CN115044475B - 一种结合光伏板进行微藻培养的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种结合光伏板进行微藻培养的方法，该方法中光伏板对微藻养殖池的遮荫面积为20‑80％，光伏板距离微藻养殖池的高度为1.5‑3米。本发明通过调整光伏板对微藻养殖池的遮蔽度，光伏板设置高度，优化培养液成分，使微藻生长处于更优的环境，从而提高了培养后藻液中的藻细胞浓度，增加了藻细胞中高值产物的含量。

Description

一种结合光伏板进行微藻培养的方法
技术领域
本发明属于微藻培养领域，具体涉及一种结合光伏板进行微藻培养的方法。
背景技术
微藻是含有叶绿素a并能够进行光合作用的一类个体微小的生物，它的生长效率高，营养含量丰富。光合作用是微藻最基础和最重要的生理活动，藻类光合作用与光照强度的关系经相关研究表明，当光照强度过大时会导致微藻细胞发生光抑制现象。光抑制被认为是一种可逆的光合电子传递下降，保护藻体免受过高光强伤害的机制。当光强过大时会造成紫外线对DNA的损伤，严重时会导致细胞生长和维持生命的物质成分不能正常合成，最终细胞停止生长并死亡；过高的光强还会影响细胞内光合色素的合成和更新速度，甚至会对色素分子造成光漂白；此外还会对藻细胞内蛋白质的合成、营养元素的吸收和细胞分裂的速度产生负面影响。以螺旋藻为例，通常最适合螺旋藻生长的光强为3-5万勒克斯，但是在自然条件下光照强度会高达8-12万勒克斯，过高的光强会导致藻体下沉、细胞分裂速度减缓、藻色发黄、藻蓝蛋白合成量下降，进而影响产量和质量。
为了减少强光的伤害，微藻细胞在进化过程中形成了一些特定的适应机制：比如当藻细胞内的光敏色素感受到强光信号后，会通过鞭毛、纤毛和调节浮力等方式向低光强的方向移动，从而避开强光对细胞的损伤；一些藻细胞内含有三苯甲咪唑类氨基酸、伪枝藻素等紫外屏障色素，能够帮助藻细胞屏蔽一部分强光中的紫外辐射，提高耐强光照射的能力；当受到强光辐射后细胞内会启动光修复机制，包括DNA的切除修复和重组修复、光合系统的D1蛋白修复等。在人工规模化培养微藻时会通过调节微藻养殖池水位、加装遮阳网、根据天气情况及时采收等方法尽量减少或避免发生光抑制现象，但这些方法的缺点是没有对多余的光能加以利用。
中国专利202110505397.X中公开了一种基于光伏板的微藻养殖装置，包括地面板、底层养殖池、上层养殖池、光伏板；该发明在上层养殖池的上方安装了光伏板，然后在底层养殖池的内部铺设有多个电加热管，如此通过光伏板电连接多个电加热管，形成太阳转化为热能的利用，提供生产所需要的温度，而且节能环保。
中国专利202121843045.7公开了一种全天候连续运行微藻养殖装置，在跑道池开口上方从下往上依次设置有电致变色玻璃、透明发光板和透光光伏板，防止光照强度超过或低于最适光照强度范围而抑制微藻生长；其中所述透光光伏板保证下方微藻的采光率的同时又能进行发电；当光照强度过大时，所述电致变色玻璃通过改变自身颜色能够控制透过光线强度和调节热量，保证微藻的生长效率；当夜晚或光照强度过低时，所述透明发光板用于补充光照，从而实现光照强度的调节和满足全天候养殖的光照需求。但其应用于大型养殖池时具有较大的限制。
但以上装置对于微藻的培养促进作用有限，有进一步优化的空间。
发明内容
为了解决上述问题，本发明构建出一种高效利用太阳光能、节约其他能源消耗的微藻养殖方法，以实现微藻培养流程的优化、并提高藻细胞生物量和高值化合物含量。
本发明的目的在于提供一种结合光伏板进行优化培养微藻的方法，该方法充分利用池与池之间的空地架设光伏板，采用下层养殖、上层发电的模式，利用太阳能发电开展微藻规模养殖、采收和深加工，并添加辅助培养因子，在充分利用太阳光能、极大节约能源能耗的同时又可以显著提高微藻产品的产量和质量，最终实现藻光一体化的农业生产，实现绿色低碳的生态农业。
