灯笼管环流柱式微藻光合反应器及微藻养殖的方法与流程

本发明是关于生物质能利用技术，特别涉及灯笼管环流柱式微藻光合反应器及微藻养殖的方法。

背景技术：

微藻能源作为第三代生物燃料是国内外新能源领域的前沿研究热点和高技术竞争焦点，微藻固定温室气体co2也是目前能源环境领域的研究热点，而如何开发立体养藻反应器实现高密度养殖微藻、以显著提高单位占地面积上的微藻生物质产量和固碳速率是当前的热点和难点问题。设计光合生物反应器的关键限制因素之一是导光特性，一般可采取增加有效光强和反应器受光表面、改善气液流动特性等方法。saeid等通过对开放池、平板反应器、柱式反应器等主流养藻反应器比较，指出气升柱式反应器具有较好的混合、气液传质、较低的能耗和剪切力等优势。由于柱式反应器能够大大降低占地面积，并且更易于藻液收获分离，故在微藻能源领域具有较强的产业应用前景。

kaewpintong等采用放置在气升柱式反应器中心的直引流管，形成了环状流动模式，发现促进了微藻生长和类胡萝卜素等功能性化学品生产。luo等使用计算机自动示踪放射性颗粒技术研究了直引流管气升环流柱式反应器内部的多相流动动力学，包括液体流速、湍流动能等。hosseini等发现通6％co2条件下直引流管气升环流柱式反应器中微藻面积生长速率是传统跑道池的3倍。直引流管气升环流柱式反应器的水动力学已经得到了较好研究，其技术优势明显。

然而，直引流管气升环流柱式反应器仍然存在一些问题。calvo等使用cfd模拟研究了直引流管气升环流柱式反应器中的多相流动，发现虽然其流动确实与设计中的外部下降流和内部上升流的流动模式一致，但是下降流中的湍流动能很低，近乎层流。众所周知，反应器内藻液流动可以从近壁区的强光状态转入中心区的弱光状态，微藻细胞接受光强的不断波动会引发一个光暗循环的闪光效应，闪光频率对微藻细胞的光合作用生长具有较大影响。反应期内湍流可以加强藻液流动混合有利于物质能量传递和导光作用。然而下降流中较低的湍流动能对提高微藻生长速率不利。而目前对于引流管结构和通气方式改进以优化藻液流场、利用闪光效应提高微藻细胞的光利用效率和生物质产量的研究几乎没有报道。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种灯笼管环流柱式微藻光合反应器及微藻养殖的方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种灯笼管环流柱式微藻光合反应器，包括竖向的透明材质中空柱式反应器，其底部封闭，顶部设封盖；在其内部设有一个同轴的透明材质引流管；引流管是由多个连续串接且彼此连通的中空球壳组成，呈内部上下贯通的灯笼串状结构；引流管的底部开口通过支架固定在柱式反应器的底板上，其顶部开口与柱式反应器的封盖保持间距，柱式反应器内部被引流管分隔成中心流上升区和外侧流下降区两部分；在引流管底部开口与柱式反应器底板之间设置曝气器，曝气器通过管路接至设于反应器外部的气泵。

本发明中，所述封盖上设置开孔作为气体出口。

本发明中，在连接曝气器和气泵的管路上设置质量流量计，用于计量导入气体的流量。

本发明中，所述反应器高度为55cm，横向截面直径为13cm，其顶部封盖上设置直径为1cm的开孔；所述引流管的总高度为47.5cm，底部开口和顶部开口的直径为3.5cm；引流管由8个球泡组成，单个球泡高度为1.5～2.5cm，最大直径为6.5～8.5cm；引流管底部开口与柱式反应器底板之间的距离为2cm。

本发明中，所述柱式反应器和引流管是由透光率在80％以上的下述任意一种材质制备而成：普通玻璃、钢化玻璃、有机玻璃或塑料材质。

本发明中，所述曝气器设于柱式反应器底部的圆心处。

本发明还提供了一种利用前述灯笼管环流柱式微藻光合反应器进行微藻养殖的方法，包括下述步骤：

(1)接种微藻液体至灯笼管环流柱式光合反应器中：打开柱式反应器的顶盖，将掺混了培养基的微藻液体加入反应器中；接种后的微藻液体高度高于引流管顶部开口2～5cm，微藻的接种量为5～10％(体积百分比)；

(2)在柱式反应器的一侧和顶部分别设置光源，向柱式反应器提供8000～10000lux的连续光照，控制环境温度在20～27℃之间；

(3)利用气泵向曝气器中送入0.04～0.2vvm(即：升气体·升液体^-1·min^-1)的工业烟气，烟气中co2浓度为6～99％(体积百分比)；烟气由曝气器排出后，自引流管底部开口沿中心流上升区逐渐上升至柱式反应器顶部，最后由顶盖上的开孔排出；在此过程中上升气体驱动微藻液体流动，形成中心藻液上升和外侧藻液下降的连续循环流场；由于引流管具有特定的灯笼串状结构，其横截面周期性扩大和缩小，能够使流体形成漩涡，从而通过强化微藻闪光效应促进微藻生长固碳。

