提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的方法及專用裝置的製作方法

2023-06-22 11:52:41 2

專利名稱：提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的方法及專用裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的方法及專用裝置，涉及將一定壓力的二氧化碳氣體通入內裝回流培養液的特定裝置中，二氧化碳溶解到回流培養液中，含有一定濃度二氧化碳的回流培養液經管道輸送到跑道式養殖池中供大規模培養微藻使用的方法。
背景技術：
以CO2為主的溫室氣體大量排放造成的溫室效應是21世紀全人類所面臨的最大環境問題，全球氣候變暖已成為各國政府、學術界以及企業界關注的焦點之一。如何實現碳減排，成為當前的研究熱點。生物CO2固定法是地球上最主要和最有效的固碳方式，在碳循環中起決定作用，利用此法來進行CO2減排，符合自然界循環和節省能源的理想方式。能利用該法進行固碳的主要是植物、光合細菌以及藻類。微藻是低等植物中種類繁多、分布極其廣泛的一個類群，具有光合速率高、繁殖快、環境適應性強、處理效率高以及易與其他工程技術集成等優點。利用微藻技術進行碳減排的研究與開發引起人們的廣闊關注。微藻吸收固定二氧化碳具有如下優點(1)微藻的光合作用效率高、含油量高、生長周期短、油脂面積產率高，這是其它油料作物無法比擬的，被認為是最有潛力替代石油的生物資源。(2)微藻在光自養培養過程中可固定大量CO2,這不僅對於CO2減排這一全球性問題的解決具有重要的價值，而且可使微藻光自養生長所需碳源的成本下降。(3)不與農作物爭地、爭水。微藻可利用灘涂、鹽鹼地、荒漠以及海水、鹽鹼水和荒漠地區的地下水等進行大規模培養。(4) 微藻個體小、木質素含量很低，易粉碎、乾燥，用微藻生產液體燃料所需的後處理條件相對較低。在微藻的大規模培養中，最大限度地利用二氧化碳作為碳源是十分必要的。它可以為藻的生長補充碳源，減少NaHCO3、冰醋酸等的用量，降低原料成本，同時還可以實現對培養液的調控和維持碳平衡。二氧化碳的溶解度主要受溶液的PH、溫度、氣液兩相接觸時間和接觸面積、藻細胞密度及二氧化碳分壓等因素影響。Lee等採用氣體滲透膜管置於循環藻液中，由於二氧化碳通過微孔膜分散成細微氣泡，加速二氧化碳的溶解，提高二氧化碳的利用率。管道式反應器利用CO2的方式主要有三種(1)反應器和藻液泡沫反應器組成循環系統，CO2在泡沫反應器內被吸收形成飽和溶液；(2)含有CO2的氣體直接注入反應器，利用氣升原理使藻液攜帶氣泡在反應器內形成循環流動的過程中吸收CO2 ； (3)反應器和液泵組成循環系統，CO2氣體伴隨藻液輸入反應器管道內並形成微小氣泡，在藻液流動過程中與藻充分混合實現氣體交換。微藻的大規模商業化培養始於20世紀60年代日本培養的小球藻。20世紀70年代早期，在墨西哥城附近的Sosa Texcoco湖建立了螺旋藻回收及培養技術，1977年大日本油墨化學公司(Dai Nippon Ink and Chemicals Inc.)在泰國建立了商品化的螺旋藻工廠，到1980年在亞洲就有46家大規模的微藻(主要是小球藻和螺旋藻)生產企業。微藻大規模培養方式有開放式、半封閉式與封閉式等，培養系統包括天然湖泊、敞開式跑道式養殖池、管道式或平板式等形式的光生物反應器。人造池或容器中最典型、最常用的開放池培養系統是美國人Oswald設計的跑道式養殖池。