一方面，本发明提供了一种结合光伏板进行微藻培养的方法。
所述的光伏板对微藻养殖池的遮荫面积为20-80％，光伏板距离微藻养殖池的高度为1.5-3米，所述的微藻的培养液中添加浓度小于0.1g/L的槲皮素。
优选地，所述的光伏板对微藻养殖池的遮荫面积为50-80％。
优选地，所述的光伏板距离微藻养殖池的高度为2-3米。
进一步优选地，所述的光伏板对微藻养殖池的遮荫面积为50％，光伏板距离微藻养殖池的高度为2.5米。
进一步优选地，所述的光伏板对微藻养殖池的遮荫面积为80％，光伏板距离微藻养殖池的高度为3米。
优选地，所述的方法用于培养螺旋藻、小球藻、微拟球藻、三角褐脂藻、角毛藻或金藻中的一种或多种。
优选地，所述的方法包括以下步骤：
(1)场地准备阶段：微藻养殖设施之间的空地架设光伏板，在微藻养殖池的上层空间建设光伏组件，包括太阳能电池阵列、集线箱、逆变器、并网配电装置；在所述微藻养殖池中配有温度传感器、pH控制器和水位监控器，用于实现微藻养殖过程中对温度、pH、水位等参数的实时监测和动态调整；在所述光伏组件中配有光强传感器和数据采集系统，对光伏发电系统的工作效率进行实时监控；在所述的光伏组件中配有雨水槽，能将雨水导出至养殖池外；
(2)规模生产阶段：将足量的微藻藻种接种至铺设有光伏板的微藻养殖池中，从细胞的指数生长初期培养至平台初期，在微藻培养过程中所使用的搅拌机、通气泵、抽水泵等设备通过光伏组件发出的电力进行供能；通过光伏板对强光进行一定程度的遮挡，使得照射到微藻养殖池上的光强有所降低，能够减少藻类因强光产生的光抑制现象和水温升高的情况，进而提高藻类生物量和高值化合物含量；
(3)采收和深加工提取阶段：将培养成熟的微藻通过过滤、离心和膜浓缩等物理方式进行采收，采收过程中所用到的过滤机、离心机、浓缩机等设备均使用光伏组件所产生的电能；所采收的一部分微藻藻泥直接加工成藻粉，干燥过程中所使用的干燥塔、电热锅炉等设备均使用光伏组件所产生的电能；所采收的另一部分微藻藻泥用于深加工提取高值化合物，在深加工过程中所使用的搅拌机、浓缩机、混合机等设备均使用光伏组件所产生的电能。
所述步骤(1)中，当微藻养殖池中的水温高于设定上限时会开启水位控制系统，自动向池中补充冷却水，实现降温目的；
所述步骤(1)中，当微藻养殖池中的pH高于设定上限时会开启pH控制系统，自动向池中补充已经预混好二氧化碳的碳酸水，实现降低pH目的。
本发明中，所述的“遮荫面积”是指当光线垂直照射时，光伏板对微藻养殖池的遮荫面积。
本发明的有益效果：
本发明通过调整光伏板对微藻养殖池的遮蔽度，光伏板设置高度，优化培养液，使微藻生长处于更优的环境，从而提高了培养后藻液中的藻细胞浓度，增加了藻细胞中高值产物的含量。
附图说明
图1为本发明的微藻养殖池铺设光伏的示意图。
图2为本发明的光伏组件的实施示意图。
图3为添加槲皮素培养的藻液与不添加的培养藻液效果对比。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细的阐述，下述实施例不用于限制本发明，仅用于说明本发明。以下实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，下述实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
以下实施例中，螺旋藻藻蓝蛋白的PC含量的检测方法参照中华人民共和国出入境检验检疫行业标准SN/T 1113-2002。
以下实施例中，小球藻叶绿素含量的检测方法参照中华人民共和国出入境检验检疫行业标准SN/T 1113-2002。
以下实施例中，金藻昆布多糖含量的检测方法为紫外-可见光分光光度法。
实施例1一种结合光伏板培养螺旋藻的方法
