用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置的制作方法

本发明涉及一种生物培养装置领域。更具体地说，本发明涉及一种用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置。

背景技术：

微藻(microalgae)是指那些在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类群体，是有叶绿素a并能进行光合作用的微生物的总称。而微藻培养可分为光自养及非光自养(异养/兼养)，其中非光自养具有设备要求高，环境要求高，发酵原料贵等缺点，而导致异养/兼养成本居高不下且极易污染。而光自养在大规模开放系统中以遇见的瓶颈之一是co2浪费严重，在跑道池中直接通入co2，而co2在水中溶解度极低，造成大量co2逃逸，损失严重，若单纯采用加压模式，则又引起更多成本投入，而co2的化学吸收法作为目前工业上主要应用方法，其吸收容量大，吸收速度较快，成本相对低廉，非常适合对现有的燃煤电厂进行脱碳改进，若结合现有的脱碳工艺，对其进行改进，既可以达到脱碳的目的，又能为微藻培养提供有效的无机碳源。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置，其既能够高效固定二氧化碳，又能为微藻培养系统提供高效的无机碳源。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置，包括：

反应釜，所述反应釜上部沿反应釜圆周内壁设有密封环，所述密封环下方设有沿径向方向延伸的限位凸起，所述密封环下方设有观察窗、进气口以及进液口，所述观察窗设置高度不高于所述反应釜高度的1/5；所述反应釜底部设有气液出口；所述气液出口与微藻培养装置连接，为微藻培养提供无机碳源；

增压单元，所述增压单元设置在所述反应釜上部；其包括一个与反应釜内部紧密贴合的活塞以及驱动活塞上下运动的驱动轴组件，通过所述活塞上下运动来调节反应釜内的压力大小；

供气单元，其包括奇数个供气单元，其放置在反应釜底部，多个供气单元通过型连接管实现所述供气单元的立体结构；所述供气单元包括呈螺旋状的纳米管，最上层的供气单元外侧端口与所述进气口连接；最底层的供气单元内侧端口封闭，相邻两层的供气单元内侧端口与内侧端口连接或者外侧端口与外侧端口连接；所述纳米管上设有数个供气气孔；

内置传感单元，其包括设置在密封环与所述观察窗之间的压力传感器以及设置在所述反应釜底部的ph传感器；所述压力传感器和所述ph传感器的数值通过显示面板显示。

优选的是，所述驱动轴组件包括中轴螺杆、与所述中轴螺杆连接的操纵杆、固定在反应釜盖体内侧向反应釜底部延伸的螺母以及与反应釜盖体连接的伸缩臂；所述中轴螺杆上设有外螺纹，所述螺母上设有与所述中轴螺杆内螺纹配合的外螺纹；所述中轴螺杆的底部通过轴承结构与所述活塞的圆心处连接，所述伸缩臂的底部与所述活塞的边缘处连接，以所述中轴螺杆的传动力带动活塞的上下调节，达到压力调节的目的；所述活塞的边缘与所述密封环紧密贴合，且其向下运动的极限位置不越过所述限位凸起。

优选的是，所述观察窗玻璃为防爆抗压玻璃。

优选的是，所述活塞边缘外侧设有密封条。

优选的是，所述内置传感单元还包括设置在所述反应釜底部的温度传感器以及与所述观察窗底部平齐设置的水位传感器，所述温度传感器和所述水位传感器与所述控制板连接，实施检测传感器的数值。

优选的是，所述内置传感单元还包括警报装置和控制板，所述警报装置与所述控制板连接，所述警报装置包括第一警报铃、第二警报铃第三警报铃以及第四警报铃；所述第一警报铃与所述水位传感器连接，当所述反应釜内液体高度达到水位传感器的测试高度时，则第一警报铃响；所述第二警报铃与所述压力传感器连接，以反应釜初始压力值为基础值，当所述反应釜内压力值达到基础值加0.1mpa时，则第二警报铃响；所述第三警报铃与所述压力传感器连接，当所述反应釜内压力值达到基础值加0.15mpa时，则第三警报铃响；所述第四警报铃与所述ph传感器连接，当所述反应釜内ph值小于等于8.2时，则第四警报铃响。

