专利名称：可组装平板式光生物反应器的制作方法
技术领域：
本发明属于光生物反应器一一种可快速组装的平板式光生物反应器。
背景技术：
藻类属于微型植物，微藻能够利用简单的矿物质营养素，在光合作用(日光和人 工照明)的情况下，将CO2和水转化为我们生活需要的各种有机化合物(如色素、蛋白质、 氨基酸、维生素和脂肪酸、多糖和矿物质等人体必需的营养成份)。由于藻类具有高效光利 用率，以及从周围环境中快速高效吸收营养素(如CO2、氮、磷等)并转化成有机化合物的能 力，使藻类成为拥有未来解决食品、能源危机的巨大经济潜力。藻类养殖对于CO2减排、污水 处理以及清洁生物能源利用方面的重要作用、以及在改善生态环境的重大意义，使藻种改 良实验室科学研究、微藻的实验室培养与工业化养殖，以及微藻的综合利用技术推广研究， 成为目前最热门的科研与应用领域之一。尽管藻类具备了较高的环境与经济价值，但现有 的藻类养殖经验表明，藻类养殖成本占藻类再加工利用的主要部分，而现有的藻类养殖光 生物反应器则由于结构和制造工艺复杂，大大增加了藻类养殖成本与过程控制的难度，成 为制约藻类产业经济性利用的主要难题。开发低成本且易于生产控制的适用于工业规模化 藻类养殖的光生物反应器的成为产业的重要难题。当前，藻类的培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器，开放式生物反应器 由于不具备温度控制能力、生产受季节影响，且生产过程容易受到各种异生物的污染而证 明并不是最有效的方式。为此，人们开始研究各种封闭式光生物反应器，如管道式、平板 式、柱状气升式、浮式薄膜袋等光生物反应器。由于这些光生物反应器结构不同，其实际使 用效果差异很大，产品结构对藻类的养殖产量与养殖效果的影响就更加明显。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；柱状光生物反应器虽然不存在氧解析困难的问题，混合也很均勻，但放大困难，主要 是容器的透光性制约了其发展；平板式光生物反应器相对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、混合均勻、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 途、更易实现工业规模的应用。已有公告号CN1880442A公开发明申请专利“新的多节式平板光生物反应器”，该 专利详细描述了光生物反应器在申请前的技术现状，特别是与平板光生物反应器类似结构 的光生物反应器的研究与专利技术状况，指出了前期平板式光生物反应器研究设计在内外 光源设置、光程、散热、混合等方面的一系列问题。国内目前光生物反应器仍主要以管道式 和柱状气升式光反应器为主，针对平板式光生物反应器研究报导较少。已有公告号CN101405385A公开了美国亚利桑那州立大学胡强等的“光生物反应 器及其用途”的专利申请文件，文件中详细介绍了关于目前光生物反应器的研究与专利背 景材料，指出目前平板类型的光生物反应器应用的主要技术障碍是在工程放大中缺乏一种 可用于商业推广的工业化光生物反应器。该公开文件提出了一些光生物反应器可组装的思路，即利用多个显而易见的分离片断或模件，组装成尺寸各异、厚度不同及不同运行与连接 方式的各式各样的光生物反应器及其系统。该专利仅提出了平板式光生物反应器的组装思 想，提出的组装技术大多是已经公开使用过的常规的组装技术，缺乏对实际组装模件的结 构特点的具体描述，实际组装过程完全依赖于工程技术人员的具体工程设计，不具备标准 化的和可快速设计组装的实际效果；而且提供的资料中，反应器的组装过程与实际微藻培 养效果之间，缺乏某种必然的技术特征联系；组装过程的随意性，导致在实际工业化的工程 应用过程中很难推广实施。
发明内容
