专利名称：微藻密闭培养的柔性管道系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以塑膜软管为主体构件组成的微藻密闭培养的柔性管道系统，它能布设在露天地表、水面及室内，用于大规模从事微藻管道化生产，也可提供其它一些微生物进行常温密闭发酵使用。
密闭培养是微藻开发的方向，与目前国内外普遍推行的露天培养方式不同，密闭培养污染少，藻粉质量好。易于调控生态因子，产量高。不受蒸发和降雨影响，有利于增温、保温、减少损耗，延长年内生长期。
密闭培养通常指管道化培养，所用管道皆能透光。因管壁周长大于水平面，故管道培养采光面大，藻类光合反应强。但国内外现有培养微藻的管道装置，均由硬质材料组成，投资昂贵，还因培养过程中难以清除管内废物，影响藻类生长。因此用硬质管道作为培养微藻的一种方式，至今仍处于探索阶段，仅在国外有个别厂家试行外，未能推广。故目前全世界微藻生产，几乎均采用露天培养。
本发明针对露天培养以及硬质管道培养方式的不足，突破常规思维方式，提出了一种以塑膜软管为主体构件，与高位池、上位池、下位池等组合连通，并辅以水泵及管道防护装置，共同组成的柔性管道微藻培养系统，它代表了微藻产业的发展方向。
本发明系统的特点是以塑膜软管为主体构件，与上位池、下位池等组合连通，辅以水泵等机械，完成藻液循环，并通过高位池输出收藻，该系统中设有排渣口及排气口。
塑膜软管可根据场地条件分成多段，平行放置，多段串接连通，串接后的塑膜管进口与上位池相通，出口与下位池相通，下位池通过提水机械与高位池相通，高位池与上位池相通，收藻口位于高痊池与上位池之间的水流通道上，上位池的位势高于管顶平面，下位池的位势低于管底平面，但池壁高于管顶平面，高位池的位势高于上位池的池顶平面。
多段塑膜管的串接处以及串接后的进出口与上，下位池的接合处均设置有节头和导流基座，节头一端与塑膜管匹配套接，另一端与导流基座连通，导流基内部为水流的回旋通道。
节头呈扁形为佳，与塑膜管的套接口呈推拔型，外缘上设有出气孔，导流基座按其功能分为出流基座和回流基座二组，均为长条形柜式结构，分别设于塑膜管系列的两端，它们的正面与节头嵌接，内部为流水的回旋通道、两端的通道按节头排列用隔墙交错分隔，以约束管内水流往复式的回旋流动，出流基座顶部设有上位池，上位池底部开有与出流基座相通的进水口，此进水口处设有由上痊池水位控制开闭的阀门，出流基座上还设有出水口和排渣口，出水口下沿高于排渣口并高于管顶平面，出水口和排渣口与设于排渣口下方的回水槽相通，回水槽与下位池连通，回流基座上设有污气排放窗口。
为了清除循环藻液中的杂物，在下位池中进出水体的通道内设有栏栅、网框和沉积坑。
为了减少对藻类的损伤，提水机械最好采用电动气膈膜泵，刮水机械或水车。
为了保证系统运行的可靠性和增加寿命，系统中的塑膜管道还附设有保温、防漏、防晒及防冻措施。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1 为露天地表培养模式的结构正视图；图2 为露天地表培养模式的结构俯视图；图3 为水面漂浮培养模式的结构示意图；图4 为室内立体培养模式的结构示意图。
参看图1、2，微藻密闭培养的柔性管道装置由塑膜管1、节头2、导流基座(包括出流基座3和回流基座4)，上位池5，下位池6、提水机械7、高位池8及管道防护设施等主要构件组成，各主要构件的作用及结构分述如下1.塑膜管用聚乙稀原料制成，无毒、透光，其长度，管径、壁厚可按特需加工。塑膜管有一定伸缩性和折叠性，把它展伸于地表并往管内充水，其自然形态是扁平的，底部与下垫面贴合，顶部略呈椭园面。管径愈大、愈趋扁平。增加液压，约束管壁两侧或控制出水口高程、均可调整管内水深和水量，改变管壁曲率，使塑膜管的容积有一定的可塑性。在塑膜管与节头的套合处，用弹性材料衬里，可增加联接强度，提高密闭性。
