微藻培養(yǎng)的新補碳方法與流程的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于微藻養(yǎng)殖工程領(lǐng)域，涉及一種以微藻液作為吸收劑，采用噴霧霧化方法吸收CO2，作為補充微藻捕集、利用CO2的裝置和工藝流程。該噴霧吸收塔及其附屬設(shè)備均安裝在一個可以移動的不銹鋼支架平臺上，只需將微藻養(yǎng)殖池與裝置的輸液泵進出口相連接，接通電源即可運轉(zhuǎn)；含CO2氣體自吸收塔底氣體分布器進入塔內(nèi)，微藻液由隔膜泵自微藻類養(yǎng)殖池中抽取，經(jīng)塔頂噴嘴以霧化噴淋方式進入塔內(nèi)，藻液與CO2氣體在塔內(nèi)逆向流動，充分接觸，捕集、吸收CO2，尾氣從塔頂排氣口排出；吸收后的含高碳微藻液由塔底出液口回流至微藻類養(yǎng)殖池，實現(xiàn)微藻液的循環(huán)。本工藝可適合于包括淡水微藻和海水微藻的規(guī)模化戶外培養(yǎng)，CO2的吸收利用效率可達76%以上，與原配氣浸沒管道式補碳方法相比，CO2的用量僅為原來的1/10~1/30，具有CO2吸收效率高、占地面積小、能耗低、且裝置操作方便、可調(diào)性強、成本低。
【專利說明】
微藻培養(yǎng)的新補碳方法與流程
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于化學(xué)工程和生物能源工程領(lǐng)域，特別涉及一種以微藻液為吸收劑，采 用噴淋霧化方法吸收C0 2，作為微藻捕集、利用c〇2的裝置和工藝流程。
【背景技術(shù)】
[0002] 微藻是一類單細胞或多細胞、形體微小的微生物的總稱。微藻繁殖方式簡單，生長 周期短，它們能有效的地將溶解于水中的C〇 2或110^離子作為碳源，并與無機鹽類物質(zhì) 等進行光合作用轉(zhuǎn)化為有機質(zhì)。微藻可把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，同時固定二氧化碳并轉(zhuǎn)化 為含碳化合物，例如碳水化合物和蛋白質(zhì)。藻類固定的速率很高，且易于大規(guī)模培養(yǎng)。 開發(fā)和利用微藻成為最長遠的解決人類食品資源、能源短缺的重要途徑之一。微藻養(yǎng)殖系 統(tǒng)可以較好地控制，也能擇優(yōu)選擇，為了獲得大量的生物制品和油脂，在微藻生長過程中補 充二氧化碳是必不可少的步驟。
[0003] 目前藻類養(yǎng)殖場所應(yīng)用的微藻生物固定的反應(yīng)系統(tǒng)主要采用兩種光化學(xué)反 應(yīng)器【張芳等，2009年二氧化碳減排控制技術(shù)與資源化利用研討會論文集，山東青島市， 2009. 08. 03】，一種是開放式跑道池系統(tǒng)；另外一種是密閉式光生物反應(yīng)器，含平板式，柱式 和管式反應(yīng)器等。操作中大都采用敞口鼓泡的方式向微藻養(yǎng)殖池中供給C〇2,這種補碳方 式(也稱浸沒管道式補碳方法）的問題是還未來得及溶于藻液中(指的是在該溫度下達 到氣液吸收平衡溶解的物質(zhì)的量)，就從微藻養(yǎng)殖中逸出，造成利用效率低，并浪費了 業(yè)已回收的寶貴二氧化碳資源；溫度高時，這種情況尤以為甚。中國專利CN201010531490. X(2010年)報道了一種先將通入到水中，使C02溶解于在水中，然后將到達飽和溶解度 的水加入到微藻養(yǎng)殖水體中，這樣能有效解決的浪費問題，以期降低微藻養(yǎng)殖的成本。
