一種基于空心導(dǎo)光管的復(fù)合強(qiáng)化式微藻光生物反應(yīng)器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于空心導(dǎo)光管的復(fù)合強(qiáng)化式微藻光生物反應(yīng)器，包括反應(yīng)器頂板、不銹鋼蛇形管、空心導(dǎo)光管、氣體分布器、反應(yīng)器底板、反應(yīng)器主體、氣液分離裝置和pH、溫度、DO在線監(jiān)測(cè)裝置；反應(yīng)器主體內(nèi)左右分別設(shè)置不銹鋼蛇形管，氣體分布器為一穿過(guò)反應(yīng)器主體內(nèi)底部的環(huán)形管，位于反應(yīng)器主體內(nèi)的部分設(shè)多個(gè)出氣孔，反應(yīng)器主體內(nèi)均布設(shè)置多個(gè)空心導(dǎo)光管，氣液分離裝置設(shè)置在反應(yīng)器頂板上，pH、溫度、DO在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)置于反應(yīng)器主體內(nèi)部。該反應(yīng)器主要體現(xiàn)在將光傳遞的強(qiáng)化、CO2傳質(zhì)的強(qiáng)化以及微藻細(xì)胞光生化反應(yīng)的強(qiáng)化耦合在一起，提高了微藻光生物反應(yīng)器的綜合性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種基于空心導(dǎo)光管的復(fù)合強(qiáng)化式微藻光生物反應(yīng)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于光合微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器，尤其涉及一種基于空心導(dǎo)光管的復(fù)合強(qiáng)化式微藻光生物反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0002]全球氣候變暖和化石能源短缺是人類(lèi)在二十一世紀(jì)面臨的兩大難題。全球氣候變暖主要是由于溫室氣體的大量排放所造成的，溫室氣體種類(lèi)繁多且不同種類(lèi)的溫室氣體對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)不同，二氧化碳被認(rèn)為是最主要的溫室氣體，其對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)最大，因此減少二氧化碳的排放能夠有效的緩解全球氣候變暖的趨勢(shì)?；茉吹亩倘敝饕怯捎谌祟?lèi)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中對(duì)化石能源的過(guò)度消耗所引起的，可再生能源的大力開(kāi)發(fā)能夠有效的緩解化石能源短缺對(duì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的制約作用。光合微藻既可以用于高效生物固定二氧化碳減少溫室氣體的排放，同時(shí)成熟的微藻生物質(zhì)又可以用于生產(chǎn)生物柴油應(yīng)對(duì)化石能源短缺的難題，現(xiàn)已成為國(guó)際社會(huì)研究的熱點(diǎn)，掀起了一股研究微藻的熱潮。
[0003]微藻是一類(lèi)既可以光能自養(yǎng)又可以異養(yǎng)的微生物，其種類(lèi)繁多，分布廣泛，其中光能自養(yǎng)型微藻具有光合速率高、生長(zhǎng)速度快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、成熟微藻生物質(zhì)用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，可用于高效固定二氧化碳減少溫室氣體排放，同時(shí)，成熟的微藻生物質(zhì)既可以用來(lái)生產(chǎn)生物柴油緩解能源危機(jī)，又可以用來(lái)生產(chǎn)藥品、化妝品、保健品等高附加值產(chǎn)品，具有良好的能源和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