2.节头为一组形态多样的扁形节头。节口呈推拨形，外缘有出气孔，节头可用硬塑。玻璃钢、金属材料或连同基座用混凝土整体浇筑而成。
异形节头的节口，可以只有简单进出的两个节口或多个节口；节口之间中心线交角，可以有锐角、直角、钝角、平角或往复式的平行交角。
3，导流基座有出流基座和回流基座两组，均为长条形柜式结构，分别建于塑膜管系列的两端，用混凝土预制构件组装或直接浇筑而成，亦可由玻璃钢、硬塑板或金属板组成。导流基座正面镶嵌节头，内部为流水的回旋通道，两端的通道按节头排列用隔墙交错分隔，可约束管内水流往复式的回旋流动。
出流基座的顶部有进水口9；背部有出水口10，出水口基部有排渣孔11。位于排渣孔下方的回水槽12，承纳全部下泄水量排往下位池。
回流基座仅起水流回旋的导向作用，顶部安装可启开的窗口13，供排污排气。回流基座不设上位池和回水槽。
4.上位池为横贯出流基座顶部的长条形水池，可用砖石材料或混凝土建成。
上位池的位势高于管顶平面。池高决定于贮水量及其势能，应满足进入管道的水流能引起管内水体的充分交换和混合。位于底部的进水口为可控口门，当池中液面上升到预定高度时，可藉浮箱升力或机电装置自动启开。为机动调节各管道水体的流向、流速及流程，可设多组进水口和出水口，每组对应的管道皆为独立单元，各单元管道之间互不连通，操作时逐一轮换运转。
5.下位池下位池作为整个管道系列的调节库容、贮水量需满足管内液体的搅拌和循环。下位池的位势低于管底平面，池壁则应高于管顶平面。池壁宜用钢筋混凝土整体浇筑，或用玻璃钢、硬塑板、金属板组成，以防泄漏。
下位池的水量来自回水槽，出水则通过安装池内的提水机械抽出。在注入池中的流水通道内，安装栏栅，网框14和沉积坑15，使水体在循环过程中，自动滞污，沉渣、栏截水中异物。
6，提水机械提水机械的应用，是把下位池的水量抽往高位池。为避免机械高速运转导至藻体损伤，提水机械宜选用(1)电动气膈膜泵；(2)刮水装置，如单体式或组合式水车。
7.高位池高位池介于上位池与下位池两者的水流通道之间，其位势高于上位池。它直接承纳水泵来水，再以自流方式通过阀门注入上位池。
高位池的功能是(1)供作扩种池，稀析营养盐。(2)调节进出水量的平衡。(3)对注入的高速水流起消能作用，并利用气浮效应，清除水中悬浮物。(4)控制下泄水量。当下泄水量进入上位池之前，可进行藻类的过滤、收集16。
8，管道防护装置管道防护旨在确保管道正常运转，提高使用性能，延长使用期。具体防护措施及其装置，参见下述各不同生产应用模式。
下面再将柔性管道培养系统的几种应模式介绍如下1、露天地表培养模式如图1，2，所示，露天地表式培养模式只需平整地表即可布设塑膜管1。在平行管道系列两端，分别建立出流基座2和回流基座4，将塑膜管口与基座节头2紧密套合。在出流基座顶部、背部，建上位池5、回水槽12及相应的进出水口9，10。下位池6设于回水槽尾闾，池内安装提水机械7，使出水排入高位池8。高位池紧靠上位池和下位池。这样一个装置，若同时覆盖各露天水池的顶部，就构成露天地表培养模式。
当装置内所需培养液配好后，启动提水机械，藻液即由下位池提升到高位池并流往上位池。当上位池液面达到预定高度时，打开进水口，全部藻液就会在重力作用下自上往下绕基座进入塑膜管。随之受回旋通道约束，将依次地沿各管道往复前进，最终经出水口、回水槽复归下位池。在生产运转过程中，若需收集藻粉，可在藻液从高位池流往上位池之间安置收藻装置，过滤后的藻液仍流往上位池，进而重复以上流程，即可实现藻液在柔性管道内的全程流动或连续循环，并在运行过程中得到交换混合，以适应微藻的生长。
