立式管排式微藻光生物反應(yīng)器的設(shè)計及應(yīng)用*

杜長雷，遲慶雷，張軍，汪豐海

(國投生物科技投資有限公司國投微藻生物科技中心，北京 100034)

能源是人類生存發(fā)展必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障，隨著石油、天然氣等不可再生資源的日益減少，生物柴油作為化石能源的替代燃料，已成為發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的環(huán)保可再生能源之一[1]。在眾多種類的原材料中，微藻因生產(chǎn)率高、能充分利用廢水廢氣、遺傳育種技術(shù)相對成熟等較多優(yōu)勢，成為解決能源問題的一種有效的原料[2]。

微藻雖具有較多優(yōu)勢，但目前以微藻為原料制備生物能源尚處于試驗階段，未見相關(guān)產(chǎn)業(yè)化報道，制約微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的瓶頸是微藻生物質(zhì)原料成本較高。利用光生物反應(yīng)器(Photobioreactor，PBR)進(jìn)行微藻生物質(zhì)的光自養(yǎng)培養(yǎng)是微藻生物能源產(chǎn)業(yè)鏈中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，決定了微藻生物質(zhì)的品質(zhì)和價格[3]。目前培養(yǎng)微藻生物質(zhì)的PBR主要有兩類：一類是開放式PBR，如開放式跑道池；一類是封閉式PBR，如管道式反應(yīng)器。但采用這兩種PBR培養(yǎng)微藻，生物質(zhì)產(chǎn)率較低，僅為5～20 g/(m2·d)，遠(yuǎn)低于微藻的理論產(chǎn)量120～150 g/(m2·d)[4]。

開放式PBR占地面積大，藻液深(光徑長)，且完全開放[5]，是目前微藻中占主導(dǎo)地位的反應(yīng)器，但因其產(chǎn)量低、占地面積大、環(huán)境因子難以控制、CO2補(bǔ)加困難、易被其他生物污染、產(chǎn)品質(zhì)量低等缺點，限制了進(jìn)一步發(fā)展[6-7]。在培養(yǎng)體積相同的前提下，封閉式PBR占地面積僅為開放式PBR的25%～30%，光照比表面積增大5～8倍，并且封閉系統(tǒng)可以有效控制外界的污染、意外因素的影響和培養(yǎng)條件，生物質(zhì)產(chǎn)率較高，經(jīng)氮脅迫后脂類含量高[8-9]，但其制造成本是開放式PBR的10多倍，目前局限于提取高附加值產(chǎn)品微藻的生產(chǎn)。

以提高光生物反應(yīng)器生物質(zhì)產(chǎn)率、降低制造和運營成本為目標(biāo)，設(shè)計了一種管排式光生物反應(yīng)器，提出了合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，制備了合格的結(jié)構(gòu)單元，設(shè)計并制造了小試系統(tǒng)和中試系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)培養(yǎng)小球藻，從固定成本投入和生物質(zhì)產(chǎn)率兩方面評價了該反應(yīng)器的性能。

1 新型光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用

1.1 管排單元設(shè)計

現(xiàn)有的封閉式光生物反應(yīng)器因材料消耗大、接頭多、空間利用不足和占地面積大等問題，制造成本較高。筆者提出了一種管排式光生物反應(yīng)器[10]，其結(jié)構(gòu)見圖1。

經(jīng)測算，相同培養(yǎng)體積下，該反應(yīng)器的用料比管道式光生物反應(yīng)器減少了42%，接頭數(shù)量減少了98%，占地面積減少了30%。根據(jù)藻類對光照的需求，管排式光生物反應(yīng)器的核心組件采用透明高分子材料聚碳酸酯(PC)。管排式反應(yīng)器有立式和臥式2種結(jié)構(gòu)形式，研究中采用立式結(jié)構(gòu)，即豎直培養(yǎng)平板反應(yīng)器。由于管排結(jié)構(gòu)異型度較高，采用ANSYS有限元分析軟件對其進(jìn)行應(yīng)力分析。結(jié)合實際加工工藝，管排單元外壁和筋的厚度比取1∶0.8，底部密封并固定，藻液密度按1 000 kg/m3計。對于立式反應(yīng)器，選定外壁厚目標(biāo)值3 mm(筋厚2.4 mm)，結(jié)構(gòu)最大變形為1.9 mm，最大應(yīng)力為24.6 MPa。對試制產(chǎn)品進(jìn)行試驗驗證，PC材質(zhì)管排平均透光率88%。綜上，新型管排單元應(yīng)力與透光性均滿足設(shè)計要求。

