本發(fā)明涉及一種噴霧式微藻固定化培養(yǎng)與噴射式收獲裝置及其控制方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著化石燃料日益枯竭和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，使人們對(duì)開發(fā)新能源的需求越來(lái)也迫切。微藻是一類在陸地、海洋分布廣泛，生長(zhǎng)速度快、光合利用度高的自養(yǎng)植物，可用于高效的固定二氧化碳和廢水處理，并且通過(guò)細(xì)胞代謝可產(chǎn)生蛋白質(zhì)、油脂、多糖、色素等多種活性物質(zhì)，因此微藻是制備生物能源的良好原料，開發(fā)和利用微藻將是解決人類能源問(wèn)題的重要途徑。同時(shí)，微藻在食品工業(yè)、醫(yī)療工業(yè)、生物技術(shù)和環(huán)境凈化等方面也有著很好的應(yīng)用前景。

但是，由于目前技術(shù)尚不成熟，導(dǎo)致微藻生產(chǎn)成本高，效率低；同時(shí)，由于微藻細(xì)胞較小，密度與水相近，且表面帶負(fù)電荷，在培養(yǎng)基中會(huì)形成均一體系，這給微藻采收過(guò)程帶來(lái)了很大的難度，造成微藻收獲成本高的問(wèn)題。

目前微藻培養(yǎng)主要有開放式和封閉式兩類光生物反應(yīng)器，但這兩種培養(yǎng)方式都屬于懸浮培養(yǎng)模式，即微藻在培養(yǎng)基中通常處于個(gè)體懸浮的狀態(tài)，這給培養(yǎng)后微藻的收獲和與水的分離帶來(lái)了極大的困難。而且在懸浮培養(yǎng)過(guò)程中，隨著微藻細(xì)胞濃度的增加，微藻細(xì)胞間的相互遮擋效應(yīng)愈發(fā)顯著，使得入射光強(qiáng)沿其傳播方向呈指數(shù)規(guī)律衰減，嚴(yán)重的抑制了微藻光合作用效率的提高和快速生長(zhǎng)，進(jìn)而制約了微藻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

為了降低微藻培養(yǎng)過(guò)程中的日常維護(hù)和收獲兩方面的成本，國(guó)內(nèi)外部分研究人員開始致力于一種新型的反應(yīng)器培養(yǎng)模式：微藻固定化培養(yǎng)模式—微藻細(xì)胞附著一些吸附材料上形成生物膜。相比于懸浮培養(yǎng)，使用固定化培養(yǎng)的生長(zhǎng)密度可以得到大幅度的提升，這是由于使用質(zhì)液分離的培養(yǎng)方法可以提高固碳效率和光合作用效率。但目前用于微藻固定化培養(yǎng)反應(yīng)器或系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法適應(yīng)于規(guī)?；囵B(yǎng)模式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)以上不足之處，提供了一種噴霧式微藻固定化培養(yǎng)與噴射式收獲裝置及其控制方法，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)和收獲一體。

本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的方案是：一種噴霧式微藻固定化培養(yǎng)與噴射式收獲裝置，包括一支撐架、設(shè)置于支撐架上的傳動(dòng)軸、若干個(gè)沿傳動(dòng)軸長(zhǎng)度方向間隔設(shè)置的轉(zhuǎn)盤以及分別設(shè)置于每個(gè)轉(zhuǎn)盤上用于培養(yǎng)微藻的載體；所述傳動(dòng)軸經(jīng)一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；兩相鄰載體之間分別設(shè)有噴射管，所述噴射管頭部連接有一個(gè)以上的噴霧頭或噴射頭，所述噴射管固定于位于地面的一總水管上，所述噴射管與總水管相連通，所述載體的下方還設(shè)有一用于容置培養(yǎng)液的集液槽，所述集液槽中的培養(yǎng)液經(jīng)一水泵輸入至總水管中；所述總水管上設(shè)有一調(diào)節(jié)閥；每個(gè)載體表面還設(shè)有二氧化碳通氣管，所述二氧化碳通氣管經(jīng)一二氧化碳過(guò)濾器與一二氧化碳發(fā)生器相連通。

