利用微藻源光合微生物净化烟道气的装置及其方法.pdf

利用微藻源光合微生物净化烟道气的装置及其方法，涉及一种环境生物资源化工程。体系的LED微藻源光合微生物友好发光体通过光线传播媒介光纤，将LED生产的光波向微藻源光合微生物表面传导，微藻源光合微生物利用光合作用净化分散在含有生长因子的微藻源光合微生物培养液中的烟道气中CO2等污染的气体，达到在净化大气污染物的同时，产生大量的微藻源光合微生物，这种微生物含有的叶绿素、蛋白质和其它有用有机物。本发明将污染物资源化，即提高能量使用效率，又消除了污染，是一项实用性较强的绿色过程。该方法设备投资少、易于操作、反应器中微藻源光合微生物培养密度高，在净化污染物的同时将污染物物资源化利用。

1.  利用微藻源光合微生物净化烟道气的装置，包括有光纤束LED微藻源光合生物光传播媒介模块、微藻源光合生物分离单元、循环泵、微藻源光合微生物烟道气CO₂光纤束LED光生物反应器、集束式光纤LED光合生物光照系统、以及烟道气体分散提升搅拌器组合而成的二氧化碳净化体系，其特征在于气体分散提升搅拌器由上下交错并具有多个气水两项溶气射流头的多环结构组成，CO₂光纤束LED光生物反应器为单级或双级或多级串联或并联，CO₂光纤束LED光生物反应装置中的光纤束LED微藻源光合微生物光源为光源和光能分散系、为一端连接的束状、或网状、片状或光纤束缠绕体、制成模块化组件在光合微生物培养器中。

2.  利用微藻源光合微生物净化烟道气的方法，其特征在于具体过程是：将含有微藻源光合微生物营养因子的培养液泵入反应装置、并接种微藻源光合微生物，然后，将经过除尘处理的烟道气、通过气体分散器使CO₂气体均匀地分散于反应器内，控制空气：CO₂的比例，经过以LED藻类光源为光源、以光纤束为光能分散系，照射高密度的微藻源光合微生物表面，通过微藻源光合微生物的同化作用，固定CO₂并将其转化含有大量蛋白质、脂肪、碳水化合物、必需氨基酸和丰富的维生素及铁、锌、钙、钾等矿物质营养丰富全面的良好的畜牧业等的原料。

3.  根据权利要求2所述的利用微藻源光合微生物净化烟道气的方法，其特征在于微藻源光合微生物生长条件为光、二氧化碳、水和无机盐，温度保持在20～35℃；微藻源光合微生物细胞生物质50％的碳来自于二氧化碳，最小营养需求用微藻源光合微生物细胞生物质的近似生物组成公式估算，具体如下：C∶H∶N∶P≈5∶2∶1∶0.1；培养基由组成微藻源光合微生物细胞生物质的无机元素，如氮、磷、铁、硅和镁；基本生长因子由a、b、c三种，其浓度分别为0.3～0.5g/L、0.1～0.3g/L和0.2～0.5g/L；pH为7.0～8.5之间。

4.  根据权利要求2所述的利用微藻源光合微生物净化烟道气的方法，其特征在于采用微藻源光合微生物的密闭无菌培养、开放半无菌培养、开放非无菌条件下培养方式；培养液用蔬菜、肉类加工、发酵和工业蒸馏的洁净的有机液体废料，并根据培养需要添加微藻源光合微生物生长因子，或用生活污水和降解的植物废物为培养液，生产生物柴油、氧气和肥料，或动物、家禽和鱼类残余食物、屠宰场的废物为培养液，生产禽、畜和鱼等饲料和肥料。

5.  根据权利要求2所述的利用微藻源光合微生物净化烟道气的方法，其特征在于微藻源光合微生物细胞的分离采取沉淀、过滤和离心分离的方法。

