一種提高微藻養(yǎng)殖效率的開放式跑道池的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種提高微藻養(yǎng)殖效率的開放式跑道池。包括開放式跑道池，還包括太陽能驅(qū)動潛水發(fā)光二極管光源系統(tǒng)和二氧化碳防溢罩。本實用新型通過在跑道池中放置若干依靠太陽能驅(qū)動的LED光源，為深層藻液提供光照，根據(jù)實際需要，調(diào)節(jié)LED光源強度，在夜間和陰天條件時，為藻細(xì)胞的生長提供光源；在跑道池中放置二氧化碳防溢罩，增加二氧化碳與水體的接觸時間，提高二氧化碳的利用效率。從而解決了微藻陰天或夜間的光限制生長問題、二氧化碳的高效利用問題，大幅提高了微藻生物質(zhì)的生產(chǎn)效率。
【專利說明】一種提高微藻養(yǎng)殖效率的開放式跑道池

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本實用新型屬于微藻養(yǎng)殖領(lǐng)域，具體涉及一種提高微藻養(yǎng)殖效率的開放式跑道 池。

【背景技術(shù)】：
[0002] 微藻是一類體積較小、可進行光合作用的低等植物，它在生物制藥、營養(yǎng)品、保健 品、生物肥料、天然食品加工、生物餌料、污水處理和可再生能源生產(chǎn)等領(lǐng)域具有重要的開 發(fā)和利用價值，隨著全球石化能源的日益枯竭和環(huán)境的惡化，微藻作為一種潛在的可再生 能源生產(chǎn)者，更加受到各國政府和科學(xué)家的關(guān)注。
[0003] 目前商品化微藻主要利用戶外開放式跑道池進行養(yǎng)殖（如螺旋藻、小球藻和鹽藻 等），最典型的開放式跑道池是由〇swald(1969)設(shè)計，該跑道池以自然光為光源，依靠槳輪 的轉(zhuǎn)動，使培養(yǎng)液在池內(nèi)混合循環(huán)。開放式跑道池微藻培養(yǎng)系統(tǒng)雖然已經(jīng)歷了多年的發(fā)展， 但其生產(chǎn)效率偏低的缺點卻一直未被突破，開放式跑道池中微藻生物質(zhì)的濃度普遍低于 I. Og · Γ1，與高密度培養(yǎng)相差甚遠(yuǎn)，并且較低的細(xì)胞密度會導(dǎo)致微藻采收成本的大幅增加。
[0004] 影響開放式跑道池養(yǎng)殖效率的環(huán)境因素主要有：1)光照，光合作用是專性自養(yǎng) 微藻一切代謝活動，如營養(yǎng)元素吸收、細(xì)胞生長、物質(zhì)合成、細(xì)胞分裂等所需能量和碳骨 架的來源，太陽是目前開放式跑道池中微藻生長的光源供應(yīng)者，日照強弱和照射時間對 微藻生長具有重要影響，陰天光強低，微藻生長緩慢，夜間無光照，微藻生長停滯，此外， 一些微藻夜間的呼吸速率較大，藻細(xì)胞白天積累的生物質(zhì)在夜間會分解20-50%以上，影 響生產(chǎn)效率；2)碳源，碳源是微藻生長和代謝所必需的大量元素之一（約占細(xì)胞干重的 50% )，無碳源供給，微藻的生命活動將終止，對光自養(yǎng)型微藻而言，CO32'HC<V和CO 2均 可作為它生長所需的碳源，但研究表明：C0廣和HCCV不能被微藻直接利用，而需要通過 "C〇2+H 20 H2CO3T^ H_+HC(V 2H>CO,2"':轉(zhuǎn)換為 CO2，才可以參與細(xì) 胞的碳固定，CO2是卡爾文循環(huán)唯一的碳源底物。