CN101659922B - 一种封闭式跑道池微藻培养*** - Google Patents

一种封闭式跑道池微藻培养*** Download PDF

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Abstract

一种封闭式跑道池微藻培养***，由补碳区、培养区和除氧区组成，采用防雾膜和水封方式封闭。培养区底部设置了热交换管道，顶空设置了循环换气***，在培养区内设置了生理、生化和营养元素的在线监测装置，实现了微藻培养的在线监测与控制。补碳区设置了增强式二氧化碳补气装置及藻液循环搅动装置。除氧区具有除氧和营养元素加料池的作用，底部设有鼓气除氧***。补碳区和培养区互相贯通，除氧区单独封闭，培养液通过下流槽与补碳区和培养区连通。本发明具有投资小、规模易放大、补碳效果好、生物污染小等优点，可用于污水处理、二氧化碳捕集和余热利用，因此，具有显著的经济效益和良好的环境效益。

Description

一种封闭式跑道池微藻培养***
技术领域
本发明涉及一种微藻培养***，具体地说，涉及一种封闭式跑道池微藻培养***。
背景技术
利用生物质能作为能源是缓解当前能源危机和环境污染问题的主要途径之一。微藻可以利用太阳能和水，吸收二氧化碳(CO2)，通过光合作用，合成油脂、淀粉、糖类物质、纤维素等多种生物质，而且微藻生长周期短，生物量积累远远大于陆生植物。因此，关于微藻的研究成为了当前生物质能研究的一个热点。但是如何培养微藻，提高微藻生物量生产能力成为了当前微藻利用研究的一个难点。
现有的微藻培养主要在光生物反应器中进行，迄今已研制成功种类繁多、结构各异的光生物反应器，有开放池式、水平管状、垂直管状、柔性袋状等多种类型。代表性的主要有两类，即跑道池式和封闭式光生物反应器。跑道池式培养适合于可以开放培养的微藻，设备投资较低，并能在大面积生产中维持一定的产量，是目前商业规模大量培养微藻所普遍采用的培养***。但是该培养方式使藻液直接暴露在空气中，与空气接触面积大，容易受其他生物污染，藻液温度波动大，难以实现良好的补碳效果，且受下雨等天气因素的影响大。而封闭式光生物反应器可用于大多数微藻的培养，易于控制培养条件及生长参数，补碳效果好，CO2利用效率高，微藻生长速度快，培养密度高。其中较典型的有水平回旋管型和垂直管型，适用于不宜开放培养或经济价值较高的藻类，能防止污染、维持单种培养、运转过程能严格控制，有较高的光能利用率，因而可获得较高的生物密度和产量。但是其培养规模不宜放大，且设备成本高，投资大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种封闭式跑道池微藻培养***，以克服背景技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供的封闭式跑道池微藻培养***，包括由至少两个用于培养微藻的培养区、至少一个用于捕集二氧化碳气体的补碳区和至少一个用于降低培养液中氧气浓度的除氧区所组成的循环状的跑道池；其中：
培养区的一端与补碳区相连，另一端与除氧区相连，而补碳区和除氧区各自的另一端又与培养区相连，保证了培养区、除氧区和补碳区内的藻液在跑道池培养***的三个部分是相互连通的。此外在培养区和补碳区的交接部分，安装了带有蹼轮的混合搅拌装置，该装置一方面可以保证藻液在培养池内循环流动，另一方面可以充分混合藻液，使CO2在藻液中的溶解更加充分，第三，保证微藻不聚集沉淀，使微藻个体均匀悬浮在藻液中。
