一种组合圆筒式光生物反应器及其使用方法

技术领域

本发明属于微生物技术及反应器装置领域，具体涉及一种组合圆筒式光生物反应器及其使用方法。

背景技术

社会的维持和发展，离不开能源的支撑，目前化石能源仍是人类主要的能源来源，然而化石能源储量有限，不可再生，其使用过程又不可避免地产生一系列的环境问题，所以发展研究可持续可再生的新能源是人类不得不去解决的一个重大问题；氢能，因其清洁高效，被认为是最有前途的替代能源。在众多的制氢方式中，微生物制氢，尤其是光合细菌制氢，其反应条件温和，又可以利用太阳能并以生物质、有机废弃物为底物，是一种十分有发展潜力的制氢方式。

光合细菌产氢反应器是光和细菌制氢的重要场所和载体，而光合细菌产氢的规模化进程中，反应器的优化、放大都是必须面对和解决的；由于光合细菌产氢的一些特殊条件的限制，所以光合细菌产氢反应器的设计制作也有一定的需求和限制，比如：光合细菌产氢对温度敏感，所以需要反应器能够控制温度；光合细菌产氢需要光照，所以反应器需要有透光材料，保有透光面；光合细菌产氢是液体环境又需要厌氧，所以反应器需要做好密封；光合细菌产氢还存在光屏蔽效应，菌液的颜色会限制光照深入液体内部，所以反应器难以简单地扩大容积；因此光合细菌产氢反应器的放大也是一个目前反应器设计的难点。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种组合圆筒式光生物反应器及其使用方法，该反应器容积较大，可长时间连续稳定运行。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种组合圆筒式光生物反应器，包括沿竖向折线均匀排列的多级石英玻璃管组，以及设置于多级石英玻璃管组两端且密封连接的第一有机玻璃反应器和第二有机玻璃反应器；

所述石英玻璃管组均包括石英玻璃内管和依次间隙套设于石英玻璃内管外侧的石英玻璃中管和石英玻璃外管，所述石英玻璃内管内部轴向设置有光源，所述石英玻璃中管和石英玻璃内管之间接入水浴装置；

所述第一有机玻璃反应器和第二有机玻璃反应器内部均设置有多级阶梯式的导流隔板，且每级导流隔板仅导通两级相邻石英玻璃中管和石英玻璃外管中部空间；所述第一有机玻璃反应器或第二有机玻璃反应器中的多级阶梯式的导流隔板顶部和底部均设置有独立导流仓，且位于顶部的独立导流仓连通有进料口，位于底部的独立导流仓经循环水泵连接进料口。

进一步的，所述第一有机玻璃反应器和第二有机玻璃反应器顶部均设置有出气口，侧壁均设置有折管取样口、下取样口和多个竖直排列的侧边取样口。

进一步的，末级导流隔板和底部的独立导流仓均连通有设置于第一有机玻璃反应器和第二有机玻璃反应器底部的出料口。

进一步的，所述多级导流隔板包括呈Z型结构设置，且相邻多级导流隔板相互独立；

相邻且导通同一级导流隔板的两个石英玻璃管组具有高度差，高度差大于等于石英玻璃管组的最大直径。

进一步的，所述多级石英玻璃管组通过有内侧密封组和外侧密封组密封设置于第一有机玻璃反应器和第二有机玻璃反应器上。

进一步的，所述内侧密封组包括设置于第一有机玻璃反应器和第二有机玻璃反应器相邻侧的内侧密封座，以及套设于石英玻璃外管上且与内侧密封座密封连接的外管密封头。

进一步的，外侧密封组包括设置于第一有机玻璃反应器和第二有机玻璃反应器远离侧的外侧密封座，

套设于贯穿第一有机玻璃反应器和第二有机玻璃反应器的石英玻璃中管上，且与外侧密封座密封连接的中管密封头，

以及套设于贯穿石英玻璃中管的石英玻璃内管上，且与中管密封头密封连接的内管密封头。

进一步的，所述内侧密封座和外管密封头、外侧密封座和中管密封头以及中管密封头和内管密封头之间套设有圆形密封圈，且通过螺纹连接。

进一步的，所述内侧密封座底部设置有第一环形限位槽，且第一环形限位槽与石英玻璃外管端部密封卡接；

所述外侧密封座底部设置有第二环形限位槽，且第二环形限位槽与石英玻璃中管端部密封卡接；

所述中管密封头内部设置有中空结构，所述中空结构连通有水浴接口，且中空结构还连通石英玻璃中管和石英玻璃内管之间的中空区域。

一种组合圆筒式光生物反应器的使用方法，包括以下步骤：

S1：在完成密封性测试后，开启光源和水浴装置，从设置有独立导流仓的第一有机玻璃反应器或第二有机玻璃反应器的进料口注入反应液和细菌；

S2：反应液和细菌从进料口进入连通独立导流仓，从连通独立导流仓的首级石英玻璃管组的一端流向另一端，并进入与其另一端相连通的导流隔板，此时反应液和细菌由于重力势能落入导流隔板较低区域；

