CN103952286A - 平板气升环流式养藻光合反应器及其进行微藻养殖的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物质能利用技术，旨在提供平板气升环流式养藻光合反应器及其进行微藻养殖的方法。该平板气升环流式养藻光合反应器为箱型结构，箱型结构的顶部有一个直径为3cm的开孔，内部通过隔板分隔成三块区域，分别为中心流上升区和两个两侧流下降区；该进行微藻养殖的方法包括步骤：接种微藻液体至平板气升环流式养藻光合反应器中，在平板气升环流式养藻光合反应器的一侧设置光源，用气泵向平板气升环流式养藻光合反应器中送入的空气或工业烟气。本发明能形成一个旋转的交替更迭的大涡流动，加强了气液搅拌和物质传递，能够明显改善藻液流场和促进闪光效应，有利于提高微藻光合作用和生物质产量。

Description

平板气升环流式养藻光合反应器及其进行微藻养殖的方法
技术领域
本发明是关于生物质能利用技术，特别涉及平板气升环流式养藻光合反应器及其进行微藻养殖的方法。
背景技术
微藻能源作为第三代生物燃料是国内外新能源领域的前沿研究热点和高技术竞争焦点，而如何开发立体养藻反应器实现高密度养殖微藻、以显著提高单位占地面积上的微藻生物质产量是当前的热点和难点问题。设计光合生物反应器的关键限制因素之一是导光特性，一般可采取增加有效光强和反应器受光表面、改善气液流动特性等方法。Orlando等对三种主流的养藻反应器（跑道池式、平板式、横管式）进行了全生命周期的能量投入产出评价，指出跑道池式和平板式反应器具有较低的能耗。由于平板式反应器能够大大降低占地面积，并且更易于藻液收获分离，故在微藻能源领域具有较强的产业应用前景。
反应器内藻液流动可以从近壁区的强光状态转入中心区的弱光状态，微藻细胞接受光强的不断波动会引发一个光暗循环的闪光效应，闪光频率对微藻细胞的光合作用生长具有较大影响。加强藻液流动混合有利于物质能量传递和导光作用，但是流速过大时剪切力会导致微藻细胞破裂。故有必要改进反应器结构和通气方式等以优化藻液流场，利用闪光效应提高微藻细胞的光利用效率和生物质产量。
Perner对利用蠕动泵驱动液体通过多个横向通道进行串联式反复折流的平板光合反应器，采用Fluent软件进行了流场计算和能耗分析，通过激光多普勒测量流场验证了计算结果。Pruvost对一种微型环状光合反应器采用Fluent软件进行了流场计算，通过改变叶轮转速获得不同流场，通过粒子成像测速验证了流场计算结果。但是以上两种都不是气升环流式的反应器，都没有进行养藻试验分析流场对生物质产量的影响。Yu对仅内置两个垂直隔板的平板气升环流式反应器采用CFX软件进行了流场计算，将流场动力学参数和反应器结构与微藻生物质产量进行了关联分析，但是没有考虑微藻动态生长过程对反应器流场的影响，没有考虑光强、CO2和培养基等生长条件对微藻生物质产量的影响。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能够促进微藻生长闪光效应的新型反应器结构及其能提高了生物质产量的养殖方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供平板气升环流式养藻光合反应器，包括隔板，所述平板气升环流式养藻光合反应器为箱型结构，箱型结构包括顶部、底部、前墙、后墙和两个侧墙，顶部有一个直径为3cm的开孔，用于藻液接种和作为培养中通入的气体出口；平板气升环流式养藻光合反应器的内部通过隔板分隔成三块区域，分别为中心流上升区和两个两侧流下降区；
