專利名稱：兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
' 一種兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置，屬于藻類生物技術(shù)領(lǐng)域，涉 及一種可生產(chǎn)高生物質(zhì)產(chǎn)量和高生物質(zhì)含量的海藻，并可以連續(xù)進行海藻培養(yǎng) 的管道式光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置。
背景技術(shù)：
隨著全球經(jīng)濟快速發(fā)展，全世界范圍內(nèi)能源消耗量日益增加，而傳統(tǒng)能源 的資源十分有限，生物質(zhì)能源作為一種替代能源越來越受到人們關(guān)注。研究表
明，很多海藻含油量都在20。％ 50%,某些藻類(干質(zhì)量)的含油量可達到77%， 用海藻生產(chǎn)生物柴油可超過地面油料作物的30倍以上(與單位面積的土地相 比)。由于藻類生長是利用二氧化碳作為碳源，藻類在生長過程中可以大量消 耗工廠鍋爐廢氣中的二氧化碳，藻類提取海藻油后的剩余物富含脂肪和蛋白質(zhì)， 還可作為動物飼料。因此，利用工業(yè)化藻類生產(chǎn)裝置，獲得大規(guī)模生產(chǎn)生物柴 油所需要的藻類原料，是目前各國科學家公認解決能源替代的最終方案。
氮是構(gòu)成植物蛋白質(zhì)的主要成分，對植物生長發(fā)育有重要作用，是與產(chǎn)量 最密切的營養(yǎng)元素之一。研究發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)液中氮源濃度對藻類生長和脂質(zhì)含量 有較大的影響，提高氮源濃度能促進藻類生長增加蛋白質(zhì)和碳水化合物的增加， 降低氮源濃度能促進藻類體內(nèi)的脂質(zhì)含量提高。在氮源缺乏的條件下，可使葡 萄藻的干重、葉綠素和蛋白質(zhì)含量明顯下降，但是類胡蘿卜素、碳氫化合物和 ,^類增加，氮饑餓可使脂質(zhì)的含量增加1.6倍。通過延長藻細胞在缺氮狀態(tài)下 的培養(yǎng)時間，使得藻細胞的甘油三酯含量提高，可獲得脂質(zhì)含 較高的液體產(chǎn)物。對小球藻油脂富集培養(yǎng)研究也證實，添加氮源的小球藻平均生長速率均大 于不添加氮源的藻液，而在不添加氮源的情況下，海藻的油脂含量均最大，且
達到了 45%。改變藻類脂質(zhì)代謝的自然機制是因為缺乏氮源而產(chǎn)生的應(yīng)急反應(yīng)， 雖然缺乏氮會抑制藻類細胞生長周期和幾乎所有細胞成分的生成，卻使得氮饑 餓的藻類在細胞中積累脂類化合物，脂質(zhì)合成的比例仍然很高。
藻類細胞積累油脂的多少與培養(yǎng)條件密切相關(guān)，碳源充足而其他營養(yǎng)成分 缺乏是高產(chǎn)油脂的一個關(guān)鍵因素。藻類生產(chǎn)脂質(zhì)可分為兩個階段，即藻類蛋白 質(zhì)和碳水化合物增殖期和脂質(zhì)積累期，兩階段碳氮比要求不同。氮源的作用是 促進細胞生長，因此培養(yǎng)前期要求低碳氮比，可以獲取大量海藻，產(chǎn)油階段要 求高碳氮比，使海藻積累更多脂肪。
現(xiàn)在各國海藻生物柴油公司采用的封閉式管道光生物反應(yīng)器，生產(chǎn)直接用 于制取海藻油的海藻， 一方面為促進海藻生長獲得高產(chǎn)，需要增加光生物反應(yīng) 器藻液中的氮源濃度；另一方面為提高海藻細胞含油量，又需要降低藻液中的 氮源濃度，迫使海藻在氮饑餓的狀態(tài)下將細胞體內(nèi)更多的蛋白質(zhì)和碳水化合物 轉(zhuǎn)換為脂質(zhì)，這樣要一個光生物反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)液同時滿足這兩種相異的要求 就存在矛盾。
為解決光生物反應(yīng)器中海藻生長和富集脂質(zhì)的兩個矛盾，美國有研究者提 出了將光生物反應(yīng)器分為兩部分，分別得到不同的海藻生物質(zhì)成分含量的培養(yǎng) 方案。美國Ramus, Jos印h, S. 1980年獲得授權(quán)的"Algae， biopolymer production"專利(專利號4236349)，其原理是將海藻培養(yǎng)分為兩個階段， 第一階段培養(yǎng)的海藻在第一個光生物反應(yīng)器內(nèi)完成，在這個光生物反應(yīng)器中會 不斷地供應(yīng)含氮營養(yǎng)物質(zhì)，以提高海藻生物質(zhì)產(chǎn)量。海藻達到收獲密度后，光 生物反應(yīng)器中一部分的海藻會轉(zhuǎn)換到第二階段繼續(xù)培養(yǎng)，在第二階段的光生物反應(yīng)器中，通過增大光生物反應(yīng)器的受光面積和受光量(太陽光或人工照明)， 使海藻加快生長速度而大量消耗藻液中的氮元素，從而制造一個缺氮的環(huán)境使 海藻進入衰老階段，這樣可以增加海藻細胞高聚合物的產(chǎn)量。由第一階段光生 物反應(yīng)器中抽取的海藻傳輸給第二階段的個光生物反應(yīng)器，這樣在第一階段光 生物反應(yīng)器中培養(yǎng)的海藻，就會在第二階段光生物反應(yīng)器內(nèi)生產(chǎn)脂質(zhì)含量較高 的生物聚合物。
