CN212504851U - 用于微藻培养的圆梯式跑道池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于微藻培养的圆梯式跑道池，包括提升区跑道、左圆梯式跑道、直流跑道、右圆梯式跑道组成的回字形跑道；左圆梯式跑道与右圆梯式跑道均为蛇形跑道；左圆梯式跑道设置在第一斜坡上，其高度从后向前逐渐降低；右圆梯式跑道设置在第三斜坡上，且其高度从前向后逐渐降低；直流跑道设置在第二斜坡上，且其高度从左到右逐渐降低；提升区跑道设置在第四斜坡上，且第四斜坡的高度从右到左逐渐升高；第一斜坡、第二斜坡、第三斜坡以及第四斜坡之间平滑相接；提升区跑道由后侧壁和后隔挡板组成；直流跑道由前侧壁和前隔挡板组成；前隔挡板与后隔挡板分别与前侧壁和后侧壁平行；提升区跑道中设置有搅拌桨，搅拌桨与电机输出端连接。
Description
技术领域
本实用新型涉及微藻培养领域，具体涉及一种用于微藻培养的圆梯式跑道池。
背景技术
微藻是一类光合自养微生物，其生物质可以被开发成多种产品，如保健品、生物柴油、活性饵料等，微藻生长的过程也可以应用到环境领域，如二氧化碳减排、废水处理等。在资源和能源紧缺的今天，开发、利用微藻生物资源具有重要的社会价值和经济意义。
微藻的大规模培养方式可分为密闭式和开放式，其中开放式是指采用开放池装置，在露天或者温室大棚内采用如图1所示的跑道池进行培养，即跑道池内仅设置一个隔挡板而形成环形跑道。它具有技术简单、投资少等特点，在螺旋藻、小球藻和盐藻的工业化生产中得到了广泛应用，是目前微藻生产的主要方式。
在传统的大规模培养微藻的开放池内，培养基的流动靠搅拌桨驱动，培养基的平均深度一般为20 cm到50 cm，一般微藻细胞干重浓度在0.5 g/L左右。在该条件下，光线在培养基内传播时，光的穿透距离只有几毫米到几厘米，光的穿透深度有限，造成下层培养基中藻细胞难以见到光照，这是导致开放池培养微藻生物量产率低的主要原因。
微藻的光合作用过程可分为光反应和暗反应两个阶段，在光反应阶段藻细胞接受光量子并转化为化学能，在暗反应阶段藻细胞利用化学能合成细胞组分，此时不需要光照。如果藻细胞以特定的频率（通常高于1 Hz的频率）在光生物反应器的光区和暗区频繁置换时，会产生“闪光效应”，光能的利用率将大大提搞，微藻细胞浓度也会得到很大提高（Janssen M, Slenders P, Tramper J, et al., Enzyme Microbial Technology, 2001,29:298~305; Xue S Z, Su Z F, Cong W., Journal of Biotechnology, 2011, 151(3):271-277）。如果可以实现微藻细胞在光照区和暗区的来回穿梭，就可使得接受过光照的藻细胞及时进入暗区进行暗反应，而暗区已经完成暗反应的藻细胞可以及时回到光照区接受光照，这样就能够使得光能利用率提高，同时还可以防止藻细胞因重力作用下沉。因此，在跑道池内培养基的充分混合，特别是平行于光照方向的上下混合，对于提高微藻光能利用率，降低微藻培养成本至关重要。
