CN103897979B - 一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器 - Google Patents
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Abstract
一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器，包括循环进液管、循环出液管、连接管、套管接头、法兰盘、光反应管、温控管、温控进液管、温控出液管、阀门、循环泵、温控循环管；其特征在于循环进液管、连接管、套管接头、法兰盘、光反应管、循环出液管构成管道式光生物反应器，循环泵、连接管、温控进液管、温控管、温控出液管、温控循环管、阀门构成循环温控系统；其内置式温控管道既能保障管道反应器的光通量，以改善微藻光合作用效率和培养效率，又能有效控制微藻养殖过程中的温度以满足微藻生长和季节变化的要求，循环控温装置水循环再利用方法大大减少水资源的浪费，并降低微藻综合生产成本。
Description
技术领域
本发明属于微藻生物工程领域，尤其是一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器。
背景技术
微藻是一类在全球水体广泛分布，营养丰富、光合利用度高的浮游植物，在食品、医药、基因工程、能源、新材料和环境治理等领域具有很好的开发前景。传统微藻大规模养殖多采用的开放池式培育方式由于占地大、生产不稳定、易污染、培养效率低、质量安全等问题将逐渐被淘汰，取而代之的是新兴的密闭式光生物反应器，包括：1、管道式反应器，2、板式反应器，3、光纤反应器，4、发光二极管反应器等。其中，管道式反应器以更好的产能、控制性、低能耗，高质量和产品安全性等优点优势最为突出，将成为未来密闭式微藻养殖技术发展的趋势。微藻产业突出的资源再生性，使其被定义为一个可持续发展的现代循环经济产业，因此对微藻养殖的安全性、经济性和环境性提出了更高要求。
微藻生长繁殖的必要元素有很多，除光照、营养外对其影响最大的是温度。大多数经济微藻的最适生长温度在20-30℃，低温可使微藻生长繁殖减缓至停止，生产效率低下；高温抑制微藻生理活性，使其生长繁殖能力降低，更可能造成微藻死亡，导致整个培养失败。高温对微藻规模化养殖的破坏远远大于低温造成的影响。因此，温度控制被大规模应用于规模化养殖微藻，成为微藻养殖必须的一个配套环节。
目前，国内外大多数管道式微藻反应器均采取喷淋方式来解决温度控制问题，喷淋水雾化效果好，喷洒面积大，容易挥发，难以回收循环利用，造成了巨大的水资源浪费。以南方为例，每年5-10月需要降温，为控制培养温度低于30℃，每天喷淋时间至少喷淋5小时以上。以此计算，一个规模为1000吨培养量的微藻养殖厂，每天需要冷却用水为570吨（每月17100吨，每年85500吨）。若此部分水使用循环系统循环使用，则每年节水8万多立方米。
发明内容
本发明的目的是提供一种微藻养殖过程中用于循环控制温度的管道式光反应器，使微藻在恒温条件下进行养殖。
一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器，包括循环进液管、循环出液管、连接管、套管接头、法兰盘、光反应管、温控管、温控进液管、温控出液管、阀门、循环泵、温控循环管；其特征在于循环进液管、连接管、套管接头、法兰盘、光反应管、循环出液管构成管道式光生物反应器，循环泵、连接管、温控进液管、温控管、温控出液管、温控循环管、阀门构成循环温控系统；温控管管口直径小于光反应管管口直径，温控管穿过套管接头和光反应管内部分别与温控进液管和温控出液管连接，与套管接头、光反应管形成空腔结构；两个套管接头通过法兰盘分别连接在光反应管两端，两个光反应管之间通过两个套管接头相连接成“U”型结构；
所述循环进液管通过连接管与套管接头一端相连，套管接头通过法兰盘与光反应管连接，循环出液管也通过连接管与套管接头和光反应管连接；
所述温控进液管通过连接管与循环泵和阀门相连，温控循环管直接将温控出液管与温控进液管相连。
所述连接管可改变为弯管，可改变与其连接实体的方向。
使用时，微藻藻液从循环进液管进入，经连接管和套管接头到达温控管、套管接头和光反应管形成的空腔结构内，通过光照培养养殖后经循环出液管排出；
