CN103525686A - 一种基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器，包括反应器顶板、不锈钢蛇形管、空心导光管、气体分布器、反应器底板、反应器主体、气液分离装置和pH、温度、DO在线监测装置；反应器主体内左右分别设置不锈钢蛇形管，气体分布器为一穿过反应器主体内底部的环形管，位于反应器主体内的部分设多个出气孔，反应器主体内均布设置多个空心导光管，气液分离装置设置在反应器顶板上，pH、温度、DO在线监测装置设置于反应器主体内部。该反应器主要体现在将光传递的强化、CO₂传质的强化以及微藻细胞光生化反应的强化耦合在一起，提高了微藻光生物反应器的综合性能。

Description

一种基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器

技术领域

本发明涉及一种用于光合微藻培养的光生物反应器，尤其涉及一种基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器。

背景技术

全球气候变暖和化石能源短缺是人类在二十一世纪面临的两大难题。全球气候变暖主要是由于温室气体的大量排放所造成的，温室气体种类繁多且不同种类的温室气体对温室效应的贡献不同，二氧化碳被认为是最主要的温室气体，其对温室效应的贡献最大，因此减少二氧化碳的排放能够有效的缓解全球气候变暖的趋势。化石能源的短缺主要是由于人类社会发展过程中对化石能源的过度消耗所引起的，可再生能源的大力开发能够有效的缓解化石能源短缺对人类社会发展的制约作用。光合微藻既可以用于高效生物固定二氧化碳减少温室气体的排放，同时成熟的微藻生物质又可以用于生产生物柴油应对化石能源短缺的难题，现已成为国际社会研究的热点，掀起了一股研究微藻的热潮。

微藻是一类既可以光能自养又可以异养的微生物，其种类繁多，分布广泛，其中光能自养型微藻具有光合速率高、生长速度快、环境适应能力强、成熟微藻生物质用途广泛等优点，可用于高效固定二氧化碳减少温室气体排放，同时，成熟的微藻生物质既可以用来生产生物柴油缓解能源危机，又可以用来生产药品、化妆品、保健品等高附加值产品，具有良好的能源和经济价值。

光生物反应器是光合微藻进行光合作用固定二氧化碳合成有机物的产所。高效的光生物反应器有利于实现微藻的高密度、大规模培养。现阶段用于微藻培养的光生物反应器主要分为开放式和封闭式两种，其中开放式光生物反应器主要是指跑道池光生物反应器，其具有建造成本低、操作简单等优点，但其培养条件不易控制、微藻生物质产量低、藻种易受污染，只能用于小球藻、螺旋藻和盐藻等能够耐受极端环境的藻类的培养。封闭式光生物反应器克服了开放式光生物反应器的上述缺点，具有培养条件可控、可适用于所有藻类培养、可实现微藻细胞的高密度和大规模培养等优点，但其具有成本高、操作复杂等缺点，但考虑到微藻良好的利用价值，封闭式光生物反应器将始终是研究的热点。因此，设计一种高效、低成本的封闭式光生物反应器对于实现微藻的大规模应用至关重要。

光能和碳源是影响光能自养型微藻生长的两大主要因素，因此，高效的微藻光生物反应器应能提供良好的光能供应和碳源供应。

首先，光能是微藻进行光合作用所必不可少的条件，然而对于微藻的生长而言，光强太强会产生光抑制现象，光强太弱则会产生光限制现象，光限制和光抑制都不利于微藻的生长，因此在光生物反应器中的光强分布应尽量避免光限制和光抑制现象的产生。另一方面，随着微藻细胞的生长，反应器中微藻生物量浓度上升，在藻液中沿着光传播方向，光强将呈指数规律衰减，使得反应器中远离光源处的区域光强很弱，不能满足微藻生长对光能的需求，因此，高效的光生物反应器应能提供较大的光照比表面积，为了避免反应器中远离光源处的区域光强太弱，以至于不能满足微藻生长对光的需求，高效的微藻光生物反应器应能将光导入反应器中光衰减严重的区域，提高光能利用率。

其次，对于大多数光生物反应器而言，二氧化碳是微藻生长的碳源，二氧化碳主要是经由反应器中的气体分布器以气泡的形式进入反应器中的微藻悬浮液中，气泡的大小将会影响总的气液接触面积，进而影响传质效果。气泡越小，其比表面积越大，气液传质越好。另一方面，当气泡在反应器底部产生后在微藻悬浮液中上浮的过程中，相邻位置的气泡容易发生聚并现象，使得气泡体积变大，比表面积缩小，使得气液传质效果变差。因此，高效的光生物反应器应具有良好的气体分布器产生均匀细小的气泡，同时也应该采取一定的措施避免或减少气泡上浮过程中的聚并现象，进而强化气液传质。

