CN112852588A - 导光三维多孔生物膜基底反应器及培养微藻生物膜的方法 - Google Patents

导光三维多孔生物膜基底反应器及培养微藻生物膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导光三维多孔生物膜基底反应器及培养微藻生物膜的方法；一种导光三维多孔生物膜基底反应器，包括反应器主体；该反应器主体由透明材料制成；其顶部和底部分别设置有喷雾喷头和液相排出出口，喷雾喷头同时与营养液液相管路与气体管路连接；其特征在于：该反应器主体内放置有导光生物膜载体，导光生物膜载体由若干层具有三维多孔结构的导光生物膜从上往下层叠构成；每层导光生物膜内均嵌设有侧导光光纤；侧导光光纤的导光侧向反应器主体外延伸，并通过光纤收集器与光纤专用光源连接；导光生物膜内还均匀添加有导光纳米颗粒，导光纳米颗粒将侧导光光纤接收的光向四周均匀的散射；本发明可广泛应用于生物、环保等领域。

Description

导光三维多孔生物膜基底反应器及培养微藻生物膜的方法
技术领域
本发明涉及生物膜基底反应器，具体涉及一种导光三维多孔生物膜基底反应器及培养微藻生物膜的方法。
背景技术
化石燃料在给人类带来社会进步与经济繁荣的同时，也引发了化石能源日益枯竭和全球气候逐渐变暖的双重危机，因此，开发利用一种能够替代化石能源且环境友好的新型能源至关重要。其中，生物质能作为一种将太阳能以化学能形式贮存在生物质中的可再生能源，取之不尽、用之不竭，极有可能成为未来可持续能源系统的重要组成部分。微藻作为第三代生物质能源，可利用电厂烟气中的CO2作为碳源、利用污水中的氮磷等作为营养物，并以太阳能作为能量来源，通过光合作用合成油脂等能源物质和其他高附加值的产物，一举达到减排除废和生物质能源产出的多重目的。同时微藻具有繁殖快、周期短、光合效率高等优点，被认为是一种极具潜力的生物质能源原料。
相比于微藻悬浮式培养，微藻生物膜式培养可减少系统的需水量，有效提高光生物反应器内的生物质密度，且具有操作稳定、采收方便、高效节能等优势，具有更大的发展及推广潜力。目前，微藻生物膜培养方式大多基于藻细胞的光合自养，即微藻在光能的驱动下，利用CO2、H2O和简单的无机营养盐合成自身所需的营养物质以维持呼吸代谢与生长繁殖。这种微藻培养方法中光是主要的限制因素。然而，在目前微藻生物膜式培养的应用中，相关研究对生物膜基底的采用，侧重考虑材料对微藻生物膜的吸附性能以及生物相容性，忽视了基底材料对光的透过率。生物膜基底对光有很大的削减作用，这使得生物膜培养形式下微藻的生长条件极大的受到了光衰减的限制。因此，采用一种光穿透性优良的材料作为微藻生物膜基底对于优化生物膜内的光照条件极为重要。此外，传统微藻生物膜培养的光源设定一般采用单侧光源，由于光在微藻生物膜和生物膜载体内会不断衰减，当生物膜生长到一定厚度时，普通单侧光源穿透表层微藻后的出射光强难以达到光补偿点，无法满足下层微藻生物膜生长，强化光源光照强度，又将导致表层微藻生物膜产生光抑制。传统单侧光源设置下，微藻生物膜进行空间内多层排布时，其整体光分布均匀性较差，光穿透受限明显；这极大的限制了微藻生物膜培养在三维空间内的堆叠。
在目前微藻的生物膜式培养中，单侧外部光源布置形式和不良透光性基底材料的采用，同时影响着光在生物膜基底内的传输性能，使得微藻生物膜难以实现多层布置，极大的限制了微藻生物膜培养时的空间利用率。因此，急需开发一种可自发光的三维多孔生物膜基底反应器，优化微藻生物膜内光传输，解决微藻生物膜培养过程中光衰减对微藻生物膜式培养的限制影响，进而提高微藻生物膜培养的经济效应，开阔广大的应用前景，创造更多的社会价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种导光三维多孔生物膜基底反应器及培养微藻生物膜的方法。
