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Tubular photobioreactor design and performance

管道式光生物反应器的设计和性能



全 文 :生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第5期
2010年5月
Vol. 22, No. 5
May, 2010
文章编号 :1004-0374(2010)05-0492-07
收稿日期:2009-11-03;修回日期:2010-01-04
*通讯作者:E-mail: gzhdlyp@21cn.com
管道式光生物反应器的设计和性能
刘小澄1,刘永平2*
(1 暨南大学医学院,广州 510632;2 广州南沙资产经营有限公司,广州 511457)
摘 要:该文概述了管道式光生物反应器在设计上对性能的要求,对影响光生物反应器培养效率的各种
生长条件如光能利用效率、CO 2 利用效率、环境温度、溶解氧等问题进行了探讨,指出高效并可自动
调节的藻液循环混合系统对于高密度海藻培养是非常重要的,提出了能否自动清洗光生物反应器内壁是
判断光生物反应器是否可用于工业化生产的关键。
关键词:海藻;光生物反应器;生物工程技术;生物柴油
中图分类号:Q949.21;TE667  文献标识码:A
Tubular photobioreactor design and performance
LIU Xiao-cheng1, LIU Yong-ping2*
(1 Medical College of Jinan University, Guangzhou 510632, China; 2 Guangzhou Nansha Assets Operation Co., Ltd.,
Guangzhou 511457, China)
Abstract: This article reviewed the performance requirements of tubular photobioreactor design, discussed
various growth conditions that affect the cultural efficiency of photobioreactor, including efficiency of solar
energy utilization, efficiency of CO2 utilization, environmental temperature, and dissolved oxygen, indicated that
the effcient and self-adjustable algae liquid cycle hybrid system is very important in high-density algal culture,
and suggested that the ability of self-cleaning in photobioreactor wall is the key to determine whether the
photobioreactor can be used for industrial production.
Key words: algae; photobioreactor; biotechnology; biodiesel
用海藻生产生物柴油,产量可超过传统的油料
作物30 倍以上[1]。海藻的优势在于生长极为迅速,
24 h内生物质普遍可增加1倍,3.5 h 就可以达到
对数生长期[2]。利用海藻生产生物柴油的研究虽尚
处于小规模生产试验阶段,但已证实了利用藻类能
生产出足够的生物柴油,这可能是替代目前使用的
石化柴油惟一可行的方法[3]。因此,利用工业化生
产海藻的装置,获得大规模生产生物柴油所需要的
