CN109762733B

CN109762733B - 一种恒温流动式微藻光生物反应器

Info

Publication number: CN109762733B
Application number: CN201910007015.3A
Authority: CN
Inventors: 郭成龙; 王瑞森; 刘璨; 段丹如; 高国芮; 韩钰莹; 焦少凯
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2019-01-04
Filing date: 2019-01-04
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2039-01-04
Also published as: CN109762733A

Abstract

一种恒温流动式微藻光生物反应器，包括光热相变流体控温部分、金属扰流隔板、光生物反应部分和光源部分，四部分顺序循环交替组合形成光热相变流体控温腔体和光生物反应腔体，各部分间通过管路连接。本发明的一种恒温流动式微藻光生物反应器可广泛应用于生物、能源领域，通过扩展组合结构的数量，即可扩大光生物反应器的规模；通过亚克力导光板和多片分布式结构实现了光生物反应器内部的光强分布均匀，与光热相变复合材料结合，可为微藻生长提供适宜的光源和温度，结构简单，组合巧妙，省去了传统反应器的加热控温装置，更加节能环保和节省成本。

Description

一种恒温流动式微藻光生物反应器

技术领域

本发明涉及光生物反应器，具体涉及一种恒温流动式微藻光生物反应器。

背景技术

光合微藻是指一类可通过光能自养的单细胞藻类，其细胞个体十分微小、种类多、分布广，能够通过光合作用吸收水和CO₂并转化为O₂和大分子有机物。某些微藻在自然条件下也可以大量积累三酰甘油酯（占细胞干重的30％～60％），其光合作用效率和油脂产量均至少比陆生作物高一个数量级。在生物产油方面，微藻的研究是藻类研究中的主流方向。光生物反应器是指能够用于光合微生物及其具有光合作用能力的组织或者细胞培养的一类装置。可分为开放式与密闭式两种，开放式反应器结构简单，成本低。但受外部环境的影响比较大，其培养的条件不稳定。封闭式反应器可以实现一定程度的连续式的生产，且不容易受到外部环境的影响，容易操作，还能够在一定程度下降低环境的污染，但需要较高的投资才有可能完成。光生物反应器中由于微藻悬浮，会导致光在微藻悬浮液中呈指数衰减，穿透深度通常不超过2～5cm，并且会由于微藻悬浮的不均匀性导致远光端的微藻受光不均，大大影响了微藻的生长速率与微反应器的整体产率。

纳米材料由于其量子效应、大比表面积效应以及界面原子排列和键组态的无规则特性使得纳米微粒的光学特性有了较大的变化，纳米材料普遍存在吸收峰的蓝移、红移以及吸收频带宽化的现象，具有特殊的光吸收性质和高效的光热转换能力。其中碳纳米管被认为是最高效的光热材料，即使微量加入水中也可大大改善流体的光吸收性能。相变微胶囊是一种含有相变材料的微小容器，由壁材和芯材组成，芯材为相变材料，使用最普遍的是烷烃类相变材料，具有绿色环保、相变潜热大和化学稳定性高等优点。壁材为有机高分子聚合物或无机物，一般选用原位聚合制备的三聚氰胺甲醛树脂和聚脲树脂等为有机高分子聚合物壁材，具有良好的密闭性。相变微胶囊在航空航天、建筑、汽车、环境保护、纺织服装、医疗卫生、电子器件冷却和军事伪装等领域有广泛的应用前景，是目前研究的热点。将光热材料与相变微胶囊一起制备成具有光热转换特性的相变微胶囊纳米流体，可以同时实现高效的光热转换与储热性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种恒温流动式微藻光生物反应器，以提高微藻的生长速率与微反应器的整体产率。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

一种恒温流动式微藻光生物反应器，包括交替排列的若干A型培养箱单元和B型培养箱单元，每种培养箱单元均包括依次相贴的光热相变流体控温部分、扰流隔板、光生物反应部分和光源部分，扰流隔板和光源部分的四角具有管路穿孔，光热相变流体控温部分与扰流隔板组成光热相变流体控温腔体，光生物反应部分与扰流隔板组成光生物反应腔体；A型培养箱单元的光热相变流体控温部分的正面右下角具有进口a1，光热相变流体控温部分的反面右上角具有出口a2，光生物反应部分的正面左下角具有出口a3，光生物反应部分的反面左上角具有进口a4；B型培养箱单元的光热相变流体控温部分的正面左上角具有进口b1，光热相变流体控温部分的反面左下角具有出口b2，光生物反应部分的正面右上角具有出口b3，光生物反应部分的反面右下角具有进口b4；A型培养箱单元上的出口a2通过依次穿过B型培养箱单元光源部分、光生物反应部分、扰流隔板的管路与B型培养箱单元上的进口b1相连；B型培养箱单元的出口b3通过依次穿过B型培养箱单元的光源部分、A型培养箱单元的光热相变流体控温部分和扰流隔板的管路与A型培养箱单元上的进口a4相连；相变微胶囊纳米流体从A型培养箱单元上的进口a1流入A型培养箱单元的光热相变流体控温腔体再从出口a2流出，之后经B型培养箱单元上的进口b1流入B型培养箱单元的光热相变流体控温腔体再从出口b2流向下一A型培养箱单元；微藻悬浮液从B型培养箱单元上的进口b4流入B型培养箱单元的光生物反应腔体再从出口b3流出，之后经A型培养箱单元上的进口a4流入A型培养箱单元的光生物反应腔体再从出口a3流向下一B型培养箱单元。

