CN218174940U - 微藻固碳和产氢一体化耦合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种微藻固碳和产氢一体化耦合系统，该耦合系统包括主体结构和辅助罐，主体结构包括纵向排列的培藻罐、消氧罐及产氢罐三部分组成，且三部分按上到下的顺序相互间由阀门串联连接，辅助罐包括微藻培养基储罐、Na₂SO₃母液储罐、氢气暂存罐、液体CO₂储罐及液泵。培养基储罐通过带液泵的管道与培藻罐的顶部连通，液体CO₂储罐通过管道与培藻罐的顶部连通，Na₂SO₃母液储罐底部与产氢罐顶部通过管道连通，氢气暂存罐顶部和产氢罐之间通过管道连通。上述结构为一体设计、模块化组合，运输方便，使用灵活，系统运行能耗底，产氢效率高，适合作为微藻固碳和产氢的一体化系统使用。

Description

微藻固碳和产氢一体化耦合系统

技术领域

本实用新型装置涉及微藻固碳和产氢领域，是一种微藻固碳和产氢一体化耦合系统。

背景技术

光合作用是绿色植物（包括藻类）利用光能和CO₂，通过光反应和暗反应两个阶段将光能转化为化学能、无机物转化为有机物，同时产生O₂的过程。在正常条件下，光反应能够分离出H₂O中的H⁺（质子）并释放电子，紧接着在暗反应中传递电子给Fd（铁氧还蛋白）并进一步与 NADH⁺结合达到还原 NADH⁺生成 NADPH。部分微藻，如小球藻、微拟球藻、衣藻等绿藻以及螺旋藻、鱼腥藻、念珠藻等蓝藻中含有氢化酶和固氮酶，能够在缺氧条件下产生酶活性，获得电子并将H⁺转化为H₂，实现微藻生物制氢。其与目前其它产氢技术，如水电解制氢、煤气化制氢、生物质热解制氢、甲烷蒸汽重整制氢、微生物光发酵和暗发酵制氢等相比，微藻制氢技术具有应条件温和、低耗、绿色，环境友好及产氢纯度高等优点，同时微藻能够利于光合作用固定CO₂，实现CO₂生物捕集与利用，最后藻体还能够加工为生物饲料、生物肥料等生物产品。因此，微藻生物制氢是非常具有广阔应用前景的制氢技术。

但目前微藻生物制氢尚未实现商业化应用，主要问题在于当前产氢效率还是相对较低、成本较高，导致这一现象的关键在于缺乏高效、高性能的微藻制氢装置。微藻制氢目前主要采用二阶段法，第一阶段进行微藻培养，然后直接通过通入惰性气体（如氮气）或加入还原性物质（如Na₂SO₃）去除藻液中溶解氧形成厌氧环境进行产氢，或通过输送泵将藻液转移到另一个反应器中再通入惰性气体（如氮气）或加入还原性物质（如Na₂SO₃）去除藻液中溶解氧，形成厌氧环境并产氢，上述方法中微藻培养反应器和产氢反应器为一个或互相分离，存在占用周期长、生产效率低，或需要通过大功率输送泵转置藻液，不仅需要消耗大量能耗，时间长，且输送泵产生的剪切力会对部分带有鞭毛的藻细胞（如衣藻等）产生不利伤害，大幅度降低产氢效果。因此，当前迫切需要一种新型的微藻生物制氢反应器以实现微藻高效产氢。

发明内容

为克服上述不足，本实用新型的目的是向本领域提供一种微藻固碳和产氢一体化耦合系统，使其解决现有生物产氢周期长、效率较低及运行能耗高的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现。

一种微藻固碳和产氢一体化耦合系统，其结构要点在于该系统包括主体结构和辅助罐，主体结构包括纵向排列的培藻罐、消氧罐及产氢罐三部分组成，且三部分按上到下的顺序相互间由阀门串联连接，辅助罐包括微藻培养基储罐、Na₂SO₃母液储罐、氢气暂存罐、液体CO₂储罐及液泵。培养基储罐通过带液泵的管道与培藻罐的顶部连通，液体CO₂储罐通过管道与培藻罐的顶部连通，Na₂SO₃母液储罐底部与产氢罐顶部通过管道连通，氢气暂存罐顶部和产氢罐之间通过管道连通。

