CN101906380B - 饵料微藻的封闭式管道培养装置及微藻管道培养方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是饵料微藻的封闭式管道培养装置及微藻管道培养方法，该装置由多个生产单元构成；每一个单元由一条地下管道(14)和多条直立并联的透明管道组成，每条透明管道与地下管道(14)连通；其中，透明管道由筒体(1)、筒体上端盖(21)和筒体法兰(11)构成，筒体上端盖(21)开有进水口(9)和添料口(8)，在筒体(1)插入灯管外壳(4)，设置清洗阀钢管(3)和清洗阀(2)。同时，筒体上端盖21还设有电磁排气阀(20)和通入进气管(18)的通孔(21)；本发明利用动物粪便，经过处理后作为微藻营养液。本装置培养密度大，稳定性好、抗风险能力强，可实现饵料微藻的产业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及微藻生物技术和污水处理技术，具体地说是一种利用微藻对有机物污水进行无害化处理，生产饵料微藻的培养装置以及利用该装置的微藻管道培养方法。
背景技术
微藻在地球上生态分布极广，据研究接近植物种类的50％，在种质、遗传信息、生化组成、代谢途径等方面具有出多样性、复杂性和特殊性，进一步决定了其潜在的营养和药学价值，人类可能从中开发出大量结构特异的高附加值生物活性成分。微藻富含蛋白质、多糖、不饱和脂肪酸等营养成分，如螺旋藻，可用于食品、医药方面；含有多种色素，如紫球藻，可用于化装品、生物工程和医学诊断；可以大量积累碳氢化合物，碳氢化合物含量可占干重的49％，如盐生杜氏藻，直接用于发电；某些微藻可以固氮，可用作天然肥料，如鱼腥藻，通过营养控制可以作为优质饵料；某些属的微藻还含有抗生素及毒素，极具药用价值。微藻已成为食品、保健品、医药和精细化工的原料，显示出巨大的市场潜力。同时，微藻可做为植物生长的基质，可做为小动物生长的饲料，经过人工筛选并进行人工培育后的生物饵料，是水产动物养殖，尤其是苗种生产的一类优质饵料，在生产中发挥着不可替代的作用。
自然界并没有可以大量直接收集的微藻，开发微藻资源需要通过工程培养生产原料，光照、盐度、温度、酸碱度等是影响藻类生长的主要环境因子。目前，微藻规模化人工培养目前主要有开放池和封闭光生物反应器2类方式。
目前生产中应用的水泥池开放式培养，这种方式设备比较简单，但藻液与空气接触面积大，容易受敌害生物污染，且受人为、季节、天气等因素影响大，使得生产能力低下、稳定性差，抗风险能力弱，生产处于低投入、高成本、生产效率低下的状态中。只有极少数能在极端环境中生长的微藻(如在高pH环境中快速生长的螺旋藻和在高盐度中成为优势种的盐藻)可以利用该方式培养成功。
封闭式光生物反应器投资费用相对较大，由于可以调控多项培养参数，更易于控制生物污染，培养微藻的产率更高，因此成为近年来本领域研发趋势。
首先，微藻属于光自养生物，很多代谢需要光能或由光启动，利用透光材料研制出的封闭式管道光生物反应器，在放大培养规模时，管道长度增加是重要的手段。然而随着管道长度增加，藻液中的二氧化碳很快被耗尽，抑制了细胞生长，同时由于藻细胞光合作用，大量氧气在藻液中积累，氧饱和度高达300％，过高的溶解氧反过来对藻细胞产生严重的氧化损伤。另外，气体在管道内形成气泡并逐渐增大形成气柱，阻碍了藻掖的正常流动。因此管道长度增加是有限度的，大大制约了封闭管道光生物反应器的放大应用。
制约微藻产业化发展的另一个因素是培养密度低，通常在19g/L的数量级，优化工艺后可达到10-15g/L的量级，比陆地微生物发酵低1-2个数量级，导致成本居高不下，其中光强和碳源的限制是主要原因。
针对封闭式光生物反应器培养中出现的上述问题，封闭式管道光生物反应器需要解决管道光生物反应器规模化放大中出现的气体交换问题，避免了积累过高的溶解氧，降低溶解氧对微藻的氧化损伤作用；同时，应当有效补尝消耗的二氧化碳，保障微藻正常光合代谢进行，突破了管道总长度增加的限制屏障；有效的补充光源，提高微藻光合代谢的效率。
