CN109486660A - 一种二氧化碳吸收塔式光生物反应器及微藻养殖方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物质能利用技术，旨在提供一种二氧化碳吸收塔式光生物反应器及微藻养殖方法。该反应器包括微藻养殖光生物反应器系统和底部安装了气体分布器的CO2吸收塔，CO2进气系统通过管路接至气体分布器；Na2CO3进料系统通过管路接至CO2吸收塔顶部；出料系统通过管路分别连接CO2吸收塔底部出口和微藻养殖光生物反应器系统；CO2回收系统通过管路分别连接CO2吸收塔顶部气体出口和CO2进气系统的干燥器入口。本发明将CO2与Na2CO3反应产生NaHCO3用于微藻生长，使二氧化碳吸收塔反应产物中的HCO3 ‑浓度得到控制，能够有效促进微藻生长。有效克服传统跑道池曝气器的CO2停留时间短和利用率低的技术难题，使CO2转化效率达到80～90％。该方法经济可行，既可提高CO2利用率，又可促进微藻生长。

Description

一种二氧化碳吸收塔式光生物反应器及微藻养殖方法
技术领域
本发明涉及生物质能利用技术，特别涉及一种二氧化碳吸收塔式光生物反应器及微藻养殖方法。
背景技术
微藻生长速度快，易于大规模养殖，利用微藻生物质吸收燃煤电厂烟气中CO2已经得到工程应用。微藻利用CO2形式有两种，一种是溶液中溶解的CO2分子通过直接扩散形式进入藻细胞，另一种是CO2分子被胞外碳酸酐酶催化转化为HCO3 -，通过主动运输形式进入胞内，并在胞内重新分解为CO2用于微藻光合作用。由于空气中CO2含量低，CO2在藻液中的溶解速率低，HCO3 -为进入藻细胞主要的无机碳形式，因此提高藻液中HCO3 -浓度是微藻养殖技术的关键。
跑道池运营简单，投资成本低，是工程应用中常见的光生物反应器形式。传统利用CO2方法是在跑道池内布置曝气器，通过降低CO2气泡直径延长气泡停留时间促进微藻对CO2分子利用。然而，藻液养殖深度较低一般为15-30cm，CO2气泡在藻液中的停留时间仅为几毫秒，从而导致藻液中溶解CO2浓度低。跑道池曝气的CO2利用率一般仅为30-40％，大部分CO2以气体形式再次排入空气中，造成CO2利用损失并给CO2减排带来压力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种二氧化碳吸收塔式光生物反应器及微藻养殖方法。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种二氧化碳吸收塔式光生物反应器，包括CO2进气系统和反应系统；所述反应系统是底部安装了气体分布器的CO2吸收塔；该反应器还包括Na2CO3进料系统、NaHCO3出料系统、CO2回收系统和微藻养殖光生物反应器系统；其中，
CO2进气系统包括依次布置的CO2气源、干燥器、压力控制阀和止回阀，通过管路连接至CO2吸收塔底部的气体分布器；Na2CO3进料系统包括依次布置的Na2CO3溶解池、压力泵和开关阀，通过管路连接至CO2吸收塔顶部；出料系统包括产物出口开关阀，通过管路分别连接CO2吸收塔底部出口和微藻养殖光生物反应器系统；CO2回收系统包括干燥器和止回阀，通过管路分别连接CO2吸收塔顶部气体出口和CO2进气系统的干燥器入口。
CO2进气系统用于为反应系统提供稳定的气源，通过进气口进入CO2吸收塔底部的气体分布器；CO2回收系统用于回收利用未反应完全的CO2气体，从而提高CO2利用率；Na2CO3进料系统用于为反应系统提供Na2CO3底物；反应系统用于提供密闭的反应空间以及高压环境；NaHCO3出料系统为微藻养殖光生物反应器系统提供稳定的NaHCO3原料，用于微藻的生长；微藻养殖光生物反应器系统利用CO2吸收塔的产物进行微藻生长固碳。
本发明中，所述干燥器内部填充了变色硅胶(不与CO2反应)。
本发明中，所述气体分布器的孔径≤1mm，孔隙率≥0.8。
本发明进一步提供了利用前述二氧化碳吸收塔式光生物反应器养殖微藻的方法，包括以下步骤：
(1)在Na2CO3溶解池中制备浓度为200mM/L的Na2CO3溶液，并通过压力泵从顶部注入CO2吸收塔，控制塔内的Na2CO3溶液体积比为0.4～0.6；
