CN107760586A - 一种固定化培养的微藻生物膜系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种固定化培养的微藻生物膜系统，属于微藻培养技术领域，固定化培养的微藻生物膜系统，包括光生物反应器和脱膜设备，光生物反应器内置有载体和曝气管培育微藻生物膜，脱膜设备对载体脱膜，载体脱膜后返回光生物反应器培育微藻生物膜，本发明的系统看实现微藻高密度养殖和微藻生物膜连续生产，微藻光合作用效率高，收取的微藻生物膜含水率低。

Description

一种固定化培养的微藻生物膜系统

技术领域

本发明属于微藻培养技术领域，具体涉及一种固定化培养的微藻生物膜系统。

背景技术

微藻具有生长迅速、光合效率高等特点，能有效利用太阳能通过光合作用将无机营养盐、CO2、H2O等物质转化为有机化合物，藻类细胞中所含有的蛋白质、碳水化合物、油脂等成分具有极大的开发利用价值，微藻也被认为是目前已知的唯一可能替代化石燃料的原料。传统微藻培养普遍采用悬浮培养的方式进行，然后再通过离心、絮凝等方式进行微藻细胞的收获，但这些微藻收获方法普遍存在费时费力且费用较高等问题，极大地制约了微藻生产的大规模发展。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的问题提供一种固定化培养的微藻生物膜系统，实现微藻高密度养殖和微藻生物膜连续生产，微藻光合作用效率高，收取的微藻生物膜含水率低。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：一种固定化培养的微藻生物膜系统，包括光生物反应器和脱膜设备，光生物反应器内置有载体和曝气管培育微藻生物膜，脱膜设备对载体脱膜，载体脱膜后返回光生物反应器培育微藻生物膜，上述设计可实现微藻细胞吸附在载体表面在培养液的作用下微藻细胞分裂增殖以形成微藻生物膜，并且微藻生物膜不断进行生长，在曝气管的作用下使生物反应器内形成循环水流，带动载体及载体表面的微藻细胞至水面附近进行光合作用，且载体分布均匀可实现高密度养殖微藻，定期将载体抽入脱膜设备，通过机械挤压方式收取微藻生物膜，简单方便且含水率低，载体脱膜后返回光生物反应器继续培养微藻生物膜，实现连续获取微藻生物膜，微藻培养产率达到了0.23~0.42g/（L·day），其产率高于常规的开放式跑道池或封闭式光反应器的产率，有利于大规模培养微藻及获取微藻生物膜。

作为优选，曝气管安置在光生物反应器底面外连空压机，曝气强度为1.0-1.5 m³/(m³·d)，载体材质为纤维，形状为几何体，利用曝气管进行曝气在光生物反应器内形成内循环水流，曝气强度为1.0-1.5 m³/(m³·d)时的循环水流适中可带动藻体和载体形成内循环相互的碰撞损伤小，藻体在水面停留时间充足，各藻体的光合作用时间均一，并且及时向水体中通入空气，并利用空气中的CO₂气体为培养补充碳，相比于通入大量CO₂而言通入空气的成本低廉且能耗低，配合微藻培养液提高藻体对CO₂的吸收利用率促进藻体光合作用的效果，提高培养藻体的产率，并且载体为不亲水的纤维材质，形状为几何形方便微藻细胞吸附，载体在2-3天内微藻的吸附率可达78%~85%，几何形状的载体表面粗糙，通过增大表面积大利于提高微藻细胞的吸附量，并且利用机械挤压方式对载体表面的微藻生物膜进行采收，微藻细胞容易与纤维表面分离，采收方便，载体可再次利用，制造成本低廉且耐用。