本发明为了给培养区的微藻供应充足的CO2，可以根据实际情况，增加补碳区的数量，具体数量根据测量的CO2是否满足微藻最佳生长速率来确定，如果CO2浓度较高能够满足微藻快速生长的需要，不需要增加补碳区的数量，否则需要增加补碳区数量。
随着微藻光合作用的进行，会在藻液中积累O2，在反馈机制的作用下，微藻光合速率降低，进而使微藻的生长受到影响。除氧区的数量需根据藻液中氧气浓度，以不抑制微藻生长速率为原则进行设置。
为了避免微藻培养液中O2浓度升高从而抑制微藻生长，本发明在除氧区的底部设置有鼓气装置，向除氧区内的藻液中输送洁净空气，通过曝气作用降低藻液中的氧气浓度，消除氧抑制现象。
本发明的另一个特点是封闭***。采用密封水槽的方式，把培养区、补碳区和除氧区进行全封闭。密封***为槽状结构，位于跑道池边缘，水封槽外侧低于内侧。在空间上，培养区和补碳区的密封水槽为一个连贯整体，而除氧区的密封水槽为独立于培养区和补碳区的密封***。
本发明在培养区上部的气相部分设置了至少一个循环换气管道，该循环换气管道的一端通过除菌过滤装置与外部换气设备连通，以定期置换培养区上部气体，避免微藻生长过程中产生的气体(如H2S、NH3等)累积。
为了保证充足供应微藻生长需求的CO2，本发明在补碳区的底部设置了CO2爆气装置，根据微藻的实际生长情况不断补充藻液中的CO2。同时为了保证CO2充分溶解在藻液中，在补碳区采用了隔板式的结构。补碳区内的底部设置有若干个下隔板，下隔板之间设置有上隔板，相邻的上隔板和下隔板上下交错开口，使藻液呈蛇形流过补碳区；各上隔板的顶部为一体封闭，增强了CO2的溶解效率。
藻液温度是影响微藻生长的重要环境因子之一，为了减少微藻培养对环境温度的依赖性，本发明在培养区的底部设定了热交换管道，以便在夏季藻液温度较高时，使用冷却水对藻液降温，而冬季藻液温度较低时，使用加热水对藻液进行加温。
为了实时检测微藻的生理状态和藻液的组成变化，本发明在培养区至少设置了一个取样管道，该取样管道的一端没于藻液之中，另一端延伸出封闭空间之外。除了进行取样检测之外，还设定了大量的在线监测传感器，包括pH计、温度传感器、光量子传感器、生物需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)传感器、氮和磷传感器，这些传感器通过设置的传感器通道与外部的控制设备连接，上述传感器的安装保证了实时监测微藻和藻液的一些重要参数的变化情况。
本发明结合了公知的封闭式与开放式跑道池两种培养方式的各自优点，具有生物污染小、培养规模易放大、成本低的特点。同时在该***中增加了CO2补气***和热交换***，这为工厂余热利用及发电厂、炼钢厂等排放的CO2提供了一个良好的能源化减排方式，同时该***可用于污水治理，具有良好的社会和环境效益。
附图说明
图1显示了本发明封闭式跑道池微藻培养装置的展开侧视图。
图2是培养区侧视示意图。
图3是培养区俯视示意图。
图4是补碳区侧视示意图。
图5是补碳区俯视示意图。
图6是除氧区侧视示意图。
图7是除氧区俯视示意图。
图8是实施例1的封闭式跑道池微藻培养装置的示意图。
图9是实施例2的封闭式跑道池微藻培养装置的示意图。
附图中主要部分代表符号
1.培养区；2.补碳区；3.除氧区；4.水封槽；5.密封水槽排水孔；6.循环搅动装置；7.透明密封罩；8.密封罩支架；9.压锭；10.热交换管道；11.CO2气体微孔爆气装置；12.鼓气装置；13.取样通道；14.传感器通道；15.循环气体通道；16.藻液；17.清理开口；18a.下隔板；18b：上隔板；18c.隔板开口。
