专利名称：一种光合自氧微生物的工业化培养的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光合自氧微生物尤其是微藻的工业化培养的装置和方法。本 发明同时涉及吸收工业尾气中的二氧化碳的装置和方法，大面积高氮磷重金属 石油溢油废水处理的装置和方法，气体中有效组分提取以及合成化工能源产品的 设备和方法，生物质能源制造，废水处理，化工，制药，造纸，营养添加剂和粮 食制造领域。
背景技术：
1、温室效应与工业废气C02碳捕获目前全世界每年向大气中排放的C02总量近290亿吨，而C02总利用率仅为1亿吨，我国CO2排放总量已超过30亿吨。目前并未形成良性循环。碳捕获 技术的思路是用吸收剂吸收废气中低浓度C02之后，再使吸收剂再生放出co2原体，再高压储存运输C02原体，即物理应用。成本十分高昂，使发电费用增加70%，储存所占空间巨大，巨大运输体积，而且无环保作用。如果转换思路， 直接将C02通过化学转化或生物转化，转化为化工原料，将使碳捕获技术成本显著降低。现有普通微藻培养方法主要采用平面培养，培养液深度为15-20厘米，并采 用微孔管道将C02吹送到培养液中，不仅成本高昂，而且因C02是高压吹送， 而微藻培养液深度很浅，C02极易流失到大气中而未被微藻吸收，成为单位占地 面积的微藻产率的主要瓶颈。本专利技术显著增加微藻对C02的利用效率，实 现普通微藻培养所不具备的工业废气碳捕获功能。2、大面积水体净化，恢复渔业，预防藻潮大面积海洋湖泊富营养化水体的氮磷硫重金属离子净化现在是较难解决的 水污染问题的重点。解决问题的主要方法目前在于禁止含高氮磷的废水排入湖/ 海中。但不易真正得以被厂家执行，且禁止新废水排入未不能逆转原有水体污染 情况。封闭式海水池塘养殖等废水处理方法成本较高，实际推广存在难度。另外， 被称为海洋污染超级杀手的石油泄漏是一个极大的污染问题。据有关资料统计， 每年通过各种途径泄漏在海洋的石油和石油产品约占世界石油总产量的0.5%， 其中以油轮遇难造成的污染最为突出。目前，我国海上石油运量已经跃居世界第 三位，仅次于美国和日本，海洋溢油的潜在威胁日益增强。与以细菌为主体的传统废水生物处理方法相比，微藻有效回收氮磷重金属 离子，吸收C02，制造氧气。有效降低养殖废水中的化学耗氧量(COD)、悬浮 物(SS)和氨氮磷浓度，同时可处理海洋溢油，有效回收资源，与物化技术相比 具有投资低、可减少运行和管理费用，不易产生二次污染等优点,是处理溶解态 污染物最经济有效的方式.普通微藻培养因大量施以化肥，反而造成水污染；自 然藻类因水体富营养化而大量增生繁殖，却得不到清理而腐烂，从而产生更严重 的氮磷污染，即"赤潮"，"藻华"。本专利技术采用阶段培养技术，达到固定化 微藻反应器不能达到的迅速繁殖微藻的目的，解决了普通微藻培养难以净化大面 积废水的问题；解决了普通微藻培养因施以化肥，制造水污染问题；解决了开放 培养为其他微生物污染的问题。经处理后水体富含氧分，可恢复水体渔业生态功能。是潜在理想的大面积水体治理的选择。 3、高产率低成本微藻工业化养殖技术大规模培养光合生物如微藻用于生物质能源制造，高蛋白粮食制造，制药， 废气废水处理受到广泛关注。实现户外光合生物如微藻的高产率低成本是建立可 赢利商业生产的关键。目前一般微藻培养方式主要问题为l)全程开放培养， 此方式面临污染危险，难于解决维持种系问题；2)全程封闭培养，此方式成本 高，难于解决占地面积大的问题；3)高氮培养，难于解决氮浓度调整困难问题， 氮中毒问题和微藻在高氮培养环境下碳水化合物和脂类含量低的问题，以及制造 高氮废水问题；4)现有其他微藻培养方法主要采用微孔管道将C02吹送到培养 液中，因C02是高压吹送，而普通平面培养微藻培养液深度很浅，深度为15-20 厘米， 一般不能超过25厘米，C02极易流失到大气中而未被微藻吸收，成本高 而碳利用率低，并且不具备工业废气碳捕获功能；5)培养占地面积大，成本高， 难于工业化推广。