基于正渗透原理的微藻脱水设备及方法技术

本申请公开了一种基于正渗透原理的藻液脱水设备，包括：多个正渗透装置，每一个包括供应来自藻液供应源的待脱水藻液的藻液供应管道，供应汲取液的汲取液供应管道，和排出至少一部分水分被去除了的藻液的出液管道；使吸收了水分的汲取液浓缩再生的汲取液再生装置；和控制装置，所述控制装置被设计为使得每个正渗透装置的进液操作、正渗透脱水过程以及出液操作连续、不间断地进行，并且，对于进液操作、正渗透脱水过程和出液操作中任一个来说，相邻两个正渗透装置中的后一正渗透装置的相应操作在前一正渗透装置完成该相应操作之后开始。本申请还提供了一种藻类脱水方法以及执行此方法的控制装置，实现了藻类培养、浓缩脱水和产品加工的连续性。

【技术实现步骤摘要】
基于正渗透原理的微藻脱水设备及方法
本申请涉及一种基于正渗透原理的微藻脱水设备及方法，本申请同样适用于其它微生物的浓缩脱水以及其它悬浮态液体的浓缩脱水。根据本申请的微藻脱水设备和方法实现了微藻培养、浓缩脱水和微藻产品加工三个阶段的连续性。
技术介绍
微藻是低等植物，其种类繁多、分布极其广泛，海洋、淡水湖泊等水域均有微藻存在。其特有的化学组成和结构使其成为最有潜力的生物柴油和生物质油的优良原料。化石能源蕴藏量逐渐下降，温室气体排放日益严重，发展微藻生物能源被认为是一种最具前景的替代能源。微藻浓缩脱水是微藻生物能源生产中的关键技术之一。目前在微藻的规模化培养中，微藻的固体含量很低，仅有0.1～0.5％，在微藻的收获到产品开发过程中，需要将藻液浓缩脱水，除去其中的大量水分，这一过程能耗高，制约着微藻生物能源开发的进程。现有的微藻浓缩脱水技术，一般采用浓缩和脱水串联处理的方式，浓缩方法主要有膜过滤法、气浮法和沉淀法，经过浓缩后的藻液中的含水率仍然高达98％以上，需要再进一步做脱水处理。在脱水阶段主要有离心脱水法和机械压滤法，进行进一步脱水可以使藻液中的含水率降到85％左右。离心脱水法和机械压滤、例如螺旋压滤法都会消耗大量能量。离心脱水是利用藻液中微藻与培养液比重不同从而具有不同离心力的原理使微藻和培养液脱离，离心脱水与其它几种技术相比存在的主要问题是能耗过高；机械压滤是通过对藻液施加外加压力，利用压滤机中滤布或筛网具有不同的透过孔径，对藻液中的微藻进行拦截过滤，而水分子由于具有更小的体积，故而通过小孔而进行脱水，机械压滤存在的主要问题是运行密封性低，容易造成污染，滤布或筛网的清洗需要消耗大量的水源，耗水量大。另外，用这两种方法对藻液脱水时也可能要掺入絮凝剂，影响微藻产业附加产品的纯度。为了克服利用上述方法对微藻进行浓缩脱水时出现的问题，比如能耗高，现有技术中研制出一种利用正渗透(ForwardOsmosis，FO)技术进行微藻脱水的方法，但是目前该方法尚处于实验室的试验阶段，不能在大规模微藻培养中实现工业化生产所要求的连续性作业。然而，随着微藻培养技术的不断改进、微藻培养规模的不断扩大，处于不同培养阶段的微藻会连续地输出，这对于微藻的浓缩脱水过程提出更高的要求，希望微藻的浓缩脱水过程能够连续进行，以避免连续不断排出的大量藻液沉积和存放造成的污染或变质，并且使得浓缩后的藻液与后续进一步干燥等加工作业设备能够实现连续性作业。
技术实现思路
本申请的目的是将正渗透技术应用到大规模微生物培养及产业化生产工艺中，实现从微藻培养阶段输出的藻液能够不经过存储而直接进入浓缩脱水阶段、之后直接进入微藻产品加工阶段的连续式一条龙模式。正渗透技术也称为正渗透膜分离技术。正渗透的过程是水从较高水化学势(或较低渗透压)的一侧通过正渗透膜(选择透过性)流向较低水化学势(或较高渗透压)一侧的过程。本过程是不需外加压力做驱动力、而仅仅依靠渗透压驱动的膜分离过程，因而，正渗透膜分离技术最大的优点在于不需要外加压力或者在很低的压力下运行，而且膜污染小、能够持续长时间而不需清洗。