一种利用纳米流体培养微藻的方法和光生物反应装置

1.本发明属于微藻培养技术领域，尤其涉及一种利用纳米流体培养微藻的方法和光生物反应装置。


背景技术：

2.进入21世纪，经济的稳步增长导致了工业化和城市化的不断推进，使得对能源的需求一直处于增长趋势，提供能源的主要来源是化石燃料，而且化石燃料是不可再生能源，化石燃料终将耗尽。除了化石燃料的消耗，其燃烧会产生温室气体其中含有大量co2，co2是造成全球变暖的主要原因。随着新兴经济体的快速发展，全球能源消费将会大幅上升，这将导致更多环境损坏。因此，我们在减少二氧化碳排放的同时，力求找寻更加清洁的可再生能源。在我国，积极转变能源结构，向着绿色，低碳，环保的能源消费方式转型。
3.为了维持世界经济可持续发展，可再生能源的发展在如今化石燃料日渐消耗，环境污染日益严重的情况下愈发重要。运输领域的能源需求排世界第二，且有关部门表示大部分的石油消费来自于运输行业。如今，研制出生物柴油及生物乙醇作为石油等化石燃料的替代品。甘蔗，玉米是能够产出生物乙醇最高的作物，大豆等油籽植物是产出生物柴油最高的作物。但是这些作物生长占地太大，影响了其余生物生长，据研究表明若现阶段完全依靠生物燃料，这些原料作物的生长将会占据61％的农作用地，将会影响人类社会的正常运作，也会影响地球生物的多样性。微藻作为第三代生物能源原料具有生长周期短，不占用耕地，光合作用强等优点。在脂质积累方面，微藻较之于其他原料高出近80％，除了脂质含量高之外，微藻还含有许多其他副产物，例如蛋白质，碳水化合物，色素等。这些副产物的附加价值一定程度上可以抵消生产成本，所以在培养微藻的时候要选定积累的目标产物。此外，提高微藻产量，提高生物燃料的产率，以增强生物燃料在市场的竞争力。不同的生长条件会影响微藻的高密度大规模光自养培养中微藻的生长趋势，比如光照强度，温度，金属离子浓度，ph等。但是过强的光照产生大量的热能，于是过高的温度，光照强度会抑制微藻的生长。现如今关注重点在于如何加快微藻生长提高微藻各类有机物质积累，除了找寻最佳培养环境，最佳co2通入量，光照并未在大规模培养中展现其可调节性。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明一种利用纳米流体培养微藻的方法和光生物反应装置，利用纳米流体的弱磁性以及选择透光的特性，有效加快微藻生长趋势，微藻在一定光波长间生长迅速，且有效积累脂质；又微藻在弱磁场下，受磁场刺激加快了微藻细胞的新陈代谢及增长，有效促进微藻生长以及营养物质的积累。后微藻收集阶段，利用微藻在任意ph状态皆带负电这一特点，通过磁性纳米流体所带阳离子，对微藻颗粒进行团聚收集。在微藻收集结束后，藻液中含有的纳米流体借助日光可有效聚热，加快藻液干燥速率，并参与后续利用，减少无用能量损失。
5.本发明的技术方案是：一种利用纳米流体培养微藻的方法，包括以下步骤：
6.步骤s1、制备纳米流体：磁性纳米流体，并测量磁性纳米颗粒的电磁量和光透过性；
7.步骤s2、微藻培养：将制备得到的磁性纳米流体注入光生物反应装置的液膜层，在预设的磁性纳米流体电磁量和波长的可见光条件下，微藻在光生物反应器内生长；
8.步骤s3、微藻收集：微藻生长周期结束后，收集藻液，并将液膜层内的部分磁性纳米流体注入收集的藻液中，利用磁性纳米颗粒絮凝微藻；
9.步骤s4、微藻干燥：将利用磁性纳米颗粒收集的微藻溶液，置于阳光下，利用纳米流体的光热效率，对藻液做干燥处理。
10.上述方案中，所述磁性纳米颗粒的电磁量为40～80mt。
11.上述方案中，所述磁性纳米流体于400～700nm透过性强。
12.上述方案中，还包括步骤s5、热转换利用：纳米流体能够与微藻进行热转换。