作为进一步改进的技术方案，所述扰流隔板的正反面上具有波纹凸起。

作为进一步改进的技术方案，所述扰流隔板为金属扰流隔板。

作为进一步改进的技术方案，所述光生物反应腔体的厚度为2～5cm。

作为进一步改进的技术方案，所述光热相变流体控温部分和光生物反应部分为透明材料。

作为进一步改进的技术方案，所述透明材料为有机玻璃、钢化玻璃或亚克力。

作为进一步改进的技术方案，所述光源部分为亚克力板。

作为进一步改进的技术方案，所述亚克力板的上部为楔形。

作为进一步改进的技术方案，所述亚克力板的下部厚度为0.5～1cm。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的一种恒温流动式微藻光生物反应器可广泛应用于生物、能源领域，通过扩展组合结构的数量，即可扩大光生物反应器的规模；通过亚克力导光板和多片分布式结构实现了光生物反应器内部的光强分布均匀，与光热相变复合材料结合，可为微藻生长提供适宜的光源和温度，结构简单，组合巧妙，省去了传统反应器的加热控温装置，更加节能环保和节省成本。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种恒温流动式微藻光生物反应器外部结构示意图；

图2是本发明实施例中的A型培养箱单元的结构示意图；

图3为本发明实施例中的B型培养箱单元的结构示意图；

图4为本发明实施例中的B型培养箱单元的光热相变流体控温部分的外部结构示意图；

图5为本发明实施例中光源部分的结构示意图；

图6为A型培养箱单元内微藻悬浮液在扰流隔板正面一侧的流动方向示意图；

图7为A型培养箱单元内相变微胶囊纳米流体在扰流隔板反面一侧的流动方向示意图；

以上图1-7中：1-光热相变流体控温部分，2-光生物反应部分，3-光源部分，301-楔形结构，4-金属扰流隔板。

具体实施方式

下面参照附图对本发明做进一步描述。

实施例

如图1所示，一种恒温流动式微藻光生物反应器，包括交替排列的若干A型培养箱单元和B型培养箱单元，每种培养箱单元均包括依次相贴的光热相变流体控温部分1、金属扰流隔板4、光生物反应部分2和光源部分3，各部分通过密封圈和密封胶粘合在一起，以达到较好的密封效果。

如图2所示，A型培养箱单元的光热相变流体控温部分的正面右下角具有进口a1，光热相变流体控温部分的反面右上角具有出口a2，光生物反应部分的正面左下角具有出口a3，光生物反应部分的反面左上角具有进口a4。如图3、图4所示，B型培养箱单元的光热相变流体控温部分的正面左上角具有进口b1，光热相变流体控温部分的反面左下角具有出口b2，光生物反应部分的正面右上角具有出口b3，光生物反应部分的反面右下角具有进口b4。A型培养箱单元上的出口a2通过依次穿过B型培养箱单元光源部分3、光生物反应部分2、金属扰流隔板4的管路与B型培养箱单元上的进口b1相连。B型培养箱单元的出口b3通过依次穿过B型培养箱单元的光源部分3、A型培养箱单元的光热相变流体控温部分1和金属扰流隔板4的管路与A型培养箱单元上的进口a4相连。

金属扰流隔板4和光源部分3的四角具有管路穿孔，金属扰流隔板4的正反面上具有波纹凸起。光热相变流体控温部分1与金属扰流隔板4组成光热相变流体控温腔体，光生物反应部分2与金属扰流隔板4组成光生物反应腔体，光生物反应腔体的厚度为2～5cm。金属扰流隔板4具有良好的导热性，正反面上的波纹凸起可增加两侧流体的扰动度。对于反面一侧的相变微胶囊纳米流体，可强化光热转换进程，增大换热系数并且改善压降。对于正面一侧的微藻悬浮液，可强化物质传输，有利于藻类自身混合，实现远光侧的光强分布均匀以及营养物质的获取。

光热相变流体控温部分1和光生物反应部分2由透明材料如有机玻璃、钢化玻璃、亚克力等制作。如图5所示，光源部分3以阳光作为光源，采用亚力克(PMMA)作为发光板，顶部设计为楔形结构301，下部板厚为0.5～1cm。太阳光通过亚力克板的散射，可以达到下部板体两侧均匀发光的效果，并且由于光的出射面积小于入射面积，可以实现对较强的太阳光的稀释，从而避免了强光对微藻的损伤。

