CN112831397A - 一种内置扰流组件的柱式光生物反应器及微藻培养方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内置扰流组件的柱式光生物反应器及微藻培养方法。在气升柱式反应器的内部布置扰流组件，从改善流场‑光强场间协同性的角度出发，综合考虑了反应器内部微藻细胞光暗周期和光照占比、二氧化碳传质系数和混气时间等重要的评价指标，以实现最大的微藻生物质产率和固碳率为设计原则，通过数值模拟结合实验研究的方法，研究了不同扰流结构对反应器的影响，使得反应器具有最佳的性能。相比于传统气升柱式反应器，本发明能有效改善流场与光强场间的协同性，减小光暗周期，增大光照占比，提升气体传质、混合特性，从而有利于提高微藻生物质产率和实现高效固碳。

Description

一种内置扰流组件的柱式光生物反应器及微藻培养方法
技术领域
本发明属于生物质能利用技术领域，特别涉及一种内置扰流组件的柱式光生物反应器及微藻培养方法。
背景技术
温室效应和生态恶化已经成为了全世界面临的重大危机，发展经济、环保和高效的二氧化碳固定技术势在必行。凭借微藻的生长速度快、光合效率高、对极端环境耐受性强、储量丰富的特性，微藻生物固碳法被认为是新一代清洁、经济、高效的可再生固碳技术。但影响微藻生长和固碳的因素复杂，其中培养微藻的光生物反应器结构是最关键的因素之一。因此，开发低成本高效率的光生物反应器对于推动二氧化碳减排和微藻生物质能的生产的规模化应用意义重大。
培养微藻的光生物反应器分为板式、柱式、跑道池等多种类型。近年来，大量的研究表明气升柱式反应器在气液混合、传质、能量耗损、高密度养殖等方面展现了较大的优势。然而，随着气升柱式反应器在实际中的发展，反应器内的混合传质和多场协同特性受限、装置耗能高、生物质产率低等一系列问题逐渐显现出来。为了解决这些问题，国内外研究人员在反应器内置扰流结构方面做了许多研究。例如，已有文献设计了一种带有连续灯笼型导流筒的气升柱式反应器，通过数值模拟研究了这种新型反应器内的微藻流动特性和光暗循环。结果表明，连续灯笼型导流筒能够增强反应器内的扰动，改善光暗循环并强化流动混合和气液传质，这有利于微藻生物量产率和固碳率的提升。但该研究没有关注升液区和降液区的显著流动特性差异，在扰流结构对气升柱式反应器升液区和降液区不同影响机制需要进一步探索分析。此外，已有研究提出了一种带有轴向叶轮搅拌的气升柱式反应器，分析了不同的叶轮转速对生物质和生物柴油产量的影响。该策略可以改善反应器内的流动混合，提升生物柴油产量，但负载的轴向叶轮搅拌器不仅需要额外的电机驱动从而加剧能耗，还会造成微藻细胞破壁，降低生物质产量，不利于大规模推广。
综上所述，设计低能耗的扰流结构来改善反应器内的流动混合、传质、多场协同等特性，已经被证明是一种提升反应器生物质产量和微藻固碳率的可行方案。但目前，在气升柱式反应器中心升液区和外围降液区的不同区域内扰流结构对流动特性、光暗循环和混合传质影响这部分研究仍然不足，如何明晰影响机制，开发出经济高效的扰流结构-气升柱式反应器是接下来科研工作者需要面对的挑战。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种内置扰流组件的柱式光生物反应器及微藻培养方法，目的是通过合理地设计扰流结构，改善气升柱式反应器外围降液区的流场和光强场的协同性，减少反应器的光暗循环周期，增加光照占比从而达到提升微藻生物质产量和固碳效率的目标。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种内置扰流组件的柱式光生物反应器，其特征在于，包括：
柱式光生物反应器主体；
