内置导光散射柱的光生物制氢反应器

摘要

一种内置导光散射柱的光生物制氢反应器，由受光板、反应器箱体、入液口、出液口构成，所述入液口和出液口分别设置在反应器箱体的上下两端，其特征在于：在受光板上固定有至少二根与受光板垂直的导光散射柱，在导光散射柱上套有至少二块相互平行且与导光散射柱垂直的折流板，所述折流板的大小和形状与反应器箱体的内腔一致，在折流板的一端开有使液体和气体流通的缺口，相邻两块折流板之间有间隙，并且缺口交错设置；所述受光板盖在反应器箱体的顶部，导光散射柱和折流板放置在反应器箱体的内腔中，所述受光板和导光散射柱用有机玻璃或透明树脂制成；该发明具有成本低，单位体积产氢率高等优点，可广泛应用于环保、能源、食品、饲料等行业。

说明书

技术领域

本发明涉及生物制氢反应器，具体涉及利用光合细菌实现生物制氢的内置导光散射柱的光生物制氢反应器。

背景技术

利用光合细菌制氢被认为是生物制氢最有前途的方式之一(Debabrata Das，et al.Hydrogen product ion by biologicalprocesses：a survey of literature. International Journal ofHydrogen Energy26(2001)13-28.)。这主要是因为：光合细菌产氢在理论上具有较高的光化学转化率；它可以避免氧抑制的问题；该方法具有利用较宽光谱范围的能力；该方法具有去除在废水处理过程中所产生的有机污染物的能力。目前，现有的光生物制氢反应器有管式、板式、搅拌罐式三种类型，其中，管式光生物反应器的系统密封性好，容易与其它设备连接，但为了提高单位体积的受光面积和反应器内的光照强度，反应器的管径不能太大(Murtuza A.Syed，Paul F.Henshaw.Effectof tube size on performance of a fixed-film tubular bioreactorfor conversion of hydrogen sulfide to elemental sulfur.WaterResearch 37(2003)1932-1938.)，然而采用小的管径会增大反应器的尺寸和制造工艺难度，增加加工成本，同时容易造成反应器堵塞，造成反应器效率降低、甚至失效；平板式光生物反应器调光能力很强，可以保证有效液层充分受光，增强光能吸收转换。但缺点是单位反应器占地面积的微生物可附着的表面积较小，限制了反应器内的细胞持有量，不利于细胞的固定化，产氢率不高。搅拌罐式光反应器是在传统微生物发酵罐的基础上，增加光照用于光合细菌培养和产氢，其优点是在有限的占地面积内有较大的培养液体积，缺点是光要通过液体才能到达微生物，光强衰减大，光化学转换效率低，搅拌产生的剪切力会抑制细胞生长和损伤细胞，另外细胞悬浮培养的方式无法实现连续流的产氢工艺，同时还拌有菌种的流失问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种吸光能力强，光化学转化效率高，利用光合细菌实现生物制氢的内置导光散射柱的光生物制氢反应器。

为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是，一种内置导光散射柱的光生物制氢反应器，由受光板、反应器箱体、入液口、出液口构成，所述入液口和出液口分别设置在反应器箱体的上下两端，入液口用于加入菌悬液或有机营养液或者有机废水，出液口用于与外部管路连接，排除氢气和残液，在受光板上固定有至少二根与受光板垂直的导光散射柱，导光散射柱将光导入反应器内，同时又作为微生物的固体附着基质，微生物在导光散射柱上生长繁殖形成生物膜；同时，由导光散射柱导入反应器的光不用通过液体而直接作用于附着在导光散射柱外侧的微生物，使微生物产生生化反应，降解溶液内的有机物产氢，从而达到光强在反应器内均匀分布，提高到达微生物的光照强度的目的；

在导光散射柱上套有至少二块相互平行且与导光散射柱垂直的折流板，所述折流板的大小和形状与反应器箱体的内腔一致，在折流板的一端开有使液体和气体流通的缺口，相邻两块折流板之间有间隙，并且缺口交错设置；折流板具有对液体的导流作用，能够改变液体的流动方向，使其形成横掠导光散射柱棒束的流动，同时提高液体的流动速度，从而增强液体中有机物向生物膜的传质，提高产氢效率；

