內置導光散射柱的光生物制氫反應器的製作方法

2023-12-10 06:05:32 2

專利名稱：內置導光散射柱的光生物制氫反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及生物制氫反應器，具體涉及利用光合細菌實現生物制氫的內置導光散射柱的光生物制氫反應器。
背景技術：
利用光合細菌制氫被認為是生物制氫最有前途的方式之一(Debabrata Das，et al.Hydrogen product ion by biologicalprocessesa survey of literature. International Journal ofHydrogen Energy26(2001)13-28.)。這主要是因為光合細菌產氫在理論上具有較高的光化學轉化率；它可以避免氧抑制的問題；該方法具有利用較寬光譜範圍的能力；該方法具有去除在廢水處理過程中所產生的有機汙染物的能力。目前，現有的光生物制氫反應器有管式、板式、攪拌罐式三種類型，其中，管式光生物反應器的系統密封性好，容易與其它設備連接，但為了提高單位體積的受光面積和反應器內的光照強度，反應器的管徑不能太大(Murtuza A.Syed，Paul F.Henshaw.Effectof tube size on performance of a fixed-film tubular bioreactorfor conversion of hydrogen sulfide to elemental sulfur.WaterResearch 37(2003)1932-1938.)，然而採用小的管徑會增大反應器的尺寸和製造工藝難度，增加加工成本，同時容易造成反應器堵塞，造成反應器效率降低、甚至失效；平板式光生物反應器調光能力很強，可以保證有效液層充分受光，增強光能吸收轉換。但缺點是單位反應器佔地面積的微生物可附著的表面積較小，限制了反應器內的細胞持有量，不利於細胞的固定化，產氫率不高。攪拌罐式光反應器是在傳統微生物發酵罐的基礎上，增加光照用於光合細菌培養和產氫，其優點是在有限的佔地面積內有較大的培養液體積，缺點是光要通過液體才能到達微生物，光強衰減大，光化學轉換效率低，攪拌產生的剪切力會抑制細胞生長和損傷細胞，另外細胞懸浮培養的方式無法實現連續流的產氫工藝，同時還拌有菌種的流失問題。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於提供一種吸光能力強，光化學轉化效率高，利用光合細菌實現生物制氫的內置導光散射柱的光生物制氫反應器。
為了解決上述技術問題，本發明的一個技術方案是，一種內置導光散射柱的光生物制氫反應器，由受光板、反應器箱體、入液口、出液口構成，所述入液口和出液口分別設置在反應器箱體的上下兩端，入液口用於加入菌懸液或有機營養液或者有機廢水，出液口用於與外部管路連接，排除氫氣和殘液，在受光板上固定有至少二根與受光板垂直的導光散射柱，導光散射柱將光導入反應器內，同時又作為微生物的固體附著基質，微生物在導光散射柱上生長繁殖形成生物膜；同時，由導光散射柱導入反應器的光不用通過液體而直接作用於附著在導光散射柱外側的微生物，使微生物產生生化反應，降解溶液內的有機物產氫，從而達到光強在反應器內均勻分布，提高到達微生物的光照強度的目的；在導光散射柱上套有至少二塊相互平行且與導光散射柱垂直的折流板，所述折流板的大小和形狀與反應器箱體的內腔一致，在折流板的一端開有使液體和氣體流通的缺口，相鄰兩塊折流板之間有間隙，並且缺口交錯設置；折流板具有對液體的導流作用，能夠改變液體的流動方向，使其形成橫掠導光散射柱棒束的流動，同時提高液體的流動速度，從而增強液體中有機物向生物膜的傳質，提高產氫效率；所述受光板蓋在反應器箱體的上端面，導光散射柱和折流板放置在反應器箱體的內腔中，所述受光板和導光散射柱用有機玻璃或透明樹脂製成，便於光的通過和向反應器內及生物膜的傳遞，增加到達反應器內生物膜處光的光照強度。
所述光生物制氫反應器由於設置有導光散射柱，提高了光在反應器內的均勻分布程度和傳播距離，增加了到達微生物的光強，使得微生物有足夠的附著表面積，增大了反應器內生物膜的比表面積，從而增加了反應器內的光合細菌持有量，利於細胞固定化，光化學轉化效率高，由此提高了反應器的廢水處理能力和產氫能力。
本發明的一個優選方案中，所述導光散射柱均勻布置，相鄰兩排導光散射柱之間叉排或順排分布，在連續流橫掠導光散射柱棒束的運行方式下可以大大增加流體的擾動，從而促進底物濃度在反應器內的均勻分布，進而減少了反應器內的傳質阻力。