利用微藻源光合微生物净化烟道气的装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种环境生物资源化工程，特别是涉及一种微藻源光合微生物CO₂光纤束LED光生物反应烟道气净化装置和利用微藻源光合微生物净化烟道气的方法。
背景技术
煤炭和石油等化石燃料消费的增加，不仅造成大气污染(NO_x、SO_x)和酸雨的产生，而且产生了大量的温室气体(CO₂)。CO₂可吸收太阳红外线辐射，使地球大气圈增温，引起全球性环境的非正常演变，且危害生命系统存在与发展。温室气体由CO₂、CH₄、CFC_x、NO₂等气体组成，其主要成分是CO₂。为探索温室气体对全球气候环境变化的影响，人们进行了多学科性的评价活动，其研究结果表明，全球气候变暖的趋势主要是由温室效应引起的。由于影响因素较多，温室气体释放量与其对全球环境影响的关系的全面确切的模型较难建立。虽然，CO₂无毒并对人体无显著危害作用，但其在温室效应所占的比例高，对全球气候变化影响大，已引起人们的普遍关注。至京都协议生效以后，以化石燃料为主要能源结构的国家，国际环境压力日益增大，这些推动了对温室气体控制技术与装备的发展。随着化石燃料使用量的增加，使大气中CO₂浓度仍保持逐年增加的趋势，仅煤和石油的燃烧，每年就有数十亿吨CO₂气体进入大气，且大都集中在20km以下的大气层，造成极地冰山融化，海平面上升，全球恶劣气象现象频繁发生。据大量的监测统计结果表明，1880年大气中的CO₂含量只有284mg/L，至1980年达350mg/L，估计2050年可增加至415-480mg/Nm³，按年周期计算的CO₂浓度有连年上升，破坏了太阳入射能量和逸散能量之间的平衡，引起地球表面的能量平衡变化和全球气候变暖。化石燃料的燃烧排放的烟气中不仅粉尘、SO₂、NO₂等污染物需要控制，面对全球环境的新要求，必须对CO₂加以治理，以承担全球环境变化的责任。人们在控制烟道气体中NO_x、SO_x的污染方面做了大量工作，但CO₂的净化工作起步较晚。CO₂净化主要集中在利用森林等绿色植物固定CO₂，也有将CO₂埋进深水，使之很长一段时期停留在洋底等。另外，利用化学催化将CO₂转化为甲醇等方法发展也较快。但是，由于其它技术成本太高，技术经济方面受到限制，因此目前普遍采用的控制技术是生物控制技术，该技术被认为是实现环境持续发展的控制技术。目前，微藻大规模培养反应器有两大类：一类是敞开式培养反应器；另一类是封闭式光生物反应器。而封闭式二氧化碳生光合物培养过程所用设备大致可以分为：浅渠式光合生物培养池、管式太阳能光合生物培养器、箱式光合生物培养器和塔式光合生物培养器等类型。
发明内容
本发明的目的在于将微藻源光合微生物与环境净化技术结合，可以净化大型燃煤型烟道气中CO₂、NO_x和SO_x。该设备投资少、易于操作、反应器中微藻源光合微生物培养密度高，在净化污染物的同时将污染物物资源化利用。同时提出了微藻源光合微生物CO₂光生物反应器和微藻源光合微生物培养高密度培养方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
利用微藻源光合微生物净化烟道气的装置，包括有光纤束LED微藻源光合生物光传播媒介模块、微藻源光合生物分离单元、循环泵、微藻源光合微生物烟道气CO₂光纤束LED光生物反应器、集束式光纤LED光合生物光照系统、以及烟道气体分散提升搅拌器组合而成的二氧化碳净化体系，气体分散提升搅拌器由上下交错并具有多个气水两项溶气射流头的多环结构组成，CO₂光纤束LED光生物反应器为单级或双级或多级串联或并联，CO₂光纤束LED光生物反应装置中的光纤束LED微藻源光合微生物光源为光源和光能分散系、为一端连接的束状、或网状、片状或光纤束缠绕体、制成模块化组件在光合微生物培养器中。
