CN111019803B - 一种用于微藻培养与分离的一体化装置及其系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种用于微藻培养与分离的一体化装置，还涉及一种微藻培养系统和方法。该一体化装置包括：中空筒状培养器，其上部设置有培养器上盖(1)，培养器上盖(1)表面开设有若干个排气孔(2)，培养器上盖(1)通过上盖锁紧装置(3)与中空筒状培养器的主体(A)连接；密封圈(4)；微藻生长区(5)；灯托(6)；LED光源(7)；陶瓷过滤膜(8)；过滤管道接口(9)；中空筒状培养器的主体(A)的下端设置培养器底座(10)，培养器底座(10)的下端开设排液孔。因此，本发明所提供的技术方案具有较强的市场竞争力与广阔的应用前景。

Description

一种用于微藻培养与分离的一体化装置及其系统和方法

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种用于微藻培养与分离的一体化装置，还涉及一种微藻培养系统和方法。

背景技术

微藻是指只能在显微镜下才能看到的微小藻类的统称。微藻具有体积小、生长迅速、结构简单、环境适应能力强以及太阳能吸收效率高等特点。微藻有很高的应用价值，可用于食品、饲料、生物质原材料以及精细化工原料等，或用作遗传学和分子生物学实验材料。随着化石燃料的日渐枯竭，以及在化石燃料开采与利用过程中的环境污染等问题越来越严重，可持续洁净能源的开发已成为当今环境和能源亟需解决的问题。生物质作为一种新型能源既有效缓解能源短缺问题和环境污染问题，又具有无毒、无害、可生物降解等优点。而微藻作为优质的生物质能源，相比废弃食物油脂产量大，相比高级植物生长周期短，具有极大的潜力，对于缓解目前所面临的能源危机和全球气候问题有着重要意义。但是由于种种条件限制，在培养效率、回收成本有许多亟待解决的问题，难以建立较大规模、可持续且经济可行的整体系统。微藻的主要分类及用途见表1。

表1常用微藻门类及主要用途

在微藻培养技术方面，虽然微藻属于低等植物，但是光合作用机理与高等植物基本相似，通过光合作用固定空气中的二氧化碳合成有机物。大规模地培养微藻作为生物柴油的原材料，需要大量的营养物质，主要是碳、氮、磷以及微量元素等。微藻除了可以利用空气中的二氧化碳进行光合自养生长外，也可以利用有机碳源比如乙酸盐和葡萄糖等进行异养生长。因此，微藻生长方式可以分为光能自养生长、异养生长以及混合营养生长，在不同营养条件下，许多微藻可利用不同的营养方式进行生长。比如在小球藻的无机培养中，向培养基中添加乙酸钠或者葡糖糖，其生长方式可由原来的光合自养转变为异养或混养生长。如表2中所示，几种培养方式下微藻的特点。

表2不同培养方式的特点

目前普遍应用的微藻培养技术主要是锥形瓶恒温光照培养箱内静置培养，这种培养方式由于藻液被静置在锥形瓶中，在培养液量较大的情况下，藻类受光不均匀，且需要定时人工摇晃以避免沉降影响藻类生长效果；因此，需要不断优化微藻的培养设计方式，实现微藻的快速增殖。

在微藻分离技术方面，由于培养浓度不高，微藻个体微小且细胞表面带有负电，一般都是均匀稳定并且分散地悬浮在培养液中，这些特点使微藻回收过程变得困难且成本较大。目前常用的微藻回收方式有离心、沉淀、絮凝、气浮、电泳以及过滤等。膜技术是一种新型的固液分离技术，它利用膜的通透性能，以物理截留为核心机制，截留大分子有机物、胶体以及所有的微生物。膜技术具有设备紧凑、占地面积小、可模块化程度高、自动化控制程度高等优点，因此膜技术可以称得上是一种高效环保的微藻回收技术。由于膜过滤技术能够截留住几乎所有的微藻并细胞且对微藻细胞本身没有损害。因此，膜技术越来越多被应用到微藻回收过程中，尤其是高品质微藻的回收过程。

但在膜过滤过程中，膜会与溶液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子接触，因此会使得这些颗粒或者大分子物质吸附或沉积在膜面或膜孔内，造成膜孔径变小或堵塞，导致膜的水通量明显下降，最终膜组件更换和膜清洗频率增加，进而使膜工艺运行费用增加。膜污染正是膜技术使用过程中非常突出的难题，也是限制膜技术应用于微藻分离过程中成本降低必须要突破的瓶颈。