作为优选，微藻培育过程中定期添加培养液，培养液由以下成分及重量份组成：硝酸钠15-30份、磷酸二氢钾0.2-0.4份、硅酸钠5-15份、碳酸氢钠30-50份、柠檬酸铁0.04-0.06份、高铁酸盐0.4-0.7份、乙二胺四亚甲基膦酸钠0.01-0.02份、维生素B120.02-0.06份、维生素B10.3-0.5份、乙二胺四乙酸二钠0.01-0.03份、尿素2-4份、水70-100份，高铁酸盐与乙二胺四亚甲基膦酸钠的质量比为20-70:1，通过在培育水体中加入培养液提高培育微藻的细胞的快速吸收及利用培养液成分达到快速分裂的目的，便于在短期内培育大量高密度的微藻及防治藻体污染，培养液在水体中可释放二氧化碳利于微藻吸收二氧化碳以提高微藻光合作用的效率和效果，并且通过控制高铁酸盐与乙二胺四亚甲基膦酸钠的质量比，二者以上述比例连用使吸收了微藻培养液的微藻在细胞分裂过程起到降低水体中藻毒素的效果，当二者的质量比为35:1时，水体中的藻毒素含量处于较低状态。

作为优选，光生物反应器内壁连接有发光体，光生物反应器内壁上方连接有杀菌灯，光生物反应器内置有反光球，由于微藻细胞或细胞团对光子的吸收以及散射作用，使得自然光由水体射入水中后的强度逐渐降低，产生了光衰减，通过在光生物反应器内壁连接发光体以提高水体中的微藻光转化率，并且在光生物反应器内放置反光球，反光球可随水流内循环流动，并且在转动过程中对发光体的光改变其空间分布，利于将光折射到光生物反应器内部各角落，并且反光球打乱微藻空间分布状态，避免微藻发生团聚现象，在反光球打乱微藻空间分布状态的同时可将光源折射到微藻上促进其光合作用，设有的杀菌灯可有效防止外界细菌入侵到光生物反应器中，并且在光生物反应器内无微藻清洗时可对光生物反应器内部进行杀菌处理，提高微藻养殖安全性，有效防御敌害。

作为优选，反光球由醋酸纤维素层制成反光球中部内置膨胀蛭石柱，通过盖板封闭，绕膨胀蛭石柱设有环形空腔，反光球表面均设刷条，相邻刷条之间设有与反光球连接的导光条，导光条与刷条为弧形，两者对向布置，在光生物反应器内放置反光球，反光球可随水流内循环流动，并且在转动过程中对发光体的光改变其空间分布，利于将光折射到光生物反应器内部各角落，并且反光球打乱微藻空间分布状态，避免微藻发生团聚现象，在反光球打乱微藻空间分布状态的同时可将光源折射到微藻上促进其光合作用，导光条与刷条为弧形，两者对向布置利于将两者的作用最大化发挥，提升反光球的效果，避免两者的相互干涉，作用降低，反光球表面设有刷条微藻细胞不易吸附，反光球在随水流内循环时可利用表面的刷条对光生物反应器内部的部件表面堆积的污染物或水碱进行刷洗，并且在刷洗后由醋酸纤维素层对刷洗下来的污染物或水碱起到吸附作用，由于醋酸纤维素层具有很好的透水性，吸附的污染物或杂质向反光球内部的膨胀蛭石柱聚集，膨胀蛭石柱对污染物或杂质进一步吸附，定期取出反光球开启密封盖板更换膨胀蛭石柱即可很好的保存培育水体的清洁，并且膨胀蛭石柱在水体中还可缓慢的释放矿物质促进微藻生及培育品质。

作为优选，脱膜设备包括机架，通过液压缸与机架连接的圆盘形上压板，与上压板配合的下压板，下压板为底部连接有收集管，下压板轴心底部为锥形，配合连接有转轴，转轴下方连接有传动轮，传动轮与电机配合连接，转轴底部连接轴承，轴承和电机均与机架底座连接，设计的脱膜设备可通过机械挤压载体并且在挤压的过程下压板进行旋转挤压载体，显著提高载体表面微藻生物膜的收取量，收取速度快且载体表面微藻生物膜残留量低，所得的微藻生物膜含水量为86.4%~90.5%，低于传统悬浮微藻经离心法收获后所得藻液的含水率，并且可在与载体接触部件表面喷涂防粘涂料，进一步提高微藻生物膜的收取效率，收取微藻生物膜后载体可再次利用，并且进一步增加了载体表面的粗糙度以提高微藻细胞在载体表面吸附率和吸附面积。