所述隔板包括横向隔板和垂直隔板；垂直隔板设有两块，分别与两个侧墙平行设置在平板气升环流式养藻光合反应器的内部，两块垂直隔板的中间区域为中心流上升区，两块垂直隔板分别与两个侧墙形成的两个区域为两个两侧流下降区；中心流上升区内设置有至少两组交叉导流横向隔板组，每组交叉导流横向隔板组包括两块横向隔板，两块横向隔板分别固定在前墙和后墙上，且保证相邻两块横向隔板分别固定在前墙和后墙上；在两块垂直隔板之间的平板气升环流式养藻光合反应器的底部上，设有用于作为气体分布器的玻璃砂芯。
作为进一步的改进，所述交叉导流横向隔板组等距设置在中心流上升区内。
作为进一步的改进，所述横向隔板的宽度相同，并使安装在前墙上的横向隔板与后墙之间留有2～5cm之间的距离，使安装在后墙上的横向隔板与前墙之间留有2～5cm之间的距离，并控制横向隔板在垂直方向上的间距在5～20cm之间。
作为进一步的改进，平板气升环流式养藻光合反应器还安装有气泵和玻璃转子流量计，气泵用于通过玻璃砂芯将气体送入平板气升环流式养藻光合反应器内，玻璃转子流量计安装在气泵和玻璃砂芯之间，用于控制从玻璃砂芯进入平板气升环流式养藻光合反应器的气体流量。
作为进一步的改进，所述玻璃砂芯的直径为1cm，且玻璃砂芯之间的间距在5～10cm之间。
作为进一步的改进，所述平板气升环流式养藻光合反应器是透光率在80%以上的材质的反应器，透光率在80%以上的材料包括普通玻璃、钢化玻璃、有机玻璃、塑料。
提供利用所述的平板气升环流式养藻光合反应器进行微藻养殖的方法，具体包括下述步骤：
（1）接种微藻液体至平板气升环流式养藻光合反应器中，具体操作方法是：将用于提供微藻液体生长养料的培养基从顶部的开孔接入到平板气升环流式养藻光合反应器中，接种微藻液体的高度高于平板气升环流式养藻光合反应器中垂直隔板3～5cm，接种量为5～10%；
（2）在平板气升环流式养藻光合反应器的一侧设置光源，光源用于给平板气升环流式养藻光合反应器提供光照强度为60～100μmol·m-2·s-1的连续光照，且环境温度控制在23～27℃之间；
（3）用气泵向平板气升环流式养藻光合反应器中送入0.3～0.8vvm（单位vvm即：升气体·升液体-1·min-1）的空气或工业烟气，在气体上升过程中驱动微藻液体在中心流上升区内形成向上流动的中心流，由于中心流上升区内的底部微藻液体密度降低，吸引两侧流下降区的微藻液体通过两块垂直隔板的底部间隙流入中心流上升区，从而构成一个中心藻液上升、两侧藻液下降的循环流场。
作为进一步的改进，所述步骤3中通入的工业烟气中CO2浓度范围在10～90%之间，工业烟气包括燃用化石燃料和生物质废弃物的电厂排放烟气、煤化工厂尾气和工业炉窑排放烟气。
作为进一步的改进，所述步骤2中设置的光源采用自然光源（太阳）或者人造光源（日光灯）。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
平板气升环流式养藻光合反应器中增加交叉导流横向隔板组后，能用于形成一个顺时针或逆时针旋转的交替更迭的大涡流动，加强了气液搅拌和物质传递，能够明显改善藻液流场和促进闪光效应，有利于提高微藻光合作用和生物质产量。在水平光程方向上藻液速度提高到15～22倍，藻液光暗循环周期显著降低到无横向隔板时的1/19，最终使养藻生物质量显著提高。
附图说明
图1为本发明中平板气升环流式养藻光合反应器的结构立体图。
图2为本发明中平板气升环流式养藻光合反应器的前视图(A-A)。
图3为本发明中平板气升环流式养藻光合反应器的右视图(B-B)。
图中的附图标记为：1横向隔板；2垂直隔板；3光源；4气泵；5玻璃砂芯；6前墙；7后墙。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1至图3所示的平板气升环流式养藻光合反应器为箱型结构，箱型结构包括顶部、底部、前墙6、后墙7和两个侧墙。平板气升环流式养藻光合反应器是透光率在80%以上的材质的反应器，透光率在80%以上的材料包括普通玻璃、钢化玻璃、有机玻璃、塑料等，且反应器外部及内部的所有结构在材质选择上保持一致。