然而，在传统的开放池内，培养基在流道内的混合完全靠在搅拌桨的推动下在流道内流动形成的自然流动，混合不充分，属于自然形成的湍流，特别是在接近池底处更是接近层流。专利CN201310298122.9实用新型了一种用于微藻大规模培养的挡板跑道池，该类型的跑道池在开放池的流道中设置若干挡板于池底，当培养基以一定的流速在本实用新型的开放池内流动时，由于挡板的作用，产生了垂直于流动方向的纵向混合，一定程度上提高了光能利用效率。但是由于斜挡板的作用，培养基混合能耗增加，且在挡板背面存在混合死区，有滋生细菌，造成培养失败的风险。类似的，专利201210097707.X提供了一种基于强化光照方向混合的新型内部构件及反应器，具体是在反应器内部交替设置塔板，各塔板之间形成梯形状的局部空间区域。此构型可使得培养基在光照区和黑暗区形成循环流动，提高微藻生物量产率。实际上，在原有反应器尤其是开放池池底（一般铺设有塑料膜或为水泥池底）进行改造，对原有防渗造成不必要的影响，且成本高、能耗高，推广难度较大。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于微藻培养的圆梯式跑道池，此跑道池内的培养基沿着圆梯组流动，能够形成循环涡流，可以更好的实现培养基的充分混合，实现藻细胞在开放池的光区和暗区的来回穿梭，增强藻细胞的光能利用率和产率，且因为流道具有一定落差，培养基可以在跑道池内实现自流，且没有混合死区。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种用于微藻培养的圆梯式跑道池，包括依次连通的提升区跑道、左圆梯式跑道、直流跑道、右圆梯式跑道组成的回字形跑道，所述右圆梯式跑道的另一端与所述提升区跑道的右端连通；所述左圆梯式跑道与所述右圆梯式跑道均为蛇形跑道；
所述左圆梯式跑道设置在第一斜坡上，所述第一斜坡的高度从后向前逐渐降低；所述右圆梯式跑道设置在第三斜坡上，所述第三斜坡前端与所述第一斜坡的高度一致，且其高度从前向后逐渐降低；所述直流跑道设置在连接第一斜坡和第三斜坡前端的第二斜坡上，且所述第二斜坡的高度从左到右逐渐降低；所述提升区跑道设置在连接第一斜坡和第三斜坡后端的第四斜坡上，且所述第四斜坡的高度从右到左逐渐升高；所述第一斜坡、所述第二斜坡、所述第三斜坡以及所述第四斜坡之间平滑相接；所述第一斜坡的宽度与第三斜坡的宽度一致；所述第二斜坡和所述第四斜坡的宽度一致；所述提升区跑道由跑道池本体的后侧壁和设置在第四斜坡上的后隔挡板组成；所述直流跑道由跑道池本体的前侧壁和设置在第二斜坡上的前隔挡板组成；所述前隔挡板与后隔挡板分别与前侧壁和后侧壁平行；所述提升区跑道中设置有搅拌桨，所述搅拌桨贯穿跑道池本体的后侧壁并与设置在跑道池本体外部的电机输出端连接。
进一步地，所述提升区内还设置阱式补碳装置，所述阱式补碳装置位于所述搅拌桨的上游。
进一步地，所述左圆梯式跑道由设置在第一斜坡左右两侧的第一左圆梯组和第一右圆梯组构成，所述第一左圆梯组包括若干个开口方向向右且依次相接的第一圆弧槽；所述第一右圆梯组包括若干个开口方向向左且依次相接的第二圆弧槽；所述第一圆弧槽与第二圆弧槽个数相同；所述第一左圆梯组的后端与跑道池本体的后侧壁连接，其前端连接有开口朝右的第一半圆弧槽，所述第一半圆弧槽的前端与所述前侧壁连接；所述第一右圆梯组的前端和后端分别与所述前隔挡板和所述后隔挡板连接；所述右圆梯式跑道由设置在第一斜坡左右两侧的第二左圆梯和第二右圆梯组组成，所述第二左圆梯组包括若干个开口方向向右且依次相接的第三圆弧槽；所述第二右圆梯组包括若干个开口方向向左且依次相接的第四圆弧槽；所述第三圆弧槽与第四圆弧槽个数相同；所述第二左圆梯组的前端和后端分别与所述前隔挡板和后隔挡板连接；所述第二右圆梯组的前端与所述跑道池本体的前侧壁连接，其后端连接有开口朝左的第二半圆弧槽，所述第二半圆弧槽的后端与所述跑道池本体的后侧壁连接；所述第一圆弧槽、所述第二圆弧槽、所述第三圆弧槽、第四圆弧槽以及所述第一半圆弧槽，所述第二半圆弧槽的直径均相同；所述第一圆弧槽、所述第二圆弧槽、所述第三圆弧槽与第四圆弧槽的横截面为优弧，所述第一圆弧槽和所述第二圆弧槽的横截面的后端点处的切线以及所述第三圆弧槽和所述第四圆弧槽的横截面的前端点处的切线与所述跑道池本体的后侧壁平行。