作为优选，下压板侧面连接挡板，挡板上侧均设吹气管，挡板下侧均设吸气管，采用的挡板为弯形，可避免在机械挤压过程中载体弹出脱膜设备，并且利于在进料时载体沿弯板形的挡板下落到下压板表面，提高放入载体的效率，在挡板上侧设置吹气管可保证在放入载体时通过吹气管吹气使载体均匀布置在下压板表面并且加快放入载体的速度，在放入载体时仅吹气管开启，吸气管闭合，在机械挤压结束后还可通过挡板改变吹气管的倾斜角度和启动的吹气管的数量实现对压板表面的载体发生位移，配合挡板下侧的吸气管将载体吸入实现载体的回收，实现了载体的放入及回收自动化操作，节省载体回收时的操作步骤和人工成本，提高脱膜设备的经济价值和推广价值。

作为优选，上下压板表面设有波浪形纹路，下压板波浪形纹路的凹面底部开设有导流管，波浪形纹路凹面内嵌滚环，滚环配合孔下方开设有导流管，设计的载体为几何形常常采用的形状为球形或圆柱形或椭圆形等形状，通过设置的波浪形纹路以提高上下压板与载体的接触面积，利于提高微藻生物膜的采收量，并且设置导流管将从载体表面收取下来的微藻生物膜引流到下压板底部并由收集管进行统一收集，设有的滚环可提高对载体表面的接触面积及微藻生物膜的收取量，降低载体表面微藻生物膜的残留量，并且在收取微藻生物膜膜的过程中滚环与载体的摩擦有利于提高载体表面的粗糙度增大载体的表面积，利于提高载体表面微藻细胞的吸附量及微藻生物膜的收取量。

作为优选，滚环表面环绕连接弹压块，弹压块表面设有凸块，弹压块上部内设腔体，腔体内连接有倒“八”形弹压板，通过在滚环表面设置弹压块提高对载体表面的接触面积及微藻生物膜的收取量，降低载体表面微藻生物膜的残留量，并且在收取微藻生物膜膜的过程中滚环与载体的摩擦有利于提高载体表面的粗糙度增大载体的表面积，同时在机械挤压过程中腔体及腔体内的弹压板收到挤压力对载体产生弹力，使其发生位移，可避免载体长时间处于同一位置，提高微藻生物膜的收取效率和收取量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1）利用光生物反应器内循环水流和载体实现微藻高密度培养，机械挤压收取微藻生物膜后载体可再次使用，降低微藻培养成本并连续获得微藻生物膜；

2）所得微藻生物膜的含水率为86.4%-90.5%，低于传统悬浮微藻经离心法收获后所得藻液的含水率；

3）通过在培育水体中加入培养液提高培育微藻的细胞的快速吸收及利用培养液成分达到快速分裂的目的，便于在短期内培育大量高密度的微藻及防治藻体污染；

4）通过反光球打乱微藻空间分布状态，避免微藻发生团聚现象，在反光球打乱微藻空间分布状态的同时可将光源折射到微藻上促进其光合作用，还可净化培育水质；

5）通过脱膜设备快速收取微藻生物膜，所得微藻生物膜含水率低，载体表面微藻生物膜残留量少且载体表面粗糙度和表面积得到增大，脱膜设备自动化程度高，利于微藻生物膜收取效益；

