全 文 ：* 　本课题为广东省自然科学基金 ( 960231)资助项目
螺旋藻溢流喷射光生物反应器及其放大设计
岳振峰　高建华　覃德全　高孔荣
(华南理工大学食品与生物工程学院 ,广州 510641)　
辛钢成
(深圳市益力矿泉水股份有限公司 )
摘　要　介绍了已获国家专利 (专利号: 962163643)的 8L螺旋藻溢流喷射光生物反应器的基本结构与特点 ,并
采用光照比表面积和单位体积藻液吸气量相等的原则对其进行了放大设计。放大后的反应器容积为 100L ,光照比表面
积 222m2 /m3 ,循环藻液量 1080L /h,吸气量 150L /h,基本保持了 8L反应器的优点。 但藻液循环系统尚需进一步改进。
关键词　螺旋藻　溢流喷射光生物反应器　结构　特点　放大设计
Abstract　 This paper introduced the fundamental structur e and distinguishing featur e of 8L Spirulina-Over flow-
ing-Jetting Pho tobio reacto r ( SOJP) which had been patented ( Pa tent Code: 962163643). Th e rule o f equality in illu-
minating surface /v olume ra tio and feeding air v o lume per unit v o lume spirulina was adopted to enla rg edly design the
SO JP. The enlarg edly designed SO JP essentially maintained the advantag es o f the 8L SOJP, and its v o lume was 100L,
illumina ting sur face /v olum e ra tio wa s 222 m2 /m3 , circula ting velocity o f spir ulina w as 1080 L /h , air feeding velo sity
w as 150 L /h. How ever , the cicula ting system o f spirulina needs to be improved.
Key words　 spirulina; ov e rflowing-jet ting photobio reacto r; structure; distinguishing fea ture; enlar ged design
　　螺旋藻是高光效自养原核生物 ,世界各国约
95%以上的大规模螺旋藻生产主要采用开放池式养
殖体系。然而多年的实践证明 ,这种培养体系对大气
中的 CO2利用率低 ,光合效率仅为 1% 。为解决这一
问题 ,除了选育优良藻种和改进生产工艺外 ,其核心
问题是如何采用新型培养体系 ,提高光能利用率。溢
流喷射光生物反应器是本研究室所研制出的一种新
型光生物反应器 ,现将其结构、特点作一介绍。
1　溢流喷射光生物反应器 ( 8L )的结构与特点
1. 1　结构
溢流喷射光生物反应器为本研究室研制出的实
验室规模的小型光生物反应器 ,其主要结构包括浅层
溢流光生物反应器、溢流喷射器、贮槽、循环系统、热
交换系统和参数控制系统。 反应器外形为扁平箱式 ,
内部设有一层层交叉分布的隔板 ,隔板一端设有挡
板 ,使藻液在隔板上形成一层浅液层 ,并靠溢流作用
逐层向下流动。该反应器的光照表面积与体积之比高
达 222m2 /m3 ,光能利用率高 ,占地面积小。 它采用溢
流喷射装置对藻液进行搅拌和通气 ,气液混合均匀 ,
简化了流程和设备。其基本结构及参数见图 1。
1. 2　特点
利用低压头水实现藻液的循环、搅拌和通气作
用 ,吸气速率高 ,混合均匀 ,节省了能耗 ;光照比表面
积大 ,高达 222m2 /m3 ,是浅层池式培养的 44. 4倍 ;藻
图 1　 8L溢流喷射光生物反应器流程示意图
1—溢流喷射器　其中: D= 60mm , d= 20mm, H= 990mm,
hc= 160mm
2—浅层溢流光生物反应器　长= 300mm,宽= 100mm ,高
= 330～ 360mm
3—贮槽
4—循环泵
* 说明: 本图仅为示意图 ,为清楚地展示反应器结构未按比
例画出 ,并且省略了热交换系统和参数控制系统。
细胞在浅液层中不是直线运动 ,而是朝各个方向的湍
动 ,减少了藻细胞间的相互遮光作用和光抑制现象 ,
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《食品工业科技》 Science and Technology of Food Industry Vol. 20,No. 4, 1999　DOI : 10. 13386 /j . i ssn1002 -0306. 1999. 04. 034