海藻原料,是各国科学家公认解决能源替代的重要
方案[4 ]。
近年来,培养海藻的光生物反应器在应用和控
制技术上有越来越多的突破,尽管由于全球经济危
机造成石油价格下跌,企业家们仍热衷于投资海藻
生物柴油的研发。2006年全球研发海藻生物燃料的
企业仅有4 家,到2008 年已超过50 家[5]。可以预
见,采用工业装置大规模生产海藻并制造海藻生物
柴油的技术近几年内将取得重大突破,海藻生物柴
油产业将成为一个新兴的替代能源产业[6 ]。
1 海藻生产系统
光生物反应器已成为高效、快速、大量培养
海藻的关键设备,在工业级实验室使用的各种封闭
式反应器已证明比开放式反应器具有更好的培养和
控制条件。封闭式反应器培养海藻可以使藻细胞的
密度提高6~12倍, 总体积相对减少, 分离成本大大
降低, 各种生长参数及工艺可以采用自动化、集约
化控制和管理, 提高了生产效率和产品质量, 可避免
493第5期 刘小澄,等:管道式光生物反应器的设计和性能
受其他生物和非生物物质的污染[7]。预计以封闭式
光生物反应器组成的生态生命支持系统的发展将为
海藻生物培养技术的发展铺平道路[8]。
设计光生物反应器除能够有效扩大系统的规模
外,还应满足对影响海藻生长多种变量参数的控制
要求,如CO2 在藻液中的扩散和海藻的吸收、藻液
中溶解氧的交换和去除、光能的利用和光抑制的预
防、藻液的循环与混合,以及温度、pH 值和培养
液营养的控制,以确保这些变量都保持在可接受的
水平[9]。许多不同类型的反应器系统都能够满足这
些基本要求,而这些系统却不能用于大规模的海藻
培养[10]。许多实验室规模的反应器很容易得到培养
海藻满意的研究结果,但是其中只有少数能够成功
扩大到中试[11]。
管道式光生物反应器可以用玻璃或塑料管建造
成水平式、水平多层式、垂直式、圆锥形和倾斜
式等结构,与泵组合可以构成最适合培养海藻的循
环系统[11]。它具有占地面积小和高表面体积比,可
以提高培养海藻的光合作用,被认为是最适合户外
大规模培养海藻、最有潜力的反应器[12]。
2 光生物反应器内壁清洗
要优先重视海藻附着在光生物反应器内壁生长
的问题。附着在反应器内壁的海藻会优先生长,从
而减少了管道的光渗透,随着附壁海藻密度增加,
光线穿透能力随之减低,如不定期清洗和去除会逐
步影响反应器的透光性,使海藻光合作用降低,附
壁情况严重时,会极大地降低反应器的生产效率[2,11]。
控制海藻附壁生长和清洗内壁的办法通常有:
(1)使用大量的惰性气体间歇冲刷管道内表面;(2)通
过与管道紧密接触的清洗球,在管道内持续循环运
动清洁管道内表面;(3)提高藻液的湍流流速;(4)
用悬浮在藻液中的沙子或砂砾颗粒磨去黏附在管道
内壁表面的生物质。潜在的技术是利用酶消化黏附
在管壁上的藻细胞和聚合物,控制海藻在管壁上生
长[2]。
一个工业化的光生物反应器系统,能够长期运
行是最基本的功能。采用自动清洗内壁装置清洁管
道内表面,是设计工业系统必须解决的问题。倾斜
式管道反应器(图1)或垂直式的反应器(图2),多数
采用的是气升式原理,利用气体进入反应器导流筒
或导流板后,造成管内流体的密度差,在静压差和
进入气体的作用下,使液体在光生物反应器内形成
循环流动。由于管内存在导流筒或导流板,反应器
内无法安装自动清洗部件。
利用管道式反应器外部的液泵,使反应器内藻
液产生循环,由于内部没有阻碍部件,可以利用清
洗部件对反应器内壁定期清洗。清洗部件有多种样
式,基本原理都是利用清洗部件两端藻液产生的压
差使清洗部件在管内运动,从而达到清洗管道内壁
的效果。AlgaeLink公司反应器所用的清洗头结构简
单(图3),管壁清洗效果好,故障率低,可以进行
图1 倾斜式反应器原理示意图
图2 垂直式反应器原理示意图
494 生命科学 第22卷
自动控制,目前尚无其他更好的取代方案。
3 光生物反应器光能效率
光照在海藻生长和代谢中有非常重要的作用,
是其生长的主要能量来源[13]。在一定的 pH、温度