(2)使干燥的CO2气体进入CO2吸收塔底部的气体分布器，通过在Na2CO3溶液中鼓泡充分反应，反应温度为30～50℃；调节进气压力控制CO2的进气量，使塔内压力保持0.3～0.5MPa；未反应的CO2气体由塔顶排出，经CO2回收系统循环利用；
(3)控制塔内反应时间为60～120min，使塔底出口的反应产物中NaHCO3/Na2CO3摩尔比为7～9(此时CO2气体转化效率为80～90％)；
(4)将反应产物送入微藻养殖光生物反应器系统，然后接种藻液；控制初始吸光度OD为0.3～0.5，光照强度为8,000～12,000lux，环境温度为20～35℃，溶液pH为7～10；
(5)根据微藻养殖光生物反应器系统的处理能力调节CO2进气量和Na2CO3进料量，同时保持CO2吸收塔反应产物中HCO3 -浓度为200～400mM/L，以促进微藻生长。
本发明中，用于配制Na2CO3溶液的原料是化学纯Na2CO3、富含Na2CO3的天然碱，或者是含有Na2CO3的微藻老化液。
本发明中，所述微藻养殖光生物反应器系统中养殖的微藻是绿藻、蓝藻或硅藻。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明将CO2与Na2CO3反应产生NaHCO3用于微藻生长，使二氧化碳吸收塔反应产物中的HCO3 -浓度控制为200～400mM/L，能够有效促进微藻生长。与传统跑道池使用曝气器技术相比，本发明能使细胞内的光反应II中心蛋白酶表达量提高4～6倍，光反应II色素表达量提高2～4倍，暗反应中心RubisCO酶表达量提高2～4倍，微藻生长速率提高了2～5倍，微藻固定CO2速率提高到45～55g/m2/d。
2、本发明能够有效克服传统跑道池曝气器的CO2停留时间短和CO2利用率低的技术难题，使CO2转化为HCO3 -的效率达到80～90％。是一种经济可行方法，既可提高CO2利用率，又可提高藻液中HCO3 -浓度促进微藻生长。
附图说明
图1为本发明中二氧化碳吸收塔式光生物反应器的结构图。
图中的附图标记为：1CO2气源；2-1干燥器；2-2干燥器；3压力控制阀；4止回阀；5产物出口开关阀；6微藻养殖光生物反应器系统；7气体分布器；8CO2吸收塔；9Na2CO3溶解池；10压力泵；11开关阀。
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所示，二氧化碳吸收塔式光生物反应器包括CO2进气系统、反应系统、Na2CO3进料系统、NaHCO3出料系统、CO2回收系统和微藻养殖光生物反应器系统；该反应系统是底部安装了气体分布器7的CO2吸收塔8。
CO2进气系统包括依次布置的CO2气源1、干燥器2-1、压力控制阀3和止回阀4，通过管路连接至CO2吸收塔底部的气体分布器7；气体分布器7的孔径≤1mm，孔隙率≥0.8。Na2CO3进料系统包括依次布置的Na2CO3溶解池9、压力泵10和开关阀11，通过管路连接至CO2吸收塔8顶部；出料系统包括产物出口开关阀5，通过管路分别连接CO2吸收塔7底部出口和微藻养殖光生物反应器系统6；CO2回收系统包括干燥器2-2和止回阀4，通过管路分别连接CO2吸收塔顶部气体出口和CO2进气系统的干燥器2-1入口。干燥器2-1和干燥器2-2内部填充了变色硅胶，避免与CO2反应。
本发明中，微藻养殖光生物反应器系统6及运行方式可参照现有文献的公开内容。例如，Cheng,Jun,Guo,Wangbiao,Cai,Chengyi,Ye,Qing,Zhou,Junhu,2017.Alternativelypermutated conic baffles generate vortex flow field to improve microalgalproductivity in a raceway pond.Bioresour.Technol.249,212–218。
利用前述二氧化碳吸收塔式光生物反应器养殖微藻的方法，包括以下步骤：
(1)在Na2CO3溶解池中制备浓度为200mM/L的Na2CO3溶液，并通过压力泵10从顶部注入CO2吸收塔8，控制塔内的Na2CO3溶液体积比为0.4～0.6；用于配制Na2CO3溶液的原料可以是化学纯Na2CO3、富含Na2CO3的天然碱，或者是含有Na2CO3的微藻老化液。
