CN110846211B - 移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法与装置，包括：薄液层微藻附壁培养装置子系统，用于在培养液中附壁培养微藻，包括藻液池和培养板，培养板用作藻种接种、附壁培养和微藻采收的基板，所述藻液池盛放培养液，培养液的水层深度在1～5cm范围内，形成薄液层；机械翻搅装置子系统，包括机械翻搅组件、移动组件、轨道构件、动力驱动组件和控制组件，通过移动组件在轨道构件上移动带动机械翻搅组件将微藻翻搅悬浮，翻搅后微藻恢复静置条件而逐步向底部沉降，在悬浮和沉降循环中实现附壁培养。上述方法及装置能使藻细胞充分接受环境光照，生长速度快、生长质量好，又有极低动力消耗，装置成本低。

Description

移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法与装置

技术领域

本发明涉及微藻培养技术领域，更具体地，涉及一种移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法与装置。

背景技术

微藻植物结构简单，无根、茎、叶的分化，细胞内有叶绿体，能吸收二氧化碳进行光合作用，释放氧气，自然界中90％的氧气都是藻类植物产生的；同时藻细胞蛋白质含量通常超过50％，有的高达80％。除此之外，微藻还富含多种高价值物质，如多不饱和脂肪酸、类胡萝卜素、维生素及矿物元素。因此，微藻在食品、保健品、化妆品、饵料、饲料、环保及生物能源等诸多方面具有广泛的应用。此外，微藻固碳和微藻处理富含氮/磷废水的潜力也非常巨大。

尽管微藻光合作用效率极高，单位面积生物产量高，且最终产物比例也高，例如，蛋白质产率(t/ha/a)玉米：大豆：高蛋白微藻＝1.1：0.7：32；油脂产率(L/ha/a)：油菜：大豆：高油微藻＝1190:446:98500，微藻均高出十倍到数十倍，但目前微藻生产与常规农作物相比，仍然有较高的成本，往往高达数倍到十数倍。

目前，用于微藻光自养培养的光生物反应器有敞开式和封闭式两种。

敞开式微藻培养系统(跑道池和圆池)存在着结构简单、建造容易、操作方便及运行成本低等优点。但是，敞开式池子存在着较多的缺点：如敞开式池子中藻液深度通常为15～30cm左右，而能充分接受光照的区域(即有效光程)只在藻液的表层，主要在1～3cm深度范围内，大部分的藻细胞处于暗区(光强低于藻细胞生长所需的最低光强)，无法充分地接受光照，导致大部分藻细胞无法进行有效地光合作用而快速生长，为使藻细胞能够均匀受光而需要持续搅拌，外加动力消耗极大，而且由于水体大、藻液浓度低，因此大部分是无效功，动力输运的有效比只有1/5甚至1/20；藻细胞密度较低(通常藻细胞密度＜1.0g/L)，采收成本较高；易受外界环境条件的影响，培养条件难以控制，容易受到原生动物等敌害生物的污染。

光程及单位体积光照面积是影响反应器性能的重要因素。一般而言，光程越短及单元体积藻液的光照面积越大，光生物反应器的性能越优，藻细胞的生长速率越快，藻细胞密度越高。所以，与敞开式微藻培养系统相比，封闭式光生物反应器的光程相对较小，具有比光照面积较大，培养条件稳定可控，藻细胞生长速率快及藻细胞密度高等优点。为了适应微藻养殖较短的光径，发展的趋势是减小反应器的直径(管式)或厚度(平板式)，如先进的水平微管式光生物反应器，单玻璃管直径5～6cm，与有效光径基本一致。但在封闭式光生物反应器中较高的藻细胞密度下，光在藻液中的衰减程度增加，一般仅能穿透藻液层1-2cm左右。因此，封闭式光生物反应器的光程仍然过大，在较高藻细胞密度下，部分藻细胞仍处于暗区而受到光限制，造成的藻细胞总体上生长仍然慢。同时在微管的迎光面上有微藻贴壁生长现象，进一步遮挡了光线。而且封闭式光生物反应器的设备投资巨大，管径越小造价越高造成装置成本高。即使封闭式光生物反应器经过数天、数十天培养最终藻细胞密度也只有3～5g/L，有效输运比低，造成动力消耗高，主要表现为电耗很高；同时管径越小阻力消耗越大，小管径增高了阻力，而且流体的摩擦阻力随着管径减小非线性增大，造成电耗更高。也就是说，光在水中的衰减效应导致光在藻液中的有效光程很短，致使单位有效输运量折合装置成本高；同时输运阻力大，动力消耗极大；再加上微藻平均生长速度仍然比较慢，生产效率低；藻密度仍然偏低，采收成本高，上述这些问题是现有微藻培养系统的普遍存在的问题。

