專利名稱：利用廢氣廢熱規(guī)?；囵B(yǎng)微藻的套管式光生物反應(yīng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，尤其涉及一種利用廢棄廢熱規(guī)模培養(yǎng)微藻的套管 式光生物反應(yīng)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基于微藻與其他植物相比具有更高的生長效率、更快的生長周期和C02固定能力， 能夠提供系的能源和附加產(chǎn)物，所以現(xiàn)階段微藻能源的發(fā)展成為解決能源問題的一個方 向。微藻培養(yǎng)是發(fā)展微藻能源的一個重要環(huán)節(jié)，因此開發(fā)新型的高密度、低廉高效、適用于 大規(guī)模培養(yǎng)的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)成為微藻生物柴油技術(shù)的關(guān)鍵。規(guī)?；囵B(yǎng)微藻的系統(tǒng)分為開 放式和封閉式系統(tǒng)，由于封閉式系統(tǒng)具有無菌條件、各種培養(yǎng)參數(shù)可控、容易高密度培養(yǎng)等 優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)。封閉式光生物反應(yīng)系統(tǒng)按照光生物反應(yīng)器的形式分為板式光生物反應(yīng)系統(tǒng)、柱式 光生物反應(yīng)系統(tǒng)和管式光生物反應(yīng)系統(tǒng)，由于管式光生物反應(yīng)器有較高的光照體表面積 比，以及簡單的水力循環(huán)系統(tǒng)，微藻產(chǎn)量高，投入較少，所以管式光生物反應(yīng)器最適合用于 微藻規(guī)模化培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器。但是，傳統(tǒng)管式光生物反應(yīng)器存在co2補(bǔ)充不及時、氣液 混合效果差、溶解氧(D0)容易積累、擴(kuò)大管徑會造成光照效率低等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)從一定 程度上制約著管式光生物反應(yīng)系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)大化，例如即使采用在管段兩端加入氣升 裝置來補(bǔ)充C02和排除溶解氧(D0)，其單個管段的長度也不能太長(不宜超過80m)，阻礙 了進(jìn)一步大規(guī)模培養(yǎng)，而且這種氣升式光生物反應(yīng)系統(tǒng)只能反映和調(diào)控氣升儲液罐中藻液 的pH、溫度、溶解氧(D0)濃度，不能有效的控制整個管程內(nèi)微藻的生長環(huán)境。因此，開發(fā)新型的光生物反應(yīng)系統(tǒng)是微藻能源領(lǐng)域的核心問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種利用廢氣廢熱規(guī)?；囵B(yǎng)微藻的套管式光生 物反應(yīng)系統(tǒng)，本發(fā)明能夠有效控制微藻生長環(huán)境，可以增強(qiáng)藻液內(nèi)氣液混合、有效調(diào)節(jié)pH、 及時補(bǔ)充C02和排除溶氧(D0)、高效控溫、節(jié)省能源、適合大規(guī)模培養(yǎng)。另外，本發(fā)明以工業(yè) 廢熱和廢氣用來為微藻培養(yǎng)提供碳源和熱源，可生產(chǎn)作為生物柴油原材料的微藻油脂及用 于造紙、制藥、添加劑等其他有機(jī)物質(zhì)，同時，可處理尾氣減少碳排放。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明利用廢氣廢熱規(guī)?；囵B(yǎng)微藻的套管式光生物反 應(yīng)系統(tǒng)予以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案是包括供液系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及控制系 統(tǒng)；所述供液系統(tǒng)包括儲液罐、輸液泵、培養(yǎng)反應(yīng)器和培養(yǎng)基管段；所述儲液罐連接有輸液 管、補(bǔ)液管和排液管；培養(yǎng)反應(yīng)器由多個單元的套管式光生物反應(yīng)器串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成；所 