[0004]光生物反應(yīng)器是光合微藻進(jìn)行光合作用固定二氧化碳合成有機(jī)物的產(chǎn)所。高效的光生物反應(yīng)器有利于實(shí)現(xiàn)微藻的高密度、大規(guī)模培養(yǎng)。現(xiàn)階段用于微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器主要分為開(kāi)放式和封閉式兩種，其中開(kāi)放式光生物反應(yīng)器主要是指跑道池光生物反應(yīng)器，其具有建造成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu) 點(diǎn)，但其培養(yǎng)條件不易控制、微藻生物質(zhì)產(chǎn)量低、藻種易受污染，只能用于小球藻、螺旋藻和鹽藻等能夠耐受極端環(huán)境的藻類(lèi)的培養(yǎng)。封閉式光生物反應(yīng)器克服了開(kāi)放式光生物反應(yīng)器的上述缺點(diǎn)，具有培養(yǎng)條件可控、可適用于所有藻類(lèi)培養(yǎng)、可實(shí)現(xiàn)微藻細(xì)胞的高密度和大規(guī)模培養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其具有成本高、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，但考慮到微藻良好的利用價(jià)值，封閉式光生物反應(yīng)器將始終是研究的熱點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種高效、低成本的封閉式光生物反應(yīng)器對(duì)于實(shí)現(xiàn)微藻的大規(guī)模應(yīng)用至關(guān)重要。
[0005]光能和碳源是影響光能自養(yǎng)型微藻生長(zhǎng)的兩大主要因素，因此，高效的微藻光生物反應(yīng)器應(yīng)能提供良好的光能供應(yīng)和碳源供應(yīng)。
[0006]首先，光能是微藻進(jìn)行光合作用所必不可少的條件，然而對(duì)于微藻的生長(zhǎng)而言，光強(qiáng)太強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象，光強(qiáng)太弱則會(huì)產(chǎn)生光限制現(xiàn)象，光限制和光抑制都不利于微藻的生長(zhǎng)，因此在光生物反應(yīng)器中的光強(qiáng)分布應(yīng)盡量避免光限制和光抑制現(xiàn)象的產(chǎn)生。另一方面，隨著微藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，反應(yīng)器中微藻生物量濃度上升，在藻液中沿著光傳播方向，光強(qiáng)將呈指數(shù)規(guī)律衰減，使得反應(yīng)器中遠(yuǎn)離光源處的區(qū)域光強(qiáng)很弱，不能滿(mǎn)足微藻生長(zhǎng)對(duì)光能的需求，因此，高效的光生物反應(yīng)器應(yīng)能提供較大的光照比表面積，為了避免反應(yīng)器中遠(yuǎn)離光源處的區(qū)域光強(qiáng)太弱，以至于不能滿(mǎn)足微藻生長(zhǎng)對(duì)光的需求，高效的微藻光生物反應(yīng)器應(yīng)能將光導(dǎo)入反應(yīng)器中光衰減嚴(yán)重的區(qū)域，提高光能利用率。
[0007]其次，對(duì)于大多數(shù)光生物反應(yīng)器而言，二氧化碳是微藻生長(zhǎng)的碳源，二氧化碳主要是經(jīng)由反應(yīng)器中的氣體分布器以氣泡的形式進(jìn)入反應(yīng)器中的微藻懸浮液中，氣泡的大小將會(huì)影響總的氣液接觸面積，進(jìn)而影響傳質(zhì)效果。氣泡越小，其比表面積越大，氣液傳質(zhì)越好。另一方面，當(dāng)氣泡在反應(yīng)器底部產(chǎn)生后在微藻懸浮液中上浮的過(guò)程中，相鄰位置的氣泡容易發(fā)生聚并現(xiàn)象，使得氣泡體積變大，比表面積縮小，使得氣液傳質(zhì)效果變差。因此，高效的光生物反應(yīng)器應(yīng)具有良好的氣體分布器產(chǎn)生均勻細(xì)小的氣泡，同時(shí)也應(yīng)該采取一定的措施避免或減少氣泡上浮過(guò)程中的聚并現(xiàn)象，進(jìn)而強(qiáng)化氣液傳質(zhì)。
