燈籠管環流柱式微藻光合反應器及微藻養殖的方法技術

本發明專利技術涉及生物質能利用技術，旨在提供一種燈籠管環流柱式微藻光合反應器及微藻養殖的方法。包括豎向的透明材質中空柱式反應器，其底部封閉頂部設封蓋；在其內部設有一個同軸的透明材質引流管；引流管是由多個連續串接且彼此連通的中空球殼組成，呈內部上下貫通的燈籠串狀結構；引流管的底部開口通過支架固定在柱式反應器的底板上，其頂部開口與柱式反應器的封蓋保持間距，柱式反應器內部被引流管分隔成中心流上升區和外側流下降區兩部分；在引流管底部開口與柱式反應器底板之間設置曝氣器，曝氣器通過管路接至設于反應器外部的氣泵。本發明專利技術能夠明顯改善藻液流場和促進閃光效應，有利于提高微藻光合作用和生物質產量,綜合技術效果非常顯著。

Photosynthetic reactor and microalgae culture method for circular microalgae in lantern tube

The invention relates to the utilization technology of biomass energy, aiming at providing a lantern tube circulating column microalgae photosynthetic reactor and a microalgae culture method. A hollow column type reactor with vertical and transparent material is provided with a sealing cap at the bottom of the bottom and a coaxial transparent material drainage tube inside it. The drainage tube is composed of a plurality of hollow spherical shells connected continuously and connected to each other, with an inner and lower interconnected lantern structure, and the bottom opening of the drainage tube is fixed by the support. The top opening of the column type reactor is fixed on the floor of the column reactor. The internal drainage tube of the column reactor is separated into two parts of the central flow rise area and the lateral flow descending area; the aerator is set between the bottom of the drainage tube and the bottom plate of the column reactor, and the aerator is connected through the pipeline to the reaction. The air pump outside the device. The invention can obviously improve the flow field of the algal fluid and promote the flash effect, improve the photosynthesis and biomass output of the microalgae, and the comprehensive technical effect is very remarkable.