本发明的技术方案是,一种导光三维多孔生物膜基底反应器，包括反应器主体；所述反应器主体由透明材料制成；其顶部和底部分别设置有喷雾喷头和液相排出出口，喷雾喷头同时与营养液液相管路与气体管路连接；其特征在于：该反应器主体内放置有导光生物膜载体，所述导光生物膜载体由若干层具有三维多孔结构的导光生物膜从上往下层叠构成；每层导光生物膜内均嵌设有侧导光光纤；所述侧导光光纤的导光侧向反应器主体外延伸，并通过光纤收集器与光纤专用光源连接；该导光生物膜内还均匀添加有导光纳米颗粒，该导光纳米颗粒将侧导光光纤接收的光向四周均匀的散射。
本发明在每层导光生物膜内均嵌设有侧导光光纤，使得生物膜基底层间光源分布均匀，有效的避免了单侧光源布置形式下光在生物膜内的逐层衰减。同时纳米导光颗粒对光的散射使得整个反应器内的光分布更加均匀，有效的避免了反应器内的局部光强过盛或不足的缺点。并且三维多孔镂空的结构与纳米导光材料结合使用，有效的强化了整个反应器内的光传输与均匀性，同时三维多孔结构有效的提高了整个反应器的比表面积，大大提高了微藻生物膜培养时的空间利用率。
本发明反应器采用了喷雾式营养物供给方式，在柱式生物膜光生物反应器中，喷雾可均匀的喷洒到每一层的微藻生物膜表面，在兼顾了微藻生物膜所需营养供给的同时，有效的避免了三维多孔生物膜基底在液体浸泡环境下，液体环境对光的外加衰减。有效的帮助入射光在整个反应器内的均匀性分布。
本发明在底部进行了液体通道设置，当营养液喷雾在反应器中不断积累汇聚成液体积聚在反应器底部时，液体排出通路可及时将过多的营养液排出，保持整个反应器内生物膜载体的无液相环境，使整个反应器内的光照环境始终保持良好，不受不透光营养液的遮光影响。
根据本发明所述的一种导光三维多孔生物膜基底反应器的优选方案，所述导光生物膜载体由若干层具有三维多孔结构的导光生物膜一体成型构成。
根据本发明所述的一种导光三维多孔生物膜基底反应器的优选方案，所述反应器主体还设置有藻液液相进口和藻液液相出口；在微藻吸附成膜阶段，微藻藻液通过蠕动泵和所述藻液液相进口进入所述反应器主体内，当反应器主体内的微藻藻液达到藻液液相出口高度时，由藻液液相出口排出。
利用导光三维多孔生物膜基底反应器培养微藻生物膜的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一，制作反应器
所述反应器包括反应器主体；所述反应器主体设置有藻液液相进口和藻液液相出口；所述反应器主体的顶部和底部分别设置有喷雾喷头和液相排出出口；喷雾喷头同时与营养液液相管路与气体管路连接；该反应器主体内放置有导光生物膜载体，所述导光生物膜载体由若干层具有三维多孔结构的导光生物膜从上往下层叠构成；每层导光生物膜内均嵌设有侧导光光纤；所述侧导光光纤的导光侧向反应器主体外延伸，并通过光纤收集器与光纤专用光源连接；该导光生物膜内还均匀添加有导光纳米颗粒；该导光纳米颗粒将侧导光光纤接收的光向四周均匀的散射；
步骤二，微藻吸附成膜阶段
将微藻藻液通过蠕动泵和所述藻液液相进口进入所述反应器主体内，并流经所述导光生物膜载体；当反应器主体内的微藻藻液达到藻液液相出口高度时，由藻液液相出口排出，再通过蠕动泵泵入所述反应器主体内，实现藻液流动的封闭循环；随着流经导光生物膜载体的时间不断增加，导光生物膜载体上的微藻生物膜不断附着形成，在经过一定的时间后，关闭蠕动泵，停止循环；
步骤三、微藻生物膜无液相培养阶段
打开液相排出出口，待反应器内的微藻藻液通过液相排出出口全部排出后；打开光纤专用光源，侧导光光纤接收入射光，导光纳米颗粒将侧导光光纤接收的入射光向四周散射；打开喷雾喷头，营养液与气体在喷雾喷头内实现混合并被雾化，雾化后的混合喷雾通过喷雾喷头均匀的喷洒在所述导光生物膜载体上，并从上层导光生物膜往底层导光生物膜流动，最后从液相排出出口，附着在导光生物膜载体上的微藻生物膜在营养液喷雾和光环境下不断生长累积，直至完成整个培养周期，实现微藻生物膜整体的无液相环境培养。
根据本发明所述的利用导光三维多孔生物膜基底反应器培养微藻生物膜的方法的优选方案，步骤三中从液相排出出口排出的营养液达到集液装置，再通过营养液液相管路从新到达喷雾喷头，实现营养液的循环利用。
