一种用于微藻培养和采收的一体化装置和微藻培养方法

1.本发明涉及光生物反应器技术领域，尤其涉及一种用于微藻培养和采收的一体化装置和微藻培养方法。


背景技术：

2.光生物反应器作为微藻高密度养殖的重要技术。目前，用于微藻大规模养殖的光生物反应器主要为跑道池光生物反应器和管道式光生物反应器。管道式光生物反应器的优点为微藻生长速率快，有高效固定co2的能力。
3.现有的光生物反应器使用的多为普通电能，不能将光伏充分利用，而且对光生物反应器的监控大多采用人工监控，对于监控的数据无法做到实时回传。
4.另一方面，由于微藻生产需要大水体的培养方式，导致藻液的浓度低、体积大，给保存、运输和使用带来极大困难，现有的微藻采收装置只能做到藻液的简单收集，难以做到实时且智能化的浓缩收集和保存。
5.综上可知，现有的光生物反应器和微藻采收装置均存在一定缺陷，且目前很少有将二者结合实现培养和采收的一体化的装置。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明的目的是提供一种提高产能、实现微藻的规模化和高密度培养的用于微藻培养和采收的一体化装置；本发明的另一目的是提供一种高效可控的微藻培养方法。
7.技术方案：本发明的用于微藻培养和采收的一体化装置，包括微藻培养装置，与微藻培养装置串联的微藻采收装置，用于远程控制微藻培养装置和微藻采收装置的控制系统，以及用于提供电力的光伏发电系统；微藻培养装置包括管道式光生物反应器，与管道式光生物反应器连接用于向其充入co2的co2存储容器，与管道式光生物反应器进液口连通的气泵，与气泵另一端连接的用于排出管道式光生物反应器内过量o2的气体交换桶；微藻采收装置包括用于收集微藻培养装置流出的藻液的导管，与导管连接的微藻浓缩控制箱；微藻浓缩控制箱一侧连有用于接收浓缩藻液的藻液箱，另一侧连有用于接收藻液浓缩后剩余营养液的营养液箱。
8.进一步地，光伏发电系统设在管道式光生物反应器的顶层、底层或附近，光伏发电系统包括光伏发电板和与光伏发电板电连的发电机，光伏发电板采取间隔式铺放。
9.进一步地，控制系统包括用于控制微藻培养装置运行或关闭的第一控制子系统和用于控制微藻采收装置运行或关闭的第一控制子系统，以及与第一控制子系统和第二控制子系统通讯连接的控制终端。
10.进一步地，还包括安装在管道式光生物反应器中用于藻液ph值、温度、溶解氧检测的探头。
11.进一步地，还包括用于调节藻液ph值的ph控制系统和用于在线监测管道式光生物
反应器的进出口co2浓度的co2监测系统。
12.进一步地，管道式光生物反应器中开设有若干端口，所述端口包括洁净水进水端口、营养盐输入端口、co2输入端口、藻种添加端口、取样端口和微藻收取端口中一种或多种。
13.进一步地，还包括安装在管道式光生物反应器外的光照系统，光照系统包括白光、红光、紫光、绿光中任一一种或多种光源。
14.另一方面，本发明提供一种利用上述一体化装置培养微藻的方法，包括以下步骤：
15.(1)启动微藻培养装置，光照系统照射管道式光生物反应器，将微藻接种在管道式光生物反应器中，监测并调节藻液中的co2浓度值、ph值、温度值；
16.(2)微藻在微藻培养装置培养一段时间后，从管道式光生物反应器中流出进入微藻采收装置进行浓缩，浓缩藻液流入藻液箱中，剩余的营养液流入营养液箱中进行重复使用。
17.进一步地，步骤(1)中，检测管道式光生物反应器中进出口的co2浓度值，根据二者的差值选择是否向管道式光生物反应器中充入co2。
18.进一步地，步骤(1)中，ph为9-9.6，温度为18-20℃，光强为2000-20000lux。
19.本发明利用“光伏+”驱动的“管道式光生物反应器-智能采收装备串联培养技术”，其中微藻采收装置使用耐高压、抗污染的有机的卷式超滤膜、平板膜或陶瓷膜，可根据藻的种类调控滤孔孔径，过滤之后的藻液无污染，可循环使用，且根据不同的应用场景选择不同类型的膜或者膜的联用增加了装置的普适性。