述套管式光生物反應(yīng)器包括管件和分別設(shè)置在所述管件兩端的法蘭，其中，一端法蘭上設(shè) 有進(jìn)液管，另一端法蘭上設(shè)有出液管，所述管件為一透明套管，包括透明外管和設(shè)置在所述 透明外管內(nèi)、且與透明外管同軸布置的一透明開孔曝氣管；所述透明外有進(jìn)氣管；所述供氣系統(tǒng)包括尾氣余熱回收器，所述尾氣余熱回收器連接有工業(yè)尾氣輸送 管道和氣體混合器，所述氣體混合室與空氣輸送管道相連，所述氣體混合室的下游管道上 設(shè)有氣體分析儀和供氣閥；所述控溫系統(tǒng)包括控溫水池，所述溫控水池與所述尾氣余熱回 收器之間設(shè)有循環(huán)水管道，所述培養(yǎng)反應(yīng)器設(shè)置在溫控水池中；所述數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng) 包括設(shè)置在控制臺和測試箱，所述測試箱串聯(lián)在所述培養(yǎng)反應(yīng)器中，所述測試箱內(nèi)設(shè)有與 控制臺連接的溫度傳感器、pH傳感器和溶氧傳感器，所述數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)還包括均與 控制臺連接的設(shè)置在循環(huán)水管道上的循環(huán)水流量控制器、與所述氣體分析儀連接的氣體分 析傳感器、設(shè)置在所述空氣輸送管道上的空氣流量控制器、設(shè)置在所述工業(yè)尾氣輸送管道 上的尾氣流量控制器和設(shè)置在輸液管道上的藻液流量控制器；所述控制臺是集數(shù)據(jù)采集、 分析和反饋為一體的一臺計算機(jī)系統(tǒng)，所述控制臺用以控制微藻培養(yǎng)的工藝條件。進(jìn)一步講，所述輸液管、補(bǔ)液管、排液管，工業(yè)尾氣輸送管道，空氣輸送管道，循環(huán) 水管道上設(shè)有閥門并可以選擇性的設(shè)有泵體。由多個單元的套管式光生物反應(yīng)器并聯(lián)構(gòu)成的并聯(lián)式培養(yǎng)反應(yīng)器中，每個套管式 光生物反應(yīng)器的兩端均設(shè)有管段開關(guān)。由多個單元的套管式光生物反應(yīng)器串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)式培養(yǎng)反應(yīng)器的兩端設(shè)有管 段開關(guān)。本發(fā)明中所用的生物反應(yīng)器是內(nèi)置透明開孔曝氣管的套管式光生物反應(yīng)器，與傳 統(tǒng)的管式光生物反應(yīng)器相比，具有以下有益效果如下1)本發(fā)明通過內(nèi)置透明開孔曝氣管，增加了有利生長區(qū)占總生長區(qū)的比例，如圖 4-1和圖4-2中所示，附圖標(biāo)記50表示不利生長區(qū)，顯然，本發(fā)明縮小了該區(qū)域，從而減弱 了增加管徑帶來的光衰減現(xiàn)象，使通過增加管徑來擴(kuò)大化培養(yǎng)成為可能。同時，背光面的曝 氣孔噴出的氣泡51，由于浮力作用向上流動，帶動背光區(qū)微藻和向光區(qū)微藻的循環(huán)流動，使 藻細(xì)胞處于一種光暗交替的狀態(tài)，解決了光衰減和光抑制的矛盾，提高了光能利用率，如圖 5所示。2)本發(fā)明通過內(nèi)置曝氣管，可以隨時為整個管段中的藻細(xì)胞提供充足的C02，并且 能夠有效的控制整個管段的pH值，克服了傳統(tǒng)培養(yǎng)管隨著了管段增長造成的C02不足和pH 增高的缺點(diǎn)，大大提高了光合作用的效率。3)本發(fā)明吸收了柱式反應(yīng)器最大的優(yōu)點(diǎn)，在藻液中增加了曝氣系統(tǒng)，通過曝氣孔 噴出氣體來加強(qiáng)反應(yīng)器中微藻、培養(yǎng)基和氣體的混合，達(dá)到增強(qiáng)氣液混合，強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的 作用。同時，這種曝氣方式代替了傳統(tǒng)的氣液分離裝置，能夠有效的去除溶解氧，有效的控 制了氧抑制和光氧化作用。4)總之，傳統(tǒng)的管式光生物反應(yīng)器由于光合效率、C02、pH和溶解氧(D0)等方面的 限制，使其管徑不宜超過0. lm，單個連續(xù)培養(yǎng)段的長度不可超過80m。本發(fā)明通過解決這些 問題，單個連續(xù)培養(yǎng)反應(yīng)器在理論上可以無限長，從很大程度上消除了它們對管尺寸的限 制，使其更加適合擴(kuò)大化培養(yǎng)。本發(fā)明光生物反應(yīng)系統(tǒng)是以上述套管式光生物反應(yīng)器為基礎(chǔ)，利用廢棄廢熱進(jìn)行 規(guī)?；囵B(yǎng)微藻，其有益效果如下5)由于本發(fā)明光生物反應(yīng)系統(tǒng)中采用內(nèi)置曝氣管的套管式光生物反應(yīng)器，可以代 替?zhèn)鹘y(tǒng)管式系統(tǒng)中的氣液分離裝置，使系統(tǒng)簡化。
