CN105985910A - 微藻培养的新补碳方法与流程 - Google Patents

Abstract

本发明属于微藻养殖工程领域，涉及一种以微藻液作为吸收剂，采用喷雾雾化方法吸收CO₂，作为补充微藻捕集、利用CO₂的装置和工艺流程。该喷雾吸收塔及其附属设备均安装在一个可以移动的不锈钢支架平台上，只需将微藻养殖池与装置的输液泵进出口相连接，接通电源即可运转；含CO₂气体自吸收塔底气体分布器进入塔内，微藻液由隔膜泵自微藻类养殖池中抽取，经塔顶喷嘴以雾化喷淋方式进入塔内，藻液与CO₂气体在塔内逆向流动，充分接触，捕集、吸收CO₂，尾气从塔顶排气口排出；吸收后的含高碳微藻液由塔底出液口回流至微藻类养殖池，实现微藻液的循环。本工艺可适合于包括淡水微藻和海水微藻的规模化户外培养，CO₂的吸收利用效率可达76%以上，与原配气浸没管道式补碳方法相比，CO₂的用量仅为原来的1/10~1/30，具有CO₂吸收效率高、占地面积小、能耗低、且装置操作方便、可调性强、成本低。

Description

微藻培养的新补碳方法与流程

技术领域

本发明属于化学工程和生物能源工程领域，特别涉及一种以微藻液为吸收剂，采用喷淋雾化方法吸收 ，作为微藻捕集、利用CO₂的装置和工艺流程。

背景技术

微藻是一类单细胞或多细胞、形体微小的微生物的总称。微藻繁殖方式简单，生长周期短，它们能有效的地将溶解于水中的或 离子作为碳源，并与无机盐类物质等进行光合作用转化为有机质。微藻可把太阳能转化为化学能，同时固定二氧化碳并转化为含碳化合物，例如碳水化合物和蛋白质。藻类固定的速率很高，且易于大规模培养。开发和利用微藻成为最长远的解决人类食品资源、能源短缺的重要途径之一。微藻养殖系统可以较好地控制，也能择优选择，为了获得大量的生物制品和油脂，在微藻生长过程中补充二氧化碳是必不可少的步骤。

目前藻类养殖场所应用的微藻生物固定的反应系统主要采用两种光化学反应器【张芳等，2009年二氧化碳减排控制技术与资源化利用研讨会论文集，山东青岛市，2009.08.03】，一种是开放式跑道池系统；另外一种是密闭式光生物反应器，含平板式，柱式和管式反应器等。操作中大都采用敞口鼓泡的方式向微藻养殖池中供给，这种补碳方式（也称浸没管道式补碳方法）的问题是还未来得及溶于藻液中（指的是在该温度下达到气液吸收平衡溶解的物质的量），就从微藻养殖中逸出，造成利用效率低，并浪费了业已回收的宝贵二氧化碳资源；温度高时，这种情况尤以为甚。中国专利CN201010531490.X（2010年）报道了一种先将通入到水中，使溶解于在水中，然后将到达饱和溶解度的水加入到微藻养殖水体中，这样能有效解决的浪费问题，以期降低微藻养殖的成本。

以色列《国土报》早在2004年就有报道称：锡姆生物公司开发出一项新技术，利用发电厂排放的二氧化碳养殖海藻，进而从中制取生物燃料，研究人员从发电厂排放的废气中用乙醇胺溶液来制备高纯度的二氧化碳(99.9%以上)，冷却后将其直接充入养殖海藻的池塘里，这样大量的二氧化碳会逸出池面，而乙醇胺法回收二氧化碳设备复杂因而成本高，操作难度大，影响了该技术的推广应用。作为碳源，的主要来源要是从火电厂的烟气中回收的；化工厂比如环氧乙烷装置中回收；从发酵气、烧秸秆气等中回收等。再则，被认为是造成大气层温室效应最主要的元凶之一，因在所有温室气体中，其在大气中含量最高、寿命长，对温室效应的贡献最大，况且主要由人为因素产生，其量的削减是控制温室气体的关键，开发利用也是重要削减措施之一。因此，固定的小球藻、螺旋藻、斜生栅藻、嗜热蓝藻、纤细裸藻，以及雨生红球藻等经济性微藻类养殖都是重要的终端利用措施。

本发明针对微藻补碳过程中存在的利用率低问题，提出一种采用微藻液作为雾化吸收塔吸收吸收剂，且整个吸收塔及其附属设备全部安装在一个可移动的操作平台上，该装备可用于微藻液培养补碳需要的大多数场合，相比于传统的浸没管道式补碳方法而言，其显著特点是吸收效率高、占地面积小、能耗低、且装置操作方便、可调性强、成本低。