采用專利號4236349等專利原理培養(yǎng)海藻存在不足之處是第一階段的光 生物反應(yīng)器培養(yǎng)的海藻送入第二階段的光生物反應(yīng)器，是通過增大光生物反應(yīng) 器受光面積(改變反應(yīng)器結(jié)構(gòu)或增大反應(yīng)器表面積)和受光量(包括增加人工 照明)的辦法，使培養(yǎng)的海藻比第一階段培養(yǎng)的海藻細胞內(nèi)脂質(zhì)含量更高。由 于進入第二階段光生物反應(yīng)器的藻液未經(jīng)過濾器的過濾分離，藻液中海藻密度 和藻液所含氮源濃度和第一階段的光生物反應(yīng)器相同，雖然增大了第二階段光 生物反應(yīng)器的單位面積的受光量，海藻生長速度加快，但是海藻消耗藻液中氮 源需要一個較長的時間過程，因此降低了海藻細胞脂質(zhì)轉(zhuǎn)化的效率和生產(chǎn)效率。
現(xiàn)在的常規(guī)辦法只能采用控制光生物反應(yīng)器培養(yǎng)液中氮元素的濃度，平衡 生長和轉(zhuǎn)化兩方面的需求，其結(jié)果是海藻在生長階段的蛋白質(zhì)含量和轉(zhuǎn)化階段 的脂質(zhì)含量都不能達到最高值，嚴重影響了產(chǎn)量和質(zhì)量。此外，需要在同一光 生物反應(yīng)器管道內(nèi)調(diào)節(jié)海藻培養(yǎng)液中的氮元素平衡濃度，其控制技術(shù)難度和實 際操作技術(shù)的難度也很高，難于在工業(yè)化生產(chǎn)中的實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置，使培 養(yǎng)的海藻分別在兩種不同藻液的反應(yīng)器中進行生長，第一階段的光生物反應(yīng)器 培養(yǎng)的海藻在含氮源極高的濃度中，蛋白質(zhì)含量極快積累，提高海藻的產(chǎn)量；第二階段經(jīng)過濾器的過濾分離，使海藻脫離原含氮源極高濃度的藻液，進入脂 質(zhì)含量進行高度轉(zhuǎn)換的過程，并且迅速提高獲得富含脂質(zhì)高產(chǎn)量海藻的效率， 從而獲得脂質(zhì)含量較高的生物聚合物。
本發(fā)明所說的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置，由初級光生物反應(yīng)
器A1、次級光生物反應(yīng)器A2、藻液分離器A3和檢測控制系統(tǒng)A4組成
初級光生物反應(yīng)器A1由一個或以上的透明管l、封閉頭2、連接管3、 二氧 化碳氣體輸入管道4、混合藻液輸入管道5、 PH調(diào)節(jié)液輸入管道6、藻液循環(huán)泵 7、清洗管道8、 9、排氣閥10和藻液排出管道11組成；
次級光生物反應(yīng)器A2由一個或以上的透明管12、封閉頭13、連接管14、 二氧化碳氣體輸入管道15、富集液輸入管道16、 PH調(diào)節(jié)液輸入管道17、藻液 循環(huán)泵18、清洗管道19、 20、排氣閥21、富集液輸送管道26和富集液輸送泵 27組成；
藻液分離器A3由液泵22、過濾器23、過濾器過濾后藻液輸送管道24、海 藻液輸送管道25組成；
檢測控制系統(tǒng)A4由混合藻液儲罐28、 二氧化碳氣體儲罐29、 PH調(diào)節(jié)液儲 罐30、富集液儲罐31和檢測控制裝置32組成；
其中在所說的初級光生物反應(yīng)器Al與次極光生物反應(yīng)器A2之間接有一套 藻液分離器A3，藻液分離器A3由液體泵22和過濾器23組成。在過濾器23的 出口處安裝有過濾器過濾后藻液輸送管道24和海藻液輸送管道25，過濾器過濾 后藻液輸送管道24與混合藻液貯罐28連接，海藻液輸送管道25與次極光生物 反應(yīng)器A2的封閉頭13連接。
采用本發(fā)明所說結(jié)構(gòu)的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置，在培養(yǎng)海 藻的第一階段，使用能促進海藻快速生長的生長營養(yǎng)液，加快海藻生長的速度，使海藻在初級光生物反應(yīng)器Al的生長呈指數(shù)形式，提高了海藻生物質(zhì)產(chǎn)量和細 胞內(nèi)蛋白質(zhì)和碳水化合物的含量；在將第一階段初級光生物反應(yīng)器Al達到收獲 密度的海藻送入第二階段的次級光生物反應(yīng)器A2之前，增加一個藻液分離器A3， 用過濾器23先濾去藻液中大部分原先的生長營養(yǎng)液，再將經(jīng)過濾后的海藻送入 第二階段的次級光生物反應(yīng)器A2中，在第二階段次級光生物反應(yīng)器A2中培養(yǎng) 海藻所使用的培養(yǎng)液與第一階段初級光生物反應(yīng)器Al所用培養(yǎng)液不同，是沒有 氮源可以加快海藻細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和碳水化合物轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)的富集脂質(zhì)培養(yǎng)液。 