一种振荡式光生物反应器及其使用方法

1.本发明属于微生物光发酵反应器技术领域，具体涉及一种振荡式光生物反应器及其使用方法。


背景技术：

2.大量化石能源的消耗不仅仅带来了严重的环境问题比如酸雨和气候变暖，能源短缺也是目前迫在眉睫的问题，氢能作为一种高效且清洁的能源成为世界各国研究的重要方向；氢气具有出核燃料之外最高的能量密度，无毒且燃烧产物只有水，良好的导热性及燃烧性能，是二十一世纪最理想的能源，被广泛的应用于航天燃料；光合菌是自然界中存在的一类原核生物，部分光合菌在厌氧条件下通过自身的代谢生成氢气，这种方法称为生物制氢；生物发酵产氢由于具有条件温和、控制简单、成本低廉、原料广泛等优点，随着二十一世纪生物工程技术的不断成熟和进步，被视为未来大规模产业化的制氢方法之一；利用农业废弃生物质产氢不仅可以获得清洁能源，而且可以有效地缓解环境污染。
3.目前用于光合微生物产氢的反应器主要分为平板式、柱式和管式三种类型；平板式光生物反应器一般是由透明平板所组成厚度在1～5cm的方形反应器，采用太阳光单侧照明或垂直光线的光照方式，由于反应器材料强度问题，只适用于小型的光发酵系统，而且菌液温度容易升高，反应器内部流动不充分，代谢产物集聚，生长速率减缓而造成氢气产量下降。中国专利申请号cn106318858a的发明专利公开了一种平板式光生物反应器，利用多功能蛇形管实现了藻液在光方向上的循环流动；气体从不同的高度射入藻液内，使得气液传质更加高效，同时蛇形管到侧壁面的射流对壁面有较强的冲刷作用，可以有效地减少藻体在应器内壁和蛇形管上的附着；内外光源结合可以通过增加多功能蛇形管实现反应器单体放大的目的，克服了平板式光生物反应器的只能通过增加反应器单元来放大的局限；该反应器利用气体鼓吹提高传质效率，利用射流提高散热和菌落附着，但是氢气的收集存在难度。
4.柱式光发酵制氢反应器通常是采用直径小且透明的材质加工而成，由单个或者多个管状柱串联或者并联，反应体积大，能够用于中小型规模的产业化生物制氢；中国专利申请号201110370810.2的发明专利公开了一种光合培养发酵装置，该反应器结构简单、有效提高了发酵的效率，但存在光照不充分和不均匀的问题。
5.管式反应器是应用于光合生物反应器最早的一种反应器，由多个透明弯管连接而成，直径较小，多年的光反应器研究结果表明，管道式的光合反应器具有结构简单，比面积大等优势，具有应用发展前景，但是排氧难、大剪切力、高能耗、清洗等一直是该技术发展的难题，常见的有盘管式反应器和列管式反应器；现有技术中的该反应器中集成了液体快速混匀，在培养过程中不间断培养工作而进行管道清洗和微压低能耗的气体排放等功能，但是反应器容积较小，不能实现生物制氢的规模化。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种振荡式光生物反应器及其使用方法，采用物理振荡的方式将菌液摇匀，可以有效的降低菌液中的溶解氧和溶解氢，降低了续氢气收集和分离的难度，且能够形成规模化的生物制氢。
7.本发明是通过以下技术方案来实现：
8.一种振荡式光生物反应器，包括多级沿高度方向间隔设置的光发酵管阵列，以及用于承载光发酵管阵列的多级支撑平台，所述多级支撑平台滑动设置于支撑架上，且均传动连接有凸轮传动装置，所述凸轮传动装置输入端连接有驱动装置；
9.多级光发酵管阵列中均并列间隔设置有多个光发酵管，且所有多级光发酵管阵列中的光发酵管均错位设置；
10.所述多级光发酵管阵列上侧和下侧且位于支撑架上设置有光源。
11.进一步的，所述支撑架为矩形框体结构，包括四根竖直设置的支撑柱，所述支撑柱侧壁竖直间隔设置有多级滑槽，且滑槽两端可拆卸设置有橡胶垫；所述滑槽的数量等于大于支撑平台的数量。
12.进一步的，所述多级支撑平台为矩形结构，包括首尾依次固定连接的支撑条，其中相对设置的两根支撑条两端设置有与滑槽结构相适配的滑轮。