6)本發(fā)明中的套管式生物反應(yīng)器可采用連續(xù)培養(yǎng)和半連續(xù)培養(yǎng)兩種方式。如圖1 所示，連續(xù)培養(yǎng)采用串聯(lián)式培養(yǎng)管段3，通過控制整個管段的長度和藻液流速來控制微藻在 管段中的培養(yǎng)時間，使其在通過培養(yǎng)管段后能夠直接收獲，大大的節(jié)省了藻液循環(huán)流動所 消耗的動力；如圖2所示，半連續(xù)培養(yǎng)采用并聯(lián)式培養(yǎng)反應(yīng)器33，將多個單元的培養(yǎng)反應(yīng)器 并聯(lián)，藻液在儲液罐和培養(yǎng)管段間循環(huán)流動，培養(yǎng)結(jié)束后進(jìn)行收獲。7)本發(fā)明采用工業(yè)尾氣來作為培養(yǎng)系統(tǒng)的碳源和熱源，利用尾氣余熱回收器14 對尾氣進(jìn)行降溫，同時對余熱加以利用，降低了能源的消耗和微藻的培養(yǎng)成本。8)本發(fā)明光生物反應(yīng)系統(tǒng)中采用管段浸入水中的方式進(jìn)行控溫，這種方式使藻液 溫度分布均勻，微藻更易控制在最佳的生長溫度范圍內(nèi)。氣溫較高時，比如在夏季的正午，強(qiáng)烈的光照使光生物反應(yīng)器內(nèi)的溫度升高，由于 管壁和空氣間的傳熱效果差，造成管內(nèi)溫度比空氣溫度高出很多，對藻細(xì)胞造成嚴(yán)重的熱 損害。傳統(tǒng)的系統(tǒng)多采用噴淋的方式來降溫，但是噴淋系統(tǒng)復(fù)雜，而且耗能嚴(yán)重。本發(fā)明采 用把光生物反應(yīng)器管段浸入水中的方式來降溫，使反應(yīng)器管內(nèi)的溫度低于水池液面的溫度 (相當(dāng)與空氣的溫度)，大大減少了降溫能耗與成本，而且起到遮光效果。氣溫較低時，本發(fā)明通過煙氣余熱回收器14，高效回收煙氣中的廢熱，為控溫池 16提供熱源，從而在溫度較低的氣候下保持較好的培養(yǎng)溫度，低成本的解決了低溫氣候下 無法進(jìn)行戶外培養(yǎng)的問題。9)本發(fā)明光生物反應(yīng)系統(tǒng)采用在管程中間連接一個測試箱13來測量管內(nèi)的溫 度、pH和溶氧，并反饋給控制臺4，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)冷卻循環(huán)水的流量、進(jìn)氣的流量和C02的濃 度來及時的調(diào)節(jié)管內(nèi)微藻細(xì)胞的生長環(huán)境，形成一個精確的反饋控制系統(tǒng)，能夠及時的調(diào) 節(jié)到微藻生長所需的最佳培養(yǎng)條件，節(jié)省勞力。


圖1為利用廢氣廢熱規(guī)?；囵B(yǎng)微藻的套管式光生物反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中并聯(lián)式培養(yǎng)反應(yīng)器連接示意圖；圖3-1是本發(fā)明中所用套管式光生物反應(yīng)器的A-A剖視圖；圖3-2是本發(fā)明中所用套管式光生物反應(yīng)器的B-B剖面放大圖；圖3-3是圖3-1中I部結(jié)構(gòu)放大圖；圖3-4是圖3-2中II部結(jié)構(gòu)放大圖；圖4-1是現(xiàn)有技術(shù)中一傳統(tǒng)管式光生物反應(yīng)器的光照生長區(qū)示意圖；圖4-2是本發(fā)明中所用培養(yǎng)反應(yīng)器的光照生長區(qū)示意圖；圖5是本發(fā)明中培養(yǎng)反應(yīng)器管內(nèi)工作原理示意圖。圖中1-儲液罐2-輸液泵3-串聯(lián)式培養(yǎng)反應(yīng)器4-控制臺5-溫度傳感器6-pH傳感器7-溶氧(D0)傳感器 8-循環(huán)水流量控制器 9-氣體分析傳感器10-空氣流量控制器 11-尾氣流量控制器12-藻液流量控制器13-測試箱14-尾氣余熱回收器15-循環(huán)水泵16-控溫水池17-空氣泵18-尾氣泵