進入第二階段次級光生物反應(yīng)器A2的海藻在陽光和富集液的作用下，迅速消耗 藻液中的氮源，在氮缺乏的生長狀態(tài)下，海藻就可以加快海藻細胞內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化 的速度和提高脂質(zhì)轉(zhuǎn)化的含量。
在海藻生長的第一階段，不用考慮藻液中氮源濃度或其它物質(zhì)元素會對海 藻脂質(zhì)轉(zhuǎn)化的第二階段產(chǎn)生影響，因此可以使用促進海藻生長和提高海藻蛋白 質(zhì)和碳水化合物含量的生長營養(yǎng)液。通過藻液分離器，進入第二階段次級光生 物反應(yīng)器的海藻所含生長營養(yǎng)液很少，使海藻消耗藻液中氮源的時間過程大大 縮短。同時，沒有氮源的富集液又可提高海藻細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和碳水化合物的脂 質(zhì)轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化速度，從而在單位時間內(nèi)提高了海藻生物質(zhì)產(chǎn)量和脂質(zhì)含量。
'采用本發(fā)明所說結(jié)構(gòu)的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置，由于初級 光生物反應(yīng)器Al和次級光生物反應(yīng)器A2相對獨立，能有效地避免光生物反應(yīng) 器中海藻生長和富集脂質(zhì)的矛盾，有利于分別使用能促進海藻生長或脂質(zhì)富集 的專用培養(yǎng)液，在不同的光生物反應(yīng)器中，可實現(xiàn)富含蛋白質(zhì)和碳水化合物的 海藻和富含脂質(zhì)的海藻產(chǎn)量分別達到最大。
光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置單元是最基本的生產(chǎn)海藻的單元，可以任 意組合成所需要的模塊數(shù)量，以相互對稱或相互平行的多個生長系統(tǒng)單元組成一個生長系統(tǒng)模塊，根據(jù)每個生長系統(tǒng)模塊的海藻產(chǎn)量、海藻含油率和預期要 達到海藻產(chǎn)量的生產(chǎn)規(guī)模，即可確定生長系統(tǒng)需要模塊的總數(shù)量，且控制容易。 適用于任何規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)海藻的方式，而不需要對光生物反應(yīng)器海藻生長 系統(tǒng)裝置單元作任何改動。由于海藻生長和脂質(zhì)轉(zhuǎn)換兩個不同的階段互相隔離， 可以分別對光生物反應(yīng)器所使用的培養(yǎng)液進行獨立調(diào)節(jié)和控制，使富含蛋白質(zhì) 和碳水化合物的海藻和富含脂質(zhì)的海藻產(chǎn)量分別達到最大值，從而有效地避免 光生物反應(yīng)器中海藻生長和富集脂質(zhì)的矛盾。在不同的光生物反應(yīng)器中不但可 以使海藻迅速生長，極快提高海藻細胞內(nèi)的高蛋白質(zhì)和碳水化合物的含量，而 且可以加快向脂質(zhì)轉(zhuǎn)化的速度和提高轉(zhuǎn)化率，從而獲取足夠的大規(guī)模生產(chǎn)生物 柴油所需要的脂質(zhì)，實現(xiàn)工業(yè)化的高產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明所說的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置的連接示意圖； 圖2是本發(fā)明所說的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置的生長系統(tǒng)單 元組合示意圖3是本發(fā)明所說的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置的10個生長系 統(tǒng)單元組成的生長系統(tǒng)模塊示意圖。
具體實施例方式
'下面結(jié)合附圖詳述本發(fā)明所說的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置的 結(jié)構(gòu)連接關(guān)系以及生產(chǎn)方式
如圖1所示，本發(fā)明所說的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置是由初