具体实施方式
请参阅图1，本发明封闭式跑道池微藻培养***的展开侧视图。本发明包括微藻培养区1、CO2气体捕集的补碳区2、降低培养液中氧气(O2)浓度的除氧区3、密封***、热交换***和各种在线监测传感器组成。
培养区1的结构参见图2和图3所示，其深度一般为15cm～50cm，藻液16的深度一般为10cm～30cm，是微藻生长繁殖的主要区域。
由于培养区是微藻的主要生长地点，因此本发明在培养区的藻液底部和藻液表面设置了一组光量子传感器，以实时监测光照强度。光量子传感器可以是全辐射传感器，也可以是光合有效辐射传感器。在藻液表面设置光量子传感器可以实时监测藻液表面的光强，如果光强太强则可以通过设置遮荫网来降低光强，避免微藻遭受光抑制，甚至光破坏。在藻液底部设置光量子传感器，具有两种功能，第一，监测底部光强是否是微藻的最佳生长光强，如果光强太强，则需要对藻液进行遮荫处理，如果太弱，而上部光量子传感器的光强较强，说明藻液太厚；第二，可以根据上部光量子传感器和下部光量子传感器的测量差值，大致估算藻液藻细胞浓度。
温度是影响微藻生长的重要环境因子之一，在本发明培养区的底部安装了热交换管道10，该管道可以利用工厂余热对藻液进行加温，或者通过外部水循环进行降温。为了实时监测藻液的温度变化，在培养区内安装了在线温度传感器。通过温度传感器的测量和热交换***的调节，可以把藻液的温度控制在微藻的最佳生长温度。
微藻生长需要在一定pH值范围之内，且由于本发明增加了二氧化碳(CO2)补气***，因此需要严格控制藻液的pH值，pH值的控制需要根据藻种来确定。通过在培养区内安装在线pH计可以实时监测整个藻液的pH值变化，因此，也可以通过调节CO2的通入量或其他手段来调节藻液的pH值。
影响微藻生长的另一个重要生理因子是营养元素，本发明在培养区设置了样品取样管道13，以便随时取样监测藻液的营养状态。同时在培养区还设置了安装各自传感器的传感器通道14。至于本发明采用的光量子传感器、温度传感器、pH计、BOD传感器、COD传感器、氮和磷传感器直接从市场上购买，具体安装按照生产厂家使用说明进行操作(此属公知技术)。为避免微藻培养过程中产生的有毒有害气体或过量氧气在培养区上部积累，在培养区设置了循环气体通道15，用于定期置换培养区上部气体。
补碳区2的结构请参见图4和图5，主要是用于给藻液补充CO2气体。为了使CO2气体充分溶解在藻液之中，该补碳区一般的深度至少为1m，最深不超过3m。补碳区采用隔板结构(见图3)，整个补碳区的底部设有数个下隔板18a，每两个下隔板18a之间设有一上隔板18b，各上隔板的顶部为一体封闭。相邻上隔板18b和下隔板18a为上下交错，在上部或下部都留有交错开口18c，使藻液呈蛇形流过整个补碳区。补碳区的前端和后端的隔开单元与培养区连通，在每一个隔板隔开的单元底部安装CO2气体微孔爆气装置11，该装置可以与发电厂或炼钢厂的CO2排气***相连接。此外，为了清洁的方便，在每个隔开的单元顶部设置一个可密封的清理开口17。
微藻在进行光合作用的同时，会大量释放氧气(O2)，如果藻液或藻液上部空气中O2浓度过高，则会抑制微藻生长。为了实时监测藻液及密闭***内空气中的O2浓度，在藻液和空气中分别设置了液相和气相氧电极(采用的是公知设备和公知技术)。同时在培养区之后设置了除氧区3(其结构请参见图6和图7)，该除氧区采用单独封闭，藻液通过下部下流槽与培养区连通，保证整个藻液可以循环流动，底部设置鼓气装置12，用于向藻液中输送洁净空气，通过曝气作用降低藻液中的溶解氧浓度，消除氧抑制现象。同时在除养区设置循环气体通道15，作为输入空气的出口。
