CN107475069B - 漂浮式微藻培养系统及微藻培养方法 - Google Patents

Abstract

一种漂浮式微藻培养系统，包括光生物反应器和承载光生物反应器的漂浮载体，两者可拆卸式连接；其中所述的漂浮载体是指能够漂浮在水面的实体结构；所述光生物反应器为密闭式，所述光生物反应器内的液体随漂浮载体运动而混合；所述塑料袋式光生物反应器的顶部悬挂和固定于漂浮载体的拱形结构横梁上，或者在所述光生物反应器顶部设置有若干空泡结构；所述光生物反应器和漂浮载体之间安装有可调厚度的充气气垫，从而控制光生物反应器内部的培养温度。本发明的微藻培养系统，各个主体结构简单、制作容易、成本低、使用寿命长、易于放大在微藻规模化培养中具有良好的应用前景。

Description

漂浮式微藻培养系统及微藻培养方法

技术领域

本发明涉及微藻生物技术领域，具体涉及漂浮式微藻培养系统及微藻培养方法。

背景技术

传统的封闭式光生物反应器中的混合能源消耗占最大的部分，它显著增加了微藻培养的总成本，因此，降低微藻培养过程中的电力消耗至关重要。但如果混合不足，将会导致碳和氧的传质问题，而且在垂直方向上只有有限的细胞运动，不能造成微藻在光区和暗区之间的有效循环，光能利用效率低。为解决此矛盾，可以考虑使用自然力来驱动微藻培养系统的混合。

现有技术中，有利用波浪能来驱动微藻培养系统的混合的技术手段，既漂浮式光生反应器系统，其具有如下优点：利用水温进行温度控制，避免温度过高导致微藻的死亡；直接利用水中的营养物质支持微藻的生长，降低微藻的营养盐和水成本；具有波浪的水面还可以提供微藻培养混合的能量，降低混合能耗。虽然具有很多优点，但目前的漂浮微藻培养系统还存在很多问题，包括：1)多数漂浮式光生物反应器系统容易受到膜污染，难以清洗，因此需要对整个光生物反应器系统进行频繁更新，这造成了很大浪费，增加了成本；2)采用薄膜制作的漂浮培养系统虽然可以降低材料用量，从而降低成本，但是薄膜材料难以长时间抵抗波浪冲击，容易破裂、渗漏。因此，单体式的光漂浮式光生物反应器不足以进行低成本、大规模的微藻生产。

发明内容

鉴于现有漂浮式微藻培养系统技术中的不足，本发明公开了一种新型微藻培养系统，包括光生物反应器和承载光生物反应器的漂浮载体，两者可拆卸式连接；各自有独立结构，但可以固定在一起，并可拆卸。所述光生物反应器内的培养液，随漂浮载体的运动充分混合，而漂浮载体本身的运动由水力、风力、波浪能等驱动。

作为优选的技术方案，所述光生物反应器与漂浮载体可拆卸式连接固定在一起的方式选自拉链结构、纽扣结构、粘带扣结构和磁铁吸附。即，通过拉链、纽扣、粘扣或磁铁的结构方式，将光生物反应器的底部和侧壁固定在漂浮载体内。

所述的漂浮载体是指能够漂浮在水面的实体结构，材料不予特别限定，其可以由金属材料或硬质塑料制作，也可以由充气、实心或是中空的柔性塑料、橡胶等材料制作。漂浮载体例如：可以采用防腐蚀的不锈钢或铝合金，也可以由充气的PVC(聚氯乙烯)、PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)或PA(聚酰胺)等柔性塑料、橡胶等材料制作。作为优选的技术方案，所述漂浮载体的材质为透明材料，让阳光尽多地透过漂浮载体从光生物反应器四周照射到反应器内部，为微藻生长提供光。

作为优选的技术方案，所述漂浮载体的材质为防腐蚀铝合金。该材料可以为光生物反应器提供很好的支撑作用，同时具有较长的使用寿命，降低漂浮载体的使用成本。

作为优选的技术方案，所述光生物反应器为密闭式，材质可以为刚性或柔性；包括但不限于塑料薄膜、PVC(聚氯乙烯)、PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PA(聚酰胺)或PMMA(聚甲基丙烯酸酯)等塑料制品。

