CN101280271A - 一种微藻产业化生产装置及生产微藻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微藻培养工程领域与环保技术领域，具体地说是一种微藻产业化生产装置及生产微藻的方法，气推式光生物反应器单元装置为砖块和混凝土砌筑的环状浅水池，池中砌有一道两端开放的隔离墙，气推式光生物反应器设有排液管与补液管，反应器中部的隔离墙上固定有进气管，进气管与多根L型的支管连接，支管的横管侧壁开有许多微喷气孔，整个反应器用农用薄膜完整地覆盖并设天窗，形成封闭式光生物反应器。本发明结合开放式与封闭式光生物反应器各自优点，利用工业废气与富营养化地表水或工业废水为主要原料，进行大规模培养微藻，特别是培养含油率高的微藻，为大中型生物柴油厂提供原料油，同时实现二氧化碳的减排及对污染水体的治理。

Description

一种微藻产业化生产装置及生产微藻的方法
[技术领域]
本发明涉及微藻培养工程领域与环保技术领域，具体地说是一种微藻产业化生产装置及生产微藻的方法。
[背景技术]
微藻能有效利用光能、二氧化碳和无机盐，合成脂肪、蛋白质、多糖以及多种高附加值的生物活性物质。随着人类对微藻认识的不断加深，开发和研制新型高效光生物反应器及其培养方法，已成为微藻生物工程技术的一个重要组成部分。
目前，微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。开放式光生物反应器主要有四种类型：浅水池、循环池、跑道池式、池塘。其中，最典型、最常用的开放池培养系统是Oswald(1969)设计的跑道池反应器，该类培养系统实际上就是占地面积上千平方米，培养液深度为20厘米左右的环形浅池；以自然光为光源和热源，依靠桨轮(paddle wheel)或者旋转臂(rotating arm)的转动，使培养液在池内混合、循环，防止藻体沉淀并提高藻体细胞的光能利用率。开放式光生物反应器虽然构建简单、成本低廉、操作简便，但其存在易受污染、培养条件不稳定等缺点，只能用于螺旋藻、小球藻及盐藻等少数能耐受极端环境的微藻培养。而封闭式反应器培养条件稳定，可无菌操作，易进行高密度培养，已成为今后的发展方向。与开放式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器具有以下优点：①无污染，能实现单种、纯种培养；②培养条件易于控制；③培养密度高，易收获；④适合于所有微藻的光自养培养，尤其适合于微藻代谢产物的生产；⑤有较高的光照面积与培养体积之比，光能和二氧化碳利用率较高。因此，近年来在国内外封闭式光生物反应器的研制和开发利用较快，有些已实现了微藻的高密度商业化培养。目前封闭式光生物反应器有：管道式、平板式、柱状气升式、搅拌式发酵罐、立式吊袋、浮式薄膜袋等。虽然封闭式光生物反应器的型式繁多，但用于大规模生产的目前仅见报道的为年产上百吨藻粉的管道式光生物反应器，并且该设备的造价及维修成本很高，很难普及。
另一方面，微藻培养的生产成本也居高不下，首先是原料成本，其次是采收成本。要降低微藻培养的原料成本，必须改变目前常用的以碳酸氢钠、葡萄糖等为主的碳源，采用以烟道气、其它富含二氧化碳的工厂废气作为主要碳源的原料供应方式，同时实现二氧化碳的减排。而微藻生长所需的氮、磷供应也应尽可能采用富营养化的地表水或工业废水中已有的氮、磷，不足的营养成分只需少量添加，从而大幅度降低微藻培养的原料成本。
[发明内容]