S3：与首级石英玻璃管组相邻且位于同一级导流隔板的次级石英玻璃管组进入反应液和细菌，如此反复，直至末级石英玻璃管组一端通过末级导流隔板注入的反应液和细菌，流向位于底部的独立导流仓；

S4：循环水泵将位于底部的独立导流仓内的反应液和细菌传输至进料口，完成反应液和细菌的一次循环反应。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种组合圆筒式光生物反应器及其使用方法，包括沿竖向折线均匀排列的多级石英玻璃管组，以及设置于多级石英玻璃管组两端且密封连接的第一有机玻璃反应器和第二有机玻璃反应器；石英玻璃管组均包括石英玻璃内管和依次间隙套设于石英玻璃内管外侧的石英玻璃中管和石英玻璃外管，石英玻璃内管内部轴向设置有光源，石英玻璃中管和石英玻璃内管之间接入水浴装置；第一有机玻璃反应器和第二有机玻璃反应器内部均设置有多级阶梯式的导流隔板，且每级导流隔板仅导通两级相邻石英玻璃中管和石英玻璃外管中部空间；第一有机玻璃反应器或第二有机玻璃反应器中的多级阶梯式的导流隔板顶部和底部均设置有独立导流仓，且位于顶部的独立导流仓连通有进料口，位于底部的独立导流仓经循环水泵连接进料口；本申请通过多级阶梯式导流隔板让反应液和细菌不断单向流动混合，同时配合石英玻璃管组能够扩大反应液和细菌接触光源和温度的面积，进而提高制氢效率。

附图说明

图1为本发明一种组合圆筒式光生物反应器结构示意图；

图2为本发明石英玻璃管组横截面图；

图3为本发明第一有机玻璃反应器和第二有机玻璃反应器的远离侧结构示意图；

图4为本发明第一有机玻璃反应器和第二有机玻璃反应器的靠近侧结构示意图；；

图5为本发明第一有机玻璃反应器或第二有机玻璃正面剖面图；

图6为本发明提供的第一有机玻璃反应器或第二有机玻璃侧面剖面图；；

图7为本发明石英玻璃管组横截面与内侧密封组和外侧密封组结合处的局部剖面图；

图8为本发明外管密封头结构示意图；

图9为本发明中管密封头结构示意图的一种视角图；

图10为本发明中管密封头结构示意图的另一种视角图；

图11为本发明内管密封头的结构示意图。

图中：1-1、第一有机玻璃反应器；1-2、第二有机玻璃反应器；2、石英玻璃管组；2-3、石英玻璃内管；2-2、石英玻璃中管；2-1、石英玻璃外管；3、内侧密封组；3-1、内侧密封座；3-2、外管密封头；4、外侧密封组；4-1、外侧密封座；4-2、中管密封头；4-2-3、水浴接口；4-3、内管密封头；5、进料口；6、出气口；7、折管取样口；8、下取样口；9、侧边取样口；10、出料口；11、导流隔板；110、独立导流仓；13、第一环形限位槽；14、第二环形限位槽。

具体实施方式

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。

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。

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。

本发明提供一种组合圆筒式光生物反应器，如图1所示，包括沿竖向折线均匀排列的多级石英玻璃管组2，以及设置于多级石英玻璃管组2两端且密封连接的第一有机玻璃反应器1-1和第二有机玻璃反应器1-2；

如图2所示，所述石英玻璃管组2均包括石英玻璃内管2-3和依次间隙套设于石英玻璃内管2-3外侧的石英玻璃中管2-2和石英玻璃外管2-1，所述石英玻璃内管2-3内部轴向设置有光源，所述石英玻璃中管2-2和石英玻璃内管2-3之间接入水浴装置；

如图5所示，所述第一有机玻璃反应器1-1和第二有机玻璃反应器1-2内部均设置有多级阶梯式的导流隔板11，且每级导流隔板11仅导通两级相邻石英玻璃中管2-2和石英玻璃外管2-1中部空间；所述第一有机玻璃反应器1-1或第二有机玻璃反应器1-2中的多级阶梯式的导流隔板11顶部和底部均设置有独立导流仓110，且位于顶部的独立导流仓110连通有进料口5，位于底部的独立导流仓110经循环水泵连接进料口5。