发明内容

本发明所公开的技术方案旨在提供一种提升微藻培养效率并集成微藻分离、缓解滤膜污染的培养装置。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明第一方面提供了一种用于微藻培养与分离的一体化装置，其包括以下结构：

中空筒状培养器，其上部设置有培养器上盖，所述培养器上盖表面开设有若干个排气孔，所述培养器上盖通过上盖锁紧装置与中空筒状培养器的主体连接；

并且，在所述中空筒状培养器的主体与所述培养器上盖之间设置有环状的密封圈；

所述中空筒状培养器内包含微藻生长区；

设置在所述培养器上盖下侧中央的灯托以及和所述灯托连接的LED光源；

所述微藻生长区内的下部设置陶瓷过滤膜；

所述中空筒状培养器的主体的中部设置有与所述微藻生长区连通的过滤管道接口；所述过滤管道接口通过塑管与所述陶瓷过滤膜连接；

所述中空筒状培养器的主体的下端设置培养器底座，所述培养器底座的下端开设排液孔。

优选地，在上述用于微藻培养与分离的一体化装置中，所述陶瓷过滤膜的孔径为0.1um～0.45um。

并且，本发明第二方面提供了一种微藻培养系统，其包括：

输气瓶，通过输气管路与流量计连接；

三通阀，其气体输入端通过输气管路与流量计连接，其气体输出端通过输气管路与第一方面所述的用于微藻培养与分离的一体化装置连接；

所述用于微藻培养与分离的一体化装置的所述过滤管道接口通过藻液输出管路依次连接所述三通阀、压力表、蠕动泵以及藻液接收装置。

优选地，在上述微藻培养系统中，所述输气瓶内装有以下任一种气体：二氧化碳，高纯空气，烟气。其中，所述二氧化碳的浓度范围为2-5％。

优选地，在上述微藻培养系统中，所述蠕动泵的转速为100～800rpm；所述蠕动泵的转速设定主要根据陶瓷膜的跨膜压差大小，更快的转速，会产生更大的负压。

此外，本发明第三方面还提供了一种微藻培养方法，其采用第二方面所述的微藻培养系统，包括交替实施的微藻培养步骤和藻液分离步骤；

其中，包括以下运行参数：

在微藻培养步骤中，培养温度为25±5℃，通气的速度为2-5mL/min；

在藻液分离步骤中，陶瓷过滤膜的跨膜压差为-10～-30kPa，陶瓷过滤膜的通量为20-50L·m^-2·h^-1；

当陶瓷过滤膜的通量低于20L·m^-2·h^-1时，停止过滤，实施曝气过程，此时气体的压力控制在10-50kPa，曝气的时间为2-20s，曝气完成后，继续实施藻液分离步骤或微藻培养步骤。

优选地，上述微藻培养方法还包括向培养液中加入导电材料或磁性材料的步骤。

进一步优选地，在上述微藻培养方法中，所述导电材料选自以下任一种：锌粒，铜粒，镍粒，铁粒，铝粒，锌片，铜片，镍片，铁片，铝片；所述磁性材料选自以下任一种：四氧化三铁，钴镍铁合金磁性材料，铁氧体磁性材料。

进一步优选地，在上述微藻培养方法中，所述导电材料或所述磁性材料的添加量为0.5-10g/L培养液。

总之，与现有技术相比，本发明所提供的技术方案至少具备以下有益效果：

a)光源设计优化，实现光传质均匀。相比传统培养方式的环绕式光源，通过在内部配置光源的方式可以使微藻受光更加充分，单位时间内生长代谢速率提升，从而极大增加其生长速率。

b)在优选的实施方案中，在培养液中加入导电材料或磁性材料，通过引入弱电场或者弱磁场，能够促进微藻光合作用过程中电子传递效果，可提高微藻的生长速度10％～30％。

c)陶瓷膜(即陶瓷过滤膜)均质微气泡曝气，实现微藻与气泡的充分混合。陶瓷膜由于孔径均一，可形成微米气泡，增加了气泡与微藻的接触几率，大大提高了曝气效率。在光源充足的条件下，通过陶瓷膜实现微气泡曝气，可以充分起到搅拌作用，从而确保各部分微藻均匀受光；同时由于通入二氧化碳气体，为微藻光合作用提供了充足的无机碳；并且，还可通入烟气，实现废气回收利用，这是因为微藻可充分利用烟道气中的二氧化碳。

