CN102559502A - 户外养殖微藻光合反应系统模块化设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在生物领域中用于微藻的工厂化养殖，特别是涉及一种户外养殖微藻光合反应系统模块化设计。便于研究户外藻类养殖的许多技术上的问题，为未来更好的大规模的户外藻类养殖，本发明提供了一种户外养殖微藻光合反应系统模块化设计，其特征在于：包括三个阶段，第一阶段，实验室养殖筒（1）养殖一定重量的微藻；第二阶段，光合反应器（2）养殖一定重量的微藻，第三阶段，通过光生物反应单元（3）养殖一定总量的微藻。所述光生物反应单元由多个全塑模块化气升式光生物反应器组成。其中第三阶段，也可以通过光合反应系统4来养殖一定量的微藻。光合反应系统（4）矩形排列的管状反应系统模块。

Description

户外养殖微藻光合反应系统模块化设计

技术领域

本发明涉及在生物领域中用于微藻的工厂化养殖，特别是涉及一种户外养殖微藻光合反应系统模块化设计。

背景技术

目前，国内已实施生质柴油的添加使用，而制造生质柴油所使用的主要料源是回收食用油，生物柴油的原料来自动物产品的下脚料（脂肪）和植物油，动物脂肪和植物油中的甘油可以通过一步酯交换反应，被甲醇或者乙醇置换出来就可得到生物柴油。

此外，人工种植产油植物如大豆、向日葵、黄连树、麻疯果…等油脂植物，可以在一定程度上保持原料的稳定，但是，这类植物单位面积产油率低，生长周期长，同时需要占用大量土地，用作大量生产生物柴油的原料困难很大，且以休耕农地种植油脂植物的成效尚未显现，政策亦不明朗，国内自产料源将不足以供应未來所需，如欲使用不与糧食竞争之料源，亟需其他油脂料源之研究开发。

因此，不仅从经济性还是产量上来考虑的话，陆地上还真的没有很理想的植物可以用来大量生产生物柴油燃料。微藻生物是一类生长很快，光合作用效率很高的生物。事实上，很多的石油就是从古代的微藻转化而来的。油脂就是微藻储存碳元素的一种方式，所有的微藻都含有或多或少的油脂也就是脂肪酸甘油酯，通过简单的酯交换就可得到生物柴油。

由于微藻细胞浮在水中，可以更有效地利用水、二氧化碳和其它的养分，所以它们的生长速度大大地超过普通植物。由于以上的原因，在同样的单位面积下，微藻可以比陆地的油料作物多产出30倍的油脂，因此，使得以微藻为原料生产生物柴油比其它动植物原料更为理想。

由于微藻之生长速率较植物快速，在各种生质物中，微藻具有生长快速及 CO2零排放之优点，经大规模养殖后，干燥的藻细胞其油脂经萃取，再经转酯化即可产制出生质柴油。依据研究显示，于相同单位土地面积下养殖微藻的油脂收成量远高于(>10倍)种植油脂作物收成量，且藻体仍可进一步的加值应用，是一项极具发展潜力的研究课题。

发明内容

1、      所要解决的技术问题：

    目前，以工厂化方式养殖微藻，产制生质柴油的技术尚未有成熟商品面世，尚处于户外示范研究的阶段，仍有许多技术上的问题待解决。相关研究多在实验室的阶段，户外养殖的技术仍阙如，应用何种光合反应系统(如密闭式或开放式)、养殖程序等。

2、      技术方案： 

为了解决以上问题，本发明提供了一种户外养殖微藻光合反应系统模块化设计，包括三个阶段，第一阶段，实验室养殖筒1养殖一定重量的微藻；第二阶段，光合反应器2养殖一定重量的微藻，第三阶段，通过光生物反应单元3养殖一定总量的微藻。

光生物反应单元由多个全塑模块化气升式光生物反应器组成。

第三阶段，通过光合反应系统4来养殖一定量的微藻。

光合反应系统4矩阵排列的管状反应系统模块。

光合反应系统4优选(3x6) 排列的管状反应系统模块。

3、      有益效果：

(1)、完成模块化光合反应系统的开发与建置，并经由户外实际微藻养殖探讨后改善及修正系统，使其更适合于户外的微藻培养；

(2)、建立由实验室到户外养殖模块化光合反应系统，一贯化微藻转殖放大培养的流程，并顺利运用于户外培养系统，作为未來实际商业化放大的基础；

(3)、完成微藻户外培养测试研究，探讨微藻的生长情形，据以提出合适的微藻养殖策略，以扩大产能效益；

(4)、提出微藻养殖流程及系统改善，以及模块化光合反应系统规划及设计能力，作为微藻放大养殖依据，并具有微藻长期户外培养经验及能力，可应用于未來其他藻种的研究。

附图说明

图1为户外养殖微藻光合反应系统模块化设计示意图。

图2为微藻养殖工厂化放大规模示意图。

具体实施方式

一种户外养殖微藻光合反应系统模块化设计，包括三个阶段，第一阶段，实验室养殖筒1养殖一定重量的微藻；第二阶段，光合反应器2养殖一定重量的微藻，第三阶段，通过光生物反应单元3养殖一定总量的微藻。