本实施例中的螺旋藻藻种为钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)，购自江苏省农科院。
包括以下步骤：
(1)场地准备阶段：在薄膜跑道式微藻养殖池之间铺设太阳能光伏组件，包括太阳能电池阵列、集线箱、逆变器、并网配电装置等。光伏板距离微藻养殖池的高度为2米，光伏板的阴影投射到螺旋藻养殖池水面上的遮光量约为50％，在所述微藻养殖池中配有温度传感器、pH控制器和水位监控器。当水温高于40℃时会开启水位控制系统，自动向池中补充冷却水进行降温；当pH高于10.2时会开启pH控制系统，自动向池中补充已经预混好二氧化碳的碳酸水用以调节pH；在所述光伏组件中配有光强传感器和数据采集系统，对光伏发电系统的工作效率进行实时监控和记录；在所述的光伏组件中配有雨水槽，能将雨水导出至养殖池外。
(2)规模生产阶段：将足量的螺旋藻接种至配有光伏板的养殖池中，从细胞的指数生长初期培养至平台初期，在螺旋藻培养过程中所使用的搅拌机、抽水泵等设备通过光伏板发出的电力进行供能。利用光伏板的遮挡使得照射到养殖池上的自然光强降低，与不铺设光伏组件的养殖池相比，培养后螺旋藻的藻细胞浓度(OD560)可从0.7升至0.9，其细胞内的藻蓝蛋白含量从13％提高至22％。
(3)采收和深加工提取阶段：将培养成熟的螺旋藻通过过滤和滤布浓缩等物理方式进行采收，采收过程中所用到的过滤机、混合机等设备均使用光伏组件所产生的电能；所采收的一部分螺旋藻藻泥直接加工成藻粉，干燥过程中所使用的干燥塔、电热锅炉等设备均使用光伏组件所产生的电能；所采收的另一部分螺旋藻藻泥用于提取藻蓝蛋白，在深加工过程中所使用的搅拌机、浓缩机等设备均使用光伏组件所产生的电能。
实施地区为海南省东方市(实验时间为2020年4-2022年4月)，和宁夏回族自治区盐池县(实验时间为2022年2-2022年4月)。
实施例2一种结合光伏板培养小球藻的方法
本实施例中的小球藻的藻种为蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)，来源为暨南大学生命科学技术学院。
包括以下步骤：
(1)场地准备阶段：在跑道式微藻养殖池之间铺设太阳能光伏组件，包括太阳能电池阵列、集线箱、逆变器、并网配电装置等。光伏板距离微藻养殖池的高度为2.5米，光伏板的阴影投射到小球藻养殖池水面上的遮光量约为20％，在所述微藻养殖池中配有温度传感器、pH控制器和水位监控器。当水温高于40℃时会开启水位控制系统，自动向池中补充冷却水进行降温；当pH高于8.5时会开启pH控制系统，自动向池中补充已经预混好二氧化碳的碳酸水用以调节pH；在所述光伏组件中配有光强传感器和数据采集系统，对光伏发电系统的工作效率进行实时监控和记录；在所述的光伏组件中配有雨水槽，能将雨水导出至养殖池外。
(2)规模生产阶段：将足量的小球藻接种至配有光伏板的养殖池中，从细胞的指数生长初期培养至平台初期，在小球藻培养过程中所使用的搅拌机、抽水泵等设备通过光伏板发出的电力进行供能。利用光伏板的遮挡使得照射到养殖池上的自然光强降低，与不铺设光伏组件的养殖池相比，小球藻的藻细胞浓度从OD680的2.4升至2.8，其细胞内的叶绿素含量从2.5％提高至3.7％左右。
(3)采收和深加工提取阶段：将培养成熟的小球藻通过离心浓缩的方式进行采收，采收过程中所用到的抽水泵、离心机等设备均使用光伏组件所产生的电能；所采收的一部分小球藻藻泥直接加工成藻粉，干燥过程中所使用的干燥塔、电热锅炉等设备均使用光伏组件所产生的电能；所采收的另一部分小球藻藻泥用于提取叶绿素，在深加工过程中所使用的超声波仪、浓缩仪等设备均使用光伏组件所产生的电能。
本实施例实验地区为海南省澄迈县(实验时间为2021年8月-2022年4月)。