d)微藻培养过程，陶瓷膜作为微纳米气泡发生装置，促使气泡与微藻充分的接触，提高微藻的生产效率，同时微藻的生长过程中高效利用废气中的二氧化碳实现了碳减排与废气净化消纳；微藻从培养到采收过程(即藻液分离步骤)，需要一定时间，恰好满足了微藻利用气体的需求；微藻采收阶段(即藻液分离步骤)，陶瓷膜可以迅速切换到分离状态，实现微藻的高效分离，而分离过程中被污染的陶瓷膜，又可以在下一周期中被新鼓入的气体实现高效清洗；整个应用过程中，相互协调，时间控制合理，保证了应用过程的良好稳定性；整个技术方案在改善膜污染同步实现微藻快速培养与高效分离，多次过滤后仍然能保持90％以上的通量恢复率。

e)设备集成，智能控制，操作简便，节约占地；在降低了设备配套成本的同时，由于将培养体系从恒温培养箱中剥离出来，使得操作更加轻便、人性化。

综上所述，本发明所提供的用于微藻培养与分离的一体化装置及其系统和方法通过引入陶瓷膜作为均质微米气泡发生器，改善微藻与气泡的接触性，全方位提高藻类生长速率；同时陶瓷膜作为过滤介质，实现了微藻的高效分离，同时通过曝气与分离过程的交替运行，最大限度的减缓了膜污染。因此，本发明所提供的技术方案具有较强的市场竞争力与广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述的用于微藻培养与分离的一体化装置的结构示意图，其中，附图标记分别为：A-中空筒状培养器的主体，1-培养器上盖，2-排气孔，3-上盖锁紧装置，4-密封圈，5-微藻生长区，6-灯托，7-LED光源，8-陶瓷过滤膜，9-过滤管道接口，10-培养器底座。

图2为本发明所述的微藻培养系统的结构示意图，其中，附图标记分别为：11-输气瓶，12-流量计，13-三通阀，14-用于微藻培养与分离的一体化装置，15-压力表，16-蠕动泵，17-藻液接收装置。

图3为实施例1中藻液吸光度随培养时间变化情况的曲线图。

图4为实施例1中五个运行周期内陶瓷过滤膜(简称陶瓷膜)通量恢复率变化条状图。

图5为实施例2中藻液吸光度随培养时间变化情况的曲线图。

具体实施方式

参见图1，根据本发明第一方面的一种用于微藻培养与分离的一体化装置，其包括以下结构：

中空筒状培养器，其上部设置有培养器上盖1，所述培养器上盖1表面开设有若干个排气孔2，所述培养器上盖1通过上盖锁紧装置3与中空筒状培养器的主体A连接；

并且，在所述中空筒状培养器的主体A与所述培养器上盖1之间设置有环状的密封圈4；

所述中空筒状培养器内包含微藻生长区5；

设置在所述培养器上盖1下侧中央的灯托6以及和所述灯托6连接的LED光源7；

所述微藻生长区5内的下部设置陶瓷过滤膜8；

所述中空筒状培养器的主体A的中部设置有与所述微藻生长区5连通的过滤管道接口9；所述过滤管道接口9通过塑管与所述陶瓷过滤膜8连接；

所述中空筒状培养器的主体A的下端设置培养器底座10，所述培养器底座10的下端开设排液孔。

在一个优选实施方式中，所述陶瓷过滤膜(8)的孔径为0.1um～0.45um。

参见图2，根据本发明第二方面的一种微藻培养系统，其包括：

输气瓶11，通过输气管路与流量计12连接；

三通阀13，其气体输入端通过输气管路与流量计12连接，其气体输出端通过输气管路与所述的用于微藻培养与分离的一体化装置14连接；

所述用于微藻培养与分离的一体化装置14的所述过滤管道接口9通过藻液输出管路依次连接所述三通阀13、压力表15、蠕动泵16以及藻液接收装置17。

在一个优选实施方式中，所述输气瓶11内装有以下任一种气体：二氧化碳，高纯空气，烟气。

在一个优选实施方式中，所述蠕动泵16的转速为100～800rpm。

可见，本发明所提供的微藻培养系统通过阀门控制线路的切换转变陶瓷膜的功能作用，在微藻培养阶段作为均质微气泡发生器，使微藻与通入的气体充分混合接触，提高微藻的完全混合效果和对气体中碳源的利用效果，实现微藻的快速增长；在微藻达到一定浓度时，陶瓷膜又可以作为分离回收设备，实现微藻的快速回收，当进入曝气环节式，通过气泡的剪切作用实现微藻从膜表面的分离；曝气与分离的交替运行，同步实现微藻快速培养与高效分离。