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37 mm±% 30 ~ 100mm,370〔0053〕 該套管式光生物反應(yīng)器的工作過程，如圖3-1所示，藻液由進(jìn)液管43進(jìn)入光生物 反應(yīng)器，并在所述透明套管的管道內(nèi)慢速流動，并由出液口 40排出光生物反應(yīng)器。過濾后 的氣體通過進(jìn)氣管39進(jìn)入透明開孔曝氣管36，然后再由曝氣口 41進(jìn)入透明外管35與透明 開孔曝氣管36之間的光生物反應(yīng)器內(nèi)，如圖3-4和圖5所示，氣體由于浮力聚集在光生物 反應(yīng)器上部，并通過排氣管37排出。
〔0054〕 1.供氣系統(tǒng)
〔0055〕 如圖1所示，本發(fā)明中供氣系統(tǒng)主要包括尾氣余熱回收器14、尾氣泵18、空氣泵 17、氣體混合室19、氣體分析儀20。所述空氣泵17裝在空氣輸送管道上，空氣輸送管道上 裝有空氣輸送閥30 ；尾氣泵18裝在工業(yè)尾氣輸送管道上，工業(yè)尾氣輸送管道上裝有尾氣輸 送閥29 ；尾氣余熱回收器14根據(jù)尾氣的排氣量、成分、溫度設(shè)計；氣體混合室19內(nèi)裝有攪 拌裝置；氣體混合室19的下游管道上裝有氣體分析儀20和供氣閥31。
〔0056〕 3^溫控系統(tǒng)
〔0057〕 如圖1所示，本發(fā)明中控溫系統(tǒng)主要包括控溫水池16、尾氣余熱回收器14和循環(huán) 水泵15。管段支撐裝置21裝在所述控溫水池16的底部；循環(huán)水泵15裝在循環(huán)水管上，循 環(huán)水管上還設(shè)有循環(huán)水輸送閥32 ；所述尾氣余熱回收器14內(nèi)的循環(huán)水和尾氣進(jìn)行熱交換， 達(dá)到降低尾氣溫度，增加循環(huán)水溫度的目的。
〔0058〕 4數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)
〔0059〕 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)用于調(diào)控微藻生長條件，所述數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)包括設(shè)置 在控制臺4和測試箱13，所述測試箱13串聯(lián)在所述培養(yǎng)反應(yīng)器中，所述測試箱13內(nèi)設(shè)有與 控制臺4連接的溫度傳感器5、！^傳感器6和溶氧傳感器7，所述數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)還包 括均與控制臺4連接的設(shè)置在循環(huán)水管道上的循環(huán)水流量控制器8、與所述氣體分析儀20 連接的氣體分析傳感器9、設(shè)置在所述空氣輸送管道上的空氣流量控制器10、設(shè)置在所述 工業(yè)尾氣輸送管道上的尾氣流量控制器11和設(shè)置在輸液管道上的藻液流量控制器12 ；所 述控制臺4是集數(shù)據(jù)采集、分析和反饋為一體的一臺計算機(jī)系統(tǒng)，所述控制臺14用以控制 微藻培養(yǎng)的工藝條件。
〔0060〕 由上述各傳感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在該控制臺4的顯示器上；所述循環(huán)水流 量控制器8通過控制臺4顯示并控制循環(huán)水的流量；所述氣體分析傳感器9通過控制臺4 顯示混合氣體的成分〈主要是002的濃度、；所述空氣流量控制器10通過控制臺4顯示并 控制空氣的流量；所述尾氣流量控制器11通過控制臺4顯示并控制尾氣流量；所述藻液流 量控制器12通過控制臺4顯示并控制藻液流量。即所述控制臺4通過調(diào)節(jié)循環(huán)水流量和 尾氣流量來控制藻液溫度；通過調(diào)節(jié)尾氣流量和空氣流量來控制通氣速度和002濃度，從而 控制碳源供應(yīng)量和藻液邱值；通過調(diào)節(jié)藻液輸送速度來控制藻液在培養(yǎng)反應(yīng)器內(nèi)的循環(huán) 周期。
〔0061〕 實(shí)施例
〔0062〕 如圖1所示的實(shí)現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng)的串聯(lián)培養(yǎng)反應(yīng)器的套管式光生物反應(yīng)系統(tǒng)。