实施例3一种结合光伏板培养金藻的方法
本实施例中，用于培养的金藻的藻种为球等鞭金藻(Isochrysis galbana)，来自中科院水生生物研究所。
包括以下步骤：
(1)场地准备阶段：在各种形状的曝气式微藻养殖池之间铺设太阳能光伏组件，包括太阳能电池阵列、集线箱、逆变器、并网配电装置等。光伏板距离微藻养殖池的高度为3米，光伏板的阴影投射到金藻养殖池水面上的遮光量约为80％，在所述微藻养殖池中配有温度传感器、pH控制器和水位监控器。当水温高于28℃时会开启水位控制系统，自动向池中补充冷却水进行降温；当pH高于8.6时会开启pH控制系统，自动向池中补充已经预混好二氧化碳的碳酸水用以调节pH；在所述光伏组件中配有光强传感器和数据采集系统，对光伏发电系统的工作效率进行实时监控和记录；在所述的光伏组件中配有雨水槽，能将雨水导出至养殖池外。
(2)规模生产阶段：将足量的金藻接种至配有光伏板的养殖池中，从细胞的指数生长初期培养至平台初期，在金藻培养过程中所使用的空气泵、抽水泵等设备通过光伏板发出的电力进行供能。利用光伏板的遮挡使得照射到养殖池上的自然光强降低，与不铺设光伏组件的养殖池相比，金藻的藻细胞浓度从OD680的0.7升至1.2，其细胞内的金藻昆布多糖含量从24％提高至32％。
(3)采收和深加工提取阶段：将培养成熟的金藻通过膜浓缩的方式进行采收，采收过程中所用到的浓缩机、抽水泵等设备均使用光伏组件所产生的电能；所采收的一部分金藻藻泥直接加工成藻粉，干燥过程中所使用的干燥塔、电热锅炉等设备均使用光伏组件所产生的电能；所采收的另一部分金藻藻泥用于提取金藻昆布多糖，在深加工过程中所使用的超声波仪、浓缩仪等设备均使用光伏组件所产生的电能。
本实施例实验地区为广东省湛江市(实验时间为2021年11月-2022年4月)。
实施例4一种结合光伏板培养螺旋藻的方法
参照实施例1的方法，区别在于，向微藻培养液中添加0.1g/L的槲皮素(西安格林生物科技有限公司)，最终测得的螺旋藻藻细胞浓度(OD680)为1.1，藻蓝蛋白含量25％。添加槲皮素培养的藻液与不添加的藻液(实施例1)对比如图3所示。
实施例5一种结合光伏板培养小球藻的方法
参照实施例1的方法，区别在于，向微藻培养液中添加0.1g/L的槲皮素，最终测得的小球藻藻细胞浓度(OD680)为3.2，叶绿素含量4.9％。
实施例6一种结合光伏板培养金藻的方法
参照实施例1的方法，区别在于，向微藻培养液中添加0.1g/L的槲皮素，最终测得的金藻藻细胞浓度(OD680)为1.5，金藻昆布多糖含量39％。
对比例1-3
参照实施例1的方法设置对比例，具体如下：
Figure BDA0003771538150000071
Figure BDA0003771538150000081
需要说明的是，对比例实验实际是和实施例实验同时进行的。
以上实验表明，光伏板高度和遮荫度与螺旋藻的藻细胞浓度和藻蓝蛋白含量为非线性关系。
对比例4-6
参照实施例2的方法设置对比例，具体如下：
Figure BDA0003771538150000082
需要说明的是，对比例实验实际是和实施例实验同时进行的。
对比例7-9
参照实施例3的方法设置对比例，具体如下：
Figure BDA0003771538150000083
需要说明的是，对比例实验实际是和实施例实验同时进行的。
对比例10-12
参照实施例4-6分别设置对比例10-12，区别在于添加槲皮素的含量为0.3g/L，结果如下：
对应实施例 藻细胞浓度 高值产物含量
对比例10 实施例4 0.8 21％藻蓝蛋白
对比例11 实施例5 2.7 3.4％叶绿素
对比例12 实施例6 1.0 33％昆布多糖