和营养条件下,光照的强弱和时间长短决定着海藻
光合作用的效率,对海藻的生长速率起着至关重要
的作用[14]。
光生物反应器单位容积受光量与海藻培养效率
密切相关:一方面,光线强度过高或海藻细胞浓度
过低,将产生光抑制现象,导致光能不能被充分利
用;另一方面,光线强度过弱或海藻细胞浓度过
高,将造成光限制现象,此时海藻细胞生长所需的
光能得不到适时的满足。这两种情况都制约着培养
效率的提高和细胞增长潜能的发挥[15]。试验证实,
藻类对光照强度有一个饱和范围,即饱和光照强
度。在这个强度内, 随着光强的增加,藻类的生长
速率加快,超过这个强度, 藻类的光合速率反而减
弱或停止,藻类生长受到了抑制[14]。
光生物反应器建在户外,培养海藻过程中所需
要的光能来自太阳光,阳光直接照射到反应器的藻
液表面上,由于藻体之间存在相互遮挡的作用,入
射光在穿透藻液的过程中存在着不断衰减的现象,
反应器表面的光照强度最大,距反应器的表面越
远,藻体所能接受到的光照强度就越弱,并且培养
密度越高液层越厚这种光衰减现象就越严重[16]。
对螺旋藻培养液光衰减规律研究表明:在藻液
的浓度为定值,其他条件恒定时,在不同的入射光
强度(I0)下,藻液的吸光度Ln (I0/I)随着藻液细胞悬液
深度的增加而成比例地增加,吸光度Ln (I0/I) 值的
大小仅与藻细胞悬液的深度(h)有直接的关系,而与
入射光的光强无关(图4)。同一藻体密度下,培养
液深度的增加对光的吸收增大,从而使入射光透过
藻液的比例下降,即透过光强度(I)随培养液深度的
增加而减小,光衰减的趋势由快逐渐变慢,直至趋
于平缓(图5)[17]。
在培养海藻的过程中,由于光衰减现象的存
在,使反应器内部接受到的光照呈现逐渐减弱的趋
势,藻细胞的生长就会出现光能限制[18]。由于海藻
细胞对光能的吸收率与光合作用率成正比,在线性
增长阶段,细胞浓度相当高,随着光生物反应器深
度加深,所提供的光能几乎都由生长的细胞吸收。
因此,作为衡量反应器每单位容积总光能量的平均
光密度,是比较反应器性能的一个很好的标准[19]。
图3 AlgaeLink公司反应器清洗头
图4 螺旋藻培养液深度对穿透光的影响
图5 螺旋藻培养液的光衰减曲线
495第5期 刘小澄,等:管道式光生物反应器的设计和性能
4 光生物反应器CO2 利用效率
藻类生物质含有 40%~50% 的碳,所有的碳都
是来自于CO2[20],这表明生产1 kg的海藻干物质需
要1.5~2.0 kg 的 CO2[21]。管道式反应器利用CO2 的
方式主要有三种:(1)反应器和藻液泡沫反应器组成
循环系统,烟道尾气中的CO2 在泡沫反应器内被吸
收形成饱和溶液[22];(2)含有CO2 的烟道尾气直接注
入反应器,利用气升原理使藻液携带气泡在反应器
内形成循环流动的过程中吸收CO2[23];(3)反应器和
液泵组成循环系统,纯CO2 气体伴随藻液输入反应
器管道内并形成微小气泡,在藻液流动过程中与海
藻充分混合实现气体交换[24]。
海藻干物质含油量在30%~40%时,藻液中海藻密
度每增加1 g/L(干物质),需要从藻液中获得2~2.8 g/L
的 CO2 [22-25]。要提高反应器生产海藻的产量,也就
需要更多的 CO2。利用工业锅炉烟道尾气为海藻提
供碳源被是一种有希望的、经济高效的新方法[2 6 ],
国外在反应器中利用锅炉烟道尾气培养海藻的研究获
得了较好的效果[27, 28]。
5 光生物反应器温度控制
季节和昼夜变化造成的温度波动是影响户外光
生物反应器最重要的环境因素。对34种不同的绿藻
和蓝藻物种对温度反应影响的研究发现,大多数海
藻生长最佳温度响应曲线有一个稳定和较宽的温度
范围,超出这个温度范围之外,海藻生长率会突然
下降[2 9 ]。温度对小球藻生长影响如图 6 所示:小
球藻浓度在5~30 ℃温度范围内,均有不同程度的
增长。温度在5~15 ℃和30~35 ℃区间内,小球藻
繁殖增长量较小,表明在这两个温度区间内,小球