除了动力水体输运外还有人提出了干脆不作输运，如半干贴壁培养系统，如刘天中等申请的“一种用于微藻工业化生产的半干固态培养方法”(CN 102373156 B)。简单来说，该方法首先将微藻细胞接种于固态材料，并通过补充少量水溶液使细胞群体保持湿润；在光照条件下，向细胞群添加无机碳源，使得微藻细胞的生长与代谢；最后直接采收浓藻泥。这个方法，光的传导无需经过较长的水体，光程短、光能传输损耗大为减少；无需人工动力输运；装置简单，造价低；同时，可直接采收浓藻泥，采收成本低。据报道，微藻细胞培养效率和单位面积产率是常规方法的5～10倍。但是，该方法任何时间只有群体最顶层藻细胞光照充足，营养组分吸收良好，细胞分裂、生长旺盛，大部分的藻细胞光照严重不足，甚至被完全遮挡；同时由于没有充分的水体作为各种营养物质(包括CO₂、无机盐)的溶剂和传递介质，也没有水体作为调控环境的缓冲体系来稳定培养液pH、温度、渗透压等环境参数，各种营养要素供应不足。光照充分性自上而下，营养传递自下而上，构成严重反差。因此虽然生物产量大，但绝大部分藻细胞生长不足、品质差、高价值营养物质比例少；也不能避免细菌、真菌及原生动物污染和外界其他污染。因此，上述养殖方法也没能够成为主流方法。

综上所述，微藻生长需要三个基本条件：需在水体中养殖；需足够的阳光；需充分的营养。但在水体静置后微藻会很快沉降，若无动力搅拌底层的微藻便不能受光，而一般绿色植物通过枝叶伸展增加受光面积，通过根系吸收营养，水和营养通过根系与维管系统自然输运，虽然光合作用效率低、最终产物比例小，但作为农作物仍然降低了成本。

所以，目前微藻养殖成本高的主要问题在于动力输运式搅拌，包括：

第一，光在水中的衰减效应导致光在藻液中的有效光程很短(仅有1～6厘米，视光照条件和藻密度有所不同)，这就造成大养殖水体中大部分微藻没有进行有效的光合作用。

第二，为使藻细胞能够均匀受光而需要持续搅拌，外加动力消耗极大，由于水体大、藻液浓度低，因此大部分是无效功。

如果采用相对小水体养殖，则如上述对微管系统分析的那样，装置成本高，阻力大继而电耗高。

第三，藻细胞密度较低造成较高的采收成本。

其中，上述绝大部分的搅拌都是通过使用机械动力输运水体方式，只有个别采用气升式(因综合效果差基本已无产业化应用)。

此外，各种污染物的侵害会破坏微藻的正常生长。主要是原生动物、真菌、昆虫等敌害生物和尘土对敞开式系统的微藻培养侵害较大。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种结构简单、在微藻光自养培养过程中降低藻液深度，增加藻液受光面积，既能使藻细胞充分接受空间光照，生长速度快、生长质量好，又有极低动力消耗，装置成本低，采收成本低的高密度、高质量和高效率培养的移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法与装置。

根据本发明的一方面，提供一种移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养装置，包括：

薄液层微藻附壁培养装置子系统，用于在培养液中附壁培养微藻，包括藻液池和培养板，培养板用作藻种接种、附壁培养和微藻采收的基板，所述藻液池盛放培养液，所述培养液的水层深度在1～5cm范围内，形成薄液层；

机械翻搅装置子系统，包括机械翻搅组件、移动组件、轨道构件、动力驱动组件和控制组件，通过移动组件在轨道构件上移动带动机械翻搅组件将微藻翻搅悬浮，翻搅后微藻恢复静置条件而逐步向底部沉降，在悬浮和沉降循环中实现附壁培养。

在一个实施例中，还包括：

微藻培养辅助子系统，包括微藻的接种装置、用于藻液浓缩和采收的过滤排水装置、用于藻液池遮挡和封闭的遮蔽装置、用于藻液池通风和补气的风机装置、用于藻液池降温和加温的水雾化装置、用于藻液池清洗和消毒的清洁装置、用于培养剩余液处理和回收使用的净化装置以及用于藻液或/和培养液测量和检验的检测装置。

在一个实施例中，所述机械翻搅组件包括旋转叶片翻搅组件和固定叶片翻搅组件中的一种或两种，所述旋转叶片组件包括轴，轴上安装有叶片组，轴的转动带动叶片组的叶片旋转，实现对藻液池内微藻的翻转形式的搅动，所述固定叶片翻搅组件包括轴和固定在轴上的叶片组，叶片组的叶片呈上小下大的铲形或上下大小一致的直条形，轴和轴上的叶片组通过移动组件带动实现对藻液池内微藻的平推形式的搅动。

在一个实施例中，所述藻液池为直道式藻液池，包括长宽比大于5的直池道或者所述藻液池为跑道式藻液池，包括两个长宽比大于5的直池道和端头两个回转道或者所述藻液池为圆池。