[0008]再者，有研究表明，當(dāng)微藻細(xì)胞間歇性交替運(yùn)動(dòng)于反應(yīng)器中光強(qiáng)區(qū)域(光區(qū))和光弱區(qū)域(暗區(qū))時(shí)，其生長(zhǎng)速率和光能利用效率會(huì)得到很大的提高，人們稱(chēng)這種效應(yīng)為“閃光效應(yīng)”，即，當(dāng)藻細(xì)胞在光生物反應(yīng)器的光區(qū)與暗區(qū)之間來(lái)回穿梭，就可使得已經(jīng)接受過(guò)光照的微藻細(xì)胞及時(shí)進(jìn)入暗區(qū)進(jìn)行暗反應(yīng)，同時(shí)，使得完成了暗反應(yīng)的微藻細(xì)胞回到光區(qū)再次接受光照，這樣就可以使得進(jìn)入反應(yīng)器中的光量子被充分利用。因此，在設(shè)計(jì)高效光生物反應(yīng)器時(shí)，可以通過(guò)改變反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)等方式，使得藻細(xì)胞交替運(yùn)動(dòng)于光區(qū)與暗區(qū)，藻細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足一定的光/暗循環(huán)周期，實(shí)現(xiàn)“閃光效應(yīng)”大幅提高微藻生物質(zhì)產(chǎn)率和光能利用率的目的。
[0009]良好的擾動(dòng)對(duì)于微藻的生長(zhǎng)也是至關(guān)重要的，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):①良好的擾動(dòng)可以強(qiáng)化氣液傳質(zhì)。一方面強(qiáng)化碳源從氣相區(qū)到液相區(qū)的傳質(zhì)，為藻細(xì)胞的生長(zhǎng)提供充足的碳源，另一方面強(qiáng)化傳質(zhì)有利于實(shí)現(xiàn)從微藻細(xì)胞懸浮液中及時(shí)排出溶氧，避免溶氧濃度過(guò)高對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)的抑制作用良好的擾動(dòng)可以減少細(xì)胞間的相互遮擋和微藻細(xì)胞的沉積，有利于保證每個(gè)藻細(xì)胞享受到相同的光照強(qiáng)度和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)條件；③良好的擾動(dòng)可以避免微藻細(xì)胞懸浮液中 的熱分層現(xiàn)象；④良好的擾動(dòng)可以使藻細(xì)胞交替往返運(yùn)動(dòng)于反應(yīng)器中的光強(qiáng)區(qū)域與光弱區(qū)域，有利于利用光/暗交替現(xiàn)象強(qiáng)化光生化反應(yīng)，提高微藻生長(zhǎng)速率和光能利用率。
[0010]綜上，高效微藻光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)可從以下三個(gè)角度考慮:①?gòu)?qiáng)化光的傳遞，增大光照比表面積，提高光能利用率；②強(qiáng)化傳質(zhì)，為藻細(xì)胞的生長(zhǎng)提供充足的碳源，并及時(shí)排出光合作用產(chǎn)生的氧氣；③強(qiáng)化光生化反應(yīng)，為微藻細(xì)胞內(nèi)的光生化反應(yīng)提供最佳的條件。
[0011]因此，若能將上述三個(gè)強(qiáng)化手段耦合在一起，將有利于提高微藻光生物反應(yīng)器的綜合性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明提供了一種強(qiáng)化光的傳遞、強(qiáng)化傳質(zhì)和強(qiáng)化光生化反應(yīng)的基于空心導(dǎo)光管的復(fù)合強(qiáng)化式微藻光生物反應(yīng)器。
[0013]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
一種基于空心導(dǎo)光管的復(fù)合強(qiáng)化式微藻光生物反應(yīng)器，包括反應(yīng)器頂板、不銹鋼蛇形管、空心導(dǎo)光管、氣體分布器、突光燈光源、反應(yīng)器底板、反應(yīng)器主體、氣液分離裝置和pH、溫度、DO在線監(jiān)測(cè)裝置；
所述反應(yīng)器頂板、反應(yīng)器主體和反應(yīng)器底板均由透光材料制成；所述反應(yīng)器主體為上下兩端開(kāi)口的矩形盒體，所述反應(yīng)器頂板蓋在反應(yīng)器主體的上端口并與上端口密封配合，所述反應(yīng)器底板設(shè)置在反應(yīng)器主體的下端口并與下端口密封配合；所述反應(yīng)器主體的側(cè)壁頂部設(shè)有進(jìn)料口，側(cè)壁底部設(shè)有出料口，所述反應(yīng)器主體的側(cè)壁上還設(shè)有取樣口；
所述反應(yīng)器主體內(nèi)的左右兩側(cè)分別設(shè)置不銹鋼蛇形管，所述不銹鋼蛇形管的兩端口均伸出反應(yīng)器頂板，其中一端口為恒溫循環(huán)水入口，另一端口為恒溫循環(huán)水出口 ；