本发明的目的在于克服上述现在技术存在的缺陷及不足，开发一种投资少、操作简单，能充分利用太阳光能，以及工业废气、富营养化地表水或工业废水为主要原料，进行大规模培养微藻的生产装置及其生产方法，同时实现二氧化碳的减排以及对污染水体的治理。一种微藻产业化生产装置，包括气推式光生物反应器、供气总管、补液总管、藻液总管，每一个气推式光生物反应器设有环状浅水池1、隔离墙2、排液管3、补液管4、进气管5、支管6、农用薄膜7、透光板8、遮光膜9，其特征在于气推式光生物反应器按行和列整齐排列，所有气推式光生物反应器均为并联连接。每个气推式光生物反应器单元装置采用砖块和混凝土砌筑的环状浅水池1，对于将来可能用于耕种的土地，用复合土工膜建水池。环状浅水池1中砌有一道两端开放的隔离墙2，池的宽度为1～4米，长度为6～80米，深度为30～50厘米。气推式光生物反应器底部设有排液管3，气推式光生物反应器上部设有补液管4，气推式光生物反应器中部的隔离墙上固定有进气管5，进气管5上与至少四根L型的支管6连接，支管的横管与池底平行，并与池壁垂直；横管的侧壁开有许多微喷气孔或管等；整个气推式光生物反应器采用农用薄膜7完整地覆盖，在农用薄膜7的中部设有天窗，天窗上盖有透光板8。横管上微孔喷气的气流方向均为水平向前，由此，反应器中水体在无数根推进方向一致的微小气流的推动下，形成顺时针方向的藻液主体流动。同时，每一股气体微射流都能在一定范围内产生卷吸混合，使上下层藻液进行混合，而气泡的上浮强化了藻液中溶氧的解析，氧气被气泡带至液面而释放；此时气体微射流中的二氧化碳也同时溶解在藻液中，为微藻的生长提供碳源。在本发明中，进气管支管的横管与竖管为弯头连接，横管的另一端由螺帽封住，这样的结构在喷气孔或管被微藻堵塞时，能够把横管拆下来方便地进行清理。
由于本发明培养微藻的生产装置依靠喷气实现水体流动以及微藻培养中的气体交换，省去了庞大的桨轮或旋转臂，整个反应器能够方便地用农用薄膜7完整地覆盖，形成封闭式光生物反应器。这里的农用薄膜选用有利于光合作用的薄膜，例如能防止在薄膜上形成雾滴而降低透光率的无滴薄膜，以及利用光学原理将光转换成对微藻光合作用有利的转光膜等。在农用薄膜7的中部留有1～3个天窗，天窗上盖有透光板8，所用的透光板采用钢化玻璃板或有机玻璃板或聚碳酸酯板等。当气推式光生物反应器中积累的氧气浓度达到一定水平时，移开透光板进行一段时间的通风及散热。开窗通风时，应临时加大反应器进气管的进气量，以加快排出氧气的速度，同时保证反应器中微小的正压，防止外界空气中的微生物及灰尘进入反应器。在炎热的夏天，可在透光膜上再覆盖一层遮光膜9，防止光照过强而抑制甚至损害微藻的生长，同时降低反应器内温度。
本气推式光生物反应器装有pH电极、溶氧电极、温度传感器、液位计，通过变送器把信号送至计算机中进行显示。同时，反应器的进气管、补液管、排液管上都装有手动及自动阀门，反应器天窗上的透光盖板也装有手动及自动移动装置，在计算机对输入信号进行处理后，根据微藻的培养工艺，可自动调节各阀门及天窗的开度。另外，藻液浓度的检测既可以从反应器的天窗口对藻液取样分析其OD值，也可以在反应器内部的藻液中安装OD传感器，自动连续检测OD值。
本发明微藻产业化生产装置所用的碳源气为电厂、钢铁厂、水泥厂、砖窑厂、发酵厂等提供的富含二氧化碳的烟道气或生产废气，当该气体中二氧化碳浓度高于5％时，先用空气稀释至1～5％，然后通入气推式光生物反应器中。由于所用的碳源气通常为热源，可以用来调节微藻的培养温度。通常气推式光生物反应器中微藻的培养温度为10～40℃，视不同藻种适宜的生长温度而定。
本发明微藻产业化生产装置所用的培养液主要为含氮、磷污染的能生长水生植物的富营养化地表水，如农村的河水、湖水、浅海水等，以及养殖场、酒厂、酒精厂、药厂等产生的有机废水，等等。根据所用富营养化水体的水质，以及所选藻种适宜生长的营养配比，计算并添加少量必需的营养成分，构成微藻的培养液。另外，可以加入合适的植物生长调节剂、光合作用促进剂等，以促进微藻的生长。
