移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法与装置，包括：薄液层微藻附壁培养装置子系统，用于在培养液中附壁培养微藻，包括藻液池和培养板，培养板用作藻种接种、附壁培养和微藻采收的基板，所述藻液池盛放培养液，培养液的水层深度在1～5cm范围内，形成薄液层；机械翻搅装置子系统，包括机械翻搅组件、移动组件、轨道构件、动力驱动组件和控制组件，通过移动组件在轨道构件上移动带动机械翻搅组件将微藻翻搅悬浮，翻搅后微藻恢复静置条件而逐步向底部沉降，在悬浮和沉降循环中实现附壁培养。上述方法及装置能使藻细胞充分接受环境光照，生长速度快、生长质量好，又有极低动力消耗，装置成本低。

Method and device of attached wall culture of microalgae in thin liquid layer

【技术实现步骤摘要】
移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法与装置
本专利技术涉及微藻培养
，更具体地，涉及一种移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法与装置。
技术介绍
微藻植物结构简单，无根、茎、叶的分化，细胞内有叶绿体，能吸收二氧化碳进行光合作用，释放氧气，自然界中90％的氧气都是藻类植物产生的；同时藻细胞蛋白质含量通常超过50％，有的高达80％。除此之外，微藻还富含多种高价值物质，如多不饱和脂肪酸、类胡萝卜素、维生素及矿物元素。因此，微藻在食品、保健品、化妆品、饵料、饲料、环保及生物能源等诸多方面具有广泛的应用。此外，微藻固碳和微藻处理富含氮/磷废水的潜力也非常巨大。尽管微藻光合作用效率极高，单位面积生物产量高，且最终产物比例也高，例如，蛋白质产率(t/ha/a)玉米：大豆：高蛋白微藻＝1.1：0.7：32；油脂产率(L/ha/a)：油菜：大豆：高油微藻＝1190:446:98500，微藻均高出十倍到数十倍，但目前微藻生产与常规农作物相比，仍然有较高的成本，往往高达数倍到十数倍。目前，用于微藻光自养培养的光生物反应器有敞开式和封闭式两种。敞开式微藻培养系统(跑道池和圆池)存在着结构简单、建造容易、操作方便及运行成本低等优点。但是，敞开式池子存在着较多的缺点：如敞开式池子中藻液深度通常为15～30cm左右，而能充分接受光照的区域(即有效光程)只在藻液的表层，主要在1～3cm深度范围内，大部分的藻细胞处于暗区(光强低于藻细胞生长所需的最低光强)，无法充分地接受光照，导致大部分藻细胞无法进行有效地光合作用而快速生长，为使藻细胞能够均匀受光而需要持续搅拌，外加动力消耗极大，而且由于水体大、藻液浓度低，因此大部分是无效功，动力输运的有效比只有1/5甚至1/20；藻细胞密度较低(通常藻细胞密度＜1.0g/L)，采收成本较高；易受外界环境条件的影响，培养条件难以控制，容易受到原生动物等敌害生物的污染。光程及单位体积光照面积是影响反应器性能的重要因素。一般而言，光程越短及单元体积藻液的光照面积越大，光生物反应器的性能越优，藻细胞的生长速率越快，藻细胞密度越高。所以，与敞开式微藻培养系统相比，封闭式光生物反应器的光程相对较小，具有比光照面积较大，培养条件稳定可控，藻细胞生长速率快及藻细胞密度高等优点。为了适应微藻养殖较短的光径，发展的趋势是减小反应器的直径(管式)或厚度(平板式)，如先进的水平微管式光生物反应器，单玻璃管直径5～6cm，与有效光径基本一致。但在封闭式光生物反应器中较高的藻细胞密度下，光在藻液中的衰减程度增加，一般仅能穿透藻液层1-2cm左右。因此，封闭式光生物反应器的光程仍然过大，在较高藻细胞密度下，部分藻细胞仍处于暗区而受到光限制，造成的藻细胞总体上生长仍然慢。同时在微管的迎光面上有微藻贴壁生长现象，进一步遮挡了光线。而且封闭式光生物反应器的设备投资巨大，管径越小造价越高造成装置成本高。即使封闭式光生物反应器经过数天、数十天培养最终藻细胞密度也只有3～5g/L，有效输运比低，造成动力消耗高，主要表现为电耗很高；同时管径越小阻力消耗越大，小管径增高了阻力，而且流体的摩擦阻力随着管径减小非线性增大，造成电耗更高。也就是说，光在水中的衰减效应导致光在藻液中的有效光程很短，致使单位有效输运量折合装置成本高；同时输运阻力大，动力消耗极大；再加上微藻平均生长速度仍然比较慢，生产效率低；藻密度仍然偏低，采收成本高，上述这些问题是现有微藻培养系统的普遍存在的问题。