本發(fā)明屬于微藻生物技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新穎的光生物反應(yīng)器及其內(nèi)部混合構(gòu)件，可實(shí)現(xiàn)微藻高密度及高產(chǎn)率培養(yǎng)。此外，本發(fā)明也可用于其它需要光照進(jìn)行的培養(yǎng)或化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域(如光合細(xì)菌培養(yǎng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)、光催化反應(yīng)等)。

背景技術(shù)：
微藻富含蛋白質(zhì)、多糖、多不飽和脂肪酸和類(lèi)胡蘿卜素等多種高附加值物質(zhì)，同時(shí)微藻具有吸收N/P元素及在培養(yǎng)過(guò)程中積累油脂的能力，因此，微藻在生物能源、生物固碳、環(huán)保、食品、飼料和醫(yī)藥等諸多方面具有廣泛應(yīng)用。特別是近年來(lái)在生物能源方面，微藻被認(rèn)為是目前最具應(yīng)用前景的生物柴油等生物燃料制備的原料。光生物反應(yīng)器是微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)的核心裝置。光生物反應(yīng)器性能優(yōu)劣直接影響微藻培養(yǎng)的細(xì)胞密度及產(chǎn)率。目前，用于微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器有敞開(kāi)式和封閉式兩種。敞開(kāi)式光生物反應(yīng)器主要指敞開(kāi)式跑道池和圓池，它們是當(dāng)前微藻戶(hù)外規(guī)?；囵B(yǎng)中應(yīng)用最廣的反應(yīng)器類(lèi)型。敞開(kāi)式光生物反應(yīng)器雖然存在著建造容易、操作方便及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在許多缺點(diǎn)，如藻細(xì)胞密度及產(chǎn)率低、培養(yǎng)條件不易控制、容易受原生動(dòng)物等污染。另一種光生物反應(yīng)器類(lèi)型為封閉式光生反應(yīng)器，與敞開(kāi)式光生物反應(yīng)器相比，它具有培養(yǎng)密度高、細(xì)胞產(chǎn)率高、培養(yǎng)條件易于控制及不易受原生動(dòng)物污染等優(yōu)點(diǎn)。因此，封閉式光生物反應(yīng)器在微藻高密度培養(yǎng)、微藻生產(chǎn)高附加值物質(zhì)及實(shí)驗(yàn)研究方面具有廣泛應(yīng)用。尤其是，近年來(lái)能源微藻的規(guī)模化培養(yǎng)需要大量藻種，而傳統(tǒng)大池逐級(jí)擴(kuò)培方式存在著周期長(zhǎng)、易于受污染(可導(dǎo)致擴(kuò)培失敗)等問(wèn)題，因而，采用封閉式光生物反應(yīng)器作為能源微藻(不可異養(yǎng)培養(yǎng)或異養(yǎng)培養(yǎng)速率極慢的藻種)的種子擴(kuò)培裝置，可大幅度降低能源微藻種子擴(kuò)培失敗的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)縮短種子擴(kuò)培周期，提高能源微藻培養(yǎng)效率。目前，封閉式光生物反應(yīng)器主要有柱式、管式及平板式三種類(lèi)型。管式光生物反應(yīng)器具有較大的比表面積，一般能獲得較高的藻細(xì)胞密度和產(chǎn)率。但是，管道式反應(yīng)器存在著混合能力差、溶氧積累嚴(yán)重、內(nèi)壁清洗及維護(hù)困難。柱式光生物反應(yīng)器相比管式光生物反應(yīng)器，具有混合均勻，氧解析容易等優(yōu)點(diǎn)，但放大是其主要問(wèn)題，無(wú)論是在縱向還是徑向方向放大都比較困難；平板光生物反應(yīng)器具有光照比表面積大、光程短、氧解析容易、相對(duì)易于放大等優(yōu)點(diǎn)。此外，平板光生物反應(yīng)可以根據(jù)太陽(yáng)光角度，調(diào)整平板反應(yīng)器的放置角度，使得反應(yīng)器充分接受光照。因此，平板式光生物反應(yīng)器是目前國(guó)內(nèi)外各科研單位及公司重點(diǎn)研發(fā)的一類(lèi)光生物反應(yīng)器。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于平板光生物反應(yīng)器的文獻(xiàn)及發(fā)明專(zhuān)利主要有：1)Degen等報(bào)道了一種內(nèi)置錯(cuò)層水平放置隔板的氣升式平板光生物反應(yīng)器(體積1.5L，寬度1.5cm)，其流體下降通道位于反應(yīng)器寬度方向的一側(cè)，上升通道被5塊水平擋板分成相通的6個(gè)部分。這5塊擋板交替地固定在反應(yīng)器的前后面板上，流體上升時(shí)會(huì)在兩個(gè)隔板區(qū)間形成漩渦，使得藻細(xì)胞在光區(qū)和暗區(qū)之間周期性循環(huán)。(DegenJ，UebeleA，RetzeA，etal.Anovelairliftphotobioreactorwithbafflesforimprovedlightutilizationthroughtheflashinglighteffect.JournalofBiotechnology，2001，92(2)：89-94)。2)Tredici等設(shè)計(jì)了一種具有外部支撐的由透明軟性材質(zhì)制成的類(lèi)似塑料袋形式的平板式光生物反應(yīng)器，其稱(chēng)之為GreenWallPanel。這種設(shè)計(jì)使得光生物反應(yīng)器的制造成本大幅度降低，適合應(yīng)用于微藻低成本培養(yǎng)(WO2004/074423A2)。3)美國(guó)的Solix公司開(kāi)發(fā)了一種置于水中的板式光生物反應(yīng)器，其主體為薄膜袋，置于水中，外部的水不僅可以支撐袋式反應(yīng)器，還起到良好的控溫和光強(qiáng)分布的作用(US2008/0160591A1)。