CN106957790B - 一种微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道及其使用方法，微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道包括直管，弯管接头；多个直管通过弯管接头连接形成蛇形管道；直管和弯管接头均由透明导光材料制成；直管和弯管接头的端部均设有安装槽，安装槽上设有LED灯光组件；直管沿长度方向设有多个第一中空管道；弯管接头沿长度方向设有第二中空管道；第二中空管道与多个第一中空管道相对设置。本发明提供的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，通过在透明导光材料设置中空管道和LED灯光组件，为微藻提供生长环境。采用本发明提供的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，无论是白天还是夜晚，光源都能均匀分布，微藻不会因胁迫反应而影响生长。

Description

一种微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道及其使用方法

技术领域

本发明涉及生物养殖技术，特别涉及一种微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道及其使用方法。

背景技术

微藻是自然水体的主要生产者，在全球能量转化和碳素循环中发挥重要作用，每年通过微藻光合作用固定的CO₂约占全球CO₂固定量的40％以上。同时，微藻细胞富含蛋白质、色素及多种不饱和脂肪酸等高附加值生物活性物质，逐步成为保健食品、医药及精细化工等领域的重要材料来源。随着传统化石能源(石油、煤炭等)的日益枯竭，微藻作为可再生能源(油脂等)得到了人们的高度重视，具有重要社会和环境效应的微藻产业则显示出广阔的应用前景。

光合自养模式下，封闭式管道光生物反应器因比表面积大、光能利用率高、不易污染、高效的气体交换、更好的流速调控、更大的储液量等优点而广泛应用于微藻的工业化培养。管道式光生物反应器的设计关键是更大的比表面积，保障微藻养殖过程中光能获得的最大化，从而获得单位占地面积微藻生物量产率的最大化，封闭式避免外界污染源。

目前的管道反应器设计多以圆形管道为主，光源设置于圆形管道的外部，该种设计的管道在实际应用中存在缺陷，在一定大小范围内(直径≤14cm)扩大管道半径可保证足够的光能射入，维持微藻正常生长所需的光能供给，取得微藻最大的光能利用率；但超过该半径范围后，由于光照量随管道半径的衰减和微藻自身的遮蔽作用，则大大降低管道的光能利用率，直接限制微藻的正常生长，降低产率。同时，此类圆形管道，在微藻培养过程中，容易在管道的管壁上形成沉淀，并出现微藻抱团现象，影响光源对管道的照射，对微藻的生长造成影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，包括直管，弯管接头；其中：

多个所述直管通过所述弯管接头连接形成蛇形管道；

所述直管和所述弯管接头均由透明导光材料制成；所述直管和所述弯管接头的端部均设有安装槽，所述安装槽上设有LED灯光组件；所述直管沿长度方向设有多个第一中空管道；所述弯管接头沿长度方向设有第二中空管道；所述第二中空管道与多个所述第一中空管道相对设置。

进一步地，所述直管和所述弯管接头的外表面覆盖有薄膜；所述薄膜上镀有银层；所述银层的表面设为凹凸不平的表面。

进一步地，所述弯管接头设有两个直角弯头。

进一步地，所述第一中空管道内设有低剪力螺旋桨。

进一步地，所述弯管接头的外侧设有太阳能板，所述太阳能板与蓄电池连接，所述蓄电会为LED灯光组件供电；所述弯管接头的外侧设有光导纤维；所述光导纤维与集光器连接。

进一步地，所述弯管接头由两个对剖接头组成；所述对剖接头上设有管道凹槽；两个所述对剖接头合于一起时，两个所述管道凹槽形成所述第二中空管道；所述管道凹槽的两侧设有密封槽；所述密封槽上设有密封条。

进一步地，所述直管和所述弯管接头内均设有冷却管道。

进一步地，所述直管的中间设有第一通气管道；所述第一中空管道设有多个，绕所述第一通气管道环形设置；所述第一通气管道与多个所述第一中空管道之间设有吹气管道。

进一步地，所述弯管接头上设有第二通气管道；所述第二通气管道位于所述弯管接头的中间；所述第二中空管道绕所述第二通气管道设置；所述第二中空管道与所述直管上的第一中空管道对应设置；所述第二通气管道与所述第一通气管道对应设置。

