專利名稱：插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物反應(yīng)器，具體涉及插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
當(dāng)今世界，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人類大量排放溫室氣體而引起的氣候變暖問題日益嚴(yán)重。在溫室氣體中，C02對溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)最大。大氣中的二氧化碳濃度已經(jīng)從工業(yè)革命前的O. 028%增長至現(xiàn)在的O. 036%, 20世紀(jì)全球平均地面溫度上升了 I. (TC，平均海洋溫度上升了 O. 6°C，這種氣候異常會對人類的生存環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的災(zāi)難性后果，例如沙漠化加劇、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)、災(zāi)害性天氣頻發(fā)和森林面積縮減。因此，減少C02排放是人類在21世紀(jì)面臨的一大挑戰(zhàn)，是保持人類生存環(huán)境友好和逆轉(zhuǎn)全球氣候變暖的主要應(yīng)對措施。另一方面，能源的需求量越來越大，而大部分化石能源將在本世紀(jì)被開采殆盡，能·源危機(jī)越發(fā)明顯。因此，尋求替代化石能源的可再生能源已成為當(dāng)務(wù)之急。生物質(zhì)能被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的可再生能源。光合微藻是一類自養(yǎng)微生物，能夠有效利用CO2、水、無機(jī)鹽通過光合作用合成有機(jī)物，具有光合速率高、繁殖快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于煙道氣中CO2的脫除研究。綜上，利用光合微藻既可以高效固定CO2，又可以生產(chǎn)生物質(zhì)燃料緩解能源危機(jī)，還可以生產(chǎn)諸如保健食品、藥品、化妝品等高附加值產(chǎn)品，具有重要的利用價值。光生物反應(yīng)器是微藻固碳的場所，高效的光生物反應(yīng)器是微藻實現(xiàn)規(guī)?；透呙芏扰囵B(yǎng)的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外用于微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器主要有開放式和封閉式兩種。開放式光生物反應(yīng)器主要包括淺水池、循環(huán)池、跑道池等形式。這類反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、成本低廉等優(yōu)點，但存在易受污染、培養(yǎng)條件不穩(wěn)定、微藻產(chǎn)量低、光能利用效率低、采收困難等一系列弊端。封閉式光生物反應(yīng)器主要包括平板式、管式、柱狀氣升式、攪拌發(fā)酵罐式等。這類反應(yīng)器具有光能利用率高、微藻產(chǎn)量高、培養(yǎng)條件穩(wěn)定等優(yōu)點，但是存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、放大困難、成本高等缺點?？紤]到微藻固碳的環(huán)境效益和微藻生物質(zhì)能的利用價值，封閉式光生物反應(yīng)器是今后重點發(fā)展的方向。其中，管式光生物反應(yīng)器因其結(jié)構(gòu)可調(diào)性強(qiáng)、比表面積大、光能利用率高等優(yōu)點，是最有前景的封閉式光生物反應(yīng)器。管式光生物反應(yīng)器主要包括3類垂直管式、水平管式和螺旋管式。由于一般采用較小的管徑，管式光生物反應(yīng)器具有較大的比表面積，光能利用率高，可以獲得較高的生物質(zhì)產(chǎn)量。但是管徑的減小限制了總體積的增加，同時，在細(xì)長的管道中維持良好的混合及其困難，造成反應(yīng)器效率降低。