CN106318853B - 自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器 - Google Patents

自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，包括反应器主体及多维立体气体分布器。所述多维立体气体分布器分为底层多排多角度环管和列管式分布管，二者互相连通，通过底层气升耦合藻液区螺旋射流，螺旋式上升流动，实现反应器内流场均匀避免死区，强化了气液混合传热传质过程；通过上述结构设计，在内外可控光源的照射下，促使微藻在径向上的一个交替流动达到明暗交替的受光效果，大大减低了遮光效应增强了闪光效应，提高了微藻培养和固定二氧化碳的效率；多角度螺旋射流很好地起到了冲刷反应器内壁，有效地解决了藻体挂壁的现象，提高了光透率，减少了藻类收集等后处理的成本，大大提高了规模化养藻的经济性。

Description

自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器
技术领域
本发明涉及生物化工领域，特别适合微藻高密度培养，特别涉及一种具有高效传质传热特性兼顾自清洁壁面功能的螺旋气升式内环流反应器。
背景技术
微藻能够通过光合作用将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、多糖等)。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农业、能源危机的巨大经济潜力。同时，藻类养殖对于CO2固定、污水处理等改善生态环境方面具有重大意义。尽管藻类具备了较高的环境与经济价值，但要实现微藻产业的经济性利用，目前仍受限于大规模化藻类养殖的光生物反应器的设计研发。
目前，微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。开放式光生物反应器构建简单、成本低廉及操作简便，但存在易受污染、培养条件不稳定、占地面积大等缺点。与开放式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器具有以下优点：(1)无污染，能实现单种、纯种培养；(2)培养条件易于控制；(3)培养密度高，易收获；(4)适合于所有微藻的光自养培养，尤其适合于微藻代谢产物的生产；(5)有较高的光照面积与培养体积之比，光能和CO2利用率较高等突出优点；(6)占地面积小，可有效利用土地。因此，封闭式反应器已成为微藻规模化可控培养的主要发展方向。封闭式光生物反应器主要有：管道式、平板式、柱状气升式、浮式薄膜袋等。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，对藻类的产量与品质的影响就更加明显。
柱式光生物反应器主要分两种类型：鼓泡塔式和气升式光生物反应器，其特点是气体通过底部的气体分布器进入光生物反应器，起到混合搅拌、补加CO2、脱除溶解氧的作用。气升式光生物反应器主要由气体上升区、下降管和气液分离区三部分组成，具有结构简单，无搅拌装置，占地面积小、液体定向循环流动、混合均匀等优点，目前现有的气升式光生物反应器反面的专利主要有，专利文献ZL99213569.9、ZL01142298.X、ZL200420009076.2、ZL200510018203.4、ZL201010228703.1、等公开了不同类型的光生物反应器。中国专利ZL99213569.9号专利和ZL20042009076.2号专利公开了一种光生物反应器，其核心技术是采用流动方式为气升式内环流且内外光源结合的方法，其主要问题是采用普通日光灯做光源，不能根据微藻生长特殊需要进行光质调节；罐壁没有清除微藻的装置，粘附在罐壁的微藻容易引起光照强度下降；其热交换器处于下部，不能使温度在培养液中均匀分散。
虽然气升式环流光生反应器具有诸多的优点，在规模化养藻领域具有广泛的应用前景，但在以往的研究中发现，气升式环流反应器也存在普遍的缺点：接受光照的表面积较小；反应器内部处于光抑制状态无法进行光合作用；简单的气升使藻液受光照时间不均匀，微藻之间遮光效应严重，光能利用率低；藻体挂壁降低光透率并形成死藻区等。因此，需要开发出一种自清洁高效产藻的光生反应器，通过设计多维立体气体分布器以及内外可控光源布局，来调控反应器内的多相流动的流态，实现气体与藻液之间的均匀混合，微藻受光均匀强化明暗交替及闪光效应，减弱微藻之间的遮光效应，同时利用立体气体射流解决藻体挂壁提高光透率，促进微藻的高密度定向培养。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，用于克服现有技术中存在的接受光照的表面积较小；反应器内部处于光抑制状态无法进行光合作用；简单的气升使藻液受光照时间不均匀，微藻之间遮光效应严重，光能利用率低；藻体挂壁降低光透率并形成死藻区等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，包括反应器主体，所述自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器还包括位于所述反应器主体内的多维立体气体分布器；
所述多维立体气体分布器包括环管及列管式分布管；所述列管式分布管的一端与所述环管相连通；
所述环管及所述列管式分布管的侧壁上均开设有排气孔；
所述环管位于所述反应器主体的底部，且与所述反应器主体同轴分布。
作为本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器的一种优选方案，所述环管侧壁上的所述排气孔呈多排多角度分布；所述环管侧壁上的所述排气孔的排数为1～8排，所述环管侧壁上的所述排气孔与所述环管所在平面的夹角为0°～360°。
