具有仿生分形树状结构的光生反应器、应用及培养方法技术

本发明专利技术提供一种具有仿生分形树状结构的光生反应器、应用及培养方法，所述光生反应器包括柱式反应器主体以及设于所述柱式反应器主体内部的子反应器，所述子反应器采用仿生分形树状结构，包括管式主干及连接于所述管式主干上部并与所述管式主干连通的管式多级分叉支干。本发明专利技术基于自然仿生理论、分形流动最优构建理论设计了分形树状结构带有循环喷淋流动过程的光生反应器，能够有效提升光照利用率以及流动性能。此外，循环喷淋过程将使柱式、管式内较高藻液的温度随喷淋外循环得到自然下降，并释放出光合作用生成的氧气，减弱了微藻培养过程中的光抑制效应，并且大尺度循环也有助于强化传质过程。本发明专利技术有助于促进微藻固碳及培养效率的提升。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物化工领域，涉及一种具有仿生分形树状结构的光生反应器、应用及培养方法。
技术介绍
微藻能够通过光合作用将CO2和水转化为我们生活需要的各种有机化合物(如色素、蛋白质、氨基酸、维生素和脂肪酸、多糖等)。由于藻类具有高效光利用率，以及从周围环境中快速高效吸收营养素(如CO2、氮、磷等)并转化成有机化合物的能力，使藻类成为拥有未来解决食品农业、能源危机的巨大经济潜力。同时，藻类养殖对于CO2固定、污水处理等改善生态环境方面具有重大意义。尽管藻类具备了较高的环境与经济价值，但要实现微藻产业的经济性利用，目前仍受限于藻类养殖的核心装置—光生物反应器的设计研发。目前，微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。开放式光生物反应器构建简单、成本低廉及操作简便，但存在易受污染、培养条件不稳定、占地面积大等缺点。与开放式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器克服了开放式光生物反应器的上述缺陷，可以控制各个生长参数，并且已经有一些规模化培养的实例。封闭式光生物反应器一般分为：管式光生物反应器、板式光生物反应器和圆柱式光生物反应器。但由于封闭式光生物反应器类型多，存在不同的缺陷，如圆柱式光生物反应器容易发生光照不足、流动存在死区的问题；而管式光生物反应器容易出现溶解氧过高、气液混合不均、温度过高以及光抑制(指的是光能超过藻体所能利用的数量时，其光合功能下降的现象)；这些会导致培养的生物浓度和产出率较低。目前，封闭式光生物反应器主要有：管道式、平板式、柱状气升式、浮式薄膜袋等。由于这些光生物反应器结构不同，其实际使用效果差异很大，对藻类的产量与品质的影响就更加明显。在所有微藻培养过程中，光照和气液混合传质是影响微藻高密度培养的关键因素。光生物反应器的主要设计思路是使微藻细胞能得到充分的光照同时使反应物均匀混合传质。柱式反应器接收光照表面积较小；管道式光生物反应器具有较高的光照利用率，但其传统构型流动阻力大传质传热性能差，使得溶解氧过高不易释放，处于光抑制状态无法高效进行光合作用，并容易造成管道内培养温度上升形成培养条件不稳定。因此，如何提供一种新型结构的光生反应器，以提升光照利用率以及流动性能，克服常规管式及柱式反应器的诸多缺点，促进微藻固碳及培养效率的提升，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种具有仿生分形树状结构的光生反应器、应用及培养方法，用于解决现有技术中光生反应器光照利用率不高、流动扩散性能及传质传热性能差、无法使藻液高效进行光合作用的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种具有仿生分形树状结构的光生反应器，包括柱式反应器主体，其中：所述光生反应器还包括设于所述柱式反应器主体内部的子反应器，所述子反应器采用仿生分形树状结构；所述仿生分形树状结构包括管式主干及连接于所述管式主干上部并与所述管式主干连通的管式多级分叉支干。可选地，所述管式主干底部与所述柱式反应器主体底部连接。可选地，所述管式多级分叉支干的每一级分叉的分叉数大于或等于2。可选地，所述管式多级分叉支干的第一级分叉支干与水平面之间的夹角为15°-75°；分叉之间的夹角为30°-150°。