进一步地，所述前隔挡板与所述跑道池本体的前侧壁的距离以及所述后隔挡板与所述跑道池本体的后侧壁的距离等于所述第一圆弧槽的半径；所述前隔挡板的右端到所述跑道池本体的右侧壁的距离以及所述后隔挡板的左端到所述跑道池本体的左侧板的距离等于所述第一圆弧槽的半径；所述前隔挡板的左端延伸至前隔挡板与第一右圆梯组的交接处；所述后隔挡板的右端延伸至前隔挡板与第二左圆梯组的交接处。
进一步地，所述第一圆弧槽，所述第二圆弧槽、所述第三圆弧槽、所述第四圆弧槽的圆心角大于180度小于270度；所述第一左圆梯组的圆心连线和第一右圆梯组的圆心连线之间的距离以及所述第一左圆梯组的圆心连线和第一右圆梯组圆心连线之间的距离均为第一圆弧槽半径的1倍到2倍之间。
进一步地，所述第一斜坡与所述第二斜坡的坡度相同，所述第一斜坡与所述第三斜坡的坡角在3度到15度之间。
进一步地，所述第一圆弧槽、所述第二圆弧槽、所述第三圆弧槽、第四圆弧槽、所述第一半圆弧槽以及所述第二半圆弧槽的高度高度均在10cm到60cm之间。
本实用新型的有益效果：1. 当培养基以一定的流速在本实用新型的圆梯式流道中循环时，会自然形成涡流，从而在垂直于流动方向形成上下混合，带动藻细胞在光照区和暗区来回穿梭，能够充分发挥藻细胞的“闪光效应”，从而提高微藻的光能利用率并提高了藻细胞产率的目的。
2.本实用新型的微藻培养基循环所用能耗相比挡板反应器低，没有混合死区，能够提高单位培养面积的产量。
附图说明
图1：传统跑道池结构；
图2：本实用新型的俯视图；
图3：本实用新型的底部结构示意图；
附图标记：1-跑道池本体；2-直流跑道；3-提升区跑道；4-第一半圆弧槽；5-第二圆弧槽；6-前隔挡板；7-第四圆弧槽；8-右圆梯式跑道；9-第三圆弧槽；10-搅拌桨；11-电机；12-后隔挡板；13-第一圆弧槽；14-左圆梯式跑道；15-第四斜坡；16-第三斜坡；17-第一斜坡；18-第二斜坡；19-第二半圆弧槽；20-阱式补碳装置。
具体实施方式
以下将结合附图1-3和实施例对本实用新型的技术方案进行进一步地说明，一种用于微藻培养的圆梯式跑道池，包括依次连通的提升区跑道3、左圆梯式跑道14、直流跑道2、右圆梯式跑道8组成的回字形跑道，所述右圆梯式跑道8的另一端与所述提升区跑道3的右端连通；所述左圆梯式跑道14与所述右圆梯式跑道8均为蛇形跑道；
所述左圆梯式跑道设置在第一斜坡17上，所述第一斜坡17的高度从后向前逐渐降低；所述右圆梯式跑道设置在第三斜坡16上，所述第三斜坡16前端与所述第一斜坡17的高度一致，且其高度从前向后逐渐降低；所述直流跑道2设置在连接第一斜坡17和第三斜坡16前端的第二斜坡18上，且所述第二斜坡18的高度从左到右逐渐降低；所述提升区跑道3设置在连接第一斜坡17和第三斜坡16后端的第四斜坡15上，且所述第四斜坡15的高度从右到左逐渐升高；所述第一斜坡17、所述第二斜坡18、所述第三斜坡16以及所述第四斜坡15之间平滑相接；所述第一斜坡17的宽度与第三斜坡16的宽度一致；所述第二斜坡18和所述第四斜坡15的宽度一致；所述第一斜坡17与所述第三斜坡16的坡度相同，所述第一斜坡17与所述第三斜坡16的坡角为5度。
