[发明专利]一种环流泡沫光生物反应器及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种环流泡沫光生物反应器及其应用。

背景技术

光生物反应器是能够有效利用光能，完成特定生物质培养等过程的反应器。光照生物质培养在未来环境和能源领域有广泛应用价值。

光生物反应器的一重要应用是用于藻类等生物的的高密度培养。采用光生物反应器进行海洋微藻的人工培育是解决制约海洋微藻规模化培育放大的重要途径，对于食物蛋白、药用及其他原材料的重要生物资源的获取，以及生物柴油的基础原料的获得具有重要的意义。此外，利用微藻减排CO₂，是地球上最主要和最有效的固碳方式，受到国内外研究者的高度重视。利用光合细菌生物制氢，具有不放氧、产氢纯度高、对太阳光谱的响应范围宽以及可与多种生物组建形成良好微生态体系等特点，被认为是绿色氢来源之一，也得到国内外研究者的广泛关注。光生物反应器技术对于上述过程的工业化、高效化具有关键性的意义。

光生物反应器的设计远比传统的化学反应器复杂，除了涉及质量传递与混合、流动方式、反应动力学、温度控制等问题外，还必须考虑光辐射这一重要因素。光能在液相中随着液体的深度的增加而迅速减小，因此只有在液相的表层，光反应才能有效的进行。因此光反应器的设计的关键是如何有效的利用光源，并且同时满足传质和混合的需要。近年来，开发出各种形式的光生物反应器。从反应器的结构上划分，光生物反应器有池式、管道式、平板式/箱式、柱式等多种结构。

池式反应器是最常见的反应器，其中最典型、最常用的是跑道式反应池，目前国际上大规模生产微藻的公司多采用这种反应器，但该类型的反应器光能及CO₂的利用率低、占地面积大、生物质浓度低、气液混合传质差且易受外界环境影响。近年来，提出了提高池式装置光和CO₂利用率的方式，如中国发明专利CN1982432A报道的提供池式装置CO₂高效供给的装置，

上世纪90年代以来，以管道式反应器和板式反应器为代表的封闭式光反应器迅速发展，至今已形成一些专利和研究报道。管道式反应器一般由透明硬质塑料或玻璃、有机玻璃封闭管，弯曲成不同形状，利用透明管道，借助自然光或人工光源进行光培养。如日本专利JP9121835-A(1995)及JP2743316-B2报道的放置在锥形支架上的管道式反应器；O.Pulz等报道的水平流动管道式反应器(Appl.Microbiol.Biotechnol，2001，58：287-293)，L.Travieso等报道的环形管道式反应器(Int.Biodeter.Biodegra.，2001，47：151-155)，世界专利WO2008010737-A1(2008)报道的列管式反应器。管道式具有光照面积大，可连续操作等优点，在并在光催化反应和生物质培养方面有广泛的应用研究。但为保证光源充足，封闭管的直径一般小于0.1m，同时其反应器造价高，不易清洗。

板式(箱式)反应器由单个或多个组合的板箱式结构组成，或者在箱体内通过安装折流板分割成多个箱室。1986年R.D.Qrtega等人首次报道了平板式光生物反应器(Biomass，1986，(10)：14-156.)，此后不同形式的板式光反应器相继被报道，专利如美国专利US005104803A(1992)、US0059932A1(2003)等报道的内光源箱板式反应器，意大利专利IT124175(1994)，中国发明专利CN1880442A(2006)世界专利WO2009069967-A2(2009)等报道的不同结构的内置折流板反应器；另外相关文献报道了一些新形式的板式反应器，如Tredici等报道的垂直嵌槽板式反应器(Bioresource Tech.，1991，38：153-160)，Q.Hu等报道的倾斜鼓泡板式光生物反应器(J.Appl.Phycol.，1996，8：139-145)，S.R.Chae等报道的L型平板光生物反应器(Bioresource Tech.，2006，97：322-329)等。这些反应器具有光能利用率高、结构相对简单、结构可根据培养需要通过单元组合设计等优点，适合于高密度培养。但是该类型反应器在工业放大上存在严重问题：对于结构简单的反应器，在光照方向上，反应物/生物质和气液相的混合强度低，放大箱体体积后混合传质效果变差且光照利用率降低；而折流板式的设计增加了流体的阻力，在反应器内容易形成死区，且不宜清理。