覆膜多孔板結(jié)構(gòu)表面生長(zhǎng)式培養(yǎng)板、培養(yǎng)單元及培養(yǎng)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種用于微藻養(yǎng)殖的覆膜多孔板結(jié)構(gòu)的表面生長(zhǎng)式培養(yǎng)板、培養(yǎng) 單元及培養(yǎng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 藻類是一種能夠進(jìn)行光合作用的水生浮游藻類，微藻是其中個(gè)體小到僅能夠在顯 微鏡下觀察到的一類單細(xì)胞藻類。某些微藻本身富含蛋白質(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(jì)價(jià)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(guò)微藻大規(guī)模培養(yǎng)以從中提取微藻油脂，進(jìn) 而轉(zhuǎn)化成生物柴油被認(rèn)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(méi)式，以大量水作為 微藻生活支撐介質(zhì)。主要包括開(kāi)放式培養(yǎng)池與密閉式光生物反應(yīng)器（photobioreactor, PBR)兩種形式。開(kāi)放式培養(yǎng)池的優(yōu)點(diǎn)在于建造和運(yùn)行的成本較低。但由于開(kāi)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(xì)胞能夠接受較充足的光照，池 底細(xì)胞往往難以接受到充分光照；其次，開(kāi)放池培養(yǎng)運(yùn)行水深較淺，一般只有10-30厘米， 使得通氣補(bǔ)碳時(shí)氣液接觸時(shí)間短，補(bǔ)碳效率低，培養(yǎng)液中溶解二氧化碳（CO 2)的不足，使光 合作用受到限制；再一個(gè)是開(kāi)放式升溫慢，不能在短時(shí)間內(nèi)升到酶活性最好的溫度25°C， 經(jīng)常錯(cuò)失光利用的最佳時(shí)機(jī)；而在夜間開(kāi)放式池內(nèi)溫度自然下降太慢，使藻細(xì)胞仍然保持 旺盛的呼吸作用，將白天存儲(chǔ)的能量消耗掉，故使藻細(xì)胞內(nèi)有用的代謝物含量太低。因此開(kāi) 放池培養(yǎng)的細(xì)胞生長(zhǎng)速度與培養(yǎng)密度均較低，另外其占地還大，容易受到污染。與其相比， PBR-般是采用透光材料（如玻璃、有機(jī)玻璃、塑料薄膜等）制成的細(xì)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(xì)胞光照較充分。同時(shí)，補(bǔ)碳?xì)怏w與液體接觸時(shí)間 長(zhǎng)，培養(yǎng)液溶解〇) 2濃度較高，因而細(xì)胞生長(zhǎng)速度與培養(yǎng)密度均較開(kāi)放培養(yǎng)池高。但該類PBR 通常造價(jià)昂貴、運(yùn)行成本高、維護(hù)困難、難于大型化，產(chǎn)率為5?30g/m2/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論預(yù) 測(cè)值100?200g/m 2/d，達(dá)不到產(chǎn)業(yè)化的理論計(jì)算目標(biāo)，光能利用率低，這項(xiàng)微藻大規(guī)模培養(yǎng) 實(shí)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(lái)，出現(xiàn)了一種半干式培養(yǎng)系統(tǒng)，并且已有文獻(xiàn)報(bào)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(diǎn)：（1)機(jī)械強(qiáng)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(xì)薄結(jié)構(gòu)；（2)表面濕度不均 勻，微藻生長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)，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)模化生產(chǎn)。
[0005] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本實(shí)用新型采用一種新型表面生長(zhǎng)式培養(yǎng)單元、培養(yǎng) 系統(tǒng)及培養(yǎng)方法。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 為克服上述缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提供一種覆膜多孔板結(jié)構(gòu)的表面生長(zhǎng)式培養(yǎng)板，其 包括：
[0007] 一層多孔板，該多孔板由剛性吸水滲水材料制成，該多孔板具有第一孔徑；以及在 該多孔板兩側(cè)分別覆蓋一層超微孔膜，所述超微孔膜具有第二孔徑，其中第二孔徑小于第 一孔徑，所述超微孔膜的第二孔徑的大小能夠防止細(xì)菌或藻進(jìn)入到內(nèi)部，但允許水、無(wú)機(jī)鹽 滲出。
[0008] 所述超微孔膜的第二孔徑需要根據(jù)所要培養(yǎng)的微藻品種來(lái)確定，不同的微藻品 種，其粒徑不同，所述超微孔膜的第二孔徑需使小于微藻的粒徑，以防止藻種逆向移動(dòng)至多 孔板內(nèi)部，而使藻種無(wú)法正常生長(zhǎng)，還可以避免具有毒性作用的細(xì)菌等污染物進(jìn)入至多孔 板內(nèi)部。由于，通常情況下水分子的粒徑約4A,圮機(jī)鹽粒徑在2nm以下，而微藻或細(xì)菌的粒 徑遠(yuǎn)大于水或無(wú)機(jī)鹽分子的粒徑，最小的藻粒徑也在1 μ m以上，因而兩者之間存在3個(gè)數(shù) 量級(jí)的差距，則超微孔膜的第二孔徑的選擇范圍也較大，原則上水和無(wú)機(jī)鹽能夠自由滲出， 而使藻和細(xì)菌只能停留在表面即符合本實(shí)用新型的要求。
[0009] 在一個(gè)實(shí)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、玻璃砂、玻璃粉或青石。
[0010] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述粘結(jié)劑包含鋁石。
[0011] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述粘結(jié)劑還包含田菁粉和硝酸。
[0012] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述分子篩具有5 A ~ 2nm的孔徑、較佳為6 ~ 8人。
