CN103374511A

CN103374511A - 一种气升式环流光生物反应器

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Publication number: CN103374511A
Application number: CN2012101069787A
Authority: CN
Inventors: 杨宁; 李雪梅; 王玉华; 李静海
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-04-12
Also published as: CN103374511B

Abstract

本发明涉及一种气升式环流光生物反应器。所述反应器是将光源分别安装于反应器外筒和内导流筒的壁面处，气体从环流反应器底部的气体分布器进入反应器，驱动反应器内的微藻溶液环流，使光源产生的光能照射内外套筒间的区域，从而充分利用微藻的闪光效应，促进微藻的培养。本发明利用双通量法确定内外双面照射反应器下降段径向距离，从而可以对光源内外同时照射下降段的气升式环流光生物反应器进行设计和放大。

Description

一种气升式环流光生物反应器

技术领域

本发明涉及一种内外光源同时照射下降段的气升式环流光生物反应器，属于生物化工领域。该反应器特别适合于微藻的培养，从而可用于制备生物柴油，生产药品和食品等高经济附加值产品以及固定二氧化碳，达到环境保护的目的。

背景技术

气升式环流反应器是一种新型的反应设备，由于其高效的传热传质特性和良好的混合特性，在生物、化学和环境工程中得到了很广泛的应用。气升式环流反应器主要由上升管、下降管和气液分离区三部分组成，其结构简单，无搅拌装置。在整个反应过程中，反应器内相含率分布、液体循环速率等是影响气液传质传热的关键变量。

目前，微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。开放式光生物反应器构建简单、成本低廉及操作简便，但存在易受污染、培养条件不稳定等缺点。封闭式反应器培养条件稳定，可无菌操作，易进行高密度培养，已成为今后的发展方向。与开放式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器具有以下优点：(1)无污染，能实现单种、纯种培养；(2)培养条件易于控制；(3)培养密度高，易收获；(4)适合于所有微藻的光自养培养，尤其适合于微藻代谢产物的生产；(5)有较高的光照面积与培养体积之比，光能和CO₂利用率较高等突出优点。因此，近年来在国外研制和开发利用较快，已实现了高密度商业化培养。目前一般封闭式光生物反应器有：管道式、平板式、柱状气升式等。

与其它各类光生物反应器比较，气升式反应器的优点是：①造价低、易操作、实用性强，可在无人值守条件下长期运转；②占地面积小，光能利用效率和产量高；③结构简洁，可防止藻类附壁、缠绕和形成死角，有利于长期培养；④搅拌装置湍动温和均匀，剪切力小，不损伤藻类，循环速度高并形成湍流，提高光能利用效率，可实现高密度培养；⑤培养液无氧饱和，温度不会异常升高，不需要附加脱氧装置，不需要采用附加的降温装置和措施。

CN 2748464Y涉及一种用于藻类及其它光合生物细胞悬浮培养的气升式光生物反应器。气体分布器采用圆形多孔气体分布板式气体分布器，气体分布器的下端为锥面或球面，将内光源密封管设计成具有一段凸起或两个凸环的结构，使内光源密封管能够更加稳固；在反应器罐体的外面安装一圈灯罩，使外光源能集成在灯罩内。采用内外光源相结合的照光方式，适用于光合生物细胞培养及相关代谢产物的生产。

CN 102352304A涉及一种光强在线调控的气升式光生物反应器，包括反应器筒体内设的光源玻璃筒和导流筒筒体，反应器筒体侧壁的辐射仪接口组件，以及反应器外设的光调控系统。所述光源玻璃筒采用导流筒外环隙内置的方式，所述导流筒筒体与上盖及光源玻璃筒连接成整体并采用机械化轨道的升降方式；所述辐射仪接口组件可与球状辐射仪配合使用；所述光调控系统通过可进行PLC控制的智能可控直流电源，进行LED光源光强的在线调节。

