CN102533541A - 微生物养殖系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微生物养殖系统，包括：光生物反应器，在所述光生物反应器中养殖微生物；吸热装置，所述吸热装置用于吸收来自光生物反应器的热量，以降低光生物反应器中的温度；储热装置，所述储热装置用于储存吸热装置所吸收的热量，并将所储存的热量供给所述光生物反应器，以增加光生物反应器中的温度。因此，本发明的微生物养殖系统能够适当地控制光生物反应器中的温度，并合理地利用太阳辐射的能量。

Description

微生物养殖系统
技术领域
本发明涉及微生物养殖系统，尤其涉及一种能够提高太阳能综合利用水平的微生物养殖系统。
背景技术
光生物反应器是利用太阳光对具有光合成能力的微生物进行养殖的装置。微藻作为一种微生物，能有效利用光能、把CO2和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质，可以通过微藻培养来生产保健食品、食品添加剂、饲料、生物肥料、化妆品及其他天然产品。因此，利用光生物反应器高密度养殖微藻已经越来越普遍。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构建简单、成本低廉及操作简便，但存在易受污染、培养条件不稳定等缺点。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。一般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、浮式薄膜袋等。
在对微生物例如微藻进行培养的过程中，培养温度是影响微生物的生物量的一个重要因素。在适当的温度范围内，微生物才能进行其正常的生长繁殖等生命活动，否则微生物的生命活动就要受到影响。例如：微藻生长的适温范围为8-32摄氏度，最适温度范围20-25摄氏度，当温度变化超出适温范围时，即对生物产生严重的危害作用，甚至死亡。因此，如何有效地控制光生物反应器的温度，是微藻养殖中需要解决的一个技术问题。
另外，照射到光生物反应器中的太阳辐射的能量在一天中是不断变化的，白天光照充足，会在光生物反应器中积聚热量，导致培养液温度升高，有可能超出微生物的适温范围的上限；而夜间随着环境温度降低，培养液温度有可能降低到微生物的适温范围的下限以下，从而对微生物的养殖产生不利的影响。因此，如何有效地利用白天太阳辐射的多余热量，用于微藻的夜间培养，也是有待研究的一个课题。
另外，微生物在生长过程中主要是利用太阳辐射中的光波长在400-700nm范围的可见光，而在该波长范围以外的太阳辐射中的红外线和紫外线则不能对微生物生长起促进作用，反而经过红外线和紫外线的长时间照射后，有可能导致微生物细胞内光合成系统受破坏，甚至导致微生物死亡。因此，有必要对太阳辐射中的红外线和紫外线进行阻隔，以有利用微生物的培养。
发明内容
本发明致力于解决上述现有技术中的至少一个问题。
根据本发明，一种微生物养殖系统，包括：光生物反应器，在所述光生物反应器中养殖微生物；吸热装置，所述吸热装置用于吸收来自光生物反应器的热量，以降低光生物反应器中的温度；储热装置，所述储热装置用于储存吸热装置所吸收的热量，并将所储存的热量供给所述光生物反应器，以升高并控制光生物反应器中的温度。
根据本发明的一个实施例，所述光生物反应器的侧壁可包括隔热膜，所述隔热膜用于使太阳辐射中的可见光透过，并阻挡太阳辐射中的红外线和紫外线透过。
所述吸热装置可为透明容器，并结合到带有所述隔热膜的光生物反应器的所述侧壁上。
根据本发明的一个实施例，所述吸热装置中容纳第一热交换介质，用于吸收来自光生物反应器的热量，所述储热装置中容纳第二热交换介质，用于储存吸热装置所吸收的热量。
根据本发明的一个实施例，在所述储热装置中设置有第一热交换管，所述第一热交换管的两端分别通过管路连接到所述吸热装置，从而，所述吸热装置、所述第一热交换管和连接所述吸热装置和所述第一热交换管的管路构成第一循环系统，所述第一热交换介质在所述第一循环系统中循环。
根据本发明的一个实施例，在所述光生物反应器中设置有第二热交换管，所述第二热交换管的两端分别通过管路连接到所述储热装置，从而，所述储热装置、所述第二热交换管和连接所述储热装置和所述第二热交换管的管路构成第二循环系统，所述第二热交换介质在所述第二循环系统中循环。
根据本发明的一个实施例，所述第一热交换介质为制冷剂，所述制冷剂的沸点根据微生物生长的适温范围来选择，使得在温度低于沸点温度时制冷剂为液态，在温度达到沸点温度以上时制冷剂转化为气体。
所述第二热交换介质可以为水或海水。
所述制冷剂可以选自氟利昂、氨水、R11(CFCl3)或氯氟烃。
根据本发明的一个实施例，所述第一热交换管和第二热交换管呈盘曲状。
根据本发明的一个实施例，所述第一热交换系统包括用于循环第一热交换介质的第一循环泵；所述第二热交换系统包括用于循环第二热交换介质的第二循环泵。
根据本发明的一个实施例，在所述光生物反应器中设置有温度传感器，所述温度传感器连接至光生物反应器外的控制器，所述控制器根据所述温度传感器测量的温度控制所述第一循环泵和第二循环泵的操作。
根据本发明的微生物养殖系统，由于设置了吸热装置和储热装置，因此，白天能够利用吸热装置来吸收光生物反应器中的多余热量，降低光生物反应器的温度，并将吸收的热量储存在储热装置中，而在夜间则可以将储热装置所储存的热量供给所述光生物反应器，增加光生物反应器的温度，因此，能够避免光生物反应器的温度超出适温范围，对微生物的养殖产生不利影响。同时，本发明的微生物养殖系统能够有效地利用太阳辐射的能量，提高了能量利用效率。
另外，根据本发明的微生物养殖系统，在光生物反应器上设置了隔热膜，所述隔热膜用于使太阳辐射中的可见光透过，并阻挡太阳辐射中的红外线和紫外线透过，从而能够避免红外线和紫外线对微生物养殖的不利影响；与此同时，经隔热膜反射或吸收的红外线和紫外线所携带的热量能够被吸热装置吸收并储存起来，因此也提高了能量利用效率。
为了使本发明的目的、特征及优点能更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的微生物养殖系统的示意图。
具体实施方式
以下仅通过例子说明本发明的具体实施方式。本发明亦可通过其它不同的方式加以施行或应用，本说明书中的各项细节可在不背离本发明的总体构思的情况下进行各种调整与变更。再者，附图仅以示意方式说明本发明的基本构想，故图示不一定按比例绘制，并且图示中仅显示与本发明有关的部件，但显然本发明可根据实际应用包括其它的部件。
图1是根据本发明的一个实施例的微生物养殖系统的示意图。如图1所示，微生物养殖系统主要包括光生物反应器1、吸热装置2和储热装置3。光生物反应器1可以为管道式、平板式或柱状光生物反应器。在光生物反应器1中容纳培养液，用于养殖微生物。吸热装置2为容纳第一热交换介质20的容器，所述第一热交换介质例如是选自氟利昂、氨水，R11(CFCl3)或氯氟烃等的制冷剂，用于吸收来自光生物反应器1的热量。储热装置3是容纳第二热交换介质30的容器，第二热交换介质30例如可以是水或海水，用于储存吸热装置2所吸收的热量。
如图1所述的微生物养殖系统的工作原理如下：白天，当光照充足，光生物反应器1中积聚了多余的热量，导致温度升高时，吸热装置1可以吸收光生物反应器1中的多余热量，降低光生物反应器1的温度，并将吸收的热量储存在储热装置3中；而在夜间，随着光生物反应器温度的降低，储热装置3可以将所储存的热量供给光生物反应器1，以增加光生物反应器1的温度。因此，能够避免光生物反应器的温度超出适温范围，对微生物的养殖产生不利影响。同时，本发明的微生物养殖系统能够有效地利用太阳辐射的能量，提高了能量利用效率。
如图1所示，根据本发明的一个实施例，可以在光生物反应器1的侧壁上设置隔热膜4，所述隔热膜4用于使太阳辐射中的可见光透过，并阻挡太阳辐射中的红外线和紫外线透过，从而能够避免红外线和紫外线对微生物养殖的不利影响。图1中示出隔热膜4设置在平板式光生物反应器的一个侧壁上，但是显然隔热膜可以设置在平板式光生物反应器的两个侧壁上，或者四个侧壁上，或者设置在柱式或管式光生物反应器的外周侧壁上。隔热膜4可以采用市售的3M公司的极景PR70(商标)膜，或者同公司的原理相似的不同产品，或者不同公司的原理相似的不同产品，膜的厚度可为20-200微米。该隔热膜能够反射和/或吸收太阳辐射中的大部分红外线(97％)和紫外线(99％)，而让太阳辐射中的大部分可见光(70％)透过，进入光生物反应器中，用于微生物的培养。
吸热装置2为透明容器，以能够透过太阳辐射。如图1所示，吸热装置2结合到带有隔热膜4的光生物反应器1的侧壁上。从而，经隔热膜4反射或吸收的红外线和紫外线所携带的热量能够被吸热装置2吸收并及时带走。图1示出了在光生物反应器的一个侧壁上结合的吸热装置，但是显然吸热装置可以设置在平板式光生物反应器的两个侧壁上，或者四个侧壁上，或者设置在柱式或管式光生物反应器的外周侧壁上。
另外，如图1所示，在储热装置3中设置有第一热交换管5，第一热交换管5的两端分别通过管路6和7连接到吸热装置2，从而，吸热装置2、第一热交换管5和管路6和7构成第一循环系统，用于循环吸热装置2中的第一热交换介质，例如制冷剂。为此，第一热交换系统在管路7中设置有循环泵11，用于循环制冷剂。另外，还可以在第一热交换系统中设置阀门13，用于控制制冷剂的循环。
同时，在光生物反应器1中设置有第二热交换管8，第二热交换管8的两端分别通过管路9和10连接到储热装置3，从而，储热装置3、第二热交换管8和管路9和10构成第二循环系统，用于循环储热装置3中的水或海水。为此，第二热交换系统在管10中设置有循环泵12，用于循环第二热交换介质，例如水或海水。另外，还可以在第二热交换系统中设置阀门14，以控制泵12的开启和关闭。阀门14也可以用来调节第二热交换介质的流量，当光生物反应器1内的温度高时，流量开大，温度较低时，适当放小流量。
应当理解，虽然图1未示出，但是，第一热交换管5和管路6和7之间可以设置有连接装置或形成一体管结构。因此，第一热交换管5和管路6和7可以采用相同或不同的材质。例如，第一热交换管5可以为金属管或玻璃管，管路6和7可以为塑料管。另外，图中示出第一热交换管5呈盘曲状，以增加热交换的面积。但是，第一热交换管5也可以为直管或其它形状。
对于第二热交换管8和管路9和10也是如此。即，第二热交换管8和管路9和10之间可以设置有连接装置或形成一体管结构。因此，第二热交换管8和管路9和10可以采用相同或不同的材质。例如，第二热交换管8可以为金属管或玻璃管，管路9和10可以为塑料管。另外，图中示出第二热交换管8为U型管，但是第二热交换管8也可以如热交换管5那样为盘曲状，以增加热交换的面积。
根据本发明的一个实施例，光生物反应器1用于微藻的培养。该微藻生长的适温范围为8-32摄氏度，最适温度范围20-25摄氏度。白天，当温度超出35摄氏度时，微藻的生长会受到严重破坏，甚至死亡。为了控制微藻的温度不超过35摄氏度，根据本发明的一个实施例，选择吸热装置2中的第一热交换介质，例如制冷剂R11(CFCl3)，使得该制冷剂在温度低于35℃时为液态，当温度达到35℃以上转化为气体。从而，当光生物反应器1中的温度超过35℃时，与光生物反应器1接触的吸热装置2中的制冷剂会蒸发，从而吸收光生物反应器1中的热量，导致光生物反应器的温度降低。蒸发后的气态制冷剂则通过管路6流向储热装置3中的第一热交换管5中，在第一热交换管5中通过与储热装置3中的第二热交换介质，例如水或海水进行热交换，将热量储存在水或海水中，增加水或海水的温度；同时，气态制冷剂的温度降低到低于35℃，从而又冷凝为液体，并通过管路7流向吸热装置2。如此循环，将储热装置中的水或海水加温至20-35℃。