本项装置除柔性管道外，余均为硬质构件。为确保安全、稳定运转，关键在于管道防护。管道防护主要是防止管路破损，藻液外泄。此外为适应微藻在管道中培养的生态要求，尚需防御夏季烈日对管顶曝晒，以及为延长微藻年内生长期，在低温期对管道采取防冻的保温，增温措施。塑膜管因有柔性，不易发生脆裂大破损。主要是因质地不均匀引起微孔渗漏或机械外伤导至裂损。防护首当预查，可在安装前作充水检查或安装后于水中作充气检查，对发现的漏洞用粘胶剂将塑膜贴补即可。在运行过程中发生破损，需局部排出藻液、降低液压或将管道在水淹下柔化后抬高修补。亦可考虑建立水下应急修补的技术装置进行处理。
塑膜管在夏日防止曝晒的措施有(1)在管道平面内建立贮水、排水设施，用淹水来防护。用此方法时，管底平面须铺设薄膜以防止水流失；(2)建立遮阳网；(3)搭棚架种植丝瓜等遮阴。
塑膜管在低温期间的保温，增温措施，包括在管道底部安设隔热垫层或电势带，顶部建立塑膜罩。在有温泉或工厂废热水排放时，可在塑膜管内套装小型塑膜管，即管中管，将热水输入小管内循环，这样既可对藻液加温，又可产生热力的垂直对流混合。
2、水面漂浮培养模式图3即水面漂浮培养模式的结构示意图。由于塑膜管及其内部培养液的整体平均比重，接近于水，稍重于水。只需将导流基座设计为可调节升降的漂浮结构17，同时对塑膜管附加稍具浮力的定型装置18，并与定位绳连结19，即可布设于水面，从事微藻的漂浮式培养。
水面漂浮培养模式与露天地表培养模式的主要区别，在于环境介质不同，其培养装置的操作及技术性能亦有所不同(1)因导流基座是漂浮的，原来固定于岸上的高位池、上位池与下位池需相应调整，或由统一的漂浮容体取代。管道在水体浮力柞用下的形态趋于圆柱体，节头亦需有相应改变。为防止水体的涨落、流动及风浪冲击，需强化整个装置的定位，调节及水上管理与维护。(2)为有利于微藻营光合作用，塑膜管需充分采光，要求所在环境，水体澄清，有较好的水色与透明度。(3)水体内部导热快，在春末冬初，管外水温较低，为延长微藻在管内的生长期，塑膜管应有增温保温措施。
针对以上技术环节，漂浮式装置的建立，需采用以下措施(1)选择风浪小、水位变幅不大且易于控制的水域进行培养。如选择有屏障的湖湾、浅水带，或小型洼荡。
为进一步削弱风浪，便于管理，并美化水面，可在控制区外围建立浮毯式漂浮植物消浪带。同时在控制区内部，搞水面园田化，并利用水面空隙，栽植沉水植物，促使水体澄清。
(2)在水域控制区内，按一定间距沿管道纵向打固定桩20，用大孔眼机织平网从管道底部往上包络(21)，网的两侧或网内安装浮体，浮体的结构可用泡膜塑料垫层或用充气的塑膜管形成的汽垫层组成，使整个管道能在垫层浮托下随水位涨落。由于与管道连接的导流基座采用浮式结构，使整个培养装置能随水位变化而自动升降，或藉滑轮升降。
(3)在水温偏低季节，采用大小不同的双层塑膜管，内层为培养微藻的输液管，外层的大管，在两管之间的输液管基部，仍用浮托垫层铺底，使两管贴合处保持间距，形成隔热层。同时用硬塑圈或竹圈将大管定型扩展，使输液管不和外围水体接触并处于温室效应内。
水面漂浮培养的另一方式是在池塘中进行。这时充液的塑膜管仍是漂浮的。导流基座则可固定地建于池边。一旦发生水位明显涨落，可抽水调节，使水位稳定。这种培养方式，操柞简易，安全。
水面培养微藻，作为一种生产模式，可纳入水体农业范畴。它的实施，可引用有关的技术和经验，从而使它独具优势(1)不占用土地，省去地表平整及框格化工程。(2)在培养区内，只需合理布局，保持一定的空水面，可养殖青虾、蟹及某些底层鱼类。同时结合水生态环境治理，改善水质，可就地解决生产水源，实现水域多目标利用和立体开发。(3)水面开敝，阳光充足，水中光的折射和反射率强，使管道底部也能不同程度采光，有利于藻类生长。(4)水体热容量大，水温变幅小，管道布设在水中，不仅可延缓老化，延长使用期，尚可减轻或避免夏日强光和极限高温对藻类的伤害。(5)在水体浮力作用下，管道柔化，管壁应力小，渗透压小。一旦破损，泄漏小，易修补。另外，风浪、船行均可引起管内液体搅动，有利于藻类生长。可见微藻在水中管道内培养更具有生态适应性。