級光生物反應(yīng)器A1、次級光生物反應(yīng)器A2、藻液分離器A3和檢測控制系統(tǒng)A4
組成
初級光生物反應(yīng)器A1由一個或以上的透明管l、封閉頭2、連接管3、 二氧化碳氣體輸入管道4、混合藻液輸入管道5、 PH調(diào)節(jié)液輸入管道6、藻液循環(huán)泵 7、清洗管道8、 9、排氣閥10和藻液排出管道11組成；
次級光生物反應(yīng)器A2由一個或以上的透明管12、封閉頭13、連接管14、 二氧化碳氣體輸入管道15、富集液輸入管道16、 PH調(diào)節(jié)液輸入管道17、藻液 循環(huán)泵18、清洗管道19、 20、排氣閥21、富集液輸送管道26和富集液輸送泵 27組成；
藻液分離器A3由液泵22、過濾器23、過濾器過濾后藻液輸送管道24、海 藻液輸送管道25組成；
檢測控制系統(tǒng)A4由混合藻液儲罐28、 二氧化碳氣體儲罐29、 PH調(diào)節(jié)液儲 罐30、富集液儲罐31和檢測控制裝置32組成；
其中在所說的初級光生物反應(yīng)器Al與次極光生物反應(yīng)器A2之間接有一套 藻液分離器A3,藻液分離器A3由液體泵22和過濾器23組成，在過濾器23的 出口處安裝有過濾器過濾后藻液輸送管道24和海藻液輸送管道25，過濾器過濾 后藻液輸送管道24與混合藻液貯罐28連接，海藻液輸送管道25與次極光生物 反應(yīng)器A2的封閉頭13連接。
Al--初級光生物反應(yīng)器A2--次極光生物反應(yīng)器
A3--藻液分離器A4--檢測控制系統(tǒng)
A5--藻液破壁裝置
1--初級反應(yīng)器透明管道2-_封閉頭
3-_連接管4--二氧化碳輸入管道
5--混合藻液輸入管道6--PH調(diào)節(jié)液輸入管道
7--藻液循環(huán)液泵8--清洗管道9一清洗管道 11 —藻液排出管道 13—封閉頭
15 — 二氧化碳輸入管道 17—PH調(diào)節(jié)液輸入管道
IO —泄氣閥
12—初級反應(yīng)器透明管道
14一連接管
16 —富集液輸入管道
18—藻液循環(huán)液泵
19—-清洗管道20--清洗管道
21 —-泄氣閥22--液泵
23 —-過濾器24--過濾器過濾后藻液輸入管道
25 —-海藻液輸送管道26--富集液輸送管道
27—富集液輸送泵28--混合藻液儲罐
29—二氧化碳儲罐30--PH調(diào)節(jié)液儲罐
31 —富集液儲罐32--檢測控制裝置
如圖2所示，本發(fā)明所說的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置的一個 生長系統(tǒng)單元的連接示意圖，檢測控制系統(tǒng)32同時控制初級光生物反應(yīng)器Al、 次級光生物反應(yīng)器A2、藻液分離器A3、混合藻液儲罐28、 二氧化碳氣體儲罐 29、 PH調(diào)節(jié)液儲罐30和富集液儲罐31。其中混合藻液儲罐裝置28的混合藻 液是通過混合藻液輸入管道5將混合藻液直接輸入到初級光生物反應(yīng)器Al內(nèi)； 富集液儲罐裝置31的富集液是通過富集液輸入管道16將富集液送入次極光生 物反應(yīng)器A2內(nèi)；二氧化碳氣體儲罐29的二氧化碳氣體是分別通過輸入管道4、 15送入初級光生物反應(yīng)器Al與次極光生物反應(yīng)器A2內(nèi)；PH調(diào)節(jié)液儲罐裝置30 的PH調(diào)節(jié)液分別通過輸入管道6、 17送入初級光生物反應(yīng)器Al與次極光生物 反應(yīng)器A2內(nèi)，初級反應(yīng)器Al的藻液經(jīng)藻液分離器A3過濾后通過海藻液輸送管
10道25輸入次級反應(yīng)器A2中，經(jīng)過濾器23過濾后的藻液經(jīng)過濾器過濾后藻液輸 入管道24輸送回混合液儲罐28，檢測控制系統(tǒng)32對生長系統(tǒng)單元的工作狀態(tài) 進行檢測和控制。
如圖3所示，在實際生產(chǎn)場地，本發(fā)明所說的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生 長系統(tǒng)裝置可以由2組以上的生長系統(tǒng)單元而組成，這里提供的是由IO個生長 系統(tǒng)單元組成的生長系統(tǒng)模塊示意圖。在實際大規(guī)模生產(chǎn)中，為了提高光生物 反應(yīng)器的受光量，所說的初級光生物反應(yīng)器A1與次極光生物反應(yīng)器A2最好均 呈正交布置，而且初級光生物反應(yīng)器A1與次極光生物反應(yīng)器A2的透明管1、 12的數(shù)量比最好為2: 1，所有的混合藻液儲罐28、 二氧化碳氣體儲罐29、 PH 調(diào)節(jié)液儲罐30和富集液儲罐31都可以通過傳輸管道直接接往各組生長系統(tǒng)單 元中。
