表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元、培養(yǎng)系統(tǒng)及培養(yǎng)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，該培養(yǎng)單元包括：至少一個多孔板，所述多孔板是由剛性的吸水滲水材料制成，其表面用于附著光合微生物；至少一個供液裝置，所述供液裝置用于向所述多孔板提供光合微生物生長所需的培養(yǎng)液，所述培養(yǎng)液被所述的多孔板吸收并滲透至該多孔板的表面；至少一個培養(yǎng)液回收裝置。此外，本發(fā)明還涉及一種包含上述培養(yǎng)單元的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)，包括由上述培養(yǎng)單元組成的陣列，為供液裝置源源不斷地提供培養(yǎng)液的培養(yǎng)液供給裝置，所述供給裝置包括培養(yǎng)液池和循環(huán)動力裝置。本發(fā)明解決了現(xiàn)有浸沒式光合微生物培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)制造和維護成本昂貴，空間利用率低、生產(chǎn)效率低、能耗高的問題。
【專利說明】表面生長式光合微生物培養(yǎng)單兀、培養(yǎng)系統(tǒng)及培養(yǎng)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種表面生長式光合微生物培養(yǎng)單兀、培養(yǎng)系統(tǒng)，及其用于培養(yǎng)光合 微生物的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 光合微生物是一類以光為唯一的或主要能量來源而生長繁殖的微生物，包括微 藻、藍細菌等含有葉綠素可進行光合作用的微生物，微生物有著重要生物利用價值。據(jù)目前 文獻報道，藻類富含蛋白質(zhì)，可以作為水產(chǎn)餌料或畜禽飼料（如螺旋藻）；更重要的，某些微 藻在特定條件下能夠大量合成次生代謝物，如油脂、類胡蘿卜素、多糖等，這些物質(zhì)往往具 有極高經(jīng)濟價值的生物活性物質(zhì)，可以被用在功能食品、食品添加劑、制藥、生物能源等領(lǐng) 域。特別是，通過微藻大規(guī)模培養(yǎng)以從中提取微藻油脂，進而轉(zhuǎn)化成生物柴油被認為是解決 能源短缺與固碳減排的最重要途徑之一。
[0003] 微藻培養(yǎng)已有幾十年歷史，目前的工業(yè)化微藻培養(yǎng)為液體浸沒式，以大量水作為 微藻生活的支撐介質(zhì)。主要包括開放式培養(yǎng)池與密閉式光生物反應(yīng)器（photobioreactor, PBR)兩種形式。開放式培養(yǎng)池的優(yōu)點在于建造和運行的成本較低。但由于開放池的光照 面積/體積比較小，液體表面與下部混合較差，只有表層藻細胞能夠接受較充足的光照，池 底細胞往往難以接受到充分光照；其次，開放池培養(yǎng)運行水深較淺，一般只有10-30厘米， 使得通氣補碳時氣液接觸時間短，補碳效率低，培養(yǎng)液中溶解二氧化碳（C0 2)的不足使光合 作用受到限制；再一個是開放式升溫慢，不能在短時間內(nèi)升到酶活性最好的溫度25°C，經(jīng) 常錯失光利用的最佳時機；而在夜間開放式池內(nèi)溫度自然下降太慢，使藻細胞仍然保持旺 盛的呼吸作用，將白天存儲的能量消耗掉，故使藻細胞內(nèi)有用的代謝物含量太低。因此開放 池培養(yǎng)的細胞生長速度與培養(yǎng)密度細胞均較低，另外其占地還大，容易受到污染。與其相 t匕，PBR-般是采用透光材料（如玻璃、有機玻璃、塑料薄膜等）制成的細薄結(jié)構(gòu)，由于光徑 小、培養(yǎng)體系光照面積/體積比較大，所以細胞光照較充分。同時，補碳氣體與液體接觸時 間長，培養(yǎng)液溶解C0 2濃度較高，因而細胞生長速度與培養(yǎng)密度均較開放培養(yǎng)池高。但該類 PBR通常造價昂貴、運行成本高、維護困難、難于大型化，產(chǎn)率為5?30g/m 2/d，遠遠低于理 論預(yù)測值100?200g/m2/d，達不到產(chǎn)業(yè)化的理論計算目標(biāo)，光能利用率低，這項微藻大規(guī)模 培養(yǎng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化最重要的直接制約因素仍有待提高。
[0004] 近年來，出現(xiàn)了一種半干式培養(yǎng)系統(tǒng)，并且已有文獻報道。但是，目前的半干式培 養(yǎng)系統(tǒng)一般是采用濾紙、濾布、海綿、塑料泡沫、纖維織物（例如帆布）中的一種或幾種作為 基質(zhì)材料。然而，該類軟質(zhì)材料具備如下缺點：（1)機械強度低，需要復(fù)雜的支撐和固定等 配套裝置，不合適大尺寸和空間高度上的放大，只能制成低矮細薄結(jié)構(gòu)；（2)表面濕度不均 勻，微藻生長不牢固，容易受到環(huán)境影響而脫落；（3)不耐循環(huán)使用，需要經(jīng)常更換，增加成 本；(4)容易掉落纖維等雜質(zhì)，使收獲的微藻受到污染；（5)吸水和保水性能差，不利于微藻 生長繁殖逐漸增加的培養(yǎng)液消耗要求并且能源成本增加，和（6)這些柔性材料在作為培養(yǎng) 載體時，其生物兼容性和耐化學(xué)腐蝕性等方面都具有一定局限性。因此目前此類培養(yǎng)系統(tǒng) 仍不適于大規(guī)?；a(chǎn)。