該類培養系統一般水道面積約1000-5000 m2， 培養液一般深約20-30cm，培養池用水泥或黏土為底，或用塑料膜襯裡覆蓋，以自然光為光源和熱源，借電力或風力帶動槳葉輪攪拌培養液。目前國際上較著名的大規模生產微藻的公司(如Cyanotech、Earthrise Farms、福清市新大澤螺旋藻有限公司等)均採用這種培養方式生產螺旋藻、小球藻和鹽藻。螺旋藻是一類低等植物，屬於藍藻門，顫藻科，自然生長於熱帶鹼性湖中。它是良好的天然食品原料資源，蛋白質含量60%左右，含有豐富的β —胡蘿蔔素、維生素Ε、維生素B12，含鋅、鐵、鉀、鈣、鎂、磷、硒、碘等礦物質元素。另外，螺旋藻中還含有大量的Y —亞麻酸，是調節血壓、降低膽固醇的功能成分。螺旋藻需要的營養元素除氮、磷、鉀外，最大的需求量是碳源(二氧化碳)，其主要營養鹽配方為小蘇打、食鹽、硫酸鉀、硫酸鎂、硝酸鈉、氯化鈣、硫酸亞鐵等。小球藻為綠藻門單細胞藻類，光合效率高，富含蛋白質、不飽和脂肪酸、類胡蘿蔔素、葉黃素、蝦青素和多種維生素，具有極高的營養價值和提高免疫力的功能。另外小球藻還含有一種非常重要的成分一小球藻生長因子，它既具有誘發乾擾素、激發人體防禦和免疫組織中的巨噬細胞、T細胞和B細胞的功能，又具有促進人體對環境汙染有害物質解毒和排洩的作用。小球藻不僅在光合作用機理、跨膜轉運機理等研究方面成為一種良好的模式生物，而且在保健食品、水產養殖餌料、畜牧飼料添加劑的生產等方面被廣泛應用。 據研究，小球藻通過光合作用積累Img乾物質需要Imol (1.8 mg) CO2,而水中溶解的可利用的CO2 (0. 04 mol/L)遠不能滿足小球藻生長的需要，因此大規模培養中CO2的補加是提高產量的有效途徑。Miyachi等研究證明，不同種類和品種的小球藻利用無機碳的形式不同， 有的利用HC0」而更多的則直接利用溶於水中的C02。加入碳酸氫鈉類鹽，可以補充水中 HCO3-的濃度，但並不適合於所有的小球藻種類，且成本高，易使培養液PH值升高。

發明內容
本發明的目的在於為克服傳統大規模培養微藻過程中二氧化碳利用率低的缺陷，提供一種提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的方法。本發明的另一目的在於提供一種提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的專用裝置。本發明提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的方法是二氧化碳氣體以0. 1-1. OM Pa壓力通入二氧化碳溶解裝置，二氧化碳溶解裝置內裝回流培養液，當溶液PH值由通入前 7. 0-10. 5下降到pH6. 0-8. 5，表明通入的二氧化碳已溶解於回流培養液中，然後將該回流培養液通過管道輸送到微藻跑道式養殖池中。本發明所述微藻是指藍藻門的螺旋藻，綠藻門的小球藻、紅球藻，金藻門的微綠球藻。 本發明所述二氧化碳來源為尾氣二氧化碳。 本發明所述提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率方法的專用裝置包括帶壓力表的二氧化碳氣體儲罐、帶壓力表的二氧化碳溶解裝置、回流培養液儲池，二氧化碳儲罐通過管道經第三閥門與二氧化碳溶解裝置連通，二氧化碳溶解裝置兩端分別連接第一管道及第二管道，第一管道及第二管道中部分別串接第一泵和第一閥門、第二閥門，第一管道另一端與回流培養液儲池相連，第二管道另一端與微藻跑道式養殖池相連。本發明所述二氧化碳溶解裝置為圓柱體或長方形容器，外部安裝有壓力表。本發明所述二氧化碳溶解裝置採用厚度3-10 mm的不鏽鋼板、碳鋼板或玻璃鋼板製成，或用水泥和鋼筋建成，其厚度為10-30 cm。本發明所述二氧化碳溶解裝置為圓柱體，長1. 5m-4. 0m，直徑0. 4-1. 8m ；或為長方體，長 1. 5m-4. 0m,寬 0. 4-1. 5m,高 0. 3-1. Om,
