插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應器的製作方法

2023-06-21 05:27:11

專利名稱：插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及生物反應器，具體涉及插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應器。
背景技術：
當今世界，經濟高速發展，人類大量排放溫室氣體而引起的氣候變暖問題日益嚴重。在溫室氣體中，C02對溫室效應貢獻最大。大氣中的二氧化碳濃度已經從工業革命前的O. 028%增長至現在的O. 036%, 20世紀全球平均地面溫度上升了 I. (TC，平均海洋溫度上升了 O. 6°C，這種氣候異常會對人類的生存環境造成不可逆轉的災難性後果，例如沙漠化加劇、農業減產、災害性天氣頻發和森林面積縮減。因此，減少C02排放是人類在21世紀面臨的一大挑戰，是保持人類生存環境友好和逆轉全球氣候變暖的主要應對措施。另一方面，能源的需求量越來越大，而大部分化石能源將在本世紀被開採殆盡，能·源危機越發明顯。因此，尋求替代化石能源的可再生能源已成為當務之急。生物質能被認為是最有發展前景的可再生能源。光合微藻是一類自養微生物，能夠有效利用CO2、水、無機鹽通過光合作用合成有機物，具有光合速率高、繁殖快、環境適應能力強等優點，廣泛應用於煙道氣中CO2的脫除研究。綜上，利用光合微藻既可以高效固定CO2，又可以生產生物質燃料緩解能源危機，還可以生產諸如保健食品、藥品、化妝品等高附加值產品，具有重要的利用價值。光生物反應器是微藻固碳的場所，高效的光生物反應器是微藻實現規模化和高密度培養的關鍵。目前，國內外用於微藻培養的光生物反應器主要有開放式和封閉式兩種。開放式光生物反應器主要包括淺水池、循環池、跑道池等形式。這類反應器具有結構簡單、操作簡便、成本低廉等優點，但存在易受汙染、培養條件不穩定、微藻產量低、光能利用效率低、採收困難等一系列弊端。封閉式光生物反應器主要包括平板式、管式、柱狀氣升式、攪拌發酵罐式等。這類反應器具有光能利用率高、微藻產量高、培養條件穩定等優點，但是存在結構複雜、放大困難、成本高等缺點。考慮到微藻固碳的環境效益和微藻生物質能的利用價值，封閉式光生物反應器是今後重點發展的方向。其中，管式光生物反應器因其結構可調性強、比表面積大、光能利用率高等優點，是最有前景的封閉式光生物反應器。管式光生物反應器主要包括3類垂直管式、水平管式和螺旋管式。由於一般採用較小的管徑，管式光生物反應器具有較大的比表面積，光能利用率高，可以獲得較高的生物質產量。但是管徑的減小限制了總體積的增加，同時，在細長的管道中維持良好的混合及其困難，造成反應器效率降低。普通反應器光傳遞的一個缺點是在一定的藻液濃度下由於微藻相互遮擋效應的影響，光傳遞距離受限，如果外置光源會造成較大的暗區，同時光分布不均勻；傳統的垂直管式光生物反應器的一個缺點是二氧化碳在反應器內的停留時間太短，氣體從反應器底部進入以氣泡的形式依靠浮升力直接向上穿過液相區從反應器出口排出。氣泡在反應器內停滯的時間太短導致大量的C02沒有充分地從氣相區擴散進液相區來供給微藻細胞的生長，就被直接排放進大氣中，這造成了反應器內碳源利用不充分，固碳效率低，並且，傳統的垂直管式反應器的混合主要是通過鼓氣引起藻液的反混，這種沒有規律的隨機式的混合會增加氣泡聚合、分裂現象的發生，並直接在微藻細胞表面施加了較大的剪切力，這兩個因素都使微藻細胞容易被殺死從而降低微藻的生物質產量。在光生物反應器的設計過程中，光能和無機碳源的供應是保證微藻高效生長的關鍵。因此，高效光生物反應器的開發主要包括提高光能利用率和提高CO2在培養液中的傳質效率。提高光能利用效率主要從提高反應器比表面積、優化光源設計等方面出發。提高CO2在培養液中的氣液傳質效率，可從增大氣液接觸面積、延長氣液接觸時間、加強氣液混合等角度出發。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於提供插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應器。