该微藻光生物反应器在使用前，利用甲醛溶液对B以及管道进行灌洗，再使用大量灭菌水进行清洗，确保无甲醛残留，之后将装置放置在自然光下，将纳米流体通管路注入光热相变流体控温腔体，待管内流体流动达到稳定并且温度恒定在25℃时，再将微藻悬浮液通过管路注入光生物反应腔体进行生长培养。

相变微胶囊纳米流体从A型培养箱单元上的进口a1流入A型培养箱单元的光热相变流体控温腔体再从出口a2流出，之后经B型培养箱单元上的进口b1流入B型培养箱单元的光热相变流体控温腔体再从出口b2流向下一A型培养箱单元。微藻悬浮液从B型培养箱单元上的进口b4流入B型培养箱单元的光生物反应腔体再从出口b3流出，之后经A型培养箱单元上的进口a4流入A型培养箱单元的光生物反应腔体再从出口a3流向下一B型培养箱单元。如图6和图7所示，各光热相变流体控温腔体和光生物反应腔体内流体均采用对角流动的方式。所用相变微胶囊纳米流体为蓄热微胶囊HANS PCM-SET完全封端型(三聚氰胺)树脂胶囊，芯材是石蜡，潜热120J/g(每100g包括：25g无水乙醇，3gSDS，9g胶囊，0.01g碳纳米管，63g去离子水)，可实现25℃恒温控制。当外界温度产生改变时，可采取改变相变微胶囊与光热材料的添加量，控制流速等措施实现不同程度的温度控制能力。该装置的光热转换效率可以达到65％，若选用栅藻为培养藻种，其在装置内的生长速率可以达到0.11g/(L·d)。

需要说明的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域正常技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，比如，微藻光生物反应器整体还可进行扩展，如增加光热相变流体控温部分1、金属扰流隔板4、光生物反应部分2和光源部分3的面积，或增加A型培养箱单元和B型培养箱单元，只要光源部分3的厚度和高度不变，就不会造成严重的光衰减。根据培养的微藻种类以及阳光强烈程度，还可更换其它相变温度的光热相变流体来实现不同温度的恒温控制。所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种恒温流动式微藻光生物反应器，其特征在于，包括交替排列的若干A型培养箱单元和B型培养箱单元，每种培养箱单元均包括依次相贴的光热相变流体控温部分、扰流隔板、光生物反应部分和光源部分，扰流隔板和光源部分的四角具有管路穿孔，光热相变流体控温部分与扰流隔板组成光热相变流体控温腔体，光生物反应部分与扰流隔板组成光生物反应腔体；所述光源部分为亚克力板；

A型培养箱单元的光热相变流体控温部分的正面右下角具有进口a1，光热相变流体控温部分的反面右上角具有出口a2，光生物反应部分的正面左下角具有出口a3，光生物反应部分的反面左上角具有进口a4；

B型培养箱单元的光热相变流体控温部分的正面左上角具有进口b1，光热相变流体控温部分的反面左下角具有出口b2，光生物反应部分的正面右上角具有出口b3，光生物反应部分的反面右下角具有进口b4；

A型培养箱单元上的出口a2通过依次穿过B型培养箱单元光源部分、光生物反应部分、扰流隔板的管路与B型培养箱单元上的进口b1相连；

B型培养箱单元的出口b3通过依次穿过B型培养箱单元的光源部分、A型培养箱单元的光热相变流体控温部分和扰流隔板的管路与A型培养箱单元上的进口a4相连；

相变微胶囊纳米流体从A型培养箱单元上的进口a1流入A型培养箱单元的光热相变流体控温腔体再从出口a2流出，之后经B型培养箱单元上的进口b1流入B型培养箱单元的光热相变流体控温腔体再从出口b2流向下一A型培养箱单元；

微藻悬浮液从B型培养箱单元上的进口b4流入B型培养箱单元的光生物反应腔体再从出口b3流出，之后经A型培养箱单元上的进口a4流入A型培养箱单元的光生物反应腔体再从出口a3流向下一B型培养箱单元。

2.根据权利要求1所述的一种恒温流动式微藻光生物反应器，其特征在于，所述扰流隔板的正反面上具有波纹凸起。

3.根据权利要求2所述的一种恒温流动式微藻光生物反应器，其特征在于，所述扰流隔板为金属扰流隔板。

4.根据权利要求1所述的一种恒温流动式微藻光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应腔体的厚度为2～5cm。

5.根据权利要求1所述的一种恒温流动式微藻光生物反应器，其特征在于，所述光热相变流体控温部分和光生物反应部分为透明材料。

6.根据权利要求5所述的一种恒温流动式微藻光生物反应器，其特征在于，所述透明材料为有机玻璃、钢化玻璃或亚克力。

7.根据权利要求1所述的一种恒温流动式微藻光生物反应器，其特征在于，所述亚克力板的上部为楔形。

8.根据权利要求1或7所述的一种恒温流动式微藻光生物反应器，其特征在于，所述亚克力板的下部厚度为0.5～1cm。