4)李元廣等發(fā)明了一種新的多節(jié)平板式光生物反應(yīng)器，其反應(yīng)器內(nèi)具有多個(gè)中空導(dǎo)流擋板腔體，腔體內(nèi)部可置人工光源，各導(dǎo)流擋板腔體之間有間隔。該反應(yīng)器由于強(qiáng)化藻細(xì)胞隨流體在光照方向的混合，因而能顯著提高光利用效率，同時(shí)避免了內(nèi)光源燈管和培養(yǎng)液直接接觸(CN1880442)。5)Hu等發(fā)明了一種在長(zhǎng)度方向可擴(kuò)展的平板光生物反應(yīng)器。此反應(yīng)器由多個(gè)普通平板式反應(yīng)器單元組成，各單元之間通過(guò)塑料或者金屬鏈接構(gòu)件銜接。反應(yīng)器可以根據(jù)需要制作成不同寬度(光程)，可以按線性或者彎曲形式排列，同時(shí)可以根據(jù)陽(yáng)光角度進(jìn)行不同傾斜角度放置，充分接受光照。(US2010/0028976A1)。6)德國(guó)的Subitec公司設(shè)計(jì)了一種平板氣升式光生物反應(yīng)器，該反應(yīng)器每個(gè)單元體積為180L，其由兩層PVC膜互相錯(cuò)開(kāi)連接形成凹槽，底部鼓氣后在每一個(gè)槽室中形成流體渦流，其使得藻細(xì)胞的在光區(qū)和暗區(qū)的交替頻率增加，從而提高細(xì)胞生長(zhǎng)速率(MorweiserM，KruseO，HankanmerB，etal.Developmentsandperspectivesofphotobioreactorsforbiofuelproduction.Appliedmicrobiologyandbiotechnology，2010，87：1291～1302)。目前，封閉式光生物反應(yīng)器在實(shí)際應(yīng)用中遇到的主要問(wèn)題有以下兩點(diǎn)：1)制作及運(yùn)行成本高；2)放大困難。從上述近年來(lái)平板式光生物反應(yīng)器研發(fā)趨勢(shì)可見(jiàn)，針對(duì)成本高的問(wèn)題，一般從反應(yīng)器的制作材料方面進(jìn)行改進(jìn)，將以往的有機(jī)玻璃和普通玻璃等硬質(zhì)材料發(fā)展為塑料薄膜等軟性材質(zhì)，這樣可使得反應(yīng)器的制作成本明顯下降。此外，較輕的軟性材質(zhì)還方便反應(yīng)器移動(dòng)。針對(duì)光生物反應(yīng)器放大困難的問(wèn)題，目前還是沒(méi)有很好的技術(shù)手段，一般在規(guī)模放大時(shí)是以增加小型反應(yīng)器單元數(shù)量來(lái)提高反應(yīng)器的整體裝液量。內(nèi)部混合構(gòu)件在管道式光生物反應(yīng)器中應(yīng)用的較多，通常是不同形式的靜態(tài)混合器，可以使得管道式反應(yīng)器中的流體狀態(tài)從常規(guī)的層流變成湍流，以提高反應(yīng)器中藻液的混合程度。而內(nèi)部構(gòu)件在平板式及柱式反應(yīng)器中內(nèi)部構(gòu)件一般應(yīng)用的較少，在平板式反應(yīng)器中一般安裝一塊或兩塊擋板，形成隔板式或氣升式平板反應(yīng)器；在柱式反應(yīng)器中一般安裝導(dǎo)流筒，形成氣升式柱式光生物反應(yīng)器。以上這些內(nèi)部構(gòu)件通?？墒沟梅磻?yīng)器中流體流動(dòng)變得有序，一定程度上可促進(jìn)藻細(xì)胞生長(zhǎng)。但這種內(nèi)部構(gòu)件缺乏使得流體在光衰減方向呈連續(xù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的效果，不能夠增強(qiáng)流體在光照方向上的混合，提高藻細(xì)胞接受光照的能力有限。因此，本領(lǐng)域仍然需要一種能使藻細(xì)胞充分利用反應(yīng)器中有限區(qū)域內(nèi)(光區(qū))的光能、提高藻細(xì)胞的受光強(qiáng)度和促進(jìn)藻細(xì)胞光自養(yǎng)生長(zhǎng)的光生物反應(yīng)器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明以強(qiáng)化流體(微藻培養(yǎng)液)在光生物反應(yīng)器中光照(光衰減)方向的混合為設(shè)計(jì)理念，著重從提高反應(yīng)器中藻細(xì)胞對(duì)光能的充分利用、提高藻細(xì)胞的光暗循環(huán)頻率角度，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)新穎的光生物反應(yīng)器及其內(nèi)部構(gòu)件，不僅可實(shí)現(xiàn)微藻的高密度及高效率光自養(yǎng)培養(yǎng)，而且可實(shí)現(xiàn)光生物反應(yīng)器在光程方向的有效放大。因此，本發(fā)明的目的是提供一種可使得流體(藻液)在光照方向(光衰減方向)產(chǎn)生周期性循環(huán)運(yùn)動(dòng)，從而使得藻細(xì)胞充分利用反應(yīng)器中有限區(qū)域內(nèi)(光區(qū))的光能，提高藻細(xì)胞的受光強(qiáng)度。本發(fā)明不僅可使得反應(yīng)器中流體流動(dòng)更加有序，同時(shí)可極大地促進(jìn)流體在光照方向的混合強(qiáng)度，使得藻細(xì)胞在反應(yīng)器內(nèi)的光區(qū)和暗區(qū)(由于光衰減所致)之間快速移動(dòng)，提高藻細(xì)胞的光暗循環(huán)頻率，可極大地促進(jìn)藻細(xì)胞的光自養(yǎng)生長(zhǎng)具體而言，本發(fā)明提供了一種新型的光生物反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)件及相應(yīng)的光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述光生物反應(yīng)器包括：透明的外部殼體；在所述殼體內(nèi)的軸向(即藻液的主體流方向，如殼體為與地面垂直放置的平板式，則為高度方向)安置有多塊規(guī)則排列的呈水平傾斜的透明隔板，所述隔板與殼體壁面形成一定夾角，上下相鄰的隔板與殼體之間形成梯形狀的局部空間區(qū)域，此構(gòu)型使反應(yīng)器中心區(qū)域(光暗區(qū))的流體和反應(yīng)器表面區(qū)域(光照區(qū))的流體之間產(chǎn)生快速的周期性循環(huán)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化了流體在反應(yīng)器徑向方向(光照方向)的混合；和供給氣體裝置或其它動(dòng)力裝置。