本發明的一個優選方案中，所述導光散射柱是圓柱形。
本發明的一個優選方案中，所述入液口設置在反應器箱體靠近底部的部位，出液口設置在反應器箱體靠近頂部的部位，靠近入液口的折流板的缺口設置在入液口的對面，靠近出液口的折流板的缺口設置在出液口的對面。
本發明的一個優選方案中，所述受光板與反應器箱體之間通過緊固件連接。
本發明所述的內置導光散射柱的光生物制氫反應器的有益效果是，由於導光散射柱的引入提高了光在反應器內的均勻分布程度和傳播距離，增加了到達微生物的光照強度；使得微生物有足夠的附著表面積形成生物膜，從而增加了反應器內的光合細菌持有量，增大了反應器內生物膜的比表面積；另外，由於導光散射柱均勻叉排或順排布置，在布置折流板後，流體連續流橫掠導光散射柱束的運行方式下可以大大增加流體的擾動，從而促進底物濃度在反應器內的均勻分布，進而減少了反應器內的傳質阻力；由此提高了反應器的廢水處理能力和產氫能力。同時該發明具有成本低，操作方便，便於清洗，反應器佔地面積小，單位體積產氫率高等優點，既可用於生物膜式光合生物制氫反應器，亦可用於光合生物懸浮培養的生化反應器。因此本發明所述的光生物制氫反應器可廣泛應用於環保、能源、食品、飼料等行業，具有良好的應用前景。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明圖1是本發明所述的內置導光散射柱的光生物制氫反應器的裝配關係示意圖。
圖2是本發明所述的內置導光散射柱的光生物制氫反應器的結構示意圖。
圖3是相鄰兩排導光散射柱1之間叉排分布示意圖。
圖4是相鄰兩排導光散射柱1之間順排分布示意圖。
具體實施例方式
實施例1參見圖1、圖2和圖3，本發明所述的內置導光散射柱的光生物制氫反應器，由導光散射柱1、受光板2、反應器箱體3、入液口4、出液口5、折流板6構成，所述反應器箱體3的底部密封、上部敞口，所述導光散射柱1的長度略小於反應器箱體3的內腔高度，所述入液口4設置在反應器箱體3靠近底部的部位，出液口5設置在反應器箱體3靠近頂部的部位，入液口4用於加入菌懸液或有機營養液或有機廢水，出液口5用於與外部管路連接，排除氫氣和殘液，在受光板2上設置有2 5個均勻分布的圓形通孔，相鄰兩排通孔之間叉排分布，孔的數量與導光散射柱的數量一致，當然，孔的數量也可以是其他自然數，只要折流板6和受光板2能夠承受，孔的大小便於與導光散射柱成為緊配合，導光散射柱1脹入受光板2的圓形通孔中，所述折流板6的大小和形狀與反應器箱體3的內腔一致，在本實施例中，折流板6的數量是4塊，當然，折流板6的數量也可以是其他自然數，在折流板6的一端開有使液體和氣體流通的缺口，相鄰兩塊折流板6之間有間隙並且缺口交錯設置，靠近入液口4的折流板6的缺口設置在入液口4的對面，靠近出液口5的折流板6的缺口設置在出液口5的對面；同樣，在折流板6上設置有通孔，孔的數量與導光散射柱1的數量一致，孔的大小略大於導光散射柱1，孔的位置與受光板2上設置的通孔的位置對應，導光散射柱1穿過折流板6上設置的通孔，同時用膠固定折流板6，所述受光板2蓋在反應器箱體3的上端面，導光散射柱1和折流板6放置在反應器箱體3的內腔中，所述受光板2與反應器箱體3之間通過緊固件7連接，比如用法蘭或螺栓連接，所述受光板2和導光散射柱1用有機玻璃或透明樹脂製成，其中透明樹脂可以選用透明聚乙烯或聚丙烯或尼龍或ABS等材料。
實施例2參見圖1、圖2和圖4，所述內置導光散射柱的光生物制氫反應器的結構關係同實施例1，不同之處在於在受光板2上設置的均勻分布的圓形通孔，相鄰兩排通孔之間順排分布，保證導光散射柱1脹入受光板2的圓形通孔中，相鄰兩排導光散射柱1之間成順排分布。
在本發明的具體實施例中，可以選擇受光板2的厚度為5～10mm，圓柱形導光散射柱1直徑8～20mm，圓柱形導光散射柱1之間間距為2～10mm，所述圓柱形導光散射柱1的數量根據反應器箱體3的內腔直徑確定，所述折流板6的厚度取5～20mm，當圓柱形導光散射柱1的數量越多，折流板6的厚度取越大；同時，兩塊折流板6之間間距介於反應器箱體3的內腔直徑的1/2～1之間，折流板6的數量根據反應器箱體3的內腔高度確定，然而本發明的實施例並不僅僅局限於這一實施方式。