[0005] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，本發(fā)明采用一種新型表面生長式光合微生物培養(yǎng)單 兀、培養(yǎng)系統(tǒng)及培養(yǎng)方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為克服上述缺點，本發(fā)明提供一種表面生長式光合微生物培養(yǎng)單兀，該培養(yǎng)單兀 包括：
[0007] 至少一個多孔板，所述多孔板由剛性的吸水滲水材料制成，其表面用于附著光合 微生物；
[0008] 至少一個供液裝置，所述供液裝置用于向所述多孔板提供光合微生物生長所需的 培養(yǎng)液，所述培養(yǎng)液被所述的多孔板吸收并滲透至該多孔板的表面；
[0009] 至少一個培養(yǎng)液回收裝置，所述培養(yǎng)液回收裝置設(shè)于所述多孔板下端，以將各多 孔板下端滲出或未被多孔板吸收的培養(yǎng)液收集。
[0010] 在一個實施方案中，所述多孔板為透水陶瓷板、水泥板、青磚板、紅磚板、陶土制成 板或瓦板。
[0011] 在一個實施方案中，所述多孔板是由基質(zhì)材料和添加劑制成的硬質(zhì)多孔板，其中， 所述添加劑包括粘結(jié)劑，所述基質(zhì)材料為分子篩、玻璃粉、玻璃砂或者青石。
[0012] 在一個實施方案中，所述粘結(jié)劑包含鋁石。
[0013] 在一個實施方案中，所述粘結(jié)劑還包含田菁粉和硝酸。
[0014] 在一個實施方案中，所述基質(zhì)材料為分子篩，所述分子篩具有5人~ 2rim的第一 孔徑。
[0015] 在一個實施方案中，所述分子篩具有6~8人的第一孔徑。
[0016] 在一個實施方案中，所述多孔板包含分子篩和鋁石，其中所述分子篩為50-90質(zhì) 量份，錯石為5-45質(zhì)量份。
[0017] 在一個實施方案中，所述多孔板包含分子篩、鋁石、田菁粉和硝酸，其中所述分子 篩為60-80質(zhì)量份，錯石為15-35質(zhì)量份，田菁粉為1-4質(zhì)量份，硝酸為1-4質(zhì)量份。
[0018] 在一個實施方案中，所述多孔板具有3?40 iim的第二孔徑。
[0019] 在一個實施方案中，所述多孔板的表面呈凹凸不平狀，其包括規(guī)則或不規(guī)則圖案。
[0020] 在一個實施方案中，所述多孔板的表面呈紋理狀。
[0021] 在一個實施方案中，所述供液裝置系罩設(shè)于所述多孔板的上頂端側(cè)緣。
[0022] 在一個實施方案中，所述供液裝置以間隔方式設(shè)于該多孔板的頂端上方，所述供 液裝置以噴淋、滴漏或滲漏的方式給多孔板提供培養(yǎng)液。
[0023] 在一個實施方案中，所述培養(yǎng)單元還包括至少一個固定裝置，該固定裝置用于將 所述多孔板以直立的方式固定于一個預(yù)定位置。
[0024] 此外，本發(fā)明還提供了一種包含上述培養(yǎng)單元的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)，該培養(yǎng)系 統(tǒng)包括：
[0025] -個由上述任一實施方案中的培養(yǎng)單元所組成的陣列，所述各培養(yǎng)單元的多孔板 表面供光合微生物附著生長；和
[0026]用于向所述陣列中的培養(yǎng)單元的供液裝置提供培養(yǎng)液的培養(yǎng)液供給裝置；
[0027] 其中，所述培養(yǎng)液供給裝置包括培養(yǎng)液池、循環(huán)動力裝置，該循環(huán)動力裝置與各該 供液裝置連接，以將該培養(yǎng)液池內(nèi)的培養(yǎng)液輸送至各該供液裝置。
[0028] 本發(fā)明系統(tǒng)的一個實施方式中，所述循環(huán)動力裝置為泵。
[0029] 本發(fā)明系統(tǒng)的一個實施方式中，所述培養(yǎng)液供給裝置還包括一個二氧化碳的混入 裝置，所述混入裝置將二氧化碳混入至所述的培養(yǎng)液培養(yǎng)池中。
[0030] 依據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明還可以采用壓力將培養(yǎng)液輸送至供液裝置，所述循環(huán)動力 裝置包括壓力罐和空氣壓縮氣源，所述培養(yǎng)液池以管路連接至該壓力罐的進液口，所述培 養(yǎng)液池能夠?qū)⒁欢康呐囵B(yǎng)液輸入該壓力罐內(nèi)暫存，所述壓力罐的出液口通過管路與各該 供液裝置連接，該空氣壓縮氣源連接該壓力罐的進氣口，通過啟動該空氣壓縮氣源工作向 該壓力罐內(nèi)增壓，以該壓力罐內(nèi)暫存的培養(yǎng)液輸送至各該供液裝置。
[0031] 本發(fā)明系統(tǒng)的一個實施方式中，所述壓力罐的一側(cè)設(shè)有一個通向外界的排氣閥， 該培養(yǎng)液池連接至該壓力罐之間的管路上設(shè)有第一截止閥，該空氣壓縮氣源連接至該壓力 罐之間的管路上設(shè)有第二截止閥和一個減壓閥。
[0032] 本發(fā)明系統(tǒng)的一個實施方式中，該壓力罐底部還設(shè)有一個液位檢測計，該壓力罐 連接至各該供液裝置的管路上設(shè)有一個壓力表。
[0033] 本發(fā)明系統(tǒng)的一個實施方式中，所述培養(yǎng)液回收裝置將該多孔板下端滲出或未被 多孔板吸收的培養(yǎng)液收集并通過管路返回至培養(yǎng)液池。
[0034] 本發(fā)明系統(tǒng)的一個實施方式中，所述多孔板與培養(yǎng)液回收裝置中的培養(yǎng)液接觸。
[0035] 本發(fā)明系統(tǒng)的一個實施方式中，所述培養(yǎng)單元為至少兩個，相鄰培養(yǎng)單元之間設(shè) 置有光源裝置，該光源裝置與所述培養(yǎng)單元平行地設(shè)置；或者，所述各培養(yǎng)單元平行放置形 成陣列，而將一光源裝置設(shè)于該陣列的一側(cè)，與各該培養(yǎng)單兀垂直。
