CN107746819A - 一种高效规模化培养藻类的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效规模化培养藻类的方法，包括：对培养池预处理和培养用水预处理；向培养池中添加培养基，并按接种密度将藻种接种在培养池中；实时监测藻群体大小以及培养池中的光强度、温度、pH值和藻细胞PSⅡ的光化学活性指标；根据监测数据进行防护调节措施。本发明使藻类在生长的各个时期均能有效悬浮，高效利用光、营养和CO₂，从而实现快速生长。所获得的藻类生物量可以生产功能性食品、食品原料、饵料、高附加值次生代谢产物以及生物柴油等。

Description

一种高效规模化培养藻类的方法

技术领域

本发明涉及藻类生产技术领域，尤其涉及一种高效规模化培养藻类的方法。

背景技术

藻类是无根茎叶分化的低等光能自养生物，其具有个体小、光合效率高、适应环境范围广和单位面积产量高的特点。藻类规模培养和综合开发利用是解决人类面临的粮食、能源、环境和健康等诸多问题的有效措施之一。如已经进行商业化生产的小球藻、螺旋藻、雨生红球藻和杜氏盐藻等，可提供优质蛋白、叶黄素、虾青素、EPA和DHA等物质，是优质的功能性食品和饵料。

跑道池式培养池是目前最经济和有效的室外藻类规模化培养设施，具有运行成本低、便于管理和易放大等特点，在目前藻类规模化培养中应用最为广泛。跑道池中常用螺旋桨式轮叶搅动水体，以驱动藻类悬浮在水体中，这种方式对大多数单细胞微藻非常有效。但是对某些可形成较大群体的藻类而言，由于个体较大，沉降非常迅速，尤其是在面积较大的跑道池中，藻类在局部水域沉底现象非常普遍。并且，随着藻群体的逐步增大，沉底现象也愈发严重，这些沉底藻类，因长期不接受阳光而逐渐死亡，从而滋生细菌并使水体变坏，给养殖带来重大损失。

另一方面，CO₂在藻类培养中具有重要作用，其不仅是藻类进行光合作用的重要底物还是调节培养水体pH的最佳选择。在培养过程中，随着藻类密度增加，水体pH会逐渐升高。如在室外利用太阳光生产时，在天气晴朗时，每天正午的时间段内，培养池的pH值可达11以上。过高pH值会对藻类产生伤害，甚至杀死细胞。一般情况下，会在池中供应CO₂，但是为了藻类能获得足够的光，跑道式培养池中的水体深度一般保持在30cm以下。如此浅的水，使得CO₂在水中的停留时间过短，不能有效溶解在水体中，导致不能及时降低pH，并产生很大浪费。

另外，光是藻类生长的重要因子。光能供应不足，会降低藻类生长速率，而光强过强则会产生光抑制现象，对藻类产生危害，严重的还会导致藻类细胞白化并死亡。因此，在利用自然光养殖藻类过程中，适时遮光显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷和问题，本发明实施例的目的是提供一种高效规模化培养藻类的方法。本发明的方法有效解决了大群体藻类沉淀、培养池中的CO₂在水中停留时间短，溶解率低，不能为藻类光合作用提供足够碳源，以及不能有效维持适度的光照强度，影响藻类生长速率的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一种高效规模化培养藻类的方法，包括以下步骤：

步骤一、采用跑道池式培养池,对培养池预处理和培养用水预处理；

步骤二、向培养池中添加培养基，并按接种密度将藻种接种在培养池中；

步骤三、实时监测藻群体大小以及培养池中的光强度、温度、pH值和藻细胞PSⅡ的光化学活性指标；

步骤四、根据步骤三中的监测数据进行防护调节措施。

进一步地，所述防护调节措施包括：当监测得到的藻群体直径大于直径标准值时，对藻群体进行搅拌处理和通气处理；当监测到的藻细胞PSⅡ的光化学活性低于光化学活性标准值时，进行遮光处理；当监测到的pH值高于pH标准范围时，向培养池底通入CO₂气体。

本发明将搅拌处理和通气处理相结合，可有效避免大群体藻类的沉淀现象。

进一步地，步骤一中，培养池预处理包括对培养池和培养池的周边环境进行清洗、消毒和暴晒；

对培养池进行预处理，使培养池有一个相对封闭的内环境，可用类似建造大棚的方式将其隔离；周边环境要定期清理和消毒，保持干燥和干净，不给其他杂藻繁殖的空间。可在培养池内喷洒1-3％的漂白粉消毒液，然后在晴好天气下暴晒1-3天。