13.一种实现所述的利用纳米流体培养微藻方法的光生物反应装置，所述光生物反应装置为管式光生物反应装置；所述管式光生物反应装置包括管式光生物反应装置主体、连接板和底部支撑柱；管式光生物反应装置主体的底部通过连接板和底部支撑柱连接；所述管式光生物反应器主体具有双层壁面，管壁间留有间隙为液膜层，液膜层用于注入纳米流体。
14.一种实现所述的利用纳米流体培养微藻方法的光生物反应装置，所述光生物反应装置为跑道式光生物反应装置；所述跑道式光生物反应装置包括跑道式光生物反应器主体、搅拌器、液膜层、分光计、嵌入槽和出液口；
15.所述搅拌器安装在跑道式光生物反应器主体内，出液口设置在跑道式光生物反应器主体底部，液膜层为板式液膜，液膜层安装在跑道式光生物反应器主体顶部。
16.上述方案中，还包括分光计，所述分光计安装在液膜层上，用于检测磁性纳米流体的透光率，如透光率低于阈值向液膜层内通气。
17.上述方案中，所述液膜层底部设有支撑杆，所述支撑杆插入跑道式光生物反应器主体顶部四周设有的嵌入槽中，液膜层可借由支撑腿插入嵌入槽以保持其稳定。
18.上述方案中，还包括支撑器；所述支撑器安装在跑道式光生物反应器主体的外底部。
19.一种实现所述的利用纳米流体培养微藻方法的光生物反应装置，所述光生物反应装置为平板式光生物反应装置；所述平板式光生物反应装置包括平板式光生物反应器主体、气曝孔和液膜层；所述平板式光生物反应器主体具有双层壁面结构，两壁面间具有间隙为液膜层；平板式光生物反应器主体底部安有气曝孔，气曝与微藻生长期间打开为微藻生长提供必要空气。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.纳米流体的选择性透光，可有效促进微藻生长，纳米流体由于自身携带的弱磁性形成稳定静磁场，微藻在弱磁场40～80mt下生长速度加快且促进营养物质积累。纳米流体由于自身吸热特性可吸纳不可见光部分大部分无用热量，以维持微藻生长环境温度的稳定。纳米流体所吸收热量可用于微藻干燥处理。磁性纳米材料价格低廉，且液膜厚度薄，溶液颗粒密度较低，减少上游经济，提高总体经济效益。纳米流体可以一材多用，既可用于微藻培养也可用于微藻收集，甚至用于微藻后续协同干燥。纳米流体在光源照射下由于自身
导热性能，温度逐渐上升，在微藻收集阶段，将藻液收集，并利用纳米流体所含热量及弱磁场进行干燥处理。本发明综合考虑光照，温度以及磁场对于微藻生长的影响，利用磁性纳米颗粒制备磁性纳米流体，鉴于纳米流体的选择透光性，热传导性以及弱磁性可满足微藻于研究现状下的三个提高微藻产量的方向。且纳米流体便于制备，价格低廉，可应用范围广。在微藻收集阶段，利用磁性纳米流体高效回收，并且回收后可借由日光快速干燥。收集结束后，残余纳米颗粒随干燥后微藻颗粒进行后续热利用，可有效提高运行效率，减少无用损失。
附图说明
22.图1本发明一实施方式的微茫藻在80mt磁场下生长趋势图；
23.图2本发明一实施方式的小球藻在80mt磁场下生长趋势图；
24.图3本发明添加外部夹层的管式光生物反应器；
25.图4本发明管式光生物反应器俯视图；
26.图5本发明跑道式光生物反应器；
27.图6本发明跑道式光生物反应器；
28.图7本发明跑道式光生物反应器；
29.图8本发明平板式光生物反应器；
30.图9本发明平板式光生物反应器。
31.图中，1-管式光生物反应器主体，2-连接板，3-底部支撑柱，4-搅拌器，5-液膜层，6-分光计，7-支撑器，8-嵌入槽，9-出液口，10-跑道式光生物反应器主体，11-气曝孔，13-平板式光生物反应器主体。
具体实施方式
32.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