普通反應(yīng)器光傳遞的一個缺點是在一定的藻液濃度下由于微藻相互遮擋效應(yīng)的影響，光傳遞距離受限，如果外置光源會造成較大的暗區(qū)，同時光分布不均勻；傳統(tǒng)的垂直管式光生物反應(yīng)器的一個缺點是二氧化碳在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間太短，氣體從反應(yīng)器底部進(jìn)入以氣泡的形式依靠浮升力直接向上穿過液相區(qū)從反應(yīng)器出口排出。氣泡在反應(yīng)器內(nèi)停滯的時間太短導(dǎo)致大量的C02沒有充分地從氣相區(qū)擴(kuò)散進(jìn)液相區(qū)來供給微藻細(xì)胞的生長，就被直接排放進(jìn)大氣中，這造成了反應(yīng)器內(nèi)碳源利用不充分，固碳效率低，并且，傳統(tǒng)的垂直管式反應(yīng)器的混合主要是通過鼓氣引起藻液的反混，這種沒有規(guī)律的隨機(jī)式的混合會增加氣泡聚合、分裂現(xiàn)象的發(fā)生，并直接在微藻細(xì)胞表面施加了較大的剪切力，這兩個因素都使微藻細(xì)胞容易被殺死從而降低微藻的生物質(zhì)產(chǎn)量。在光生物反應(yīng)器的設(shè)計過程中，光能和無機(jī)碳源的供應(yīng)是保證微藻高效生長的關(guān)鍵。因此，高效光生物反應(yīng)器的開發(fā)主要包括提高光能利用率和提高CO2在培養(yǎng)液中的傳質(zhì)效率。提高光能利用效率主要從提高反應(yīng)器比表面積、優(yōu)化光源設(shè)計等方面出發(fā)。提高CO2在培養(yǎng)液中的氣液傳質(zhì)效率，可從增大氣液接觸面積、延長氣液接觸時間、加強(qiáng)氣液混合等角度出發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應(yīng)器。
根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，一種插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應(yīng)器，包括頂蓋、外管、內(nèi)管和底蓋，所述外管、頂蓋和底蓋均設(shè)有通孔，該外管的管壁設(shè)有進(jìn)液口和出液口 ；所述頂蓋設(shè)置在所述外管的頂部，所述底蓋設(shè)置在外管的底部；其特點是所述內(nèi)管的頂部設(shè)置有臺階，該臺階設(shè)置有排氣孔，所述內(nèi)管穿過所述頂蓋的通孔并插入所述外管的通孔內(nèi)，由設(shè)置在內(nèi)管頂部的臺階限位；所述外管與所述內(nèi)管之間設(shè)置有螺旋紐帶，該螺旋紐帶繞在內(nèi)管上，螺旋紐帶使內(nèi)管和外管之間培養(yǎng)微藻的區(qū)域內(nèi)形成一個螺旋向上的通道；在所述外管的通孔內(nèi)位于內(nèi)管底部下方設(shè)置有砂芯漏斗，該砂芯漏斗的下部穿過底蓋的通孔，密封塞套在砂芯漏斗的下部且固定在底蓋的通孔內(nèi)；光纖纖芯插入內(nèi)管內(nèi)。本發(fā)明將光纖纖芯插入內(nèi)管,作為內(nèi)置導(dǎo)光介質(zhì)，使光從反應(yīng)器中心向外散射，減弱藻液相互遮擋效應(yīng)對光傳遞的影響，同時在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生分布均勻的光場；采用砂芯漏斗作為氣體分布器，使氣體以微氣泡的形式從底部進(jìn)入反應(yīng)器，提高氣液傳質(zhì)效率；本發(fā)明加入螺旋紐帶后，在內(nèi)管和外管之間培養(yǎng)微藻的區(qū)域內(nèi)構(gòu)造一個螺旋向上的通道，使氣液兩相在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生螺旋流，氣泡由于受到螺旋紐帶的阻力不能直接向上排出，而是沿著槽道方向螺旋向上浮升，這就大大延長了氣泡在液相區(qū)的停留時間，使得C02有更多的時間從氣泡內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)液相區(qū)，為微藻細(xì)胞提供充足的碳源，提高微藻固碳效率。