微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO₂补充的通气装置的制作方法

专利名称：微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO₂补充的通气装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于微藻养殖系统的二氧化碳补充装置，特别涉及一种用于微藻养殖系统的通过PH值反馈控制二氧化碳补充的通气装置。
背景技术：
微藻进行光合自养时，通过吸收水体中的CO2进行光合作用合成有机物。空气中CO2浓度很低(约占空气的0.04%),溶解在水中的浓度就更低。微藻培养过程中，碳源消耗占原料成本的绝大部分，以螺旋藻为例，碳源成本可高达原料成本的60%。无机碳的供应不足会极大地限制藻细胞生物量和含碳化合物(油脂、淀粉)的合成和积累。据报道，螺旋藻从空气中吸收CO2的速率大概为0.04mmol/m2.min，仅能提供2.5g/m2.d的生物量面积产率所需的碳源。适量添加NaHCO3或提高空气中CO2浓度可以促进藻细胞生物量和含碳化合物的合成。微藻光合生长导致PH升高，对于碳酸氢盐的利用受藻液pH值的制约。当pH值低于11.0，碳酸氢根的利用率低于45% ;当碳酸氢盐浓度过高时，电离出的碳酸根离子会和海水中的大量存在的Ca2+和Mg2+结合，形成CaCO3和MgCO3沉淀，藻细胞生长出现挂壁现象。CO2作为碳源要优于碳酸氢盐，微藻对溶解在水中的CO2的利用受pH值的限制较小，几乎可以100%被微藻吸收利用。然而,在微藻养殖过程中，通入藻液中的CO2往往因为气量过大，CO2不能迅速溶解在藻液中，使得一部分CO2逃逸到空气中造成浪费，也会导致培养基过度酸化，严重抑制微藻的生长；CO2通气量小，又达不到补充碳源的效果，无法维持稳定的pH值。因此，向藻液中补充CO2时，如何控制通气速率、气泡大小，尤其是如何同时维持藻液的PH值稳定就显得非常重要。由此可见，精确控制CO2通入，不仅可以提高微藻对CO2的利用率、减少CO2损失，也可以精确控制藻液的pH，有效降低养殖成本，对于稳定、高效培养微藻意义重大。
发明内容为弥补现有CO2补充技术的不足，本实用新型提供一种微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的新型通气装置，其具有结构简单、操作简便的特点，不仅可向养殖系统内补充满足微藻养殖所需的CO2,还可有效、精确的控制养殖容器内藻液pH值在最适点，有助于提高藻液中微藻细胞密度，有效降低微藻养殖成本。为实现本实用新型的目的，所提供的技术方案如下:一种微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，包括一 CO2储气罐，及一通气管道，通气管道的一端与CO2储气罐相连，通气管道的另一端伸入到微藻养殖容器内的藻液中，还包括一可设定PH阈值的pH控制器，所述pH控制器具有一浸没于养殖容器内藻液中的PH电极，所述pH控制器通过所述pH电极检测藻液pH值，并将测得的pH值与PH控制器所设定的pH阈值相比较，形成pH阈值比较信号；及一设于所述通气管道上的电磁阀，所述电磁阀具有一可使所述通气管道的气路通断的控制阀，所述电磁阀与所述PH控制器电连接并可接收PH控制器的pH阈值比较信号，电磁阀根据所接收的pH阈值比较信号控制所述控制阀。进一步的，在通气管道上设有用于调节气流大小的调气阀和防止藻液倒吸的止逆阀。进一步的，通气管道伸入养殖容器内藻液中的一端连接有若干个气体雾化器，从而使二氧化碳以极细小的气泡均匀输入到藻液中，使其更好的溶解于藻液中，提高CO2溶解效率。优选的，所述气体雾化器为微孔陶瓷气石。优选的，所述气体雾化器固定于养殖容器底部，这样不仅增加了通气的深度和气泡停留时间，而且可进一步提高CO2在藻液中的溶解程度。进一步优选的气体雾化器的设置方式为:通气管道伸入养殖容器藻液中的一端连接有若干通气支管，每根通气支管上设有气体雾化器、用于调节气体雾化器出气量的调气阀及防止藻液倒吸的止逆阀。