34.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.一种利用纳米流体培养微藻的方法，包括以下步骤：
36.步骤s1、制备磁性纳米流体，并测量磁性纳米颗粒的电磁量和光透过性；
37.步骤s2、微藻培养：将制备得到的磁性纳米流体注入光生物反应装置的液膜层5，在预设的磁性纳米流体电磁量和波长为400～700nm的可见光条件下，微藻在光生物反应器内生长；
38.步骤s3、微藻收集：微藻生长周期结束后，收集藻液，并将液膜层5内的部分磁性纳米流体注入收集的藻液中，利用磁性纳米颗粒絮凝微藻；纳米流体包覆在光生物反应装置与光源之间，液膜层5内纳米流体需定期通气流动，以防止纳米颗粒沉底；
39.步骤s4、微藻干燥：将利用磁性纳米颗粒收集的微藻溶液，置于阳光下，利用纳米流体的光热效率，对藻液做干燥处理。
40.步骤s5、热转换利用：纳米流体可与微藻进行热转换，无需分离。
41.优选的，所述磁性纳米颗粒的电磁量为40～80mt。
42.如图1和2所示，微茫藻与小球藻在80mt磁场下生长趋势，od是分光光度计的数值，弱磁场下微藻生长速率有明显提高，对于微茫藻以及小球藻皆有促进生长的作用。
43.如表1-3所示，在80mt磁场作用下，小球藻与微茫藻脂质含量均有所提高，小球藻与微茫藻干重有明显提升，生物质总量提高。
44.表1无磁营养物质积累
[0045][0046]
表2有磁营养物质积累
[0047][0048]
表3有磁和无磁的干燥对比
[0049][0050]
优选的，所述磁性纳米流体于400～700nm透过性强。所述的纳米流体具有吸热性能，纳米流体吸收额外波长的光，并阻隔不可见光段的热量，使得藻液温度适宜。
[0051]
从表4可以见，微茫藻在1600lux，2400lux，3200lux光强下的生长，干重，总生物量的变化，择取最佳生长的光照强度，可见2400lux对于微茫藻的生长有明显提高，3200lux反而抑制了微茫藻的生长，可知合适的光强有效加快微藻生长，过高的光照强度抑制微藻生长。不仅仅光照强度影响微藻生长，不同色光对于微藻生长脂质积累等起显著影响作用。红蓝光可有效促进微藻生长以及脂类物质积累。在光波长为400～700nm间为微藻生长所需光照主要波长段。而纳米流体具有选择透光性，包括纳米磁流体还具有特殊的磁光效应及弱磁性，对于微藻生长及营养物质积累起显著促进作用。
[0052]
表4光照强度对于微茫藻生长的影响
[0053][0054]
微藻生长阶段，利用纳米颗粒制备纳米流体，选择合适的纳米颗粒，首选光透率于400～700nm效果较差的物质。此外兼顾考虑纳米流体的导热性能，较高的导热系数，可通过后续步骤有效利用光源热量。若选用金属颗粒，可通过加磁方法，使得颗粒物携有弱磁性，纳米流体形成弱磁场，促进微藻生长。微藻收集阶段，利用附磁纳米流体对带负电荷的微藻颗粒进行絮凝收集，微藻与纳米流体共同回收利用，无能耗，无污染，一材多用，减少材料损失，且收集效率高。微藻收集结束后，利用絮凝所得产物，于日光曝晒，利用纳米流体的吸热性性能，加快干燥速率，纳米流体温度最高可达120℃，后纳米流体可与微藻进行热转换。
[0055]
如图3和4所示，一种实现所述的利用纳米流体培养微藻方法的光生物反应装置，所述光生物反应装置为管式光生物反应装置；所述管式光生物反应装置包括管式光生物反应装置主体1、连接板2和底部支撑柱3；管式光生物反应装置主体1的底部通过连接板2和底部支撑柱3连接；所述管式光生物反应器主体1具有双层壁面，管壁间留有间隙为液膜层5，液膜层5用于注入纳米流体。管式光生物反应装置底部增添支撑柱，四边连接，以保持稳定，纳米流体从中部液膜层5中流入，环绕管式光生物反应装置。