扰流组件，用于改善反应器外围降液区的流场和光强场的协同性，减少光暗循环周期，增加光照占比并提升生物质产量，其包括悬空内置于柱式光生物反应器主体中并与其同轴的引流管；
曝气装置，设置于柱式光生物反应器主体中心底部，连接外部供气装置进行曝气；
LED光照系统，设置在柱式反应器外围环侧，为微藻生长提供必需的光源。
所述柱式光生物反应器为气升柱式光生物反应器，具有一定容积，柱式光生物反应器主体总高度为30～50cm，直径为15～25cm，所述引流管内径为8～15cm，高度为18～30cm，引流管距离反应器底面1～5cm。
所述引流管可为外壁未负载任何组件的光滑结构；或外壁自上而下设置有若干排的平直肋片，或外壁设置若干涡发生器，或外壁自上而下设置有若干排的错排肋片。
所述外壁自上而下设置有若干排的平直肋片的结构中，引流管外壁有4～6排相邻间距30～40mm的环形平直肋片，肋片高度为15～25mm。
所述涡发生器为与z轴夹角为45°的20mm×20mm×5mm(长×宽×高)的矩形肋片，引流管外有2～4排相邻间距70～100mm的涡发生器，且每排中相邻两个涡发生器的位置夹角相差30～60°。
所述自上而下设置有若干排的错排肋片的结构中，每一排的肋片有若干个，相邻排的肋片错位设置，单个肋片为扇环形状，每排中相邻两个肋片的位置夹角为30～45°，每排肋片垂直相距1.5～3cm。
本发明还提供了基于所述内置扰流组件的柱式光生物反应器的微藻培养方法，包括以下步骤：
(1)接种藻液：配制BG11培养基，将其与藻种混合均匀倒入柱式光生物反应器主体内，藻液液面没过引流管且低于反应器顶部盖板；
(2)气路连接：利用气体质量流量计控制空气和二氧化碳气体流量，然后混合均匀后通入柱式光生物反应器主体底部，混合气体自扰流组件中心底部上升至反应器顶部，最后从顶部留置气孔排出；
(3)运行：开启光照系统、pH计和溶氧检测装置等，藻液在反应器中平稳生长，对比研究不同的扰流组件结构对内部场分布、气液传质特性及微藻生长速率的影响规律。
所述藻种选择为斜生栅藻，购置于中国科学院淡水藻种库；接种后初始生物质浓度为0.1g·L-1。
所述空气和二氧化碳混合均匀后，二氧化碳的体积浓度为0～10％，混合气体的进气速率为0.01～0.5vvm。
所述微藻培养温度为23～27℃，藻液pH为5～12，藻液的溶氧浓度为0～0.02g·L-1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)从改善流场光强场间协同性角度出发，综合考虑了反应器内部微藻细胞光暗周期和光照占比、二氧化碳传质系数和混气时间等重要的评价指标，合理地设计了四种不同的扰流结构，并通过数模结合实验的方法对比研究了不同扰流结构的反应器的综合性能。
(2)提出的一种引流管外置错排肋片-柱式反应器在四种不同的反应器中表现出了最佳的微藻生长速率和二氧化碳固定效率。该反应器可以有效地改善气升柱式反应器外围降液区的流场与光强场的协同性，有助于减少微藻细胞的光暗循环周期，增加光照占比从而提高生物质产量，进一步提升固碳率。
(3)基于本发明设计的新型光生物反应器，微藻培养方案被证明低能耗、高效率，在生物质能的转化、利用领域展示出了极大的应用前景。
附图说明
图1为本发明中反应器结构示意图，其中扰流组件为光滑引流管形式。
图2为本发明反应器内扰流结构示意图，其中扰流组件为光滑引流管形式，图中虚线为气-液界面。
图3为图2的俯视图。
图4为本发明中反应器结构示意图，其中扰流组件为引流管外置平直肋片形式。
图5为本发明反应器内扰流结构示意图，其中扰流组件为引流管外置平直肋片形式，图中虚线为气-液界面。
图6为图5的俯视图。
图7为本发明中反应器结构示意图，其中扰流组件为引流管外置错排肋片形式。