本发明还提供一种如上任一项所述的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道的使用方法，其特征在于，包括：

向微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道中多个第一中空管道输入微藻培养液；

白天时，直接将微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道置于自然光环境中，将自然光通过透明导光材料进入第一中空管道和第二中空管道，为微藻的培养提供光源；

夜晚时，打开安装槽上的LED灯光组件，将灯管组件发出的光通过透明导光材料进入第一中空管道和第二中空管道，为微藻的培养提供光源。

本发明提供的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，通过在透明导光材料上设置中空管道和能够采用太阳能电池驱动的LED灯光组件，中空管道用于放置微藻培养液；白天，自然光可以透过透明导光材料和光导纤维入射至中空管道，为微藻提供生长环境；夜晚，太阳能电池使LED灯光组件发光，通过透明导光材料使整个蛇形管道发光，为微藻提供生长环境。采用本发明提供的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，白天可利用自然光获得微藻的生长所需的光源，夜晚可利用灯管组件获得微藻的生长所需的光源，且无论是白天还是夜晚，光源都能均匀分布，微藻不会因胁迫反应而影响生长。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道结构示意图；

图2为图1中直管结构示意图；

图3为直管优选实施例结构示意图；

图4为弯管接头优选实施例一结构示意图；

图5为弯管接头优选实施例二剖视图；

图6为弯管接头优选实施例二立体图；

图7为图6中B的局部放大图；

图8为图2中A处截面图；

图9为微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道优选实施例剖视图。

附图标记：

10 直管 11 第一中空管道 12 薄膜

14 第一通气管道 15 吹气管道 20 弯管接头

21 直角弯头 22 第二中空管道 24 对剖接头

25 管道凹槽 26 密封槽 27 密封条

28 第二通气管道 30 安装槽 31 LED灯光组件

40 冷却管道

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作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。

图1为本发明提供的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道结构示意图，如图1所示：微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，包括直管10，弯管接头20；其中：多个所述直管10通过所述弯管接头20连接形成蛇形管道；所述直管10和所述弯管接头20均由透明导光材料制成；所述直管10和所述弯管接头20的端部均设有安装槽30，所述安装槽30上设有LED灯光组件31；所述直管10和所述弯管接头20沿长度方向设有多个第一中空管道11；所述弯管接头20沿长度方向设有第二中空管道22；所述第二中空管道22与多个所述第一中空管道11相对设置。

具体实施时，蛇形管道由多个直管10(如图2所示)通过弯管接头20连接而成；第二中空管道22与多个第一中空管道11相对设置；直管10和弯管接头20均由透明导光材料制成，直管10和弯管接头20沿长度方向上设有第一中空管道11，微藻培养液盛放于第一中空管道11内，用于培养微藻；白天，自然光可以通过由透明导光材料制成的直管10入射至第一中空管道11内，为微藻提供生长所需的光源；自然光可通过控制器控制光强度,调整光谱范围，一般来说光谱越窄光效高。安装槽30设置于直管10的端部，所在位置与第一中空管道11端口所在位置相异，夜晚，LED灯光组件31发光，光线入射至直管10上除第一中空管道11外的透明导光材料内部时，光线在直管10的透明导光材料内经过多次反射，使整个直管10发亮，为微藻提供生长所需的光源。微藻光和作用所吸收光的光谱峰值，一般光照可通过控制器调节光谱范围，白天自然光需要通过光照控制器(具有分光功能)设置，夜晚可通过LED光谱控制，比如红光和蓝光。

同理，弯管接头20整体发光，为位于弯管接头20内微藻提供生长所需的光源。

较佳地，透明导光材料为PMMA材料；LED灯光组件31采用低功耗的LED光源。

上述微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道不管作成什么形状，管道竖着放，在重力作用下，可以减少微藻对第一中空管道11内壁的附着。对于弯管接头20，减少弯管接头20的弯度，增加弯管接头20上第二中空管道22的内径，可以提高伪造培养液的流速。