[0056]
如图5-7所示，一种实现所述的利用纳米流体培养微藻方法的光生物反应装置，所
述光生物反应装置为跑道式光生物反应装置；所述跑道式光生物反应装置包括跑道式光生物反应器主体10、搅拌器4、液膜层5、分光计6、支撑器7、嵌入槽8和出液口9；所述搅拌器4安装在跑道式光生物反应器主体10内，出液口9设置在跑道式光生物反应器主体10底部，液膜层5为板式液膜，液膜层5安装在跑道式光生物反应器主体10顶部。所述分光计6安装在液膜层5上，用于检测磁性纳米流体的透光率，如透光率低于阈值向液膜层5内通气。所述液膜层5底部设有支撑杆，所述支撑杆插入跑道式光生物反应器主体10顶部四周设有的嵌入槽8中，液膜层5可借由支撑腿插入嵌入槽8以保持其稳定。所述支撑器7安装在跑道式光生物反应器主体10的外底部，支撑器7在微藻培养末期打开，使跑道式光生物反应器倾斜，再打开出液口9以收集藻液。跑道式光生物反应装置设计一嵌入式板层液膜层5，与跑道式光生物反应器主体10留有缝隙，该板层可拆卸，内部纳米流体可通过板层内部安置的分光计6，设定阈值判断是否更替纳米流体，或向其内部通气减少纳米流体沉积，以保持纳米流体均匀。跑道式光生物反应装置底部有支撑器7，在微藻收集阶段，启动支撑器7，使跑道倾斜。在跑道式光生物反应装置底部设有一出液口9，在微藻生长阶段闭合，在微藻收集阶段打开，并通过支撑器7所撑起的角度，有效收集藻液。
[0057]
如图8-9所示，一种实现所述的利用纳米流体培养微藻方法的光生物反应装置，所述光生物反应装置为平板式光生物反应装置；所述平板式光生物反应装置包括平板式光生物反应器主体13、气曝孔11和液膜层5；所述平板式光生物反应器主体13具有双层壁面结构，两壁面间具有间隙为液膜层5；平板式光生物反应器主体13底部安有气曝孔11，气曝11与微藻生长期间打开为微藻生长提供必要空气。平板式光生物反应器主体13底部设置气曝条，双层边壁设计在中间留有3～4mm的液膜层5，可向其中添加合适纳米流体。边壁皆为透明材质，可利用纳米流体选择性透光培养微藻。
[0058]
实施例1：
[0059]
所述纳米流体为fe3o4磁性纳米流体，
[0060]
一种利用纳米流体培养，收集及干燥微藻的方法，包括以下步骤：
[0061]
步骤1:制备磁性纳米流体，并测量颗粒电磁量和光透过性；
[0062]
步骤2:微藻培养：将制备得到的磁性纳米流体注入光生物反应装置的液膜层，在一定的磁性纳米流体电磁量和波长为400～700nm的可见光条件下，培养微藻在光生物反应器内生长；
[0063]
步骤3:微藻收集：小球藻生长周期结束后，收集藻液，并将液膜层内的部分fe3o4磁性纳米流体注入收集藻液中，利用fe3o4磁性纳米颗粒絮凝微藻；
[0064]
步骤4:微藻干燥：将利用fe3o4磁性纳米颗粒收集的微藻溶液，置于阳光下，利用纳米流体的光热效率，对藻液做干燥处理；
[0065]
步骤5:热转换利用：后纳米流体可与微藻进行热转换，如共水热，共热解等热转换实验。
[0066]
所述步骤s1制备fe3o4磁性纳米流体具体为：将聚乙烯吡咯烷酮pvp与硝酸铁溶于水，通过超声喷雾热解制得fe3o4磁性纳米颗粒，利用振动样品磁强计在室温下测量了fe3o4磁性纳米颗粒的磁滞回线，从而可知fe3o4磁性纳米颗粒所附电磁量。将fe3o4磁性纳米颗粒与水混合制成0.05wt％的fe3o4磁性纳米流体后测试透光率及导热性能。在跑道式光生物反应装置上在以玻璃夹层液膜层5注入fe3o4磁性纳米流体，以太阳光为光源培养微藻。制得的
所述fe3o4磁性纳米流体的磁场为40～80mt，由于选择透光而非不透光，故选纳米流体浓度取中间浓度0.05wt％，纳米颗粒中pvp/fe的混合比nit＝0.33，即pvp与硝酸铁的混合比。
