[发明专利]一种自吸氧式管式光生物反应器

说明书

一种自吸氧式管式光生物反应器，包括管式光生物反应器及圆筒形碱性燃料电池组，所述的管式光生物反应器包括光反应管、储液罐和循环水泵，藻液由循环水泵带动在光反应管和储液罐中循环流动，在光反应管之间的连接处安装圆筒型碱性燃料电池；本发明利用燃料电池的阴极氧还原反应对光生物反应器中的高溶氧量的藻液进行处理，在保证藻液高效培养的情况下，无需管式光生物反应器传统的曝气装置，同时燃料电池阳极氧化产生CO₂作为藻液的碳源，其产生的电能亦可作为外加光源的电源，达到降低系统能耗的目的。

技术领域

本发明属于生物工程及二氧化碳捕获封存领域，具体涉及一种集藻类高效培养、CO₂捕获、溶氧效应抑制及溶氧回收利用于一体的自吸氧式管式光生物反应器。

背景技术

进入21世纪以来，能源危机与环境污染已成为全人类面临的重大课题。尤其在我国，随着经济的飞速发展，人们生活水平不断上升，对能源的渴望日趋迫切，传统的化石能源的供应缺口越来越大。据相关报道，2015年中国原油对外依存度首次超过60％，这种情况已经严重威胁到国家安全。此外，2015年我国出现了11次大范围、持续性的霾过程，化石能源的利用造成的严重的环境污染已经非常显著的影响到了人们的日常生活与身体健康。在这种背景下，太阳能、风能、生物质能等新型清洁能源被广泛的研究以期替代高污染的一次能源。

生物柴油作为石油的可替代燃料在国际上已经得到广泛的利用，发展生物柴油最关键的问题在于原料的来源问题，其中高含油的微藻没有换季和生产周期的限制，并且来源丰富被认为是生物柴油的优质原料。微藻具有比传统作物效率更高的光合作用，将碳水化合物、碳氢化合物和空气中的CO₂作为碳源合成大量油脂，微藻的高密度培养是实现微藻资源综合开发利用的关键，可以开放式培养和密闭式培养。

光生物反应器是指用于培养具有光合作用能力的植物组织、细胞的实验设施，通过控制温度、pH、光照强度、营养液浓度、CO₂等进行连续或者半连续的培养，从而获得较高生物密度或者单位面积产量。在管式光生物反应器中，氧气是藻类进行光合作用的产物。但是，在CO₂浓度比较高的情况下，光合作用产生的高浓度的溶解氧会破坏藻细胞，抑制藻细胞的生长。在藻液中，溶解氧为空气中O₂饱和度(7.5mL·L^-1，30℃)的情况下，藻细胞的耐受时间只有2-3h。在管式光生物反应器中生成的O₂会沿管道梯度转移，在反应器末端溶解氧值超过空气O₂的饱和度400-500％。

目前，解决反应器中溶解氧的问题主要有两种方案(1)在反应器内部加快藻液流速，增大扰动，一方面使藻液得到均匀的分布，另一方面可以加快氧气与藻液的分离；(2)在反应器内部加入气体分离装置，分离氧气。但是，这两种方式分离需要消耗大量的能源，并且光合作用产生的氧气很难收集再利用，是光和作用的一种浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够使管式光生物反应器在藻类高效培养与CO₂捕获的同时，无需外加曝气装置，实现消耗藻液中的溶氧、降低系统能耗，能量回收利用的自吸氧式管式光生物反应器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括管式光生物反应器及圆筒形燃料电池组，所述的管式光生物反应器包括藻液循环回路及藻类培养条件控制段；

所述的藻液循环回路包括安装有换热盘管的储液罐，储液罐通过循环水泵与若干光反应管相连接；相邻两光反应管首尾之间分别与圆筒形碱性燃料电池连通；

所述的藻类培养控制段包括主控制器，CO₂供气系统的管路开关与主控制器相连，主控制器还与设置在储液罐内的CO₂曝气管、溶氧电极、pH电极及安装在相邻两光反应管之间的外加光源相连；

所述的储液罐内还设置有与空气压缩机相连的空气曝气管。