6）固定化培养微藻生物膜系统可实现微藻大规模，高密度培养，连续生产微藻生物膜，具有很好的经济前景和推广价值。

附图说明

图1为本发明一种固定化培养的微藻生物膜系统工作状态示意图；

图2为本发明一种固定化培养的微藻生物膜系统的原理图；

图3为本发明光生物反应器示意图；

图4为反光球剖视图；

图5为脱膜设备示意图；

图6为图5中e部局部放大图；

图7为图6中k部局部放大图；

图8为滚环剖视图；

图9为挡板示意图；

图10为实验组与对照组微藻培养生长对比数据表；

图11为实验组与对照组在相同光照条件下的培养生长对比数据表。

附图标记说明：1光生物反应器；2载体；3曝气管；4机架；5液压缸；6上压板；7反光球；701醋酸纤维素层；702空腔；703膨胀蛭石柱；704盖板；705导光条；706刷条；8挡板；9吹气管；10吸气管；11下压板；110滚环；110a弹压块；110b弹压板；111导流管；12收集管；13转轴；14传动轮；15电机；16轴承；17发光体；18杀菌灯。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

如图1-9所示，一种固定化培养的微藻生物膜系统，包括光生物反应器1和脱膜设备，光生物反应器1内置有载体2和曝气管3培育微藻生物膜，曝气管3安置在光生物反应器1底面外连空压机，曝气强度为1.0-1.5 m³/(m³·d)，载体2材质为纤维，形状为几何体，光生物反应器1内壁连接有发光体17，光生物反应器1内壁上方连接有杀菌灯18，光生物反应器1内置有反光球7，脱膜设备对载体2脱膜，载体2脱膜后返回光生物反应器1培育微藻生物膜。

反光球7由醋酸纤维素层制成反光球7中部内置膨胀蛭石柱703，通过盖板704封闭，绕膨胀蛭石柱703设有环形空腔702，反光球7表面均设刷条706，相邻刷条706之间设有与反光球7连接的导光条705，导光条705与刷条706为弧形，两者对向布置。

脱膜设备包括机架4，通过液压缸5与机架4连接的圆盘形上压板6，与上压板6配合的下压板11，下压板11为底部连接有收集管12，下压板11侧面连接挡板8，挡板8上侧均设吹气管9，挡板8下侧均设吸气管10，下压板11轴心底部为锥形，配合连接有转轴13，转轴13下方连接有传动轮14，传动轮14与电机15配合连接，转轴13底部连接轴承16，轴承16和电机15均与机架4底座连接，上下压板表面设有波浪形纹路，下压板11波浪形纹路的凹面底部开设有导流管111，波浪形纹路凹面内嵌滚环110，滚环110配合孔下方开设有导流管111，滚环110表面环绕连接弹压块110a，弹压块110a表面设有凸块，弹压块110a上部内设腔体，腔体内连接有倒“八”形弹压板110b。

微藻培育过程中定期添加培养液，例如每1-2天放入培养液，放入量为每升培养水中添加0.1-0.2g培养液，或在培养水中添加含一定氮磷量的废水，培养液由以下成分及优选重量份组成：硝酸钠18份、磷酸二氢钾0.25份、硅酸钠14份、碳酸氢钠38份、柠檬酸铁0.042份、高铁酸盐0.7份、乙二胺四亚甲基膦酸钠0.02份、维生素B12 0.03份、维生素B10.4份、乙二胺四乙酸二钠0.018份、尿素3份、水80份。

与载体2接触部件表面喷涂防粘涂料，防粘涂料由以下成分及重量份组成：聚苯硫醚3-24份、聚四氟乙烯2-5份、二硫化钼10-18份、聚乙烯吡咯烷酮7-15份、羟丙基硅油1-1.2份、中链甘油三酸酯0.3-0.4份、辛基苯基聚氧乙烯醚2-6份、水30-70份，羟丙基硅油与中链甘油三酸酯的重量比为控制在2.4-4:1的范围内，两者通过上述比例联用再与涂料其余成分结合后使涂料具有显著的致密性和防粘性，流动性好，涂料在涂覆部件经烘干固化后可在部件表面形成一层防粘层，光滑度很高，并且涂料还具有优异的稳定性及光滑性可有效保证涂料在涂覆部件表面的使用时间及使用效果，收集的微藻生物膜由于重力可顺着涂覆防粘涂料的部件表面滑移到达收集管12进行统一收集，避免收集的微藻生物膜在脱膜设备上残留。