[0067]
将制得的fe3o4纳米流体溶剂注入管式光生物反应装置的玻璃夹层，在微藻生长期间，利用led灯持续照射，管式光生物反应器1中注入小球藻培养液。在微藻培养期间，纳米流体会由于自重出现自然沉积，需定期向液膜内通气，以保持纳米流体的均匀。
[0068]
小球藻生长周期结束后，收集藻液，并将玻璃夹层内的fe3o4磁性纳米流体注入收集藻液中，fe3o4磁性纳米颗粒可有效絮凝微藻。微藻颗粒在所有ph值下都带负电，而带阳离子的fe3o4磁性纳米颗粒能有效团聚微藻颗粒。
[0069]
将利用fe3o4磁性纳米颗粒流体收集的微藻溶液，置于阳光下，利用纳米流体的光热效率，对藻液做干燥处理。纳米流体温度最高可达120℃。后纳米流体可与微藻进行热转换。
[0070]
实施例2：
[0071]
本实施例2与实施例1的区别在于，将制得的fe3o4纳米流体溶剂(0.05wt％,pvp/fenit＝0.33)注入跑道式光生物反应装置的液膜层5，液膜与跑道间留有间隙，在微藻生长期间，利用日光持续照射。在微藻培养期间，纳米流体会由于自重出现自然沉积，在液膜层设置一分光计6，检测液膜的均匀度，设定一阈值，当分光计6读数小于该阈值向液膜通气以保证纳米流体均匀性。跑道式光生物反应装置内设搅拌器4，慢速搅拌使藻液均匀，四边设有气泵，以保证微藻的稳定生长。
[0072]
微藻生长末期，打开支撑器7，使跑道成30
°
倾斜，打开出液口，导出跑道内部藻液。收集液膜内纳米流体与之混合进行絮凝收集，由于液膜内纳米流体浓度相对较低，而跑道式光生物反应装置所培养的微藻总量较大，需再添加额外的纳米颗粒以保证微藻的絮凝效率。
[0073]
由于磁性纳米颗粒较多，过多的纳米颗粒会影响后续热转换，需先进行分离步骤，通过纳米颗粒与微藻颗粒亲水性的差异性，利用液膜进行有效分离，分离出足量纳米颗粒，再进行共同干燥。
[0074]
实施例3：
[0075]
本实施例3与实施例1的区别在于，配置fe3o4磁性纳米流体(0.05wt％,pvp/fenit＝0.33)，将纳米流体注入平板式光生物反应装置的液膜层5，纳米流体于500～700nm波长处展示了弱吸光性。使用强光照射(光强大于3200lux)培养微藻，光暗比12：12。底部气曝孔以0.2vv/m通入空气，进行伪造培养。
[0076]
在生长周期结束后，将磁性纳米流体与藻液混合，磁性纳米颗粒由于自身所带阳离子吸附聚集带负电的微藻颗粒。
[0077]
微藻收集后，重新配置以乙二醇与碳粉制得的0.06g/l的纳米流体。该纳米流体于150℃稳定，可利用其性质，与收集的微藻混合物于日光下进行热转换等操作。乙二醇可溶于水，但不溶于油类烃类物质，且其性质活泼，可起酯化，醇化等反应，可促进热转换目标产物的生成。
[0078]
本发明利用纳米流体选择透光的特性，有效加快微藻生长趋势，在红蓝光谱段波长光透过率高的纳米材料，在光生物反应装置上利用该纳米流体进行选择性透光，纳米流体包覆在光生物反应装置外部，微藻生长所需光源在其外部，并利用纳米流体的吸热性能，
使藻液维持在藻类生长的适宜温度，纳米流体由于不同选择，具有除选择透光性，吸热性以外其他特性如弱磁性，利用微藻在任意ph状态皆带负电这一特点，通过纳米流体所带阳离子，对微藻颗粒进行团聚收集，絮凝收获，在微藻收集结束后利用纳米流体所吸收热量进行共干燥处理。
[0079]
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0080]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。