【技術實現步驟摘要】
燈籠管環流柱式微藻光合反應器及微藻養殖的方法
本專利技術是關于生物質能利用技術，特別涉及燈籠管環流柱式微藻光合反應器及微藻養殖的方法。
技術介紹
微藻能源作為第三代生物燃料是國內外新能源領域的前沿研究熱點和高技術競爭焦點，微藻固定溫室氣體CO2也是目前能源環境領域的研究熱點，而如何開發立體養藻反應器實現高密度養殖微藻、以顯著提高單位占地面積上的微藻生物質產量和固碳速率是當前的熱點和難點問題。設計光合生物反應器的關鍵限制因素之一是導光特性，一般可采取增加有效光強和反應器受光表面、改善氣液流動特性等方法。Saeid等通過對開放池、平板反應器、柱式反應器等主流養藻反應器比較，指出氣升柱式反應器具有較好的混合、氣液傳質、較低的能耗和剪切力等優勢。由于柱式反應器能夠大大降低占地面積，并且更易于藻液收獲分離，故在微藻能源領域具有較強的產業應用前景。Kaewpintong等采用放置在氣升柱式反應器中心的直引流管，形成了環狀流動模式，發現促進了微藻生長和類胡蘿卜素等功能性化學品生產。Luo等使用計算機自動示蹤放射性顆粒技術研究了直引流管氣升環流柱式反應器內部的多相流動動力學，包括液體流速、湍流動能等。Hosseini等發現通6％CO2條件下直引流管氣升環流柱式反應器中微藻面積生長速率是傳統跑道池的3倍。直引流管氣升環流柱式反應器的水動力學已經得到了較好研究，其技術優勢明顯。然而，直引流管氣升環流柱式反應器仍然存在一些問題。Calvo等使用CFD模擬研究了直引流管氣升環流柱式反應器中的多相流動，發現雖然其流動確實與設計中的外部下降流和內部上升流的流動模式一致，但是下降流中的湍流動能很低，近乎層流。眾所周知，反應器內藻液流動可以從近壁區的強光狀態轉入中心區的弱光狀態，微藻細胞接受光強的不斷波動會引發一個光暗循環的閃光效應，閃光頻率對微藻細胞的光合作用生長具有較大影響。反應期內湍流可以加強藻液流動混合有利于物質能量傳遞和導光作用。然而下降流中較低的湍流動能對提高微藻生長速率不利。而目前對于引流管結構和通氣方式改進以優化藻液流場、利用閃光效應提高微藻細胞的光利用效率和生物質產量的研究幾乎沒有報道。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提供一種燈籠管環流柱式微藻光合反應器及微藻養殖的方法。為解決上述技術問題，本專利技術的解決方案是：提供一種燈籠管環流柱式微藻光合反應器，包括豎向的透明材質中空柱式反應器，其底部封閉，頂部設封蓋；在其內部設有一個同軸的透明材質引流管；引流管是由多個連續串接且彼此連通的中空球殼組成，呈內部上下貫通的燈籠串狀結構；引流管的底部開口通過支架固定在柱式反應器的底板上，其頂部開口與柱式反應器的封蓋保持間距，柱式反應器內部被引流管分隔成中心流上升區和外側流下降區兩部分；在引流管底部開口與柱式反應器底板之間設置曝氣器，曝氣器通過管路接至設于反應器外部的氣泵。本專利技術中，所述封蓋上設置開孔作為氣體出口。本專利技術中，在連接曝氣器和氣泵的管路上設置質量流量計，用于計量導入氣體的流量。本專利技術中，所述反應器高度為55cm，橫向截面直徑為13cm，其頂部封蓋上設置直徑為1cm的開孔；所述引流管的總高度為47.5cm，底部開口和頂部開口的直徑為3.5cm；引流管由8個球泡組成，單個球泡高度為1.5～2.5cm，最大直徑為6.5～8.5cm；引流管底部開口與柱式反應器底板之間的距離為2cm。本專利技術中，所述柱式反應器和引流管是由透光率在80％以上的下述任意一種材質制備而成：普通玻璃、鋼化玻璃、有機玻璃或塑料材質。本專利技術中，所述曝氣器設于柱式反應器底部的圓心處。本專利技術還提供了一種利用前述燈籠管環流柱式微藻光合反應器進行微藻養殖的方法，包括下述步驟：(1)接種微藻液體至燈籠管環流柱式光合反應器中：打開柱式反應器的頂蓋，將摻混了培養基的微藻液體加入反應器中；接種后的微藻液體高度高于引流管頂部開口2～5cm，微藻的接種量為5～10％(體積百分比)；(2)在柱式反應器的一側和頂部分別設置光源，向柱式反應器提供8000～10000lux的連續光照，控制環境溫度在20～27℃之間；(3)利用氣泵向曝氣器中送入0.04～0.2vvm(即：升氣體·升液體-1·min-1)的工業煙氣，煙氣中CO2濃度為6～99％(體積百分比)；煙氣由曝氣器排出后，自引流管底部開口沿中心流上升區逐漸上升至柱式反應器頂部，最后由頂蓋上的開孔排出；在此過程中上升氣體驅動微藻液體流動，形成中心藻液上升和外側藻液下降的連續循環流場；由于引流管具有特定的燈籠串狀結構，其橫截面周期性擴大和縮小，能夠使流體形成漩渦，從而通過強化微藻閃光效應促進微藻生長固碳。本專利技術中，所述工業煙氣是指燃煤電廠排放煙氣、煤化工廠尾氣或工業爐窯排放煙氣中的任意一種。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：本專利技術中的反應器通過在柱式反應器中增加燈籠串狀引流管，能夠在使用過程中構成一個中心藻液上升和外側藻液下降的循環流場。由于引流管截面積周期性擴大和縮小，造成流道截面積的周期性變化，從而在流道截面縮小部分形成許多漩渦，加強了氣液攪拌和物質傳遞，能夠明顯改善藻液流場和促進閃光效應，有利于提高微藻光合作用和生物質產量。經測試，由于徑向藻液速度提高能使閃光頻率提高到1.9倍，混合時間減少21％，傳質系數提高了26％，最終使微藻生長固碳速率提高了40％，綜合比較起來技術效果是非常顯著的。附圖說明圖1為本專利技術中燈籠管環流柱式微藻光合反應器的結構示意圖。圖2為本專利技術中燈籠串狀引流管的縱向剖視圖。圖中的附圖標記為：1柱式反應器；2藻液流線；3引流管；4曝氣器。具體實施方式下面結合附圖與具體實施方式對本專利技術作進一步詳細描述。如圖1、2所示，燈籠管環流柱式微藻光合反應器，包括豎向的透明材質中空的柱式反應器1，其底部封閉，頂部設封蓋，封蓋上設置開孔作為氣體出口。在柱式反應器1的內部設有一個同軸的透明材質的引流管3；引流管3是由多個連續串接且彼此連通的中空球殼組成，呈內部上下貫通的燈籠串狀結構；引流管3的底部開口通過支架固定在柱式反應器1的底板上，其頂部開口與柱式反應器1的封蓋保持間距，柱式反應器1內部被引流管3分隔成中心流上升區和外側流下降區兩部分；在引流管3底部開口與柱式反應器1底板之間設置曝氣器4(可設于柱式反應器1底部的圓心處)，曝氣器4通過管路接至設于反應器外部的氣泵，管路上設置質量流量計，用于計量導入氣體的流量。柱式反應器1和引流管3可由透光率在80％以上的下述任意一種材質制備而成：普通玻璃、鋼化玻璃、有機玻璃或塑料材質，可以同時選用相同材質。利用燈籠管環流柱式微藻光合反應器進行微藻養殖的方法，包括下述步驟：(1)接種微藻液體至燈籠管環流柱式光合反應器中：打開柱式反應器1的頂蓋，將摻混了培養基的微藻液體加入反應器中；接種后的微藻液體高度高于引流管3頂部開口2～5cm，微藻的接種量為5～10％(體積百分比)；(2)在柱式反應器1的一側和頂部分別設置光源，向柱式反應器1提供8000～10000lux的連續光照，控制環境溫度在20～27℃之間；(3)利用氣泵向曝氣器4中送入0.04～0.2vvm的工業煙氣(燃煤電廠排放煙氣、煤化工廠尾氣或工業爐窯排放煙氣中的任意一種)，煙氣中CO2濃度為6～99％(體本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種燈籠管環流柱式微藻光合反應器，包括豎向的透明材質中空柱式反應器，其底部封閉，頂部設封蓋；其特征在于，在其內部設有一個同軸的透明材質引流管；引流管是由多個連續串接且彼此連通的中空球殼組成，呈內部上下貫通的燈籠串狀結構；引流管的底部開口通過支架固定在柱式反應器的底板上，其頂部開口與柱式反應器的封蓋保持間距，柱式反應器內部被引流管分隔成中心流上升區和外側流下降區兩部分；在引流管底部開口與柱式反應器底板之間設置曝氣器，曝氣器通過管路接至設于反應器外部的氣泵。