发明内容
为了克服现有的微藻生物饵料培养方式稳定性差、培养密度低，抗风险能力弱等弊病，本发明提供一种利用微藻生物技术的饵料微藻的封闭式管道光生物反应培养装置以及饵料微藻的封闭式管道培养方法，该装置及方法采用封闭式管道光生物反应器结构，具有稳定性好，效率高，能实现饵料微藻的全天候高密度培养。
为了实现本发明的目的，提出一种饵料微藻的封闭式管道培养装置，该培养装置由多个生产单元构成；所示的每一个单元由一条地下管道(14)和多条直立并联的透明管道组成，每条透明管道与地下管道(14)连通；
其中，所述透明管道由筒体(1)、筒体上端盖(21)和筒体法兰(11)构成，所述筒体上端盖(21)开有进水口(9)和添料口(8)，在所述进水口(9)和添料口(8)之间，在端盖一条直径的位置上设置3个通孔，其中，一个通孔在端盖圆心，供插入灯管外壳(4)；另外两个通孔相对圆心对称排列，供清洗阀钢管(3)插入；同时，筒体上端盖(21)还设有电磁排气阀(20)和通入进气管(18)的通孔。
在所述筒体(1)上方设置清洗阀启动管(19)和CO2进气总管(17)，所述清洗阀钢管(3)与清洗阀启动管(19)相连接；所述进气管(18)和CO2进气总管(17)连通。
所述地下管道(14)两端分别设置端口法兰(15)，所述地下管道(14)管体间隔设置连接法兰(12)，所述筒体(1)下端设置筒体法兰(11)；通过所述端口法兰(15)将各个单元的地下管道(14)相连接，通过所述连接法兰(12)与筒体法兰(11)的连接，使所述地下管道(14)与筒体(1)连通。
所述筒体(1)的透明材料采用玻璃、有机玻璃、高硼硅加强玻璃、透明性聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚碳酸醋。
所述进气管(18)插入所述筒体(1)内的管壁部分分布微孔(10)，来自所述CO2进气总管(17)的压缩的CO2气体在管道内的所述微孔(10)释放后，产生气泡上升带动水流，推动培养藻液循环流动。
所述筒体(1)内设置清洗阀(2)，所述清洗阀(2)在与筒体上端盖(21)相对应的位置，开有插入所述灯管外壳4的通孔和固定所述清洗阀钢管(3)的通孔，清洗阀钢管(3)通过螺栓(13)固定；所述清洗阀(2)外圈设置清洗阀橡皮圈(6)，所述清洗阀橡皮圈(6)与所述筒体(1)内壁弹性接触；所述灯管外壳(4)与清洗阀(2)中心通孔滑动配合。
本发明还提出使用所述饵料微藻的封闭式管道培养装置的饵料微藻培养方法，在该培养方法中，使用的物料分别包括水和微藻、空气和二氧化碳气体、无机和有机矿物质生长营养液，所述的微藻为淡水微藻、咸水或海水环境中的微藻，包括扁藻、小球藻、金藻、栅藻、红球藻、紫球藻、雪藻或硅藻；
水中加入适量微藻生长营养液，有机及无机矿物质生长营养液，含氮、P、K、微量元素及富油含量的生长激素。
作为废物利用，还可以使用可以将液体处理为小分子的空化机，使动物粪便形成小分子，作为所述的微藻生长营养液，便于微藻吸收，加快微藻繁殖。
本发明的优点：
1.培养密度大：由于本发明设置了内补充光源，使藻类生长处于最适光照强度，最大限度地满足生长繁殖需要，解决气体交换问题，避免了积累过高的溶解氧，同时，有效补偿消耗的二氧化碳，实现饵料微藻的高效全天候培养。
2.稳定性好、抗风险能力强：本发明使藻液在微藻培养袋内连续循环，可使微藻接受均等的光照强度，使微藻生长稳定，不受外界环境变化影响，具有一定的抗风险能力。
3.可实现产业化生产：本发明采用多个平行透明筒体以及多单元组合的培养方式，可以有效的利用空间，减小占地面积，易于人工调控环境条件，避免管道过长带来的弊端，可实现产业化、规模化生产。
附图说明
图1是本发明的一个生产单元结构示意图；
图2是本发明的生物反应器结构示意图；
图3显示清洗阀在筒体中的安装结构；
图4显示清洗阀和外套橡胶圈的结构.