利用微藻源光合微生物净化烟道气的方法，其具体过程是：将含有微藻源光合微生物营养因子的培养液泵入反应装置、并接种微藻源光合微生物，然后，将经过除尘处理的烟道气、通过气体分散器使CO₂气体均匀地分散于反应器内，控制空气：CO₂的比例，经过以LED藻类光源为光源、以光纤束为光能分散系，照射高密度的微藻源光合微生物表面，通过微藻源光合微生物的同化作用，固定CO₂并将其转化含有大量蛋白质、脂肪、碳水化合物、必需氨基酸和丰富的维生素及铁、锌、钙、钾等矿物质营养丰富全面的良好的畜牧业等的原料。
所述的利用微藻源光合微生物净化烟道气的方法，其微藻源光合微生物生长条件为光、二氧化碳、水和无机盐，温度保持在20～35℃；微藻源光合微生物细胞生物质50％的碳来自于二氧化碳，最小营养需求用微藻源光合微生物细胞生物质的近似生物组成公式估算，具体如下：C∶H∶N∶P≈5∶2∶1∶0.1；培养基由组成微藻源光合微生物细胞生物质的无机元素，如氮、磷、铁、硅和镁；基本生长因子由a、b、c三种，其浓度分别为0.3～0.5g/L、0.1～0.3g/L和0.2～0.5g/L；pH为7.0～8.5之间。
所述的利用微藻源光合微生物净化烟道气的方法，其采用微藻源光合微生物的密闭无菌培养、开放半无菌培养、开放非无菌条件下培养方式；培养液用蔬菜、肉类加工、发酵和工业蒸馏的洁净的有机液体废料，并根据培养需要添加微藻源光合微生物生长因子，或用生活污水和降解的植物废物为培养液，生产生物柴油、氧气和肥料，或动物、家禽和鱼类残余食物、屠宰场的废物为培养液，生产禽、畜和鱼等饲料和肥料。
所述的利用微藻源光合微生物净化烟道气的方法，其微藻源光合微生物细胞的分离采取沉淀、过滤和离心分离的方法。
本发明的优点与效果是：
1.本发明为集束式光纤LED光合生物光照系统，用来进行光合微生物培养操作弹性大，节能，可以适于多种光合微生物培养器使用。
2.本发明装置和方法，将微藻源光合微生物与环境净化技术结合，可以净化大型燃煤型工厂的烟道气中CO₂、NO_x和SO_x，是一种十分有效的方法。
3.该方法设备投资少、易于操作、反应器中微藻源光合微生物培养密度高，在净化污染物的同时将污染物物资源化利用。
4.培养介质来源广泛，可以是富营养的生活污水、饲养污水或海水等，循环吸收经过除尘后的烟道气中CO₂、NO_x和SO_x。
5.光能自养微藻细胞，利用体内所含叶绿素及其它辅助色素，利用光能进行光合作用，吸收和固定CO₂，以CO₂为碳源达到其自身的不断增长和繁殖合成新细胞物质。产生的生物质又可作为可再生能源或直接制成饲料加以利用。
6.设备采用独特的光纤束LED微藻源光合微生物光源单元和烟道CO₂气分散提升搅拌器。增加了烟道气二氧化碳与微藻源光合微生物细胞的接触，以消除严重影响微藻源光合微生物繁殖与生长速率的因素，提高烟道CO₂净化效率。
7.本发明利用微藻源光合微生物可生产叶绿素，其生产成本低，反应周期短，培养和分离提取工艺简单，产品质量稳定。微藻体无毒，含有丰富的蛋白质和维生素，可以综合利用。
附图说明
图1为本发明工艺图；
图2为本发明装置示意图；
图3为本发明圆柱式CO₂光纤束LED微藻源光合微生物光媒介示意图；
图4为本发明版框式CO₂光纤束LED微藻源光合微生物光媒介示意图；
