一种浮法微藻培养系统的制作方法

本发明涉及微藻培养领域，具体涉及一种采用“浮法”来培养微藻的系统。

背景技术：

微藻是地球上最古老的生物，也是目前地球上最重要的生物之一，其固定了地球上40%的二氧化碳。微藻生长迅速、光合效率高、蛋白质含量丰富、富含油脂及其它多种营养成分，可用于保健品、水产的饵料、饲料等，也可用于水污染治理等。通过大规模培养微藻，可望逐步缓解我国对石油、大豆、鱼粉饲料等的进口依赖，也有助于减少碳排放。

目前大规模培养微藻的方法主要有两类，一类是封闭式培养，在基本人工控制的温度、光强度、光周期和循环条件下养殖，有平板式、倾斜式、垂直式等各种光生物反应器，封闭式培养的优点是生产比较稳定、单位面积的生产效率较高，缺点是成本高，管理难度较大，一般只能用于营养保健品或有效成分的提取领域。另一类是室外开放式培养，一般采用椭圆形或圆形的跑道池，其优点是造价较低，管理较为容易，缺点是容易受环境因素影响，水分蒸发多，生产微藻的品质较低。此外，借鉴工业微生物的发酵罐模式也可以进行微藻的异养培养，即利用无菌的培养基和控制条件，人工添加碳源进行微藻的培养，其优点是微藻生长条件可精确控制，产量较高，缺点是发酵罐造价高，培养基成本高，运行管理技术要求也高。

上世纪60年代捷克科学家提出了浅层培养的方法，主要是在倾斜的台面上养藻，培养液的厚度只有几毫米，这样微藻容易接受光照，可提高微藻的密度，降低收获时的成本，可实现2000平米的微藻养殖。但因其施工成本高，对倾斜台面的技术要求强，总产量没有明显提高等原因致使没有被推广应用。实用新型专利cn203530295u公开了一种薄层养殖多联产系统，其中薄层养殖系统具有一个用棚膜、建筑膜或土工膜等充当的柔性透明底面，底面两侧具有溢流堰，可设置具有透光性能的盖膜，盖膜通过传动装置放下或收起，放下时与底面组成可拆卸的封闭或半封闭腔，该腔用来容纳培养液和微藻。在底面上还设置促混结构，以在养殖薄层内形成湍流，便于藻液的纵向混合和提高光利用率，此外，还有承接藻液的缓冲罐、构成循环系统的水泵和管路，通过水泵和管路将藻液从缓冲罐再输送到底面上并形成循环。该系统需要专门设置溢流堰，增加施工量；对于大面积养殖，盖膜的跨度大，传动装置设置困难，大面积的盖膜很容易受自然风的影响，固定不好，盖膜有被风刮走的风险，同时，该系统中液层的厚度难以调节，不便于随着微藻的生长实时进行调整。此外，在不适合养藻的季节或养殖完成后，该系统的收纳和场地恢复都不太方便。发明专利申请cn102408983a公开了一种袋状光生物反应器，主要是在袋子上热合出一条断续的连接线，用于曝气气体的分散，该发明没有让袋子中液体流动循环的设计，塑料袋的热合需要繁琐的人工操作，难以大规模应用。发明专利申请cn102260629a公开了一种板式光生物反应器，存在焊接点多、结构复杂、容易破裂的缺陷，作为改进，发明专利申请cn105219616a公开了一种软体板式光生物反应器，提升了cn102260629a专利装置的抗破裂性能，但是仍然存在焊接点多、结构复杂、制作难度大、成本高等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种浮法微藻养殖系统，该系统铺设便捷，防杂效果好，不需要额外盖膜操作及固定，且液层厚度均匀可调，不使用时可以快速将场地恢复原状以供他用，内部无需复杂结构，整体成本显著降低，对操作人员技术水平要求低，可用于大面积低成本户外微藻培养，具有极大的推广应用价值。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种浮法微藻培养系统，包括培养单元、缓冲单元、循环单元和曝气单元，所述培养单元包括若干大致水平设置的用于容纳培养液和微藻的柔性透明筒带，在每条柔性透明筒带的入口端下侧设有第一垫板，在出口端下侧设有第二垫板，第一垫板高于第二垫板，在第一垫板和第二垫板之间设有扰动装置，所述扰动装置位于所述柔性透明筒带下方；所述缓冲单元包括容器，所述容器用于承接从所述柔性透明筒带的出口端排出的培养液和微藻；所述循环单元用于将培养液和微藻从所述缓冲单元输送至所述柔性透明筒带的入口端；所述曝气单元用于向培养液中输入预设气体。