图中
1 筒体 12 连接法兰
2 清洗阀 13 螺栓
3 清洗阀钢管 14 地下管道
4 灯管外壳 15 端口法兰
5 灯管 16 地下管道电动阀
6 清洗阀橡皮圈 17 CO2进气总管
7 电磁阀 18 进气管
8 添料口 19 清洗阀启动管
9 进水口 20 电磁排气阀
10 微孔 21 筒体上端盖
11 筒体法兰
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明的一个生产单元结构示意图；每一个单元由一条地下管道14和多条直立并联的透明管道组成，每条透明管道通过下端的筒体法兰11和地下管道的连接法兰12的连接与地下管道14连通，上端分别连接清洗阀启动管19和CO2进气总管17。
地下管道14两端分别设置端口法兰15，通过不同单元的地下管道端口法兰15之间的连接，并且配合相应长度的清洗阀启动管19和CO2进气总管17，可以组合任意个数的生产单元，形成不同规模的饵料微藻培养装置。
由于采用本发明的多组平行连接的方式，可以通过增加每个单元透明管道个数和单元组的数量，达到增加透明管道总长度的目的，同时也克服了单个透明管道国产所造成的弊端。例如，采用透明管道增粗和通过增加每个单元透明管道个数和单元组的数量延长管道总长度的办法，实现扩大管道光生物反应器体积的目的，将透明管道直径从传统的1cm-5cm进一步增加，增加到50cm至100cm的范围；将传统的透明管道总长度从100m以内进一步增加到10000m的规模。
通常，将管道光生物反应培养装置的透明管道建立在太阳光线充足的地方，如室外、日光温室或塑料大棚内，充分利用自然阳光，降低规模培养微藻的成本。
图2是本发明的生物反应器的透明管道结构示意图；该透明管道由筒体1、筒体上端盖21和筒体法兰11构成，筒体上端盖21开有进水口9和添料口8，在进水口9和添料口8之间，在端盖一条直径的位置上设置3个通孔，其中，一个通孔在端盖圆心，供插入灯管外壳4；另外两个通孔相对圆心对称排列，供清洗阀钢管3插入。同时，筒体上端盖21还设有电磁排气阀20和通入进气管18的通孔。
筒体1可以采用玻璃、有机玻璃或塑料等传统透明材料制成，最好采用透光性好的加强玻璃，如高棚硅加强玻璃；透明性聚合物材料，如透明性聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚醋、聚碳酸醋或一氧化碳与脂肪不饱和化合物的共聚物等。
图3显示清洗阀在筒体中的安装结构。筒体1内设置清洗阀2，清洗阀2外套橡胶圈6的构如图4所示，清洗阀2在和筒体1的上端盖21相对应的位置，同样开有插入灯管外壳4的通孔和固定清洗阀钢管3的通孔。清洗阀钢管3插入该通孔后使用螺栓13固定，清洗阀2外圈设置清洗阀橡皮圈6，与筒体1内壁弹性接触。通过清洗阀钢管3带动清洗阀2上下运动，清洗阀橡皮圈6往复刮筒体1的内壁。同时，灯管外壳4与清洗阀2中心通孔是滑动配合，清洗阀2往复刮灯管外壳4。筒体1的内壁和灯管外壳4附于壁上微藻，在生产过程中产生沾壁与结污或污染，可采用上述方式，通过清洗阀启动管13定时消除，达到清洗筒体1内壁和灯管外壳4的目的，保证筒体1和灯管外壳4的透明度，促进微藻生长。
灯管5通过灯管外壳4插入筒体1内，当阴雨天光照不足时采用辅助光源补光，可达到节能目的；培养液在管道中呈端流式流动，可使藻细胞处于高频率的光/暗周期中，高效率提供藻细胞在进行光合反应时所需的光量子。