藻的生长受到抑制,繁殖速度受到影响;温度在
15~25 ℃区间内,小球藻繁殖增长量的增长速度较
快,说明此段温度比较适合小球藻生长[30]。
反应器培养系统的温度变化会对海藻细胞生长
或整体的生产效率产生重大影响,因为海藻光合作
用和呼吸作用基本上是细胞酶反应的过程,生物活
性受温度影响很大[31,32]。
在夏季,户外封闭的反应器处于35 ℃以上的
高温环境可能长达几个小时,反应器系统如建在室
内,温室大棚产生的温室效应会进一步升高系统的
环境温度,用冷水喷洒到反应器表面进行热交换,
已被证明是保持适合海藻最佳生长温度的有效办法,
但是会增大建造反应器系统的成本和生产成本[3 3]。
6 光生物反应器管道内径
增加水平式管道光生物反应器的层数,使单位
面积内反应器容积和受光面积分别达到最大,是人
们常会考虑到的设计方案。如德国Astaxa公司采用
水平式多层管道反应器进行海藻培养研究(图7);
以色列Algatech公司在阿拉瓦沙漠建造了管道总长
度为150 km水平式多层反应器进行试验(图8);德
国BBI公司建造了有效容积为700 m3,管道总长度
为500 km的水平式多层反应器进行研究试验(图9)。
此外,美国的Jacobs大学和德国Salata等多个公司
也都研究过类似的多层管道反应器。
为增大藻液单位容积的光合作用效率,就需要
增加反应器受光表面积,水平式多层管道式反应器
的管道内径通常设计的较小。这种设计存在的问题
是:(1)要增加单位面积内的反应器有效容积,只
能采用增加管道层数和减小相邻管道间距的办法来
解决。由于管道长、内径小,在培养海藻的过程
中,对管道内藻液的 pH 值、CO2 和 O2 等海藻生长
参数进行调节和控制困难,培养海藻的生产效率不
高。(2 )在小内径管道中的海藻细胞浓度较低时,
在强光照射下容易产生光抑制现象。(3) 海藻正常生
长温度在20~35 ℃,在极端高温或低温的情况下海
藻脂质细胞的合成量会减小[34]。反应器管道内径过
小,在室外高温的情况下反应器中藻液的热容量
小,需要消耗更多的水用于对反应器降温,增加了
能耗[35]。(4)上下层管道和相邻管道相互之间为避
免“自我阴影”现象,要有足够的间距。管道层
数过多、过高,不利于生产维护,反应器占用面
积大。(5)由于反应器管道较密集,对管道外壁进
行自动清洗困难,需要建大棚防止灰尘,增大了投
资。(6)管道内径小,管道长且弯头多,采用自动
清洗部件清洗管道内壁,在技术上存在困难。图6 温度对小球藻生长对影响
496 生命科学 第22卷
目前,全球采用封闭式反应器的生物燃料公
司[5]均没有采用小内径多层管道结构的反应器作为
生产海藻的装置。
增大反应器管道内径可以提高反应器的热容
量,降低高温影响和光抑制,通过控制藻液的循环
流动速度可以提高反应器管道周围的明区和中央暗
图8 Algatech公司的反应器
图9 BBI公司的反应器
图7 Astaxa公司的反应器
区藻液的混合度,提高光能利用效率,在用地面积
相同的情况下,可提高藻液体积增加海藻产量,考
虑到未来技术的发展,用管道式反应器培养海藻的
效率会大幅度提高,管道式反应器的管道内径在
20~35 cm 较为合适。
7 光生物反应器循环系统
光生物反应器中藻液的密度是一个不断变化的
变量参数,在不同密度下海藻对生长所需要的各种
生长参数要求不同,能够根据海藻密度变化自动调
整海藻生长参数的控制系统是非常重要的。
7.1 营养
养分是影响海藻生长效率的一个重要的控制因
素[36],培养液必须能提供满足海藻细胞正常生长所
需要的各种无机元素[ 2 ],包括碳、氮、磷、氢、
氧、硫、钙、镁、钠、钾和氯等,同时也需要
铁、硼、锰、铜、钼、钒、钴、镍、硅和硒
等一些微量元素。某些微量元素可能需要螯合剂,
以便让它们溶解或尽量减少毒性[37]。
海藻在不同的生长阶段,对反应器补充的营养
液用量是不同的,通过藻液循环混合系统补充新鲜
的培养液十分方便,并可根据海藻生长参数的需
