CN105462816B - 利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器 - Google Patents

利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器，包括设置在反应器内的跑道池中间隔墙，其特征在于：在反应器内围绕跑道池中间隔墙的流道内设置有若干条光道；该光道由太阳光聚光器、带通滤光片和纳米导光板层叠构成；带通滤光片设置在太阳光聚光器与纳米导光板之间；纳米导光板为纵向插入跑道池微藻反应器内，且纳米导光板的正面与跑道池中间隔墙相对应；该纳米导光板的底部以及该纳米导光板的正、反表面的上部均设置有反光膜；在反应器底部，位于光道与光道之间分散设置有若干曝气管；本发明利用纳米导光板的出射光为微藻的生长提供光能，可广泛应用于生物、环保、能源等领域。

Description

利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器
技术领域
本发明涉及光生物反应器，具体涉及利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器。
背景技术
微藻是一类能实现光能自养的单细胞藻类，其因具有光合速率高、生长速度快、环境适应能力强、生物质用途广泛等优点，可用于高效固定二氧化碳缓解全球气候变暖的趋势，同时，微藻生物质可用于生产生物燃料缓解化石能源短缺的问题，被认为是第三代生物燃料的生物质来源。此外，微藻生物质也可用来生产药品、化妆品、保健品等高附加值的产品，具有良好的经济效益。
光生物反应器是用于微藻培养的装置，为微藻的生长提供适宜的条件。现阶段，用于微藻培养的光生物反应器主要分为开放式反应器和封闭式反应器两种。开放式光生物反应器主要指跑道池、圆形池等，封闭式反应器包括平板式、管式、柱式等。与封闭式微藻光生物反应器相比，开放式光生物反应器因具有结构简单、操作及运行成本低等优点，现已实现工业化应用。目前应用最广泛的开放式光生物反应器是跑道池光生物反应器，跑道池光生物反应器中微藻细胞悬浮液的深度一般为15～35cm。
然而，由于跑道池光生物反应器中微藻细胞悬浮液深度较大，而光在微藻细胞悬浮液中传播时光强衰减剧烈，呈指数规律衰减。因此，太阳光在微藻细胞悬浮液中穿透能力有限，其穿透深度一般仅有0～4cm，这样使得跑道池光生物反应器中极大部分的微藻细胞接受不到光照，进而使得跑道池光生物反应器中微藻的生物质产量较低。另一方面，对于太阳光而言，正午时候其光强可高达2000μmol·m-2·s-1，该光强值远高于大多数微藻的光饱和点，会对微藻细胞产生损伤，即光抑制现象。
因此，对于跑道池光生物反应器而言，光在微藻细胞悬浮液中较低的穿透能力极大的限制了跑道池光生物反应器的产量，故而解决跑道池光生物反应器中的光限制，优化跑道池光生物反应器内的光分布对跑道池反应器性能的提升至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器，包括设置在反应器内的跑道池中间隔墙，其特点是：在反应器内环绕跑道池中间隔墙的流道内设置有若干条能实现太阳光分频均布的光道；该光道由太阳光聚光器、带通滤光片和纳米导光板层叠构成；带通滤光片设置在太阳光聚光器与纳米导光板之间；纳米导光板为纵向插入跑道池微藻反应器内，且纳米导光板的正面与跑道池中间隔墙相对应；该纳米导光板的底部以及该纳米导光板的正、反表面的上部均设置有反光膜；在反应器底部，位于光道与光道之间分散设置有若干曝气管。
太阳光聚光器用于汇聚太阳光，汇聚后的太阳光经由带通滤光片滤除紫外及红外波段的光后，剩余的可见光入射至纳米导光板的顶部壁面；所述纳米导光板用于将经太阳光聚光器汇聚后的太阳光在反应器内实现再分配，它将线光源转化为均匀发光的面光源；纳米导光板的特点是双面出光，即正、反表面均匀出光，且整个光出射表面光强分布非常均匀。为了保证光尽可能多的从纳米导光板淹没在微藻细胞悬浮液中的两个表面出射，同时，考虑到一部分太阳光会直接照射到光生物反应器内的微藻细胞悬浮液表面，使跑道池光生物反应器内微藻细胞悬浮液顶部区域的光强较强，能满足微藻细胞生长的需要，因此该区域可不需要利用纳米导光板表面出射的光。所以在纳米导光板的底部以及该纳米导光板的正、反面的上部均设置有反光膜；所述带通滤光片，用于将太阳光中对微藻细胞有杀伤作用的紫外光以及对微藻细胞生长无用的红外光过滤掉，只允许可见光透过，继而可见光通过纳米导光板均匀分散至跑道池光生物反应器内的微藻细胞悬浮液中；曝气管的作用是将用于微藻培养的含有一定体积浓度的二氧化碳气体经由曝气管上的出气孔以气泡的形式鼓入微藻细胞悬浮液，为跑道池光生物反应器内微藻细胞的光合生长提供碳源。
本发明利用太阳光聚光器汇聚太阳光，汇聚后的太阳光经由带通滤光片滤除紫外及红外波段的光后，剩余的可见光入射至纳米导光板的顶部，从纳米导光板的顶部进入纳米导光板并在纳米导光板内传输，当光在传输过程中遇到纳米级光散射颗粒时，会发生光的散射，散射后的部分光线在传输过程中因不满足全反射条件而从纳米导光板表面出射，为微藻的生长提供光能。由于纳米导光板的光出射面的面积大于光入射面的面积，因此纳米导光板可对较强的太阳光入射光强进行稀释，从而有效避免强光对微藻细胞的损伤。并且，由于纳米导光板具有表面发光均匀的特点，可为较深区域的微藻细胞的生长提供光能，故本发明所提出的跑道池微藻光生物反应器深度较现已工业化应用的跑道池光生物反应器而言，其深度可做的更高，如40cm以上。