20.本发明旨在通过实时监测藻液温度、外界光强、叶绿素荧光参数等变化对微藻生长的影响，从而确定管道式光生物反应器内微藻最佳的采收和补料时间，提高co2存储容器中co2被固定的效率以及串联的微藻采收装置的采收效率。同时，对管道式光生物反应器内的光传输、微藻生长及消耗动力学特性进行研究和探索，在提高微藻生长速率的同时，也为管道式光生物反应器培养工艺的优化与放大、co2存储容器中co2的实时供应、串联的微藻采收装置的及时采收等提供理论指导。针对微藻生产需要大水体的培养方式，导致藻液的浓度低、体积大，给保存、运输和使用带来极大困难，开发针对不同应用场景的微藻采收装置。本发明可实现微藻的规模化、高密度培养，在提高产能的基础上，通过运行一体化装置，进一步评价微藻培养效率与效果，实现整体结构优化调整，更加高效可控。
21.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
22.(1)反应更高效、占地面积小且产量显著增加，将管道式光生物反应器和智能采收装置的优点集于一体；
23.(2)与光伏结合提高光源利用效率，高效提高微藻生物量和co2固定量，便于实现微藻的工厂化应用，从而打造一个碳中和、零排放示范工艺。
附图说明
24.图1为本发明的一体化装置的结构示意图；
25.图2为本发明的微藻培养装置的结构示意图；
26.图3为本发明的微藻采收装置的结构示意图；
27.图4为本发明的光伏发电系统的结构示意图；
28.图5为实施例3中三角褐指藻培养期间藻液平均ph变化；
29.图6为实施例3中三角褐指藻培养期间藻液平均温度变化；
30.图7为实施例3中三角褐指藻培养期间藻液平均光强变化；
31.图8为实施例3中三角褐指藻培养期间干重变化；
32.图9为实施例3中第10天监测结果，(a)为藻液温度随时间变化图，(b)为外界光强随时间变化图；(c)为藻液叶绿素荧光参数随时间变化图；
33.图10为实施例3中第11天监测结果，(a)为藻液温度随时间变化图，(b)为外界光强随时间变化图；(c)为藻液叶绿素荧光参数随时间变化图；
34.图11为实施例3中第12天监测结果，(a)为藻液温度随时间变化图，(b)为外界光强随时间变化图；(c)为藻液叶绿素荧光参数随时间变化图；
35.图12为实施例3中第13天监测结果，(a)为藻液温度随时间变化图，(b)为外界光强随时间变化图；(c)为藻液叶绿素荧光参数随时间变化图；
36.图13为实施例3中第14天监测结果，(a)为藻液温度随时间变化图，(b)为外界光强随时间变化图；(c)为藻液叶绿素荧光参数随时间变化图；
37.图中，1、管道式光生物反应器；2、第一控制子系统；3、气体交换桶；4、气泵；5、co2存储容器；6、第二控制子系统；7、藻液箱；8、导管；9、营养液箱；10、微藻浓缩控制箱；11、发电机；12、光伏发电板；13、控制终端。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
39.实施例1
40.本实施例提供一种用于微藻培养和采收的一体化装置，包括控制系统，分别与控制系统连接的光伏发电系统、微藻培养装置和微藻采收装置，其中微藻培养装置和微藻采收装置串联，且二者的链接件均采用卡扣或接盘，方便拆卸。
41.其中光伏发电系统设在微藻培养装置的顶层，光伏发电系统包括光伏发电板12和与光伏发电板12电连的发电机11，光伏发电系统11的作用是对管道式光生物反应器和微藻采收装置提供电能，光伏发电板12的作用是吸收光能转化为电能。光伏发电板12采取间隔式铺放，使用上述铺放方式可以增加上层的光照面积与光照强度。
42.控制系统包括用于控制微藻培养装置运行或关闭的第一控制子系统2和用于控制微藻采收装置运行或关闭的第二控制子系统6，以及与第一控制子系统2和第二控制子系统6通讯连接的控制终端13。控制终端13配套触摸屏+plc模块，支持数据导出，可远程手机控制开关，检测一体化装置的运行状态。