应当理解，可以根据微生物生长的适温范围，选择制冷剂的沸点，使得在温度低于沸点温度时制冷剂为液态，在温度达到沸点温度以上时制冷剂转化为气体。例如制冷剂的沸点可以在20-50℃之间，。
另一方面，夜间，当光生物反应器1的温度降低到例如20℃以下时，储热装置3中的热水可以通过第二循环系统流到光生物反应器1中的第二热交换管8中，通过与光生物反应器1中的培养液进行热交换，增加微藻的培养温度，接着回流到储热装置3中，如此循环，向培养液传递热量，保持培养液温度，从而将储热装置3中的热量回收利用，来给反应器保温，使微藻在适宜的温度和人工光源下持续生长。本储热装置热量回收利用尤其适合于昼夜温差较大的地区微藻培养。
应当理解，第一循环系统和第二循环系统可以仅设置一个。在仅设置第一循环系统的情况下，储热装置可以连接至其它用热系统，例如采暖系统，作为采暖系统的热源。在仅设置第二循环系统的情况下，储热装置可以连接至其它能够提供热量的供热系统，以增加储热装置中的第二热交换介质的温度，使微藻在适宜的温度和人工光源下持续生长。
如图1所示，为了精确控制光生物反器1中的温度，可以在光生物反应器1中设置温度传感器15，温度传感器15连接至光生物反应器1外的控制器16，并将温度信号传送到控制器16。控制器16根据所述温度传感器15测量的温度通过阀门13和14控制循环泵11和循环泵12的操作。当然，所述泵和阀门也可以人工控制。
试验
发明人进行了根据本发明的微生物养殖系统以及根据现有技术的光生物反应器培养微生物的试验，试验条件如下：
以小球藻(Chlorella)中国科学院水生生物研究所FACHB-1298为对象，分别在作为对照的现有技术的光生物反应器和本发明的微生物养殖系统中，采用改良SM培养基(培养基成分及其含量见下表1-6)，以相同密度接种对数期藻种(转培后5-7天形成)，初始OD750(细胞数量)为0.2。在自然光照下培养该小球藻，从反应器底部通过曝气头通入空气与CO2混合气体，气液体积比为1∶16。培养周期为6天。
表1.改良SM培养基的组成及其含量
  #   成分   使用浓度
  1   Spir溶液1   500mL/L
  2   Spir溶液2   500mL/L
注：下划线表示需要事先配制成母液，所述母液的配制参见下表2-3。
表2.Spir溶液1的组成及其含量
Figure BSA00000395201000091
表3.Spir溶液2的组成及其含量
注：下划线表示需要事先配制成母液，所述母液的配制参见下表4-6。
表4.P-IV金属溶液的组成及其含量
  #   成分   使用浓度   终浓度
  1   Na2EDTA·2H2O   0.75g/L   2mM
  2   FeCl3·6H2O   0.097g/L   0.36mM
  3   MnCl2·4H2O   0.041g/L   0.21mM
  4   ZnCl2   0.005g/L   0.037mM
  5   CoCl2·6H2O   0.002g/L   0.0084mM
  6   Na2MoO4·2H2O   0.004g/L   0.017mM
表5.Chu微量营养溶液的组成及其含量
  #   成分   使用浓度   终浓度
  1   CuSO4·5H2O   0.02g/L   0.78μM
  2   ZnSO4·7H2O   0.044g/L   0.15μM
  3   CoCl2·6H2O   0.02g/L   0.084μM
  4   MnCl2·4H2O   0.012g/L   0.064μM
  5   Na2MoO4·2H2O   0.012g/L   0.052μM
  6   H3BO3   0.62g/L   10μM
  7   Na2EDTA·2H2O   0.05g/L   0.13μM
表6.维生素B12储液的组成及其含量
Figure BSA00000395201000101