培养用水预处理包括对培养用水进行过滤，过滤时可用孔径小于3um的滤膜或者以细沙、木炭为填充料的过滤设施；

培养用水最好选择地下200m以上的深层水、自来水，这种水可直接使用；如是其他来源的天然水则需要过滤，以除去其他浮游生物。

其中，所述培养用水的加水深度在10-50cm；培养用水需要经过经过至少12h的搅动或者曝气处理。

进一步地，步骤二中，所述培养基按质量份数包括：NaNO₃ 100-2000份，Ca(H₂PO4)₂40-500份，K₂Mg(SO4)₂ 60-300份，Na₂SiO₃ 10-1000份,Na₂CO₃ 20-300份,FeCl₂ 3-20份，H₃BO₃ 1-10份，MnCl₂·4H₂O 0.5-5份,ZnSO₄·7H₂O 0.1-0.6份,CuSO₄·5H₂O 0.02-0.2份,Na₂MoO₄·2H₂O 0.02-1.0份，CoCl₂·6H₂O 0.02-4份。

进一步地，步骤二中，藻种在接种前，需结合培养光强和温度条件进行驯化7-8天；接种的藻体直径大于400um，密度的鲜重不低于0.5kgm^-3。

对藻种进行驯化，以适应培养条件，避免因环境改变而导致的应激反应发生；驯化时应遵循渐变原则，让藻逐步适应环境。

进一步地，所述培养池中还包括螺旋桨式轮叶搅拌装置和鼓泡式通气装置，对藻群体进行搅拌处理和通气处理；步骤四中，所述直径标准值为0.5mm，当藻群体直径为0.5mm-1mm之间时，只开启螺旋桨式轮叶搅拌装置，且轮浆转速不低于12rpm；当藻群体直径为1mm-3mm之间时，轮浆转速不低于10rpm；当藻群体直径大于3mm时，轮浆转速调至6rpm以下，并打开鼓泡式通气装置，通气将底部藻体鼓起。

这样可以保证培养藻类不产生沉淀，避免因长期沉底、光照不足而引起的藻体分解、死亡和腐败变质；并且较大群体的藻不被过强的机械搅拌产生的剪切力等所破坏。

进一步地，步骤四中，所述光化学活性标准值为0.2；当藻细胞PSⅡ的光化学活性低于0.2时，采用遮阴网遮光，使藻细胞PSⅡ的光化学活性在1h内恢复到0.4以上。

本发明中利用一种成本较低的光化学效率测定仪，在30s内完成光对藻类危害的检测，依据检测参数，判定是否采取遮光措施，从而避免强光对培养的藻产生危害，同时确定何时可以去除遮阳网，使藻类具有更长的适合生长的时间，以获得最大藻类生物量。

进一步地，步骤四中，所述pH标准范围为6.5-9.5；当监测到的pH值高于9.5时，打开所述鼓泡式通气装置，采用纳米增氧管向培养池底通入CO₂气体，且所通入的CO₂气体气泡大小在10-50μm之间；当pH值低于6.5时，停止CO₂气体的通入。

增加CO₂供应，提供藻类光合作用所需的无机碳源，加快光合固碳速率，为藻类生长提供充足碳架。

进一步地，步骤四中，还包括对藻进行收获或者转移处理；当藻的密度大于鲜重10kg/m^-3后，采用网筛对符合要求的藻进行收获，降低藻密度。

当藻密度大于鲜重10kg/m^-3后，藻体间自遮光严重，培养藻会因得不到充足光而生长变慢；此时需要通过收获或转移的方式，降低藻的密度，使池中藻的密度保持在适当水平，避免因密度过高而造成藻体自遮光或密度过低而产生光抑制等导致的产量下降，从而保持较高的生产效率。

进一步地，所述鼓泡式通气装置包括防沉淀通气管和CO₂气体通气管；所述防沉淀通气管通入空气或氮气，其鼓气泡大小为0.2m-1mm，以搅动V型槽中藻类，避免沉淀产生；所述CO₂气体通气管为纳米增氧管，通入CO₂气体，且所通入的CO₂气体气泡大小在10-50μm之间，以增加CO₂溶解效率；

培养池有螺旋桨式轮叶搅拌装置和鼓泡式通气装置两套独立的搅拌***，二者互为补充；在培养藻类不同大小时期分别通过调节轮浆转速和鼓气装置的通气量，使得培养藻类不产生沉淀，且藻群体不被过强的机械搅拌产生的剪切力等所破坏。上述防沉淀通气管可通入空气或氮气等其他惰性气体。

所述培养池底设置多个下潜式V型深水槽，且培养池内每300-500m²面积上设置一个所述下潜式V型深水槽；所述下潜式V型深水槽的水槽口宽0.1-0.5m、深0.1-2m、长2-4m。