并且，螺旋紐帶造成了氣液兩相在反應(yīng)器內(nèi)螺旋向上的流動。這種螺旋流動是一種有規(guī)律的擾動，不但強(qiáng)化了混合同時在藻細(xì)胞表面產(chǎn)生較小的剪切力，提高了氣液界面的傳質(zhì)效率，并且，螺旋紐帶使氣液兩相在反應(yīng)器內(nèi)流動時自發(fā)產(chǎn)生有規(guī)律的螺旋擾流，加強(qiáng)混合而不需要較高的能量消耗，內(nèi)管起到固定螺旋紐帶和保護(hù)纖芯的作用，密封塞起密封作用，同時保護(hù)砂芯漏斗。根據(jù)本發(fā)明所述的插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應(yīng)器的優(yōu)選方案，內(nèi)管的外壁設(shè)置有螺旋狀槽道，螺旋紐帶的葉片內(nèi)緣嵌入槽道內(nèi)，起到固定螺旋紐帶的作用。本發(fā)明所述的插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應(yīng)器的有益效果是本發(fā)明設(shè)置螺旋紐帶，培養(yǎng)微藻的區(qū)域內(nèi)構(gòu)造一個螺旋向上的通道，使氣液兩相在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生螺旋流，提高了微藻固碳效率，提高了氣液界面的傳質(zhì)效率，并且采用砂芯漏斗作為氣體分布器，提高了氣液傳質(zhì)效率，光纖纖芯作為內(nèi)置導(dǎo)光介質(zhì)，使光從反應(yīng)器中心向外散射，減弱藻液相互遮擋效應(yīng)對光傳遞的影響，同時在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生分布均勻的光場，本發(fā)明能夠延長氣泡停留時間，具有氣液界面的傳質(zhì)效率高，混合耗能低，固碳效率高的特點，可廣泛應(yīng)用于化工、能源、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景。


圖I是本發(fā)明所述的插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明所述的內(nèi)管5的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明所述的插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應(yīng)器的應(yīng)用示意圖。
具體實施例方式參見圖I和圖2，插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應(yīng)器由光纖纖芯I、頂蓋2、外管3、螺旋紐帶4、內(nèi)管5、砂芯漏斗7、底蓋8和密封塞9構(gòu)成，所述外管3、頂蓋2和底蓋8均設(shè)有通孔，該外管3的管壁設(shè)有進(jìn)液口 10和出液口 11 ;所述頂蓋2設(shè)置在所述外管3的頂部，所述底蓋8設(shè)置在外管3的底部；所述內(nèi)管5的頂部設(shè)置有臺階6，該臺階6設(shè)置有排氣孔17，所述內(nèi)管5穿過所述頂蓋2的通孔并插入所述外管3的通孔內(nèi)，由設(shè)置在內(nèi)管5頂部的臺階6限位；所述外管3與所述內(nèi)管5之間設(shè)置有螺旋紐帶4，該螺旋紐帶4繞在內(nèi)管5上，螺旋紐帶4使內(nèi)管和外管之間培養(yǎng)微藻的區(qū)域內(nèi)形成一個螺旋向上的通道；在所述外管3的通孔內(nèi)位于內(nèi)管5底部下方設(shè)置有砂芯漏斗7，該砂芯漏斗7的下部穿過底蓋8的通孔，密封塞9套在砂芯漏斗7的下部且固定在底蓋8的通孔內(nèi)；光纖纖芯I插入內(nèi)管5內(nèi)。在具體實施例中，內(nèi)管5的外壁設(shè)置有螺旋狀槽道12，螺旋紐帶4的葉片內(nèi)緣嵌入槽道12內(nèi)，以對螺旋紐帶4固定，螺旋紐帶4的葉片外端緊貼外管3內(nèi)壁面。其中，頂蓋2、外管3、內(nèi)管5和底蓋8可以采用有機(jī)玻璃制成，螺旋紐帶4可以采用聚丙烯、聚氯乙烯等制成。