本發(fā)明所說的一種兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置，可用于任何工 業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模對海藻的連續(xù)培養(yǎng)，不但可以用促進海藻快速生長的生長營養(yǎng)液， 使海藻在初級光生物反應(yīng)器A1內(nèi)迅速生長，提高海藻的生物質(zhì)產(chǎn)量，而且在促 進海藻細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和碳水化合物高效率轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)的富集液作用下，使次級 光生物反應(yīng)器A2的海藻加快細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和碳水化合物轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)的速度和提 高脂質(zhì)轉(zhuǎn)化率，從而可以獲得富含脂質(zhì)高產(chǎn)量的海藻生物質(zhì)。
本發(fā)明所說的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)是由以下單元組成
1、初級光生物反應(yīng)器
以圖l所示直徑相同的透明材料制作的管道l，以及封閉頭2;連接管3;
液體輸入管道5、 6、 8、 9和氣體輸入管道4;藻液循環(huán)泵7;排氣閥10和藻液 排出管道11組成兩個與地面垂直的U型管道為一個初級光生物反應(yīng)器A1。
將混合藻液儲罐28中含有營養(yǎng)液和海藻的混合藻液通過管道5泵入初級光生物反應(yīng)器Al透明管道1中，檢測控制裝置32對反應(yīng)器內(nèi)海藻生長的各種參 數(shù)進行檢測和控制。根據(jù)控制需要，通過管道4從C02儲罐29向初級光生物反 庫器Al透明管道1輸入C02氣體，通過管道6從PH調(diào)節(jié)液儲罐30向初級光生 物反應(yīng)器Al透明管道1輸入PH調(diào)節(jié)液，使初級光生物反應(yīng)器Al透明管道1中 的藻液保持最佳C02濃度和PH濃度。在陽光和營養(yǎng)液的作用下，海藻生長速度 呈指數(shù)形式。初級光生物反應(yīng)器A1的作用是獲得高密度富含蛋白質(zhì)和碳水化合 物海藻的藻液，初級光生物反應(yīng)器Al的海藻達到收獲密度時，每次從初級光生 物反應(yīng)器A1定量取出一定量的海藻液，同時泵入等量的混合藻液。
2、 藻液分離器
以圖1所示藻液分離器A3由液泵22、過濾器23、過濾器過濾后藻液輸送 管道24和海藻液輸送管道25組成，過濾器可采用各種形式的過濾器，過濾器 主要功能通過藻液排出管道ll，液泵22將初級光生物反應(yīng)器Al內(nèi)一定量的 藻液輸送到過濾器23，過濾器23對藻液進行過濾，經(jīng)過濾后的藻液通過管道 24送回混合藻液儲罐28，經(jīng)過濾后得到的海藻通過海藻液輸送管道25送入次 級光生物反應(yīng)器A2。采用全自動過濾器，可不使用液泵。
3、 次級光生物反應(yīng)器
以圖1所示與初級光生物反應(yīng)器Al透明管道1直徑相同的透明材料制作的 管道12，以及封閉頭13;連接管14;液體輸入管道16、 17、 19、 20和氣體輸 入管道15;藻液循環(huán)泵18;排氣閥21、富集藻液輸送管道26和富集藻液輸送 泵27組成與地面水平放置的U型透明管道作為一個次級光生物反應(yīng)器A2。
當初級光生物反應(yīng)器A1透明管道1中的海藻密度達到收獲密度時，將初級 光生物反應(yīng)器Al透明管道1中一定數(shù)量的藻液，通過藻液分離器A3的液泵22 送入藻液過濾器23，過濾器濾23去掉大部分藻液，將過濾后的 藻通過海藻液輸送管道25送入次級光生物反應(yīng)器A2透明管道12內(nèi)，同時通過管道16從富 集液儲罐31向次級光生物反應(yīng)器A2透明管道12內(nèi)泵入促進海藻脂質(zhì)轉(zhuǎn)化不含 氮源的富集液。檢測控制裝置32根據(jù)控制需要，通過管道17從PH調(diào)節(jié)液儲罐 30向次級光生物反應(yīng)器A2透明管道12輸入PH調(diào)節(jié)液，通過管道15從C02儲 罐29向次級光生物反應(yīng)器A2透明管道12輸入C02氣體，使次級光生物反應(yīng)器 A2透明管道12中的藻液保持最佳PH濃度和C02濃度。次級光生物反應(yīng)器A2的 透明管道12平行敷設(shè)，受光表面積大于初級光生物反應(yīng)器A1。因此，次級光生 物反應(yīng)器A2的海藻生長速度比初級光生物反應(yīng)器A1的快，會加快消耗藻液中 的氮源。在陽光和富集液的作用下，富集液促使海藻加快細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和碳水 化合物的脂質(zhì)轉(zhuǎn)化，脅迫海藻細胞達到更高的含油量(與初級光生物反應(yīng)器Al 的海藻相比較)。在初級光生物反應(yīng)器Al藻液再次達到收獲密度時，先將次級 光生物反應(yīng)器A2的藻液通過富集藻液輸送管道26和富集藻液輸送泵27輸送到 藻液破壁裝置A5,再將初級光生物反應(yīng)器Al的藻液泵入藻液過濾器23，以此 建立海藻的連續(xù)生產(chǎn)。采用不同的藻種、營養(yǎng)液和富集液，海藻生物質(zhì)產(chǎn)量、 轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)的速度和轉(zhuǎn)化率是不相同的。
