專(zhuān)利名稱(chēng)：一種固碳除氧光生物反應(yīng)器及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，涉及一種光生物反應(yīng)器及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
近些年來(lái)，大氣層中溫室氣體濃度不斷升高導(dǎo)致全球暖化，帶來(lái)各種環(huán)境問(wèn)題。二氧化碳占溫室氣體排放的68%，是溫室氣體主要組成部分。大氣中CO2濃度已從工業(yè)化前約280ppm增加到了 2005年的379ppm。在未來(lái)的30-40年內(nèi)，二氧化碳濃度將達(dá)到540ppm。工業(yè)廢氣中含有高濃度二氧化碳，是排放二氧化碳重點(diǎn)點(diǎn)源。利用微藻的光合作用吸收二氧化碳轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)，并釋放氧氣。微藻生物質(zhì)中，含有脂肪酸，蛋白質(zhì)，維生素等物質(zhì)，可以用來(lái)，生產(chǎn)動(dòng)物飼料，食品添加劑，生物柴油等高附加值產(chǎn)品。微培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器有開(kāi)放式和密閉式兩種。常見(jiàn)的開(kāi)放式光生物反應(yīng)器
主要有跑道池。開(kāi)放式光生物反應(yīng)器具有優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)建簡(jiǎn)單、成本低廉及操作簡(jiǎn)便，但是開(kāi)放式培養(yǎng)過(guò)程受光照、溫度等自然環(huán)境影響較大，并且易被真菌、原生動(dòng)物和其他藻種污染，同時(shí)水分蒸發(fā)嚴(yán)重，二氧化碳供給不足，這些因素都將導(dǎo)致藻細(xì)胞培養(yǎng)密度偏低、采收成本較高。密閉式光合生物反應(yīng)器培養(yǎng)條件穩(wěn)定，可無(wú)菌操作，容易進(jìn)行高密度培養(yǎng)，已成微藻培養(yǎng)的發(fā)展方向。密閉式光生物反應(yīng)器主要具有以下特點(diǎn)比表面積大；光能利用率高；生長(zhǎng)參數(shù)容易控制，培養(yǎng)環(huán)境非常穩(wěn)定；容易控制污染，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)菌培養(yǎng)；產(chǎn)率較高；二氧化碳利用率較高；但是該類(lèi)型反應(yīng)器光合作用強(qiáng)度大并且密閉，導(dǎo)致溶解氧易積累。當(dāng)藻液中溶解氧含量超過(guò)400 %，在高光照強(qiáng)度下發(fā)生光氧化作用，會(huì)損傷藻細(xì)胞，抑制微藻光合作用合生長(zhǎng)，光生物反應(yīng)器去除二氧化碳效率降低。因此解決光生物反應(yīng)器中溶解氧積累，是提高光生物反應(yīng)器二氧化碳去除效果的關(guān)鍵。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提供一種固碳除氧的光生物反應(yīng)器及其應(yīng)用。該反應(yīng)器可以提高二氧化碳的去除效率和促進(jìn)光生物反應(yīng)器藻液內(nèi)部的溶解氧解析。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種光生物反應(yīng)器，包括光生物反應(yīng)器主體、供氣裝置、溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、和光照裝置，還包括曝氣系統(tǒng)，其中，所述的曝氣系統(tǒng)包括增壓泵和曝氣器，所述的曝氣器位于反應(yīng)器主體的底部，與置于光生物反應(yīng)器主體外部的增壓泵相連。所述的供氣裝置包括貯氣瓶和氣體流量計(jì)，所述的貯氣瓶與氣體流量計(jì)相連，貯氣瓶輸出的氣體通過(guò)氣體流量計(jì)控制氣體流速。所述的溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括二氧化碳電極、pH電極、溶解氧電極、信號(hào)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)。所述的二氧化碳電、PH電極、溶解氧電極位于光生物反應(yīng)器主體的頂部，并分別與信號(hào)轉(zhuǎn)換器相連，采集溶液中溶解氧，溶解二氧化碳及PH電信號(hào)。所述的信號(hào)轉(zhuǎn)換器通過(guò)串行接口與計(jì)算機(jī)相連，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字型號(hào)，每隔一分鐘記錄溶液中參數(shù)變化。