优选的，所述第二垫板的高度可以调节，所述扰动装置通过高度起伏变化对所述柔性透明筒带内的培养液和微藻产生扰动。

优选的，在所述柔性透明筒带内设有温度传感器和溶氧传感器，所述温度传感器和溶氧传感器与控制单元相连，所述控制单元根据温度信号和溶氧信号控制循环单元的开合或流量及调节第二垫板的高度。

优选的，所述柔性透明筒带为农用塑料薄膜筒带，厚度在0.1mm以下；第一垫板和第二垫板为垫块、长方体形垫板、或者由多个垫片叠合而成的垫板、或者为可转动垫杆。

优选的：所述可转动垫杆包括支架和安装在支架上的转轴，在转轴上固定设置有垫杆，垫杆随转轴转动时能够改变覆盖在垫杆上的所述柔性透明筒带的出口端的高度。

优选的，若干所述柔性透明筒带并排铺设在地平面、屋顶平面上，铺设后装入培养液和微藻，柔性透明筒带的压扁宽度为0.5-20米，培养液的液层厚度不超过10厘米；所述缓冲单元还包括设置在所述柔性透明筒带出口端的导水槽，所述导水槽将培养液和微藻导入到所述容器内，所述容器为容水槽。

优选的，所述循环单元包括水泵，所述水泵与所述容器相连，并经管路与所述柔性透明筒带的入口端相连。

优选的，所述柔性透明筒带的面积大于10平米。

优选的，所述曝气单元包括曝气泵，曝气泵通过管路向所述柔性透明筒带或容器内鼓入预设气体，所述预设气体为空气或富含二氧化碳的气体。

优选的，所述扰动装置包括扰动支架，在扰动支架上安有扰动辊，所述扰动辊表面依次排布四个对称的弧形凸起和弧形凹槽。

本发明提出一种浮法微藻培养系统，“浮法”在此定义为平面开放浅层培养法（flat,openandshallowmethod，fos)，上述技术方案中，没有通过底面、溢流堰和盖膜的结合形成封闭腔，而是直接采用柔性透明筒带来形成一个两端开口而侧壁封闭的薄层养殖空间，并且通过采用农用塑料薄膜筒带即可以快速实现，铺设十分简便，不需要专门施工设置溢流堰，成本与现有技术相比显著下降（约为目前广泛应用的跑道池方式的十分之一），而且不需要设置盖膜的传动装置，因筒带侧壁一体成型，所以具有自我固定功能，不容易被风扰动，提升了系统的抗风能力。通过设置第一垫板和第二垫板并设置高度差，既可以留存培养液在柔性透明筒带内，也可以通过调节垫板的高度来改变筒带内的液层厚度，在培养初期微藻浓度低、透光度高时，此时可以使垫板高度较高些，水层深一些，保证足够的采光度，保证微藻的生长所需，较深的水层还有利于温度的稳定。当微藻浓度增大，透光度低时，可以调低出口端垫板，减小液层厚度，有利于透光，较浅的水层有利于温度的快速升降，给温度调节带来方便。在柔性透明筒带外施加扰动，可以避免在筒带内设置复杂的结构，有利于简化结构，降低成本。通过扰动并充分利用微藻流动中的位置变化，不同的微藻个体会交替相互遮光，从而满足微藻生长所需要的光暗交替条件。在一轮培养完成或不适合培养微藻的季节，如气温低的北方冬季，可以快速收起柔性透明筒带并使场地恢复原状。从以上可以看出，本微藻养殖系统具有施工便捷，成本低，稳定性高、技术门槛要求低等优点，可进行户外大面积推广应用。