本發明所述二氧化碳溶解裝置中心部位設置的用以將含二氧化碳的回流培養液輸送到跑道式養殖池中的第二管道直徑為0. 10-0. 35m。本發明具有的優點在於最大限度地利用尾氣二氧化碳作為碳源，減少NaHCO3、冰醋酸等的用量，降低原料成本，增加收益，同時還可以實現對培養液的調控和維持碳平衡。 本發明適用的微藻種類有螺旋藻、小球藻、紅球藻、微綠球藻等。


圖1為本發明裝置結構及方法流程圖。
具體實施例方式
下面結合具體的實施例對本發明做進一步的說明。 實施例1
本發明提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的裝置包括帶壓力表的二氧化碳氣體儲罐1、帶壓力表的二氧化碳溶解裝置3、回流培養液儲池6。二氧化碳儲罐1通過管道經第三閥門10與二氧化碳溶解裝置3連通，二氧化碳溶解裝置3兩端分別連接第一管道31及第二管道32，第一管道31及第二管道32中部分別串接第一泵7和第一閥門4、第二閥門5，第一管道31另一端與放置回流培養液的儲池6相連，用以將含二氧化碳的回流培養液輸送到養殖池中，第二管道32設置於二氧化碳溶解裝置中心部位並與跑道式養殖池4相連。二氧化碳溶解裝置3為圓柱體，長4. Om,直徑0. 8m並採用厚度8mm的不鏽鋼板製成。第一管道和第二管道直徑都為0. 25m。本發明方法包括以下步驟
1、二氧化碳的溶解先開啟第一泵7和第一閥門4將回流培養液儲池6內的回流培養液輸送至二氧化碳溶解裝置3。調節二氧化碳儲氣罐1的壓力為0. 3MPa，打開二氧化碳輸送管道的閥門10，將二氧化碳氣體通入二氧化碳溶解裝置3。當二氧化碳溶解裝置3內溶液PH值由通入前10. 5，下降至pH為8. 5，表明溶解的二氧化碳濃度已達到要求。2、含二氧化碳培養液的利用對於採用跑道式養殖池生產螺旋藻而言，從二氧化碳溶解裝置中通過管徑為0. 25m的第二管道通入一定量的含有二氧化碳的回流培養液培養螺旋藻，一個培養周期螺旋藻產量提高80-100%，碳酸氫鈉使用量減少70-90%，CO2的固定率為 163-178mg/L. h。實施例2:
本實施例所採用的裝置中二氧化碳溶解裝置為長方體，長4. Om,寬0. 6m,高1. 0m，並採用厚度10 mm的玻璃鋼板製成，第一管道和第二管道直徑都為0. lm，其它構成及結構與實施例1相同。1、二氧化碳的溶解先開啟第一泵7和閥門4將回流培養液儲池6內的回流培養液輸送至二氧化碳溶解裝置3。調節二氧化碳儲氣罐1的壓力為0. 6MPa，打開二氧化碳輸送管道的閥門10，將二氧化碳氣體通入二氧化碳溶解裝置3，溶液pH值由通入前7. 5下降至PH為6. 5，表明溶解的二氧化碳濃度已達到要求。2、含二氧化碳培養液的利用對於採用跑道式養殖池生產小球藻而言，從二氧化碳溶解裝置中通過管徑為0. IOm的管道通入一定量的含有二氧化碳的培養液培養小球藻，一個培養周期小球藻產量提高30-50%，冰醋酸用量減少18-25%，CO2的固定率為 115-124mg/L. h。實施例3
本實施例所採用的裝置中二氧化碳溶解裝置為長方體，長3. Om,寬1. 2m,高0. 5m, 採用水泥和鋼筋建成壁厚為30cm的長方體容器，第一管道和第二管道直徑都為0. 35m，其它構成及結構與實施例1相同。