本发明的目的是提供一种可组装的平板式光生物反应器，提供了各组装件的模块 结构与组装方法，弥补现有可组装平板光生物反应器在组装模具结构、结构匹配性和组装 方法、运行控制方法等方面的诸多不足。本发明提供了一种可组装平板式光生物反应器的主要组装模块与组装方法，以及 组装大容量光生物反应器、系列光生物反应器、以及各种安装排列形式的平板式光生物反 应器的组装模块与组装方法。通过这种模块化组件的制作与现场组装，满足大批量藻类培 养中对光生物反应器低成本生产与工业化快速组装设计的需要。本发明可组装平板式光生物反应器包括框架、前侧壁、后侧壁、密封垫片、分布 器、分配管、紧固件、导流板、加料孔、接种口和排料口等，以及为确保反应器正常运行的加 料系统、通风供气系统、环境综合控制系统、排料系统等外部系统。其主要特征包括围成反 应器内部空间的前侧壁、后侧壁、框架，以及安装于前侧壁和后侧壁与框架之间起密封作用 的密封垫片和起固定作用的紧固件，其特征还包括框架上的加料孔，加料孔上安装的止回 阀，固定于框架上的分布器，固定于框架中空槽内的分配管，分配管上的分配接头与加料孔 匹配并与加料孔连接。反应器的前侧壁和后侧壁是透明的，或者至少其采光侧的侧壁板是由透明的平板 材料制造而成的。反应器的前侧壁和后侧壁由紧固件固定在反应器框架上，并可以有辅助 加强支架以强化紧固件的安装效果。反应器框架为布置在平板式光反应器四周的支撑架，密封垫片置于前侧壁、后侧 壁与框架的密封面上，紧固件固定前侧壁、后侧壁于框架上并压紧处于它们之间的密封垫 片，以保证前侧壁和后侧壁与框架围成反应器内部空间的密封性。反应器的框架可为整体框架、或由底座、立柱和顶盖等可拆分部件组装成的整体 的框架结构。反应器框架周边横断面为中空槽结构，中空槽内固定有分配管或测量和供电 电缆；反应器框架底座和两侧立柱内设计有加料孔，加料孔一端连接分配管，另一端连通固 定于框架内侧的分布器，固定于框架内侧的分布器为具有细小分散孔的筛板。加料孔内安装有止回阀，在分配管内压力高于反应器压力时，止回阀受压开启，在 分配管压力低于反应器压力时，止回阀自动关闭，以防止反应器内培养物倒流入分配管。反应器框架立柱或底座上有接种口，用于培养物(如微藻种)注入反应器内，反应 器框架立柱或底座有排料口用于反应器内培养物的排出或收集。反应器内还安装有导流 板，用以调节反应器内介质的循环流动方向。反应器框架的顶盖上有仪表安装孔、气体排出孔、取样检测孔和固定支架孔等。
反应器框架的中空槽开口可装有活动的封盖板，防止异物落入框架内。反应器的接种与排料过程包括反应器培养物通过接种口加入反应器内，在培养 至某一阶段后，通过反应器排料口排入下一只或几只反应器继续培养，或经过排料系统进 入后续收集处理机。反应器的加料系统和通风供气系统供给过程包括反应器加料系统和通风供气系 统与安装在框架中空槽内的分配管连接，通过分配管、加料口向反应器内输送各种培养物 生长所需要的各类液体或气体营养物质；其供给通道包括需供给的物质经过外部系统管 道进入分配管、经由加料孔、加料孔出口止回阀、再经过分布器进入反应器内。环境综合控制系统包括反应器内的测量与控制两部分，反应器的测量仪表通过框 架的顶盖安装固定在反应器内，以测量反应器运行的各种参数，如PH值、温度、溶氧等，通 过反应器环境综合控制系统，调节加料物的温度、PH值、氧气与营养物供应量在需要的范围 内运行。反应器温度控制方法包括反应器的内部温度控制主要是通过添加不同物料温度 来实现的，即在反应器外部系统管路上加装冷却器或加热器，当反应器内温度高于设定值 时，使添加的培养营养物经过冷却器降温后，再向反应器内加入；在反应器内温度低于设定 值时，使添加的培养营养物经过加热器升温后，再向反应器内加入。反应器还可通过培养液循环温控系统实现反应器温度辅助控制，控制方法包括 在反应器上安装过滤器、吸入管、吸入泵、冷却器和加热器、回流管及阀门等附件，将过滤器 与吸入管插入反应器培养液内，在需要启动反应器内部温度辅助控制系统时，通过启动吸 入泵，使反应器内培养液通过过滤器、吸入管进入冷却器或者加热器，以降低或升高培养液 的温度后，由回流管回到反应器内，实现反应器培养液内循环温度控制调节，过滤器能有效 地防止培养物的吸入而受到吸入泵的伤害。本发明除组装为单个平板式光生物反应器外，也可由数个反应器串联或并联组装 成大容积反应器，并通过外部系统管网和环境综合控制系统向各个反应器内输送营养物和 实现集成控制。