CN201981184U

CN201981184U - 培养产油微藻的光生物反应器

Info

Publication number: CN201981184U
Application number: CN 201120069375
Authority: CN
Inventors: 王英娟; 李壮; 黄嘉骏; 贺敬; 唐泽丽; 吕腾; 李红伟
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2021-03-17

Abstract

本实用新型公开了一种培养产油微藻的光生物反应器，反应器筒体外罩为透明材料制作的双层结构，外层材料折射率小于内层材料折射率；反应器底面密布多个小突起，以使光线形成漫反射。本实用新型筒体采用不同折射率的双层透明材料，光线在筒体内多次反射，提高了光能利用率；光源发射器为圆环结构，固定在筒体中央，光照均匀、降低能耗；设置于筒体底部的多条曝气管延长了CO₂在培养液中停留时间，有利于藻类吸收。

Description

培养产油微藻的光生物反应器

技术领域

本实用新型涉及一种高效利用光能和二氧化碳的台体式光生物反应器，属于生物能源转化及生物工程技术领域。

背景技术

生物柴油是新能源发展的一个重要方向，微藻作为一种新型的生物柴油原料，有着良好的开发前景。

目前，传统的培养方法及体系很难实现微藻的大规模培养，光生物反应器由于其集成、高效、自动化等优点在培养微藻生长代谢产物、育种等领域得到了广泛的应用。目前利用光生物反应器培养微藻生产生物柴油存在成本高、光能供给不足、二氧化碳利用率低等不足，从而阻碍了微藻用于生物柴油生产的商业化进程。

传统的光生物反应器在培养微藻时存在以下不足：①光能利用率不高。光生物反应器的采光方式主要有室外直接采光和人造光源采光两种。室外采光存在光率低、光能流失大、晚上不能保证供给的不足。采用人造光源则存在大量消耗电能的弊端，不利于降低微藻大规模培养的成本。②二氧化碳利用率不高。微藻培养过程中需要吸收CO₂进行光合作用，因此在进行微藻工业化养殖时需要提供大量的分散的CO₂作为微藻光合作用的原料。目前多采用带有一个出口的管路系统将空气通入微藻悬浮液中，但用此方法培养时CO₂在培养液中溶解度较低、气泡直径较大、停留时间短，不利于藻类吸收。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种生产成本低并且能高效地利用光能和二氧化碳的光生物反应器，以克服传统光生物反应器存在的生产运行成本高、光能供给不足、二氧化碳利用率低的不足。

本实用新型实现过程如下：

微藻生物反应器系统主要包括太阳能发电系统、藻液收集罐、藻液输送泵、CO₂净化装置、CO₂控制装置、CO₂输送泵、微藻光生物反应器、检测装置、萃取罐、萃取分离槽等部分。本实用新型主要对微藻光生物反应器进行了改进。

一种培养产油微藻的光生物反应器，其特征在于：反应器筒体外罩为透明材料制作的双层结构，外层材料折射率小于内层材料折射率，外层材料最好为折射率1.5-1.7的玻璃，内层材料为折射率＞1.7的玻璃；反应器底面密布多个小突起，以使光线形成漫反射。

设置于反应器筒体底部的CO₂入口管与多条曝气管连接，分布在反应釜底部，曝气管壁设置有多个出气微孔。

固定在反应器筒体内中央的光源发射器为圆环结构，光源发射器直径为反应器筒体直径的一半。研究发现，微藻在510-520nm处有最强吸收，因此，光源发射器产生波长510-520nm绿光。

在反应器筒体中心还设有搅拌装置，并设置挡板防止藻液打漩现象。

在反应器筒体侧面设置有温控装置和检测口，顶部设置有压力阀，入料口设置于反应器筒体顶部，出料口设置于反应器筒体底部。

本实用新型的优点及有益效果：本实用新型筒体采用不同折射率的双层透明材料，光线在筒体内多次反射，提高了光能利用率；光源发射器为圆环结构，固定在筒体中央，光照均匀、降低能耗；设置于筒体底部的多条曝气管延长了CO₂在培养液中停留时间，有利于藻类吸收。

附图说明

图1是光源发射器布局建模参数角度示意图；

图2为本实用新型光生物反应器的结构示意图。

1—入料口 2—搅拌装置 3—光源发射器 4—温控装置 5—CO₂入口管

6—压力阀 7—检测口 8—曝气管 9—出料口。

具体实施方式

本实用新型与现有技术的区别主要在于反应器筒体及底部的结构，光源发射器的形状及布局。

1、反应器筒体及底部的结构

为了解决室外直接采光利用太阳光光能利用率低的不足，光生物反应器筒体采用双层透明材料（如采用玻璃，外层玻璃折射率1.5-1.7，内层玻璃折射率＞1.7），这样设计使得透射进筒体的太阳光多进少出，在筒体内进行多次全反射，使藻类尽量充分吸收光能。采用透明材料双层结构提高光能利用率是基于以下原理：光生物反应器筒体外层采取折射率较小的透光材料，内层采用折射率较大的透光材料。当阳光从外部投射进筒体时与普通的单层玻璃类似，当光线从筒体内向外部透射时，由于内层材料折射率较大，易造成全反射，光线在筒体内多次反射，从而提高光能利用率。