在一个实施例中，所述藻液池构筑物材料包括混凝土、玻璃、有机玻璃、钢、铝合金、塑料、木材、防水橡胶布和玻纤板中的一种或多种；

所述培养板分为独立装卸式和直接利用藻液池构筑物底板两种，其中独立装卸式培养板通过安装构件将培养板固定在藻液池上；独立装卸式培养板材料选自玻璃、有机玻璃、钢、铝合金、塑料、防水橡胶布、高分子纤维织物材料中的一种或几种。

在一个实施例中，所述轨道构件包括导轨、齿条和链条中的一种或多种，所述移动组件包括自驱动式、牵引式和齿条/链条传动式中的一种或多种，其中，自驱动式移动组件包括滚轮、电机及变速装置，在电机及变速装置直接驱动下由滚轮带动机械翻搅组件在安装到藻液池的导轨上运动；牵引式移动组件包括牵引带，由卷扬机使得牵引带拉动机械翻搅组件运动或牵引带拉动带滚轮的机械翻搅组件在导轨上滚动；齿条/链条传动式移动组件包括电机，电机驱动齿条/链条继而带动带齿轮的机械翻搅组件运动。

在一个实施例中，所述控制组件用于根据设定条件控制移动组件运动速度和机械翻搅组件的搅动速度，所述设定条件包括光照强度、温度和藻密度中的一种或多种。

在一个实施例中，还包括反光材料或/和人工光源，设置在培养板、藻液池底部和侧面，用于照射微藻。

根据本发明的另一个方面，提供一种利用上述移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养装置进行微藻附壁培养的方法，包括：

将藻种接种于培养板，培养板安装于藻液池，加入培养液，培养液的水层深度在1～5cm范围内，形成薄液层；

通过机械翻搅装置子系统的移动组件在轨道构件上周期性移动，移动组件带动机械翻搅组件每隔设定时间将各处薄液层中包括底层的微藻翻搅悬浮，使得薄液层中的微藻得到光照；翻搅悬浮后微藻因为恢复静置条件而逐步向底部沉降，集中于培养板附近，在悬浮和沉降循环中实现附壁培养；

日间时段将水和营养物配置成培养液连续或间隔补充加入藻液池，根据藻密度、日照条件和蒸发量，薄液层深度控制在1～5cm范围内；

夜间停止补液。

在一个实施例中，还包括：

微藻浓缩和采收、藻液池的遮挡和封闭、通风、补气、降温和加温、清洗、消毒及培养剩余液处理和回收使用、测量和检验，其中：

所述浓缩和采收是在藻液中藻细胞达到设定密度、处于待采收阶段时，通过过滤排水，对藻液进行浓缩，以实现藻细胞的采收；

所述遮挡和封闭是对藻液池采取部分遮挡、部分封闭和全部封闭方式，所述全部封闭方式包括在藻液池上加盖玻璃罩或/和透明薄膜，或者，在藻液池外搭建透明玻璃房或透明塑料大棚；

所述通风、补气、降温和加温是使用风机、水雾化方式使微藻附壁培养装置中的空气得到交换；高温天气和高温时段的过高温度得以降低；采用热源使较冷天气系统的微藻附壁培养装置中的过低温度得以提高。

在一个实施例中，还包括：通过气泡发生、超声的方式辅助机械翻搅使得培养液中包括底层的微藻悬浮。

在一个实施例中，还包括：直接利用藻液池构筑物底部作为培养板。

有益效果

本发明所述移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法与装置通过采取薄液层和移动式机械翻搅，彻底解决了制约微藻生产高成本、低产量的四个主要问题，具体地：

第一，本发明极大地降低了微藻养殖的动力成本，可以做到所谓微动力或极低动力。移动式机械翻搅驱动的水体非常小，悬浮效果好，移动翻搅时动力消耗非常低，翻搅周期可按需调节，与常规的方法相比，特别是微管式光反应器比，电耗只有1/5，甚至只有1/20。通过和传统农业相近似的“犁田”、“翻耕”方式用于微藻养殖，显然可以大大降低生产成本。

第二，本发明大幅度降低装置成本。本发明使用的设施(构筑物及其材料)、设备、构件、耗材多为通用和廉价的，制造和维护方法简单，经久耐用，单位产量微藻装置容积仅需要常规光反应器的几分之一甚至几十分之一，故而建设成本和使用成本都非常低。初步匡算，折旧和维修成本只有微管式光反应器的10～20％。