优选的是，所述警报装置还包括第五警报铃，所述第五警报铃与所述温度传感器连接，当所述反应釜内温度达到预设值时，则第五警报铃响。

优选的是，所述进液口、进气口以及气液出口处分别设有第一电气阀、第二电气阀和第三电气阀，所述第一电气阀、第二电气阀和第三电气阀连接在所述控制板板上；所述第一电气阀通过导线与所述水位传感器连接，当所述反应釜内液体高度未达到水位传感器的测试高度时，所述第一电气阀开，当所述反应釜内液体高度达到水位传感器的测试高度时，所述第一电气阀门；所述第二电气阀通过导线与所述压力传感器连接，且所述第二电气阀通过导线与所述ph传感器连接，以反应釜初始压力值为基础值，当所述反应釜内压力值为基础值时，或者反应釜内压力达到一个平衡值时，所述第二电气阀开，其中平衡值是接近于基础值的稳定数值；当所述反应釜内压力值达到基础值加0.1mpa时，或者所述反应釜内ph值小于等于8.2时，所述第二电气阀关；所述第三电气阀通过导线与所述ph传感器连接，当所述反应釜内ph值小于等于8.2时，所述第三电气阀开，否则第三电气阀关。

本发明进一步要求保护用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置的使用方法，包括：

步骤一、检查反应釜内气密性良好：关闭反应釜的进液口、进气口以及气液出口，控制增压单元的中轴螺杆，使得反应釜内达到某一压力值，3～15min内反应釜压力值无变化，则反应釜内气密性良好；

步骤二、配制一定浓度的氢氧化钠溶液，通过所述进液口注入反应釜内，待观察窗内观测到液面与观察窗底部齐平时，停止氢氧化钠溶液的注入，关闭进液口；

步骤三、打开进气口，通过一个或多个供气单元将二氧化碳均匀通入反应釜内，当反应釜内压力值达到基础值加0.1mpa时，关闭进气口，控制增压单元操纵杆，使得活塞向下运动，蒸加反应釜内压力，当反应釜内压力值大于等于基础值加0.15mpa时，停止操作增压单元中操纵杆，待反应釜内压力值减小至基础值加0.1mpa时，控制增压单元中轴螺杆，使得活塞向上运动至最高处，待反应釜内压力值达到平衡值时，打开进气口，通过一个或多个供气单元将二氧化碳均匀通入反应釜内，重复上述操作；

步骤四、当反应釜内ph值小于等于8.2时，终止反应，打开气液出口，将反应液通入到微藻培养装置中。

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明提供的用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置既能够高效固定二氧化碳，又能为微藻培养系统提供高效的无机碳源，通过压力和ph的实时检测，合理控制反应进行状态，使得反应液中的主要成分为碳酸氢钠溶液，省去了反复检测反应液内成分的繁琐复杂过程，所得反应液可直接作为无机碳源供微藻培养使用；其二，本发明提供的用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置中采用纳米供气单元，保证二氧化碳气体在反应液中曝气均匀，且可以通过多个供气单元来实现其全方位立体曝气；其三，本发明提供的用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置相对于传统的二氧化碳固定装置，采用的是顶部增压单元，可以根据反应釜内的实时测定，控制反应的正向运行，避免二氧化碳气体的逃逸，提高用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置的气体吸收效率。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明一个技术方案中所述用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置的结构示意图；

图2为本发明一个技术方案中所述增压单元的主视图和俯视图；

图3为本发明一个技术方案中所述反应釜主视图和俯视图；

图4为本发明一个技术方案中所述供气单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1、2、3所示，本发明提供了一种用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置，包括：

反应釜，所述反应釜上部沿反应釜圆周内壁设有密封环21，所述密封环21下方设有沿径向方向延伸的限位凸起，所述密封环21下方设有观察窗10、进气口7以及进液口2，所述观察窗10设置高度不高于所述反应釜高度的1/5；所述反应釜底部设有气液出口9；所述气液出口9与微藻培养装置连接，为微藻培养提供无机碳源；所述进气口7、进液口2以及气液出口9处设有密封垫，保证反应釜内气密性较好。

增压单元1，所述增压单元1设置在所述反应釜上部；其包括一个与反应釜内部紧密贴合的活塞18以及驱动活塞上下运动的驱动轴组件，通过所述活塞18上下运动来调节反应釜内的压力大小；

如图4所示，供气单元4，其包括奇数个供气单元，其放置在反应釜底部，多个供气单元通过“”型连接管42实现所述供气单元的立体结构；所述供气单元4包括呈螺旋状的纳米管41，所述纳米管上设有数个供气气孔；最上层的供气单元外侧端口与所述进气口7连接；最底层的供气单元内侧端口封闭，相邻两层的供气单元内侧端口与内侧端口连接或者外侧端口与外侧端口连接；