除了动力水体输运外还有人提出了干脆不作输运，如半干贴壁培养系统，如刘天中等申请的“一种用于微藻工业化生产的半干固态培养方法”(CN102373156B)。简单来说，该方法首先将微藻细胞接种于固态材料，并通过补充少量水溶液使细胞群体保持湿润；在光照条件下，向细胞群添加无机碳源，使得微藻细胞的生长与代谢；最后直接采收浓藻泥。这个方法，光的传导无需经过较长的水体，光程短、光能传输损耗大为减少；无需人工动力输运；装置简单，造价低；同时，可直接采收浓藻泥，采收成本低。据报道，微藻细胞培养效率和单位面积产率是常规方法的5～10倍。但是，该方法任何时间只有群体最顶层藻细胞光照充足，营养组分吸收良好，细胞分裂、生长旺盛，大部分的藻细胞光照严重不足，甚至被完全遮挡；同时由于没有充分的水体作为各种营养物质(包括CO2、无机盐)的溶剂和传递介质，也没有水体作为调控环境的缓冲体系来稳定培养液pH、温度、渗透压等环境参数，各种营养要素供应不足。光照充分性自上而下，营养传递自下而上，构成严重反差。因此虽然生物产量大，但绝大部分藻细胞生长不足、品质差、高价值营养物质比例少；也不能避免细菌、真菌及原生动物污染和外界其他污染。因此，上述养殖方法也没能够成为主流方法。综上所述，微藻生长需要三个基本条件：需在水体中养殖；需足够的阳光；需充分的营养。但在水体静置后微藻会很快沉降，若无动力搅拌底层的微藻便不能受光，而一般绿色植物通过枝叶伸展增加受光面积，通过根系吸收营养，水和营养通过根系与维管系统自然输运，虽然光合作用效率低、最终产物比例小，但作为农作物仍然降低了成本。所以，目前微藻养殖成本高的主要问题在于动力输运式搅拌，包括：第一，光在水中的衰减效应导致光在藻液中的有效光程很短(仅有1～6厘米，视光照条件和藻密度有所不同)，这就造成大养殖水体中大部分微藻没有进行有效的光合作用。第二，为使藻细胞能够均匀受光而需要持续搅拌，外加动力消耗极大，由于水体大、藻液浓度低，因此大部分是无效功。如果采用相对小水体养殖，则如上述对微管系统分析的那样，装置成本高，阻力大继而电耗高。第三，藻细胞密度较低造成较高的采收成本。其中，上述绝大部分的搅拌都是通过使用机械动力输运水体方式，只有个别采用气升式(因综合效果差基本已无产业化应用)。此外，各种污染物的侵害会破坏微藻的正常生长。主要是原生动物、真菌、昆虫等敌害生物和尘土对敞开式系统的微藻培养侵害较大。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术提供一种结构简单、在微藻光自养培养过程中降低藻液深度，增加藻液受光面积，既能使藻细胞充分接受空间光照，生长速度快、生长质量好，又有极低动力消耗，装置成本低，采收成本低的高密度、高质量和高效率培养的移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养方法与装置。根据本专利技术的一方面，提供一种移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养装置，包括：薄液层微藻附壁培养装置子系统，用于在培养液中附壁培养微藻，包括藻液池和培养板，培养板用作藻种接种、附壁培养和微藻采收的基板，所述藻液池盛放培养液，所述培养液的水层深度在1～5cm范围内，形成薄液层；机械翻搅装置子系统，包括机械翻搅组件、移动组件、轨道构件、动力驱动组件和控制组件，通过移动组件在轨道构件上移动带动机械翻搅组件将微藻翻搅悬浮，翻搅后微藻恢复静置条件而逐步向底部沉降，在悬浮和沉降循环中实现附壁培养。在一个实施例中，还包括：微藻培养辅助子系统，包括微藻的接种装置、用于藻液浓缩和采收的过滤排水装置、用于藻液池遮挡和封闭的遮蔽装置、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养装置，其特征在于，包括：/n薄液层微藻附壁培养装置子系统，用于在培养液中附壁培养微藻，包括藻液池和培养板，培养板用作藻种接种、附壁培养和微藻采收的基板，所述藻液池盛放培养液，所述培养液的水层深度在1～5cm范围内，形成薄液层；/n机械翻搅装置子系统，包括机械翻搅组件、移动组件、轨道构件、动力驱动组件和控制组件，通过移动组件在轨道构件上移动带动机械翻搅组件将微藻翻搅悬浮，翻搅后微藻恢复静置条件而逐步向底部沉降，在悬浮和沉降循环中实现附壁培养。/n