具体地，采用正渗透技术所用的正渗透装置主要包括正渗透膜，在正渗透膜的两侧分别放置两种具有不同渗透压的溶液，一种为具有较低渗透压的原料液(Feedsolution)，在本申请中即为待浓缩脱水的藻液，另一种是具有较高渗透压的驱动液(Drawsolution)，在本申请中称为汲取液。利用正渗透膜两侧的渗透压差为驱动力，水自发地从原料液一侧透过正渗透膜到达驱动液一侧。这样，在原料液一侧的藻液中的水分被去除，藻液中微藻的浓度越来越高，达到浓缩的效果；而在正渗透膜的另一侧，汲取液中的水分越来越多。通常来说，需要对驱动液采取一定措施使驱动液保持原有的组成和较高的渗透压，例如调节汲取液(盐水)的浓度，以便能够持续不断地、长时间、高效地吸收渗透来的水分。随着正渗透过程的进行，汲取液中的水分越来越多，为了使汲取液维持在一个恒定的浓度范围内，保证吸水的效率，可对汲取液进行反渗透处理。此外，本领域内已知的任何其它工艺，比如蒸馏，也可以用来维持汲取液浓度。优选地，可以以海盐作为溶质制作汲取液，吸水后的汲取液可作为海藻的培养基，从而使藻液中的水分又回到培养基中。因此，如用海盐作为汲取液的溶质，可不需要浓缩，而直接将海盐汲取液作为海藻的培养基回收利用。在本申请的藻类脱水应用实施例中，采用的汲取液是高浓度盐水或溶质为MgCl2的溶液。然而，汲取液也可以是其他溶质的溶液，例如，溶质可以是NaCl、KCl、Al2(SO4)3、NH4HCO3、葡萄糖、果糖或其它任何适当的溶质中的任一种或者根据特定需要选择多种组合使用。为实现本申请的目的，根据本申请的第一方面，提供了一种基于正渗透原理的藻液脱水设备，包括：一种基于正渗透原理的藻液脱水设备，包括：多个正渗透装置，每个正渗透装置包括将来自藻液供应源的待脱水藻液直接供应到该正渗透装置的藻液供应管道，将用于汲取所述待脱水藻液中的水分的汲取液供应到该正渗透装置的汲取液供应管道，和将所述待脱水藻液中的水分的至少一部分去除之后生成的藻液排出该正渗透装置的出液管道；使吸收了水分的汲取液浓缩再生的汲取液再生装置；和控制装置，所述控制装置被设计为使得每个正渗透装置的进液操作、正渗透脱水过程以及出液操作连续、不间断地进行，并且，对于构成脱水周期的进液操作、正渗透脱水过程和出液操作中任一个来说，相邻两个正渗透装置中的后一正渗透装置的相应操作在前一正渗透装置完成该相应操作的时刻即开始；其中每一个正渗透装置从进液操作开始到出液操作结束的时间构成一个脱水周期。根据一种可选的实施方式，每个正渗透装置包括水分能够透过的正渗透膜，位于所述正渗透膜一侧的藻液容器，以及位于正渗透膜另一侧的汲取液容器，所述藻液容器与所述藻液供应管道连通而被供应所述待脱水藻液，所述汲取液容器与所述汲取液供应管道连通而被供应所述汲取液，并且所述汲取液容器与所述汲取液再生装置连通。根据一种可选的实施方式，每个正渗透装置包括串联连接的多个子正渗透装置，每个子正渗透装置包括水分能够透过的正渗透膜，位于所述正渗透膜一侧的藻液容器，以及位于正渗透膜另一侧的汲取液容器，并且所述藻液脱水设备包括与每个子正渗透装置的汲取液容器连通的多个汲取液再生装置；在每个正渗透装置中，所述多个子正渗透装置中的第一个子正渗透装置的藻液容器与所述藻液供应管道连通而被供应所述待脱水藻液，所述多个子正渗透装置中的最后一个子正渗透装置的藻液容器与该正渗透装置的出液管道连通，并且，相邻两个子正渗透装置串联连接使得前一子正渗透装置的藻液容器被供应到后一子正渗透装置中；并且对每个正渗透装置的进液操作是对该正渗透装置的第一个子正渗透装置的藻液容器进行的进液操作，对每个正渗透装置的出液操作是对该正渗透装置的最后一个子正渗透装置的藻液容器进行的出液操作，每个正渗透装置的正渗透脱水过程是对该正渗透装置的第一个子正渗透装置的进液操作完成之后、对该正渗透装置的最后一个子正渗透装置进行出液操作之前的过程。