优选的情况下，所述光生物反应器是由塑料薄膜制作而成的袋状封闭式容器。光生物反应器中微藻的生长会释放出氧气，这就要求反应器上壁与反应器中微藻培养的液面之间形成气液界面，氧气通过此气液界面进入气相之后扩散出去。为解决这个问题，本发明中所述漂浮载体上部还具有拱形横梁结构；在此拱形横梁结构设计的基础上，所述光生物反应器和漂浮载体固定在一起的方式还可以包括，将光生物反应器顶部悬挂于漂浮载体的拱形横梁上，从而使得光生物反应器内的上部空间形成气体容置腔；以利于光生物反应器内的微藻培养过程中光合作用产生的氧气逸出。作为另外一种应用方案，所述漂浮载体不具有拱形横梁，与此相匹配的是，光生物反应器顶部，即在塑料薄膜的内部，附加有若干空泡结构，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，以利于光合作用产生的氧气逸出。

所述的空泡结构不仅可以用于本申请上文所述的光生物反应器中，还可以应用于其他水面养殖的封闭池系统中，用于支撑封闭池系统的顶部，从而让其与培养液液面之间形成空间。

即：漂浮载体具有拱形结构，而光生物反应器顶部悬挂于漂浮载体自带的这个拱形结构上，这种拱形结构都可以满足在光生物反应器内部形成充足的气液界面。具体的，根据材质的不同，所述两种拱型结构都可以但不限于使用下述材质：玻璃纤维、铝合金、铁、铜等金属材料，或是通过PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、或PA(聚酰胺)、PMMA(聚甲基丙烯酸酯)等塑料实心制品或充气拱型产品。其中一个优选的技术方案为：所述拱形结构的材质为具有弹性的玻璃纤维。该玻璃纤维能够穿插在设置于光生物反应器外壁上表面的孔道结构中，将塑料薄膜光生物反应器像帐篷那样支撑开，形成一个内部空间，保证反应器的上表面不会塌陷而与反应器内培养液面接触。

形成气液界面的另一个方式是在光生物反应器上壁内表面设置有若干空泡结构，这样，在光生物反应器内填充一定体积的微藻培养液时，空泡结构能够借助自身的浮力作用，将反应器的上表面与培养液分开，从而形成气液界面。所述的空泡结构的材质是重量较轻的PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、或PA(聚酰胺)、PMMA(聚甲基丙烯酸酯)等塑料实心制品或充气产品。这样由于空泡结构自身重量较轻，当反应器内部装有微藻培养液或其他液体时，能够借助水的浮力作用上浮，将反应器的上表面撑起，把反应器上表面与反应器内部培养液分开，避免反应器内表面与液体长时间接触导致的膜污染。同时，被空泡结构撑开的反应器上表面与周围的水体也会保持一定的高度差，将反应器上表面与周围水体隔开，防止膜污染。所述的空泡结构在光生物反应器和封闭池系统中的应用，用于支撑封闭系统的顶部，从而让其与培养液液面之间形成空间。

作为另一个优选的技术方案，为获得较大的气液空间及降低光生物反应器的制作成本，制作的光生物反应器其上表面上安装至少含有一个充气口，该充气口用于气体的持续鼓入，靠通入气体的压力使反应器上壁与其中微藻培养的液面之间形成空间，即，当通过空气压缩装置向反应器内部鼓入空气时，其上表面将形成由气体填充的顶空，从而形成气液界面，以利于光合作用产生的氧气逸出。

作为优选的技术方案，所述具有空泡结构的反应器上壁材料由具有防雾功能的聚氯乙烯材料的薄膜构成。在防雾的同时，还可以增强入射光的强度，提供光能利用效率。作为优选的技术方案，所述光生物反应器的为袋状封闭式容器透明袋子，其材质可以但不限于PVC(聚氯乙烯)、PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、或PA(聚酰胺)、PMMA(聚甲基丙烯酸酯)或其它改性泡沫塑料产品。

作为优选的技术方案，所述漂浮载体的形状为上部敞口的长方体结构，所述光生物反应器置于其中。并且所述漂浮载体和光生物反应器是通过拉链结构连接的。这样它们就可以自由的拆卸，且工程操作比较容易。作为另一个优选技术方案，可以采用制作成本更低的粘带扣结构来固定薄膜反应器在漂浮载体中。作为另一个优选技术方案，是在薄膜光生物反应器上安装多个磁铁固定点，而漂浮载体使用金属结构制作或者同样安装多个磁铁固定点，以实现反应器与摇动平台之间通过磁性吸附的方式固定。

