基本信息
- 项目名称：
- 制备生物柴油的微藻光生物反应器的研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 产油微藻具有不与粮食作物竞争土地、肥料和新鲜水的优点，这对环境的保护，资源的合理配置和经济的可持续发展具有重要的意义。 为了克服现有技术的不足，本作品提供一种连续式柱状光生物反应器微藻培养系统用以连续化培养产油微藻。本作品主体为连续式培养微藻的光生物反应器，目的在于用本反应器对所选微藻进行研究型培养，以实现高密度、大规模培养，连续生产微藻，提取油脂并最终制备生物柴油。
- 详细介绍：
- 能源危机和环境污染是当今世界的两大问题。为了实现经济和环境的和谐发展，寻找低污染的可再生能源已成为迫切的需要。作为优质的化石燃料的代用品，生物柴油是一种理想的可再生能源。 目前我国正大力开发生物柴油并推进其产业化进程。 某些微藻因其具有含油量高、易于培养、单位面积产量大等特点，是优质的生物柴油原料。与传统的植物油原料相比，产油微藻具有不与粮食作物竞争土地、肥料和新鲜水的优点，这对环境的保护，资源的合理配置和经济的可持续发展具有重要的意义。 尽管微藻生物柴油具有巨大的优势，目前利用微藻生产生物柴油还处于初级阶段，其主要瓶颈就在于高昂的生产成本。而其中前期的培养成本就占到了70%。因此研制出一个低成本高效率的微藻培养系统是实现利用微藻生产生物柴油的一个关键性步骤。 目前，实验室用于微藻培养的容器多采用序批式的三角瓶等，但产量低，光利用率低且不能实现连续生产。在规模化生产上，则主要采用开放式的培养形式。开放式培养简单、投资少；但培养条件变化较大，并存在严重的生物污染，产油微藻的培养效率低。现有技术的不成熟，加之前期较高的培养成本，使得微藻生物柴油的产业化难以实现。 为了克服现有技术的不足，本作品提供一种连续式柱状光生物反应器微藻培养系统用以连续化培养产油微藻。本作品主体为连续式培养微藻的光生物反应器，目的在于用本反应器对所选微藻进行研究型培养，以实现高密度、大规模培养，连续生产微藻，提取油脂并最终制备生物柴油。 因为微藻产生物柴油成本的70%是微藻的培养成本，微藻的生物量是生产微藻生物柴油的一个关键步骤；此外，藻类油脂的含量和构成也是决定生物柴油产量和品质的重要因素。针对以上两个方面，本发明除对反应器不断进行改进外，还在中试规模重点对二形栅藻（S. dimorphus）的生物量生产、油脂产率和油脂特性进行了研究，以期建立一个“高密度、高油脂”的微藻培养体系；接着，我们还研究了培养过程中培养液中营养元素的变化情况，以探究该藻种对营养元素的需求和利用情况；最后，基于二形栅藻对营养元素的需求，将培养液用城市生活污水处理的二级出水替代， 使其达到培养微藻产生物能源和污水处理相结合的目的。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目前，实验室用于微藻培养的容器多采用序批式的三角瓶等，但产量低，光利用率低且不能实现连续生产。在规模化生产上，则主要采用开放式的培养形式。开放式培养简单、投资少；但培养条件变化较大，并存在严重的生物污染，产油微藻的培养效率低。现有技术的不成熟，加之前期较高的培养成本，使得微藻生物柴油的产业化难以实现。 为了克服现有技术的不足，本作品提供一种连续式柱状光生物反应器微藻培养系统用以连续化培养产油微藻。本作品主体为连续式培养微藻的光生物反应器，目的在于用本反应器对所选微藻进行研究型培养，以实现高密度、大规模培养，连续生产微藻，提取油脂并最终制备生物柴油。 创新点： 1、基于对现有反应器种类的研究，以连续，大规模生产和利用二级出水培养等为目的，设计了一系列相关实验，以机械结构要求结合实验结果确定反应器设计指标。 2、设计了独特的内流循环，光区暗区反应单元，可方便地调节反应器的光暗循环时间比，营养因子和环境因素，并实现微藻的连续产出。 3、成功实现以城市污水处理厂二级污水代替传统培养基培养微藻，在降低成本的同时，净化和利用一定量的污水，缓解环境压力。 技术关键和主要指标： （1）反应器的光暗循环调节 （2）恒温控制技术 （3）污水替代培养 （4）连续生产的实现 采用设置相同的蠕动泵对系统进行营养液的加料和成熟藻液的采出。每日连续产出总体积的10%，实现微藻连续不间断的生长。
