核壳结构的表面生长式光合微生物培养板、培养单元、系统及培养方法

核壳结构的表面生长式光合微生物培养板、培养单元、系统及培养方法
【专利摘要】一种核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，包括设于外部的壳板和填充于壳板内的核芯部，所述壳板是由刚性渗水材料制成的多微孔板状结构；所述填充芯为保水渗水性材料；所述填充芯填充于所述壳板内部。本发明的核壳式复合培养板，其表面供附着光合微生物，所述填充芯中保持有供光合微生物生长的培养液，培养液自该填充芯中逐渐渗透至壳板的表面，为光合微生物持续繁殖提供营养液。此外，本发明还提供了一种包含所述核壳式复合培养板的培养单元、培养系统、培养方法及应用。
【专利说明】核壳结构的表面生长式光合微生物培养板、培养单元、系统 及培养方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及核壳结构的表面生长式光合微生物培养板和包括该培养板的培养单 兀、表面生长式培养系统、方法及其应用。

【背景技术】
[0002] 光合微生物是一类以光为唯一的或主要能量来源而生长繁殖的微生物，包括微 藻、蓝细菌等含有叶绿素可进行光合作用的微生物，微生物有着重要生物利用价值。据目前 文献报道，藻类富含蛋白质，可以作为水产饵料或畜禽饲料（如螺旋藻）；更重要的，某些微 藻在特定条件下能够大量合成次生代谢物，如油脂、类胡萝卜素、多糖等，这些物质往往是 具有极高经济价值的生物活性物质，可以被用在功能食品、食品添加剂、制药、生物能源等 领域。特别是通过微藻大规模培养提取微藻油脂，进而转化生产生物柴油被认为是解决生 物能源生产与固碳减排的最重要途径之一。
[0003] 微藻培养已有几十年历史，目前的工业化微藻培养为液体浸没式，以大量水作为 微藻生活支撑介质。主要包括开放式培养池与密闭式光生物反应器（photobioreactor, PBR)两种形式。开放式培养池的优点在于建造和运行的成本较低。但由于开放池的光照面 积/体积比较小，液体表面与下部混合较差，只有表层藻细胞能够接受较充足的光照，池底 细胞往往难以接受到充分光照；其次，开放池培养运行水深较浅，一般只有10-30厘米，使 得通气补碳时气液接触时间短，补碳效率低，培养液中溶解二氧化碳（C0 2)的不足，使光合 作用受到限制；再一个是开放式升温慢，不能在短时间内升到酶活性最好的温度25°C，经 常错失光利用的最佳时机；而在夜间开放式池内温度自然下降太慢，使藻细胞仍然保持旺 盛的呼吸作用，将白天存储的能量消耗掉，故使藻细胞内有用的代谢物含量太低。因此开放 池培养的细胞生长速度与培养细胞密度均较低，另外其占地还大。与其相比，PBR -般是采 用透光材料（如玻璃、有机玻璃、塑料薄膜等）制成的细薄结构，由于光径小、培养体系光照 面积/体积比较大，所以细胞光照较充分。同时，补碳气体与液体接触时间长，培养液溶解 (X) 2浓度较高，因而细胞生长速度与培养密度均较开放培养池高。但该类PBR通常造价昂 贵、运行成本高、维护困难、难于大型化，产率在5?30g/m 2/d，远远低于理论预测值100? 200g/m2/d，达不到产业化的理论计算目标，光能利用率低这使微藻大规模培养实现产业化 最重要的直接制约因素仍有待提高。
[0004] 近年来，出现了一种半干式培养系统，已有专利报道，均采用滤纸、滤布、海绵、泡 沫塑料、纤维织物（例如帆布）中的一种或几种作为基质材料，但是该类软质材料具备如 下缺点：1)机械强度低，需要复杂的支撑，不合适大尺寸和空间高度上的放大，只能制成低 矮细薄结构，2)表面湿度不均匀，微藻生长不牢固；并且3)不耐循环使用，需要经常更换， 增加成本，4)容易掉落纤维等杂质；另外，5)这些柔性材料在作为培养板表面材料时，其生 物兼容性、和耐化学腐蚀性等方面都具有一定局限性。6)采用这些材料作为表面生长式光 生物反应器时，由于在坚直方向存在高度差，使靠近下方的静水压较大，渗水较快并产生积 水，使微藻藻种很容易被冲洗掉（无法均匀地附着和生长）。因此目前此类培养系统没有进 入大规划生产的可能。
[0005] 鉴于现有技术的上述缺点，本发明拟采用一种新型的核壳结构的表面生长式光合 微生物培养板、培养系统和培养方法。


【发明内容】

[0006] 为克服上述缺点，本发明提供一种核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其 包括：
[0007] 设于外部的壳板，该壳板该壳板是由刚性渗水材料制成的多微孔板状结构；
[0008] 填充芯，填充于该壳板内部，所述填充芯为保水渗水性材料。
[0009] 根据上述方案，所述壳板为一种具有从内至外连通的网络状微型管路结构，该特 殊结构使该壳板能够吸水、渗水，并产生自然的虹吸作用；减少培养液介质传递的能耗。
[0010] 在一个实施方案中，所述壳板内形成至少一个槽道，所述槽道内填充所述填充芯。
[0011] 在一个实施方案中，所述槽道包括多个，平行且纵向地贯穿所述壳板上、下两个端 面，每两个槽道之间具有一个肋板，将两个槽道之间形成区隔。
[0012] 在一个实施方案中，所述肋板是由该壳板一体成型，或为其他不透水的材质制作 后，安装于该壳板内。
[0013] 在一个实施方案中，所述壳板选择为以下材料中的一种或几种：透水陶瓷板水泥 板、陶土烧制板、青砖板、红砖板及瓦材板。