13.进一步的，所述多级支撑平台上设置有扣件，所述扣件为两个呈c型结构的紧固件，且紧固件靠近侧均设置有柔性材料，且一个紧固件可拆卸设置于支撑条上，并与另一个可拆卸连。
14.进一步的，所述凸轮传动装置包括依次铰接的凸轮和传动杆，所述凸轮固定连接驱动机构的输出端，所述传动杆铰接有连杆，所述连杆竖直设置且依次固定连接多级支撑平台。
15.进一步的，同一所述光发酵管阵列中的光发酵管外壁均套设有互相连通的水浴管路。
16.进一步的，所述光发酵管两端设置有密封螺纹，并经密封垫圈密封连接有排氢管，所述光发酵管还设置有物料出入口和ph电极接入口。
17.进一步的，所述光源采用卤素灯，且呈阵列等间距排布设置于支撑架上。
18.一种振荡式光生物反应器的使用方法，包括以下步骤：
19.在光发酵管内预设菌液，开启光源，待其反应预设时间后，启动驱动装置，驱动装置带动凸轮传动装置运动，凸轮传动装置带动多级支撑平台同时在支撑架上进行竖直向往复运动；
20.光发酵管阵列中的多个光发酵管内的菌液产生震荡，直至光发酵管内沉淀物脱离光发酵管底部并均匀扩散至菌液内，完成生物产氢反应器的内部震荡。
21.进一步的，所述生物产氢反应器的内部震荡的振荡幅度为100-140mm，振荡频率为0.3-0.7hz。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
23.本发明提供一种振荡式光生物反应器及其使用方法，包括多级沿高度方向间隔设置的光发酵管阵列，以及用于承载光发酵管阵列的多级支撑平台，所述多级支撑平台滑动设置于支撑架上，且均传动连接有凸轮传动装置，所述凸轮传动装置输入端连接有驱动装
置；多级光发酵管阵列中均并列间隔设置有多个光发酵管，且所有多级光发酵管阵列中的光发酵管均错位设置；所述多级光发酵管阵列上侧和下侧且位于支撑架上设置有光源；本技术采用多支光发酵管并联，小单位单独发酵，互相不影响，可以避免菌液大规模的污染；其次本技术结构简单，安全性高，操作简单，适用于多种光合细菌的生长及氢气生产；最后，本技术采用物理振荡的方式将菌液摇匀，可以有效的降低菌液中的溶解氧和溶解氢，降低了续氢气收集和分离的难度，且能够形成规模化的生物制氢。
附图说明
24.图1为本发明一种振荡式光生物反应器的整体结构示意图；
25.图2为本发明一种振荡式光生物反应器的结构侧视图；
26.图3为本发明光发酵管的局部剖视图；
27.图4为本发明滑槽结构示意图。
28.图中：1、光发酵管；10、水浴管路；11、密封垫圈；12、排氢管；2、支撑柱；20、滑槽；21、橡胶垫；3、支撑条；30、滑轮；31、扣件；40、凸轮；41、传动杆；43、连杆。
具体实施方式
29.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
30.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
31.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
32.本发明提供一种振荡式光生物反应器，如图1和图2所示，包括多级沿高度方向间隔设置的光发酵管阵列，以及用于承载光发酵管阵列的多级支撑平台，所述多级支撑平台滑动设置于支撑架上，且均传动连接有凸轮传动装置，所述凸轮传动装置输入端连接有驱动装置；
33.多级光发酵管阵列中均并列间隔设置有多个光发酵管1，且所有多级光发酵管阵列中的光发酵管均错位设置；
34.所述多级光发酵管阵列上侧和下侧且位于支撑架上设置有光源。
35.优选的，如图4所示，所述支撑架为矩形框体结构，包括四根竖直设置的支撑柱2，所述支撑柱2侧壁竖直间隔设置有多级滑槽20，且滑槽20两端可拆卸设置有橡胶垫21；所述