[0004] 以色列《國土報》早在2004年就有報道稱：錫姆生物公司開發(fā)出一項新技術(shù)，利用 發(fā)電廠排放的二氧化碳養(yǎng)殖海藻，進而從中制取生物燃料，研究人員從發(fā)電廠排放的廢氣 中用乙醇胺溶液來制備高純度的二氧化碳（99. 9%以上），冷卻后將其直接充入養(yǎng)殖海藻的 池塘里，這樣大量的二氧化碳會逸出池面，而乙醇胺法回收二氧化碳設(shè)備復(fù)雜因而成本高， 操作難度大，影響了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。作為碳源，的主要來源要是從火電廠的煙氣中 回收的0? ;化工廠比如環(huán)氧乙烷裝置中回收C02 ;從發(fā)酵氣、燒秸桿氣等中回收C02等。 再則，被認為是造成大氣層溫室效應(yīng)最主要的元兇之一，因在所有溫室氣體中，其在大 氣中含量最高、壽命長，對溫室效應(yīng)的貢獻最大，況且主要由人為因素產(chǎn)生，其量的削減是 控制溫室氣體的關(guān)鍵，開發(fā)利用也是重要削減措施之一。因此，固定的小球藻、螺 旋藻、斜生柵藻、嗜熱藍藻、纖細裸藻，以及雨生紅球藻等經(jīng)濟性微藻類養(yǎng)殖都是重要的終 端利用措施。
[0005] 本發(fā)明針對微藻補碳過程中存在的利用率低問題，提出一種采用微藻液作為 霧化吸收塔吸收吸收劑，且整個吸收塔及其附屬設(shè)備全部安裝在一個可移動的操作平 臺上，該裝備可用于微藻液培養(yǎng)補碳需要的大多數(shù)場合，相比于傳統(tǒng)的浸沒管道式補碳方 法而言，其顯著特點是10?吸收效率高、占地面積小、能耗低、且裝置操作方便、可調(diào)性強、 成本低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明采用微藻液作為的吸收劑，既可以將藻液的光合作用生長和補碳分開 進行，也可以實施微藻吸收-培養(yǎng)耦合；利用該裝置，可為微藻提供充足的碳源，促進 微藻類的生長。該吸收裝置及其所有附屬設(shè)備，包括輸液泵、供氣和供液的流量調(diào)節(jié)統(tǒng)、電 氣儀表的檢測和控制系統(tǒng)等，全部集中安裝在一個可移動的操作平臺上，平臺底部裝有萬 向輪，可靈活地移至微藻液培養(yǎng)補碳需要的場合，如：①合適于各種微藻培養(yǎng)的光反應(yīng)器， 包括平板、跑道池、袋式等光合作用反應(yīng)器；②合適于各種微藻類，包括海水藻，淡水藻等； ③合適于各種微藻生物固碳的工業(yè)氣體，如燒秸氣、火電廠煙氣、發(fā)酵氣、化工廠回收凈化 后的氣等，應(yīng)用于各種以鋼瓶氣補碳的藻培養(yǎng)過程，與原配氣鼓泡的操作方式比，co2 用量僅為原來的1/10~1/30。
【附圖說明】
[0007] 附圖1、微藻液噴霧吸收C〇a裝置及其工藝流程簡圖 附圖1中，1 一微藻類養(yǎng)殖池；2, 3 -電動隔膜泵；4一壓力表；5-單向閥；6-流量計 量表；7-霧化噴嘴；8-噴嘴料液入口；9一尾氣排放口；10-手孔；11 一玻璃U型壓差計； 12-補碳進氣管；13-補碳后料液出口； 14 一排污口； 15-氣體分布器；16-氣體流量計； 17-吸收塔頂封頭；18-吸收塔；19 一吸收塔底封頭；20-液封管。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下： ①補碳氣體經(jīng)流量計（16)計量進入補碳進氣管（12)，由氣體分布器管（15)進入 吸收塔（18)中。②一定濃度的微藻液由微藻液養(yǎng)殖池（1)分別由電動隔膜泵（2/3)抽取和 流量計量表（6)計量后，經(jīng)噴嘴料液入口（8)進入霧化噴嘴（7)，通過噴淋霧化方式噴入吸 收塔（8)內(nèi)，與補碳氣體逆流接觸，吸收其中的C〇2。③吸收后的尾氣從塔頂尾氣出口（9) 排出，吸收后含高碳量的微藻液落入吸收塔底部，通過塔底出液口（ 13)流回微藻類養(yǎng)殖池 (1)，實現(xiàn)微藻液的循環(huán)。