[0036] 本發(fā)明系統(tǒng)的一個實施方式中，所述光源為自然光或人工光源，所述人工光源為 雙面光源或單面光源。
[0037] 基于上述構(gòu)思，本發(fā)明運用前述表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)培養(yǎng)光合微生物的方法，包 括以下步驟：
[0038] a)將培養(yǎng)液池中的培養(yǎng)液通過泵或空氣壓縮氣源及壓力罐輸送至各供液裝置，供 液裝置以噴淋、滴漏或滲漏的方式給多孔板提供培養(yǎng)液，從而使培養(yǎng)液浸潤多孔板；
[0039] b)在所述多孔板上接種光合微生物；
[0040] c)設(shè)置環(huán)境濕度和溫度，在適合光合微生物生長的光強下使得光合微生物進行光 合作用、生長繁殖。
[0041] 其中，在步驟a)中，還包括將所述多孔板上滲出或未被多孔板吸收的培養(yǎng)液回收 至培養(yǎng)液池中的步驟，且同時監(jiān)測培養(yǎng)液池中的培養(yǎng)液成分，以便及時向培養(yǎng)液池補充營 養(yǎng)成分。
[0042] 在一個實施方案中，所述光合微生物包括小球藻、螺旋藻、綠藻、等鞭金藻、微擬球 藻、柵藻或血球藻。
[0043] 為了進行光合微生物的表面生長式培養(yǎng)，本發(fā)明采用新型表面生長式光合微生物 培養(yǎng)單元和培養(yǎng)系統(tǒng)，其中所使用的剛性多孔板可應(yīng)用于本發(fā)明的培養(yǎng)系統(tǒng)和培養(yǎng)方法。 這種多孔材料板具有很好的吸水/滲水性能，因此其吸收的培養(yǎng)液可儲備起來而為培養(yǎng)系 統(tǒng)表面提供供給，其內(nèi)部孔徑允許水分子在材料的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)充分循環(huán)流動，且由于水分流 動的帶動作用，培養(yǎng)所需的營養(yǎng)小分子物質(zhì)均可通過擴散到達多孔板的表面實現(xiàn)均勻分 布，而粒徑比水和無機鹽大的微藻藻種，不容易反向滲入至多孔板的內(nèi)部，又由于上述多孔 材料的親水性，其電荷允許大量的微藻藻種附著（類似苔蘚等生長在水中的石壁上）。另 夕卜，這種多孔材料板的骨架密度比較低、強度和剛性較高，相對于現(xiàn)有的濾布、濾紙或帆布 等具有如下效果：（1)多孔板自身為剛性，可以簡單的方式實現(xiàn)自支撐（只需簡單地對其底 部固定就可以直立），在空間高度和尺寸上更容易實現(xiàn)，無需如帆布等必須依賴復(fù)雜的支撐 框架，可以節(jié)省系統(tǒng)所占空間和成本；（2)表面濕度均勻，微藻生長牢固，不容易受到環(huán)境 影響而脫落；（3)可耐環(huán)境因素影響，耐腐性好，重復(fù)利用率高，降低成本；(4)不會有纖維 等雜質(zhì)混入收獲的藻產(chǎn)物中；（5)吸水和保水性能好，有利于微藻生長繁殖逐漸增加的對 培養(yǎng)液消耗的要求。
[0044] 本發(fā)明的多孔板較佳是以分子篩為基質(zhì)，分子篩通常是由T04(T=Si，P，Al，Ge 等）四面體構(gòu)成的具有微孔結(jié)構(gòu)的晶態(tài)無機固體，具有不同的籠或孔狀結(jié)構(gòu)（孔徑通常小 于2nm)。由于分子篩能將比其孔徑小的分子吸附到空穴內(nèi)部，而把比孔徑大的分子排斥在 其空穴外，起到篩分分子的作用，故得名分子篩。沸石分子篩的實際用途是非常廣泛的，t匕 如它可以用作吸附劑、離子交換劑，尤其是可以用作石油裂解催化劑，這是人們開發(fā)具有良 好催化活性和選擇性沸石分子篩的動力。當(dāng)然，隨著人們對分子篩研究的不斷深入，其應(yīng)用 范圍也得到進一步的拓展，比如可以用作電池材料、藥物載體等等。沸石分子篩的這些特性 主要依賴于其機構(gòu)和組成方面的特征，例如孔道的多維性、孔的尺寸、孔容、陽離子的數(shù)目 和位點、Si/Al比例等，可以說分子篩的性能是這幾種因素的綜合作用的體現(xiàn)。與一般常用 的固體吸附劑如硅膠、活性炭、活性氧化鋁等相比，分子篩在吸附性能方面有兩個顯著的特 點，一個是選擇性吸附，另一個是高效率吸附。
[0045] 由于組成元素主要是親水性元素以及多維的孔道結(jié)構(gòu)，分子篩具有良好的水吸附 性能。其吸附方式主要為物理吸附，而且被吸附的水分子主要儲藏于分子篩的孔道中，因此 在吸水前后分子篩材料體積并沒有明顯變化。同時，分子篩在水分子連續(xù)輸送方面也具有 很好性能，這是分子篩能夠在較長時間內(nèi)使內(nèi)部和表面保持均一濕度的原因。此外，分子篩 還有一項重要的特性是能夠在水分子的協(xié)助下，對金屬離子表現(xiàn)出良好的傳輸性能，使材 料內(nèi)部的離子能夠源源不斷地向表面進行輸送。這些特點決定了分子篩在半干法微藻培養(yǎng) 方面具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的潛力。
[0046] 本發(fā)明提供的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)耗水量比較低、微藻細胞生長較快、收獲便利 及總體能耗低，具體優(yōu)勢如下：