[0014] 在一个实施方案中，所述填充芯选择为以下材料中的一种或几种：分子筛、无纺 布、高密海绵、棉布、高分子吸水树脂及聚氨酯吸水剂。
[0015] 在一个实施方案中，所述填充芯的形态为条状、块状、粉末状、颗粒状、絮状或碎片 状。
[0016] 在一个实施方案中，所述槽道的水平截面为圆形、三角形、矩形或椭圆形。
[0017] 在一个实施方案中，所述槽道沿垂直于所述壳板的前后两表面的坚直截面，由上 至下为平行式，或由上至下渐进式缩小或台阶式缩小，使槽道内壁距离该壳板的两侧表面 由上至下逐渐增大。
[0018] 在一个实施方案中，所述分子筛具有5人?2nm的孔径。
[0019] 在一个实施方案中，所述分子筛为beta分子筛或ZSM-5分子筛。
[0020] 在一个实施方案中，所述壳板的表面呈凹凸不平状。
[0021] 在一个实施方案中，所述各壳板能够磊叠拼接组合，所述各壳板内部设有供液体 直接通过的专用通道。
[0022] 此外，本发明还提供了一种包含上述核壳结构的表面生长式光合微生物培养板的 培养单元，其包括：
[0023] 至少一个前述任一个方案的核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其表面供 光合微生物附着生长；
[0024] 至少一个供液装置，所述供液装置用于向所述核壳结构的表面生长式光合微生物 培养板提供光合微生物生长所需的培养液，所述培养液被所述核壳结构的表面生长式光合 微生物培养板吸收并渗透至该核壳结构的表面生长式光合微生物培养板的表面；
[0025] 至少一个培养液回收装置，所述培养液回收装置设于所述核壳结构的表面生长式 光合微生物培养板下端，以将各核壳结构的表面生长式光合微生物培养板下端渗出或未被 核壳结构的表面生长式光合微生物培养板吸收的培养液收集。
[0026] 在上述培养单元的一个实施方案中，所述供液装置系罩设于所述核壳结构的表面 生长式光合微生物培养板的顶端。
[0027] 在上述培养单兀的一个实施方案中，所述供液装置以间隔方式设于该核壳结构的 表面生长式光合微生物培养板的顶端上方位置，所述供液装置以喷淋、滴漏或渗漏的方式 给该核壳结构的表面生长式光合微生物培养板提供培养液。
[0028] 在上述培养单元的一个实施方案中，所述培养单元还包括至少一个固定装置，该 固定装置用于将所述核壳结构的表面生长式光合微生物培养板以直立的方式固定于一个 预定位置。
[0029] 此外，本发明还提供了一种包含上述培养单元的表面生长式培养系统，该培养系 统包括：
[0030] -个由上述任一个实施方案中培养单元所组成的阵列，以及
[0031]用于向所述阵列中的培养单元的供液装置提供培养液的培养液供给装置；
[0032] 其中，所述培养液供给装置包括培养液池、和循环动力装置，所述培养液池用于储 存培养液，所述循环动力装置用于将所述培养液池中的培养液输送至各该供液装置。
[0033] 在本发明培养系统的一个实施方案中，所述循环动力装置为一个泵，该泵设于该 培养液池连接至各该供液装置的管路上。
[0034]在本发明培养系统的一个实施方案中，所述培养液供给装置还包括一个二氧化碳 的混入装置，所述混入装置将将二氧化碳混入至所述的培养液培养池中。
[0035] 在本发明培养系统的一个实施方案中，所述循环动力装置包括一个压力罐、一个 空气压缩气源，其中该压力罐与该培养池连接，该培养池中的培养液输入至该压力罐中暂 存，该空气压缩气源连接至该压力罐，用于对压力罐内部压力实现调节，该压力罐的通过管 道连接至各该供液装置，开启该空气压缩气源对该压力罐增压，使压力罐内的培养液输送 至各该供液装置。
[0036] 在本发明培养系统的一个实施方案中，该压力罐连接一个液位计,该空气压缩气 源连接至该压力罐的管路上设有截止阀、减压阀，该压力罐连接至各该供液装置的管路上 设有一个压力表。
[0037]在本发明培养系统的一个实施方案中，所述培养液回收装置将该核壳结构的表面 生长式光合微生物培养板下端渗出或未被该核壳结构的表面生长式光合微生物培养板吸 收的培养液收集并通过管路返回至培养液池。
[0038] 在本发明培养系统的一个实施方案中，所述核壳结构的表面生长式光合微生物培 养板与培养液回收装置中的培养液接触。
[0039] 在本发明培养系统的一个实施方案中，所述培养单元为至少两个，相邻培养单元 之间设置有光源装置，该光源装置与所述培养单元平行地设置；或者，所述各培养单元平行 放置形成阵列，而将一光源装置设于该阵列的一侧，与各该培养单元垂直。
[0040] 在本发明培养系统的一个实施方案中，所述光源为自然光或人工光源，所述人工 光源为双面光源或单面光源。
[0041] 基于上述构思，本发明运用前述表面生长式培养系统培养光合微生物的方法，包 括以下步骤：
[0042]a)将培养液池中的培养液通过所述循环动力装置输送至各该供液装置，所述供 液装置以喷淋、滴漏或渗漏的方式给核壳结构的表面生长式光合微生物培养板提供培养 液，从而使含培养所需营养物质的培养液浸润整个核壳结构的表面生长式光合微生物培养 板；
[0043]b)在所述核壳结构的表面生长式光合微生物培养板上接种光合微生物；
[0044]c)设置环境湿度和温度，在适合光合微生物生长的光量子强度下使得光合微生物 进行光合作用、生长繁殖。