43.第一控制子系统2和第二控制子系统6可远程手机控制开关，检测运行状态，均包括数据导出系统，用于将实时监测监测的数值进行存储和数据导出。
44.微藻培养装置包括管道式光生物反应器1，与管道式光生物反应器1连接用于向其充入co2的co2存储容器5，与管道式光生物反应器1进液口连通的气泵4，与气泵4另一端连接的用于排出管道式光生物反应器1内过量o2的气体交换桶3；气泵4会实现气液混合，便于藻类对光照和co2的充分利用，气体交换桶3的作用是管道式光生物反应器培养微藻期间会产生o2，防止o2过多造成氧抑制；co2存储容器5为装有co2的钢瓶，其作用是使微藻充分利用
co2，提高其生长速度。
45.培养阶段，藻液从管道式光生物反应器1的出口端流出并流向气体交换桶3，排出过量o2后再进入管道式光生物反应器1中循环，浓缩阶段，藻液从管道式光生物反应器1的出口端流出并流向微藻采收装置。
46.管道式光生物反应器1包括若干跑道池，跑道池内安装有探头，探头的作用是实时监测藻液培养期间生理生化指标的变化，避免对微藻生长期间产生不利影响，探头用于藻液ph值、温度、溶解氧的检测。
47.温控系统、ph控制系统、co2监测系统，温控系统用于在线监测并显示实时温度；ph控制系统包括ph电极和仪表，可通过ph测得的数值，控制蠕动泵补加酸碱液；co2监测系统包括co2传感器，其在线监测管道式光生物反应器1进出口co2浓度，并在管道式光生物反应器1中预留信号输出接口。
48.管道式光生物反应器1中开设有若干端口，所述端口包括洁净水进水端口、营养盐输入端口、co2输入端口、藻种添加端口、取样端口和微藻收取端口中一种或多种。
49.管道式光生物反应器1外安装有光照系统，光照系统为led灯。具体的，管道式光生物反应器的外部安装有led灯，增加微藻生长所需的光源，如白光、红光、紫光、绿光等，构成单一或混合型led光源，增加管道式光生物反应器的光照强度，主要是夜间或阴天使用。光强范围2000-20000lux，在线调控，单套光源独立运行并方便更换。
50.微藻采收装置包括用于收集微藻培养装置流出的藻液的导管8，与导管8连接的微藻浓缩控制箱10；微藻浓缩控制箱10一侧连有用于接收浓缩藻液的藻液箱7，另一侧连有用于接收藻液浓缩后剩余营养液的营养液箱9。
51.藻液箱7作用是储存浓缩的藻液；导管8的作用是将要浓缩的藻液导入浓缩装置；营养液箱9的作用是将浓缩后的营养液收集，用以再培养或者作为养料；微藻浓缩控制箱10的作用是对微藻浓缩一系列的操作进行控制。
52.微藻采收装置中微藻浓缩控制箱10包括内压浓缩和外压浓缩。其中内压浓缩和外压浓缩可以单独运行，也可以一起运行。但是两者的浓缩效率并不相同，其中内压的浓缩效率是明显高于外压浓缩的。浓缩设备随着浓缩藻液的起始浓度的差别，其浓缩时间会发生较大的变化，也就是随着浓缩藻液浓度的升高，其浓缩时间会越来越低。
53.实施例2
54.本实施例提供的一种微藻培养方法，包括以下步骤：
55.(1)启动微藻培养装置，光照系统照射管道式光生物反应器，将微藻接种在管道式光生物反应器中，监测并调节藻液中的co2浓度值、ph值、温度值；
56.先消毒：将管道式光生物反应器和微藻采收装置清洗干净，然后注入自来水用次氯酸钠进行消毒，一定时间后，将反应器内的水放干，自然晾晒1-2天。接种前需要检查探头、气泵、灯管、光伏、等设备是否处于正常运行状态。根据培养基配置养殖微藻所需的培养基。接种前需将各种设备启动，启动过程及运行过程用光伏发电系统供能。接种藻液体积需要按照反应器体积的10％-15％接种量将所养殖微藻的种子液接种到管道式光生物反应器中。
57.检测管道式光生物反应器中进出口的co2浓度值，根据二者的差值选择是否向管道式光生物反应器中充入co2。
58.其中，ph维持在9-9.6，温度维持在18-20℃，光强为2000-20000lux。