本发明在培养池底增设下潜式V型深水槽，可有效增加CO₂在水中停留时间，增加CO₂溶解，提高供气效率，为藻类光合作用提供充足碳源。

本发明的培养池中还分布设置气石区，用于对培养水进行曝气处理和防止藻类沉淀。在培养池内0.5-1m²范围内设置一个气石，产生的气泡大小在0.8-1.5mm范围内为宜，并且气石的分布应排列交错设置，藻体在轮浆搅动力推动下依次经过交错分布的气石，保证所有藻都能悬浮起来。

本发明提供的一种高效规模化培养藻类的方法，其有益效果在于：

1、本发明使藻类在生长的各个时期均能有效悬浮，高效利用光、营养和CO₂，从而实现快速生长。所获得的藻类生物量可以生产功能性食品、食品原料、饵料、高附加值次生代谢产物以及生物柴油等。

2、本发明能够合理调控培养池中藻密度，有效避免杂藻污染，提高生产效率；随着培养藻生长，通过移除或收获的方式降低藻密度，避免了藻体因密度过高、相互遮光引起生长变慢。

3、将鼓泡式通气装置和螺旋桨式轮叶搅拌装置两种搅动方式在培养池中有效结合起来，避免了在培养池中因单纯通气或单纯轮浆搅拌而产生的藻体大量沉淀现象，使藻能有效悬浮，高效受光，快速生长。

4、随着藻体逐步长大，逐渐降低螺旋桨式轮叶搅拌装置的轮浆转速，同时配以鼓泡式通气装置的通气搅动，可有效避免大群体的机械损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种高效规模化培养藻类的方法中培养池的俯视结构示意图；

图2是本发明一种高效规模化培养藻类的方法的培养池中气石布置方式示意图；

图3是本发明一种高效规模化培养藻类的方法的培养池中的下潜式V型深水槽结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，本发明的一种高效规模化培养藻类的方法，包括以下步骤：

步骤一、采用跑道池式培养池1,对培养池1预处理和培养用水预处理；

培养池1预处理包括对培养池1和培养池1的周边环境进行清洗、消毒和暴晒；

培养用水预处理包括对培养用水进行过滤，过滤时可用孔径小于3um的滤膜或者以细沙、木炭为填充料的过滤设施；

上述培养用水的加水深度在10-50cm；培养用水需要经过经过至少12h的搅动或者曝气处理。

步骤二、向培养池1中添加培养基，并按接种密度将藻种接种在培养池1中；

上述培养基按质量份数包括：NaNO₃ 100-2000份，Ca(H₂PO4)₂ 40-500份，K₂Mg(SO4)₂ 60-300份，Na₂SiO₃ 10-1000份,Na₂CO₃ 20-300份,FeCl₂ 3-20份，H₃BO₃ 1-10份，MnCl₂·4H₂O 0.5-5份,ZnSO₄·7H₂O 0.1-0.6份,CuSO₄·5H₂O 0.02-0.2份,Na₂MoO₄·2H₂O0.02-1.0份，CoCl₂·6H₂O 0.02-4份。

藻种在接种前，需结合培养光强和温度条件进行驯化7-8天；接种的藻体直径大于400um，密度的鲜重不低于0.5kgm^-3。

步骤三、实时监测藻群体大小以及培养池1中的光强度、温度、pH值和藻细胞PSⅡ的光化学活性指标；

步骤四、根据步骤三中的监测数据进行防护调节措施；

上述防护调节措施包括：当监测得到的藻群体直径大于直径标准值时，对藻群体进行搅拌处理和通气处理；当监测到的藻细胞PSⅡ的光化学活性低于光化学活性标准值时，进行遮光处理；当监测到的pH值高于pH标准范围时，向培养池底通入CO₂气体。

上述培养池1中还包括螺旋桨式轮叶搅拌装置和鼓泡式通气装置，对藻群体进行搅拌处理和通气处理；上述直径标准值为0.5mm，当藻群体直径为0.5mm-1mm之间时，只开启螺旋桨式轮叶搅拌装置，且其轮浆5转速不低于12rpm；当藻群体直径为1mm-3mm之间时，轮浆5转速不低于10rpm；当藻群体直径大于3mm时，轮浆5转速调至6rpm以下，并打开鼓泡式通气装置，通气将底部藻体鼓起。