发明内容

本发明采用微藻液作为的吸收剂，既可以将藻液的光合作用生长和补碳分开进行，也可以实施微藻吸收-培养耦合；利用该装置，可为微藻提供充足的碳源，促进微藻类的生长。该吸收装置及其所有附属设备，包括输液泵、供气和供液的流量调节统、电气仪表的检测和控制系统等，全部集中安装在一个可移动的操作平台上，平台底部装有万向轮，可灵活地移至微藻液培养补碳需要的场合，如：①合适于各种微藻培养的光反应器，包括平板、跑道池、袋式等光合作用反应器；②合适于各种微藻类，包括海水藻，淡水藻等；③合适于各种微藻生物固碳的工业气体，如烧秸气、火电厂烟气、发酵气、化工厂回收净化后的气等，应用于各种以钢瓶气补碳的藻培养过程，与原配气鼓泡的操作方式比，CO₂用量仅为原来的1/10~1/30。

附图说明

附图1、微藻液喷雾吸收装置及其工艺流程简图

附图1中，1—微藻类养殖池；2,3—电动隔膜泵；4—压力表；5—单向阀；6—流量计量表；7—雾化喷嘴；8—喷嘴料液入口；9—尾气排放口；10—手孔；11—玻璃U型压差计；12—补碳进气管；13—补碳后料液出口；14—排污口；15—气体分布器；16—气体流量计；17—吸收塔顶封头；18—吸收塔；19—吸收塔底封头；20—液封管。

本发明的技术解决方案如下：

①补碳气体经流量计（16）计量进入补碳进气管（12），由气体分布器管（15）进入吸收塔（18）中。②一定浓度的微藻液由微藻液养殖池（1）分别由电动隔膜泵（2/3）抽取和流量计量表（6）计量后，经喷嘴料液入口（8）进入雾化喷嘴（7），通过喷淋雾化方式喷入吸收塔（8）内，与补碳气体逆流接触，吸收其中的。③吸收后的尾气从塔顶尾气出口(9)排出，吸收后含高碳量的微藻液落入吸收塔底部，通过塔底出液口（13）流回微藻类养殖池（1），实现微藻液的循环。

其中①所说的含气体为纯气体、空气- 混合气体，以及各种工业废气：烟气或发酵尾气，或化工厂环氧乙烷装置中回收净化的等。若气体中含量高时，可控制或减少尾气排出量，使塔内雾状微藻液与含气体充分接触；在气体中含量低时，塔内雾状微藻液与含气体逆流接触，可增大尾气排出量，以保证所需的充分补加。在②和③中，可通过观测微藻类养殖池中微藻液的pH值来调整喷雾吸收塔的微藻液喷雾量，使微藻类养殖池中的CO₂量既能满足微藻对pH的要求又能满足微藻光合作用对量的需求。

附图2、小球藻生长与养殖时间之间的关系

附图2中（a）进口的流量；（b）pH值；（c）微藻干细胞质量；A—鼓泡法补碳；B—喷雾法吸收补碳。

附图3、微藻液对补碳过程中的利用率

附图3中A—鼓泡法补碳；B—喷雾法吸收补碳。

附图4、喷雾吸收补碳过程中对的吸收率（a）和吸收容量（b）。

本发明的显著特征为：

①设备的主体—吸收塔安装在一个可移动的不锈钢支架平台上，底部装有可转动万向轮。该装置的辅助设备，如电器仪表控制箱、隔膜泵、气体和液体输送管道、手摇电源线接线盘等均安装在该平台上，其可移至任何微藻培养需要供给的场合。只需给装置接线盘通上动力电，并将微藻养殖池与泵的进出口通过管道相连，该设备即可运转和工作。 ②该装置不仅可适用于小球藻的户外吸收培养，亦可适用于雨生红球微藻及其他微藻的户外吸收培养。③与相同规模条件下的管道式鼓泡型微藻培养方式相比，本工艺可极大地提高的吸收效率，并将吸收的供给藻类生长，具有占地面积小，操作方便、高效，利用率高等特点，适用于藻类的大规模养殖。

具体实施方式

实施例1

在体积为18m³的微藻户外培养装置(跑道池)中，装入8m³的小球微藻液（低温小球藻种），微藻液初始浓度为0.29g/L。从接入后的每天早上8:30开始，每隔2h记录1次两台隔膜泵（2/3）进出口pH值，进气流量，以及两个流量计量表（6）的读数（喷雾实验组微藻养殖数据）。由于是8吨的跑道池，为了减少用量，采用纯钢瓶气为碳源（纯度>99.8%）。并设置同样的8吨跑道池，采用鼓泡补碳作为喷雾实验的对照组（鼓泡法微藻养殖数据）。以便在同样光照，温度的情况下比较两者的pH值变化[附图2（b）]，消耗量（附图3），微藻的生长情况[附图2（c）]以及微藻对的利用效率（附图4）。