3、室内立体培养模式图4即室内立体培养模式的结构示意图。在室内采用柔性管道培养微藻，能够实现全天候立体开发。
柔性管道轻盈，布设简易，只需在室内竖起垂直分层支架22，在支架各层面上安装承载网框23，即可安放管道，充液后从事微藻培养。由于建筑物遮挡，室内光照弱，冬春气温低，这对微藻生长不利。但可采用现代技术手段进行调控，如采用透光房顶24，多开窗25，冬季安装加温设备，夏季敝开窗户等，使室内采光，控温性能得到改善，为微藻生长创造最佳环境，从而实现优质、高产，并降低成本。
微藻室内培养与露天地表培养两者的差异主要在于，管道的排列，除水平方向布设外，尚可多层的进行垂直方向布设。与之相适应的管内液体循环方式，亦有所不同一方面，它需保持同一层面内的水平闭合循环；另方面，应体现立体循环和收藻功能。为此，需建立统一的纵向竖管26与横向管路的联网，通过阀门调度27、运转，使各层面之间的液体得以交换。
为节约室内空间，改善建筑物内部的结构应力，确保安全运转，这里无需另设高位池，高位池的功能将由容积有限的上位池取代。建于地表下的下位池则需适当扩大容量。
室内培养的液体循环方式主要是动力循环。但由于人工调控生态因子，在低温季节，有可能利用系统内外即室内外的温差效应，实现管道液体的热力循环。这时需另安装纵向竖管布设在室外28、利用室外气温低，藻液下沉，室内气温高，藻液上浮，因而形成闭合环流。这种环流引起的液体交换，具有稳定，持续，缓和而均匀的特点。
室内立体培养体现了农业工厂化方向，有利于集约经营。设某车间净地表面积2000米2，按三层布设，取各层面平均利用率为0.75，相当于4500米2。由于全天候运作，年生产期可达露天生产期(150天)的一倍，即300天。若实现人工调控，使生态因子达到良好状态，日单产由露天生产的10克/米2提高到15克/米2，则年生产藻粉量可达20吨，相当于露天地表培养面积13300米2的产藻量，即提高地表利用率5倍以上。可见采用柔性管道发展微藻的室内立体培养，前景是十分广阔的。根据同样原理，可局部利用室内空间，建立由动力循环，温差循环或组合式循环的小型实验培养装置。
本发明系统用于微藻密闭培养具有全新的特色，一方面它既具有硬质管道培养微藻的优越性，又便于清除管壁污染物，并可克服管内氧饱和，从而可充分发挥密闭培养的功效、它具有的突出优点和效果是(1)投资单价低与硬质管道相比，大幅度降低成本，并明显低于露天培养池的造价。(2)使用范围广除田野外，尚可广泛用于滩涂、低洼沼泽地或干旱地区的盐碱地、荒漠带。它还可以建成漂浮结构，直接在池塘、湖荡的广阔水面上布设。并可用于室内从事多层立体开发。(3)实施简易，它结构轻盈，用料省，安装快速。用于地表，只需稍加平整，无需破坏土壤结构；用于水面，有利于采光，且可防御夏季高温，延缓管道老化；用于室内，可立体开发，走农业工厂化方向。在整个生产运转过程中，管理维护方便。(4)结构整体具有稳定性和安全性，塑膜管充液后，管道的长度远大于宽度，宽度大于高度(即液体深度，约30cm以内)，且管底又与下垫面贴合，因而整个管道平展地葡伏于地表上，具有整体的稳定性。从力学分析，管道在水平方向的全部重量均由地基反力所平衡，在铅垂方向，管内水压力则由两侧弧形管壁的内应力所平衡。水压力是有限的，按单位长度计，不大于0.5kg/cm，或17g/cm2，远小于塑膜管材料的极限应力。可见管道的力学性能是安全的。在规范设计、施工条件下，具有可靠性。(5)管内液体的搅拌，能达到充分，均匀，所需动力小，能耗省。本项装置的循环系统，能有效利用机械提水产生的势能。当液体从上位池进入管道时，由于管壁光滑，断面均匀，对水体运动阻力小、更因管道有一定弹性，不仅产生水量运移，还引起管内波能传递，并导至反复振荡。只需有限水体的间断冲击，即可使管内液体垂直滑动和水平运移，达到充分、均匀搅拌。由于循环的动力源于水泵，功率小，能耗省。(6)整个装置，管路结构简单，组合紧凑，集循环、清污、收藻于一体，为实现生产自控奠立了基础框架。