作为本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器的一种优选方案，所述环管为单层环管或多层环管。
作为本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器的一种优选方案，所述环管的形状为圆环形或正多边形。
作为本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器的一种优选方案，所述列管式分布管的数量为2～10个，且所述列管式分布管沿所述环管均匀分布。
作为本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器的一种优选方案，所述列管式分布管为直管、蛇形管或螺旋形管三者中的任一者，或三者中的任意两者或两者以上的组合。
作为本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器的一种优选方案，所述列管分布管侧壁上的所述排气孔的排数为1～8排，所述列管式分布管侧壁上的排气孔与所述环管中轴线所在任一平面的夹角为0°～180°。
作为本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器的一种优选方案，所述自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器还包括：内导流筒及外置光源；
所述内导流筒位于所述列管式分布管及所述反应器主体之间，且所述内导流筒与所述反应器主体同轴分布；
所述外置光源位于所述反应器主体的外壁上。
作为本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器的一种优选方案，所述反应器主体及所述内导流筒均为圆柱形结构；所述反应器主体的高径比为3～15；所述内导流筒与所述反应器主体的内径比为0.1～0.9。
作为本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器的一种优选方案，所述自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器还包括内置光源，所述内置光源位于所述内导流筒的筒壁上。
作为本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器的一种优选方案，所述外置光源及所述内置光源均为可控光源。
如上所述，本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，具有以下有益效果：
1.多维立体气体分布器分为底层多排多角度环管和列管式分布管，互相连通，通过底层气升耦合藻液区螺旋射流，螺旋式上升流动，实现反应器内流场均匀避免死区，强化了气液混合传热传质过程。
2.通过上述结构设计，在内外可控光源的照射下，促使微藻在径向上的一个交替流动达到明暗交替的受光效果，大大减低了遮光效应增强了闪光效应，提高了微藻培养和固定二氧化碳的效率。
3.多角度螺旋射流很好地起到了冲刷反应器内壁，有效地解决了藻体挂壁的现象，提高了光透率，减少了藻类收集等后处理的成本，大大提高了规模化养藻的经济性。
附图说明
图1显示为本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器的正视图。
图2显示为本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器的俯视图。
元件标号说明
1 反应器主体
2 多维立体气体分布器
21 环管
22 列管式分布管
3 内导流筒
4 外置光源
5 内置光源
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1至图2，本发明提供一种自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，所述自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器至少包括：反应器主体1及位于所述反应器主体1内的多维立体气体分布器2；所述多维立体气体分布器2包括环管21及列管式分布管22；所述列管式分布管22的一端与所述环管21相连通；所述环管21及所述列管式分布管22的侧壁上均开设有排气孔(未示出)；所述环管21位于所述反应器主体1的底部，且与所述反应器主体1同轴分布。
作为示例，所述环管21的侧壁上的所述排气孔呈多排多角度分布；所述环管21的侧壁上的所述排气孔的排数为1～8排，所述环管21的侧壁上的所述排气孔与所述环管21所在平面的夹角为0°～360°。这里所述的排气孔的排数是指所述排气孔沿所述环管21本身径向横截面的周向一周上分布的个数。通过设置不同排数，可以得到与所述环管21所在的平面具有不同夹角的所述排气孔。优选地，本实施例中，所述环管21的侧壁上的所述排气孔的排数为2～4排，所述环管21的侧壁上的所述排气孔与所述环管21所在平面的夹角为0°～180°。
需要说明的是，所述环管21侧壁上的每排所述排气孔并非只包括一个所述排气孔，每排中可以包括多个具有一定间隔的所述排气孔，即沿所述环管21所围成的环状的周向可以间隔地分布多个所述排气孔。优选地，每排中的多个所述排气孔沿所述环管21所围成的环状的周向均匀地分布。
作为示例，所述环管21可以为单层环管、两层环管或多层环管结构，所述环管21为两层或多层环管结构时，每个所述环管21沿所述反应器主体1的高度方向叠置，且相邻两个所述环管21之间连通。
作为示例，所述环管21的形状可以根据实际需要进行设置，优选地，所述环管21的形状为圆环形或正多边形环形结构。图2中示意为所述环管21的形状为圆环形的示例。
