一種管式光生物反應器CO2曝氣裝置的製作方法

2023-05-20 10:51:21 2

本發明涉及微藻培養工程領域，特別涉及一種管式光生物反應器CO2曝氣裝置。

背景技術：

微藻是廣泛分布於陸地及海洋中的光合微生物，其能有效利用光能、二氧化碳、水和無機鹽合成蛋白質、脂肪、碳水化合物及高附加值的生物活性物質，因而其在食品、能源及環境領域擁有廣闊的應用前景。

微藻大規模高密度培養是微藻生物產業的關鍵環節，而這依託於高性能的光生物反應器，因此對培養微藻的光生物反應器的研究便一直是微藻生物界研究的重點問題。

目前，微藻培養光生物反應器主要有開放式和封閉式兩種。封閉式光生物反應器具有很多優點，如①無汙染，能實現單種、純種培養；②培養條件容易控制；③培養密度高、易收穫；④適合於所有微藻的光自養培養；⑤有較高的光照面積與培養體積之比，光能和CO2利用率較高，因此其已成為今後的發展方向。

目前封閉式光生物反應器主要有平板式、柱狀氣升式、管式、攪拌式發酵罐、立式吊袋、浮式薄膜袋。

管式光生物反應器因比表面積大、光能利用率高、氣液混合及傳質效果好、流速容易控制等優點而被廣泛應用於微藻的工業化培養。

以CO2氣體為碳源的光生物反應器必須保證CO2氣體被良好的分散和吸收，通常的做法是將CO2以氣泡的形式通入到光生物反應器中，而這依賴CO2曝氣裝置來實現。現有的CO2曝氣裝置打出來的氣泡尺度為毫米級，由於密度的差異，無論管中的藻液處於流動還是靜止狀態，氣泡通入到管式光生物反應器後基本都浮在管的頂部，這不利於微藻對CO2的良好吸收，因而也就不能保證微藻進行充分的光合作用。

專利號200420007044.9公布的單端複合齒形迷宮螺旋泵，專利號201410304593.0公布的單端鋸齒形螺紋離式螺旋體微納米氣泡裝置等迷宮螺旋體中，轉子直徑沿軸向相同，這樣轉子與定子所形成的工作腔體的間隙沿軸向就也相同。如果間隙尺寸過大，那麼從泵中出來的氣泡尺寸大，氣泡的細化效果差；如果間隙尺寸過小，則泵的效率低且安裝精度難以保證。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服現有的管式光生物反應器CO2曝氣裝置及現有的迷宮螺旋泵的不足，提供一種將CO2氣泡尺度打為微米級的新型錐形迷宮螺旋泵的管式光生物反應器CO2曝氣裝置，使CO2氣泡以十分微小的狀態分散於管式光生物反應管線中，能夠保證微藻與CO2氣體充分地接觸，從而進行良好的光合作用。

為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案如下：

一種管式光生物反應器CO2曝氣裝置，包括過濾裝置、液體閥門、液體流量計、氣體閥門、氣體流量計、氣液混合三通、錐形轉子迷宮螺旋泵、微氣泡液閥門和微氣泡液三通，其中錐形轉子迷宮螺旋泵包括泵入口、定子、錐形轉子和泵出口。

一種管式光生物反應器CO2曝氣裝置應用於一種管式光生物反應器，該管式光生物反應器一般包括本發明一種管式光生物反應器CO2曝氣裝置、水箱、流程泵、藻液閥門和光反應管線。

工作時，過濾裝置置於管式光生物反應器的水箱內，微氣泡液三通與管式光生物反應器的光反應管線通過螺紋或者法蘭進行連接；電機帶動錐形轉子高速旋轉，將水箱中的液體經過濾裝置、液體閥門、液體流量計、氣液混合三通、泵入口吸入到錐形轉子迷宮螺旋泵，同時也將CO2—空氣混合氣體經氣體閥門、氣體流量計、氣液混合三通、泵入口吸入到錐形轉子迷宮螺旋泵，液體和氣體的流量分別通過調節液體閥門和氣體閥門的開度進行控制，液體和氣體的流量值分別由液體流量計和氣體流量計讀出；錐形轉子小端朝向泵入口，錐形轉子大端朝向泵出口，錐形轉子與定子的螺紋之間螺距及螺槽深度相等，旋向相反，氣液混合物在二者的螺槽內交換和剪切，被細化；氣液兩相流體在由錐形轉子及定子所形成的工作腔體內隨錐形轉子作圓周運動以及軸向運動，泵入口處的大氣泡經過高速地、連續地逐級摩擦及剪切，最終在泵出口處形成大量的微小氣泡摻雜在液體中經微氣泡液閥門及微氣泡液三通流入到光反應管線。

