CN101550393A - 用于微藻室外养殖的反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于微藻室外养殖的反应器，包括设置于室外的反应器单元(1)、微藻收获系统(4)和藻液回流管(22)等；所述反应器单元(1)呈阶梯状结构，从上游端至下游端由多个逐级降低的上游端凸设有溢流堰(12)的水跌消力单元(11)相连；从上游流至下游端的藻体达到要求的浓度时经微藻收获系统(4)收获微藻，未达到要求的浓度时经藻液回流管(22)输送回流至反应器单元(1)上游端。本发明的反应器利用阶梯式流动产生湍流，从而使藻体在藻液中的分布更加均匀，二氧化碳利用率更高，不仅成本低、维护和保养容易，对于特定的藻种及方法不易被外来微藻污染，适合大规模、低成本、连续或半连续化养殖微藻。

Description

用于微藻室外养殖的反应器
技术领域
本发明涉及一种微藻养殖的设备，尤其涉及一种用于室外养殖微藻的反应器，适合在室外大规模、低成本养殖微藻。
背景技术
传统的微藻养殖反应器主要有两种类型：封闭式反应器和开放式反应器。封闭式反应器主要有管式反应器、竖直平板式反应器、袋式反应器及搅拌釜式等几种类型，封闭式反应器在养殖过程中不易污染，水体中藻体浓度高，微藻养殖过程易于控制，但是封闭式反应器也存在如下不足：1、由于藻液受光照影响，吸收大量热量，导致反应器内部温度上升，因此养殖过程需要大量换热设备，能源消耗大；2、封闭式反应器通常需要加装人工光照系统，也增加了能源消耗；3、封闭式反应器内壁容易被微藻污染，不易清理，很难实现微藻养殖的连续化；4、结构复杂，放大相对困难；5、设备造价昂贵，维护及操作费用高。而传统开放式反应器主要是跑道池反应器，其特点是反应器水平放置，培养液主要靠浆轮或者旋转臂的转动实现循环，其造价低廉，维护和保养容易，但是存在藻体浓度较低、二氧化碳利用率低、生产效率低、养殖过程中易被浮游动物、其他微藻等外来物种污染等缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种用于微藻室外养殖的反应器，通过提高二氧化碳利用率、实现微藻养殖的连续或半连续操作来大大提高养殖效率，适合大规模、低成本养殖微藻，对于特定的藻种及养殖方法解决了传统开放式反应器养殖中藻种易污染问题。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是，设计制造一种用于微藻室外养殖的反应器，包括设置于室外的反应器单元、新鲜藻液输送管和二氧化碳输送管；此外还包括：
微藻收获系统，连接于所述反应器单元的下游端，用于在藻体浓度达到要求时收获分离微藻，使反应器单元内的微藻保持最佳生长密度；
藻液回流管，其输入口连接所述反应器单元的下游端，其输出口连接所述新鲜藻液输送管，用于在藻体浓度未达到要求时将其输送回流至所述新鲜藻液输送管并与新鲜藻液混合；
所述反应器单元呈阶梯状结构，从上游端至下游端由多个逐级降低的水跌消力单元相连，所述水跌消力单元的上游端向上凸设有溢流堰，相邻水跌消力单元的溢流堰之间形成藻液的容置凹位；
所述新鲜藻液输送管的出口连接所述反应器单元的上游端，含有微藻的藻液从反应器单元的上游端向下游端流动，在此过程中，藻液越过每个水跌消力单元的溢流堰流下容置凹位内，微藻沿反应器流动方向逐渐生长，到达反应器单元下游端后，当藻体达到要求的浓度时经所述微藻收获系统收获分离微藻，当藻体未达到要求的浓度时经所述藻液回流管输送至所述新鲜藻液输送管并与新鲜藻液混合后重新返回所述反应器单元的上游端。
为了提供微藻生长所需的二氧化碳，每个水跌消力单元内安装有与二氧化碳输送管连接的分布器，所述分布器上沿垂直于流动方向设有多个输出口，能使二氧化碳的分布更加均匀。
为了使藻液流动，所述水跌消力单元的底面朝下游方向向下倾斜，该底面与水平面之间的夹角为0至1度的范围。又或者，设置有助于在所述水跌消力单元内形成流动的流体形成装置，该流体形成装置可以为液体动力设备。
