CN1837350A - 微藻养殖池补充二氧化碳的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微藻养殖池补充二氧化碳的装置，它由充气槽Ⅰ区、充气槽Ⅱ区、二氧化碳充气管、空气曝气管、二氧化碳供气系统、空气供气系统和支架组成，充气槽靠养殖池，充气槽Ⅰ区通过通道与养殖池相连，充气槽Ⅱ区通过通道与养殖池相连，二氧化碳充气管一端与二氧化碳输气管相连，空气曝气管一端与空气输气管相连，充气槽中装有一块隔板。本装置提高了藻液对二氧化碳吸收率，有效地利用了二氧化碳，减少了生产过程中二氧化碳向空气中释放，具有显著的经济效益和良好的环境效益，适合于跑道式培养池和环形培养池养殖各种微藻时补充二氧化碳。

Description

微藻养殖池补充二氧化碳的装置

                        技术领域

本发明涉及一种微藻养殖池补充二氧化碳(CO₂)的装置，本装置可以提高藻液对二氧化碳吸收率，有效地利用二氧化碳，减少生产过程中二氧化碳向空气中释放。

                        背景技术

植物在自然界自养生长的碳源来源于空气中的二氧化碳，人工培养自养生长的微藻，空气中的二氧化碳远远不能满足快速生长繁殖对碳源的需求。以螺旋藻大量培养为例，藻液从空气中吸收二氧化碳的速率大约是0.04mmol/m².min，仅能提供2.5g./m².d产量所需的碳源。为了维持培养液的pH值，提供藻类生长繁殖所需的碳源，获得高产、稳产，无论初始碳源浓度如何，在培养过程中都需要向反应器中补充二氧化碳或碳酸氢钠(NaHCO₃)。研究表明，微藻对于碳酸氢根离子(HCO₃ ^-)的利用率受藻液pH的制约，一般情况下，藻液pH值低于11.0，碳酸氢根离子利用率低于45％，微藻对于溶解在水中二氧化碳的利用率不受pH制约，可以100％地利用。无论从有效利用碳源，还是控制pH方面看，二氧化碳比碳酸氢钠具有明显的优势。

虽然微藻可以100％地利用溶解的二氧化碳，但是，并不意味生产过程中二氧化碳的利用率是100％，二氧化碳的利用率取决于藻液对二氧化碳的吸收率。如何高效地向培养液中添加二氧化碳，一直是微藻大量养殖工艺的一个重要方面，上世纪70-80年代被作为一个工程技术问题进行研究，鼓泡充二氧化碳和“储气罩”充二氧化碳技术都可以向藻液中补充二氧化碳，并在一定范围得到应用。

大规模养殖微藻一般使用跑道式或环形养殖池，藻液深度15-20cm。“储气罩”充气技术虽然适合跑道式或环形养殖池，但是“储气罩”的面积要占到养殖池面积的1.5-4％才能供给足够的二氧化碳，不仅工艺复杂，而且“储气罩”的遮光作用对产量造成影响。与“储气罩”充气技术相比，鼓泡充二氧化碳方法简单，适合于多种半封闭和封闭式的光生物反应器，但是直接在养殖池中鼓泡充二氧化碳，会造成二氧化碳的浪费。据报道，大规模养殖螺旋藻，鼓泡充二氧化碳提供碳源，藻液只能吸收利用65.3％的二氧化碳，其余34.7％的二氧化碳释放到空气中，白白浪费了。养殖其它微藻，藻液对二氧化碳的吸收率更低。大量二氧化碳释放到空气中，不仅浪费了生产原料，增加了生产成本，而且，由于二氧化碳是最主要的温室气体，过量排放二氧化碳会增加空气中二氧化碳浓度，加重温室效应，对全球气候变化产生不良影响。微藻培养过程中，碳源消耗占原料成本的主要部分，以螺旋藻为例，碳元素占干重47％，碳源成本可以高达原料成本的60％。提高二氧化碳的利用效率，不仅是降低原料成本的有效途径，而且减少二氧化碳向空气中的释放，具有良好的经济效益和环境效益。