光生物反應器內的微藻及培養液在流程泵的作用下沿著光反應管線循環流動，實現微藻與微小氣泡之間的充分接觸，從而保證微藻進行完全的光合作用。

過濾裝置的孔隙小於微藻細胞的直徑，這樣可以使得流入到錐形轉子迷宮螺旋泵內的液體不含有微藻細胞，從而避免了錐形轉子迷宮螺旋泵對微藻細胞的傷害。

本發明的有益效果是該錐形轉子迷宮螺旋泵CO2曝氣裝置可以將CO2氣體以微米級尺度打入到管式光生物反應器中，氣泡細化效果好，泵效率高，微氣泡在管線停留時間久，不至於很快上浮到管頂部，氣液兩相傳質及混合更充分，微藻對CO2的吸收更徹底，從而更好地進行光合作用。

附圖說明

圖1為本發明一種管式光生物反應器CO2曝氣裝置。

圖2為本發明一種管式光生物反應器CO2曝氣裝置應用於一種管式光生物反應器。

圖中，1—過濾裝置，2—液體閥門，3—液體流量計，4—氣體閥門，5—氣體流量計，6—氣液混合三通，7—錐形轉子迷宮螺旋泵，其中7-1—泵入口，7-2—定子，7-3—錐形轉子，7-4—泵出口，8—微氣泡液閥門，9—微氣泡液三通，10—水箱，11—流程泵，12—藻液閥門，13—光反應管線。

具體實施方式

下面將參考附圖對本發明進行詳細地描述。

如圖1所示，本發明一種管式光生物反應器CO2曝氣裝置包括過濾裝置1、液體閥門2、液體流量計3、氣體閥門4、氣體流量計5、氣液混合三通6、錐形轉子迷宮螺旋泵7，微氣泡液閥門8，微氣泡液三通9，其中錐形轉子迷宮螺旋泵7包括泵入口7-1、定子7-2、錐形轉子7-3、泵出口7-4。

如圖2所示，本發明一種管式光生物反應器CO2曝氣裝置應用於一種管式光生物反應器，包括水箱10、流程泵11、藻液閥門12、光反應管線13。

工作時，過濾裝置1置於水箱10內，微氣泡液三通9與光反應管線13通過螺紋或者法蘭進行連接；電機帶動錐形轉子7-3高速旋轉，將水箱10中的液體經過濾裝置1、液體閥門2、液體流量計3、氣液混合三通6、泵入口7-1吸入到錐形轉子迷宮螺旋泵7，同時也將CO2—空氣混合氣體經氣體閥門4、氣體流量計5、氣液混合三通6、泵入口7-1吸入到錐形轉子迷宮螺旋泵7，液體和氣體的流量分別通過調節液體閥門2和氣體閥門4的開度進行控制，液體和氣體的流量值分別由液體流量計3和氣體流量計5讀出；錐形轉子7-3小端朝向泵入口7-1，錐形轉子7-3大端朝向泵出口7-4，錐形轉子7-3與定子7-2的螺紋之間螺距及螺槽深度相等，旋向相反；氣液兩相流體在由錐形轉子7-3及定子7-2所形成的工作腔體內隨錐形轉子7-3作圓周運動以及軸向運動，泵入口7-1處的大氣泡經過高速地、連續地逐級摩擦及剪切，最終形成泵出口7-4處大量的微小氣泡摻雜在液體中經微氣泡液閥門8及微氣泡液三通9流入到光反應管線13。

光生物反應器內的微藻及培養液在流程泵11的作用下沿著光反應管線13循環流動，實現微藻與微小氣泡之間的充分接觸，從而保證微藻進行完全的光合作用。

過濾裝置1的孔隙小於微藻細胞的直徑，這樣可以使得流入到錐形轉子迷宮螺旋泵7內的液體不含有微藻細胞，從而避免了錐形轉子迷宮螺旋泵7對微藻細胞的傷害。

本發明的優選實施例為錐形轉子的軸向尺寸為300mm，泵入口側錐形轉子與定子的間隙為0.3mm，泵出口側錐形轉子與定子的間隙為0.1mm，由於二者螺旋旋向相反，間隙又較小，因而氣泡被剪切破碎得很細，達到微米級。

應當明確的是，以上參照附圖對本發明實施方式的說明旨在對其進行解釋，而不應理解為對本發明的限制。本發明所限定的範圍參見權利要求。在不脫離本發明核心情況下，本領域技術人員不花費創造性勞動，對本發明的任何修改及改進，對本發明所選用部件的等效替換均落在本發明的保護範圍之內。