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，所述透明的外部殼體為平板式、圓柱式、管道式及其它形狀。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，所述的內(nèi)部構(gòu)件為多塊規(guī)則排列的呈水平傾斜的透明隔板，各隔板之間形成梯形狀的局部空間區(qū)域。所述隔板可挖空形成中空腔體。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，所述的給氣裝置或其它動(dòng)力裝置為氣泵、氣體分布器或其它可造成藻液在光生物反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)的相關(guān)動(dòng)力設(shè)備。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，所述的透明殼體可有有機(jī)玻璃、無(wú)機(jī)玻璃(普通玻璃或鋼化玻璃等)等具有一定機(jī)械強(qiáng)度的透明材料；或由如透明塑料膜等軟性材料制成。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，所述的光生物反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)件可以是實(shí)心透明隔板也可以是空腔體隔板。若隔板為透明實(shí)心板，則可以與反應(yīng)器外殼拆分，隔板可以自由插入至反應(yīng)器內(nèi)；若隔板為空腔體隔板，則其需要和反應(yīng)器外殼一體化。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，所述的由隔板挖空后形成中空腔體內(nèi)可放置人工光源。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，所述的光生物反應(yīng)器還可包括溫度檢測(cè)及控制系統(tǒng)、pH檢測(cè)及反饋控制系統(tǒng)、溶氧檢測(cè)系統(tǒng)以及內(nèi)部光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明另一方面還涉及上述光生物反應(yīng)器及其內(nèi)部構(gòu)件在微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)等領(lǐng)域(包括其它需光照進(jìn)行的培養(yǎng)或化學(xué)反應(yīng)，如光合細(xì)菌培養(yǎng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)、光催化反應(yīng)等)中的應(yīng)用。本發(fā)明設(shè)計(jì)的具有新穎內(nèi)部構(gòu)件的光生物反應(yīng)器(以外部殼體為平板式為例)與常規(guī)平板式反應(yīng)器(無(wú)內(nèi)構(gòu)件，鼓泡式)相比具有流體運(yùn)動(dòng)有序及光照方向混合劇烈等優(yōu)點(diǎn)，藻細(xì)胞生長(zhǎng)速率及藻細(xì)胞密度明顯高于常規(guī)平板反應(yīng)器中的藻細(xì)胞生長(zhǎng)速率及藻細(xì)胞密度(見(jiàn)實(shí)施例1)。上述Degen等設(shè)計(jì)的內(nèi)置錯(cuò)層隔板的氣升式平板光生物反應(yīng)器雖然也可以促進(jìn)流體在光照方向周期循環(huán)流動(dòng)，但反應(yīng)器的規(guī)模很小僅1.5L；內(nèi)部隔板為水平放置，流場(chǎng)不合理(本發(fā)明的反應(yīng)器隔板具有一定傾斜角度，使得流場(chǎng)更合理)，會(huì)造成較多死區(qū)；且隔板無(wú)法與外部殼體拆分，使得反應(yīng)器清洗困難。此外，Degen等設(shè)計(jì)的反應(yīng)器在寬度(光徑或光程)方向?yàn)閱螌?，較窄，無(wú)法在光徑方向(即光照方向)上盡可能地寬，不利于此反應(yīng)器在光徑方向上的放大(本發(fā)明設(shè)計(jì)的反應(yīng)器在寬度方向具有左右對(duì)稱(chēng)的兩部分，可使得反應(yīng)器在寬度方向可以盡可能的寬)。Subitec公司研發(fā)的氣升式平板光生物反應(yīng)器同樣也存在著清洗困難問(wèn)題，尤其對(duì)于易于附壁的微藻培養(yǎng)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的內(nèi)部構(gòu)件可以與反應(yīng)器殼體拆分，方便對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行徹底清洗。Tredici設(shè)計(jì)的平板反應(yīng)器主要從降低反應(yīng)器制作成本考慮，采用薄膜式軟性塑料材料制成反應(yīng)器殼體，同時(shí)在外部用使用簡(jiǎn)單的纖細(xì)金屬絲或塑料絲等物質(zhì)對(duì)軟性殼體進(jìn)行支撐，而反應(yīng)器的內(nèi)部并無(wú)內(nèi)部構(gòu)件，與常規(guī)平板反應(yīng)器一樣，不具有促進(jìn)藻液在光照方向混合的能力。同樣，Hu發(fā)明的可在長(zhǎng)度方向擴(kuò)展的平板光生物反應(yīng)器也是常規(guī)的平板反應(yīng)器，內(nèi)部流體混合較為混亂且無(wú)序，不利于藻細(xì)胞生長(zhǎng)。Hu的發(fā)明主要從反應(yīng)器放大角度考慮，但是其放大主要以在反應(yīng)器長(zhǎng)度方向增加小型反應(yīng)器單元數(shù)量著手，并非傳統(tǒng)意義上單個(gè)反應(yīng)器體積的放大。