CN106754289A - 基于正渗透原理的微藻脱水设备及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于正渗透原理的藻液脱水设备，包括：多个正渗透装置，每一个包括供应来自藻液供应源的待脱水藻液的藻液供应管道，供应汲取液的汲取液供应管道，和排出至少一部分水分被去除了的藻液的出液管道；使吸收了水分的汲取液浓缩再生的汲取液再生装置；和控制装置，所述控制装置被设计为使得每个正渗透装置的进液操作、正渗透脱水过程以及出液操作连续、不间断地进行，并且，对于进液操作、正渗透脱水过程和出液操作中任一个来说，相邻两个正渗透装置中的后一正渗透装置的相应操作在前一正渗透装置完成该相应操作之后开始。本申请还提供了一种藻类脱水方法以及执行此方法的控制装置，实现了藻类培养、浓缩脱水和产品加工的连续性。

Description

基于正渗透原理的微藻脱水设备及方法

技术领域

本申请涉及一种基于正渗透原理的微藻脱水设备及方法，本申请同样适用于其它微生物的浓缩脱水以及其它悬浮态液体的浓缩脱水。根据本申请的微藻脱水设备和方法实现了微藻培养、浓缩脱水和微藻产品加工三个阶段的连续性。

背景技术

微藻是低等植物，其种类繁多、分布极其广泛，海洋、淡水湖泊等水域均有微藻存在。其特有的化学组成和结构使其成为最有潜力的生物柴油和生物质油的优良原料。化石能源蕴藏量逐渐下降，温室气体排放日益严重，发展微藻生物能源被认为是一种最具前景的替代能源。微藻浓缩脱水是微藻生物能源生产中的关键技术之一。

目前在微藻的规模化培养中，微藻的固体含量很低，仅有0.1～0.5％，在微藻的收获到产品开发过程中，需要将藻液浓缩脱水，除去其中的大量水分，这一过程能耗高，制约着微藻生物能源开发的进程。

现有的微藻浓缩脱水技术，一般采用浓缩和脱水串联处理的方式，浓缩方法主要有膜过滤法、气浮法和沉淀法，经过浓缩后的藻液中的含水率仍然高达98％以上，需要再进一步做脱水处理。在脱水阶段主要有离心脱水法和机械压滤法，进行进一步脱水可以使藻液中的含水率降到85％左右。

离心脱水法和机械压滤、例如螺旋压滤法都会消耗大量能量。离心脱水是利用藻液中微藻与培养液比重不同从而具有不同离心力的原理使微藻和培养液脱离，离心脱水与其它几种技术相比存在的主要问题是能耗过高；机械压滤是通过对藻液施加外加压力，利用压滤机中滤布或筛网具有不同的透过孔径，对藻液中的微藻进行拦截过滤，而水分子由于具有更小的体积，故而通过小孔而进行脱水，机械压滤存在的主要问题是运行密封性低，容易造成污染，滤布或筛网的清洗需要消耗大量的水源，耗水量大。另外，用这两种方法对藻液脱水时也可能要掺入絮凝剂，影响微藻产业附加产品的纯度。

为了克服利用上述方法对微藻进行浓缩脱水时出现的问题，比如能耗高，现有技术中研制出一种利用正渗透(Forward Osmosis，FO)技术进行微藻脱水的方法，但是目前该方法尚处于实验室的试验阶段，不能在大规模微藻培养中实现工业化生产所要求的连续性作业。

然而，随着微藻培养技术的不断改进、微藻培养规模的不断扩大，处于不同培养阶段的微藻会连续地输出，这对于微藻的浓缩脱水过程提出更高的要求，希望微藻的浓缩脱水过程能够连续进行，以避免连续不断排出的大量藻液沉积和存放造成的污染或变质，并且使得浓缩后的藻液与后续进一步干燥等加工作业设备能够实现连续性作业。

发明内容

本申请的目的是将正渗透技术应用到大规模微生物培养及产业化生产工艺中，实现从微藻培养阶段输出的藻液能够不经过存储而直接进入浓缩脱水阶段、之后直接进入微藻产品加工阶段的连续式一条龙模式。

正渗透技术也称为正渗透膜分离技术。正渗透的过程是水从较高水化学势(或较低渗透压)的一侧通过正渗透膜(选择透过性)流向较低水化学势(或较高渗透压)一侧的过程。本过程是不需外加压力做驱动力、而仅仅依靠渗透压驱动的膜分离过程，因而，正渗透膜分离技术最大的优点在于不需要外加压力或者在很低的压力下运行，而且膜污染小、能够持续长时间而不需清洗。

