CN107418875A - 微藻培养用摇动平台及微藻培养方法 - Google Patents

微藻培养用摇动平台及微藻培养方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了微藻培养用的水驱动或风帆驱动的摇动平台及微藻培养方法。所述微藻培养培养包括可容纳培养液和微藻的光生物反应器；所述摇动平台可以通过水力，利用落水箱或水轮机装置产生摇动平台的往复运动实现反应器中混合，也可以通过风力，利用风帆或风轮机实现摇动平台的往复运动，实现混合。利用本发明公开的装置和方法培养微藻，可以降低微藻培养中的电力消耗，从而降低成本。而且，利用本装置培养微藻，可以使用结构简单、价格低廉的塑料袋作为简单的光生物反应器，这可以进一步降低微藻培养过程中的生产成本。

Description

微藻培养用摇动平台及微藻培养方法
技术领域
本发明涉及微藻生物技术领域，具体涉及微藻培养用摇动平台及微藻培养方法。
背景技术
微藻能有效利用太阳能，将水、二氧化碳和无机盐转化为生物质。微藻在医药工业、食品工业、动物饲料、生物能源等领域都有着重要的应用。微藻富含蛋白质、脂肪、糖以及氨基酸、高不饱和脂肪酸等多种生物活性物质。
微藻培养系统可以分为开放池与封闭光生物反应器两大类，开放池系统包括圆池、方池或跑道池等，具有生产成本低的优点，但同时具有产率低、易污染、生产不稳定等缺陷。相比较而言，封闭式光生物反应器条件可控、不易受污染、体系稳定，易实现高密度养殖。但是，传统的封闭式光生物反应器系统一般采用鼓泡通气或离心泵驱动等方式混合，通常利用电力驱动，混合能耗非常高，这导致微藻培养成本居高不下。更重要的是，造成微藻培养过程投入能量大于产出生物质中所含能量，使得利用微藻生产生物能源成为空谈。
发明内容
针对传统光生物反应器驱动混合的高能耗问题，本发明公开了一种培养系统，其由水力或风力驱动，实现光生物反应器内混合。为实现此目标，本发明公开了由水力或风力驱动其往复运动的摇动平台，将光生物反应器置于该平台上，即可实现其中混合。
所述摇动平台为平板式托台；其下方装有支撑摇动平台摇动的底座支架，以及可调节摇晃幅度的垫脚支架；
所述水力驱动的摇动平台具有下述结构：包括可承载光生物反应器的摇动平台，其下方装有支撑摇动平台摇动的底座支架，所述底座支架的支点位于摇动平台非中心位置，以使得摇动平台两侧的力矩不等；摇动平台相对力矩短的一侧，设置有能自动储水和放水的水箱，通过水箱中水量的自动增减，实现驱动摇动平台的往复运动。
所述水箱的供水系统为外部具有水位差的水源，所述水箱内部设置有水位达到一定高度后能自动放水的阀门装置，这些装置包括虹吸式自动落水箱和压力感应式自动落水箱。
由于摇动平台两侧的力矩不等，当相对力矩短的一侧的水箱中未充满水时，由于水箱侧较轻，摇动平台的水箱一端被压起，处于上位。而当水箱通过利用外部具有水位差的水源持续不断的供水，当水箱中充满水时，水箱侧较重，摇动平台的水箱一端被压下，另一侧被压起。此时，光生物反应器中液体由于摇动平台的反复倾斜位置变化而晃动，实现光生物反应器内部液体的充分混合。
在水箱中充满水后，通过自动放水的阀门装置的调节，其自有装置打开放水阀门，水箱被放空后，再次被压起，完成一次起伏运动，从而驱动平台上反应器中流体的混合。所述的自动防水的阀门装置的结构，可以但不限于下述方式，例如：随着水箱内部水量的增多，触动水箱底部的排水阀开启，当水箱内的水排空之后，所述排水阀关闭；如此反复。水箱内水量的变化使得底座支架的支点两侧的力矩不等，实现驱动摇动平台两侧的往复运动。
优选的情况下，所述水箱的进水口具有能够调节水流量的阀门，通过控制此阀门达到控制充满水箱的速度，从而可以调节摇动平台的摇动频率。
优选的情况下，所述摇动平台的两端下方还分别设置有可调节摇晃幅度的垫脚支架。更为优选的情况下，所述的垫脚支架为弹簧式。
优选的情况下，通过调节摇动平台两侧的垫脚支架高度，可以调节摇动平台其倾斜角，既摇动幅度，从而有效调节摇动平台内部液体的混合剧烈程度。