进气管18插入筒体1，进气管18处于筒体1内的管壁分布微孔10，利用CO2进气总管17，将压缩的CO2气体在管道内释放后，产生气泡上升带动水流，推动培养藻液循环流动，并带动微藻细胞的不断上下左右穿梭，通过细胞之间相互遮光，降低强烈的太阳光线对微藻细胞的光损伤作用。同时，在透明管道内流动过程中充分实现气体交换，有效补充微藻细胞光合作用消耗的二氧化碳，解析放出的氧气，避免过高的溶解氧对藻细胞的氧化损伤作用。然后氧气随藻液在筒体上端盖21的电磁排气阀20释放。
二氧化碳以计量胁迫方式输入，充分满足藻细胞对二氧化碳的需要；筒体上端盖21可以设置负压泵，及时有效地排除培养细胞在光合反应中发生的溶解氧，从而极大提高了光合作用效率。
本发明物料分别包括水和藻液等液体、空气和二氧化碳等气体、无机和有机矿物质营养物质等。本发明培养的经济微藻包括来自于淡水微藻、咸水和海水等环境中的微藻，如，扁藻、小球藻、金藻、栅藻、红球藻、紫球藻、雪藻或硅藻等其它微藻。培养的经济微藻用于水产养殖饵料和进行特殊生物活性成分开发。采用海带加工的下脚料作为微藻培养液的原料，用海藻制备的微藻培养液除了含有机体生长必需的氮、磷、碳三大元素外，还含有丰富的比例相对平衡的微量元素，某些对微藻生长有利的主要成分的含量甚至比常用的海水微藻培养基中的还丰富。
微藻在正常生长条件，一天即可繁殖十几代，微藻可以在太阳光照射下，于水中吸收CO2迅速繁殖。为了使微藻繁殖更迅速，还可以在水中加入适量微藻生长营养液，包括有机及无机物质(含氮、P、K)、微量元素及生长激素。该营养液通过筒体上端盖21添料口8加入。
本发明将动物粪便作适当处理，处理方式利用可以将液体处理为小分子的空化机，使动物粪便形成小分子，便于微藻吸收，加快微藻繁殖。因此，本发明的微藻培养装置可以作为有机废物的转化处理装置，变废为宝，改善环境。
实施例：
按照本发明提供的培养微藻的生产装置中，所述微藻为含油脂高的微藻如绿藻、红球藻、雨生红球藻、硅藻或蓝球藻等。接种做藻液为反应器容积的1/60，其中微藻液可以无需每次外来接种液，只需在每次采集培养过的微藻液的3/4至99/100，剩下为下次培养液中的接种微藻液。
本发明微藻培养中所需CO2气体来自电厂或养殖过程中排出的CO2气体源，经处理除去气体中所含不利于微藻繁殖的杂质气体和微粒(包括粉尘)物质，来自电厂的CO2资源丰富，价廉，而且是热的CO2，可通过热CO2或加热CO2来调节培养温度，培养温度定为30℃。
所述透光材料是采用透光性好的加强有机玻璃玻璃。
在所述培养微藻的生产装置中，每个反应器单元装置的透明圆简体1，直径30cm，高2.4米，10个透明圆简体1平行间隔排列，分别通过法兰11平行固定在地下管道14上，组成一个单元装置，整个生产装置由100排单元装置构成。各个单元装置的电磁排气阀20都排成直线，连接到一个管线上，管线上设置真空泵，将解析出的氧气作回收或放空处理。筒体上端盖21进水口9和添料口8，补充水分和藻液等液体、无机和有机矿物质营养物质等；
加压的CO2通过CO2进气总管17连续供给进气管18，进气管18上的CO2出口微孔直径为0.8mm，便于在筒体1内产生气泡，搅拌藻液液；
反应器单元装置平行间隔排列使培养微藻反应器单元装置全方位都处于太阳光照射之下，能充分利用太阳光。与此同时，在太阳光不足的天气及晚间可采用LED光照装置，同样能以自然太阳光一样光照使微藻快速繁殖。
微藻在正常生长条件，每1-5小时即可繁殖一代，微藻可以在太阳光照射下，于水中吸收CO2迅速繁殖。为了使微藻繁殖更迅速，还可以在水中加入适量有机及无机物质(含氮、P、K)、微量元素及富油含量的生长激素或者加入经过活化的动物粪便，促使微藻繁殖更迅速。