第三，由于光程短、营养液浓度高，藻细胞可以持续进行高效光合作用，从而极大的提高了光能、CO₂和其他营养元素的利用效率，藻细胞生长快速，培养周期大大缩短，水体藻密度高，微藻生物日产量远高于常规方法，可达10～300g/m²·d(按照装置垂直投影面积计算)，是常规方法的2到十多倍。本方法的附壁不等于贴壁(贴壁指微藻完全静止贴附在培养板没有在水体中悬浮)，尽管半干贴壁培养方法生物量同样较大，但该方法系统中光照和营养都不均衡，绝大部分藻细胞品质差，高价值营养物质比例很少。本发明方法克服了半干贴壁培养方法上述本质缺陷，系统中藻细胞光照充足且均衡；营养组分吸收好，细胞分裂、生长旺盛；又有水体作为各种营养物质(包括CO₂、无机盐)的溶剂、传递介质和调控环境的缓冲体系(用以稳定培养液pH、温度、渗透压等环境参数)；薄液层还避免了阳光直射带来的光抑制；因此生产效率高、生长质量好，高附加值产物比例大，使得单位面积的高质量微藻生物产量能够成倍地突破。在光照良好的环境，高质量微藻生物产量可达每年亩产5～15吨。

第四，本发明由于水体很小，减少了水资源、营养盐消耗，降低了在收集/干燥步骤的成本；同时由于水体很小，各种胁迫条件易于添加和解除，从而使细胞生长状态易于调控；与传统方法相比，由于水体小和藻密度就很高，可以通过停止补水自然蒸发、过滤抽水等浓缩方法获得干藻细胞，解决了传统方法采收困难、干燥能耗高的问题，可大幅度减少浓缩采收成本。

第五，本发明培养周期十分短，这就大大减少污染和真菌感染的机会。另外，藻液池结构简单，易于实施作业，清洗和消毒也十分方便；培养板可以简便取卸清洗消毒。因此从防止污染感染、清洗消毒的角度分析，本发明也提高了质量、降低了成本。

第六，本发明可以通过在一个或一组较大尺寸的藻液池上/外搭建透明玻璃房或透明塑料大棚成为封闭式微藻培养系统装置，而现有的小水体封闭式光反应器都是通过反应器器壁直接封闭，封闭成本非常高。

第七，本发明设施简单、布局方便，可利用滩涂、坡地、海面等自然系统和条件。

因而，本发明所述移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法与装置完全可以实现各种微藻的低成本、高密度、高效率及规模化培养。

附图说明

通过参考以下具体实施方式结合附图，本发明的其它目的及结果将更加明白且易于理解。在附图中：

图1是本发明所述移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养装置的构成框图的示意图；

图2是本发明所述移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养装置的立体示意图；

图3是本发明所述移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法的流程示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。

图1是本发明所述移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养装置的构成框图的示意图，图2是本发明所述移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养装置的立体示意图，如图1和2所示，所述微藻附壁培养装置包括：

薄液层微藻附壁培养装置子系统1，用于在培养液中附壁培养微藻，包括藻液池11和培养板12，培养板12作藻种接种、附壁培养和微藻采收的基板，所述藻液池11盛放培养液，所述培养液的水层深度在1～5cm范围内，形成薄液层，优选地，培养液的水层深度在1～3cm范围内。

机械翻搅装置子系统2，包括机械翻搅组件21、移动组件22、动力驱动组件23、控制组件24和轨道构件25，动力驱动组件23可以为电机，控制组件24控制动力驱动组件24在轨道构件25上移动带动机械翻搅组件将微藻翻搅悬浮，翻搅后微藻恢复静置条件而逐步向底部沉降，在悬浮和沉降循环中实现附壁培养。

优选地，上述薄液层微藻附壁培养装置子系统1还包括培养液流通装置13，包括用于将水和营养物输送到藻液池11、将微藻培养完成后的培养剩余液过滤排出藻液池11的装置；培养液收集储存装置14。

另外，优选地，培养板12通过安装架架设在藻液池11内，培养板12有安装构件；培养板12通过安装构件装在安装架上；安装架固定在藻液池11上，微藻接种于培养板12，有利于微藻的悬浮。所述培养板12利用藻液池11构筑物底部。也就是说，所述培养板12分为独立装卸式和直接利用藻液池构筑物底板两种，其中独立装卸式培养板通过安装构件将培养板固定在藻液池上；独立装卸式培养板材料选自玻璃、有机玻璃、钢、铝合金、塑料、防水橡胶布、高分子纤维织物材料中的一种或几种。

在一个实施例中，所述藻液池11为跑道式藻液池11，包括长宽比大于5的直池道或者所述藻液池11为跑道式藻液池11，包括两个长宽比大于5的直池道和端头两个回转道或者所述藻液池11为圆池。