自然條件下，C032'HC<V和CO 2之間的轉(zhuǎn)換 效率較低（淡水的飽和CO2濃度約為17μΜ)，如果僅依靠三種無機碳源形式之間的自然轉(zhuǎn) 換，將難以滿足微藻快速生長的需要，同時，微藻生長過程中，會導(dǎo)致培養(yǎng)液PH值的升高， 當(dāng)PH值升高至對其不利的狀態(tài)時，將抑制微藻的生長，因此，微藻培養(yǎng)過程中需要定期補 入一定量的二氧化碳，一方面補充微藻生長所需的一部分無機碳，另一方面調(diào)控培養(yǎng)液的 PH值，傳統(tǒng)開放式跑道池通常在池底部設(shè)置若干管路，直接通入二氧化碳，此方法二氧化碳 吸收利用效率較低，大量未被吸收的溫室氣體二氧化碳釋放到空氣中，引起環(huán)境污染。
[0005] 目前針對開放式跑道池中光限制和碳利用兩個問題，科研工作者已經(jīng)提出了一些 解決方案：
[0006] 1) 一種實現(xiàn)微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的跑道池光生物反應(yīng)器（中國專利， CN201110253992. 5)，該跑道池光生物反應(yīng)器包括主體跑道池、藻液噴淋單元、攪拌系統(tǒng)及 藻液循環(huán)系統(tǒng)，其中，藻液噴淋單元通過金屬支撐架固定在所述主體跑道池內(nèi)，通過將藻液 噴淋，增加藻液與空氣的接觸面，提高二氧化碳的傳質(zhì)效率，使更多二氧化碳溶解在藻液 中，供藻細(xì)胞生長使用。但此方法需要格外增加隔膜泵，增加能耗，目前仍未被應(yīng)用在開放 式跑到池培養(yǎng)系統(tǒng)中。
[0007] 2) -種用于微藻規(guī)模培養(yǎng)的裝置及培養(yǎng)方法（中國專利，CN201010136300. 4)，該 發(fā)明將開放式跑道池與光生物反應(yīng)器進行耦合，在光生物反應(yīng)器中補入二氧化碳，通過輸 送泵將補充二氧化碳的藻液泵入跑道池中，該裝置明顯提高開放式跑道池微藻培養(yǎng)的光合 固碳效率、生長速率與培養(yǎng)密度，縮短培養(yǎng)周期，降低微藻規(guī)模培養(yǎng)裝置成本與運行成本。 該系統(tǒng)以成本換取產(chǎn)量，成本較高，目前僅限于實驗室研究。
[0008] 3)太陽能內(nèi)光源微藻生物反應(yīng)器（中國專利，CN201310168483. 1)，該實用新型公 開了一種太陽能內(nèi)光源微藻生物反應(yīng)器，包括跑道池、攪拌葉輪、供氣裝置和供液裝置，跑 道池內(nèi)設(shè)有太陽能內(nèi)光源模塊，可使藻液深層內(nèi)部也能獲得光照，極大地增加了培養(yǎng)池中 藻液的光照表面積體積比，改善了光生物反應(yīng)器的太陽能利用率，大大提高了開放式光生 物反應(yīng)器的培養(yǎng)密度。該系統(tǒng)未考慮光能的儲存模塊，應(yīng)用范圍較窄。
[0009] 4)用于開放池培養(yǎng)微藻的水平浸沒罩式補碳裝置及其補碳方法（中國專利， CN201210138845.8)，該發(fā)明提供的補碳裝置包括一個或兩個以上罩子和氣體分布器，氣體 分布器設(shè)置于開放池底部，罩子罩于氣體分布器上方，罩子呈兩端開口的筒體，沿培養(yǎng)液流 動方向布置，罩子的兩端口分別為培養(yǎng)液進口和培養(yǎng)液出口，該發(fā)明在開放池內(nèi)培養(yǎng)微藻 細(xì)胞時，能夠有效利用二氧化碳進行補碳，大大降低了生產(chǎn)成本。未涉及二氧化碳的暫存問 題，二氧化碳通過該裝置時間短。