59.(2)微藻在微藻培养装置培养一段时间后，从管道式光生物反应器中流出进入微藻采收装置进行浓缩，浓缩藻液流入藻液箱中，剩余的营养液流入营养液箱中进行重复使用，并根据营养液箱中总氮、总磷、氨氮等的变化进行实时补料。
60.将管道式光生物反应器中的微藻培养到一定密度之后通过藻液流出出口流入微藻采收装置，进行微藻浓缩，浓缩过程可以采用内压、外压或者内外压共同操作，根据所需要的藻液浓缩密度调整不同的浓缩方式。浓缩过程中，藻液浓缩后的营养液可以保留，用以再循环培养微藻或者作为养料。对于整个系统，都可以在控制终端进行控制，包括气泵的大小，内外压浓缩开关的打开与关闭，并且整个过程都可以在监控系统下观察到，一旦遇到故障可以及时注意到。
61.实施例3
62.运行实施例1中的用于微藻培养和采收的一体化装置，培养三角褐指藻，具体包括如下步骤：
63.(1)启动微藻培养装置，光照系统照射管道式光生物反应器，将微藻接种在管道式光生物反应器中，三角褐指藻的起始接种量为0.077g/l，监测并调节藻液中的co2浓度值、ph值、温度值，并记录运行期间温度、ph、光强、干重变化，结果如图5-12所示，根据营养液箱中总氮、总磷、氨氮等的变化进行实时补料，在第8天时取出部分藻液，补加相应的培养基，并在第9天进行补料。
64.(2)微藻在微藻培养装置培养14天后，从管道式光生物反应器中流出进入微藻采收装置进行浓缩，浓缩藻液流入藻液箱中，剩余的营养液流入营养液箱中进行重复使用。
65.如图5-7所示，在整个运行过程中，藻液ph值变化平缓，整个培养过程ph基本维持在9-9.6之间；整个培养过程在补料前1-9天温度维持在18℃左右，补料后10-12天出现高温，第13天降雨、第14天多云，温度下降；培养期间平均光强最高可达35000lux
66.图8所示，三角褐指藻前两天生长速率较快；在第6天干重达到最大值0.97g/l，第7天略微下降；在第8天干重下降，是由于取出部分藻液，补加相应的培养基；第9天对整个管道式光生物反应器进行补料；第10天干重有略微上升的趋势，但在10天之后呈略微下降的趋势。可能是第10天之后，气温升高，高温对三角褐指藻的生长产生了抑制，后续管道式光生物反应器运行过程中在气温高的时段对管道进行淋水降温。
67.分别在微藻培养过程中的第10天、第11天、12天、13天和14的全天的藻液温度、光强、藻液叶绿素荧光参数进行监测，结果如图9-13。
68.由图9-13可知，微藻培养第10天中，藻液温度随时间变化呈
‘
s’型曲线，在下午16h达到最大值29.4℃；外界光强随时间变化先增加后减小，在14h达到最大值14450lux；fv/fm随着时间的变化先上升，再下降，最后上升。
69.微藻培养第11天中，藻液温度随时间变化呈
‘
s’型曲线，在下午16h达到最大31.5℃；外界光强随时间变化先增加后减小，在中午12h达到最大值47020lux；fv/fm随着时间的变化先上升，再下降，最后上升。
70.微藻培养第12天中，藻液温度随时间变化呈
‘
s’型曲线，在下午14h达到最大值30.1℃；外界光强随时间变化先增加后减小，在中午12h达到最大值12790lux；fv/fm随时间变化先下降后上升。
71.微藻培养第13天中，藻液温度随时间先上升后下降的趋势，在上午10h达到最大值16℃；外界光强随时间变化先增加后减小，在下午14h达到最大值512lux；fv/fm随时间变化先下降后上升。
72.微藻培养第14天中，藻液温度随时间先上升后下降的趋势，在下午16h达到最大值17.6℃；外界光强随时间变化先增加后减小，在上午10h达到最大值13770lux；fv/fm随时间变化先下降再骤升，最后下降。
73.由以上监测数据可知，在微藻培养第14天后，fv/fm随时间变化先下降再骤升，最后下降，由此判断藻细胞此时生长处于稳定期，可用微藻采收装置对藻液进行采收，采收10％～90％，管道式光生物反应器内余下的藻液作为种子液，继续补料培养，实时通入co2以及监测管道式光生物反应器内各参数的变化，并根据需要进行及时采收。