所述氣體分布器為一穿過(guò)反應(yīng)器主體內(nèi)底部的環(huán)形管，該環(huán)形管的一部分位于反應(yīng)器主體內(nèi)，環(huán)形管的剩余部分位于反應(yīng)器主體的外部，環(huán)形管與反應(yīng)器主體的側(cè)壁密封配合，所述環(huán)形管位于反應(yīng)器主體內(nèi)的部分均布設(shè)置多個(gè)出氣孔；所述環(huán)形管位于反應(yīng)器主體的外部設(shè)有CO2氣體入口 ；
所述反應(yīng)器主體均布設(shè)置多個(gè)空心導(dǎo)光管，所述空心導(dǎo)光管水平設(shè)置，空心導(dǎo)光管的一端開(kāi)口，另一端為封閉端，空心導(dǎo)光管的開(kāi)口端設(shè)置在反應(yīng)器主體內(nèi)的前側(cè)壁上并嵌入前側(cè)壁，空心導(dǎo)光管的開(kāi)口端的外圓與前側(cè)壁密封配合，空心導(dǎo)光管的封閉端設(shè)置在反應(yīng)器主體內(nèi)的后側(cè)壁上并與后側(cè)壁密封配合；所述空心導(dǎo)光管的開(kāi)口端至距離開(kāi)口端3cm的內(nèi)壁上以及封閉端的內(nèi)壁上均鍍有全反射膜；所述熒光燈光源設(shè)置在反應(yīng)器主體的前側(cè)壁的外側(cè)；
所述氣液分離裝置設(shè)置在反應(yīng)器頂板上，氣液分離裝置的進(jìn)口通過(guò)管路與反應(yīng)器主體內(nèi)連通，氣液分離裝置上具有一反應(yīng)器排氣口 ；所述pH、溫度、DO在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)置在反應(yīng)器主體內(nèi)。
[0014]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述反應(yīng)器頂板通過(guò)硅膠墊片與反應(yīng)器主體的上端口密封配合。
[0015]作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述反應(yīng)器底板通過(guò)硅膠墊片與反應(yīng)器主體的下端口密封配合。
[0016]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)方案，所述氣體分布器上的出氣孔的孔徑為1_，相鄰兩個(gè)出氣孔之間的距離為15mm。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:該反應(yīng)器將多種強(qiáng)化反應(yīng)器性能的方法組合在一起，主要體現(xiàn)在將光傳遞的強(qiáng)化、CO2傳質(zhì)的強(qiáng)化以及微藻細(xì)胞光生化反應(yīng)的強(qiáng)化耦合在一起，而非采用單一方式進(jìn)行強(qiáng)化，提高了微藻光生物反應(yīng)器的綜合性能。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為一種基于空心導(dǎo)光管的復(fù)合強(qiáng)化式微藻光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)不意圖；
圖2為空心導(dǎo)光管底部為平底的光生物反應(yīng)器局部剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為空心導(dǎo)光管底部為半球狀的光生物反應(yīng)器局部剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為空心導(dǎo)光管排列方式為叉排的微藻光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)不意圖；
圖5為空心導(dǎo)光管排列方式為順排的微藻光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]附圖中:1 一反應(yīng)器頂板；2—硅膠墊片；3—不銹鋼蛇形管；4一空心導(dǎo)光管；5—?dú)怏w分布器；6—反應(yīng)器底板；7 — CO2氣體入口； 8—出料口； 9一全反射膜；10—取樣口； 11 一反應(yīng)器主體；12—進(jìn)料口； 13—螺栓；14一pH、溫度、DO在線監(jiān)測(cè)裝置；15—反應(yīng)器排氣口； 16—?dú)庖悍蛛x裝置；17—恒溫循環(huán)水出口； 18—恒溫循環(huán)水入口；19一突光燈光源；20—入射光線；21—空氣；22—反應(yīng)器主體后側(cè)壁；23—微操細(xì)胞懸浮液；24—光/暗區(qū)域分界線；25—反應(yīng)器主體前側(cè)壁；26—區(qū)域二； 27—區(qū)域一。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