其中，中空筒状培养器内巧妙设置了内部光源——LED光源，从而克服了传统培养方法仅有表面光照不足的缺陷；并且通过微气泡曝气的方法代替传统培养的人工搅拌或机械震荡，并补充对藻类生长有益的无机碳，从而实现微藻的快速生长。

根据本发明第三方面的一种微藻培养方法，其采用第二方面所述的微藻培养系统，包括交替实施的微藻培养步骤和藻液分离步骤；

其中，包括以下运行参数：

在微藻培养步骤中，培养温度为25±5℃，通气的速度为2-5mL/min；

在藻液分离步骤中，陶瓷过滤膜的跨膜压差为-10～-30kPa，陶瓷过滤膜的通量为20-50L·m^-2·h^-1；

当陶瓷过滤膜的通量低于20L·m^-2·h^-1时，停止过滤，实施曝气过程，此时气体的压力控制在10-50kPa，曝气的时间为2-20s，曝气完成后，继续实施藻液分离步骤或微藻培养步骤。

在一个优选实施方式中，具体地，在微藻培养阶段，三通阀接二氧化碳气瓶与陶瓷膜，通过陶瓷膜微孔进行曝气；在藻液分离阶段，三通阀接陶瓷膜与藻液接收装置，实现微藻的快速分离。所述的陶瓷膜形成气泡非常均匀且比较细小，同时可以对微藻的过滤效果比较好。所述的陶瓷膜不局限于一般的陶瓷膜，还可以在陶瓷膜表面引入亲水纳米粒子或者聚合物，从而提高陶瓷膜表面亲水性能，进一步改善分离效果。

在一个优选实施方式中，所述的微藻培养方法还包括向培养液中加入导电材料或磁性材料的步骤。

在一个进一步优选的实施方式中，所述导电材料选自以下任一种：锌粒，铜粒，镍粒，铁粒，铝粒，锌片，铜片，镍片，铁片，铝片；所述磁性材料选自以下任一种：四氧化三铁，钴镍铁合金磁性材料，铁氧体磁性材料。

在一个进一步优选的实施方式中，所述导电材料或所述磁性材料的添加量为0.5-10g/L培养液。

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好地理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

实施例1

本实施例旨在验证在使用该微藻培养系统后，蛋白核小球藻在实际培养分离过程中的效果。

在本实施例中，曝气与分离交替运行过程具体实现过程：微藻培养及分离过程中，温度维持在25±5℃。当微藻达到稳定期时，开启蠕动泵，通过调整蠕动泵的转速，控制陶瓷膜的跨膜压力为-10～-30kPa，此时陶瓷膜的平均流量为20-50L·m^-2·h^-1，过滤时间取决于过滤微藻的量，浓缩后的微藻浓度一般可达到30-100g/L。当陶瓷膜的通量低于20L·m^-2·h^-1，停止过滤过程，并开启曝气泵，气体的压力控制在10-50kPa，曝气的时间为2-20s，可以实现陶瓷膜表面沉积污染物的快速清洗；在日常培养过程中，陶瓷膜主要作用是促进气泡与微藻的充分接触，通气的速度2-5mL/min。

发明人测试了蛋白核小球藻在该微藻培养系统内生长分离效果，并比对控制无关条件下的普通锥形瓶培养，具体的过程为：

培养基配制及灭菌，本实验所用藻种从中国科学院水生生物研究淡水藻种库所购得，并采用Basal培养基进行小球藻的培养，培养基成分见表3：

表3 Basal培养基的营养成分

为防止杂菌污染，培养基放在高压锅中灭菌，在121℃下灭菌时间为30分钟。在高压灭菌之前，培养基的pH值调为6.1。在接种时处于指数生长阶段的微藻作为藻种，每个温度下均设2个平行样。光照强度为127μmol/(m2s)。对比培养及数据监测，控制相同的培养条件，每日定时定量分别取样测量藻液吸光度。结果如附图3所示，从吸光度测定结果可以看出，通入二氧化碳和空气均提高了微藻的生长速率，在相同的时间内通入二氧化碳获得吸光度更高的微藻。