[0010] 5)用于跑道池培養(yǎng)微藻的高壓微噴補碳系統(tǒng)（中國專利，CN201210488980. 5)，該 發(fā)明提供的高壓微噴補碳系統(tǒng)包括提供高壓液體、高壓CO2、高壓微噴裝置及微噴頭組。高 壓液體與高壓CO 2氣體逆向兩相密切接觸，微噴形成的CO2微小氣泡在高壓條件下溶解溶解 度增大，通過調(diào)節(jié)氣體、液體流量使CO 2充分溶于液體中，溶解了 CO2的液體進入置于跑道池 的微噴頭組，最終被釋放到跑道池中。本發(fā)明克服了現(xiàn)有跑道池培養(yǎng)過程中直接以氣態(tài)CO 2 形式補充碳源的缺點，提供了一種CO2利用率高、分布均勻且安裝簡單的補碳系統(tǒng)。該專利 與"一種用于微藻規(guī)模培養(yǎng)的裝置及培養(yǎng)方法（中國專利，CN201010136300. 4) "相似，在高 壓噴淋容易造成藻細(xì)胞損傷。 實用新型內(nèi)容：
[0011] 本實用新型的目的是提供一種能提高微藻養(yǎng)殖效率的開放式跑道池。
[0012] 本實用新型的能提高微藻養(yǎng)殖效率的開放式跑道池，包括開放式跑道池，其特征 在于，還包括太陽能驅(qū)動潛水發(fā)光二極管光源系統(tǒng)和二氧化碳防溢罩；
[0013] 所述的太陽能驅(qū)動潛水發(fā)光二極管光源系統(tǒng)包括LED光源、光源防水罩、太陽能 電池板、儲能電池、中央控制器和光感受器，所述的LED光源置于光源防水罩中，分布于開 放式跑道池的藻液中,LED光源、中央控制器器、儲能電池和太陽能電池板順序電連接，中央 控制器還與光感受器相連；
[0014] 所述的二氧化碳防溢罩包括罩體、液位計、氣體分布器和抽氣泵，所述的罩體罩于 開放式跑道池的部分藻液上，罩體上表面距藻液距離10?20cm，氣體分布器置于罩體下方 的藻液中，氣體分布器與二氧化碳儲存器相連，所述的液位計置于罩體內(nèi)部，所述的罩體上 壁設(shè)有若干個孔，孔通過氣管與抽氣泵相連，所述的抽氣泵和液位計都與中央控制器相連。
[0015] 所述的氣體分布器優(yōu)選置于距離罩體底部下方5-l〇Cm的開放式跑道池中。
[0016] 所述的氣體分布器可以為市售的氣石、氣頭或曝氣膜等，也可以為自行加工的多 孔裝置（如PPR管或PVC管開具直徑0. 1-0. 5mm的小孔）。
[0017] 本實用新型的能提高微藻養(yǎng)殖效率的開放式跑道池，其工作原理是：太陽能電池 板負(fù)責(zé)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過電線將電能傳輸至儲能電池；儲能電池負(fù)責(zé)儲存電能，太 陽能電池板和儲能電池均置于跑道池外，儲能電池放置地點需要進行防水處理；光感受器 可以測定某一時刻戶外的光照強度，并將信號傳輸至中央控制器，中央控制器接受來自光 感受器的信號，將信號進行整合處理后，調(diào)節(jié)儲能電池的電流輸出，控制LED光源的強度， 當(dāng)光感受器檢測到日光強度低于設(shè)定值時，中央控制器將增加輸出電流強度，從而提高LED 光源亮度，當(dāng)光感受器檢測到日光強度高于設(shè)定值，中央控制器將減少輸出電流強度，從而 降低LED光源亮度。二氧化碳由二氧化碳儲存器中進入氣體分布器中，打散成較小的氣泡， 二氧化碳一部分被藻液吸收，剩余部分暫時儲存在罩體中；液位計置于罩體內(nèi)部，主要作用 為探測藻液高度，當(dāng)藻液高度達(dá)到液位計指定位置時，液位計將信號傳輸至中央控制器，中 央控制器的作用是控制抽氣泵的開關(guān)，抽氣泵連接罩體上壁的孔，用于抽走罩體中原有的 空氣，當(dāng)液位高于設(shè)定高度時，抽氣泵關(guān)閉，當(dāng)液位低于設(shè)定高度時，抽氣泵開啟。