本发明提供的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，通过在透明导光材料上设置中空管道和能够采用太阳能电池驱动的LED灯光组件，中空管道用于放置微藻培养液；白天，自然光可以透过透明导光材料和光导纤维入射至中空管道，为微藻提供生长环境；夜晚，太阳能电池使LED灯光组件发光，通过透明导光材料使整个蛇形管道发光，为微藻提供生长环境。采用本发明提供的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，白天可利用自然光获得微藻的生长所需的光源，夜晚可利用灯管组件获得微藻的生长所需的光源，且无论是白天还是夜晚，光源都能均匀分布，微藻不会因胁迫反应而影响生长。采用透明导光材料制成的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，保证光照均匀，第一中空管道内各个位置的微藻都能受到光的照射。

较佳地，如上所述微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道上设有传感器，可用于检测PH,温度，光照强度，CO₂通气量，溶解氧含量，营养液组分含量(比如N,P,S，C等)，微藻密度，氧气排出量，管内压力，藻液流速流量，全程智能监控等。

较佳地，如上所述微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道与液泵连接，微藻培养液循环动力采用液泵推进，每5分钟推进一次，可以解决微藻附着于第一中空管道11和第二中空管道22的内壁的问题，同时可保持PH,CO₂,O₂等的浓度稳定性，降低成本。

较佳地，如上所述微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道与脱气膜连接，在微藻生长过程中，由于微藻的光合作用，第一中空管道11和第二中空管道22内的微藻培养液会产生过量的氧气，因此，需要将氧气去除。微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道与内增压脱气膜连接，第一中空管道11和第二中空管道22内的微藻培养液经过脱气膜，可以过滤掉微藻培养液内的氧气，再将微藻培养液通入微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道的另一端，形成微藻培养液的循环。

较佳地，如上所述微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道的一端与抽气装置连接，抽气装置与可循环分流气体装置连接。抽气装置用于抽取微藻光合产生的O₂和输送至第一中空管道11与第二中空管道22内的多余的CO₂,抽气后的气体进入可循环分流气体装置。

优选地，所述直管10和所述弯管接头20的外表面覆盖有薄膜12；所述薄膜12上镀有银层；所述银层的表面设为凹凸不平的表面。

具体实施时，在直管10和弯管接头20的外表面上覆盖薄膜12(如图3和图4所示)，在薄膜12贴覆于直管10和弯管接头20的表面上镀有银层，使得LED灯光组件31发出的光在直管10和弯管接头20在透明导光材料上传播时，可以经过银层加强反射，而不会折射至直管10和弯管接头20的外侧，加强光的强度。采用凹凸不平的表面，使得LED灯光组件31发射出的光线可以入射至银层凹凸不平的表面，银层凹凸不平的表面将光线反射至不同的位置，使得第一中空管道11的微藻培养液都有微藻生长所需要的光源。

优选地，所述弯管接头20设有两个直角弯头21。

具体实施时，弯管接头20上设置两个直角弯头21(如图5所示)，设置于弯管接头20端部的LED灯光组件31发光时，经过直角弯头21透明导光材料内部的反射，光线可以从直角弯头21的一端传输的另一端，整个弯管接头20发亮。

优选地，所述第一中空管道11内设有多个低剪力螺旋桨。

具体实施时，在第一中空管道11内设有低剪力螺旋桨，低剪力螺旋桨转动，使得微藻培养液在蛇形管内流动的同时，微藻培养液在垂直其流动方向有一定的扰动，微藻培养液不会在蛇形管内壁上产生沉淀或者藻类附着，导致蛇形管难以清洗。在第一中空管道11内设置低剪力螺旋桨，提高光照利用率，解决光衰减问题，比如微藻附着挂壁，藻浓度增加等问题带来光照和生物量损失。同时，低剪力螺旋桨转动时，剪切力较小，避免对藻细胞的破坏。上述低剪力螺旋桨为气动螺旋桨，采用通气管驱动。