所述提升区跑道3由跑道池本体1的后侧壁和设置在第四斜坡15上的后隔挡板12组成；所述直流跑道2由跑道池本体1的前侧壁和设置在第二斜坡18上的前隔挡板6组成；所述前隔挡板6与后隔挡板12分别与跑道池本体1的前侧壁和后侧壁平行；所述提升区跑道3中设置有搅拌桨10，所述搅拌桨10的转轴贯穿跑道池本体1的后侧壁并与设置在跑道池本体1外部的电机11输出端连接。
所述提升区跑道3内还设置有用于补碳的阱式补碳装置20，所述阱式补碳装置位于所述搅拌桨10的上游。所述阱式补碳装置为现有技术，此处不再赘述其具体结构，可按照专利CN200510126465.2设置阱式补碳装置。
所述左圆梯式跑道14由设置在第一斜坡17左右两侧的第一左圆梯组和第一右圆梯组构成，所述第一左圆梯组包括4个开口方向向右且依次相接的第一圆弧槽13；所述第一右圆梯组包括4个开口方向向左且依次相接的第二圆弧槽5；所述第一左圆梯组的后端与跑道池本体1的后侧壁连接，其前端连接有开口朝右的第一半圆弧槽4，所述第一半圆弧槽4的前端与所述跑道池本体1的前侧壁连接；所述第一右圆梯组的前端和后端分别与所述前隔挡板6和所述后隔挡板12连接；
所述右圆梯式跑道8由设置在第三斜坡16左右两侧的第二左圆梯组和第二右圆梯组组成，所述第二左圆梯组包括4个开口方向向右且依次相接的第三圆弧槽9；所述第二右圆梯组包括4个开口方向向左且依次相接的第四圆弧槽7；所述第二左圆梯组的前端和后端分别与所述前隔挡板6和后隔挡板12连接；所述第二右圆梯组的前端与所述跑道池本体1的前侧壁连接，其后端连接有开口朝左的第二半圆弧槽19，所述第二半圆弧槽19的后端与所述跑道池本体1的后侧壁连接；
所述第一圆弧槽13、所述第二圆弧槽5、所述第三圆弧槽9、第四圆弧槽7以及所述第一半圆弧槽4，所述第二半圆弧槽19的直径均相同均为6米；所述第一圆弧槽13、所述第二圆弧槽5、所述第三圆弧槽9与第四圆弧槽7的横截面为优弧，所述第一圆弧槽13，所述第二圆弧槽5、所述第三圆弧槽9、所述第四圆弧槽7的圆心角为240度；所述第一圆弧槽13和所述第二圆弧槽5横截面的后端点处的切线以及所述第三圆弧槽9和所述第四圆弧槽7横截面的前端点处的切线与所述跑道池本体1的后侧壁平行。
所述前隔挡板6与所述跑道池本体1前侧壁的距离以及所述后隔挡板12与所述跑道池本体1的后侧壁的距离等于所述第一圆弧槽13的半径，即3米；所述前隔挡板6的右端到所述跑道池本体1的右侧壁的距离以及所述后隔挡板12的左端到所述跑道池本体1的左侧壁的距离等于所述第一圆弧槽13的半径，即3米；所述前隔挡板6的左端延伸至前隔挡板6与第一右圆梯组的交接处；所述后隔挡板12的右端延伸至后隔挡板12与第二左圆梯组的交接处。
所述第一左圆梯组的圆心连线和第一右圆梯组的圆心连线之间的距离以及所述第一左圆梯组的圆心连线和第一右圆梯组的圆心连线之间的距离均为第一圆弧槽13半径的1.5倍即4.5米。所述第一圆弧槽13、所述第二圆弧槽5、所述第三圆弧槽9、第四圆弧槽7、所述第一半圆弧槽4以及所述第二半圆弧槽19的高度均为20cm。
本实用新型的圆梯式跑道池，其整体结构可由水泥池一次成型，也可在传统跑道池的基础上改造，其材料可以是水泥、圆形塑料或者木板、或者不锈钢等其他金属材料。
本实用新型以钝顶螺旋藻为例，该藻种来自中国科学院水生生物研究所，所用培养基为Zarrouk培养基，其中碳酸氢钠的初始浓度为0.1mol/L。具体方法包含以下步骤：
