一种管式光生物反应器CO2细化装置的制作方法

本发明涉及微藻培养工程领域，特别涉及一种管式光生物反应器CO₂细化装置。

背景技术：

微藻是广泛分布于陆地及海洋中的光合微生物，其能有效利用光能、二氧化碳、水和无机盐合成蛋白质、脂肪、碳水化合物及高附加值的生物活性物质，因而其在食品、能源及环境领域拥有广阔的应用前景。

微藻大规模高密度培养是微藻生物产业的关键环节，而这依托于高性能的光生物反应器，因此对培养微藻的光生物反应器的研究便一直是微藻生物界研究的重点问题。

目前，微藻培养光生物反应器主要有开放式和封闭式两种。封闭式光生物反应器具有很多优点，如①无污染，能实现单种、纯种培养；②培养条件容易控制；③培养密度高、易收获；④适合于所有微藻的光自养培养；⑤有较高的光照面积与培养体积之比，光能和CO₂利用率较高，因此其已成为今后的发展方向。

目前封闭式光生物反应器主要有平板式、柱状气升式、管式、搅拌式发酵罐、立式吊袋、浮式薄膜袋。

管式光生物反应器因比表面积大、光能利用率高、气液混合及传质效果好、流速容易控制等优点而被广泛应用于微藻的工业化培养。

以CO₂气体为碳源的光生物反应器必须保证CO₂气体被良好的分散和吸收，通常的做法是将CO₂以气泡的形式通入到光生物反应器中，而这依赖CO₂细化装置来实现。现有的CO₂细化装置打出来的气泡尺度为毫米级， 由于密度的差异，无论管中的藻液处于流动还是静止状态，气泡通入到管式光生物反应器后基本都浮在管的顶部，这不利于微藻对CO₂的良好吸收，因而也就不能保证微藻进行充分的光合作用。

专利号200420007044.9公布的单端复合齿形迷宫螺旋泵，专利号201410304593.0公布的单端锯齿形螺纹离式螺旋体微纳米气泡装置等迷宫螺旋体中，转子与定子所形成的轴流工作腔体的间隙是影响气泡尺寸的关键因素，如果间隙尺寸过大，那么从泵中出来的气泡尺寸大，气泡的细化效果差；如果间隙尺寸过小，理论上气泡尺寸也可以很小，但实际中泵的安装精度很难达到。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有的管式光生物反应器CO₂细化装置及现有的迷宫螺旋体的不足，提供一种将CO₂气泡尺度打为微米级的新型轴流径流复合式迷宫螺旋泵的管式光生物反应器CO₂细化装置，使CO₂气泡以十分微小的状态分散于管式光生物反应管线中，能够保证微藻与CO₂气体充分地接触，从而进行良好的光合作用。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种管式光生物反应器CO₂细化装置包括过滤装置、液体阀门、液体流量计、气体阀门、气体流量计、气液混合三通、轴流径流复合式迷宫螺旋泵、微气泡液阀门和微气泡液三通，其中轴流径流复合式迷宫螺旋泵包括泵入口、定子、转子、固定盘、细化盘、蜗壳和泵出口。

一种管式光生物反应器CO₂细化装置应用于一种管式光生物反应器，包括水箱、流程泵、藻液阀门、光反应管线。

工作时，过滤装置置于水箱内，微气泡液三通与光反应管线通过螺纹 或者法兰进行连接；电机带动转子及细化盘高速旋转，将水箱中的液体经过滤装置、液体阀门、液体流量计、气液混合三通、泵入口吸入到轴流径流复合式迷宫螺旋泵，同时也将CO₂—空气混合气体经气体阀门、气体流量计、气液混合三通、泵入口吸入到轴流径流复合式迷宫螺旋泵，液体和气体的流量分别通过调节液体阀门和气体阀门的开度进行控制，液体和气体的流量值分别由液体流量计和气体流量计读出；转子及定子形成轴流工作腔体，固定盘及细化盘形成径流工作腔体，径流工作腔体的间隙小于轴流工作腔体的间隙；气液两相流体在轴流工作腔体内作圆周运动以及轴向运动，随后进入到径流工作腔体内作圆周运动及径向运动；CO₂—空气混合气体先在轴流工作腔体被高速地摩擦及剪切，然后进入到径流工作腔体进一步被高速地摩擦及剪切，最终形成大量的微小气泡掺杂在液体中经微气泡液阀门及微气泡液三通流入到光反应管线。

光生物反应器内的微藻及培养液在流程泵的作用下沿着光反应管线循环流动，实现微藻与微小气泡之间的充分接触，保证微藻进行完全的光合作用。

过滤装置的孔隙小于微藻细胞的直径，这样可以使得流入到轴流径流复合式迷宫螺旋泵内的液体不含有微藻细胞，从而避免了轴流径流复合式迷宫螺旋泵对微藻细胞的伤害。

固定盘及细化盘为直叶片或弯叶片，固定盘及细化盘也可以为直叶片或弯叶片两两任意组合而成，气液混合液在定子与转子间初步细化，初步细化的混合液经固定盘及细化盘进一步细化气泡后边缘甩出，双阶的结构使得混合液中的气泡细化完全。