优选地，所述弯管接头20的外侧设有太阳能板，所述太阳能板与蓄电池连接，所述蓄电会为LED灯光组件31供电。

具体实施时，白天，太阳能板吸收太阳光，为蓄电池充电；夜晚，蓄电池为LED灯光组件31供电，使得LED灯管组件31发光，为微藻生长提供光源。采用太阳能板吸收太阳能为蓄电池供电，完全节能环保。微藻吸收光和大量CO₂,减少了温室气体排放。

优选地，所述弯管接头20的外侧设有光导纤维；所述光导纤维与集光器连接。

具体实施时，白天，太阳能板吸收太阳光为蓄电池充电，另一方面，户外集光器通过光导纤维，再经过光控制器引入光照，入射至与多个所述第一中空管道11和第二中空管道22中。

优选地，所述弯管接头20由两个对剖接头24组成；所述对剖接头24上设有管道凹槽25；两个所述对剖接头24合于一起时，两个所述管道凹槽25形成所述第二中空管道22。

具体实施时，如图6所示：先加工两个对剖接头24，并在两个对剖接头24上设置管道凹槽25，两个对剖接头24合于一起时，两个管道凹槽25形成第二中空管道22。由于需要在弯管接头20内部设置第二中空管道22，如果采用一体化生产制造，则工艺复杂。

优选地，所述管道凹槽25的两侧设有密封槽26；所述密封槽26上设有密封条27。

具体实施时，如图6和图7所示：在管道凹槽25的两侧设置密封槽26，并在密封槽26上设置密封条27，两个对剖接头24合于一起形成弯管接头20时，可以防止第二中空管道22内的微藻培养液漏液。

优选地，所述直管10和所述弯管接头20内均设有冷却管道40。

具体实施时，如图9所示：在直管10和弯管接头20内设置冷却管道40，可以对第一中空管道11和第二中空管道22内部的微藻培养液进行冷却。

优选地，所述直管10的中间设有第一通气管道14；所述第一中空管道11设有多个，绕所述第一通气管道14环形设置；所述第一通气管道14与多个所述第一中空管道11之间设有吹气管道15。

具体实施时，如图3和图8所示：在直管10的中间设置第一通气管道14，多个第一中空管道11设置于第一通气管道14的周围，第一通气管道14与第一中空管道11之间设有吹气管道15，吹气管道15用于将第一通气管道14输入的气体输入第一中空管道11，为微藻的生长提供所需要的气体。第一中空管道11内的螺旋桨搅拌采用低剪力设计，与第一中空管道11通气设置形成高效气液交换混合。

优选地，所述弯管接头20上设有第二通气管道28；所述第二通气管道28位于所述弯管接头20的中间；所述第二中空管道22绕所述第二通气管道28设置；所述第二中空管道22与所述直管10上的第一中空管道11对应设置；所述第二通气管道28与所述第一通气管道14对应设置。

具体实施时，如图4所示：第二通气管道28位于弯管接头20的中间，第二中空管道22绕第二通气管道28设置，第二中空管道22与直管10上的多个第一中空管道11对应设置，可以使微藻培养液在整个蛇形管道上循环流动；第二通气管道28与第一通气管道14对应设置，在蛇形管道的端部的第一通气管道14端口输入气体时，气体可以传输到蛇形管道的另一端部。较佳地，第二中空管道22与第二通气管道28之间可设置吹气管道15，便于将第二通气管道28内的气体输入第二中空管道22，为第二中空管道22内的微藻生长提供气体。

较佳地，为了给微藻光合作用提供足够的二氧化碳，因此，第一通气管道14与二氧化碳发生装置连接，在第一通气管道14与二氧化碳发生装置之间连接有气体控制器，可以控制二氧化碳的气压大小和比例。

