CN110616139B - 一种工业化生产生物硅的工艺及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业化生产生物硅的工艺及系统，所述的工业化生产生物硅的系统依次包括培养系统、采收‑提取系统、粉碎系统。培养系统用于硅藻细胞的培养，采收‑提取系统用于分离来自培养系统中的硅藻细胞和培养液，同时分离后将硅藻细胞进行热浸提，该装置将会把硅藻壳与硅藻细胞中的有机质分开，过滤得到硅藻壳，清洗烘干后进入粉碎系统，得到不同尺寸的生物硅粉末。本发明不仅提高了硅藻细胞的生长速度，同时采用复配絮凝剂的方法，在保证硅藻细胞高回收率的同时，降低了细胞破损率，从而不影响培养液的回用，显著降低了硅藻的生产成本。

Description

一种工业化生产生物硅的工艺及系统
技术领域
本发明涉及二氧化硅的制备技术领域，尤其涉及一种工业化生产生物硅的工艺及系统。
背景技术
微藻是一类光合自养微生物，可以通过固定二氧化碳生产多种化学品。有的可以产脂肪烃，如葡萄藻产烃量可达细胞干重的15％～75％，有的可积累糖原，有的可积累甘油，许多微藻的油脂含量可达干重的60％以上。又因其生长速率快、能够利用废水废气进行培养等优势，在世界范围内受到了越来越多的关注。
硅藻是所有微藻中重要的一门，其主要特点是藻细胞覆盖多孔硅质(主要是二氧化硅)的外壳。硅藻壳上的细微孔为无机纳米结构，不仅可作为塑料降解填加剂、抑菌剂和抗肿瘤药物材料，还可以作为航空、航天和兵器等领域新型材料的原料。与普通纳米级二氧化硅颗粒比较，硅藻壳的纳米级二氧化硅细微蜂窝孔隙结构是纯天然的无机纳米材料，结构多样，有很高的比表面积和抗冲击韧性，具有较大的开发潜力。
然而，在硅藻培养过程中，细胞增殖速度慢，主要是因为硅酸盐吸收、矿化速度低限制了其生长速度。且硅藻喜低温，其最适生长温度为15－25℃，高温导致绿藻和蓝藻的滋生，严重影响硅藻的生长。因此，若采用硅藻为原料制备多孔生物硅材料，需要解决藻细胞生长速度慢的问题。中国专利申请 CN201510916499.5提出了低温季节利用恒温水浴锅培养紫海胆幼体饵料微藻的方法，其培养的饵料微藻种类主要为硅藻，核心是两级培养，首先采用光照培养箱进行硅藻的一级培养，再采用恒温水浴锅进行二级培养。尽管该方法描述的硅藻生长速度快，不受季节限制，但是适用规模较小，实现工业化生产可能性低。此外，中国专利CN201010587734.6公开了一种利用添加硅进行硅藻开放式养殖的方法，其核心是在加入营养盐时控制加入足量的硅元素,加入量为达到硅元素在培养液中的饱和溶解度，该方法改变了硅藻细胞生长环境的渗透压，同时改变了培养液中各营养元素的比例关系，并不能明显提高硅藻细胞的生物量浓度。
另外，由于藻细胞体积微小，造成了采收困难、提高了微藻生产成本，成为制约微藻行业发展和规模化推广的难点问题之一。常用的微藻采收方法主要有过滤、离心分离或絮凝沉降等，硅藻细胞壁结构独特，采用传统的离心和过滤手段剪切力大，造成硅质外壳结构破损，回收率低；絮凝沉降需要加入大量絮凝剂，造成养殖废水回用困难、水资源污染和浪费。中国专利 CN201821537938.7提出一种微藻细胞的培养-采收一体化系统，其采收系统由滤渣床、采收床构成，滤渣床设置在采收床上方，但是该方法只适合于藻细胞比较大的种类，例如螺旋藻体长200-500μm，宽5-10μm，实际上，大多数硅藻的细胞直径低于50μm。
综上，现有的硅藻培养、采收等仍然存在生长速度慢、生产成本高、效率低等问题，因此，有必要研究一种新的以培养硅藻为手段的生物硅工业化生产系统。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种工业化生产生物硅的工艺和系统。所述的工业化生产生物硅的系统按生产流程依次包括培养系统、采收-提取系统、粉碎系统。本发明不仅提高了硅藻细胞的生长速度，同时采用复配絮凝剂的方法，在保证硅藻细胞高回收率的同时，降低了细胞破损率，从而不影响培养液的回用，显著降低了硅藻的生产成本。最后，本发明还开发了硅藻有机质资源的综合利用，从而提出了一整套生物硅的工业化生产工艺及系统，对于硅藻资源综合开发和应用具有现实意义。
具体发明内容如下：
本发明的目的之一是提供一种工业化生产生物硅的系统。
首先，本发明公开了一种工业化生产生物硅的系统，按工艺流程依次包括培养系统、采收-提取系统和粉碎系统，所述的培养系统、采收-提取系统通过管路相连。培养系统用于硅藻细胞的培养，采收-提取系统用于分离来自培养系统中的硅藻细胞和培养液，同时分离后将硅藻细胞进行热浸提，该装置将会把硅藻壳与硅藻细胞中的有机质分开，过滤得到硅藻壳，清洗烘干后进入粉碎系统，得到不同尺寸的生物硅粉末。需要说明的是，连接各个罐体的管路上均设置泵。
所述培养系统包括：光生物反应器、光源、温度控制系统、曝气装置、排气口、出料口、培养基、硅藻细胞。
所述光生物反应器是密闭的，以防止培养过程受外界因素污染，便于实现工厂化生产，包括管道式光生物反应器、平板式光生物反应器、圆柱式光生物反应器；以及只要能够保证密封和培养液接受到光照，让硅藻能够迅速生长的任何形式均可。