使藻细胞受光均匀 ,提高了藻的光合作用效率 ;反应
器上方与空气相通 ,有利于藻液中的氧气溢出 ,可以
避免溶氧过高对藻产生抑制作用 ;反应器向空间发
展 ,极大地节约了占地面积 ,浅液层设计同时避免了
一般反应器高静水压的影响 ;操作方便 ,易于调节控
制 ,易于消毒 ,保证了藻的纯培养 ;反应器结构简单 ,
易于放大设计。
2　溢流喷射光生物反应器的放大设计
为探求将螺旋藻溢流喷射光生物反应器应用于
工业化的可行性 ,我们对反应器进行了 8L到 100L
的放大设计。 根据 8L反应器结构和光照系统的特
点 ,可以从高度和长度两方面加以放大 ,厚度则不宜
增加 ,否则会影响透光率。 由于 100L反应器仍属较
小型号 ,及考虑节约占地面积等因素 ,本设计仅从高
度上放大即可达到设计要求。若需进一步放大 ,可同
时放大长度和高度 ,增加溢流喷射器的个数。
2. 1　光生物反应器尺寸设计计算
2. 1. 1　反应器的长、宽、高　本反应器采用普通荧光
灯管作光源 ,灯管长约 1. 3m,根据经济而又充分着光
的原则 ,反应器长取为 1m;考虑到普通荧光灯管的光
强最大为 4000～ 5000Lx ,为使藻液得到充分光照 ,反
应器宽度取为 100mm;高由层数与层间距确定。
2. 1. 2　反应器层数与层间距以及隔板尺寸计算　由
于浅层藻液流动 ,可以充分接受光照 ,并且能充分进
行气体交换 ,隔板上的挡板设为 10mm高 ,液流量大
时 ,产生溢流作用 ,流到下层隔板 ,而使每层隔板承液
量为 10mm高 ,如果在隔板上流量过大 ,产生淹塔现
象时 ,可通过泵的阀门调节流量。 隔板长取为
950mm ,又根据螺旋藻液量为 100L,挡板设定为 30
层 ,每层间距为 33mm ,则反应器高度取为 1m。 同时
采用两面灯管照明 (也可以采用天然太阳光照明 )。
反应器光照比表面积= 受光表面积÷ 体积 =
( 0. 1× 0. 95+ 0. 1× 0. 01+ 0. 95× 0. 01)× 2÷ ( 0. 1×
0. 01× 0. 95)= 222m2 /m3 ,
每层隔板的承液量= 0. 1× 0. 01× 0. 95= 0. 95L,
反应器总体积= 0. 1× 1× 1= 0. 1m3= 100L,
与相同体积 50mm深的露天培养池的光照比表
面积 5m2 /m3相比 ,溢流反应器的光照比表面积提高
了约 44. 4倍。
2. 1. 3　循环藻液量的计算　根据试验 ,在溢流管出
口流量为 250L /h时 ,藻生物量最大 ,以 250L /h的藻
液量在反应器中的循环时间为参考时间 ,计算放大后
藻液的循环量。
原 8L反应器层数为 11层 ,每层隔板长度为
280mm ,每一层隔板截面积 S= 0. 001m2。
据 11× 0. 28 / ( 250 /3600)= 30× 0. 95 /v　得
放大后藻液在隔板上的流速为 v= 0. 605m /s
但是 ,对一般在平面上自流的液体而言 ,最大流
速不应大于 0. 5m /s,所以对计算出的流速加以缩小 ,
取为 0. 3m /s。
循环藻液量 V= 0. 1× 0. 01× 3600× 0. 3× 1000
= 1080L /h
在实际应用中 ,可以通过调节泵的转速或出口阀
门来控制调节这一流量。为了使藻液进入反应器时均
匀平稳 ,在第一层隔板上方设置一挡流板。
2. 2　溢流喷射器尺寸计算
2. 2. 1　尾管直径 d及混合管径 D的计算　 d较大
时 ,藻液吸气速率高 ,但不稳定吸气范围大 ,吸气临界
流量也大 ,同时藻液流速大易损伤螺旋藻。 在本设计
中 ,结合循环藻液量取 d= 40mm。
因为 d /D= 0. 25～ 0. 30时 ,吸气速率高 ,且稳定
吸气范围宽 , 取 d /D= 0. 25,则 D= 40 /0. 25=
160mm。
2. 2. 2　溢流管高度 H的计算　溢流管高度 H越大 ,
稳定吸气范围越大 ,吸气速率越高 ,临界吸气流量越
小。但 H太高会增加泵的功耗 ,根据培养量与吸气量
成正比的原则 ,求出 100L反应器的吸气速率为:
X= 100× 12 /8= 150L /h
根据这一吸气量 ,综合考虑泵的功率及厂房高
度、经济因素等 , H取为 2m。
2. 2. 3　混合管长 hc的确定　随着混合管长 hc与溢
流管高度 H之比 hc /H的增大 ,吸气速率急剧减小 ,
临界吸气流量增大 ,当 hc / H在 0. 15～ 0. 45之间时 ,
吸气速率较大 ,且有一定的稳定吸气范围。取 hc / H=
0. 45,则
hc= 0. 45H= 0. 45× 2= 0. 9m= 900mm
2. 2. 4　溢流器内径 Df 的计算　根据试验 , D /Df=
0. 35～ 0. 597时 ,吸气速率随 D /Df 增大而降低 ,取
D /Df= 0. 5,则 Df= 160 /0. 5= 320mm。
2. 3　循环泵的选型计算