[0045] 其中，在步骤a)中，还包括将所述核壳结构的表面生长式光合微生物培养板上渗 出或未被核壳结构的表面生长式光合微生物培养板吸收的培养液回收至培养液池中的步 骤，同时监测培养液池中的培养液成分，及时向培养液池补充营养成分。
[0046] 其中，所述光合微生物包括小球藻、螺旋藻、绿藻、等鞭金藻、微拟球藻、栅藻或血 球藻。
[0047] 为了进行光合微生物的表面生长式培养，本发明米用新型核壳结构的表面生长式 光合微生物培养板，其包括具有吸水渗水性材质制成的壳板，和具有吸水保水性材质制成 的填充芯，这种壳板为多微孔材料板，具有很好的吸水/透水性能，因此可以吸取填充芯材 所持的培养液，当壳板表面由于水分蒸腾，形成内外液压差，经虹吸作用，可迅速吸收填充 芯中的培养液，而填充芯材中液会迅速吸收供液装置供给的培养液，从而不断将培养液供 给到该壳板的表面，达到饱和状态。
[0048]另外，其中壳板内部形成数个贯穿该壳板上下两端的槽道，这些槽道平行且沿着 壳板上下两端延伸，每两个槽道之间具有一个肋板，将两个槽道之间形成区隔。这些肋板的 存在，将填充芯分割成数条，以避免一整块填充芯内部产生连续的水路所带来的静水压差， 减少壳板下部外表面渗水过快等积水问题，允许大量的光合微生物，如藻种附着（类似苔 藓等生长在水中的石壁上），本发明可以解决培养板在坚直方向上的渗水速率不同、反应器 表面积水冲刷藻种等技术问题。
[0049] 为了进一步解决在坚直方向静水压的问题，其中各该槽道沿垂直于该壳板前后两 侧面的方向上的剖面可呈渐进式缩小或台阶式缩小，使靠近该壳板下端的槽道内壁到达壳 板外侧之间的距离逐渐增大，以抵消部分的静水压差带来的壳板下部表面渗水快，将微藻 冲刷脱落的问题。
[0050] 再一个效果是，本发明的核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其内部的填 充芯的形态的可不受限制，由于该壳板已经形成了一个个独立的槽道，故该填充芯可为粉 末状、絮状、条状、块状、颗粒状等形态，且在填充芯长时间使用老化后，可轻易更换新的吸 水保水性填充芯，避免老化释放毒素或锁水性能差等问题；因此，本发明的核壳结构的表面 生长式光合微生物培养板其维护成本低。
[0051] 另外，本发明核壳结构的表面生长式光合微生物培养板的骨架强度和刚性较高， 相对于现有的滤布、滤纸或帆布等具有如下效果：（1)核壳结构的表面生长式光合微生物 培养板自身为刚性，可以简单的方式实现自支撑（只需简单地对其底部固定就可以直立， 或采用吊装或挂装），在空间高度和尺寸上更容易实现，无需如帆布等必须依赖复杂的支撑 框架，可以节省系统所占空间和成本；（2)壳板表面湿度均匀，微藻生长牢固，不容易受到 环境影响而脱落；(3)壳板可耐环境因素影响，耐腐性好，重复利用率高，降低成本；(4)不 会有纤维等杂质混入收获的藻产物中；（5)吸水和保水性能好，有利于微藻生长繁殖逐渐 增加的对培养液消耗的要求。本发明的壳板结构较佳也是以分子筛为基质，分子筛通常是 由T0 4(T = Si，P，Al，Ge等）四面体构成的具有微孔结构的晶态无机固体，具有不同的笼 或孔状结构（孔径通常小于2nm)。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附到空穴内部，而 把比孔径大的分子排斥在其空穴外，起到筛分分子的作用，故得名分子筛。沸石分子筛的 实际用途是非常广泛的，比如它可以用作吸附剂、离子交换剂，尤其是可以用作石油裂解催 化剂，这是人们开发具有良好催化活性和选择性沸石分子筛的动力。当然，随着人们对分子 筛研究的不断深入，其应用范围也得到进一步的拓展，比如可以用作电池材料、药物载体等 等。沸石分子筛的这些特性主要依赖于其机构和组成方面的特征，例如孔道的多维性、孔的 尺寸、孔容、阳离子的数目和位点、Si/Al比例等，可以说分子筛的性能是这几种因素的综合 作用的体现。与一般常用的固体吸附剂如硅胶、活性炭、活性氧化铝等相比，分子筛在吸附 性能方面有两个显著的特点，一个是选择性吸附，另一个是高效率吸附。由于分子筛的组成 元素主要是亲水性元素以及多维的孔道结构，分子筛具有良好的水吸附性能。其吸附方式 主要为物理吸附，而且被吸附的水分子主要储藏于分子筛的孔道中，因此在吸水前后分子 筛材料体积并没有明显变化。同时，分子筛在水分子连续输送方面也具有很好性能，这是分 子筛能够在较长时间内使内部和表面保持均一湿度的原因。此外，分子筛还有一项重要的 特性是能够在水分子的协助下，对金属离子表现出良好的传输性能，使材料内部的离子能 够源源不断地向表面进行输送。这些特点决定了分子筛在半干法微藻培养方面具有产业化 应用的潜力。本发明提供的表面生长式培养系统耗水量比较低、微藻细胞生长较快、收获便 利及总体能耗低，具体优势如下：本发明采用的是表面生长式培养系统，可将微藻藻种接种 于壳板的表面后，利用培养液供给装置向壳板顶端的槽道内源源不断地注入培养液，培养 液被填充芯吸收存储，在填充芯吸收达到饱和状态后，再补充的培养液就会慢慢从填充芯 中渗出，并透过多微孔性质的壳板渗出至壳板的表面，使壳板的表面始终呈湿润状态，能够 提供微藻生长所需的环境和营养。这样就避免了传统光生物反应器中水的大量使用，减少 了动力系统的能耗；减少了管道设计；培养板可坚立排列呈阵列状，减少了单位生物质产 量的占地面积；同时，通过使微藻生长浓度极大地提高，也简化了传统微藻后期收获中脱水 浓缩、离心、过滤等工艺，提高了生产效率、降低运营成本；