所述受光板盖在反应器箱体的上端面，导光散射柱和折流板放置在反应器箱体的内腔中，所述受光板和导光散射柱用有机玻璃或透明树脂制成，便于光的通过和向反应器内及生物膜的传递，增加到达反应器内生物膜处光的光照强度。

所述光生物制氢反应器由于设置有导光散射柱，提高了光在反应器内的均匀分布程度和传播距离，增加了到达微生物的光强，使得微生物有足够的附着表面积，增大了反应器内生物膜的比表面积，从而增加了反应器内的光合细菌持有量，利于细胞固定化，光化学转化效率高，由此提高了反应器的废水处理能力和产氢能力。

本发明的一个优选方案中，所述导光散射柱均匀布置，相邻两排导光散射柱之间叉排或顺排分布，在连续流横掠导光散射柱棒束的运行方式下可以大大增加流体的扰动，从而促进底物浓度在反应器内的均匀分布，进而减少了反应器内的传质阻力。

本发明的一个优选方案中，所述导光散射柱是圆柱形。

本发明的一个优选方案中，所述入液口设置在反应器箱体靠近底部的部位，出液口设置在反应器箱体靠近顶部的部位，靠近入液口的折流板的缺口设置在入液口的对面，靠近出液口的折流板的缺口设置在出液口的对面。

本发明的一个优选方案中，所述受光板与反应器箱体之间通过紧固件连接。

本发明所述的内置导光散射柱的光生物制氢反应器的有益效果是，由于导光散射柱的引入提高了光在反应器内的均匀分布程度和传播距离，增加了到达微生物的光照强度；使得微生物有足够的附着表面积形成生物膜，从而增加了反应器内的光合细菌持有量，增大了反应器内生物膜的比表面积；另外，由于导光散射柱均匀叉排或顺排布置，在布置折流板后，流体连续流横掠导光散射柱束的运行方式下可以大大增加流体的扰动，从而促进底物浓度在反应器内的均匀分布，进而减少了反应器内的传质阻力；由此提高了反应器的废水处理能力和产氢能力。同时该发明具有成本低，操作方便，便于清洗，反应器占地面积小，单位体积产氢率高等优点，既可用于生物膜式光合生物制氢反应器，亦可用于光合生物悬浮培养的生化反应器。因此本发明所述的光生物制氢反应器可广泛应用于环保、能源、食品、饲料等行业，具有良好的应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明所述的内置导光散射柱的光生物制氢反应器的装配关系示意图。

图2是本发明所述的内置导光散射柱的光生物制氢反应器的结构示意图。

图3是相邻两排导光散射柱1之间叉排分布示意图。

图4是相邻两排导光散射柱1之间顺排分布示意图。

具体实施方式

实施例1：参见图1、图2和图3，本发明所述的内置导光散射柱的光生物制氢反应器，由导光散射柱1、受光板2、反应器箱体3、入液口4、出液口5、折流板6构成，所述反应器箱体3的底部密封、上部敞口，所述导光散射柱1的长度略小于反应器箱体3的内腔高度，所述入液口4设置在反应器箱体3靠近底部的部位，出液口5设置在反应器箱体3靠近顶部的部位，入液口4用于加入菌悬液或有机营养液或有机废水，出液口5用于与外部管路连接，排除氢气和残液，在受光板2上设置有2 5个均匀分布的圆形通孔，相邻两排通孔之间叉排分布，孔的数量与导光散射柱的数量一致，当然，孔的数量也可以是其他自然数，只要折流板6和受光板2能够承受，孔的大小便于与导光散射柱成为紧配合，导光散射柱1胀入受光板2的圆形通孔中，所述折流板6的大小和形状与反应器箱体3的内腔一致，在本实施例中，折流板6的数量是4块，当然，折流板6的数量也可以是其他自然数，在折流板6的一端开有使液体和气体流通的缺口，相邻两块折流板6之间有间隙并且缺口交错设置，靠近入液口4的折流板6的缺口设置在入液口4的对面，靠近出液口5的折流板6的缺口设置在出液口5的对面；同样，在折流板6上设置有通孔，孔的数量与导光散射柱1的数量一致，孔的大小略大于导光散射柱1，孔的位置与受光板2上设置的通孔的位置对应，导光散射柱1穿过折流板6上设置的通孔，同时用胶固定折流板6，所述受光板2盖在反应器箱体3的上端面，导光散射柱1和折流板6放置在反应器箱体3的内腔中，所述受光板2与反应器箱体3之间通过紧固件7连接，比如用法兰或螺栓连接，所述受光板2和导光散射柱1用有机玻璃或透明树脂制成，其中透明树脂可以选用透明聚乙烯或聚丙烯或尼龙或ABS等材料。