优选地，藻液池11直池道宽度大于等于0.2m，优选地，直池道宽度0.5-10m。

在一个实施例中，所述藻液池11构筑物材料包括混凝土、玻璃、有机玻璃、钢、铝合金、塑料、木材、防水橡胶布和玻纤板中的一种或多种。

优选地，所述藻液池11构筑物材料为混凝土、玻璃、有机玻璃、不锈钢、塑料、木材和防水橡胶布中的一种或多种。

在一个实施例中，所述机械翻搅组件21包括旋转叶片翻搅组件和固定叶片翻搅组件中的一种或两种，所述旋转叶片组件包括轴221，轴221上安装有叶片组，轴221的转动带动叶片组的叶片222旋转，实现对藻液池11内微藻的翻转形式的搅动，所述固定叶片翻搅组件包括轴221和固定在轴上的叶片组，叶片组的叶片222呈上小下大的铲形或上下大小一致的直条形，轴和轴上的叶片组通过移动组件带动实现对藻液池内微藻的平推形式的搅动，在固定叶片翻搅组件的轴优选地是不转动的。

优选地，上述旋转叶片翻搅组件和固定叶片翻搅组件的叶片上设置有多个小孔，目的是在叶片搅动时产生气泡，增加空气与藻液的接触面，使空气中的CO₂更多的溶解于藻液。

在一个实施例中，所述轨道构件包括导轨、齿条和链条中的一种或多种，所述移动组件22包括自驱动式、牵引式和齿条/链条传动式中的一种或多种，其中，自驱动式移动组件包括滚轮、电机及变速装置，在电机及变速装置直接驱动下由滚轮带动机械翻搅组件21在按照到藻液池11的导轨上运动；牵引式移动组件包括牵引带，由卷扬机使得牵引带拉动机械翻搅组件运动或牵引带拉动带滚轮的机械翻搅组件在导轨上滚动；齿条/链条传动式移动组件包括电机，电机驱动齿条/链条继而带动带齿轮的机械翻搅组件运动。

移动组件22运动时，旋转叶片翻搅组件的叶片222同时旋转，将薄液中包括底层的微藻翻搅悬浮；移动组件22运动时，固定叶片翻搅组件的铲形叶片222平推时，将薄液中包括底层的微藻翻搅悬浮；其中，固定叶片翻搅组件可以包括垂直固定叶片和有倾角的固定叶片，从不同角度推动微藻。

直道式藻液池11中，移动组件22可以作往复式周期运动，每隔一段时间将藻液池11翻搅一遍，优选地，有倾角的固定叶片包括与运动方向呈前倾角的叶片和与运动方向呈后倾角的叶片，例如，有倾角的固定叶片一半按运动方向有前倾角，另一半按运动方向有后倾角，在往复运动时总有一半按运动方向有前倾角。

跑道式藻液池11中，移动组件22可以作回转式周期运动，每隔一段时间将藻液池11翻搅一遍。

圆池式藻液池11中，移动组件22绕圆心作圆周运动，每隔一段时间将藻液池11翻搅一遍。

在一个实施例中，所述控制组件24用于根据设定条件控制移动组件22运动速度和机械翻搅组件21的搅动速度，所述设定条件包括光照强度、温度和藻密度中的一种或多种，例如，根据阳光、温度和藻密度等条件控制移动组件22运动速度和叶片222旋转速度，在控制能耗的同时使其达到藻细胞生长所需的最优条件。

在一个实施例中，还包括：

微藻培养辅助子系统3，包括微藻接种的接种装置、用于藻液浓缩和采收的过滤排水装置、用于藻液池11遮挡和封闭的遮蔽装置、用于藻液池11通风和补气的风机装置、用于藻液池11降温和加温和水雾化装置、用于藻液池11清洗和消毒的清洁装置、用于培养剩余液处理和回收使用的净化装置以及用于藻液或/和培养液测量和检验的检测装置。

利用上述微藻附壁培养装置进行微藻附壁培养的方法包括：

在培养过程中，将藻种接种于培养板12，培养板12安装于藻液池11，加入培养液，培养液的水层深度在1～5cm范围内，形成薄液层。

通过机械翻搅装置子系统2的移动组件22在轨道构件上周期性移动，移动组件22带动机械翻搅组件21每隔一段时间将各处薄液中包括底层的微藻翻搅悬浮，使得薄液中的微藻每隔一段时间都能够按需得到一定时间的光照；翻搅悬浮后的其余时间微藻因为恢复静置条件而逐步向底部沉降，集中于培养板附近，即称为附壁培养；由微藻培养辅助子系统3完成微藻浓缩和采收、遮挡和封闭、通风、补气、降温和加温、清洗、消毒、培养剩余液处理和回收使用、测量和检验。

在一个实施例中，还包括反光材料或/和人工光源，设置在培养板12、藻液池11底部和侧面，用于照射微藻。

在一个实施例中，还包括气泡发生装置或/和超声装置，通过气泡发生、超声方法辅助翻搅使得薄液中包括底层的微藻悬浮，从而每隔一段时间都能够按需得到一定时间的光照。

图3是本发明所述移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法的流程示意图，如图3所示，所述微藻附壁培养方法包括：

