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一种高能效的微藻光生物反应器 藻类生产生物柴油越来越受许多研究人员的影响。藻类的生长周期短, 3.5 h就可以达到对数生长期, 生物产量高, 24 h内生物质量普遍增加1倍, 产油效率高, 很多藻类的含油率都在20%~50%, 某些藻类 (干质量) 的含油率甚至可以达到77%, 其油料产量超过传统的油料作物30倍以上。因此, 利用工业化微藻生产装置, 获得大规模生产生物柴油所需要的微藻原料, 是各国科学家解决能源替代问题的一个重要方案。 目前, 常用光生物反应器进行培养微藻, 是获得微藻原料的手段之一。传统的光生物反应器培养微藻时的瓶颈主要是: (1) 光能利用率不高。光生物反应器主要有室外直接采光和人造光源采光两种采光方式。室外采光率低、光能流失大、晚上不能保证供给;人造光源则大量耗能、大规模培养的成本高。 (2) 二氧化碳利用率不高。微藻生长进行光合作用消耗CO2, 工业化养殖时需大量的CO2供给。目前多采用带有一个出口的管路系统将空气通入微藻悬浮液中, 但用通空气法供CO2效率低, CO2在培养液中溶解度较低、气泡直径较大、停留时间短, 不利于藻类吸收。为了有效培养微藻、解决能源替代问题, 光生物反应器的改进设计和应用成为众多研究者关注的热点。 1 采用不含气体电极的通气方式 气升式光生物反应器是在鼓泡式光生物反应器的基础上发展起来的一种用于植物细胞培养的接触性反应装置。与机械搅拌式光生物反应器相比, 气升式反应器则具有结构简单、剪切应力小、不易染菌、造价低、能耗低和易清洗维修等优点, 因此特别适合进行藻类的培养。 气升式生物反应器按结构可以分为内环流和外环流反应器两种形式 (见图1 (a) , (b) ) 。当气体通过气体分布器进入导流筒后, 造成管内流体密度比管外低, 在静压差和进入气体的动量作用下, 使液体携带气泡在反应器内形成循环流动, 从而达到良好的气液混合。 在气升式光生物反应器中, 气体通常是从导流桶底部通入 (图2 (a) ) 。在一些设计中, 气体也可以从导流桶和反应器内壁的环形间隙通入 (图2 (b) ) , 形成与之前相反的循环。这种采用相反的循环的通气方式可以改善反应器内部的热传导并减少泡沫的产生。Cooper P G等在1个55 m3的发酵罐中证明了采用上述通气方式确实能够改善反应器内部的热传导性能。在大型气升式反应器的设计中, 还通常在导流桶内部设置多孔平行挡板 (图2 (c) ) , 可以减小上升液流中的气泡大小, 同时也可以消除气泡聚集成的气穴。 对于气升式光生物反应器来说, 合适的导流桶和反应器直径之比是十分重要的。Blenke等的研究显示该导流筒与反应器直径之比为0.59时, 气液循环速度最快、阻力最小。Kriegel等设计一种反应器将空气通入导流桶和反应器内壁间隙形成反向循环 (图2 (b) ) , 反应器和导流桶直径比值在0.8时氧的传递效果最好。 在通常情况下, 气升式光生物反应器的形状较高而细, 高径比 (H/D) 约为10。高而细的反应器可以使气体在液体内停留时间变长, 还可以充分利用二氧化碳气体。在高而细的反应器中, 反应器内具有较快的气液循环速率、较强的气体抽提作用和较好的搅拌效果。 2 微藻细胞的培养 微藻生物反应器系统主要包括太阳能发电系统、藻液收集罐、藻液输送泵、CO2净化装置、CO2控制装置、CO2输送泵、微藻光生物反应器、检测装置、萃取罐、萃取分离槽等部分。 通常情况下, 微藻的培养一般涉及以下几个问题: (1) 能量:微藻需要光源提供光能供其生长; (2) 碳源:微藻生长需要人工通入CO2作为碳源供其生长和生物合成; (3) 传统反应器加热装置会由于余热流失而使得能量消耗大; (4) 藻类生长需要适宜的温度、p H等条件; (5) 微藻细胞容易贴壁, 对通光量和生物量造成不利影响, 故而需用清洗装置清除挂壁藻体。 综上, 通过对传统光生物反应器的改进, 设计出一种生产成本低并且能高效地利用光能和CO2的新型气升式光生物反应器 (见图3) 可以有效克服传统光生物反应器存在的生产运行成本高、光能供给不足、CO2利用率低、耗能高的不足。 2.1 采用空气过滤器和集气管网来实施循环反应 新型气升式光生物反应器 (见图3) 为圆柱形, 高1.60 m, 外壳直径0.32 m, 外壳材料为双层透明钢化玻璃, 其中内层玻璃折射率为1.7以上, 外层玻璃折射率为1.5。反应器筒体外侧下方均匀分布有电加热线, 温度控制器通过温度传感器测定的反应液温度控制电加热线工作, 并与冷却管联合作用控制反应器内部温度。反应器筒体中培养液由入料口加入, 出料口放出。位于反应器顶部的可旋转反应器盖上设置压力阀, 用于控制筒体在安全压力下生产。反应器中央用支架固定有一个高1.00 m、直径0.