[0047] 1、本發(fā)明米用的是表面生長式光合微生物培養(yǎng)系統(tǒng)。我們能夠?qū)⑽⒃褰臃N于多孔 板的表面后，利用供液系統(tǒng)向多孔板材源源不斷地注入培養(yǎng)液，培養(yǎng)液經(jīng)過多孔板內(nèi)部達 到表面，供藻細胞生長。這樣就避免了傳統(tǒng)光生物反應(yīng)器中水的大量使用，減少了動力系統(tǒng) 的能耗；減少了管道設(shè)計；減少了單位生物質(zhì)產(chǎn)量的占地面積；同時，通過使微藻生長濃度 極大地提高，也簡化了傳統(tǒng)微藻后期收獲中濃縮、離心、過濾等工藝，提高了生產(chǎn)效率、降低 運營成本；
[0048] 2、本發(fā)明中所使用光源直接照射到微藻細胞，而不需要通過水體，因此光能量衰 減較少，相對傳統(tǒng)光生物反應(yīng)器，大幅度提高了光能利用率，同時大幅度提高了微藻生長速 率和品質(zhì)，這是微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵一步；
[0049] 3、傳統(tǒng)管式光生物反應(yīng)器需要對水、藻混合物進行攪拌，以保證微藻在充足的光 照條件下充分生長，能耗和成本較高。而本發(fā)明所涉及的培養(yǎng)系統(tǒng)不需通過攪拌來避免藻 細胞沉降、實現(xiàn)藻細胞充分生長，從而減少了能耗，節(jié)約了成本；
[0050] 4、相對于其他光生物反應(yīng)器，半干法光生物反應(yīng)器可以便捷地改變微藻生長環(huán) 境。微藻的生長（生物量積累）和代謝物的產(chǎn)生（如油脂）一般是兩個分開的過程，因為 它們對環(huán)境要求不相同，細胞生長需要高氮環(huán)境，而油脂積累過程則需要低氮等脅迫環(huán)境。 目前常用的方法是等到培養(yǎng)基體系內(nèi)原有氮源消耗完畢時才逐步轉(zhuǎn)化為缺氮誘導(dǎo)環(huán)境，往 往需要10天以上；若生長已近平臺期，想快速進入油脂累積階段，目前只能是先采集藻細 胞后再轉(zhuǎn)入低氮或無氮培養(yǎng)基中進行油脂代謝，這個工作量很大，而且能耗高。而通過本發(fā) 明的培養(yǎng)系統(tǒng)及培養(yǎng)方法，我們可以根據(jù)微藻生長情況隨時改變生長環(huán)境，以實現(xiàn)微藻生 物量的積累或油脂累積。
[0051] 5、使用本發(fā)明的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)及培養(yǎng)方法，與現(xiàn)有的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng) 及方法相比，具有明顯的優(yōu)勢：
[0052] 5a)本發(fā)明多孔板具有強的吸水性、透水性，從而可以為微藻的培養(yǎng)、生長源源不 斷地提供水分和其他培養(yǎng)所需的營養(yǎng)成分。本發(fā)明中的多孔板具有內(nèi)部連通的數(shù)個微孔管 道，加上擴散性能良好，所述多孔培養(yǎng)板可迅速吸收培養(yǎng)液，達到飽和狀態(tài)，為在表面培養(yǎng) 微藻做好儲備。在水分蒸發(fā)時，由于培養(yǎng)系統(tǒng)表面孔穴內(nèi)液體表面的表面張力作用，可在孔 道內(nèi)產(chǎn)生汲取作用。在汲取作用下，培養(yǎng)液可在多孔板的管道/網(wǎng)絡(luò)/空穴內(nèi)流動，可使培 養(yǎng)液快速補給到培養(yǎng)板表面，使培養(yǎng)板表面的濕度均一飽和。借助水分的運動，溶培養(yǎng)液中 的營養(yǎng)物質(zhì)小分子也會隨同水流動到達任何地方，培養(yǎng)液實現(xiàn)從培養(yǎng)板內(nèi)部向培養(yǎng)板表面 運輸。在上述自然機理作用下，由于是一個自然現(xiàn)象，因而相對于現(xiàn)有技術(shù)可降低供液能 耗。本發(fā)明的多孔板較佳選擇以分子篩為基質(zhì)，由于分子篩的規(guī)格均一，可實現(xiàn)液體的流動 快速而且均勻；
[0053] 由分子篩制造的多孔板具有雙重多孔性，所述雙重多孔性為①分子篩多孔性，即， 分子篩本身所具有孔徑，從而具有強吸水性和保水性；②板多孔性（由分子篩顆粒壓制形 成時產(chǎn)生的孔徑），即，制成的分子篩多孔板還具有除了分子篩本身孔徑以外的孔徑，這種 孔徑大于分子篩本身孔徑，增加水生生物在多孔板表面與水的接觸面積，并且增加在多孔 板表面水的流動性，從而有利于將富含營養(yǎng)成分的培養(yǎng)液向水生生物輸送。這種分子篩的 多孔性和板多孔性的配合極大地增加了多孔板的吸水性和保水性，并增加了將培養(yǎng)液遞送 至水生生物的能力，有利于水生生物生長；
[0054] 5b)本發(fā)明的多孔板為剛性，其機械強度高，可在堅直方向自支撐，只需簡易地對 其底部支撐固定即可，便于實現(xiàn)尺寸上的延展；
[0055] 5c)本發(fā)明的多孔板抗腐蝕性好，從而在收獲后或污染后，可耐受消毒劑，從而保 證其循環(huán)使用性好；以及
[0056] 5d)本發(fā)明的多孔板成本低，分子篩材料加工制造工藝目前相對成熟，而且可以選 用的原材料可來自本欲填埋處理的廢渣。
[0057] 由上述優(yōu)點可見，這在很大程度上克服了微藻培養(yǎng)規(guī)?；龅降募夹g(shù)瓶頸-- 裝備大型化和提高空間利用率障礙，使微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化具有可能性。
[0058] 另外一個額外的好處在于，不僅可降低做催化劑用的分子篩廢料處理成本，起到 環(huán)境保護作用，而且還低成本地進行了環(huán)境治理。