根據本發明的技術方案，一種插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應器，包括頂蓋、外管、內管和底蓋，所述外管、頂蓋和底蓋均設有通孔，該外管的管壁設有進液口和出液口 ；所述頂蓋設置在所述外管的頂部，所述底蓋設置在外管的底部；其特點是所述內管的頂部設置有臺階，該臺階設置有排氣孔，所述內管穿過所述頂蓋的通孔並插入所述外管的通孔內，由設置在內管頂部的臺階限位；所述外管與所述內管之間設置有螺旋紐帶，該螺旋紐帶繞在內管上，螺旋紐帶使內管和外管之間培養微藻的區域內形成一個螺旋向上的通道；在所述外管的通孔內位於內管底部下方設置有砂芯漏鬥，該砂芯漏鬥的下部穿過底蓋的通孔，密封塞套在砂芯漏鬥的下部且固定在底蓋的通孔內；光纖纖芯插入內管內。本發明將光纖纖芯插入內管,作為內置導光介質，使光從反應器中心向外散射，減弱藻液相互遮擋效應對光傳遞的影響，同時在反應器內產生分布均勻的光場；採用砂芯漏鬥作為氣體分布器，使氣體以微氣泡的形式從底部進入反應器，提高氣液傳質效率；本發明加入螺旋紐帶後，在內管和外管之間培養微藻的區域內構造一個螺旋向上的通道，使氣液兩相在反應器內產生螺旋流，氣泡由於受到螺旋紐帶的阻力不能直接向上排出，而是沿著槽道方向螺旋向上浮升，這就大大延長了氣泡在液相區的停留時間，使得C02有更多的時間從氣泡內擴散進液相區，為微藻細胞提供充足的碳源，提高微藻固碳效率。並且，螺旋紐帶造成了氣液兩相在反應器內螺旋向上的流動。這種螺旋流動是一種有規律的擾動，不但強化了混合同時在藻細胞表面產生較小的剪切力，提高了氣液界面的傳質效率，並且，螺旋紐帶使氣液兩相在反應器內流動時自發產生有規律的螺旋擾流，加強混合而不需要較高的能量消耗，內管起到固定螺旋紐帶和保護纖芯的作用，密封塞起密封作用，同時保護砂芯漏鬥。根據本發明所述的插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應器的優選方案，內管的外壁設置有螺旋狀槽道，螺旋紐帶的葉片內緣嵌入槽道內，起到固定螺旋紐帶的作用。本發明所述的插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應器的有益效果是本發明設置螺旋紐帶，培養微藻的區域內構造一個螺旋向上的通道，使氣液兩相在反應器內產生螺旋流，提高了微藻固碳效率，提高了氣液界面的傳質效率，並且採用砂芯漏鬥作為氣體分布器，提高了氣液傳質效率，光纖纖芯作為內置導光介質，使光從反應器中心向外散射，減弱藻液相互遮擋效應對光傳遞的影響，同時在反應器內產生分布均勻的光場，本發明能夠延長氣泡停留時間，具有氣液界面的傳質效率高，混合耗能低，固碳效率高的特點，可廣泛應用於化工、能源、醫藥、環保等領域，具有良好的應用前景。


圖I是本發明所述的插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應器的結構示意圖。圖2是本發明所述的內管5的結構示意圖。
圖3是本發明所述的插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應器的應用示意圖。