本发明的有益效果是该轴流径流复合式迷宫螺旋泵CO₂细化装置可以 将CO₂气体以微米级尺度打入到管式光生物反应器中，规避了转子与定子安装精度要求高的问题，气体经过两级细化，气泡细化效果好，微气泡在管线停留时间久，不至于很快上浮到管顶部，气液两相传质及混合更充分，微藻对CO₂的吸收更彻底，从而更好地进行光合作用。

附图说明

图1为本发明一种管式光生物反应器CO₂细化装置。

图2为本发明一种管式光生物反应器CO₂细化装置的蜗壳结构。

图3为本发明一种管式光生物反应器CO₂细化装置的直叶片细化盘或固定盘。

图4为本发明一种管式光生物反应器CO₂细化装置的弯叶片细化盘或固定盘。

图5为本发明一种管式光生物反应器CO₂细化装置应用于一种管式光生物反应器。

图中，1—过滤装置，2—液体阀门，3—液体流量计，4—气体阀门，5—气体流量计，6—气液混合三通，7—轴流径流复合式迷宫螺旋泵，其中7-1—泵入口，7-2—定子，7-3—转子，7-4—固定盘，7-5—细化盘，7-6—蜗壳，7-7—泵出口，8—微气泡液阀门，9—微气泡液三通，10—水箱，11—流程泵，12—藻液阀门，13—光反应管线。

具体实施方式

下面将参考附图对本发明进行详细地描述。

如图1所示，本发明一种管式光生物反应器CO₂细化装置包括过滤装置1、液体阀门2、液体流量计3、气体阀门4、气体流量计5、气液混合三通6、轴流径流复合式迷宫螺旋泵7、微气泡液阀门8和微气泡液三通9， 其中轴流径流复合式迷宫螺旋泵7包括泵入口7-1、定子7-2、转子7-3、固定盘7-4、细化盘7-5、蜗壳7-6和泵出口7-7。

如图5所示，本发明一种管式光生物反应器CO₂细化装置应用于一种管式光生物反应器，包括水箱10、流程泵11、藻液阀门12、光反应管线13。

工作时，过滤装置1置于水箱10内，微气泡液三通9与光反应管线13通过螺纹或者法兰进行连接；电机带动转子7-3及细化盘7-5高速旋转，将水箱10中的液体经过滤装置1、液体阀门2、液体流量计3、气液混合三通6、泵入口7-1吸入到轴流径流复合式迷宫螺旋泵7，同时也将CO₂—空气混合气体经气体阀门4、气体流量计5、气液混合三通6、泵入口7-1吸入到轴流径流复合式迷宫螺旋泵7，液体和气体的流量分别通过调节液体阀门2和气体阀门4的开度进行控制，液体和气体的流量值分别由液体流量计3和气体流量计5读出；转子7-3及定子7-2形成轴流工作腔体，固定盘7-4及细化盘7-5形成径流工作腔体，径流工作腔体的间隙小于轴流工作腔体的间隙，固定盘7-4及细化盘7-5位于蜗壳7-6(见图2所示)中；气液两相流体在轴流工作腔体内作圆周运动以及轴向运动，随后进入到径流工作腔体内作圆周运动及径向运动；CO₂—空气混合气体先在轴流工作腔体被高速地摩擦及剪切，然后进入到径流工作腔体进一步被高速地摩擦及剪切，最终形成大量的微小气泡掺杂在液体中微气泡经蜗壳7-6的泵出口7-7后再经液阀门8及微气泡液三通9流入到光反应管线13。

光生物反应器内的微藻及培养液在流程泵11的作用下沿着光反应管线13循环流动，实现微藻与微小气泡之间的充分接触，保证微藻进行完全的光合作用。

过滤装置1的孔隙小于微藻细胞的直径，这样可以使得流入到轴流径流复合式迷宫螺旋泵7内的液体不含有微藻细胞，从而避免了轴流径流复合式迷宫螺旋泵7对微藻细胞的伤害。

固定盘7-4及细化盘7-5可由直叶片(见图3所示)或弯叶片(见图4所示)进行两两任意组合。

本发明的优选实施例为转子7-3及定子7-2所形成的轴流工作腔体的间隙为0.2mm，固定盘7-4及细化盘7-5所形成的径流工作腔体的间隙为0.1mm，两个间隙太小给加工和安装带来难度，两个间隙太大细化的气泡直径很难达到微米级。

应当明确的是，以上参照附图对本发明实施方式的说明旨在对其进行解释，而不应理解为对本发明的限制。本发明所限定的范围参见权利要求。在不脱离本发明核心情况下，本领域技术人员不花费创造性劳动，对本发明的任何修改及改进，对本发明所选用部件的等效替换均落在本发明的保护范围之内。