传统漂浮培养系统中，光生物反应器一般为单体式，其直接受到波浪的拍打和腐蚀，大大降低了其使用寿命。且长时间与水体的接触导致内外表面严重的膜污染，阻碍光的进入。这样就会增加微藻的生产成本。在本发明中，光生物反应器是通过可拆卸式连接结构安装在漂浮载体的内部空间内。这样的设计可以避免水体的直接冲击，且反应器的上表面不会被周围水体覆盖，增加光生物反应器的使用寿命。更为重要的是，漂浮载体和反应器的安装与拆卸将会非常简单，大大降低安装费用。另外，由于本发明优选的方案中，所述装置具有特殊的拱形结构或空泡结构，反应器可以避免长时间使用中出现的膜污染问题，提高了光能利用效率。且该设计简单，加工容易，可以大规模的低成本的生产。

作为优选的技术方案，所述光生物反应器和漂浮载体之间安装有可调厚度的充气气垫，并通过调节充气气垫的厚度来控制光物反应器与外界散热的速率，从而控制光生物反应器内部的培养温度。

传统漂浮培养系统，培养系统是浸没在水体中的。因此，其培养液的温度通常是与周围水体大致相同的，一般不超过25℃。对于微藻来说，这个温度范围并不足以维持微藻最快的生长速度。为解决这个问题，在本发明优选的方案中，将充气的气垫置于光生物反应器和漂浮载体之间，来降低培养液与周围水体之间的热量交换，提高微藻的生产效率。同时，为了避免培养液中温度过高，该气垫可以调节充气层的高度，以满足不同季节及一天中不同时间段的实际使用需求。在设计上，该充气层的厚度调节范围为0-10厘米，且这个调节方式是通过向充气垫鼓入和释放空气来实现的。

所述的微藻培养系统，在大规模微藻培养中的应用，其多个漂浮载体之间通过锁链结构连接，并进行规则排列，以满足在不同实际生产情况下对培养规模的调整。

本发明的另一方面在于保护一种微藻培养方法，该方法采用上文所述的微藻培养系统培养微藻。本发明提供的培养微藻的方法，优选的情况下，是向上文所述的微藻培养系统中装入微藻和微藻培养液，利用波浪的能量为主要推动力实现反应器内培养液的混和，以满足反应器内传质要求。本发明提供的微藻培养系统，应用于敞开的具有波浪的水体表面，所述水体可以是，但不限于海洋、湖泊、河流、池塘、或水库。

有益效果：

本发明所公开的漂浮载体和光生物反应器系统，反应器可以采用薄膜制作，成本大大降低。漂浮载体的往复运动可以通过简单的波浪运动驱动，实现再生能源驱动的微藻培养，降低能耗成本。

本发明的微藻培养系统，光生物反应器和漂浮载体是两个相对独立的主体结构，且各个主体结构简单、制作容易、成本低、使用寿命长、易于放大。因此，与传统的漂浮式微藻培养系统相比，本发明的微藻培养系统的成本更低。本发明的微藻培养系统，光生物反应器置于漂浮载体之上，它们之间通过简单连接结构固定。在反应器损坏的时候，可以容易的拆卸并安装新的光生物反应器，降低了安装费用。而漂浮载体本身由于采用坚固材料制作而成，使用寿命可达几年或10年，避免了漂浮载体随光生物反应器一起频繁更换。

本发明的光生物反应器，因其上表面是被拱形结构或是空泡结构撑起来的，有效的将上表面与内外水体隔离开，避免了因与水体长时间的接触而导致的膜污染，提高光能效率，增加微藻生产产率。