上述光化学活性标准值为0.2；当藻细胞PSⅡ的光化学活性低于0.2时，采用遮阴网遮光，使藻细胞PSⅡ的光化学活性在1h内恢复到0.4以上。

上述pH标准范围为6.5-9.5；当监测到的pH值高于9.5时，打开上述鼓泡式通气装置，采用纳米增氧管向培养池底通入CO₂气体，且所通入的CO₂气体气泡大小在10-50μm之间；当pH值低于6.5时，停止CO₂气体的通入。

还包括对藻进行收获或者转移处理；当藻的密度大于鲜重10kg/m^-3后，采用网筛对符合要求的藻进行收获，降低藻密度。

如图1-3所示，本发明的培养方法中的培养池1，培养池1呈跑道状；培养池1内设置螺旋桨式轮叶搅拌装置和鼓泡式通气装置；上述鼓泡式通气装置包括防沉淀通气管和CO₂气体通气管；上述防沉淀通气管通入空气或氮气，其鼓气泡大小为0.2m-1mm，以搅动V型槽中藻类，避免沉淀产生；上述CO₂气体通气管为纳米增氧管，通入CO₂气体，且所通入的CO₂气体气泡大小在10-50μm之间，以增加CO₂溶解效率。

上述培养池1底设置多个下潜式V型深水槽3，且培养池1内每300-500m²面积上设置一个下潜式V型深水槽3；上述下潜式V型深水槽3的水槽口宽0.1-0.5m、深0.1-2m、长2-4m，如图3所示。

本实施例的培养池1中还分布设置气石区2，用于对培养水进行曝气处理和防止藻类沉淀。在培养池1内0.5-1m²范围内设置一个气石201，产生的气泡大小在1mm为宜，并且气石201的分布应排列交错设置，藻体在轮浆5搅动力推动下依次经过交错分布的气石区2，保证所有藻都能悬浮起来，气石201的交错分布设置如图2所示。

实施例：

以一种可以形成大群体的念珠藻(Nostoc sp.)的生产为例，藻种采自桂林伏波山，经本实验室分离纯化后获得纯化藻种。

所用培养基为优选培养基：NaNO₃ 0.1g/L^-1，Ca(H₂PO₄)2 0.1g/L^-1，K₂Mg(SO₄)₂0.08g/L^-1，Na₂SiO₃ 0.05g/L^-1,Na₂CO₃ 0.15g/L^-1,FeCl₂ 4mg/L^-1，H₃BO₃ 8mg/L^-1，MnCl₂·4H₂O 5mg/L^-11,ZnSO₄·7H₂O 0.3mg/L^-1,CuSO₄·5H₂O 0.1mg/L^-1,Na₂MoO₄·2H₂O 0.04mg/L^-1，CoCl₂·6H₂O 0.02mg/L^-1。

所用跑道式培养池1为长70m×宽12m×深0.5m，顶置倒V型钢构骨架，上覆60目防虫网，防虫网最高处上方1m处加平展式遮阳网，遮阳网为电动调节，在晴朗天气下，每天11:30-13:30进行80％遮阳，其后移除。

池中单边放置螺旋桨式轮叶搅拌装置的轮浆5，除轮浆5前后10m是无气石区4，其余地方布置气石201，同行气石201间的间隔为0.5m，每行间间隔1m，不同行间，气石201交错分布。在培养池1的两个对角处铺设两个长4m×宽0.3m×深1m的下潜式V型深水槽3，槽顶部和池底平齐的地方铺设24目筛网，可起到阻止藻类沉入水槽的作用，槽底放置鼓泡式通气装置的一根长3m的CO₂气体纳米增氧通气管和11个直径为3cm的气石201，分别通入99％CO₂和空气。其中CO₂通气时间和流量依据pH而定，当pH小于6.5时务必关闭，当pH大于9.5时务必开放，CO₂气体通气管通气时间和轮浆5开机时间一致，每天10-12h，夜晚均停止供气。

在培养池1中放入最终经3μm滤膜过滤的河水，水深40cm，每3-5d补水一次，以保持水深稳定。按上述优选培养基配方加入各营养组份，接入经驯化的直径为φ0.8mm的拟球状念珠藻130kg，密度约为0.5kg/m^-3；轮浆5转速设为14rpm，每天开机10-12h，其中每隔2h停机15min，以增加电机使用寿命；15d后，直径达到1.1mm，此时转速调整至11rpm；35天后，直径达到2.4mm，密度约为12kg/m^-3，此时分出1000kg藻至其他池养殖，密度调整为7-8kg/m^-3；50d后，直径增至3mm，分出1500kg藻至其他池养殖，密度调整为约8kg/m^-3，此时轮浆5转速调整至5rpm,鼓泡式通气装置打开；70d后，直径增至4.0-4.5cm，收获藻类约5000kg鲜重。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高效规模化培养藻类的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、采用跑道池式培养池,对培养池预处理和培养用水预处理；

