CN1199095A - 微藻生产装置中的水中水技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微藻生产装置(太阳能生物转化器)控制微藻生长温度的方法和工艺装置,将含有微藻的悬浮液循环系统置于另一水循环系统之内,前者称为内水,后者称为外水,通过调节外水温度和水流,控制内水温度,根据这一方法设计的管中管、池中管、囊中管、池中管、囊中囊、箱中袋等水中水装置均可获得微藻的稳定高产,且大大降低了生产成本。

Description

微藻生产装置中的水中水技术

本发明涉及微藻生产装置(又称太阳能生物转化器)中的生物转化过程，使微藻生产过程实现稳定高效和可控。

太阳能生物转化器是通过微藻的光合作用快速有效地固定太阳辐射能量的封闭式装置。微藻生产使太阳能的生物转化突破了传统农业的模式，传统农业所利用的叶绿素载体是一些高等植物，通过种植绿色植物以获取食品。太阳能生物转化器不依赖传统农业所必需的土壤、气候等自然条件，在有阳光的地方，包括荒漠戈壁，都可以造就高生产力。我国著名科学家钱学森在其首创的“沙产业”理论中提出要运用全部的现有科学技术，包括物理、化学、生物学这样的基础学科，在不毛之地上，通过植物的光合作用，固定转化太阳能。利用微型藻类作为太阳能生物转化器已被中、外科学家证明是最有效、最有潜力的手段。因为：

(1)微藻结构最简单(单细胞)历史最久远(生命的诞生以它为起点)，无所不在(极为恶劣的条件下都有)，顽强生命力有相对强大的叶体。

(2)同化CO₂通过全部表面，不像高等植物要通过气孔。

(3)个体小，比表面积大，与外部环境进行物质交换快。

(4)生命周期短。

(5)生长和繁殖快，可以在人工调控下维持几何级数增殖。

(6)不存在水的无效蒸腾，适合在水源短缺环境中应用。

(7)可以工厂化生产(连续的，制式的)

(8)利用人工光源可以全天候生产。

(9)光合生产中，消耗CO₂，排放氧气。

(10)生产过程可达到“绿色食品”工艺要求。

(11)产品营养全面，且可做工业和能源材料。

(12)针对不同的水质和光热条件选择适合的藻种。

(13)藻的某些生物习性可以诱导改变。

(14)可控制产品的成份。

(15)可以集成应用现代科技的新成果和新工艺材料。

已有的微藻生产技术和装置，可以分为两类：开放式和封闭式。

开放式生产是建造培育池，使微藻在池中生长、繁殖。

从六十年代开始，国外开始研究各种封闭式微藻培养系统。到目前为止，已知的封闭培养系统中，曾经更换过各种各样的容器，但比较成熟并形成规模化应用的只有管道式系统，该系统也称为太阳能生物转化器。

本专利发明人在93108855.0专利技术中应用了封闭式的管道生产技术。这一技术实现了微藻的工厂化生产，克服了开放池式生产中的产品不纯净，产量不高，管理困难，效率低等缺点。目前，国内外的微藻封闭式生产大都应用硅硼玻璃管道，依靠阳光作为光源，人工添加营养成份，保障微藻生产正常。

微藻管道试验和生产装置运行的结果证明，生产的一般条件容易创造。例如，营养液的配制可根据生产过程的需要进行调整；又例如，微藻进行光合作用要求相应的光照，可通过管道装置的排列方式的变化进行调整。现有技术中唯一无法解决的难题就是管道中悬浮液的温度限制了微藻的稳定持续高产。

光合作用是由光化学过程、物质扩散过程和生化反应过程构成的，这些过程都要求一定的温度条件。一般说来10℃-45℃之间，活细胞才积极进行生命活动，细胞内的反应速率，随温度的增加而加速。太阳能生物转化器中应用的叶绿体载体微藻，都是喜温的高产种。喜温的微藻只在水温达到适中的高温时，才加强自己的生命活力，显示出高产的优异性。小球藻、螺旋藻的最佳生长温度是35℃-37℃。过高的温度，将引起分子活性的异常增强。对有机体的稳定，有伤害作用。呼吸的加强，不仅使同化产物衰减，而且会引起光休克出现。水温达到45℃时，微藻细胞开始死亡，但水温低于最佳适中温度10℃-25℃时，微藻群体生长微弱，或停止生长。

阳光的大部分能量均以热辐射的形式提高空气、水及其他物体的温度，参与光合作用，增加产量。阳光辐射的光能，既是参与光合作用的光子物质来源，也是创造光合作用条件的热量来源。太阳辐射的强度，在一年之内和一天之中，都是不恒定的。太阳能生物转化器接受热辐射在一天中可相差十倍以上。辐射变化造成的温热条件波动对微藻产量产生巨大影响。

在封闭式生产装置中，用电加热或热交换器的办法来调温。但在高气温时，温度由于强太阳辐射急剧上升，造成容器内出现同步的高光强、高水温、高氧，这将导致光合装置的完全崩溃失效。由于玻璃管道与空气接触面很大，散热和吸热的速度很快，因此，要维持在封闭的装置中有均衡的适中温度，以维持高产，是太阳能生物转化器急待解决的技术难题。