本发明中，所述工业烟气是指燃煤电厂排放烟气、煤化工厂尾气或工业炉窑排放烟气中的任意一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中的反应器通过在柱式反应器中增加灯笼串状引流管，能够在使用过程中构成一个中心藻液上升和外侧藻液下降的循环流场。由于引流管截面积周期性扩大和缩小，造成流道截面积的周期性变化，从而在流道截面缩小部分形成许多漩涡，加强了气液搅拌和物质传递，能够明显改善藻液流场和促进闪光效应，有利于提高微藻光合作用和生物质产量。经测试，由于径向藻液速度提高能使闪光频率提高到1.9倍，混合时间减少21％，传质系数提高了26％，最终使微藻生长固碳速率提高了40％，综合比较起来技术效果是非常显著的。

附图说明

图1为本发明中灯笼管环流柱式微藻光合反应器的结构示意图。

图2为本发明中灯笼串状引流管的纵向剖视图。

图中的附图标记为：1柱式反应器；2藻液流线；3引流管；4曝气器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1、2所示，灯笼管环流柱式微藻光合反应器，包括竖向的透明材质中空的柱式反应器1，其底部封闭，顶部设封盖，封盖上设置开孔作为气体出口。在柱式反应器1的内部设有一个同轴的透明材质的引流管3；引流管3是由多个连续串接且彼此连通的中空球壳组成，呈内部上下贯通的灯笼串状结构；引流管3的底部开口通过支架固定在柱式反应器1的底板上，其顶部开口与柱式反应器1的封盖保持间距，柱式反应器1内部被引流管3分隔成中心流上升区和外侧流下降区两部分；在引流管3底部开口与柱式反应器1底板之间设置曝气器4(可设于柱式反应器1底部的圆心处)，曝气器4通过管路接至设于反应器外部的气泵，管路上设置质量流量计，用于计量导入气体的流量。柱式反应器1和引流管3可由透光率在80％以上的下述任意一种材质制备而成：普通玻璃、钢化玻璃、有机玻璃或塑料材质，可以同时选用相同材质。

利用灯笼管环流柱式微藻光合反应器进行微藻养殖的方法，包括下述步骤：

(1)接种微藻液体至灯笼管环流柱式光合反应器中：打开柱式反应器1的顶盖，将掺混了培养基的微藻液体加入反应器中；接种后的微藻液体高度高于引流管3顶部开口2～5cm，微藻的接种量为5～10％(体积百分比)；

(2)在柱式反应器1的一侧和顶部分别设置光源，向柱式反应器1提供8000～10000lux的连续光照，控制环境温度在20～27℃之间；

(3)利用气泵向曝气器4中送入0.04～0.2vvm的工业烟气(燃煤电厂排放烟气、煤化工厂尾气或工业炉窑排放烟气中的任意一种)，烟气中co2浓度为6～99％(体积百分比)；烟气由曝气器4排出后，自引流管3底部开口沿中心流上升区逐渐上升至柱式反应器1顶部，最后由顶盖上的开孔排出；在此过程中上升气体驱动微藻液体流动，形成中心藻液上升和外侧藻液下降的连续循环流场；由于引流管3具有特定的灯笼串状结构，其横截面周期性扩大和缩小，能够使流体形成漩涡，从而通过强化微藻闪光效应促进微藻生长固碳。

作为一种选型示例，柱式反应器1的高度为55cm，横向截面直径为13cm，其顶部封盖上设置直径为1cm的开孔；所述引流管的总高度为47.5cm，底部开口和顶部开口的直径为3.5cm；引流管由8个球泡组成，单个球泡高度为1.5～2.5cm，最大直径为6.5～8.5cm；引流管底部开口与柱式反应器底板之间的距离为2cm。

下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

灯笼管环流柱式微藻光合反应器的材质为厚度7.0mm的钢化玻璃。反应器的高度为55cm，直径13cm，灯笼串状引流管将整个反应器分为中心流上升区和外侧流下降区。灯笼串状引流管由8个灯笼球泡组成，其底部与反应器底部相距2cm，由支架支撑，中心轴线与柱式反应器轴线重合。灯笼串状引流管总高度47.5cm，两端直径3.5cm，中间单个灯笼球泡高度为2.5cm，中心最大直径为8.5cm。灯笼串状引流管内部为上升流，外侧环形区域为下降流。底部圆心处放置曝气器，曝气器的直径为1cm，气孔大小为1mm，气体流量由质量流量计控制。

