CN102965282A

CN102965282A - 一种封闭式藻类培养系统

Info

Publication number: CN102965282A
Application number: CN2012104303964A
Authority: CN
Inventors: 周新平; 陈冉驰; 袁硕; 秦鹏; 刘池; 苏平; 乾超群; 卢志杰
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2013-03-13

Abstract

本发明属于藻类培养领域，具体公开了一种封闭式藻类培养系统，包括光生物反应器和培养液供应系统，光生物反应器底部设有供液管，供液管与培养液供应系统连接，其特征在于，该培养系统还包括脱气装置、热交换器和控制系统，光生物反应器、脱气装置、热交换器和培养液供应系统通过连接管路连接构成封闭回路，控制系统用于采集光生物反应器的信息，并与脱气装置、热交换器以及培养液供应系统电信号连接。本发明系统始终处于利于藻类生长的状态，同时螺旋状的光生物反应器能大面积接收阳光、有效利用空间，因此能够获得缩短藻类培养时间，提高光能利用率，增加藻类产量的技术效果。

Description

一种封闭式藻类培养系统

技术领域

本发明属于藻类培养领域，具体涉及一种封闭式藻类培养系统。

背景技术

由于化石燃料正面临枯竭的危机，利用生物技术来产生能源以作为新的替代性能源，是非常重要的议题。以生物技术可产制的生物燃料种类相当多，例如经由厌氧酸酵程序生产甲烷或氢气、微藻类培养生产氢气(蓝绿藻类)或生物质柴油(硅藻、绿藻类)等。1930到1940年间，利用蔬菜油作为柴油燃料；自1980年起，就开始研究以生物质柴油燃料来替代柴油燃料。相比于柴油燃料，生物质柴油燃料主要的优点则是排出的温室效应气体(特别是二氧化碳)及污染物的浓度低。

美国能源部与太阳能研究学会于1979年也开始着手藻类生产液态燃料的研究，发现相比于其它植物，藻类储存丰富的油脂，因此被视为有潜力的生物原料，可用来转化成燃料，例如汽油和柴油燃料。微藻所含有的脂肪和油的含量组成相似于蔬菜油，然而任何一种藻类都可获得20～4Owt％的平均油脂含量，有些藻类甚至可获得80wt％的油脂含量。然而相比于通过由藻类酸酵而产生甲烷或乙醇，直接萃取及纯化藻类中的油脂是最有效率的获得燃料的方法。因此，若能筛选出适合中国大陆地区，尤其是山区等土地价格低廉的高含量油脂藻种，将藻种的油脂转化成生物质柴油，不仅可用做替代能源更可增加经济附加价值。而为了增加藻类油脂的产量，作为生物质柴油的料源，户外大量培养藻类的大型养殖系统是必须的，所以开发新型高效率的藻类培养光合反应系统，改善传统的藻类培养系统，成为发展替代性能源的重要课题之一。

由于藻类是自营性生物，二氧化碳为辅助生长的碳源，所以藻类培养系统能帮助消耗温室气体(比如电厂的废气)，也能够利用生活废水里丰富的营养物质，所以也有联合处理生活污水的作用。藻类培养系统大致可分为开放系统与密闭系统两种，现有的藻类开放式培养系统主要有圆形培养池及跑道式培养池两种，开放系统具有结构简单、运行费用低等特点，但存在气体混合不均，受环境影响较大，易受污染，光利用效率不佳及需培养土地面积大等问题。密闭系统被认为是最有发展前景的藻类培养系统，现有不同型式的反应器，比如：管式、柱式、平板式反应器。该类系统具有藻类生长条件易控制，生长效率较高的优点，但也受制于太阳辐射强度，经济性有待提高。因此，需开发光利用效率佳、温度及浓度容易控制、作用在藻体上的剪应力低以及规模放大容易的藻类培养系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高效的封闭式藻类培养系统，通过系统设计解决藻类的培养问题，提高藻类的光合作用效率及产量。

本发明提供了一种封闭式藻类培养系统，包括光生物反应器和培养液供应系统，光生物反应器底部设有供液管，供液管与培养液供应系统连接，其特征在于，该培养系统还包括脱气装置、热交换器和控制系统，光生物反应器、脱气装置、热交换器和培养液供应系统通过连接管路连接构成封闭回路，控制系统用于采集光生物反应器的信息，并与脱气装置、热交换器以及培养液供应系统电信号连接。