内置传感单元，其包括设置在密封环21与所述观察窗10之间的压力传感器5以及设置在所述反应釜底部的ph传感器8；所述压力传感器5和所述ph传感器8的数值通过显示面板显示。

在上述技术方案中，通过压力传感器5和ph传感器8实时监控反应釜内的压力值和ph值，以此来控制进气量和反应进程，分批进气，反复加压反应，提高气体的吸收效率；合理控制反应进行状态，使得反应液中的主要成分为碳酸氢钠溶液，省去了反复检测反应液内成分的繁琐复杂过程，所得反应液可直接作为无机碳源供微藻培养使用。其中纳米供气单元4，保证二氧化碳气体在反应液中曝气均匀，且可以通过多个供气单元4来实现其全方位立体曝气。顶部增压单元1，可以根据反应釜内的实时测定，控制反应的正向运行，避免二氧化碳气体的逃逸，提高用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置的气体吸收效率。

在其中一个技术方案中，所述驱动轴组件包括中轴螺杆16、与所述中轴螺杆16连接的操纵杆15、固定在反应釜盖体14内侧向反应釜底部延伸的螺母20以及与反应釜盖体14连接的伸缩臂17；所述中轴螺杆16上设有外螺纹，所述螺母20上设有与所述中轴螺杆16内螺纹配合的外螺纹；所述中轴螺杆16的底部通过轴承结构22与所述活塞18的圆心处连接，所述伸缩臂17的底部与所述活塞18的边缘处连接，以所述中轴螺杆16的传动力带动活塞18的上下调节，达到压力调节的目的；所述活塞18的边缘与所述密封环21紧密贴合，且其向下运动的极限位置不越过所述限位凸起；通过驱动轴组件驱动所述活塞18上下运动，调节反应釜内的压力大小。

在其中一个技术方案中，所述观察窗10玻璃为防爆抗压玻璃，反应釜中在增压过程中，观察窗10具有防爆抗压性能。

如图2，在其中一个技术方案中，所述活塞18边缘外侧设有密封条19，保证反应釜内的气密性良好。

在其中一个技术方案中，所述内置传感单元还包括设置在所述反应釜底部的温度传感器以及与所述观察窗10底部平齐设置的水位传感器，所述温度传感器和所述水位传感器与所述控制板6连接，实施检测传感器的数值，所述温度传感器用来检测反应釜内的实时温度，新配置的氢氧化钠溶液温度较高，以提醒操作人员勿将温度较高的氢氧化钠溶液注入反应釜中，增加反应釜的使用寿命，水位传感器用来检测反应釜中液体水位是否达到预设的水位，防止注入过多的氢氧化钠溶液，导致反应不能完全反应。

在其中一个技术方案中，所述内置传感单元还包括警报装置和控制板6，所述警报装置与所述控制板6连接，所述警报装置包括第一警报铃、第二警报铃第三警报铃以及第四警报铃；所述第一警报铃与所述水位传感器连接，当所述反应釜内液体高度达到水位传感器的测试高度时，则第一警报铃响；所述第二警报铃与所述压力传感器5连接，以反应釜初始压力值为基础值，当所述反应釜内压力值达到基础值加0.1mpa时，则第二警报铃响；所述第三警报铃与所述压力传感器5连接，当所述反应釜内压力值达到基础值加0.15mpa时，则第三警报铃响；所述第四警报铃与所述ph传感器8连接，当所述反应釜内ph值小于等于8.2时，则第四警报铃响。通过警报铃提醒反应过程中加压，进气以及反应终止的信号。

在其中一个技术方案中，所述警报装置还包括第五警报铃，所述第五警报铃与所述温度传感器连接，当所述反应釜内温度达到预设值时，则第五警报铃响，新配置的氢氧化钠溶液温度较高，以提醒操作人员勿将温度较高的氢氧化钠溶液注入反应釜中，增加反应釜的使用寿命。