本发明的微藻培养系统可其利用可调节高度的充气垫，其可以显著提高微藻培养液的温度，因此可以提高其生产效率。而且，通过调节充气量来调节气垫厚度的方式简单易行。

附图说明

图1A柔性漂浮载体立体示意图；

图1B柔性漂浮载体侧视图；

图2刚性漂浮载体示意图；

图3刚性漂浮载体三角形框架示意图；

图4悬挂于载体拱形结构的光生物反应器示意图；

图5上壁具有空泡结构的光生物反应器示意图；

图6A持续充气式光生物反应器示意图；

图6B持续充气式光生物反应器侧视图；

图7漂浮载体拱形横梁与光生物反应器之间锁扣结构连接示意图；

图8漂浮载体拱形横梁与光生物反应器之间磁铁结构连接示意图；

图9A漂浮载体拱形横梁与光生物反应器之间粘带扣结构连接示意图；

图9B粘带扣连接结构侧视图；

图10柔性漂浮载体和光生物反应器培养盐生杜氏藻生长曲线；

图中，1漂浮载体；2光生物反应器；3拱形结构；4光生物反应器腔体；5空泡结构；6进出料口；7充气口；8拉手环；9锚碇环；10粘带扣结构；11刚性漂浮载体三角形框架；12泡沫塑料浮子；13锁链结构；14磁铁结构；15出气口。

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。

本发明下述实施例的技术方案为：由薄膜光生物反应器2和坚固的漂浮载体1组成，其中薄膜光生物反应器2为密闭式，而漂浮载体1采用结实、不易变形的材料制作为敞口盒式。这个技术方案的优势在于，在水面上应用时，盒式的漂浮载体1作为底部支撑，可以抵抗强波浪的冲击。而且，光生物反应器和漂浮载体之间是通过方便拆卸的连接结构进行固定和拆卸。这样，在光生物反应器2受到膜污染而难以清洗等问题时，可以直接更换光生物反应器2，但漂浮载体1可以长时间使用，不必频繁更换。

实施例1.具有拱形结构的柔性漂浮载体和薄膜光生物反应器

如图1，本实施例中制作的漂浮载体，其形状为敞口矩形，漂浮载体是由透明聚氯乙烯(PVC)密封管焊接在一起的形成的长方体池子，充气管子的直径为15.0cm。按照此方法，制作漂浮载体的长度为10.0m，宽度为2.0m，其具有拱形结构，高度为1.5m。漂浮载体具有拉手环8，可以连接绳索和船锚，将漂浮载体1固定在一定面积内的水域，防止被水波冲走。漂浮载体1的底面用于光生物反应器的支撑，维持反应器底部一个刚性的结构，促进光生物反应器2内部液体的充分混合。使用时，将光生物反应器2置于漂浮载体1内部，并通过粘带扣结构10进行固定。之后，将塑料薄膜光生物反应器的上腔壁固定于拱形结构3上，其固定方法可以采用图7所示的锁链结构、图8所示的磁铁结构、或图9所示的粘带扣结构。通过这些悬挂结构，反应器上腔壁与其中培养液分开，并形成气体容置腔。最后将这个漂浮微藻系统安置在有适宜波浪的水面，并通过进出料口6放入用于培养的物料，如微藻以及微藻培养液，即可完成微藻的培养过程。

实施例2.具有拱形结构的刚性漂浮载体和薄膜光生物反应器

与实施例1不同的是，在本实施例中制作的刚性拱形结构的漂浮载体1为长方形或正方形，其主体材料是具有防海水腐蚀的不锈钢材料,拱形结构3为不锈钢材料的拱形管，管子的直径为2.0cm。制作方法如下：载体为四段独立的防海水腐蚀的不锈钢支撑框架如图2和3，该框架是由钢管通过电焊连接而成的三角形，所用钢管直径为5.0cm。该框架经对接、校正后通过U型卡衔接成长方体。框架底部固定一定数量的泡沫塑料浮子，用于提供浮力。具有一定弧度的拱形钢管通过电焊连接在箱体的上方，最后，通过铁丝将防海水腐蚀的金属网衣固定在箱体的底部，形成一个五面的长方体，在此框架外侧和底面附加坚固厚实的防水布，用于光生物反应器的支撑。按照此方法，制作拱形结构的漂浮载体1的长度为10.0m，宽度为10.0m，高度为0.5m，拱形的高度为1.5m，所固定的浮子间隙宽度为1m。把绳索系于漂浮载体的锚碇环9上，绳索另一端系锚，将该漂浮载体固定于水面上。

使用时，将带有磁铁的光生物反应器2放置在刚性拱形结构的漂浮载体1上，并铺张开。由于反应器2上有磁体，因此其可以牢牢的固定在刚性拱形结构的漂浮载体1的四周的框架及拱形结构上。最后将这个漂浮微藻系统安置在有适宜波浪的水面，并通过进出料口6放入用于培养的物料，如微藻以及微藻培养液，即可完成微藻的培养过程。