优选的，如图3所示，所述第一有机玻璃反应器1-1和第二有机玻璃反应器1-2顶部均设置有出气口6，侧壁均设置有折管取样口7、下取样口8和多个竖直排列的侧边取样口9，需要说明的是，所述出气口6可以用于采集氢气或者可以作为进行密封试验过程时的气压采集端；所述侧边取样口9与多级阶梯式的导流隔板11高度一一对应设置，其可以用于采集多级阶梯式的导流隔板11内细菌反应液的成分，进行参考和反应过程监测。

优选的，如图4所示，末级导流隔板11和底部的独立导流仓110均连通有设置于第一有机玻璃反应器1-1和第二有机玻璃反应器1-2底部的出料口10；具体的，如图5所示，所述多级导流隔板11包括呈Z型结构设置，其包括一个竖直向较高的平面和一个较低的平面，且相邻多级导流隔板11相互独立，互不导通；相邻且导通同一级导流隔板11的两个石英玻璃管组2具有高度差，高度差大于等于石英玻璃管组2的最大直径使得流出的液体具有足够的重力势能，其内部进行剧烈的布朗运动，使得其能够更好的产生氢气。

优选的，如图7所示，所述多级石英玻璃管组2通过有内侧密封组3和外侧密封组4密封设置于第一有机玻璃反应器1-1和第二有机玻璃反应器1-2上；

进一步的，如图8所示，所述内侧密封组3包括设置于第一有机玻璃反应器1-1和第二有机玻璃反应器1-2相邻侧的内侧密封座3-1，以及套设于石英玻璃外管2-1上且与内侧密封座3-1密封连接的外管密封头3-2；

进一步的，如图9、图10和图11所示，外侧密封组4包括设置于第一有机玻璃反应器1-1和第二有机玻璃反应器1-2远离侧的外侧密封座4-1，套设于贯穿第一有机玻璃反应器1-1和第二有机玻璃反应器1-2的石英玻璃中管2-2上，且与外侧密封座4-1密封连接的中管密封头4-2，以及套设于贯穿石英玻璃中管2-2的石英玻璃内管2-3上，且与中管密封头4-2密封连接的内管密封头4-3。需要说明的是，所述内侧密封座3-1和外侧密封座4-1结构相似，但是内径大小不同，其通过粘接或螺纹等形式，固定设置于第一有机玻璃反应器1-1和第二有机玻璃反应器1-2上；

优选的，所述内侧密封座3-1和外管密封头3-2、外侧密封座4-1和中管密封头4-2以及中管密封头4-2和内管密封头4-3之间套设有圆形密封圈，且通过螺纹连接；需要说明的是，所述圆形密封圈接触石英玻璃内管2-3、石英玻璃中管2-2和石英玻璃外管2-1设置；

优选的，如图所述内侧密封座3-1底部设置有第一环形限位槽13，且第一环形限位槽13与石英玻璃外管2-1端部通过密封垫圈密封卡接，用于限制石英玻璃外管2-1的位置，进而能够形成一定的空腔；

所述外侧密封座4-1底部设置有第二环形限位槽14，且第二环形限位槽14与石英玻璃中管2-2端部通过密封垫圈密封卡接，用于限制石英玻璃中管2-2的位置，进而能够形成一定的空腔；

所述中管密封头4-2内部设置有中空结构，所述中空结构连通有水浴接口4-2-3，且中空结构还连通石英玻璃中管2-2和石英玻璃内管2-3之间的中空区域。

本发明提供一种组合圆筒式光生物反应器的使用方法，包括以下步骤：

S1：在完成密封性测试后，开启光源和水浴装置，从设置有独立导流仓110的第一有机玻璃反应器1-1或第二有机玻璃反应器1-2的进料口5注入反应液和细菌；

S2：反应液和细菌从进料口5进入连通独立导流仓110，从连通独立导流仓110的首级石英玻璃管组2的一端流向另一端，并进入与其另一端相连通的导流隔板11，此时反应液和细菌由于重力势能落入导流隔板11较低区域；

S3：与首级石英玻璃管组2相邻且位于同一级导流隔板11的次级石英玻璃管组2进入反应液和细菌，如此反复，直至末级石英玻璃管组2一端通过末级导流隔板11注入的反应液和细菌，流向位于底部的独立导流仓110；

S4：循环水泵将位于底部的独立导流仓110内的反应液和细菌传输至进料口5，完成反应液和细菌的一次循环反应。

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。