CN104593222A - 一种微藻的固定化养殖装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微藻的固定化养殖装置和方法，涉及微藻养殖技术领域，能够充分利用一天之中的太阳光，从而提高微藻产量。本发明公开的一种微藻的固定化养殖装置，包括养殖面，所述养殖面具有第一养殖面以及与所述第一养殖面相对的第二养殖面，所述养殖面可转动以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照。本发明公开的微藻的固定化养殖装置和方法适用于微藻的固定化养殖过程中。
Description
技术领域
本发明涉及微藻养殖技术领域，尤其涉及一种微藻的固定化养殖装置和方法。
背景技术
户外固定化微藻养殖与液体培养相比，不需要通气进行液体搅拌，能耗可以大幅度降低，但是与液体培养相比，由于细胞不能在反应器受光面上移动，在户外太阳光强度大幅度变化的条件下，长时间接受光照射，会发生细胞变色等现象，细胞很容易受光损伤，导致光利用效率下降，甚至死亡。因此，如何有效地控制固定化培养的表面状态，让细胞的光利用效率处于高水平的状态是固定化培养在产业化技术中非常重要的技术。
现有固定化养殖技术中，养殖面基本上采用插板式半干固态贴壁培养装置，将培养板水平垂直的插在固定的框架上。然而，在户外养殖过程中，一天的光强度随着时间而变化，由早晨的弱光逐渐变化至中午达到最高，之后光强度逐渐变弱。而在这样的光变化过程中，藻细胞的光转化效率也随光强度的变化而变化：在早晨弱光条件下，光转化效率高，而在中午前后其光转化效率大幅度下降。其原因是在藻细胞中，光合成系统不能随着光强度的变化而迅速调整其天线蛋白量以及光反应中心数量，为保护光合成系统不受损伤，将光能转化为热能及荧光的形式释放至细胞外。由于中午大量的强光不能被充分利用而浪费，从而导致一天的产量非常低。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种微藻的固定化养殖装置和方法，能够充分利用一天之中的太阳光，从而提高微藻产量。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种微藻的固定化养殖装置，包括养殖面，所述养殖面具有第一养殖面以及与所述第一养殖面相对的第二养殖面，所述养殖面可转动以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照。
具体地，所述养殖面包括平板状养殖面，所述养殖面可转动以使所述养殖面与水平面之间的夹角由第一预定角变为第二预定角；其中，所述第一预定角小于当地的当时太阳高度角，所述第二预定角大于当地的当时太阳高度角，或者，所述第一预定角大于当地的当时太阳高度角，所述第二预定角小于当地的当时太阳高度角；或者，
所述微藻的固定化养殖装置包括筒状反应器，所述筒状反应器的外周面为所述养殖面，所述筒状反应器能够围绕轴转动。
其中，所述养殖面可转动以使所述养殖面与水平面之间的夹角从第一预定角变成第二预定角具体包括：
所述微藻的固定化养殖装置包括成对儿设置的上梁和成对儿设置的下梁、设在所述上梁与所述下梁之间的支撑梁、设在所述上梁与所述下梁之间的至少一个平板状养殖面，所述支撑梁通过支撑梁上轴与所述上梁连接，所述支撑梁通过支撑梁下轴与所述下梁连接，
所述上梁上设有滑槽，所述支撑梁上轴能够沿着所述滑槽移动，以使所述养殖面关于所述支撑梁下轴转动；或者，所述下梁上设有滑槽，所述支撑梁下轴能够沿着所述滑槽移动，以使所述养殖面关于所述支撑梁上轴转动，从而使所述养殖面与水平面之间的夹角由第一预定角变为第二预定角。
优选地，所述第一预定角和所述第二预定角均小于等于当地的最大太阳高度角。
进一步地，所述筒状反应器的内周面设有吸水装置，所述筒状反应器下方设有储液池，且所述筒状反应器的下部浸在所述储液池中的培养基中。
可选地，所述储液池上设有培养基交换装置，所述培养基交换装置包括：将所述储液池中的培养基回流到储液罐的回流管、将新鲜培养基输送到所述储液池的送液泵以及连接所述送液泵与所述储液池的送液管。
另一方面，本发明实施例还提供了一种微藻的固定化养殖方法，包括步骤：
1)将微藻细胞接种在养殖面上，所述养殖面包括第一养殖面以及与所述第一养殖面相对的第二养殖面；
2)养殖过程中，转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照。
进一步地，步骤1)和2)之间还包括步骤：
根据户外光强度变化，或者根据所述养殖面受光强度，或者根据平均单位面积微藻细胞受光强度，确定所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照的时间间隔。
可选地，步骤2)具体包括：