具体地，采用正渗透技术所用的正渗透装置主要包括正渗透膜，在正渗透膜的两侧分别放置两种具有不同渗透压的溶液，一种为具有较低渗透压的原料液(Feed solution)，在本申请中即为待浓缩脱水的藻液，另一种是具有较高渗透压的驱动液(Draw solution)，在本申请中称为汲取液。利用正渗透膜两侧的渗透压差为驱动力，水自发地从原料液一侧透过正渗透膜到达驱动液一侧。

这样，在原料液一侧的藻液中的水分被去除，藻液中微藻的浓度越来越高，达到浓缩的效果；而在正渗透膜的另一侧，汲取液中的水分越来越多。通常来说，需要对驱动液采取一定措施使驱动液保持原有的组成和较高的渗透压，例如调节汲取液(盐水)的浓度，以便能够持续不断地、长时间、高效地吸收渗透来的水分。

随着正渗透过程的进行，汲取液中的水分越来越多，为了使汲取液维持在一个恒定的浓度范围内，保证吸水的效率，可对汲取液进行反渗透处理。此外，本领域内已知的任何其它工艺，比如蒸馏，也可以用来维持汲取液浓度。

优选地，可以以海盐作为溶质制作汲取液，吸水后的汲取液可作为海藻的培养基，从而使藻液中的水分又回到培养基中。因此，如用海盐作为汲取液的溶质，可不需要浓缩，而直接将海盐汲取液作为海藻的培养基回收利用。

在本申请的藻类脱水应用实施例中，采用的汲取液是高浓度盐水或溶质为MgCl₂的溶液。然而，汲取液也可以是其他溶质的溶液，例如，溶质可以是NaCl、KCl、Al₂(SO₄)₃、NH₄HCO₃、葡萄糖、果糖或其它任何适当的溶质中的任一种或者根据特定需要选择多种组合使用。

为实现本申请的目的，根据本申请的第一方面，提供了一种基于正渗透原理的藻液脱水设备，包括：一种基于正渗透原理的藻液脱水设备，包括：多个正渗透装置，每个正渗透装置包括将来自藻液供应源的待脱水藻液直接供应到该正渗透装置的藻液供应管道，将用于汲取所述待脱水藻液中的水分的汲取液供应到该正渗透装置的汲取液供应管道，和将所述待脱水藻液中的水分的至少一部分去除之后生成的藻液排出该正渗透装置的出液管道；使吸收了水分的汲取液浓缩再生的汲取液再生装置；和控制装置，所述控制装置被设计为使得每个正渗透装置的进液操作、正渗透脱水过程以及出液操作连续、不间断地进行，并且，对于构成脱水周期的进液操作、正渗透脱水过程和出液操作中任一个来说，相邻两个正渗透装置中的后一正渗透装置的相应操作在前一正渗透装置完成该相应操作的时刻即开始；其中每一个正渗透装置从进液操作开始到出液操作结束的时间构成一个脱水周期。

根据一种可选的实施方式，每个正渗透装置包括水分能够透过的正渗透膜，位于所述正渗透膜一侧的藻液容器，以及位于正渗透膜另一侧的汲取液容器，所述藻液容器与所述藻液供应管道连通而被供应所述待脱水藻液，所述汲取液容器与所述汲取液供应管道连通而被供应所述汲取液，并且所述汲取液容器与所述汲取液再生装置连通。

根据一种可选的实施方式，每个正渗透装置包括串联连接的多个子正渗透装置，每个子正渗透装置包括水分能够透过的正渗透膜，位于所述正渗透膜一侧的藻液容器，以及位于正渗透膜另一侧的汲取液容器，并且所述藻液脱水设备包括与每个子正渗透装置的汲取液容器连通的多个汲取液再生装置；

在每个正渗透装置中，所述多个子正渗透装置中的第一个子正渗透装置的藻液容器与所述藻液供应管道连通而被供应所述待脱水藻液，所述多个子正渗透装置中的最后一个子正渗透装置的藻液容器与该正渗透装置的出液管道连通，并且，相邻两个子正渗透装置串联连接使得前一子正渗透装置的藻液容器被供应到后一子正渗透装置中；并且

对每个正渗透装置的进液操作是对该正渗透装置的第一个子正渗透装置的藻液容器进行的进液操作，对每个正渗透装置的出液操作是对该正渗透装置的最后一个子正渗透装置的藻液容器进行的出液操作，每个正渗透装置的正渗透脱水过程是对该正渗透装置的第一个子正渗透装置的进液操作完成之后、对该正渗透装置的最后一个子正渗透装置进行出液操作之前的过程。

