CN105018331B - 一种多向湍流、混合的跑道池微藻培养系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多向湍流、混合跑道池微藻培养系统，包括跑道池，跑道池内设置湍流补碳装置、利用微气泡反冲的藻细胞采收装置、挡流装置、双桨轮、桨轮下方设有凹槽结构。该系统与藻细胞沉淀池、消毒池、营养盐调配池相连通。本发明具有以下优点：（1）能够加速跑道池内水体循环，提高液面与大气之间的空气交换频率。（2）能够实时、有效的实现对藻细胞的初步浓缩，提高离心效率。（3）能够防止散布的二氧化碳逃逸，提高二氧化碳利用率，更加迅速的调节藻液pH。（4）能够有效促进藻液上下层之间的对流。（5）能够实现微藻的连续培养。

Description

一种多向湍流、混合的跑道池微藻培养系统

技术领域

本发明涉及一种多向湍流、混合的跑道池微藻培养系统，具体涉及一种微藻规模培养的跑道池，属于微藻培养工程领域。

背景技术

微藻是自然水体的最重要的初级生产者，由其固定的 CO2 约占全球 CO2 固定量的 40% 以上。 同时，微藻细胞富含多不饱和脂肪酸、多种必需氨基酸、活性多糖、色素等高附加值生物活性物质，使其在功能食品、化妆品、医药及精细化工等领域具有重要的应用价值。近年来，随着全球工业化进程加速导致能源需求量不断增加，而传统化石能源又具有不可再生性，储量在日益减少。研究、开发一种可再生、环境友好型能源以满足人类的能源需求，减少对环境的破坏，是人类面临的亟待解决的重大课题。微藻，具有生长速度快、油脂含量高、培养周期短等一系列特点，使其成为了最重要的生物能源候选物种。

开放式跑道池因成本较低、易于操作等优点，广泛应用与多种微藻的规模化培养（小球藻、微拟球藻、螺旋藻等）。由于微藻光合作用需要光能与二氧化碳；因此，在微藻培养过程中，提高二氧化碳的利用率，单位水体内的藻细胞接收的光能总量，均会有助于提高微藻培养的产率。收获微藻的方式，除螺旋藻外，其它大部分微藻均以离心收集为主。而离心机的运转能耗很大；因此，离心收获的成本在微藻养殖成本中的比例非常高。提高离心效率，降低收获成本，能够大幅度降低微藻的培养成本。

在微藻培养过程中，随着细胞密度的增加，光的穿透距离最低时可至 1mm左右。此即意味着单位水体内，仅表层的极少一部分细胞能够获得足够的光能。微藻在光合作用过程中，仅在暗反应阶段需要光照。甚至持续的光照会对微藻造成一定的损伤。对微藻生长来讲，光-暗间歇（闪光效应）是最佳的光环境；因此，在跑道池培养过程中，需要有效地实现藻液上下层水体的频繁交换，以使得单位水体的藻细胞既获得足够的光能，又避免了表层藻细胞的光损伤。

由于传统跑道池系统具有的一系列缺点，导致其培养的微藻细胞密度不够高，从而直接导致了离心机的收获效率较低。为了减少能耗，提高离心效率，多数生产厂家在收获微藻之前，将藻液转移至沉淀池。经过一段时间的自然沉降，以达到初步浓缩微藻的目的。然而此方法的效率较差，尤其是面对某些非底栖性微藻时，更是如此。除此之外，由于绝大多数细胞处于黑暗环境中进行较长时间的沉降，因此此过程既容易滋生细菌，亦可造成相当的生物量损失。同时，转移所有藻液至沉淀池，再将上层藻液转运会跑道池的过程，需要消耗大量能源。

水体中的微气泡附着于细小颗粒，如微藻，由于浮力的作用会将藻细胞带至表层水体。当藻液中有大量微气泡存在时，将会使得单位水体的藻细胞在表层大量聚集。若能够将较大单位水体的藻细胞富集至较小单位水体的表层，并采集之，将会有效、低耗的实现藻细胞的初步浓缩。从而有效降低微藻的培养成本，并控制微藻品质。

发明内容

本发明基于传统跑道池的一系列不足，提供一种更多向湍流、混合的跑道池微藻培养系统。总体而言，从提高二氧化碳利用率、通过提高藻液上下层水体的交换频率来提高单位水体藻细胞接收的有效光能总量及防止藻细胞受到光损伤、实时、的实现藻细胞的初步浓缩从而降低收获成本等角度，最终达到提高微藻培养效率，降低微藻培养成本的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的多向湍流、混合的跑道池微藻培养系统，包括跑道池，跑道池内设置湍流补碳装置、利用微气泡反冲浓缩藻细胞的采收装置、挡流装置、双桨轮及下设凹槽结构；