上述培藻罐，主要功能是养殖微藻并进行二氧化碳固定，将CO₂含量为3-10%的工业尾气通入含有微藻生长培养基的培养罐子中，在适宜光强的照射下，利用微藻固定CO₂，同时产生蛋白质、多肽、氨基酸、维生素等营养物质。消氧罐，主要功能是微藻呼吸耗氧，为后续产氢反应做准备。产氢罐，主要功能是缺氧产氢，利用微藻细胞厌氧，弱光条件下产氢原理，实现高效产氢。

所述培藻罐的罐体为透明，透明材质为玻璃或塑料。通过该结构，有利于与光照反应。

所述培藻罐内置导流板、通气管和气体分布器，导流板竖向位于培藻罐内中部，且导流板将培藻罐内分隔形成两侧区域，导流板上部和下部均形成导通两侧区域的通道，通气管伸入培藻罐内的一端安装有气体分布器，且气体分布器位于培藻罐内导流板的一侧，当含CO₂的气体经通气管从气体分布器散出时，藻液随气流带动绕导流板两侧及上部和下部通道形成循环流动。通过该结构，培藻罐中通入的富含CO₂的气体使微藻培养液上下循环，微藻细胞充分混匀，实现了微藻吸收尾气中CO₂，即实现固碳。

所述消氧罐为不透明罐体。通过该结构，藻细胞在无光的罐体内呼吸耗氧，逐步形成缺氧状态，诱导细胞内氢化酶活性。

所述产氢罐的罐体为透明或半透明，透明或半透明材质为玻璃或塑料。通过该结构，有利于微藻细胞弱光下缺氧产氢。

所述产氢罐底部内置搅拌桨，搅拌桨为低剪切力的象耳桨或斜叶桨。通过该结构，用于充分混匀藻液，加速流入Na₂SO₃母液的分散和氢气从藻液中的脱析。

所述培藻罐与消氧罐通过第一调节阀相连，消氧罐与产氢罐通过第二调节阀相连，第一调节阀和第二调节阀为手动或自动阀门。通过该结构，控制调节阀开度即可控制调节流量，操作较为方便。

所述消氧罐和产氢罐中均安装有用于监测消氧罐和产氢罐内藻液溶解氧浓度的DO电极，且DO电极通过信号线连接PLC自动控制系统，PLC自动控制系统对应反馈控制Na₂SO₃母液储罐与产氢罐之间连接管道上的电磁阀。通过该结构，进而控制Na₂SO₃母液储罐流入到产氢罐的总量和时间，维持产氢所需的厌氧环境。

所述培养罐和产氢罐用的微藻包括绿藻和蓝藻，绿藻为小球藻、微拟球藻、衣藻的任意一种或多种组合，蓝藻为螺旋藻、念珠藻、鱼腥藻的任意一种或多种组合。

本实用新型为一体设计、模块化组合，方便装置的运输和灵活使用，藻液自流式设计，减少泵等转运设备，降低系统运行能耗，具有结构紧凑、操作方便、产氢效率高、运行能耗低、易于放大等优点，对于实验室和中小规模用氢场所具有良好的应用前景，适合作为微藻固碳和产氢的一体化系统使用。

附图说明

图1是本实用新型的主体结构示意图。

图2是本实用新型的培藻罐、消氧罐、产氢罐的竖向分布结构示意图。

图3是本实用新型的产氢罐内部顶面结构示意图。

图4是本实用新型的培藻罐内部结构示意图一。

图5是本实用新型的培藻管内部结构示意图二。

图6是本实用新型的培藻管内顶面结构示意图。

图中序号及名称为：1、培藻罐，101、培养基进料管，102、通气管，103、气体分布器，104、导流板，2、消氧罐，3、产氢罐，301、H₂排出管，4、微藻培养基储罐，5、Na₂SO₃母液储罐，6、氢气暂存罐，7、液体CO₂储罐，8、液泵，9、第一调节阀，10、DO电极，11、第二调节阀，12、电磁阀，13、搅拌桨。