所述的增壓泵將光生物反應(yīng)器上部藻液循環(huán)打入底部曝氣器，藻液與二氧化碳?xì)怏w在曝氣器內(nèi)部混合，可以達(dá)到二氧化碳傳質(zhì)，溶解氧解析，藻液均質(zhì)混合的目的。所述的光照裝置為熒光燈管或LED燈板，照明裝置為光生物生物反應(yīng)器提供光照。所述的曝氣器通過(guò)管路與貯氣瓶連接。所述的增壓泵的進(jìn)水口與排液口相連，其出水口與光生物反應(yīng)器主體底部的進(jìn)液口連接。所述的曝氣器與進(jìn)液口連接。所述的光生物反應(yīng)器頂部設(shè)有排氣口，排放處理后的氣體。或所述的光生物反應(yīng)器主體的材料為聚甲基丙烯酸甲酯，呈圓筒狀，高徑比為6，其內(nèi)徑范圍為0. 12-0. 18m,高為0. 7-1. 5m。本發(fā)明利用微藻固定煙氣中二氧化碳并脫除溶液中溶解氧的應(yīng)用。一種利用上述光生物反應(yīng)器固碳除氧的應(yīng)用，包括步驟(I)將藻液加入到光生物反應(yīng)器主體中，打開(kāi)貯氣瓶，向反應(yīng)器主體通氣，打開(kāi)光照裝置，對(duì)藻液進(jìn)行光照；同時(shí)打開(kāi)溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控固碳除氧過(guò)程中的參數(shù)；(2)打開(kāi)增壓泵，藻液在增壓泵的循環(huán)下，不斷打入曝氣器，藻液與二氧化碳?xì)怏w在曝氣器內(nèi)部混合，進(jìn)行曝氣，達(dá)到二氧化碳傳質(zhì)，溶解氧解析，藻液均質(zhì)混合的目的；曝氣完畢后，剩余氣體通過(guò)排氣口排放。所述的步驟(2)的光生物反應(yīng)器的溫度為25-30°C。所述的貯氣瓶中二氧化碳濃度為5_15%，其余為氮?dú)?。所述的步驟(I)中藻液為綠球藻的藻液，處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，藻液密度為0. 5-1. 5g/L0所述的光照強(qiáng)度為70-280 U mol/m2/S。
所述的步驟(I)中氣體流速為30-120mL/min,氣體流速通過(guò)氣體流量計(jì)(8)控制，光照強(qiáng)度為70-280 iimol/mVs，光照時(shí)間為12_24h/d。所述的增壓泵⑴的揚(yáng)程為5-12m，流量3_6m3。所述的步驟(I)中，打開(kāi)溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)30是打開(kāi)信號(hào)轉(zhuǎn)換器12和計(jì)算機(jī)13，通過(guò)二氧化碳電極9，pH電極10，溶解氧電極11監(jiān)測(cè)溶液中溶解二氧化碳，pH，溶解氧。本發(fā)明培養(yǎng)微藻固定含有高濃度二氧化碳?xì)怏w，所公開(kāi)的固碳除氧光生物反應(yīng)器具有以下效果和優(yōu)點(diǎn)。(I)光生物反應(yīng)器底部安裝曝氣器，外部增壓泵將光生物反應(yīng)器上部藻液循環(huán)打入底部曝氣器，藻液與二氧化碳?xì)怏w在曝氣器內(nèi)部混合，同時(shí)達(dá)到二氧化碳傳質(zhì)，溶解氧解析，和溶液均質(zhì)混合的效果。(2)藻液經(jīng)過(guò)增壓泵循環(huán)經(jīng)過(guò)曝氣器，氣液傳質(zhì)效果好，光生物反應(yīng)器中溶解氧在維持在較低濃度，避免溶解氧積累，發(fā)生光氧化作用。二氧化碳去除率高，適合處理煙氣中
二氧化碳。
圖I為本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)裝置圖。20供氣裝置，30溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，40曝氣系統(tǒng)；
I增壓泵，2進(jìn)液口，3曝氣器，4排液口，5光生物反應(yīng)器主體，6排氣口，7貯氣瓶，8氣體流量計(jì)，9 二氧化碳電極，IOpH電極，11溶解氧電極，12信號(hào)轉(zhuǎn)換器，13計(jì)算機(jī)；14光照裝置。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