微藻藻液在培养养殖过程中需要控制温度，循环液经循环泵加压从温控进液管进入温控管，通过温控管外壁与微藻藻液接触控制温度后从循环出液管排出，温控循环管将已排出的循环液再次输入温控进液管进行循环利用，温控出液管一端可连接循环液处理设备。
优选的，所述光反应管两端为法兰盘，所述套管接头为三通管且一端设置法兰盘，光反应管与套管接头通过法兰盘紧密连接。
优选的，所述温控管外径与光反应管的内径之间的间距为10-50mm，温控管材质为玻璃。
优选的，所述温控管与光反应管至少为1个，多个光反应管经套管接头连接构成S型。
优选的，所述循环液为温度范围在10℃~50℃的水。
优选的，所述光反应管、温控管、循环进液管、循环出液管、温控进液管、温控出液管、温控循环管上设置有温度感应器，如：电子温度计。
优选的，所述温控进液管、温控出液管、温控循环管上设置有阀门。
优选的，所述套管接头可选用塑料、玻璃或不锈钢金属材质，光反应管与套管接头连接的法兰盘可替换为胶套或粘合方式连接。
本发明提供了一种大规模微藻养殖过程中微藻养殖和温度控制的装置及方法，其内置式温控管道既能保障管道反应器的光通量，以改善微藻光合作用效率和培养效率，又能有效控制微藻养殖过程中的温度以满足微藻生长和季节变化的要求。更重要的是，循环控温装置水循环再利用方法大大减少水资源的浪费，并降低微藻综合生产成本。本发明适用于所有管道式微藻培养装置。
本发明与现有技术相比，具有以下效果和优点：
1、节约并充分利用水资源，经过热交换的水经循环系统反复使用；
2、可以冷却和升温，应对大规模微藻养殖的季节性变化；
3、温控管道与培养液直接接触，热交换面积大，温控效果好；
4、实时温度监测藻液和温控液的温度变化，加上部分和整体控温切换操作简便，便于温度微调，精确量化控温；
5、内置透明温控管道，不影响微藻光和效率；
6、采用地下蓄水池冷却方法，无能耗；
7、可与任意热/冷源对接兼容，增强了反应器装置的扩展性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器的结构图；
图2是本发明一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器中光反应器的结构图；
图3是本发明一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器中温控系统的结构图；
图4是本发明一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器中光反应管的轴测图；
图5是本发明一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器中套管接头的轴测图；
图6是本发明一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器中套管连接关系的轴测图；
以上附图中所示标注为：1循环出液管、2循环进液管、3连接管、4套管接头、5法兰盘、6光反应管、7温控管、8温控进液管、9温控出液管、10阀门、11循环泵、12温控循环管。
具体实施方式
一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器，如图1所示：包括循环进液管、循环出液管、连接管、套管接头、法兰盘、光反应管、温控管、温控进液管、温控出液管、阀门、循环泵、温控循环管；其中，循环进液管、连接管、套管接头、法兰盘、光反应管、循环出液管构成管道式光生物反应器，循环泵、连接管、温控进液管、温控管、温控出液管、温控循环管、阀门构成循环温控系统；温控管管口直径小于光反应管管口直径，温控管穿过套管接头和光反应管内部分别与温控进液管和温控出液管连接，与套管接头、光反应管形成空腔结构；两个套管接头通过法兰盘分别连接在光反应管两端，两个光反应管之间通过两个套管接头相连接成“U”型结构；
所述循环进液管通过连接管与套管接头一端相连，套管接头通过法兰盘与光反应管连接，循环出液管也通过连接管与套管接头和光反应管连接；
所述温控进液管通过连接管与循环泵和阀门相连，温控循环管直接将温控出液管与温控进液管相连；
所述连接管可改变为弯管，可改变与其连接实体的方向；
如图2所示，微藻藻液从循环进液管进入，经连接管和套管接头到达温控管、套管接头和光反应管形成的空腔结构内，通过光照培养养殖后经循环出液管排出；