                        发明内容

本发明的目的在于提供一种微藻养殖池补充二氧化碳的装置。在充气槽内，二氧化碳经过管道系统通入充气管，经过充气管壁上的微孔进入藻液，形成微小的气泡，二氧化碳气泡在上浮的过程中被藻液吸收。空气经过管道系统通入曝气管，形成气泡进入藻液，在气升原理的作用下，藻液在充气槽和养殖池之间形成循环，吸收了二氧化碳的藻液被源源不断地输送到养殖池中。由于充气槽的深度比养殖池深75cm，二氧化碳充气深度达到80cm，与在养殖池中直接鼓泡充气相比，藻液对二氧化碳的吸收率提高了20％左右，减少了二氧化碳向空气中的排放，既有显著的经济效益，又有良好的环境效益。

本装置适合于跑道式培养池和环形培养池养殖各种微藻时补充二氧化碳。直接在养殖池中鼓泡充二氧化碳，方法简单、易行，但是充气深度小，二氧化碳吸收率偏低。针对这种情况，本发明采用二氧化碳充气槽，有效增加充气深度，提高藻液对二氧化碳的吸收率，利用气升原理，推动藻液在养殖池和充气槽之间循环，将二氧化碳源源不断地补充到藻液中。

本发明的装置、原理、操作和使用效果：

1.本发明的装置：

(1)充气槽主体结构(见图1)

充气槽可以是长方形、正方形、菱形、椭圆形，或根据养殖池的形状和布局决定，充气槽沿长度方向与养殖池平行排列，面积为养殖池面积的1/500，长度和宽度的具体尺寸根据实际需要确定，深度比养殖池深75cm。充气槽被一垂直隔板1从中间位置一分为二，成为充气槽I区2和充气槽II区3，隔板上端与充气槽壁上缘平齐，下端距离槽底20cm，形成充气槽I区2和充气槽II区3的通道。

充气槽主体可以采用钢筋混凝土，或砖和混凝土，或金属，或玻璃钢，或塑料等材料制造。

(2)充气槽与养殖池的连接(见图1)

充气槽紧靠养殖池4，充气槽I区2通过I区通道5与养殖池相连，充气槽II区3通过II区通道6与养殖池相连。通道5、6穿过相邻的充气槽壁和养殖池壁，横截面呈长方形，底边与养殖池底平齐，高度为23-25cm，长度分别略小于充气槽I区2和充气槽II区3长度。充气槽I区2和充气槽II区3的相对位置由养殖池中藻液的流动方向决定，藻液流动先经过的位置为充气槽I区2，后经过的位置为充气槽II区3。

(3)充气管支架

充气管支架17水平放置于充气槽II区3底部，可以是长方形、正方形、菱形、椭圆形，或根据充气槽II区3的形状决定，面积略小于充气槽II区3，可以被方便地放入或从充气槽中取出。充气管支架17四角装有4个高度约为10cm的支脚18，支脚18的数量可根据支架的长度适当增加，支脚的高度可根据需要调整。边框和支脚用金属、或塑料或其它材料制成，边框内按一定间距平行排列安放金属条、塑料条或其它材料条，用于固定充气管。

(4)二氧化碳充气管

二氧化碳充气管及其安放见图2。

二氧化碳充气管7呈“S”或“U”形(如图2所示)均匀排布、固定在水平放置的充气管支架17上侧。充气管采用商品微孔橡胶曝气管：内径6.0-10mm，平均孔径100μm或更小。充气管的长度根据下列方法计算：充气槽II区3面积为1m²时，充气管长30米，充气槽II区3面积加大，充气管按比例加长。

(5)空气曝气管

空气曝气管及其安放见图2。

空气曝气管8呈“S”或“U”形(如图2所示)均匀排布、固定在水平放置的充气管支架17下侧。空气曝气管8采用普通塑料软管，内径10mm，管壁上均匀地打出孔径约0.5mm的小孔，孔的密度为10-20个/cm。空气曝气管的长度根据下列方法计算：充气槽II区3面积为1m²时，曝气管长30米，充气槽II区3面积加大，曝气管按比例加长。