这样可使藻液中CO2的输入更易调控，而且可针对每根支管上的气体雾化器进行出气量调节，使气体雾化器的出气量更均匀，同时还可使CO2在养殖池底部形成极细的气雾且刚好不浮出水面并迅速扩散，使CO2更好的溶解于藻液中。进一步设置止逆阀可防止藻液倒吸，避免由此造成的通气故障。进一步的，微藻养殖系统内还设有至少一个可推动或搅动藻液使藻液在养殖容器内循环流动的动力装置，从而使CO2能够随着水流方向快速与藻液混合，提高CO2的溶解率。进一步的，通气管道伸入养殖容器内藻液中的一端连接有若干气体雾化器，在藻液做水平循环流动的微藻养殖容器中，沿着藻液流动的方向，所述气体雾化器设置于藻液流动方向的下游，PH控制器的pH电极设置于藻液流动方向的上游；在藻液做垂直循环流动的微藻养殖容器中，pH电极和气体雾化器并列放置在养殖容器底部。这样确保pH控制器所检测到的PH值为混合均匀后的藻液pH值，更准确的反应出实际的pH值，从而保证电磁阀的控制阀可更精确地被启动或关闭，避免出现误操作。本实用新型提供的微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，具有如下有益效果:1、本实用新型提供的微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，具有结构简单、操作简便的特点，同时可向养殖容器内补充满足微藻养殖所需的CO2，而且还可有效、精确地将养殖容器内藻液pH值控制在最适点，大大提高了藻液中微藻细胞密度，有效降低了养殖成本。2、采用本实用新型提供的微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，有助于大大提高养殖池内微藻的生物量和细胞密度，同时还有助于显著提高所培养微藻中的有机碳化合物(如脂肪酸)含量。

图1:微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置结构示意图；图2:本实用新型提供的通气装置在跑道池中的应用，图2为跑道池俯视示意图(气体雾化器位于藻液流动方向下游，PH电极位于藻液流动方向上游。)图3:为图2中跑道池局部剖面示意图图4:本实用新型提供的通气装置在圆池中应用的俯视示意图(气体雾化器位于藻液流动方向下游，PH电极位于藻液流动方向上游。)附图中的标记说明:1、养殖容器；2、CO2储气罐；3、罐压表；4、减压阀；5、气压表；6电磁阀；7、主管道调气阀；8、通气主管道；9、通气支管道；10、支管道调气阀；11、止逆阀；12、气体雾化器；13、pH控制器;1301、pH电极；14、动力装置。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步说明:参见附图1-2，一种微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，包括一 CO2储气罐2，及一通气管道，通气管道的一端与CO2储气罐相连，通气管道的另一端伸入微藻养殖容器内的藻液中，所述通气管道用于将CO2储气罐中的CO2输送至养殖容器内的藻液中。具体的，所述的通气管道可由通气主管道8和与通气主管道8连通的若干伸入到藻液中的通气支管道9组成。该通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置还包括一可设定pH阈值的pH控制器13,该pH控制器具有一浸没于养殖容器内藻液中的pH电极1301。该pH电极还可带有一温度探头，用于检测藻液中的温度进行pH测量的温度补偿。pH控制器13通过pH电极检测养殖容器内的藻液pH值，并将测得的藻液pH值与pH控制器所设定的pH阈值相比较，并形成PH阈值比较信号。该通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置还具有一设于通气主管道8上的电磁阀(电磁继电器)6，所述电磁阀具有一可使通气管道的气路通断的控制阀。电磁阀6的电源与pH控制器13连接且电磁阀6可接收pH控制器13的pH阈值比较信号，电磁阀根据所接收的PH阈值比较信号进行控制阀的开、关。