[0052] 2、本发明中所使用光源直接照射到微藻细胞，而不需要通过水体，因此光能量衰 减较少，相对传统光生物反应器，大幅度提高了光能利用率，同时大幅度提高了微藻生长速 率和品质，这是微藻生物能源产业化的关键一步；
[0053] 3、传统管式光生物反应器需要对水、藻混合物进行搅拌，以保证微藻在充足的光 照条件下充分生长，能耗和成本较高。而本发明所涉及的培养系统不需通过搅拌来避免藻 细胞沉降、减少能耗，节约成本；
[0054] 4、相对于其他光生物反应器，本发明的表面生长式核壳结构的培养板可以便捷地 改变微藻生长环境。微藻的生长（生物量积累）和代谢物的产生（如油脂）一般是两个分 开的过程，因为它们对环境要求不相同，细胞生长需要高氮环境，而油脂积累过程则需要低 氮等胁迫环境。目前常用的方法是等到培养基体系内原有氮源消耗完毕时才逐步转化为缺 氮诱导环境，往往需要10天以上；若生长已近平台期，想快速进入油脂累积阶段，目前只能 是先采集藻细胞后再转入低氮或无氮培养基中进行油脂代谢，这个工作量很大，而且能耗 高。而通过本发明的培养系统及培养方法，我们可以根据微藻生长情况随时改变生长环境， 以实现微藻生物量的积累或油脂累积。
[0055] 5、使用本发明的表面生长式培养系统及培养方法，与现有的表面生长式培养系统 及方法相比，具有明显的优势：
[0056] 5a)本发明壳板具有强的吸水透水性，填充芯具有强的吸水性、锁水性能，不需进 行连续用泵大功率地输水、淋水，就可以保持足够水分，从而可以为微藻的培养、生长源源 不断地提供水分和其他培养所需的营养成分，节省能耗。本发明中的壳板所具有的多微孔 性，加上扩散性能良好，所述壳板可迅速吸收培养液，达到饱和状态，为在表面培养微藻做 好储备。在水分蒸发时，由于培养系统表面孔穴内液体表面的表面张力作用，可在孔径内产 生汲取作用。在汲取作用下，培养液可在壳板的孔管道/网络/空穴内流动，可使培养液快 速补给到壳板表面，使壳板表面的湿度均一饱和。借助水分的运动，溶培养液中的营养物质 小分子也会随同水流动到达任何地方，培养液实现从培养板内部向培养板表面运输。在上 述自然机理作用下，由于是一个自然现象，因而相对于现有技术可降低供液能耗。
[0057]本发明核壳结构的培养板的壳板材质较佳选择以分子筛为基质，由于分子筛的规 格均一，可实现液体的流动快速而且均匀。
[0058] 由分子筛制造的壳板具有双重多微孔性，所述双重多微孔性为①分子筛多微孔 性，即，分子筛本身所具有孔径，从而具有强吸水性和保水性；②板多微孔性，具有从内至外 连通的网络状管路，即制成的分子筛的多微孔性壳板还具有除了分子筛本身孔径以外的孔 径，这种孔径大于分子筛本身孔径，增加水生生物（如微藻）在壳板表面与水的接触面积， 并且增加在壳板表面水的流动性，从而有利于将富含营养成分的培养液向水生生物输送。 这种分子筛的多微孔性和壳板的多微孔性的配合极大地增加了壳板的吸水性和保水性，并 增加了将培养液递送至水生生物的能力，有利于水生生物生长；
[0059] 5b)本发明的壳板为刚性，其机械强度高，可在坚直方向自支撑，只需简易地对其 底部支撑固定即可，便于实现尺寸上的延展；
[0060] 5c)本发明的壳板抗腐蚀性好，从而在收获后或污染后，可耐受消毒剂，从而保证 其循环使用性好；以及
[0061] 5d)本发明的壳板成本低，分子筛材料加工制造工艺目前相对成熟，而且可以选用 的原材料可来自本欲填埋处理的废渣。
[0062] 5e)本发明的壳板内部形成数个槽道，分别容纳填充芯，可避免一整块填充芯容 易形成连续水路而存在高度方向的静水压问题，避免靠近壳板下部产生渗水过快和积水问 题；此外由于已经成型了槽道，则可便于任何形态的填充芯填充进去，并且可根据保水情 况，更替新的填充芯材质。
[0063] 由上述优点可见，这在很大程度上克服了微藻培养规模化所遇到的技术瓶颈-- 装备大型化和提高空间利用率障碍，使微藻生物能源产业化具有可能性。
[0064] 另外一个额外的好处在于，不仅可降低做催化剂用的分子筛废料处理成本，起到 环境保护作用，而且还低成本地进行了环境治理。
[0065] 综上所述，本发明解决了现有的浸没式微藻培养的光生物反应器系统制造和维护 成本昂贵，空间利用率低、生产效率低、能耗高的问题。本发明中，不仅培养系统经济廉价， 而且微藻对光能、碳源及营养的利用效率高，次生代谢物的生成速度快，大幅提高了单位占 地面积生物量产率和次生代谢物产率。

【专利附图】

【附图说明】
[0066] 图la-图le为本发发明不同核壳结构的培养板结构不意图。
[0067] 图2为本发明核壳结构的培养单元的结构示意图。
[0068] 图3为表面生长式培养系统1000a的不意图。
[0069] 图4为表面生长式培养系统1000b的不意图。

【具体实施方式】
[0070] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述；需要说明的是本发明中"刚 性"所指代的含义是指相对于帆布、纤维布或海绵具有更大硬度的材质，包括但不限于" 透水陶瓷板、水泥板、陶土烧制板、青砖板、红砖板及瓦材板"等这些建筑施工用的刚性材 质，这些材质的特点是皆可在坚直方向无特殊支撑架的状态下实现自支撑、且耐腐蚀性强。
[0071] 〈核壳结构的表面生长式光合微生物培养板〉