Solix公司設(shè)計(jì)的置于水中的薄膜平板式反應(yīng)器，從混合角度而言其也是簡(jiǎn)單的鼓泡式類(lèi)型，流場(chǎng)混合無(wú)序。且該反應(yīng)器置于水體中，反應(yīng)器表明光強(qiáng)較弱，不利于需要高光強(qiáng)的微藻的培養(yǎng)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的反應(yīng)器主要從流體角度考慮，以強(qiáng)化藻細(xì)胞在光照方向的混合，提高藻細(xì)胞對(duì)光能的利用效率為目的，反應(yīng)器的材質(zhì)可以是有機(jī)玻璃或無(wú)機(jī)玻璃等透明材料，也可以是塑料薄膜等軟性材質(zhì)，且反應(yīng)器的放大既可以從長(zhǎng)度方向，也可以從寬度方向進(jìn)行放大。以往設(shè)計(jì)的多節(jié)式平板光生物反應(yīng)器(CN1880442)，雖然其也具有促進(jìn)流體在徑向的流動(dòng)，但由于流體形成的是周期性整體循環(huán)，使得流體在光照方向的循環(huán)周期很長(zhǎng)，頻率較低，不足以形成對(duì)藻細(xì)胞有利的“閃光效應(yīng)”。本發(fā)明是多節(jié)式平板反應(yīng)器的進(jìn)一步發(fā)展，通過(guò)在反應(yīng)器中增加水平傾斜放置的隔板，形成多個(gè)梯形式的局部空間，造成流體在各個(gè)局部空間內(nèi)形成循環(huán)頻率較快的周期循環(huán)流動(dòng)，促進(jìn)藻細(xì)胞對(duì)光照的充分接受。綜述所述，本發(fā)明與其它光生物反應(yīng)器相比，著重從強(qiáng)化流體在反應(yīng)器內(nèi)光照方向的混合考慮，以便于反應(yīng)器在光程方向的放大，這對(duì)于光生物反應(yīng)器放大及微藻的光自養(yǎng)培養(yǎng)非常關(guān)鍵。從降低成本角度，本發(fā)明設(shè)計(jì)的反應(yīng)器可以采用廉價(jià)的軟性薄膜材質(zhì)制成；從放大角度，本發(fā)明設(shè)計(jì)的反應(yīng)器既可以從寬度(即光程方向)也可以從長(zhǎng)度方向和高度方向進(jìn)行放大?？傊?，針對(duì)現(xiàn)有封閉式光生物反應(yīng)器光照方向混合性能差、放大困難等缺點(diǎn)，本發(fā)明通過(guò)在反應(yīng)器殼體內(nèi)的軸向(即藻液的主體流方向，如殼體為與地面垂直放置的平板式，則為高度方向)安置有多塊規(guī)則排列的呈水平傾斜的透明隔板的方法，來(lái)強(qiáng)化流體在反應(yīng)器徑向方向(光照方向)的混合，使得安裝這一新型內(nèi)部構(gòu)件的光生物反應(yīng)器在光程方向具有可放大性、同時(shí)可使得流體在光照方具有強(qiáng)烈的周期循環(huán)，促進(jìn)藻細(xì)胞快速生長(zhǎng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。附圖簡(jiǎn)述圖1顯示內(nèi)部構(gòu)件應(yīng)用于平板式光生物反應(yīng)器所形成的系列新型光生物反應(yīng)器(側(cè)視圖)。其中各符號(hào)含義如下：w為反應(yīng)器的寬度、h為反應(yīng)器的高度、h0為通氣管離底部的距離、h1為隔板下沿(類(lèi)型b)和擋板下沿(類(lèi)型a和c)離反應(yīng)器底部的距離、h2為隔板上沿(類(lèi)型b)及隔板下沿(類(lèi)型a和c)離底部的距離、h3為兩隔板之間的距離、h4為隔板(類(lèi)型b)和擋板上沿(類(lèi)型a和c)離反應(yīng)器頂部的距離、w1為兩隔板之間的水平方向的間距(類(lèi)型b)、w2為隔板與反應(yīng)器壁面的間距(類(lèi)型a和c)、w3為兩擋板之間的距離(類(lèi)型c)、α0為隔板與壁面的相交角度。圖2顯示新型內(nèi)部結(jié)構(gòu)平板式光生物反應(yīng)器與對(duì)照反應(yīng)器的實(shí)物圖。圖3顯示新型內(nèi)部結(jié)構(gòu)平板光反應(yīng)器與對(duì)照反應(yīng)器的內(nèi)部流場(chǎng)(經(jīng)計(jì)算流體力學(xué)軟件計(jì)算獲得)。圖4顯示新型內(nèi)部結(jié)構(gòu)平板反應(yīng)器與對(duì)照反應(yīng)器的小球藻培養(yǎng)過(guò)程比較。圖中的“對(duì)照”指鼓泡式反應(yīng)器。圖5顯示新型內(nèi)部結(jié)構(gòu)平板反應(yīng)器與各自對(duì)照反應(yīng)器中小球藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程比較。圖中的“對(duì)照”指鼓泡式反應(yīng)器。具體實(shí)施方案一般而言，光是影響藻細(xì)胞光自養(yǎng)生長(zhǎng)最關(guān)鍵的因素。光生物反應(yīng)器中的藻細(xì)胞會(huì)吸收光，同時(shí)藻細(xì)胞之間的相互遮擋，使得光隨著光程(培養(yǎng)液深度)和細(xì)胞濃度的增加而呈指數(shù)衰減，因此，光生物反應(yīng)器中存在著光區(qū)(光強(qiáng)滿(mǎn)足于藻細(xì)胞生長(zhǎng)的區(qū)域)和暗區(qū)(光強(qiáng)低于藻細(xì)胞生長(zhǎng)所需的區(qū)域)。強(qiáng)化藻細(xì)胞在光區(qū)和暗區(qū)之間的移動(dòng)頻率，有利于藻細(xì)胞盡可能多的接受光照，提高藻細(xì)胞的生長(zhǎng)速率。這種現(xiàn)象稱(chēng)為“閃光效應(yīng)”(FlashingLightEffect)。