所述光源可以设置在光生物反应器的内部，也可以设置在光生物反应器的外部；可以是人工光源，也可以是自然光；只要能为藻细胞的光合作用提供充足的光照条件即可。
所述温度控制系统包括制冷和制热两种模式，且两种模式主要由温度控制仪控制；加热由太阳能提供，制冷由制冷机提供，并经过直接与培养液或光生物反应器接触的热交换管来实现温度控制。
所述曝气装置是位于光生物反应器内部的曝气石或者曝气管，主要目的是为培养液提供洁净的一定流量的含一定比例的CO2气体；其二，提供培养液的混合，增加各个藻细胞接触光的机会，提高光合作用效率；其三，将微藻细胞光合产生的氧气及时排放出去。
所述排气口设置在培养液液面上部，以使得光生物反应器内压力与外界平衡，同时排气口连接无菌过滤器。
所述出料口可以设置在光生物反应器底部或侧面或顶部，培养液排除时可以通过液位压差自动出料，也可以耦连采收泵。
所述的培养基的种类不限，可以是海水培养基，比如通常用的f/2培养基，也可以是淡水培养基，比如常用的BG11培养基，可以是经过改良的近中性培养基或偏酸、偏碱培养基；只要能够满足特定硅藻生长所需的营养要求及其他物理化学条件即可。
特别地，本发明所述的培养基还包括萘乙酸钠，通过在常规培养基中添加一定浓度的萘乙酸钠，能够显著提高微藻细胞硅酸盐代谢速率，提高生物量浓度。
所述硅藻细胞的种类不限，可以是小环藻、圆筛藻、海链藻等。
所述温度控制系统的制冷和加热主要由热交换管将光生物反应器串联或者并联实现温度控制。
进一步地，所述的热交换管可以浸没在培养液中，也可以缠绕在光生物反应器外部，浸没在培养液中的热交换管可以是U型，也可以是盘旋状。
进一步地，所述的热交换管的材质可以是防腐蚀的不锈钢，也可以是耐高温的硅胶管等。
所述温度控制系统的温度控制仪，可以保证特定硅藻藻种生长所需的最适温度范围，比如，小环藻最适的温度范围是20-25℃，当培养液温度高于 25℃时，温度控制仪开启制冷机进行降温，当培养液温度低于20℃时，温度控制仪开启太阳能热水管进行升温。
所述的采收-提取系统包含絮凝剂储罐、絮凝罐、藻-液分离罐、培养基循环罐以及连接各个罐体的管件和水泵。
所述的絮凝剂储罐可为两个以上，以便存储不同的絮凝剂。
所述的絮凝剂储罐可以是壳聚糖母液罐和氯化铁母液罐，罐体容积和絮凝罐容积比为1:50-1：200。
进一步地，罐体底部优选为锥形或半球形，带有搅拌装置，罐体材质可以是防腐处理的不锈钢、也可以是PE、PVC等高分子塑料材质。
进一步地，罐体底部有出料口，并与絮凝罐通过管路相连。
所述的絮凝罐包括藻液进口、絮凝剂进口、藻液出口，带有搅拌，其中藻液进口与光生物反应器的出料口相连，藻液出口与藻-液分离罐相连。
进一步地，罐体底部优选为锥形或半球形。
所述的藻-液分离罐由内外两层罐体组成，分别为外部的脱水浸提罐和内桶。內桶上部开口，桶体中间焊接有离心轴；外罐(即脱水浸提罐，以下同)比内桶直径略大，且底部有出料口；
所述的内桶的离心轴顶部与转动电机相连，可以驱动离心轴和内桶同步转动；内桶体底部和桶体四周设有多个孔。
絮凝罐的出料口通过管路与藻-液分离罐连接，可将絮凝后的藻液输送入内桶。
进一步地，脱水浸提罐顶部设置盖板，盖板上分别开设絮凝剂藻液进口与清水进口，絮凝剂藻液进口通过管路与絮凝罐的出料口相连。所述的藻液进口与清水进口均设置于内桶口的正上方，不可偏离内桶口，藻液和清水均可完全流入内桶中。
进一步地，脱水浸提罐的底部优选为锥形或半球形。所述脱水浸提罐的下部、锥形或半球形罐底之上固设多孔板，所述离心轴连接于多孔板之上，料液通过多孔板上的孔流入罐底。
进一步地，藻-液分离时，内桶中还附有内袋，内袋为网状，带有细微孔径，只允许液体透过。
进一步地，所述的内袋可以是耐高温的高分子PE或PVC或PET材质，细微孔径为200-800目；内袋尺寸优选与内桶体一致。
所述的脱水浸提罐为不动装置，其罐体直径比内桶体直径多5-20cm；内桶体位于脱水浸提罐中央；
所述的藻-液分离罐内外罐体和离心轴材质为防腐不锈钢或PE、PVC等高分子塑料材质。
所述的培养基循环罐与藻-液分离罐的外罐体底部出料口相连，其罐体容积可与藻-液分离罐的外罐(即脱水浸提罐)相同，材质可以是防腐不锈钢或PE、PVC等高分子塑料材质；所述的培养基循环罐还与光生物反应器相连，使培养基循环利用。
微藻培养后输入絮凝罐，加入两种絮凝剂后，开始搅拌，微藻细胞形成大颗粒絮凝团。然后输入藻-液分离罐的内桶中的内袋里；此时开启电机，使内桶旋转，内袋中的水分进入内桶，因为内桶多孔，所以水分进入外罐，外罐底部出料口排水由泵输入培养基循环罐，在循环罐内，使用过的培养基经消毒可返回光反应器。
所述的采收-提取系统还包括蒸汽加热装置，所述的蒸汽加热装置为蒸汽发生器，所述的藻-液分离罐的外罐即脱水浸提罐与蒸汽发生器连通。脱水浸提罐上四周开设多个进气口，所述的进气口均与蒸汽发生器连通。