【技術特征摘要】
1.一種燈籠管環流柱式微藻光合反應器，包括豎向的透明材質中空柱式反應器，其底部封閉，頂部設封蓋；其特征在于，在其內部設有一個同軸的透明材質引流管；引流管是由多個連續串接且彼此連通的中空球殼組成，呈內部上下貫通的燈籠串狀結構；引流管的底部開口通過支架固定在柱式反應器的底板上，其頂部開口與柱式反應器的封蓋保持間距，柱式反應器內部被引流管分隔成中心流上升區和外側流下降區兩部分；在引流管底部開口與柱式反應器底板之間設置曝氣器，曝氣器通過管路接至設于反應器外部的氣泵。2.根據權利要求1所述的反應器，其特征在于，所述封蓋上設置開孔作為氣體出口。3.根據權利要求1所述的反應器，其特征在于，在連接曝氣器和氣泵的管路上設置質量流量計，用于計量導入氣體的流量。4.根據權利要求1所述的反應器，其特征在于，所述反應器高度為55cm，橫向截面直徑為13cm，其頂部封蓋上設置直徑為1cm的開孔；所述引流管的總高度為47.5cm，底部開口和頂部開口的直徑為3.5cm；引流管由8個球泡組成，單個球泡高度為1.5～2.5cm，最大直徑為6.5～8.5cm；引流管底部開口與柱式反應器底板之間的距離為2cm。5.根據權利要求1所述的反應器，其特征在于，所述柱式反應器和引流管是由透光率在80％以上的下述任意...

【專利技術屬性】
技術研發人員：程軍，岑可法，楊衛娟，王智化，周俊虎，劉建忠，田江磊，陳沭彤，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江,33