CN102899239B - ***螺旋纽带的弥散光纤式光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了***螺旋纽带的弥散光纤式光生物反应器，包括：顶盖、外管、内管和底盖，所述外管、顶盖和底盖均设有通孔，该外管的管壁设有进液口和出液口；所述顶盖设置在所述外管的顶部，所述底盖设置在外管的底部；其特征在于：所述内管的顶部设置有台阶，所述内管穿过所述顶盖的通孔并***所述外管的通孔内，由设置在内管顶部的台阶限位；所述外管与所述内管之间设置有螺旋纽带，该螺旋纽带绕在内管上，螺旋纽带使内管和外管之间培养微藻的区域内形成一个螺旋向上的通道；在所述外管的通孔内位于内管底部下方设置有砂芯漏斗，该砂芯漏斗的下部穿过底盖的通孔，密封塞套在砂芯漏斗的下部且固定在底盖的通孔内；光纤纤芯***内管内。

Description

***螺旋纽带的弥散光纤式光生物反应器

技术领域

本发明涉及生物反应器，具体涉及***螺旋纽带的弥散光纤式光生物反应器。

背景技术

当今世界，经济高速发展，人类大量排放温室气体而引起的气候变暖问题日益严重。在温室气体中，CO2对温室效应贡献最大。大气中的二氧化碳浓度已经从工业革命前的0.028％增长至现在的0.036％，20世纪全球平均地面温度上升了1.0℃，平均海洋温度上升了0.6℃，这种气候异常会对人类的生存环境造成不可逆转的灾难性后果，例如：沙漠化加剧、农业减产、灾害性天气频发和森林面积缩减。因此，减少CO2排放是人类在21世纪面临的一大挑战，是保持人类生存环境友好和逆转全球气候变暖的主要应对措施。

另一方面，能源的需求量越来越大，而大部分化石能源将在本世纪被开采殆尽，能源危机越发明显。因此，寻求替代化石能源的可再生能源已成为当务之急。生物质能被认为是最有发展前景的可再生能源。

光合微藻是一类自养微生物，能够有效利用CO₂、水、无机盐通过光合作用合成有机物，具有光合速率高、繁殖快、环境适应能力强等优点，广泛应用于烟道气中CO₂的脱除研究。综上，利用光合微藻既可以高效固定CO₂，又可以生产生物质燃料缓解能源危机，还可以生产诸如保健食品、药品、化妆品等高附加值产品，具有重要的利用价值。

光生物反应器是微藻固碳的场所，高效的光生物反应器是微藻实现规模化和高密度培养的关键。目前，国内外用于微藻培养的光生物反应器主要有开放式和封闭式两种。开放式光生物反应器主要包括浅水池、循环池、跑道池等形式。这类反应器具有结构简单、操作简便、成本低廉等优点，但存在易受污染、培养条件不稳定、微藻产量低、光能利用效率低、采收困难等一系列弊端。封闭式光生物反应器主要包括平板式、管式、柱状气升式、搅拌发酵罐式等。这类反应器具有光能利用率高、微藻产量高、培养条件稳定等优点，但是存在结构复杂、放大困难、成本高等缺点。

考虑到微藻固碳的环境效益和微藻生物质能的利用价值，封闭式光生物反应器是今后重点发展的方向。其中，管式光生物反应器因其结构可调性强、比表面积大、光能利用率高等优点，是最有前景的封闭式光生物反应器。

管式光生物反应器主要包括3类：垂直管式、水平管式和螺旋管式。由于一般采用较小的管径，管式光生物反应器具有较大的比表面积，光能利用率高，可以获得较高的生物质产量。但是管径的减小限制了总体积的增加，同时，在细长的管道中维持良好的混合及其困难，造成反应器效率降低。