進(jìn)一步的，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸相連的齒輪組件，所述傳動(dòng)軸與所述齒輪組件的輸出軸相連。

進(jìn)一步的，每個(gè)轉(zhuǎn)盤各自經(jīng)兩個(gè)限位卡環(huán)卡設(shè)于所述傳動(dòng)軸上，兩個(gè)限位卡環(huán)分別位于轉(zhuǎn)盤的兩側(cè)。

進(jìn)一步的，所述噴射管均由一個(gè)以上相互活動(dòng)套接的套筒組成，兩相鄰套筒之間通過(guò)內(nèi)外設(shè)置的螺紋可拆卸連接。

進(jìn)一步的，所述水泵與一交流調(diào)壓電源電連，通過(guò)交流調(diào)壓電源上的調(diào)壓旋鈕調(diào)節(jié)輸出電壓控制水泵的輸出壓力。

進(jìn)一步的，每個(gè)噴射管上分別設(shè)有一開關(guān)閥。

本發(fā)明還提供一種如上述所述的噴霧式微藻固定化培養(yǎng)與噴射式收獲裝置的控制方法，包括以下步驟：

步驟s1：將微藻細(xì)胞接種于各個(gè)載體上，然后將載體一一對(duì)應(yīng)固定于每個(gè)轉(zhuǎn)盤上；

步驟s2：經(jīng)每個(gè)轉(zhuǎn)盤沿傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度方向間隔固定，通過(guò)限位卡環(huán)調(diào)節(jié)每個(gè)轉(zhuǎn)盤之間的間距；

步驟s3：通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)載體轉(zhuǎn)動(dòng)；此時(shí)開啟交流調(diào)壓電源，通過(guò)調(diào)壓旋鈕調(diào)節(jié)輸出電壓使霧化噴頭噴出的壓力維持在0～0.004mpa之間；通過(guò)水泵將集液槽中的培養(yǎng)液經(jīng)噴霧頭噴射于載體上，進(jìn)行微藻細(xì)胞的培養(yǎng)；

步驟s4：同時(shí)通過(guò)通氣管通入潤(rùn)濕后的二氧化碳?xì)怏w；

步驟s5：待載體上的微藻生物膜厚度達(dá)到可以收獲后，通過(guò)自動(dòng)控制將噴霧頭處開關(guān)關(guān)閉，同時(shí)打開噴射頭開關(guān)，并通過(guò)調(diào)壓旋鈕使噴射管一端的噴射頭所噴出的壓力大于0.004mpa；通過(guò)噴射頭噴出的培養(yǎng)液將載體上的微藻噴射下來(lái)至集液槽中，收集藻泥；

步驟s6：重新打開噴霧頭處開關(guān)，同時(shí)將噴射頭處開關(guān)關(guān)閉，并且重新在集液槽中添加營(yíng)養(yǎng)液；轉(zhuǎn)至步驟s3。