步骤二、向培养池中添加培养基，并按接种密度将藻种接种在培养池中；

步骤三、实时监测藻群体大小以及培养池中的光强度、温度、pH值和藻细胞PSⅡ的光化学活性指标；

步骤四、根据步骤三中的监测数据进行防护调节措施。

2.根据权利要求1所述的一种高效规模化培养藻类的方法，其特征在于：所述防护调节措施包括：当监测得到的藻群体直径大于直径标准值时，对藻群体进行搅拌处理和通气处理；当监测到的藻细胞PSⅡ的光化学活性低于光化学活性标准值时，进行遮光处理；当监测到的pH值高于pH标准范围时，向培养池底通入CO₂气体。

3.根据权利要求1所述的一种高效规模化培养藻类的方法，其特征在于：步骤一中，培养池预处理包括对培养池和培养池的周边环境进行清洗、消毒和暴晒；

培养用水预处理包括对培养用水进行过滤，过滤时可用孔径小于3um的滤膜或者以细沙、木炭为填充料的过滤设施；

其中，所述培养用水的加水深度在10-50cm；培养用水需要经过经过至少12h的搅动或者曝气处理。

4.根据权利要求1所述的一种高效规模化培养藻类的方法，其特征在于：步骤二中，所述培养基按质量份数包括：NaNO₃ 100-2000份，Ca(H₂PO4)₂ 40-500份，K₂Mg(SO4)₂ 60-300份，Na₂SiO₃ 10-1000份,Na₂CO₃ 20-300份,FeCl₂ 3-20份，H₃BO₃ 1-10份，MnCl₂·4H₂O 0.5-5份,ZnSO₄·7H₂O 0.1-0.6份,CuSO₄·5H₂O 0.02-0.2份,Na₂MoO₄·2H₂O 0.02-1.0份，CoCl₂·6H₂O 0.02-4份。

5.根据权利要求1所述的一种高效规模化培养藻类的方法，其特征在于：步骤二中，藻种在接种前，需结合培养光强和温度条件进行驯化7-8天；接种的藻体直径大于400um，密度的鲜重不低于0.5kgm^-3。

6.根据权利要求1所述的一种高效规模化培养藻类的方法，其特征在于：所述培养池中还包括螺旋桨式轮叶搅拌装置和鼓泡式通气装置，对藻群体进行搅拌处理和通气处理；步骤四中，所述直径标准值为0.5mm，当藻群体直径为0.5mm-1mm之间时，只开启螺旋桨式轮叶搅拌装置，且轮浆转速不低于12rpm；当藻群体直径为1mm-3mm之间时，轮浆转速不低于10rpm；当藻群体直径大于3mm时，轮浆转速调至6rpm以下，并打开鼓泡式通气装置，通气将底部藻体鼓起。

7.根据权利要求1所述的一种高效规模化培养藻类的方法，其特征在于：步骤四中，所述光化学活性标准值为0.2；当藻细胞PSⅡ的光化学活性低于0.2时，采用遮阴网遮光，使藻细胞PSⅡ的光化学活性在1h内恢复到0.4以上。

8.根据权利要求6所述的一种高效规模化培养藻类的方法，其特征在于：步骤四中，所述pH标准范围为6.5-9.5；当监测到的pH值高于9.5时，打开所述鼓泡式通气装置，采用纳米增氧管向培养池底通入CO₂气体，且所通入的CO₂气体气泡大小在10-50μm之间；当pH值低于6.5时，停止CO₂气体的通入。

9.根据权利要求1所述的一种高效规模化培养藻类的方法，其特征在于：步骤四中，还包括对藻进行收获或者转移处理；当藻的密度大于鲜重10kg/m^-3后，采用网筛对符合要求的藻进行收获，降低藻密度。

10.根据权利要求6所述的一种高效规模化培养藻类的方法，其特征在于：所述鼓泡式通气装置包括防沉淀通气管和CO₂气体通气管；所述防沉淀通气管通入空气或氮气，其鼓气泡大小为0.2m-1mm，以搅动V型槽中藻类，避免沉淀产生；所述CO₂气体通气管为纳米增氧管，通入CO₂气体，且所通入的CO₂气体气泡大小在10-50μm之间，以增加CO₂溶解效率；

所述培养池底设置多个下潜式V型深水槽，且培养池内每300-500m²面积上设置一个所述下潜式V型深水槽；所述下潜式V型深水槽的水槽口宽0.1-0.5m、深0.1-2m、长2-4m。