所述的提取系统还包括有机质溶液储罐，所述的有机质溶液储罐与脱水浸提罐底部的出料口相连。
藻-液分离罐的内桶还可作为热浸提罐使用。打开脱水浸提罐顶部的清水进口，将一定比例的水加入内桶中的内袋，打开蒸汽发生器，从外罐四周的进气口向罐内喷蒸汽，进行快速蒸汽加热。内桶开始转动，使得内袋内的藻也被煮沸。在受热情况下，硅藻外壳聚集形成片状，而有机质和絮凝剂扩散到网兜外。热浸提一段时间后，停止加热，开始脱水。脱水后，含有有机质的水经脱水浸提罐的出料口进入有机质溶液储罐。脱水后的内袋内只剩下硅藻外壳。
所述的粉碎系统包括烘箱和超微粉碎机。
所述的烘箱可以是热电风烘箱，也可以是红外加热箱等，总之，能满足将热浸提后的物质烘干条件即可。
所述的超微粉碎机利用研磨、剪切的形式来实现干性物料的超微粉碎，根据研磨时间长度控制细度，研磨时间越久，细度越高。
经过热浸提与脱水后，内袋中只剩下硅藻外壳，此时取出内袋，放到烘箱内烘干，然后进入微纳粉碎机粉碎，根据粉碎时间，可得到不同尺寸的生物硅材料。而富含有机质的热浸体液含有壳聚糖氯化铁等可作为畜禽饮水，增加畜禽营养。
本发明的第二个目的是公开了一种工业化生产生物硅的工艺，包括如下步骤：
(1)在光生物反应器中配置硅藻培养基，同时添加以培养基计 0.1-1mg/L的萘乙酸钠，接入硅藻种子液之后；打开光源，通入洁净的含有 0.2-2.0％比例的CO2混合气体，气体流量与培养基体积的比例为0.1-1.0；通过温度控制装置，设定培养温度为20-25℃，当温度高于25℃时，与光反应器连接的制冷机启动，通过热交换管进行降温，当温度低于20℃时，与光反应器连接的太阳能加热系统启动，通过热交换管进行升温；经过一定时间的培养，藻细胞达到采收密度，例如100万细胞/mL密度之后，硅藻培养液经排料口排出，由泵输入到絮凝罐；
(2)在絮凝剂储罐中制备絮凝剂，分别为壳聚糖母液和氯化铁母液；向絮凝罐中添加絮凝剂，壳聚糖与氯化铁的质量比为1:300-1:500,总絮凝剂用量以采收藻液体积计为0.07-0.9g/L；同时开启絮凝罐的搅拌装置，转速为10-100转/min；絮凝反应5-30min后，将絮凝的藻液经絮凝罐的排料口泵入藻-液分离罐的内桶中的网状内袋中；开启藻-液分离罐的电机，带动内桶体和内袋同时转动，转速为100-1000转/min,工作10-60min；絮凝形成的藻泥留在内袋中，而培养液在离心力的作用下依次经过内袋的微孔、内桶上的孔洞进入脱水浸提罐中，再由脱水浸提罐底部的排料口泵入培养基循环罐；其中培养基循环罐与光生物反应器连接，实现培养液的多次利用；
(3)向内袋中加入1/10-1/2采收藻液体积相等的纯净水，通过蒸汽加热装置将水加热，并保持水体沸腾0.5-3.0h；热浸提结束后，开启藻-液分离罐的电机，带动内桶体和内袋同时转动，转速为100-1000转/min，离心 10-60min，获得硅藻浸提液，其中包含了硅藻细胞的有机质；同时在网袋中获得硅藻壳结构；将热浸提之后的内袋取出，在50-100℃的条件下烘干；所得硅藻壳干品进入微纳粉碎机，控制粉碎时长5-30min，即可获得1-20μm 的生物二氧化硅。
本发明公开的工业化生产生物硅的工艺和系统可应用于化妆品和医药品中使用的生物硅的制备。
本发明的有益效果如下：
与传统硅藻培养基相比，本发明的在培养基中添加萘乙酸钠的方法明显提高了硅藻细胞吸收硅酸盐的速度，提高了硅藻细胞的生物量产率；
与传统离心的方法相比，本发明的复配絮凝剂和低速离心的方法可节省能耗50％以上；与传统的絮凝分离方法相比，本发明的藻-液分离罐中内桶体和网袋设计可节省絮凝剂用量，同时循环培养基中絮凝剂残留量低于10％，不影响培养基的再次使用。
与传统藻壳提取方法相比，本发明的提取系统采用水浸提的方法，没有有机溶剂的使用，减少了污染；同时将浸提和分离同步完成，节省了能耗，此外，将热浸提之后的硅藻壳进行微纳粉碎，可得到不同尺寸的生物硅结构，满足更广泛的应用。
本发明将生物硅的采收与热浸提在同一设备内进行，使系统更加紧凑，节约了工艺，提高了设备的使用率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定；
图1为本发明硅藻细胞的培养-采收-提取-粉碎一体化系统的示意图；
图2为本发明的光生物反应器示意图；
图3为本发明的絮凝罐示意图；
图4为本发明的藻-液分离罐示意图；
图中：1、光生物反应器；2、絮凝剂储罐A；3、絮凝剂储罐B；4、絮凝罐；5、蒸汽发生器；6、脱水浸提罐；7、内桶；8、有机质储罐；9、培养基循环罐；10、内袋；11、烘干机；12、微纳粉碎机；13、泵；14、管路； 15、进料口；16、排气口；17、人工光源；18、热交换系统；19、温度传感器；20、曝气装置；21、出料口A；22、藻液进口；23、絮凝剂进口；24、转动电机A；25、搅拌桨；26、出料口B；27、水蒸气进口；28、絮凝藻液进口；29、清水进口；30、转动电机B；31、多孔板；32、出料口C。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种工业化生产生物硅的系统，按工艺流程依次包括培养系统、采收- 提取系统、粉碎系统，所述的培养系统、采收-提取系统通过管路相连。
