一种提高微藻养殖效率的开放式跑道池的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种提高微藻养殖效率的开放式跑道池。包括开放式跑道池，还包括太阳能驱动潜水发光二极管光源系统和二氧化碳防溢罩。本实用新型通过在跑道池中放置若干依靠太阳能驱动的LED光源，为深层藻液提供光照，根据实际需要，调节LED光源强度，在夜间和阴天条件时，为藻细胞的生长提供光源；在跑道池中放置二氧化碳防溢罩，增加二氧化碳与水体的接触时间，提高二氧化碳的利用效率。从而解决了微藻阴天或夜间的光限制生长问题、二氧化碳的高效利用问题，大幅提高了微藻生物质的生产效率。
【专利说明】一种提高微藻养殖效率的开放式跑道池
【技术领域】：
[0001] 本实用新型属于微藻养殖领域，具体涉及一种提高微藻养殖效率的开放式跑道 池。
【背景技术】：
[0002] 微藻是一类体积较小、可进行光合作用的低等植物，它在生物制药、营养品、保健 品、生物肥料、天然食品加工、生物饵料、污水处理和可再生能源生产等领域具有重要的开 发和利用价值，随着全球石化能源的日益枯竭和环境的恶化，微藻作为一种潜在的可再生 能源生产者，更加受到各国政府和科学家的关注。
[0003] 目前商品化微藻主要利用户外开放式跑道池进行养殖（如螺旋藻、小球藻和盐藻 等），最典型的开放式跑道池是由〇swald(1969)设计，该跑道池以自然光为光源，依靠桨轮 的转动，使培养液在池内混合循环。开放式跑道池微藻培养系统虽然已经历了多年的发展， 但其生产效率偏低的缺点却一直未被突破，开放式跑道池中微藻生物质的浓度普遍低于 I. Og · Γ1，与高密度培养相差甚远，并且较低的细胞密度会导致微藻采收成本的大幅增加。
[0004] 影响开放式跑道池养殖效率的环境因素主要有：1)光照，光合作用是专性自养 微藻一切代谢活动，如营养元素吸收、细胞生长、物质合成、细胞分裂等所需能量和碳骨 架的来源，太阳是目前开放式跑道池中微藻生长的光源供应者，日照强弱和照射时间对 微藻生长具有重要影响，阴天光强低，微藻生长缓慢，夜间无光照，微藻生长停滞，此外， 一些微藻夜间的呼吸速率较大，藻细胞白天积累的生物质在夜间会分解20-50%以上，影 响生产效率；2)碳源，碳源是微藻生长和代谢所必需的大量元素之一（约占细胞干重的 50% )，无碳源供给，微藻的生命活动将终止，对光自养型微藻而言，CO32'HC<V和CO 2均 可作为它生长所需的碳源，但研究表明：C0广和HCCV不能被微藻直接利用，而需要通过 "C〇2+H 20 H2CO3T^ H_+HC(V 2H>CO,2"':转换为 CO2，才可以参与细 胞的碳固定，CO2是卡尔文循环唯一的碳源底物。自然条件下，C032'HC<V和CO 2之间的转换 效率较低（淡水的饱和CO2浓度约为17μΜ)，如果仅依靠三种无机碳源形式之间的自然转 换，将难以满足微藻快速生长的需要，同时，微藻生长过程中，会导致培养液PH值的升高， 当PH值升高至对其不利的状态时，将抑制微藻的生长，因此，微藻培养过程中需要定期补 入一定量的二氧化碳，一方面补充微藻生长所需的一部分无机碳，另一方面调控培养液的 PH值，传统开放式跑道池通常在池底部设置若干管路，直接通入二氧化碳，此方法二氧化碳 吸收利用效率较低，大量未被吸收的温室气体二氧化碳释放到空气中，引起环境污染。
[0005] 目前针对开放式跑道池中光限制和碳利用两个问题，科研工作者已经提出了一些 解决方案：