滑槽20的数量等于大于支撑平台的数量；进一步的，所述多级支撑平台为矩形结构，包括首尾依次固定连接的支撑条3，其中相对设置的两根支撑条3两端设置有与滑槽20结构相适配的滑轮30；需要说明的是，所述支撑柱2采用40mm
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40mm方钢焊接形成支撑架，具有质量轻，承载能力大，减震性能好以及成本较低的优点，方钢的中空结构可以使得电路布置规则且能使线路得到有效的保护；本领域技术人员可以通过切割技术在方钢侧壁切割形成多级滑槽20，通过销钉或紧固螺钉将橡胶垫21可拆卸设置于滑槽20的两端，位于同一滑槽20内的两个橡胶垫21的间距不小于凸轮传动装置的输出端竖直向的摆动幅度。
36.优选的，所述多级支撑平台上设置有扣件31，所述扣件31为两个呈c型结构的紧固件，且紧固件靠近侧均设置有柔性材料，且一个紧固件可拆卸设置于支撑条3上，并与另一个可拆卸连；需要说明的是，所述扣件31便于本领域技术人员安装、拆卸和更换光发酵管1，由于两个c型结构的紧固件通过螺栓连接，因此其适用于不同直径的光发酵管1，其相邻侧的柔性材料可以采用橡胶材料或尼龙材料，其耐压性高、弹性好、平衡管道运动偏差、吸收振动、降低噪音效果好、安装方便等特点。
37.优选的，如图4所示，所述凸轮传动装置包括依次铰接的凸轮40和传动杆41，所述凸轮40固定连接驱动机构的输出端，所述传动杆41铰接有连杆43，所述连杆43竖直设置且依次固定连接多级支撑平台；需要说明的是，本技术采用的凸轮偏心距为50-110mm，传动杆41的长度为220-280mm，同时，所述的驱动装置采用直流减速编码电机，本领域技术人员对其转速进行设定，使其配合凸轮传动装置能够满足所述光发酵管1内部产生震荡现象。
38.优选的，如图3所示，同一所述光发酵管阵列中的光发酵管1外壁均套设有互相连通的水浴管路10；进一步的，所述光发酵管1两端设置有密封螺纹，并经密封垫圈11密封连接有排氢管12，所述光发酵管1还设置有物料出入口和ph电极接入口；需要说明的是，所述互相连通的水浴管路10能够向光发酵管1提供温度一直的环境反应参数，同时能够适用于大规模制氢；进一步的，所述光发酵管1采用亚克力玻璃材质，廉价的亚克力玻璃作为光发酵管1的材料，透明度好，能够较好的透过太阳光和人工光源，且材料价格低廉，加工成本低，可以大规模的并联进行光发酵产氢。
39.优选的，所述光源采用卤素灯，且呈阵列等间距排布设置于支撑架上；需要说明的是，本领域技术人员可以在所述光发酵管阵列上下侧的支撑架设置顶板和底板，用于固定卤素灯，所述卤素灯采用3
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18的方式等间距排布，且由于多级光发酵管阵列中的光发酵管1相互错位，这样能够使得上一层的光发酵管1不会遮挡下一层光发酵管1的光源照射；而卤素灯具有较广的光谱范围，能够满足大部分光合细菌的生长需求；进一步的，本领域技术人员可以采用变压器用于调节卤素灯的光照强度，解决光照不均匀、不充分的问题。
40.本发明提供一种振荡式光生物反应器的使用方法，包括以下步骤：
41.在光发酵管1内预设菌液，开启光源，待其反应预设时间后，启动驱动装置，驱动装置带动凸轮传动装置运动，凸轮传动装置带动多级支撑平台同时在支撑架上进行竖直向往复运动；
42.光发酵管阵列中的多个光发酵管1内的菌液产生震荡，直至光发酵管1内沉淀物脱离光发酵管1底部并均匀扩散至菌液内，完成生物产氢反应器的内部震荡。
43.优选的，所述生物产氢反应器的内部震荡的振荡幅度为100-140mm，振荡频率为0.3-0.7hz。