本装置为周期性生产，用过电磁阀7的控制，完成一次进料，然后在筒体1内封闭培养，繁殖一代后，打开电磁阀16，将微藻液通过地下管道14排出，完成一次生产流程。
本发明提供的培养微藻的生产装置的特点为：
1.培养微藻的生产装置操作简单方便，占地面积小，能充分利用太阳光，节省电能，降低生产成本。
2.采用封闭结构以及能全天候生产，定期清理透明筒壁产生的结痴和沾壁，完全控制外来环境生物异物的染污，确保微藻能迅速繁殖生长。
3.本发明的生产装置既可以以培养微藻反应器单元装置进行单独生产，又能多个或上百单元装置进行集约化系列生产，保养维修简单。
4.只要进行一次接种做藻，后续生产无需再接种微藻。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的内容为准。任何熟习本技术领域者，在不脱离本发明的精神和范围内，所作的各种变化或等同替换，都应当属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种饵料微藻的封闭式管道培养装置，其特征在于，该培养装置由多个生产单元构成；其中每一个生产单元由一条地下管道(14)和多条直立并联的透明管道组成，每条透明管道与地下管道(14)连通；
其中，所述透明管道由筒体(1)、筒体上端盖(21)和筒体法兰(11)构成，所述筒体上端盖(21)开有进水口(9)和添料口(8)，在所述进水口(9)和添料口(8)之间，在端盖一条直径的位置上设置3个通孔，其中，一个通孔在端盖圆心，供插入灯管外壳(4)；另外两个通孔相对圆心对称排列，供清洗阀钢管(3)插入；同时，筒体上端盖(21)还设有电磁排气阀(20)和通入进气管(18)的通孔。
2.根据权利要求1所述的管道培养装置，其特征在于，在所述筒体(1)上方设置清洗阀启动管(19)和CO2进气总管(17)，所述清洗阀钢管(3)与清洗阀启动管(19)相连接；所述进气管(18)和CO2进气总管(17)连通。
3.根据权利要求1所述的管道培养装置，其特征在于，所述地下管道(14)两端分别设置端口法兰(15)，所述地下管道(14)管体间隔设置连接法兰(12)，所述筒体(1)下端设置筒体法兰(11)；通过所述端口法兰(15)将各个单元的地下管道(14)相连接，通过所述连接法兰(12)与筒体法兰(11)的连接，使所述地下管道(14)与筒体(1)连通。
4.根据权利要求1所述的管道培养装置，其特征在于，所述筒体(1)的透明材料采用玻璃、有机玻璃或塑料。
5.根据权利要求1所述的管道培养装置，其特征在于，所述进气管(18)插入所述筒体(1)内的管壁部分分布微孔(10)，来自所述CO2进气总管(17)的压缩的CO2气体在管道内的所述微孔(10)释放后，产生气泡上升带动水流，推动培养藻液循环流动。
6.根据权利要求1所述的管道培养装置，其特征在于，所述筒体(1)内设置清洗阀(2)，所述清洗阀(2)在与筒体上端盖(21)相对应的位置，开有插入所述灯管外壳(4)的通孔和固定所述清洗阀钢管(3)的通孔，清洗阀钢管(3)通过螺栓(13)固定；所述清洗阀(2)外圈设置清洗阀橡皮圈(6)，所述清洗阀橡皮圈(6)与所述筒体(1)内壁弹性接触；所述灯管外壳(4)与清洗阀(2)中心通孔滑动配合。
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