如圖I所示，一種光生物反應(yīng)器，包括光生物反應(yīng)器主體5、供氣裝置20、溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)30、曝氣系統(tǒng)40和光照裝置14，其中，曝氣系統(tǒng)40包括增壓泵I和曝氣器3，曝氣器3位于反應(yīng)器主體5的底部，與置于反應(yīng)器主體5外部的增壓泵I相連。供氣裝置20包括貯氣瓶7和氣體流量計(jì)8，貯氣瓶7與氣體流量計(jì)9相連，貯氣瓶7輸出的氣體通過(guò)氣體流量計(jì)9控制氣體流速。溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)30包括二氧化碳電極9、pH電極10、溶解氧電極11、信號(hào)轉(zhuǎn)換器12和計(jì)算機(jī)13。二氧化碳電極9、pH電極10、溶解氧電極11位于光生物反應(yīng)器主體5的頂部，并分別與信號(hào)轉(zhuǎn)換器12相連，采集溶液中溶解氧，溶解二氧化碳及pH電信號(hào)。信號(hào)轉(zhuǎn)換器12通過(guò)串行接口與計(jì)算機(jī)13相連，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字型號(hào)，每隔一分鐘記錄溶液中參數(shù)變化。增壓泵I將光生物反應(yīng)器上部藻液循環(huán)打入底部曝氣器，藻液與二氧化碳?xì)怏w在曝氣器內(nèi)部混合，可以達(dá)到二氧化碳傳質(zhì)，溶解氧解析，藻液均質(zhì)混合的目的。光照裝置14為熒光燈管或LED燈板，光照強(qiáng)度范圍在70-280 μ mol/m2/S，照明裝置14為光生物生物反應(yīng)器提供光照。曝氣器3通過(guò)管路與貯氣瓶7連接。增壓泵I的進(jìn)水口與排液口 4相連，其出水口與光生物反應(yīng)器主體5底部的進(jìn)液口 2連接。曝氣器3與進(jìn)液口 2連接。光生物反應(yīng)器頂部密封，設(shè)有排氣口 6，排放處理后的氣體。光生物反應(yīng)器主體5由采用聚甲基丙烯酸甲酯材料加工制成，圓筒狀，高徑比為6，其內(nèi)徑范圍為O. 12-0. 18m，高為O. 7-1. 5m。實(shí)施例I(I)用對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的綠球藻作為實(shí)驗(yàn)藻種，將密度為I. Og/L的藻液加入到光生物反應(yīng)器主體5中；打開(kāi)貯氣瓶7，供氣裝置中氣體組分為二氧化碳10%，氮?dú)?0%，氣體流速為30mL/min ;打開(kāi)光照裝置14,對(duì)藻液進(jìn)行光照,光照強(qiáng)度為140ymol/m2/s ;同時(shí)打開(kāi)溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)30監(jiān)控固碳除氧過(guò)程中的參數(shù)；(2)打開(kāi)增壓泵1，流量為4m3/h，揚(yáng)程為Sm，藻液在增壓泵的循環(huán)下，不斷打入曝氣器3，藻液與二氧化碳?xì)怏w在曝氣器內(nèi)部混合，可以達(dá)到二氧化碳傳質(zhì)，溶解氧解析，藻液均質(zhì)混合的目的；其中，光生物反應(yīng)器主體5中藻液溫度為25-30°C ;在光生物反應(yīng)器光照期間持續(xù)曝氣；曝氣完畢后，剩余氣體通過(guò)排氣口 6排放。反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，在線監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)藻液中的參數(shù)變化，排氣口采集氣體樣品。測(cè)得二氧化碳去除率為87%，藻液中溶解氧為73%。實(shí)施例2
(I)將密度為I. 5g/L的藻液加入到光生物反應(yīng)器主體5中；打開(kāi)貯氣瓶7，供氣裝置中氣體組分為二氧化碳5%，氮?dú)?5%，氣體流速為100mL/min ;打開(kāi)光照裝置14，對(duì)藻液進(jìn)行光照，光照強(qiáng)度為ZeOymol/mVs ;同時(shí)打開(kāi)溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)30監(jiān)控固碳除氧過(guò)程中的參數(shù)；(2)打開(kāi)增壓泵1，流量為4m3/h，揚(yáng)程為Sm，藻液在增壓泵的循環(huán)下，不斷打入曝氣器3，藻液與二氧化碳?xì)怏w在曝氣器內(nèi)部混合，可以達(dá)到二氧化碳傳質(zhì)，溶解氧解析，藻液均質(zhì)混合的目的；其中，光生物反應(yīng)器主體5中藻液溫度為25-30°C ;在光生物反應(yīng)器光照期間持續(xù)曝氣；曝氣完畢后，剩余氣體通過(guò)排氣口 6排放。