平板气升环流式养藻光合反应器的内部通过隔板分隔成三块区域，分别为中心流上升区和两侧流下降区。隔板包括横向隔板1和垂直隔板2，垂直隔板2设有两块，分别与两个侧墙平行设置在平板气升环流式养藻光合反应器的内部，两块垂直隔板2的中间区域为中心流上升区，两块垂直隔板2分别与两个侧墙形成的两个区域为两个两侧流下降区。
中心流上升区内设置有至少两组等距设置的交叉导流横向隔板组，每组交叉导流横向隔板组包括两块横向隔板1，两块横向隔板1分别固定在前墙6和后墙7上，且保证相邻两块横向隔板1分别固定在前墙6和后墙7上，用于减少流动阻力，便于藻液的上升流动。横向隔板1的宽度相同，并使安装在前墙6上的横向隔板1与后墙7之间留有2～5cm之间的距离，使安装在后墙7上的横向隔板1与前墙6之间留有2～5cm之间的距离，控制横向隔板1在垂直方向上的间距在5～20cm之间。
在两块垂直隔板2之间的平板气升环流式养藻光合反应器的底部上，设有用于作为气体分布器的玻璃砂芯5，玻璃砂芯5的直径为1cm，玻璃砂芯5之间的间距在5～10cm之间。平板气升环流式养藻光合反应器还安装有气泵4和玻璃转子流量计，气泵4用于通过玻璃砂芯5将气体送入平板气升环流式养藻光合反应器内，玻璃转子流量计安装在气泵4和玻璃砂芯5之间，用于控制从玻璃砂芯5进入平板气升环流式养藻光合反应器的气体流量。
利用所述平板气升环流式养藻光合反应器进行微藻养殖，具体方法包括下述步骤：
（1）接种微藻液体至平板气升环流式养藻光合反应器中，具体操作方法是：将配置好的培养基从顶部的开孔接入到平板气升环流式养藻光合反应器中，接种微藻液体以3～5cm的高度高于平板气升环流式养藻光合反应器中垂直隔板2，接种量为5～10%。养殖的微藻液体可包括绿藻、蓝藻和硅藻等。
（2）在平板气升环流式养藻光合反应器的一侧设置光源3，光源3可采用太阳等自然光源或者日光灯等人造光源，用于给平板气升环流式养藻光合反应器提供光照强度为60～100μmol·m-2·s-1的连续光照，且环境温度控制在23～27℃之间。
（3）用气泵4向平板气升环流式养藻光合反应器中送入0.3～0.8vvm（单位vvm即：升气体·升液体-1·min-1）的空气或工业烟气，工业烟气中CO2浓度范围在10～90%之间，工业烟气包括燃用化石燃料和生物质废弃物的电厂排放烟气、煤化工厂尾气和工业炉窑排放烟气。在气体上升过程中驱动微藻液体在中心流上升区内形成向上流动的中心流，由于中心流上升区内的底部微藻液体密度降低，吸引两侧流下降区的微藻液体通过两块垂直隔板2的底部间隙流入中心流上升区，从而构成一个中心藻液上升、两侧藻液下降的循环流场。
下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
平板气升环流式养藻光合反应器的材质为厚度7.0mm的钢化玻璃，购置于杭州精鼎玻璃制品有限公司。平板气升环流式养藻光合反应器的高度为600cm，宽度为400cm，厚度为20cm，左右两块垂直隔板2将整个平板气升环流式养藻光合反应器分为中心流上升区和两个两侧流下降区。在平板气升环流式养藻光合反应器的中心流上升区内等距布置了交叉导流横向隔板组，每块横向隔板1的上下间距均为20cm，横向隔板1的横向宽度均为15cm，横向隔板1分别固定在前墙6和后墙7交叉布置，预留出藻液上升流动的通道宽度为5cm。平板气升环流式养藻光合反应器的底部在两块垂直隔板2之间等距布置了60个直径为1.0cm的玻璃砂芯5，玻璃砂芯5的孔径为50μm，用于作为气体分布器。气体流量由玻璃转子流量计控制。