[0006] 1) 一种实现微藻规模化培养的跑道池光生物反应器（中国专利， CN201110253992. 5)，该跑道池光生物反应器包括主体跑道池、藻液喷淋单元、搅拌系统及 藻液循环系统，其中，藻液喷淋单元通过金属支撑架固定在所述主体跑道池内，通过将藻液 喷淋，增加藻液与空气的接触面，提高二氧化碳的传质效率，使更多二氧化碳溶解在藻液 中，供藻细胞生长使用。但此方法需要格外增加隔膜泵，增加能耗，目前仍未被应用在开放 式跑到池培养系统中。
[0007] 2) -种用于微藻规模培养的装置及培养方法（中国专利，CN201010136300. 4)，该 发明将开放式跑道池与光生物反应器进行耦合，在光生物反应器中补入二氧化碳，通过输 送泵将补充二氧化碳的藻液泵入跑道池中，该装置明显提高开放式跑道池微藻培养的光合 固碳效率、生长速率与培养密度，缩短培养周期，降低微藻规模培养装置成本与运行成本。 该系统以成本换取产量，成本较高，目前仅限于实验室研究。
[0008] 3)太阳能内光源微藻生物反应器（中国专利，CN201310168483. 1)，该实用新型公 开了一种太阳能内光源微藻生物反应器，包括跑道池、搅拌叶轮、供气装置和供液装置，跑 道池内设有太阳能内光源模块，可使藻液深层内部也能获得光照，极大地增加了培养池中 藻液的光照表面积体积比，改善了光生物反应器的太阳能利用率，大大提高了开放式光生 物反应器的培养密度。该系统未考虑光能的储存模块，应用范围较窄。
[0009] 4)用于开放池培养微藻的水平浸没罩式补碳装置及其补碳方法（中国专利， CN201210138845.8)，该发明提供的补碳装置包括一个或两个以上罩子和气体分布器，气体 分布器设置于开放池底部，罩子罩于气体分布器上方，罩子呈两端开口的筒体，沿培养液流 动方向布置，罩子的两端口分别为培养液进口和培养液出口，该发明在开放池内培养微藻 细胞时，能够有效利用二氧化碳进行补碳，大大降低了生产成本。未涉及二氧化碳的暂存问 题，二氧化碳通过该装置时间短。
[0010] 5)用于跑道池培养微藻的高压微喷补碳系统（中国专利，CN201210488980. 5)，该 发明提供的高压微喷补碳系统包括提供高压液体、高压CO2、高压微喷装置及微喷头组。高 压液体与高压CO 2气体逆向两相密切接触，微喷形成的CO2微小气泡在高压条件下溶解溶解 度增大，通过调节气体、液体流量使CO 2充分溶于液体中，溶解了 CO2的液体进入置于跑道池 的微喷头组，最终被释放到跑道池中。本发明克服了现有跑道池培养过程中直接以气态CO 2 形式补充碳源的缺点，提供了一种CO2利用率高、分布均匀且安装简单的补碳系统。该专利 与"一种用于微藻规模培养的装置及培养方法（中国专利，CN201010136300. 4) "相似，在高 压喷淋容易造成藻细胞损伤。 实用新型内容：
[0011] 本实用新型的目的是提供一种能提高微藻养殖效率的开放式跑道池。
[0012] 本实用新型的能提高微藻养殖效率的开放式跑道池，包括开放式跑道池，其特征 在于，还包括太阳能驱动潜水发光二极管光源系统和二氧化碳防溢罩；
[0013] 所述的太阳能驱动潜水发光二极管光源系统包括LED光源、光源防水罩、太阳能 电池板、储能电池、中央控制器和光感受器，所述的LED光源置于光源防水罩中，分布于开 放式跑道池的藻液中,LED光源、中央控制器器、储能电池和太阳能电池板顺序电连接，中央 控制器还与光感受器相连；
[0014] 所述的二氧化碳防溢罩包括罩体、液位计、气体分布器和抽气泵，所述的罩体罩于 开放式跑道池的部分藻液上，罩体上表面距藻液距离10?20cm，气体分布器置于罩体下方 的藻液中，气体分布器与二氧化碳储存器相连，所述的液位计置于罩体内部，所述的罩体上 壁设有若干个孔，孔通过气管与抽气泵相连，所述的抽气泵和液位计都与中央控制器相连。