当pH控制器检测到的PH值低于所设定的pH阈值时，所形成的pH阈值比较信号为信号A，电磁阀接收到该信号A并关闭控制阀，使通气管道的气流被阻断，从而使CO2储气罐中的气体不能输入到养殖容器内。当pH控制器检测到的pH值高于所设定的pH阈值时，所形成的pH阈值比较信号为信号B，电磁阀接收到该信号B并开启控制阀，使通气管道内的气流顺畅流通，从而使CO2储气罐中的气体可顺畅的输入到养殖容器内。作为一种优选，pH控制器优选为工业pH控制器，pH电极优选为工业pH电极。所提供的通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，在通气主管道8上还设有用于调节气流大小的主管道调气阀7。在通气管道伸入养殖容器内藻液中的一端还连接有若干个气体雾化器，具体的，可选用微孔陶瓷气石作为气体雾化器。作为一种优选，将气体雾化器固定于养殖容器底部，从而保证通气的深度。进一步的，气体雾化器可以这样设置，即，在通气主管道8的一端连接若干伸入养殖容器内藻液中的通气支管道9，每个支管道上都设有气体雾化器12、用于调节气体雾化器出气量的支管调气阀10及用于防止藻液倒吸的止逆阀11。这样可使藻液中的CO2输入更均匀，而且可针对每根支管上的气体雾化器进行出气量调节，同时还可使CO2在养殖池底部形成极细气雾且刚好不浮出水面，使CO2更好的溶解于藻液中。参见图2、图3，及图4，为了使CO2能够更为均匀的与藻液混合，提高CO2的溶解率，在养殖容器内还设有至少一个用于推动(也可以是搅动的方式)藻液使藻液在养殖容器内循环流动的动力装置14。具体的，例如在平板式和圆柱式光生物反应器中该动力装置为鼓充空气的气体分布器，在管道式光生物反应器中，该动力装置为水泵；在跑道池和圆池中该动力装置为电机驱动的桨板。为了使PH控制器13所检测到的pH值更准确地反应出实际的藻液pH值，在藻液做水平循环流动的微藻养殖容器中，沿着藻液流动的方向(参见图2、图3，及图4)，所述气体雾化器设置于藻液流动方向的下游，pH控制器的pH电极设置于藻液流动方向的上游；而在藻液做垂直循环流动的微藻养殖容器中，PH电极和气体雾化器优选为并列放置在养殖容器底部。本实用新型提供的微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置可应用于各种微藻培养系统，如:平板式、圆柱式、管道式光生物反应器，跑道池，圆池等，其中图2和图4分别示出的是本实用新型提供的通气装置在跑道池和圆池中的应用。下面以本实用新型所提供的微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置在微藻养殖中的具体应用为例，对本实用新型的技术方案作更为详细的介绍。参照图1及图2，安装好通气装置的各部件。在养殖容器I中预先配制好培养基，然后向其中倒入微藻种液，藻液深度应高于气体雾化器表面至少3cm以上。对pH电极1301进行校正，并设定PH阈值。拧松CO2储气罐的减压阀4及主管道调气阀7，直至罐压表3、气压表5的示数在0.1 — 0.5MPa之间。然后调节支管调气阀10，使气体雾化器12的CO2出气量保持均匀，并使产生的极细气雾刚好不浮出水面。之后开启动力装置，调节水流速度在0.25 I米/秒。待上述准备工作完成后，通气装置即开始运行。pH控制器13对藻液的pH值进行检测，并将测得的藻液PH值与所设定的pH阈值比较，当藻液pH值低于所设定的pH阈值时，形成信号A，pH控制器13将该信号A传送到电磁阀6，电磁阀6根据所接收到的信号A关闭控制阀，从而使通气管道内的CO2气流被阻断；当藻液pH值高于设定的阈值时，形成信号B，pH控制器将该信号B传送给电磁阀，电磁阀根据所接收到的信号B打开控制阀，从而使通气管道内的CO2气流可顺畅的输送至养殖池内，向藻液补充co2。与不采用本实用新型的通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置进行微藻培养相t匕，利用本装置进行微藻培养，可大大提高CO2溶解和利用效率，使藻液PH值稳定在设定pH阈值的±0.1范围内，所培养的微藻生物量提高1-2倍，所获得的每克冻干藻粉中脂肪酸总量也提高了 20-35%。以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例，应当理解为，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，均包括在由本实用新型所确定的保护范围之中。