然后接种10%的螺旋藻藻液4m3至平板气升环流式养藻光合反应器中，连续光照由固定在平板气升环流式养藻光合反应器一侧的太阳光照提供，其侧面入射平均光强为100μmol·m-2·s-1，环境温度控制在25℃。气泵4将0.8vvm的电厂烟气通过平板气升环流式养藻光合反应器底部的玻璃砂芯5通气孔送入，电厂烟气的CO2浓度为15%，在气体上升过程中驱动藻液形成向上流动的中心流，由于中心上升区内的底部藻液密度降低，吸引两侧下降区的藻液通过两块垂直隔板2的底部间隙流入中心区，从而构成一个中心藻液上升、两侧藻液下降的循环流场。螺旋藻液在指数生长期的生长速率提高到0.53g·L-1·day-1，培养7天后的生物质密度达到最大为3.27g·L-1。
实施例2
平板气升环流式养藻光合反应器的材质为厚度4.0mm的聚苯乙烯(PS)，购置于杭州精鼎玻璃制品有限公司。平板气升环流式养藻光合反应器高度为300cm，宽度为200cm，厚度为10cm，左右两块垂直隔板2将整个平板气升环流式养藻光合反应器分为中心流上升区和两个两侧流下降区。在平板气升环流式养藻光合反应器的中心流上升区内等距布置了交叉导流横向隔板组，每块横向隔板1的上下间距均为8.0cm，横向隔板1的横向宽度均为6cm，横向隔板1分别固定在前墙6和后墙7交叉布置，预留出藻液上升流动的通道宽度为4cm。平板气升环流式养藻光合反应器底部在两块垂直隔板2之间等距布置了20个直径为1.0cm的玻璃砂芯5，玻璃砂芯5的孔径为50μm，用于作为气体分布器。气体流量由玻璃转子流量计控制。
然后接种8%的小球藻藻液55L至平板气升环流式养藻光合反应器中，连续光照由固定在平板气升环流式养藻光合反应器一侧的日光灯提供，其侧面入射平均光强为60μmol·m-2·s-1，环境温度控制在27℃。气泵4将0.3vvm的煤化工厂尾气通过平板气升环流式养藻光合反应器底部的玻璃砂芯5通气孔送入，煤化工厂尾气的CO2浓度为90%，在气体上升过程中驱动藻液形成向上流动的中心流，由于中心上升区内的底部藻液密度降低，吸引两侧下降区的藻液通过两块垂直隔板2的底部间隙流入中心区，从而构成一个中心藻液上升、两侧藻液下降的循环流场。小球藻在指数生长期的生长速率达到0.54g·L-1·day-1，培养7天后的生物质密度达到最大为2.46g·L-1。
实施例3
平板气升环流式养藻光合反应器的材质为厚度5.0mm的有机玻璃，购置于杭州精鼎玻璃制品有限公司。平板气升环流式养藻光合反应器的高度为40cm，宽度为30cm，厚度为5cm，左右两块垂直隔板2将整个平板气升环流式养藻光合反应器分为中心流上升区和两个两侧流下降区。在平板气升环流式养藻光合反应器的中心流上升区内等距布置了交叉导流横向隔板组，每块横向隔板1的上下间距均为5.0cm，横向隔板1的横向宽度均为3.0cm，横向隔板1分别固定在前墙6和后墙7交叉布置，预留出藻液上升流动的通道宽度为2.0cm。平板气升环流式养藻光合反应器底部在两块垂直隔板2之间等距布置了4个直径为1.0cm的玻璃砂芯5，玻璃砂芯5孔径为50μm，用于作为气体分布器。气体流量由玻璃转子流量计控制。
然后接种5%的菱形藻藻液5L至平板气升环流式养藻光合反应器中，连续光照由固定在平板气升环流式养藻光合反应器一侧的日光灯提供，其侧面入射平均光强为80μmol·m-2·s-1，环境温度控制在23℃。气泵4将0.5vvm的空气通过平板气升环流式养藻光合反应器底部的玻璃砂芯5通气孔送入，在气体上升过程中驱动藻液形成向上流动的中心流，由于中心上升区内的底部藻液密度降低，吸引两侧下降区的藻液通过两块垂直隔板2的底部间隙流入中心区，从而构成一个中心藻液上升、两侧藻液下降的循环流场。菱形藻液在指数生长期的生长速率提高到0.24g·L-1·day-1，培养7天后的生物质密度达到最大为1.46g·L-1。