作为示例，所述列管分布管22与所述环管21垂直，所述列管分布管22的数量可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，所述列管式分布管22的数量为2～10个。多个所述列管式分布管22沿所述环管22所围成的环形结构的周向均匀地分布。
作为示例，所述列管式分布管22可以为直管、蛇形管或螺旋形管；也可以为直管、蛇形管或螺旋管三者中任意两者或两者以上的组合。即所述列管式分布管22可以为直管，可以为蛇形管、可以为螺旋管，可以为直管与蛇形管的组合，可以为直管与螺旋管的组合，可以为蛇形管与螺旋管的组合，可以为直管、蛇形管及螺旋管的组合。
作为示例，可以通过在所述环管21朝向所述反应器主体1的顶部的正上方开设与所述列管式分布管22的内径相对应的开口，并将二者耦合以实现二者内部的连通。
作为示例，所述列管式分布管22侧壁上的排气孔呈多排多角度分布，优选地，本实施例中，所述列管式分布管22侧壁上的所述排气孔的排数为1～8排。这里所述的排数是指沿所述列管式分布管22的周向一周上开设的所述排气孔的个数，即沿垂直于所述列管式分布管22长度方向的截面上的个数。通过沿所述列管式分布管22的周向开设多排所述排气孔，可以得到与所述环管中轴线所在任一平面具有不同夹角的所述排气孔。所述列管式分布管22侧壁上的排气孔与所述环管21中轴线所在任一平面的夹角可以为0°～180°。
需要说明的是，所述列管式分布管22侧壁上每排所述排气孔并非只包括一个所述排气孔，即每排中可以包括多个具有一定间隔的所述排气孔，即沿所述列管式分布管22的长度方向上可以包括多个具有一定间隔的所述排气孔，优选地，每排中的多个所述排气孔沿所述列管式分布管22的长度方向均匀地分布。在所述列管式分布管22的侧壁开始多角度多排所述排气孔，可以在通入气体后使得所述反应器主图1内的藻液形成螺旋流动。
通过在所述反应器主体1内设置所述多维立体气体分布器，通过底层所述环管21气升耦合藻液区螺旋射流，螺旋式上升流动，实现反应器内流场均匀避免死区，强化了气液混合传热传质过程；通过所述列管式分布管22形成多角度螺旋射流很好地起到了冲刷反应器内壁，有效地解决了藻体挂壁的现象，提高了光透率，减少了藻类收集等后处理的成本，大大提高了规模化养藻的经济性。
作为示例，所述自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器还包括：内导流筒3及外置光源4；所述内导流筒3位于所述列管式分布管22及所述反应器主体1之间，且所述内导流筒3与所述反应器主体1同轴分布；所述外置光源4位于所述反应器主体1的外壁上。
作为示例，所述反应器主体1及所述内导流筒3均为圆柱形结构；所述反应器主体1的高径比为3～15；所述内导流筒3的内径与所述反应器主体1的内径比为0.1～0.9。优选地，所述反应器主体1的高径比为5～8；所述内导流筒3的内径与所述反应器主体1的内径比为0.4～0.6。
作为示例，所述自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器还包括内置光源5，所述内置光源5位于所述内导流筒3的筒壁上。优选地，本实施例中，所述内置光源5位于所述内导流筒3的外壁上。
需要说明的是，由于所述内置光源5紧贴所述内导流筒3的外壁，图1中所述内导流筒3示出并不明显，在图1中，所述内导流筒3设置于所述内置光源5的内侧。
作为示例，所述内置光源5为可控光源，所述外置光源4可以为自然光，也可以为人工光源。优选地，所述外置光源4及所述内置光源5均为可控光源。
通过在内外所述内置光源3及所述外置光源4，在内外可控光源的照射下，促使微藻在径向上的一个交替流动达到明暗交替的受光效果，大大减低了遮光效应增强了闪光效应，提高了微藻培养和固定二氧化碳的效率。通过将所述外置光源4及所述内置光源5均设为可控光源，可以控制光源的光强光谱，实现稳定供光或配合螺旋流的速度产生波段供光。
作为示例，本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器还可以连接有配气***、温控***、监控***及尾气分析***。所述配气***、温控***、监控***及尾气分析***的具体设计为本领域人员所熟知，这里不再累述。
作为示例，本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器可以用于进行微藻培养，也可以用于其他生物或化工反应过程的应用。
本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器的工作原理为：将CO2或空气等原料气体由所述多维立体气体分布器的底部通入，CO2或空气等原料气体进入所述多维立体气体分布器2后分两路进行气体分布，一方面，气体进入底层所述环管21后释放气泡，气泡上升带动所述内导流筒3外环隙中的液体向上流动，而所述内导流筒3内的液体在重力作用下向下流动，从而形成内降外升的液体循环；另一方面，气体经过所述列管式分布管22的多角度开孔分布，产生螺旋射流，使藻液在两种复合射流的作用下在环隙反应区产生螺旋式上升流动，实现所述反应器主体1内流场均匀避免死区，强化了气液混合传热传质过程；同时在内外可控光源的照射下，促使微藻在径向上的一个交替流动达到明暗交替的受光效果，大大减低了遮光效应，增强了闪光效应；此外，多角度螺旋射流很好地起到了冲刷所述反应器主体1的内壁，有效地解决了藻体挂壁的现象，提高了光透率，减少了藻类收集等后处理的成本。从而，本发明能有效地实现规模化高效经济地高密度微藻培养以及固定二氧化碳，保护环境的目的。
在一示例中，如图1所示的自清洁螺旋气升式内环流光生反应器，所述反应器主体1采用有机玻璃材料制成，所述反应器主体1的直径为30cm，高度为200cm，所述内导流筒3的直径为10cm，高度为150cm,有效容积为100升。位于所述多维立体气体分布器2底部的所述环管21为单层环管，所述环管21上分布开有2排45°向下的直径为1mm的微孔，孔间间距为5mm。在所述环管21上连通了4根所述列管式分布管22，所述列管式分布管22上也采用了2排间距5mm的直径为1mm的微孔，开孔方向为与相对的两个所述列管式分布管22所在平面的夹角为45°。