微藻藻液在培养养殖过程中需要控制温度，如图3所示，循环液经循环泵加压从温控进液管进入温控管，通过温控管外壁与微藻藻液接触控制温度后从循环出液管排出，温控循环管将已排出的循环液再次输入温控进液管进行循环利用，温控出液管一端可连接循环液处理设备。
如图4所示，光反应管两端设置有法兰盘；如图5所示，连接套管为三通管；如图6所示，连接套管一端的法兰盘与光反应管一端的法兰盘连接，一端的管口口径与温控管的外径一致，两个连接套管通过顶部管口相连通，连通套管可以温控管为中轴旋转任意角度相互连接。
使用时，所述光反应管两端为法兰盘，所述套管接头为三通管且一端设置法兰盘，光反应管与套管接头通过法兰盘紧密连接。
使用时，所述温控管外径与光反应管的内径之间的间距为10-50mm，温控管材质为玻璃。
使用时，所述温控管与光反应管至少为1个，多个光反应管经套管接头连接构成S型。
使用时，所述循环液为温度范围在10℃~50℃的水，控制藻液温度在20℃~30℃。
使用时，所述光反应管、温控管、循环进液管、循环出液管、温控进液管、温控出液管、温控循环管上设置有温度感应器，如：电子温度计。
使用时，所述温控进液管、温控出液管、温控循环管上设置有阀门。
使用时，所述套管接头可选用塑料、玻璃或不锈钢金属材质，光反应管与套管接头连接的法兰盘可替换为胶套或粘合方式连接。
本发明采用部分循环和整体循环相结合的方式进行循环控温，提供了操作选择性和生产管理的灵活性。藻液的温度是指不同微藻的最佳生长温度，如：雨生红球藻最佳生长温度为20~25℃，螺旋藻最佳的生长温度为30～37℃，小球藻最佳的生长温度为20-23℃，高温或过度冷却都会使微藻生长缓慢、培养周期延长、生产效率迅速下降或者导致培养失败。
实施例1：冷却降温
在室温下进行微藻培养时，藻液、营养液和水从循环进液管进入，经连接管和连接套管后注入并充满光反应管，通过光照培养养殖后经循环出液管排出。在向循环进液管输送藻液、营养液和水的同时注入一定量的二氧化碳气体，微藻在光反应管中进行光合作用,藻液吸收太阳热量，使光反应管与温控管间腔体内的藻液温度升高；当温度感应器感知光反应管内藻液或温控管内循环液的温度高于设定的温度时，打开阀门使循环泵将冷水输送至温控进液管，温控进液管分流输送至各个温控管，在温控管中与光反应管内的藻液进行热交换，使光反应管内的藻液温度降低后从温控出液管排出。温控出液管的端部连接冷却水源，可使用辅助冷却设备冷却循环水，也可使用地下蓄水池作为冷却设备冷却水。当循环泵使用辅助冷却设备冷却循环水时，温控循环管与辅助冷却设备相连，循环水从循环排液管排出后，经辅助冷却设备冷却后由循环泵再次输送至温控进液管，然后分流进入温控管，冷却水与光反应管和温控管形成空腔中的藻液进行热交换，使藻液降温冷却，冷却水温度升高，升温后的冷却水输送至温控出液管，再由温控出液管输送至辅助冷却设备，完成整个循环冷却过程。当循环泵使用地下蓄水池冷却循环水时，温控循环管与地下蓄水池相连，冷却水从地下蓄水池抽出，经循环泵输送至温控进液管，然后分流进入温控管，冷却水与光反应管和温控管形成空腔中的藻液进行热交换，使藻液降温冷却，冷却水温度升高，升温后的冷却水输送至温控出液管，经连接管和温控出液管回流入地下蓄水池，完成整个循环冷却过程。观察位于温控进液管和温控出液管内的温度感应器，监测藻液和冷却水的实时温度变化。根据藻液温度要求和生产管理需要，可在温控循环管和温控出液管的端部设置阀门，即可采取开启温控出液管阀门和关闭温控循环管阀门，结合地下蓄水池的结构连通形成整体循环冷却；也可采取关闭温控出液管阀门和开启温控循环管阀门，切换成部分循环冷却结构，此时冷却水不与地下蓄水池水交换，而是反复在温控系统内循环。
利用热交换原理和比热容参数，可根据光生物反应器的培养容量和温度控制要求设计地下蓄水池的容量，以使冷却水在地下蓄水池中降温（热交换）总量大于在管道反应器中（升温）热交换总量，即能实现持续循环冷却。
实施例2：加热升温