目前仍有待新的微藻培养方法设计以实现高产率低成本。发明内容本发明的目的，在于提供一种工业化光合自氧微生物养殖，尤其是工业化微 藻养殖的装置和方法。本发明的目的，还在于提供一种污染资源化，整合废气碳捕获，大面积高氮 磷重金属石油溢油废水净化，和生物质能源及化工产品制造为一体的装置和方 法。本发明的目的，还在于提供一种废气有效组分提取以及合成化工能源产品的 设备和方法，同时消除废气中其他污染大气成分。本发明的目的，还在于提供一种大面积高氮磷重金属石油溢油废水处理的设 备和方法本发明的目的，还在于提供一种生物质能源制造的设备和方法，同时可用于 造纸，制药，营养添加剂和粮食替代物生产。本发明的目的，还在于提供一种废水处理的设备和方法，尤其是碱性废水和 含氨废水。本专利的目的，还在于提供回收环境污染元素转化为资源的生物转化法的技 术方案。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。一种光合自氧微生物的工业化培养的方法和装置，即一种阶段法微藻工业化 培养的方法和装置，它将微藻工业化培养分为阶段性进行。其三个基本阶段分别为第一阶段一一小面积种系培养阶段l，小面积培养，避免污染用于维持微藻 种系，属高氮培养。第二阶段——大面积开放式扩增阶段2，大面积低密度开放培养，可在开放 水面上设置浮围包围收纳培养，可用筛网打捞收获微藻。可用于整合微藻培养与 大面积废水预净化技术为一体并扩增微藻数量。第三阶段一_高碳低氮碳捕获阶段3，用于提高微藻碳水化合物和脂类含 量。为大面积高密度培养，限制培养液中氮含量，并在培养中加入含碳化合物， 并提高微藻碳水化合物和脂类含量。以上各阶段的次序不能颠倒。但在以上三个基本阶段基础上，可进一步加入 其他步骤。本发明的第一阶段可以省略，可直接从大面积水域打捞微藻而不考虑 微藻种系问题。所述加入含碳化合物的方法，可选项为将工业废气二氧化碳捕获后以液态含 碳化合物形式加入培养液中。限制培养液中氮含量方法可选项为联合菌类降氮(如硝化菌和反硝化菌)。 本发明的特点为-1) 整合微藻培养和工业废气碳捕获技术在一定范围内，微藻的产率与C02的吸收利用率成正比。现有其他微藻培养方 法主要采用微孔管道将C02吹送到培养液中，因C02是高压吹送，而普通平面 培养微藻培养液深度很浅，深度为15-20厘米， 一般不能超过25厘米，C02极 易流失到大气中而未被微藻吸收。本专利通过"高碳低氮碳捕获阶段3"高密度 高深度培养，提高含碳化合物与微藻反应接触密度，加大含碳化合物与微藻反应 通路长度，增加微藻培养中微藻对碳的利用效率，从而显著提高微藻的产率，并 同时实现普通微藻培养所不具备的工业废气碳捕获功能，并且低氮高碳培养有效 提高微藻碳水化合物和脂类含量。2) 整合微藻培养和废水净化技术为一体，恢复水体生态功能 开放培养密度低，并容易被污染，不易维持高品质微藻种系。但开放培养成本低，可以解决微藻光合作用必须占用光照面积的占地面积问题。同时只有低密 度开放培养可以同时处理大面积高氮磷重金属石油溢油废水。本专利通过第一阶 段小面积微藻种系培养1解决了开放培养中高品质微藻种系的维持问题。本专利采用阶段培养技术，达到固定化微藻净水反应器不能达到的迅速繁殖 微藻的目的；解决了普通微藻培养因培养密度低，难以净化大面积废水的问题； 解决了普通微藻培养因施以化肥，制造水污染问题；解决了开放培养为其他微生 物污染的问题；同时废水净化和能源产出成本合一，降低综合工程成本。