本发明的单只可组装平板式光生物反应器的组装方法包括第一步，在反应器框架的加料孔上安装好止回阀，并在反应器框架内侧安装固定 好分布器，在反应器框架的中空槽内固定好分配管，并将分配管的分配接头与框架加料孔 连接；第二步，在反应器框架的顶盖上，安装测量仪表、出气管、导流板支架等附件，导流板 可直接安装于框架上或辅助支架上；第三步，在反应器框架密封面处安装好密封垫片，用紧 固件将反应器前侧壁和后侧壁固定在反应器框架上，并压紧密封垫片；第四步，将外部加料 系统或通风供气系统管道与分配管连接，接种管道与反应器框架上的接种口连接，排料口 与下一级反应器连接或者与排料系统管道连接，连接好仪表测量信号线，安装框架封盖板， 检查组装安装完整性。上述安装步骤和顺序，可根据操作者的操作习惯，做适应性调整。当采用两只或多只反应器串联连接组装时，前一只反应器的排料口与后一只的反 应器接种口连接；多只反应器串联或并联连接时，框架内的分配管也可根据系统设计要求， 实现串联或并联互连。本发明提供了一种可组装平板式光生物反应器模块化组装件的结构、组装过程与 控制方法，通过模块式快速组装、有效加料方式、通风供气方式和密封方式，以及与环境综合控制系统，实现不同容积光生物反应器的现场快速组装、拆卸清洗再组装、运行控制等要 求，适用于实验室或工业规模化微藻养殖及其它光合生物细胞的悬浮培养对反应器容积的 特殊要求，具有较好的实验室应用和工业过程放大前景。下面参照附图对本发明的优选实施例做详细说明。
图1为本发明平板式光生物反应器的框架及分配管装配剖面示意图。图2为本发明平板式光生物反应器组装后横断面剖面示意图。图3为本发明三只平板式光生物反应器串联组装装配示意图。图4为本发明反应器内部温度辅助控制系统原理图。其中，1.前侧壁，2.框架，3.分配管，4.分配接头，5.加料孔，6.接种口，7.排料 口，8.紧固件，9.止回阀，10.分布器；11.后侧壁，12.密封垫片，13.封盖板，14.导流板， 15.测量电极、16.过滤器、17.吸入管、18.吸入泵、19.冷却器、20.加热器、21、回流管
具体实施例如图1和图2所示，本发明组装平板式光生物反应器包括反应器前侧壁1、后侧壁 11、框架2、以及安装于前侧壁1和后侧壁11与框架2之间起密封作用的密封垫片12、起固 定作用的紧固件8，其特征还包括框架2上的加料孔5，加料孔5上安装的止回阀9，固定于 框架2上的分布器10，固定于框架2中空槽内的分配管3，分配管3上的分配接头4与加料 孔5匹配并与加料孔5连接。图1为本发明平板式光生物反应器的框架及分配管装配剖面示意图，图中在反应 器框架2底座和两侧中空槽立柱内，分别固定有分配管3，分配管3的分配接头4与框架2 上的加料孔5连接，实现由分配管3通过加料孔5向反应器内部加料和通风供气操作。框 架2的顶盖有测量和排气孔，用于测量仪表、支撑板和排气管等的安装。在反应器外部配套 系统安装后，分配管3通过与外部系统管路连接，实现向反应器内供应各类培养液的需要。图2为本发明平板式光生物反应器组装后横断面剖面示意图，图中框架2上的加 料孔5内安装有止回阀9，框架2内固定有分布器10，在框架2的中空槽内，固定有分配管 3，分配管3的分配接头4与加料孔5匹配并连接，螺钉8固定前侧壁1和后侧壁11于框架 2上并压紧密封垫片12在其密封面上，完成平板式光生物反应器的快速组装。图3为本发明三只平板式光生物反应器串联组装装配示意图，附图示意了导流板 14、测量电极15、加料系统与通风供气系统与反应器的一种串联安装连接结构，在反应器串 联组装过程中，最前端的反应器接种口 6与接种管道连接，并通过其反应器的排料口 7连接 至下一级反应器的接种口 6，最后一只反应器的排料口 7接入排料管道，形成反应器串联组 装模式。同样的，当需要实现并联组装模式时，则将反应器的接种口 6并联连接接种管道， 而反应器的排料口 7并联连接排料管道，形成并联组装模式。反应器配套加料系统和通风 供气系统，可以与反应器分配管3实现串联连接或并联连接。图4为本发明反应器培养液内循环温度辅助控制系统原理图，带过滤器16的吸入 管17插入反应器内，利用吸入泵18将反应器内的培养液吸入系统管道，过滤器16可防止 培养物和颗粒物进入系统管道。吸入的培养液经过吸入泵18，并根据温度控制要求，在需要降温时流经冷却器19，降低培养液的温度后，经过回流管21回流入反应器，达到降低反应 器内液体温度的目的，在需要提高温度时流经加热器20，在升高培养液的温度后，经过回流 管21回流入反应器。 本发明装置可安装于固定支架上，以提高安装的稳定性，也不难通过其固定支架 调整，实现不同安装角度控制要求。
