CN102329720A - 一种实现二氧化碳高效固定的光生物反应器 - Google Patents

一种实现二氧化碳高效固定的光生物反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，包括平板式光生物反应器、金属支撑架、藻液喷淋单元、藻液循环系统及工业废气前处理单元，其中：所述平板式光生物反应器接入所述工业废气前处理单元；所述金属支撑架安装在所述平板式光生物反应器的上表面，用以支撑和固定所述藻液喷淋单元；所述藻液循环系统包括连通所述平板式光生物反应器和所述藻液喷淋单元的外循环管及驱动藻液循环的动力系统；所述藻液喷淋单元包括用以分散流下藻液的喷淋器和用以防止藻液喷溅并阻止藻液与外界环境接触的透明幕墙。本发明提供的新型喷淋式光生物反应器的设计方案，可用以实现微藻的高密度培养和工业废气中二氧化碳的高效吸收。

Description

一种实现二氧化碳高效固定的光生物反应器
技术领域
本发明涉及光生物反应器，特别涉及一种实现二氧化碳高效固定的光生物反应器。
背景技术
近年来，气候变暖已经受到全球的广泛关注，其主要原因是大气中二氧化碳等温室气体浓度的升高。据ICPP(联合国政府间气候变化专门委员会)统计，大气中的二氧化碳浓度已经由工业革命前的0.028％增长至0.036％，二氧化碳浓度的升高会引发了海平面上升、洪水泛滥、生态系统分配改变等一系列的环境问题，严重威胁人类的生存。工业废气是大气中二氧化碳的主要来源，以化石燃料电厂为例，普通化石燃料电厂的规模在400-1200MW之间，电厂每产生1MWH的电能，将排放344-941kg二氧化碳，照此计算，全球电厂每年将排放数以百亿吨的二氧化碳。
世界各国已积极就二氧化碳的捕捉和封存技术(CCS)展开研究，在众多的CCS中，微藻固碳技术受到越来越多的关注。利用微藻固定二氧化碳具有诸多优势：(1)微藻可以直接利用太阳能进行光合固碳，较物化法节能；(2)微藻生物质可以应用到食品、生物医学、生物肥料和可再生能源等领域，具有重要的经济和社会价值；(3)微藻可在贫瘠的土地上养殖，减少对耕地的压力；(4)可以与废水处理相结合，培养微藻的同时有效去除水体中氮磷等。目前国内外对于微藻固定二氧化碳的研究主要集中在以下两个方面：(1)筛选和培养生长速度快、能够耐受高浓度CO2、SOx、NOx等污染物的藻种；(2)高效光生物反应器的研发。优良藻株的选育固然重要，但要在实际应用过程中，使选育得到的优良藻株获得高效的CO2固定效果，性能优越的光生物反应器是必不可少的。
美国绿色能源技术公司与美国亚利桑那州公共服务公司下属的红鹰电厂进行合作，成功地利用烟道气进行微藻大规模培养，并转化生物燃料，该公司采用的培养装置为柱式光生物反应器。夏威夷的蓝藻生物技术公司以小型电厂产生的二氧化碳和电能供67个跑道池使用，每月可固定67吨二氧化碳，生产36吨螺旋藻粉。“工业排放二氧化碳源塔式生物固碳与能源化关键技术中试研究”(山东科技大学，2009)通过山东省科技厅的鉴定，并首次提出塔式生物反应器，可以立体布置，占地面积小，有助于溶碳脱氧，并且对藻体的剪切作用较小，微藻连续生产。
目前国内仅有一篇光生物反应器专利涉及微藻的碳固定。柴晓利(中国发明，CN102008930A，2011-04-13)的脱除烟气中二氧化碳的光生物反应装置，由光生物反应系统和在线检测系统组成，其中光生物反应系统由光生物反应器，以及与其连接的控温装置、循环装置、供气装置和光照装置组成，在线监测系统包括温度探头、DO复合电极、二氧化碳电极和pH电极。该发明具有混合传质效果好，剪切力小，生物量增长速度快，二氧化碳去除效果好等优点。
理论上，传统光生物反应器均可用于固碳微藻的培养。但考虑二氧化碳的固定效率和反应器系统的构建成本，可供选择的反应器类型变的相对局限。在众多反应器类型中，CO2去除率较高的光生物反应器有管道式和柱式，但管道式光生物反应器氧解析困难、不易清洗、成本高、温度控制较困难；柱式光生物反应器不存在氧解析和混合问题，但其培养体积较小、不易放大(纵向和径向)、比表面积小、且反应器中心光线不易穿透，生产效率低，均影响微藻的固碳效率。
目前，科研机构和企业普遍采用传统的饵料微藻培养所用的光生物反应器(跑道池、柱式、发酵罐式、管式和悬袋式)进行微藻固碳的研究，其在技术上存在诸多缺点：
(1)传统的饵料微藻光生物反应器并非为微藻高效固碳而构建，其二氧化碳的脱除速率远低于微藻固碳的理论速率，需对其结构进行改进，方可用于微藻固碳的生产和研究；
(2)微藻在传统光生物反应器中的光能利用率较低，随着藻细胞密度的增大，细胞之间的遮挡作用更加明显，严重影响微藻的生长和二氧化碳的吸收；
(3)传统光生物反应器普遍采用鼓泡的方式通入压缩空气，藻细胞与气泡的接触面积小、接触时间短，一定程度上限制了藻细胞对二氧化碳的吸收速率；
(4)传统光生物反应器的控温效果不佳，仅通过水冷或风冷的方式降温，能耗巨大；
(5)为了增加气液传递效率，通常在反应器底部安装疏水曝气膜，以产生较小且均匀的气泡，但疏水曝气膜易堵塞，还会引起通气能耗的增加。
由此可见，现有技术均难以实现二氧化碳的高效固定，因而有必要设计一种新型的光生物反应器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，用以实现工业废气中二氧化碳的高效固定及微藻的低成本高密度培养。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，一种实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，包括平板式光生物反应器、金属支撑架、藻液喷淋单元、藻液循环系统及工业废气前处理单元，其中：所述平板式光生物反应器接入所述工业废气前处理单元；所述金属支撑架安装在所述平板式光生物反应器的上表面，用以支撑和固定所述藻液喷淋单元；所述藻液循环系统包括连通所述平板式光生物反应器和所述藻液喷淋单元的外循环管及驱动藻液循环的动力系统；所述藻液喷淋单元包括用以分散流下藻液的喷淋器和用以防止藻液喷溅并阻止藻液与外界环境接触的透明幕墙。
较优地，所述平板式光生物反应器为由若干预定规格透明平板粘合而成的透明反应容器，所述透明反应容器的侧面安装有通气管接口、外循环管接口和冷凝管接口。
较优地，所述动力系统为循环泵，位于所述外循环管上。
较优地，设置有高位槽，所述高位槽的进液口和出液口分别通过外循环管连通所述平板式光生物反应器和所述藻液喷淋单元；所述动力系统为气源，所述气源的供气口接在所述外循环管的上升管路上。
较优地，所述透明幕墙由透明塑料薄膜制成，所述透明塑料薄膜覆盖于一固定网格上。
较优地，所述透明幕墙由有机玻璃板制成，所述有机玻璃板嵌于所述金属支撑架上的卡槽之中。
较优地，所述喷淋器为一中空长方盒，所述中空长方盒的下底面开具若干均匀分布的小孔，上表面安装外循环管接口。
较优地，所述喷淋器为一横截面为半圆形的长管，所述长管的两端封口，下底面开具若干均匀分布的小孔，上弧面安装外循环管接口。
较优地，所述喷淋器由若干平行且相互连通的管子组成，管子的管面上开具若干均匀分布的小孔，左右两侧安装外循环管接口。
较优地，所述喷淋器为一中空长方盒，所述中空长方盒的的前侧面低于后侧面，上表面安装外循环管接口。
与现有技术相比，本发明提出一种新型喷淋式光生物反应器的设计方案，用以实现微藻的高密度培养和工业废气中二氧化碳的高效吸收。该光生物反应器进一步优化后，包括但不仅限于以下优点：(1)藻液喷淋增加了光线的透过率，提高了藻细胞的光合效率；(2)藻液喷淋增加了藻液与气体的接触面积，并且喷淋而下的藻液与上升的气体形成对流，提高了藻细胞对二氧化碳的利用率；(3)藻液喷淋对反应器侧壁产生的压力较小，降低了反应器构建的难度；(4)藻液喷淋会带动空气流动起到藻液降温的作用，同时藻液向低位储液池流动的过程中，会将反应器外的冷空气带入反应器内，起到双重降温的作用；(5)利用气升方式实现藻液的快速循环，对藻细胞损伤小，可用于无细胞壁的微藻的培养。
附图说明
图1为本发明实现二氧化碳高效固定的光生物反应器的一较优实施例，为喷淋式光生物反应器培养系统类型一结构示意图；
图2为本发明实现二氧化碳高效固定的光生物反应器的另一较优实施例，为喷淋式光生物反应器培养系统类型二结构示意图；
图3为循环泵循环系统工作原理图；
图4为气升式循环系统工作原理图；
图5A为藻液喷淋器类型一结构示意图；
图5B为藻液喷淋器类型二结构示意图；
图5C为藻液喷淋器类型三结构示意图；
图5D为藻液喷淋器类型四结构示意图。
具体实施方式
理论上，高效去除二氧化碳的光生物反应器需满足以下两关键因素：(1)微藻具有高的光合效率；(2)较高气液传递效率。本发明在上述两个关键问题基础上，提出一种新型喷淋式光生物反应器，可高效固定二氧化碳，其成本低廉，放大容易，完全满足大规模培养的需要。利用该光生物反应器培养产油能源微藻，为解决环境和能源双重危机提供了较好的方法。
具体而言，本发明的优选实施例提供一种实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，即喷淋式光生物反应器培养系统包括平板式光生物反应器、金属支撑架、藻液喷淋单元、藻液循环系统、工业废气前处理单元，以下分别对各部分的结构、功能及原理进行描述。
所述平板式光生物反应器(以下简称平板反应器)是由若干特定规格的透明平板，通过粘合剂粘合而形成的透明反应容器，位于喷淋式光生物反应器(藻液喷淋单元)的底部，主要用于培养藻液的暂时储存；同时平板反应器中的藻细胞也可进行光合作用，实现二氧化碳的初步固定和生物量的积累。该平板式光生物反应器侧面安装有通气管路接口、藻液外循环管接口和冷凝管接口等。关于平板式光生物反应器的串联放大技术已在另一专利申请中详述，鉴于其并非本发明关键所在，在此不再赘述。
所述金属支撑架安装在平板式光生物反应器的上表面，主要用于藻液喷淋单元的支撑和固定。金属支撑架与平板式光生物反应器上表面之间留有空隙，保证平板光生物反应器与外界可进行气体交换。
所述藻液喷淋单元为整个培养系统的核心结构，包括喷淋器和透明幕墙。其中喷淋器的作用是将藻液分成若干较细的液束，产生的液束回流至平板光生物反应器的过程中，可与上升的气体形成对流，有利于二氧化碳的吸收。将液流变为若干细液束，增大了藻细胞与气体的接触面积，提高了微藻的固碳速率。细液束不会对反应器侧面产生液压，可降低反应器的构建难度和成本。细液束有利于光线的透射，可提高光能利用效率。藻液喷淋会带动空气流动起到藻液降温的作用，同时藻液向低位储液池流动的过程中，会将反应器外的冷空气带入反应器内，起到双重降温的作用。透明幕墙由透光度较高的硬质或软质材料制成，在保证光线高透光率的前提下，其主要作用是防止藻液喷溅并阻止藻液与外界环境接触。
藻液循环系统的主要作用是实现藻液的循环，保证藻液可以由平板光生物反应器快速进入喷淋器中。对于机械抗性较强的藻株可采用循环泵系统，对于机械抗性较弱的藻株(无细胞壁藻株)可采用气升式循环系统。
工业废气前处理单元主要负责去除工业废气中对微藻生长有害的SOx、NOx等污染物。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
参见图1和图2，为本发明的两种较优实施例，其中1为平板光生物反应器，11为冷凝管接口，12为外循环管接口，13为通气管路接口，2为金属支撑架，21为反应器盖板，31为藻液喷淋器，32为透明幕墙，33为外循环管接口。各结构的功能已在发明原理中详述，在此不再重复。平板光生物反应器1可以采用内拉筋或外置加固的方式进行规模放大，其培养体积按实际需要进行设置。透明幕墙32可由透明塑料薄膜或硬质薄有机玻璃板制成，当选择透明塑料薄膜时(图1)，可用金属丝或塑料绳制作网格，将透明塑料薄膜固定其上即可。当选择硬质薄有机玻璃板时(图2)，可在金属支撑架2上安装金属卡槽，有机玻璃板可嵌入其中，同样可以起到固定的作用。冷却循环水所需的水冷机或风冷机需另行购置。经工业废气前处理单元初步处理的废气，由通气管路接口13进入平板光生物反应器中，进行高效固定。
参见图3和图4，为本培养系统的两种藻液循环示意图。图3为循环泵循环系统的工作原理图，其藻液循环的动力源为循环泵，藻液喷淋至平板光生物反应器中，经充分混合后，在循环泵的加压作用下，由外循环管进入喷淋器，完成藻液循环。该循环系统可用于机械抗性较强的微藻的培养(小球藻等)。图4为气升式循环系统，该系统由高位槽、外循环管、气源等结构组成。气源提供藻液循环的动力，当气源鼓入压缩空气后，气泡在气升力的作用下向上运动，带动平板光生物反应器中的藻液经过外循环管进入高位槽中，而后在重力的作用下进入喷淋器，完成藻液循环。该循环方式对藻细胞的损伤较小，适宜无细胞壁微藻的培养。
在遵循本发明设计原理的基础上，可以构建多种不同形式的喷淋器，现举例说明如下：
(1)喷淋器类型一
参见图5A，由塑料或金属材料制成的中空长方盒，其下底面开具若干均匀分布的小圆孔，上表面安装两组外循环管接口，用于藻液的进入。
(2)喷淋器类型二
参见图5B，由塑料或金属材料制成的横截面为半圆形的长管，其两端封口，下底面开具若干均匀分布的小圆孔，半圆型管的上弧面安装两组外循环管接口，用于藻液的进入。
(3)喷淋器类型三
参见图5C，由若干平行且相互连通的的塑料管或不锈钢管组成，管面上开具若干均匀分布的小圆孔，左右两侧安装外循环管接口。
(4)喷淋器类型四
参见图5D，外形类似于喷淋器类型一，不同之处在于，喷淋器类型四的下表面未开具小圆孔，喷淋器的前侧面低于后侧面，使得藻液可由如图5D所示的前表面流下，形成瀑布式藻液流。
如前述，传统光生物反应器用于工业废气中二氧化碳的脱除，其效率较低，微藻生物质的产量不高，且反应器构建成本昂贵，规模放大困难，光能传递效率低。
而本发明提出一种新型喷淋式光生物反应器系统，首次将藻液喷淋技术引入光生物反应器的设计中，大大提高了光生物反应器的生产效率。在实际研究和生产中，解决了以下关键技术问题：(1)光生物反应器的低成本构建和规模放大；(2)二氧化碳的高效固定；(3)光能传递效率高；(4)气液传质效率高；(5)培养液的高效降温。
以上仅是本发明的优选实施方式，其关键点是通过喷淋的方式将藻液分成若干较细的液束，增加了光线的透过率和气液传质速率，提高了微藻的二氧化碳固定效率，实现了藻液的快速降温。应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，其特征在于，包括平板式光生物反应器、金属支撑架、藻液喷淋单元、藻液循环系统及工业废气前处理单元，其中：所述平板式光生物反应器接入所述工业废气前处理单元；所述金属支撑架安装在所述平板式光生物反应器的上表面，用以支撑和固定所述藻液喷淋单元；所述藻液循环系统包括连通所述平板式光生物反应器和所述藻液喷淋单元的外循环管及驱动藻液循环的动力系统；所述藻液喷淋单元包括用以分散流下藻液的喷淋器和用以防止藻液喷溅并阻止藻液与外界环境接触的透明幕墙。
2.如权利要求1所述的实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，其特征在于，所述平板式光生物反应器为由若干预定规格透明平板粘合而成的透明反应容器，所述透明反应容器的侧面安装有通气管接口、外循环管接口和冷凝管接口。
3.如权利要求1所述的实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，其特征在于，所述动力系统为循环泵，位于所述外循环管上。
4.如权利要求1所述的实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，其特征在于，设置有高位槽，所述高位槽的进液口和出液口分别通过外循环管连通所述平板式光生物反应器和所述藻液喷淋单元；所述动力系统为气源，所述气源的供气口接在所述外循环管的上升管路上。
5.如权利要求1所述的实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，其特征在于，所述透明幕墙由透明塑料薄膜制成，所述透明塑料薄膜覆盖于一固定网格上。
6.如权利要求1所述的实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，其特征在于，所述透明幕墙由有机玻璃板制成，所述有机玻璃板嵌于所述金属支撑架上的卡槽之中。
7.如权利要求1所述的实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，其特征在于，所述喷淋器为一中空长方盒，所述中空长方盒的下底面开具若干均匀分布的小孔，上表面安装外循环管接口。
8.如权利要求1所述的实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，其特征在于，所述喷淋器为一横截面为半圆形的长管，所述长管的两端封口，下底面开具若干均匀分布的小孔，上弧面安装外循环管接口。
9.如权利要求1所述的实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，其特征在于，所述喷淋器由若干平行且相互连通的管子组成，管子的管面上开具若干均匀分布的小孔，左右两侧安装外循环管接口。
10.如权利要求1所述的实现二氧化碳高效固定的光生物反应器，其特征在于，所述喷淋器为一中空长方盒，所述中空长方盒的的前侧面低于后侧面，上表面安装外循环管接口。
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