(6)二氧化碳供气系统

二氧化碳充气管7与二氧化碳供气系统连接，二氧化碳供气系统由气源、二氧化碳输气管15、二氧化碳压力表9、二氧化碳阀门10、二氧化碳流量计11组成。气源可以是瓶装或罐装的商品二氧化碳，也可以是符合微藻养殖要求的其它来源的二氧化碳，供气压力控制在0.5公斤/平方厘米左右，流量根据需要进行调整。

(7)空气供气系统

空气曝气管8与空气供气系统连接，空气供气系统由气源、空气输气管16、空气压力表12、空气阀门13、空气流量计14组成。采用空气压缩机供应压缩空气，空气供气压力控制在0.2公斤/平方厘米左右。空气流量根据需要进行调整。

2.工作原理(见图1)

(1)增加充气深度，提高二氧化碳的吸收率

跑道式培养池养殖微藻，培养液深度一般15-20cm，将通气管直接铺设在池底，充气深度大约为12-17cm，平均约15cm，二氧化碳气泡很快浮出液面，释放到空气中。利用充气槽充二氧化碳，充气深度达到80cm左右，二氧化碳通过微孔橡胶管壁的微孔进入藻液，形成微小的气泡，气泡在缓缓上升的过程中被藻液吸收，提高藻液对二氧化碳的吸收率。

(2)气升循环藻液，输送二氧化碳

空气曝气产生的气升作用，拖动充气槽II区3藻液向上流动，经过上端的通道进入养殖池，养殖池中的藻液由充气槽I区2通道进入充气槽，在充气槽I区2向下流动，经过隔板下的通道进入充气槽II区3，形成循环。藻液在养殖池和充气槽之间循环是由空气曝气产生的气升作用推动的，将藻体受到机械损伤降到最低程度。藻液不断地流经充气槽，二氧化碳就被源源不断地输送到养殖池的藻液中。

3.向微藻养殖池补充二氧化碳的具体操作

二氧化碳压力和流量的控制：压力控制在0.5kg/cm²左右；流量根据充气槽面积决定，充气槽II区面积为1m²时，二氧化碳流量40L/min左右。

空气压力和流量的控制：压力控制在0.2kg/cm²左右；流量根据充气槽面积决定，充气槽II区面积为1m²时，空气流量60L/min左右。

在养殖池藻液循环的情况下，开通充气槽空气曝气开关，调节流量计，使空气流量达到设定数值，藻液在充气槽和养殖池之间进行循环。开通充气槽二氧化碳开关，调节流量计，使二氧化碳流量达到设定数值，藻液在充气槽中吸收二氧化碳，然后循环到养殖池中，二氧化碳被源源不断地补充到藻液中。

藻液吸收二氧化碳后，pH值下降。当藻液pH值降到一定范围，停止充二氧化碳。具体控制pH值在什么范围，根据养殖藻种的生理特性决定。

4.实际使用效果

培养液中的碳酸氢根离子(HCO₃ ^-)和碳酸根离子(CO₃ ^2-)是影响培养液吸收二氧化碳速率的主要化学成分，在其它条件相同的情况下，不同碳源浓度(HCO₃ ^-+CO₃ ^2-)的培养液对二氧化碳的吸收率不同。实际测定碳源浓度分别为4.76mmol/l(相当于0.4g/L NaHCO₃)和95.24mmol/l(相当于8g/L NaHCO₃)的培养基，利用充气槽充二氧化碳与直接在养殖池中充二氧化碳两种情况的二氧化碳吸收率见表1。

表1  在养殖池直接充二氧化碳和充气槽充二氧化碳的吸收率(％)

	碳源浓度
			4.76mmol/l	95.24mmol/
	养殖池充二氧化碳充气槽充二氧化碳	64.2084.62			75.2695.98

在养殖池中直接鼓泡充二氧化碳，藻液对二氧化碳的吸收率为64.20-75.26％，其余24.47-35.80％的二氧化碳没有被藻液吸收，排放到空气中。充气槽充二氧化碳，藻液对二氧化碳的吸收率提高到84.62-95.98％，二氧化碳的浪费减小到4-15.38％，节约二氧化碳18.42-23.12％，具有显著的经济效益，同时，因为减少了二氧化碳向空气中的排放，具有良好的环境效益。