图5为本发明缠绕式CO₂光纤束LED微藻源光合微生物光媒介示意图。
具体实施方式
下面对本发明进行详细说明：
图2中：1.口、2.烟道气CO₂气体分散提升搅拌器、3.光纤束LED微藻源光合生物光传播媒介模块、4.光纤束LED微藻源光合生物光传播媒介模块、5.出气口6.微藻源光合生物分离单元、7.循环泵、8.微藻源光合微生物质。
在烟道气污染控制过程中，微藻源光合微生物通过CO₂光纤束LED光生物反应装置产生的高密度微藻，并利用微藻源光合微生物净化烟道气中CO₂等污染的气体。CO₂光纤束LED光生物反应装置包括：以节能的LED为光源和以光纤为光线的传播媒介的光生物反应装置，以及烟道气中CO₂等污染的气体采集分散单元与对烟道气中CO₂等污染的气体起净化作用的微藻源光合微生物。体系的LED发光体通过光线传播媒介光纤，将LED生产的光波向微藻源光合微生物表面传导，微藻源光合微生物利用光合作用净化分散在含有生长因子的微藻源光合微生物培养液中的烟道气中CO₂等污染的气体，达到在净化大气污染物的同时，产生大量的微藻源光合微生物，这种微生物含有的叶绿素、蛋白质和其它有用有机物。采用本装置及污染物资源化方法，可以解决光线在培养液中因生物质密度增高产生的传播受限制的问题，同时将污染物资源化，即提高能量使用效率，又消除了污染，是一项实用性较强的绿色过程。该方法设备投资少、易于操作、反应器中微藻源光合微生物培养密度高，在净化污染物的同时将污染物物资源化利用。光合微生物净化烟道气CO₂反应净化装置是利用微生物的光合作用将CO₂从空气中固定下来，达到烟道气CO₂净化的目的的装置。其结构如图1所示。首先，将含有微藻源光合微生物营养因子的培养液，泵入图1反应装置。然后，经过除尘处理的烟道气，通过气体分散器将CO₂气体均匀地分散于反应器内，经过以LED藻类光源为光源、以光纤为光能分散系，照射高密度的微藻源光合微生物表面，促进烟道气CO₂净化。为了提高净化效率，CO₂光纤LED光生物反应器可单级、双级和多级串联或并联使用。可以利用CO₂光纤LED光生物反应装置和微藻源光合微生物净化烟道气中CO₂。同时本发明装置也可以用来进行光合微生物培养。
利用本发明微藻源光合微生物CO₂光纤束LED光生物反应器，可以进行微藻源光合微生物的高密度培养，以实现立体高效化微藻源光合微生物的工业化培养和环境污染控制需求。具体技术过程是将含有微藻源光合微生物营养因子的培养液，泵入经过的图1反应装置，并接种微藻源光合微生物。然后，将经过除尘处理的烟道气，通过气体分散器使CO₂气体均匀地分散于反应器内，适当控制空气：CO₂的比例，经过以LED藻类光源为光源、以光纤束为光能分散系，照射高密度的微藻源光合微生物表面，通过微藻源光合微生物的同化作用，固定CO₂并将其转化含有大量蛋白质、脂肪、碳水化合物、必需氨基酸和丰富的维生素及铁、锌、钙、钾等矿物质营养丰富全面的良好的畜牧业等的原料。为促进烟道气CO₂净化。为了提高净化效率，CO₂光纤束LED光生物反应器可单级、双级和多级串联或并联使用。同时，CO₂光纤束LED光生物反应光源部分还可以与其他类型的反应器结合，以达到高效节能的效果。