[0021]如圖1所示，一種基于空心導(dǎo)光管的復(fù)合強(qiáng)化式微藻光生物反應(yīng)器，包括反應(yīng)器頂板1、不銹鋼蛇形管3、空心導(dǎo)光管4、氣體分布器5、反應(yīng)器底板6、反應(yīng)器主體11、熒光燈光源19、氣液分離裝置16和pH、溫度、DO在線監(jiān)測(cè)裝置14。
[0022]反應(yīng)器頂板1、反應(yīng)器主體11和反應(yīng)器底板6均由透光材料制成,如米用有機(jī)玻璃或者其他具有優(yōu)異透光性能的材料加工而成。反應(yīng)器主體11為上下兩端開(kāi)口的矩形盒體，反應(yīng)器頂板I蓋在反應(yīng)器主體11的上端口并通過(guò)螺栓13連接，在反應(yīng)器頂板I與反應(yīng)器主體11的上端口之間設(shè)置硅膠墊片2，通過(guò)該硅膠墊片2實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器頂板I與反應(yīng)器主體11的上端口之間密封配合。反應(yīng)器底板6設(shè)置在反應(yīng)器主體11的下端口并通過(guò)螺栓13連接，在反應(yīng)器底板6與反應(yīng)器主體11的下端口之間設(shè)置硅膠墊片2，通過(guò)該硅膠墊片2實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器底板6與反應(yīng)器主體11的下端口之間密封配合。反應(yīng)器頂板I與反應(yīng)器主體11之間以及反應(yīng)器底板6與反應(yīng)器主體11之間均墊有硅膠墊片2，主要是防止藻液的泄露。反應(yīng)器主體11的側(cè)壁頂部設(shè)有進(jìn)料口 12，側(cè)壁底部設(shè)有出料口 8，進(jìn)料口 12用于初始培養(yǎng)時(shí)向反應(yīng)器主體11中加入一定濃度的微藻細(xì)胞懸浮液，出料口 8用于微藻細(xì)胞生長(zhǎng)處于穩(wěn)定期時(shí)對(duì)微藻細(xì)胞的收集。反應(yīng)器主體11的側(cè)壁上還設(shè)有取樣口 10，取樣口 10用于從反應(yīng)器主體11中的微藻細(xì)胞懸浮液中定期取樣進(jìn)行微藻細(xì)胞生物量、葉綠素含量、油脂含量及成分、蛋白質(zhì)含量等參數(shù)的測(cè)量。
[0023]反應(yīng)器主體11內(nèi)的左右兩側(cè)分別設(shè)置不銹鋼蛇形管3，不銹鋼蛇形管3的兩端口均伸出反應(yīng)器頂板1，其中一端口為恒 溫循環(huán)水入口 18，另一端口為恒溫循環(huán)水出口 17。不銹鋼蛇形管3內(nèi)循環(huán)流動(dòng)著溫度恒定的循環(huán)恒溫水，溫度恒定的循環(huán)水與反應(yīng)器主體11中的微藻細(xì)胞懸浮液進(jìn)行熱交換，用于維持微藻細(xì)胞懸浮液溫度的恒定。
[0024]氣體分布器5為一穿過(guò)反應(yīng)器主體11內(nèi)底部的環(huán)形管，該環(huán)形管的一部分位于反應(yīng)器主體11內(nèi)，環(huán)形管的剩余部分位于反應(yīng)器主體11的外部，環(huán)形管與反應(yīng)器主體11的側(cè)壁密封配合，環(huán)形管位于反應(yīng)器主體11內(nèi)的部分均布設(shè)置多個(gè)出氣孔；環(huán)形管位于反應(yīng)器主體11的外部設(shè)有CO2氣體入口 7。氣體分布器5位于反應(yīng)器主體11前后側(cè)壁之間的中間位置處，氣體分布器5由PU管、PVC管、不銹鋼管等材料制作而成，出氣孔沿管軸向方向均勻分布，孔徑為1mm，相鄰孔間的中心距為15mm。為了保證氣體分布器內(nèi)氣壓沿管軸向分布均勻，采用氣體分布器5兩端同時(shí)進(jìn)氣的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)管內(nèi)氣壓沿管軸向均勻分布，使得經(jīng)由氣體分布器產(chǎn)生的氣泡大小更加均勻。