所述水跌消力单元内可以设置有测量藻液pH值的pH电极，并可据此调节藻液和二氧化碳的流量。
所述反应器单元上游端沿垂直于流动方向均匀设置有多个导流堰，可使反应器单元内部的微藻分布更加均匀，有效的提高了微藻的生长速率。所述反应器单元的下游端设有用于容纳流下来的藻液的导流槽，该导流槽内设有用于检测藻体浓度的浊度计，并通过连接管和三向阀连接所述微藻收获系统和藻液回流管，所述连接管上设有输送泵。
所述新鲜藻液输送管、藻液回流管、连接管以及连接每个水跌消力单元内分布器的二氧化碳输送管上均设有流量大小控制装置。
所述反应器单元可以设有多个，该多个反应器单元可以串联连接，即，前一个反应器单元的下游端通过连接管和输送泵连接下一个反应器单元的上游端，所述新鲜藻液输送管的出口连接第一个反应器单元的上游端，最后一个反应器单元的下游端连接所述微藻收获系统和藻液回流管。
又或者，多个反应器单元并联连接，即，每个反应器单元的上游端均与所述新鲜藻液输送管的出口连接，每个反应器单元的下游端通过连接管连接所述微藻收获系统和藻液回流管。
当多个反应器单元连接在一起时，其中处理量较小的部分反应器单元的下游端连接有缓冲容器。
同现有技术相比较，本发明的用于微藻室外养殖的反应器具有如下优点：
(1)由于反应器单元内藻液的流动方式为阶梯式流动，水流从每个水跌消力单元的溢流堰跌下后，会在堰后区域形成水跃，在水跃区域会形成剧烈的湍流，存在大量的质量交换，使藻体分布更加均匀，避免藻体沉降，可以在此设置二氧化碳与藻液的传质区，大大增加二氧化碳的吸收率，提高反应速率。
(2)使藻种沿着反应器单元轴线生长，到达反应器底部后，即达到较高的浓度，经收获系统收获，可以实现连续/半连续操作。
(3)对于所筛选的藻种，通过控制藻液流速、pH值、以及二氧化碳和藻液的流量，确保藻种在反应器中的种群优势，可以有效的避免藻种的严重污染。
(4)由于在每个水跌消力单元加装了二氧化碳的分布器，大大增强了二氧化碳气体的利用率，有效降低了成本。
(5)反应器单元可以通过若干个缓冲器串联、并联及混联在一起，从而有效的提高整个系统的处理量及处理效率。
(6)结构简单，能耗低，易于扩大生产。
附图说明
图1为本发明用于微藻室外养殖的反应器的平面结构示意图；
图2为本发明用于微藻室外养殖的反应器的竖向结构示意图；
图3为所述水跌消力单元11的结构示意图；
图4为所述反应器单元呈直线型时的示意图；
图5为所述反应器单元呈曲线型时的示意图；
图6为所述反应器单元呈U型时的示意图；
图7为所述反应器单元呈S型时的示意图；
图8为所述反应器单元呈回字型时的示意图；
图9为所述反应器单元呈螺旋型时的示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述。
如图1和图2所示，本发明的用于微藻室外养殖的反应器包括：置于室外的反应器单元1、藻液输送管、二氧化碳输送管3、微藻收获系统4、输送泵72和流量大小控制装置等。其中，所述藻液输送管又包括新鲜藻液输送管21、藻液回流管22和连接管23。
如图1和图2所示，所述反应器单元1呈阶梯状结构，从上游端至下游端由多个逐级降低的水跌消力单元11相连，每个水跌消力单元11的上游端向上凸设有溢流堰12，相邻水跌消力单元11的溢流堰12之间形成藻液的容置凹位。由于微藻连续培养需要连续不断的补充二氧化碳，本实施例中采用的方式是：在每个水跌消力单元11内均设有与二氧化碳输送管3连接的分布器31，该分布器31上沿垂直于流动方向均匀设置有多个二氧化碳的输出口，可使二氧化碳的分布更加均匀。当然还可以采用其它输送方式，如藻液先在一个气液传质装置内与二氧化碳进行气液交换后再输入反应器单元1上游端，补充二氧化碳既可以使用二氧化碳气体，也可以使用富含二氧化碳的液体等，本发明并不局限于以上方式。此外，每个水跌消力单元11内均设有用于测量藻液pH值的pH电极51，可据此调节藻液和二氧化碳的流量。所述反应器单元1上游端沿垂直于流动方向均匀设置有多个导流堰13，有利于微藻沿反应器单元1宽度方向均匀分布。所述反应器单元1的下游端设有用于容纳流下来的藻液的导流槽15，该导流槽15内设有用于检测藻体浓度的浊度计52。