户外养殖时，使所述第一养殖面接受光照预定时长后，转动所述养殖面，使所述第二养殖面接受光照直至光强变为零；或者，
户外养殖时，以预定时间间隔转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照至少一次。
另外，步骤2)还包括：
当户外光强度小于预设光强度时：若户外光强度小于预设光强度的时间大于等于预设时间，采收所述养殖面表层的微藻细胞以降低细胞浓度；若户外光强度小于预设光强度的时间小于预设时间，暂时停止转动所述养殖面的操作。
具体地，步骤2)中，所述转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照具体包括：
当所述微藻细胞处于诱导期且在进入直线增殖期之前，以第一预定时间间隔转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照；
当所述微藻细胞进入直线增殖期后且在进入平台期之前，以第二预定时间间隔转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照；
当所述微藻细胞进入平台期之后：若以提高产量为目标，则采收部分所述微藻细胞以降低细胞浓度，同时提高培养基营养的供给速率，并以第一预定时间间隔转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照；若以使所述微藻细胞积累油脂和/或色素为目标，则仍然以第二预定时间间隔转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照，同时降低培养基营养的供给速率；
其中，第一预定时间间隔小于第二预定时间间隔。
可选地，步骤2)中，所述转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照具体包括：
转动养殖面，使所述养殖面与水平面之间的夹角由第一预定角变为第二预定角，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照；其中，所述第一预定角小于当地的当时太阳高度角，所述第二预定角大于当地的当时太阳高度角，或者，所述第一预定角大于当地的当时太阳高度角，所述第二预定角小于当地的当时太阳高度角；或者，
使筒状反应器围绕轴转动，以使所述筒状反应器外表面的第一养殖面以及与所述第一养殖面相对的第二养殖面交替接受光照。
本发明实施例提供的微藻的固定化养殖装置及方法，养殖面能够转动，这样，在户外养殖过程中，可以通过转动养殖面，使养殖面两侧的第一养殖面与第二养殖面交替接受光照，从而使第一养殖面与第二养殖面上的微藻细胞可以交替实现活性的恢复和有效地进行光合作用，在实际养殖过程中，光合成速率及光转化效率大幅度提高，从而充分利用了一天之中的太阳光，提高了微藻产量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种微藻的固定化养殖装置；
图2为图1所示的养殖装置中养殖面的第一养殖面及第二养殖面交替接受光照的示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种微藻的固定化养殖装置；
图4为图3所示的养殖装置中养殖面的第一养殖面及第二养殖面交替接受光照的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种微藻的固定化养殖方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图3所示，本发明实施例提供了一种微藻的固定化养殖装置，包括养殖面10，该养殖面10具有第一养殖面11以及与该第一养殖面11相对的第二养殖面12，该养殖面10可转动以使第一养殖面11与第二养殖面12交替接受光照。
本发明实施例提供的微藻的固定化养殖装置，养殖面10能够转动，这样，在户外养殖过程中，可以通过转动养殖面10，使养殖面10两侧的第一养殖面11与第二养殖面12交替接受光照，从而使第一养殖面11与第二养殖面12上的微藻细胞可以交替实现活性的恢复和有效地进行光合作用，在实际养殖过程中，光合成速率及光转化效率大幅度提高，从而充分利用了一天之中的太阳光，提高了微藻产量。
本发明实施例中，养殖面10可转动以使第一养殖面11与第二养殖面12交替接受光照可以通过多种方式实现，比如：
如图1、2所示，本发明实施例中的养殖面10可以包括平板状养殖面，这样，可以通过转动平板状养殖面以使其与水平面之间的夹角发生变化来实现第一养殖面11与第二养殖面12交替接受光照。进一步地，转动平板状养殖面时，可以使平板状养殖面与水平面之间的夹角在当地的当时太阳高度角附近变化。