本发明中所述微藻包括来自淡水微藻、咸湖水微藻、海水微藻等，类别为金藻、绿藻、硅藻、蓝藻、红藻等，优选为含脂高的微藻，如葡萄藻、小球藻、球等鞭金藻3011、绿色巴夫藻等。
本发明提供的生产微藻的方法，包括首先对含氮、磷的富营养化水体进行过滤和消毒，然后加入少量必需的营养成分，以及植物生长调节剂、光合作用促进剂等，配成培养液。随后将二级扩种后的藻种液接种到反应器中，液位深度达到5～20毫米，然后逐步加入培养液使液位达到20厘米。在白天连续通入富含二氧化碳的烟道气或生产废气保证微藻的生长所需的碳源，在晚上适当通入空气维持微藻的呼吸。用热的二氧化碳的烟道气或生产废气以及天窗的开度来调节培养温度，培养温度为10～40℃，视不同藻种适宜的生长温度而定。实时监测反应器培养液中的溶氧浓度，当溶氧浓度达到一定水平时，移开天窗上的透光板进行一段时间的通风，以降低培养液中的溶氧浓度。生产周期为60～90天，白天充分利用太阳光使微藻在阳光下迅速繁殖，如果需要夜间连续生产，可在反应器上方安装光电转换率高的路灯，如高压钠灯、金卤灯等进行照明，以供给微藻所需光能量。1个生产周期结束后，排空反应器中的培养液，随后进行清洗和消毒，紧接着开始下一个生产周期。
每天早上一次从反应器窗口处移开透光板进行培养液取样，检测藻液浓度(OD值)、pH值、溶氧值、温度、盐度、氮磷浓度等。当营养液中的养分减少或水分挥发后，可通过补液管进行补液，补液后的最高液位可达30厘米。视微藻培养液浓度不定期收集微藻，即打开排液管阀门排出藻液，当反应器液位降至15～20厘米时停止排液，以控制每次的采收率在10～30％。把富含微藻的培养液泵入气浮罐，富集得到的浓藻浆由罐顶排入贮槽，而经采收后的稀藻液自罐底流出，对其补充适当的新鲜培养液后，通过补液管重新加入到反应器中进行微藻培养。浓藻浆经离心脱水、喷雾干燥制成微藻粉，或对微藻进行破壁后提取所需的油脂、不饱和脂肪酸、蛋白质、多糖等物质。
本发明在结合开放式光生物反应器与封闭式光生物反应器各自优点的基础上，提供了微藻产业化生产装置及生产微藻的方法，利用工业废气与富营养化地表水或工业废水为主要原料，进行大规模培养微藻，特别是培养含油率高的微藻，为千吨级甚至万吨级的生物柴油厂提供原料油，同时实现二氧化碳的减排以及对污染水体的治理。
[附图说明]
图1为本发明生产微藻的气推式光生物反应器单元装置的结构示意图；
图2为本发明产业化生产微藻时多个气推式光生物反应器与管线的布局示意图；
参见图1，1为环状浅水池，2为隔离墙，3为排液管，4为补液管，5为进气管，6为支管，7为农用薄膜，8为透光板，9为遮光膜。
[具体实施方式]
以下结合附图及附图给出的实施例对本发明作进一步说明。本发明的制造技术对本专业的人来说是容易实施的。
实施例1(单个反应器)
培养微藻的单个气推式光生物反应器为砖块和混凝土砌筑的环状浅水池1，池中用砖砌一道两端开放的隔离墙2，池的宽度为3米，长度为60米，深度为40厘米。气推式光生物反应器的底部装有排液管3，上部装有补液管4。气推式光生物反应器中部的隔离墙上固定有进气管5，进气管上接出120根L型的支管6，支管的横管与池底平行，离池底间距5厘米，并与池壁垂直；横管的侧面管壁上均匀地开出一排孔径为1毫米的小孔，孔的密度为3个/厘米，气流方向均为水平向前，由此，气推式光生物反应器中水体在无数根推进方向一致的微小气流的推动下，形成顺时针方向的主体流动。同时，每一股气体微射流都能在一定范围内产生卷吸混合，使上下层藻液进行混合，而气泡的上浮强化了藻液中溶氧的解析，氧气被气泡带至液面而释放；此时气体微射流中的二氧化碳也同时溶解在藻液中，为微藻的生长提供碳源。整个气推式光生物反应器用农用薄膜7完整地覆盖，形成封闭式光生物反应器。这里的农膜选用长寿命的聚氯乙烯无滴薄膜，防止薄膜上形成雾滴而降低透光率。在薄膜的左中部开有1个天窗，天窗上盖有透光板8，当气推式光生物反应器中积累的氧气浓度达到一定水平时，移开透光板进行30分钟的通风及散热。