为了使其内的藻液形成流动，所述水跌消力单元11的底面朝下游方向向下倾斜，该底面与水平面之间的夹角为0至1度的范围，根据不同藻种所需要的生长时间而具体设定，利用重力的作用使其内的藻液形成流动；又或者所述水跌消力单元11的底面水平设置，在其内安装流体形成装置，如离心泵等液体动力设备。
如图3所示，水流9从每个水跌消力单元11的溢流堰12跌下后，会在堰后区域形成水跃，在水跃区域会形成剧烈的湍流91，存在大量的质量交换，并避免藻体沉降，因此在此设置所述分布器31，形成二氧化碳与藻液的传质区，可使二氧化碳的吸收率达到最佳，提高反应速率。根据生产容量、所选择藻种所需的生长时间、最佳的pH值、水深、二氧化碳消耗量等因素，本领域的技术人员可设计出所述反应器单元1的长度L和宽度B(图1)，溢流堰12顶面的宽度δ、高度P1和P2、堰侧壁的倾斜角度i，相邻溢流堰12的高差ΔZ和距离S等数值，在此就不再详述。
如图1或图2所示，所述新鲜藻液输送管21的出口连接反应器单元1的上游端，所述反应器单元1下游端的导流槽15通过连接管23连接一个三向阀71，该三向阀71另外两个接口分别连接微藻收获系统4和藻液回流管22，所述连接管23上安装有输送泵72，所述藻液回流管22的另一端连接所述新鲜藻液输送管21。所述流量大小控制装置包括：安装在新鲜藻液输送管21上的控制阀24和流量计25、安装在藻液回流管22上的流量计38、安装在连接管23上的流量计36、安装在三向阀71与微藻收获系统4之间的流量计37、安装在二氧化碳输送管3干路上的控制阀34和流量计35、以及安装在连接每个水跌消力单元11内分布器31的二氧化碳输送管3支路上的控制阀32和流量计33。可根据每个pH电极所检测出来的藻液pH值和微藻收获情况而通过流量大小控制装置分别控制藻液和二氧化碳的流量。
含有微藻的藻液从新鲜藻液输送管21的出口输入至反应器单元1的上游端并向下游端流动，在此过程中，藻液越过水跌消力单元11的溢流堰12流下容置凹位内并与从所述分布器31输出的二氧化碳进行气液交换，微藻沿反应器流动方向生长，到达反应器单元1下游端的导流槽15后，当藻体达到要求的浓度时，所述微藻收获系统4收获分离微藻，所述微藻收获系统4可采用离心、微滤、泡沫分离等有效的分离方法分离出微藻，但并不局限于上述分离方法；而当藻体未达到要求的浓度时，将藻液通过连接管23和输送泵72输送至所述藻液回流管22，与所述新鲜藻液输送管21汇合后该回流藻液与新鲜藻液混合后重新返回所述反应器单元1的上游端。
所述反应器单元1可以设计成多种形状，如图4所示的直线型、如图5所示的曲线型、如图6所示的U型、如图7所示的S型、如图8所示的回字型或者如图9所示的螺旋型等，但不局限于上述形状。此外，为了提高处理量和处理效率，还可以将多个反应器单元1串联、并联或混联在一起，此时，当所连接的反应器单元1处理量不一致时，部分处理量较小的反应器单元1的下游端还连接有缓冲容器。当串联时，前一个反应器单元1的下游端通过连接管和输送泵连接下一个反应器单元1的上游端，所述新鲜藻液输送管21的出口连接第一个反应器单元1的上游端，最后一个反应器单元1的下游端通过输送泵和三向阀连接所述微藻收获系统4和藻液回流管22。当并联时，每个反应器单元1的上游端均与所述新鲜藻液输送管21的出口连接，每个反应器单元1的下游端通过连接管连接在一起后经输送泵和三向阀连接所述微藻收获系统4和藻液回流管22。
此外，当本发明的反应器在寒冷的天气或安装在高纬度寒冷地区时，可以在所述反应器单元1底部设置一换热装置，该换热装置可以是与火电厂废气相连的废气换热管，充分利用其热能使反应器单元1内的藻液保持一定的温度。