[0059] 綜上所述，本發(fā)明解決了現(xiàn)有的浸沒式微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)制造和維護 成本昂貴，空間利用率低、生產(chǎn)效率低、能耗高的問題。本發(fā)明中，不僅培養(yǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟廉價， 而且微藻對光能、碳源及營養(yǎng)的利用效率高，次生代謝物的生成速度快，大幅提高了單位占 地面積生物量產(chǎn)率和次生代謝物產(chǎn)率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0060] 圖1為培養(yǎng)單元的示意圖。
[0061] 圖2為表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)1000a的不意圖。
[0062] 圖3為表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)1000b的不意圖。

【具體實施方式】
[0063] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。
[0064] 需要說明的是本發(fā)明中"剛性"所指代的含義是指相對于帆布、纖維布或海綿具有 更大硬度的材質(zhì)，包括但不限于"透水陶瓷板、水泥板、陶土燒制板、青磚板、紅磚板及瓦材 板"等這些建筑施工用的剛性材質(zhì)，這些材質(zhì)的特點是皆可在堅直方向無特殊支撐架的狀 態(tài)下實現(xiàn)自支撐、且耐腐蝕性強。
[0065] 表面牛.長式光合微牛.物培養(yǎng)單7H及系統(tǒng)
[0066] 〈培養(yǎng)單?！?br> [0067] 圖1示出了本發(fā)明的培養(yǎng)單元101，培養(yǎng)單元101包括多孔板1、固定裝置2、培養(yǎng) 液回收裝置3、供液裝置4。所述固定裝置2可包括相對的固定組件21和22,固定組件21 和22之間形成可固定多孔板1的孔隙23,該多孔板1可從上至下插設(shè)于孔隙23中。培養(yǎng) 單元100可包括多個多孔板1的陣列，其形成較大的平面培養(yǎng)板組件。供液裝置4設(shè)置在 多孔板1的上方，供液裝置4可具有孔、縫隙等出口，從而培養(yǎng)液以滴漏、滲漏等形式進入多 孔板1。多孔板1的頂端側(cè)緣可密封在供液裝置4中。作為替換，供液裝置4可沿堅直方向 與多孔板1間隔開，以使得培養(yǎng)液從供液裝置4滴落至多孔板1。多孔板1的下端側(cè)面可密 封在培養(yǎng)液回收裝置3中，與培養(yǎng)液回收裝置3中的培養(yǎng)液接觸。
[0068] 其中，多孔板1是由剛性的吸水滲水材料制成，其表面用于附著微藻藻種；多孔板 1的材質(zhì)可為水泥板、青磚板、紅磚板、陶土制成板或瓦板等等，可以吸水滲水的剛性板材。 但，在本發(fā)明的一個較佳是實施例中，多孔板1是由基質(zhì)材料和添加劑制成的硬質(zhì)多孔板， 其中，添加劑包括粘結(jié)劑，而基質(zhì)材料為分子篩、玻璃粉、玻璃砂或者青石。多孔板1的表面 加工呈凹凸不平狀（如波浪形紋理），可增加表面積，增加藻的附著量。
[0069] 多孔板1可通過以下方法制造：將具有6 ~ 8A的孔徑的物質(zhì)A(如分子篩類多孔 材料）和粘合物質(zhì)B(如鋁石類輔助劑）以質(zhì)量份數(shù)比約70份：25份混合，在室溫和常壓 用本領(lǐng)域公知技術(shù)處理，形成粒度約為50nm的微球，在80-100°C和常壓下使混合物壓制形 成多孔板。
[0070] 此外，多孔板1還可通過以下方法制造：將具有6 ~ 8人的孔徑的物質(zhì)A(如分子篩 類多孔材料）和粘合物質(zhì)B(如鋁石類輔助劑）以質(zhì)量份數(shù)比約70份：25份混合，向上述 混合物加入添加劑C(如田菁粉類添加劑）進行粘接，在80-10(TC和常壓，使粘接混合物壓 制形成具有3?40 y m的第二孔徑的多孔板，以組分A、B和C的質(zhì)量份數(shù)總和為100計，所 述添加劑C的質(zhì)量份數(shù)不超過5份。壓制成的多孔板所具有的第二孔徑大小范圍，可主要 通過改變分子篩A的粒徑，其次是粘合物質(zhì)B的量、壓制的方式、壓力等來實現(xiàn)第二孔徑大 小的調(diào)節(jié)；一般來說，分子篩的平均粒徑越大、粘合物質(zhì)B的量越少，壓力越小，得到的壓制 成型多孔板第二孔徑越大。
[0071] 所述多孔板選用的基質(zhì)材料除了采用上述的分子篩，還可以為玻璃粉、玻璃砂或 青石，所使用的粘合劑為鋁石、或由鋁石、田菁粉及硝酸組成的混合物。所選的分子篩具有 5A~2nm的第一孔徑，較佳為6 ~8A。
[0072] 當(dāng)所述多孔板由分子篩和鋁石組成時，其中所述分子篩為50-90質(zhì)量份，鋁石為 5-45質(zhì)量份。當(dāng)所述多孔板由分子篩和鋁石、田菁粉及硝酸組成時，
[0073] 其中所述分子篩為60-80質(zhì)量份，鋁石為15-35質(zhì)量份，田菁粉為1-4質(zhì)量份，硝 酸為1-4質(zhì)量份。
[0074]〈培養(yǎng)系統(tǒng)實施例1>
[0075] 結(jié)合圖1和圖2進行說明，圖2示出了本發(fā)明的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)1000a的，表 面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)l〇〇〇a可包括多個如圖1所示的培養(yǎng)單元101和設(shè)置在培養(yǎng)單元101之 間的光源裝置8,以及為培養(yǎng)單元101提供培養(yǎng)液的培養(yǎng)液供給裝置9。