普通反应器光传递的一个缺点是在一定的藻液浓度下由于微藻相互遮挡效应的影响，光传递距离受限，如果外置光源会造成较大的暗区，同时光分布不均匀；传统的垂直管式光生物反应器的一个缺点是二氧化碳在反应器内的停留时间太短，气体从反应器底部进入以气泡的形式依靠浮升力直接向上穿过液相区从反应器出口排出。气泡在反应器内停滞的时间太短导致大量的CO2没有充分地从气相区扩散进液相区来供给微藻细胞的生长，就被直接排放进大气中，这造成了反应器内碳源利用不充分，固碳效率低，并且，传统的垂直管式反应器的混合主要是通过鼓气引起藻液的反混，这种没有规律的随机式的混合会增加气泡聚合、***现象的发生，并直接在微藻细胞表面施加了较大的剪切力，这两个因素都使微藻细胞容易被杀死从而降低微藻的生物质产量。

在光生物反应器的设计过程中，光能和无机碳源的供应是保证微藻高效生长的关键。因此，高效光生物反应器的开发主要包括提高光能利用率和提高CO₂在培养液中的传质效率。提高光能利用效率主要从提高反应器比表面积、优化光源设计等方面出发。提高CO₂在培养液中的气液传质效率，可从增大气液接触面积、延长气液接触时间、加强气液混合等角度出发。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供***螺旋纽带的弥散光纤式光生物反应器。

根据本发明的技术方案，一种***螺旋纽带的弥散光纤式光生物反应器，包括：顶盖、外管、内管和底盖，所述外管、顶盖和底盖均设有通孔，该外管的管壁设有进液口和出液口；所述顶盖设置在所述外管的顶部，所述底盖设置在外管的底部；其特点是：

所述内管的顶部设置有台阶，该台阶设置有排气孔，所述内管穿过所述顶盖的通孔并***所述外管的通孔内，由设置在内管顶部的台阶限位；所述外管与所述内管之间设置有螺旋纽带，该螺旋纽带绕在内管上，螺旋纽带使内管和外管之间培养微藻的区域内形成一个螺旋向上的通道；在所述外管的通孔内位于内管底部下方设置有砂芯漏斗，该砂芯漏斗的下部穿过底盖的通孔，密封塞套在砂芯漏斗的下部且固定在底盖的通孔内；光纤纤芯***内管内。

本发明将光纤纤芯***内管，作为内置导光介质，使光从反应器中心向外散射，减弱藻液相互遮挡效应对光传递的影响，同时在反应器内产生分布均匀的光场；采用砂芯漏斗作为气体分布器，使气体以微气泡的形式从底部进入反应器，提高气液传质效率；本发明加入螺旋纽带后，在内管和外管之间培养微藻的区域内构造一个螺旋向上的通道，使气液两相在反应器内产生螺旋流，气泡由于受到螺旋纽带的阻力不能直接向上排出，而是沿着槽道方向螺旋向上浮升，这就大大延长了气泡在液相区的停留时间，使得CO2有更多的时间从气泡内扩散进液相区，为微藻细胞提供充足的碳源，提高微藻固碳效率。并且，螺旋纽带造成了气液两相在反应器内螺旋向上的流动。这种螺旋流动是一种有规律的扰动，不但强化了混合同时在藻细胞表面产生较小的剪切力，提高了气液界面的传质效率，并且，螺旋纽带使气液两相在反应器内流动时自发产生有规律的螺旋扰流，加强混合而不需要较高的能量消耗，内管起到固定螺旋纽带和保护纤芯的作用，密封塞起密封作用，同时保护砂芯漏斗。

根据本发明所述的***螺旋纽带的弥散光纤式光生物反应器的优选方案，内管的外壁设置有螺旋状槽道，螺旋纽带的叶片内缘嵌入槽道内，起到固定螺旋纽带的作用。

本发明所述的***螺旋纽带的弥散光纤式光生物反应器的有益效果是：本发明设置螺旋纽带，培养微藻的区域内构造一个螺旋向上的通道，使气液两相在反应器内产生螺旋流，提高了微藻固碳效率，提高了气液界面的传质效率，并且采用砂芯漏斗作为气体分布器，提高了气液传质效率，光纤纤芯作为内置导光介质，使光从反应器中心向外散射，减弱藻液相互遮挡效应对光传递的影响，同时在反应器内产生分布均匀的光场，本发明能够延长气泡停留时间，具有气液界面的传质效率高，混合耗能低，固碳效率高的特点，可广泛应用于化工、能源、医药、环保等领域，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述的***螺旋纽带的弥散光纤式光生物反应器的结构示意图。