本發明方法的步驟為1、二氧化碳的溶解先開啟第一泵7和閥門4將回流培養液儲池6內的回流培養液輸送至二氧化碳溶解裝置3。調節二氧化碳儲氣罐1的壓力為0. 9MPa, 打開二氧化碳輸送管道的閥門10，將二氧化碳氣體通入二氧化碳溶解裝置3。溶液pH值由通入前7. 3下降至pH為6. 3，表明溶解的二氧化碳濃度已達到要求。
2、含二氧化碳培養液的利用對於採用跑道式養殖池生產微綠球藻而言，從二氧化碳溶解裝置中通過管徑為0. 35m的管道通入一定量的含有二氧化碳的回流培養液培養微綠球藻，一個培養周期微綠球藻產量提高20-35%，冰醋酸用量減少13-17%，CO2的固定率為 104-113mg/L. h。實施例4
本實施例二氧化碳溶解裝置為圓柱體，長1. 8m，直徑1. 5m，第二管道管徑0. 3m ；採用厚度6mm的不鏽鋼板製成。二氧化碳氣體以0. 8M Pa壓力通入二氧化碳溶解裝置3，回流培養液PH值由通入前10. 0下降至pH為8. 0，將該回流培養液通過管道輸送到跑道式養殖池生產螺旋藻。一個培養周期螺旋藻產量提高70%，碳酸氫鈉使用量減少75%，CO2的固定率為 156mg/L. h0實施例5
本實施例的二氧化碳溶解裝置為長3.0m、直徑0. 5m的圓柱體，採用厚度為3 mm碳鋼板製成，與之相連的第二管道直徑為0.2m。二氧化碳氣體以1.0M Pa壓力通入二氧化碳溶解裝置，當二氧化碳溶解裝置內裝的回流培養液pH值由通入前8. 0下降到pH6. 5，然後將該培養液通過管道輸送到跑道式養殖池生產紅球藻。一個培養周期紅球藻產量提高20%，冰醋酸用量減少15%，C02的固定率為102mg/L. h。實施例6
本實施例的二氧化碳溶解裝置為長方體，長1. 2m，寬0. 6m，高0. 3m，用水泥和鋼筋建成，其厚度為10cm，與之相連的第二管道直徑為0.2m。二氧化碳氣體以1. OM Pa壓力通入二氧化碳溶解裝置，當二氧化碳溶解裝置內裝的回流培養液PH值由通入前8. 0下降到pH6. 5，然後將該培養液通過管道輸送到微綠球藻養殖池中。其它工藝參數及過程與實施例1相同。一個培養周期微綠球藻產量提高12-20%，冰醋酸用量減少13-16%，C02的固定率為 98-106mg/L. h。實施例7
本實施例的二氧化碳溶解裝置為長方體，長2m，寬1. Om,高0. 8m，用水泥和鋼筋建成， 其厚度為20cm，與之相連的第二管道直徑為0.25m。二氧化碳氣體以0.9M Pa壓力通入二氧化碳溶解裝置，當二氧化碳溶解裝置內裝的回流培養液PH值由通入前10. 0下降到 PH8. 5，然後將該培養液通過管道輸送到螺旋藻養殖池中。其它工藝參數及過程與實施例3 相同。一個培養周期螺旋藻產量提高60-80%，碳酸氫鈉使用量減少65-85%，CO2的固定率為 155-165mg/L. h。實施例8
本實施例的二氧化碳溶解裝置為長方體，長2. 5m，寬0. 8m，高0. 6m，用水泥和鋼筋建成，其厚度為30cm，與之相連的第二管道直徑為0.1m。二氧化碳氣體以0.5M Pa壓力通入二氧化碳溶解裝置，當二氧化碳溶解裝置內裝的回流培養液PH值由通入前8. 0下降到 PH6. 2，然後將該培養液通過管道輸送到微綠球藻養殖池中。其它工藝參數及過程與實施例 2相同。一個培養周期綠球藻產量提高25-35%，冰醋酸用量減少15-22%，C02的固定率為 113-121mg/L. h。
權利要求
1.一種提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的方法，其特徵是二氧化碳氣體以0.1-1. OM Pa壓力通入二氧化碳溶解裝置，二氧化碳溶解裝置內裝回流培養液，當溶液PH 值由通入前7. 0-10. 5下降到pH6. 0-8. 5，表明通入的二氧化碳已溶解於回流培養液中，然後將該回流培養液通過管道輸送到微藻跑道式養殖池中。