其中，如图1所示，培养系统包括光生物反应器1；采收-提取系统包括絮凝罐4、藻-液分离罐、培养基循环罐9和有机质储罐8。絮凝罐4与两个絮凝剂储罐相连，分别为絮凝剂储罐A 2和絮凝剂储罐B 3；藻-液分离罐包括内外两层罐体，分别为脱水浸提罐6和带孔的内桶7；絮凝罐4与光生物反应器1相连；絮凝罐4连接内桶7；脱水浸提罐6上连接蒸汽发生器5；脱水浸提罐下端连接有机质储罐8和培养基循环罐9；培养基循环罐9下端连接光生物反应器1；互相连接的设备之间均通过管路14连通，管路14上均设置泵13；粉碎系统包括烘箱11和超微粉碎机12，所述的烘箱11为热电风烘箱。
光生物反应器1的结构如图2所示，为圆柱式光生物反应器，包括人工光源17；热交换系统18；温度控制系统和曝气装置20；光生物反应器1整体密闭，上部开设进料口15，用于培养基的输入与接种；人工光源17设置在光生物反应器的内部；热交换系统18为设于光生物反应器1内部的U型不锈钢热交换管，浸没在培养液中；所述温度控制系统包括制冷和制热两种模式，且两种模式主要由温度控制仪控制；加热由太阳能提供，制冷由制冷机提供，并经过直接与培养液或光生物反应器接触的热交换管来实现温度控制；所述的温度控制仪包括探入光生物反应器1内部的温度传感器19，温度传感器19也浸没在培养液中；曝气装置20为设于光生物反应器1底部的曝气管，为培养液提供含一定比例的CO2气体；光生物反应器1的顶部开设排气口16，使内外压力平衡；光生物反应器1的底部设置出料口A 21,出料口A 21通过管路14连通絮凝罐4的藻液进口22。
絮凝罐4的结构如图3所示，其顶部开设藻液进口22与絮凝剂进口23，絮凝剂进口23与两个絮凝剂储罐相连；絮凝罐4的罐体内部中央设置搅拌桨15；搅拌桨15顶部连接转动电机A 24，驱动搅拌桨转动；絮凝罐4的底部开设出料口B 26，出料口B 26通过管路14与藻-液分离罐的内桶7顶部的絮凝藻液进口28相连。
絮凝剂储罐A 2与絮凝剂储罐B 3均为不锈钢材质，带有搅拌装置，其罐体底部均设有出料口，并均与絮凝罐4通过管路14相连；罐体容积和絮凝罐容积比为1:50。
藻-液分离罐的结构如图4所示，由内外两层罐体组成，分别为脱水浸提罐6和带孔的内桶7；内桶7上部开口，底部和罐体四周开设多个孔，桶体中间焊接有离心轴，离心轴的上部连接转动电机B 30，可以驱动离心轴和内桶同步转动；内桶7内还附有网状的内袋10，其孔径为200目，内袋10 尺寸与内桶7一致；脱水浸提罐6为不动装置，其底部为半球形，其罐体直径比内桶7直径多5cm，内桶7位于其中央；脱水浸提罐6的内部下方固设多孔板31，所述离心轴的底部连接在多孔板31之上，多孔板31之上开设若干孔；脱水浸提罐6顶部设置盖板，盖板上开设絮凝藻液进口28和清水进口29，脱水浸提罐6均设置于可将料液完全通向内桶7的位置；絮凝藻液进口28与絮凝罐4的出料口B 26连接；如图1所示，脱水浸提罐6上连接蒸汽发生器5，脱水浸提罐6上四周开设多个进气口，所述的进气口均与蒸汽发生器连通。
有机质储罐8和培养基循环罐9均为不锈钢材质，培养基循环罐9的容积与脱水浸提罐6相同。
使用该系统时，将培养基从光生物反应器1的进料口15输入，并接种藻类，利用温度控制系统控制热交换系统18来调控反应体系的温度。培养完成后，将藻液从出料口A 21输入絮凝罐4的进料口22，利用絮凝剂储罐 A 2与絮凝剂储罐B 3将絮凝剂加入絮凝罐4，开启搅拌，使微藻细胞形成大颗粒絮凝团。絮凝完成后，絮凝藻液从絮凝罐4的出料口26B输入藻-液分离罐的内桶7中的内袋10，开启转动电机30，使内桶7旋转，内袋10中的水分进入内桶7，水分经由内桶7上的孔进入脱水浸提罐6，完成脱水分离；脱水浸提罐6底部排水由泵输入培养基循环罐9，在培养基循环罐9内，使用过的培养基经消毒可返回光生物反应器1。藻-液分离罐的内桶7还可作为热浸提罐使用。脱水分离完成后，打开脱水浸提罐6顶部的清水进口29，将一定比例的水加入内桶7中的内袋10，打开蒸汽发生器5，从外罐四周的进气口向罐内喷蒸汽，进行快速蒸汽加热，使得内袋10内的藻也被煮沸。在受热情况下，硅藻外壳聚集形成片状，而有机质和絮凝剂扩散到网兜外。热浸提一段时间后，停止加热，开始脱水。含有有机质的水进入有机质溶液储罐。脱水后的内袋10内只剩下硅藻外壳。
实施例2
一种工业化生产生物硅的系统，按工艺流程依次包括培养系统、采收- 提取系统、粉碎系统，所述的培养系统、采收-提取系统通过管路相连。
其中，如图1所示，培养系统包括光生物反应器1；采收-提取系统包括絮凝罐4、藻-液分离罐、培养基循环罐9和有机质储罐8。絮凝罐4与两个絮凝剂储罐相连，分别为絮凝剂储罐A 2和絮凝剂储罐B 3；藻-液分离罐包括内外两层罐体，分别为脱水浸提罐6和带孔的内桶7；絮凝罐4与光生物反应器1相连；絮凝罐4连接内桶7；脱水浸提罐6上连接蒸汽发生器5；脱水浸提罐下端连接有机质储罐8和培养基循环罐9；培养基循环罐9下端连接光生物反应器1；互相连接的设备之间均通过管路14连通，管路14上均设置泵13；粉碎系统包括烘箱11和超微粉碎机12，所述的烘箱11为红外加热箱。