要,通过控制系统对反应器系统进行连续和定量的
补充营养液,以满足海藻生长的需要。
7.2 溶氧
氧气是光合作用的产物,在户外强大的阳光
下,海藻光合作用产生的O2在反应器管道中沿梯度
转移,在管道排气出口处,溶解氧值超过空气 O 2
的饱和度可达400%[38]。即使反应器培养液在高浓
度CO2 的状况下,溶解氧也会抑制海藻的生长[39,40]。
藻液中的溶解氧大大高于空气中氧的饱和度时
(7.5 mg/Lat 30 ℃),海藻对溶解氧抑制光合作用的
承受力约为2~3 h[29],溶解氧过度饱和超过海藻接
受的水平都会对海藻产生氧抑制而造成生产率的损
失[38]。
在反应器设计中解决溶氧主要有两种方案:(1)
一个有完善的循环混合装置的系统能增加藻液的流
动性,藻液有效的流动性和混合可以加快O2和藻液
的分离;(2)利用设备分离 O2。在反应器系统安装
高效的脱气设备[2 9]、与反应器结合的泵和气体交
换装置可有效去除光合作用产生的 O 2[4 1]。
7.3 pH
p H 是海藻培养过程中非常重要的影响因素,
藻液中 pH 的变化直接影响海藻细胞内外的离子平
497第5期 刘小澄,等:管道式光生物反应器的设计和性能
衡、细胞的渗透性及有关膜的结构组成,pH 的过
高或者过低都会影响海藻的生长[42]。反应器系统的
检测装置根据海藻在不同生长阶段需要的pH值最佳
参数,应能够自动控制 pH 值调节液的输入量。
pH 值调节液输入反应器管道内,在藻液循环
流动过程中迅速混合、扩散,从而有效地调节藻液
的pH 值,使藻液保持稳定的最适合海藻生长的pH
浓度,使海藻快速生长并达到高密度。
7.4 循环和混合
光生物反应器与泵组合可以构成最适合培养海
藻的循环系统。保持反应器内藻液循环流动是重要
和必要的,不但有利于保持海藻细胞处于悬浮状
态,提高光能利用效率和降低光抑制;流动的藻液
还能提高CO2 气体的交换率和加快溶解速度;有利
于海藻产生的O2从藻液中分离,降低溶解氧对海藻
光合作用的抑制;同时还有利于帮助养分、pH 均
匀分布和消除藻液的热分层[38,41]。
8 总结
管道式光生物反应器具有光照表面积大、光能
和CO2 利用率较高、生长参数容易控制、培养环境
非常稳定、容易控制污染、结构简单、投资成本
相对便宜的特点。与泵和控制系统组合可以构成最
适合培养海藻的循环混合系统,各种生长参数及工
艺可以采用自动化、集约化控制和管理, 可以提高
生产效率和产品质量,是最适合户外大规模培养海
藻的反应器之一。
CO2 和溶解氧在管道内呈梯度分布,管道的直
径决定了反应器利用光能效率和对环境温度的热容
量;在培养海藻过程中需要持续不断地增加新的营
养液和调节 pH 值,一个高效、可自动调节的藻液
循环混合系统是非常重要的。能自动清洗管道内壁
是光生物反应器是否可用于工业化生产的关键。
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©2010中国科学院上海生命科学研究院
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生 命 科 学 Chinese Bulletin of Life Sciences
Chinese Bulletin of Life Sciences (Monthly)
(月刊)(1988年创刊) (Started in 1988)
2010年5月 第22卷 第5期(总第134期) May,2010 Vol.22 No.5
©2010 by Shanghai Institutes for Biological
Sciences, Chinese Academy of Sciences
Edited by GUAN Xing-hua, YUE Dong-fang, YU Jian-rong
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