[0018] 本實用新型通過在跑道池中放置若干依靠太陽能驅(qū)動的LED光源，為深層藻液提 供光照，根據(jù)實際需要，調(diào)節(jié)LED光源強度，在夜間和陰天條件時，為藻細(xì)胞的生長提供光 源；在跑道池中放置二氧化碳防溢罩，增加二氧化碳與水體的接觸時間，提高二氧化碳的利 用效率。從而解決了微藻陰天或夜間的光限制生長問題、二氧化碳的高效利用問題，大幅提 高了微藻生物質(zhì)的生產(chǎn)效率。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0019] 圖1是本實用新型的能提高微藻養(yǎng)殖效率的開放式跑道池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2是一種罩體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖3是一種罩體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖4是一種罩體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖5是一種氣體分布器的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0024] 圖6是一種氣體分布器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 其中0、中央控制器；11、LED光源；12、太陽能電池板；13、儲能電池；14、光感受 器；21、罩體；22、液位計；23、氣體分布器；24、二氧化碳鋼瓶；25、抽氣泵；26、孔；3、藻液。

【具體實施方式】：
[0026] 以下實施例是對本實用新型的進一步說明，而不是對本實用新型的限制。
[0027] 實施例1 :
[0028] 如圖1所示，本實施例的能提高微藻養(yǎng)殖效率的開放式跑道池，包括開放式跑道 池，還包括太陽能驅(qū)動潛水發(fā)光二極管光源系統(tǒng)和二氧化碳防溢罩；
[0029] 所述的太陽能驅(qū)動潛水發(fā)光二極管光源系統(tǒng)包括LED光源11、光源防水罩、太陽 能電池板12、儲能電池13、中央控制器0和光感受器14,所述的LED光源置于光源防水罩 中，分布于開放式跑道池的藻液中，利用儲能電池儲存的電能發(fā)光，LED光源可以是長條形、 圓盤形、球形或板形等任何形狀，LED光源置于光源防水罩中，光源防水罩的制作材料可以 為亞克力、玻璃或塑料等；LED光源、中央控制器器、儲能電池和太陽能電池板順序電連接， 中央控制器還與光感受器相連；
[0030] 所述的二氧化碳防溢罩包括罩體21、液位計22、氣體分布器23和抽氣泵25,所述 的罩體罩于開放式跑道池的部分藻液3上，罩體是一個底面敞開的透明或不透明箱體，可 以為任意規(guī)則形狀（方形、圓盤形或梭型等），罩體加工材料可以為透明有機玻璃、玻璃、不 銹鋼或塑料等，罩體上表面距藻液距離10?20cm，氣體分布器置于罩體下方的藻液中，距 離罩體底部下方5-10cm的開放式跑道池中，氣體分布器與二氧化碳儲存器（二氧化碳鋼 瓶）24相連，所述的液位計置于罩體內(nèi)部，所述的罩體上壁設(shè)有若干個孔26,孔通過氣管與 抽氣泵相連，所述的抽氣泵和液位計都與中央控制器相連。