注：本领域的技术人员应该理解，除非另外指明，本发明所用的试剂均可从普通的生物试剂公司或化学试剂公司购买，其配制方法也是本领域的技术人员公知的。
表7.小球藻培养结果(OD750)
  对照   本发明
  0day   0.2   0.2
  2days   0.5   2.0
  4days   1.0   4.1
  6days   2.0   5.1
表7显示小球藻在现有技术的光生物反应器和本发明的微生物养殖系统中培养的结果。从表7可见该藻在本发明的微生物养殖系统中的生物量比对照组生物量均有提高，例如培养6天后本发明的生物量达到对照组生物量的约2.5倍。
应当理解，虽然已经参照实施例和附图描述了本发明，但实施例和附图并非用于限制本发明。在不偏离本发明的实质的情况下，对本发明所作的任何变形都在本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种微生物养殖系统，包括：
光生物反应器，在所述光生物反应器中养殖微生物；
吸热装置，所述吸热装置用于吸收来自光生物反应器的热量，以降低光生物反应器中的温度；
储热装置，所述储热装置用于储存吸热装置所吸收的热量，并将所储存的热量供给所述光生物反应器，以升高并控制光生物反应器中的温度。
2.根据权利要求1所述的微生物养殖系统，其中，所述光生物反应器的侧壁包括隔热膜，所述隔热膜用于使太阳辐射中的可见光透过，并阻挡太阳辐射中的红外线和紫外线透过。
3.根据权利要求2所述的微生物养殖系统，其中，所述吸热装置为透明容器，并结合到带有所述隔热膜的光生物反应器的所述侧壁上。
4.根据权利要求1-3任一项所述的微生物养殖系统，其中，所述吸热装置中容纳第一热交换介质，用于吸收来自光生物反应器的热量，所述储热装置中容纳第二热交换介质，用于储存吸热装置所吸收的热量。
5.根据权利要求4所述的微生物养殖系统，其中，在所述储热装置中设置有第一热交换管，所述第一热交换管的两端分别通过管路连接到所述吸热装置，从而，所述吸热装置、所述第一热交换管和连接所述吸热装置和所述第一热交换管的管路构成第一循环系统，所述第一热交换介质在所述第一循环系统中循环。
6.根据权利要求4所述的微生物养殖系统，其中，在所述光生物反应器中设置有第二热交换管，所述第二热交换管的两端分别通过管路连接到所述储热装置，从而，所述储热装置、所述第二热交换管和连接所述储热装置和所述第二热交换管的管路构成第二循环系统，所述第二热交换介质在所述第二循环系统中循环。
7.根据权利要求5所述的微生物养殖系统，其中，在所述光生物反应器中设置有第二热交换管，所述第二热交换管的两端分别通过管路连接到所述储热装置，从而，所述储热装置、所述第二热交换管和连接所述储热装置和所述第二热交换管的管路构成第二循环系统，所述第二热交换介质在所述第二循环系统中循环。
8.根据权利要求7所述的微生物养殖系统，其中，所述第一热交换介质为制冷剂，所述制冷剂的沸点根据微生物生长的适温范围来选择，使得在温度低于沸点温度时制冷剂为液态，在温度达到沸点温度以上时制冷剂转化为气体。
9.根据权利要求8所述的微生物养殖系统，其中，所述第二热交换介质为水或海水。
10.根据权利要求8所述的微生物养殖系统，其中，所述制冷剂选自氟利昂、氨水、R11(CFCl3)或氯氟烃。
11.根据权利要求7所述的微生物养殖系统，其中，所述第一热交换管和第二热交换管呈盘曲状。
12.根据权利要求7所述的微生物养殖系统，其中，所述第一热交换系统包括用于循环第一热交换介质的第一循环泵；所述第二热交换系统包括用于循环第二热交换介质的第二循环泵。
13.根据权利要求12所述的微生物养殖系统，其中，在所述光生物反应器中设置有温度传感器，所述温度传感器连接至光生物反应器外的控制器，所述控制器根据所述温度传感器测量的温度控制所述第一循环泵和第二循环泵的操作。
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