44.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种振荡式光生物反应器，其特征在于，包括多级沿高度方向间隔设置的光发酵管阵列，以及用于承载光发酵管阵列的多级支撑平台，所述多级支撑平台滑动设置于支撑架上，且均传动连接有凸轮传动装置，所述凸轮传动装置输入端连接有驱动装置；多级光发酵管阵列中均并列间隔设置有多个光发酵管(1)，且所有多级光发酵管阵列中的光发酵管均错位设置；所述多级光发酵管阵列上侧和下侧且位于支撑架上设置有光源。2.根据权利要求1所述一种振荡式光生物反应器，其特征在于，所述支撑架为矩形框体结构，包括四根竖直设置的支撑柱(2)，所述支撑柱(2)侧壁竖直间隔设置有多级滑槽(20)，且滑槽(20)两端可拆卸设置有橡胶垫(21)；所述滑槽(20)的数量等于大于支撑平台的数量。3.根据权利要求2所述一种振荡式光生物反应器，其特征在于，所述多级支撑平台为矩形结构，包括首尾依次固定连接的支撑条(3)，其中相对设置的两根支撑条(3)两端设置有与滑槽(20)结构相适配的滑轮(30)。4.根据权利要求1所述一种振荡式光生物反应器，其特征在于，所述多级支撑平台上设置有扣件(31)，所述扣件(31)为两个呈c型结构的紧固件，且紧固件靠近侧均设置有柔性材料，且一个紧固件可拆卸设置于支撑条(3)上，并与另一个可拆卸连。5.根据权利要求1所述一种振荡式光生物反应器，其特征在于，所述凸轮传动装置包括依次铰接的凸轮(40)和传动杆(41)，所述凸轮(40)固定连接驱动机构的输出端，所述传动杆(41)铰接有连杆(43)，所述连杆(43)竖直设置且依次固定连接多级支撑平台。6.根据权利要求1所述一种振荡式光生物反应器，其特征在于，同一所述光发酵管阵列中的光发酵管(1)外壁均套设有互相连通的水浴管路(10)。7.根据权利要求1所述一种振荡式光生物反应器，其特征在于，所述光发酵管(1)两端设置有密封螺纹，并经密封垫圈(11)密封连接有排氢管(12)，所述光发酵管(1)还设置有物料出入口和ph电极接入口。8.根据权利要求1所述一种振荡式光生物反应器，其特征在于，所述光源采用卤素灯，且呈阵列等间距排布设置于支撑架上。9.一种振荡式光生物反应器的使用方法，其特征在于，基于权利要求1-8任意项所述一种振荡式光生物反应器，包括以下步骤：在光发酵管(1)内预设菌液，开启光源，待其反应预设时间后，启动驱动装置，驱动装置带动凸轮传动装置运动，凸轮传动装置带动多级支撑平台同时在支撑架上进行竖直向往复运动；光发酵管阵列中的多个光发酵管(1)内的菌液产生震荡，直至光发酵管(1)内沉淀物脱离光发酵管(1)底部并均匀扩散至菌液内，完成生物产氢反应器的内部震荡。10.根据权利要求9所述一种振荡式光生物反应器的使用方法，其特征在于，所述生物产氢反应器的内部震荡的振荡幅度为100-140mm，振荡频率为0.3-0.7hz。

技术总结
本发明提供一种振荡式光生物反应器及其使用方法，包括多级沿高度方向间隔设置的光发酵管阵列，以及用于承载光发酵管阵列的多级支撑平台，所述多级支撑平台滑动设置于支撑架上，且均传动连接有凸轮传动装置，所述凸轮传动装置输入端连接有驱动装置；多级光发酵管阵列中均并列间隔设置有多个光发酵管，且所有多级光发酵管阵列中的光发酵管均错位设置；所述多级光发酵管阵列上侧和下侧且位于支撑架上设置有光源；本申请采用多支光发酵管并联，小单位单独发酵，互相不影响，可以避免菌液大规模的污染；本申请采用物理振荡的方式将菌液摇匀，可以有效的降低菌液中的溶解氧和溶解氢，降低了后续氢气收集和分离的难度，且能够形成规模化的生物制氢。规模化的生物制氢。规模化的生物制氢。


技术研发人员：曹稳 任昌鹏 李彦景 任维熙 魏雯雯 郭烈锦
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/7/12