CN101550394B - 气升式光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气升式光生物反应器，解决了现有反应器结构复杂、气液混合效率差、微藻固定CO2速率低的问题。包括设有培养基进口、培养液出口、冷却水进口、冷却水出口、进气口和排气口的玻璃罐体，所述玻璃罐体内侧环形设有多组分别与冷却水进口和冷却水出口连通的换热管，上升导管将玻璃罐体分为下升区及下降区，玻璃罐体顶部还设气体分离区，进气口经进气管道与位于上升区底部的气体分布器连通，下降区设有培养液外循环管路，培养液外循环管路经水泵与进气管道连通。本发明结构简单、操作简便，特别适用于在工业排放气进行二氧化碳减排系统中利用微藻进行光合作用高效固定CO2，CO2的减排速率可达50％以上，操作成本低，对环境友好。

Description

气升式光生物反应器
技术领域
本发明涉及一种用于藻类进行光合作用的气升式光生物反应器。
背景技术
目前用于微藻处理的生物反应器有各种结构，考虑到微藻对高剪切比较敏感，通常选择气升式光生物反应器，但是虽然气升式光生物反应器采用气液循环混合的方法，但是仍然存在气液混合效率不高、传质强度较小的问题，为强化气液混合和传质，技术人员作了各种改进，如在专利号200420009076.2，名称为“气升式光生物反应器”的实用新型专利中，为解决上述问题，对气体分布器的喷嘴数量及形状作了改进，以期更利于气体在培养液中的分散，消除死角。但是实际应用中，如论对气体分布器的结构如何设计，其气液混合效率改善并不明显，主要是因为气体和液体只在罐体内进行一次气液混合，传质面积受气泡大小限制，从而影响传质效率。当然对于普通用于培养微藻的气升式光生物反应器而言，由于其通入的气体中二氧化碳浓度较低(体积百份比5％左右)，因此这类改进基本能满足要求。但是当需要处理二氧化碳浓度高(浓度可高达体积百分比25％左右)的工业排放气进行二氧化碳减排时，除对工艺进行优化外，高效的气液混合和传质对于微藻固定CO2的速率同样具有重大影响，而上述常规改进难以满足要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、操作方便、具有高效气液混合效率、强化传质、循环程度高的气升式光生物反应器，该反应器可很好的用于利用微藻对含有高浓度CO2的工业排放气进行处理光合作用。
本发明技术方案包括设有培养基进口、培养液出口、冷却水进口、 冷却水出口、进气口和排气口的玻璃罐体，所述玻璃罐体内侧环形设有多根分别与冷却水进口和冷却水出口连通的换热管，上升导管将玻璃罐体分为上升区及下降区，玻璃罐体顶部还设气体分离区，进气口经进气管道与位于上升区底部的气体分布器连通。
所述下降区设有培养液外循环管路，所述培养液外循环管路经水泵与进气管道连通。
所述进气口与进气管道之间设有文丘里管，培养液经文丘里管与进气管道连通。
通过上升导管将玻璃罐体分为上升区及下降区，气体分布器设在上升区底部，喷出含有大量待处理气体(本发明中待处理气体指二氧化碳含量体积浓度最高达20％的用于微藻转化的气体)的培养液，由于上升区下部气含率大，故其密度小，培养液轻，加上喷流动能，使上升管内的液体上升，到达上升区上部时，由于上部空间大，气体从培养液中逃选出，通过气体分离区由排气口排出，同时培养液变重从下降区下降，到反应器底部时又循环进入上升区，形成反复的循环。
同时，发明人在研究了现有各种气升式光反应器结构的基础上，大胆设计，突破了目前只考虑如何在玻璃罐体内加强气液混合的概念，而在下降区通过培养液外循环管路经水泵将玻璃罐体内的部分培养液抽出，在玻璃罐体外与待处理气体先进行前期气液混合，然后再送入气升式光生物反应器的玻璃罐体内进行微藻转化，这样，除了玻璃罐体内培养液在上升区和下降区间的循环外，还在玻璃罐体外部构建带文丘里管吸气装置的外部回流循环结构，通过内外循环强化了循环程度，利于气液混合。
进一步的，发明人还在进气口与进气管道之间采用了文丘里管，在将培养液送入文丘里管的同时，利用文氏管收缩段中液体的流速增加压强变小的原理，形成负压将待处理气体通过进气口吸入文丘里管，并使气泡分散并与液体均匀混合，经过在文丘里管内进行充分的 前期气液混合，再通过进气管道一起送入气体分布器，气体分布器喷出的培养液含有大量待处理气体，且气体主要以微小气泡形式存在，以增加传质面积，可获得高效的传质效果。
本发明的优点为：
1、本发明结构简单、操作简便，特别适用于在工业排放气进行二氧化碳减排系统中利用微藻进行光合作用以高效固定二氧化碳，对二氧化碳的减排速率可达50％以上，操作成本低、周期短。