a、在跑道池内加入培养基并进行消毒，所述培养基的深度为10cm；
b、启动电机带动搅拌桨将培养基搅拌均匀，将微藻藻种接种至培养基中，所述微藻藻种的接种密度按照干基计算为0.5 g/L；调整电机转速使所述培养基的流速在20 cm/s；
c、检测培养基的pH值，当pH值高于10时，开启阱式补碳装置，向培养基中补充二氧化碳气体；每天定时检测营养盐的浓度并及时补充营养盐或者水，保持培养基中的营养盐浓度稳定；
d、检测微藻的细胞浓度，持续培养5天后，藻细胞密度不再变化，用纱布过滤法采收微藻。藻细胞的密度达到1.45 g/L，单位面积藻细胞的产率达到16 g/(m2.d)。
比较例：
在相同的培养条件下，使用不设置圆梯组的跑道池进行钝顶螺旋藻的培养，如跑道池的结构如专利申请号为2017111123808中的跑道池。持续培养12天，藻细胞密度达到0.9g (干重)/L，单位面积藻细胞的产量达到10 .2g /(m2.d)。
显然，同样培养条件下，在本实用新型实施例的圆梯式开放池的面积产率高于比较例中采用传统跑道池的面积产率，即本实用新型的圆梯式开放池使得藻细胞的光能利用率显著提高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种用于微藻培养的圆梯式跑道池，其特征在于：包括依次连通的提升区跑道（3）、左圆梯式跑道（14）、直流跑道（2）、右圆梯式跑道（8）组成的回字形跑道，所述右圆梯式跑道（8）的另一端与所述提升区跑道（3）的右端连通；
所述左圆梯式跑道（14）与所述右圆梯式跑道（8）均为蛇形跑道；
所述左圆梯式跑道设置在第一斜坡（17）上，所述第一斜坡（17）的高度从后向前逐渐降低；所述右圆梯式跑道设置在第三斜坡（16）上，所述第三斜坡（16）前端与所述第一斜坡（17）的高度一致，且其高度从前向后逐渐降低；所述直流跑道（2）设置在连接第一斜坡（17）和第三斜坡（16）前端的第二斜坡（18）上，且所述第二斜坡（18）的高度从左到右逐渐降低；所述提升区跑道（3）设置在连接第一斜坡（17）和第三斜坡（16）后端的第四斜坡（15）上，且所述第四斜坡（15）的高度从右到左逐渐升高；所述第一斜坡（17）、所述第二斜坡（18）、所述第三斜坡（16）以及所述第四斜坡（15）之间平滑相接；所述第一斜坡（17）的宽度与第三斜坡（16）的宽度一致；所述第二斜坡（18）和所述第四斜坡（15）的宽度一致；
所述提升区跑道（3）由跑道池本体（1）的后侧壁和设置在第四斜坡（15）上的后隔挡板（12）组成；所述直流跑道（2）由跑道池本体（1）的前侧壁和设置在第二斜坡（18）上的前隔挡板（6）组成；所述前隔挡板（6）与后隔挡板（12）分别与跑道池本体（1）的前侧壁和后侧壁平行；
所述提升区跑道（3）中设置有搅拌桨（10），所述搅拌桨（10）的转轴贯穿跑道池本体（1）的后侧壁并与设置在跑道池本体（1）外部的电机（11）输出端连接。
2.如权利要求1所述的一种用于微藻培养的圆梯式跑道池，其特征在于：所述提升区跑道（3）内还设置有用于补碳的阱式补碳装置（20），所述阱式补碳装置位于所述搅拌桨（10）的上游。