实施例2：

如图1-9所示，本系统培养微藻生物膜的过程为，选取微藻，例如小球藻或栅藻或绿藻等微藻，放入光生物反应器1内进行培养，微藻细胞可在载体2表面吸附，光生物反应器1底部两端分别放置的曝气管3通过空压机进行曝气，使光生物反应器1内形成内循环水流，并带动表面吸附有微藻细胞的载体2和反光球7在光生物反应器内循环流动，在循环水流带动下载体2及表面的微藻循环至水面附近接受自然光照射从而进行微藻光合作用，当载体2和微藻在水体中时，由发光体17为微藻提供光源进行光合作用，并且反光球7随水流内循环流动，在转动过程中对发光体17的光改变其空间分布，将光折射到光生物反应器1内部各角落，反光球7打乱微藻空间分布状态，避免微藻发生团聚现象，实现高密度养殖，在反光球7打乱微藻空间分布状态的同时可将光源折射到微藻上促进其光合作用，定期抽取载体2并放入脱膜设备中收取微藻生物膜，脱膜设备通过上下压板机械挤压载体2并且在挤压的过程下压板11进行旋转挤压载体2收取微藻生物膜，在放入载体2时通过吹气管9吹气使载体2均匀布置在下压板11表面并且加快放入载体2的速度，在放入载体2时仅吹气管9开启，吸气管10闭合，在机械挤压结束后通过挡板8改变吹气管9的倾斜角度和启动的吹气管9的数量实现对压板11表面的载体2发生位移，配合挡板8下侧的吸气管10将载体2吸入实现载体2的回收，实现载体2的放入及回收自动化操作，回收后的载体放回光生物反应器1中继续培养，续生产微藻生物膜。

实施例3：

为评价本发明系统的效果，采取实验对比：本发明系统与传统柱式反应器进行悬浮培养进行对照实验。

选用普通小球藻（Chlorella vulgaris，FACHB-31），购买于中国科学野生生物种质库，采用常规的GB11培养基对藻种进行预培养，将培养基放入300ml血清瓶中，0.1MPa条件下灭菌10min，冷却后，接种小球藻细胞，放入光照培养箱，控制温度在26~27℃，光照强度120μmol/（㎡·s），预培养时间为4天，得小球藻藻种。

本发明系统的光生物反应器1（实验组）与传统柱式反应器（对照组）容量相同，两组中的微藻种放入量为：10g/㎡，在培养条件相同的情况下，进行10天的培养，情况如图10所示，随着培养时间的增加，实验组的生物质面积密度明显高于对照组，到第10天时实验组的生物质面积密度高于对照组生物质面积密度的39.2%。

在实验组与对照组内部及外部光照条件200μmol/（㎡·s）及其他条件相同的情况下，进行为期3天的测试，情况如图11所示，由于实验组内设有反光球7光源利用充分，由图11可见实验组的生物质面积密度明显高于对照组生物质面积密度。

取容量相同的两组传统柱式反应器，在各条件相同的情况下控制两组传统柱式反应器藻密度在1.2×10⁸cells/L左右，测试微囊藻毒素-LR大致为4.28μg/L，一组传统柱式反应器（测试组1）内每1-2天放入本发明的培养液，放入量为每升培养水中添加0.1-0.2g培养液，另一组传统柱式反应器（测试组2）内每1-2天放入氮磷量的废水，放入量为每升培养水中添加0.2-0.5g氮磷量的废水，在相同条件下培养微藻1周，经测试测试组1微囊藻毒素-LR大致为4.74μg/L，测试组2微囊藻毒素-LR大致为6.78μg/L，经对比测试结果表明，在培养微藻时使用本发明的培养液可有效控制微囊藻毒素-LR的增长。