[0009] 其中①所說的含€<%氣體為純氣體、空氣-CXV混合氣體，以及各種工業(yè)廢 氣：煙氣或發(fā)酵尾氣，或化工廠環(huán)氧乙烷裝置中回收凈化的等。若氣體中 1含量高 時，可控制或減少尾氣排出量，使塔內(nèi)霧狀微藻液與含〇：>2氣體充分接觸；在氣體中C0 2: 含量低時，塔內(nèi)霧狀微藻液與含@^氣體逆流接觸，可增大尾氣排出量，以保證所需的 充分補加。在②和③中，可通過觀測微藻類養(yǎng)殖池中微藻液的pH值來調(diào)整噴霧吸收塔的微 藻液噴霧量，使微藻類養(yǎng)殖池中的C02量既能滿足微藻對pH的要求又能滿足微藻光合作用 對0?量的需求。
[0010] 附圖2、小球藻生長與養(yǎng)殖時間之間的關(guān)系 附圖2中（a)進口 01?的流量；（b) pH值；（c)微藻干細胞質(zhì)量；A-鼓泡法補碳；B- 噴霧法吸收補碳。
[0011] 附圖3、微藻液對補碳過程中C03的利用率 附圖3中A-鼓泡法補碳；B-噴霧法吸收補碳。
[0012] 附圖4、噴霧吸收補碳過程中對〇〇2的吸收率（a)和C〇；s吸收容量（b)。
[0013] 本發(fā)明的顯著特征為： ①設(shè)備的主體一吸收塔安裝在一個可移動的不銹鋼支架平臺上，底部裝有可轉(zhuǎn)動萬向 輪。該裝置的輔助設(shè)備，如電器儀表控制箱、隔膜泵、氣體和液體輸送管道、手搖電源線接線 盤等均安裝在該平臺上，其可移至任何微藻培養(yǎng)需要供給C〇 s的場合。只需給裝置接線盤 通上動力電，并將微藻養(yǎng)殖池與泵的進出口通過管道相連，該設(shè)備即可運轉(zhuǎn)和工作。②該 裝置不僅可適用于小球藻的戶外吸收 1培養(yǎng)，亦可適用于雨生紅球微藻及其他微藻的戶 外吸收C02培養(yǎng)。③與相同規(guī)模條件下的管道式鼓泡型微藻培養(yǎng)方式相比，本工藝可極大 地提高C02的吸收效率，并將吸收的(：02供給藻類生長，具有占地面積小，操作方便、高效， 利用率高等特點，適用于藻類的大規(guī)模養(yǎng)殖。
[0014]
【具體實施方式】
[0015] 實施例1 在體積為18m3的微藻戶外培養(yǎng)裝置（跑道池）中，裝入8m3的小球微藻液(低溫小球藻 種)，微藻液初始濃度為〇. 29g/L。從接入后的每天早上8:30開始，每隔2h記錄1次兩臺隔 膜泵（2/3)進出口 pH值，^^2:進氣流量，以及兩個流量計量表（6)的讀數(shù)(噴霧實驗組微藻 養(yǎng)殖數(shù)據(jù))。由于是8噸的跑道池，為了減少C03用量，采用純鋼瓶氣為碳源(純度>99. 8%)。 并設(shè)置同樣的8噸跑道池，采用鼓泡補碳作為噴霧實驗的對照組(鼓泡法微藻養(yǎng)殖數(shù)據(jù))。以 便在同樣光照，溫度的情況下比較兩者的pH值變化[附圖2 (b) ], 〇02消耗量（附圖3)， 微藻的生長情況[附圖2 (c)]以及微藻對〇02的利用效率(附圖4)。
[0016] 附圖2 (c)表明實驗組(噴霧法B)微藻的生長情況優(yōu)于同樣溫度變化，同樣光照的 對照組(鼓泡法A);-天中pH值的變化存在一個峰值，是因為中午12:00-14:00溫度高，光 照好，微藻吸收利用C〇2的能力強，但總的情況來看培養(yǎng)池中實驗組(噴霧法B)的pH值波 動不大(通常位于7. 0~7. 8間）[附圖2 (b)]，比較適合微藻類的生長；C02的進氣量表明 [附圖2 (a)]，對照組(鼓泡法A)的CC^量（7~13L/min)遠大于實驗組(噴霧法B) (2~3. 5L/ min)，且實驗組的進氣量穩(wěn)定；而對照組的進氣波動大，主要是因為其pH的調(diào)節(jié)存在一定 的滯后效應(yīng)。附圖2結(jié)果說明噴霧補碳在保證微藻類生長的同時可以大幅度降低??%的消 耗量，其對C02的需求量僅為鼓泡法的1/1〇左右，是一種很好的補碳新工藝。