再者，有研究表明，当微藻细胞间歇***替运动于反应器中光强区域（光区）和光弱区域（暗区）时，其生长速率和光能利用效率会得到很大的提高，人们称这种效应为“闪光效应”，即，当藻细胞在光生物反应器的光区与暗区之间来回穿梭，就可使得已经接受过光照的微藻细胞及时进入暗区进行暗反应，同时，使得完成了暗反应的微藻细胞回到光区再次接受光照，这样就可以使得进入反应器中的光量子被充分利用。因此，在设计高效光生物反应器时，可以通过改变反应器的结构等方式，使得藻细胞交替运动于光区与暗区，藻细胞的运动满足一定的光/暗循环周期，实现“闪光效应”大幅提高微藻生物质产率和光能利用率的目的。

良好的扰动对于微藻的生长也是至关重要的，其优点主要体现在以下几点：①良好的扰动可以强化气液传质。一方面强化碳源从气相区到液相区的传质，为藻细胞的生长提供充足的碳源，另一方面强化传质有利于实现从微藻细胞悬浮液中及时排出溶氧，避免溶氧浓度过高对藻类生长的抑制作用；②良好的扰动可以减少细胞间的相互遮挡和微藻细胞的沉积，有利于保证每个藻细胞享受到相同的光照强度和营养物质条件；③良好的扰动可以避免微藻细胞悬浮液中的热分层现象；④良好的扰动可以使藻细胞交替往返运动于反应器中的光强区域与光弱区域，有利于利用光/暗交替现象强化光生化反应，提高微藻生长速率和光能利用率。

综上，高效微藻光生物反应器的设计可从以下三个角度考虑：①强化光的传递，增大光照比表面积，提高光能利用率；②强化传质，为藻细胞的生长提供充足的碳源，并及时排出光合作用产生的氧气；③强化光生化反应，为微藻细胞内的光生化反应提供最佳的条件。

因此，若能将上述三个强化手段耦合在一起，将有利于提高微藻光生物反应器的综合性能。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种强化光的传递、强化传质和强化光生化反应的基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器，包括反应器顶板、不锈钢蛇形管、空心导光管、气体分布器、荧光灯光源、反应器底板、反应器主体、气液分离装置和pH、温度、DO在线监测装置；

所述反应器顶板、反应器主体和反应器底板均由透光材料制成；

所述反应器主体为上下两端开口的矩形盒体，所述反应器顶板盖在反应器主体的上端口并与上端口密封配合，所述反应器底板设置在反应器主体的下端口并与下端口密封配合；所述反应器主体的侧壁顶部设有进料口，侧壁底部设有出料口,所述反应器主体的侧壁上还设有取样口；

所述反应器主体内的左右两侧分别设置不锈钢蛇形管，所述不锈钢蛇形管的两端口均伸出反应器顶板，其中一端口为恒温循环水入口，另一端口为恒温循环水出口；

所述气体分布器为一穿过反应器主体内底部的环形管，该环形管的一部分位于反应器主体内，环形管的剩余部分位于反应器主体的外部，环形管与反应器主体的侧壁密封配合，所述环形管位于反应器主体内的部分均布设置多个出气孔；所述环形管位于反应器主体的外部设有CO₂气体入口；

所述反应器主体均布设置多个空心导光管，所述空心导光管水平设置，空心导光管的一端开口，另一端为封闭端，空心导光管的开口端设置在反应器主体内的前侧壁上并嵌入前侧壁，空心导光管的开口端的外圆与前侧壁密封配合，空心导光管的封闭端设置在反应器主体内的后侧壁上并与后侧壁密封配合；所述空心导光管的开口端至距离开口端3cm的内壁上以及封闭端的内壁上均镀有全反射膜；所述荧光灯光源设置在反应器主体的前侧壁的外侧；

所述气液分离装置设置在反应器顶板上，气液分离装置的进口通过管路与反应器主体内连通，气液分离装置上具有一反应器排气口；所述pH、温度、DO在线监测装置设置在反应器主体内。