光生物反应器1的结构如图2所示，为圆柱式光生物反应器，包括人工光源17；热交换系统18；温度控制系统和曝气装置20；光生物反应器1整体密闭，上部开设进料口15，用于培养基的输入与接种；人工光源17设置在光生物反应器的内部；热交换系统18为设于光生物反应器1内部的U型耐高温硅胶热交换管，浸没在培养液中；所述温度控制系统包括制冷和制热两种模式，且两种模式主要由温度控制仪控制；加热由太阳能提供，制冷由制冷机提供，并经过直接与培养液或光生物反应器接触的热交换管来实现温度控制；所述的温度控制仪包括探入光生物反应器1内部的温度传感器19，温度传感器19也浸没在培养液中；曝气装置20为设于光生物反应器1底部的曝气管，为培养液提供含一定比例的CO2气体；光生物反应器1的顶部开设排气口16，使内外压力平衡；光生物反应器1的底部设置出料口A 21,出料口A 21通过管路14连通絮凝罐4的藻液进口22。
絮凝罐4的结构如图3所示，其顶部开设藻液进口22与絮凝剂进口23，絮凝剂进口23与两个絮凝剂储罐相连；絮凝罐4的罐体内部中央设置搅拌桨15；搅拌桨15顶部连接转动电机A 24，驱动搅拌桨转动；絮凝罐4的底部开设出料口B 26，出料口B 26通过管路14与藻-液分离罐的内桶7顶部的絮凝藻液进口28相连。
絮凝剂储罐A 2与絮凝剂储罐B 3为PE材质，带有搅拌装置，其罐体底部均设有出料口，并均与絮凝罐4通过管路14相连；罐体容积和絮凝罐容积比为1:200。
藻-液分离罐的结构如图4所示，由内外两层罐体组成，分别为脱水浸提罐6和带孔的内桶7；内桶7上部开口，底部和罐体四周开设多个孔，桶体中间焊接有离心轴，离心轴的上部连接转动电机B 30，可以驱动离心轴和内桶同步转动；内桶7内还附有网状的内袋10，其孔径为200目，内袋10 尺寸与内桶7一致；脱水浸提罐6为不动装置，其底部为半球形，其罐体直径比内桶7直径多5cm，内桶7位于其中央；脱水浸提罐6的内部下方固设多孔板31，所述离心轴的底部连接在多孔板31之上，多孔板31之上开设若干孔；脱水浸提罐6顶部设置盖板，盖板上开设絮凝藻液进口28和清水进口29，脱水浸提罐6均设置于可将料液完全通向内桶7的位置；絮凝藻液进口28与絮凝罐4的出料口B 26连接；如图1所示，脱水浸提罐6上连接蒸汽发生器5，脱水浸提罐6上四周开设多个进气口，所述的进气口均与蒸汽发生器连通。
有机质储罐8和培养基循环罐9均为PE材质。
实施例3
一种工业化生产生物硅的系统，按工艺流程依次包括培养系统、采收- 提取系统、粉碎系统，所述的培养系统、采收-提取系统通过管路相连。
其中，如图1所示，培养系统包括光生物反应器1；采收-提取系统包括絮凝罐4、藻-液分离罐、培养基循环罐9和有机质储罐8。絮凝罐4与两个絮凝剂储罐相连，分别为絮凝剂储罐A 2和絮凝剂储罐B 3；藻-液分离罐包括内外两层罐体，分别为脱水浸提罐6和带孔的内桶7；絮凝罐4与光生物反应器1相连；絮凝罐4连接内桶7；脱水浸提罐6上连接蒸汽发生器5；脱水浸提罐下端连接有机质储罐8和培养基循环罐9；培养基循环罐9下端连接光生物反应器1；互相连接的设备之间均通过管路14连通，管路14上均设置泵13；粉碎系统包括烘箱11和超微粉碎机12，所述的烘箱11为热电风烘箱。
光生物反应器1的结构如图2所示，为圆柱式光生物反应器，包括人工光源17；热交换系统18；温度控制系统和曝气装置20；光生物反应器1整体密闭，上部开设进料口15，用于培养基的输入与接种；人工光源17设置在光生物反应器的内部；热交换系统18为设于光生物反应器1内部的U型不锈钢热交换管，浸没在培养液中；所述温度控制系统包括制冷和制热两种模式，且两种模式主要由温度控制仪控制；加热由太阳能提供，制冷由制冷机提供，并经过直接与培养液或光生物反应器接触的热交换管来实现温度控制；所述的温度控制仪包括探入光生物反应器1内部的温度传感器19，温度传感器19也浸没在培养液中；曝气装置20为设于光生物反应器1底部的曝气管，为培养液提供含一定比例的CO2气体；光生物反应器1的顶部开设排气口16，使内外压力平衡；光生物反应器1的底部设置出料口A 21,出料口A 21通过管路14连通絮凝罐4的藻液进口22。
絮凝罐4的结构如图3所示，其顶部开设藻液进口22与絮凝剂进口23，絮凝剂进口23与两个絮凝剂储罐相连；絮凝罐4的罐体内部中央设置搅拌桨15；搅拌桨15顶部连接转动电机A 24，驱动搅拌桨转动；絮凝罐4的底部开设出料口B 26，出料口B 26通过管路14与藻-液分离罐的内桶7顶部的絮凝藻液进口28相连。
絮凝剂储罐A 2与絮凝剂储罐B 3为PVC材质，带有搅拌装置，其罐体底部均设有出料口，并均与絮凝罐4通过管路14相连；罐体容积和絮凝罐容积比为1:100。