气升式环流光生物反应器已被逐渐用于生物化工领域。例如，微藻通过光合作用合成的油脂是一种制备生物柴油的大宗原料。光能是微藻生物柴油的唯一能量来源，微藻反应器中的光分布对微藻的生长速率和产量有着巨大的影响。气升式环流反应器作为微藻合成油脂的光生物反应器，一般来说，液相下降段中的微藻处于有光区，但上升段的微藻处于无光区。微藻在光区和暗区之间间断运行，形成闪光效应，可以促进微藻的生长。因此，下降段中的光强的衰减分布比较重要。除此以外，与搅拌式反应器相比，气升式环流反应器不需要搅拌装置，因此可以减小能量的投入和降低微藻污染的风险。气升式环流反应器中氧气和二氧化碳可以得到有效的交换，且流场稳定，较小的剪切力也可以减小对微藻的损耗，因此在微藻培养中广泛使用。

由于微藻细胞对光照条件的变化比较敏感，光强的改变对微藻的生长有明显的影响，例如，最适宜紫球藻生长的光强约为100μEm^-2s^-1到200μEm^-2s^-1。如光强太弱，微藻生长中所需光照不足，引起微藻生长速率较低；如光强太强，部分光合作用单元处于光抑制状态从而无法进行光合作用，同样使光合作用效率降低，微藻生长缓慢。因此在光生物反应器中反应器结构设计及其光源的布局非常重要。

目前使用光源有内置光源和外置光源两种方式，对于平板型光生物反应器，已经采用的光源双面照射方式表明可以减小微藻的遮光效应，更好的促进微藻的生长。Wu(X.X.Wu，J.C.Merchuk，Measurement of fluid flow in the downcomerof an internal loop airlift reactor using an optical trajectory-tracking system，Chem.Eng.Sci.，58(2003)1599-1614.)使用光学轨道跟踪系统测量了气升式环流反应器下降段的流场分布，发现下降段大部分区域接近平推流，在光衰减梯度方向，即半径方向速度波动较小，微藻相互之间的遮光效应比较严重。

发明内容

本发明的主要目的，即在于消除上述光生物反应器的缺点。鉴于单纯使用内置光源或者外置光源的方法，不能有效的避免微藻的遮光效应，而现有的文献中虽然有内置光源和外置光源组合照射的实验研究，但是微藻的闪光效应并未得到充分利用，且内置光源和外置光源的设计参数难以准确确定。本发明采用内置光源与外置光源组合同时只照射气升式环流光生物反应器下降段的方法，充分利用微藻的闪光效应，并使用双通量方法确定反应器的关键设计参数(内外套筒间的距离)，从而充分的利用了微藻的闪光效应，减小微藻的遮光效应，促进微藻的培养。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种气升式环流光生物反应器，所述反应器利用内外光源同时照射下降段。

所述反应器包括反应器主体、反应器底部的气体分布器以及反应器壁上的光源。

进一步地，所述反应器包括同轴套装的外筒、内导流筒以及气体分布器。气体分布器置于内导流筒的底部，外筒和内导流筒的筒壁上分别安装有外置光源和内置光源。

进一步地，所述气体分布器为中心进气的多孔管式分布器。本发明设计有利于通入气体的均匀分布，流动性更为均匀，避免死角，气液混合更有效。

更进一步地，所述反应器还连接有配气系统、监测系统、尾气分析系统。其具体设计可由本领域技术人员根据实际情况以及自己的经验进行，本发明并无特殊限制。

如果内外套筒主要通过反应器顶部固定，内导流筒上部筒壁上需要设置径向分布的溢流孔；如果是通过顶部和底部以及侧面同时加强固定，顶部除去固定件的部分空间就可作为溢流部分，而不必另外设置溢流孔。

本发明通过双通量方法确定反应器外筒与内导流筒间的间距ΔR(ΔR＝R₂-R₁)，R₁为环流反应器内导流筒半径，R₂为环流反应器外筒半径。该反应器的最为关键的设计参数为外筒与内导流筒半径之差，而筒体本身的半径大小对光强分布影响不大。本发明采用双通量方法(two flux方法)能够有效确定这一关键设计参数。