本发明的目的是维持在封闭的装置中有均衡的适中温度，保证光合作用顺利进行，以获取微藻的稳定高产。

实施本发明的技术方案是：

1、工艺与装置

(1)水中水，是一种工艺技术，用于封闭式的太阳能生物转化装置中。

(2)水中水，是一个统一的装置系统，由外水和内水构成。

(3)内水是太阳能生物化器的主体，内部盛放的是微藻悬浮液。内水中的水，是生理功能的水，相应的装置保障悬浮液处于理想的光合作用条件下：

适中的PH值

充足的营养(矿物营养)

微藻悬浮液形成湍流状态

尾端的气体交换器及时排氧

CO₂混合气体的适时补加

(4)外水盛放的纯净的天然水，做为介质的水是一种工质，利用水的一系列物理特性。

外水，透光，参与内水光合作用的光的波段，很容易地穿过外水，进入作为内水的生物反应器中。

外水，有一定的厚度，又处于易于调控的流动状态中。

水的比热最高，一克水增加温度1℃时，约需1卡的热量。利用外水的这些特质，就可以为自动化控温以及手工调温提供了条件。

(5)内水的循环，用相应功率的泵，使悬浮液处于湍流状态。

(6)根据微藻品种生长的适中条件，外水可以处于静止、低水速和高水速流动状态。视具体的装置环境，外水在低气温时，可使用存放的调温柜温水、地热水或工厂余热水，在高温时使用冷水。这些降温用的冷水，在回路终端可达40℃，存放在调温柜中备用。

(7)内水、外水的容器壁，采用透明度较高的软塑料材质，两端用硬质塑料件固定。若干段连接为一单元，每单元内水、外水独立循环。若干单元组合构成太阳能生物转化器。

2、管中管，内水在内管中循环，外水在外管中循环，内管和外管通过硬质塑料接头套装在一起。

3、池中管，内水在管道中循环，内水管道固定在水池中，池水为外水，通过水池进出口或加水泵调节池水流量和温度。

4、囊中管，内水在管道中循环，内水管道固定在软质水囊中，囊中水为外水，通过囊的进出水口或加水泵，调节囊中水的流量和温度。

5、池中囊，内水在软质透明囊中循环，内水囊固定在池中，池水为外水，通过水池进、出水口或加水泵调节池水流量和温度。

6、囊中囊，内水在软质透明囊中循环，内水囊固定在软质外水囊中，外囊中水为外水，通过外囊的进、出水口或加水泵，调节囊中水的流量和温度。

7、箱中囊，内水在软质透明囊中循环，内水囊固定在硬质外水箱中，箱中水为外水，通过箱的进、出水口或加水泵，调节箱中水的流量和温度。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1、本发明克服了现有封闭式的管道生产技术中控制悬浮液温度耗资大的缺点。

2、本发明通过控制外水的温度最大限度地减少了温热条件波动，使悬浮液(内水)始终处于恒定的最佳温度中。

3、本发明实现了微藻的稳产、高产和生产的连续性、自动化。

附图说明：

图1微藻生产装置中水中水技术的管中管工艺与装置图

图示：1-外水    2-内水

图2微藻生产装置中水中水技术的池中管工艺与装置图

图示：1-外水    2-内水

图3微藻生产装置中水中水技术的囊中管工艺与装置图

图示：1-外水    2-内水

图4微藻生产装置中水中水技术的池中囊工艺与装置图

图示：1-外水    2-内水

图5微藻生产装置中水中水技术的囊中囊工艺与装置图

图示：1-外水    2-内水

图6微藻生产装置中水中水技术的箱中袋工艺与装置图

图示：1-内水    2-外水

附：发明人田裕钊同志的背景资料(见附页1.2.3.4)

Claims (7)

1、一种控制微藻生产装置(太阳能生物转化器)中微藻生长繁殖速度的方法，其特征是在微藻生长的悬浮液循环系统之外设置另一水循环系统，前者为内水，后者为外水，通过调节外水温度和流量，使悬浮液处于均衡的适中温度，控制微藻生长。

2、一种用于权利要求1方法的管中管装置，其特征在于含有微藻的内水在内管中循环，外水在外管中循环，内管置于外管中，通过调节外水水流和温度，使内水中微藻获得适宜生长的温度。

3、一种用于权利要求1方法的池中管装置，其特征在于含有微藻的内水在管道中循环，内管置于水池中，通过调节池水水流和温度，使内水中微藻获得最适宜生长的温度。

4、一种用于权利要求1方法的的囊中管装置，其特征在于含有微藻的内水在管道中循环，内管置于外囊中，通过调节囊中水的水流和温度，使内水中微藻获得最适置生长的温度。

5、一种用于权利要求1方法的池中囊装置，其特征在于含有微藻的内水在囊中循环，囊置于池中，通过调节池水水流和温度，使内水中微藻获得最适宜生长的温度。

6、一种用于权利要求1方法的囊中囊装置，其特征在于含有微藻的内水在内囊中循环，而内囊置于外囊之中，通过调节外囊水的水流和温度，使内囊中的微藻获得最适宜生长的温度。

7、一种用于权利要求1方法的箱中袋装置，其特征在于含有微藻的内水在袋中循环，而袋置于箱中，通过调节箱中水的水流和温度，使袋中的微藻获得最适宜生长的温度。

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