[0072] 本发明的表面生长式核壳结构的表面生长式光合微生物培养板1、如图la所不， 包含两个部分，即位于设于外部的壳板11，该壳板11是由刚性渗水材料制成的多微孔板 状结构，内部具有连通的网络状微型管孔结构，在该壳板11内部形成数个坚直方向的槽道 111，优选的，使这些槽道可相互平行，贯穿该壳板11的上端面112、下端面113 (也可不贯 穿）；数条填充芯12,用于填充至该各槽道111内，填充芯12是由吸水、锁水及渗水性的材 质制成，例如，能够选择分子筛、无纺布、高密海绵、棉布、高分子吸水树脂及聚氨酯吸水剂， 且不限于这些材质。其中，槽道111的设置数量不限制，但为了壳板11的表面的湿润度的 平均性，较佳使各槽道111分布的间隔小于5cm。其中，填充芯12的形态能够为任何形态， 例如填充芯12为图la所示的条状或块状，当然可以仅为粉末状、颗粒状、絮状或碎片状等 任何方便填入槽道111之中的形态。
[0073] 所述的壳板11，在两个槽道111之间形成一个肋板，其材质可与壳板11的材质相 同，而一体成型出这些肋板和槽道111，也可以采用其他的材质单独制成肋板后，再安装进 去。上述结构的作用是，由于槽道111之间有区隔，壳显著降低了一整块填充芯中水柱及静 水压形成的几率，从而避免了渗水率因为高度不同而有所区别以及壳板11表面积水，使光 合微生物，如藻种无法有效附着的现象。
[0074] 上述核壳式的培养板1，其特殊的壳板加填充芯结构，不仅可综合刚性的外侧单层 板所具有的"多孔渗水性能"和较强的"锁水和持水性能"的填充芯的双重优势，解决现 有技术问题；同时还可以缓解静水压，减少孔内连续水路的形成，防止表面积水，更有利于 微藻附着生长，提升培养板单位面积的产藻量。
[0075] 其中，壳板11可选择为以下材料中的一种或几种的现有的建筑板材，如：水泥板、 陶土烧制板、青砖板、红砖板及瓦材板；同时可以采用一些多微孔性的基质材料和添加剂 制作成一种硬质多微孔板，所采用添加剂包括粘结剂，基质材料为分子筛、玻璃砂或青石等 等；其中的添加剂为铝石，或者铝石、田菁粉和硝酸的混合物。采用分子筛制作该壳板11 时，分子筛较佳选择具有5A ~2nm的孔径的分子筛，例如分子筛beta分子筛或ZSM-5分 子筛。在一个实施方案中，所述硬质多微孔板包含分子筛和铝石，其中所述分子筛为50-90 质量份，铝石为5-45质量份。在另一个实施方案中，所述壳板包含分子筛、铝石、田菁粉和 硝酸，其中所述分子筛为60-80质量份，铝石为15-35质量份，田菁粉为1-4质量份，硝酸为 1-4质量份。
[0076] 进一步地，壳板11表面呈凹凸不平状，以增加其表面积，可让更多的微藻附着于 其上，使单位体积内可生长更多的微藻。
[0077] 进一步的，其中该壳板11的槽道111的形状不受限制。
[0078] 参照图lb所示，是图la的变形，图la槽道111的水平截面为矩形，在图lb中壳 板11的各槽道111的水平截面为圆形，此外，还可设为三角形或椭圆形等等，而填充芯12 可分别为粉末状、絮状、碎片状或颗粒状（未绘）。
[0079] 参照图la所示，其壳板11中的各槽道111沿垂直于所述壳板的前后两表面的坚 直向截面，为均匀的宽度，而填充芯12为规则的条状。在图lc中，可以看到，槽道111沿垂 直于壳板11前后表面的坚直向截面为由上至下为渐进式缩小，图Id中，槽道111坚直向截 面为由上至下为阶梯式缩小，使槽道111内壁与该壳板11的前后两侧表面之间的距离由上 至下逐渐增大，这样的结构设计，是通过增加壳板11下方的渗水距离，以增加渗水阻力，可 在一定程度上抵消部高度方向静水压引起的渗水过快，壳板11表面积水的问题。
[0080] 参见图le所示，所述培养板1可以叠置垒高以拼接成更大面积的培养板组合；这 样一来由于高度方向上有多块培养板1重叠，则培养液若从最上层的培养板1的上端面112 开始往下渗漏，逐渐渗至最下端的培养板1的上端面，就会造成最上层的培养板1外表面渗 水很大，而最下层培养板1外表面会就比较干，并且最下层的培养板1上的培养液传输速度 较慢，影响壳板11上藻的生长速度。
[0081] 为了解决这个问题，如图le所示的四块培养板1垒叠在一起时，各培养板1的壳 板11内贯穿设置有专门用于培养液流动的专用通道114,为空管结构，该些通道114可以使 培养液流经各培养板1时不被填充芯12吸收，而是直接通过这些通道114,到达相邻的下 一层培养板1上端面112 ;通过这些专用通道114的设置，可以平衡所述培养板组合中各层 培养板1上培养液的渗出速度和渗出量，使组合中各培养板1外表面藻的生长情况更加符 合预期，更加均衡；其中，通道114内还可以设置一些水管（pipe)，在各培养板1与培养板1 连接的位置处设有高密海绵条或吸水棉条115,使从通道114内渗出的水分布均匀。
[0082]本发明中核壳结构的表面生长式光合微生物培养板可通过以下方法制造（下称 制备方法1):将具有6 ~ 8A的孔径的物质A (如分子筛类多微孔材料）和粘合物质B (如铝 石类辅助剂）以质量份数比约70份：25份混合，向上述混合物加入添加剂C(如田菁和硝 酸少量添加物）进行粘接，在80-KKTC和常压，使粘接混合物在模具中压制形成硬质多微 孔的板状结构（类似制砖的工艺），所述多微孔壳板具有无数个孔径为3?40 y m，较佳为 3-10 y m的微孔管道结构（分子筛压合后颗粒之间形成的微孔管道），同时在该壳板的内部 形成数个槽道111 ;然后，将具有6 ~ 8A的孔径的物质A(如分子筛类多孔材料，可进行简 单加工成条状，也可以不加工）在常温条件下紧密地填充到槽道111内，形成本发明的核壳 结构的表面生长式光合微生物培养板1。