因此，光暗循環(huán)頻率成為光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，提高反應(yīng)器內(nèi)光暗交替頻率一般有兩種方式：1)提高反應(yīng)器內(nèi)混合強(qiáng)度，使藻細(xì)胞能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成從暗區(qū)到光區(qū)的移動(dòng)；2)在反應(yīng)器中設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件(如靜態(tài)混合器、擋板等)，將反應(yīng)器分隔為多個(gè)小的循環(huán)單元，依靠流體流動(dòng)產(chǎn)生的漩渦使得藻細(xì)胞在各小單元之間進(jìn)行循環(huán)周期性的運(yùn)動(dòng)，從而提高藻細(xì)胞的光暗交替頻率。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新穎的內(nèi)部構(gòu)件，主要是一系列按一定規(guī)則有序排列的隔板，可以造成藻液在光照方向呈周期性的快速運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化藻細(xì)胞在光照方向的混合，提高藻細(xì)胞的光暗循環(huán)頻率，從而提高藻細(xì)胞的生長(zhǎng)速率。具體地說(shuō)，本發(fā)明提供了一種新穎的內(nèi)部構(gòu)件及相應(yīng)的光生物反應(yīng)器，所述光生物反應(yīng)器包括透明的殼體；在所述殼體內(nèi)部安置有以規(guī)律排列的多組透明隔板，它們形成具有類(lèi)似梯形的局部空間區(qū)域，可使反應(yīng)器中心區(qū)域(光暗區(qū))的流體和反應(yīng)器表面區(qū)域(光照區(qū))的流體之間產(chǎn)生快速的周期性循環(huán)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化流體在反應(yīng)器徑向方向(即光照方向)的混合；以及供給氣體裝置或其它動(dòng)力裝置。所述多組透明隔板可造成流體在其內(nèi)進(jìn)行快速周期性循環(huán)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化流體在反應(yīng)器徑向方向(即光照方向)的混合。應(yīng)理解，本文所述的“梯形”指從反應(yīng)器的剖面看，由反應(yīng)器的壁與相鄰的上下隔板所形成的區(qū)域?yàn)樘菪?。本發(fā)明具有強(qiáng)化流體(藻液)在光照方向的混合，提高藻細(xì)胞光暗循環(huán)頻率及藻細(xì)胞對(duì)光能的充分利用的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可有效克服光生物反應(yīng)器在光程方向放大時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題(例如反應(yīng)器內(nèi)部的藻細(xì)胞不能充分接受光照、細(xì)胞產(chǎn)率下降等)。以下從不同方面具體說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方法。1)內(nèi)部構(gòu)件的組成及結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件由系列隔板(在反應(yīng)器中水平傾斜放置的板)或隔板加擋板(在反應(yīng)器中垂直放置的板)組成。隔板包括直接與反應(yīng)器壁面接觸的隔板和與壁面隔開(kāi)距離w2的隔板，優(yōu)選兩種隔板交替出現(xiàn)。各隔板水平方向上的長(zhǎng)度優(yōu)選不超過(guò)反應(yīng)器寬度w的一半。各隔板與反應(yīng)器壁面成一定角度α0，每塊隔板與壁面所形成的角度α0可相同或不同，但相鄰的上下隔板之間與反應(yīng)器壁及反應(yīng)器的中軸(參照附圖1類(lèi)型b的垂直虛線)會(huì)形成梯形狀的區(qū)域，在此特殊的空間區(qū)域中液體(藻液)會(huì)形成周期性的循環(huán)，從而使得藻細(xì)胞在反應(yīng)器的中央(反應(yīng)器內(nèi)部，一般為暗區(qū))與近壁區(qū)域(反應(yīng)器外側(cè)，一般為光區(qū))進(jìn)行連續(xù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，從而使得藻細(xì)胞充分利用近壁區(qū)域的光能。在一個(gè)具體實(shí)施例中，本發(fā)明的內(nèi)部構(gòu)件如圖1類(lèi)型b所示，包括與壁面接觸的隔板和與兩個(gè)壁面各隔開(kāi)距離w2的具有一定角度的隔片，使得相鄰的上下隔板之間與反應(yīng)器壁，以及與反應(yīng)器的中軸形成梯形狀的區(qū)域?？稍诠馍锓磻?yīng)器的兩側(cè)壁(寬度方向)設(shè)置有多組插槽，通過(guò)將隔板插入至插槽內(nèi)以固定隔板；也可以制作獨(dú)立的組合構(gòu)件體(將所有的隔板和擋板組合在一起，制作一個(gè)可與外殼體拆分的整體構(gòu)件，使用時(shí)可直接將組合的整體構(gòu)件插入至殼體中)。這樣可以方便的取出隔板或取出整個(gè)內(nèi)部構(gòu)件，以方便對(duì)反應(yīng)器和隔板的徹底清。為了增強(qiáng)反應(yīng)器中總體混合，內(nèi)部構(gòu)件可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將其由全部隔板改成部分隔板和擋板組成，由擋板與壁面或擋板與擋板之間形成流道，使得流體具有整體循環(huán)，提高反應(yīng)器中的整體混合效果。示例性的含有擋板的內(nèi)部構(gòu)件的例子可如圖1類(lèi)型a和c所示。類(lèi)型a中包括一擋板，部分隔板與反應(yīng)器壁接觸，部分隔板與擋板接觸，這兩類(lèi)隔板各自與反應(yīng)器壁和擋板形成一定角度α0，α0可相同或不同，但相鄰的上下隔板與反應(yīng)器壁面和擋板之間形成一個(gè)梯形區(qū)域；此外，與反應(yīng)器壁面接觸的隔板與檔板之間有一定距離w2’(水平方向上)，與擋板接觸的隔板與反應(yīng)器壁面之間有一定距離w2，w2’和w2可相同或不同。優(yōu)選各隔板在水平方向上的長(zhǎng)度不超過(guò)反應(yīng)器寬度w的一半。