其中的光生物反应单元3为光生物反应单元由多个全塑模块化气升式光生物反应器组成。全塑模块化气升式光生物反应器在申请号为201120488751.4和201110389918.6的专利中披露。

目前，微藻光合生物反应器有兩种类型，一类是开放式，以开放式渠道池为主，而另一類是密闭式，有管状、平板式、搅拌槽等型式，兩种类型各有其优缺点及适合应用条件。对于大规模微藻养殖的技术经过多年的验证已被证实为可行的，且由藻体所衍生之终端产品生产亦具有经济价值，不过仍需扩大这些产品的市场面及降低养殖的成本以获得足够的经济效益。而目前对于大规模养殖的挑战则在于如何将可生产最大藻体量的养殖技术达到通用性、使用便宜及健全的技术等，此仍待进一步的开发与研究，使藻类能源利用技术得以体现。

在于微藻养殖研究方面，收集与汇整各项光合反应器相关文献资料，经由分析开放式与密闭式光合反应器优缺点及选择条件后，考量土地及水资源问题，选择以密闭式光合反应器开发为主而开放式反应器为辅，再经由各密闭式光合反应器(如管状、平板型及搅拌槽等)特性比较，考量在制程放大的容易性及工程困难障碍等因素，选择以管状光合反应器为发展对象，并已建置全塑模块化气升式光生物反应器（申请号为201120488751.4和201110389918.6的专利中披露），进行流力、质传等特性测试及微藻养殖试验等的相关研究。

依实验室、中试（光合反应器2养殖）、户外放大规模（通过光生物反应单元3养殖）三阶段藻类养殖思考出，本发明项目的研究策略与步骤，依序为：

l  建立各阶段藻類养殖一贯化程序

l  户外系统藻類实地培养研究 

l  培养系统改善建议与修正

因户外放大规模藻類养殖，最在乎规模经济性与可复制性，所以，模块化光合反应系统设计与建置，是藻类养殖技术中，无法避免的一条必经之路。所以在第三阶段中，为了进行户外微藻养殖测试，探讨光遮蔽及户外环境对微藻生长影响，加上实验测试的方便性及放大性等考量，本发明中光合反应系统4矩阵排列的管状反应系统模块。

由于东西向为直接受光方向，面对此方向的反应器支数多寡并无影响，然为能同时进行不同藻种养殖，受限制条件约束，故以3排作为设计基础，而面对南北向则设计成6列，可测试反应器高度间的遮蔽对于微藻生长的影响，找出相互间较佳设置距离，此矩阵模块的设计亦可同时进行不同藻种的养殖测试，作为同时测试藻种的平台。

由于微藻户外养殖需由实验室杯瓶养殖开始，以10-20%接种量渐次放大养殖，并依序转殖至3公升、10公升及30公升的简易微藻养殖桶，以及2组100公升气升式光生物反应器，直至到光合反应系统4养殖，由于光合反应系统4为(3x6)矩阵排列的管状反应系统模块，每支为100公升体积，总体积为1800公升。

毕竟，室内藻類养殖与户外放大规模藻類养殖，所需考虑的环境因子与变量复杂许多，所需选用的设备与仪器，也需考虑户外的恶劣天气考验，才能将户外放大规模藻類养殖加速推向产业化的发展。本发明的户外养殖微藻光合反应系统模块化设计，便于研究许多技术上的问题，为大规模的户外藻类养殖奠定了基础。

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的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此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为准。

Claims (6)

1.一种户外养殖微藻光合反应系统模块化设计，其特征在于：包括三个阶段，第一阶段，实验室养殖筒（1）养殖一定重量的微藻；第二阶段，光合反应器（2）养殖一定重量的微藻，第三阶段，通过光生物反应单元（3）养殖一定总量的微藻。

2.如权利要求1所述的户外养殖微藻光合反应系统模块化设计，其特征在于：光生物反应单元（3）由多个全塑模块化气升式光生物反应器组成。

3.如权利要求1所述的户外养殖微藻光合反应系统模块化设计，其特征在于：第三阶段，通过光合反应系统（4）来养殖一定量的微藻。

4.如权利要求3所述的户外养殖微藻光合反应系统模块化设计，其特征在于：光合反应系统（4）为矩形排列的管状反应系统模块。

5.如权利3或5任一权利要求所述的户外养殖微藻光合反应系统模块化设计，其特征在于：所述的光合反应系统（4）为(3x6)排列的管状反应系统，以3排作为设计基础，而面对南北向则设计成6列。

6.如权利要求1或3或4所述的户外养殖微藻光合反应系统模块化设计，其特征在于：第一段中微藻养殖由实验室杯瓶养殖开始，以10-20%接种量渐次放大养殖，并依序转殖至3公升、10公升及30公升的实验室微藻养殖桶，第二阶段，微藻养殖为2组100公升气升式光生物反应器，第三单元中，单个光生物反应器微藻养殖为100公升。

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