反应器底面是密布小突起的粗糙漫反射结构，当光线传到下部时，会产生漫反射从而增加太阳光的多次反射，提高光能利用率。

2、灯栅系统中灯光的合理分布

夜间微藻无法在自然条件下进行光合作用，打开灯栅系统，使用光源发射器提供光能。光源发射器为圆环结构，其直径为筒体直径的一半，固定在筒体中央，使光照均匀分布在筒体中。

为了降低成本、能耗，圆环结构光源发射器安装的位置和密度均采用数学模型的方法精确地计算。

建模结果如下：

符号说明

模型建立：

如图1所示，由光学知识可知

A出面法线与各个方向光线平行则

即：

其中r为LED到A的距离，

公式推导得：

其中设LED是n个LED中的第m个，则

，A处的光照强度时n个LED在A处的光照强度之和，推出：

模型求解:

代入数值编程（附录）求解，利用区域思想将玻璃罐分为上中下三部分，其中上下为一组LED灯照明，中间共同照明：

1. LED灯40个，两组共80个；

2. 每组灯距各自端部0.35米两组相聚1.4米。

附录：

#include <iostream>

#include <math.h>

using namespace std;

void main()

{

int l=1;

double n=1.0,m=1.0;

double E=15.0,si,fi=0.0,r;

doublep,c,s,q;

while (1){

E=15.0;

cout<<"enter n fi & r: ";

cin>>n>>fi>>r;p=2*3.1415926535/n;

q=3.141926535/20.0;

si=0.0;

l=1;m=n+1.0;

while (l<=40 && E>=13.9)

{

m=1.0;E=0.0;

while (m<=n)

{

c=cos(p*m-si);

s=sin(fi);

E=E+0.06/(r*r+0.25*0.25+0.5*r*c*s)/0.7;

m=m+1.0;

)

si=si+q;

l++;

}

cout<<"l="<<l<<'\t'<<"m="<<m<<'\t'<<"E="<<E<<endl;

}

}。

图1为本实用新型光生物反应器的结构示意图。反应器筒体中培养液由入料口（1）加入，出料口（9）放出；设置有pH值检测器，用于检测反应液中pH值变化。顶部设置压力阀（6），用于控制筒体在安全压力下生产。废气净化系统中净化的二氧化碳气流由CO₂入口管（5）通入筒体，并与多条曝气管连接，分布在反应釜底部，曝气管壁设置有多个出气微孔，达到延长CO₂在培养液的停留时间并均匀分布的目的。在筒体内设有搅拌装置（2），同时设有挡板，可以防止藻液打漩现象。固定在反应器筒体内中央的光源发射器（3）为圆环结构，光源发射器直径为反应器筒体直径的一半；光源发射器的安装位置及布局通过数学建模精确计算，光源发射器产生波长510-520nm绿光。在反应器筒体侧面设置有温控装置（4）和检测口（7），顶部设置有压力阀（6）。

该装置以太阳能发电系统转化的光能为生物反应器的运行提供能量，利用工厂净化的废气作为微藻培养的碳源，在太阳光源充足的地方，采用大型太阳能电池组转化为电能为光生物反应器的运行供电。

若以工厂排放的处理废气为CO₂为碳源，既缓解了温室效应，又减少了生产成本。工业废气在经过净化系统净化后，通过离心泵通入反应器筒体。自控压力仪表PIC103探头接在反应器筒体中，筒体中压力变化和管道中二氧化碳流量变化都会反映在仪表上，并通过流量阀进行自动调节气流流量。在反应器筒体中还有温控系统，通过温控仪表TRC104和加热系统来控制反应器中温度，使其达到藻类生长适宜温度。在反应一段时间之后通过检测口导出检测液，然后用检测仪检测藻类生长情况，若藻类生长状况不良，可考虑加大二氧化碳气流流量。若生长周期完成，则关闭通气阀，从出料口放出反应液。

Claims

1.一种培养产油微藻的光生物反应器，其特征在于：反应器筒体外罩为透明材料制作的双层结构，外层材料折射率小于内层材料折射率；反应器底面密布多个小突起，以使光线形成漫反射。

2.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于：外层材料为折射率1.5-1.7的玻璃，内层材料为折射率大于1.7的玻璃。

3.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于：设置于反应器筒体底部的CO₂入口管与多条曝气管连接，分布在反应釜底部，曝气管壁设置有多个出气微孔。

4.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于：固定在反应器筒体内中央的光源发射器为圆环结构。

5.根据权利要求4所述的光生物反应器，其特征在于：光源发射器直径为反应器筒体直径的一半。

6.根据权利要求4所述的光生物反应器，其特征在于：光源发射器的安装位置及布局通过数学建模精确计算。

7.根据权利要求4所述的光生物反应器，其特征在于：光源发射器产生波长510-520nm绿光。

8.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于：在反应器筒体中心设有搅拌装置，并设置挡板防止藻液打漩现象。

9.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于：在反应器筒体侧面设置有温控装置和检测口，顶部设置有压力阀，入料口设置于反应器筒体顶部，出料口设置于反应器筒体底部。