[0031] 工作原理：陽光充足時，太陽能電池板12吸收太陽能，并轉(zhuǎn)化為電能儲存在儲能 電池13中，光感受器14置于藻液3中，當(dāng)光感受器14探測到射入培養(yǎng)池中的光照強度小于 設(shè)定值時，它便將該信號傳輸至中央控制器〇進行整合處理，隨后中央控制器〇發(fā)出信號至 儲能電池13,調(diào)控儲能電池13輸出電流的強弱，從而控制LED光源11的強弱。罩體21置 于跑道池中，罩住部分藻液3,上端露出藻液10_20cm，液位計22置于罩體內(nèi)部（距離上表 面2cm處），二氧化碳由二氧化碳鋼瓶24中進入氣體分布器23中，打散成較小的氣泡，二氧 化碳一部分被藻液吸收，剩余部分暫時儲存在罩體中，當(dāng)液位計22不接觸藻液時，抽氣泵 25自動開啟，抽空罩體內(nèi)空氣，此過程培養(yǎng)液液面上升，當(dāng)液面上升并接觸至液位計22時， 液位計22會將這一高度傳輸至中央處理器0,中央控制器0輸出關(guān)閉抽氣泵25的信號，隨 著時間的延長，罩體21內(nèi)儲存的二氧化碳逐漸被藻細(xì)胞吸收，藻液液面下降，液位計22露 出液面，抽氣泵25自動開啟，完成整個過程。
[0032] 所述的二氧化碳防溢罩的罩體可以制作成方形，上端開孔，開孔數(shù)量可以為1個 (如圖2)，或制作成圓盤形，上端開孔，開孔數(shù)量為1個（如圖3)，或制作成梭形，上端開孔， 開孔數(shù)量為1個（如圖4).
[0033] 所述的氣體分布器，可以是管狀氣體分布器，利用PPR、PVC、有機玻璃或不銹 鋼管制作而成，一端連接二氧化碳鋼瓶，一端封閉，通氣管上方開具等距的小孔，孔徑在 0. 1-0. 5mm，具體如圖5所示；
[0034] 或者所述的氣體分布器，可以是盤狀氣體分布器，利用有機玻璃或不銹鋼管制作 而成，一端連接二氧化碳鋼瓶，圓盤上表面開具若干小孔，孔徑在0. 1-0. 5_，具體如圖6所 /Jn 〇
【權(quán)利要求】
1. 一種能提高微藻養(yǎng)殖效率的開放式跑道池，包括開放式跑道池，其特征在于，還包括 太 陽能驅(qū)動潛水發(fā)光二極管光源系統(tǒng)和二氧化碳防溢罩； 所述的太陽能驅(qū)動潛水發(fā)光二極管光源系統(tǒng)包括LED光源、光源防水罩、太陽能電池 板、儲能電池、中央控制器和光感受器，所述的LED光源置于光源防水罩中，分布于開放式 跑道池的藻液中，LED光源、中央控制器器、儲能電池和太陽能電池板順序電連接，中央控制 器還與光感受器相連； 所述的二氧化碳防溢罩包括罩體、液位計、氣體分布器和抽氣泵，所述的罩體罩于開放 式跑道池的部分藻液上，罩體上表面距藻液距離10?20cm，氣體分布器置于罩體下方的藻 液中，氣體分布器與二氧化碳儲存器相連，所述的液位計置于罩體內(nèi)部，所述的罩體上壁設(shè) 有若干個孔，孔通過氣管與抽氣泵相連，所述的抽氣泵和液位計都與中央控制器相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能提高微藻養(yǎng)殖效率的開放式跑道池，其特征在于，所述的 氣體分布器置于距離罩體底部下方5-10cm的開放式跑道池中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能提高微藻養(yǎng)殖效率的開放式跑道池，其特征在于，所述的 氣體分布器為氣石、氣頭、曝氣膜或多孔裝置。
【文檔編號】C12M1/36GK204022811SQ201420420318
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】李濤, 向文洲, 潘建平, 吳華蓮, 范潔偉, 王廣華, 戴世鯤 申請人:中國科學(xué)院南海海洋研究所