2、通过建立玻璃罐体内外的两套循环，待处理气体和培养液进行了前期气液混合，进一步强化了循环程度。
3、利用文丘里管自身特点，使培养液和待处理气体在管内充分混合，气泡充分分散并与液体均匀混合，再经气体分布器喷出时，玻璃罐体内气体主要以微小气泡形在存在，有效提高了传质面积，液体混合好，传质强度高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为经处理后排气口中CO2的浓度示意图。
1-培养基进口、2-培养液出口、3-冷却水进口、4-冷却水出口、5-进气口、6-排气口、7-玻璃罐体、8-换热管、9-上升导管、10-上升区、11-下降区、12-气体分离区、13-进气管道、14-气体分布器、15-培养液外循环管路、16-循环水泵、17-文丘里管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步解释说明：
参照图1，气升式光生物反应器的玻璃罐体7的上端设有排气口6、培养基进口1，下端设有培养液出口2。玻璃罐体7内侧环形设有多组分别与玻璃罐体7上的冷却水进口3和冷却水出口4连通的换热管8，所述换热管8可以为蛇形或其它形状；沿玻璃罐体7的中心线上设有上升导管9，上升导管9可通过支架固定在玻璃罐体7上，其 内部为上升区10、外部为下降区11，在上升区10底部设有与进气管道13出口端连通的气体分布器14，所述进气管道13的进口端设有文丘里管17，进气口12连接文丘里管17的进气管，所述下降区11还设有培养液外循环管路15，所述培养液外循环管路15经循环水泵16连接文丘里管17的进液管。
气升式光生物反应器的工作原理为：
本实施例中采用CO2浓度约25％的工业排放气，经除尘洗涤、加压、调气后得到满足微藻需求的CO2浓度达15～20％(体积百分比)的待处理气体；所述微藻可以选用藻株小球藻(Chlorella vulgarisWUST 11，专利申请号200810197667.X)。
待处理气体由于负压由进气口12被吸入文丘里管17，在文丘里管17内与由玻璃罐体7循环而来的培养液充分混合，再通过气体分布器14喷于上升区10，气体流量相对于气升式光生物反应器体积为0.1-0.5vvm(为每分钟通入气体的量为液体的倍数)，由于气液在文丘里管17中进行过前期混合，再通过进气管道13连接气体分布器14，气体分布器14喷出含有大量待处理气体的培养液，气体以非常微小的气泡形式存在，可获得极为高效的传质面积，待处理气体在玻璃罐体7内均匀分布，剧烈混合以促进气体中CO2的传质，溶解在培养液中的CO2被微藻通过光合作用转化为有利用价值的微藻生物质，同时释放出O2，固定CO2过程中产生的O2、未利用的惰性气体(如氮等)以及未固定的CO2通过气体分离区19经玻璃罐体7上端的排气口13排出。在气升式光生物反应器运行初期加入反应体积器为20％体积的藻种种子液，稳定工作后通过培养基进口1连续加入新鲜培基，同时在由培养液出口2连续放出相同流量的培养液，稀释率为0.5/d(为液体流进反应器时反应器内体积除以流率)，使整个工作过程处于稳定的体积以及稳定的藻体生物浓度(OD685值可达2.8)。放出的培养液中含有固定CO2过程中生成的生物质与培养液一起经培养液出口2排 出。气升式光生物反应器的温度控制通过其内部设置的换热管8实现，管内通入换热介质，与玻璃罐体7内部的培养液进行热交换，通过控制换热管8内换热介质的流量实现温度控制。光能由太阳光提供，主要通过玻璃罐体7四周罐壁吸收，同时可以考虑通过设置太阳光吸收板增强太阳光采集与吸收效率。
图2给出了采用本实施例方法进行处理后排气口中CO2的浓度。由图中可知，初始CO2浓度约25％的烟道气经本发明方法处理后，排气口气体的CO2浓度降为10％(体积百分比)，处理如此成份复杂、高浓度CO2含量的气体时，系统仍能运行稳定，CO2减排速率达到50％以上。

Claims (2)

1.一种气升式光生物反应器，包括设有培养基进口、培养液出口、冷却水进口、冷却水出口、进气口和排气口的玻璃罐体，其特征在于，所述玻璃罐体内侧环形设有多组分别与冷却水进口和冷却水出口连通的换热管，上升导管将玻璃罐体分为上升区及下降区，玻璃罐体顶部还设气体分离区，进气口经进气管道与位于上升区底部的气体分布器连通，所述下降区设有培养液外循环管路，所述培养液外循环管路经水泵与进气管道连通。
2.如权利要求1所述的气升式光生物反应器，其特征在于，所述进气口与进气管道之间设有文丘里管，培养液外循环管路经文丘里管与进气管道连通。
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