1.2 小試系統(tǒng)設(shè)計及性能評估

設(shè)計了1套可移動式立式管排小試系統(tǒng)，光生物反應(yīng)器相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 可移動立式管排光生物反應(yīng)器小試系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

為驗證其性能，采用小球藻進(jìn)行微藻培養(yǎng)試驗。在室內(nèi)人工光源條件下[光強(qiáng)180 μmol/(m2·s)]，通過400 L管道式光生物反應(yīng)器(國投微藻中心三河試驗基地/自制)進(jìn)行平行對照試驗，對小球藻的細(xì)胞干重進(jìn)行了比較，試驗結(jié)果見圖2。

由圖2可見：連續(xù)培養(yǎng)8 d，管排式反應(yīng)器體積產(chǎn)率為0.193 g/(L·d)，管道式反應(yīng)器體積產(chǎn)率為0.117 g/(L·d)，管排式反應(yīng)器體積產(chǎn)率比管道式反應(yīng)器提高65%，該反應(yīng)器在生物質(zhì)產(chǎn)率方面比管道式反應(yīng)器有明顯的優(yōu)勢，將該反應(yīng)器進(jìn)一步放大到中試規(guī)模。

圖2 微藻干重隨培養(yǎng)時間變化情況

2 光生物反應(yīng)器中試系統(tǒng)設(shè)計

為驗證管排式光生物反應(yīng)器的生物質(zhì)產(chǎn)率優(yōu)于管道式光生物反應(yīng)器，在國投微藻中心的河北廊坊生產(chǎn)基地建造1套總體積為10 400 L管道式光生物反應(yīng)器和1套總培養(yǎng)體積13 000 L立式管排光生物反應(yīng)器中試對比培養(yǎng)系統(tǒng)。管排式光生物反應(yīng)器核心組件管排采用擠塑加工工藝，理論上加工長度不受限制，該裝置長度選取為6 m，立式布置，先串聯(lián)(2底座為一組)后并聯(lián)(20組并聯(lián))，管排下端采用粘接方式和聚氯乙烯(PVC)底座密封，底座中裝有氣升裝置，二氧化碳和空氣混合氣通過氣升裝置進(jìn)入管排，上升過程中對藻液進(jìn)行攪拌并供給二氧化碳，藻液在管排中接受光照進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生的氧氣及多余氣體從管排上端溢出。管道式光生物反應(yīng)器核心組件玻璃管受限于玻璃加工工藝，玻璃管內(nèi)徑選取為φ50 mm，長度5 000 mm，反應(yīng)器水平布置，玻璃與玻璃之間橡膠套連接，通過離心泵驅(qū)動實現(xiàn)藻液的循環(huán)流動，藻液在玻璃管中接受光照進(jìn)行光合作用實現(xiàn)藻細(xì)胞生產(chǎn)。

管道式光生物反應(yīng)器的藻液驅(qū)動由離心泵實現(xiàn)，通過變頻器調(diào)整離心泵的工作頻率調(diào)節(jié)藻液流速，技術(shù)條件成熟。立式光生物反應(yīng)器藻液驅(qū)動通過氣升裝置實現(xiàn)，需實現(xiàn)3個功能：在0.06 MPa水壓下實現(xiàn)藻液攪拌，且管排中藻細(xì)胞上下均勻分布不聚集；在氣升裝置1 200 mm長度方向上，適當(dāng)排布出氣口，實現(xiàn)出氣口出氣量一致；既可單獨供空氣也可供空氣和CO2混合氣，其中空氣供氣量為0～500 L/min，CO2供氣量為0～30 L/min，通氣量可通過調(diào)節(jié)閥連續(xù)調(diào)節(jié)。經(jīng)ANSYS有限元分析計算及試驗驗證，結(jié)合激光打孔加工工藝，氣升裝置主要組件采用不銹鋼管，內(nèi)徑φ10 mm，長度1 200 mm，一端焊接封堵，另一端通過螺紋接頭同空壓機(jī)和二氧化進(jìn)氣管連接，不銹鋼管道上采用φ20，15，10 μm 3種孔徑組合布置，培養(yǎng)過程中配有pH在線檢測系統(tǒng)并與二氧化碳調(diào)節(jié)閥耦合，系統(tǒng)根據(jù)pH值自行調(diào)節(jié)二氧化碳進(jìn)氣量。

中試規(guī)模的管道式光生物反應(yīng)器和立式管排式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 光生物反應(yīng)器系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)對比