图8为本发明反应器内扰流结构示意图，其中扰流组件为引流管外置错排肋片形式，图中虚线为气-液界面。
图9为图8的俯视图。
图10为本发明中反应器结构示意图，其中扰流组件为引流管外置涡发生器形式。
图11为本发明反应器内扰流结构示意图，其中扰流组件为引流管外置涡发生器形式，图中虚线为气-液界面。
图12为图11的俯视图。
图13为本发明中不同结构的反应器内外围降液区速度矢量与光衰减方向的夹角沿z轴方向的分布。
图14为不同结构下的反应器内光暗周期随微藻生物质变化曲线。
图15为不同结构下的反应器内光照占比随微藻生物质变化曲线。
图16为不同结构下的反应器内混气时间随CO2进气量变化曲线。
图17为不同结构下的反应器内CO2传质系数随进气量变化曲线。
图18为本发明中不同结构的反应器内微藻生物质浓度随时间变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参考图1～图12，本发明为一种内置扰流组件的柱式光生物反应器，包括柱式光生物反应器主体1、扰流组件、曝气装置和LED光照系统，其中曝气装置设置于柱式光生物反应器主体1中心底部，连接外部供气装置进行曝气；LED光照系统设置在柱式反应器外围环侧，为微藻生长提供必需的光源。扰流组件用于改善反应器外围降液区的流场和光强场的协同性，减少光暗循环周期，增加光照占比并提升生物质产量，其包括悬空内置于柱式光生物反应器主体中并与其同轴的引流管。本发明从改善流场-光强场间协同性的角度出发，综合考虑了反应器内部微藻细胞光暗周期和光照占比、二氧化碳传质系数和混气时间等重要的评价指标，以实现最大的微藻生物质产率和固碳率为设计原则，通过数值模拟结合实验研究的方法，研究了不同扰流结构对反应器的影响，使得反应器具有最佳的性能。
本发明中，柱式光生物反应器为具有一定容积的气升柱式光生物反应器，反应器主体总高度为30～50cm，直径为15～25cm，引流管内径为8～15cm，高度为18～30cm，引流管距离反应器底面1～5cm。
参考图1～图12，本发明扰流组件可采用光滑引流管2、引流管外置平直肋片3、引流管外置错排肋片4或引流管外置涡发生器5四种形式。
其中，光滑引流管2是指引流管外壁未负载任何组件的光滑结构，作为对照组。
引流管外置平直肋片3是在引流管外壁自上而下设置有若干排的平直肋片，本发明中，共设置4～6排相邻间距30～40mm的环形平直肋片，肋片高度为15～25mm，作为对照组。
引流管外置涡发生器5是在引流管外壁设置若干涡发生器，本发明中，涡发生器为与z轴夹角为45°的20mm×20mm×5mm(长宽高)的矩形肋片，引流管外有2～4排相邻间距70～100mm的涡发生器，且每排中相邻两个涡发生器的位置夹角相差30～60°，作为对照组。
引流管外置错排肋片4自上而下设置有若干排的错排肋片，每一排的肋片有若干个，相邻排的肋片错位设置，单个肋片为扇环形状，每排中相邻两个肋片的位置夹角为30～45°，每排肋片垂直相距1.5～3cm。
本发明采用速度矢量和光衰减方向的夹角θ来表示流场和光强场间协同性，夹角θ越小表明流场和光强场间协同性越好。速度矢量和光衰减方向的夹角如式(1)所示：
Figure BDA0002946343440000061
式中，
Figure BDA0002946343440000062
表示微藻细胞运动速度矢量，θ表示速度矢量和光衰减方向的夹角，I表示光强。x、y、z分别代表空间直角坐标系的三个方向，u、v、w分别代表x、y、z三个方向上的速度分量。
本发明采用颗粒追踪的方法对微藻细胞在反应器内的运动轨迹进行模拟，通过计算反应器内微藻细胞颗粒的光暗循环周期和光照占比来分析不同扰流结构对颗粒的光暗周期和光照占比的影响规律。光暗循环周期和光照占比如式(2)和(3)所示：