如图1在其中一个技术方案中，所述进液口2、进气口7以及气液出口9处分别设有第一电气阀11、第二电气阀12和第三电气阀13，所述第一电气阀11、第二电气阀12和第三电气阀13连接在所述控制板板6上；所述第一电气阀11通过导线与所述水位传感器连接，当所述反应釜内液体高度未达到水位传感器的测试高度时，所述第一电气阀11开，当所述反应釜内液体高度达到水位传感器的测试高度时，所述第一电气阀门11；所述第二电气阀12通过导线与所述压力传感器5连接，且所述第二电气阀12通过导线与所述ph传感器8连接，以反应釜初始压力值为基础值，当所述反应釜内压力值为基础值或者反应釜内压力达到一个平衡值时，所述平衡值是接近于基础值的稳定数值，所述第二电气阀12开；当所述反应釜内压力值达到基础值加0.1mpa时，或者所述反应釜内ph值小于等于8.2时，所述第二电气阀12关；所述第三电气阀13通过导线与所述ph传感器8连接，当所述反应釜内ph值小于等于8.2时，所述第三电气阀13开，否则第三电气阀13关。

综上所述，本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明提供的用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置既能够高效固定二氧化碳，又能为微藻培养系统提供高效的无机碳源，通过压力和ph的实时检测，合理控制反应进行状态，使得反应液中的主要成分为碳酸氢钠溶液，省去了反复检测反应液内成分的繁琐复杂过程，所得反应液可直接作为无机碳源供微藻培养使用；其二，本发明提供的用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置中采用纳米供气单元，保证二氧化碳气体在反应液中曝气均匀，且可以通过多个供气单元来实现其全方位立体曝气；其三，本发明提供的用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置相对于传统的二氧化碳固定装置，采用的是顶部增压单元，可以根据反应釜内的实时测定，控制反应的正向运行，避免二氧化碳气体的逃逸，提高用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置的气体吸收效率。

本发明进一步要求保护用于微藻培养的二氧化碳气体固定装置的使用方法，包括：

步骤一、检查反应釜内气密性良好：关闭反应釜的进液口2、进气口7以及气液出口9，控制增压单元的中轴螺杆16，使得反应釜内达到某一压力值，3～15min内反应釜压力值无变化，则反应釜内气密性良好；

步骤二、配制一定浓度的氢氧化钠溶液，通过所述进液口2注入反应釜内，待观察窗10内观测到液面与观察窗10底部齐平时，停止氢氧化钠溶液的注入，关闭进液口；

步骤三、打开进气口7，通过一个或多个供气单元4将二氧化碳均匀通入反应釜内，当反应釜内压力值达到基础值加0.1mpa时，关闭进气口7，控制增压单元操纵杆15，使得活塞18向下运动，蒸加反应釜内压力，当反应釜内压力值大于等于基础值加0.15mpa时，停止操作增压单元中操纵杆15，待反应釜内压力值减小至基础值加0.1mpa时，控制增压单元中轴螺杆16，使得活塞18向上运动至最高处，待反应釜内压力值达到平衡值时，打开进气口7，通过一个或多个供气单元4将二氧化碳均匀通入反应釜内，重复上述操作；步骤四、当反应釜内ph值小于等于8.2时，终止反应，打开气液出口9，将反应液通入到微藻培养装置中。

实施例1

步骤一、在进气口处设置转子流量计检测进气量，检查反应釜内气密性良好：关闭反应釜的进液口、进气口以及气液出口，控制增压单元的中轴螺杆，使得反应釜内达到某一压力值，3～15min内反应釜压力值无变化，则反应釜内气密性良好；

步骤二、配制一定浓度的氢氧化钠溶液，通入的氢氧化钠溶液的溶度为2％，通过所述进液口注入反应釜内，待观察窗内观测到液面与观察窗底部齐平时，停止氢氧化钠溶液的注入，关闭进液口；

步骤三、打开进气口，通过一个或多个供气单元将二氧化碳均匀通入反应釜内，当反应釜内压力值达到基础值加0.1mpa时，关闭进气口，控制增压单元操纵杆，使得活塞向下运动，蒸加反应釜内压力，当反应釜内压力值大于等于基础值加0.15mpa时，停止操作增压单元中操纵杆，待反应釜内压力值减小至基础值加0.1mpa时，控制增压单元中轴螺杆，使得活塞向上运动至最高处，待反应釜内压力值达到平衡值时，打开进气口，通过一个或多个供气单元将二氧化碳均匀通入反应釜内，重复上述操作；

步骤四、当反应釜内ph值小于等于8.2时，终止反应，打开气液出口，将反应液通入到微藻培养装置中，通过检测反应液中碳含量，演算出二氧化碳的吸收率为60.35％，微藻培养装置中，其细胞生物量最高可达1.79g/l。