〔0063〕 首先，在產(chǎn)生富含002的工廠附近找到合適的場地，砌出控溫水池16，在水池內(nèi)根 據(jù)管道的布置每隔20安裝支架21，把14組套管式光生物反應(yīng)器固定在支架21上，并通過 I型管道連接，每根管道首尾相連形成串聯(lián)模式，并在中間連接有測試箱13，里面裝有溫度 傳感器5、邱傳感器6、溶氧傳感器7，形成此系統(tǒng)的串聯(lián)培養(yǎng)管段3，所述的14組套管式光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)相同，如圖3-1所示，采用內(nèi)置曝氣管的套管式結(jié)構(gòu)，其中透明 外管35的內(nèi)徑為200mm,材料選用玻璃；透明開孔曝氣管36的外徑為100mm,其材料選用透 明塑料；透明開孔曝氣管36的一端接有進(jìn)氣管39，如圖3-1和圖3-2所示，透明開孔曝氣 管36上在背光區(qū)斜下方45°處沿透明開孔曝氣管36的軸向開有一排徑向曝氣孔41，曝氣 孔41的開孔直徑為1mm，開孔密度為每隔20mm開一個孔；透明外管35的中間正上方開有 直徑為30mm的排氣口并接有一排氣管37 ;由透明外管35和透明開孔曝氣管36構(gòu)成的套 管的兩端分別用法蘭38、42密封連接，并在兩端接有進(jìn)液管43和出液管40。培養(yǎng)管段安裝完畢后，進(jìn)行其他系統(tǒng)的安裝。供液系統(tǒng)的安裝如圖1所示，安裝儲液罐1、輸液泵2、串聯(lián)式培養(yǎng)反應(yīng)器3和必 須的培養(yǎng)基管段。所述儲液罐1上方有補(bǔ)液管，補(bǔ)液管裝有補(bǔ)液閥22 ;儲液罐1底部有排 液管，排液管裝有排液閥23 ;輸液泵2設(shè)置在輸液管上,所述輸液管上還設(shè)有供液閥24 ;串 聯(lián)式培養(yǎng)反應(yīng)器3的首尾裝有管段開關(guān)25、26 ;管段開關(guān)25下游裝有卸料閥27。供氣系統(tǒng)的安裝如圖1所示，在控溫水池16附近安裝尾氣余熱回收器14、尾氣 泵18、空氣泵17、氣體混合室19和氣體分析儀20。所述空氣泵17裝在空氣輸送管道上，空 氣輸送管道上裝有空氣輸送閥30 ;尾氣泵18裝在工業(yè)尾氣輸送管道上，工業(yè)尾氣輸送管道 上裝有尾氣輸送閥29 ;尾氣余熱回收器14根據(jù)尾氣的排氣量、成分、溫度設(shè)計；氣體混合室 19內(nèi)裝有攪拌裝置；氣體混合室19的下游管道上裝有氣體分析儀20和供氣閥31?？販叵到y(tǒng)的安裝除了控溫水池16和尾氣余熱回收器14外，循環(huán)水管上裝有循環(huán) 水泵15和循環(huán)水輸送閥32，所述尾氣余熱回收器14內(nèi)的循環(huán)水和尾氣進(jìn)行熱交換，達(dá)到降 低尾氣溫度，增加循環(huán)水溫度的目的。數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)將測試箱13串聯(lián)在培養(yǎng)反應(yīng)器內(nèi)，在測試箱13內(nèi)裝好溫度 傳感器5、pH傳感器6、溶氧(D0)傳感器7，在循環(huán)水管道上安裝循環(huán)水流量控制器8、與所 述氣體分析儀20連接一氣體分析傳感器9、在所述空氣輸送管道上設(shè)置一空氣流量控制器 10、在所述工業(yè)尾氣輸送管道上設(shè)置一尾氣流量控制器11，在輸液管道上設(shè)置一藻液流量 控制器12，將上述各傳感器和控制器連接至控制臺14 ;所述控制臺4是集數(shù)據(jù)采集、分析和 反饋為一體的一臺計算機(jī)系統(tǒng)，所述控制臺14用以控制微藻培養(yǎng)的工藝條件。系統(tǒng)安裝完畢后，對管道進(jìn)行徹底的消毒處理，通過化學(xué)消毒后把管道沖洗干凈， 控溫水池16內(nèi)注入一定的水量，將由串聯(lián)式培養(yǎng)反應(yīng)器3浸入水中。準(zhǔn)備完畢后，系統(tǒng)工作的具體過程如下1)打開補(bǔ)液閥22，向儲液罐1內(nèi)通入配置好的初始藻液，打開供液閥24、管段開關(guān) 25和26、卸料閥27，開啟輸液泵2，將初始藻液通入培養(yǎng)管段3中，待藻液通滿管段后，關(guān)閉 輸液泵2、管段開關(guān)25和26。2)打開開啟空氣輸送閥30、尾氣輸送閥29、循環(huán)水輸送閥32，供氣閥31先進(jìn)行放 空；開啟尾氣泵18、空氣泵17、循環(huán)水泵15，富含C02的工業(yè)尾氣通過尾氣泵18進(jìn)行輸送， 由于尾氣溫度一般為150°C -200°C，其溫度較高，不可以直接通入藻液中，通過尾氣余熱回 收器14把尾氣溫度降低，通過空氣混合室19，將降溫后的尾氣和空氣混合，從而控制氣體 中的C02濃度，待控溫水池16內(nèi)的水溫穩(wěn)定后，連通供氣閥31，向培養(yǎng)反應(yīng)器內(nèi)曝氣。