藻-液分离罐的结构如图4所示，由内外两层罐体组成，分别为脱水浸提罐6和带孔的内桶7；内桶7上部开口，底部和罐体四周开设多个孔，桶体中间焊接有离心轴，离心轴的上部连接转动电机B 30，可以驱动离心轴和内桶同步转动；内桶7内还附有网状的内袋10，其孔径为200目，内袋10 尺寸与内桶7一致；脱水浸提罐6为不动装置，其底部为半球形，其罐体直径比内桶7直径多5cm，内桶7位于其中央；脱水浸提罐6的内部下方固设多孔板31，所述离心轴的底部连接在多孔板31之上，多孔板31之上开设若干孔；脱水浸提罐6顶部设置盖板，盖板上开设絮凝藻液进口28和清水进口29，脱水浸提罐6均设置于可将料液完全通向内桶7的位置；絮凝藻液进口28与絮凝罐4的出料口B 26连接；如图1所示，脱水浸提罐6上连接蒸汽发生器5，脱水浸提罐6上四周开设多个进气口，所述的进气口均与蒸汽发生器连通。
有机质储罐8和培养基循环罐9均为PE材质。
实施例4
一种工业化生产生物硅的工艺，通过实施例3公开的系统实现，包括如下步骤：
(1)在光生物反应器中配置f/2硅藻培养基，同时添加以培养基计 0.1mg/L的萘乙酸钠，接入圆筛藻种子液之后；打开光源，通入洁净的含有 0.2％比例的CO2混合气体，气体流量与培养基体积的比例为1.0；通过温度控制装置，设定培养温度为20-25℃，当温度高于25℃时，与光反应器连接的制冷机启动，通过热交换管进行降温，当温度低于20℃时，与光反应器连接的太阳能加热系统启动，通过热交换管进行升温；经过一定时间的培养，藻细胞达100万细胞/mL密度之后，硅藻培养液经排料口排出，由泵输入到絮凝罐；
(2)在絮凝剂储罐中制备絮凝剂，具体为分别制备浓度为1000mg/L壳聚糖母液和浓度为100.0g/L的氯化铁母液；按照体积比1:3向絮凝罐中同时加入壳聚糖母液和氯化铁母液,总絮凝剂体积是采收藻液体积的0.1％，同时开启絮凝罐的搅拌装置，转速为10转/min；絮凝反应30min后，将絮凝的藻液经絮凝罐的排料口泵入藻-液分离罐的内桶中的网状内袋中；开启藻- 液分离罐的电机，带动内桶体和内袋同时转动，转速为100转/min,转动60min；絮凝形成的藻泥留在内袋中，而培养液在离心力的作用下依次经过内袋的微孔、内桶上的孔洞进入脱水浸提罐中，再由脱水浸提罐底部的排料口泵入培养基循环罐；其中培养基循环罐与光生物反应器连接，实现培养液的多次利用；
(3)向内袋中加入1/10采收藻液体积相等的纯净水，通过蒸汽加热装置将水加热，并保持水体沸腾0.5h；热浸提结束后，开启藻-液分离罐的电机，带动内桶体和内袋同时转动，转速为100转/min，离心60min,获得硅藻浸提液，其中包含了硅藻细胞的有机质；同时在网袋中获得硅藻壳结构；将热浸提之后的内袋取出，在50℃的条件下烘干至水分含量小于5％；所得硅藻壳干品进入微纳粉碎机，粉碎时长30min，即可获得1-20μm的生物二氧化硅。
实施例5
一种工业化生产生物硅的工艺，通过实施例3公开的系统实现，包括如下步骤：
(1)在光生物反应器中配置BG11硅藻培养基，同时添加以培养基计 1mg/L的萘乙酸钠，接入海链藻种子液之后；打开光源，通入洁净的含有2.0％比例的CO2混合气体，气体流量与培养基体积的比例为0.1；通过温度控制装置，设定培养温度为20-25℃，当温度高于25℃时，与光反应器连接的制冷机启动，通过热交换管进行降温，当温度低于20℃时，与光反应器连接的太阳能加热系统启动，通过热交换管进行升温；经过一定时间的培养，藻细胞达到采收密度，例如100万细胞/mL密度之后，硅藻培养液经排料口排出，由泵输入到絮凝罐；
(2)在絮凝剂储罐中制备絮凝剂，具体为分别制备浓度为1000mg/L壳聚糖母液和浓度为100.0g/L的氯化铁母液；按照体积比1:5向絮凝罐中同时加入壳聚糖母液和氯化铁母液,总絮凝剂体积是采收藻液体积的1％，同时开启絮凝罐的搅拌装置，转速为100转/min；絮凝反应5min后，将絮凝的藻液经絮凝罐的排料口泵入藻-液分离罐的内桶中的网状内袋中；开启藻-液分离罐的电机，带动内桶体和内袋同时转动，转速为1000转/min，转动10min；絮凝形成的藻泥留在内袋中，而培养液在离心力的作用下依次经过内袋的微孔、内桶上的孔洞进入脱水浸提罐中，再由脱水浸提罐底部的排料口泵入培养基循环罐；其中培养基循环罐与光生物反应器连接，实现培养液的多次利用；
(3)向内袋中加入1/2采收藻液体积相等的纯净水，通过蒸汽加热装置将水加热，并保持水体沸腾3.0h；热浸提结束后，开启藻-液分离罐的电机，带动内桶体和内袋同时转动，转速为1000转/min，离心10min,获得硅藻浸提液，其中包含了硅藻细胞的有机质；同时在网袋中获得硅藻壳结构；将热浸提之后的内袋取出，在100℃的条件下烘干至水分含量小于5％；所得硅藻壳干品进入微纳粉碎机，粉碎时长5min，即可获得1-20μm的生物二氧化硅。
实施例6
一种工业化生产生物硅的工艺，通过实施例3公开的系统实现，包括如下步骤：