具体实施方式

现结合附图，对本实用新型作进一步描述。

如图1-图6所示，该系统利用微藻光合固碳和厌氧产氢的原理，设计了一种基于微藻细胞的固碳和产氢一体化耦合系统。该系统包括主体结构和辅助罐，主体结构由培藻罐1、消氧罐2及产氢罐3三部分按上到下的顺序相互间由阀门串联连接组成，其中培藻管底部与消氧罐顶部之间通过第一调节阀9相连，消氧罐底部与产氢罐顶部之间通过第二调节阀11相连。辅助罐包括微藻培养基储罐4、Na₂SO₃母液储罐5、氢气暂存罐6、液体CO₂储罐7及液泵8，培养基储罐通过液泵及管道与培藻罐顶部的培养基进料管101相连通，液体CO₂储罐通过管道与培藻罐顶部的通气管102连通，Na₂SO₃母液储罐底部与产氢罐顶部通过管道相连，氢气暂存罐顶部与产氢罐之间通过管道连通。

上述培藻罐1为通体透明，培藻罐内中部设置有分隔形成两侧区域的导流板104，且导流板的上部和底部均形成导通两侧区域的通道；培藻罐内导流板的一侧区域设有通气管102，通气管上部通入CO₂含量为3-10%的工业尾气进行微藻培养，通气管底部伸入培藻罐内一侧区域并安装气体分布器104，CO2气体经气体分布器散出时，带动藻液绕导流板两侧及上部和下部通道形成图5所示的循环流动。消氧罐2为通体不透明，内部置有监测溶解氧浓度的DO电极10，并通过信号线连接PLC自动控制系统。产氢罐3为透明或半透明，内置有监测溶解氧浓度的DO电极，并通过DO电极与PLC自动控制系统相连，PLC自动控制系统反馈控制产氢罐与Na₂SO₃母液罐互联管道上的电磁阀12。产氢罐内底部设有内置搅拌桨13，产氢罐上端连接H₂排出管301，外接H₂收集、存储装置。

该系统的工作过程为：第一步将培藻罐1清洗干净，接入微藻生长培养基（BG11培养基或ASW培养基），然后接入产氢微藻（绿藻或蓝藻）藻种，绿藻为小球藻、微拟球藻、衣藻的任意一种或多种组合，蓝藻为螺旋藻、念珠藻、鱼腥藻的任意一种或多种组合，通入3-10%的CO₂，较优的选择 3-5%的CO₂气体，在太阳光或外置LED灯人工光条件下，微藻利用CO₂进行生长并固碳。当藻细胞浓度达到0.5~1g/L时候，稍微打开培藻罐底部的第一调节阀9的阀门，让藻液在重力的作用下，缓慢的流入到消氧罐2中，同时补充新鲜的培养基到培藻罐中，以剩余的藻液作物藻种进行培养，实现半连续培养。第二步是微藻细胞的呼吸耗氧，进入到不透明的消氧罐中的微藻依靠自身呼吸作用消耗藻液中的溶解氧，逐渐激活藻细胞内的产氢酶活性。消氧罐通过不透明的设计使得微藻细胞无法进行光合作用，只进行呼吸作用。呼吸作用会消耗微藻细胞在第一步产生的O₂以及罐中原有的O₂，这为第三步的厌氧条件下产生H₂提供了条件。与此同时，消氧罐与一个DO电极10相连，实时监测DO系数（溶解氧含量），当满足厌氧条件时则打开第二调节阀门使微藻进入下一部分产氢。第三步是整个装置的核心，即产氢。消氧罐和产氢罐之间通过第二调节阀来控制从消氧罐到产氢罐藻液的流速和时间。为了制造足够的厌氧环境，首先利用了消氧罐中的呼吸作用来消耗微藻细胞内的O₂和液体环境中的O₂。其次便是通过自动监测罐内DO值实时通过Na₂SO₃来消耗O₂, 亚硫酸氢根很容易与O₂结合反应，所以能够较快消耗罐内的O₂。为了实现自动化控制，产氢罐也与一个DO电极相连，实时监测DO值并传递给PLC自动控制系统（能够完成已编程的指令），由PLC自动控制系统控制电磁阀12的开度，即控制Na₂SO₃母液储罐5向消氧罐内补充通入Na₂SO_3，即在溶解氧过多时及时补充Na₂SO₃与O₂结合快速消耗罐内氧气。通过DO反馈控制，能够实现厌氧环境，实现微藻产氢，氢气通过H₂排出管301排至氢气暂存罐6存储。同时当藻细胞在产氢罐中停留时间达到2-5天后，将藻液从产氢罐底部排污管放出，再打开消氧罐与产氢罐连接的第二调节阀门，让新鲜的藻液流入到产氢罐中，再继续产氢。排出的微藻富含丰富的蛋白质、多肽、氨基酸、维生素、矿物元素等，能够为农作物，特别是小麦、高粱等提供养分，经加工后作为生物肥料使用。