上述实施例1、2、3中的常规操作为本领域技术人员所熟知，在此不进行赘述。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种固定化培养的微藻生物膜系统，包括光生物反应器（1）和脱膜设备，其特征在于：所述光生物反应器（1）内置有载体（2）和曝气管（3）培育微藻生物膜，所述脱膜设备对载体（2）脱膜，所述载体（2）脱膜后返回光生物反应器（1）培育微藻生物膜。

2. 根据权利要求1所述的一种固定化培养的微藻生物膜系统，其特征在于：所述曝气管（3）安置在光生物反应器（1）底面外连空压机，曝气强度为1.0-1.5 m³/(m³·d)，所述载体（2）材质为纤维，形状为几何体。

3.根据权利要求1所述的一种固定化培养的微藻生物膜系统，其特征在于：所述微藻培育过程中定期添加培养液，所述培养液由以下成分及重量份组成：硝酸钠15-30份、磷酸二氢钾0.2-0.4份、硅酸钠5-15份、碳酸氢钠30-50份、柠檬酸铁0.04-0.06份、高铁酸盐0.4-0.7份、乙二胺四亚甲基膦酸钠0.01-0.02份、维生素B120.02-0.06份、维生素B10.3-0.5份、乙二胺四乙酸二钠0.01-0.03份、尿素2-4份、水70-100份，高铁酸盐与乙二胺四亚甲基膦酸钠的质量比为20-70:1。

4.根据权利要求1所述的一种固定化培养的微藻生物膜系统，其特征在于：所述光生物反应器（1）内壁连接有发光体（17），所述光生物反应器（1）内壁上方连接有杀菌灯（18），所述光生物反应器（1）内置有反光球（7）。

5.根据权利要求4所述的一种固定化培养的微藻生物膜系统，其特征在于：所述反光球（7）由醋酸纤维素层制成，反光球（7）中部内置膨胀蛭石柱（703），通过盖板（704）封闭，绕膨胀蛭石柱（703）设有环形空腔（702），所述反光球（7）表面均设刷条（706），相邻刷条（706）之间设有与反光球（7）连接的导光条（705），所述导光条（705）与刷条（706）为弧形，两者对向布置。

6.根据权利要求1所述的一种固定化培养的微藻生物膜系统，其特征在于：所述脱膜设备包括机架（4），通过液压缸（5）与机架（4）连接的圆盘形上压板（6），与上压板（6）配合的下压板（11），所述下压板（11）为底部连接有收集管（12），所述下压板（11）轴心底部为锥形，配合连接有转轴（13），所述转轴（13）下方连接有传动轮（14），所述传动轮（14）与电机（15）配合连接，所述转轴（13）底部连接轴承（16），所述轴承（16）和电机（15）均与机架（4）底座连接。

7.根据权利要求6所述的一种固定化培养的微藻生物膜系统，其特征在于：所述下压板（11）侧面连接挡板（8），所述挡板（8）上侧均设吹气管（9），挡板（8）下侧均设吸气管（10）。

8.根据权利要求6所述的一种固定化培养的微藻生物膜系统，其特征在于：所述上下压板表面设有波浪形纹路，所述下压板（11）波浪形纹路的凹面底部开设有导流管（111），所述波浪形纹路凹面内嵌滚环（110），所述滚环（110）配合孔下方开设有导流管（111）。

9.根据权利要求6所述的一种固定化培养的微藻生物膜系统，其特征在于：所述滚环（110）表面环绕连接弹压块（110a），所述弹压块（110a）表面设有凸块，所述弹压块（110a）上部内设腔体，所述腔体内连接有倒“八”形弹压板（110b）。