更優(yōu)選地，隔板水平方向上的長(zhǎng)度加上w2或w2’等于或小于反應(yīng)器寬度w的一半。通常，當(dāng)含有擋板的內(nèi)部構(gòu)件置于反應(yīng)器內(nèi)時(shí)，將其放置在反應(yīng)器的中軸上。在附圖1類(lèi)型c中，在反應(yīng)器中放置兩塊擋板，部分隔板與反應(yīng)器壁接觸，部分隔板分別與第一擋板和第二擋板接觸，這兩類(lèi)隔板各自與反應(yīng)器壁和相應(yīng)的擋板形成一定角度α0，α0可相同或不同，但相鄰的上下隔板與反應(yīng)器壁面和相應(yīng)擋板之間形成一個(gè)梯形區(qū)域。兩塊擋板之間的距離可由技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況優(yōu)化。應(yīng)理解，此時(shí)各隔板水平方向上的長(zhǎng)度及隔板與反應(yīng)器壁面和擋板之間的距離都應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整。隔板的形狀可以根據(jù)反應(yīng)器的類(lèi)型而變化。例如，對(duì)于平板式反應(yīng)器，隔板可以是方形的。對(duì)于柱式或管道式反應(yīng)器，隔板可以是扇形，如此與反應(yīng)器殼體接觸的那一側(cè)可以是與殼體相配的弧形。對(duì)于含有擋板的柱式或管道式反應(yīng)器，擋板本身可以是方形的，也可以是圓柱形的。當(dāng)擋板是方形時(shí)，隔板與擋板接觸的那一側(cè)也應(yīng)是方形的，而另外一側(cè)則可以是弧形。當(dāng)擋板是圓柱形時(shí)，隔板可以是扇形。隔板下沿(類(lèi)型b)和擋板下沿(類(lèi)型a和c)離反應(yīng)器底部的距離h1、隔板上沿(類(lèi)型b)及隔板下沿(類(lèi)型a和c)離底部的距離h2、隔板之間的距離h3、隔板(類(lèi)型b)和擋板上沿(類(lèi)型a和c)離反應(yīng)器頂部的距離h4、兩隔板之間的水平方向的間距(類(lèi)型b)w1、隔板與反應(yīng)器壁面的間距(類(lèi)型a和c)w2、兩擋板之間的距離(類(lèi)型c)w3、隔板與壁面的相交角度α0等結(jié)構(gòu)參數(shù)都可進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以獲得最佳結(jié)構(gòu)的尺寸。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，以15L平板式光生物反應(yīng)器為例，反應(yīng)器的長(zhǎng)度為25cm，寬度w為15cm，高度h為40cm。h1的范圍為1～20cm，h2的范圍為1～20cm，h3的范圍為1～20cm，h4的范圍為1～10cm，w1的范圍為0.5～10cm，w2的范圍為0.5～6cm，w3的范圍為1～12cm，α0的角度為1～85°。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，h1的范圍為1～10cm，h2的范圍為1～15cm，h3的范圍為1～8cm，h4的范圍為1～8cm，w1的范圍為0.5～5cm，w2的范圍為0.5～4cm，w3的范圍為1～6cm，α0的角度為45～85°。此外，為了防止隔板與反應(yīng)器外殼之間的夾角區(qū)域形成死區(qū)，隔板與反應(yīng)器外殼之間可以具有較小的縫隙或小孔，使得流體可在夾角區(qū)域形成流動(dòng)。同時(shí)，隔板與擋板都是透明材質(zhì)制成，且厚度較薄，以減少對(duì)光的吸收及遮擋。另外，隔板與擋板可以與外部的殼體分開(kāi)，可以獨(dú)立的拆開(kāi)，從殼體中取出，以便對(duì)反應(yīng)器及內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行清洗。2)反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)及材質(zhì)光生物反應(yīng)器的主體結(jié)構(gòu)(殼體)可以是平板式、柱式或管道式。可以根據(jù)外部殼體形狀對(duì)內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。由于平板式光生物反應(yīng)器相對(duì)其它封閉式光生物反應(yīng)器而言，具有放大相對(duì)容易的優(yōu)勢(shì)，因此，本發(fā)明的內(nèi)部構(gòu)件首先應(yīng)用在平板式光生物反應(yīng)器中。光生物反應(yīng)器殼體外透明材料制成，可以是有機(jī)玻璃、無(wú)機(jī)玻璃(普通玻璃鋼化玻璃等)等硬體材料，也可以是塑料薄膜等軟性材料。若是采用軟性材料，則需要在反應(yīng)器外側(cè)安裝金屬網(wǎng)等支撐結(jié)構(gòu)。3)擋板及隔板空腔中內(nèi)置人工光源擋板和隔板可以制成中空腔體形式，這樣，擋板和隔板不僅起到影響流體在反應(yīng)器中的流動(dòng)，促進(jìn)流體在光照方向的混合外，還可以作為人工光源放置的場(chǎng)所。中空腔體形式的擋板和隔板，一方面可以增加反應(yīng)器的光照比表面積，另一個(gè)方面可以避免人工光源與藻液的直接接觸，以規(guī)避光源直接和液體接觸而帶來(lái)的許多問(wèn)題，如藻細(xì)胞附著在光源表面等；同時(shí)，人工光源置于腔體之內(nèi)，使得人工光照充分被反應(yīng)器中的藻細(xì)胞吸收利用。4)動(dòng)力裝置及檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)光生物反應(yīng)器的殼體形式為平板式或圓柱式時(shí)，通過(guò)通氣方式使得反應(yīng)器中藻液進(jìn)行混合，而當(dāng)反應(yīng)器的殼體為管道式時(shí)，一般通過(guò)泵裝置或氣升式系統(tǒng)使得藻液在管道中流動(dòng)。此外，可在光生物反應(yīng)器中配置各種檢測(cè)及控制系統(tǒng)，如溫度檢測(cè)及控制系統(tǒng)、pH檢測(cè)及反饋控制系統(tǒng)、溶氧檢測(cè)系統(tǒng)以及光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)。