[0013] 在一個(gè)實(shí)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(cuò)石為5-45質(zhì)量份。
[0014] 在一個(gè)實(shí)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(cuò)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。
[0015] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述多孔板具有3?40 μ m的第一孔徑。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述超微孔膜是由分子篩beta或分子篩ZSM-5所形成。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述多孔板外側(cè)所覆蓋的超微孔膜通過(guò)以下方法制備：用含 有分子篩beta或分子篩ZSM-5的制膜液，將該多孔板在室溫和常壓下通過(guò)輥?zhàn)油坎?、噴?或浸沒(méi)法處理，形成該超微孔膜。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述超微孔膜具有0. 2?3 μ m的第二孔徑，在這個(gè)孔徑范圍 時(shí)，無(wú)機(jī)鹽和水分子可以順利滲透，而藻種和細(xì)菌皆無(wú)法進(jìn)入到多孔板內(nèi)部；較優(yōu)選的，所 述第二孔徑為〇. 2 μ m?0. 45 μ m之間，能夠阻擋絕大多數(shù)污染細(xì)菌。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述培養(yǎng)板的表面呈凹凸不平狀。
[0020] 此外，本實(shí)用新型還提供了一種包含上述培養(yǎng)板的培養(yǎng)單元，其包括：
[0021] 至少一個(gè)前述任一個(gè)方案的培養(yǎng)板，其表面供附著微藻生長(zhǎng)；
[0022] 至少一個(gè)供液裝置，所述供液裝置用于向所述培養(yǎng)板提供微藻生長(zhǎng)所需的培養(yǎng) 液，所述培養(yǎng)液被所述的培養(yǎng)板吸收并滲透至該培養(yǎng)板的表面；
[0023] 至少一個(gè)培養(yǎng)液回收裝置，所述培養(yǎng)液回收裝置設(shè)于所述培養(yǎng)板下端，以將各培 養(yǎng)板下端滲出或未被培養(yǎng)板吸收的培養(yǎng)液收集。
[0024] 在上述培養(yǎng)單元的一個(gè)實(shí)施方案中，所述供液裝置系罩設(shè)于所述培養(yǎng)板的頂端。
[0025] 在上述培養(yǎng)單元的一個(gè)實(shí)施方案中，所述供液裝置以間隔方式設(shè)于該培養(yǎng)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培養(yǎng)板提供培養(yǎng)液。
[0026] 在上述培養(yǎng)單元的一個(gè)實(shí)施方案中，所述培養(yǎng)單元還包括至少一個(gè)固定裝置，該 固定裝置用于將所述培養(yǎng)板以直立的方式固定于一個(gè)預(yù)定位置。
[0027] 此外，本實(shí)用新型還提供了一種包含上述培養(yǎng)單元的表面生長(zhǎng)式培養(yǎng)系統(tǒng)，該培 養(yǎng)系統(tǒng)包括：
[0028] -個(gè)由上述任一個(gè)實(shí)施方案中培養(yǎng)單元所組成的陣列，以及
[0029] 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；
[0030] 其中，所述培養(yǎng)液供給裝置包括培養(yǎng)液池、和循環(huán)動(dòng)力裝置，所述培養(yǎng)液池用于儲(chǔ) 存培養(yǎng)液，所述循環(huán)動(dòng)力裝置用于將所述培養(yǎng)液池中的培養(yǎng)液輸送至各該供液裝置。
[0031] 在本實(shí)用新型培養(yǎng)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案中，所述循環(huán)動(dòng)力裝置為一個(gè)泵，該泵設(shè) 于該培養(yǎng)液池連接至各該供液裝置的管路上。
[0032] 在本實(shí)用新型培養(yǎng)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案中，所述培養(yǎng)液供給裝置還包括一個(gè)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。
[0033] 在本實(shí)用新型培養(yǎng)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案中，所述循環(huán)動(dòng)力裝置包括一個(gè)壓力罐、 一個(gè)空氣壓縮氣源，其中該壓力罐與該培養(yǎng)池連接，該培養(yǎng)池中的培養(yǎng)液輸入至該壓力罐 中暫存，該空氣壓縮氣源連接至該壓力罐，用于對(duì)壓力罐內(nèi)部進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，該壓力罐的通 過(guò)管道連接至各該供液裝置，開(kāi)啟該空氣壓縮氣源對(duì)該壓力罐增壓，使壓力罐內(nèi)的培養(yǎng)液 輸送至各該供液裝置。
[0034] 在本實(shí)用新型培養(yǎng)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案中，該壓力罐連接一個(gè)液位計(jì)，該空氣壓 縮氣源連接至該壓力罐的管路上設(shè)有截止閥、減壓閥，該壓力罐連接至各該供液裝置的管 路上設(shè)有一個(gè)壓力表。
[0035] 在本實(shí)用新型培養(yǎng)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案中，所述培養(yǎng)液回收裝置將該培養(yǎng)板下端 滲出或未被該培養(yǎng)板吸收的培養(yǎng)液收集并通過(guò)管路返回至培養(yǎng)液池。
[0036] 在本實(shí)用新型培養(yǎng)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案中，所述培養(yǎng)板與培養(yǎng)液回收裝置中的培 養(yǎng)液接觸。
[0037] 在本實(shí)用新型培養(yǎng)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案中，所述培養(yǎng)單元為至少兩個(gè)，相鄰培養(yǎng) 單元之間設(shè)置有光源裝置，該光源裝置與所