作为本发明的一种优选方案，所述反应器顶板通过硅胶垫片与反应器主体的上端口密封配合。

作为本发明的另一种优选方案，所述反应器底板通过硅胶垫片与反应器主体的下端口密封配合。

作为本发明的一种改进方案，所述气体分布器上的出气孔的孔径为1mm，相邻两个出气孔之间的距离为15mm。

本发明的有益效果是：该反应器将多种强化反应器性能的方法组合在一起，主要体现在将光传递的强化、CO₂传质的强化以及微藻细胞光生化反应的强化耦合在一起，而非采用单一方式进行强化，提高了微藻光生物反应器的综合性能。

附图说明

图1为一种基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器的结构示意图；

图2为空心导光管底部为平底的光生物反应器局部剖面结构示意图；

图3为空心导光管底部为半球状的光生物反应器局部剖面结构示意图；

图4为空心导光管排列方式为叉排的微藻光生物反应器的结构示意图；

图5为空心导光管排列方式为顺排的微藻光生物反应器的结构示意图。

附图中： 1—反应器顶板； 2—硅胶垫片； 3—不锈钢蛇形管； 4—空心导光管； 5—气体分布器； 6—反应器底板； 7—CO₂气体入口； 8—出料口； 9—全反射膜； 10—取样口； 11—反应器主体； 12—进料口； 13—螺栓； 14—pH、温度、DO在线监测装置； 15—反应器排气口； 16—气液分离装置； 17—恒温循环水出口； 18—恒温循环水入口； 19—荧光灯光源； 20—入射光线； 21—空气； 22—反应器主体后侧壁； 23—微藻细胞悬浮液； 24—光∕暗区域分界线； 25—反应器主体前侧壁； 26—区域二； 27—区域一。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，一种基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器，包括反应器顶板1、不锈钢蛇形管3、空心导光管4、气体分布器5、反应器底板6、反应器主体11、荧光灯光源19、气液分离装置16和pH、温度、DO在线监测装置14。

反应器顶板1、反应器主体11和反应器底板6均由透光材料制成，如采用有机玻璃或者其他具有优异透光性能的材料加工而成。反应器主体11为上下两端开口的矩形盒体，反应器顶板1盖在反应器主体11的上端口并通过螺栓13连接，在反应器顶板1与反应器主体11的上端口之间设置硅胶垫片2，通过该硅胶垫片2实现反应器顶板1与反应器主体11的上端口之间密封配合。反应器底板6设置在反应器主体11的下端口并通过螺栓13连接，在反应器底板6与反应器主体11的下端口之间设置硅胶垫片2，通过该硅胶垫片2实现反应器底板6与反应器主体11的下端口之间密封配合。反应器顶板1与反应器主体11之间以及反应器底板6与反应器主体11之间均垫有硅胶垫片2，主要是防止藻液的泄露。反应器主体11的侧壁顶部设有进料口12，侧壁底部设有出料口8, 进料口12用于初始培养时向反应器主体11中加入一定浓度的微藻细胞悬浮液，出料口8用于微藻细胞生长处于稳定期时对微藻细胞的收集。反应器主体11的侧壁上还设有取样口10，取样口10用于从反应器主体11中的微藻细胞悬浮液中定期取样进行微藻细胞生物量、叶绿素含量、油脂含量及成分、蛋白质含量等参数的测量。

反应器主体11内的左右两侧分别设置不锈钢蛇形管3，不锈钢蛇形管3的两端口均伸出反应器顶板1，其中一端口为恒温循环水入口18，另一端口为恒温循环水出口17。不锈钢蛇形管3内循环流动着温度恒定的循环恒温水，温度恒定的循环水与反应器主体11中的微藻细胞悬浮液进行热交换，用于维持微藻细胞悬浮液温度的恒定。

气体分布器5为一穿过反应器主体11内底部的环形管，该环形管的一部分位于反应器主体11内，环形管的剩余部分位于反应器主体11的外部，环形管与反应器主体11的侧壁密封配合，环形管位于反应器主体11内的部分均布设置多个出气孔；环形管位于反应器主体11的外部设有CO₂气体入口7。气体分布器5位于反应器主体11前后侧壁之间的中间位置处，气体分布器5由PU管、PVC管、不锈钢管等材料制作而成，出气孔沿管轴向方向均匀分布，孔径为1mm，相邻孔间的中心距为15mm。为了保证气体分布器内气压沿管轴向分布均匀，采用气体分布器5两端同时进气的方式来实现管内气压沿管轴向均匀分布，使得经由气体分布器产生的气泡大小更加均匀。

