两步法光生物反应器微藻生长系统设计思考

Design consideration on two-step method photobioreactor algae growth system
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）
荷兰 AlgaeLink NV 公司开发的反应器系统， 是目前世界上唯一实现商业化的小型试验装置 （图 7）[18]，它每天可以生产海藻干物质 1～1.4 kg/m3。
图 7 AlgaeLink 公司反应器系统和原理示意图 Fig.7 Schematic diagram of AlgaeLink Corporation photobioreactor system and principle
顶端， 在重力作用下液体自动进入塑料布袋中多 个水平连接的透明塑料袋中， 海藻在阳光下进行 光合作用。 当海藻生长达到一定的密度（1.5 g/L） 时，开始从袋的底部收集海藻液。 在 24 h 内提取 一半的藻液，将海藻分离出来，分离后的藻液回流 到储罐。 通过设置提取比例和海藻重新生长到预
定浓度的速度， 可以形成一个持续的生产系统。 Vertigro 公 司 认 为 按 这 种 设 计 方 法 ，0.4 hm2 地 面 可以悬挂 2 万个塑料袋，组成一个生产模块，每年 的产藻量可以生产 326 t 生物柴油[11]。
0 引言 随着全球经济的快速发展， 能源消耗量日益
增加， 生物质能作为一种替代能源越来越受到人 们的关注。 研究表明，海藻油脂含量高，某些海藻 (干物质)的含油量可达到 80％[1]，[2]。 从海藻中提取 得到的油脂成分与植物油相似， 可以作为生物柴 油替代石油直接应用于工业[3]。 利用工业化海藻 生产装置， 可获得大规模生产生物柴油所需要的 海 藻 原 料 [4]。 1 封闭式光生物反应器的工业化开发
OriginOil 公 司 的 罐 式 生 物 反 应 器 见 图 5，在
图 5 OriginOil 公司光反应器系统和原理示意图 Fig.5 Schematic diagram of OrigionOil Corporation photobioreactor system and principle
获得富含油脂的海藻， 以满足生物柴油厂规 模化生产的需要， 是生产海藻生物柴油的核心问 题[5]。 光生物反应器已成为高效、快速、大量培养 海 藻 的 关 键 设 备[6]，在 工 业 级 实 验 室 的 试 验 成 果 表明， 封闭式反应器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的藻细 胞密度比开放式反应器高 6～12 倍， 总体积相对 减小，分离成本大大降低，各种生长参数及工艺可 以进行自动化、集约化控制和管理，提高了海藻的 生产效率和质量， 避免海藻受其它生物和非生物 的污染[7]。 以封闭式反应器培养的海藻，将为海藻
摘 要： 对国际上最具代表性的各类型光生物反应器的原理进行了分析比较。 用光生物反应器培养海藻，在实 现高产的过程中，存在着提高海藻细胞体内蛋白质和碳水化合物含量与提高细胞体内油脂含量的矛盾，提出了 两步法光生物反应器海藻生长系统的设计思路，解决了光生物反应器中海藻生长和富集油脂的矛盾。 在工业上 采用两步法设计光生物反应器系统，可以实现海藻的工业化连续生产。 关键词： 两步法； 海藻； 光生物反应器； 生物柴油 中图分类号： TK6; Q949.2 文献标志码： B 文章编号： 1671-5292（2010）01-0127-07
垂直的转轴上螺旋式排列一些荧光灯管，由红色 灯管进行清洗；②人工光源耗能高；③控制系统
和蓝色的荧光灯发出最适合海藻吸收的光谱,这 复杂。
样可以提高反应罐的深度和直径，理论上藻液生 1.3 管道式反应器
长层可以和灯管的层数一样。 转轴在罐中缓慢旋
采用管道式反应器生产海藻的公司主要有
转，使罐内的海藻通过光合作用快速生长。 通过 美 国 的 GreenFuel Technology 公 司 、Solazyme 公
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环流动，从而达到良好的气液混合。 根据液体在管 内的流动速度以及阳光强度， 对系统控制进行设 置[17]。
GreenFuel Technology 公司估计，用4 000～6 000 hm2 的反应表面积，可以处理 1 个 1 000 MW 火力
发电厂所排废气中的 CO2，1 年可以减少排放 350 万 t CO2。
收稿日期： 2009-11-27。 作者简介： 刘小澄（1954-），女，汉族，副教授，从事微生物和免疫学的教学与科研工作。 E-mail：gzhdlyp@21cn.com
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Capture 公司的反应器系统原理相似（图 2），都是
塑料管反应器
辊筒 控制设备
输出、营养液、藻液收获管道
反应器生产海藻的原理： 将反应器系统的管道平
管道式反应器的优点： ①与其它几种封闭式
行敷设，在加压条件下，将营养液（含氮、磷、钾等） 的反应器相比，容积相同时，管道式反应器内的藻
和少量海藻缓慢地泵入反应器， 向系统注入 CO2 气体，在太阳光的作用下，海藻加速生长并释放出 氧气。 经过 24 h 后，含有高浓度海藻的液体由反
液受光面积最大； ②营养液的调整和海藻的生长 参数较易控制，可以实现连续稳定生产；③CO2 利 用率高，可提高产量 60％～300％；④从营养液进入
海藻的生长总量以悬浮液的光学密度为测量 标准，如果密度足够高，海藻悬浮液就会被引入收 获容器，将海藻从盐水中分离出来，分离出的盐水 重新进入循环。 600 m2 装置的海藻干物质产量约 为 6 t/a，CO2 吸收量约为 12 t/a[12]。 采用这种透明 塑 料 软 管 V 字 形 反 应 器 的 还 有 美 国 GreenFuel Technology 公司[13]。