比如，如图2所示，养殖过程中，养殖面10朝向南面倾斜设置，可以先使养殖面10与水平面成第一预定角α，这样，由于第一预定角α小于当地的当时太阳高度角，养殖面10的第一养殖面11接受光照，而第二养殖面12处于阴面，没有直射光被照射；经过一段时间照射后，将养殖面10与水平面之间的夹角改变为第二预定角β，由于第二预定角β大于当地的当时太阳高度角，因而第二养殖面12接受直射光照射，而第一养殖面11处于阴面，没有直射光被照射。当然，也可以使第一预定角α大于当地的当时太阳高度角，第二预定角β小于当地的当时太阳高度角，总之，只要使第一预定角α、第二预定角β分别位于当时太阳高度角两侧，能够使第一养殖面11与第二养殖面12交替接受光照即可，本发明对此不作限定。即每天养殖时，养殖面10的倾斜角度可以是由低到高进行调节的，也可以是由高到低进行调节的。
如上所述，本发明需要依据养殖期间的季节太阳高度角进行调整，但不论是角度调整前的第一预定角α还是调整后第二预定角β，它们的最大倾斜角度α、β都不要超过当地的最大太阳高度角，即第一预定角α和第二预定角β均小于等于当地的最大太阳高度角，优选第一预定角α和第二预定角β均小于当地的最大太阳高度角。
进一步优选地，第一预定角α及第二预定角β可以在当地的最大太阳高度角的二分之一处附近，这样，每天从日出至日落期间，养殖面10一天至少可以实现第一养殖面11与第二养殖面12交替接收光照两次。
需要说明的是，本发明实施例中，所述的太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。日升日落，同一地点一天内太阳高度角是不断变化的，日出日落时太阳高度角的角度都为0，而正午时太阳高度角最大；本发明实施例中，所述的当地的当时太阳高度角是指养殖地点的当时的太阳高度角，其随时间变化而变化，而当地的最大太阳高度角是指养殖地点正午时的太阳高度角。
本发明实施例中，平板状养殖面的转动可以通过多种方式实现，图1所示给出了一种具体的实施方式，但本领域技术人员可知，这仅是一种优选方式，并不是唯一方式。
具体地，图1为本发明实施例提供的微藻的固定化养殖装置的侧视图。如图1所示，本发明实施例提供的微藻的固定化养殖装置，可以包括成对儿设置的上梁21和成对儿设置的下梁22、设在上梁21与下梁22之间的支撑梁23、设在上梁21与下梁22之间的至少一个平板状养殖面10，且养殖面10与水平面成第一预定角α；支撑梁23通过支撑梁上轴24与上梁21连接，支撑梁23通过支撑梁下轴25与下梁22连接；上梁21上设有滑槽26，支撑梁上轴24能够沿着该滑槽26移动，以使养殖面10关于支撑梁下轴25转动；或者，下梁22上设有滑槽(未示出)，支撑梁下轴25能够沿着该滑槽移动，以使养殖面10关于支撑梁上轴24转动，从而使养殖面10与水平面成第二预定角β。
也就是说，图1所示的微藻的固定化养殖装置中，通过使支撑梁上轴24沿着滑槽26移动、或者使支撑梁下轴25沿着滑槽移动，从而使养殖面10转动一定的角度，这样，通过调节养殖面10与水平面之间的夹角，实现了第一养殖面11与第二养殖面12交替接受光照。
如图1所示，支撑梁23通过支撑梁上轴24与上梁21连接，但为了保证微藻的固定化养殖装置整体框架的强度，在日常养殖过程中，支撑梁23与上梁21之间可以通过支撑梁上轴24及固定结构(未示出)固定连接；具体地，支撑梁上轴24的端部可以连接有固定结构，固定结构与支撑梁上轴24端部之间的松紧程度可调，从而将支撑梁23与上梁21夹紧在支撑梁上轴24的端部与固定结构之间。当需要调节养殖面10与水平面之间的夹角时，可以先将固定结构松开，使支撑梁上轴24沿着该滑槽26移动，将夹角调整合适后，再将固定结构拧紧。具体地，固定结构可以是螺丝螺母形式，也可以是其他结构，总之，只要能够调整支撑梁23与上梁21之间的松紧即可，本发明对此不作限定。
需要说明的是，图1为微藻的固定化养殖装置的侧视图，实际上微藻的固定化养殖装置是类似矩形的框架结构，为了将养殖面固定，微藻的固定化养殖装置的另一侧为与图2所示的结构相对称的框架结构，而在两个对称的框架之间具有提高稳定性的梁结构，比如用于连接支撑梁23与上梁21的支撑梁上轴24、用于连接支撑梁23与下梁22的支撑梁下轴25、以及用于固定养殖面的养殖面上轴27和养殖面下轴28。
进一步地，如图1所述，养殖面10下方可以设有集液槽31，集液槽31与储液罐32之间还设有回流管33；在储液罐32内还设有送液泵34，该送液泵34可以将储液罐32内的培养基液体经送液管35及布液管36输送至养殖面10上。
或者，如图3、4所示，本发明实施例中的微藻的固定化养殖装置可以包括筒状反应器40，该筒状反应器40的外周面为所述养殖面10，这样，可以通过使筒状反应器40围绕轴转动，以使第一养殖面11以及与第一养殖面11相对的第二养殖面12交替接受光照。