反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，在線監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)藻液中的參數(shù)變化，排氣口采集氣體樣品。測(cè)得二氧化碳去除率為60%，藻液中溶解氧為53%。實(shí)施例3(I)將密度為I. Og/L的藻液加入到光生物反應(yīng)器主體5中；打開(kāi)貯氣瓶7，供氣裝置中氣體組分為二氧化碳15%，氮?dú)?5%，氣體流速為40mL/min ;打開(kāi)光照裝置14，對(duì)藻液進(jìn)行光照，光照強(qiáng)度為ZOOymol/mVs ;同時(shí)打開(kāi)溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)30監(jiān)控固碳除氧過(guò)程中的參數(shù)；(2)打開(kāi)增壓泵1，流量為4m3/h，揚(yáng)程為Sm，藻液在增壓泵的循環(huán)下，不斷打入曝氣器3，藻液與二氧化碳?xì)怏w在曝氣器內(nèi)部混合，可以達(dá)到二氧化碳傳質(zhì)，溶解氧解析，藻液均質(zhì)混合的目的；其中，光生物反應(yīng)器主體5中藻液溫度為25-30°C ;在光生物反應(yīng)器光照期間持續(xù)曝氣；曝氣完畢后，剩余氣體通過(guò)排氣口 6排放。反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，在線監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)藻液中的參數(shù)變化，排氣口采集氣體樣品。測(cè)得二氧化碳去除率為66%，藻液中溶解氧為88%。實(shí)施例4(I)將密度為0.5g/L的藻液加入到光生物反應(yīng)器主體5中；打開(kāi)貯氣瓶7，供氣裝置中氣體組分為二氧化碳5%，氮?dú)?5%，氣體流速為30mL/min ;打開(kāi)光照裝置14，對(duì)藻液進(jìn)行光照，光照強(qiáng)度為90 u mol/m2/s ;同時(shí)打開(kāi)溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)30監(jiān)控固碳除氧過(guò)程中的參數(shù)；(2)打開(kāi)增壓泵1，流量為4m3/h，揚(yáng)程為Sm，藻液在增壓泵的循環(huán)下，不斷打入曝氣器3，藻液與二氧化碳?xì)怏w在曝氣器內(nèi)部混合，可以達(dá)到二氧化碳傳質(zhì)，溶解氧解析，藻液均質(zhì)混合的目的；其中，光生物反應(yīng)器主體5中藻液溫度為25-30°C ;在光生物反應(yīng)器光照期間持續(xù)曝氣；曝氣完畢后，剩余氣體通過(guò)排氣口 6排放。反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，在線監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)藻液中的參數(shù)變化，排氣口采集氣體樣品。監(jiān)測(cè)排氣口氣體組分變化，二氧化碳去除率為57%，藻液中溶解氧為65%。上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā) 明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光生物反應(yīng)器，包括光生物反應(yīng)器主體(5)、供氣裝置(20)、溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(30)、和光照裝置(14)，其特征在于還包括曝氣系統(tǒng)(40)，所述的曝氣系統(tǒng)(40)包括增壓泵(I)和曝氣器(3)，所述的曝氣器(3)位于光生物反應(yīng)器主體(5)的底部，與置于光生物反應(yīng)器主體(5)外部的增壓泵(I)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的供氣裝置(20)包括貯氣瓶(7)和氣體流量計(jì)(8)，所述的貯氣瓶(7)與氣體流量計(jì)(9)相連，貯氣瓶(7)輸出的氣體通過(guò)氣體流量計(jì)(9)控制氣體流速。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(30)包括二氧化碳電極(9)、pH電極(10)、溶解氧電極(11)、信號(hào)轉(zhuǎn)換器(12)和計(jì)算機(jī)(13)，所述的二氧化碳電極(9)、pH電極(10)、溶解氧電極(11)位于光生物反應(yīng)器主體(5)的頂部，并分別與信號(hào)轉(zhuǎn)換器(12)相連；所述的信號(hào)轉(zhuǎn)換器(12)通過(guò)串行接口與計(jì)算機(jī)(13)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的光照裝置(14)為熒光燈管或LED燈板。