优选的情况下，水箱的排水口还设置有通至光生物反应器上方的喷淋装置；当水箱中水达到一定高水位后，自动放水的阀门装置开启，可以将水直接排掉，也可以将水作为冷却水喷淋至光生物反应器上方，这可以为经阳光照射、升至较高温度的光生物反应器降温，维持其温度在一个稳定范围内。优选的情况下，所述平板式摇动平台的底面还设置有漏水口，用以排出由喷淋装置喷洒至光生物反应器上的水。
所述的摇动平台系统，通过水箱的储水和放水从而驱动摇动平台运动后，所放出的水，还可以由风力提水装置重新提升至高位，再次利用。
本发明中所述的光生物反应器，其由刚性材料制作，所述刚性材料包括玻璃、有机玻璃、硬质塑料等，形成具有一定形状封闭式光生物反应器。
也可以由柔性材料制作，包括塑料薄膜，形成一个封闭光生物反应器。即，因为摇动平台提供了一个刚性结构的平板式托台，所以简单的塑料袋也可以作为一个光生物反应器使用。在此情况下，可以采取通气的方式，在塑料袋上部空间形成一个顶空，避免塑料袋上表面覆盖在其内部微藻养殖的水面上，防止出现培养液中由于光合作用产生的氧气无法释放到气相中的现象。所通气体中二氧化碳浓度可以调节，从而为微藻生长提供充足的二氧化碳，补充碳源。有了顶空结构，由于混合运动，光合作用中产生的氧气可以从液相扩散到气相中，并排出光生物反应器。
作为另外一个应用选择方案，所述摇动平台为由风力驱动。
所述摇动平台为平板式托台；其下方装有支撑摇动平台摇动的底座支架，以及可调节摇晃幅度的垫脚支架；所述风力驱动的摇动平台具有下述结构：包括可承载光生物反应器的摇动平台，其下方装有支撑摇动平台摇动的底座支架，所述底座支架的支点位于摇动平台中心位置，以使得摇动平台两侧的力矩相等；摇动平台中间设置有风帆装置，通过风帆装置受风向及风力的影响，实现驱动摇动平台的往复运动。
所述摇动平台的两端下方还分别设置有可调节摇晃幅度的垫脚支架。更为优选的情况下，所述的垫脚支架为弹簧式；其两侧的垫脚支架上安装弹簧，以实现在有风的时候吹动摇动平台的侧向运动，而在没风的时候，由弹簧实现其复位，从而实现往复运动，造成光生物反应器中流体的混合。
优选的情况下，所述光生物反应器外侧壁与承载它的摇动平台之间，以拉链结构、纽扣结构、粘扣带结构或磁铁吸附方式固定。
优选的情况下，所述摇动平台上部还具有拱形横梁结构；将光生物反应器顶部悬挂于摇动平台的横梁上，从而使得光生物反应器内的上部空间形成气体容置腔。
优选的情况下，在所述光生物反应器顶部内侧壁设置有若干空泡结构，通过该空泡结构的浮力，将反应器顶部与反应器中微藻培养的液面分开，形成气体容置腔。
对于上文所述的摇动平台的应用，所述摇动平台置于陆地时，由传统的风轮机和水轮机通过机械传动装置驱动摇动平台振荡运动；或者此摇动平台置于水面时；不采用垫脚支架时，利用风力或水力驱动摇动平台进行微藻培养。
上文所述的传统的风轮机和机械传动装置的工作方式为：一端为(带有变速)风轮机，通过可调节摇晃幅度的摆动杆的机械传动，实现摇动平台的振荡运动。上文所述的传统的水轮机和机械传动装置的工作方式为：一端为(带有变速)水轮机，通过可调节摇晃幅度的摆动杆的机械传动，实现摇动平台的振荡运动。
上文所述的由水力和风力驱动的摇动平台不仅可以置于地面上，也可以置于水面上，同样可以利用风力和水力驱动其运动，实现光生物反应器中的混合。即，所述的摇动平台和光生物反应器系统，可以被置于水面上，而由水力或风力驱动实现其往复运动造成光生物反应器中混合。
本发明的另一方面在于保护一种利用上文所述的由水力和风力驱动的摇动平台培养微藻的方法。
本发明的有益效果：
本发明的水力驱动摇动平台利用摇动平台两侧的不等力矩发生摇动，进而对其承载的光生物反应器进行振荡，这实现了利用水力和风力等自然力驱动微藻培养装置的方法，节省了微藻培养过程中的电力消耗，避免了微藻生物燃料生产中投入电力消耗比其微藻所含能量还高的问题，同时可以降低微藻培养成本。
本发明提供的方法还允许使用简单的塑料袋作为光生物反应器，这大大降低了光生物反应器的制作成本，制作简单、价格低廉的光反应器有利于进一步降低微藻培养成本。
附图说明
图1.落水箱驱动摇动平台实现光生物反应器中混合示意图；