(2)使干燥的CO2气体进入CO2吸收塔8底部的气体分布器7，通过在Na2CO3溶液中鼓泡充分反应，反应温度为30～50℃；调节进气压力控制CO2的进气量，使塔内压力保持0.3～0.5MPa；未反应的CO2气体由塔顶排出，经CO2回收系统循环利用；
(3)控制塔内反应时间为60～120min，使塔底出口的反应产物中NaHCO3/Na2CO3摩尔比为7～9；
(4)将反应产物送入微藻养殖光生物反应器系统6，然后接种藻液；养殖的微藻可以是绿藻、蓝藻或硅藻。控制初始吸光度OD为0.3～0.5，光照强度为8,000～12,000lux，环境温度为20～35℃，溶液pH为7～10；
(5)根据微藻养殖光生物反应器系统6的处理能力调节CO2进气量和Na2CO3进料量，同时保持CO2吸收塔8反应产物中HCO3 -浓度为200～400mM/L，以促进微藻生长。
实施例1
一种二氧化碳吸收塔式光生物反应器，其结构和连接关系如前所述。其中，气体分布器孔径控制在1mm，孔隙率0.8；干燥剂采用变色硅胶。
利用该反应器养殖微藻的方法如下所述：
溶解200mM/L的Na2CO3溶液于Na2CO3溶解池中，打开Na2CO3溶液开关阀，通过压力泵将Na2CO3溶液注入二氧化碳吸收塔内，Na2CO3溶液在CO2吸收塔内的体积比控制在0.4。关闭Na2CO3溶液开关阀和产物出口开关阀，打开CO2气源开关，使得CO2气体依次通过干燥器、压力控制阀、止回阀，最后通过进气口进入反应系统。控制CO2压力为0.3MPa，CO2吸收塔内反应温度控制为30℃。未反应的CO2气体经过CO2回收系统进行循环利用。Na2CO3溶液与CO2气体反应时间为60min，控制CO2吸收塔出口产物为NaHCO3/Na2CO3摩尔比＝7的混合物，CO2气体转化效率为80％。反应完毕后先关闭CO2气源开关，再依次打开Na2CO3溶液开关阀和产物出口开关阀，将CO2吸收塔反应后的产物排放至微藻养殖光生物反应器系统。将硅藻藻液接种至微藻养殖光生物反应器系统中，控制初始吸光度OD为0.3，光照强度为8,000lux，环境温度为20℃，溶液pH为8.0。控制CO2吸收塔出口产物中HCO3 -浓度为200mM/L以促进硅藻生长。经检测，与传统跑道池使用曝气器技术相比，硅藻细胞内的光反应II中心蛋白酶表达量提高4倍，光反应II色素表达量提高2倍，暗反应中心RubisCO酶表达量提高2倍，从而使硅藻生长速率提高了2倍，固定CO2速率提高到45g/m2/d。
实施例2
一种二氧化碳吸收塔式光生物反应器，其结构和连接关系如前所述。其中，气体分布器孔径控制在0.8mm，孔隙率0.85；干燥剂采用变色硅胶。
利用该反应器养殖微藻的方法如下所述：
溶解200mM/L的Na2CO3溶液于Na2CO3溶解池中，打开Na2CO3溶液开关阀，通过压力泵将Na2CO3溶液注入二氧化碳吸收塔内，Na2CO3溶液在CO2吸收塔内的体积比控制在0.5。关闭Na2CO3溶液开关阀和产物出口开关阀，打开CO2气源开关，使得CO2气体依次通过干燥器、压力控制阀、止回阀，最后通过进气口进入反应系统。控制CO2吸收塔内CO2压力为0.4MPa，反应温度控制为40℃。未反应的CO2气体经过CO2回收系统进行循环利用。Na2CO3溶液与CO2气体反应时间为90min，控制CO2吸收塔出口产物为NaHCO3/Na2CO3摩尔比＝8的混合物，CO2气体转化效率为85％。反应完毕后先关闭CO2气源开关，再依次打开Na2CO3溶液开关阀和产物出口开关阀，将CO2吸收塔反应后的产物排放至微藻养殖光生物反应器系统。将绿藻藻液接种至微藻养殖光生物反应器系统中，控制初始吸光度OD为0.4，光照强度为10,000lux，环境温度为25℃，溶液pH为7.0。控制CO2吸收塔出口产物中HCO3 -浓度为300mM/L以促进绿藻生长。经检测，与传统跑道池使用曝气器技术相比，绿藻细胞内的光反应II中心蛋白酶表达量提高5倍，光反应II色素表达量提高3倍，暗反应中心RubisCO酶表达量提高3倍，从而使绿藻生长速率提高了3倍，固定CO2速率提高到50g/m2/d。
实施例3
一种二氧化碳吸收塔式光生物反应器，其结构和连接关系如前所述。其中，气体分布器孔径控制在0.7mm，孔隙率0.9；干燥剂采用变色硅胶。
利用该反应器养殖微藻的方法如下所述：