[0083]本发明中核壳结构的表面生长式光合微生物培养板可通过以下方法制造（下称 制备方法2):在具有槽道111的透水陶瓷板中，紧密填充具有6孔径的分子筛（可分 子筛ZSM-5或分子筛beta或二者的混合物），形成本发明的核壳结构的表面生长式光合微 生物培养板1。
[0084]〈核壳结构的表面生长式光合微生物培养板组成的培养单元〉
[0085] 图2不出了本发明的培养单兀101，培养单兀101包括核壳结构的表面生长式光 合微生物培养板1、固定装置2、培养液回收装置3、供液装置4。所述固定装置2可包括相 对的固定组件21和22,固定组件21和22之间形成可固定培养板1的孔隙23。培养单元 100可包括多个培养板1的阵列，其形成较大的平面培养板组件。供液装置4设置在培养板 1的上方，供液装置4具有孔、缝隙等出口，从而使培养液以滴漏、渗漏等形式进入核壳结构 的表面生长式光合微生物培养板1内部，被填充芯12吸收并保持。培养板1的顶端侧缘可 密封在供液装置4中。作为替换，供液装置4可沿坚直方向与培养板1间隔开，以使得培养 液从供液装置4滴落至培养板1。培养板1的下端侧面可密封在培养液回收装置3中，与培 养液回收装置3中的培养液接触，使培养液回收装置3中的培养液能够浸润该培养板1的 下端部。
[0086]〈培养系统实施例1>
[0087] 结合图2和图3进行说明，图3示出了本发明的表面生长式培养系统1000a的，表 面生长式培养系统l〇〇〇a可包括多个如图2所示的培养单元101和设置在培养单元101之 间光源装置8,以及为培养单元101提供培养液的培养液供给装置9。
[0088] 如图2和3所示的，所述固定装置2包括相对的固定组件21和22,固定组件21和 22之间形成可固定培养板1的孔隙23,且培养板1还可以向上从孔隙23中取出。
[0089] 图3中的多个培养单元101设置为相互平行且间隔开一距离。每两个培养单元 101之间设置至少一光源装置8。光源装置可为双面光源，对两侧的培养单元进行照射。光 源装置8也可根据需要为单面光源。
[0090] 图2的表面生长式培养系统1000a包括培养液供给装置9,该培养液供给装置9包 括培养液池6、循环泵7。
[0091] 培养液回收装置3用于将从核壳结构培养板1下端渗出或未被培养板1吸收的培 养液收集并通过管道返回至培养液池6。当培养系统1000a工作时，循环泵7启动，将培养 液池6中的培养液通过管道输送至供液装置4,供液装置4将培养液供给核壳结构培养板 1，核壳结构培养板1吸收培养液并通过其内部的细小孔径运输至核壳结构培养板1的表 面，提供为微藻生长所需的营养，而核壳结构培养板1端部同时与培养液回收装置3内的培 养液相接触，培养液通过毛细作用浸润核壳结构培养板1下端的部分区域，使得核壳结构 培养板1处于半干状态。
[0092] 培养液供给装置9还可包括二氧化碳混入装置（图中未示），用于将二氧化碳混入 到培养液中。
[0093]〈培养系统实施例2>
[0094] 结合图2和图4说明本发明的另一培养系统1000b。图4不出了本发明的表面生 长式培养系统l〇〇〇b。与图3所示的实施例类似，培养系统1000b也可包括一个或多个图2 的培养单元101。具体地，培养系统l〇〇〇b可包括核壳结构培养板1、固定装置2、培养液回 收装置3、供液装置4、培养液池6、压力罐11、空气压缩气源12、液位计13、截止阀14、截止 阀15、减压阀16、排气阀17、和压力表18。
[0095] 图4的表面生长式培养系统1000b包括培养液循环装置9b，所述培养液循环装置 9b中可选采用空气压缩方式。该空气压缩方式所用装置为本领域可选的其他压力泵替代 装置，可选但不限于包括压力罐11、空气压缩气源12、液位计13以及配套阀门，优选截止阀 14、15,减压阀16等。通过将在压力罐11内储备足量培养液的条件下，将循环装置9b中其 上游截阀15关闭，将截止阀14开启，通过空气压缩气源12使压力罐11内培养液在循环装 置9b中输送至供液装置4,可选用压力表18监测，供液装置4以喷淋、滴漏或渗漏的方式给 核壳结构培养板1提供培养液，从而使含培养所需营养物质的培养液浸润整个核壳结构培 养板1，培养液回收装置3位于核壳结构培养板1的下方，未被核壳结构培养板1吸收的培 养液流至培养液回收装置3,培养液回收装置3中的培养液通过管道回流至培养液池6。
[0096] 水牛牛物表面牛长式培养系统的橾作
[0097] 本发明实施例1的表面生长式培养系统1000a可如下操作：
[0098] _通过培养液供给装置9使得供液装置4具有包含C02微泡的培养液，供液装置4 以喷淋、滴漏或渗漏的方式给核壳结构培养板1提供培养液；
[0099]-使核壳结构培养板1与培养液回收装置3中的培养液保持接触，从而使含C02微 泡的培养液浸润核壳结构培养板1 ;
[0100] -在核壳结构培养板1的表面接种微藻；
[0101] -利用所述光源装置8照射所述核壳结构培养板1，并设置培养系统1000a周围的 环境湿度和温度，温度通常为20-35°C，湿度在50-80%的范围，使得微藻生长。
[0102] 本发明实施例2的表面生长式培养系统1000b可如下操作：