高成本是微藻产业发展的瓶颈，降低成本是本领域数十年来一直追求的目标。本发明巧妙地利用价格低廉的农用塑料筒袋实现了防杂、减少水分挥发和温度控制、培养液循环、避免了现有技术中搭建平台、设置围堰和加设盖膜等工作以及复杂的内部结构，可用于微藻的低成本、大面积户外培养，本发明可使扩大微藻培养规模更具操作性。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是可转动垫杆一转动状态示意图；

图3是可转动垫杆另一转动状态示意图；

图4是柔性透明筒带铺设状态侧视图；

图5是采用垫块支撑柔性透明筒带时系统结构示意图；

图6是扰动装置结构示意图；

图7是利用本系统培养微藻初期的局部照片；

图8是利用本系统培养微藻后期的局部照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如附图1至8所示，本微藻培养系统包括培养单元1、缓冲单元2、循环单元3和曝气单元4，其中培养单元1为大致水平并列铺设的一条或多条柔性透明筒带101，柔性透明筒带101的入口端105下侧垫有第一垫板103，出口端104下侧垫有第二垫板102，第一垫板103高出第二垫板102，一般高出5-10厘米，这样柔性透明筒带101两端分别搭在第一垫板103和第二垫板102上，就会在柔性透明筒带101的内部形成一个能够容纳培养液和微藻的槽室，并且柔性透明筒带101的上部侧壁会遮盖住液面，既防止水分蒸发，又阻挡灰尘、污物等的落入，提升养殖的清洁性，还具有一定气密性，可以减缓二氧化碳的挥发。柔性透明筒带首选农用塑料薄膜筒带，这是农业领域广泛使用，市面上非常廉价易得的农业资料，农用塑料薄膜筒带压扁宽度（即两层重合相贴时的宽度）可为0.5-20米，，厚度在0.1mm以下，产品是成卷的，根据养殖长度的需要截断即可。第一垫板103和第二垫板102可以选用长方体形木板，在使用中将多条农用塑料薄膜筒带平行地铺设在平整的地面、屋顶平面甚至在水面上搭建的漂浮平台上，在入口端105和出口端104两侧分别垫上第一、第二垫板，然后放入培养液和种子微藻，当槽室充满培养液和微藻后，随着培养液和微藻在入口端105继续加入，就会在出口端104均匀向外流出，并导入到缓冲单元2中，然后通过循环单元3再输送回入口端从而形成循环。在第一垫板103和第二垫板104之间还设有扰动装置106，扰动装置设置在柔性透明筒带下方，通过不断变化的高度来对柔性透明筒带101内的液体产生扰动，从而起到对培养液产生搅拌的作用，微藻细胞个体的位置上下变动，会轮流见光或相互遮挡而实现光暗交替，从而可以很好地满足微藻生长过程中需光条件和避光条件。在一个实施例中，扰动装置包括扰动支架107，扰动支架107上设有扰动辊108，扰动辊108的表面上设置弧形凹槽和弧形凸起，并且间隔设置，如对称设置两个弧形凸起109和弧形凹槽110，或者对称设置三个弧形凸起和弧形凹槽等。这样扰动辊在电机带动旋转时，表面高低起伏变化，就使得柔性透明筒带内的液体上下扰动。培养过程中，通过曝气单元4向培养液中输入空气或富含二氧化碳的气体（“富含”表示气体中二氧化碳的浓度高于空气），以补充微藻生长所需要的碳源。本系统通过采用具有一体成型的筒形侧壁的柔性透明筒带并配合两侧的垫板，巧妙形成了容纳培养液和微藻的薄层槽室，既避免了设置盖膜的操作和传动装置，还起到了遮盖脏物、阻止水分流失的作用。同时本系统因为筒带的筒形侧壁，无需施工设置溢流堰就可以将培养液限定在筒带内部，大大简化了施工，节约了成本，因为筒带一体成型，还具有良好的韧性和牢固性，可以有效防止风吹的扰动影响。扰动装置设置在柔性透明筒带下方，避免了在柔性透明筒带内设置复杂结构所带来的制作工艺的繁琐和筒带易开裂的弊端。上述扰动装置采用弧形凸起与弧形凹槽相结合的形式，不仅可以对薄膜筒带内的液体进行充分扰动，还可以平滑过渡，避免刮破薄膜筒带。培养微藻时，透明的筒带可以使太阳光或人工光源顺利射入培养液中被微藻吸收利用，也可以维持和适当升降培养液的温度，延长在户外培养的季节。使用本系统，柔性透明筒带101的面积可以根据场地灵活设置，可以小到一平米以下，也可以是几亩、几十亩甚至成百上千亩地进行铺设，可进行大面积、大规模的户外微藻培养，该技术有效解决了传统培养技术存在的成本高、施工繁琐等弊端，推广应用具有可操作性。