進(jìn)一步的，在步驟s4中，所述通入的二氧化碳為2～10%，通氣速率維持在10～100ml/min。

進(jìn)一步的，在步驟s3或步驟s6中，通過(guò)調(diào)節(jié)噴射管的長(zhǎng)度，調(diào)整噴射頭或者噴霧頭相對(duì)于轉(zhuǎn)盤中心的位置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下有益效果：培養(yǎng)液通過(guò)噴霧頭將霧化后的培養(yǎng)液噴射于載體上，載體在傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)均勻噴射，并且可以將噴霧頭換為噴射頭，收獲藻泥，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)和收獲一體，并且能同時(shí)切換微藻的固定化培養(yǎng)與收獲模式，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化培養(yǎng)，可操作性強(qiáng)，運(yùn)行成本低，連續(xù)性好。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明專利進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的噴霧式微藻固定化培養(yǎng)與噴射式收獲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-驅(qū)動(dòng)電機(jī)；2-齒輪組件；3-支撐架；4-傳動(dòng)軸；5-轉(zhuǎn)盤；6-限位卡環(huán)；7-噴霧頭；8-噴射管；9-二氧化碳通氣管；10-總水管；11-二氧化碳過(guò)濾器；12-二氧化碳發(fā)生器；13-集液槽；14-交流調(diào)壓電源。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，本實(shí)施例的一種噴霧式微藻固定化培養(yǎng)與噴射式收獲裝置，包括一支撐架3、設(shè)置于支撐架3上的傳動(dòng)軸4、若干個(gè)沿傳動(dòng)軸4長(zhǎng)度方向間隔設(shè)置的轉(zhuǎn)盤5以及分別設(shè)置于每個(gè)轉(zhuǎn)盤5上用于培養(yǎng)微藻的載體；所述傳動(dòng)軸4經(jīng)一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；兩相鄰載體之間分別設(shè)有噴射管8，所述噴射管8頭部連接有一個(gè)以上的噴霧頭7或噴射頭，所述噴射管8固定于位于地面的總水管上10，并且所述與總水管10相連通，所述載體的下方還設(shè)有一用于容置培養(yǎng)液的集液槽13，所述集液槽13中的培養(yǎng)液經(jīng)一水泵輸入至總水管10中；所述總水管10上設(shè)有一調(diào)節(jié)閥；每個(gè)載體表面還設(shè)有二氧化碳通氣管9，所述二氧化碳通氣管9經(jīng)一二氧化碳過(guò)濾器11與一二氧化碳發(fā)生器12相連通。

從上述可知，本發(fā)明的有益效果在于：將培養(yǎng)液通過(guò)噴霧頭7將霧化后的培養(yǎng)液噴射于載體上，載體在傳動(dòng)軸4的轉(zhuǎn)動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)均勻噴射，并且可以通過(guò)自動(dòng)控制關(guān)閉噴霧頭7處同時(shí)打開噴射頭處的開關(guān)，從培養(yǎng)模式切換到收獲模式，收獲已藻泥，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)和收獲一體。所述的轉(zhuǎn)盤5為鏤空的轉(zhuǎn)盤5，減少轉(zhuǎn)盤5的重量，進(jìn)而減輕電機(jī)的功率輸出，減少生產(chǎn)成本。

在本實(shí)施例中，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)1以及與驅(qū)動(dòng)電機(jī)1輸出軸相連的齒輪組件2，所述傳動(dòng)軸4與所述齒輪組件2的輸出軸相連。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)1可以控制傳動(dòng)軸4的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，實(shí)現(xiàn)均勻噴射。

在本實(shí)施例中，每個(gè)轉(zhuǎn)盤5各自經(jīng)兩個(gè)限位卡環(huán)6卡設(shè)于所述傳動(dòng)軸4上，兩個(gè)限位卡環(huán)6分別位于轉(zhuǎn)盤5的兩側(cè)?？梢酝ㄟ^(guò)兩個(gè)限位卡環(huán)6分別卡在圓盤的兩側(cè)，進(jìn)行限位，而且能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)盤5之間的間距可調(diào)，靈活性高。

在本實(shí)施例中，所述噴射管8均由一個(gè)以上相互活動(dòng)套接的套筒組成，兩相鄰套筒之間通過(guò)內(nèi)外設(shè)置的螺紋可拆卸連接。所述噴射管8是一套筒式可伸縮的噴射裝置，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)套筒調(diào)節(jié)噴射管8的長(zhǎng)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)噴射管頭部相對(duì)于轉(zhuǎn)盤中心的位置。所述噴射管8頭部所接的噴頭數(shù)目可以根據(jù)規(guī)模不同可設(shè)置單個(gè)或多個(gè)噴頭。通過(guò)調(diào)節(jié)噴射管8的長(zhǎng)度，調(diào)整噴射頭相對(duì)于轉(zhuǎn)盤的相對(duì)位置，更好的進(jìn)行噴射。