[0103] 1.排气阀17打开，截止阀14和截止阀15关闭，减压阀16压力调至OMPa，减压阀 16要求在0-1. OMPa范围内可调；
[0104] 2.在培养液池6中添加一定体积量的培养液；
[0105] 3.打开截止阀15,培养液从培养液池6流入压力罐11，液面在截止阀14相连的管 路入口以下；
[0106] 4?关闭截止阀15和排气阀17,打开截止阀14,调整减压阀16的压力，压力罐11 内的培养液会逐渐流入供液装置4,为核壳结构培养板1提供微藻所生长所需要的培养液。 其中，根据核壳结构培养板1承载的微藻生长情况和压力表18显示的压力，将减压阀16的 压力调整到适当的值；
[0107] 5.流经培养液回收装置3的培养液返回到培养液池6中，同时对培养液池6中的 成分进行实时监测，如果成分达不到培养要求，及时补充相应的培养液成分；
[0108] 6.压力罐11中安装有低液位检测的液位计13,当液位低于设定的液位后，将排气 阀17打开，截止阀15打开，截止阀14关闭，培养液从培养液池6流入压力罐11。重复步骤 3至步骤5的过程，实现对核壳结构培养板1上微藻不间断供给培养液；
[0109] 7.在培养液浸润整个核壳结构培养板1后，在核壳结构培养板1的表面上接种微 藻；
[0110] 8.利用光源装置8照射核壳结构培养板1，并设置培养系统100周围的环境湿度 和温度，温度通常为20-35°C，湿度在50-80%的范围，使得水生生物生长。
[0111] 本发明实施例2的系统借助压力表18、减压阀16以及液位计13,可以根据微藻生 长状况较为精确地控制培养液的供给量和速度，实现精准控制的目的。
[0112] 以下是将本发明的培养单元与现有技术进行比较，以进一步使本本发明的技术效 果得到体现：
[0113] 实施例1本发明核壳结构培养板及对照的制备
[0114] 本发明核壳结构培养板1的制备例：
[0115] 按照前述制备方法1得到本发明核壳结构培养板①；
[0116] 按照制备方法2,以分子筛ZSM-5制备得到本发明核壳结构培养板②。
[0117] 所述核壳结构培养板①和②的尺寸均为1米*2米*3厘米。
[0118] 设置3组对照：
[0119] 第1组：对照帆布（32支），尺寸与所述核壳结构培养板1相当，夹心层有为海绵 吸水材料。
[0120] 第2组：按照前述的制备方法1，用分子筛和铝石等制作一张多孔板，但不形成槽 道111，得到对照板①；
[0121] 第3组：在两块透水陶瓷板中间夹持一整块的分子筛ZSM-5组成的块状体，得到对 照板②。
[0122] 上述3组对照板的尺寸与所述核壳结构的表面生长式光合微生物培养板①及② 相当。
[0123] 实施例2吸水率比较
[0124] 表1.吸水率比较
[0125]

【权利要求】
1. 一种核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其特征包括： 设于外部的壳板，该壳板是由刚性渗水材料制成的多微孔板状结构； 填充芯,填充于该壳板内部,所述填充芯为保水渗水性材料。
2. 如权利要求1所述的核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其特征是，所述壳 板内形成至少一个槽道，所述槽道内填充所述填充芯。
3. 如权利要求2所述的核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其特征是，所述槽 道包括多个，平行且纵向地贯穿所述壳板上、下两个端面，每两个槽道之间具有一个肋板， 将两个槽道之间形成区隔。
4. 如权利要求2所述的核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其特征是，所述壳 板选择以下材料中的一种或几种制成：透水陶瓷板、水泥板、陶土烧制板、青砖板、红砖板及 瓦材板。
5. 如权利要求4所述的核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其特征是，所述填 充芯选择以下材料中的一种或几种制成：分子筛、玻璃砂、无纺布、高密海绵、棉布、高分子 吸水树脂及聚氨酯吸水剂。
6. 根据权利要求5所述的核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其特征是，所述 填充芯的形态为条状、块状、粉末状、颗粒状、絮状或碎片状。
7. 如权利要求3所述的核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其特征是，所述槽 道的水平截面为圆形、三角形、跑道形、矩形或椭圆形。
8. 如权利要求3所述的核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其特征是，所述槽 道沿垂直于所述壳板的前后两表面的坚直截面，由上至下为平行式，或由上至下渐进式缩 小或台阶式缩小，使槽道内壁距离该壳板的两侧表面由上至下逐渐增大。
9. 如权利要求5所述的核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其特征是，所述分 子筛具有5 A?2nm的孔径。
10. 如权利要求9所述的核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其特征是，所述分 子筛为beta分子筛或ZSM-5分子筛。