最后对各个培养方式实施藻液分离，分离过程中测定膜通量。测试方法为：1)传统培养方法采用压力杯过滤，通过电子天平实时监控过滤质量；2)使用本发明所述的微藻培养方法，采用内置陶瓷过滤膜进行过滤，接电子天平监控过滤质量。滤液质量通过测量膜面积换算为膜通量。为了验证运行过程的稳定性，本工况下模拟严苛条件对膜污染的影响，具体工况条件为过滤时间为1h，曝气的时间为20s，曝气的压力为0.05MPa，陶瓷膜的连续分离效果的通量恢复率如附图4所示：由于使用陶瓷膜以及特殊的曝气清洗方式，本发明所述的微藻培养方法的膜通量可以五个运行周期保持90％以上，且膜污染的改善情况可以通过控制过滤和曝气的时间实现进一步优化。

实施例2

微藻培养基的配置与实施例1中一致，其它参数与操作步骤也与实施例1相同。不同的是，培养液体积为1L，在培养的过程中保持和原来一致的空气量，并加入5g导电锌片，另外一个对比组加入5g弱磁性材料，材料加入之前裁剪成5mm×5mm的小片；每天定时测量微藻的浓度，具体结果如附图5所示。添加导电材料或者磁性材料，确实可以在一定程度上促进微藻的生长速度，主要原因可能是促进了光合作用过程中电子传递的过程。通过比较可知，加入导电锌片后，促进微藻的生长速度的作用更佳。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种微藻培养方法，其特征在于，采用微藻培养系统，所述系统包括输气瓶(11)，通过输气管路与流量计(12)连接；

三通阀(13)，其气体输入端通过输气管路与流量计(12)连接，其气体输出端通过输气管路与用于微藻培养与分离的一体化装置(14)连接；所述用于微藻培养与分离的一体化装置(14)的过滤管道接口(9)通过藻液输出管路依次连接三通阀(13)、压力表(15)、蠕动泵(16)以及藻液接收装置(17)；

所述用于微藻培养与分离的一体化装置包括以下结构：

中空筒状培养器，其上部设置有培养器上盖(1)，所述培养器上盖(1)表面开设有若干个排气孔(2)，所述培养器上盖(1)通过上盖锁紧装置(3)与中空筒状培养器的主体(A)连接；

并且，在所述中空筒状培养器的主体(A)与所述培养器上盖(1)之间设置有环状的密封圈(4)；

所述中空筒状培养器内包含微藻生长区(5)；

设置在所述培养器上盖(1)下侧中央的灯托(6)以及和所述灯托(6)连接的LED光源(7)；

所述微藻生长区(5)内的下部设置陶瓷过滤膜(8)；

所述中空筒状培养器的主体(A)的中部设置有与所述微藻生长区(5)连通的过滤管道接口(9)；所述过滤管道接口(9)通过塑管与所述陶瓷过滤膜(8)连接；

所述陶瓷过滤膜(8)的孔径为0.1μm～0.45μm；

所述陶瓷过滤膜(8)在微藻培养过程作为微纳米气泡发生装置，促使气泡与微藻充分的接触，提高微藻的生产效率；在微藻采收阶段，陶瓷过滤膜(8)可以迅速切换到分离状态，实现微藻的高效分离，而分离过程中被污染的陶瓷过滤膜(8)，又可以在下一周期中被新鼓入的气体实现高效清洗；

所述中空筒状培养器的主体(A)的下端设置培养器底座(10)，所述培养器底座(10)的下端开设排液孔；

所述输气瓶(11)内装有以下任一种气体：二氧化碳，高纯空气，烟气；

所述蠕动泵(16)的转速为100～800rpm；

所述方法包括交替实施的微藻培养步骤和藻液分离步骤；

其中，包括以下运行参数：

在微藻培养步骤中，培养温度为25±5℃，通气的速度为2-5mL/min；

在藻液分离步骤中，陶瓷过滤膜(8)的跨膜压差为-10～-30kPa，陶瓷过滤膜(8)的通量为20-50L·m^-2·h^-1；

当陶瓷过滤膜(8)的通量低于20L·m^-2·h^-1时，停止过滤，实施曝气过程，此时气体的压力控制在10-50kPa，曝气的时间为2-20s，曝气完成后，继续实施藻液分离步骤或微藻培养步骤。

2.根据权利要求1所述的微藻培养方法，其特征在于，还包括向培养液中加入导电材料或磁性材料的步骤。

3.根据权利要求2所述的微藻培养方法，其特征在于，所述导电材料选自以下任一种：

锌粒，铜粒，镍粒，铁粒，铝粒，锌片，铜片，镍片，铁片，铝片；所述磁性材料选自以下任一种：钴镍铁合金磁性材料，铁氧体磁性材料。

4.根据权利要求2所述的微藻培养方法，其特征在于，所述导电材料或所述磁性材料的添加量为0.5-10g/L培养液。

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