在藻液中的碳源浓度(HCO₃ ^-和CO₃ ^2-的总和)相差20倍的情况下，藻液对二氧化碳的吸收率分别提高了20.24％和20.72％，说明利用充气槽充二氧化碳，适合于各种碳源浓度的藻液，也就适合于各种藻类的培养。

本装置具有以下优点：

1.提高二氧化碳吸收利用率20％左右，也就是减少二氧化碳消耗20％左右，降低微藻养殖的碳源成本，具有显著的经济效益；

2.减少微藻养殖过程中二氧化碳向空气中散发，具有良好的环境效益；

3.利用空气曝气产生的气升作用推动藻液在养殖池和充气槽之间循环，将藻体受到机械损伤降到最低程度；

4.占地面积小(充气槽面积只有养殖池面积的1/500)，装置简单，操作容易；

5.适应范围宽，适合于跑道式和环形培养池养殖各种微藻补充二氧化碳。

                        附图说明

图1一种微藻养殖池补充二氧化碳的装置结构示意图，箭头表示水流方向。

图2一种二氧化碳充气管和空气曝气管的结构示意图。

其中：1-隔板、2-充气槽I区、3-充气槽II区、4-养殖池、5-I区通道、6-II区通道、7-二氧化碳充气管、8-空气曝气管、9-二氧化碳压力表、10-二氧化碳阀门、11-二氧化碳流量计、12-空气压力表、13-空气阀门、14-空气流量计、15-二氧化碳输气管、16-空气输气管、17-充气管支架、18-支脚

                        具体实施方式

下面以1000m²养殖池配套的二氧化碳充气装置为例，结合附图对本发明作进一步详细描述。

养殖池总长66米，宽16米，两端为直径16米的半圆，中间为长方形，池壁高35cm，藻液深度为20cm，藻液总量为200m³。根据图1、图2可知，补充二氧化碳的装置由充气槽、充气管支架、二氧化碳充气管、空气曝气管、二氧化碳供气系统和空气供气系统组成，其结构关系是：

1.充气装置的构造

(1)充气槽主体

充气槽采用砖和混凝土为材料建成，位于养殖池一端半圆的1/4处，紧贴养殖池壁，稍呈弧度，深1.1米，内部宽1米，内部长2.05米，充气槽中装有一块隔板(充气槽被位于中部的一块隔板1隔开)，把充气槽分为充气槽I区2和充气槽II区3，充气槽I区2和充气槽II区3的相对位置由养殖池中藻液的流动方向决定，藻液流动先经过的位置为充气槽I区2，后经过的位置为充气槽II区3。隔板1厚5cm，隔板1下端距离充气槽底20cm，充气槽I区2和充气槽II区3面积均为1m²。充气槽I区通道5和充气槽II区通道6穿过相邻的充气槽壁和养殖池壁，横截面呈长方形，底边与养殖池底平齐，高度为25cm，长度为95cm。该装置由充气槽I区2、充气槽II区3、养殖池4和充气管支架17组成，其特征：紧靠养殖池4，充气槽I区2通过通道5与养殖池4相连，充气槽II区3通过通道6与养殖池相连。通道5、6穿过相邻的充气槽壁和养殖池壁，横截面呈长方形，底边与养殖池底平齐，高度为23-25cm，长度分别略小于充气槽I区2和充气槽II区3长度。充气槽I区2和充气槽II区3的相对位置由养殖池中藻液的流动方向决定，藻液流动先经过的位置为充气槽I区2，后经过的位置为充气槽II区3。

(2)充气管支架

充气管支架17呈正方形，边长95cm，4角各有一个高10cm的支脚18，支脚18与充气管支架17相连，二氧化碳充气管7和空气曝气管8固定在支架17上，充气管支架17水平放置于充气槽II区3底部，边框和支脚18用直径8mm的钢筋制成，边框内平行排列6mm的钢筋，间距10cm。