參見圖3，應(yīng)用時，將初始低濃度的小球藻藻液從頂蓋2通孔注入進(jìn)反應(yīng)器16內(nèi)，內(nèi)管5與外管3之間的區(qū)域是培養(yǎng)微藻的空間；光纖纖芯I作為內(nèi)置導(dǎo)光介質(zhì)，光纖纖芯I的上部接入太陽能聚光器15，太陽能聚光器15用于聚集太陽光，通過光纖將收集的太陽光導(dǎo)入反應(yīng)器內(nèi)部，為微藻生長提供光能，減小反應(yīng)器的光通路，提高光合作用效率；將一定壓力下的空氣和C02通入混合氣瓶13，再用皮管將混合氣瓶出口與砂芯漏斗7下部出口相連，調(diào)節(jié)通氣量使含有12% C02的混合氣體通入砂芯漏斗7，產(chǎn)生的微小氣泡沿螺旋紐帶4構(gòu)成的通道螺旋向上浮升，在頂蓋與液相分離，通過排氣孔17排出反應(yīng)器16 ;反應(yīng)器16的進(jìn)液口 10和出液口 11分別用管子與蠕動泵14連接，藻液在蠕動泵14提供的動力下從進(jìn)液口流入反應(yīng)器16，在反應(yīng)器16內(nèi)沿螺旋通道螺旋流動，從出液口 11流出到蠕動泵14，構(gòu)成了一個循環(huán)回路。
權(quán)利要求
1.插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應(yīng)器，包括頂蓋(2)、外管(3)、內(nèi)管(5)和底蓋(8)，所述外管(3)、頂蓋⑵和底蓋⑶均設(shè)有通孔，該外管(3)的管壁設(shè)有進(jìn)液口(10)和出液口(11);所述頂蓋⑵設(shè)置在所述外管⑶的頂部，所述底蓋⑶設(shè)置在外管⑶的底部；其特征在于 所述內(nèi)管(5)的頂部設(shè)置有臺階￠)，該臺階(6)設(shè)置有排氣孔(17)，所述內(nèi)管(5)穿過所述頂蓋(2)的通孔并插入所述外管(3)的通孔內(nèi)，由設(shè)置在內(nèi)管(5)頂部的臺階(6)限位；所述外管(3)與所述內(nèi)管(5)之間設(shè)置有螺旋紐帶(4)，該螺旋紐帶(4)繞在內(nèi)管(5)上，螺旋紐帶(4)使內(nèi)管和外管之間培養(yǎng)微藻的區(qū)域內(nèi)形成一個螺旋向上的通道；在所述外管(3)的通孔內(nèi)位于內(nèi)管(5)底部下方設(shè)置有砂芯漏斗(7)，該砂芯漏斗(7)的下部穿過底蓋(8)的通孔，密封塞(9)套在砂芯漏斗(7)的下部且固定在底蓋(8)的通孔內(nèi)；光纖纖芯⑴插入內(nèi)管(5)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應(yīng)器，其特征在于內(nèi)管(5)的外壁設(shè)置有螺旋狀槽道(12)，螺旋紐帶(4)的葉片內(nèi)緣嵌入槽道(12)內(nèi)，螺旋紐帶⑷的葉片外端緊貼外管(3)內(nèi)壁面。
全文摘要
本發(fā)明公開了插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應(yīng)器，包括頂蓋、外管、內(nèi)管和底蓋，所述外管、頂蓋和底蓋均設(shè)有通孔，該外管的管壁設(shè)有進(jìn)液口和出液口；所述頂蓋設(shè)置在所述外管的頂部，所述底蓋設(shè)置在外管的底部；其特征在于所述內(nèi)管的頂部設(shè)置有臺階，所述內(nèi)管穿過所述頂蓋的通孔并插入所述外管的通孔內(nèi)，由設(shè)置在內(nèi)管頂部的臺階限位；所述外管與所述內(nèi)管之間設(shè)置有螺旋紐帶，該螺旋紐帶繞在內(nèi)管上，螺旋紐帶使內(nèi)管和外管之間培養(yǎng)微藻的區(qū)域內(nèi)形成一個螺旋向上的通道；在所述外管的通孔內(nèi)位于內(nèi)管底部下方設(shè)置有砂芯漏斗，該砂芯漏斗的下部穿過底蓋的通孔，密封塞套在砂芯漏斗的下部且固定在底蓋的通孔內(nèi)；光纖纖芯插入內(nèi)管內(nèi)。
文檔編號C12M1/00GK102899239SQ20121036998
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者廖強(qiáng), 李林, 朱恂, 陳蓉, 王永忠, 葉丁丁, 丁玉棟 申請人:重慶大學(xué)