湍流补碳装置既可用于提高二氧化碳的利用率和更加迅速的调节藻液PH，同时，亦可引起藻液形成多处湍流，从而促进藻液上下层的对流，增加单位水体的藻细胞接收的有效光能总量；设有封闭罩的补碳装置能够有效防止散布的二氧化碳逃逸，并引起藻液湍流，提高藻细胞与气泡的有效接触几率；以此提高二氧化碳的利用率，更加迅速的调节藻液PH；

利用微气泡反冲的藻细胞采收装置与跑道池的收集孔相连，用于在藻液进入离心机之前，初步浓缩藻细胞，提高离心效率，减少离心机损耗；

挡流装置用于对下层藻液产生阻挡，能够引起藻液上下层之间的对流，使藻细胞持续处于上下翻滚的状态，提高单位水体接收的有效光能总量；

双桨轮及下设的凹槽结构用于增加水流速度，缩短藻液循环时间，使搅拌更加彻底。

本发明提供的湍流补碳装置，包括透明封闭罩和底板，透明封闭罩位于底板上方，透明封闭罩内壁和底板上垂直于水流方向设置水流阻挡板和曝气装置，曝气装置位于底板上并且在水流阻挡板的前面，所述的透明封闭罩中垂直水流方向的前面开口，透明封闭罩两侧、后面和顶部设有封闭板。

所述的透明封闭罩和底板可以通过多根支柱固定连接在一起，也可以单独将透明封闭罩固定。

优选的，所述的补气装置中水流阻挡板设有两块，第一水流阻挡板位于透明封闭罩内壁顶部，第二水流阻挡板位于底板上，第二水流阻挡板位于第一水流阻挡板的后面。

优选的，为减少水流受到的阻力，透明封闭罩两侧外缘区域可以设计为具有弧形或锥形的“帽子”结构。

优选的，透明封闭罩长度为跑道池长度的1/20-1/5；宽度为跑道池宽度的1/5-1。

优选的，第一水流阻挡板高度为藻液总高度的1/5-1/2；第二水流阻挡板为透明封闭罩总高度的1/5-1/2；第一和第二水流阻挡板近端之间的距离为总封闭罩长度的1/5-1/3；曝气装置与第一水流阻挡板之间的距离为总透明封闭罩长度的1/5-1/3。

优选的，透明封闭罩两侧封闭板高度为藻液总高度的1/10-1/5。

优选的，水流阻挡板通过粘结、铆钉或螺丝的方式与透明封闭罩和底板可拆卸式固定连接。

本发明的湍流补碳装置的封闭罩完全浸入水面以下；其中曝气装置释放二氧化碳气泡；水流进入透明封闭罩区域后，带动气泡向前流动；气泡上浮至封闭罩上部，受到阻隔后在表层聚集；气泡随水流继续前进，遇到第一水流阻挡板的阻拦后下潜，藻液在此处形成湍流，藻细胞与气泡充分涡旋；水流继续前进遭遇第二水流阻挡板的阻拦后会与后方及上方夹杂气泡的水流再次形成湍流，促使二氧化碳气泡与藻液充分接触，同时实现藻细胞的上下翻滚；水流越过第二水流阻挡板的上部继续前进，剩余的二氧化碳上浮遭遇封闭罩的阻挡，继续在水体中前进；水流遭遇封闭罩外缘部分的阻挡，再一次促进气泡与水流的接触，同时实现藻液上下层之间的对流。

本发明的封闭罩和水流阻挡板选取透光性好的材料（玻璃、有机玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酯、橡胶、树脂等材质的薄板或薄膜），通过粘结或缠绕模具等方式构建密封的。

本发明提供的利用微气泡反冲的藻细胞采收装置，包括曝气网、侧面阻拦网、正面阻拦网和收集管；曝气网前端面向水流方向，置于跑道池底部，其后端与正面阻拦网下部连接；曝气网的两个侧面连接侧面阻拦网，侧面阻拦网与曝气网形成藻液入口，收集管设置在正面阻拦网上端，收集管与跑道池的收集孔可拆卸连接。