根据一种可选的实施方式，所述控制装置还被设计成使得，每个正渗透装置的正渗透脱水过程的持续时间与出液操作的持续时间的和略小于或等于其余所有正渗透装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于正渗透原理的藻液脱水设备，包括：多个正渗透装置，每个正渗透装置包括将来自藻液供应源的待脱水藻液直接供应到该正渗透装置的藻液供应管道，将用于汲取所述待脱水藻液中的水分的汲取液供应到该正渗透装置的汲取液供应管道，和将所述待脱水藻液中的水分的至少一部分去除之后生成的藻液排出该正渗透装置的出液管道；使吸收了水分的汲取液浓缩再生的汲取液再生装置；和控制装置，所述控制装置被设计为使得每个正渗透装置的进液操作、正渗透脱水过程以及出液操作连续、不间断地进行，并且，对于进液操作、正渗透脱水过程和出液操作中任一个来说，相邻两个正渗透装置中的后一正渗透装置的相应操作在前一正渗透装置完成该相应操作的即刻开始；其中每一个正渗透装置从进液操作开始到出液操作结束的时间构成一个脱水周期。

【技术特征摘要】
1.一种基于正渗透原理的藻液脱水设备，包括：多个正渗透装置，每个正渗透装置包括将来自藻液供应源的待脱水藻液直接供应到该正渗透装置的藻液供应管道，将用于汲取所述待脱水藻液中的水分的汲取液供应到该正渗透装置的汲取液供应管道，和将所述待脱水藻液中的水分的至少一部分去除之后生成的藻液排出该正渗透装置的出液管道；使吸收了水分的汲取液浓缩再生的汲取液再生装置；和控制装置，所述控制装置被设计为使得每个正渗透装置的进液操作、正渗透脱水过程以及出液操作连续、不间断地进行，并且，对于进液操作、正渗透脱水过程和出液操作中任一个来说，相邻两个正渗透装置中的后一正渗透装置的相应操作在前一正渗透装置完成该相应操作的即刻开始；其中每一个正渗透装置从进液操作开始到出液操作结束的时间构成一个脱水周期。2.根据权利要求1所述的藻液脱水设备，其中，每个正渗透装置包括水分能够透过的正渗透膜，位于所述正渗透膜一侧的藻液容器，以及位于正渗透膜另一侧的汲取液容器，所述藻液容器与所述藻液供应管道连通而被供应所述待脱水藻液，所述汲取液容器与所述汲取液供应管道连通而被供应所述汲取液，并且所述汲取液容器与所述汲取液再生装置连通。3.根据权利要求1所述的藻液脱水设备，其中，每个正渗透装置包括串联连接的多个子正渗透装置，每个子正渗透装置包括水分能够透过的正渗透膜，位于所述正渗透膜一侧的藻液容器，以及位于正渗透膜另一侧的汲取液容器，并且所述藻液脱水设备包括与每个子正渗透装置的汲取液容器连通的多个汲取液再生装置；在每个正渗透装置中，所述多个子正渗透装置中的第一个子正渗透装置的藻液容器与所述藻液供应管道连通而被供应所述待脱水藻液，所述多个子正渗透装置中的最后一个子正渗透装置的藻液容器与该正渗透装置的出液管道连通，并且，相邻两个子正渗透装置串联连接使得前一子正渗透装置的藻液容器被供应到后一子正渗透装置中；并且对每个正渗透装置的进液操作是对该正渗透装置的第一个子正渗透装置的藻液容器进行的进液操作，对每个正渗透装置的出液操作是对该正渗透装置的最后一个子正渗透装置的藻液容器进行的出液操作，每个正渗透装置的正渗透脱水过程是对该正渗透装置的第一个子正渗透装置的进液操作完成之后、对该正渗透装置的最后一个子正渗透装置进行出液操作之前的过程。4.根据权利要求2或3所述的藻液脱水设备，其中，所述控制装置还被设计成使得，每个正渗透装置的正渗透脱水过程的持续时间与出液操作的持续时间的和略小于或等于其余所有正渗透装置的进液操作的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学治，周全，
申请(专利权)人：国家开发投资公司，中国电子工程设计院，
类型：发明
国别省市：北京,11