离心泵的功率计算公式为 N= HQρ/102η
考虑到反应器的高度及管路阻力 ,泵的压头 H取
为 7m;藻液密度ρ近似取为 1010kg /m3;η= 30%。 则
N= 7× 1. 080× 1010÷ ( 3600× 102× 0. 6) =
0. 070kW
根据上述参数选择离心泵型号为 1 1 /2B17B,其
特性参数如下: N= 0. 466kW , Q= 4500L /h, H=
12. 8m , n= 2900r /min,η= 35%。
泵的流量可以通过安装在泵出口管道上的阀门
来加以调节 ,从而实现对循环藻液流量的控制。
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《食品工业科技》 Science and Technology of Food Industry Vol. 20,No. 4, 1999　
表 1　放大前后反应器的基本参数比较
基本参数
光生物反应器
长　 　宽　 　高
( mm)
溢流喷射器
H　　 hc　　 D　　 d
( mm)
光照比表面积
( m2 /m3 )
循环藻液量
( L /h)
吸气速率
( L /h )
泵功率
( kW )
8L反应器 300 100 330 990 160 60 20 222 250 12 —
100L反应器 1000 100 1000 2000 900 160 40 222 1080 150 0. 466
3　结语
从以上论述可知 , 8L螺旋藻溢流喷射光生物反
应器具有能耗低、光照比表面积大、吸气量高、混合均
匀、结构简单等特点。 采用光照比表面积和单位体积
藻液吸气量相等的原则放大后的 100L反应器基本
保持了原反应器的优点 ,其光照比表面积为 222m2 /
m3 ,循环藻液量为 1080L /h ,吸气量为 150L /h。 该反
应器有望应用于工业化生产。但循环系统尚存在剪切
力大的问题 ,需进一步研究和解决。
食品真空浸渍离心机的研制
文怀兴
(西北轻工业学院 ,咸阳 712081)
摘　要　介绍了真空浸渍离心机的结构和工作原理 ,提出了在真空机制下加工物料的工艺方法。
关键词　农副产品　真空浸渍　离心脱水
Abstract　 This ar ticle intr oduced the str uctur e and w o rking principle of v acuum infusing Centrifug e. In vacuum
condition, pro cessing method of ma teria l w er e put fo rw ard.
Key words　 fa rm products; v acuum infusing; deh ydration
　　食品的真空加工技术是近年来在国内外流行的
一项高新技术。真空浸渍是将真空技术引入传统的浸
渍过程 ,在低压环境下 ,浸渍液的渗透性加强 ,浸渍过
程加速进行。本文介绍研制的食品真空浸渍离心机可
单机生产或联线生产 ,单机生产时 ,用于农副产品的
腌制、酱制和糖渍 ;联线生产时 ,用于果蔬脆片真空干
燥的前处理工序 ,浸渍完后 ,同时在该机内离心脱水 ,
防止浸渍液的淋洒。生产实践表明 ,该设备工作时间
短 ,生产效率高 ,产品质量好 ,提高了浸渍液的重复利
用率 ,增加了农副产品的高附加值。
1　真空浸渍的特点和作用
浸渍过程是将浸渍料 (液体、粘稠或固体粉粒料 )
浸入物料中使之相互产生化学或生化反应 ,从而改变
物料的物理或生化特性的操作过程。浸渍过程一般分
为三个步骤 ,第一 ,物料与浸渍料接触及物料对浸渍
料的吸附 ;第二 ,浸渍料成份向物料组织内部扩散 ;第
三 ,物料与浸渍料产生物理或化学反应。通过上述三
步达到物料改性 ,成为浸渍后的成品。在常压下 ,浸渍
过程的扩散和生化反应都进行的比较缓慢 ,可能成为
限制性的步骤。改变浸渍环境和条件 ,如压强、温度、
催化剂等对浸渍过程都有不同程度的影响。
食品的加工引进真空机制 ,具有在稀薄气体和低
温条件下实施生产的特点。对浸渍过程提供了如下有
利的条件和作用。
a.真空状态下 ,当氛围的气体稀薄到一定程度
时 ,不但原料组织内部的气体 ,游离水大量逸出 ,且其
细胞膜也受到破坏 ,使各种辅料成分得以快速均匀地
渗入原料内部 ,建立良好的物理、化学改性条件 ,这种
影响远大于盐的渗透压。
b.原料中的蛋白质、矿物质、各种维生素等对氧
和温度的作用极为敏感 ,在缺氧和低温的氛围内加工
时 ,不良生化反应的条件受到抑制 ,这些营养成分损
失极少。
c.稀薄气体缺氧状态下 ,嗜氧性的有害细菌的生
存和发展条件被破坏 ,创造了良好的灭菌环境。 加工
的产品清洁卫生 ,细菌指标符合要求。
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《食品工业科技》 Science and Technology of Food Industry Vol. 20,No. 4, 1999