步骤S1，在培养过程中，将藻种接种于培养板12，培养板12安装于藻液池11，加入培养液，培养液的水层深度在1～5cm范围内，形成薄液层；

步骤S2，通过机械翻搅装置子系统2的移动组件22在轨道构件上周期性移动，移动组件22带动机械翻搅组件21每隔一段时间将各处薄液中包括底层的微藻翻搅悬浮，使得薄液中的微藻每隔一段时间都能够按需得到一定时间的光照；翻搅悬浮后的其余时间微藻因为恢复静置条件而逐步向底部沉降，集中于培养板附近，即称为附壁培养，也就是说，微藻在悬浮和沉降循环中实现附壁培养；

步骤S3，日间时段将水和营养物配置成培养液连续或间隔补充加入藻液池，根据藻密度、日照条件和蒸发量，薄液层深度控制在1～5cm范围内；夜间停止补液。

在一个实施例中，还包括：

微藻浓缩和采收、藻液池11的遮挡和封闭、通风、补气、降温和加温、清洗、消毒及培养剩余液处理和回收使用、测量和检验。

所述接种是能够使藻种细胞存在于培养板的途径和方法，包括但不限于：稀释、分散、浸没、喷撒、涂抹、注射；

所述浓缩和采收是在藻液中藻细胞达到一定密度、处于待采收阶段时，通过过滤排水，对藻液进行浓缩，以实现藻细胞的采收；进一步地，停止向微藻培养系统中补充新鲜水后，利用阳光的照射，依靠水分的蒸发作用对藻液进行浓缩，以辅助实现藻细胞的采收；

所述遮挡和封闭是采取部分遮挡/部分封闭的方式减少高温天气太阳直射对微藻培养系统的影响，减少细菌、尘土和昆虫侵入系统；采取全封闭方式减少细菌、尘土和昆虫侵入系统，包括但不限于在一个或一组藻液池上加盖玻璃罩、透明薄膜，在一个或一组藻液池外搭建透明玻璃房或透明塑料大棚成为封闭式微藻培养系统装置。

所述通风、补气、降温和加温是指在封闭式微藻培养系统装置中使用风机、水雾化方式使系统空气得到交换；高温天气和高温时段的过高温度得以降低；采用热源使较冷天气系统的过低温度得以提高。

在一个实施例中，还包括：

通过气泡发生、超声的方式辅助机械翻搅使得培养液中包括底层的微藻悬浮。

在本发明的一个具体实施例中，在搭建的密闭透明玻璃房内放置所述附壁培养装置子系统1，所述附壁培养装置子系统1包括10组不锈钢直道式藻液池11，移动组件包括导轨和小车，其中，直池道净宽度1m净长度20m高度10cm，两边是导轨；分别将长度1m宽度40cm的50块有机玻璃培养板12无缝拼接平铺于每组藻液池11底部，并用培养板12的安装架固定；将雨生红球藻藻种用BG11培养基稀释后喷洒在培养板12上；通过培养液流通装置13将水和营养物配置成微藻培养液加入藻液池11；日间时段以培养液流通装置13连续补充培养液，根据日照条件和蒸发量，水层深度控制在3-4cm；夜间停止补液。机械翻搅装置子系统2的机械翻搅组件21中不锈钢主轴221长度约1m，轴221上有20组长5cm宽4cm间隔1cm的四叶不锈钢叶片222，轴221通过轴221承座安装在自驱动式移动组件四滚轮电机直接驱动小车上，并且有传动和控制机构使得轴221和叶片222旋转。日间时段四轮小车作往复式运动，运动速度20-100m/分，叶片222旋转速度10-50转/分，夜间停止运动。运动和旋转速度根据培养周期先慢后快调整，保证薄液中包括底层的微藻被翻搅悬浮而受到足够的光照。在良好光照的条件下培养8-12天后，停止补液，打开藻液池11侧板上的排液小孔(未示出)将培养剩余液缓慢过滤排出，同时利用日照进一步浓缩藻液至半干状态。取出培养板12，采用微藻培养辅助子系统3采收藻细胞并测测定其细胞生物量和类胡萝卜素含量。结果表明(见表1，按照全年培养200天，折旧率10％，雨生红球藻培养方法比较)，与水平微管式光生物反应器相比，平均单位占地面积生物量产量提高200-600％其中虾青素占干藻生物总量的3.5-4.8％。与跑道池系统相比更有大幅度的提高。与水平微管式光生物反应器相比，装置成本仅为的20-38％，电费仅为8-18％，培养周期仅为27-40％。装置的通风、补气(主要是CO₂气体)、降温和加温按照常规程序进行。藻液池11、培养板12、培养液流通装置13、叶片222及所有与藻液直接接触的装置部分在培养前后均进行清洗和消毒。