反应器主体11均布设置多个空心导光管4，空心导光管4水平设置，空心导光管4的一端开口，另一端为封闭端，空心导光管4的开口端设置在反应器主体11内的前侧壁上并嵌入前侧壁，空心导光管4的开口端的外圆与前侧壁密封配合，空心导光管4的封闭端设置在反应器主体11内的后侧壁上并与后侧壁密封配合。空心导光管4的开口端至距离开口端3cm的内壁上以及封闭端的内壁上均镀有全反射膜9，荧光灯光源19设置在反应器主体11的前侧壁的外侧。内部镀有全反射膜9的空心导光管4可由石英管、有机玻璃管等具有优异透光性能的材料加工而成，空心导光管4的底部可做成平底（如图2所示）或半球形状（如图3所示），空心导光管4的入口段（即空心导光管4的开口端）以及底部（空心导光管4的封闭端）镀有高反射率的全反射膜9，外界射入空心导光管4的光在全反射膜9的作用下，由空心导光管4的中后部即藻细胞悬浮液中光衰减严重的区域（即光限制区域26）射出，用于微藻细胞的生长，如图2、3所示，区域Ⅰ27为靠近入射光源的区域，光强能够满足微藻光合生长的区域；区域Ⅱ26为远离入射光源的区域，光衰减严重区域，光强较低，即光限制区。空心导光管4布置于反应器主体11的前后侧壁之间，与反应器主体11的前后侧壁相垂直，空心导光管4的排列方式可分为顺排和叉排两种，如图4、5所示。

该空心导光管4的作用主要体现在以下几点：一、用于将外界的入射光导入反应器主体11内光衰减严重的区域，增大光照比表面积，提高光能利用率；二、空心导光管4的存在可以改变反应器主体11内的流场，强化反应器内的混合，有利于强化传质、优化反应器内的混合效果；三、由于空心导光管4的布置方向与经由气体分布器5产生的气泡上浮过程的运动方向相垂直，空心导光管4可在一定程度上打碎上浮的气泡，增大气泡的比表面积，减少气泡上浮过程中聚并现象的发生；四、由于空心导光管4将光导入反应器中光强衰减严重的区域，使得空心导光管4底部周围的光强较其周围区域的光强要大，这样上下运动的藻细胞就会交替运动于光强强度不同的区域，即藻细胞的运动满足一定的光/暗周期，有利于通过“闪光效应”提高微藻生物质产率。

气液分离装置16设置在反应器顶板1上，气液分离装置16的进口通过管路与反应器主体11内连通，气液分离装置16上具有一反应器排气口15，气液分离装置16用于气液两相的分离，用于排除藻细胞悬浮液中产生的氧气、未溶解的二氧化碳以及其他未溶解的气体，回收气体中携带的水分，减少水分的散失。pH、温度、DO在线监测装置14设置在反应器主体11内，pH、温度、DO在线监测装置14用于实时在线监测反应器内微藻细胞悬浮液的pH值、温度、DO变化情况。

该反应器的工作原理：首先将一定初始浓度的微藻细胞悬浮液置于微藻光生物反应器中，具有一定体积浓度的CO₂气体（如CO₂体积浓度为5%的空气和CO₂混合气体）由CO₂气体入口7通入气体分布器5，富含CO₂的混合气经由气体分布器5上均匀分布的直径为1mm的出气孔以小气泡的形式进入微藻细胞悬浮液，随后小气泡在浮力的作用下由反应器主体11的底部运动至反应器主体11的顶部，在上浮的过程中，由于气泡运动方向与反应器主体11中***的空心导光管4轴向方向相垂直，一些气泡在上浮的过程中被空心导光管4打碎，变成体积更小的小气泡，这些气泡最终从微藻细胞悬浮液中脱离，经由反应器排气口15排入大气，在富含CO₂的小气泡上浮的过程中，CO₂由气相区传至液相区，并最终传至藻细胞中用于生长。光由反应器主体11的前侧壁进入微藻细胞悬浮液，为微藻细胞的生长提供光能，由于光强在藻液中呈指数规律衰减，使得远离前侧壁的区域光强减弱，由于反应器中加入了内部镀有全反射膜9的空心导光管4，空心导光管4的入口段以及底部镀有高反射率的全反射膜，且光在空气中传播时的衰减量要比在藻液中的衰减量低得多，这样使得较强的光从空心导光管4的尾部即反应器中远离前侧壁的区域（光限制区）射出，实现了将光能导入光衰减严重区域的目标。空心导光管4的引入，一方面起到了打碎气泡强化混合的作用；另一方面，将光导入光衰减严重的区域，增加了光照比表面积，提高了光能利用率。