(1)在光生物反应器中配置f/2培养基，同时添加以培养计0.4mg/L 的萘乙酸钠，接入小环藻种子液之后；打开光源，通入洁净的含有1.0％比例的CO2混合气体，气体流量与培养基体积的比例为0.6；通过温度控制装置，设定培养温度为20-25℃，当温度高于25℃时，与光反应器连接的制冷机启动，通过热交换管进行降温，当温度低于20℃时，与光反应器连接的太阳能加热系统启动，通过热交换管进行升温；经过一定时间的培养，藻细胞达到采收密度，例如100万细胞/mL密度之后，硅藻培养液经排料口排出，由泵输入到絮凝罐；
(2)在絮凝剂储罐中制备絮凝剂，具体为分别制备浓度为1000mg/L壳聚糖母液和浓度为100.0g/L的氯化铁母液；按照体积比1:4向絮凝罐中同时加入壳聚糖母液和氯化铁母液,总絮凝剂体积是采收藻液体积的0.5％，同时开启絮凝罐的搅拌装置，转速为30转/min；絮凝反应20min后，将絮凝的藻液经絮凝罐的排料口泵入藻-液分离罐的内桶中的网状内袋中；开启藻- 液分离罐的电机，带动内桶体和内袋同时转动，转速为600转/min，转动20min；絮凝形成的藻泥留在内袋中，而培养液在离心力的作用下依次经过内袋的微孔、内桶上的孔洞进入脱水浸提罐中，再由脱水浸提罐底部的排料口泵入培养基循环罐；其中培养基循环罐与光生物反应器连接，实现培养液的多次利用；
(3)向内袋中加入1/5采收藻液体积相等的纯净水，通过蒸汽加热装置将水加热，并保持水体沸腾2.0h；热浸提结束后，开启藻-液分离罐的电机，带动内桶体和内袋同时转动，转速为600转/min，离心20min,获得硅藻浸提液，其中包含了硅藻细胞的有机质；同时在网袋中获得硅藻壳结构；将热浸提之后的内袋取出，在80℃的条件下烘干至水分含量小于5％；所得硅藻壳干品进入微纳粉碎机，粉碎时长15min，即可获得1-20μm的生物二氧化硅。
实施例7
一种工业化生产生物硅的工艺，通过实施例3公开的系统实现，包括如下步骤：
(1)在光生物反应器中配置f/2培养基，同时添加以培养基计0.6mg/L 的萘乙酸钠，接入小环藻种子液之后；打开光源，通入洁净的含有1.0％比例的CO2混合气体，气体流量与培养基体积的比例为0.6；通过温度控制装置，设定培养温度为20-25℃，当温度高于25℃时，与光反应器连接的制冷机启动，通过热交换管进行降温，当温度低于20℃时，与光反应器连接的太阳能加热系统启动，通过热交换管进行升温；经过一定时间的培养，藻细胞达到采收密度，例如100万细胞/mL密度之后，硅藻培养液经排料口排出，由泵输入到絮凝罐；
(2)在絮凝剂储罐中制备絮凝剂，具体为分别制备浓度为1000mg/L壳聚糖母液和浓度为100.0g/L的氯化铁母液；按照体积比1:4向絮凝罐中同时加入壳聚糖母液和氯化铁母液,总絮凝剂体积是采收藻液体积的0.5％，同时开启絮凝罐的搅拌装置，转速为30转/min；絮凝反应20min后，将絮凝的藻液经絮凝罐的排料口泵入藻-液分离罐的内桶中的网状内袋中；开启藻- 液分离罐的电机，带动内桶体和内袋同时转动，转速为600转/min，转动20min；絮凝形成的藻泥留在内袋中，而培养液在离心力的作用下依次经过内袋的微孔、内桶上的孔洞进入脱水浸提罐中，再由脱水浸提罐底部的排料口泵入培养基循环罐；其中培养基循环罐与光生物反应器连接，实现培养液的多次利用；
(3)向内袋中加入1/5采收藻液体积相等的纯净水，通过蒸汽加热装置将水加热，并保持水体沸腾2.0h；热浸提结束后，开启藻-液分离罐的电机，带动内桶体和内袋同时转动，转速为600转/min，离心20min,获得硅藻浸提液，其中包含了硅藻细胞的有机质；同时在网袋中获得硅藻壳结构；将热浸提之后的内袋取出，在80℃的条件下烘干至水分含量小于5％；所得硅藻壳干品进入微纳粉碎机，粉碎时长15min，即可获得1-20μm的生物二氧化硅。
实施例8
一种工业化生产生物硅的工艺，通过实施例3公开的系统实现，包括如下步骤：
(1)在光生物反应器中配置f/2培养基，同时添加以培养基计0.8mg/L 的萘乙酸钠，接入小环藻种子液之后；打开光源，通入洁净的含有1.0％比例的CO2混合气体，气体流量与培养基体积的比例为0.6；通过温度控制装置，设定培养温度为20-25℃，当温度高于25℃时，与光反应器连接的制冷机启动，通过热交换管进行降温，当温度低于20℃时，与光反应器连接的太阳能加热系统启动，通过热交换管进行升温；经过一定时间的培养，藻细胞达到采收密度，例如100万细胞/mL密度之后，硅藻培养液经排料口排出，由泵输入到絮凝罐；
(2)在絮凝剂储罐中制备絮凝剂，具体为分别制备浓度为1000mg/L壳聚糖母液和浓度为100.0g/L的氯化铁母液；按照体积比1:4向絮凝罐中同时加入壳聚糖母液和氯化铁母液,总絮凝剂体积是采收藻液体积的0.5％，同时开启絮凝罐的搅拌装置，转速为30转/min；絮凝反应20min后，将絮凝的藻液经絮凝罐的排料口泵入藻-液分离罐的内桶中的网状内袋中；开启藻- 液分离罐的电机，带动内桶体和内袋同时转动，转速为600转/min，转动20min；絮凝形成的藻泥留在内袋中，而培养液在离心力的作用下依次经过内袋的微孔、内桶上的孔洞进入脱水浸提罐中，再由脱水浸提罐底部的排料口泵入培养基循环罐；其中培养基循环罐与光生物反应器连接，实现培养液的多次利用；