根据本发明所述的利用导光三维多孔生物膜基底反应器培养微藻生物膜的方法的优选方案，所述导光生物膜载体由若干层具有三维多孔结构的导光生物膜一体成型构成。
本发明所述的导光三维多孔生物膜基底反应器及培养微藻生物膜的方法的有益效果是:生物膜基底层间光源分布均匀，有效的避免了单侧光源布置形式下光在生物膜内的逐层衰减，有效的避免了反应器内的局部光强过盛或不足的缺点，并将镂空的结构和纳米导光材料结合使用，有效的强化了整个反应器内的光传输与均匀性，同时三维多孔结构有效的提高了整个反应器的比表面积，大大提高了微藻生物膜培养时的空间利用率；在微藻生物膜培养阶段，保持无液相环境，使整个反应器内的光照环境始终保持良好，不受不透光营养液的遮光影响；本发明可广泛应用于生物、环保等领域。
附图说明
图1是本发明所述的导光三维多孔生物膜基底反应器的结构示意图。
图2是本发明所述的所述导光生物膜载体1的结构示意图。
具体实施方式
参见图1和图2，一种导光三维多孔生物膜基底反应器，包括反应器主体9；所述反应器主体9由导光材料制成；其顶部和底部分别设置有喷雾喷头2和液相排出出口3，喷雾喷头2同时与营养液液相管路与气体管路连接；液相排出出口3与集液装置7连接，集液装置7与营养液液相管路连接；该反应器主体9内放置有导光生物膜载体1，所述导光生物膜载体1由若干层具有三维多孔结构的导光生物膜从上往下层叠构成；每层导光生物膜内均嵌设有侧导光光纤6；所述侧导光光纤6的导光侧向反应器主体9外延伸，并通过光纤收集器8与光纤专用光源连接；该导光生物膜内还均匀添加有导光纳米颗粒10，该导光纳米颗粒10将侧导光光纤6接收的光向四周均匀的散射。
在具有实施例中，所述导光生物膜载体1由若干层具有三维多孔结构的导光生物膜一体成型构成。
在具有实施例中，所述反应器主体9还设置有藻液液相进口4和藻液液相出口5；在微藻培养开始阶段及吸附成膜阶段，微藻藻液通过蠕动泵和所述藻液液相进口4进入所述反应器主体9内，当反应器主体9内的微藻藻液达到藻液液相出口高度时，由藻液液相出口5排出。
利用能自发光的三维多孔生物膜基底反应器培养微藻生物膜的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，制作反应器
所述反应器包括反应器主体9；所述反应器主体9设置有藻液液相进口4和藻液液相出口5；所述反应器主体9的顶部和底部分别设置有喷雾喷头2和液相排出出口3；喷雾喷头2同时与营养液液相管路与气体管路连接；液相排出出口3与集液装置7连接，集液装置7与营养液液相管路连接；该反应器主体9内放置有导光生物膜载体1，所述导光生物膜载体1由若干层具有三维多孔结构的导光生物膜从上往下层叠构成；每层导光生物膜内均嵌设有侧导光光纤6；所述侧导光光纤6的导光侧向反应器主体9外延伸，并通过光纤收集器8与光纤专用光源连接；该导光生物膜内还均匀添加有导光纳米颗粒10；该导光纳米颗粒10将侧导光光纤6接收的光向四周均匀的散射；
步骤二，微藻吸附成膜阶段
将微藻藻液通过蠕动泵和所述藻液液相进口4进入所述反应器主体9内，并流经所述导光生物膜载体1；当反应器主体9内的微藻藻液达到藻液液相出口高度时，由藻液液相出口5排出，再通过蠕动泵泵入所述反应器主体9内，实现藻液流动的封闭循环；随着流经导光生物膜载体1的时间不断增加，导光生物膜载体1上的微藻生物膜不断附着形成，在经过一定的时间后，关闭蠕动泵，停止循环；
步骤三、微藻生物膜无液相培养阶段
打开液相排出出口3，待反应器内的微藻藻液通过液相排出出口3全部排出后；打开光纤专用光源，侧导光光纤6接收光纤专用光源的光，导光纳米颗粒将侧导光光纤6接收的光向四周散射；打开喷雾喷头2，营养液与气体在喷雾喷头2内实现混合并被雾化，雾化后的混合喷雾通过喷雾喷头均匀的喷洒在所述导光生物膜载体1上，并从上层导光生物膜往底层导光生物膜流动，最后从液相排出出口3排出，排出的营养液到达集液装置7，再通过营养液液相管路从新进入喷雾喷头2，实现营养液的循环利用。附着在导光生物膜载体1上的微藻生物膜在营养液喷雾和光环境下不断生长累积，直至完成整个培养周期，实现微藻生物膜整体的无液相环境培养。