11. 如权利要求2所述的核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其特征是，所述各 壳板能够磊叠拼接组合，所述各壳板内部设有供液体直接通过的专用通道。
12. -种表面生长式培养培养单元，其特征包括： 至少一个如权利要求1-11所述的核壳结构的表面生长式光合微生物培养板，其表面 供附着光合微生物生长； 至少一个供液装置，所述供液装置用于向所述核壳结构的表面生长式光合微生物培养 板提供光合微生物生长所需的培养液，所述培养液被所述核壳结构的表面生长式光合微生 物培养板吸收并渗透至该核壳结构的表面生长式光合微生物培养板的表面； 至少一个培养液回收装置，所述培养液回收装置设于所述核壳结构的表面生长式光合 微生物培养板下端，以将各核壳结构的表面生长式光合微生物培养板下端渗出或未被核壳 结构的表面生长式光合微生物培养板吸收的培养液收集。
13. 根据权利要求12所述的表面生长式培养培养单元，其特征是，所述供液装置系罩 设于所述核壳结构的表面生长式光合微生物培养板的顶端。
14. 根据权利要求12所述的表面生长式培养培养单元，其特征是，所述供液装置以间 隔方式设于该核壳结构的表面生长式光合微生物培养板的顶端上方位置，所述供液装置以 喷淋、滴漏或渗漏的方式给该核壳结构的表面生长式光合微生物培养板提供培养液。
15. 根据权利要求12或13或14所述的表面生长式培养单元其特征是，所述培养单元 还包括至少一个固定装置，该固定装置用于将所述核壳结构的表面生长式光合微生物培养 板以直立的方式固定于一个预定位置。
16. -种表面生长式培养系统，该培养系统包括： 一个由权利要求12-15任一项所述的培养单元所组成的阵列，以及 用于向所述阵列中的培养单元的供液装置提供培养液的培养液供给装置； 其中，所述培养液供给装置包括培养液池和循环动力装置，所述培养液池用于储存培 养液，所述循环动力装置用于将所述培养液池中的培养液输送至各该供液装置。
17. 根据权利要求16所述的表面生长式培养系统，其特征是，所述循环动力装置为一 个泵，该泵设于该培养液池连接至各该供液装置的管路上。
18. 根据权利要求16或17所述的表面生长式培养系统，其特征是，所述培养液供给装 置还包括一个二氧化碳的混入装置，所述混入装置将将二氧化碳混入至所述的培养液培养 池中。
19. 根据权利要求16所述的表面生长式培养系统，其特征是，所述循环动力装置包括 一个压力罐、一个空气压缩气源，其中该压力罐与该培养池连接，该培养池中的培养液输入 至该压力罐中暂存，该空气压缩气源连接至该压力罐，用于对压力罐内部进行压力调节，该 压力罐的通过管道连接至各该供液装置，开启该空气压缩气源对该压力罐增压，使压力罐 内的培养液输送至各该供液装置。
20. 根据权利要求19所述的表面生长式培养系统，其特征是，该压力罐连接一个液位 计，该空气压缩气源连接至该压力罐的管路上设有截止阀、减压阀，该压力罐连接至各该供 液装置的管路上设有一个压力表。
21. 根据权利要求16或17或19所述的表面生长式培养系统其特征是，所述培养液回 收装置将该核壳结构的表面生长式光合微生物培养板下端渗出或未被该核壳结构的表面 生长式光合微生物培养板吸收的培养液收集并通过管路返回至培养液池。
22. 根据权利要求21所述的表面生长式培养系统，其特征是，所述核壳结构的表面生 长式光合微生物培养板与培养液回收装置中的培养液接触。
23. 根据权利要求16或17或19所述的表面生长式培养系统其特征是，所述培养单元 为至少两个，相邻培养单元之间设置有光源装置，该光源装置与所述培养单元平行地设置； 或者，所述各培养单元平行放置形成阵列，而将一光源装置设于该阵列的一侧，与各该培养 单元垂直。
24. 根据权利要求16或17或19所述的表面生长式培养系统其特征是，所述光源为自 然光或人工光源，所述人工光源为双面光源或单面光源。
25. -种运用权利要求16-24任一项所述的表面生长式培养系统培养光合微生物的方 法，包括以下步骤： a)将培养液池中的培养液通过所述循环动力装置输送至各该供液装置，所述供液装置 以喷淋、滴漏或渗漏的方式给核壳结构的表面生长式光合微生物培养板提供培养液，从而 使含培养所需营养物质的培养液浸润整个核壳结构的表面生长式光合微生物培养板； b)在所述核壳结构的表面生长式光合微生物培养板上接种光合微生物； C)设置环境湿度和温度，在适合光合微生物生长的光量子强度下使得光合微生物进行 光合作用、生长繁殖。
26. 根据权利要求25所述的培养光合微生物的方法，其特征是，在步骤a)中，还包括 将所述核壳结构的表面生长式光合微生物培养板上渗出或未被核壳结构的表面生长式光 合微生物培养板吸收的培养液回收至培养液池中的步骤，同时监测培养液池中的培养液成 分，及时向培养液池补充营养成分。
27. 根据权利要求25所述的培养光合微生物的方法，其特征是，所述光合微生物包括 小球藻、螺旋藻、绿藻、栅藻、等鞭金藻、微拟球藻或血球藻。
【文档编号】C12M1/04GK104328029SQ201410599353
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】胡强, 喻正保, 刘倩 申请人:国家开发投资公司, 中国电子工程设计院