[0015] 所述的气体分布器优选置于距离罩体底部下方5-l〇Cm的开放式跑道池中。
[0016] 所述的气体分布器可以为市售的气石、气头或曝气膜等，也可以为自行加工的多 孔装置（如PPR管或PVC管开具直径0. 1-0. 5mm的小孔）。
[0017] 本实用新型的能提高微藻养殖效率的开放式跑道池，其工作原理是：太阳能电池 板负责将太阳能转化为电能，通过电线将电能传输至储能电池；储能电池负责储存电能，太 阳能电池板和储能电池均置于跑道池外，储能电池放置地点需要进行防水处理；光感受器 可以测定某一时刻户外的光照强度，并将信号传输至中央控制器，中央控制器接受来自光 感受器的信号，将信号进行整合处理后，调节储能电池的电流输出，控制LED光源的强度， 当光感受器检测到日光强度低于设定值时，中央控制器将增加输出电流强度，从而提高LED 光源亮度，当光感受器检测到日光强度高于设定值，中央控制器将减少输出电流强度，从而 降低LED光源亮度。二氧化碳由二氧化碳储存器中进入气体分布器中，打散成较小的气泡， 二氧化碳一部分被藻液吸收，剩余部分暂时储存在罩体中；液位计置于罩体内部，主要作用 为探测藻液高度，当藻液高度达到液位计指定位置时，液位计将信号传输至中央控制器，中 央控制器的作用是控制抽气泵的开关，抽气泵连接罩体上壁的孔，用于抽走罩体中原有的 空气，当液位高于设定高度时，抽气泵关闭，当液位低于设定高度时，抽气泵开启。
[0018] 本实用新型通过在跑道池中放置若干依靠太阳能驱动的LED光源，为深层藻液提 供光照，根据实际需要，调节LED光源强度，在夜间和阴天条件时，为藻细胞的生长提供光 源；在跑道池中放置二氧化碳防溢罩，增加二氧化碳与水体的接触时间，提高二氧化碳的利 用效率。从而解决了微藻阴天或夜间的光限制生长问题、二氧化碳的高效利用问题，大幅提 高了微藻生物质的生产效率。
【专利附图】
【附图说明】：
[0019] 图1是本实用新型的能提高微藻养殖效率的开放式跑道池的结构示意图；
[0020] 图2是一种罩体的结构示意图；
[0021] 图3是一种罩体的结构示意图；
[0022] 图4是一种罩体的结构示意图；
[0023] 图5是一种气体分布器的结构不意图；
[0024] 图6是一种气体分布器的结构示意图；
[0025] 其中0、中央控制器；11、LED光源；12、太阳能电池板；13、储能电池；14、光感受 器；21、罩体；22、液位计；23、气体分布器；24、二氧化碳钢瓶；25、抽气泵；26、孔；3、藻液。
【具体实施方式】：
[0026] 以下实施例是对本实用新型的进一步说明，而不是对本实用新型的限制。
[0027] 实施例1 :
[0028] 如图1所示，本实施例的能提高微藻养殖效率的开放式跑道池，包括开放式跑道 池，还包括太阳能驱动潜水发光二极管光源系统和二氧化碳防溢罩；
[0029] 所述的太阳能驱动潜水发光二极管光源系统包括LED光源11、光源防水罩、太阳 能电池板12、储能电池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，分布于开放式跑道池的藻液中，利用储能电池储存的电能发光，LED光源可以是长条形、 圆盘形、球形或板形等任何形状，LED光源置于光源防水罩中，光源防水罩的制作材料可以 为亚克力、玻璃或塑料等；LED光源、中央控制器器、储能电池和太阳能电池板顺序电连接， 中央控制器还与光感受器相连；