可整合 成为海水集约化养殖的集约化废水处理部分。解决了大面积海洋湖泊富营养化水 体的氮磷硫重金属离子净化问题。经处理后水体富含氧分，恢复大面积海洋湖泊 水体渔业生态功能，并消除重金属对渔业食品安全的威胁。3) 提高微藻有效产品含量微藻自然品种达1万种以上，对于不同品种微藻和不同培养条件方法，微 藻有效产品含量差距极大。以含碳水化合物率为例，微藻在不同培养条件方法下， 含碳水化合物占干重比例可由低于1%到80%以上。开放培养密度低，并容易被污染，不易维持高品质微藻种系。但开放培养成 本低，可以解决微藻光合作用必须占用光照面积的占地面积问题。同时也只有低 密度开放培养可以同时处理大面积高氮磷重金属石油溢油废水。本专利通过第一 阶段"种系维持阶段1"，以相对高浓度投放到扩增培养阶段，解决了开放培养 中高品质微藻种系的维持问题。微藻在高氮培养环境下主要以扩增数量为主；在低氮高碳培养环境下主要以 提高微藻碳水化合物和脂类含量为主。本专利通过"大面积开放式阶段2"扩增 微藻数量；再通过"高碳低氮碳捕获阶段3"提高微藻碳水化合物和脂类含量。 从而有效将扩增微藻数量和提高微藻碳水化合物和脂类含量相结合。4) 污染资源化的生物转化法的技术方案 回收已经排入环境中的污染元素并转化为可利用的资源是解决资源危机和环境危机的重要模式。本专利技术使微藻培养得以低成本大规模回收已经排入环 境中的污染元素。解决了普通微藻培养不能自动整合废气废水处理功能，不能有 效捕获工业废气二氧化碳，不能净化废水，并可能制造废水污染；成本高，产率 低；能源转化率低等问题。
图1是本发明阶段法微藻废气废水再生能源的工艺流程图；图2是为进一步说明本发明分阶段培养模式，加入实施实例及培养器设计举 例的本发明的工艺流程图。图中l小面积种系维持阶段；2大面积开放培养阶段；3高碳低氮培养阶 段；4微藻产品提取；5废气二氧化碳捕获；6富营养化污水；7浮围筛网微藻 开放式养殖培养器设计；8高密度高深度培养的微藻培养器设计技术；9将工业 废气二氧化碳捕获后以液态含碳化合物形式加入培养中。图中需要说明的是在低密度开放培养阶段2，采用在富营养化高氮磷重金 属石油溢油污水水域，进行开放式低密度培养，扩增微藻数量及同时净化污水6， 培养器设计举例性采用结合浮围筛网微藻开放式养殖系统7，并在培养中加入经 工业废气二氧化碳捕获后的液态含碳化合物5，在高密度高碳低氮培养阶段3， 培养器设计举例性采用将可透光构架重复插入培养液，从而使光投射入培养深部 的高密度高深度培养的微藻培养器设计技术；培养器设计和加入含碳化合物方法 包括但不限于以上设计举例。
具体实施方式
参见图2，光合自氧生物尤其是微藻的工业化培养分为三个阶段并整合生物 质能源制造，工业废气二氧化碳捕获，大面积高氮磷重金属石油溢油废水处理为一体的实例。培养分为三个阶段"小面积种系维持阶段1"以及"大面积开放式扩增阶段2"和"高碳低氮碳捕获阶段3"。"小面积种系维持阶段"采用小面 积高氮高密度培养，防止污染，用于维持微藻种系，培养器设计采用结合立体培 养，以增加单位占地面积产率。收获后微藻放入"大面积开放式扩增阶段2"， 采用在富营养化高氮磷重金属石油溢油污水水域，进行开放式低密度培养，扩增 微藻数量及同时净化污水6，采用浮围筛网法7包围收纳培养和用筛网打捞收获 微藻；并在培养中加入含碳化合物5其方法采用将工业废气二氧化碳捕获后以液 态含碳化合物形式加入培养中；经打捞收获的微藻进入"高碳低氮碳捕获阶段 3"，采用高密度培养，限制氮含量，并在培养中加入含碳化合物5，提高微藻 碳水化合物和脂类含量，培养器设计采用结合将可透光构架重复插入培养液，从 而使光投射入培养深部的高密度高深度培养的微藻培养器设计技术，以加深培养 深度用于同时整合微藻培养和工业废气二氧化碳捕获技术为一体。从而1实现低 成本大面积微藻工业化培养，2提高微藻碳水化合物和脂类含量，3可整合微藻 培养和废水净化技术为一体，4可整合微藻培养和工业废气二氧化碳捕获技术为 一体；潜在用途在于生物质能源制造，工业废气二氧化碳捕获，大面积高氮磷重 金属石油溢油废水处理，化工合成，造纸等。