使用该基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器时，首先用甲醛溶液将反应器内部以及气体分布器管内进行灭菌30min，然后利用高压灭菌后的蒸馏水对反应器进行清洗，接种时，将初始低浓度（如藻细胞生物量浓度为0.05g/L）的微藻细胞悬浮液由进料口12泵入反应器中。两个不锈钢蛇形管3分布在反应器主体11内靠近反应器主体11左右侧壁的区域，温度为25℃的恒温水在蠕动泵的驱动下以一定的流速由恒温循环水入口18进入不锈钢蛇形管3，后由恒温循环水出口17流出，进入恒温水浴槽，完成恒温水的循环流动，恒温水用于维持微藻细胞悬浮液温度的恒定，保持微藻细胞悬浮液的温度为25℃。光源布置方式，采用单侧布光，4支8W的荧光灯管平行排列于反应器主体前侧壁的前方，为微藻的光合作用提供光源。空心导光管4的入口处至距离入口处3cm位置以及空心导光管4的平底或半球状底部均镀有高反射率的全反射膜9，这样空心导光管4一方面可将外界光导入反应器中光衰减严重的区域。增大光照表面积，提高光能利用率；另一方面，空心管的布置方向垂直于CO₂气泡浮升运动的方向，启到打碎气泡，减少气泡间的相互聚并，增加扰流，强化气液传质的效果。定期从取样口10取样检测微藻细胞的生物量、叶绿素、油脂含量等参数，监测藻细胞的生长情况，待藻细胞生长至稳定期时，将藻细胞悬浮液从出料口8放出，收集后加以利用，如用于生物柴油的制取、高附加值产品的生产等。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器，其特征在于：包括反应器顶板（1）、不锈钢蛇形管（3）、空心导光管（4）、气体分布器（5）、反应器底板（6）、反应器主体（11）、荧光灯光源（19）、气液分离装置（16）和pH、温度、DO在线监测装置（14）；

所述反应器顶板（1）、反应器主体（11）和反应器底板（6）均由透光材料制成；

所述反应器主体（11）为上下两端开口的矩形盒体，所述反应器顶板（1）盖在反应器主体（11）的上端口并与上端口密封配合，所述反应器底板（6）设置在反应器主体（11）的下端口并与下端口密封配合；所述反应器主体（11）的侧壁顶部设有进料口（12），侧壁底部设有出料口（8）,所述反应器主体（11）的侧壁上还设有取样口（10）；

所述反应器主体（11）内的左右两侧分别设置不锈钢蛇形管（3），所述不锈钢蛇形管（3）的两端口均伸出反应器顶板（1），其中一端口为恒温循环水入口（18），另一端口为恒温循环水出口（17）；

所述气体分布器（5）为一穿过反应器主体（11）内底部的环形管，该环形管的一部分位于反应器主体（11）内，环形管的剩余部分位于反应器主体（11）的外部，环形管与反应器主体（11）的侧壁密封配合，所述环形管位于反应器主体（11）内的部分均布设置多个出气孔；所述环形管位于反应器主体（11）的外部设有CO₂气体入口（7）；

所述反应器主体（11）均布设置多个空心导光管（4），所述空心导光管（4）水平设置，空心导光管（4）的一端开口，另一端为封闭端，空心导光管（4）的开口端设置在反应器主体（11）内的前侧壁上并嵌入前侧壁，空心导光管（4）的开口端的外圆与前侧壁密封配合，空心导光管（4）的封闭端设置在反应器主体（11）内的后侧壁上并与后侧壁密封配合；所述空心导光管（4）的开口端至距离开口端3cm的内壁上以及封闭端的内壁上均镀有全反射膜（9）；所述荧光灯光源（19）设置在反应器主体（11）的前侧壁的外侧；

所述气液分离装置（16）设置在反应器顶板（1）上，气液分离装置（16）的进口通过管路与反应器主体（11）内连通，气液分离装置（16）上具有一反应器排气口（15）；所述pH、温度、DO在线监测装置（14）设置在反应器主体（11）内。

2.根据权利要求1所述的一种基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器，其特征在于：所述反应器顶板（1）通过硅胶垫片（2）与反应器主体（11）的上端口密封配合。

3.根据权利要求1所述的一种基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器，其特征在于：所述反应器底板（6）通过硅胶垫片（2）与反应器主体（11）的下端口密封配合。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的一种基于空心导光管的复合强化式微藻光生物反应器，其特征在于：所述气体分布器（5）上的出气孔的孔径为1mm，相邻两个出气孔之间的距离为15mm。

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