作为本发明进一步优选的，所述控制系统包括传感器模块和控制器模块，所述传感器模块为浓度传感器、溶解氧传感器、pH传感器，温度传感器和光照度传感器的集成，用于采集光生物反应器中营养成分浓度，溶解氧，ph值，温度和光照强度信息；所述控制器模块用于接收传感器模块提供的信息，根据信息控制脱气装置，热交换器以及培养液供应系统工作。

作为本发明进一步优选的，所述供液管上分布有多个小孔，该小孔用于将供液管中的营养物质及二氧化碳注入光生物反应器。

作为本发明进一步优选的，所述光生物反应器由透明材料制成，为螺旋状，且螺旋线的中轴线与太阳光直射方向垂直。

作为本发明进一步优选的，所述光生物反应器的高度应不大于螺旋截面的直径。

作为本发明进一步优选的，所述光生物反应器的管截面为椭圆形，且椭圆的长轴方向与螺旋线中轴线方向相同。

作为本发明更进一步优选的，所述光生物反应器中间设置有人工光源。

作为本发明更进一步优选的，所述人工光源为亮度可调的光源。

本发明提供的藻类培养系统，是用以使培养藻液循环流动，提高光合作用效率，提高藻类产量的装置。与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：由于该藻类培养系统在培养液供应系统以及其他调节系统的控制下，光生物反应器中的培养液始终处于利于藻类生长的状态，从而缩短藻类培养的时间，提高其产量。

透明的螺旋状的光生物反应器能大面积接收阳光、有效利用空间，因此能够获得缩短藻类培养时间，提高光能利用率，增加藻类产量的技术效果。

由于太阳光与地面会有一定的夹角，设置光生物反应器的螺旋线中轴线与太阳光直射方向垂直，这样可以增大反应器接受光照的面积，提高光利用率，同时光生物反应器高度应小于螺旋截面的直径，这样可以防止螺旋线内侧的光照被过多遮挡。

由于太阳辐射在进入光生物反应器中的培养基后其强度会衰减，因此将螺旋管管截面设计为椭圆形可以充分利用光照资源，避免背光一侧的微藻细胞因光照不足而生长缓慢(或移动到光照充足的一侧而造成培养基中的营养成分浪费)。

总体而言，本发明的藻类培养系统，由于可以有效利用光照条件，同时系统温度及培养液成分易于控制，且能够有效利用空间，可以有效解决光利用率不高、占地面积大等问题，相应起到提高光利用率、节省空间、提高藻类产量的效果。

附图说明

图1是本发明一个优选实施例的藻类培养系统的结构示意图。

图2为本发明中光生物反应器的截面(即本发明的螺旋截面)图；

图3为本发明螺旋管管截面(即本发明的管截面)图；

附图标记：1-光生物反应器，2-培养液供应系统，3-控制系统，4-脱气装置，5-热交换器，6-人工光源，7-供液管，8-气体部分，9-培养液部分。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实施例提供的藻类培养系统包括光生物反应器1和培养液供应系统2，光生物反应器1底部设有供液管7，供液管7与培养液供应系统2连接，培养液供应系统2将培养液及营养物质(如铵盐等)通过供液管7补充到光生物反应器1中，同时外部二氧化碳通过供液管7通入到光生物反应器1中为微藻生长补充碳元素，且产生气泡起到搅拌作用，使补充的营养物质与微藻混合均匀；该培养系统还包括控制系统3、脱气装置4和热交换器5，光生物反应器1、脱气装置4、热交换器5和培养液供应系统2通过连接管路连接构成封闭回路，控制系统3用于采集光生物反应器1的信息，并与脱气装置4、热交换器5以及培养液供应系统2电信号连接，实现对它们的控制。

控制系统3包括传感器模块和控制器模块，传感器模块包含多类型传感器，如浓度传感器、溶解氧传感器、pH传感器，温度传感器和光照度传感器的集成，用于采集光生物反应器中营养成分浓度，溶解氧，pH值，温度和光照强度信息；控制器模块用于接收传感器模块采集的信息，根据信息控制脱气装置、热交换器以及培养液供应系统工作。