【技术特征摘要】
1.一种移动式机械翻搅薄液层微藻附壁培养装置，其特征在于，包括：
薄液层微藻附壁培养装置子系统，用于在培养液中附壁培养微藻，包括藻液池和培养板，培养板用作藻种接种、附壁培养和微藻采收的基板，所述藻液池盛放培养液，所述培养液的水层深度在1～5cm范围内，形成薄液层；
机械翻搅装置子系统，包括机械翻搅组件、移动组件、轨道构件、动力驱动组件和控制组件，通过移动组件在轨道构件上移动带动机械翻搅组件将微藻翻搅悬浮，翻搅后微藻恢复静置条件而逐步向底部沉降，在悬浮和沉降循环中实现附壁培养。


2.根据权利要求1所述的微藻附壁培养装置，其特征在于，还包括：
微藻培养辅助子系统，包括微藻接种的接种装置、用于藻液浓缩和采收的过滤排水装置、用于藻液池遮挡和封闭的遮蔽装置、用于藻液池通风和补气的风机装置、用于藻液池降温和加温的水雾化装置、用于藻液池清洗和消毒的清洁装置、用于培养剩余液处理和回收使用的净化装置以及用于藻液或/和培养液测量和检验的检测装置。


3.根据权利要求1所述的微藻附壁培养装置，其特征在于，所述机械翻搅组件包括旋转叶片翻搅组件和固定叶片翻搅组件中的一种或两种，所述旋转叶片组件包括轴，轴上安装有叶片组，轴的转动带动叶片组的叶片旋转，实现对藻液池内微藻的翻转形式的搅动，所述固定叶片翻搅组件包括轴和固定在轴上的叶片组，叶片组的叶片呈上小下大的铲形或上下大小一致的直条形，轴和轴上的叶片组通过移动组件带动实现对藻液池内微藻的平推形式的搅动。


4.根据权利要求1所述的微藻附壁培养装置，其特征在于，所述藻液池为直道式藻液池，包括长宽比大于5的直池道；或者所述藻液池为跑道式藻液池，包括两个长宽比大于5的直池道和端头两个回转道；或者所述藻液池为圆池。


5.根据权利要求1所述的微藻附壁培养装置，其特征在于，所述藻液池构筑物材料包括混凝土、玻璃、有机玻璃、钢、铝合金、塑料、木材、防水橡胶布和玻纤板中的一种或多种；
所述培养板分为独立装卸式和直接利用藻液池构筑物底板两种，其中独立装卸式培养板通过安装构件将培养板固定在藻液池上；独立装卸式培养板材料选自玻璃、有机玻璃、钢、铝合金、塑料、防水橡胶布、高分子纤维织物材料中的一种或几种。


6.根据权利要求1所述的微藻附壁培养装置，其特征在于，所述轨道构件包括导轨、齿条和链条中的一种或多种，所述移动组件包括自驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旭阳，
申请(专利权)人：孙旭阳，
类型：发明
国别省市：浙江;33