[0076] 如圖1和2所述，所述固定裝置2包括相對的固定組件21和22,固定組件21和 22之間形成可固定多孔板1的孔隙23,多孔板1還可以向上移動自孔隙23中取出。
[0077] 圖2中的多個培養(yǎng)單元101設(shè)置為相互平行且間隔開一距離。每兩個培養(yǎng)單元 101之間設(shè)置至少一光源裝置8。光源裝置可為雙面光源，對兩側(cè)的培養(yǎng)單元進行照射。光 源裝置8也可根據(jù)需要為單面光源。
[0078] 圖2的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)1000a包括培養(yǎng)液供給裝置9,該培養(yǎng)液供給裝置9包 括培養(yǎng)液池6、循環(huán)泵7。
[0079] 培養(yǎng)液回收裝置3用于將從多孔板1下端滲出或未被多孔板1吸收的培養(yǎng)液收集 并通過管道返回至培養(yǎng)液池6。當(dāng)培養(yǎng)系統(tǒng)1000a工作時，循環(huán)泵7啟動，將培養(yǎng)液池6中 的培養(yǎng)液通過管道輸送至供液裝置4,供液裝置4將培養(yǎng)液供給多孔板1，多孔板1吸收培 養(yǎng)液并通過其內(nèi)部的細小孔徑運輸至多孔板1的表面，提供為微藻生長所需的營養(yǎng)，而多 孔板1端部同時與培養(yǎng)液回收裝置3內(nèi)的培養(yǎng)液相接觸，培養(yǎng)液通過毛細作用浸潤多孔板 1下端的部分區(qū)域，使得多孔板1處于半干狀態(tài)。
[0080] 培養(yǎng)液供給裝置9還可包括二氧化碳混入裝置（圖中未示），用于將二氧化碳混入 到培養(yǎng)液中。
[0081]〈培養(yǎng)系統(tǒng)實施例2>
[0082] 結(jié)合圖1和圖3說明本發(fā)明的另一培養(yǎng)系統(tǒng)1000b。圖3不出了本發(fā)明的表面生 長式培養(yǎng)系統(tǒng)l〇〇〇b。與圖2所示的實施例類似，培養(yǎng)系統(tǒng)1000b也可包括一個或多個圖1 的培養(yǎng)單元101。具體地，培養(yǎng)系統(tǒng)l〇〇〇b可包括多孔板1、固定裝置2、培養(yǎng)液回收裝置3、 供液裝置4、培養(yǎng)液池6、壓力罐11、空氣壓縮氣源12、液位計13、截止閥14、截止閥15、減壓 閥16、排氣閥17、和壓力表18。
[0083] 圖3的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)1000b包括培養(yǎng)液循環(huán)裝置％，所述培養(yǎng)液循環(huán)裝置 9b中可選采用空氣壓縮方式。該空氣壓縮方式所用裝置為本領(lǐng)域可選的其他壓力泵替代 裝置，可選但不限于包括壓力罐11、空氣壓縮氣源12、液位計13以及配套閥門，優(yōu)選截止閥 14、15,減壓閥16等。通過將在壓力罐11內(nèi)儲備足量培養(yǎng)液的條件下，將循環(huán)裝置9b中其 上游截閥15關(guān)閉，將截止閥14開啟，通過空氣壓縮氣源12使壓力罐11內(nèi)培養(yǎng)液在循環(huán)裝 置9b中輸送至供液裝置4,可選用壓力表18監(jiān)測，供液裝置4以噴淋、滴漏或滲漏的方式給 多孔板1提供培養(yǎng)液，從而使含培養(yǎng)所需營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)液浸潤整個多孔板1，培養(yǎng)液回收 裝置3位于多孔板1的下方，未被多孔板1吸收的培養(yǎng)液流至培養(yǎng)液回收裝置3,培養(yǎng)液回 收裝置3中的培養(yǎng)液通過管道回流至培養(yǎng)液池6。
[0084] 微藻表面牛長式培養(yǎng)系統(tǒng)的橾作
[0085] 本發(fā)明實施例1的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)1000a可如下操作：
[0086] _通過培養(yǎng)液供給裝置9使得供液裝置4具有包含C02微泡的培養(yǎng)液，供液裝置4 以噴淋、滴漏或滲漏的方式給多孔板1提供培養(yǎng)液；
[0087]-使多孔板1與培養(yǎng)液回收裝置3中的培養(yǎng)液保持接觸，從而使含C02微泡的培養(yǎng) 液浸潤多孔板1 ;
[0088]-在多孔板1的表面接種微藻；
[0089]-利用所述光源裝置8照射所述多孔板1，并設(shè)置培養(yǎng)系統(tǒng)1000a周圍的環(huán)境濕度 和溫度，溫度通常為20-35°C，濕度在50-80%的范圍，使得微藻生長。
[0090] 本發(fā)明實施例2的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)1000b可如下操作：
[0091] 1.排氣閥17打開，截止閥14和截止閥15關(guān)閉，減壓閥16壓力調(diào)至OMPa，減壓閥 16要求在0-1. OMPa范圍內(nèi)可調(diào)；
[0092] 2.在培養(yǎng)液池6中添加一定體積量的培養(yǎng)液；
[0093] 3.打開截止閥15,培養(yǎng)液從培養(yǎng)液池6流入壓力罐11，液面在截止閥14相連的管 路入口以下；
[0094] 4?關(guān)閉截止閥15和排氣閥17,打開截止閥14,調(diào)整減壓閥16的壓力，壓力罐11 內(nèi)的培養(yǎng)液會逐漸流入供液裝置4,為多孔板1提供微藻所生長所需要的培養(yǎng)液。其中，根 據(jù)多孔板1承載的微藻生長情況和壓力表18顯示的壓力，將減壓閥16的壓力調(diào)整到適當(dāng) 的值；