根据一种可选的实施方式，所述控制装置还被设计成使得，每个正渗透装置的正渗透脱水过程的持续时间与出液操作的持续时间的和略小于或等于其余所有正渗透装置的进液操作的持续时间的和；或者，每个正渗透装置的脱水周期略大于或等于所有正渗透装置的进液操作的持续时间的和。

根据一种可选的实施方式，所述汲取液再生装置包括反渗透装置、蒸发器、膜蒸馏组件、机械压缩蒸发组件、低温多效蒸发组件中的一个或多个。

根据一种可选的实施方式，所述汲取液再生装置还用作：对所述汲取液容器中的汲取液起扰动作用的汲取液扰动装置，和/或汲取液均质装置。

根据一种可选的实施方式，所述藻液脱水设备还包括用于扰动藻液容器中的藻液的藻液扰动装置。

根据一种可选的实施方式，所述藻液扰动装置是设置于所述藻液容器内的叶片。

根据一种可选的实施方式，所述藻液扰动装置是与所述藻液容器流体流体的泵。

根据一种可选的实施方式，作为所述藻液扰动装置的泵还为出液操作提供动力。

根据一种可选的实施方式，所述藻液脱水设备还包括设置于所述汲取液容器内部的单独的汲取液扰动装置。

根据一种可选的实施方式，不同汲取液容器具有相同的溶质或不同的溶质，或者具有相同浓度或不同浓度的溶质。

根据一种可选的实施方式，所述汲取液是溶质为MgCl₂，NaCl、KCl、Al₂(SO₄)₃、NH₄HCO₃、葡萄糖、果糖中的一种或多种的溶液。

根据一种可选的实施方式，所述汲取液是天然海水，所述藻液脱水设备还包括用于收集被稀释的海水的收集器。

根据一种可选的实施方式，所述汲取液的渗透压保持在200～300atm。

根据本申请的第二方面，本发明还提供了一种正渗透装置，所述正渗透装置是由上述的多个子正渗透装置构成的正渗透装置。

根据本申请的第三方面，还提供了一种藻液脱水的方法，所述方法包括：1)对所述藻液脱水设备中的每一个正渗透装置重复地、连续地执行由进液操作、正渗透脱水过程和出液操作构成的脱水周期；2)对于构成脱水周期的进液操作、正渗透脱水过程和出液操作中任一个来说，相邻两个正渗透装置中的后一正渗透装置的相应操作在前一正渗透装置完成该相应操作的时刻即开始。

根据本申请的第四方面，本发明还提供了一种用于上述的藻液脱水设备的控制装置，所述控制装置被配置用于执行上述藻液脱水方法。

根据一种可选的实施方式，所述控制装置是被预先编程的芯片、单片机或微控制器。

根据本申请的藻液脱水设备包括多个正渗透装置，既具有正渗透技术带来的优势：不需要絮凝剂从而避免了新杂质的引入，降低了药剂消耗的费用，提高了微藻产业中附加产品的纯度，为藻的食品用途或药品用途提供可能，不需要外加压力从而节省能耗；又具有在大规模藻类培养和工业化流水线生产模式中的应用优势，能够使从培养阶段连续不断输出的藻液不需要大量存储、集中和等待而是即刻以藻液输出的方式进入后续浓缩脱水操作，随后经浓缩脱水后的藻液又能够顺序地、连续不断地从不同的正渗透装置输出进行藻的干燥和产品加工，为藻类培养、浓缩脱水、产品加工的连续式、不间断一条龙模式提供了技术支持。

本发明公开了包含多个脱水装置的脱水设备及其脱水方法，使整个脱水设备对外呈现出进料和连续出料的生产模式，可以避免藻液从光生物反应器收集出来后暂存所带来的污染或变质，同时也能防止后续的干燥设备不断开停的间断性操作，因此具有产业上的应用优势。

附图说明

图1是根据本申请第一实施方式的序批式藻类脱水设备的简化示意图；

图2是图1中的序批式藻类脱水设备的第一示例的时序操作示意图；

图3是图1中的序批式藻类脱水设备的第二示例的时序操作示意图；

图4是根据本申请第二实施方式的接力式藻类脱水设备的简化示意图；和

图5是根据本申请第三实施方式的混合式藻类脱水设备的简化示意图。

具体实施方式

在本申请中，术语“藻类”不仅限于狭义意义上的“藻”类，而是泛指具有相同或类似培养方法或特性的任何光生物。术语“脱水”或“浓缩脱水”是指去除经过培养得到的、含有大量(比如大于90％或98％)水分的藻液中的部分或大部分水分，使藻液浓度升高至预期值以进行后续藻泥加工的过程。

