之比P為0.8-1.2。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的平板式生物反應(yīng)器，其特征在于:反應(yīng)器內(nèi)相鄰隔板之間的距離與反應(yīng)器在隔板滑動方向上的尺寸之比P為0.875-1.125。
9.權(quán)利要求6至8任意一種平板式生物反應(yīng)器的隔板裝置的設(shè)置方法，其特征在于，包括以下步驟: 在微藻培養(yǎng)初期，設(shè)置隔板開口度a ^ 0.8 ； 在微藻培養(yǎng)中期，設(shè)置隔板開口度a為0.1 < a <0.5; 所述隔板開口度a=d/D，0〈a〈l，其中，d為隔板與反應(yīng)器壁面之間的開口的寬度，D為反應(yīng)器在隔板滑動方向上的尺寸。
10.權(quán)利要求9所述的活動隔板裝置的設(shè)置方法，其特征在于，還包括如下步驟:在微藻培養(yǎng)結(jié)束后，設(shè)置隔板開口度a >0.8。
【文檔編號】C12M1/00GK103571741SQ201310522290
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】毛獻(xiàn)忠, 王淋淋, 陶益 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院