[发明专利]一种实现二氧化碳高效固定的光生物反应器

说明书

技术领域

本发明涉及光生物反应器，特别涉及一种实现二氧化碳高效固定的光生物反应器。

背景技术

近年来，气候变暖已经受到全球的广泛关注，其主要原因是大气中二氧化碳等温室气体浓度的升高。据ICPP(联合国政府间气候变化专门委员会)统计，大气中的二氧化碳浓度已经由工业革命前的0.028％增长至0.036％，二氧化碳浓度的升高会引发了海平面上升、洪水泛滥、生态系统分配改变等一系列的环境问题，严重威胁人类的生存。工业废气是大气中二氧化碳的主要来源，以化石燃料电厂为例，普通化石燃料电厂的规模在400-1200MW之间，电厂每产生1MWH的电能，将排放344-941kg二氧化碳，照此计算，全球电厂每年将排放数以百亿吨的二氧化碳。

世界各国已积极就二氧化碳的捕捉和封存技术(CCS)展开研究，在众多的CCS中，微藻固碳技术受到越来越多的关注。利用微藻固定二氧化碳具有诸多优势：(1)微藻可以直接利用太阳能进行光合固碳，较物化法节能；(2)微藻生物质可以应用到食品、生物医学、生物肥料和可再生能源等领域，具有重要的经济和社会价值；(3)微藻可在贫瘠的土地上养殖，减少对耕地的压力；(4)可以与废水处理相结合，培养微藻的同时有效去除水体中氮磷等。目前国内外对于微藻固定二氧化碳的研究主要集中在以下两个方面：(1)筛选和培养生长速度快、能够耐受高浓度CO₂、SO_x、NO_x等污染物的藻种；(2)高效光生物反应器的研发。优良藻株的选育固然重要，但要在实际应用过程中，使选育得到的优良藻株获得高效的CO₂固定效果，性能优越的光生物反应器是必不可少的。

美国绿色能源技术公司与美国亚利桑那州公共服务公司下属的红鹰电厂进行合作，成功地利用烟道气进行微藻大规模培养，并转化生物燃料，该公司采用的培养装置为柱式光生物反应器。夏威夷的蓝藻生物技术公司以小型电厂产生的二氧化碳和电能供67个跑道池使用，每月可固定67吨二氧化碳，生产36吨螺旋藻粉。“工业排放二氧化碳源塔式生物固碳与能源化关键技术中试研究”(山东科技大学，2009)通过山东省科技厅的鉴定，并首次提出塔式生物反应器，可以立体布置，占地面积小，有助于溶碳脱氧，并且对藻体的剪切作用较小，微藻连续生产。

目前国内仅有一篇光生物反应器专利涉及微藻的碳固定。柴晓利(中国发明，CN102008930A，2011-04-13)的脱除烟气中二氧化碳的光生物反应装置，由光生物反应系统和在线检测系统组成，其中光生物反应系统由光生物反应器，以及与其连接的控温装置、循环装置、供气装置和光照装置组成，在线监测系统包括温度探头、DO复合电极、二氧化碳电极和pH电极。该发明具有混合传质效果好，剪切力小，生物量增长速度快，二氧化碳去除效果好等优点。

理论上，传统光生物反应器均可用于固碳微藻的培养。但考虑二氧化碳的固定效率和反应器系统的构建成本，可供选择的反应器类型变的相对局限。在众多反应器类型中，CO₂去除率较高的光生物反应器有管道式和柱式，但管道式光生物反应器氧解析困难、不易清洗、成本高、温度控制较困难；柱式光生物反应器不存在氧解析和混合问题，但其培养体积较小、不易放大(纵向和径向)、比表面积小、且反应器中心光线不易穿透，生产效率低，均影响微藻的固碳效率。

目前，科研机构和企业普遍采用传统的饵料微藻培养所用的光生物反应器(跑道池、柱式、发酵罐式、管式和悬袋式)进行微藻固碳的研究，其在技术上存在诸多缺点：

(1)传统的饵料微藻光生物反应器并非为微藻高效固碳而构建，其二氧化碳的脱除速率远低于微藻固碳的理论速率，需对其结构进行改进，方可用于微藻固碳的生产和研究；

(2)微藻在传统光生物反应器中的光能利用率较低，随着藻细胞密度的增大，细胞之间的遮挡作用更加明显，严重影响微藻的生长和二氧化碳的吸收；

(3)传统光生物反应器普遍采用鼓泡的方式通入压缩空气，藻细胞与气泡的接触面积小、接触时间短，一定程度上限制了藻细胞对二氧化碳的吸收速率；

(4)传统光生物反应器的控温效果不佳，仅通过水冷或风冷的方式降温，能耗巨大；

(5)为了增加气液传递效率，通常在反应器底部安装疏水曝气膜，以产生较小且均匀的气泡，但疏水曝气膜易堵塞，还会引起通气能耗的增加。

由此可见，现有技术均难以实现二氧化碳的高效固定，因而有必要设计一种新型的光生物反应器。

发明内容