气推式光生物反应器中装有pH电极、溶氧电极、温度传感器、液位计等，通过变送器把信号送至计算机中进行显示。同时，反应器的进气管、补液管、排液管上都装有手动闸阀，藻液浓度的检测可以从反应器的天窗口对藻液取样分析其OD值。
本实施方案中培养微藻所用的碳源气为已经过除尘的锅炉烟道气，其二氧化碳的含量为15％，需先用空气稀释至2％，然后通入反应器中。该烟道气的温度为50～60℃，可以用来调节培养温度，培养温度为20～25℃。所用的培养液为海水虾养殖场排出的污水，水质为IV类水，按0.1克/立方米的浓度添加硫酸铁，按0.03克/立方米的浓度添加维生素B1，构成培养微藻的培养液。所用的微藻是球等鞭金藻3011。
培养微藻的方法包括首先对海水虾养殖场排出的污水进行过滤和消毒，按上述方法加入少量必需的营养成分，配成培养液。随后将二级扩种后的藻种液接种到反应器中，液位深度达到20毫米，然后逐步加入培养液使液位达到20厘米。在白天连续通入富含二氧化碳的烟道气保证微藻的生长，在晚上适当通入空气维持微藻的呼吸。用热的二氧化碳的烟道气以及天窗的开度来调节培养温度，培养温度为20～25℃。实时监测反应器培养液中的溶氧浓度，当溶氧浓度达到12毫克/升时，移开透光板进行30分钟的通风。生产周期为60天，白天充分利用太阳光使微藻在阳光下迅速繁殖，在反应器上方安装高压钠灯进行夜间照明以强化微藻的生长。
实施例2(多个反应器)
在工业化大规模生产微藻时，需要用多个气推式光生物反应器并联生产，反应器与管线的布局见图2。在每一排上，反应器紧密排列，相邻两个反应器之间只留下走管线的间距。相邻两排反应器之间需留出0.5米的操作通道，方便操作人员进行铺膜、取样、开天窗通风、清扫、开关各阀门等操作。
东西向布局的供气总管与补液总管经过每一列反应器时分出一根南北走向的支管，在每个反应器的端部进入反应器，为反应器供气和补液。在收集藻液时，藻液先排入反应器旁一根南北走向的支管，然后由每根支管再汇总到藻液总管，随后进行微藻的采收、干燥、提纯等操作工序。

Claims (8)

1. 一种微藻产业化生产装置，包括气推式光生物反应器、供气总管、补液总管、藻液总管，每一个气推式光生物反应器设有环状浅水池(1)、隔离墙(2)、排液管(3)、补液管(4)、进气管(5)、支管(6)、农用薄膜(7)、透光板(8)、遮光膜(9)，其特征在于气推式光生物反应器按行和列整齐排列，所有气推式光生物反应器均为并联连接；每个气推式光生物反应器单元装置采用砖块和混凝土砌筑的环状浅水池(1)或采用复合土工膜建水池；环状浅水池(1)中砌有一道两端开放的隔离墙(2)，气推式光生物反应器底部设有排液管(3)，气推式光生物反应器上部设有补液管(4)，气推式光生物反应器中部的隔离墙上固定有进气管(5)，进气管(5)与L型的支管(6)连接，支管的横管与池底平行，并与池壁垂直；横管的侧壁开有微喷气孔；整个气推式光生物反应器采用农用薄膜(7)完整地覆盖，在农用薄膜(7)的中部设有天窗，天窗上盖有透光板(8)；气推式光生物反应器设有pH电极、溶氧电极、温度传感器、液位计，其进气管(5)、补液管(4)、排液管(3)上都设有手动及自动阀门，气推式光生物反应器天窗上的透光板(8)设有手动及自动移动装置。
2. 根据权利要求1所述的一种微藻产业化生产装置，其特征在于所述的透光板(8)采用钢化玻璃板或有机玻璃板或聚碳酸酯板。