(3)二氧化碳充气管

二氧化碳充气管7采用商品微孔橡胶曝气管，内径6.5mm，平均孔径80μm，长度30米，呈“S”或“U”形(如图2所示)均匀排布、水平固定在充气管支架17上侧。二氧化碳充气管7一端与二氧化碳输气管15相连，二氧化碳输气管15先后与二氧化碳流量计11、二氧化碳阀门10、二氧化碳压力表9和二氧化碳气源连接。

(4)空气曝气管

空气曝气管8采用塑料软管，长30米，内径10mm，管壁上均匀地打出孔径约0.5mm的小孔，孔的密度为10-20个/cm，呈“S”或“U”形(如图2所示)均匀排布、水平固定在充气管支架17下侧。空气曝气管8一端与空气输气管16相连，空气输气管16先后与空气流量计14、空气阀门13、空气压力表12和空气气源连接。

(5)二氧化碳供气系统

二氧化碳充气管7与二氧化碳供气系统连接，二氧化碳供气系统由气源、压力表9、阀门10、流量计11和输气管15组成。气源采用钢瓶装商品二氧化碳，供气压力控制在0.5公斤/平方厘米左右。输气管15采用金属管。

(6)空气供气系统

空气曝气管8与空气供气系统连接，空气供气系统由气源、压力表12、阀门13、流量计14和输气管16组成。采用空气压缩机供应压缩空气，空气供气压力控制在0.2公斤/平方厘米左右。输气管16采用金属管。

2.向微藻养殖池补充二氧化碳的工作方式

开启养殖池搅拌装置，使藻液在池中循环。充二氧化碳前藻液pH值10.5。开通充气槽空气阀门13，调节空气流量计14，使空气流量达到60L/min，藻液在充气槽和养殖池4之间进行循环。开通充气槽二氧化碳阀门10，调节二氧化碳流量计11，使二氧化碳流量达到40L/min，藻液在充气槽中吸收二氧化碳，然后循环到养殖池中，二氧化碳被源源不断地补充到藻液中。藻液吸收二氧化碳后，pH值下降。pH值降到10.3，关闭二氧化碳阀门，停止充二氧化碳，保持空气曝气，充气槽中的藻液处于持续循环状态，直到养殖池4搅拌装置关闭，藻液停止循环，再关闭充气槽中空气阀门13。

3.藻液对二氧化碳的吸收率

充气前，测得藻液碳源浓度71.43mmol/L(相当于6.0g/L NaHCO₃)，充气后，测得藻液碳源浓度76mmol/L(相当于6.38g/L NaHCO₃)，在充气过程中消耗二氧化碳43.25kg，其中藻液吸收二氧化碳40.22kg，吸收率93％。

Claims (6)

1、一种微藻养殖池补充二氧化碳的装置，它由充气槽I区(2)、充气槽II区(3)、养殖池(4)和充气管支架(17)组成，其特征在于：充气槽靠养殖池(4)，充气槽I区(2)通过I区通道(5)与养殖池(4)相连，充气槽II区(3)通过II区通道(6)与养殖池(4)相连，二氧化碳充气管(7)一端与二氧化碳输气管(15)相连，空气曝气管(8)与空气输气管(16)相连。

2、根据权利要求1所述的一种微藻养殖池补充二氧化碳的装置，其特征是充气槽中装有一块隔板(1)。

3、根据权利要求1所述的一种微藻养殖池补充二氧化碳的装置，其特征在于二氧化碳输气管(15)与二氧化碳流量计(11)、二氧化碳阀门(10)、二氧化碳压力表(9)连接。

4、根据权利要求1所述的一种微藻养殖池补充二氧化碳的装置，其特征在于空气输气管(16)与空气流量计(14)、空气阀门(13)、空气压力表(12)连接。

5、根据权利要求1所述的一种微藻养殖池补充二氧化碳的装置，其特征在于二氧化碳充气管(7)或空气曝气管(8)呈S或U形排布。

6、根据权利要求1所述的一种微藻养殖池补充二氧化碳的装置，其特征在于支脚(18)与充气管支架(17)相连，二氧化碳充气管(7)和空气曝气管(8)固定在充气管支架(17)上，充气管支架(17)水平置于充气槽II区(3)底部。

Images