(3)向内袋中加入1/5采收藻液体积相等的纯净水，通过蒸汽加热装置将水加热，并保持水体沸腾2.0h；热浸提结束后，开启藻-液分离罐的电机，带动内桶体和内袋同时转动，转速为600转/min，离心20min,获得硅藻浸提液，其中包含了硅藻细胞的有机质；同时在网袋中获得硅藻壳结构；将热浸提之后的内袋取出，在80℃的条件下烘干至水分含量小于5％；所得硅藻壳干品进入微纳粉碎机，粉碎时长15min，即可获得1-20μm的生物二氧化硅。
实验
考察萘乙酸钠对本发明硅藻培养的影响，除萘乙酸钠用量外，其他反应条件均与实施例6-8完全相同，且初始接种量均为0.1g/L(以培养基计)。考察培养8天后的藻细胞浓度，并计算藻细胞产率。
表1萘乙酸钠添加量对硅藻培养的影响
Figure BDA0002233785590000211
由表1可见，萘乙酸钠可有效提高本发明的藻细胞生产速度，在浓度为0.6mg/L的条件下，藻细胞产率最高；进一步升高萘乙酸钠浓度，产率反而下降。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种工业化生产生物硅的系统，其特征在于，包括培养系统、采收-提取系统和粉碎系统；所述的培养系统、采收-提取系统相连；
其中，所述培养系统包括光生物反应器、光源、温度控制系统、曝气装置、排气口和出料口；所述温度控制系统包括制冷和制热两种模式；
所述采收-提取系统包括带有搅拌装置的絮凝罐和与絮凝罐相连的絮凝剂储罐；所述的絮凝罐与光生物反应器的出料口相连；
所述采收-提取系统包括藻-液分离罐，所述藻-液分离罐包括内外两层罐体，分别为脱水浸提罐和带孔的内桶，所述内 桶的桶体中间连接有离心轴，所述离心轴连接驱转动电机，可以驱动离心轴和内桶同步转动；所述的絮凝罐的出料口连通藻-液分离罐，将料液通向所述的内桶；
所述的采收-提取系统还包括附于藻-液分离罐的内 桶中的网状内袋；
所述的采收-提取系统还包括蒸汽加热装置，所述蒸汽加热装置与脱水浸提罐连通；
所述的采收-提取系统还包括有机质溶液储罐，所述的有机质溶液储罐与脱水浸提罐的出料口相连；
所述的采收-提取系统还包括培养基循环罐；所述的培养基循环罐与脱水浸提罐的出料口连通；所述的培养基循环罐与光生物反应器连通。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的絮凝剂储罐为两个以上；所述的絮凝剂储罐带有搅拌装置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的粉碎系统包括烘箱和超微粉碎机。
4.一种工业化生产生物硅的工艺，通过如权利要求1-3任一项所述的系统实现，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在光生物反应器中配置硅藻培养基，同时添加以培养基计0.1-1mg/L的萘乙酸钠，接入硅藻种子液之后；打开光源，通入洁净的含有0.2-2.0％比例的CO2混合气体，气体流量与培养基体积的比例为0.1-1.0；通过温度控制装置，设定培养温度为20-25℃，当温度高于25℃时，与光反应器连接的制冷机启动，通过热交换管进行降温，当温度低于20℃时，与光反应器连接的太阳能加热系统启动，通过热交换管进行升温；当藻细胞达到采收密度之后，硅藻培养液经排料口排出，由泵输入到絮凝罐；
(2)在絮凝剂储罐中制备絮凝剂，分别为壳聚糖母液和氯化铁母液；向絮凝罐中添加絮凝剂，壳聚糖与氯化铁的质量比为1:300-1:500,总絮凝剂用量以采收藻液体积计为0.07-0.9g/L；同时开启絮凝罐的搅拌装置，转速为10-100转/min；絮凝反应5-30min后，将絮凝的藻液经絮凝罐的排料口泵入藻-液分离罐的内桶中的网状内袋中；开启藻-液分离罐的电机，带动内桶和内袋同时转动，转速为100-1000转/min,工作10-60min；絮凝形成的藻泥留在内袋中，而培养液在离心力的作用下依次经过内袋的微孔、内桶上的孔洞进入脱水浸提罐中，再由脱水浸提罐底部的排料口泵入培养基循环罐；
(3)向内袋中加入与1/10-1/2采收藻液体积相等的纯净水，通过蒸汽加热装置将水加热，并保持水体沸腾0.5-3.0h；热浸提结束后，开启藻-液分离罐的电机，带动内桶和内袋同时转动，转速为100-1000转/min，离心10-60min，获得硅藻浸提液；同时在网袋中获得硅藻壳结构；将热浸提之后的内袋取出，在50-100℃的条件下烘干；所得硅藻壳干品进入微纳粉碎机，控制粉碎时长5-30min，即可获得1-20μm的生物二氧化硅。
5.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述的硅藻培养基为海水培养基或淡水培养基。
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