实施例3.刚性漂浮载体具有空泡结构上壁的薄膜光生物反应器

如图5所示，该反应器上表面具有空泡结构(即透明的充气球体)。光生物反应器的顶部设有进出料口6，其穿过上表面与腔体4内部相通。使用时，将该反应器置于没有拱形结构的漂浮式载体中，通过粘带扣结构与漂浮载体固定在一起，如图6所示。然后通过进出料口6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，也通过该进出料口取样，观察微藻的生长情况。

实施例4.柔性漂浮载体和光生物反应器培养盐生杜氏藻

利用实施例1中所述的漂浮载体1和薄膜光生物反应器2，将该微藻培养系统放置在开阔的有适宜波浪的近海岸水面。为了防止培养系统被海浪冲走，该微藻培养系统通过锚绳与另一端固定在海底的浮球连接。

在室外培养盐生杜氏藻，其培养基配方如下：其中表1为盐生杜氏藻培养基。

表1盐生杜氏藻培养基

将上述培养基配方成分按比例溶于蒸馏水中，得微藻培养液。盐生杜氏藻的培养：在光生物反应器中添加该微藻培养液，直至达到5.0cm的液层厚度，并选取对数生长期的盐生杜氏藻，初始接种密度为为0.10g/L开始养殖，每3天定时取样测干重。测干重方法如下(三个重复)：

准确量取藻液40ml，并通过浓盐酸将其pH酸化至3-5,酸化后10000rpm离心5分钟收集藻细胞，量取40g/L的40mL碳酸氢铵水溶液清洗收集的藻细胞，重复两次。最后收集的藻细胞加入3-5mL上述的碳酸氢铵水溶液中，于105℃下烘干至重量恒定，用精密分析天平称量藻细胞干重，并计算微藻的干重。

结果：如图10中的曲线所示，本发明的微藻培养系统能够培养盐生杜氏藻，其在第九天时，细胞浓度最大，此时的浓度Cx＝0.40g/L。且在第12天时，其体积产率最大，为0.07g/L/d，相应的最大面积产率为3.5g/m²/d,高于开放式培养系统。从上述数据可以看出，采用本发明的光生物反应器在培养条件下培养的微藻产率高，且其能耗、培养、操作成本更低。

Claims (9)

1.漂浮式微藻培养系统，其特征在于：包括光生物反应器和承载光生物反应器的漂浮载体，所述的光生物反应器和漂浮载体可拆卸式连接；所述的漂浮载体是指能够漂浮在水面的实体结构，呈长方体池子，所述光生物反应器置于所述的漂浮载体中；所述光生物反应器和漂浮载体之间设置有可调厚度的充气气垫；所述光生物反应器内的液体随漂浮载体运动而混合。

2.根据权利要求1所述的微藻培养系统，其特征在于：所述光生物反应器为密闭式腔体，腔体的材质选自聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺或聚甲基丙烯酸酯。

3.根据权利要求1所述的微藻培养系统，其特征在于：所述光生物反应器外侧壁与承载所述光生物反应器的漂浮载体之间，以拉链结构、纽扣结构、粘带扣结构或磁铁吸附方式固定。

4.根据权利要求1所述的微藻培养系统，其特征在于：所述漂浮载体上部还具有横梁结构；所述光生物反应器顶部悬挂于所述漂浮载体的横梁上，从而使得所述光生物反应器内的上部空间形成气体容置腔。

5.根据权利要求1所述的微藻培养系统，其特征在于：所述光生物反应器的上部还具有至少一个充气口，外界气体从所述充气口持续通入，使所述光生物反应器上壁与其中微藻培养的液面之间形成空间。

6.根据权利要求1所述的微藻培养系统，其特征在于：在所述光生物反应器顶部内侧壁设置有若干空泡结构，所述空泡结构为透明的充气球体，通过所述空泡结构的浮力，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。

7.根据权利要求6所述的微藻培养系统，其特征在于：所述具有空泡结构的反应器上壁由具有防雾功能的聚氯乙烯材料的薄膜构成。

8.如权利要求1所述的微藻培养系统在大规模微藻培养中的应用，其特征在于：多个漂浮载体之间通过锁链结构连接，并进行规则排列。

9.一种微藻培养方法，其特征在于：所述方法采用权利要求1-7任一项所述的微藻培养系统培养微藻。

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