本系统以出流基座为中心，各池紧密相临，进、出水口能够自行调节、启开。仅需启动提水装置(水泵)，即可完成自动收藻，藻液循环、搅拌以及在循环过程中清污，这样的结构组合，有利于集约经营，实现自动化生产。
权利要求
1.一种微藻密闭培养的柔性管道系统，其特征是该系统以塑膜软管为主体构件，与上位池、下位池等组合连通，辅以水泵等机械，完成藻液循环，并通过高位池输出收藻，该系统中设有排渣口及排气口。
2.根据权利要求1所述的微藻密闭培养的柔性管道系统，其特征是塑膜软管根据场地条件分成多段，平行放置，多段串接连通，串接后的塑膜管进口与上位池相通，出口与下位池相通，下位池通过提水机械与高位池相通，高位池与上位池相通，收藻口位于高位池与上位池之间的水流通道上，上位池的位势高于管顶平面，下位池的位势低于管底平面，但池壁高于管顶平面，高位池的位势高于上位池的池顶平面。
3.根据权利要求2所述的微藻密闭培养的柔性管道系统，其特征是多段塑膜管的串接处以及串接后的进出口与上、下位池的接各处均设置有节头和导流基座，节头一端与塑膜管匹配套接，另一端与导流基座连通，导流基座内部为水流的回旋通道。
4.根据权利要求3所述的微藻密闭培养的柔性管道系统，其特征是节头呈扁形，与塑膜管的套接口呈推拔型，外缘上设有出气孔，导流基座按其功能分为出流基座和回流基座二组，均为长条形柜式结构，分别设于塑膜管系列的两端，它们的正面与节头嵌接，内部为流水的回旋通道，两端的通道按节头排列用隔墙交错分隔，以约束管内水流往复式的回旋流动，出流基座顶部设有上位池，上位池底部开有与出流基座相通的进水口，此进水口处设有由上位池水位控制开闭的阀门，出流基座还设有出水口和排渣口、出水口下沿高于排渣口并高于管顶平面，出水口和排渣口与设于排渣口下方的回水槽相通，回水槽与下位池连通，回流基座上设有污气排放窗口。
5.根据权利要求3或4所述的微藻密闭培养的柔性管道系统，其特征是下位池中进出水体的通道内设有栏栅、网框和沉积坑。
6，根据权利要求1或2所述的微藻密闭培养的柔性管道系统，其特征是下位池中进出水体的通道内设有栏栅、网框和沉积坑。
7，根据权利要求2所述的微藻密闭培养的柔性管道系统，其特征是所说提水机械是离心泵，潜水泵，电动气隔膜泵等或刮水机械(如水车)。
8.根据权利要求1或2所述的微藻密闭培养的柔性管道系统，其特征是系统中的塑膜管道设有采用遮阳棚、冷水喷淋或在管道平面内建立贮水、排水设施，用淹水的方法采实现防晒降温；采用在管道底部安设隔热垫层或电势带或采用大小不同的双层塑膜管，在两管之间设置热源并循环，实现冬季保温及增温。
9.根据权利要求5所述的微藻密闭培养的柔性管道系统，其特征是系统中的塑膜管道设有采用遮阳棚，冷水喷淋或在管道平面内建立贮水、排水设施，用淹水的方法来实现防晒降温；采用在管道底部安设隔热垫层或电势带或采用大小不同的双层塑膜管，在两管之间设置热源并循环，实现冬季保温及增温。
全文摘要
本发明涉及一种微藻密闭培养的柔性管道装置,能安装在野外地表、水面及室内,用于大规模从事微藻的管道化生产。其特征在于该系统以塑膜软管为主体构件,与上位池、下位池等组合连通,辅以水泵等机械,完成藻液循环,并通过高位池输出收藻,该系统中设有排渣口及排气口。本发明既具有硬质管道培养微藻的优越性,又可克服管壁污染、管内氧饱和的缺陷。它的结构简单,管路紧凑,安装简易,管理方便,并且运转安全,能耗省,投资单价低。该系统装置亦可供作某些微生物进行常温密闭发酵使用。
文档编号C12M1/24GK1201827SQ9710698
公开日1998年12月16日 申请日期1997年6月5日 优先权日1997年6月5日
发明者区裕雄 申请人:区裕雄