权利要求1.一种微藻养殖系统中通过PH值反馈控制CO2补充的通气装置，包括一 CO2储气罐，及一通气管道，通气管道的一端与CO2储气罐相连，通气管道的另一端伸入到微藻养殖容器内的藻液中，其特征在于，还包括 一可设定PH阈值的pH控制器，所述pH控制器具有一浸没于养殖容器内藻液中的pH电极，所述PH控制器通过所述pH电极检测藻液pH值，并将测得的pH值与pH控制器所设定的pH阈值相比较,形成pH阈值比较信号；及 一设于所述通气管道上的电磁阀，所述电磁阀具有一可使所述通气管道的气路通断的控制阀，所述电磁阀与所述PH控制器电连接并可接收pH控制器的pH阈值比较信号，电磁阀根据所接收的PH阈值比较信号控制所述控制阀。
2.根据权利要求1所述的微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，其特征在于，在通气管道上设有用于调节气流大小的调气阀和防止藻液倒吸的止逆阀。
3.根据权利要求1所述的微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，其特征在于，通气管道伸入养殖容器内藻液中的一端连接有若干个气体雾化器。
4.根据权利要求3所述的微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，其特征在于，所述气体雾化器为微孔陶瓷气石。
5.根据权利要求3所述的微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，其特征在于，所述气体雾化器固定于养殖容器底部。
6.根据权利要求1所述的微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，其特征在于，通气管道伸入养殖容器藻液中的一端连接有若干通气支管，每根通气支管上设有气体雾化器、用于调节气体雾化器出气量的调气阀及防止藻液倒吸的止逆阀。
7.根据权利要求1-6任一项所述的微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，其特征在于，微藻养殖系统内还设有至少一个可推动或搅动藻液使藻液在养殖容器内循环流动的动力装置。
8.根据权利要求7所述的微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，其特征在于，通气管道伸入养殖容器内藻液中的一端连接有若干气体雾化器，在藻液做水平循环流动的微藻养殖容器中，沿着藻液流动的方向，所述气体雾化器设置于藻液流动方向的下游，pH控制器的pH电极设置于藻液流动方向的上游；在藻液做垂直循环流动的微藻养殖容器中，PH电极和气体雾化器并列放置在养殖容器底部。
专利摘要本实用新型提供一种微藻养殖系统中通过pH值反馈控制CO2补充的通气装置，包括一CO2储气罐，及一通气管道，通气管道的一端与CO2储气罐相连，通气管道的另一端伸入到微藻养殖容器内的藻液中，还包括一可设定pH阈值的pH控制器，所述pH控制器通过pH电极检测藻液pH值，并将测得的pH值与pH阈值相比较，形成pH阈值比较信号；及一设于通气管道上的电磁阀，所述电磁阀具有一可使所述通气管道的气路通断的控制阀，所述电磁阀与所述pH控制器电连接并可接收pH控制器的pH阈值比较信号，电磁阀根据所接收的pH阈值比较信号控制所述控制阀。该装置可向养殖系统内补充满足微藻养殖所需的CO2，有助于提高藻液中微藻细胞密度。
文档编号C12M1/04GK203034019SQ20132002449
公开日2013年7月3日 申请日期2013年1月17日 优先权日2013年1月17日
发明者魏东, 杨智, 俞建中 申请人:华南理工大学