对比例1

在与实施例1反应釜体积相同的密闭容器中加入与实施例中体积相同、溶度相同的氢氧化钠溶液，并通入与实施例1中相同量的二氧化碳，充分反应，检测反应液中碳含量，演算出二氧化碳的吸收率为33.19％，将反应液通入微藻培养装置中，其培养条件与实施例1相同，其细胞生物量最高可达1.14g/l。

对比例2

在与实施例1反应釜体积相同的在密闭容器中加入与实施例中体积相同、溶度相同的氢氧化钠溶液，并通入与实施例1中相同量的二氧化碳，给反应体系增加0.1mpa压力，充分反应，检测反应液中碳含量，演算出二氧化碳的吸收率为45.33％，将反应液通入微藻培养装置中，其培养条件与实施例1相同，其细胞生物量最高可达1.27g/l。

对比例3

在与实施例1反应釜体积相同的在密闭容器中加入与实施例中体积相同、溶度相同的氢氧化钠溶液，并通入与实施例1中相同量的二氧化碳，给反应体系增加0.15mpa压力，充分反应，检测反应液中碳含量，演算出二氧化碳的吸收率为49.5％，将反应液通入微藻培养装置中，其培养条件与实施例1相同，其细胞生物量最高可达1.43g/l。

通过比较实施例1、对比例1、对比例2和对比例3所得二氧化碳的吸收率和细胞生物量最高值的结果可知，通过间歇性加压方式有利于提高二氧化碳的吸收效率，且所得反应液更有利于微藻培养。

实施例2

步骤一、检查反应釜内气密性良好：关闭反应釜的进液口、进气口以及气液出口，控制增压单元的中轴螺杆，使得反应釜内达到某一压力值，3～15min内反应釜压力值无变化，则反应釜内气密性良好；

步骤二、配制一定浓度的氢氧化钠溶液，通入的氢氧化钠溶液的溶度为8％，通过所述进液口注入反应釜内，待观察窗内观测到液面与观察窗底部齐平时，停止氢氧化钠溶液的注入，关闭进液口；

步骤三、打开进气口，通过一个或多个供气单元将二氧化碳均匀通入反应釜内，当反应釜内压力值达到基础值加0.1mpa时，关闭进气口，控制增压单元操纵杆，使得活塞向下运动，蒸加反应釜内压力，当反应釜内压力值大于等于基础值加0.15mpa时，停止操作增压单元中操纵杆，待反应釜内压力值减小至基础值加0.1mpa时，控制增压单元中轴螺杆，使得活塞向上运动至最高处，待反应釜内压力值达到平衡值时，打开进气口，通过一个或多个供气单元将二氧化碳均匀通入反应釜内，重复上述操作；

步骤四、当反应釜内ph值小于等于8.2时，终止反应，打开气液出口，将反应液通入到微藻培养装置中，通过检测反应液中碳含量，演算出二氧化碳的吸收率为87.71％，微藻培养装置中，其细胞生物量最高可达1.92g/l。

实施例3

步骤一、在进气口处设置转子流量计检测进气量，检查反应釜内气密性良好：关闭反应釜的进液口、进气口以及气液出口，控制增压单元的中轴螺杆，使得反应釜内达到某一压力值，3～15min内反应釜压力值无变化，则反应釜内气密性良好；

步骤二、配制一定浓度的氢氧化钠溶液，通入的氢氧化钠溶液的溶度为10％，通过所述进液口注入反应釜内，待观察窗内观测到液面与观察窗底部齐平时，停止氢氧化钠溶液的注入，关闭进液口；

步骤三、打开进气口，通过一个或多个供气单元将二氧化碳均匀通入反应釜内，当反应釜内压力值达到基础值加0.1mpa时，关闭进气口，控制增压单元操纵杆，使得活塞向下运动，蒸加反应釜内压力，当反应釜内压力值大于等于基础值加0.15mpa时，停止操作增压单元中操纵杆，待反应釜内压力值减小至基础值加0.1mpa时，控制增压单元中轴螺杆，使得活塞向上运动至最高处，待反应釜内压力值达到平衡值时，打开进气口，通过一个或多个供气单元将二氧化碳均匀通入反应釜内，重复上述操作；

步骤四、当反应釜内ph值小于等于8.2时，终止反应，打开气液出口，将反应液通入到微藻培养装置中，通过检测反应液中碳含量，演算出二氧化碳的吸收率为92.83％，微藻培养装置中，其细胞生物量最高可达1.95g/l。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。