本申请主要涉及正渗透技术在大规模藻类培养环境中的应用，实现了从藻类培养阶段连续不断排出藻液不经过存储放置而以连续不断的方式浓缩脱水继而进行产品后续加工的过程，避免对培养生成的藻液进行存储以及节省了与其相关的成本。下面详细描述了根据本原理的藻液脱水设备和方法。

如图1、4和5所示，根据本申请的藻液脱水设备100、200和300包括两个、优选更多个正渗透装置50。每个正渗透装置50(50-1，…50-N)主要包括正渗透膜(FO膜)52以及位于正渗透膜52两侧的原料液容器和汲取液容器56。原料液被供应到原料液容器，并且汲取液被供应到汲取液容器56。除此之外，正渗透装置50还包括使吸水后的汲取液浓缩再生以获得恒定浓度的汲取液再生装置60。根据本申请，原料液是待脱水的藻液或任何其它含有光生物悬浮物的溶液，为方便起见，原料液以藻液为例进行说明，原料液容器在下文中描述为藻液容器54。

下面就序批式藻类脱水技术(包括设备和方法)进行详细描述。图1示出了根据本申请第一实施方式的序批式藻类脱水设备100的简化示意图。在本第一实施方式中，序批式藻类脱水设备100包括4个正渗透装置50-1，50-2，50-3和50-4。对于每一个正渗透装置50执行下述操作：

进液操作，包括：将配好的汲取液，在本实验中为渗透压在200～300atm的MgCl₂溶液，通过输送泵输送到正渗透装置50的汲取液容器56，将来自藻液供应源(未示出)的待脱水藻液供应到正渗透装置500的藻液容器54；

正渗透脱水过程：利用渗透压的驱动，藻液中的水分通过正渗透膜52而被汲取液吸收。然而，为了使此过程效率更高，所需时间更短，可以为藻液容器54中的藻液和汲取液容器56在的汲取液分别配备藻液扰动装置和汲取液扰动装置，使得藻液和汲取液分别藻液容器54和汲取液容器56内循环运动，这样在正渗透膜52表面形成剪切力，更有利于藻液中的水分渗透到正渗透膜52另一侧的汲取液中，也可以避免与渗透膜52接触的局部藻液或汲取液随着渗透的进行二者浓度变化，渗透压差逐渐减小致使渗透停止；

出液操作：经过预先设定的正渗透脱水时间之后，藻液容器52中的藻液达到预期的目标浓度，即输出预期浓度的藻液到藻液产品加工地A。

上述是对每一个正渗透装置50的藻液脱水流程的介绍，进液操作、正渗透脱水过程和出液操作构成了完整的藻液脱水周期。下面结合图2的时序图、描述图1中的包括4个正渗透装置50(50-1，50-2，50-3，50-4)的藻液脱水设备100的序批式操作过程。这里应说明，在本申请的时序图中，相同的操作步骤用相同的阴影线表示，以使说明更清楚，本领域内的技术人员更容易理解。

首先对第一正渗透装置50-1(例如，图1中最左侧的正渗透装置50)供应待脱水藻液和汲取液，其中，待脱水藻液来自藻液供应源(未示出)，即进液步骤，历时预设的2个小时T11；进液完成后，第一正渗透装置50-1开始预设的4个小时(T12+T13)的正渗透脱水过程，优选地，对藻液和汲取液一直进行扰动。

在第一正渗透装置50-1的此4个小时的正渗透脱水过程期间，即第一正渗透装置50-1完成进液操作的即刻，对第二正渗透装置50-2供应待脱水藻液和汲取液，即进液步骤，持续2个小时，如图2所示的T12；在对第二正渗透装置50-2的进液操作结束的即刻，开始第二正渗透装置50-2的正渗透脱水过程的同时，对第三正渗透装置50-3进行进液步骤，持续预设的2个小时，如图2所示的T13。

对第三正渗透装置50-3的进液步骤完成的即刻，一方面，第三正渗透装置50-3开始正渗透脱水过程，同时对第四正渗透装置50-4进行进液步骤，持续预设的2个小时，如图2所示的T14；另一方面，对第三正渗透装置50-3的进液步骤完成的即可，第一正渗透装置50-1的正渗透脱水过程(T12+T13)基本上结束，藻液达到预期浓度，在T14期间进行出液操作。

第四正渗透装置50-4的进液步骤结束的同时，第一正渗透装置50-1的出液操作也结束。至此，第一正渗透装置50-1完成第一脱水周期P1。重复对第一正渗透装置50-1的进液步骤T11，同时对第二正渗透装置50-2进行出液操作…以此类推。