由表2可見：當(dāng)培養(yǎng)體積相同時，與管道式光生物反應(yīng)器相比，立式管排式反應(yīng)器的材料使用、接頭數(shù)量和占地面積方面均比管道式反應(yīng)器少，且立式光生物反應(yīng)器系統(tǒng)可以向上空間發(fā)展，有效降低了占地面積，增加了光照比表面積。此外，立式管排式光生物反應(yīng)器采用氣力攪拌，培養(yǎng)體積為13 000 L時，只需要配套3.8 kW空壓機(jī)，能耗降低為管道式反應(yīng)器的55%，且藻液的混合攪拌通過氣體提升來實現(xiàn)，產(chǎn)生的剪切力小，對藻細(xì)胞的破壞程度比機(jī)械攪拌小，可適用的藻類種類更多。

3 管排式光生物反應(yīng)器的微藻培養(yǎng)試驗與性能評估

3.1 培養(yǎng)試驗

國投微藻生物科技中心以自主選育的小球藻為藻種，對立式管排式光生物反應(yīng)器和傳統(tǒng)管道式光生物反應(yīng)器開展對比試驗。2種反應(yīng)器初始接種濃度均為0.1 g/L，溫室內(nèi)采用自然光培養(yǎng)，pH值維持在7.0±0.5。微藻干物質(zhì)量每天定點取樣，干燥后稱重，計算藻液中藻細(xì)胞干物質(zhì)含量，試驗結(jié)果見表3。

表3 管排式光生物反應(yīng)器與管道式光生物反應(yīng)器中試對比

由表3可見：立式管排光生物反應(yīng)器中由于核心部件彼此間遮擋陽光導(dǎo)致中試系統(tǒng)效果低于小試系統(tǒng)，最終生物質(zhì)產(chǎn)量為0.769 g/L，管道式光生物反應(yīng)器的最終生物質(zhì)產(chǎn)量為1.024 g/L。小球藻在管道式光生物反應(yīng)器和立式管排光生物反應(yīng)器中平均產(chǎn)率分別為0.128 g/(L·d)和0.110 g/(L·d)，單位面積產(chǎn)率分別為5.64 g/(m2·d)和30.03 g/(m2·d)。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的管道式光生物反應(yīng)器相比，立式管排光生物反應(yīng)器的單位面積產(chǎn)率可提高4倍以上。

3.2 成本分析

基于培養(yǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合立式管排光生物反應(yīng)器與管道式光生物反應(yīng)器的中試系統(tǒng)實際設(shè)備投入情況，以培養(yǎng)體積100 000 L(100 t)為例，土地成本、水價、電價參照廣西北海國投電廠成本，分別為3萬元/(hm2·a)、2元/t、0.4元/kWh，對2種光生物反應(yīng)器生產(chǎn)藻粉成本進(jìn)行了核算，見表4。

表4 管排式光生物反應(yīng)器與管道式光生物反應(yīng)器主要成本對比

由表4可見：在相同的培養(yǎng)體積下，立式管排光生物反應(yīng)器具有如下優(yōu)勢：①接頭數(shù)量減少了97%；②占地面積減少了66%；③設(shè)備投入降低了31%；④能耗成本降低了75%。綜合分析，使用立式管排光生物反應(yīng)器培養(yǎng)小球藻，藻粉的單位成本比管道式反應(yīng)器降低了20%。

4 結(jié)論

設(shè)計管排結(jié)構(gòu)單元、管排結(jié)構(gòu)外形尺寸，采用復(fù)合共擠的加工工藝，制備了管排單元，建成小試和中試規(guī)模立式管排光生物反應(yīng)器，經(jīng)過小球藻培養(yǎng)試驗，得到以下結(jié)論。

1)立式管排光生物反應(yīng)器外形尺寸及參數(shù)設(shè)置合理，能滿足微藻生長對光、溫度和通氣等需要。

2)在13 000 L中試系統(tǒng)中，進(jìn)行了小球藻的生長試驗。立式管排式光生物反應(yīng)器較傳統(tǒng)的管道式反應(yīng)器具有顯著的優(yōu)勢，單位面積產(chǎn)率達(dá)到30 g/(m2·d)，較傳統(tǒng)的管道式反應(yīng)器提高了4倍。在相同的培養(yǎng)體積下，立式管排反應(yīng)器比管道式反應(yīng)器占地面積減少了66%，設(shè)備投入減少了31%，能耗成本降低了75%。立式管排光生物反應(yīng)器是未來微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的一種重要反應(yīng)器類型，將有利于加速微藻生物能源的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。