该实施例中反应器的具体工作方式为：首先加入藻液，打开相关的配气***、温控***、监测***、尾气分析***等，将含5％(v/v)CO2的空气二氧化碳混合气按2L/min气量通入所述多维立体气体分布器2，利用立体式气体复合射流驱动环隙反应区的藻液形成螺旋气升流动，而所述内导流筒3内的液体在重力作用下向下流动，产生高效的定向循环流动。
在内外光源的复合照射条件下，进行小球藻的培养，温度为25°，接种密度为0.05g/L干重，培养三天后，藻细胞密度达到1.02g/L，体积产率为0.31g/Ld，所述反应器主体1及所述内导流筒3壁面藻体附壁现象不明显。
由此可知，使用本发明的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器可以得到较高的微藻产率，同时可以很好的解决藻体附壁的现象。
综上所述，本发明提供一种自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，所述自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器至少包括反应器主体及多维立体气体分布器。本发明通过设置所述多为立体气体分布器，多维立体气体分布器分为底层多排多角度环管和列管式分布管，二者互相连通，通过底层气升耦合藻液区螺旋射流，螺旋式上升流动，实现反应器内流场均匀避免死区，强化了气液混合传热传质过程；通过上述结构设计，在内外可控光源的照射下，促使微藻在径向上的一个交替流动达到明暗交替的受光效果，大大减低了遮光效应增强了闪光效应，提高了微藻培养和固定二氧化碳的效率；多角度螺旋射流很好地起到了冲刷反应器内壁，有效地解决了藻体挂壁的现象，提高了光透率，减少了藻类收集等后处理的成本，大大提高了规模化养藻的经济性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，包括反应器主体，其特征在于，所述自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器还包括位于所述反应器主体内的多维立体气体分布器；
所述多维立体气体分布器包括环管及列管式分布管；所述列管式分布管的一端与所述环管相连通；
所述环管及所述列管式分布管的侧壁上均开设有排气孔，其中，多个所述排气孔沿所述列管式分布管的长度方向均匀地分布；
所述环管位于所述反应器主体的底部，且与所述反应器主体同轴分布。
2.根据权利要求1所述的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，其特征在于：所述环管侧壁上的所述排气孔呈多排多角度分布；所述环管侧壁上的所述排气孔的排数为1～8排，所述环管侧壁上的所述排气孔与所述环管所在平面的夹角为0°～360°。
3.根据权利要求1所述的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，其特征在于：所述环管为单层环管或多层环管。
4.根据权利要求1所述的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，其特征在于：所述环管的形状为圆环形或正多边形。
5.根据权利要求1所述的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，其特征在于：所述列管式分布管的数量为2～10个，且所述列管式分布管沿所述环管均匀分布。
6.根据权利要求1所述的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，其特征在于：所述列管式分布管为直管、蛇形管或螺旋形管三者中的任一者，或三者中的任意两者或两者以上的组合。
7.根据权利要求1所述的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，其特征在于：所述列管分布管侧壁上的所述排气孔的排数为1～8排，所述列管式分布管侧壁上的排气孔与所述环管中轴线所在任一平面的夹角为0°～180°。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，其特征在于：所述自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器还包括：内导流筒及外置光源；
所述内导流筒位于所述列管式分布管及所述反应器主体之间，且所述内导流筒与所述反应器主体同轴分布；
所述外置光源位于所述反应器主体的外壁上。
9.根据权利要求8所述的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，其特征在于：所述反应器主体及所述内导流筒均为圆柱形结构；所述反应器主体的高径比为3～15；所述内导流筒与所述反应器主体的内径比为0.1～0.9。
10.根据权利要求9所述的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，其特征在于：所述自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器还包括内置光源，所述内置光源位于所述内导流筒的筒壁上。
11.根据权利要求10所述的自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器，其特征在于：所述外置光源及所述内置光源均为可控光源。
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