微藻源光合微生物细胞培养是利用光合作用。微藻源光合微生物生长需要光、二氧化碳、水和无机盐，温度必须保持在20～35℃。微藻源光合微生物细胞生物质大约含有50％的碳，所有的碳都是来自于二氧化碳。最小营养需求可以用微藻源光合微生物细胞生物质的近似生物组成公式估算，具体如下：C∶H∶N∶P≈5∶2∶1∶0.1。培养基由组成微藻源光合微生物细胞生物质的无机元素，如氮、磷、铁、硅和镁等。基本生长因子由a、b、c三种，其浓度分别为0.3～0.5g/L、0.1～0.3g/L和0.2～0.5g/L。pH根据CO₂处理浓度和处理量及反应时间要求而定，通常控制在7.0～8.5之间。
利用CO₂光纤束LED光生物反应装置和微藻源光合微生物净化烟道气中CO₂，可以采用微藻源光合微生物的密闭无菌培养、开放半无菌培养、开放非无菌条件下培养等方式。培养液可以用蔬菜、肉类加工、发酵和工业蒸馏的洁净的有机液体废料，并根据培养需要添加一定量的微藻源光合微生物生长因子。也可以用生活污水和降解的植物废物为培养液，生产生物柴油、氧气和肥料等。还可以动物、家禽和鱼类等残余食物、屠宰场的废物等为培养液，生产禽、畜和鱼等饲料和肥料。
CO₂光纤束LED光生物反应装置可以通过自动和手动两种方式控制。通过LED生物源光源的人工光照和加温等人工反应条件的控制，消除高密度模培养中生长量与培养方式的矛盾，创造较理想人工气候条件，有利余微藻源光合微生物净化烟道气中CO₂的高效化。
在利用本发明时，根据产物综合利用的需要，烟道气可进行前除尘处理，也可与除尘处理结合将该系统用于烟道气终处理。据研究表明，微藻源光合微生物通过光合作用积累0.8-1kg生物质，需要1.7-2.3kg的CO₂。但是，CO₂在水中的溶解度较低，可利用的CO₂每升仅为1.76mg/L，远不能满足微藻源光合微生物生长和去除烟道气污染物的需要，因此通过射流加压溶气和调节pH等方法可提高CO₂的净化效率和生物质产量。
微藻源光合微生物菌体易受多种因素的影响，发生集聚和沉降现象，在利用本发明时，可通过烟道CO₂气分散提升器来消除严重影响微藻源光合微生物繁殖与生长速率的因素。烟道CO₂气分散提升器由上下交错并具有多个气水两项溶气射流头的多环结构组成。搅拌、提升和溶气一体化，增加了空气、二氧化碳与微藻源光合微生物细胞的接触，提高烟道CO₂净化效率。
微藻源光合微生物细胞的分离是收获的关键，可采取沉淀、过滤和离心分离的方法。由于，本发明是在微藻源光合微生物细胞高培养密度下进行的，因此离心方式的分离，可以得到产品质量好的产品。微藻源光合微生物细胞经离心分离、洗涤，湿菌体粉碎，利用有机提取剂振荡浸提类叶绿素等有用物质。有机提取物再经过旋转蒸发回收有机提取剂，并得到粗产品。
本发明装置也可以用来进行光合微生物培养。利用本发明装置和方法，将微藻源光合微生物与环境净化技术结合，净化大型燃煤型工厂的烟道气中CO₂、NO_x和SO_x，是一种十分有效的方法，该方法设备投资少、易于操作、反应器中微藻源光合微生物培养密度高，在净化污染物的同时将污染物物资源化利用。培养介质为富营养的生活污水或海水，循环吸收烟道气中CO₂、NO_x和SO_x。光能自养微藻细胞，利用体内所含叶绿素及其它辅助色素，利用光能进行光合作用，吸收和固定CO₂，以CO₂为碳源达到其自身的不断增长和繁殖合成新细胞物质。产生的生物质又可作为可再生能源或直接制成饲料加以利用。CO₂光纤束LED光生物反应烟道气净化装置包括：以节能的LED为光源和以光纤为光线的传播媒介的光生物反应装置，以及烟道气中CO₂等污染的气体采集分散提升搅拌单元与对烟道气中CO₂等污染的气体起净化作用的微藻源光合微生物和生长因子。
实施方案一：