Figure BDA0002946343440000071
Figure BDA0002946343440000072
式中，
Figure BDA0002946343440000073
表示反应器内所有细胞的平均光暗周期，N表示反应器内细胞的总数，
Figure BDA0002946343440000074
表示一个细胞的平均光暗周期，n表示一个细胞经历的光暗循环次数，tc表示一个细胞光暗循环周期，tl表示一个周期内细胞在光区停留的时间，td表示一个周期内细胞在暗区停留的时间，
Figure BDA0002946343440000075
表示光暗周期中细胞在光区停留的时间占比。
在本发明的实施例中，分别采用扰流组件的上述四种形式进行实验。
实施例1
采用光滑引流管-气升柱式反应器进行微藻培养实验，其中反应器主体高度为40cm，直径为20cm，厚度6mm；光滑的引流管置于反应器主体中心，内径为11cm，总高度为27.5cm(其中底座高为4cm)，厚度2.5mm，反应器材质均为有机玻璃。
利用光滑引流管-气升柱式反应器进行微藻培养，主要包括以下步骤：
(1)接种藻液：取适量的斜生栅藻藻种和BG11培养基溶液混合均匀配成10L藻液倒入上述反应器内，微藻的初始生物质浓度为0.1g·L-1，液面没过引流管且低于反应器顶部盖板；
(2)通气：将体积浓度为1.65％的二氧化碳以0.1vvm的进气速率曝入反应器底部进气口，经过藻液从顶部留置气孔排出。
(3)运行：开启环侧灯源，入射光强平均为20000Lux，采用昼夜交替模式，环境温度控制在25℃。
数值模拟结果如图13所示：光滑引流管-气升柱式反应器外围降液区的光衰减方向速度矢量与光衰减方向的夹角平均值为85.12°，其流场与光强场间的协同性较差；如图14和图15所示，在藻液浓度为1.0g L-1时，该反应器的光暗周期约为42.97s，光照占比约为9.86％，显示了较差的光暗循环特性。
实验结果如图16和图17所示：当CO2进气量为0.1vvm时，反应器内气体的混合时间约为21.33s，CO2的传质系数约为2.01h-1，显示了反应器较差的CO2混合和传质特性；在培养的第14天时，微藻生物质浓度达到1.67g·L-1，如图18和表1所示。
实施例2
采用引流管外置平直肋片-气升柱式反应器进行微藻培养实验，其中反应器主体高度为40cm，直径为20cm，厚度6mm；引流管置于反应器主体中心，内径为11cm，总高度为27.5cm(其中底座高为4cm)，厚度2.5mm；引流管外置平直肋片为圆环形肋片，其中引流管外壁有5排相邻间距35mm的平直肋片，肋片高度为20mm，反应器材质均为有机玻璃。
利用引流管外置平直肋片-气升柱式反应器进行微藻培养，主要包括以下步骤：
(1)接种藻液：取适量的斜生栅藻藻种和BG11培养基溶液混合均匀配成10L藻液倒入上述反应器内，微藻的初始生物质浓度为0.1g·L-1，液面没过引流管且低于反应器顶部盖板；
(2)通气：将体积浓度为1.65％的二氧化碳以0.1vvm的进气速率曝入反应器底部进气口，经过藻液从顶部留置气孔排出。
(3)运行：开启环侧灯源，入射光强平均为20000Lux，采用昼夜交替模式，环境温度控制在25℃。
如图13所示，引流管外置平直肋片-气升柱式反应器外围降液区的光衰减方向速度矢量与光衰减方向的夹角平均值为82.75°，其流场与光强场间的协同性优于光滑引流管-气升柱式反应器；如图14和图15所示，在藻液浓度为1.0g·L-1时，该反应器的光暗周期约为40.03s，光照占比约为16.68％，显示了良好的光暗循环特性。