可选地，所述管式主干与所述管式多级分叉支干的第一级分叉支干的长度之比范围是1-10，内径之比范围是1-6。可选地，所述管式多级分叉支干的每一级分叉支干的尺寸比例、角度具有分形几何的自相似性。可选地，所述仿生分形树状结构采用透明材质。可选地，所述管式主干与第一气体供应管路连接；所述第一气体供应管路用于向所述管式主干供应气体，使得所述管式主干内的液体在气流及循环泵的作用下向上流动，扩散到所述管式多级分叉支干中，并与气体充分混合，最终在管式多级分叉支干的末级分叉出口排出。可选地，所述第一气体供应管路包括空气压缩机、CO2储气装置及混合室，其中，所述空气压缩机提供的空气与所述CO2储气装置提供的CO2气体经过所述混合室混合后供应至所述管式主干。可选地，所述柱式反应器主体与所述管式主干之间连接有热交换器及循环泵；所述热交换器用以对从所述柱式反应器流经至所述热交换器的液体进行降温或升温；所述循环泵用以将经过所述热交换器的液体输送至所述管式主干内。可选地，所述柱式反应器主体底部设有气体分布器；所述气体分布器与第二气体供应管路连接，用以对所述柱式反应器主体内的液体进行鼓泡并提供反应气体。可选地，所述第二气体供应管路包括空气压缩机，用以向所述气体分布器供应气体。可选地，所述光生反应器的光源采用人工光源或自然光光源。可选地，所述柱式反应器主体的侧壁包括透明材质。可选地，所述柱式反应器主体为圆柱状或多边形柱状。可选地，所述柱式反应器主体顶部连接有集液罩，用以对从所述的管式多级分叉支干流出的液体进行挡流集液，使液体回流至所述柱式反应器主体底部。可选地，所述集液罩的轮廓为弧形或锥形。可选地，所述集液罩采用透明材质。可选地，所述集液罩上设置有人工光源。可选地，所述人工光源包括LED灯带。可选地，所述集液罩上还设有用于排放反应尾气的排气装置。可选地，所述光生反应器还连接有配气系统、温控系统、循环系统、监测系统或尾气分析系统。本专利技术还提供一种具有仿生分形树状结构的光生反应器的应用，所述具有仿生分形树状结构的光生反应器采用上述任意一项所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器。可选地，所述应用是利用所述光生反应器进行微藻培养及CO2固定。本专利技术还提供一种培养方法，包括如下步骤：将含有CO2的气体输送至采用仿生分形树状结构的子反应器的管式主干；利用气流及循环泵的推动作用，使所述管式主干中的藻液向上流动，扩散到所述子反应器的管式多级分叉支干中，并与所述气体充分混合；采用自然光光源及人造光源中的至少一种作为光源，使藻液在光照条件下于所述管式多级分叉支干中进行光合作用。可选地，还包括采用集液罩对从所述的管式多级分叉支干流出的藻液进行挡流集液的步骤，以使藻液回流至柱式反应器主体底部。可选地，还包括利用设置于所述集液罩上的排气装置将含有氧气的尾气排出。可选地，还包括利用设置于所述柱式反应器主体底部的气体分布器对藻液进行鼓泡的步骤，以提供反应气体并防止藻液沉积。可选地，采用空气压缩机将将其分为两路，一路空气与CO2混合后输送至所述管式主干，另一路空气输送至所述气体分布器。可选地，还包括利用循环泵将所述柱式反应器主体内的藻液抽至所述管式主干的步骤。可选地，还包括利用热交换器将从所述柱式反应器流经至所述热交换器的藻液进行降温或升温的步骤。如上所述，本专利技术的具有仿生分形树状结构的光生反应器、应用及培养方法，具有以下有益效果：本专利技术基于自然仿生理论、分形流动最优构建理论设计了分形树状结构带有循环喷淋流动过程的光生反应器。分形树状结构具有自然界树枝分叉多、光照表面积高，流动扩散性能好、流动阻力降小等优势，能够有效提升光照利用率以及流动性能。此外，循环喷淋过程将使柱式、管式内较高藻液的温度随喷淋外循环得到自然下降，并释放出光合作用生成的氧气，减弱了微藻培养过程中的光抑制效应，并且大尺度循环也有助于强化传质过程。本专利技术的光生反应器通过柱管耦合，解决了常规管式及柱式反应器各自的诸多缺点，从而有助于促进微藻固碳及培养效率的提升。附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有仿生分形树状结构的光生反应器，包括柱式反应器主体，其特征在于：所述光生反应器还包括设于所述柱式反应器主体内部的子反应器，所述子反应器采用仿生分形树状结构；所述仿生分形树状结构包括管式主干及连接于所述管式主干上部并与所述管式主干连通的管式多级分叉支干。