根据本申请的实验结果，少量槲皮素的添加在本申请的实验条件中起到了促进微藻生长和高值产物的积累，用量提高则有一定的抑制作用，推测可能是少量槲皮素具有抗氧化作用，提高用量由于槲皮素属于黄酮类物质，对微藻的生长起到了抑制。此外，微藻生长过程中会出现轮虫和以纤毛虫为代表的原生动物，这些虫类的特点是生长速度极快、具有趋光性、是微藻最大的天敌。它们在水体中会一直不停的游动，从而扰动藻细胞的正常生长和分裂；它们的生长代谢产物会不断地释放到养殖水体中，使养殖水体变粘稠和浑浊，进而影响藻细胞的正常生长代谢和物质合成；它们摄食藻类的速度极快，会导致藻细胞的生长量抵不过虫类的摄食量，进而严重影响藻细胞的生长浓度，因此推测低浓度黄酮类可以对杀轮虫和以纤毛虫为代表的原生动物起到一定作用，从而促进了微藻的生长。

Claims (8)

1.一种结合光伏板进行微藻培养的方法，其特征在于，光伏板对微藻养殖池的遮荫面积为20-80%，光伏板距离微藻养殖池的高度为1.5-3米；所述的微藻的培养液中添加浓度为0.1g/L的槲皮素；用于培养钝顶螺旋藻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光伏板对微藻养殖池的遮荫面积为50-80%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光伏板距离微藻养殖池的高度为2-3米。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光伏板对微藻养殖池的遮荫面积为50%，光伏板距离微藻养殖池的高度为2.5米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光伏板对微藻养殖池的遮荫面积为80%，光伏板距离微藻养殖池的高度为3米。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）场地准备阶段：微藻养殖设施之间的空地架设光伏板，在微藻养殖池的上层空间建设光伏组件，包括太阳能电池阵列、集线箱、逆变器、并网配电装置；在所述微藻养殖池中配有温度传感器、pH控制器和水位监控器，用于实现微藻养殖过程中对温度、pH、水位参数的实时监测和动态调整；在所述光伏组件中配有光强传感器和数据采集系统，对光伏发电系统的工作效率进行实时监控；在所述的光伏组件中配有雨水槽，能将雨水导出至养殖池外；
（2）规模生产阶段：将足量的微藻藻种接种至铺设有光伏板的微藻养殖池中，从细胞的指数生长初期培养至平台初期，在微藻培养过程中所使用的搅拌机、通气泵、抽水泵设备通过光伏组件发出的电力进行供能；通过光伏板对强光进行一定程度的遮挡，使得照射到微藻养殖池上的光强有所降低，能够减少藻类因强光产生的光抑制现象和水温升高的情况，进而提高藻类生物量和高值化合物含量；
（3）采收和深加工提取阶段：将培养成熟的微藻通过过滤、离心和膜浓缩的物理方式进行采收，采收过程中所用到的过滤机、离心机、浓缩机设备均使用光伏组件所产生的电能；所采收的一部分微藻藻泥直接加工成藻粉，干燥过程中所使用的干燥塔、电热锅炉设备均使用光伏组件所产生的电能；所采收的另一部分微藻藻泥用于深加工提取高值化合物，在深加工过程中所使用的搅拌机、浓缩机、混合机设备均使用光伏组件所产生的电能。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，当微藻养殖池中的水温高于设定上限时会开启水位控制系统，自动向池中补充冷却水，实现降温目的。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，当微藻养殖池中的pH高于设定上限时会开启pH控制系统，自动向池中补充已经预混好二氧化碳的碳酸水，实现降低pH目的。
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