3.如权利要求2所述的一种用于微藻培养的圆梯式跑道池，其特征在于：所述左圆梯式跑道（14）由设置在第一斜坡（17）左右两侧的第一左圆梯组和第一右圆梯组构成，所述第一左圆梯组包括若干个开口方向向右且依次相接的第一圆弧槽（13）；所述第一右圆梯组包括若干个开口方向向左且依次相接的第二圆弧槽（5）；所述第一圆弧槽（13）与第二圆弧槽（5）的个数相同；所述第一左圆梯组的后端与跑道池本体（1）的后侧壁连接，其前端连接有开口朝右的第一半圆弧槽（4），所述第一半圆弧槽（4）的前端与所述跑道池本体（1）的前侧壁连接；所述第一右圆梯组的前端和后端分别与所述前隔挡板（6）和所述后隔挡板（12）连接；
所述右圆梯式跑道（8）由设置在第三斜坡（16）左右两侧的第二左圆梯组和第二右圆梯组组成，所述第二左圆梯组包括若干个开口方向向右且依次相接的第三圆弧槽（9）；所述第二右圆梯组包括若干个开口方向向左且依次相接的第四圆弧槽（7）；所述第三圆弧槽（9）与第四圆弧槽（7）的个数相同；所述第二左圆梯组的前端和后端分别与所述前隔挡板（6）和后隔挡板（12）连接；所述第二右圆梯组的前端与所述跑道池本体（1）的前侧壁连接，其后端连接有开口朝左的第二半圆弧槽（19），所述第二半圆弧槽（19）的后端与所述跑道池本体（1）的后侧壁连接；
所述第一圆弧槽（13）、所述第二圆弧槽（5）、所述第三圆弧槽（9）、第四圆弧槽（7）以及所述第一半圆弧槽（4），所述第二半圆弧槽（19）的直径均相同；
所述第一圆弧槽（13）、所述第二圆弧槽（5）、所述第三圆弧槽（9）与第四圆弧槽（7）的横截面为优弧，所述第一圆弧槽（13）和所述第二圆弧槽（5）横截面的后端点处的切线以及所述第三圆弧槽（9）和所述第四圆弧槽（7）横截面的前端点处的切线与所述跑道池本体（1）的后侧壁平行。
4.如权利要求3所述的一种用于微藻培养的圆梯式跑道池，其特征在于：所述前隔挡板（6）与所述跑道池本体（1）前侧壁的距离以及所述后隔挡板（12）与所述跑道池本体（1）的后侧壁的距离等于所述第一圆弧槽（13）的半径；所述前隔挡板（6）的右端到所述跑道池本体（1）的右侧壁的距离以及所述后隔挡板（12）的左端到所述跑道池本体（1）的左侧壁的距离等于所述第一圆弧槽（13）的半径；所述前隔挡板（6）的左端延伸至前隔挡板（6）与第一右圆梯组的交接处；所述后隔挡板（12）的右端延伸至后隔挡板（12）与第二左圆梯组的交接处。
5.如权利要求3所述的一种用于微藻培养的圆梯式跑道池，其特征在于：所述第一圆弧槽（13），所述第二圆弧槽（5）、所述第三圆弧槽（9）、所述第四圆弧槽（7）的圆心角大于180度小于270度；所述第一左圆梯组的圆心连线和第一右圆梯组的圆心连线之间的距离以及所述第一左圆梯组的圆心连线和第一右圆梯组的圆心连线之间的距离均为第一圆弧槽（13）半径的1倍到2倍之间。
6.如权利要求2所述的一种用于微藻培养的圆梯式跑道池，其特征在于：所述第一斜坡（17）与所述第三斜坡（16）的坡度相同，所述第一斜坡（17）与所述第三斜坡（16）的坡角在3度到15度之间。
7.如权利要求3所述的一种用于微藻培养的圆梯式跑道池，其特征在于：所述第一圆弧槽（13）、所述第二圆弧槽（5）、所述第三圆弧槽（9）、第四圆弧槽（7）、所述第一半圆弧槽（4）以及所述第二半圆弧槽（19）的高度均在10cm到60cm之间。
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| CN111849718A (zh) * | 2020-09-03 | 2020-10-30 | 信阳碧园生物科技有限公司 | 用于微藻培养的圆梯式跑道池及微藻培养方法 |
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