排氣闊10安裝在初級光生物反應(yīng)器Al、次極光生物反應(yīng)器A2的封閉頭上， 在反應(yīng)器透明管道內(nèi)氣體達到設(shè)定壓力值時能自動排放管道內(nèi)氣體。
4、檢測控制系統(tǒng)
以圖1所示檢測控制系統(tǒng)A4由混合藻液儲罐28、 C02儲罐29、 PH調(diào)節(jié)液 儲罐30、富集液儲罐31、檢測控制裝置32組成。
4. 1檢測控制裝置32根據(jù)對海藻各種生長參數(shù)的檢測結(jié)果，對反應(yīng)器內(nèi)海 藻的生長過程進行控制，根據(jù)培養(yǎng)海藻的需要，將混合藻液儲罐28的混合藻液、 C02儲罐29的C02、 ra調(diào)節(jié)液儲罐30的PH調(diào)節(jié)液、富集液儲罐31的富集液，通過管道分別送入初級光生物反應(yīng)器元Al和次級光生物反應(yīng)器A2,并自動控制 最佳輸入量。
4. 2光生物反應(yīng)器外部的藻液循環(huán)液泵7和18，分別與初級光生物反應(yīng)器 和次級光生物反應(yīng)器U型管道兩端封閉頭上的管道相互連接，光生物反應(yīng)器透 明管道內(nèi)的藻液在藻液循環(huán)液泵的作用下，在光生物反應(yīng)器管道內(nèi)循環(huán)流動。
4.3檢測控制裝置根據(jù)光生物反應(yīng)器透明管道內(nèi)藻液在不同生長階段，對 C02需要量的參數(shù)，自動控制C02輸入量。C02氣體伴隨藻液輸入反應(yīng)器透明管 道并形成微小氣泡，在藻液流動過程中與海藻充分實現(xiàn)氣體交換，有效補充海 藻細胞光合作用消耗的C02。由于02分子量為32， C02分子量為44，海藻細胞 光合作用解析釋放出的02會積聚在管道的上部，為避免過高的溶解氧對藻細胞 的氧化損傷作用，在每個U型管道內(nèi)氣體壓力達到設(shè)定值后，通過排氣閥10或 21自動釋放。
.4. 4檢測控制裝置根據(jù)光生物反應(yīng)器內(nèi)海藻在不同生長階段需要的PH值最 佳參數(shù)，自動控制PH值調(diào)節(jié)液的輸入量。PH值調(diào)節(jié)液輸入反應(yīng)器透明管道內(nèi)， 在藻液流動過程中迅速混合、擴散，有效調(diào)節(jié)藻液的PH值，使藻液保持最適合
海藻生長的ra濃度。
4. 5海藻生長參數(shù)檢測控制裝置32包括溫度傳感器、PH傳感器、藻液密 度傳感器、C02傳感器、P02傳感器、氣體壓力傳感器、導電率傳感器等，以及 與控制海藻生長有關(guān)參數(shù)檢測用的各類傳感器和控制裝置。傳感器對海藻各種 生長參數(shù)進行檢測，控制裝置對生長系統(tǒng)狀態(tài)進行自動控制。
5、 生長系統(tǒng)
' 一個初級光生物反應(yīng)器Al、 一個藻液分離器A3、 一個次級光生物反應(yīng)器A2 和檢測控制系統(tǒng)A4組成一個生長系統(tǒng)單元，以相互對稱或相互平行的多個生長系統(tǒng)單元組成一個生長系統(tǒng)模塊。根據(jù)每個生長系統(tǒng)模塊的海藻產(chǎn)量、海藻含 油率和預期要達到海藻產(chǎn)量的生產(chǎn)規(guī)模，即可確定生長系統(tǒng)需要模塊的總數(shù)量。
6、 采用增加初級光生物反應(yīng)器Al和次級光生物反應(yīng)器A2受光透明管道直 徑和延長管道總長度的辦法，實現(xiàn)擴大反應(yīng)器管道容積目的。根據(jù)培養(yǎng)海藻產(chǎn) 量不同的需要，透明管道直徑為20cm至40cm或以上，每個U型透明管道總長 度在5m至100m或以上。
7、 清洗管道8、 9和外部的清洗泵連接，利用清洗部件兩端的藻液壓差使 清洗部件產(chǎn)生運動，可以對透明管道1進行正向或反向清洗。清洗管道19、 20 和外部的清洗泵連接，利用管內(nèi)清洗部件兩端的藻液壓差使清洗部件產(chǎn)生運動， 可以對透明管道12進行正向或反向清洗。
8、 光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置應(yīng)建立在戶外太陽光線充足的地方，充 分利用自然陽光，增加海藻的光合作用提高海藻產(chǎn)量，降低規(guī)模培養(yǎng)海藻的成 本。