图2是本发明所述的内管5的结构示意图。

图3是本发明所述的***螺旋纽带的弥散光纤式光生物反应器的应用示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，***螺旋纽带的弥散光纤式光生物反应器由光纤纤芯1、顶盖2、外管3、螺旋纽带4、内管5、砂芯漏斗7、底盖8和密封塞9构成，所述外管3、顶盖2和底盖8均设有通孔，该外管3的管壁设有进液口10和出液口11；所述顶盖2设置在所述外管3的顶部，所述底盖8设置在外管3的底部；所述内管5的顶部设置有台阶6，该台阶6设置有排气孔17，所述内管5穿过所述顶盖2的通孔并***所述外管3的通孔内，由设置在内管5顶部的台阶6限位；所述外管3与所述内管5之间设置有螺旋纽带4，该螺旋纽带4绕在内管5上，螺旋纽带4使内管和外管之间培养微藻的区域内形成一个螺旋向上的通道；在所述外管3的通孔内位于内管5底部下方设置有砂芯漏斗7，该砂芯漏斗7的下部穿过底盖8的通孔，密封塞9套在砂芯漏斗7的下部且固定在底盖8的通孔内；光纤纤芯1***内管5内。

在具体实施例中，内管5的外壁设置有螺旋状槽道12，螺旋纽带4的叶片内缘嵌入槽道12内，以对螺旋纽带4固定，螺旋纽带4的叶片外端紧贴外管3内壁面。

其中，顶盖2、外管3、内管5和底盖8可以采用有机玻璃制成，螺旋纽带4可以采用聚丙烯、聚氯乙烯等制成。

参见图3，应用时，将初始低浓度的小球藻藻液从顶盖2通孔注入进反应器16内，内管5与外管3之间的区域是培养微藻的空间；光纤纤芯1作为内置导光介质，光纤纤芯1的上部接入太阳能聚光器15，太阳能聚光器15用于聚集太阳光，通过光纤将收集的太阳光导入反应器内部，为微藻生长提供光能，减小反应器的光通路，提高光合作用效率；将一定压力下的空气和CO2通入混合气瓶13，再用皮管将混合气瓶出口与砂芯漏斗7下部出口相连，调节通气量使含有12％CO2的混合气体通入砂芯漏斗7，产生的微小气泡沿螺旋纽带4构成的通道螺旋向上浮升，在顶盖与液相分离，通过排气孔17排出反应器16；反应器16的进液口10和出液口11分别用管子与蠕动泵14连接，藻液在蠕动泵14提供的动力下从进液口流入反应器16，在反应器16内沿螺旋通道螺旋流动，从出液口11流出到蠕动泵14，构成了一个循环回路。

Claims (2)

1.***螺旋纽带的弥散光纤式光生物反应器，包括：顶盖(2)、外管(3)、内管(5)和底盖(8)，所述外管(3)、顶盖(2)和底盖(8)均设有通孔，该外管(3)的管壁设有进液口(10)和出液口(11)；所述顶盖(2)设置在所述外管(3)的顶部，所述底盖(8)设置在外管(3)的底部；其特征在于：

所述内管(5)的顶部设置有台阶(6)，该台阶(6)设置有排气孔(17)，所述内管(5)穿过所述顶盖(2)的通孔并***所述外管(3)的通孔内，由设置在内管(5)顶部的台阶(6)限位；所述外管(3)与所述内管(5)之间设置有螺旋纽带(4)，该螺旋纽带(4)绕在内管(5)上，螺旋纽带(4)使内管和外管之间培养微藻的区域内形成一个螺旋向上的通道；在所述外管(3)的通孔内位于内管(5)底部下方设置有砂芯漏斗(7)，该砂芯漏斗(7)的下部穿过底盖(8)的通孔，密封塞(9)套在砂芯漏斗(7)的下部且固定在底盖(8)的通孔内；光纤纤芯(1)***内管(5)内。

2.根据权利要求1所述的***螺旋纽带的弥散光纤式光生物反应器，其特征在于：内管(5)的外壁设置有螺旋状槽道(12)，螺旋纽带(4)的叶片内缘嵌入槽道(12)内，螺旋纽带(4)的叶片外端紧贴外管(3)内壁面。

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