界面二氧化碳诱导小球藻富集生长与可控采收的装置

1.本实用新型属于微藻培养与回收技术领域，具体涉及一种界面二氧化碳诱导小球藻富集生长与可控采收的装置。


背景技术：

2.目前co2封存和捕集技术主要包括物理吸附法、化学吸收法和生物捕集法三种。其中，物理吸附法和化学吸收法是广泛使用的两种方法，但是这两种方法成本与能耗相对较高，且需要变温变压操作或投加化学药剂实现co2的回收与封存。
3.生物捕集法是指微藻等生物在生长过程中将co2作为唯一碳源，从而实现co2捕集与固定。藻类可以利用co2快速生长并合成有机物，产生的生物质可以用来制备化工原料，这对于co2减排以及能源危机解决具有重要的潜在应用价值。此外，藻类生长所需的培养液可采用生活污水、养殖废水、源分离尿液等，为藻类生长提供必要的氮磷等营养元素以及铁镁等微量元素，也可同步实现污水的高效处理。
4.小球藻细胞结构简单，只由脂质、蛋白质和碳氢化合物组成，是微藻中生长速度最高的藻种，并且利用光合作用速率快。目前，悬浮式培养是小球藻固定co2并处理废水技术研究与应用最为泛的技术手段之一，其所运用的反应器通常可分为开放式池塘和闭环式柱状反应器两种。然而悬浮培养模式存在小球藻培养生物质浓度较低、小球藻形态微小难以分离与采收等问题。目前的技术研发并没有同步实现微藻的富集生长与可控采收，工艺过程还需设置曝气等高能耗单元，降低了整体系统的经济性。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种界面二氧化碳诱导小球藻富集生长与可控采收的装置，该装置可自由切换小球藻富集生长与可控采收模式，整体结构可靠，操作简单，运行稳定。
6.为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：
7.一种界面二氧化碳诱导小球藻富集生长与可控采收的装置，所述装置包括光合成反应器、进液槽、气体供给装置、光照培养箱，所述光合成反应器设置在光照培养箱内，所述光照培养箱内设置光源和加热装置；
8.所述光合成反应器包括透明外壳、填充在透明外壳内的多孔疏水介质，所述透明外壳上设置与气体供给装置连通的进气口、与进液槽连通的进液口和出液口，所述多孔疏水介质填充在进液口与出液口之间的透明壳体内；
9.所述多孔疏水介质包括中空纤维疏水气膜、平板式疏水气膜、疏水多孔硅胶管中的至少一种。
10.进一步地，所述多孔疏水介质的孔径为20~800 nm；中空纤维疏水气膜的填充密度为1~5根/10 ml；平板式疏水气膜的填充密度为1~5 cm2/10 ml。优选地，所述中空纤维疏水气膜以束装形式填充在光合成反应器内；所述平板式疏水气膜以片层状形式填充在光合成
反应器内。优选地，所述平板式疏水气膜的层间设置光纤作为辅助光源。
11.进一步地，所述气体供给装置包括储气瓶、连接储气瓶与光合成反应器进气口的进气管道。进一步优选所述进气管道为耐压管路。进一步优选所述进气管道上进气气体流量计和进气压力表。
12.进一步地，所述透明外壳上还设置出气口和与出气口连接的出气管道，所述出气管道上设置出气气体流量计和出气压力表。
13.进一步地，所述进液槽通过进液管道与进液口连通，所述进液管道上设置蠕动泵。
14.进一步地，所述透明外壳为高透光亚克力材质，保证光照可以有效进入到光合成反应器。
15.进一步地，所述装置还包括与出液口连通的清水槽。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
17.本实用新型的装置可自由切换小球藻富集生长与可控采收模式，装置整体结构可靠、操作简单、运行稳定，无需多步骤或多单元实现富集、浓缩、分离过程，大大节省了小球藻培养与采收成本，具有良好的市场应用前景。
18.本实用新型的装置利用多孔疏水介质构建可以有co2不断溶出的界面，为小球藻的界面富集生长提供诱导力，在多孔疏水介质表面形成厚实的小球藻生物膜；同时该诱导作用力简单可控，通过增加co2逸出压力实现小球藻生物膜的剥离，完成高密度小球藻生物质的可控采收。
附图说明
19.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
20.图1为实施例1的装置结构示意图；
21.图2为实施例2的装置结构示意图。
具体实施方式
22.为了便于理解本实用新型，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本实用新型作更全面、细致地描述，但本实用新型的保护范围并不限于以下具体的实施例。
23.除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本实用新型的保护范围。
24.除非另有特别说明，本实用新型中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
25.实施例1
26.参见图1，本实施例公开了一种界面二氧化碳诱导小球藻富集生长与可控采收的装置，包括光合成反应器1、进液槽7、气体供给装置、光照培养箱17、清水槽11，光合成反应器1设置在光照培养箱17内，光照培养箱17内设置光源（未示出）和加热装置（未示出），用于给光合成反应器1提供光源和热源。
27.本实施例中，光合成反应器1包括高透光亚克力材质的透明外壳2、填充在透明外