表1

在第二个具体实施例中，在搭建的透明塑料大棚内放置附壁培养装置子系统1的混凝土跑道式藻液池11，其中两根直池道净宽度各1.5m净长度各30m高度9cm，端头两个回转道的中心回转半径5m，两边混凝土台阶上铺有有机玻璃导轨；分别将平均长度5m宽度1.5m的18块橡胶布培养板12按藻液池11形状裁剪后拼接平铺于底部，并用固定片固定；将小球藻藻种均匀喷洒在培养板12上；通过培养液流通装置13将水和营养物配置成微藻培养液加入藻液池11；日间时段以培养液流通装置13连续补充培养液，根据日照条件和蒸发量，水层深度控制在4-5cm；夜间停止补液。机械翻搅装置子系统2的机械翻搅组件21中工程塑料轴221长度略大于1.5m，轴221上垂直安装30个长10cm上窄下宽有1-3cm缝隙的铲形塑料叶片222，轴221两端安装一对滚轮分别由两个小电机直接驱动，并且在回转道调节滚轮转速实现差转。日间时段，移动式机械翻搅装置回转一圈1-5分钟，夜间停止运动。回转速度根据培养周期先慢后快调整，保证薄液中包括底层的微藻被翻搅悬浮而受到足够的光照。在良好光照的条件下培养2-3天后，停止补液，打开藻液池11底部的排液小孔(未示出，橡胶培养板上设置有同位小孔)将培养剩余液缓慢过滤排出，同时利用日照进一步浓缩藻液至半干状态。取出培养板12，采用微藻培养辅助子系统3采收藻细胞。结果表明(见表2，按照全年培养200天，折旧率10％，小球藻培养方法比较)，与水平微管式光生物反应器相比，平均单位占地面积生物量产量、微藻干重的蛋白质含量分别提高170-460％和25-36％。与开放式跑道池系统相比提高幅度更大。与水平微管式光生物反应器相比，装置成本仅为的20-31％，电费仅为9-15％，培养周期仅为25％。系统的通风、补气(主要是CO₂气体)、降温和加温按照常规程序进行。藻液池11、培养板12、培养液流通装置13、叶片222及所有与藻液直接接触的装置部分在培养前后均进行清洗和消毒。

表2

在第三个具体实施例中，在搭建的密闭透明玻璃房内放置所述附壁培养装置子系统1的混凝土圆池式藻液池11，其中圆池15m高度8cm，圆池外周池壁上设置有导轨；分别将120块有机玻璃培养板12无缝拼接平铺于藻液池11底部，并用培养板12的安装架固定；将螺旋藻藻种用培养基稀释后喷洒在培养板12上；通过培养液流通装置13将水和营养物配置成微藻培养液加入藻液池11；日间时段以培养液流通装置13连续补充培养液，根据日照条件和蒸发量，水层深度控制在3-4cm；夜间停止补液。中心安装有主轴221、马达及变速装置，机械翻搅装置子系统2的机械翻搅组件21中有四根不锈钢杆均长15m，一头连接在主轴221上，另一头有滚轮，可以在导轨上滚动，钢杆与钢杆之间形成90度夹角；每根钢杆上上垂直安装200个长9cm上窄下宽有1-2cm缝隙的铲形不锈钢叶片222，按照靠圆池中心疏靠外周密排列；电机、变速箱驱动主轴221并带动钢杆旋转。日间时段转动速度0.2-5圈/分，夜间停止运动。运动和旋转速度根据培养周期先慢后快调整，保证薄液中包括底层的微藻被翻搅悬浮而受到足够的光照。在良好光照的条件下培养1-2天后，停止补液，打开藻液池11侧板上的排液小孔将培养剩余液缓慢过滤排出，同时利用日照进一步浓缩藻液至半干状态。取出培养板12，采用微藻培养辅助子系统3采收藻细胞并测测定其细胞生物量。结果表明，与水平微管式光生物反应器相比，平均单位占地面积生物量产量、微藻干重的蛋白质含量分别提高150-320％和19-31％。与开放式跑道池系统相比提高幅度更大。与水平微管式光生物反应器相比，装置成本仅为的20-28％，电费仅为9-16％，培养周期仅为20-25％。系统的通风、补气(主要是CO₂气体)、降温和加温按照常规程序进行。藻液池11、培养板12、培养液流通装置13、叶片222及所有与藻液直接接触的装置部分在培养前后均进行清洗和消毒。

以上实施例中，将所用的藻种分别替换为拟微绿球藻、螺旋藻、栅藻、小球藻、雨生红球藻、三角褐指藻、金藻、杜氏藻等，所得结果相似，简明起见不重复叙述。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。

Claims (7)

1.一种移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养装置，其特征在于，包括：

薄液层微藻附壁培养装置子系统，用于在培养液中附壁培养微藻，包括藻液池和培养板，培养板用作藻种接种、附壁培养和微藻采收的基板，所述藻液池盛放培养液，所述培养液的水层深度在1～5cm范围内，形成薄液层；