具體實施例方式參見圖I和圖2，插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應器由光纖纖芯I、頂蓋2、外管3、螺旋紐帶4、內管5、砂芯漏鬥7、底蓋8和密封塞9構成，所述外管3、頂蓋2和底蓋8均設有通孔，該外管3的管壁設有進液口 10和出液口 11 ;所述頂蓋2設置在所述外管3的頂部，所述底蓋8設置在外管3的底部；所述內管5的頂部設置有臺階6，該臺階6設置有排氣孔17，所述內管5穿過所述頂蓋2的通孔並插入所述外管3的通孔內，由設置在內管5頂部的臺階6限位；所述外管3與所述內管5之間設置有螺旋紐帶4，該螺旋紐帶4繞在內管5上，螺旋紐帶4使內管和外管之間培養微藻的區域內形成一個螺旋向上的通道；在所述外管3的通孔內位於內管5底部下方設置有砂芯漏鬥7，該砂芯漏鬥7的下部穿過底蓋8的通孔，密封塞9套在砂芯漏鬥7的下部且固定在底蓋8的通孔內；光纖纖芯I插入內管5內。在具體實施例中，內管5的外壁設置有螺旋狀槽道12，螺旋紐帶4的葉片內緣嵌入槽道12內，以對螺旋紐帶4固定，螺旋紐帶4的葉片外端緊貼外管3內壁面。其中，頂蓋2、外管3、內管5和底蓋8可以採用有機玻璃製成，螺旋紐帶4可以採用聚丙烯、聚氯乙烯等製成。參見圖3，應用時，將初始低濃度的小球藻藻液從頂蓋2通孔注入進反應器16內，內管5與外管3之間的區域是培養微藻的空間；光纖纖芯I作為內置導光介質，光纖纖芯I的上部接入太陽能聚光器15，太陽能聚光器15用於聚集太陽光，通過光纖將收集的太陽光導入反應器內部，為微藻生長提供光能，減小反應器的光通路，提高光合作用效率；將一定壓力下的空氣和C02通入混合氣瓶13，再用皮管將混合氣瓶出口與砂芯漏鬥7下部出口相連，調節通氣量使含有12% C02的混合氣體通入砂芯漏鬥7，產生的微小氣泡沿螺旋紐帶4構成的通道螺旋向上浮升，在頂蓋與液相分離，通過排氣孔17排出反應器16 ;反應器16的進液口 10和出液口 11分別用管子與蠕動泵14連接，藻液在蠕動泵14提供的動力下從進液口流入反應器16，在反應器16內沿螺旋通道螺旋流動，從出液口 11流出到蠕動泵14，構成了一個循環迴路。
權利要求
1.插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應器，包括頂蓋(2)、外管(3)、內管(5)和底蓋(8)，所述外管(3)、頂蓋⑵和底蓋⑶均設有通孔，該外管(3)的管壁設有進液口(10)和出液口(11);所述頂蓋⑵設置在所述外管⑶的頂部，所述底蓋⑶設置在外管⑶的底部；其特徵在於 所述內管(5)的頂部設置有臺階￠)，該臺階(6)設置有排氣孔(17)，所述內管(5)穿過所述頂蓋(2)的通孔並插入所述外管(3)的通孔內，由設置在內管(5)頂部的臺階(6)限位；所述外管(3)與所述內管(5)之間設置有螺旋紐帶(4)，該螺旋紐帶(4)繞在內管(5)上，螺旋紐帶(4)使內管和外管之間培養微藻的區域內形成一個螺旋向上的通道；在所述外管(3)的通孔內位於內管(5)底部下方設置有砂芯漏鬥(7)，該砂芯漏鬥(7)的下部穿過底蓋(8)的通孔，密封塞(9)套在砂芯漏鬥(7)的下部且固定在底蓋(8)的通孔內；光纖纖芯⑴插入內管(5)內。
2.根據權利要求I所述的插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應器，其特徵在於內管(5)的外壁設置有螺旋狀槽道(12)，螺旋紐帶(4)的葉片內緣嵌入槽道(12)內，螺旋紐帶⑷的葉片外端緊貼外管(3)內壁面。
全文摘要
本發明公開了插入螺旋紐帶的彌散光纖式光生物反應器，包括頂蓋、外管、內管和底蓋，所述外管、頂蓋和底蓋均設有通孔，該外管的管壁設有進液口和出液口；所述頂蓋設置在所述外管的頂部，所述底蓋設置在外管的底部；其特徵在於所述內管的頂部設置有臺階，所述內管穿過所述頂蓋的通孔並插入所述外管的通孔內，由設置在內管頂部的臺階限位；所述外管與所述內管之間設置有螺旋紐帶，該螺旋紐帶繞在內管上，螺旋紐帶使內管和外管之間培養微藻的區域內形成一個螺旋向上的通道；在所述外管的通孔內位於內管底部下方設置有砂芯漏鬥，該砂芯漏鬥的下部穿過底蓋的通孔，密封塞套在砂芯漏鬥的下部且固定在底蓋的通孔內；光纖纖芯插入內管內。
文檔編號C12M1/00GK102899239SQ20121036998
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者廖強, 李林, 朱恂, 陳蓉, 王永忠, 葉丁丁, 丁玉棟 申請人:重慶大學