壳2内的多孔疏水介质3，透明外壳2上设置与气体供给装置连通的进气口10、与进液槽7连通的进液口5、出气口15和与清水槽11连通的出液口18，多孔疏水介质3填充在进气口10与出气口15之间的透明壳体2内；
28.本实施例中，气体供给装置包括储气瓶8、连接储气瓶8与光合成反应器1进气口10的进气管道，进气管道为耐压管路，出气口设置出气管道；进气管道上设置进气气体流量计9和进气压力表16，出气管道上设置出气气体流量计13和出气压力表14，用于监控co2供气量，防止co2的过度溶解对微藻生长产生不利影响。
29.本实施例中，进液槽7通过进液管道与进液口5连通，6进液管道上设置蠕动泵6。
30.本实施例中，多孔疏水介质为中空纤维疏水气膜，以束装形式填充入光合成反应器；优选中空纤维疏水气膜为表面平均孔径为200 nm的聚偏氟乙烯（pvdf）材质的中空纤维疏水气膜，填充密度为3根/10 ml。
31.做为本实施例的优选方案之一，其使用实例如下所示：
32.光合成反应器尺寸为π
×4×
41cm（即：π
×
半径的平方
×
高），有效容积为170 ml，接种微藻采用普通小球藻（chlorella vulgaris)，采购于中国科学院野生生物种质资源库，其中小球藻的接种量占光合成反应器有效容积的2/3；
33.培养液由进水槽7经蠕动泵6不断从培养液进口5补充进入光合成反应器中，所用的培养液为稀释10倍的人工模拟尿液，其中污染物指标参数为氨氮（nh
3-n）=239.4 mg/l，硝酸盐氮（no
3-n）≈0 mg/l，亚硝酸盐氮（no
2-n）≈0 mg/l，化学需氧量（cod）=91.1 mg/l，总磷（tp）= 44.4mg/l，ph=8.1。培养液的水力停留时间为2天，经光合成反应器处理后的培养液由培养液出口18排出至清水槽11。
34.在微藻富集生长阶段，设置co2的供气速率为40 m3/m2/h，气压为1 kpa。光照培养箱内设置的光源和加热装置保证培养温度为25℃，光照强度为6000 lux，光暗时间比为14 h：10 h。
35.微藻生长周期为10天；稳定运行后界面富集的小球藻对水体中氮磷的去除率可达到81.0%、85.5%；每隔10天调整co2进气气压至5 kpa，小球藻生物块在气压的影响下从多孔疏水介质表面剥离，生物质回收浓度为80 g/l，极大降低微藻的采收成本。
36.实施例2
37.参见图2，本实施例公开了一种界面二氧化碳诱导小球藻富集生长与可控采收的装置，包括光合成反应器1’、进液槽7’、气体供给装置、光照培养箱17’、清水槽11’，光合成反应器1’设置在光照培养箱17’内，光照培养箱17’内设置光源（未示出）和加热装置（未示出），用于给光合成反应器1提供光源和热源。
38.本实施例中，光合成反应器1’包括高透光亚克力材质的透明外壳2’、填充在透明外壳2’内的多孔疏水介质3’，透明外壳2’上设置与气体供给装置连通的进气口10’、与进液槽7’连通的进液口5’和与清水槽11’连通的出液口18’，多孔疏水介质3’填充在进气口10’与出气口15’之间的透明壳体2’内；
39.本实施例中，气体供给装置包括储气瓶8’、连接储气瓶8’与光合成反应器1’进气口10’的进气管道，进气管道为耐压管路，进气管道上设置进气气体流量计9’和进气压力表16’，用于监控co2供气量，防止co2的过度溶解对微藻生长产生不利影响。
40.本实施例中，进液槽7’通过进液管道与进液口5’连通，6’进液管道上设置蠕动泵
6’。
41.本实施例中，多孔疏水介质为平板式疏水气膜，以片层状形式填充入光合成反应器；优选平板式疏水气膜为表面平均孔径为400 nm的聚偏氟乙烯（pvdf）平板式疏水气膜，膜填充密度为2 cm2/10 ml。
42.做为本实施例的优选方案之一，其使用实例如下所示：
43.光合成反应器尺寸为30
×
15
×
15 cm（即：长
×
宽
×
高），有效容积为4000 ml，接种微藻采用普通小球藻（chlorella vulgaris)，采购于中国科学院野生生物种质资源库，其中小球藻的接种量占光合成反应器有效容积的2/3；
44.培养液由进水槽7经蠕动泵6不断从培养液进口5补充进入光合成反应器中，所用的培养液为生活污水，其中污染物指标参数为氨氮（nh
3-n）= 44.6 mg/l，硝酸盐氮（no
3-n）≈0 mg/l，亚硝酸盐氮（no
2-n）= 1.1 mg/l，化学需氧量（cod）= 130.0 mg/l，总磷（tp）= 8.6 mg/l，ph = 8.1。污水的水力停留时间为12个小时，经光合成反应器处理后的培养液由培养液出口18排出至清水槽11。
45.在微藻富集生长阶段，设置co2的供气速率为30 m3/m2/h，气压为1.5 kpa。光照培养箱内设置的光源和加热装置保证培养温度为25℃，光照强度为8000 lux，光暗时间比为12 h：12 h。
46.本实用新型在平板式疏水气膜的层间增设体积率为8%的光纤，光照强度为4000 lux，从而为平板间受遮光的小球藻生长提供辅助光源。
47.微藻生长周期为12天；稳定运行后界面富集的小球藻对水体中氮磷的去除率可达到87.0%、92.5%；每隔12天调整co2进气气压至6 kpa，小球藻生物块在气压的影响下从多孔疏水介质表面剥离，生物质回收浓度为90 g/l，极大降低微藻的采收成本。
48.以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的包含范围之内。