在本发明的一个优选实施例中，位于出口端104下侧的第二垫板102高度可调，目的在于通过第二垫板102的高度调节，来调整培养液的液层厚度，从而可以更好地满足微藻生长的需求。比如，作为一个简单地、便于操作的实施例，上述采用长方体形木板作为垫板时，该木板长度方向与筒带开口方向平行，而木板的高度和宽度尺寸不同，这样高度垂直地面放置时和宽度垂直地面放置时，会将筒带的出口端垫出不同高度，里面的液层就会有两个深度，当太阳照射不足时，采用深度小的液层厚度，便于扩大筒带内液层的吸光，使温度尽快提高。而当太阳照射较强时，可以采用深度较大的液层厚度，有利于更好地控温，使培养液温度更好地维持在适宜的范围。为了更精确进行垫板高度选择，第二垫板102可以由若干垫片可拆卸组合而成，需要降低高度则减少垫片组合，需要调高高度则增加垫片组合。作为一个更优选地实施例，出口端104的第二垫板102可以采用机械调节的机构，比如在支架1021上设置转轴1022，并在转轴1022上固定设置与转轴平行的垫杆1023，垫杆1023随着转轴1022向上转动时就会提升出口端104高度。为了提升装置自动化，在柔性透明筒带101内设置温度和溶氧传感器，监测培养液的温度和溶氧，并将信号传送给控制单元，控制单元接收到信号后，通过与预设的阈值比较，并控制电机驱动转轴1022转动，从而调高或调低第二垫板102，也可以控制水泵的开合甚至流量，进而改变培养液液层厚度，以更好调节温度和释放其内的氧气。上述培养过程中，培养液的深度一般不超过10厘米。

在一个实施例中，缓冲单元2包括导水槽201和容水槽202，导水槽也可以是导水管路，具体来说，各个柔性透明筒带101的出水端104与导水槽201相连，该导水槽201既可以是硬质塑料材料、金属的导水槽，也可以是在地面挖设的水渠并做防渗漏处理，如加设防水层、在水渠内铺设防渗薄膜等。导水槽201从一端或两端将接收到的培养液导入容水槽202内，容水槽202作为一个容器，可以是塑料、金属容器，也可以是在地面向下挖设的空间并做防渗漏处理。一般容水槽202低于柔性透明筒带101的高度，这样培养液可以依靠重力自然流入容水槽内，节省成本，容水槽202也可以高于柔性透明筒带101，而通过水泵等提升装置将培养液从导水槽提升到容水槽内，此时在导水槽内一般会设置培养液暂存空间，以便于汇聚液体进行提升。