权利要求
1.一种可组装平板式光生物反应器，包括围成反应器内部空间的前侧壁(1)、后侧壁 (11)、框架0)，以及安装于前侧壁⑴和后侧壁(11)与框架(2)之间起密封作用的密封 垫片(12)和起固定作用的紧固件(8)，其特征还包括框架(2)上的加料孔(5)，加料孔(5) 上安装的止回阀(9)，固定于框架(2)上的分布器(10)，固定于框架O)中空槽内的分配管 (3)，分配管C3)上的分配接头(4)与加料孔(5)匹配并与加料孔( 连接。
2.如权利要求1所述的可组装平板式光生物反应器，其特征在于反应器的框架(2)可 为整体框架、或由底座、两侧立柱和顶盖等可拆分部件组装成的整体的框架结构，反应器框 架⑵四周为中空槽结构，中空槽内固定有分配管⑶或测量和供电电缆，分配管⑶为柔 性或刚性材料制成的具有分配接头(4)为支管的流体分配通道；固定于框架O)内侧的分 布器(10)为具有细小分散孔的筛板。
3.如权利要求1所述的可组装平板式光生物反应器，其特征在于反应器框架(2)侧面 立柱或底座上有接种口(6)和排料口(7)，反应器内还安装有导流板(14)，其顶盖上安装在 测量电极(15)、排气口及辅助支架。
4.如权利要求1所述的可组装平板式光生物反应器，其辅助系统包括加料系统、通风 供气系统、接种系统、排料系统、环境综合控制系统等，其特征还包括由过滤器(16)、吸入管 (17)、吸入泵(18)、冷却器(19)、加热器(20)、回流管(21)、控制器及阀门附件等组成的反 应器温度辅助控制系统，其特征在于过滤器(16)连接吸入管(17)插入反应器内，吸入管 (17)连接吸入泵(18)并通过吸入泵(18)将反应器内的培养液吸入系统管道，冷却器(19) 和加热器00)的进口并联连接于吸入泵(18)的出口，其出口端并联连接后经回流管 回流入反应器内。在反应器需要降温时由控制阀门使吸入的培养液流经冷却器(19)，降低 培养液的温度后，经过回流管回流入反应器，达到降低反应器内液体温度的目的；在 需要提高温度时由控制阀门使吸入的培养液流经加热器(20)，在升高培养液的温度后，经 过回流管回流入反应器。
5.如权利要求1所述的可组装平板式光生物反应器，其组装顺序包括但不限于以下方 法和步骤第一步，在反应器框架O)的加料孔(5)上安装好止回阀(9)，并在反应器框架O)内 侧安装固定好分布器(10)，在反应器框架O)的中空槽内固定好分配管(3)，并将分配管 (3)的分配接头(4)与框架O)的加料孔(5)连接。第二步，在反应器框架O)的顶盖上，安装测量仪表、排气管、导流板(14)及支架等附件。第三步，在反应器框架(2)密封面处安装好密封垫片(12)，用紧固件(8)将反应器前侧 壁(1)和后侧壁(11)固定在反应器框架( 上，并压紧密封垫片(12)。第四步，将外部加料系统或通风供气系统管道与分配管(3)连接、接种系统与反应器 框架(2)上的接种口(6)连接，排料口(7)与下一级反应器接种口(6)连接或者与排料系 统管道连接，连接好仪表测量信号线，安装框架封盖板(13)，完成反应器的组装安装。
全文摘要
一种可组装平板式光生物反应器，包括框架、前侧壁、后侧壁、密封垫片、分布器、分配管、紧固件、导流板、加料孔、接种口和排料口等，以及为确保反应器正常运行的加料系统、通风供气系统、环境综合控制系统、排料系统等外部系统。其主要特征是反应器框架为布置在光反应器四周的支撑架，框架与反应器前侧壁和后侧壁共同围成反应器内部空间，由紧固件和密封垫片固定并密封。反应器框架底座或两侧立柱中空槽内安装有分配管，分配管与外部系统管路和框架上的加料孔连接，向反应器内供应营养物。本发明提供了一种快速组装平板式光生物反应器部件结构与组装方法，可用于微藻等光合生物的工业化低成本大批量培养，具有较好的工业应用前景。
文档编号C12M1/36GK102108332SQ20091026591
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者吴怀之, 吴美玲, 平涛, 章志斌 申请人:青岛生物能源与过程研究所