本实施例中将通入的0.5vvm的空气，替换成通入0.6vvm的CO2浓度为10%的工业炉窑排放烟气，也能达到上述效果。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.平板气升环流式养藻光合反应器，包括隔板，其特征在于，所述平板气升环流式养藻光合反应器为箱型结构，箱型结构包括顶部、底部、前墙、后墙和两个侧墙，顶部有一个直径为3cm的开孔，用于藻液接种和作为培养中通入的气体出口；平板气升环流式养藻光合反应器的内部通过隔板分隔成三块区域，分别为中心流上升区和两个两侧流下降区；
所述隔板包括横向隔板和垂直隔板；垂直隔板设有两块，分别与两个侧墙平行设置在平板气升环流式养藻光合反应器的内部，两块垂直隔板的中间区域为中心流上升区，两块垂直隔板分别与两个侧墙形成的两个区域为两个两侧流下降区；中心流上升区内设置有至少两组交叉导流横向隔板组，每组交叉导流横向隔板组包括两块横向隔板，两块横向隔板分别固定在前墙和后墙上，且保证相邻两块横向隔板分别固定在前墙和后墙上；在两块垂直隔板之间的平板气升环流式养藻光合反应器的底部上，设有用于作为气体分布器的玻璃砂芯。
2.根据权利要求1所述的平板气升环流式养藻光合反应器，其特征在于，所述交叉导流横向隔板组等距设置在中心流上升区内。
3.根据权利要求1所述的平板气升环流式养藻光合反应器，其特征在于，所述横向隔板的宽度相同，并使安装在前墙上的横向隔板与后墙之间留有2～5cm之间的距离，使安装在后墙上的横向隔板与前墙之间留有2～5cm之间的距离，并控制横向隔板在垂直方向上的间距在5～20cm之间。
4.根据权利要求1所述的平板气升环流式养藻光合反应器，其特征在于，平板气升环流式养藻光合反应器还安装有气泵和玻璃转子流量计，气泵用于通过玻璃砂芯将气体送入平板气升环流式养藻光合反应器内，玻璃转子流量计安装在气泵和玻璃砂芯之间，用于控制从玻璃砂芯进入平板气升环流式养藻光合反应器的气体流量。
5.根据权利要求1所述的平板气升环流式养藻光合反应器，其特征在于，所述玻璃砂芯的直径为1cm，且玻璃砂芯之间的间距在5～10cm之间。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的平板气升环流式养藻光合反应器，其特征在于，所述平板气升环流式养藻光合反应器是透光率在80%以上的材质的反应器，透光率在80%以上的材料包括普通玻璃、钢化玻璃、有机玻璃、塑料。
7.利用权利要求1所述的平板气升环流式养藻光合反应器进行微藻养殖的方法，其特征在于，具体包括下述步骤：
（1）接种微藻液体至平板气升环流式养藻光合反应器中，具体操作方法是：将用于提供微藻液体生长养料的培养基从顶部的开孔接入到平板气升环流式养藻光合反应器中，接种微藻液体的高度高于平板气升环流式养藻光合反应器中垂直隔板3～5cm，接种量为5～10%；
（2）在平板气升环流式养藻光合反应器的一侧设置光源，光源用于给平板气升环流式养藻光合反应器提供光照强度为60～100μmol·m-2·s-1的连续光照，且环境温度控制在23～27℃之间；
（3）用气泵向平板气升环流式养藻光合反应器中送入0.3～0.8vvm（单位vvm即：升气体·升液体-1·min-1）的空气或工业烟气，在气体上升过程中驱动微藻液体在中心流上升区内形成向上流动的中心流，由于中心流上升区内的底部微藻液体密度降低，吸引两侧流下降区的微藻液体通过两块垂直隔板的底部间隙流入中心流上升区，从而构成一个中心藻液上升、两侧藻液下降的循环流场。
8.根据权利要求7所述的进行微藻养殖的方法，其特征在于，所述步骤3中通入的工业烟气中CO2浓度范围在10～90%之间，工业烟气包括燃用化石燃料和生物质废弃物的电厂排放烟气、煤化工厂尾气和工业炉窑排放烟气。
9.根据权利要求7所述的进行微藻养殖的方法，其特征在于，所述步骤2中设置的光源采用自然光源（太阳）或者人造光源（日光灯）。
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