[0095] 5.流經(jīng)培養(yǎng)液回收裝置3的培養(yǎng)液返回到培養(yǎng)液池6中，同時對培養(yǎng)液池6中的 成分進行實時監(jiān)測，如果成分達不到培養(yǎng)要求，及時補充相應(yīng)的培養(yǎng)液成分；
[0096] 6.壓力罐11中安裝有低液位檢測的液位計13,當(dāng)液位低于設(shè)定的液位后，將排氣 閥17打開，截止閥15打開，截止閥14關(guān)閉，培養(yǎng)液從培養(yǎng)液池6流入壓力罐11。重復(fù)步驟 3至步驟5的過程，實現(xiàn)對多孔板1上微藻不間斷供給培養(yǎng)液；
[0097] 7.在培養(yǎng)液浸潤整個多孔板1后，在多孔板1的表面上接種微藻；
[0098] 8.利用光源裝置8照射多孔板1，并設(shè)置培養(yǎng)系統(tǒng)100周圍的環(huán)境濕度和溫度，溫 度通常為20-35°C，濕度在50-80%的范圍，使得水生生物生長。
[0099]本發(fā)明實施例2的系統(tǒng)借助壓力表18、減壓閥16以及液位計13,可以根據(jù)微藻生 長狀況較為精確地控制培養(yǎng)液的供給量和速度，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制的目的。
[0100] 以下是將本發(fā)明的培養(yǎng)單元與現(xiàn)有技術(shù)進行比較，以進一步使本本發(fā)明的技術(shù)效 果得到體現(xiàn)：
[0101] 微藻表面牛長式培養(yǎng)系統(tǒng)的培養(yǎng)效果
[0102] 實施例1:本發(fā)明多孔板及對照的制備
[0103] 首先，混合物質(zhì)A和物質(zhì)B，所述物質(zhì)A為beta分子篩，具有約5人的第一孔徑，物 質(zhì)B包括鋁石、田菁粉和硝酸，以總質(zhì)量份數(shù)100份計算，物質(zhì)A為70份，物質(zhì)B為30份， 且鋁石：田菁粉：硝酸=25 :4 :1，在80至100°C的溫度范圍和常壓處理所述混合物，冷卻成 型為一板狀后，所得的多孔板具有約10-20 U m的第二孔徑，測定方法采用電子顯微鏡圖像 分析法（Optimas 6. 5，US)。前述方法得到的多孔板1尺寸為1米*2米*3厘米。另外，作 為上述物質(zhì)A，也可以使用約7A孔徑的ZSM-5分子篩。
[0104] 設(shè)置對照樣本，其為32支帆布，尺寸與所述多孔板相當(dāng)。
[0105] 實施例2:吸水率比較
[0106] 表1.吸水率比較
[0107]

【權(quán)利要求】
1. 一種表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，其特征是，該培養(yǎng)單元包括： 至少一個多孔板，所述多孔板是由剛性的吸水滲水材料制成，其表面用于附著光合微 生物； 至少一個供液裝置，所述供液裝置用于向所述多孔板提供光合微生物生長所需的培養(yǎng) 液，所述培養(yǎng)液被所述的多孔板吸收并滲透至該多孔板的表面； 至少一個培養(yǎng)液回收裝置，所述培養(yǎng)液回收裝置設(shè)于所述多孔板下端，以將各多孔板 下端滲出或未被多孔板吸收的培養(yǎng)液收集。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，其特征是，所述多孔板為 透水陶瓷板、水泥板、青磚板、紅磚板、陶土制成板或瓦板。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，其特征是，所述多孔板是 由基質(zhì)材料和添加劑制成的硬質(zhì)多孔板，其中，所述添加劑包括粘結(jié)劑，所述基質(zhì)材料為分 子篩、玻璃粉、玻璃砂或青石。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，其特征是，所述粘結(jié)劑包 含錯石。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，其特征是，所述粘結(jié)劑還 包含田菁粉和硝酸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，其特征是，所述分子篩 具有5 A?2nm的第一孔徑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，其特征是，所述多孔板包 含分子篩和錯石，其中所述分子篩為50-90質(zhì)量份，錯石為5-45質(zhì)量份。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，其特征是，所述多孔板包 含分子篩、鋁石、田菁粉和硝酸，其中所述分子篩為60-80質(zhì)量份，鋁石為15-35質(zhì)量份，田 菁粉為1-4質(zhì)量份，硝酸為1-4質(zhì)量份。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，其特征是，所述多孔板 具有3?40 iim的第二孔徑。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，其特征是，所述多孔板的 表面呈凹凸不平狀，其包括規(guī)則或不規(guī)則圖案。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，其特征是，所述供液裝置 系罩設(shè)于所述多孔板的頂端側(cè)緣。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，其特征是，所述供液裝置 以間隔方式設(shè)于該多孔板的頂端上方位置，所述供液裝置以噴淋、滴漏或滲漏的方式給該 多孔板提供培養(yǎng)液。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，其特征是，所述培養(yǎng)單元 還包括至少一個固定裝置，該固定裝置用于將所述多孔板以直立的方式固定于一個預(yù)定位 置。