优选的，藻液入口宽而出口窄。

优选的，曝气网倾斜放置，曝气网与跑道池底部成15-45度角。进一步的，曝气网与跑道池底部成30度角时本发明的浓缩效果最佳。

本发明所述的藻细胞初步浓缩装置在使用时，曝气网前端置于跑道池底部，后端位于藻液液面下5-10cm；收集管浸于液面1-2cm；两侧阻拦网上部始终高于液面1-2cm。

所述的曝气网是钢结构骨架，上面设有筛绢，筛绢下方布设微气泡发生装置。

侧面阻拦网是钢结构骨架，上面设有筛绢或玻璃、PVC板。

正面阻拦网通过粘接的方式与收集管相连接，正面阻拦网是钢结构骨架，上面设有液体可透过材质，液体可透过材质下方布设微气泡发生装置。

优选的，正面阻拦网上面的液体可透过材质是筛绢，筛绢的孔径不小于曝气网所用的筛绢孔径。

本发明中所述的曝气装置是微气泡发生装置。

将本发明的藻细胞采收装置架设于跑道池中，并通过收集管与跑道池的收集孔连接；侧面阻拦网与曝气网形成藻液入口宽，出后窄，其前端与跑道池底部接触；水流进入采收装置后，微气泡发生装置释放的微气泡依附于藻细胞；藻细胞受到气浮作用影响，汇集于藻液表面；水流运动过程中，藻细胞受到两侧阻拦网的约束，只能向前推进；运动至浓缩装置后端，藻液遭遇正面阻拦网的阻挡，导致装置内部的液面略高于跑道池液面；由于曝气网孔径窄小，外加微气泡冲击，藻细胞无法透过；通过上述过程，可有效将大单位水体的藻细胞，浓缩至收集管附近水体的表层；收集管架设于浓缩装置上部，开口面向水流方向，将细胞密度高的上部藻液引入收集孔，以备后续的离心收集之用。

该设备方便组装拆卸，需要收获微藻时架设；正常培养阶段，拆除。

本发明提供的挡流装置，是一种适用于微藻跑道池的能够对下层藻液产生阻挡的装置。具体是在跑道池中间位置，建两条挡流墙。挡流装置能够使藻液在此发生湍流，促进藻液的上下层交换，从而使下层处于黑暗条件下的藻细胞翻滚至上层，获取足够的光能。挡流墙分别与中间分隔墙和侧墙成15-30º夹角；高度为3-10cm；面向水流方向修建坡度为30-45º斜坡，以减少水流通过挡流墙时遇到的阻力。

挡流墙长度根据其与跑道池池壁的角度而定，优选的，两挡流墙近端之间的垂直距离为跑道池宽度的1/5-1/3。

本发明提供的双桨轮装置，具体是一种安装于微藻跑道池两端的能够搅拌藻液推动藻液前进的装置。双桨轮系统能够更加有效的推动藻液前进，加速藻液在跑道池内部的循环；缩短藻液的上下层交换所需时间，促进藻液表层与大气的气体交换，使得更多的藻细胞获取足够的光能，从而提高微藻培养效率。而桨轮下方的凹槽，使得藻液在此处产生向上的反冲力，从而有助于实现藻液上下层的对流。

优选的，凹槽的凹面成弧形，跨度为桨轮叶轮宽度的2-4倍，最深处为10-20cm。

进一步的，凹槽的跨度为桨轮叶轮宽度的3倍，最深处为15cm。

双桨轮位于跑道池的对角线两端；双桨轮同时运转，能够更加有效的促进藻液前进，加速水体循环。

本发明与现有的单桨轮跑道池系统相比具有以下优点：（1）能够加速跑道池内水体循环，提高液面与大气之间的气体交换频率。（2）能够实时、有效的实现对藻细胞的初步浓缩，提高离心效率，减少离心能耗，降低收获成本。（3）能够防止散布的二氧化碳逃逸，提高二氧化碳利用率，更加迅速的调节藻液PH。（4）能够有效促进藻液上下层之间的交换，既能防止表层的藻细胞受到光损伤，亦可使更多的藻细胞获得足够光能，提高总的光合作用效率。（5）本跑道池能够实现微藻的连续培养，且培养过程中产生的极少量废水，可以通过沉淀池蓄积后泵入水处理池中进行处理后重新补充至跑道池，从而实现营养盐及水的回收。（6）本发明所涉装置成本低，易制造，效率高，有助于降低微藻规模化培养的成本。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是本发明透明封闭罩的结构示意图。