3. 根据权利要求1所述的一种微藻产业化生产装置，其特征在于所述的农用薄膜(7)采用有利于光合作用的无滴薄膜或转光膜。
4. 根据权利要求1所述的一种微藻产业化生产装置，其特征在于进气管(5)上接出的L型的支管(6)至少四根以上，支管(6)的横管与竖管为弯头连接，横管的另一端由螺帽封住。
5. 一种微藻产业化生产装置生产微藻的方法，其特征在于
a、利用富含二氧化碳的工业废气为主要碳源，采用含氮、磷污染的富营养化地表水或有机废水为主配成培养液，进行大规模培养微藻，培养温度为10～40℃，生产周期为60～90天，白天充分利用太阳光，夜间使用路灯供给微藻所需光能量，视微藻培养液浓度不定期用气浮法采收微藻，采收的浓藻浆经离心脱水、喷雾干燥制成微藻粉，或对微藻进行破壁后提取所需的油脂、不饱和脂肪酸、蛋白质、多糖；
b、首先对水体进行过滤和消毒，然后根据所用水体的水质和所选藻种适宜生长的营养配比，计算并添加少量的营养成分以及植物生长调节剂、光合作用促进剂，构成微藻的培养液，随后将二级扩种后的藻种液接种到反应器中，液位深度达到5～20毫米，然后逐步加入培养液使液位达到20厘米；在白天连续通入微藻生长所需的碳源气，在晚上适当通入空气维持微藻的呼吸；用热的碳源气及天窗的开度来调节培养温度，培养温度为10～40℃，视不同藻种适宜的生长温度而定；外界温度过高时在农用薄膜(7)上再覆盖一层遮光膜(9)以降低反应器内温度，同时防止光照过强抑制甚至损害微藻的生长；
c、依靠喷气实现水体流动以及微藻培养中的气体交换，L型支管(6)的横管侧壁的微喷气孔气流方向均为水平向前，反应器中水体在无数根推进方向一致的微小气流的推动下，形成顺时针方向的藻液主体流动，同时，每一股气体微射流都能在一定范围内产生卷吸混合，使上下层藻液进行混合，而气泡的上浮强化了藻液中溶氧的解析，氧气被气泡带至液面而释放；气体微射流中的二氧化碳也同时溶解在藻液中，为微藻的生长提供碳源；当气推式光生物反应器中积累的氧气浓度达到一定水平时，移开透光板(8)进行一段时间的通风及散热，降低培养液中的溶氧浓度，开窗通风时，临时加大反应器进气管的进气量，加快排出氧气的速度，同时保证反应器中微小的正压，防止外界空气中的微生物及灰尘进入反应器；在晚上通过进气管(5)、L型的支管(6)适当通入空气，以维持微藻呼吸所需的最低的溶氧浓度；
d、当营养液中的养分减少或水分挥发后，通过补液管进行补液，补液后的最高液位为30厘米；视微藻培养液浓度不定期收集微藻，即打开排液管阀门排出藻液，当反应器液位降至15～20厘米时停止排液，以控制每次的采收率在10～30％；把富含微藻的培养液泵入气浮罐，富集得到的浓藻浆由罐顶排入贮槽，而经采收后的稀藻液自罐底流出，对其补充适当的新鲜培养液后，通过补液管重新加入到反应器中进行微藻培养。
6. 根据权利要求5所述的一种微藻产业化生产装置生产微藻的方法，其特征在于所述的碳源气为富含二氧化碳的烟道气或生产废气，当该气体中二氧化碳浓度高于5％时，先用空气稀释至1～5％，然后通入气推式微藻工业化生产装置中。
7. 根据权利要求5所述的一种微藻产业化生产装置生产微藻的方法，其特征在于所述微藻来自淡水微藻、咸湖水微藻、海水微藻，类别为金藻、绿藻、硅藻、蓝藻、红藻，优选为含脂高的微藻。
8. 根据权利要求7所述的一种微藻产业化生产装置生产微藻的方法，其特征在于所述的含脂高的微藻为葡萄藻、小球藻、球等鞭金藻3011、绿色巴夫藻。
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Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20081008