进一步地，所述反应器上升段和下降段的面积比R₁ ²/(R₂ ²-R₁ ²)为0.5～1.2，例如0.55，0.75，0.88，0.96，1.1，1.18等，优选0.75～1.0。面积比越大，则流场的分布越均匀，避免死角，气液混合效果更有效；然而面积比越大，同样外筒直径的环流反应器，则下降段的有效空间必然越小，反应区域变小，而这是不利的。

进一步地，所述反应器的表观气速0.005～0.1m/s，例如0.008m/s，0.02m/s，0.045m/s，0.068m/s，0.08m/s，0.09m/s等，优选0.01～0.05m/s。表观气速太大，则剪切力过大，会伤害微藻细胞，而表观气速太小，则不能形成有效的环流。

本发明双通量方法同样适用于确定双面同时照射下降段的气升式板式环流反应器的关键参数(光强传输的距离)。

将两套光源分别安装于环流反应器外筒和内导流筒的壁面处，气体从环流反应器底部的气体分布器进入反应器，驱动反应器内的微藻溶液环流，使光源产生的光能照射内外套筒间的区域，并使用双通量方法确定内外套筒间的距离，从而提供了一种内外光源同时照射反应器下降段的光生物反应器的设计方法。

该反应器的最为关键的设计参数为外筒与内导流筒半径之差，而筒体本身的半径大小对光强分布影响不大。本发明采用双通量方法(two flux方法)确定这一关键设计参数。双通量方法(two flux方法)将光散射部分分为前向和后向两部分(two-flux)。一维空间光辐射传递方程在圆柱坐标中的two flux形式是：

\{\begin{matrix} \frac{d ({rF}^{+})}{dr} = - E_{a} C_{x} r F^{+} - {bE}_{s} C_{x} r (F^{+} - F^{-}) \\ \frac{d ({rF}^{-})}{dr} = E_{a} C_{x} r F^{-} - {bE}_{s} C_{x} r (F^{+} - F^{-}) \end{matrix} - - - (1)

其中：

b = \frac{1}{2} {&Integral;}_{\frac{π}{2}}^{π} P (θ, θ^{'}) \sin θ^{'} {dθ}^{'}

其中，F⁺和F^-分别是沿着前向和后向传输的光强强度，总光强F＝F⁺+F^-，E_a和E_s分别是微藻的吸收系数和散射系数，C_x是微藻的生物量浓度，b是后向散射的几率。各向同性反应器中，b取值是0.5。

在气升式环流光生物反应器中，边界条件为：

\{\begin{matrix} r = R_{1}, & F^{+} = F_{0} \\ r = R_{2}, & F^{-} = F_{0} \end{matrix} - - - (2)

此处：R₁为环流反应器内导流筒半径，R₂为环流反应器外筒半径。

令：G＝F⁺+F^-

\frac{G}{F_{0}} = (1 + \frac{β}{k_{2}} + \frac{k_{1} + k_{2}}{k_{2}}) \frac{c_{1} e^{βr}}{r} + (1 - \frac{β}{k_{2}} + \frac{k_{1}}{k_{1} + k_{2}}) \frac{c_{2} e^{- βr}}{r}

此处：

c_{1} = \frac{[R_{2} k_{2} e^{- β R_{1}} + (β - k_{1} - k_{2}) R_{1} e^{- β R_{2}}]}{(β + k_{1} + k_{2}) e^{- β R_{1}} e^{β R_{2}} + (β - k_{1} - k_{2}) e^{β R_{1}} e^{- β R_{2}}} - - - (3)

c_{2} = \frac{[R_{1} (β + k_{1} + k_{2}) e^{β R_{2}} - R_{2} k_{2} e^{β R_{1}}]}{(β + k_{1} + k_{2}) e^{- β R_{1}} e^{β R_{2}} + (β - k_{1} - k_{2}) e^{β R_{1}} e^{- β R_{2}}}

\{\begin{matrix} β = \sqrt{E_{a} (E_{a} + E_{s})} C_{x} \\ k_{1} = E_{a} C_{x} and k_{2} = E_{s} C_{x} / 2 \end{matrix}