在本实验中，根据设定，对于每一个正渗透装置50来说，每一批藻液的脱水周期为8小时，进液2小时(T11)，正渗透脱水过程4小时(T12+T13)，出液2小时(T14)，对于具有4个正渗透装置50的正渗透藻液脱水设备100来说，最高效率地、完美地实现了出液和进液操作的连续性，这对于微藻连续不断地从培养阶段输出的工业化生产作业场合来说是非常具有优势的，这使得从培养阶段连续不断输出的微藻能够不经过大量存储而连续不断地进入到浓缩脱水流程中，继而能够连续不断地进入微藻产品后续加工阶段，实现了微藻培养、浓缩脱水、产品加工的连续、一条龙模式。

扩展来讲，对于包括N个(N大于或等于2)正渗透装置的正渗透藻液脱水设备来说，为保证正渗透藻液脱水设备中各正渗透装置出液操作的连贯性，每个正渗透装置的正渗透脱水时间(T12+T13)与每个正渗透装置的出液时间(T14)的和应小于或等于其余N-1个正渗透装置的进液时间(T12*(N-1))的和(在图2的示例中为最佳地“等于”)；另外，为保证正渗透藻液脱水设备各正渗透装置进液的连续性，每个正渗透装置的脱水周期P应大于或等于N个正渗透装置的进液时间的和(在图2的示例中为最佳地“等于”)。

对于时间的控制来说，还优选地，每个正渗透装置的正渗透脱水过程完成后，其前一正渗透装置刚好完成出液操作；并且每个正渗透装置的出液完成后，其后一正渗透装置刚好完成正渗透脱水过程。

上面是包括4个正渗透装置50的正渗透藻液脱水设备100的第一示例。

作为第一实施方式的第二个示例，序批式藻液脱水设备可包括6个正渗透装置50-1，…，50-6。每个正渗透装置的操作周期设定为7小时，其中对各正渗透装置的进液时间为1小时，脱水过程持续5小时，出液时间为1小时。

第二个示例的时序图如图3所示，其中T21，T22和T23分别表示每一个正渗透装置50-1，…，50-6的进液时间、脱水过程时间和出液时间。其中，在第一正渗透装置的脱水过程T12期间(5个小时)，完成其它5个正渗透装置的进液操作，类似操作过程参考上述第一示例，这里不再赘述。

在本第一实施方式的第三示例中，序批式藻液脱水设备可包括8个正渗透装置。在本示例中，每个正渗透装置的操作周期设定为12小时，其中对各正渗透装置的进液时间为1.5小时，脱水过程持续10小时，出液时间为0.5小时。同样，在第一正渗透装置进液完成的即刻，进行第二正渗透装置的进液，依次类推，在第一正渗透装置的出液完成的同时，最后一个正渗透装置的进液操作也完成，即开始对第一正渗透装置的下一脱水循环的进液操作。

上面给出了根据本申请的第一实施方式的序批式藻液脱水设备的三个示例。根据本申请第一实施方式的包括多个正渗透装置的藻类脱水设备，既具有正渗透技术带来的优势：不需要絮凝剂从而避免了新杂质的引入，降低了药剂消耗的费用，提高了微藻产业中附加产品的纯度，为藻的食品用途或药品用途提供可能，不需要外加压力从而节省能耗；又具有在大规模藻类培养环境中的应用优势，能够使从培养阶段连续不断输出的藻液不需要大量存储、集中和等待而是即刻以藻液输出的顺序进入后续浓缩脱水操作，随后顺序地、连续不断地从不同的正渗透装置输出进行藻类产品加工，为藻类培养、浓缩脱水、产品加工的连续式、不间断一条龙模式提供了技术支持。

在上述优选的三个示例中，在藻类的正渗透脱水过程期间，对原料液(藻液)和汲取液同时施加了扰动、搅拌或循环操作，使得藻液容器中的藻液的脱水能够均匀进行、藻液浓度能够均匀提高，使得汲取液能够保持均一的浓度、能够均匀地吸收穿过正渗透膜的水分从而能够以大致恒定的高效率对藻类脱水。

上述藻液扰动装置和汲取液扰动装置可以分别设置于藻液容器54和汲取液容器56内部，例如叶轮或叶片或类似装置；也可以分别设置于藻液容器54和汲取液容器56外面，例如分别与藻液容器54和汲取液容器56连通的扰动泵。在一个优选例子中，作为藻液扰动装置的泵也可用于在出液操作中为藻液的排出提供动力。在另一个优选例子中，汲取液再生装置60也可以为汲取液提供扰动作用。