3)在培養(yǎng)反應(yīng)器3的內(nèi)部，如圖3-1所示，進(jìn)液管43與輸液裝置連接，進(jìn)氣管39 與輸氣裝置連接，開動輸液裝置，待培養(yǎng)的藻液通過進(jìn)液管43進(jìn)入反應(yīng)器的套管中，藻液液面接近頂部時停止輸液，開啟輸氣裝置，根據(jù)反應(yīng)器大小調(diào)整輸氣量，氣體通過曝氣孔41 分散到藻液中，藻細(xì)胞通過光合作用完成油脂的積累和C02的固定，最后聚集在套管頂部， 如圖5所示，由排氣管37排出。4)開啟控制臺4的全部功能，監(jiān)控微藻的生長環(huán)境。5)在培養(yǎng)過程中，本發(fā)明吸收了柱式反應(yīng)器最大的優(yōu)點(diǎn)，在藻液中增加了曝氣系 統(tǒng)，通過曝氣孔噴出氣體來加強(qiáng)反應(yīng)器中微藻、培養(yǎng)基和氣體的混合，達(dá)到增強(qiáng)氣液混合， 強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的作用。本發(fā)明通過曝氣口 41噴射出富含C02的氣泡，分散到藻液中，可以 隨時為藻細(xì)胞的光合作用提供充足的C02，大大提高了光合作用的效率。本發(fā)明曝氣口噴射 出的氣泡在上升過程中帶動藻液的流動，向光區(qū)內(nèi)的藻細(xì)胞隨藻液流動到背光區(qū)，并與富 含C02的氣體充分混合，在混合過程中，藻液中的溶解氧與微氣泡之間產(chǎn)生傳質(zhì)現(xiàn)象，溶解 氧會擴(kuò)散到氣泡中，并隨著氣泡排出藻液，從而使微藻在整個生長周期內(nèi)都能夠及時的排 出氧氣，有效的控制了氧抑制和光氧化作用。6)在培養(yǎng)過程中，在控制臺4上設(shè)置好最佳溫度的范圍，當(dāng)溫度偏離最佳范圍時， 控制臺4由溫度傳感器5反饋來的信息，通過循環(huán)水流量控制器8、尾氣流量控制器11來調(diào) 節(jié)循環(huán)水流量和尾氣流量，從而調(diào)節(jié)控溫水池16和管段內(nèi)的溫度。7)在培養(yǎng)過程中，在控制臺4上設(shè)置好最佳pH的范圍，當(dāng)pH偏離最佳范圍時，控 制臺4由pH傳感器6、氣體分析傳感器9反饋來的信息，通過尾氣流量控制器11、空氣流量 控制器10來調(diào)節(jié)空氣和尾氣的流量，通入藻液中氣體的流量和C02濃度，進(jìn)一步調(diào)節(jié)藻液 的pH和C02供應(yīng)量。8)待藻液濃度接近可收獲的指標(biāo)時，打開管段開關(guān)25、26，開啟輸液泵2，一邊通 過補(bǔ)液管補(bǔ)液，一邊通過卸料閥27進(jìn)行收獲，輸液速度由微藻的生長速度和培養(yǎng)管段的長 度決定，確保藻液從串聯(lián)式培養(yǎng)反應(yīng)器3出來時正好可以進(jìn)行收獲。特別強(qiáng)調(diào)，如何根據(jù)具體微藻類型所需的培養(yǎng)條件的不同，利用本發(fā)明中的控制 臺(即，計算機(jī)系統(tǒng)中的控制系統(tǒng))，通過上述各傳感器采集接收到的數(shù)據(jù)，對上述相關(guān)的 控制器和閥門進(jìn)行控制，以達(dá)到相應(yīng)的工藝條件(諸如控制藻液的溫度、pH值、C02溶度和 溶氧量，尾氣、循環(huán)水、藻液、空氣的流量等等)屬于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的公知常識，在此不再贅 述。本發(fā)明主要是通過將內(nèi)置曝氣管的套管式光生物反應(yīng)器和利用廢棄廢熱的光生 物反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)合，形成一種利用廢氣廢熱可大規(guī)模培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)系統(tǒng)，解決了現(xiàn) 有技術(shù)中管式光生物反應(yīng)器隨著管長的增長，微藻的生長環(huán)境越來越惡劣的問題，使管內(nèi) 微藻的溫度、pH、C02和溶氧(DO)量、藻液混合程度能夠得到良好的控制，并通過精確地實(shí) 時調(diào)控，為微藻生長提供最佳條件，有效的避免了外來物種的危害，縮短了培養(yǎng)時間，并有 效利用廢氣廢熱，降低了能源消耗和生產(chǎn)成本，減少了工業(yè)碳排放。該反應(yīng)器可用于連續(xù)和半連續(xù)微藻培養(yǎng)，為微藻能源的開發(fā)提供技術(shù)支持，可用 于培養(yǎng)微藻、生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品或提供水產(chǎn)養(yǎng)殖餌料等。盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方 式，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā) 明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保 護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種利用廢氣廢熱規(guī)模化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)系統(tǒng)，包括供液系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、控 溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)；其特征在于，所述供液系統(tǒng)包括儲液罐(1)、輸液泵(2)、培養(yǎng)反應(yīng)器和培養(yǎng)基管段；所述儲液罐(1) 連接有輸液管、補(bǔ)液管和排液管；培養(yǎng)反應(yīng)器由多個單元的套管式光生物反應(yīng)器串聯(lián)或并 聯(lián)構(gòu)成；所述套管式光生物反應(yīng)器包括管件和分別設(shè)置在所述管件兩端的法蘭，其中，一端法 蘭上設(shè)有進(jìn)液管(43)，另一端法蘭上設(shè)有出液管(40)，所述管件為一透明套管，包括透明 外管(35)和設(shè)置在所述透明外管(35)內(nèi)、且與透明外管(35)同軸布置的一透明開孔曝氣 管(36);所述透明外管(35)的頂部設(shè)有排氣管(37)，所述透明開孔曝氣管(36)的管壁上 沿軸向設(shè)有一排曝氣孔(41)，所述透明開孔曝氣管(36)的一端設(shè)有進(jìn)氣管(39)；所述供氣系統(tǒng)包括尾氣余熱回收器(14)，所述尾氣余熱回收器(14)連接有工業(yè)尾氣 輸送管道和氣體混合器(19)，所述氣體混合室(19)與空氣輸送管道相連，所述氣體混合室 (19)的下游管道上設(shè)有氣體分析儀(20)和供氣閥(31)；所述控溫系統(tǒng)包括控溫水池(16)，所述溫控水池(16)與所述尾氣余熱回收器(14)之 間設(shè)有循環(huán)水管道，所述培養(yǎng)反應(yīng)器設(shè)置在溫控水池(16)中；所述數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)包括設(shè)置在控制臺(4)和測試箱(13)，所述測試箱(13)串聯(lián) 在所述培養(yǎng)反應(yīng)器中，所述測試箱(13)內(nèi)設(shè)有與控制臺(4)連接的溫度傳感器(5)、pH傳 感器(6)和溶氧傳感器(7)，所述數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)還包括均與控制臺(4)連接的設(shè)置 在循環(huán)水管道上的循環(huán)水流量控制器(8)、與所述氣體分析儀(20)連接的氣體分析傳感器 (9)、設(shè)置在所述空氣輸送管道上的空氣流量控制器(10)、設(shè)置在所述工業(yè)尾氣輸送管道上 的尾氣流量控制器(11)和設(shè)置在輸液管道上的藻液流量控制器(12);所述控制臺(4)是 集數(shù)據(jù)采集、分析和反饋為一體的一臺計算機(jī)系統(tǒng)，所述控制臺(14)用以控制微藻培養(yǎng)的 工藝條件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用廢氣廢熱規(guī)模化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在 于，所述輸液管、補(bǔ)液管、排液管，工業(yè)尾氣輸送管道，空氣輸送管道，循環(huán)水管道上設(shè)有閥 門。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述利用廢氣廢熱規(guī)?；囵B(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在 于，所述輸液管、補(bǔ)液管、排液管，工業(yè)尾氣輸送管道，空氣輸送管道和循環(huán)水管道中選擇性 的設(shè)有泵體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用廢氣廢熱規(guī)?