溶解200mM/L的Na2CO3溶液于Na2CO3溶解池中，打开Na2CO3溶液开关阀，通过压力泵将Na2CO3溶液注入二氧化碳吸收塔内，Na2CO3溶液在CO2吸收塔内的体积比控制在0.6。关闭Na2CO3溶液开关阀和产物出口开关阀，打开CO2气源开关，使得CO2气体依次通过干燥器、压力控制阀、止回阀，最后通过进气口进入反应系统。控制CO2吸收塔内CO2压力为0.5MPa，反应温度控制为50℃。未反应的CO2气体经过CO2回收系统进行循环利用。Na2CO3溶液与CO2气体反应时间为120min，控制CO2吸收塔出口产物为NaHCO3/Na2CO3摩尔比＝9的混合物，CO2气体转化效率为90％。反应完毕后先关闭CO2气源开关，再依次打开Na2CO3溶液开关阀和产物出口开关阀，将CO2吸收塔反应后的产物排放至微藻养殖光生物反应器系统。将蓝藻藻液接种至微藻养殖光生物反应器系统中，控制初始吸光度OD为0.5，光照强度为12,000lux，环境温度为35℃，溶液pH为10.0。控制CO2吸收塔出口产物中HCO3 -浓度为400mM/L以促进蓝藻生长。经检测，与传统跑道池使用曝气器技术相比，蓝藻细胞内的光反应II中心蛋白酶表达量提高6倍，光反应II色素表达量提高4倍，暗反应中心RubisCO酶表达量提高4倍，从而使蓝藻生长速率提高了5倍，固定CO2速率提高到55g/m2/d。
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 (6)

1.一种二氧化碳吸收塔式光生物反应器，包括CO2进气系统和反应系统；其特征在于，所述反应系统是底部安装了气体分布器的CO2吸收塔；该反应器还包括Na2CO3进料系统、NaHCO3出料系统、CO2回收系统和微藻养殖光生物反应器系统；其中，
CO2进气系统包括依次布置的CO2气源、干燥器、压力控制阀和止回阀，通过管路连接至CO2吸收塔底部的气体分布器；Na2CO3进料系统包括依次布置的Na2CO3溶解池、压力泵和开关阀，通过管路连接至CO2吸收塔顶部；出料系统包括产物出口开关阀，通过管路分别连接CO2吸收塔底部出口和微藻养殖光生物反应器系统；CO2回收系统包括干燥器和止回阀，通过管路分别连接CO2吸收塔顶部气体出口和CO2进气系统的干燥器入口。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述干燥器内部填充了变色硅胶。
3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述气体分布器的孔径≤1mm，孔隙率≥0.8。
4.利用权利要求1所述二氧化碳吸收塔式光生物反应器养殖微藻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在Na2CO3溶解池中制备浓度为200mM/L的Na2CO3溶液，并通过压力泵从顶部注入CO2吸收塔，控制塔内的Na2CO3溶液体积比为0.4～0.6；
(2)使干燥的CO2气体进入CO2吸收塔底部的气体分布器，通过在Na2CO3溶液中鼓泡充分反应，反应温度为30～50℃；调节进气压力控制CO2的进气量，使塔内压力保持0.3～0.5MPa；未反应的CO2气体由塔顶排出，经CO2回收系统循环利用；
(3)控制塔内反应时间为60～120min，使塔底出口的反应产物中NaHCO3/Na2CO3摩尔比为7～9；
(4)将反应产物送入微藻养殖光生物反应器系统，然后接种藻液；控制初始吸光度OD为0.3～0.5，光照强度为8,000～12,000lux，环境温度为20～35℃，溶液pH为7～10；
(5)根据微藻养殖光生物反应器系统的处理能力调节CO2进气量和Na2CO3进料量，同时保持CO2吸收塔反应产物中HCO3 -浓度为200～400mM/L，以促进微藻生长。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，用于配制Na2CO3溶液的原料是化学纯Na2CO3、富含Na2CO3的天然碱，或者是含有Na2CO3的微藻老化液。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述微藻养殖光生物反应器系统中养殖的微藻是绿藻、蓝藻或硅藻。
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