汲取液再生装置60可以包括如图所示的反渗透装置64和泵62，它们与汲取液容器56连通，形成汲取液的连续封闭的循环回路。这不但能够实现汲取液的扰动作用，还能够在汲取液的循环过程中实现溶质的回收利用，能够避免与正渗透膜接触区域的汲取液被稀释后降低藻类脱水效率的问题，同时不会形成浓水排放，避免造成环境污染。

可选地，汲取液再生装置60可还包括蒸发器或蒸馏器(未示出)，比如膜蒸馏器(真空膜蒸馏器或吹扫气膜蒸馏器)、机械压缩蒸发器、和低温多效蒸发器中的一种或几种，以通过蒸发、蒸馏等方式对汲取液提供浓缩、脱水或再生功能。

一个优选的例子是使反渗透装置64和蒸发器或蒸馏器相组合，这能够提高汲取液再生的效率。这样，可以将汲取液维持在一个恒定的浓度范围内，保持较高的渗透压。优选地，再生后的汲取液可通过循环作用再返回到汲取液容器中循环利用。

如上述，根据本申请的汲取液再生装置60可用作对藻液容器54和汲取液容器56的溶液起到均质作用的均质装置，以避免与正渗透膜接触的区域中的汲取液被局部过渡稀释而丧失吸水作用。

在本申请中，来自藻液供应源的待脱水藻液的密度可以为10～50g/L，脱水后藻液的密度可达200-240g/l。

如图所示，根据本申请的正渗透藻液脱水设备100还包括为正渗透装置50提供的进液管道70和出液管道80及这些管道上的控制阀75和85，以及可以在汲取液再生装置60、藻液扰动装置和汲取液扰动装置上设置有各种阀件。

与上述正渗透脱水过程相适应地，根据本申请的正渗透藻液脱水设备100还包括控制装置(未示出)，控制装置被配置用于执行如上面关于正渗透藻液脱水设备100所述的藻液脱水程序，例如通过控制正渗透藻液脱水设备100中各正渗透装置50的泵件、控制阀75和85、以及可能存在的其它电器件的开关操作、持续时间等。控制装置所控制的参数可包括但不限制于：各泵/阀的开/关时间，进液/出液的速度/持续时长，汲取液循环速度/再生速度，反渗透装置的反渗透压力/速度，蒸发器的功率等。例如，通过对反渗透装置64的工作参数(压力、频率等)的控制和对汲取液循环的流速控制，可以将汲取液的渗透压保持在200～300atm。

具体到图1和2所示的第一实施方式的第一示例，控制装置首先允许用于第一正渗透装置50-1的进液控制阀75打开进行进液操作；T11时间之后，控制装置自动关闭第一正渗透装置50-1的进液控制阀75，同时打开第二正渗透装置50-2的进液控制阀75，根据需要开启第一正渗透装置50-1的汲取液再生装置60；持续T12之后，控制装置自动关闭第二正渗透装置50-2的进液控制阀75，同时打开第三正渗透装置50-3的进液控制阀75，根据需要开启第二正渗透装置50-2的汲取液再生装置60；持续T13之后，控制装置自动关闭第三正渗透装置50-3的进液控制阀75，同时打开第四正渗透装置50-4的进液控制阀75，根据需要开启第三正渗透装置50-3的汲取液再生装置60，另外同时开启第一正渗透装置50-1的出液阀控制85…依次类推。

控制装置可以配置为单片机、芯片、微控制器以及其它预先编程的电子控制单元的形式。

特别优选地，可以将海水作为汲取液，例如常温25℃时渗透压为200～300atm的溶液。在以海水作为汲取液时，可以将汲取液容器56的进口连接海水供应源，源源不断地接收渗透压在200～300atm的海水，出口连接到收集罐，用于储备起来养殖海藻，无需另行浓缩处理。

如上述，包括多个正渗透装置的正渗透藻液脱水设备100在大规模的藻类培养环境中实现了藻类培养、浓缩脱水和后续产品加工的连续性。

下面描述根本申请的第二实施方式，第二种实施方式与第一种实施方式的区别在于正渗透藻液脱水设备200中的各正渗透装置50为串行布置，对下一正渗透装置50供应的藻液是从前一正渗透装置排出的藻液，以实现对藻液的逐级接力式脱水浓缩。

如图4所示，待脱水藻液被从藻液供应源(未示出)供应到第一正渗透装置50-1的藻液容器54，汲取液被供应到第一正渗透装置50-1的汲取液容器56，经过一段时间的正渗透脱水过程之后，脱水后的藻液被从第一正渗透装置50-1排出，此排出的藻液被供应到第二正渗透装置50-2的藻液容器54，进行进一步脱水操作，以此类推，直到进行了N此脱水后的藻液被从第N个正渗透装置50-N排出。在图4的示例中，N等于3。