本发明还提供一种如上任意所述的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道使用方法，包括：向微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道中多个第一中空管道输入微藻培养液；白天时，直接将微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道置于自然光环境中，将自然光通过透明导光材料进入第一中空管道和第二中空管道，为微藻的培养提供光源；夜晚时，打开安装槽上的LED灯光组件，将灯管组件发出的光通过透明导光材料进入第一中空管道和第二中空管道，为微藻的培养提供光源。

具体实施时，由于直管10和弯管接头20均采用透明导光材料制成，因此，白天，自然光可以通过透明导光材料进入第一中空管道11和第二中空管道22，为微藻的生长提供光源；夜晚，可以打开LED灯光组件31，灯管组件发出的光通过透明导光材料进入第一中空管道11和第二中空管道22，为微藻的生长提供光源。

尽管本文中较多的使用了诸如直管，中空管道，薄膜，螺旋桨，通气管道，吹气管道，弯管接头，直角弯头，太阳能板，对剖接头，管道凹槽，密封槽，密封条，安装槽，LED灯光组件，冷却管道，集光器，光导纤维，光强光谱控制器，各类传感器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，其特征在于：包括直管(10)，弯管接头(20)；其中：

多个所述直管(10)通过所述弯管接头(20)连接形成蛇形管道；

所述直管(10)和所述弯管接头(20)均由透明导光材料制成；所述直管(10)和所述弯管接头(20)的端部均设有安装槽(30)，所述安装槽(30)上设有LED灯光组件(31)；所述直管(10)沿长度方向设有多个第一中空管道(11)；所述弯管接头(20)沿长度方向设有第二中空管道(22)；所述第二中空管道(22)与多个所述第一中空管道(11)相对设置；

所述弯管接头(20)由两个对剖接头(24)组成；所述对剖接头(24)上设有管道凹槽(25)；两个所述对剖接头(24)合于一起时，两个所述管道凹槽(25)形成所述第二中空管道(22)；所述管道凹槽(25)的两侧设有密封槽(26)；所述密封槽(26)上设有密封条(27)；

所述直管(10)的中间设有第一通气管道(14)；所述第一中空管道(11)设有多个，绕所述第一通气管道(14)环形设置；所述第一通气管道(14)与多个所述第一中空管道(11)之间设有吹气管道(15)；

所述弯管接头(20)上设有第二通气管道(28)；所述第二通气管道(28)位于所述弯管接头(20)的中间；所述第二中空管道(22)绕所述第二通气管道(28)设置；所述第二中空管道(22)与所述直管(10)上的第一中空管道(11)对应设置；所述第二通气管道(28)与所述第一通气管道(14)对应设置。

2.根据权利要求1所述的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，其特征在于：所述直管(10)和所述弯管接头(20)的外表面覆盖有薄膜(12)；所述薄膜(12)上镀有银层；所述银层的表面设为凹凸不平的表面。

3.根据权利要求1所述的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，其特征在于：所述弯管接头(20)设有两个直角弯头(21)。

4.根据权利要求1所述的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，其特征在于：所述第一中空管道(11)内设有低剪力螺旋桨。

5.根据权利要求1所述的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，其特征在于：所述弯管接头(20)的外侧设有太阳能板，所述太阳能板与蓄电池连接，所述蓄电会为LED灯光组件(31)供电；所述弯管接头(20)的外侧设有光导纤维；所述光导纤维与集光器连接。

6.根据权利要求1所述的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道，其特征在于：所述直管(10)和所述弯管接头(20)内均设有冷却管道(40)。

7.一种如权利要求1～6任一项所述的微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道的使用方法，其特征在于，包括：

向微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道中多个第一中空管道输入微藻培养液；

白天时，直接将微藻藻种光生物反应半封闭式培养管道置于自然光环境中，将自然光通过透明导光材料进入第一中空管道和第二中空管道，为微藻的培养提供光源；

夜晚时，打开安装槽上的LED灯光组件，将灯管组件发出的光通过透明导光材料进入第一中空管道和第二中空管道，为微藻的培养提供光源。