在一个实施例中，循环单元3包括管路302和水泵301，水泵301可以直接放入容水槽202内（也可通过管路与容水槽相连），通过管路302与柔性透明筒带101的入口端105相连，具体可在管路302上设置多个三通303，每个三通303开口对应一个柔性透明筒带101的开口，培养液流入到柔性透明筒带的槽室空间内汇聚，待高出第二垫板102后再向外流入到导水槽201并形成循环。对于容水槽202高于柔性透明筒带101的情况，导水槽201中的培养液提升到容水槽202需要水泵，则从容水槽202分配给各柔性透明筒带101只需通过压差驱动即可。

在一个实施例中，曝气单元4为曝气泵或充满气体的钢瓶，曝气泵或钢瓶将空气或富含二氧化碳的气体通入到容水槽202或柔性透明筒带101的培养液中，为微藻提供碳源。

附图7、8是利用本系统培养微藻的情景照片，图7为初始培养时的状态，图8为微藻大量生长的培养后期状态，从照片可见利用本系统可以很好地培养微藻，具有成本低、产量高的优势。

使用本系统培养微藻时，微藻细胞的种类不限，可以是任何有利用价值的微藻，优选为小球藻、栅藻、硅藻、卵囊藻、衣藻等；所用培养液的成分不限，只要能提供微藻生长的培养成分均可，可为常用的tap培养基、bg11培养基、bmm、f/2培养基等；光源的形式不限。

通过上述实施例可见，本系统的优点包括：

1、搭建成本低：

场地：可以是闲置的农地甚至盐碱地，场地大致平整或局部平整即可，不需要对场地进行大的改动。

架子：现有技术往往需要搭建一个支撑培养体系的架子，相比搭建支撑培养体系的架子，下挖或架高缓冲池成本要低的多，维护也更容易。

塑料筒袋：是常用的农业资料，有各种宽度、厚度、材质的，搭建成本远低于现有的培养体系，塑料袋的铺设都可以用现成的装置甚至自动化的机器进行；

搭建时间：搭建可在短时间内完成。

恢复：完成培养后场地恢复容易，可以临时占地使用。

农用塑料筒袋是工厂化加工的，且具有较好的耐晒性，可以长时间使用（至少一年）。把现成的农用塑料筒袋用于微藻的养殖也拓展了塑料筒袋的应用范围，将来可以在此基础上改进塑料筒袋，使之更适应微藻养殖的特定需求。

相对于软体板式光生物反应器，因为本系统的薄膜筒带内部没有复杂的结构设置，不存在多处焊接、容易破裂等弊端，因此可以采用更薄的薄膜材料，降低材料成本和制作工艺成本。

2、技术门槛低：整个装置操作过程简单，技术门槛低，一般人稍加培训即可掌握。

3、适用范围广：各种地面、屋顶、道路、闲地、盐碱地、沙漠地、水面等都可搭建，可以大规模（成百上千亩或更大）应用。

4、对自然资源的利用率高：对光照的利用率高，夏季可利用缓冲单元降温，冬季可利用培养单元增温，对温度的忍耐性高、利用率高，一般不需要人工额外增温或降温。就像传统的农作物一样，浮法养藻主要靠自然光提供能量，是真正的绿色培养。

5、调控灵活：养殖的水层深度、流速、温度等容易调控。

6、扩展性强：面积容易扩展，可以从1平米到数万亩，模式容易复制。

7、不易受其他环境条件：虽然是开放的系统，但主要部分都与外界隔离，外界的杂物不进入培养体系，整个系统受环境影响小。

8、大部分水面都不暴露在空气中，水分挥发少，水资源的利用率高。

9、充填了培养溶液的塑料筒袋具有自我固定的能力，可以抵御一般的风雨侵扰，不需要额外的固定和维护，而现有技术中培养体系的支撑、固定和日常维护都是要付出相当大成本的。

10、塑料筒袋可以保持一定的气密性，可以容许充入的二氧化碳停留更长的时间，可提高二氧化碳的利用率。

上述实施例只是对本发明构思和实现的说明，并非对其进行限制，在本发明构思下，未经实质变换的技术方案仍然在保护范围内。