[0030] 所述的二氧化碳防溢罩包括罩体21、液位计22、气体分布器23和抽气泵25,所述 的罩体罩于开放式跑道池的部分藻液3上，罩体是一个底面敞开的透明或不透明箱体，可 以为任意规则形状（方形、圆盘形或梭型等），罩体加工材料可以为透明有机玻璃、玻璃、不 锈钢或塑料等，罩体上表面距藻液距离10?20cm，气体分布器置于罩体下方的藻液中，距 离罩体底部下方5-10cm的开放式跑道池中，气体分布器与二氧化碳储存器（二氧化碳钢 瓶）24相连，所述的液位计置于罩体内部，所述的罩体上壁设有若干个孔26,孔通过气管与 抽气泵相连，所述的抽气泵和液位计都与中央控制器相连。
[0031] 工作原理：阳光充足时，太阳能电池板12吸收太阳能，并转化为电能储存在储能 电池13中，光感受器14置于藻液3中，当光感受器14探测到射入培养池中的光照强度小于 设定值时，它便将该信号传输至中央控制器〇进行整合处理，随后中央控制器〇发出信号至 储能电池13,调控储能电池13输出电流的强弱，从而控制LED光源11的强弱。罩体21置 于跑道池中，罩住部分藻液3,上端露出藻液10_20cm，液位计22置于罩体内部（距离上表 面2cm处），二氧化碳由二氧化碳钢瓶24中进入气体分布器23中，打散成较小的气泡，二氧 化碳一部分被藻液吸收，剩余部分暂时储存在罩体中，当液位计22不接触藻液时，抽气泵 25自动开启，抽空罩体内空气，此过程培养液液面上升，当液面上升并接触至液位计22时， 液位计22会将这一高度传输至中央处理器0,中央控制器0输出关闭抽气泵25的信号，随 着时间的延长，罩体21内储存的二氧化碳逐渐被藻细胞吸收，藻液液面下降，液位计22露 出液面，抽气泵25自动开启，完成整个过程。
[0032] 所述的二氧化碳防溢罩的罩体可以制作成方形，上端开孔，开孔数量可以为1个 (如图2)，或制作成圆盘形，上端开孔，开孔数量为1个（如图3)，或制作成梭形，上端开孔， 开孔数量为1个（如图4).
[0033] 所述的气体分布器，可以是管状气体分布器，利用PPR、PVC、有机玻璃或不锈 钢管制作而成，一端连接二氧化碳钢瓶，一端封闭，通气管上方开具等距的小孔，孔径在 0. 1-0. 5mm，具体如图5所示；
[0034] 或者所述的气体分布器，可以是盘状气体分布器，利用有机玻璃或不锈钢管制作 而成，一端连接二氧化碳钢瓶，圆盘上表面开具若干小孔，孔径在0. 1-0. 5_，具体如图6所 /Jn 〇
【权利要求】
1. 一种能提高微藻养殖效率的开放式跑道池，包括开放式跑道池，其特征在于，还包括 太 阳能驱动潜水发光二极管光源系统和二氧化碳防溢罩； 所述的太阳能驱动潜水发光二极管光源系统包括LED光源、光源防水罩、太阳能电池 板、储能电池、中央控制器和光感受器，所述的LED光源置于光源防水罩中，分布于开放式 跑道池的藻液中，LED光源、中央控制器器、储能电池和太阳能电池板顺序电连接，中央控制 器还与光感受器相连； 所述的二氧化碳防溢罩包括罩体、液位计、气体分布器和抽气泵，所述的罩体罩于开放 式跑道池的部分藻液上，罩体上表面距藻液距离10?20cm，气体分布器置于罩体下方的藻 液中，气体分布器与二氧化碳储存器相连，所述的液位计置于罩体内部，所述的罩体上壁设 有若干个孔，孔通过气管与抽气泵相连，所述的抽气泵和液位计都与中央控制器相连。
2. 根据权利要求1所述的能提高微藻养殖效率的开放式跑道池，其特征在于，所述的 气体分布器置于距离罩体底部下方5-10cm的开放式跑道池中。
3. 根据权利要求1所述的能提高微藻养殖效率的开放式跑道池，其特征在于，所述的 气体分布器为气石、气头、曝气膜或多孔装置。
【文档编号】C12M1/36GK204022811SQ201420420318
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】李涛, 向文洲, 潘建平, 吴华莲, 范洁伟, 王广华, 戴世鲲 申请人:中国科学院南海海洋研究所