；囵B(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在 于，由多個單元的套管式光生物反應(yīng)器并聯(lián)構(gòu)成的并聯(lián)式培養(yǎng)反應(yīng)器(33)中，每個套管式 光生物反應(yīng)器的兩端均設(shè)有管段開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用廢氣廢熱規(guī)?；囵B(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在 于，由多個單元的套管式光生物反應(yīng)器串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)式培養(yǎng)反應(yīng)器(3)的兩端設(shè)有管段 開關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用廢氣廢熱規(guī)模化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在 于，所述透明外管(35)和所述透明開孔曝氣管(36)的兩端均與設(shè)置在兩端的法蘭密封。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用廢氣廢熱規(guī)模化培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在 于，所述透明外管(35)的外徑為50 300mm,所述透明開孔曝氣管(36)的外徑為30 ·200mm，所述透明外管(35)的外徑至所述透明開孔曝氣管(36)的內(nèi)徑之間的徑向厚度為 5 15mm0
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述利用廢氣廢熱規(guī)?；囵B(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在 于，所述排氣管(37)的直徑為30 100mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述利用廢氣廢熱規(guī)?；囵B(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在 于，所述曝氣孔(41)位于透明開孔曝氣管(36)斜下方的管壁上。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或9所述利用廢氣廢熱規(guī)?；囵B(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)系統(tǒng)，其特征 在于，所述曝氣孔(41)的孔徑為0.5-4_，其開孔方向?yàn)楸彻庑毕陆?0° 60°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用廢氣廢熱規(guī)模化培養(yǎng)微藻的套管式光生物反應(yīng)系統(tǒng)，包括供液、供氣、控溫和數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)；供液系統(tǒng)主要包括儲液罐和培養(yǎng)反應(yīng)器；培養(yǎng)反應(yīng)器由多個單元的內(nèi)置曝氣管的套管式光生物反應(yīng)器串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成；供氣系統(tǒng)主要包括尾氣余熱回收器和氣體混合室；控溫系統(tǒng)包括控溫水池和循環(huán)水路；數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)用以控制微藻培養(yǎng)的工藝條件。本發(fā)明能夠有效控制微藻生長環(huán)境，可以增強(qiáng)藻液內(nèi)氣液混合、有效調(diào)節(jié)pH、及時補(bǔ)充CO2和排除溶氧(DO)、適合大規(guī)模培養(yǎng)。以工業(yè)廢熱和廢氣用來為微藻培養(yǎng)提供碳源和熱源，能夠高效控溫、節(jié)省能源、處理尾氣減少碳排放，可用于高效培養(yǎng)微藻，生產(chǎn)生物柴油、微藻蛋白和水產(chǎn)養(yǎng)殖餌料等。
文檔編號C12M1/38GK102660448SQ201210131839
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者井廣寧, 張恒, 張雯雯, 楊俊紅, 楊少輝 申請人:天津大學(xué)