2.根據權利要求1所述的提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的方法，其特徵是微藻是指藍藻門的螺旋藻，綠藻門的小球藻、紅球藻，金藻門的微綠球藻。
3.根據權利要求1或2所述的提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的方法，其特徵是 二氧化碳來源為尾氣二氧化碳。
4.一種提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的專用裝置，其特徵是包括帶壓力表的二氧化碳氣體儲罐、帶壓力表的二氧化碳溶解裝置、回流培養液儲池，二氧化碳儲罐通過管道經第三閥門與二氧化碳溶解裝置連通，二氧化碳溶解裝置兩端分別連接第一管道及第二管道，第一管道及第二管道中部分別串接第一泵和第一閥門與第二閥門，第一管道另一端與回流培養液儲池相連、第二管道另一端與微藻跑道式養殖池相連。
5.根據權利要求4所述提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的專用裝置，其特徵是 二氧化碳溶解裝置為圓柱體或長方形容器，外部安裝有壓力表。
6.根據權利要求4所述提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的專用裝置，其特徵是 所述二氧化碳溶解裝置採用厚度3-10 mm的不鏽鋼板、碳鋼板或玻璃鋼板製成，或用水泥和鋼筋建成，其厚度為10-30 cm。
7.根據權利要求5所述提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的專用裝置，其特徵是所述二氧化碳溶解裝置為圓柱體，長1. 5m-4. 0m,直徑0. 4-1. 8m ；或為長方體，長1.5m-4. 0m,寬 0. 4-1. 5m,高 0. 3-1. Om0
8.根據權利要求4或5或6所述提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的專用裝置，其特徵是所述二氧化碳溶解裝置中心部位設置的用以將含二氧化碳的回流培養液輸送到跑道式養殖池中的第二管道直徑為0. 10-0. 35m。
9.根據權利要求7所述提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的專用裝置，其特徵是 所述二氧化碳溶解裝置中心部位設置的用以將含二氧化碳的回流培養液輸送到跑道式養殖池中的第二管道直徑為0. 10-0. 35m。
全文摘要
本發明公開了一種提高微藻養殖過程中二氧化碳利用率的方法及專用裝置。本發明方法步驟為首先二氧化碳氣體以0.1-1.0MPa壓力通入二氧化碳溶解裝置，二氧化碳溶解裝置內裝回流培養液，當溶液pH值由7.0-10.5降至6.0-8.5時，表明通入的二氧化碳已溶解於回流培養液中，然後將該回流培養液通過管道輸送到跑道式養殖池供養殖微藻使用。本發明有效利用二氧化碳作為碳源，充分利用尾氣二氧化碳，可為藻的生長補充碳源，減少NaHCO3、冰醋酸等的用量，降低原料成本，增加收益，同時還可實現對培養液的調控和維持碳平衡，適用於微藻的種類有螺旋藻、小球藻、紅球藻、微綠球藻等。
文檔編號C12M1/08GK102329732SQ201110295098
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者鄭行 申請人:福清市新大澤螺旋藻有限公司