下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明新穎的內(nèi)部混合構(gòu)件及光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部混合情況(尤其是在光照方向獨(dú)特的流體漩渦)圖1是內(nèi)部混合構(gòu)件應(yīng)用于平板式光生物反應(yīng)器，形成的系列新穎的平板式反應(yīng)器(結(jié)構(gòu)示意圖，側(cè)視圖)。圖2為新穎內(nèi)部結(jié)構(gòu)平板反應(yīng)器與對(duì)照反應(yīng)器的實(shí)物圖。類(lèi)型a反應(yīng)器的內(nèi)部構(gòu)件由中央擋板和傾斜隔板組成，反應(yīng)器左邊為下降通道，通道中添加了上下錯(cuò)開(kāi)放置的傾斜隔板，可促進(jìn)藻液在光照方向的混合，同時(shí)右邊為流體上升通道，整個(gè)反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)整體流動(dòng)。類(lèi)型b反應(yīng)器中的內(nèi)部構(gòu)件為上下錯(cuò)開(kāi)放置的內(nèi)置傾斜隔板，隔板與隔板之間在垂直方向形成梯形區(qū)域；同時(shí)，反應(yīng)器左側(cè)與右側(cè)基本成對(duì)稱(chēng)分布。類(lèi)型c反應(yīng)器同樣是由擋板和傾斜隔板組成，由兩塊擋板在反應(yīng)器中央形成流體的上升通道，在靠近反應(yīng)器內(nèi)壁兩側(cè)為兩個(gè)流體下降通道，其內(nèi)安置有錯(cuò)開(kāi)放置的傾斜隔板，以促進(jìn)藻液在光照方向上的混合。圖3是各類(lèi)型平板式光生物反應(yīng)器中的流場(chǎng)分布(通過(guò)CFD計(jì)算軟件Ansys12.0CFX計(jì)算獲得，在通氣量均為1.0vvm條件下)。類(lèi)型a反應(yīng)器具有1個(gè)整體流動(dòng)循環(huán)，且在其上具有跟反應(yīng)器b中一樣的小型流體循環(huán)。流體的大循環(huán)與許多個(gè)小循環(huán)之間互相作用，互相混合。類(lèi)型a反應(yīng)器中的液體在左通道主要是垂直(軸向)流動(dòng)，在反應(yīng)器右通道由于產(chǎn)生了流體循環(huán)，液體的徑向流動(dòng)和混合較明顯。類(lèi)型a是在單隔板氣升式反應(yīng)器基礎(chǔ)上形成的(在單隔板氣升式反應(yīng)器的下降通道增加了水平傾斜的多組隔板)。由3圖可見(jiàn)，單隔板氣升式反應(yīng)器只存在著一個(gè)整體流動(dòng)循環(huán)，且流體流動(dòng)主要以軸向方向?yàn)橹鳎趶较?光照方向)的流動(dòng)非常弱，不利于微藻的光自養(yǎng)生長(zhǎng)。類(lèi)型b反應(yīng)器被內(nèi)部隔板分隔成很多個(gè)特殊的“小室”(兩塊隔板之間的空間區(qū)域)，氣體由于浮力作用基本沿著傾斜隔板往上流動(dòng)(內(nèi)部隔板類(lèi)似氣體流動(dòng)的導(dǎo)流板)，在氣體的帶動(dòng)下，每個(gè)“小室”中的流體(指液體)可在反應(yīng)器中心區(qū)域(光暗區(qū))和反應(yīng)器表面區(qū)域(光照區(qū))之間產(chǎn)生快速的周期性循環(huán)運(yùn)動(dòng)。在同一層的兩個(gè)“小室”之間沒(méi)有隔板，因此，在同一層的兩個(gè)流體循環(huán)之間互相作用與互相交融，使得兩個(gè)循環(huán)并不是十分的規(guī)則。在類(lèi)型b反應(yīng)器內(nèi)的液體主要在各自小室內(nèi)周期性循環(huán)運(yùn)動(dòng)為主，且徑向(光照)方向的流動(dòng)十分明顯，有利于暗區(qū)中的藻細(xì)胞充分接受和利用光區(qū)內(nèi)的光，提高藻細(xì)胞的光能利用效率。類(lèi)型b反應(yīng)器可以看成在鼓泡式反應(yīng)器的基礎(chǔ)上形成的(在鼓泡式反應(yīng)器中添加了多組錯(cuò)開(kāi)放置且成水平傾斜的隔板)，由圖3可見(jiàn)，對(duì)照組平板反應(yīng)器(即鼓泡式，無(wú)內(nèi)部構(gòu)件)內(nèi)的流體形成兩個(gè)大循環(huán)，流體以垂直上下流動(dòng)為主，只有在反應(yīng)器的頂端和底部形成徑向方向(即光照方向)的流動(dòng)。類(lèi)型c反應(yīng)器具有兩個(gè)整體的流動(dòng)循環(huán)，且在其上具有許多了小循環(huán)。該反應(yīng)器在上升通道中，液體呈軸向流動(dòng)，在兩側(cè)的下降通道中軸向和徑向運(yùn)動(dòng)都較強(qiáng)烈。類(lèi)型c是在雙隔板氣升式反應(yīng)器基礎(chǔ)上形成的(在氣升式反應(yīng)器的下降通道兩側(cè)增加了水平傾斜的多組隔板)。同樣有圖3可見(jiàn)，雙隔板氣升式反應(yīng)器存在著兩個(gè)整體流動(dòng)循環(huán)，且流體流動(dòng)也主要以軸向方向?yàn)橹?，在徑?光照方向)的流動(dòng)較弱，不利于微藻的光自養(yǎng)生長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，對(duì)照組反應(yīng)器(鼓泡式)、單隔板及雙隔板氣升式反應(yīng)器中的液體均以軸向流動(dòng)為主，類(lèi)型b反應(yīng)器中的液體以徑向流動(dòng)為主，類(lèi)型a和c反應(yīng)器內(nèi)液體的軸向和徑向流動(dòng)都比較明顯。