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的曝氣器(3)通過(guò)管路與貯氣瓶(7)連接； 或所述的增壓泵(I)的進(jìn)水口與排液口(4)相連，其出水口與光生物反應(yīng)器主體(5)底部的進(jìn)液口(2)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光生物反應(yīng)器，其特征在于所述的曝氣器(3)與進(jìn)液口(2)連接； 或所述的光生物反應(yīng)器頂部設(shè)有排氣口(6)； 或所述的光生物反應(yīng)器主體(5)的材料為聚甲基丙烯酸甲酯，呈圓筒狀，高徑比為6，其內(nèi)徑范圍為O. 12-0. 18m,高為O. 7-1. 5m。
7.—種權(quán)利要求1-6中任一所述的光生物反應(yīng)器固定煙氣中二氧化碳并脫除溶液中溶解氧的應(yīng)用，其特征在于包含以下步驟 (1)將藻液加入到光生物反應(yīng)器主體(5)中，打開(kāi)貯氣瓶(7)，向反應(yīng)器主體通氣，打開(kāi)光照裝置(14)，對(duì)藻液進(jìn)行光照；同時(shí)打開(kāi)溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(30)監(jiān)控固碳除氧過(guò)程中的參數(shù)； (2)打開(kāi)增壓泵(1)，藻液在增壓泵的循環(huán)下，不斷打入曝氣器(3)，藻液與二氧化碳?xì)怏w在曝氣器內(nèi)部混合，進(jìn)行曝氣，曝氣完畢后，剩余氣體通過(guò)排氣口(6)排放。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于所述的步驟(2)的光生物反應(yīng)器的溫度為25-30 0C ； 或所述的貯氣瓶(7)中二氧化碳濃度為5-15%，其余為氮?dú)狻?br>
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于或所述的步驟(I)中藻液為綠球藻的藻液，處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，藻液密度為O. 5-1. 5g/L ； 或所述的步驟(I)中氣體流速為30-120mL/min,氣體流速通過(guò)氣體流量計(jì)(8)控制,光照強(qiáng)度為70-280ymol/m2/s，光照時(shí)間為12_24h/d ； 或所述的光照強(qiáng)度為70-280 μ mol/m2/s。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于所述的增壓泵(I)的揚(yáng)程為5-12m，流量3_6m3；或所述的步驟(I)中，打開(kāi)溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(30)是打開(kāi)信號(hào)轉(zhuǎn)換器(12)和計(jì)算機(jī) (13)，通過(guò)二氧化碳電極(9 )，pH電極(10 )，溶解氧電極(11)監(jiān)測(cè)溶液中溶解二氧化碳，pH,溶解氧。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，涉及一種光生物反應(yīng)器及其應(yīng)用。該光生物反應(yīng)器，包括光生物反應(yīng)器主體(5)、供氣裝置(20)、溶液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(30)和光照裝置(14)，還包括曝氣系統(tǒng)(40)，所述的曝氣系統(tǒng)(40)包括增壓泵(1)和曝氣器(3)，所述的曝氣器(3)位于反應(yīng)器主體(5)的底部，與置于反應(yīng)器主體(5)外部的增壓泵(1)相連。本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的二氧化碳去除效率高，光生物反應(yīng)器內(nèi)藻液溶解氧積累少，藻體不易沉淀。
文檔編號(hào)C12M1/04GK102676371SQ20121011857
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者柴曉利, 趙欣, 趙由才 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)