[0025]反應(yīng)器主體11均布設(shè)置多個(gè)空心導(dǎo)光管4，空心導(dǎo)光管4水平設(shè)置，空心導(dǎo)光管4的一端開(kāi)口，另一端為封閉端，空心導(dǎo)光管4的開(kāi)口端設(shè)置在反應(yīng)器主體11內(nèi)的前側(cè)壁上并嵌入前側(cè)壁，空心導(dǎo)光管4的開(kāi)口端的外圓與前側(cè)壁密封配合,空心導(dǎo)光管4的封閉端設(shè)置在反應(yīng)器主體11內(nèi)的后側(cè)壁上并與后側(cè)壁密封配合?？招膶?dǎo)光管4的開(kāi)口端至距離開(kāi)口端3cm的內(nèi)壁上以及封閉端的內(nèi)壁上均鍍有全反射膜9，熒光燈光源19設(shè)置在反應(yīng)器主體11的前側(cè)壁的外側(cè)。內(nèi)部鍍有全反射膜9的空心導(dǎo)光管4可由石英管、有機(jī)玻璃管等具有優(yōu)異透光性能的材料加工而成，空心導(dǎo)光管4的底部可做成平底(如圖2所示)或半球形狀(如圖3所示)，空心導(dǎo)光管4的入口段(即空心導(dǎo)光管4的開(kāi)口端)以及底部(空心導(dǎo)光管4的封閉端)鍍有高反射率的全反射膜9，外界射入空心導(dǎo)光管4的光在全反射膜9的作用下，由空心導(dǎo)光管4的中后部即藻細(xì)胞懸浮液中光衰減嚴(yán)重的區(qū)域(即光限制區(qū)域26)射出，用于微藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，如圖2、3所示，區(qū)域I 27為靠近入射光源的區(qū)域，光強(qiáng)能夠滿(mǎn)足微藻光合生長(zhǎng)的區(qū)域；區(qū)域II 26為遠(yuǎn)離入射光源的區(qū)域，光衰減嚴(yán)重區(qū)域，光強(qiáng)較低，即光限制區(qū)?？招膶?dǎo)光管4布置于反應(yīng)器主體11的前后側(cè)壁之間，與反應(yīng)器主體11的前后側(cè)壁相垂直，空心導(dǎo)光管4的排列方式可分為順排和叉排兩種，如圖4、5所示。
[0026]該空心導(dǎo)光管4的作用主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):一、用于將外界的入射光導(dǎo)入反應(yīng)器主體11內(nèi)光衰減嚴(yán)重的區(qū)域，增大光照比表面積，提高光能利用率；二、空心導(dǎo)光管4的存在可以改變反應(yīng)器主體11內(nèi)的流場(chǎng)，強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)的混合，有利于強(qiáng)化傳質(zhì)、優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)的混合效果；三、由于空心導(dǎo)光管4的布置方向與經(jīng)由氣體分布器5產(chǎn)生的氣泡上浮過(guò)程的運(yùn)動(dòng)方向相垂直，空心導(dǎo)光管4可在一定程度上打碎上浮的氣泡，增大氣泡的比表面積，減少氣泡上浮過(guò)程中聚并現(xiàn)象的發(fā)生；四、由于空心導(dǎo)光管4將光導(dǎo)入反應(yīng)器中光強(qiáng)衰減嚴(yán)重的區(qū)域，使得空心導(dǎo)光管4底部周?chē)墓鈴?qiáng)較其周?chē)鷧^(qū)域的光強(qiáng)要大，這樣上下運(yùn)動(dòng)的藻細(xì)胞就會(huì)交替運(yùn)動(dòng)于光強(qiáng)強(qiáng)度不同的區(qū)域，即藻細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足一定的光/暗周期，有利于通過(guò)“閃光效應(yīng)”提高微藻生物質(zhì)產(chǎn)率。
[0027]氣液分離裝置16設(shè)置在反應(yīng)器頂板I上，氣液分離裝置16的進(jìn)口通過(guò)管路與反應(yīng)器主體11內(nèi)連通，氣液分離裝置16上具有一反應(yīng)器排氣口 15，氣液分離裝置16用于氣液兩相的分離，用于排除藻細(xì)胞懸浮液中產(chǎn)生的氧氣、未溶解的二氧化碳以及其他未溶解的氣體，回收氣體中攜帶的水分，減少水分的散失。pH、溫度、DO在線監(jiān)測(cè)裝置14設(shè)置在反應(yīng)器主體11內(nèi)，pH、溫度、DO在線監(jiān)測(cè)裝置14用于實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)微藻細(xì)胞懸浮液的PH值、溫度、DO變化情況。