科学性、先进性
- 本作品的科学性与先进性在于： 1、本作品采用一组平行排列的透明柱式管道并联，突破管道长度限制； 2、管外置直行冷荧光光源，光滑光反射平板，调节光/暗区基质体积和内流循环，有效控制光暗比和光/暗循环时间，提高光利用率，减小光抑制和光氧化损伤； 3、采用机械泵推动水体流动，气升式搅拌，光径小，气体交换充分，有效缓解氧化损伤，补偿二氧化碳，实现氧解析，连续进料、采收，实现规模化培养。 4、本作品培养环境稳定、主要培养参数容易控制，在优化产油微藻培养条件等方面具有优势，结构简单，可以根据需要进行放大，适合产油微藻的工业化大规模培养。 经查新报告表明，本项目利用污水替代培养基培养产油藻类，并实现藻类的连续生产，根据微藻所需的光暗要求，设计内流循环，使微藻在反应器内交替流过光区和暗区反应单元，通气导管伸直光区反应单元底部，沿管轴方向分布微孔，管底部留有大孔，完成气浮搅拌，使反应器混合均匀，在国内公开发表的中文文献中未见相同报道。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 专利
作品可展示的形式
- 现场演示、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 从实验设计到成品制作，我们自主研发整个项目中的关键技术，参与了项目的整个流程，所以本作品具有自主知识产权。 和已有产品相比，本作品采用气浮式搅拌，减少能耗的同时降低噪音污染，利用污水培养进一步降低成本，独特的内流循环设计使微藻交替流过光暗反应区，可根据不同藻种的要求调节流速，实现条件最优化。 因此具有高传质、高度混合，低能耗，易消毒，控温方便，光抑制和光氧化少，壁生长程度低等优势，针对光照面积/体积比较小的缺点，也可通过设置人工光源、反射强的底板加以改进，本作品规模大，应用范围广，产品一次性投入，通过逐步优化，可大大提高生产潜力。污水培养微藻在降低成本的同时，可以解决部分生活污水的处理问题，缓解环境压力。 目前世界资源匮乏日益加剧，原油价格居高不下，迫切需要新能源的开发。生物柴油，尤其是微藻生物柴油原料可再生，占用土地、淡水等资源少，是潜力巨大的可再生资源。本作品的研制成功，不仅可以推动微藻生物柴油在实验室的研究，也可加快微藻生物柴油的产业化进程。
同类课题研究水平概述
- 国内的阮榕生等利用不同的反应器研究微藻的生长状况，得出结论微藻生长受培养基pH、CO2注入、湍流度和光照条件的影响，螺旋状生物反应器比锥型瓶生物反应器更有利于微藻的生长， 这主要归功于前者有更高的光利用效率和搅拌效果的改善。胡洪营等研究了微藻在污水深度脱氮除磷中的应用及作用机理，目前常用的是栅藻(Scenedesm)、小球藻(Chlorella)和螺旋藻(Spirulina)，用二级出水培养微藻，并在光生物反应器和一级处理曝气池间通过气体回流建立耦合系统，将微藻深度脱氮除磷与产生物柴油相结合；都基峻等利用烟气培养野生混合微藻，结果表明微藻培养初期补充CO2可以明显缩短藻的适应期，提高其生长速率，全天光照能够提高藻细胞生长速率，并有利于生长速率和微藻生物最的稳定；在微藻生物最和光辐射总量一定的情况下，降低光照强度、延长光照时问更有利于油脂的积累。 目前，我国微藻技术在耐受藻种的选择和污染物处理方面的研究已有很多，对微藻生物柴油的开发和研究尚处于起步阶段，但已把发展生物柴油列入国家能源发展计划中。现有的研究往往采用序批式纯培养微藻，培养能力相对较小，进行连续流微藻的培养及产油研究，以满足生物柴油生产的原料需求。 可见较多的是：平板式、软管式和柱式。但平板式光生物反应器培养箱较深，光线透射效率较低，流体压力大，藻株较大程度附壁生长，且按比例扩大需要大量的隔层和支持材料；塑料软管式反应器pH、DO、CO2沿管道的梯度变化较大，转角处易结垢，造成一定程度附壁生长，光线穿透能力降低，须定时更换塑料软管，耗费大量的人力和时间。本研究根据微藻所需的光暗要求，设计内流循环，使微藻在反应器内交替流过光区和暗区反应单元，通气导管伸直光区反应单元底部，沿管轴方向分布微孔，管底部留有大孔，完成气浮搅拌，使反应器混合均匀，在国内公开发表的中文文献中未见相同报道。