微藻源光合微生物CO₂光纤束LED生物反应器包括反应器、光纤束LED微藻源光合微生物光源、烟道CO₂气分散提升搅拌器、保温系统、进出料系统和pH控制系统操作单元等。微藻源光合微生物培养液通过原料泵进入图1反应装置，通过接种入口接入微藻源光合微生物。经除尘处理的烟道气，通过气体分散提升搅拌器加速溶气、搅拌与混合，使烟道气二氧化碳以合适的比例进入反应器，经过以LED藻类光源为光源、以光纤束为光能分散系，照射高密度的微藻源光合微生物表面。CO₂光纤束LED光生物反应器可单级使用。同时，CO₂微藻源光合微生物生长需要光、二氧化碳、水和无机盐，温度必须保持在20～35℃。营养需求可以用微藻源光合微生物细胞生物质的近似生物组成公式估算，具体如下：C∶H∶N∶P≈5∶2∶1∶0.1。培养基由组成微藻源光合微生物细胞生物质的无机元素，基本生长因子有a、b、c三种，其浓度分别为0.3～0.5g/L、0.1～0.3g/L和0.2～0.5g/L。pH根据CO₂处理浓度和处理量及反应时间要求而定，通常控制在7.0～8.5之间。通过微藻源光合微生物的同化作用，净化CO₂并将其转化含有大量蛋白质、脂肪、碳水化合物、必需氨基酸和丰富的维生素等营养丰富全面的良好的畜牧业等的原料。在利用本发明反应装置时，可以通过自动和手动两种方式控制。通过LED生物源光源的人工光照和加温等人工反应条件的控制，消除高密度模培养中生长量与培养方式的矛盾，创造较理想人工气候条件，有利余微藻源光合微生物净化烟道气中CO₂的高效化。微藻源光合微生物通过光合作用积累0.8-1kg生物质，需要1.7-2.3kg的CO₂。通过烟道CO₂气分散提升搅拌器来消除严重影响微藻源光合微生物繁殖与生长速率的因素。由上下交错并具有多个气水两项溶气射流头的多环结构组成的搅拌、提升和溶气一体化操作单元，可以增加二氧化碳与微藻源光合微生物细胞的接触。
微藻源光合微生物细胞的分离是收获采用微藻源光合微生物细胞离心分离收取生物质，通过洗涤、湿菌体粉碎，利用有机提取剂振荡浸提类叶绿素等有用物质。有机提取物再经过旋转蒸发回收有机提取剂，并得到粗产品。剩余物质可用作肥料和饲料等
利用本发明装置和方法，可以将微藻源光合微生物与环境净化技术结合，净化大型燃煤型工厂的烟道气中CO₂、NO_x和SO_x。该方法设备投资少、易于操作、反应器中微藻源光合微生物培养密度高，在净化污染物的同时将污染物物资源化利用。培养介质为富营养的生活污水或海水，循环吸收烟道气中CO₂等污染气体。
实施方案二：
实施方案二与实施方案一基本相同，不同之处在于CO₂光纤束LED光生物反应器可双级串联或并联使用。经过除尘处理的烟道气，通过气体分散将CO₂气体均匀地分散于反应器内，经过以LED藻类光源为光源、以光纤为光能分散系，照射高密度的微藻源光合微生物表面，促进烟道气CO₂净化。微藻源光合微生物细胞高培养密度下进行进行，并采用离心方式的分离，可以得到产品质量好的产品。微藻源光合微生物细胞经离心分离、洗涤，湿菌体粉碎，利用有机提取剂振荡浸提类叶绿素等有用物质。有机提取物再经过旋转蒸发回收有机提取剂，并得到粗产品。
实施方案三：
实施方案三与实施方案二和实施方案一基本相同，不同之处在于CO₂光纤束LED光生物反应器可多级串联或并联使用。微藻源光合微生物与环境净化技术结合，通过调节pH、微藻源光合微生物生长因子、烟道气与空气稀释比，可以净化大型燃煤型工厂的烟道气中CO₂、NO_x和SO_x。产生的生物质可作为可再生能源或直接制成饲料加以利用。