培养区、补碳区和除氧区内部均为“凹”型槽结构，培养区和除氧区“凹”型槽内无隔板结构，补碳区“凹”型槽内有隔板结构。补碳区的深度最深、随后依次是除氧区和培养区。补碳区两端的上隔板高度较培养区内的液面高，保证微藻在上隔板的阻力下，向下、向上、再向下、再向上呈蛇形流经补碳区。补碳区出液口一侧设置有搅拌混合动装置(公知设备和公知技术)，驱动藻液流动。补碳区两侧与培养区藻液直接连通，除氧区与培养区连接部位藻液被密封槽及其下部延伸部分隔开，保证藻液淹没密封槽下部，下部藻液互相连通。除氧区整个区域均有密封槽，该部分单独封闭除氧区。
本发明的封闭式跑道池微藻培养***边缘是一个环式的水封槽4，水封槽4的宽度为40cm～60cm，外侧边缘约为10cm～20cm，但总要保证外侧边缘较内侧边缘低10cm以上，可以有效***积累的雨水。当把透明密封罩7的边缘放置在该水封槽4内时，用压锭9或其它物品(沙袋)压住密封膜边缘，并在水封槽4内充满水，这样就可以保证跑道池内部处于密封状态。在水封槽4内设置几个可封闭的密封水封槽排水孔5，以方便清洗时把水封槽内的水排空。
为了保证水蒸气不会聚集在透明密封罩上，本发明采用透明防雾膜，防雾膜的边缘埋在水封槽4内，跑道池上部设置支架8，用于支撑防雾膜7。该防雾膜的材料可以是聚酯(PET)材质或者聚氯乙烯(PVC)材质，厚度为0.02mm～0.8mm。如果在夏季，可以换为只透射400nm～700nm的防雾膜，不至于藻液温度过高抑制微藻生长。
为了推动整个跑道池内的藻液流动，在培养区和补碳区交接部分设置一个循环搅动装置6。该循环搅拌装置6采用电动机带动蹼轮进行搅拌，蹼轮的高度与藻液厚度相同，约30cm，蹼轮宽度约为培养区宽度的3/4。该装置的两端固定在培养区的两侧壁上，蹼轮中心轴与培养区底部在同一水平线。用来驱动藻液在跑道池内的循环流动，另一个功能是充分搅拌藻液，使微藻在藻液中均匀悬浮。
本发明可以用于污水处理，因此需要检测水质的变化，BOD、COD、总氮、氨态氮、硝态氮和总磷作为最主要的指标，通过在藻液内增加BOD传感器、氮和磷在线传感器(公知技术，不详细叙述)，实时监控污水的处理情况。同时本发明既可以用于微藻捕获发电厂或炼钢厂排放的CO2，又可用于具有良好保健、医药应用价值的微藻或能源微藻培养。
本发明可以用于培养微藻，包括螺旋藻、鱼腥藻、杜氏藻、衣藻、红球藻、小球藻、栅藻、角毛藻、褐枝藻、骨条藻、菱形藻、紫球藻和蔷薇藻等微藻。
本发明的培养区、补碳区和除氧区可以根据具体的情况进行多种形式的变化组合，例如，培养区的长度较长时，可以在培养区段内单独增加一个或几个补碳区(即该补碳区的两端均连接培养区，而不与除氧区相连接)，用于给藻液补充CO2气体。
实施例1
根据本发明的封闭式跑道池微藻培养***为环式跑道池的培养***(见图8)。培养区1、补碳区2和除氧区3组成一个环式跑道，上述组成部分的长度和宽度可以根据实际情况进行设定。培养区1和补碳区3使用水封***和防雾膜进行全封闭，除氧区3单独封闭。循环搅拌装置7位于补碳区和培养区的连接部分，培养区1和除氧区3上部气体均通过管道与外部过滤除菌循环换气***连接。在培养区1和补碳区2各设置一个取样通道，在培养区1内安装在线pH值传感器、温度传感器、光量子传感器、N和P传感器、BOD传感器、气相和液相氧电极等监测设备。该***可以用于大规模的微藻培养、污水处理和CO2捕集。
实施例2