當本發明所述的內置導光散射柱的光生物制氫反應器用於產氫時，首先將菌懸液通過入液口4加入反應器內，可在菌懸液中添加有機碳源、氮、磷、鉀等營養物質，光照射受光板2並通過導光散射柱1將光導入反應器內並傳遞至附著於導光散射柱1外的微生物，提高了反應器內光強分布的均勻程度，增強了傳遞到微生物的光的光照強度，導光散射柱1同時提供微生物附著固體基質，光合細菌在導光散射柱上附著、生長，形成生物膜，一般需要20∽30天的掛膜期，在掛膜期間，由於菌懸液內有很多導光散射柱1，使得微生物有足夠的附著表面積，從而增加了單位體積反應器內的光合細菌生物膜的表面積和光合細菌的持有量，成膜後，再通過入液口4加入有機廢水，在反應器內生物膜上的微生物在光的作用下代謝有機物，同時產生氫氣，由於在反應器箱體3的內腔中水平放置有多塊相互平行的折流板6，在折流板的一端開有缺口，相鄰兩塊折流板之間的缺口交錯設置，折流板6為菌懸液或有機廢水及氫氣提供導流作用，使菌懸液或有機廢水及氫氣沿著固定的流道從出液口流出，並通過外部氫氣分離設備分離出氫氣和殘液。
當將本發明所述的內置導光散射柱的光生物制氫反應器用於產菌時，與上述方式不同的是首先將菌懸液和有機營養液同時通過入液口4加入反應器內，可在菌懸液和有機營養液中添加氮、磷、鉀等營養物質，光照射受光板2並通過導光散射柱1將光導入反應器內，導光散射柱1同時提供細胞附著固體基質，細菌在導光散射柱上附著、生長，同時在培養液中繁殖，由於在反應器箱體3的內腔中水平放置有多塊相互平行的折流板6，在折流板的一端開有缺口，相鄰兩塊折光板之間的缺口交錯設置，折流板6為菌懸液或有機營養液及氫氣提供導流作用，使菌懸液、有機營養液和氫氣沿著固定的流道從出液口流出，經過並通過外部氫氣分離設備分離出氫氣和殘液，殘液可循環利用，再次通過入液口4加入反應器內。
權利要求
1.一種內置導光散射柱的光生物制氫反應器，由受光板(2)、反應器箱體(3)、入液口(4)、出液口(5)構成，所述入液口(4)和出液口(5)分別設置在反應器箱體(3)的上下兩端，入液口(4)用於加入菌懸液或有機營養液或者有機廢水，出液口(5)用於與外部管路連接，排除氫氣和餘液，其特徵在於在受光板(2)上固定有至少二根與受光板(2)垂直的導光散射柱(1)，導光散射柱(1)將光導入反應器內，同時又作為微生物的固體附著基質，微生物在導光散射柱上生長繁殖形成生物膜；在導光散射柱(1)上套有至少二塊相互平行且與導光散射柱(1)垂直的折流板(6)，所述折流板(6)的大小和形狀與反應器箱體(1)的內腔一致，在折流板(6)的一端開有使液體和氣體流通的缺口，相鄰兩塊折流板(6)之間有間隙，並且缺口交錯設置；所述受光板(2)蓋在反應器箱體(3)的上端面，導光散射柱(1)和折流板(6)放置在反應器箱體(3)的內腔中，所述受光板(2)和導光散射柱(1)用有機玻璃或透明樹脂製成。
2.根據權利要求1所述的內置導光散射柱的光生物制氫反應器，其特徵在於所述導光散射柱(1)均勻布置，相鄰兩排導光散射柱(1)之間叉排或順排分布。
3.根據權利要求2所述的內置導光散射柱的光生物制氫反應器，其特徵在於所述導光散射柱(1)是圓柱形。
4.根據權利要求1或2或3所述的內置導光散射柱的光生物制氫反應器，其特徵在於所述入液口(4)設置在反應器箱體(3)靠近底部的部位，出液口(5)設置在反應器箱體(3)靠近頂部的部位，靠近入液口(4)的折流板(6)的缺口設置在入液口(4)的對面，靠近出液口(5)的折流板(6)的缺口設置在出液口(5)的對面。
5.根據權利要求4所述的內置導光散射柱的光生物制氫反應器，其特徵在於所述受光板(2)與反應器箱體(3)之間通過緊固件(7)連接。
全文摘要
一種內置導光散射柱的光生物制氫反應器，由受光板、反應器箱體、入液口、出液口構成，所述入液口和出液口分別設置在反應器箱體的上下兩端，其特徵在於在受光板上固定有至少二根與受光板垂直的導光散射柱，在導光散射柱上套有至少二塊相互平行且與導光散射柱垂直的折流板，所述折流板的大小和形狀與反應器箱體的內腔一致，在折流板的一端開有使液體和氣體流通的缺口，相鄰兩塊折流板之間有間隙，並且缺口交錯設置；所述受光板蓋在反應器箱體的頂部，導光散射柱和折流板放置在反應器箱體的內腔中，所述受光板和導光散射柱用有機玻璃或透明樹脂製成；該發明具有成本低，單位體積產氫率高等優點，可廣泛應用於環保、能源、食品、飼料等行業。
文檔編號C12M1/00GK101020890SQ20071007827
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月12日 優先權日2007年3月12日
發明者廖強, 張川, 朱恂, 田鑫, 石泳, 丁玉棟 申請人:重慶大學