在具体实施例中，所述导光生物膜载体1由若干层具有三维多孔结构的导光生物膜一体成型构成。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种导光三维多孔生物膜基底反应器，包括反应器主体(9)；所述反应器主体(9)由透明材料制成；其顶部和底部分别设置有喷雾喷头(2)和液相排出出口(3)，喷雾喷头(2)同时与营养液液相管路与气体管路连接；其特征在于：该反应器主体(9)内放置有导光生物膜载体(1)，所述导光生物膜载体(1)由若干层具有三维多孔结构的导光生物膜从上往下层叠构成；每层导光生物膜内均嵌设有侧导光光纤(6)；所述侧导光光纤(6)的导光侧向反应器主体(9)外延伸，并通过光纤收集器(8)与光纤专用光源连接；该导光生物膜内还均匀添加有导光纳米颗粒，该导光纳米颗粒将侧导光光纤(6)接收的光向四周均匀的散射。
2.根据权利要求1所述的一种导光三维多孔生物膜基底反应器，其特征在于：所述导光生物膜载体(1)由若干层具有三维多孔结构的导光生物膜一体成型构成。
3.根据权利要求1或2所述的一种导光三维多孔生物膜基底反应器，其特征在于：所述反应器主体(9)还设置有藻液液相进口(4)和藻液液相出口(5)；在微藻吸附成膜阶段，微藻藻液通过蠕动泵和所述藻液液相进口(4)进入所述反应器主体(9)内，当反应器主体(9)内的微藻藻液达到藻液液相出口高度时，由藻液液相出口(5)排出。
4.利用导光三维多孔生物膜基底反应器培养微藻生物膜的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一，制作反应器
所述反应器包括反应器主体(9)；所述反应器主体(9)设置有藻液液相进口(4)和藻液液相出口(5)；所述反应器主体(9)的顶部和底部分别设置有喷雾喷头(2)和液相排出出口(3)；喷雾喷头(2)同时与营养液液相管路与气体管路连接；该反应器主体(9)内放置有导光生物膜载体(1)，所述导光生物膜载体(1)由若干层具有三维多孔结构的导光生物膜从上往下层叠构成；每层导光生物膜内均嵌设有侧导光光纤(6)；所述侧导光光纤(6)的导光侧向反应器主体(9)外延伸，并通过光纤收集器(8)与光纤专用光源连接；该导光生物膜内还均匀添加有导光纳米颗粒；该导光纳米颗粒将侧导光光纤(6)接收的光向四周均匀的散射；
步骤二，微藻吸附成膜阶段
将微藻藻液通过蠕动泵和所述藻液液相进口(4)进入所述反应器主体(9)内，并流经所述导光生物膜载体(1)；当反应器主体(9)内的微藻藻液达到藻液液相出口高度时，由藻液液相出口(5)排出，再通过蠕动泵泵入所述反应器主体(9)内，实现藻液流动的封闭循环；随着流经导光生物膜载体(1)的时间不断增加，导光生物膜载体(1)上的微藻生物膜不断附着形成，在经过一定的时间后，关闭蠕动泵，停止循环；
步骤三、微藻生物膜无液相培养阶段
打开液相排出出口(3)，待反应器内的微藻藻液通过液相排出出口(3)全部排出后；打开光纤专用光源，侧导光光纤(6)接收入射光，导光纳米颗粒将侧导光光纤(6)接收的入射光向四周散射；打开喷雾喷头(2)，营养液与气体在喷雾喷头(2)内实现混合并被雾化，雾化后的混合喷雾通过喷雾喷头均匀的喷洒在所述导光生物膜载体(1)上，并从上层导光生物膜往底层导光生物膜流动，最后从液相排出出口(3)，附着在导光生物膜载体(1)上的微藻生物膜在营养液喷雾和光环境下不断生长累积，直至完成整个培养周期，实现微藻生物膜整体的无液相环境培养。
5.根据权利要求4所述的利用导光三维多孔生物膜基底反应器培养微藻生物膜的方法，其特征在于：步骤三中从液相排出出口(3)排出的营养液达到集液装置(7)，再通过营养液液相管路从新到达喷雾喷头(2)，实现营养液的循环利用。
6.根据权利要求1所述的利用导光三维多孔生物膜基底反应器培养微藻生物膜的方法，其特征在于：所述导光生物膜载体(1)由若干层具有三维多孔结构的导光生物膜一体成型构成。
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