[0028]該反應(yīng)器的工作原理:首先將一定初始濃度的微藻細(xì)胞懸浮液置于微藻光生物反應(yīng)器中，具有一定體積濃度的CO2氣體(如CO2體積濃度為5%的空氣和CO2混合氣體)由CO2氣體入口 7通入氣體分布器5，富含CO2的混合氣經(jīng)由氣體分布器5上均勻分布的直徑為Imm的出氣孔以小氣泡的形式進(jìn)入微藻細(xì)胞懸浮液，隨后小氣泡在浮力的作用下由反應(yīng)器主體11的底部運(yùn)動(dòng)至反應(yīng)器主體11的頂部，在上浮的過(guò)程中，由于氣泡運(yùn)動(dòng)方向與反應(yīng)器主體11中插入的空心導(dǎo)光管4軸向方向相垂直，一些氣泡在上浮的過(guò)程中被空心導(dǎo)光管4打碎，變成體積更小的小氣泡，這些氣泡最終從微藻細(xì)胞懸浮液中脫離，經(jīng)由反應(yīng)器排氣口15排入大氣，在富含CO2的小氣泡上浮的過(guò)程中，CO2由氣相區(qū)傳至液相區(qū)，并最終傳至藻細(xì)胞中用于生長(zhǎng)。光由反應(yīng)器主體11的前側(cè)壁進(jìn)入微藻細(xì)胞懸浮液，為微藻細(xì)胞的生長(zhǎng)提供光能，由于光強(qiáng)在藻液中呈指數(shù)規(guī)律衰減，使得遠(yuǎn)離前側(cè)壁的區(qū)域光強(qiáng)減弱，由于反應(yīng)器中加入了內(nèi)部鍍有全反射膜9的空心導(dǎo)光管4，空心導(dǎo)光管4的入口段以及底部鍍有高反射率的全反射膜，且光在空氣中傳播時(shí)的衰減量要比在藻液中的衰減量低得多，這樣使得較強(qiáng)的光從空心導(dǎo)光管4的尾部即反應(yīng)器中遠(yuǎn)離前側(cè)壁的區(qū)域(光限制區(qū))射出，實(shí)現(xiàn)了將光能導(dǎo)入光衰減嚴(yán)重區(qū)域的目標(biāo)。空心導(dǎo)光管4的引入，一方面起到了打碎氣泡強(qiáng)化混合的作用；另一方面，將光導(dǎo)入光衰減嚴(yán)重的區(qū)域，增加了光照比表面積，提高了光能利用率。
[0029]使用該基于空心導(dǎo)光管的復(fù)合強(qiáng)化式微藻光生物反應(yīng)器時(shí)，首先用甲醛溶液將反應(yīng)器內(nèi)部以及氣體分布器管內(nèi)進(jìn)行滅菌30min，然后利用高壓滅菌后的蒸餾水對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行清洗，接種時(shí)，將初始低濃度(如藻細(xì)胞生物量濃度為0.05g/L)的微藻細(xì)胞懸浮液由進(jìn)料口 12泵入反應(yīng)器中。兩個(gè)不銹鋼蛇形管3分布在反應(yīng)器主體11內(nèi)靠近反應(yīng)器主體11左右側(cè)壁的區(qū)域，溫度為25°C的恒溫水在蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下以一定的流速由恒溫循環(huán)水入口18進(jìn)入不銹鋼蛇形管3，后由恒溫循環(huán)水出口 17流出，進(jìn)入恒溫水浴槽，完成恒溫水的循環(huán)流動(dòng)，恒溫水用于維持微藻細(xì)胞懸浮液溫度的恒定，保持微藻細(xì)胞懸浮液的溫度為25°C。光源布置方式，米用單側(cè)布光，4支8W的突光燈管平行排列于反應(yīng)器主體前側(cè)壁的前方,為微藻的光合作用提供光源。空心導(dǎo)光管4的入口處至距離入口處3cm位置以及空心導(dǎo)光管4的平底或半球狀底部均鍍有高反射率的全反射膜9，這樣空心導(dǎo)光管4 一方面可將外界光導(dǎo)入反應(yīng)器中光衰減嚴(yán)重的區(qū)域。增大光照表面積，提高光能利用率；另一方面，空心管的布置方向垂直于CO2氣泡浮升運(yùn)動(dòng)的方向，啟到打碎氣泡，減少氣泡間的相互聚并，增加擾流，強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的效果。定期從取樣口 10取樣檢測(cè)微藻細(xì)胞的生物量、葉綠素、油脂含量等參數(shù)，監(jiān)測(cè)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)情況，待藻細(xì)胞生長(zhǎng)至穩(wěn)定期時(shí)，將藻細(xì)胞懸浮液從出料口 8放出，收集后加以利用，如用于生物柴油的制取、高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)等。