14. 一種表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)，該培養(yǎng)系統(tǒng)包括： 一個由權(quán)利要求1-13任一項所述的培養(yǎng)單元所組成的陣列，以及 用于向所述陣列中的培養(yǎng)單元的供液裝置提供培養(yǎng)液的培養(yǎng)液供給裝置； 其中，所述培養(yǎng)液供給裝置包括培養(yǎng)液池、循環(huán)動力裝置，該循環(huán)動力裝置與各該供液 裝置連接，以將該培養(yǎng)液池內(nèi)的培養(yǎng)液輸送至各該供液裝置。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述循環(huán)動力裝置為泵。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述培養(yǎng)液供給裝置還 包括一個二氧化碳的混入裝置，所述混入裝置將二氧化碳混入至所述的培養(yǎng)液培養(yǎng)池中。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述循環(huán)動力裝置包括 壓力罐和空氣壓縮氣源，所述培養(yǎng)液池以管路連接至該壓力罐的進液口，所述培養(yǎng)液池能 夠?qū)⒁欢康呐囵B(yǎng)液輸入該壓力罐內(nèi)暫存，所述壓力罐的出液口通過管路與各該供液裝置 連接，該空氣壓縮氣源連接該壓力罐的進氣口，通過啟動該空氣壓縮氣源工作向該壓力罐 內(nèi)增壓，以該壓力罐內(nèi)暫存的培養(yǎng)液輸送至各該供液裝置。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述壓力罐的一側(cè)設(shè)有 一個通向外界的排氣閥，該培養(yǎng)液池連接至該壓力罐之間的管路上設(shè)有第一截止閥，該空 氣壓縮氣源連接至該壓力罐之間的管路上設(shè)有第二截止閥和一個減壓閥。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征是，該壓力罐底部還設(shè)有一 個液位檢測計，該壓力罐連接至各該供液裝置的管路上設(shè)有一個壓力表。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15或17所述的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述培養(yǎng)液回收裝 置將該多孔板下端滲出或未被多孔板吸收的培養(yǎng)液收集并通過管路返回至培養(yǎng)液池。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15或17所述的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述多孔板與培養(yǎng) 液回收裝置中的培養(yǎng)液接觸。
22. 根據(jù)權(quán)利要求15或17所述的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述培養(yǎng)單元為 至少兩個，相鄰培養(yǎng)單元之間設(shè)置有光源裝置，該光源裝置與所述培養(yǎng)單元平行地設(shè)置；或 者，所述各培養(yǎng)單元平行放置形成陣列，而將一光源裝置設(shè)于該陣列的一側(cè)，與各該培養(yǎng)單 元垂直。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述光源為自然光或人 工光源，所述人工光源為雙面光源或單面光源。
24. -種運用權(quán)利要求14-23任一項所述的表面生長式培養(yǎng)系統(tǒng)培養(yǎng)光合微生物的方 法，包括以下步驟： a) 將培養(yǎng)液池中的培養(yǎng)液通過泵或空氣壓縮氣源及壓力罐輸送至各供液裝置，供液裝 置以噴淋、滴漏或滲漏的方式給多孔板提供培養(yǎng)液，使培養(yǎng)液浸潤整個多孔板； b) 在所述多孔板上接種光合微生物； c) 設(shè)置環(huán)境濕度和溫度，在適合光合微生物生長的光強下使得光合微生物進行光合作 用、生長繁殖。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的培養(yǎng)光合微生物的方法，其特征是，在步驟a)中，還包括將 所述多孔板上滲出或未被多孔板吸收的培養(yǎng)液回收至培養(yǎng)液池中的步驟，同時監(jiān)測培養(yǎng)液 池中的培養(yǎng)液成分，及時向培養(yǎng)液池補充營養(yǎng)成分。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的培養(yǎng)光合微生物的方法，其特征是，所述光合微生物包括 小球藻、螺旋藻、綠藻、柵藻、等鞭金藻、微擬球藻或血球藻。
【文檔編號】C12M1/00GK104328032SQ201410602029
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】胡強 申請人:國家開發(fā)投資公司, 中國電子工程設(shè)計院