Claims (10)

1、一种用于微藻室外养殖的反应器，包括设置于室外的反应器单元(1)、新鲜藻液输送管(21)和二氧化碳输送管(3)；其特征在于，还包括：
微藻收获系统(4)，连接于所述反应器单元(1)的下游端，用于在藻体浓度达到要求时收获分离微藻；
藻液回流管(22)，其输入口连接所述反应器单元(1)的下游端，其输出口连接所述新鲜藻液输送管(21)，用于在藻体浓度未达到要求时将其输送回流至所述新鲜藻液输送管(21)并与新鲜藻液混合；
所述反应器单元(1)呈阶梯状结构，从上游端至下游端由多个逐级降低的水跌消力单元(11)相连，所述水跌消力单元(11)的上游端向上凸设有溢流堰(12)，相邻水跌消力单元(11)的溢流堰(12)之间形成藻液的容置凹位；
所述新鲜藻液输送管(21)的出口连接所述反应器单元(1)的上游端，含有藻体的藻液从反应器单元(1)的上游端向下游端流动，在此过程中，藻液越过每个水跌消力单元(11)的溢流堰(12)流下容置凹位内，藻体沿反应器单元流动方向逐渐生长，到达反应器单元(1)下游端后，当藻体达到要求的浓度时经所述微藻收获系统(4)收获分离微藻，当藻体未达到要求的浓度时经所述藻液回流管(22)输送至所述新鲜藻液输送管(21)并与新鲜藻液混合后重新返回所述反应器单元(1)的上游端。
2、根据权利要求1所述的用于微藻室外养殖的反应器，其特征在于：每个水跌消力单元(11)内安装有与二氧化碳输送管(3)连接的分布器(31)，所述分布器(31)上沿垂直于流动方向设有多个输出口。
3、根据权利要求1所述的用于微藻室外养殖的反应器，其特征在于：所述水跌消力单元(11)的底面朝下游方向向下倾斜使其内的藻液流动，该底面与水平面之间的夹角为0至1度的范围。
4、根据权利要求1所述的用于微藻室外养殖的反应器，其特征在于：还包括有助于在所述水跌消力单元(11)内形成流动的流体形成装置，该流体形成装置为液体动力设备。
5、根据权利要求1至4任一项所述的用于微藻室外养殖的反应器，其特征在于：所述水跌消力单元(11)内设置有测量藻液pH值的pH电极(51)。
6、根据权利要求2所述的用于微藻室外养殖的反应器，其特征在于：所述反应器单元(1)上游端沿垂直于流动方向均匀设置有多个导流堰(13)，反应器单元(1)的下游端设有用于容纳流下来的藻液的导流槽(15)，该导流槽(15)内设有用于检测藻体浓度的浊度计(52)，并通过连接管(23)和三向阀(71)连接所述微藻收获系统(4)和藻液回流管(22)，所述连接管(23)上设有输送泵(72)。
7、根据权利要求6所述的用于微藻室外养殖的反应器，其特征在于：所述新鲜藻液输送管(21)、藻液回流管(22)、连接管(23)以及连接每个水跌消力单元(11)内分布器(31)的二氧化碳输送管(3)上均设有流量大小控制装置。
8、根据权利要求1所述的用于微藻室外养殖的反应器，其特征在于：所述反应器单元(1)有多个，该多个反应器单元(1)串联连接，即，前一个反应器单元(1)的下游端通过连接管和输送泵连接下一个反应器单元(1)的上游端，所述新鲜藻液输送管(21)的出口连接第一个反应器单元(1)的上游端，最后一个反应器单元(1)的下游端连接所述微藻收获系统(4)和藻液回流管(22)。
9、根据权利要求1所述的用于微藻室外养殖的反应器，其特征在于：所述反应器单元(1)有多个，该多个反应器单元(1)并联连接，即，每个反应器单元(1)的上游端均与所述新鲜藻液输送管(21)的出口连接，每个反应器单元(1)的下游端通过连接管连接所述微藻收获系统(4)和藻液回流管(22)。
10、根据权利要求8或9所述的用于微藻室外养殖的反应器，其特征在于：部分反应器单元(1)的下游端连接有缓冲容器。
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