[0017] 附圖3表明實驗池（噴霧法B)微藻生長C02利用效率遠遠高于對照組池(鼓泡法 A)，主要是因為對照組通入的大量在微藻液中的停留時間很短，大量COa逃逸到空氣 中，造成了浪費。同時，附圖3也表明在微藻的生長前期，由于藻細胞密度低，造成微藻吸收 利用的效率低，隨著微藻的生長時間的增加，微藻密度逐漸增加并大量利用C0 2合成 生物質(zhì)，在此階段微藻的干重快速上升，而到微藻的生長末期，培養(yǎng)池中的營養(yǎng)元素消耗殆 盡，此時_) 3丨的利用效率逐漸降低。究其原因在于微藻的生長后期吸收利用.變少，這個 階段主要是積累油脂，但由于培養(yǎng)池中氮磷元素的消耗致使微藻液的pH值增加，C0 2的大 量通入，大部分是用于控制pH值，因此微藻生長^^的利用率會降低。另外，從附圖4還可 看出：噴霧法補碳在微藻的生長后期，盡管隔膜泵的進口微藻液的pH并沒有降低，但其碳 含量卻很高，而吸收塔出口微藻液碳含量，雖有一些降低，但差異不大，測得的出口微藻液 的C02吸收容量在〇. 〇i2mol/L左右，對總的吸收量平均在76%左右。該噴霧吸收裝 置和工藝，是一種微藻養(yǎng)殖中操作方面的、高效的補碳裝置。
【主權(quán)項】
1. 一種W微藻液作為吸收劑，其特征在于在吸收培中采用噴淋霧化方法吸收 ，作為補充微藻捕集、利用C〇2的裝置和工藝流程。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CCV吸收培為噴淋霧化吸收培，其材質(zhì)可選用可視化的玻 璃、有機玻璃制成，也可用不鎊鋼等材料制成，優(yōu)選的材質(zhì)為有機玻璃材料；W微藻液為噴 淋霧化的吸收劑，由隔膜泉自養(yǎng)殖池抽吸至培頂噴嘴處，并噴淋到吸收培內(nèi)；一定量的經(jīng)計 量后COs氣體從自培的下部的分布器均勻地進入吸收培內(nèi)，微藻液吸收劑與C〇3氣體在培 內(nèi)呈逆流流動，進行傳質(zhì)吸收；吸收后的尾氣從培上部的尾氣排出口通過調(diào)節(jié)閥可控制地 排出界外；含高的微藻液落入吸收培底部，通過培底排液口回流至微藻類養(yǎng)殖池，實現(xiàn) 微藻液的循環(huán)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的C〇2氣體純C〇3氣體、空氣一C〇2混合氣體和工業(yè)廢氣，女口 煙氣經(jīng)回收處理得到的C〇2氣體、發(fā)酵尾氣或自化工廠生產(chǎn)副產(chǎn)，如環(huán)氧己焼裝置中回收凈 化得到的0?氣體等，氣體中C〇2的濃度可從2% ~ 100%。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴霧吸收培，其特征在于吸收培主體及其附屬設(shè)備，如微藻 液抽吸用隔膜泉，氣體C〇2輸送管道、電器儀表控制箱、手搖接線盤等均安裝于一個不鎊鋼 支架平臺，平臺底部裝有萬向輪，可方便地移至任意微藻液養(yǎng)殖池的補碳場合，合適于各種 微藻培養(yǎng)的光反應(yīng)器，包括：平板、跑道池、吊袋式等各種形式的微藻培養(yǎng)反應(yīng)器；應(yīng)用于 各種W鋼瓶氣補碳的藻培養(yǎng)過程，與原配氣鼓泡的操作方式比，CO;用量僅為原來的1/10 至 1/30。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的補碳裝置和流程可適用于藻類的培養(yǎng)，包括淡水培養(yǎng)和海 水培養(yǎng)，可通過觀測微藻類養(yǎng)殖池中微藻液的抑值來調(diào)整噴霧吸收培的微藻液噴霧量，使 微藻類養(yǎng)殖池中的C〇2量即能滿足微藻對pH的要求又能滿足微藻光合作用對的需求 量，克服了微藻對高C A氣源的耐受問題。
【文檔編號】C12M1/04GK105985910SQ201510096681
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年3月5日
【發(fā)明人】施云海, 李偉, 李元廣
【申請人】華東理工大學(xué)