机械翻搅装置子系统，包括机械翻搅组件、移动组件、轨道构件、动力驱动组件和控制组件，通过移动组件在轨道构件上移动带动机械翻搅组件将微藻翻搅悬浮，翻搅后微藻恢复静置条件而逐步向底部沉降，在悬浮和沉降循环中实现附壁培养，

所述机械翻搅组件包括旋转叶片翻搅组件和固定叶片翻搅组件中的一种或两种，所述旋转叶片组件包括轴，轴上安装有叶片组，轴的转动带动叶片组的叶片旋转，实现对藻液池内微藻的翻转形式的搅动，所述固定叶片翻搅组件包括轴和固定在轴上的叶片组，叶片组的叶片呈上小下大的铲形或上下大小一致的直条形，轴和轴上的叶片组通过移动组件带动实现对藻液池内微藻的平推形式的搅动，

所述轨道构件包括导轨、齿条和链条中的一种或多种，所述移动组件包括自驱动式、牵引式和齿条/链条传动式中的一种或多种，其中，自驱动式移动组件包括滚轮、电机及变速装置，在电机及变速装置直接驱动下由滚轮带动机械翻搅组件在安装到藻液池的导轨上运动；牵引式移动组件包括牵引带，由卷扬机使得牵引带拉动机械翻搅组件运动或牵引带拉动带滚轮的机械翻搅组件在导轨上滚动；齿条/链条传动式移动组件包括电机，电机驱动齿条/链条继而带动带齿轮的机械翻搅组件运动，

所述控制组件用于根据设定条件控制移动组件运动速度和机械翻搅组件的搅动速度，所述设定条件包括光照强度、温度和藻密度中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的微藻附壁培养装置，其特征在于，还包括：

微藻培养辅助子系统，包括微藻接种的接种装置、用于藻液浓缩和采收的过滤排水装置、用于藻液池遮挡和封闭的遮蔽装置、用于藻液池通风和补气的风机装置、用于藻液池降温和加温的水雾化装置、用于藻液池清洗和消毒的清洁装置、用于培养剩余液处理和回收使用的净化装置以及用于藻液或/和培养液测量和检验的检测装置。

3.根据权利要求1所述的微藻附壁培养装置，其特征在于，所述藻液池为直道式藻液池，包括长宽比大于5的直池道；或者所述藻液池为跑道式藻液池，包括两个长宽比大于5的直池道和端头两个回转道；或者所述藻液池为圆池。

4.根据权利要求1所述的微藻附壁培养装置，其特征在于，所述藻液池构筑物材料包括混凝土、玻璃、钢、铝合金、塑料、木材、防水橡胶布和玻纤板中的一种或多种；

所述培养板分为独立装卸式和直接利用藻液池构筑物底板两种，其中独立装卸式培养板通过安装构件将培养板固定在藻液池上；独立装卸式培养板材料选自玻璃、钢、铝合金、塑料、防水橡胶布、高分子纤维织物材料中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的微藻附壁培养装置，其特征在于，还包括反光材料或/和人工光源，设置在培养板、藻液池底部和侧面，用于照射微藻。

6.一种利用权利要求1-5中任一项所述的移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养装置进行微藻附壁培养的方法，其特征在于，包括：

将藻种接种于培养板，培养板安装于藻液池，加入培养液，培养液的水层深度在1～5cm范围内，形成薄液层；

通过机械翻搅装置子系统的移动组件在轨道构件上周期性移动，移动组件带动机械翻搅组件每隔设定时间将各处薄液层中包括底层的微藻翻搅悬浮，使得薄液层中的微藻得到光照；翻搅悬浮后微藻因为恢复静置条件而逐步向底部沉降，集中于培养板附近，在悬浮和沉降循环中实现附壁培养；

日间时段将水和营养物配置成培养液连续或间隔补充加入藻液池，根据藻密度、日照条件和蒸发量，薄液层深度控制在1～5cm范围内；

夜间停止补液。

7.根据权利要求6所述的微藻附壁培养的方法，其特征在于，还包括：

微藻浓缩和采收、藻液池的遮挡和封闭、通风、补气、降温和加温、清洗、消毒及培养剩余液处理和回收使用、测量和检验，其中：

所述浓缩和采收是在藻液中藻细胞达到设定密度、处于待采收阶段时，通过过滤排水，对藻液进行浓缩，以实现藻细胞的采收；

所述遮挡和封闭是对藻液池采取部分遮挡、部分封闭和全部封闭方式，所述全部封闭方式包括在藻液池上加盖玻璃罩或/和透明薄膜，或者，在藻液池外搭建透明玻璃房或透明塑料大棚；

所述通风、补气、降温和加温是使用风机、水雾化方式使微藻附壁培养装置中的空气得到交换；高温天气和高温时段的过高温度得以降低；采用热源使较冷天气系统的微藻附壁培养装置中的过低温度得以提高。