'采用本發(fā)明所說結(jié)構(gòu)的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置的工作原 理
通過管道5將混合藻液分別送入初級光生物反應(yīng)器Al透明管道1內(nèi)，在循 環(huán)泵7的作用下，藻液在應(yīng)器管道內(nèi)循環(huán)流動。C02氣體通過管道4輸入反應(yīng)器， PH調(diào)節(jié)液通過管道6輸入反應(yīng)器，海藻在光生物反應(yīng)器中快速生長。生長反應(yīng) 器的海藻達到收獲密度時，液泵22將初級光生物反應(yīng)器Al的一部分海藻液送入 過濾器23進行過濾，過濾后得到的海藻通過管道25送入次級光生物反應(yīng)器A2 透明管道12內(nèi)，同時液泵通過管道5泵入等量的混合藻液到初級光生物反應(yīng)器 Al,經(jīng)過濾器23過濾后的藻液經(jīng)管道24送回混合液儲罐28。
通過管道16向次級光生物反應(yīng)器A2透明管道12送入促進海藻脂質(zhì)轉(zhuǎn)化的富集液，C02氣體通過管道15輸入反應(yīng)器，PH調(diào)節(jié)液通過管道17輸入反應(yīng)器， 透明管道12內(nèi)的海藻在陽光和富集液作用下加快脂質(zhì)轉(zhuǎn)化，海藻達到預期的含 油率，液泵27將次級光生物反應(yīng)器Al透明管道12內(nèi)的藻液通過管道26輸送 至藻液破壁裝置A5，液泵22再將初級光生物反應(yīng)器Al透明管道1內(nèi)達到收獲 密度的藻液送入過濾器24，經(jīng)過濾器過濾后的海藻送入次級光生物反應(yīng)器A2透 明管道12內(nèi)，以此循環(huán)。
通過藻液分離器A3，送入次級光生物反應(yīng)器A2的海藻已被濾去大部分生長 營養(yǎng)液，由于海藻在次級光生物反應(yīng)器A2生長速度大于初級光生物反應(yīng)器Al， 在不使用高效富集液的情況下，減少培養(yǎng)液氮源濃度(和生長營養(yǎng)液相比較)， 采用兩步法仍可以比單一反應(yīng)器得到更高的富含脂質(zhì)海藻產(chǎn)量和可實現(xiàn)連續(xù)生 產(chǎn)。
本發(fā)明培養(yǎng)的海藻包括來自于淡水、咸水和海水等環(huán)境中的所有藻類，如 扁藻、小球藻、藍藻、綠藻、柵藻、紅球藻、紫球藻、雪藻或硅藻等其它藻類。 培養(yǎng)的藻類可用于生產(chǎn)碳氫化合物、碳水化合物、蛋白質(zhì)和高價值元素產(chǎn)品， 以及用于水產(chǎn)養(yǎng)殖餌料和進行特殊生物活性成分開發(fā)。
本發(fā)明光生物反應(yīng)器的透明管道采用包括任何管壁厚度、色澤、質(zhì)地的透 光材料，如玻璃和塑料(聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚 碳酸脂(PC)、苯乙烯丙烯腈(AS)、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物(MS)、 聚4-甲基-1-戊烯(TPX)、聚-4-甲基-1-戊烯(PMP)和透明聚酰胺(PA)等)。 透明管道直徑從20cm至40cm或以上，每個U型透明管道總長度從5m至100m 或以上。
本發(fā)明物料分別包括水；藻液；C02氣體；無機物和有機礦物質(zhì)組成的營 養(yǎng)物質(zhì)、對藻液PH值進行調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)液和其它有利于海藻生長和脂質(zhì)轉(zhuǎn)化的營養(yǎng)液和生長促進液等。
本發(fā)明兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置，可以是2個以上的生長系統(tǒng) 單元組成的生長系統(tǒng)模塊，2個以上的生長系統(tǒng)模塊可組成所需要的生長系統(tǒng)。 根據(jù)每個生長系統(tǒng)模塊的海藻產(chǎn)量、海藻含油率和預期要達到海藻產(chǎn)量的生產(chǎn) 規(guī)模，即可確定光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)需要模塊的總數(shù)量。
本發(fā)明所說結(jié)構(gòu)的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置，初級光生物反 應(yīng)器Al的管道采用U型透明管道垂直放置和U型透明管道水平放置相比，U型 管垂直放置在用地面積相同的情況下，U型管上部平行的管道數(shù)量、光照時間 和受光面積與水平放置的U型管相同，U型管下部管道雖然會受上部管道陰影的 影響，但也有一定的生長效率，提高了光生物反應(yīng)器容積和生產(chǎn)海藻的效率。