图2.风帆驱动摇动平台实现光生物反应器中混合示意图；
图3.风轮机驱动摇动平台式光生物反应器；
图4.水轮机驱动摇动平台式光生物反应器；
图5.上壁具有空泡结构的光生物反应器示意图；
图6.悬挂于载体拱形结构的光生物反应器示意图；
图7.落水箱驱动摇动平台培养海水小球藻；
其中：1光生物反应器；2摇动平台；3底座支架；4水箱；5喷淋装置；6垫脚支架；7垫脚弹簧；8漏水口；9风帆；10风轮机；11变速器；12传动轮；13摆动杆；17水轮机；18传动带；19齿轮组；20空泡结构；21粘带扣结构；22进出料口；23拱形结构横梁。
具体实施方式
下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明公开的摇动平台系统，由于结构简单，可以非常容易地进行放大。例如，平台可以制成1米长、1米宽的规模，实现1m2的培养规模，也可以制成6米宽、111米长，这即实现了1亩地规模的培养。
实施例1：落水箱驱动摇动平台实现光生物反应器混合
参见图1，本实施例为水力驱动摇动平台，该摇动平台制作规模为1米长、1米宽。其一端为带有自动落水功能的落水箱，摇动平台上可放置光生物反应器，摇动平台下设有支撑摇动平台的底座，以及可调节摇晃幅度的垫脚支架。该落水箱具有蓄水功能，但当水位到达一定高度时自动落水，从而使摇动平台一侧的力矩不断变化，进而促使摇动平台周期性摇晃，以达到光生物反应器内部混合的目的。该落水箱下水管道拥有分支管道作为喷淋管道，该喷淋管道端装有喷头，可使流水均匀喷洒在光生物反应器上，该设计可以有效控制光生物反应器内的温度。可有效防止夏天光生物反应器内温度过高，从而影响微藻生长，甚至死亡。该摇动平台上可放置以塑料袋为材质的光生物反应器，该光生物反应器制作简单、价格低廉、操作容易。该摇动平台下设有底座，以支撑摇动平台的重力。在摇动平台的两侧设有可调节高度的垫脚支架，通过垫脚支架高度的调节，可改变光生物反应器的混合强度，以满足不同微藻，不同培养时期微藻对混合强度的需求。
如图1所示的摇动平台在摇动周期为60秒时，反应器中在不同液层厚度下，其测定得到的氧气传质系数kLa值如表1所示。
表1.摇动周期为60秒时不同液层厚度下的kLa
实施例2：风帆驱动摇动平台实现光生物反应器混合
参见图2，本实施例所述的驱动摇动平台与实施例1的不同处在于，该摇动平台不具有落水箱，而且摇动平台左右力矩相等，摇动平台的中间为风帆结构，摇动平台左右侧边的下方，分别设有带有弹簧的垫脚支架。该风帆可接受风的冲击，从而产生动压力，进而使摇动平台两侧产生不等力矩，实现摇动混合。该垫脚支架上设有弹簧，对摇动平台摇动产生缓冲作用。并且因弹簧性质，可使摇动平台产生二次摇动以及多次摇晃。其他结构与实施例1相同。
实施例3：风轮机驱动摇动平台
该摇动平台制作规模为4米长、3米宽。其一端为风轮机10，风轮机转动时，通过变速器11和动能传递给传动杆12，并造成摆动杆13的往复旋转运动，从而造成摇动平台2的往复摇动。通过调节摆动杆的长短来改变摇晃幅度，从而改变光生物反应器的混合强度，以满足不同微藻，不同培养时期微藻对混合强度的需求。使用时，该摇动平台上放置以塑料袋为材质的光生物反应器，该光生物反应器制作简单、价格低廉、操作容易。该摇动平台下设有底座，以支撑摇动平台的重力。
实施例4：水轮机驱动摇动平台
该摇动平台制作规模为4米长、3米宽。其一端为(带有变速)水轮机17，通过传送带18和齿轮组19，将动能传递给传动杆12，并造成摆动杆13的往复旋转运动，从而造成摇动平台2的往复摇动。通过调节摆动杆的长短来改变摇晃幅度，从而改变光生物反应器的混合强度，以满足不同微藻，不同培养时期微藻对混合强度的需求。使用时，该摇动平台上可放置以塑料袋为材质的光生物反应器。该摇动平台下设有底座，以支撑摇动平台的重力。
实施例5：
上壁具有空泡结构的光生物反应器如图5；该光生物反应器上表面具有空泡结构(即透明的充气球体)。光生物反应器1的顶部设有进出料口，进出料口22穿过上表面与腔体内部相通。使用时，将该反应器置于摇动平台上，通过粘带扣结构21与摇动平台固定在一起，如图5所示。然后通过进出料口22放入用于微藻培养的物料，如微藻以及微藻培养液，并在微藻的培养过程中，也通过该进出料口22取样，观察微藻的生长情况。