需要说明的是，由于筒状反应器40为立体的筒状结构，因此，养殖过程中，位于上方的养殖面通常能够接受太阳光直射，而位于下方的养殖面通常不能够接受太阳光直射，因此，本发明实施例中，可以以筒状反应器40的直径为界，将其外周面的养殖面10划分为第一养殖面11以及与该第一养殖面11相对的第二养殖面12。
具体地，筒状反应器40可以如图3所示为圆柱筒状，也可以为横截面为椭圆的筒状、或者为横截面为矩形的筒状，总之，该筒状反应器能够围绕轴41转动即可，本发明对于其具体形状结构不作限定。
如图3所示，微藻的固定化养殖装置还可以设有用于支撑筒状反应器40的框架42、用于支撑轴41的轴支架(未示出)；此外，还可以设有与轴41相连的传动装置43、与传动装置43相连的动力装置44，这样，筒状反应器40可以由动力装置44经传动装置43带动轴41实现养殖面10以轴41为中心进行转动。此外，筒状反应器40外表面附近还可以设有刮刀45，用于采收微藻细胞。
由于养殖面10上的微藻成长需要供给养分，因此，在筒状反应器40下方可以设有储存培养基的储液池51；为了让培养基中的养分保持合适的浓度，在储液池51上可以设有培养基交换装置，该培养基交换装置可以包括将储液池51中的培养基液体回流到储液罐61的回流管62、将新鲜培养基输送到储液池51的送液泵63、以及连接送液泵63与储液池51的送液管64。
筒状反应器40下部浸在盛有营养盐培养基的储液池51内，其外周面上均固定有微藻细胞；进一步地，如图3所示，筒状反应器40的内周面可以设有吸水装置42，这样，筒状反应器40转动过程中，内周面吸水装置42内维持的含有营养成分的培养基可以为养殖面10上的微藻细胞提供所需的营养，从而保证微藻细胞的正常成长。具体地，该吸水装置42可以为能够吸收一定量水分的物质，比如可以为海绵类的吸水材料。
图4所示为图3所示的养殖装置中，筒状反应器40的局部放大图，图4中仅示出了第一养殖面11内部的吸水装置42，而略去了第二养殖面12内部的吸水装置42，从而明确第一养殖面11与第二养殖面12，但需要注意的是，在实际养殖过程中，第一养殖面11与第二养殖面12内部是都设有吸水装置42的。
如图4所示，每天养殖时，上午可以让第一养殖面11接受光照，即此时第一养殖面11为阳面，第一养殖面11的微藻细胞利用紧贴筒状反应器40内周面的吸水装置42保持的营养成分进行成长，而第二养殖面12处于阴面，无直射光被照射，第二养殖面12内侧的吸水装置42吸收的培养基液体处于饱和状态；下午时，通过旋转让第二养殖面12接受直射光照射，而第一养殖面11处于阴面，并浸入下部的充满营养的培养基液体中，第一养殖面11内侧的吸水装置42可以补充消耗的营养成分。
需要说明的是，这里仅仅说明了上下午交替养殖的一例，而在实际实施过程中，可以根据当天养殖时的光强度情况进行调整，改变旋转交换频率，比如：在晴天、光线比较强的时候，由于微藻细胞受光损伤比较快，营养消耗也较快，可以改为一天旋转两次、三次、或者更多次，总而言之，只要保证位于上方处于直射光照射的养殖面上的微藻细胞的活性处于较好的状态、且营养供给也充足即可。
相应地，如图5所示，本发明实施例还提供了一种微藻的固定化养殖方法，包括步骤：
S1、将微藻细胞接种在养殖面上，所述养殖面包括第一养殖面以及与所述第一养殖面相对的第二养殖面；
S2、养殖过程中，转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照。
本发明实施例提供的微藻的固定化养殖方法，养殖面能够转动，这样，在户外养殖过程中，可以通过转动养殖面，使养殖面两侧的第一养殖面与第二养殖面交替接受光照，从而使第一养殖面与第二养殖面上的微藻细胞可以交替实现活性的恢复和有效地进行光合作用，在实际养殖过程中，光合成速率及光转化效率大幅度提高，从而充分利用了一天之中的太阳光，提高了微藻产量。
进一步地，步骤S1和步骤S2之间还可以包括：
根据户外光强度变化，或者根据养殖面受光强度，或者根据平均单位面积微藻细胞受光强度，确定第一养殖面与第二养殖面交替接受光照的时间间隔。
也就是说，养殖过程中，可以根据户外太阳光的光照强度、或者根据养殖面接收到的光照强度、或者根据平均单位面积上微藻细胞接收到的光照强度，来确定第一养殖面与第二养殖面交替接受光照的时间间隔，比如，当养殖微藻时，若太阳光光照强度较强，可以以较短的时间间隔使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照，比如3小时、2小时、1小时或0.5小时交替一次；若太阳光光照强度较弱，可以以较长的时间间隔使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照，比如每4小时、4.5小时、5小时、6小时或7小时交替一次。
养殖过程中，每天可以使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照一次，也可以使它们交替接受光照若干次，比如步骤S2具体可以包括：