权利要求
1. 一种光合自氧微生物的工业化培养的方法和装置，可实现微藻低成本大规模培养，提高微藻碳水化合物和脂类含量，用于微藻生物能源制造、化工合成、造纸等用途，可用于吸收工业尾气中的二氧化碳，可用于大面积高氮磷重金属石油溢油废水处理；其特征在于所述的方法包含至少三个阶段至少包括一个主要用于维持微藻种系的初始培养阶段，采用小面积培养；至少包括一个主要用于扩增微藻数量的培养阶段，采用大面积开放式培养；之后，至少包括一个主要用于提高微藻碳水化合物和脂类含量的培养阶段，采用高密度低氮培养并在培养中加入含碳化合物。
2. 按照权利要求1所述的光合自氧微生物的工业化培养的方法，其特征在于所 述用于维持微藻种系、扩增微藻数量与提高微藻碳水化合物和脂类含量的微藻培养，分 开为小面积培养、大面积开放式培养和低氮高碳培养三个不同阶段进行。
3. 按照权利要求1所述的光合自氧微生物的工业化培养的方法，其特征在于所 述的大面积低密度开放式培养，可以整合微藻培养和污水净化为一体；所述的污水净化， 系净化富营养化高氮污水，可包括但不限于磷重金属污水，可包括但不限于石油溢油污 水。
4. 按照权利要求1所述的光合自氧微生物的工业化培养的方法和装置，其特征在 于所述扩增微藻数量的培养阶段，其培养器的设计，可选用浮围筛网法来包围收纳培 养和打捞收获微藻。
5. 按照权利要求4所述的光合自氧微生物的工业化培养的方法和装置，其特征在 于所述的浮围筛网法，是在水面上设置浮围包围收纳培养和用筛网打捞收获微藻两部 分；浮围悬浮于水面，包围收纳微藻培养于浮围环绕的范围之内。
6. 按照权利要求1所述的光合自氧微生物的工业化培养的方法和装置，其特征在 于所述的高密度高碳低氮培养，即高密度培养，是限制培养液中氮的含量，在培养液 中加入含碳化合物，并整合微藻培养和工业废气二氧化碳捕获技术为一体。
7. 按照权利要求6所述的光合自氧微生物的工业化培养的方法和装置，其特征在 于所述限制培养液中氮含量的方法，可选择性地采用联合菌类降氮，所述的菌类包括 硝化菌和反硝化菌。
8. 按照权利要求1所述的光合自氧微生物的工业化培养的方法和装置，其特征在 于所述提高微藻碳水化合物和脂类含量的阶段，需采用高密度培养器，所述的高密度 培养器的设计，可选择性地结合立体培养技术。
9. 按照权利要求1所述的光合自氧微生物的工业化培养的方法和装置，其特征在 于可选择性地将工业废气二氧化碳捕获后的含碳化合物加入培养器中，采用整合微藻 培养和工业尾气的二氧化碳捕获功能为一体的方法。
全文摘要
本发明涉及一种光合自氧微生物的工业化培养的方法和装置，尤其涉及微藻培养。本发明改变了传统的高氮高密度微藻培养方法，将培养分为至少三个阶段进行种系维持阶段、大面积开放式低密度扩增阶段和高碳低氮高密度碳捕获阶段。上述三阶段分别达到了低成本大面积微藻工业化培养、提高微藻碳水化合物和脂类含量、整合微藻培养和工业废气二氧化碳捕获、废水净化为一体的目标。实现微藻培养得以低成本大规模回收已经排入环境中的污染元素，潜在用途在于微藻生物质能源制造，工业废气二氧化碳捕获，大面积高氮磷重金属石油溢油废水处理，化工合成，造纸等。
文档编号C12R1/89GK101280273SQ20081011042
公开日2008年10月8日 申请日期2008年6月3日 优先权日2008年6月3日
发明者洪 朱 申请人:洪 朱