实施例6：
悬挂于载体拱形结构的光生物反应器如图6；该光生物反应器上表面悬挂于具有拱形结构横梁23的摇动平台上，通过粘带扣结构21与摇动平台固定在一起，如图6所示。然后通过进出料口22放入用于微藻培养的物料，如微藻以及微藻培养液，并在微藻的培养过程中，也通过该进出料口22取样，观察微藻的生长情况。
实施例7：落水箱驱动摇动平台培养小球藻
参见图7，本实施例采用实施例1落水箱驱动摇动平台培养小球藻，其中装液厚度为5cm。户外培养9天后，细胞干重最高时能达到1.34g/L。在光强度峰值约为800μmol/m2/s时，该培养系统可以通过喷淋水控制温度在较稳定范围内，最高纪录温度为36℃。而且，由于具有较好的混合作用，其溶氧水平没有出现过饱和状态，纪录得到的最高溶氧值为28.4mg/L。最终的细胞密度为1.34g/L，单位时间产率可达0.14g/L/天。这些结果表明，水力驱动的摇动平台微藻培养系统稳定可靠、操作简单、成本便宜，可以大规模、低成本的培养微藻。本系统通过自然能驱动，可以节约大量的能源消耗，而且由于是封闭培养，所以不存在污染物入侵等风险。

Claims (11)

1.微藻培养用摇动平台，其特征在于：具有可承载光生物反应器的、且由水力或风力驱动的摇动平台，以实现光生物反应器中的液体混合。
2.根据权利要求1所述的摇动平台，其特征在于：所述摇动平台为平板式托台；其下方装有支撑摇动平台摇动的底座支架，在所述摇动平台的两端，其下方还分别设置有可调节摇动平台摇晃幅度的垫脚支架。
3.根据权利要求2所述的摇动平台，其特征在于：所述水力驱动的摇动平台还具有下述结构：所述底座支架的支点位于摇动平台非中心位置，以使得摇动平台两侧的力矩不等；摇动平台相对力矩短的一侧，设置有能自动储水和放水的水箱，通过水箱中水量的自动增减，实现驱动摇动平台的往复运动。
4.根据权利要求3所述的摇动平台，其特征在于：所述水箱的供水系统为外部具有高水位的水源；所述水箱内部设置有水位达到一定高度后能自动放水的阀门装置；所述水箱的进水口具有能够调节水流量的阀门，通过控制此阀门控制水充满水箱的速度，从而可以调节摇动平台的摇动频率或周期；水箱的排水口还设置有通至光生物反应器上方的喷淋装置。
5.根据权利要求2所述的摇动平台，其特征在于：所述风力驱动的摇动平台还具有下述结构：所述底座支架的支点位于摇动平台中心位置，以使得摇动平台两侧的力矩相等；摇动平台中间设置有风帆装置，通过风帆装置受风向及风力的影响，实现驱动摇动平台的往复运动。
6.根据权利要求1所述的摇动平台，其特征在于：所述的光生物反应器，是由玻璃、有机玻璃、硬质塑料或柔性塑料薄膜制成的封闭式光生物反应器。
7.根据权利要求6所述的摇动平台，其特征在于：所述塑料薄膜制成的封闭式光生物反应器采取通气的方式，在塑料薄膜上部空间形成一个顶空，避免塑料薄膜上表面覆盖在其内部微藻养殖的水面上，所通气体中二氧化碳浓度可以调节。
8.根据权利要求1所述的摇动平台，其特征在于：所述光生物反应器外侧壁与承载它的摇动平台之间，以拉链结构、纽扣结构、粘扣带结构或磁铁吸附方式固定。
9.根据权利要求1所述的摇动平台，其特征在于：所述摇动平台上部还具有拱形横梁结构；将光生物反应器顶部悬挂于摇动平台的横梁上。
10.根据权利要求1所述的摇动平台，在所述光生物反应器顶部内侧壁设置有若干空泡结构，通过该空泡结构的浮力，将反应器顶部与反应器中微藻培养的液面分开，形成气体容置腔。
11.根据权利要求1所述的摇动平台，其特征在于：由风轮机或水轮机通过机械传动装置驱动摇动平台振荡运动；
所述的风轮机和机械传动装置，一端为风轮机，通过可调节摇晃幅度的摆动杆的机械传动，实现摇动平台的振荡运动；
所述的水轮机和机械传动装置，一端为水轮机，通过可调节摇晃幅度的摆动杆的机械传动，实现摇动平台的振荡运动。
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