图2为本发明透明封闭罩实施例2示意图。

图3为本发明浓缩装置的结构示意图。

图4为本发明的浓缩装置置于跑道池中侧面示意图。

图5为本发明跑道池的俯瞰示意图。

图6为本发明实施例3凹槽结构的示意图。

图中，1透明封闭罩，2第一水流阻挡板，3第二水流阻挡板，4微气泡发生装置，5底板，6封闭板，7曝气网，8侧面阻拦网，9正面阻拦网，10收集管，11曝气装置，12下液面，13上液面，14跑道池，15收集孔，16湍流补碳装置，17采收装置，18双桨轮装置，19挡流装置，20凹槽。图中箭头代表水流的方向

具体实施方式

实施例1

图1、3、4、5所示，本实施例提供的多向湍流、混合的跑道池微藻培养系统，包括跑道池，跑道池内设置湍流补碳装置、利用微气泡反冲浓缩藻细胞的采收装置、挡流装置、双桨轮及下设凹槽结构。

本实施例提供的湍流补碳装置，包括透明封闭罩和底板，透明封闭罩位于底板上方，透明封闭罩内壁和底板上垂直于水流方向设置水流阻挡板，水流阻挡板和曝气装置，曝气装置位于底板上并且在水流阻挡板的前面，所述的透明封闭罩中垂直水流方向的前面开口，透明封闭罩两侧、后面和顶部设有封闭板。

所述的透明封闭罩和底板通过四根支柱固定连接在一起。

本实施例中水流阻挡板设有两块，第一水流阻挡板位于透明封闭罩内壁顶部，第二水流阻挡板位于底板上，第二水流阻挡板位于第一水流阻挡板的后面。

为减少水流受到的阻力，透明封闭罩两侧外缘区域设计为具有弧形的“帽子”结构。

透明封闭罩长度为跑道池长度的1/10；宽度为跑道池宽度的1/3。

第一水流阻挡板高度为藻液总高度的1/3；第二水流阻挡板为透明封闭罩总高度的1/3；第一和第二水流阻挡板之间的距离为总封闭罩长度的1/4；曝气装置与第一水流阻挡板之间的距离为总透明封闭罩长度的1/4。

透明封闭罩两侧封闭板高度为藻液总高度的1/7。

水流阻挡板通过粘结、铆钉或螺丝的方式与透明封闭罩和底板可拆卸式固定连接。

使用时，将该装置浸于水中后，水流带动曝气装置散布的气泡向前流动，气泡向前流动，同时向上浮动；分别遭遇第一水流阻挡板与封闭罩上部的阻挡；水流会在该处形成湍流，藻液与二氧化碳气泡充分涡旋；藻液与气泡通过第一水流阻挡板与跑道池底部之间的空隙继续向前流动，在此过程中气泡仍会上浮，但是由于下部的水流遭遇到第二水流阻挡板的阻挡后会在该阻挡板后方及对应的封闭罩上方形成第二次湍流，能够促进藻液与气泡充分接触，促使二氧化碳进一步溶解；藻液与气泡继续向前流动，遭遇封闭罩外缘的阻挡，水流形成第三次湍流后，藻液与气泡再次充分接触。同时在此过程中，水流的涡旋，亦有效促进了微藻细胞的上下翻滚，使得单位水体内更多的藻细胞获得足够的光能。

本实施例提供的利用微气泡反冲浓缩藻细胞的采收装置，包括曝气网、侧面阻拦网、正面阻拦网和收集管；曝气网前端面向水流方向，置于跑道池底部，其后端与正面阻拦网下部连接；曝气网的两个侧面连接侧面阻拦网，侧面阻拦网与曝气网形成藻液入口，收集管设置在正面阻拦网上端，收集管与跑道池的收集孔可拆卸连接。