此种接力式藻液脱水方式的优势在于：可以为不同的正渗透装置50设定相等或不等的藻液脱水时间。对于预期目标浓度相同的藻液来说，此种接力式脱水方式为经过多次脱水过程实现，与如第一种实施方式中那样经过仅一次脱水过程相比，每一个正渗透装置50的脱水过程的持续时间被大大缩短，从而每个正渗透装置50每次进液和出液的时间间隔就会缩短很多。

本第二实施方式还具有另外一种优势：因为汲取液浓度越高正渗透的驱动力越大，所以，可以从第一个正渗透装置50-1到最后一个正渗透装置50-N依次增大汲取液的浓度，以增大驱动力从而提高吸水能力。与第一实施方式中单一恒定的汲取液浓度相比，本实施方式能够实现更高效率的脱水。此外，从第一正渗透装置至最后一个正渗透装置，可以根据目标藻液特性的要求，改变汲取液的溶质，例如第一个正渗透装置50-1到最后一个正渗透装置50-N中汲取液的溶质各不相同，也可以使不同的溶质搭配使用，降低材料成本。

图5示出了作为第一种和第二种实施方式的组合的第三种实施方式。

根据第三实施方式的正渗透藻液脱水设备300包括三组正渗透藻装置G1，G2，G3，每一组正渗透藻装置相当于根据本申请第二实施方式的正渗透藻液脱水设备200，三组之间的关系与根据本申请第一实施方式的正渗透藻液脱水设备100中的正渗透藻装置50-1，50-2，50-3和50-4之间的关系相同。

首先第一组正渗透藻装置G1中的第一正渗透藻装置50-1被供应来自藻液供应源(未示出)的待脱水藻液，由此开始第一组G1的藻液脱水过程，第一组G1中的各正渗透装置50-1至50-3的脱水循环过程参考本申请的第二实施方式。

第一组正渗透藻装置G1中的第一正渗透藻装置50-1的进液操作完成后，开始藻液脱水过程的同时，打开第二组正渗透藻装置G2中的第一正渗透藻装置50-1的进液控制阀75以从藻液供应源向第二组正渗透藻装置G2中的正渗透装置50-1的藻液容器供应待脱水藻液，由此开始第二组G2的藻液脱水过程，第一组G2中的各正渗透装置50-1至50-3的脱水循环过程同样参考本申请的第二实施方式。

第二组正渗透藻装置G2中的第一正渗透藻装置50-1的进液操作完成后，开始藻液脱水过程的同时，打开第三组正渗透藻装置G3中的第一正渗透藻装置50-1的进液控制阀75以从藻液供应源向第三组正渗透藻装置G3中的正渗透装置50-1的藻液容器供应待脱水藻液，由此开始第二组G3的藻液脱水过程，第三组G3中的各正渗透装置50-1至50-3的脱水循环过程同样参考本申请的第二实施方式。

本第三方式的藻液脱水程序集成了第一实施方式和第二实施方式的优势，更适合于大规模藻类培养环境，脱水效率更高。本第三实施方式中的正渗透装置的组与正渗透装置的关系也可以描述为正渗透装置与构成该正渗透装置的多个子正渗透装置的关系。

上面基于附图中示出的特殊实施方式描述了本申请，但本申请并不限制于上面描述的以及图中示出的细节。相反地，在权利要求及其等效内容的范围内，可以对本申请的形式和结构等细节进行修改和替换。

Claims (19)

1.一种基于正渗透原理的藻液脱水设备，包括：

多个正渗透装置，每个正渗透装置包括将来自藻液供应源的待脱水藻液直接供应到该正渗透装置的藻液供应管道，将用于汲取所述待脱水藻液中的水分的汲取液供应到该正渗透装置的汲取液供应管道，和将所述待脱水藻液中的水分的至少一部分去除之后生成的藻液排出该正渗透装置的出液管道；

使吸收了水分的汲取液浓缩再生的汲取液再生装置；和

控制装置，所述控制装置被设计为使得每个正渗透装置的进液操作、正渗透脱水过程以及出液操作连续、不间断地进行，并且，对于进液操作、正渗透脱水过程和出液操作中任一个来说，相邻两个正渗透装置中的后一正渗透装置的相应操作在前一正渗透装置完成该相应操作的即刻开始；其中每一个正渗透装置从进液操作开始到出液操作结束的时间构成一个脱水周期。