如图16和图17所示，当CO2进气量为0.1vvm时，反应器内气体的混合时间约为21.31s，CO2的传质系数约为1.98h-1；如图18所示，在培养的第14天时，微藻生物质浓度达到2.05g·L-1，详细数据参见表1。
实施例3
采用引流管外置错排肋片-气升柱式反应器进行微藻培养实验，其中反应器主体高度为40cm，直径为20cm，厚度6mm；引流管置于反应器主体中心，内径为11cm，总高度为27.5cm(其中底座高为4cm)，厚度2.5mm；引流管外置错排肋片为扇形肋片，每排中相邻两个肋片的位置夹角相差30°，每排肋片垂直相距2cm，反应器材质均为有机玻璃。
利用引流管外置错排肋片-气升柱式反应器进行微藻培养，主要包括以下步骤：
(1)接种藻液：取适量的斜生栅藻藻种和BG11培养基溶液混合均匀配成10L藻液倒入上述反应器内，微藻的初始生物质浓度为0.1g·L-1，液面没过引流管且低于反应器顶部盖板；
(2)通气：将体积浓度为1.65％的二氧化碳以0.1vvm的进气速率曝入反应器底部进气口，经过藻液从顶部留置气孔排出。
(3)运行：开启环侧灯源，入射光强平均为20000Lux，采用昼夜交替模式，环境温度控制在25℃。
如图13所示，引流管外置错排肋片-气升柱式反应器外围降液区的光衰减方向速度矢量与光衰减方向的夹角平均值为80.55°，其流场与光强场间的协同性优于光滑引流管和引流管平直肋片反应器；如图14和图15所示，在藻液浓度为1.0g·L-1时，该反应器的光暗周期约为40.81s，光照占比约为18.03％，在四种结构中显示了较优的的光暗循环特性。
如图16和图17所示，当CO2进气量为0.1vvm时，反应器内气体的混合时间约为18.31s，CO2的传质系数约为1.96h-1，其气体混合和传质特性在四种结构的反应器内表现最佳；如图18所示，在培养的第14天时，微藻生物质浓度达到2.23g·L-1，在四种结构的反应器内表现最佳，详细数据参见表1。
实施例4
采用引流管外置涡发生器-气升柱式反应器进行微藻培养实验，其中反应器主体高度为40cm，直径为20cm，厚度6mm；引流管置于反应器主体中心，内径为11cm，总高度为27.5cm(其中底座高为4cm)，厚度2.5mm；引流管外置涡发生器，其中涡发生器是20mm×20mm×5mm(长×宽×高)的矩形肋片，肋片与z轴夹角为45°，且外壁有3排相邻间距80mm的涡发生器，每排中相邻两个涡发生器的位置夹角相差45°，反应器材质均为有机玻璃。
利用引流管外置错排肋片-气升柱式反应器进行微藻培养，主要包括以下步骤：
(1)接种藻液：取适量的斜生栅藻藻种和BG11培养基溶液混合均匀配成10L藻液倒入上述反应器内，微藻的初始生物质浓度为0.1g·L-1，液面没过引流管且低于反应器顶部盖板；
(2)通气：将体积浓度为1.65％的二氧化碳以0.1vvm的进气速率曝入反应器底部进气口，经过藻液从顶部留置气孔排出。
(3)运行：开启环侧灯源，入射光强平均为20000Lux，采用昼夜交替模式，环境温度控制在25℃。
选择14天作为斜生栅藻生长的一个周期，第14天时实验测试结果显示：藻液pH平均为7.8，溶解氧浓度平均为8.5mg·L-1，微藻生物质浓度达到2.23g·L-1，详细数据参见表1。
如图13所示，引流管外置涡发生器-气升柱式反应器外围降液区的光衰减方向速度矢量与光衰减方向的夹角平均值为79.24°，其流场与光强场间的协同性在四种反应器中表现最优；如图14和图15所示，在藻液浓度为1.0g·L-1时，该反应器的光暗周期约为33.81s，在四种反应器中表现最佳；光照占比约为11.15％，在四种结构中表现较差。