為了詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的新型內(nèi)部構(gòu)件及其光生物反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)所在，下面以一個(gè)實(shí)例進(jìn)行具體說(shuō)明：實(shí)施例1：新型平板反應(yīng)器與對(duì)照反應(yīng)器中小球藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程比較在3個(gè)不同內(nèi)部構(gòu)件的平板式光生物反應(yīng)器及1個(gè)對(duì)照反應(yīng)器中分別裝入14L自來(lái)水，加入2ml次氯酸鈉溶液(有效氯含量10％)，通氣混勻后，處理12小時(shí)，之后加入硫代硫酸鈉中和剩余的次氯酸鈉，經(jīng)碘化鉀淀粉試紙檢驗(yàn)，確定無(wú)次氯酸鈉后(一般硫代硫酸鈉過(guò)量)，繼續(xù)通氣一段時(shí)間氧化過(guò)量的硫代硫酸鈉后，然后在反應(yīng)器內(nèi)放入微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)基(f/2培養(yǎng)基)，經(jīng)充分混勻后再接入蛋白核小球藻種子，光自養(yǎng)培養(yǎng)開(kāi)始。初始藻細(xì)胞密度為0.15g/L左右，通氣量1.0vvm，平板反應(yīng)器兩側(cè)均有光照，每側(cè)光照強(qiáng)度為10klx。由圖4可見(jiàn)，對(duì)照反應(yīng)器(鼓泡式反應(yīng)器，無(wú)內(nèi)部構(gòu)件)中藻細(xì)胞的生長(zhǎng)情況最差，最高藻細(xì)胞密度僅為0.916g/L。添加不同內(nèi)部構(gòu)件的3種反應(yīng)器中藻細(xì)胞生長(zhǎng)情況均比對(duì)照反應(yīng)器好，其中類(lèi)型b反應(yīng)器中微藻的最高細(xì)胞密度為1.311g/L，類(lèi)型a反應(yīng)器中的微藻的最高細(xì)胞密度為1.189g/L，類(lèi)型c反應(yīng)器中微藻的最高細(xì)胞密度為1.241g/L。同時(shí)，對(duì)4個(gè)不同平板反應(yīng)器中藻細(xì)胞在指數(shù)生長(zhǎng)階段的比生長(zhǎng)速率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果是對(duì)照反應(yīng)器中藻細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率為0.051h-1，類(lèi)型b反應(yīng)器中藻細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率為0.0619h-1，類(lèi)型a反應(yīng)器中藻細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率為0.0574h-1，類(lèi)型c反應(yīng)器中藻細(xì)胞的生長(zhǎng)速率為0.0604h-1。由以上數(shù)據(jù)可見(jiàn)，添加新型內(nèi)部構(gòu)件的平板反應(yīng)器中藻細(xì)胞的最高密度及生長(zhǎng)速率明顯高于普通的平板式光生物反應(yīng)器(鼓泡式，未添加任何內(nèi)部構(gòu)件)。由此可見(jiàn)，本發(fā)明設(shè)計(jì)的新型內(nèi)部構(gòu)件及添加內(nèi)部構(gòu)件后的新型平板反應(yīng)器具有很好的培養(yǎng)效果。實(shí)施例2：新型平板反應(yīng)器與各自對(duì)照反應(yīng)器中小球藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程比較在3個(gè)具有梯形內(nèi)部構(gòu)件的新型平板式光生物反應(yīng)器及3個(gè)各自對(duì)照反應(yīng)器(類(lèi)型b反應(yīng)器的對(duì)照為鼓泡式反應(yīng)器，類(lèi)型a反應(yīng)器的對(duì)照為單隔板氣升式反應(yīng)器，類(lèi)型c飯的對(duì)照為雙隔板氣升式反應(yīng)器)中分別裝入14L自來(lái)水，加入2ml次氯酸鈉溶液(有效氯含量10％)，通氣混勻后，處理12小時(shí)，之后加入硫代硫酸鈉中和剩余的次氯酸鈉，經(jīng)碘化鉀淀粉試紙檢驗(yàn)，確定無(wú)次氯酸鈉后(一般硫代硫酸鈉過(guò)量)，繼續(xù)通氣一段時(shí)間氧化過(guò)量的硫代硫酸鈉后，然后在反應(yīng)器內(nèi)放入微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)基(f/2培養(yǎng)基)，經(jīng)充分混勻后再接入蛋白核小球藻種子，光自養(yǎng)培養(yǎng)開(kāi)始。初始藻細(xì)胞密度為0.077g/L左右，通氣量0.6vvm，平板反應(yīng)器兩側(cè)均有光照，每側(cè)光照強(qiáng)度為20klx。由圖5可見(jiàn)，具有梯形內(nèi)部構(gòu)件的3種新型平板式生物反應(yīng)器中藻細(xì)胞生長(zhǎng)情況均優(yōu)于各自的對(duì)照反應(yīng)器。類(lèi)型b反應(yīng)器中藻細(xì)胞的平均生長(zhǎng)速率高于鼓泡式反應(yīng)器中的藻細(xì)胞平均生長(zhǎng)速率，類(lèi)型a反應(yīng)器中藻細(xì)胞的平均生長(zhǎng)速率高于單隔板氣升式反應(yīng)器中的藻細(xì)胞平均生長(zhǎng)速率，類(lèi)型c反應(yīng)器中藻細(xì)胞的平均生長(zhǎng)速率高于雙隔板氣升式反應(yīng)器中的藻細(xì)胞平均生長(zhǎng)速率。各反應(yīng)器中藻細(xì)胞的最高密度均是新型反應(yīng)器內(nèi)的最高藻細(xì)胞密度高于各自對(duì)照反應(yīng)器的最高藻細(xì)胞密度。由此可見(jiàn)，添加新型內(nèi)部構(gòu)件的平板反應(yīng)器中藻細(xì)胞的最高密度及生長(zhǎng)速率均高于其各自對(duì)照的平板式光生物反應(yīng)器。綜上所述，本發(fā)明設(shè)計(jì)的新型內(nèi)部構(gòu)件及添加內(nèi)部構(gòu)件后的新型平板反應(yīng)器具有很好的培養(yǎng)效果。