然后接种10％(体积百分比)的小球藻藻液7l至灯笼管环流柱式微藻光合反应器中(接种藻液的高度高于反应器中灯笼串状引流管5cm)，连续光照由固定在灯笼串状引流管气升环流柱式养藻光合反应器一侧和顶部的光照提供，其侧面入射平均光强为10000lux，环境温度控制在27℃。气泵将0.2vvm的燃煤电厂排放烟气通过反应器底部的曝气器送入，燃煤电厂排放烟气的co2浓度为15％(体积百分比)，在气体上升过程中驱动藻液形成向上流动的中心流，由于中心上升区内的底部藻液密度降低，吸引两侧下降区的藻液通过灯笼串状引流管的底部间隙流入中心区，从而构成一个中心藻液上升和外环藻液下降的循环流场。由于灯笼串状引流管截面积周期性扩大和缩小，造成流道截面积的周期性变化，从而在流道截面缩小部分形成顺时针的旋涡，加强湍流和藻液的径向流速，强化了微藻闪光效应和生长固碳速率。小球藻液在指数生长期培养4天后的生物质密度达到1.9g·l^-1，最大co2固定速率为0.9g·l^-1·d。

实施例2

灯笼管环流柱式微藻光合反应器的材质为厚度4.0mm的聚苯乙烯(ps)。反应器的高度为55cm，直径13cm，灯笼串状引流管将整个反应器分为中心流上升区和外侧流下降区。灯笼串状引流管由8个灯笼球泡组成，其底部与反应器底部相距2cm，由支架支撑，中心轴线与柱式反应器轴线重合。灯笼串状引流管总高度47.5cm，两端直径3.5cm，中间单个灯笼球泡高度为2.0cm，中心最大直径为7.5cm。灯笼串状引流管内部为上升流，外侧环形区域为下降流。底部圆心处放置曝气器，曝气器的直径为0.5cm，气孔大小为0.5mm，气体流量由玻璃转子流量计控制。

然后接种8％(体积百分比)的小球藻藻液6.8l至灯笼管环流柱式微藻光合反应器中(接种藻液的高度高于反应器中灯笼串状引流管3.5cm)，连续光照由固定在灯笼串状引流管气升环流柱式养藻光合反应器一侧和顶部的光照提供，其侧面入射平均光强为9000lux，环境温度控制在25℃。气泵将0.06vvm的煤化工厂尾气通过反应器底部的曝气器送入，煤化工厂尾气的co2浓度为99％(体积百分比)，在气体上升过程中驱动藻液形成向上流动的中心流，由于中心上升区内的底部藻液密度降低，吸引两侧下降区的藻液通过灯笼串状引流管的底部间隙流入中心区，从而构成一个中心藻液上升、外环藻液下降的循环流场。由于灯笼串状引流管截面积周期性扩大和缩小，造成流道截面积的周期性变化，从而在流道截面缩小部分形成顺时针的旋涡，加强湍流和藻液的径向流速，强化了微藻闪光效应和生长固碳速率。小球藻液在指数生长期培养4天后的生物质密度达到2.1g·l^-1，最大co2固定速率1.1g·l^-1·d。

实施例3

灯笼管环流柱式微藻光合反应器的材质为厚度5.0mm的有机玻璃。反应器的高度为55cm，直径13cm，灯笼串状引流管将整个反应器分为中心流上升区和外侧流下降区。灯笼串状引流管由8个灯笼球泡组成，其底部与反应器底部相距2cm，由支架支撑，中心轴线与柱式反应器轴线重合。灯笼串状引流管总高度47.5cm，两端直径3.5cm，中间单个灯笼球泡高度为1.5cm，中心最大直径为6.5cm。灯笼串状引流管内部为上升流，外侧环形区域为下降流。底部圆心处放置曝气器，曝气器的直径为1.5cm，气孔大小为1.5mm，气体流量由质量流量计控制。

然后接种5％(体积百分比)的小球藻藻液6.0l至灯笼管环流柱式微藻光合反应器中(接种藻液的高度高于反应器中灯笼串状引流管2cm)，连续光照由固定在灯笼串状引流管气升环流柱式养藻光合反应器一侧和顶部的光照提供，其侧面入射平均光强为8000lux，环境温度控制在20℃。气泵将0.04vvm的工业炉窑排放烟气通过反应器底部的曝气器送入，工业炉窑排放烟气的co2浓度为6％(体积百分比)，在气体上升过程中驱动藻液形成向上流动的中心流，由于中心上升区内的底部藻液密度降低，吸引两侧下降区的藻液通过灯笼串状引流管的底部间隙流入中心区，从而构成一个中心藻液上升、外环藻液下降的循环流场。由于灯笼串状引流管截面积周期性扩大和缩小，造成流道截面积的周期性变化，从而在流道截面缩小部分形成顺时针的旋涡，加强湍流和藻液的径向流速，强化了微藻闪光效应和生长固碳速率。小球藻液在指数生长期培养4天后的生物质密度达到1.7g·l^-1，最大co2固定速率0.7g·l^-1·d。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。