本发明的封闭式跑道池微藻培养***可以根据具体情况组合成更加复杂的培养***(见图9)。该装置可以有多个培养区1、补碳区2和除氧区3组成，具体的数量可以根据实际的需要进行设置。培养区1和补碳区使用水封***进行封闭，除氧区3单独进行封闭。由于跑道加长，因此，增加了CO2的利用效率，但同时需要增加藻液循环搅拌装置。培养区和除氧区上部气体均通过管道与外部过滤除菌循环换气***连接，保证了上部气体可以随时进行循环更换。在培养区1和补碳区2设置取样通道，在培养区1内安装在线pH值传感器、温度传感器、光量子传感器、N和P传感器、BOD传感器、气相和液相氧电极等监测设备。由于培养区1跑道加长，根据实际需要可以增加各种传感器数量以及取样通道的数量，以便随时监测微藻的各种生理生化变化。该***也可以用于大规模的处理污水、捕集CO2和培养微藻。

Claims (10)

1.一种封闭式跑道池微藻培养***，包括由至少两个用于培养微藻的培养区、至少一个用于捕集二氧化碳气体的补碳区和至少一个用于降低培养液中氧气浓度的除氧区所组成的循环状跑道池；其中：
跑道池边缘为槽状结构的水封槽，水封槽外侧低于内侧；
跑道池中的培养区和补碳区上方设有透明密封罩，形成培养区和补碳区的连贯封闭空间；
培养区的一端与补碳区相连，另一端与除氧区相连，补碳区和除氧区各自的另一端又与培养区相连；
补碳区和培养区之间设置有循环搅动装置，以推动跑道池内的藻液流动；
培养区的底部设有热交换管道，以对培养区进行加温或降温；位于培养区上方与透明密封罩之间的封闭空间内设有循环换气管道，该循环换气管道的一端通过除菌过滤装置与外部换气设备连通；
培养区内设置有至少一个取样管道，该取样管道的一端延伸出封闭空间之外；
补碳区的底部设有二氧化碳曝气装置，以向补碳区内的藻液补充二氧化碳；
补碳区内的底部设置若干个下隔板，下隔板间隔之间设置有上隔板，相邻的上隔板和下隔板上下交错开口，使藻液呈蛇形流过补碳区；
除氧区的上方设有透明密封罩，形成相对培养区和补碳区独立的封闭空间，封闭空间内设有循环换气管道，该循环换气管道的一端通过除菌过滤装置与外部换气设备连通；除氧区的底部设置有除氧气曝气管道，以向除氧区内的藻液中补充洁净空气，降低藻液中的氧气浓度；除氧区两端通过下流槽与培养区相连。
2.根据权利要求1所述的封闭式跑道池微藻培养***，其中，培养区内单独地设置有补碳区。
3.根据权利要求1所述的封闭式跑道池微藻培养***，其中，培养区的藻液表面和底部设置有光量子传感器，进行实时监测光照强度。
4.根据权利要求3所述的封闭式跑道池微藻培养***，其中，光量子传感器是全辐射传感器或光合有效辐射传感器。
5.根据权利要求1所述的封闭式跑道池微藻培养***，其中，在培养区内设置传感器通道，以安装温度传感器、pH值传感器、生物耗氧量传感器、氧电极、氮浓度、磷浓度和叶绿素荧光仪传感器。
6.根据权利要求1所述的封闭式跑道池微藻培养***，其中，透明密封罩由支架支撑。
7.根据权利要求1或6所述的封闭式跑道池微藻培养***，其中，透明密封罩为具有防雾功能的选择透光功能膜。
8.根据权利要求7所述的封闭式跑道池微藻培养***，其中，具有防雾功能的选择透光功能膜为聚酯透明防雾膜或聚氯乙烯透明防雾膜。
9.根据权利要求1所述的封闭式跑道池微藻培养***，其中，补碳区和除氧区的深度大于培养区的深度。
10.根据权利要求1所述的封闭式跑道池微藻培养***，其中，培养的微藻包括：螺旋藻、鱼腥藻、杜氏藻、衣藻、红球藻、小球藻、栅藻、角毛藻、褐枝藻、骨条藻、菱形藻、紫球藻和蔷薇藻。
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