曝气网前端，即藻液入口宽而后端窄。曝气网倾斜放置，曝气网网面与跑道池底面成30度角。

藻细胞初步浓缩装置在使用时，曝气网前端置于跑道池底部，后端位于藻液液面下6cm；收集管浸于液面1.5cm；两侧阻拦网上部始终高于液面1.5cm。

所述的曝气网是钢结构骨架，上面设有筛绢，筛绢下方布设微气泡发生装置。侧面阻拦网是钢结构骨架，上面设有筛绢。

正面阻拦网通过粘接的方式与收集管相连接，正面阻拦网是钢结构骨架，上面设有筛绢，筛绢下方布设微气泡发生装置。筛绢的孔径不小于曝气网孔径。

将本实施例的利用微气泡反冲浓缩藻细胞的采收装置架设于跑道池中，并通过收集管与跑道池的收集孔连接；侧面阻拦网与曝气网形成藻液入口前宽后窄，其前端与跑道池底部接触；水流进入采收装置后，微气泡发生装置散布的微气泡依附于藻细胞；藻细胞受到气浮作用影响，汇集于藻液表面；水流运动过程中，藻细胞受到两侧阻拦网的约束，只能向前推进；运动至浓缩装置后端，藻液遭遇正面阻拦网的阻挡，导致装置内部的液面略高于跑道池液面；由于曝气网孔径窄小，外加微气泡冲击，藻细胞无法透过；通过上述过程，可有效将大单位水体的藻细胞，浓缩至收集管附近水体的表层；收集管架设于浓缩装置上部，开口面向水流方向，将细胞密度高的上部藻液引入收集孔，以备后续的离心收集之用。

本实施例提供的挡流装置，是一种适用于微藻跑道池的能够对下层藻液产生阻挡的装置。具体是在跑道池中间位置，交错建立两条挡流墙。挡流装置能够在使藻液在此发生湍流，促进藻液的上下层交换，从而使下层处于黑暗条件下的藻细胞翻滚至上层，获取足够的光能。挡流墙分别与中间分隔墙和侧墙成20º夹角；高度为6cm；面向水流方向修建坡度为40º斜坡，以减少水流通过挡流墙时遇到的阻力。两挡流墙近端之间的垂直距离为跑道池宽度的1/4。

本实施例提供的双桨轮装置，具体是一种安装于微藻跑道池两端的能够搅拌藻液推动藻液前进的装置。双桨轮系统能够更加有效的推动藻液前进，加速藻液在跑道池内部的循环；缩短藻液的上下层交换所需时间，促进藻液表层与大气的气体交换，使得更多的藻细胞获取足够的光能，从而提高微藻培养效率。

双桨轮位于跑道池的对角线两端；双桨轮同时运转，能够更加有效的促进藻液前进，加速水体循环。

实施例2

如图2所示，本实施例提供的湍流补碳装置与实施例1不同的是，所述的透明封闭罩和底板通过2根支柱固定连接在一起。

实施例3

如图6所述，本实施例与前述的实施例不同的是，在桨轮下方设置凹槽结构，能够使被搅拌的藻液在该处形成向上的反冲力，从而有助于实现藻液的上下层对流。凹槽的凹面成弧形，跨度为桨轮叶轮宽度的3倍，最深处为15cm。

Claims (1)

1.一种多向湍流、混合的跑道池微藻培养系统，其特征在于，包括跑道池，跑道池内设置湍流补碳装置、利用微气泡反冲的藻细胞采收装置、挡流装置、双桨轮及下设的凹槽结构；挡流装置用于对下层藻液产生阻挡；

所述的湍流补碳装置包括透明封闭罩和底板，透明封闭罩位于底板上方，透明封闭罩内壁和底板上垂直于水流方向设置水流阻挡板和曝气装置，曝气装置位于底板上并且在水流阻挡板的前面，所述的透明封闭罩中垂直水流方向的前面开口，透明封闭罩两侧、后面和顶部设有封闭板；

所述的利用微气泡反冲的藻细胞采收装置包括曝气网、侧面阻拦网、正面阻拦网和收集管；曝气网前端面向水流方向，置于跑道池底部，其后端与正面阻拦网下部连接；曝气网的两个侧面连接侧面阻拦网，侧面阻拦网与曝气网形成藻液入口，收集管设置在正面阻拦网上端，收集管与跑道池的收集孔可拆卸连接；

所述的挡流装置，具体是：在跑道池中间位置，交错修建多条挡流墙；挡流墙分别与中间分隔墙和侧墙成15-30º夹角；高度为3-10cm；面向水流方向修建坡度为30-45º斜坡；

所述的双桨轮装置，具体是一种安装于微藻跑道池两端的能够搅拌藻液推动藻液前进的装置，双桨轮位于跑道池的对角线两端；双桨轮下方设有凹槽；

水流阻挡板设有两块，第一水流阻挡板位于透明封闭罩内壁顶部，第二水流阻挡板位于底板上，第二水流阻挡板位于第一水流阻挡板的后面；

藻液入口，即曝气网前端宽而后端窄；

曝气网倾斜放置，与跑道池底部成15-45度角；

曝气网前端置于跑道池底部，后端位于藻液液面下5-10cm；收集管浸于液面1-2cm；两侧阻拦网上部始终高于液面1-2cm。