户外养殖时，使第一养殖面接受光照预定时长后，转动养殖面，使第二养殖面接受光照直至光强变为零；即每天使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照一次，优选在中午太阳光光照强度较高时使它们进行交替，这样，初始接受光照的第一养殖面被转动到阴面不直接接受光照后，受损伤的微藻细胞能够恢复活性，而初始处于阴面的第二养殖面能够充分利用此时的太阳光进行光合作用，提高微藻产量。
或者，户外养殖时，可以以预定时间间隔转动养殖面，以使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照至少一次；具体地，每次使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照时的预定时间间隔可以是相同的，也可以是不同的，如上所述，每次交替时预定时间间隔的确定，主要根据户外光强度变化，或者根据养殖面受光强度，或者根据平均单位面积微藻细胞受光强度而定。
养殖过程中，不论户外的天气为晴天还是阴天，都可以如上所述，根据光强度按照一定的时间间隔使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照。而当天气为阴天时，比如当天气的光强度小于预设光强度时，为进一步保证微藻产量，优选地，步骤S2还可以包括：
当户外光强度小于预设光强度时：若该户外光强度小于预设光强度的时间大于等于预设时间，采收养殖面表层的微藻细胞以降低细胞浓度，比如，当天气为长期阴雨天时，采收养殖面表层的微藻细胞以降低细胞浓度，这样，通过采收表层的微藻细胞降低细胞浓度的方式，能够减少呼吸作用带来的生物量损失，进而提高交替养殖的产量；若户外光强度小于预设光强度的时间小于预设时间，暂时停止转动所述养殖面的操作，比如若是短暂阴雨天，暂时停止转动养殖面的操作，让微藻细胞恢复活性，为晴天时获得更好的光合作用效果做准备。
这样，使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照的方式，不论在光强度较强的晴天，还是在光强度较弱的阴天或阴雨天，都能够将光能有效的转化为生物能，解决了现有技术中保持养殖面一直朝向同一方向的养殖方式中，光能浪费和光转化效率低的问题。
需要说明的是，本发明实施例所述的预设光强度通常是指光强度较弱时的光强度，比如阴天或阴雨天时的光强度，其主要用于判断养殖时天气为阴天还是晴天，具体地，该预设光强度可以为500μmol/m2/s、600μmol/m2/s或800μmol/m2/s，总之，本领域技术人员可以根据实际情况具体确定该预设光强度的具体数值，本发明对此不作限定。
本发明实施例所述的预设时间通常用于判断养殖过程中，天气为长期阴天或阴雨天，还是短暂阴天或阴雨天，大于等于该预设时间，可以认为为长期阴天或阴雨天，而小于该预设时间，则可以认为为短暂阴天或阴雨天。具体地，该预设时间可以为至少三天，比如为三天、四天、五天、六天、七天或更多，总之，本领域技术人员可以根据所养殖微藻的生长周期、养殖规模等实际情况具体确定该预设时间的具体数值，本发明对此不作限定。
需要说明的是，本发明实施例中，养殖面上接种的微藻细胞可以是本领域技术人员所熟知的各种微藻细胞，比如Chlorella reinhardtii莱因小球藻、Spirulina platensis Geitl.螺旋藻、叉鞭金藻、轮藻、链丝藻等。
此外，本发明实施例中，养殖面上可以同时接种一种微藻，且各个养殖面上的微藻可以处于同一生长期，也可以处于不同生长期，比如当第一养殖面的微藻处于诱导期时，第二养殖面的微藻处于直线增殖期，这样，由于各个生长期时微藻对光照强度需求不同，因而可以根据相应的光照强度使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照，从而提高微藻对太阳光的利用率；或者，养殖面上还可以接种两种或多种微藻，比如第一养殖面上接种小球藻，第二养殖面上接种螺旋藻，从而使它们组合养殖，通过使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照，从而显著提高产量。
并且，养殖过程中，可以根据微藻的状态进行相应的前期调整，以保证所养殖的微藻达到明显的产量提高效果，例如，步骤S2中，所述转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照具体可以包括：
当微藻细胞处于诱导期且在进入直线增殖期之前，以第一预定时间间隔转动养殖面，以使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照；比如，在微藻细胞刚刚接种在养殖面的载体上时，细胞浓度过低且细胞处于诱导期，微藻细胞非常容易受光的影响而导致细胞活性降低、甚至导致细胞死亡，因此，需要等微藻细胞长到一定浓度且在进入直线增殖期之前的一段时期内，提高第一养殖面与第二养殖面交替接受光照的交替频率，以保证微藻细胞不被长时间接受强光照射；