[0030] 最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求 范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于空心導(dǎo)光管的復(fù)合強(qiáng)化式微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于:包括反應(yīng)器頂板(I)、不銹鋼蛇形管(3)、空心導(dǎo)光管(4)、氣體分布器(5)、反應(yīng)器底板(6)、反應(yīng)器主體(11)、熒光燈光源(19)、氣液分離裝置(16)和pH、溫度、DO在線監(jiān)測(cè)裝置(14); 所述反應(yīng)器頂板(I)、反應(yīng)器主體(11)和反應(yīng)器底板(6 )均由透光材料制成； 所述反應(yīng)器主體(11)為上下兩端開(kāi)口的矩形盒體，所述反應(yīng)器頂板(I)蓋在反應(yīng)器主體(11)的上端口并與上端口密封配合，所述反應(yīng)器底板(6 )設(shè)置在反應(yīng)器主體(11)的下端口并與下端口密封配合；所述反應(yīng)器主體(11)的側(cè)壁頂部設(shè)有進(jìn)料口(12)，側(cè)壁底部設(shè)有出料口(8)，所述反應(yīng)器主體(11)的側(cè)壁上還設(shè)有取樣口(10)； 所述反應(yīng)器主體(11)內(nèi)的左右兩側(cè)分別設(shè)置不銹鋼蛇形管(3)，所述不銹鋼蛇形管(3)的兩端口均伸出反應(yīng)器頂板(1)，其中一端口為恒溫循環(huán)水入口(18)，另一端口為恒溫循環(huán)水出口(17)； 所述氣體分布器(5)為一穿過(guò)反應(yīng)器主體(11)內(nèi)底部的環(huán)形管，該環(huán)形管的一部分位于反應(yīng)器主體(11)內(nèi)，環(huán)形管的剩余部分位于反應(yīng)器主體(11)的外部，環(huán)形管與反應(yīng)器主體(11)的側(cè)壁密封配合，所述環(huán)形管位于反應(yīng)器主體(11)內(nèi)的部分均布設(shè)置多個(gè)出氣孔；所述環(huán)形管位于反應(yīng)器主體(11)的外部設(shè)有CO2氣體入口(7)； 所述反應(yīng)器主體(11)均布設(shè)置多個(gè)空心導(dǎo)光管(4)，所述空心導(dǎo)光管(4)水平設(shè)置，空心導(dǎo)光管(4)的一端開(kāi)口，另一端為封閉端，空心導(dǎo)光管(4)的開(kāi)口端設(shè)置在反應(yīng)器主體(11)內(nèi)的前側(cè)壁上并嵌入前側(cè)壁，空心導(dǎo)光管(4)的開(kāi)口端的外圓與前側(cè)壁密封配合,空心導(dǎo)光管(4)的封閉端設(shè)置在反應(yīng)器主體(11)內(nèi)的后側(cè)壁上并與后側(cè)壁密封配合；所述空心導(dǎo)光管(4)的開(kāi)口端至距離開(kāi)口端3cm的內(nèi)壁上以及封閉端的內(nèi)壁上均鍍有全反射膜(9);所述熒光燈光源(19)設(shè)置在反應(yīng)器主體(11)的前側(cè)壁的外側(cè)； 所述氣液分離裝置(16)設(shè)置在反應(yīng)`器頂板(I)上，氣液分離裝置(16)的進(jìn)口通過(guò)管路與反應(yīng)器主體(11)內(nèi)連通，氣液分離裝置(16)上具有一反應(yīng)器排氣口( 15);所述pH、溫度、DO在線監(jiān)測(cè)裝置(14)設(shè)置在反應(yīng)器主體(11)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空心導(dǎo)光管的復(fù)合強(qiáng)化式微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于:所述反應(yīng)器頂板(I)通過(guò)硅膠墊片(2 )與反應(yīng)器主體(11)的上端口密封配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空心導(dǎo)光管的復(fù)合強(qiáng)化式微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于:所述反應(yīng)器底板(6)通過(guò)硅膠墊片(2)與反應(yīng)器主體(11)的下端口密封配合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的一種基于空心導(dǎo)光管的復(fù)合強(qiáng)化式微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于:所述氣體分布器(5)上的出氣孔的孔徑為1_，相鄰兩個(gè)出氣孔之間的距離為15mm。
【文檔編號(hào)】C12M1/00GK103525686SQ201310506093
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】廖強(qiáng), 孫亞輝, 王永忠, 朱恂, 陳蓉, 王宏, 丁玉棟 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)