根据本发明所述的利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器的优选方案，光道的起点和终点之间设置有助流器，用于驱动微藻细胞悬浮液在微藻反应器内循环流动。
根据本发明所述的利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器的优选方案，太阳光聚光器为槽式太阳光聚光器。
本发明所述的利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器的有益效果是：本发明利用太阳光聚光器汇聚太阳光，汇聚后的太阳光经由带通滤光片滤除紫外及红外光，只有可见光入射进纳米导光板，通过纳米导光板将光均匀分散至跑道池微藻反应器内的微藻细胞悬浮液中，利用纳米导光板的出射光为微藻的生长提供光能，有效避免强光对微藻细胞的损伤；从而较大程度的提高微藻的生物质产量；较现已工业化应用的跑道池光生物反应器而言，其深度可做的更高，可广泛应用于生物、环保、能源等领域。
附图说明
图1为利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器结构示意图。
图2为光道的结构示意图。
图3为利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器局部剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细的描述。参见图1至图3，利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器，包括反应器外壁10，以及设置在反应器内的跑道池中间隔墙4，和围绕跑道池中间隔墙4的流道内设置的若干条能实现太阳光分频均布的光道1；该光道1由太阳光聚光器5、带通滤光片9和纳米导光板6层叠构成；太阳光聚光器5设置在上层；纳米导光板6设置在下层，带通滤光片9设置在太阳光聚光器5与纳米导光板6之间；纳米导光板6为纵向插入跑道池微藻反应器内，且纳米导光板6的正面与跑道池中间隔墙4相对应；该纳米导光板6的底部以及该纳米导光板6的正、反面的上部均设置有反光膜；相邻纳米导光板6之间的间距可设置为5cm以上，具体间距大小可根据槽式太阳光聚光器5的聚光比而调节。在反应器底部，位于光道与光道之间分散设置有若干曝气管7；并且，在光道的起点和终点之间设置有助流器。
在具体实施例中，反应器外壁10和跑道池中间隔墙4可由水泥砌成；太阳光聚光器5为槽式太阳光聚光器，带通滤光片9将太阳光15中对微藻细胞有杀伤作用的紫外光以及对微藻细胞生长无用的红外光过滤掉，只允许可见光14透过。纳米导光板6采用内部添加了纳米级光散射粒子的PMMA/PS复合材料板。太阳光聚光器5汇聚太阳光15，汇聚后的太阳光经由带通滤光片9滤除紫外及红外波段的光后，剩余的可见光14入射至纳米导光板6的顶部壁面，随后可见光14在纳米导光板6内传输，在纳米导光板6内部纳米级光散射颗粒的散射作用下，部分光线因不满足全反射条件而从纳米导光板6表面均匀射出出射光11，为微藻的生长提供光能。
助流器由浆轮转轴2和浆轮3构成；浆轮转轴2带动浆轮3转动，以驱动微藻细胞悬浮液12在反应器内循环流动。
为了更好的实现二氧化碳向微藻细胞悬浮液中的传递，曝气管7表面上均匀分散有一定数量的出气孔。本发明中曝气管7零散分布在跑道池不同位置处，避免曝气管集中在同一个区域，这是因为当曝气管集中在同一个区域时，该区域液体内的二氧化碳浓度较高，导致气泡内二氧化碳与周围液体中二氧化碳间浓度梯度降低，不利于二氧化碳向藻液中的传递。
为了保证光尽可能多的从其淹没在微藻细胞悬浮液12中的正、反两个表面出射，同时，考虑到一部分太阳光会直接照射到光生物反应器内的微藻细胞悬浮液表面，使跑道池光生物反应器内微藻细胞悬浮液顶部区域的光强较强，能满足微藻细胞生长的需要，因此该区域可不需要利用纳米导光板表面出射的光。所以，在纳米导光板的底端壁面上贴有高反射率反光膜8-b、同时在纳米导光板未被微藻细胞悬浮液淹没的表面区域以及位于微藻细胞悬浮液表面下方高度大约0-4cm表面区域均贴有高反射率反光膜8-a。
该跑道池光生物反应器的工作流程如下：将一定浓度的处于指数生长期的微藻细胞悬浮液与新鲜培养基以一定比例混合后，接种至本发明中的跑道池光生物反应器中，微藻细胞悬浮液的表面位于高反射率反光膜8-a底端之上0-4cm。浆轮3围绕浆轮转轴2以一定的转速旋转，驱动微藻细胞悬浮液12在跑道池光生物反应器内按一定方向13循环流动，藻液的循环流动可有效避免微藻细胞在跑道池内的沉降。富含一定浓度二氧化碳的气体，经由曝气管7表面上的出气孔以气泡的形式进入微藻细胞悬浮液12，为微藻的光合生长提供碳源。太阳光15在槽式太阳光聚光器5的聚光作用下入射至带通滤光片9上，带通滤光片9只允许可见光14波段的光透过，而紫外光和红外光不能透过，从而有效避免了紫外光对微藻细胞的杀伤作用及无效的红外光进入微藻细胞悬浮液12，太阳光中的可见光14在纳米导光板6内传输。在纳米导光板6内部纳米级光散射颗粒的散射作用下，部分光线因不满足全反射条件而从纳米导光板6表面均匀射出，为微藻的生长提供光能。纳米导光板6具有双面出光，且具有出射光11的光强在纳米导光板6表面分布均匀的特点，一方面，使得跑道池微藻反应器底部区域的微藻细胞的生长也能获得充足的光照，另一方面，一定程度上避免了太阳光直射微藻悬浮液12顶部区域微藻细胞所引起的光抑制对微藻细胞的损伤。

Claims (3)

1.一种利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器，包括在反应器内设置的跑道池中间隔墙(4)，其特征在于：在反应器内围绕跑道池中间隔墙(4)的流道内设置有若干条光道(1)；该光道(1)由太阳光聚光器(5)、带通滤光片(9)和纳米导光板(6)层叠构成；太阳光聚光器(5)设置在上层；纳米导光板(6)设置在下层，带通滤光片(9)设置在太阳光聚光器(5)与纳米导光板(6)之间；该带通滤光片(9)将太阳光中对微藻细胞有杀伤作用的紫外光以及对微藻细胞生长无用的红外光过滤掉；纳米导光板(6)为纵向插入跑道池微藻反应器内，且纳米导光板(6)的正面与跑道池中间隔墙(4)相对应；该纳米导光板(6)的底部以及该纳米导光板(6)的正、反表面的上部均设置有反光膜(8-a、8-b)；该纳米导光板(6)的内部设置有纳米级光散射颗粒；在反应器底部，位于光道与光道之间分散设置有若干曝气管(7)。
2.根据权利要求1所述的利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器，其特征在于：光道(1)的起点和终点之间设置有助流器(2、3)。
3.根据权利要求1或2所述的利用纳米导光板实现太阳光分频均布的跑道池微藻反应器，其特征在于：太阳光聚光器(5)为槽式太阳光聚光器。
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