当微藻细胞进入直线增殖期后且在进入平台期之前，以第二预定时间间隔转动养殖面，以使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照，这样可以达到提高微藻产量、提高光转化效率的效果；
当微藻细胞进入平台期之后，可以根据养殖目的进行调整：若以提高产量为目标，则采收部分微藻细胞以降低细胞浓度，同时提高培养基营养的供给速率，并以第一预定时间间隔转动养殖面，以使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照，这样微藻细胞会逐渐开始分裂恢复到直线增殖期，并且还可以使微藻细胞高速增长；若以使微藻细胞积累油脂和/或色素为目标，则仍然以第二预定时间间隔转动养殖面，以使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照，这样能够保证微藻细胞形状的均一性，让产品的质量更稳定，同时降低培养基营养的供给速率，特别是氮磷类的大宗营养元素，以达到油脂、色素类的迅速积累。
需要说明的是，本发明实施例中所述的第一预定时间间隔和第二预定时间间隔是一个相对时间间隔，主要用于描述微藻细胞处于诱导期且在进入直线增殖期之前，第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照时的频率较高，而当微藻细胞处于其他周期时，交替频率较低，即只要第一预定时间间隔小于第二预定时间间隔即可，对于其具体数值的大小，本领域技术人员可以根据实际情况以及上述描述的对时间间隔的确定方法进行确定，本发明在此不作详细描述。
具体地，本发明实施例提供的微藻的固定化养殖方法中，可以使用上述任一种微藻的固定化养殖装置，比如：步骤S2中，所述的转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照具体可以包括：
当使用图1所示的微藻的固定化养殖装置时，可以转动平板状养殖面，使平板状养殖面与水平面之间的夹角由第一预定角变为第二预定角，以使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照；其中，第一预定角小于当地的当时太阳高度角，第二预定角大于当地的当时太阳高度角，或者，第一预定角大于当地的当时太阳高度角，第二预定角小于当地的当时太阳高度角；或者，
当使用图3所示的微藻的固定化养殖装置时，可以使筒状反应器围绕轴转动，以使该筒状反应器外表面的第一养殖面以及与该第一养殖面相对的第二养殖面交替接受光照。
由于上文已经对图1和图3中所示的微藻的固定化养殖装置的具体转动操作做了详细的描述，在此不再重复赘述。
本发明实施例提供的微藻的固定化养殖装置及方法，通过使养殖面两侧的第一养殖面与第二养殖面交替接受光照，提高了太阳光的光利用效率，提高了产量，并解决了单面养殖面光照过于集中导致的微藻细胞被晒黄、甚至死亡、产量较低的问题。并且，养殖过程中，还可以同时养殖处于不同生长期的微藻细胞、或者同时养殖不同种类的微藻细胞，从而拓宽了光合成微藻细胞种类的范围。
下面通过具体实施例对本发明实施例提供的微藻的固定化养殖装置及方法进行进一步地详细描述。
第一组实验
对比例1
微藻种类：藻株选用了Chlorella reinhardtii莱因小球藻。
培养基：由于小球藻为淡水藻，因此使用含有氮磷等各种营养素的BG11培养基。
微藻的固定化养殖装置：采用图1所示的养殖装置，每个养殖面的养殖面积均为0.1m2，其两侧均接种有小球藻；养殖过程中，各个养殖面均朝向南方，且各个养殖面与水平面之间的角度为固定角度50°，即保证养殖面的第一养殖面一天中一直接受光照。
实验过程中，从7：00至17：00连续接受光照，第一养殖面在接受光照期间，小球藻呈现细胞增长趋势，而处于没有接受光照的第二养殖面呈现略微上升的趋势，这是由于在弱光条件下，由于呼吸作用消耗导致生物量上升幅度较小。
实施例1
实施例1的养殖条件与对比例1的养殖条件基本相同，区别之处仅在于：养殖过程中，各个养殖面均朝向南方，通过使支撑梁上轴沿着滑槽移动，各个养殖面能够关于支撑梁上轴转动，从而使各个养殖面与水平面之间的角度可以调节，这样，实施例1的养殖面中，第一养殖面与第二养殖面可以交替接受太阳光。具体地，上午时，实施例1与对比例1一样，使各个养殖面与水平面之间的角度保持为相同角度50°，使第一养殖面处于被光照射；但下午时，将该倾斜角变更为55°，以保证第二养殖面处于被光照射直至日落。