美国 Vertigro process 公司的反应器是一种由 垂直悬挂的塑料袋组成的海藻生长系统 （图 3）。 用水泵将地下一个保持恒温的储罐中含有的海藻 和营养液的混合培养液输送到 3 m 高的塑料布袋
图 3 Vertigro 公司的反应器系统和原理示意图 Fig.3 Schematic diagram of Vertigro Corporation photobioreactor system and principle
CO2 输 入 、O2 输 出 管 道
图 2 A2BE 公司反应器原理示意图 Fig.2 Schematic diagram of A2BE Corporation
photobioreactor principle
由 2 个巨大透明的扁平特种塑料软管组成， 软管 上面的支架上各有 1 个可以移动挤压软管的辊 筒，辊筒沿着软管两边的轨道来回运动，迫使软管 中的藻液发生运动， 这样不但使软管内最上层的 海藻接受阳光照射， 也可使反应器内液体底部的 海藻运动到管的上面接受阳光照射， 使海藻生长 效率得到提高。 Solix Biofuels 公司预计采用该技 术每年可以生产生物柴油 12 t/hm2[10]。
Байду номын сангаас
生物柴油技术提供更广阔的发展空间[8]。 目前， 各国研发的封闭式光生物反应器主要
有软管式、罐式和管道式 3 种。 1.1 软管式反应器
目前， 世界上使用软管式反应器生产海藻的 公司主要有美国的 Solix Biofuels 公司、Vertigro process 公 司 、GreenFuel Technology 公 司 、A2BE Car bon Capture 公司和德国的 Phytolutions 公司等[9]。
美国的 Solix Biofuels 公司研发了多种反应器 系 统 ， 其 中 Alpha 系 统 （ 图 1） 和 A2BE Carbon
图 1 Solix 公司反应器系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of Solix Corporation
photobioreactor system
罐式反应器可以容纳更多的藻液， 但是反应 器中海藻 “自我阴影” 现象对光照的影响十分明 显。 在光源和反应器一定的条件下，随着藻液浓 度的不断增加,光在藻液中的衰减量随海藻生物 量的增加呈线性增加[14]。 为了让更多的光线进入 反应器中， 美国 OriginOil 公司和 Bionavitas 公司 采用“光浸技术”，利用人工照明使罐式反应器中 的藻细胞获得充足的光照。 Bionavitas 公司称，采 用这种技术可使藻液光合作用的深度和厚度达 到1 m[15]。
塑料软管式反应器的优点：①建设投资比养 殖池低；②工厂排出的废气经除尘脱硫后可直接 通 入 CO2 吸 收 装 置 ， 用 富 含 CO2 的 水 配 制 营 养 液， 不须要投资建设捕集和存储 CO2 的装置；③ 悬挂的反应器袋受光面积增大，营养液中 CO2 含
量高，海藻生长繁殖速度快，可以获得比开放式 养殖池更高的产率，生产成本低；④能减少污染 发 生 ；⑤在 海 藻 产 量 相 同 的 情 况 下 ， 占 地 面 积 比 养殖池少；⑥可以实现连续生产。 塑料软管式反 应器的缺点： 海藻极易附生在反应器内壁上，附 壁海藻密度增加，光线穿透能力降低，因此必须 定时更换塑料软管， 耗费大量的人力和时间，造 成管理成本增高。 1.2 罐式反应器
德国 Phytolutions 公 司 采 用 由 透 明 塑 料 软 管 组装成的 V 字形反应器（图 4），将电厂废气注入
图 4 Phytolutions 公司光反应器系统和原理示意图 Fig.4 Schematic diagram of Phytolutions Corporation photobioreactor system and principle 到温室外一个装有海藻悬浮液的泡沫反应器中， 中， 温室需要的热量由附近电厂冷却塔的余热提
废气与悬浮液混合，吸收 CO2 达到饱和状态。 富 供。 温室内的温度相对恒定并且有充足的营养和 含 CO2 的 海 藻 悬 浮 液 被 注 入 温 室 内 的 光 反 应 器 光照， 能够加快海藻的生长速度。 光反应器占地
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刘小澄，等 两步法光生物反应器海藻生长系统设计思考
600 m2，可容纳约 52 m3 的海藻悬浮液。 悬浮液通 过细软管从反应器顶端注入， 然后从软管底端排 出，在反应器底部泵入空气对悬浮液进行搅拌。塑 料软管受光表面积大，可以获得更多的光照，海藻 在反应器中进行光合作用快速生长， 通过传感器 检测悬浮液的酸碱度值， 根据酸碱度值控制悬浮 液的注入量， 排出的悬浮液被重新送入泡沫反应 器中。
对反应罐内海藻生长参数的自动检测和控制，可 司、Solena Group 公司，荷兰的 AlgaeLink NV 公司
以对海藻生长周期中不同的生长状态进行监控， 和以色列的 Algatech 公司等[9]。
实现海藻的连续生产[16]。
美国 GreenFuel Technology 公司 的 气 升 式 管
罐式反应器优点：①易实现自动控制；②占 道反应器是一种长 3 m， 由多个透明塑料管子组
地面积小；③各反应器独立，可以按需要横向和 成三角型结构的装置，三角形斜边面向太阳（图
纵向组合；④可以实现连续生产。 罐式反应器缺 6）。 烟道废气从管子底部注入，在静压差和尾气
点：①海藻极易附生在灯管壁上，必须定时取出 的作用下，管内液体携带气泡在反应器内形成循
第 28 卷 第 1 期 2010 年 2 月
可再生能源
Renewable Energy Resources
Vol.28 No.1 Feb. 2010
两步法光生物反应器海藻生长系统设计思考
刘小澄 1， 刘永平 2 （1.暨南大学 医学院， 广东 广州 510632； 2.广州南沙资产经营有限公司， 广东 广州 511457）