在本實(shí)施例中，所述水泵與一交流調(diào)壓電源相電連，通過(guò)調(diào)壓旋鈕調(diào)節(jié)輸出電壓，進(jìn)而控制水泵輸出壓力。

在本實(shí)施例中，每個(gè)噴射管8上分別設(shè)有一開關(guān)閥。通過(guò)開關(guān)閥，可以更加靈活的控制每個(gè)噴射管8的噴射。

本發(fā)明還提供一種如上述所述的噴霧式微藻固定化培養(yǎng)與噴射式收獲裝置的控制方法，包括以下步驟：

步驟s1：將微藻細(xì)胞接種于各個(gè)載體上，然后將載體一一對(duì)應(yīng)固定于每個(gè)轉(zhuǎn)盤5上；

步驟s2：經(jīng)每個(gè)轉(zhuǎn)盤5沿傳動(dòng)軸4的長(zhǎng)度方向間隔固定，通過(guò)限位卡環(huán)6調(diào)節(jié)每個(gè)轉(zhuǎn)盤5之間的間距；

步驟s3：通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)載體轉(zhuǎn)動(dòng)；此時(shí)開啟交流調(diào)壓電源裝置14，通過(guò)調(diào)壓旋鈕調(diào)節(jié)輸出電壓使霧化噴頭噴出的壓力維持在0～0.004mpa之間；通過(guò)水泵將集液槽13中的培養(yǎng)液經(jīng)噴霧頭7噴射于載體上，進(jìn)行微藻細(xì)胞的培養(yǎng)；

步驟s4：同時(shí)通過(guò)通氣管9通入潤(rùn)濕后的二氧化碳?xì)怏w；

步驟s5：待載體上的微藻生物膜厚度達(dá)到可以收獲時(shí)，通過(guò)自動(dòng)控制將噴霧頭處開關(guān)關(guān)閉，同時(shí)打開噴射頭開關(guān)，并通過(guò)調(diào)壓旋鈕使噴射管一端的噴射頭所噴出的壓力大于0.004mpa，通過(guò)噴射頭噴出的培養(yǎng)液將載體上的微藻噴射下來(lái)至集液槽13中，收集藻泥；

步驟s6：重新將噴射頭替換為噴霧頭7，并且重新在集液槽13中添加營(yíng)養(yǎng)液；轉(zhuǎn)至步驟s3。

通過(guò)噴射后的載體表面還有部分微量的微藻殘留，可以作為下一輪生長(zhǎng)的種子，只需再把噴射頭處開關(guān)關(guān)閉并打開噴霧頭7處開關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)收獲模式到培養(yǎng)模式的切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一個(gè)半連續(xù)培養(yǎng)模式。

在本實(shí)施例中，在步驟s4中，所述通入的二氧化碳為2～10%，通氣速率維持在10～100ml/min。通過(guò)二氧化碳過(guò)濾器11，可以使通入的干燥的co2得到潤(rùn)濕，進(jìn)而更容易進(jìn)入載體表面被微藻細(xì)胞所吸收，從而達(dá)到高效培養(yǎng)微藻的目的。

在本實(shí)施例中，在步驟s3或步驟s6中，通過(guò)調(diào)節(jié)噴射管8的長(zhǎng)度，調(diào)整噴射頭或者噴霧頭7相對(duì)轉(zhuǎn)盤中心的位置。

綜上所述，本發(fā)明提供的一種噴霧式微藻固定化培養(yǎng)與噴射式收獲裝置及其控制方法，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；囵B(yǎng)，可操作性強(qiáng)，運(yùn)行成本低，連續(xù)性好。

上列較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。