本發(fā)明所說結(jié)構(gòu)的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置，利用光生物反 應(yīng)器外部液泵，使反應(yīng)器內(nèi)藻液產(chǎn)生循環(huán)流動的光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng) 裝置，由于反應(yīng)器透明管道內(nèi)部沒有障礙物，各光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝 置單元之間相對獨立，可以采用清洗頭對內(nèi)壁進行清洗，清洗裝置結(jié)構(gòu)簡單， 故障率低。
利用封閉式光生物反應(yīng)器大規(guī)模培養(yǎng)海藻的生產(chǎn)技術(shù)，是海藻生物技術(shù)的發(fā) 展的趨勢，兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置，是設(shè)計實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)并獲 得富含脂質(zhì)高產(chǎn)量海藻的一種有效的工業(yè)生產(chǎn)裝置。
權(quán)利要求
1、一種兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置，由初級光生物反應(yīng)器(A1)、次級光生物反應(yīng)器(A2)、藻液分離器(A3)和檢測控制系統(tǒng)(A4)組成初級光生物反應(yīng)器(A1)由一個或以上的透明管(1)、封閉頭(2)、連接管(3)、一氧化碳氣體輸入管道(4)、混合藻液輸入管道(5)、PH調(diào)節(jié)液輸入管道(6)、藻液循環(huán)泵(7)、清洗管道(8)、(9)、排氣閥(10)和藻液排出管道(11)組成；次級光生物反應(yīng)器(A2)由一個或以上的透明管(12)、封閉頭(13)、連接管(14)、二氧化碳氣體輸入管道(15)、富集液輸入管道(16)、PH調(diào)節(jié)液輸入管道(17)、藻液循環(huán)泵(18)、清洗管道(19)、(20)、排氣閥(21)、富集液輸送管道(26)和富集液輸送泵(27)組成；藻液分離器(A3)由液泵(22)、過濾器(23)、過濾器過濾后藻液輸送管道(24)、海藻液輸送管道(25)組成；檢測控制系統(tǒng)A4由混合藻液儲罐(28)、二氧化碳氣體儲罐(29)、PH調(diào)節(jié)液儲罐(30)、富集液儲罐(31)和檢測控制裝置(32)組成；其特征在于初級光生物反應(yīng)器(A1)與次極光生物反應(yīng)器(A2)之間接有一套藻液分離器(A3)，藻液分離器(A3)由液體泵(22)和過濾器(23)組成，在過濾器(23)的出口處安裝有過濾器過濾后藻液輸送管道(24)和海藻液輸送管道(25)，過濾器過濾后藻液輸送管道(24)與混合藻液貯罐(28)連接，海藻液輸送管道(25)與次極光生物反應(yīng)器(A2)的封閉頭(13)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長裝置，其特征在于 所說的初級光生物反應(yīng)器(A1)與次極光生物反應(yīng)器(A2)呈正交布置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所說的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長裝置， 其特征在于所說的初級光生物反應(yīng)器(A1)與次極光生物反應(yīng)器(A2)的透明管(1)(12)的數(shù)量比為2: 1。
全文摘要
一種兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置，由初級光生物反應(yīng)器、次級光生物反應(yīng)器、藻液分離器和檢測控制系統(tǒng)組成，在所說的初級光生物反應(yīng)器與次極光生物反應(yīng)器之間接有一套藻液分離器，藻液分離器的過濾器出口的過濾器過濾后藻液輸送管道與混合藻液貯罐連接，海藻液輸送管道與次極光生物反應(yīng)器的封閉頭連接。采用本發(fā)明所說結(jié)構(gòu)的兩步法光生物反應(yīng)器海藻生長系統(tǒng)裝置，由于初級光生物反應(yīng)器和次級光生物反應(yīng)器相對獨立，能有效地避免光生物反應(yīng)器中海藻生長和富集脂質(zhì)的矛盾，有利于分別使用能促進海藻生長或脂質(zhì)富集的專用培養(yǎng)液，在不同的光生物反應(yīng)器中，可實現(xiàn)富含蛋白質(zhì)和碳水化合物的海藻和富含脂質(zhì)的海藻產(chǎn)量分別達到最大。
文檔編號C12M1/42GK101643700SQ200910042208
公開日2010年2月10日 申請日期2009年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月28日
發(fā)明者劉永平 申請人:劉永平