实验过程中，从7：00至17：00第一养殖面和第二养殖面交替接受光照，在接受光照期间，接受光照的养殖面上的小球藻呈现细胞增长趋势，而处于没有接受光照的养殖面上的小球藻呈现略微上升的趋势，这是由于在弱光条件下，由于呼吸作用消耗导致生物量上升幅度较小。
这样，经过一天的养殖后，分别测量对比例1和实施例1的第一养殖面与第二养殖面的增量，二者相加，分别计算得对比例1和实施例1的日总增量。测量结果如表1所示：
表1
使用同样的养殖条件，连续进行7天养殖，分别测量对比例1和实施例1的第一养殖面与第二养殖面的增量，二者相加，分别计算得对比例1和实施例1的7天总增量。测量结果如表2所示：
表2
由表1和表2可以明显地看出，经过一天的养殖后，对比例1的日总增量为1.33克/养殖装置/日，而实施例1的日总增量达到1.88克/反应器/日，与对比例1相比，实施例1的不同养殖面的交替接受光照方式带来的产量提升效果达到约41％。而使用同样条件的养殖条件进行7天后，对比例1的7天总增量为10.52克/养殖装置，而实施例1的7天总增量达到15.04克/养殖装置，与对比例1相比，实施例1的不同养殖面的交替接受光照的方式带来的产量提升效果达到约43％。
另外，上述实施例1中仅仅列举了用单一藻株进行了户外养殖试验的结果，在固定化培养养殖装置的养殖面上，也可以用同一株藻的不同生长期的细胞，或者也可以采用两种或多种藻株分别固定在不同受光面上组合养殖，通过让固定养殖面交替接受光照，同样可以得到显著的产量提升效果。
由此可见，在相同占地面积条件下进行了养殖时，通过使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照，有效地提高了太阳光的利用效率，从而提高了总体产量。
第二组实验
对比例2
采用与对比例1相同的实验方式进行养殖，区别之处在于，对比例2中，养殖装置的占地面积为1m2。
对比例3
微藻种类：藻株选用了Chlorella reinhardtii莱因小球藻。
培养基：由于小球藻为淡水藻，因此使用含有氮磷等各种营养素的BG11培养基。
微藻的固定化养殖装置：采用图3所示的养殖装置，该养殖装置的占地面积为1m2，筒状反应器外周面上接种有小球藻；养殖过程中，筒状反应器固定不动，即筒状反应器不围绕轴转动，保证养殖面的第一养殖面一天中一直接受光照。
实验过程中，从7：00至17：00连续接受光照，第一养殖面在接受光照期间，小球藻呈现细胞增长趋势，而处于没有接受光照的第二养殖面呈现略微上升的趋势，这是由于在弱光条件下，由于呼吸作用消耗导致生物量上升幅度较小。
实施例2
实施例2的养殖条件与对比例3的养殖条件基本相同，区别之处仅在于：养殖过程中，筒状反应器围绕轴转动，保证养殖面的第一养殖面与第二养殖面可以交替接受太阳光。
实验过程中，从7：00至17：00第一养殖面和第二养殖面交替接受光照，在接受光照期间，小球藻呈现细胞增长趋势，而处于没有接受光照的第二养殖面呈现略微上升的趋势，这是由于在弱光条件下，由于呼吸作用消耗导致生物量上升幅度较小。
这样，通过第二组实验，可以明显地看出，采用图1所示的养殖装置以及图3所示的养殖装置，在相同占地面积条件下进行了养殖时，两个子养殖面交替接受光照与单一养殖面持续接受光照的实验对比，养殖结果如表3所示：
表3
由表3可以明显地看出，经过一天的养殖后，对比例2、对比例3的日总增量分别为15.4克/养殖装置/日、12.6克/养殖装置/日，而实施例2日总增量达到19.2克/养殖装置/日，与对比例3相比，实施例2的不同养殖面的交替接受光照的方式带来的产量提升效果达到约52.4％，与对比例2相比，实施例2的不同养殖面的交替接受光照的方式带来的产量提升效果达到约24.7％。
由此可见，在相同占地面积条件下进行了养殖时，通过使第一养殖面与第二养殖面交替接受光照，有效地提高了太阳光的利用效率，从而提高了总体产量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (12)
1.一种微藻的固定化养殖装置，其特征在于，包括养殖面，所述养殖面具有第一养殖面以及与所述第一养殖面相对的第二养殖面，所述养殖面可转动以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照。
2.根据权利要求1所述的微藻的固定化养殖装置，其特征在于，
所述养殖面包括平板状养殖面，所述养殖面可转动以使所述养殖面与水平面之间的夹角由第一预定角变为第二预定角；其中，所述第一预定角小于当地的当时太阳高度角，所述第二预定角大于当地的当时太阳高度角，或者，所述第一预定角大于当地的当时太阳高度角，所述第二预定角小于当地的当时太阳高度角；或者，
所述微藻的固定化养殖装置包括筒状反应器，所述筒状反应器的外周面为所述养殖面，所述筒状反应器能够围绕轴转动。
3.根据权利要求2所述的微藻的固定化养殖装置，其特征在于，
