CN105695308A - 一种圆筒型光合细菌产氢反应器 - Google Patents

Abstract

一种圆筒型光合细菌产氢反应器，包括有机玻璃反应器主体，有机玻璃反应器主体上连接有氢气排出通路和用于使该反应器内的气体自下而上循环流动的循环鼓气环路；其中有机玻璃反应器主体内设有石英圆筒玻璃管，石英圆筒玻璃管的顶端和底端分别密封并固定在有机玻璃反应器主体的中部和底部；有机玻璃反应器主体的顶部设有法兰板，顶部开口、底部封闭的石英玻璃光源管穿过法兰板和石英圆筒玻璃管上密封盖后伸入石英圆筒玻璃管内，且石英玻璃光源管的上端固定在法兰板上；反应器上部空间与进料口相连通，石英圆筒玻璃管下密封盖上开设有出料口。该反应器具有较长寿命且易于清洗，可以充分混合搅拌反应液，利于产氢反应进行，且不会损坏菌体。

Description

一种圆筒型光合细菌产氢反应器

技术领域

本发明属于微生物技术及反应器装置领域，具体涉及一种圆筒型光合细菌产氢反应器。

背景技术

随着人类工业文明的进步，人们对于能源的需求越来越大，传统的化石能源储量有限，且容易造成很多的环境问题，迫使人们寻找新的可再生的替代能源。氢气以其清洁高效的特点，被认为是最有前景的替代能源。而生物制氢，尤其是光合微生物制氢，可以利用光能，包括太阳能来制氢，是一种十分有发展潜力的制氢方式。

现阶段，有关光合细菌制氢反应器的研究很多，但从总体来看还处于实验室研究阶段。国内外对反应器的研究主要集中在利用现有反应器条件(试管、反应瓶等)进行光合细菌的产氢验证、小型光合产氢模拟试验、特殊结反应器的设计及环境外界条件对产氢的影响等方面。目前已有的开发的光合细菌制氢反应器，大多采用有机玻璃或者塑料等透光材料作为受光面，长时间使用表面容易变模糊，且不易长时间多次清洗，影响透光，如张川，张全国等设计的基于导光载体的生物膜光生物制氢滴滤反应器；大多反应器内的反应液处于静止状态或缓慢稳定的流动状态，长时间反应细菌和反应底物容易沉积，而采用循环流动装置的反应器，在循环泵等的机械作用下容易造成菌体流失或者菌体死亡，不利反应进行，如张全国，杨群发，张军合等设计的太阳能光合生物制氢装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种圆筒型光合细菌产氢反应器，该反应器的受光面具有较长寿命，可以充分混合搅拌反应液，且不会损坏菌体。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种圆筒型光合细菌产氢反应器，包括有机玻璃反应器主体，有机玻璃反应器主体上连接有用于向外排出氢气的氢气排出通路和用于使有机玻璃反应器主体内的气体自下而上循环流动的循环鼓气环路；其中有机玻璃反应器主体包括有机玻璃反应器主体外壁，有机玻璃反应器主体外壁内设有石英圆筒玻璃管，石英圆筒玻璃管的顶端通过石英圆筒玻璃管上密封盖密封并固定在有机玻璃反应器主体外壁的中部，石英圆筒玻璃管的底端通过石英圆筒玻璃管下密封盖密封并固定在有机玻璃反应器主体外壁的底部；有机玻璃反应器主体外壁的顶部设有法兰板，顶部开口、底部封闭的石英玻璃光源管依次穿过法兰板和石英圆筒玻璃管上密封盖后伸入石英圆筒玻璃管内，且石英玻璃光源管的上端固定在法兰板上；有机玻璃反应器主体外壁、石英玻璃光源管、法兰板和石英圆筒玻璃管上密封盖围成的区域为反应器上部空间；石英圆筒玻璃管、石英玻璃光源管、石英圆筒玻璃管上密封盖和石英圆筒玻璃管下密封盖围成的区域为反应器下部空间；石英圆筒玻璃管上密封盖上开设有若干用于将反应器上部空间和反应器下部空间相连通的连通孔，且反应器上部空间与进料口相连通，石英圆筒玻璃管下密封盖上开设有出料口。

所述的有机玻璃反应器主体外壁、石英圆筒玻璃管、石英圆筒玻璃管上密封盖和石英圆筒玻璃管下密封盖围成的区域为恒温水空间，并且在有机玻璃反应器主体外壁的下部开设有恒温水进口，有机玻璃反应器主体外壁的中部开设有恒温水出口。

所述的石英圆筒玻璃管上密封盖与有机玻璃反应器主体外壁的结合处设有第一O型圈，通过石英圆筒玻璃管上密封盖挤压第一O型圈将石英圆筒玻璃管的顶端密封并固定在有机玻璃反应器主体外壁上。

所述的石英圆筒玻璃管下密封盖与有机玻璃反应器主体外壁的结合处设有第二O型圈，通过石英圆筒玻璃管下密封盖挤压第二O型圈将石英圆筒玻璃管的底端密封并固定在有机玻璃反应器主体外壁上。

所述的法兰板上设有用于密封并固定石英玻璃光源管的石英玻璃光源管密封盖，石英玻璃光源管密封盖与法兰板的结合处设有第三O型圈，通过石英玻璃光源管密封盖挤压第三O型圈将石英玻璃光源管的上端固定在法兰板上。

所述的石英圆筒玻璃管上密封盖与有机玻璃反应器主体外壁之间、石英圆筒玻璃管下密封盖与有机玻璃反应器主体外壁之间，以及石英玻璃光源管密封盖与法兰板之间均为螺纹连接。

所述的石英圆筒玻璃管下密封盖上开设有喷气沙头外接口，喷气沙头外接口与喷气沙头相连通，喷气沙头位于反应器下部空间的底部。

所述的法兰板上开设有测试电极接口和两个气体出口。

所述的法兰板上的一个气体出口通过气管与真空泵的进气口相连，真空泵的出气口通过气管与喷气沙头外接口相连，构成循环鼓气环路。

所述的法兰板上的另一个气体出口通过气管与单向阀相连，构成氢气排出通路。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器，在总结了众多产氢反应器的特点后，采用光源内置的方式，即在工作时将光源放入石英玻璃光源管中对反应器内的反应液进行照射，使光合细菌进行产氢反应，本发明中的主要受光面采用石英玻璃材料，较之于普通玻璃材料或者有机玻璃，石英玻璃具有更好的透光性，有利于光能的有效利用；较之于常见的用于反应器且用作受光面的有机玻璃材料，其不易老化，能延长反应器的使用寿命和使用质量。本发明中反应器上部空间和反应器下部空间通过若干连通孔连通，使得反应器下部空间内产生的气体可以到达反应器上部空间，并从氢气排出通路排出，同时反应器上部空间和反应器下部空间内的反应液还可以进行物质交换，有利于产氢反应的进行。另外采用循环鼓气环路可以使得反应器内的空气从下而上循环鼓动，可以充分混合搅拌反应液，有利于光合细菌在反应液中的悬浮，同时不会因为机械挤压的原因对菌体造成损害，有利于产氢反应的充分进行。

进一步的，本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器内设有恒温水空间，通过恒温水进口和恒温水出口连接外部的恒温水设备，对恒温水空间循环注入恒温水，能够对反应器下部空间内的反应液进行加热，维持产氢反应所需的温度，而且可以根据光合细菌菌种、反应液底物等产氢反应的具体情况调节恒温水的水温，以利于产氢反应的进行。

进一步的，本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器，采用带有螺纹的密封盖挤压O型圈的方式将石英圆筒玻璃管固定和密封在有机玻璃反应器主体内部，以及采用带有螺纹的密封盖挤压O型圈的方式将石英玻璃光源管固定和密封在法兰板上，可方便地拆卸和各部件进行清洗，同时能实现很好的密封效果。

进一步的，本发明在氢气排出通路上设置单向阀，反应器内的气体只能从单向阀排出，外界的气体不能经单向阀进入反应器中，这样在循环鼓气环路运行时，真空泵自身不会带入外部气体，只能抽走反应器内部的气体，反应器外部的气体被单向阀阻隔在外，因此从喷气沙头进入的气体就是反应器内本身的气体，这样能够避免因为引入外部的空气而影响产氢反应。

附图说明

图1为本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器的简要示意图；

图2为本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器主体的结构示意图；

图3为本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器的法兰板的俯视图；

图4为本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器的石英玻璃光源管密封处的剖面图；

图5为本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器的石英圆筒玻璃管上密封盖的俯视图；

图6为本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器的石英圆筒玻璃管上密封盖的剖面图；

图7为本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器的石英圆筒玻璃管下密封盖的剖面图；

图8为本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器主体爆炸图。

其中：1为有机玻璃反应器主体，2为石英玻璃光源管，3为喷气沙头，4为真空泵，5为单向阀，6为石英玻璃光源管密封盖，7为石英圆筒玻璃管上密封盖，8为恒温水出口，9为有机玻璃反应器主体外壁，10为石英圆筒玻璃管下密封盖，11为喷气沙头外接口，12为法兰板，13为进料口，14为反应器上部空间，15为石英圆筒玻璃管，16为反应器下部空间，17为恒温水进口，18为出料口，19为螺丝，20为螺丝帽，7-1为石英玻璃光源管通孔，7-2为连通孔，7-3为第一O型圈，10-1为第二O型圈，11-1为测试电极接口，11-2为石英玻璃光源管插入口，11-3为法兰板螺丝口，11-4为气体出口，11-5为第三O型圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1、2、8所示：本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器，包括有机玻璃反应器主体1，有机玻璃反应器主体1上连接有用于向外排出氢气的氢气排出通路和用于使有机玻璃反应器主体1内的气体自下而上循环流动的循环鼓气环路；其中有机玻璃反应器主体1主要由三部分组成：石英玻璃光源管2，石英圆筒玻璃管15和有机玻璃反应器主体外壁9。石英玻璃光源管2开口的一端朝上、封闭的一端朝下，穿过固定在有机玻璃反应器主体外壁9顶端的法兰板12上的石英玻璃光源管密封盖6和石英玻璃光源管插入口11-2，再穿过石英圆筒玻璃管上密封盖7上的石英玻璃光源管通孔7-1，伸入石英圆筒玻璃管15内，并通过拧紧带螺纹的石英玻璃光源管密封盖6挤压第三O型圈11-5将石英玻璃光源管2的上部密封固定在法兰板12上，使得反应器内部和外部隔绝开来。石英圆筒玻璃管15的上端由石英圆筒玻璃管上密封盖7密封固定在有机玻璃反应器主体外壁9上，下端由石英圆筒玻璃管下密封盖10密封固定在有机玻璃反应器主体外壁9上，其密封原理是通过拧紧带螺纹的石英圆筒玻璃管上密封盖7挤压第一O型圈7-3，以及通过拧紧带螺纹的石英圆筒玻璃管下密封盖10挤压第二O型圈10-1，将石英圆筒玻璃管15的上端和下端分别密封固定，使得反应器内部与外界、恒温水区隔绝开。其中第一O型圈7-3设在石英圆筒玻璃管上密封盖7与有机玻璃反应器主体外壁9的结合处，第二O型圈10-1设在石英圆筒玻璃管下密封盖10与有机玻璃反应器主体外壁9的结合处，第三O型圈11-5设在石英玻璃光源管密封盖6与法兰板12的结合处。石英圆筒玻璃管上密封盖7上开设有若干连通孔7-2，使得反应器下部空间16与反应器上部空间14相连通，反应液就存在于这个连通的反应器上部空间14及反应器下部空间16之中，并与由石英圆筒玻璃管15和有机玻璃反应器主体外壁9围成的恒温水空间隔绝开，这样能够保证反应液在反应器内上下两部分能够流通，下部产生的气体也能顺利向上排出。法兰板12上开设有若干接口，包括一个石英玻璃光源管插入口11-2、两个气体出口11-4、若干法兰板螺丝口11-3和一系列的测试电极接口11-1等。法兰板外围通过螺丝19和螺丝帽20固定于有机玻璃反应器主体外壁9的上部。有机玻璃反应器主体外壁9的上部设有进料口13，石英圆筒玻璃管下密封盖10上设有出料口18和喷气沙头外接口11，喷气沙头外接口11与反应器下部空间16底部的喷气沙头3连通。在有机玻璃反应器主体外壁9的中部设有恒温水出口8，在有机玻璃反应器主体外壁9的下部设有恒温水进口17。

如图2所示：本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器的主体为圆柱状，该圆筒型光合细菌产氢反应器里面有四个空间：由有机玻璃反应器主体外壁9、石英玻璃光源管2、法兰板12和石英圆筒玻璃管上密封盖7围成的反应器上部空间14；由石英圆筒玻璃管15、石英玻璃光源管2、石英圆筒玻璃管上密封盖7和石英圆筒玻璃管下密封盖10围成的反应器下部空间16；由有机玻璃反应器主体外壁9、石英圆筒玻璃管15、石英圆筒玻璃管上密封盖7和石英圆筒玻璃管下密封盖10围成的恒温水空间；以及石英玻璃光源管2内的管光源空间。其中反应器上部空间14和反应器下部空间16通过石英圆筒玻璃管上密封盖7上的连通孔7-2连通，为反应液存在的空间；石英玻璃光源管2的顶端与外界连通，底端密封，是光源放置的空间；有机玻璃反应器主体外壁9和石英圆筒玻璃管15之间的环形空间是恒温水存在的空间，通过有机玻璃反应器主体外壁9上的恒温水出口8和恒温水进口17与恒温水设备连接。

如图1所示：本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器上连接有循环鼓气环路和氢气排出通路，其中循环鼓气环路是从法兰板12上的一个气体出口11-4开始，用气管连接到真空泵4的进气口上，真空泵4的出气口用气管和喷气沙头外接口11连接。真空泵4从反应器上部空间14吸气，从反应器下部空间16底部的喷气沙头3鼓出，可以充分鼓动反应器里面的反应液，有利于反应进行，而且由于是利用反应器里面的气体鼓动反应液，不会因为引入外部的空气而影响产氢反应，同时相对温和的气体鼓动的这种扰动方式不会对菌体造成损坏。氢气排出通路是从法兰板12上的另一个气体出口11-4开始，连接一个气管出去，气管的另一端连接一个单向阀5，单向阀5的另一端连接氢气排出通路的终端。气体只能从反应器内向单向阀外流动，不能从外界通过单向阀流向反应器内部。在此设置单向阀的原因是防止循环鼓气的时候从氢气排出口吸入外界的气体进入反应器内部，对反应产生不利影响。

本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器主体的上下结构设计的不一致，其原因如下：

由于在法兰板12上需要设计一系列的接口，包括气体出口11-4、测试电极接口11-1(包括pH电极、温度测试电极等)，所以如果设计成与反应器下部一样的石英圆筒玻璃管结构，并在外面套上恒温水浴，这样会导致在法兰板12上没有足够的地方放置上述一系列的接口，所以为了添加这些十分必要的接口，只能采用上下结构不一致的设计方案。

那么能不能直接将反应器的横截面设计的更大，这样就可以在法兰板上具有足够多的地方来放置上述一系列的接口，并且同时可以保证上下结构的一致性，使上下两部分都可以被恒温水包裹。实际上这样设计也是不行的，因为产氢条件下的光合细菌在反应器内积聚，表现出的反应液颜色很深，使得反应器里离光源较近的光合细菌阻碍光源向外传播，随着入射光程的增加，光合细菌所获得的光照强度呈指数型函数下降，这就是光屏蔽效应。所以反应器设计时不能沿着光照射的方向过多地增加尺寸，而在与光源垂直的方向，就是反应器的竖直的方向上设计尺寸就相对灵活一些。

所以在综合了这两方面的考虑后，本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器的设计就采用了上下不一样的结构方案。由于反应液在反应器里是不断流动的，这就能使得温度光照分布不均的情况得到一定的缓解，温度和pH等测试电极的测试位置也比较靠近反应器上下部分的连通口，基本能准确的反映反应器里的温度和pH环境指标。

关于本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器的尺寸设计问题，说明如下：

如前所述，存在于石英圆筒玻璃管15和石英玻璃光源管2中间的环形空间，即反应器下部空间16，是本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器里产氢反应的主要场所，这里的光照和温度是最适宜产氢的，反应器中的大部分反应液也充盈在这个空间。由于前面提到的光屏蔽效应，所以这一部分的尺寸设计不能太大或者太小。太大则有较强的光屏蔽效应，影响产氢的效率；太小则不能充分发挥反应器的潜能。

根据本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器在进行光合产氢实验时的经验数据以及材料的便利，在此给出一个产氢性能较优的反应器具体尺寸：石英玻璃光源管2的内直径35mm，外直径40mm；石英圆筒玻璃管15的内直径84mm，外直径90mm；有机玻璃反应器主体外壁9的内直径120mm，外直径130mm。即在反应器下部空间16内，反应液所在的环形空间的厚度为22m，这个厚度可以保证即便在较高的光合细菌浓度下光屏蔽效应也较小。同时需要说明的是，这个厚度不是一个绝对的定值，只要能够有利于光合产氢反应的厚度都可以接受。

另外需要说明的是，反应器上部空间14的设计尺寸并没有严格的限定，法兰板12上的接口数量限制了其直径下限，而测试电极的长度又限制了其大概的高度，只要符合这些条件即可。

下面对本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器的工作过程进行说明。

在本发明提供的圆筒型光合细菌产氢反应器的启动阶段，将该圆筒型光合细菌产氢反应器密封好后，按照图1的装置图连接好该圆筒型光合细菌产氢反应器。如图2所示，从进料口13注入反应液并接种光合细菌，并保证反应器上部空间14内留有一部分气体，从喷气沙头外接口11通入氩气排出该圆筒型光合细菌产氢反应器内的氧气，然后连接好循环鼓气环路和氢气排出通路。采用间歇性地启动真空泵的方式，可以鼓动反应器内的反应液，使光合细菌充分悬浮并能节省能耗。在石英玻璃光源管2中放入光源灯，将恒温水进口17和恒温水出口8分别连接到外部循环恒温水设备上。光合细菌产生的氢气通过法兰板12上的气体出口11-4再经过单向阀5排出。等产氢反应结束后，撤掉循环鼓气环路和光源灯，反应器内的反应液从出料口18排出。

Claims (10)

1.一种圆筒型光合细菌产氢反应器，其特征在于：包括有机玻璃反应器主体(1)，有机玻璃反应器主体(1)上连接有用于向外排出氢气的氢气排出通路和用于使有机玻璃反应器主体(1)内的气体自下而上循环流动的循环鼓气环路；其中有机玻璃反应器主体(1)包括有机玻璃反应器主体外壁(9)，有机玻璃反应器主体外壁(9)内设有石英圆筒玻璃管(15)，石英圆筒玻璃管(15)的顶端通过石英圆筒玻璃管上密封盖(7)密封并固定在有机玻璃反应器主体外壁(9)的中部，石英圆筒玻璃管(15)的底端通过石英圆筒玻璃管下密封盖(10)密封并固定在有机玻璃反应器主体外壁(9)的底部；有机玻璃反应器主体外壁(9)的顶部设有法兰板(12)，顶部开口、底部封闭的石英玻璃光源管(2)依次穿过法兰板(12)和石英圆筒玻璃管上密封盖(7)后伸入石英圆筒玻璃管(15)内，且石英玻璃光源管(2)的上端固定在法兰板(12)上；有机玻璃反应器主体外壁(9)、石英玻璃光源管(2)、法兰板(12)和石英圆筒玻璃管上密封盖(7)围成的区域为反应器上部空间(14)；石英圆筒玻璃管(15)、石英玻璃光源管(2)、石英圆筒玻璃管上密封盖(7)和石英圆筒玻璃管下密封盖(10)围成的区域为反应器下部空间(16)；石英圆筒玻璃管上密封盖(7)上开设有若干用于将反应器上部空间(14)和反应器下部空间(16)相连通的连通孔(7-2)，且反应器上部空间(14)与进料口(13)相连通，石英圆筒玻璃管下密封盖(10)上开设有出料口(18)。

2.根据权利要求1所述的圆筒型光合细菌产氢反应器，其特征在于：所述的有机玻璃反应器主体外壁(9)、石英圆筒玻璃管(15)、石英圆筒玻璃管上密封盖(7)和石英圆筒玻璃管下密封盖(10)围成的区域为恒温水空间，并且在有机玻璃反应器主体外壁(9)的下部开设有恒温水进口(17)，有机玻璃反应器主体外壁(9)的中部开设有恒温水出口(8)。

3.根据权利要求1所述的圆筒型光合细菌产氢反应器，其特征在于：所述的石英圆筒玻璃管上密封盖(7)与有机玻璃反应器主体外壁(9)的结合处设有第一O型圈(7-3)，通过石英圆筒玻璃管上密封盖(7)挤压第一O型圈(7-3)将石英圆筒玻璃管(15)的顶端密封并固定在有机玻璃反应器主体外壁(9)上。

4.根据权利要求3所述的圆筒型光合细菌产氢反应器，其特征在于：所述的石英圆筒玻璃管下密封盖(10)与有机玻璃反应器主体外壁(9)的结合处设有第二O型圈(10-1)，通过石英圆筒玻璃管下密封盖(10)挤压第二O型圈(10-1)将石英圆筒玻璃管(15)的底端密封并固定在有机玻璃反应器主体外壁(9)上。

5.根据权利要求4所述的圆筒型光合细菌产氢反应器，其特征在于：所述的法兰板(12)上设有用于密封并固定石英玻璃光源管(2)的石英玻璃光源管密封盖(6)，石英玻璃光源管密封盖(6)与法兰板(12)的结合处设有第三O型圈(11-5)，通过石英玻璃光源管密封盖(6)挤压第三O型圈(11-5)将石英玻璃光源管(2)的上端固定在法兰板(12)上。

6.根据权利要求5所述的圆筒型光合细菌产氢反应器，其特征在于：所述的石英圆筒玻璃管上密封盖(7)与有机玻璃反应器主体外壁(9)之间、石英圆筒玻璃管下密封盖(10)与有机玻璃反应器主体外壁(9)之间，以及石英玻璃光源管密封盖(6)与法兰板(12)之间均为螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的圆筒型光合细菌产氢反应器，其特征在于：所述的石英圆筒玻璃管下密封盖(10)上开设有喷气沙头外接口(11)，喷气沙头外接口(11)与喷气沙头(3)相连通，喷气沙头(3)位于反应器下部空间(16)的底部。

8.根据权利要求7所述的圆筒型光合细菌产氢反应器，其特征在于：所述的法兰板(12)上开设有测试电极接口(11-1)和两个气体出口(11-4)。

9.根据权利要求8所述的圆筒型光合细菌产氢反应器，其特征在于：所述的法兰板(12)上的一个气体出口(11-4)通过气管与真空泵(4)的进气口相连，真空泵(4)的出气口通过气管与喷气沙头外接口(11)相连，构成循环鼓气环路。

10.根据权利要求9所述的圆筒型光合细菌产氢反应器，其特征在于：所述的法兰板(12)上的另一个气体出口(11-4)通过气管与单向阀(5)相连，构成氢气排出通路。