附图2（c）表明实验组（喷雾法B）微藻的生长情况优于同样温度变化，同样光照的对照组（鼓泡法A）；一天中pH值的变化存在一个峰值，是因为中午12:00-14:00温度高，光照好，微藻吸收利用的能力强，但总的情况来看培养池中实验组（喷雾法B）的pH值波动不大（通常位于7.0~7.8间）[附图2（b）]，比较适合微藻类的生长；的进气量表明[附图2（a）]，对照组（鼓泡法A）的量（7~13L/min）远大于实验组（喷雾法B）（2~3.5L/min），且实验组的进气量稳定；而对照组的进气波动大，主要是因为其pH的调节存在一定的滞后效应。附图2结果说明喷雾补碳在保证微藻类生长的同时可以大幅度降低的消耗量，其对的需求量仅为鼓泡法的1/10左右，是一种很好的补碳新工艺。

附图3表明实验池（喷雾法B）微藻生长利用效率远远高于对照组池（鼓泡法A），主要是因为对照组通入的大量在微藻液中的停留时间很短，大量逃逸到空气中，造成了浪费。同时，附图3也表明在微藻的生长前期，由于藻细胞密度低，造成微藻吸收利用的效率低，随着微藻的生长时间的增加，微藻密度逐渐增加并大量利用合成生物质，在此阶段微藻的干重快速上升，而到微藻的生长末期，培养池中的营养元素消耗殆尽，此时的利用效率逐渐降低。究其原因在于微藻的生长后期吸收利用变少，这个阶段主要是积累油脂，但由于培养池中氮磷元素的消耗致使微藻液的pH值增加，的大量通入，大部分是用于控制pH值，因此微藻生长的利用率会降低。另外，从附图4还可看出：喷雾法补碳在微藻的生长后期，尽管隔膜泵的进口微藻液的pH并没有降低，但其碳含量却很高，而吸收塔出口微藻液碳含量，虽有一些降低，但差异不大，测得的出口微藻液的吸收容量在0.012mol/L左右， 对总的吸收量平均在76%左右。该喷雾吸收装置和工艺，是一种微藻养殖中操作方面的、高效的补碳装置。

Claims (5)

1.一种以微藻液作为吸收剂，其特征在于在吸收塔中采用喷淋雾化方法吸收 ，作为补充微藻捕集、利用CO₂的装置和工艺流程。

2.根据权利要求1所述的吸收塔为喷淋雾化吸收塔，其材质可选用可视化的玻璃、有机玻璃制成，也可用不锈钢等材料制成，优选的材质为有机玻璃材料；以微藻液为喷淋雾化的吸收剂，由隔膜泵自养殖池抽吸至塔顶喷嘴处，并喷淋到吸收塔内；一定量的经计量后气体从自塔的下部的分布器均匀地进入吸收塔内，微藻液吸收剂与气体在塔内呈逆流流动，进行传质吸收；吸收后的尾气从塔上部的尾气排出口通过调节阀可控制地排出界外；含高的微藻液落入吸收塔底部，通过塔底排液口回流至微藻类养殖池，实现微藻液的循环。

3.根据权利要求1所述的气体纯气体、空气—混合气体和工业废气，如烟气经回收处理得到的CO₂气体、发酵尾气或自化工厂生产副产，如环氧乙烷装置中回收净化得到的气体等，气体中CO₂的浓度可从2% ~ 100%。

4.根据权利要求1所述的喷雾吸收塔，其特征在于吸收塔主体及其附属设备，如微藻液抽吸用隔膜泵，气体输送管道、电器仪表控制箱、手摇接线盘等均安装于一个不锈钢支架平台，平台底部装有万向轮，可方便地移至任意微藻液养殖池的补碳场合，合适于各种微藻培养的光反应器，包括：平板、跑道池、吊袋式等各种形式的微藻培养反应器；应用于各种以钢瓶气补碳的藻培养过程，与原配气鼓泡的操作方式比，用量仅为原来的1/10至1/30。

5.根据权利要求1所述的补碳装置和流程可适用于藻类的培养，包括淡水培养和海水培养，可通过观测微藻类养殖池中微藻液的pH值来调整喷雾吸收塔的微藻液喷雾量，使微藻类养殖池中的量即能满足微藻对pH的要求又能满足微藻光合作用对的需求量，克服了微藻对高气源的耐受问题。