在低温下进行微藻培养时，当外界环境的温度不能为微藻的生长提供适宜温度，便需要加热升温使微藻在恒温下进行培养。藻液、营养液和水从循环进液管进入，经连接管和连接套管后充满光反应管，通过光照培养养殖后经循环出液管排出。在向循环进液管输送藻液、营养液和水的同时注入一定量的二氧化碳气体，这时，光反应管中的藻液不断向环境释放热量，藻液温度持续降低，微藻生产效率下降或停止生长。当温度感应器感知光反应管内藻液或温控管内循环液的温度低于设定的温度时，打开阀门使循环泵将温水输送至温控进液管，温控进液管分流输送至各个温控管，在温控管中与光反应管内的藻液进行热交换，使光反应管内的藻液升温后从温控出液管排出。温控出液管的端部连接温水水源，可选用辅助加热设备加热循环水，当循环泵使用辅助加热设备加热循环水时，温控循环管与辅助加热设备相连，循环水从温控出液管排出后，经辅助加热设备加热后由循环泵再次输送至温控进液管，然后分流进入温控管，温水与光反应管和温控管形成空腔中的藻液进行热交换，使藻液加热升温，循环液水温度降低，降温后的循环水输送至温控出液管，再由温控出液管输送至辅助加热设备，完成整个循环升温过程。辅助加热设备包括锅炉、电热水器或利用工业尾气及排放的余热作为热源加热循环水。热源须设置调节功率或热量的装置、温度感应器、高温预警器等以严格控制加热水温不超过微藻生长的最大承受范围。
Claims (8)
1.一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器，包括循环进液管、循环出液管、连接管、套管接头、法兰盘、光反应管、温控管、温控进液管、温控出液管、阀门、循环泵、温控循环管；其特征在于循环进液管、连接管、套管接头、法兰盘、光反应管、循环出液管构成管道式光生物反应器，循环泵、接连管、温控进液管、温控管、温控出液管、温控循环管、阀门构成循环温控系统；温控管管口直径小于光反应管管口直径，温控管穿过套管接头和光反应管内部分别与温控进液管和温控出液管连接，与套管接头、光反应管形成空腔结构；两个套管接头通过法兰盘分别连接在光反应管两端，两个光反应管之间通过两个套管接头相连接成“U”型结构；所述循环进液管通过连接管与套管接头一端相连，套管接头通过法兰盘与光反应管连接，循环出液管也通过连接管与套管接头和光反应管连接；所述温控进液管通过连接管与循环泵和阀门相连，温控循环管直接将温控出液管与温控进液管相连；所述光反应管、温控管、循环进液管、循环出液管、温控进液管、温控出液管、温控循环管上设置有温度感应器。
2.根据权利要求1所述一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器，其特征在于：微藻藻液从循环进液管进入，经连接管和套管接头到达温控管、套管接头和光反应管形成的空腔结构内，通过光照培养养殖后经循环出液管排出；循环液经循环泵加压从温控进液管进入温控管，通过温控管外壁与微藻藻液接触控制温度后从温控出液管排出，温控循环管将已排出的循环液再次输入温控进液管进行循环，温控出液管一端可连接循环液处理设备。
3.根据权利要求1所述一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器，其特征在于：所述光反应管两端为法兰盘，所述套管接头为三通管且一端设置法兰盘，光反应管与套管接头通过法兰盘紧密连接。
4.根据权利要求1所述一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器，其特征在于：所述温控管外径与光反应管的内径之间的间距为10-50mm，温控管材质为玻璃。
5.根据权利要求1所述一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器，其特征在于：所述温控管与光反应管至少为1个，多个光反应管经套管接头连接构成S型。
6.根据权利要求1所述一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器，其特征在于：所述循环液为温度范围在10℃～50℃的水。
7.根据权利要求1所述一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器，其特征在于：所述温控进液管、温控出液管、温控循环管上设置有阀门。
8.根据权利要求1所述一种内置式循环温控系统的管道式光生物反应器，其特征在于：所述套管接头可选用塑料、玻璃或不锈钢金属材质，光反应管与套管接头连接的法兰盘可替换为胶套或粘合方式连接。
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