【技术特征摘要】
1.一种具有仿生分形树状结构的光生反应器，包括柱式反应器主体，其特征在于：所述光生反应器还包括设于所述柱式反应器主体内部的子反应器，所述子反应器采用仿生分形树状结构；所述仿生分形树状结构包括管式主干及连接于所述管式主干上部并与所述管式主干连通的管式多级分叉支干。2.根据权利要求1所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器，其特征在于：所述管式主干底部与所述柱式反应器主体底部连接。3.根据权利要求1所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器，其特征在于：所述管式多级分叉支干的每一级分叉的分叉数大于或等于2。4.根据权利要求1所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器，其特征在于：所述管式多级分叉支干的第一级分叉支干与水平面之间的夹角为15°-75°；分叉之间的夹角为30°-150°。5.根据权利要求1所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器，其特征在于：所述管式主干与所述管式多级分叉支干的第一级分叉支干的长度之比范围是1-10，内径之比范围是1-6。6.根据权利要求1所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器，其特征在于：所述管式多级分叉支干的每一级分叉支干的尺寸比例、角度具有分形几何的自相似性。7.根据权利要求1所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器，其特征在于：所述仿生分形树状结构采用透明材质。8.根据权利要求1所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器，其特征在于：所述管式主干与第一气体供应管路连接；所述第一气体供应管路用于向所述管式主干供应气体，使得所述管式主干内的液体在气流及循环泵的作用下向上流动，扩散到所述管式多级分叉支干中，并与气体充分混合，最终在管式多级分叉支干的末级分叉出口排出。9.根据权利要求8所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器，其特征在于：所述第一气体供应管路包括空气压缩机、CO2储气装置及混合室，其中，所述空气压缩机提供的空气与所述CO2储气装置提供的CO2气体经过所述混合室混合后供应至所述管式主干。10.根据权利要求1所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器，其特征在于：所述柱式反应器主体与所述管式主干之间连接有热交换器及循环泵；所述热交换器用以对从所述柱式反应器流经至所述热交换器的液体进行降温或升温；所述循环泵用以将经过所述热交换器的液体输送至所述管式主干内。11.根据权利要求1所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器，其特征在于：所述柱式反应器主体底部设有气体分布器；所述气体分布器与第二气体供应管路连接，用以对所述柱式反应器主体内的液体进行鼓泡，并提供反应气体。12.根据权利要求11所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器，其特征在于：所述第二气体供应管路包括空气压缩机，用以向所述气体分布器供应气体。13.根据权利要求1所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器，其特征在于：所述光生反应器的光源采用人工光源或自然光光源。14.根据权利要求1所述的具有仿生分形树状结构的光生反应器，其特征在于：所述柱式反应器主体的侧壁...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙予罕，赵陆海波，唐志永，王刚，汪靓，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31