以上内容旨在说明本实用新型的技术手段，并非限制本实用新型的技术范围。本领域技术人员结合现有公知常识对本实用新型做显而易见的改进或替换，亦落入本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微藻固碳和产氢一体化耦合系统，其特征在于该系统包括主体结构和辅助罐，主体结构包括纵向排列的培藻罐（1）、消氧罐（2）及产氢罐（3）三部分组成，且三部分按上到下的顺序相互间由阀门串联连接，辅助罐包括微藻培养基储罐（4）、Na₂SO₃母液储罐（5）、氢气暂存罐（6）、液体CO₂储罐（7）及液泵（8），微藻培养基储罐（4）通过带液泵（8）的管道与培藻罐（1）的顶部连通，液体CO₂储罐通过管道与培藻罐（1）的顶部连通，Na₂SO₃母液储罐（5）底部和产氢罐（3）顶部通过管道连通，氢气暂存罐（6）顶部和产氢罐（3）之间通过管道连通。

2.根据权利要求1所述的微藻固碳和产氢一体化耦合系统，其特征在于所述培藻罐（1）的罐体为透明，透明材质为玻璃或塑料。

3.根据权利要求1所述的微藻固碳和产氢一体化耦合系统，其特征在于所述培藻罐（1）内置导流板（104）、通气管（102）和气体分布器（103），导流板竖向位于培藻罐内中部，且导流板将培藻罐内分隔形成两侧区域，导流板上部和下部均形成导通两侧区域的通道，通气管伸入培藻罐内的一端安装有气体分布器，且气体分布器位于培藻罐内导流板的一侧，当含CO₂的气体经通气管从气体分布器散出时，藻液随气流带动绕导流板两侧及上部和下部通道形成循环流动。

4.根据权利要求1所述的微藻固碳和产氢一体化耦合系统，其特征在于所述消氧罐（2）为不透明罐体。

5.根据权利要求1所述的微藻固碳和产氢一体化耦合系统，其特征在于所述产氢罐（3）的罐体为透明或半透明，透明或半透明材质为玻璃或塑料。

6.根据权利要求1所述的微藻固碳和产氢一体化耦合系统，其特征在于所述产氢罐（3）底部内置搅拌桨（13），搅拌桨为低剪切力的象耳桨或斜叶桨。

7.根据权利要求1所述的微藻固碳和产氢一体化耦合系统，其特征在于所述培藻罐（1）与消氧罐（2）通过第一调节阀（9）相连，消氧罐（2）与产氢罐（3）通过第二调节阀（11）相连，第一调节阀（9）和第二调节阀（11）为手动或自动阀门。

8.根据权利要求1所述的微藻固碳和产氢一体化耦合系统，其特征在于所述消氧罐（2）和产氢罐（3）中均安装有用于监测消氧罐和产氢罐内藻液溶解氧浓度的DO电极（10），且DO电极通过信号线连接PLC自动控制系统，PLC自动控制系统反馈控制Na₂SO₃母液储罐（5）与产氢罐（3）之间连接管道上的电磁阀（12）。

9.根据权利要求1所述的微藻固碳和产氢一体化耦合系统，其特征在于所述培藻罐（1）和产氢罐（3）的微藻包括绿藻和蓝藻，绿藻为小球藻、微拟球藻、衣藻任意一种或多种组合，蓝藻为螺旋藻、念珠藻、鱼腥藻的任意一种或多种组合。

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