在光生物反应器1中，微藻在光照条件下生长，不断消耗培养液中的营养成分，并产生氧气，这会导致培养液成分发生改变，溶解氧，pH值和温度等也会有相应的变化，这些信息被控制系统3中的传感器模块采集。控制系统3中的传感器模块将采集到的这些信息传送给控制系统3中的控制器模块，控制系统3中的控制器模块控制脱气装置4工作，将培养液中的氧气去除并将氧气排出，同时也控制热交换器5工作，对流经的培养液进行温度调节，而培养液供应系统2则会根据控制系统3中的传感器的信息自动向培养液供应系统中补充各种营养物质，从而使培养液始终保持藻类生长的最佳状态，以促进藻类的快速生长。

供液管7上分布有多个小孔，该小孔可以将供液管中的营养物质及二氧化碳注入光生物反应器。供液管7优选采用喷雾管。

作为优选，光生物反应器1由透光材料制成，且为螺旋状管，这样能大面积接收阳光、有效利用空间，因此能够获得缩短藻类培养时间，提高光能利用率，增加藻类产量的技术效果。

作为进一步优选，由于太阳光与地面会有一定的夹角，将光生物反应器1的螺旋线中轴线(图2中虚线方向)设置成与太阳光直射方向垂直，这样可以增大光生物反应器1接受光照的面积，提高光利用率。同时光生物反应器1的高度(图2中的h)应不大于螺旋截面的直径(图2中D)，这样可以防止螺旋线内侧的光照被过多遮挡。

作为进一步优选地，光生物反应器1的管截面为椭圆形，且椭圆的长轴方向与螺旋线中轴线方向(图2中虚线方向)平行，这样可以使每一层管更大程度的接收太阳光，增大反应器的光照面积。

作为更进一步优选的，螺旋状的光生物反应器1中间还设置有人工光源6，在外界光照不足时开启，为光生物反应器1内的藻类提供必要的光照。由于外部光照条件不断变化，且阴雨天气光照不足，藻类在各个时期所需的光照条件也不同，因此，人工光源6为亮度可调的光源，因而控制系统3中的控制器可以根据控制系统3中的日光传感器所反馈的日光辐射强度，及藻类在各个时期所需的光辐射强度来调节人工光源的亮度，这样不仅能保证藻类生长的最佳光照条件，缩短藻类培养时间，同时也可以节约光源所消耗的能量，提高藻类培养系统能量转换效率。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种封闭式藻类培养系统，包括光生物反应器(1)和培养液供应系统(2)，光生物反应器(1)底部设有供液管(7)，供液管(7)与培养液供应系统(2)连接，其特征在于，该培养系统还包括脱气装置(4)、热交换器(5)和控制系统(3)，光生物反应器(1)、脱气装置(4)、热交换器(5)和培养液供应系统(2)通过连接管路连接构成封闭回路，控制系统(3)用于采集光生物反应器(1)的信息，并与脱气装置(4)、热交换器(5)以及培养液供应系统(2)电信号连接。

2.根据权利要求书1所述的培养系统，其特征在于，所述控制系统(3)包括传感器模块和控制器模块：

所述传感器模块为浓度传感器、溶解氧传感器、pH传感器，温度传感器和光照度传感器的集成，用于采集光生物反应器中营养成分浓度，溶解氧，pH值，温度和光照强度信息，并提供给所述控制器模块；

所述控制器模块用于接收传感器模块提供的信息，根据信息控制脱气装置(4)、热交换器(5)以及培养液供应系统(2)工作。

3.根据权利要求书1所述的培养系统，其特征在于，所述供液管(7)上分布有多个小孔，该小孔用于将供液管(7)中的营养物质及二氧化碳注入光生物反应器(1)。

4.根据权利要求1所述的培养系统，其特征在于，所述光生物反应器(1)由透明材料制成，为螺旋状，且螺旋线的中轴线与太阳光直射方向垂直。

5.根据权利要求4所述的培养系统，其特征在于，所述光生物反应器(1)的高度应不大于螺旋截面的直径。

6.根据权利要求5所述的培养系统，其特征在于，所述光生物反应器(1)的管截面为椭圆形，且椭圆的长轴方向与螺旋线中轴线方向相同。

7.根据权利要求1-6所述的培养系统，其特征在于，所述光生物反应器(1)中间设置有人工光源(6)。

8.根据权利要求7所述的培养系统，其特征在于，所述人工光源为亮度可调的光源。