所述养殖面可转动以使所述养殖面与水平面之间的夹角从第一预定角变成第二预定角具体包括：
所述微藻的固定化养殖装置包括成对儿设置的上梁和成对儿设置的下梁、设在所述上梁与所述下梁之间的支撑梁、设在所述上梁与所述下梁之间的至少一个平板状养殖面，所述支撑梁通过支撑梁上轴与所述上梁连接，所述支撑梁通过支撑梁下轴与所述下梁连接，
所述上梁上设有滑槽，所述支撑梁上轴能够沿着所述滑槽移动，以使所述养殖面关于所述支撑梁下轴转动；或者，所述下梁上设有滑槽，所述支撑梁下轴能够沿着所述滑槽移动，以使所述养殖面关于所述支撑梁上轴转动，从而使所述养殖面与水平面之间的夹角由第一预定角变为第二预定角。
4.根据权利要求3所述的微藻的固定化养殖装置，其特征在于，所述第一预定角和所述第二预定角均小于等于当地的最大太阳高度角。
5.根据权利要求2所述的微藻的固定化养殖装置，其特征在于，所述筒状反应器的内周面设有吸水装置，所述筒状反应器下方设有储液池，且所述筒状反应器的下部浸在所述储液池中的培养基中。
6.根据权利要求5所述的微藻的固定化养殖装置，其特征在于，所述储液池上设有培养基交换装置，所述培养基交换装置包括：将所述储液池中的培养基回流到储液罐的回流管、将新鲜培养基输送到所述储液池的送液泵以及连接所述送液泵与所述储液池的送液管。
7.一种微藻的固定化养殖方法，其特征在于，包括步骤：
1)将微藻细胞接种在养殖面上，所述养殖面包括第一养殖面以及与所述第一养殖面相对的第二养殖面；
2)养殖过程中，转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照。
8.根据权利要求7所述的微藻的固定化养殖方法，其特征在于，步骤1)和2)之间还包括步骤：
根据户外光强度变化，或者根据所述养殖面受光强度，或者根据平均单位面积微藻细胞受光强度，确定所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照的时间间隔。
9.根据权利要求7所述的微藻的固定化养殖方法，其特征在于，步骤2)具体包括：
户外养殖时，使所述第一养殖面接受光照预定时长后，转动所述养殖面，使所述第二养殖面接受光照直至光强变为零；或者，
户外养殖时，以预定时间间隔转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照至少一次。
10.根据权利要求9所述的微藻的固定化养殖方法，其特征在于，步骤2)还包括：
当户外光强度小于预设光强度时：若户外光强度小于预设光强度的时间大于等于预设时间，采收所述养殖面表层的微藻细胞以降低细胞浓度；若户外光强度小于预设光强度的时间小于预设时间，暂时停止转动所述养殖面的操作。
11.根据权利要求7～10任一项所述的微藻的固定化养殖方法，其特征在于，步骤2)中，所述转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照具体包括：
当所述微藻细胞处于诱导期且在进入直线增殖期之前，以第一预定时间间隔转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照；
当所述微藻细胞进入直线增殖期后且在进入平台期之前，以第二预定时间间隔转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照；
当所述微藻细胞进入平台期之后：若以提高产量为目标，则采收部分所述微藻细胞以降低细胞浓度，同时提高培养基营养的供给速率，并以第一预定时间间隔转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照；若以使所述微藻细胞积累油脂和/或色素为目标，则仍然以第二预定时间间隔转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照，同时降低培养基营养的供给速率；
其中，第一预定时间间隔小于第二预定时间间隔。
12.根据权利要求7～10任一项所述的微藻的固定化养殖方法，其特征在于，步骤2)中，所述转动所述养殖面，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照具体包括：
转动养殖面，使所述养殖面与水平面之间的夹角由第一预定角变为第二预定角，以使所述第一养殖面与所述第二养殖面交替接受光照；其中，所述第一预定角小于当地的当时太阳高度角，所述第二预定角大于当地的当时太阳高度角，或者，所述第一预定角大于当地的当时太阳高度角，所述第二预定角小于当地的当时太阳高度角；或者，
使筒状反应器围绕轴转动，以使所述筒状反应器外表面的第一养殖面以及与所述第一养殖面相对的第二养殖面交替接受光照。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |