CN114045220A - 一种利用深色度沼液培养微藻的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用深色度沼液培养微藻的方法，所述方法包括以下步骤：建立深色度沼液和微藻共同作用下的光衰减模型；基于所述光衰减模型确定光生物反应器内平均光强与入射光强的变化关系；依据所述变化关系在培养微藻过程中动态调节入射光强，以保证所述平均光强满足微藻生长需求。本发明通过建立合理的光衰减模型，从而找到入射光强与光生物反应器内平均光强之间的关系，以便动态调整入射光从而使平均光强维持在微藻生长的较适范围内。本发明的方法可以改善深色度沼液培养微藻中存在的严重光衰减问题，从而提升微藻的生长和微藻对沼液中污染物的去除效果。
Description
技术领域
本发明涉及微藻养殖技术领域，尤其涉及一种利用深色度沼液培养微藻的方法。
背景技术
近些年来，随着畜禽行业的发展，以禽畜粪便为原料的大中型沼气工程日益增多，在产生沼气的同时也产生了大量的沼液，只经过厌氧处理的沼液，仍含有大量的有机物和N、P等污染物，直接排放会引起水体的富营养化。沼液虽然是一种废水，但是畜禽粪污沼液中不仅含有丰富的氮、磷、钾、钙、镁、铁、锰等中微量元素，还含有吲哚乙酸、细胞分裂素、赤霉素等植物生长调节物质以及喹啉酮、糖类、维生素、多胺等生物活性成分。
微藻是一种水生光合自养生物，可以通过光合作用吸收CO2合成有机物，它具有光合效率高，细胞结构简单，适应环境的能力强等特点，且微藻被普遍认为是下一代生物质燃油的理想原料，利用微藻生产生物燃油，产量是经济性油料作物的10-20倍。通过培养微藻不仅可以吸收CO2实现碳减排，还能获取生物质从而获得更高的经济效益。
微藻的培养需要投入大量含N、P等元素的营养物质，这些营养物质与沼液中污染物所含元素相同，因而利用沼液培养微藻不仅可以解决沼液的处理问题实现沼液的达标排放，还能减少微藻培养过程中营养物质的投入。但是，沼液大多呈现黑色或红棕色，色度较高，透光性较差，不利于微藻的光合作用，沼液对光的衰减会严重影响小球藻的生长，进而也会影响微藻对沼液中污染物的去除效果。而且微藻的生长是一个动态的过程，随着微藻的生长其生物量不断增加，微藻自身引起的光衰减也随之增加。因此，单一不变的入射光强无法使微藻在各生长阶段处于较好的光环境中。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用深色度沼液培养微藻的方法。
本发明提供一种利用深色度沼液培养微藻的方法，包括以下步骤：
S1、建立深色度沼液和微藻共同作用下的光衰减模型；
S2、基于所述光衰减模型确定光生物反应器内平均光强与入射光强的变化关系；
S3、依据所述变化关系在培养微藻过程中动态调节入射光强，以保证所述平均光强满足微藻生长需求。
进一步地，步骤S1中，建立所述光衰减模型时，选取沼液色度代替沼液中引起颜色变化的有机物浓度。
进一步地，步骤S1中，所述光衰减模型如公式(1)所示：
其中，K1：微藻的吸光系数；C1(g/L)：微藻的生物量；K2：沼液的吸光系数；C2：沼液的色度；L(cm)：光程；K0：无色透明液体的吸光系数；I0：入射光强；I：光程为L点的光强。
进一步地，设定培养微藻过程中，C2为定值不变，依据入射光强I0和某一时刻t下光程为L点的光强I，计算得到时刻t下的微藻的生物量C1。
进一步地，本发明所述光生物反应器包括长方体构型的光生物反应器本体、发光装置和通气装置，所述发光装置包括设置在所述光生物反应器本体外壁的光源和竖直设置在所述光生物反应器本体内部的导光板，所述导光板将所述光源发出的光分布至所述光生物反应器本体的内部。
进一步地，所述导光板居中设置，入射光在所述光生物反应器内的最大光程为所述光生物反应器本体宽度D的一半，在所述光生物反应器本体的外壁上设置光照强度传感器，获取光程为D/2的光强I。
进一步地，所述通气装置设置在所述光生物反应器本体的底部，用于提供微藻培养所需的二氧化碳并促进液体循环。优选地，所述通气装置可以为曝气管。
基于上述光生物反应器，步骤S2中，所述光生物反应器内平均光强与入射光强的变化关系如公式(2)所示：
其中，
平均光强；K＝K1*C1+K2*C2+K0。
进一步地，步骤S3中，满足微藻生长需求的平均光强可根据单独的微藻生长实验结合经验来确定。该值一般与微藻的种类强相关，当微藻为小球藻时，满足其生长需求的平均光强应在50～100μmol·m-2·s-1。
进一步地，所述光源为可调光强式LED灯。
进一步地，所述光照强度传感器和所述光源与PLC控制板连接，通过所述光照强度传感器获取的数值调节所述光源的入射光强。
本发明提供了一种利用深色度沼液培养微藻的方法，该方法通过建立合理的光衰减模型，从而找到入射光强与光生物反应器内平均光强之间的关系，以便动态调整入射光从而使平均光强维持在微藻生长的较适范围内。本发明的方法可以改善深色度沼液培养微藻中存在的严重光衰减问题，从而提升微藻的生长和微藻对沼液中污染物的去除效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的利用深色度沼液培养微藻的光生物反应器的结构示意图；
图2为本发明中可拆卸式导光板示意图；
图3为反应器内液体流动示意图；
图中：1-光照强度传感器；2-反应器顶板；3-固定螺丝；4-出气口；5-LED灯固定槽；6-导光板固定槽；7-进样口；8-反应器底板；9-出样口；10-LED灯；11-导光板；12-反应器主体；13-爆气管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
若未特别指明，本发明实施例中所用的实验试剂和材料等均可市购获得。
若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
本发明实施例提供一种利用深色度沼液培养微藻的光生物反应器，其结构示意图如图1所示，包括光照强度传感器1、反应器顶板2、固定螺丝3、出气口4、LED灯固定槽5、导光板固定槽6、进样口7、反应器底板8、出样口9、LED灯10、导光板11、反应器主体12和爆气管13。反应器主体12为长方体结构，其顶部设有可拆卸的反应器顶板2，底部设有平面的反应器底板8，侧壁上端设有出气口4和出样口9，侧壁底端设有进样口7，在培养微藻过程中为一封闭光生物反应器。其中，反应器顶板2、出气口4、LED灯固定槽5、导光板固定槽6、进样口7、反应器底板8、出样口9、反应器主体12和爆气管13均由透光材料制成。为实现反应器的密闭效果，在反应器主体12和反应器顶板2之间设有橡胶垫片，并通过固定螺丝3进行固定。
反应器主体12的一对相对的侧壁(反应器主体12有两对侧壁，此处指面积相对较小的一对侧壁，即由长方体宽和高组成的侧壁)外表面上均设有LED灯固定槽5(在宽度方向居中)，用于固定LED灯10。LED灯10为可变光强式LED灯。
在反应器主体12内部与LED灯固定槽5相对应的位置设有导光板固定槽6，用于固定导光板11。导光板11选用纳米导光材料制成。导光板11可将LED灯10发出的光分布至反应器主体12内。本发明实施例中导光板固定槽6为一插槽，如图2所示，可实现导光板11的可拆卸连接，从而易于清洗、更换。
光照强度传感器1设置在与导光板11平行的反应器主体12的一侧壁外表面上，以获取导光板11发出的光从侧壁出射时的出射光强，即光程为反应器主体12宽度一半时的光强。
其中爆气管13为通气装置，设置在反应器主体12的底部，爆气管13具体为倒T字型，在底部管道设有1mm的爆气孔。
在具体实施例中，该反应器使用序批式培养，在反应器使用前首先要对反应器进行消毒灭菌处理，后将预处理后的沼液和微藻通过进样口7泵入反应器内，液面维持在导光板11上方3cm(出样口9)处，多余液体将由出样口9排出。在反应器运行时，定时将一定比例(1：19)的二氧化碳和空气的混合气体通过爆气管13泵入反应器内部，泵入的气体可为微藻提供碳源并使反应器内液体流动实现混合(如图3所示)。
本发明实施例利用上述光生物反应器结合高效供光策略即动态多端式供光策略进行深色度沼液培养微藻。通过前期实验依据朗伯比尔定律建立深色度沼液和微藻共同作用下的光衰减模型，将光照强度传感器和LED灯与PLC控制板相连接，并依据反应器外壁的光照强度传感器的数值(出射光强)和光衰减模型，改变入射光强，使反应器内部平均光强维持在微藻生长的较适范围内。
在具体实施例中，首先，基于Lambert-Beer对反应器内的光分布进行建模，并对光分布模型进行修正，沼液微藻培养体系中光分布模型如公式(1)：
K＝K1*C1+K2*C2+K0
其中，K1：微藻的吸光系数；C1(g/L)：微藻的生物量；K2：沼液的吸光系数；C2：沼液的色度；L(cm)：光程；K0：修正系数即无色透明液体的吸光系数；I0：入射光强；I：光程为L点的光强。
上述沼液微藻培养体系中光分布模型，引起沼液颜色变化的有机物种类难以确定，因此，在建模时选取沼液色度代替引起颜色变化的有机物浓度。而且，在整个微藻培养过程中，由于沼液色度变化较小，为计算方便设定沼液色度为定值。
进一步，在上述光生物反应器中，通过光照强度传感器1可以得知某一时刻(t)下光程为反应器宽度(D)的一半(即L＝D/2)时的光强即出射光强I，入射光强I0与LED灯功率相互对应，将I和I0带入公式(1)，可求得K值，即可知培养体系内光分布模型，并可以依据此模型结合沼液色度估算培养体系中微藻的生物量C1。其中，K1、K2、K0值通过前期实验，在某一入射光强下，测定不同生物量、不同色度、不同光程下的出射光，从而求出，K2＝0.0003132，K0＝0.2862，以小球藻为例K1为0.1727。
进一步，可以依据公式(2)，计算出t时刻某一入射光强下反应器内的平均光强
因此，利用公式(1)、(2)结合PLC控制板通过光照强度传感器1的数值调节反应器的入射光强I0，可以使得反应器内的平均光强
维持在适宜微藻生长的范围内，从而实现动态多端的供光。
举例说明：以色度为500的沼液在D＝10cm的图1所示光生物反应器中培养小球藻，培养初期接种量为100mg/L，培养初期入射光强为150μmol·m-2·s-1，出射光强为9.66μmol·m-2·s-1(光照强度传感器1读数)，此时的平均光强为51μmol·m-2·s-1，满足小球藻的生长需求，随微藻生长，培养体系内光衰减加重平均光强会减小。设置培养体系内平均光强降低2μmol·m-2·s-1时开始提高入射光强，即培养体系内平均光强为49μmol·m-2·s-1时，经计算此时出射光强为8.33μmol·m-2·s-1，生物量为115.9mg/L。当传感器读数低于8.33μmol·m-2·s-1时，开始提高入射光强使得体系内平均光强恢复至51μmol·m-2·s-1，通过光衰减模型算得此时要使得体系平均光强达到51μmol·m-2·s-1，出射光应为8.68μmol·m-2·s-1，因此，当传感器读数由8.33μmol·m-2·s-1提高至8.68μmol·m-2·s-1时停止提高入射光，此时入射光为156.11μmol·m-2·s-1(由模型计算得到)。以上为一个调光周期，当反应器内平均光强再降低2时，进行第二次调光。
在具体实施例中，反应器运行期间，通过光照强度传感器1反馈的I值对微藻生长状况进行监测，根据微藻生长状况调节反应器运行时间，反应器停止运行后，将液体倒出对微藻进行采收并检测沼液中的氨氮、COD、TP等成分，各项指标满足国家相关标准后排放。
本发明所提出的一种利用深色度沼液培养微藻的光生物反应器及方法，通过导光材料以及高效供光策略减少反应器内部的光衰减，不仅减少了光能的投入还能提升微藻的生物质产率及沼液中的污染物去除效率，具有广阔的应用前景。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种利用深色度沼液培养微藻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立深色度沼液和微藻共同作用下的光衰减模型；
S2、基于所述光衰减模型确定光生物反应器内平均光强与入射光强的变化关系；
S3、依据所述变化关系在培养微藻过程中动态调节入射光强，以保证所述平均光强满足微藻生长需求。
2.根据权利要求1所述的利用深色度沼液培养微藻的方法，其特征在于，步骤S1中，建立所述光衰减模型时，选取沼液色度代替沼液中引起颜色变化的有机物浓度。
3.根据权利要求2所述的利用深色度沼液培养微藻的方法，其特征在于，步骤S1中，所述光衰减模型如公式(1)所示：
其中，K1：微藻的吸光系数；C1(g/L)：微藻的生物量；K2：沼液的吸光系数；C2：沼液的色度；L(cm)：光程；K0：无色透明液体的吸光系数；I0：入射光强；I：光程为L点的光强。
4.根据权利要求3所述的利用深色度沼液培养微藻的方法，其特征在于，设定培养微藻过程中，C2为定值不变，依据入射光强I0和某一时刻t下光程为L点的光强I，计算得到时刻t下的微藻的生物量C1。
5.根据权利要求1～4任一项所述的利用深色度沼液培养微藻的方法，其特征在于，所述光生物反应器包括长方体构型的光生物反应器本体、发光装置和通气装置，所述发光装置包括设置在所述光生物反应器本体外壁的光源和竖直设置在所述光生物反应器本体内部的导光板，所述导光板将所述光源发出的光分布至所述光生物反应器本体的内部。
6.根据权利要求5所述的利用深色度沼液培养微藻的方法，其特征在于，所述导光板居中设置，入射光在所述光生物反应器内的最大光程为所述光生物反应器本体宽度D的一半，在所述光生物反应器本体的外壁上设置光照强度传感器，获取光程为D/2的光强I。
7.根据权利要求6所述的利用深色度沼液培养微藻的方法，其特征在于，步骤S2中，所述光生物反应器内平均光强与入射光强的变化关系如公式(2)所示：
其中，
平均光强；K＝K1*C1+K2*C2+K0。
8.根据权利要求6所述的利用深色度沼液培养微藻的方法，其特征在于，所述光源为可调光强式LED灯。
9.根据权利要求8所述的利用深色度沼液培养微藻的方法，其特征在于，所述光照强度传感器和所述光源与PLC控制板连接，通过所述光照强度传感器获取的数值调节所述光源的入射光强。
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2021
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