实施例2：参见图1、图2和图4，所述内置导光散射柱的光生物制氢反应器的结构关系同实施例1，不同之处在于：在受光板2上设置的均匀分布的圆形通孔，相邻两排通孔之间顺排分布，保证导光散射柱1胀入受光板2的圆形通孔中，相邻两排导光散射柱1之间成顺排分布。

在本发明的具体实施例中，可以选择受光板2的厚度为5～10mm，圆柱形导光散射柱1直径8～20mm，圆柱形导光散射柱1之间间距为2～10mm，所述圆柱形导光散射柱1的数量根据反应器箱体3的内腔直径确定，所述折流板6的厚度取5～20mm，当圆柱形导光散射柱1的数量越多，折流板6的厚度取越大；同时，两块折流板6之间间距介于反应器箱体3的内腔直径的1/2～1之间，折流板6的数量根据反应器箱体3的内腔高度确定，然而本发明的实施例并不仅仅局限于这一实施方式。

当本发明所述的内置导光散射柱的光生物制氢反应器用于产氢时，首先将菌悬液通过入液口4加入反应器内，可在菌悬液中添加有机碳源、氮、磷、钾等营养物质，光照射受光板2并通过导光散射柱1将光导入反应器内并传递至附着于导光散射柱1外的微生物，提高了反应器内光强分布的均匀程度，增强了传递到微生物的光的光照强度，导光散射柱1同时提供微生物附着固体基质，光合细菌在导光散射柱上附着、生长，形成生物膜，一般需要20∽30天的挂膜期，在挂膜期间，由于菌悬液内有很多导光散射柱1，使得微生物有足够的附着表面积，从而增加了单位体积反应器内的光合细菌生物膜的表面积和光合细菌的持有量，成膜后，再通过入液口4加入有机废水，在反应器内生物膜上的微生物在光的作用下代谢有机物，同时产生氢气，由于在反应器箱体3的内腔中水平放置有多块相互平行的折流板6，在折流板的一端开有缺口，相邻两块折流板之间的缺口交错设置，折流板6为菌悬液或有机废水及氢气提供导流作用，使菌悬液或有机废水及氢气沿着固定的流道从出液口流出，并通过外部氢气分离设备分离出氢气和残液。

当将本发明所述的内置导光散射柱的光生物制氢反应器用于产菌时，与上述方式不同的是：首先将菌悬液和有机营养液同时通过入液口4加入反应器内，可在菌悬液和有机营养液中添加氮、磷、钾等营养物质，光照射受光板2并通过导光散射柱1将光导入反应器内，导光散射柱1同时提供细胞附着固体基质，细菌在导光散射柱上附着、生长，同时在培养液中繁殖，由于在反应器箱体3的内腔中水平放置有多块相互平行的折流板6，在折流板的一端开有缺口，相邻两块折光板之间的缺口交错设置，折流板6为菌悬液或有机营养液及氢气提供导流作用，使菌悬液、有机营养液和氢气沿着固定的流道从出液口流出，经过并通过外部氢气分离设备分离出氢气和残液，残液可循环利用，再次通过入液口4加入反应器内。