2.根据权利要求1所述的藻液脱水设备，其中，

每个正渗透装置包括水分能够透过的正渗透膜，位于所述正渗透膜一侧的藻液容器，以及位于正渗透膜另一侧的汲取液容器，所述藻液容器与所述藻液供应管道连通而被供应所述待脱水藻液，所述汲取液容器与所述汲取液供应管道连通而被供应所述汲取液，并且所述汲取液容器与所述汲取液再生装置连通。

3.根据权利要求1所述的藻液脱水设备，其中，

每个正渗透装置包括串联连接的多个子正渗透装置，每个子正渗透装置包括水分能够透过的正渗透膜，位于所述正渗透膜一侧的藻液容器，以及位于正渗透膜另一侧的汲取液容器，并且所述藻液脱水设备包括与每个子正渗透装置的汲取液容器连通的多个汲取液再生装置；

在每个正渗透装置中，所述多个子正渗透装置中的第一个子正渗透装置的藻液容器与所述藻液供应管道连通而被供应所述待脱水藻液，所述多个子正渗透装置中的最后一个子正渗透装置的藻液容器与该正渗透装置的出液管道连通，并且，相邻两个子正渗透装置串联连接使得前一子正渗透装置的藻液容器被供应到后一子正渗透装置中；并且

对每个正渗透装置的进液操作是对该正渗透装置的第一个子正渗透装置的藻液容器进行的进液操作，对每个正渗透装置的出液操作是对该正渗透装置的最后一个子正渗透装置的藻液容器进行的出液操作，每个正渗透装置的正渗透脱水过程是对该正渗透装置的第一个子正渗透装置的进液操作完成之后、对该正渗透装置的最后一个子正渗透装置进行出液操作之前的过程。

4.根据权利要求2或3所述的藻液脱水设备，其中，

所述控制装置还被设计成使得，每个正渗透装置的正渗透脱水过程的持续时间与出液操作的持续时间的和略小于或等于其余所有正渗透装置的进液操作的持续时间的和；或者，每个正渗透装置的脱水周期略大于或等于所有正渗透装置的进液操作的持续时间的和。

5.根据权利要求4所述的藻液脱水设备，其中，所述汲取液再生装置包括反渗透装置、蒸发器、膜蒸馏组件、机械压缩蒸发组件、低温多效蒸发组件中的一个或多个。

6.根据权利要求5所述的藻液脱水设备，其中，所述汲取液再生装置还用作：对所述汲取液容器中的汲取液起扰动作用的汲取液扰动装置，和/或汲取液均质装置。

7.根据权利要求6所述的藻液脱水设备，还包括用于扰动藻液容器中的藻液的藻液扰动装置。

8.根据权利要求7所述的藻液脱水设备，其中，所述藻液扰动装置是设置于所述藻液容器内的叶片。

9.根据权利要求7所述的藻液脱水设备，其中，所述藻液扰动装置是与所述藻液容器流体流体的泵。

10.根据权利要求9所述的藻液脱水设备，其中，作为所述藻液扰动装置的泵还为出液操作提供动力。

11.根据权利要求10所述的藻液脱水设备，还包括设置于所述汲取液容器内部的单独的汲取液扰动装置。

12.根据权利要求1-11中任一所述的藻液脱水设备，其中，不同汲取液容器具有相同的溶质或不同的溶质，或者具有相同浓度或不同浓度的溶质。

13.根据权利要求1-12中任一所述的藻液脱水设备，其中，所述汲取液是溶质为MgCl₂，NaCl、KCl、Al₂(SO₄)₃、NH₄HCO₃、葡萄糖、果糖中的一种或多种的溶液。

14.根据权利要求1-12中任一所述的藻液脱水设备，其中，所述汲取液是天然海水，所述藻液脱水设备还包括用于收集被稀释的海水的收集器。

15.根据权利要求1-14中任一所述的藻液脱水设备，其中，所述汲取液的渗透压保持在200～300atm。

16.一种正渗透装置，其特征在于，所述正渗透装置是用于根据权利要求3-15中任一所述的藻液脱水设备中的正渗透装置。

17.一种利用根据权利要求1-15中任一所述的藻液脱水设备进行藻液脱水的方法，所述方法包括：

1)对所述藻液脱水设备中的每一个正渗透装置重复地、连续地执行由进液操作、正渗透脱水过程和出液操作构成的脱水周期；

2)对于构成脱水周期的进液操作、正渗透脱水过程和出液操作中任一个来说，相邻两个正渗透装置中的后一正渗透装置的相应操作在前一正渗透装置完成该相应操作的即刻开始。

18.一种用于根据权利要求1-15所述的藻液脱水设备的控制装置，所述控制装置被配置用于执行根据权利要求17所述的方法。

19.根据权利要求18所述的控制装置，其中，所述控制装置是被预先编程的芯片、单片机或微控制器。