一旦光生物反应器的外筒半径R₂和微藻的浓度确定，即可通过选择不同的光生物反应器的内导流筒半径R₁，利用公式(3)进行计算得到不同R₁的光强分布，根据不同R₁的光强分布结果，确定关键的设计参数ΔR(ΔR＝R₂-R₁)。

本发明的有益效果是：

1、内置式光源与外置式光源组合同时照射反应器下降段，采用双通量方法获得光生物反应器的关键设计参数，从而充分的利用微藻的闪光效应，减小了微藻的遮光效应，促进微藻的培养。

2、本发明反应器具有液体混合好，气液传质强度高，剪切力低、操作简便等特点，特别适合于微藻的培养，从而可用于制备生物柴油，生产药品和食品等高经济附加值产品以及固定二氧化碳，达到环境保护的目的。

附图说明

图1是本发明的反应器的光源照射原理图。

图2是本发明的反应器中的各单元的布置图。

图3是本发明的反应器下降段一个具体实施例中的光强分布图。

图中：1.外筒；2.内导流筒；3.内置光源；4.外置光源；5.气体分布器。

在图1中，指向环流反应器外筒的箭头表示外置光源照射方向，指向环流反应器内筒的箭头表示内置光源照射方向。

在图3中，+表示内外双面同时照射，□表示单面照射

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的权利范围以权利要求书为准。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

在图1中，外置光源和内置光源的光能组合照射的区域为环流反应器外筒(1)和环流反应器内导流筒(2)之间的区域，即环流反应器的下降段。

在图2所示实施例中，一种气升式环流光生物反应器，包括同轴套装的外筒(1)、内导流筒(2)以及圆形多孔板式气体分布器(5)。所述气体分布器(5)置于内导流筒(2)的底部，外筒(1)和内导流筒(2)的筒壁上分别安装有外置光源(4)和内置光源(3)，内导流筒(2)上部筒壁上还设有径向分布的溢流孔。所述反应器还连接有配气系统、监测系统、尾气分析系统。

气体从环流反应器底部的气体分布器(5)进入反应器，驱动反应器内的微藻溶液环流，使光源产生的光能照射内外套筒间的区域。

图3中的信息是采用双通量方法得到的。浓度为0.25g/L的钝顶螺旋藻在内外双面照射下降段的气升式环流反应器内的光强分布情况。从该例的结果可以看出：当光强分布(G/F₀)的值在0.57到1.29时，采用内外双面同时照射气升式环流光反应器的内外筒间的适宜间距约为5cm，而采用单面照射的适宜间距仅为1.5cm。因此采用本发明内外双面同时照射反应器下降段的方法可以更有效地利用微藻的闪光效应，减小微藻的遮光效应，促进微藻的培养。

采用双通量方法可以有效地确定气升式环流光生物反应器的关键设计参数，有助于光生物反应器的放大和优化。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种气升式环流光生物反应器，其特征在于，所述反应器利用内外光源同时照射下降段。

2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器包括反应器主体、反应器底部的气体分布器以及反应器壁上的光源。

3.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述反应器包括同轴套装的外筒、内导流筒以及气体分布器；所述气体分布器置于内导流筒的底部，外筒和内导流筒的外筒壁上分别安装有外置光源和内置光源。

4.如权利要求2或3所述的反应器，其特征在于，所述气体分布器为中心进气的多孔管式分布器。

5.如权利要求2-4之一所述的反应器，其特征在于，所述反应器还连接有配气系统、监测系统、尾气分析系统。

6.如权利要求3-5之一所述的反应器，所述的内导流筒上部筒壁上设有径向分布的溢流孔。

7.如权利要求1-5之一所述的反应器，其特征在于，通过双通量方法确定反应器外筒与内导流筒间的间距。

8.如权利要求1-7之一所述的反应器，其特征在于，所述反应器上升段和下降段的面积比为0.5～1.2，优选0.75～1.0。

9.如权利要求1-8之一所述的反应器，其特征在于，所述反应器的表观气速0.005～0.1m/s，优选0.01～0.05m/s。

10.如权利要求1-9之一所述的反应器，其特征在于，通过双通量方法确定内外光源同时照射下降段的气升式板式环流反应器的光强传输距离。