如图16和图17所示，当CO2进气量为0.1vvm时，反应器内气体的混合时间约为19.89s，CO2的传质系数约为1.81h-1，其气体混合和传质特性表现较优；如图18所示，在培养的第14天时，微藻生物质浓度达到1.94g·L-1，在四种结构中表现仅优于光滑引流管反应器，详细数据参见表1。
表1不同扰流结构的反应器的数模和实验结果对比
Figure BDA0002946343440000111
综上，本发明相比于传统气升柱式反应器，能有效改善流场与光强场间的协同性，减小光暗周期，增大光照占比，提升气体传质、混合特性，从而有利于提高微藻生物质产率和实现高效固碳。

Claims (10)

1.一种内置扰流组件的柱式光生物反应器，其特征在于，包括：
柱式光生物反应器主体；
扰流组件，包括悬空内置于柱式光生物反应器主体中并与其同轴的引流管；
曝气装置，设置于柱式光生物反应器主体中心底部，连接外部供气装置进行曝气；
LED光照系统，设置在柱式反应器外围环侧，为微藻生长提供必需的光源。
2.根据权利要求1所述内置扰流组件的柱式光生物反应器，其特征在于，所述柱式光生物反应器为气升柱式光生物反应器，柱式光生物反应器主体总高度为30～50cm，直径为15～25cm，所述引流管内径为8～15cm，高度为18～30cm，引流管距离反应器底面1～5cm。
3.根据权利要求1所述内置扰流组件的柱式光生物反应器，其特征在于，所述引流管为外壁未负载任何组件的光滑结构，或外壁自上而下设置有若干排的平直肋片，或外壁设置若干涡发生器，或外壁自上而下设置有若干排的错排肋片。
4.根据权利要求3所述内置扰流组件的柱式光生物反应器，其特征在于，所述外壁自上而下设置有若干排的平直肋片的结构中，引流管外壁有4～6排相邻间距30～40mm的环形平直肋片，肋片高度为15～25mm。
5.根据权利要求3所述内置扰流组件的柱式光生物反应器，其特征在于，所述涡发生器为与z轴夹角为45°的长宽高为20mm×20mm×5mm的矩形肋片，引流管外有2～4排相邻间距70～100mm的涡发生器，且每排中相邻两个涡发生器的位置夹角相差30～60°。
6.根据权利要求3所述内置扰流组件的柱式光生物反应器，其特征在于，所述自上而下设置有若干排的错排肋片的结构中，每一排的肋片有若干个，相邻排的肋片错位设置，单个肋片为扇环形状，每排中相邻两个肋片的位置夹角为30～45°，每排肋片垂直相距1.5～3cm。
7.基于权利要求1所述内置扰流组件的柱式光生物反应器的微藻培养方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)接种藻液：配制BG11培养基，将其与藻种混合均匀倒入柱式光生物反应器主体内，藻液液面没过引流管且低于反应器顶部盖板；
(2)气路连接：利用气体质量流量计控制空气和二氧化碳气体流量，然后混合均匀后通入柱式光生物反应器主体底部，混合气体自扰流组件中心底部上升至反应器顶部，最后从顶部留置气孔排出；
(3)运行：开启光照系统、pH计和溶氧检测装置，藻液在反应器中平稳生长，对比研究不同的扰流组件结构对内部场分布、气液传质特性及微藻生长速率的影响规律。
8.根据权利要求7所述微藻培养方法，其特征在于，所述藻种选择为斜生栅藻，购置于中国科学院淡水藻种库；接种后初始生物质浓度为0.1g·L-1。
9.根据权利要求7所述微藻培养方法，其特征在于，所述空气和二氧化碳混合均匀后，二氧化碳的体积浓度为0～10％，混合气体的进气速率为0.01～0.5vvm。
10.根据权利要求7所述微藻培养方法，其特征在于，所述微藻培养温度为23～27℃，藻液pH为5～12，藻液的溶氧浓度为0～0.02g·L-1。
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