專利名稱：太陽(yáng)能集熱器在微細(xì)藻類培養(yǎng)中的應(yīng)用技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利申請(qǐng)涉及太陽(yáng)能集熱器在螺旋藻等微細(xì)藻類培養(yǎng)中的應(yīng)用，屬生物技術(shù)領(lǐng)域。
作為最簡(jiǎn)單的光合作用有機(jī)體，微細(xì)藻類又名單細(xì)胞藻類在地球上已經(jīng)生存了20多億年，是地球生命起源的先鋒物種之一。微細(xì)藻類通過(guò)光合作用放出氧氣為以后動(dòng)物和人類的起源和發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。目前藻類在保健食品、醫(yī)藥和環(huán)境保護(hù)方面已得到了廣泛的應(yīng)用。
螺旋藻、小球藻和鹽生杜氏藻是當(dāng)前少數(shù)幾種產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的微細(xì)藻種，其中生產(chǎn)量最大的是螺旋藻。螺旋藻是由多細(xì)胞組成呈螺旋狀不分枝的絲狀體，因?yàn)槁菪灞绕渌魏问澄锖懈S富更均衡的優(yōu)質(zhì)蛋白、維生素、不飽和脂肪酸、β-胡蘿卜素和礦物質(zhì)，被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織譽(yù)為人類21世紀(jì)的最佳保健食品。又由于螺旋藻具備抗癌抗輻射和提高人體免疫力等保健和藥用功能，國(guó)內(nèi)外在螺旋藻的商業(yè)化培養(yǎng)生產(chǎn)方面進(jìn)行了大量的研究。
因?yàn)槁菪骞夂献饔眯矢呱L(zhǎng)快，藻體大并呈絲狀易于采收，其最適生存環(huán)境pH高達(dá)9到10，這樣不易被其它生物污染，因此螺旋藻在國(guó)內(nèi)外都有廣泛的生產(chǎn)且產(chǎn)量正在日益增加。目前，螺旋藻的大規(guī)模生產(chǎn)主要有敞開(kāi)水平池式培養(yǎng)和封閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)兩種方式。當(dāng)前我國(guó)南方地區(qū)的螺旋藻培養(yǎng)基本都采用敞開(kāi)水平池式的培養(yǎng)方法，一般池深10到30厘米，面積在500到5000平方米之間，用槳板、空氣噴射器或泵進(jìn)行攪拌。盡管此種培養(yǎng)方法投資小，但主要存在以下幾個(gè)方面的缺點(diǎn)1、不能控制和保持螺旋藻生長(zhǎng)的最適溫度。2、由于蒸發(fā)和降雨等因素使培養(yǎng)液濃度不易控制。3、螺旋藻易受灰塵、昆蟲(chóng)和雜菌的污染，使生產(chǎn)的螺旋藻質(zhì)量下降。4、光能和二氧化碳利用率低，藻生物量濃度低，收獲成本高。針對(duì)敞開(kāi)水平池式螺旋藻培養(yǎng)的不足，國(guó)內(nèi)外紛紛在封閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)螺旋藻方面進(jìn)行了大量研究，其中管道式光生物反應(yīng)器的應(yīng)用最普遍，其主體是一條由透明材料制成的管子，放置成不同的形式以便最充分地利用太陽(yáng)光，螺旋藻液通過(guò)泵或空氣噴射器在管道中循環(huán)流動(dòng)。雖然封閉式培養(yǎng)方法具有培養(yǎng)效率高，培養(yǎng)條件易于控制，無(wú)二氧化碳丟失等優(yōu)點(diǎn)，但在比較寒冷的地區(qū)如何有效提高并保持管道內(nèi)螺旋藻生長(zhǎng)的最適溫度方面卻無(wú)能為力。
螺旋藻最適生長(zhǎng)溫度為28到30℃，最高生長(zhǎng)溫度甚至達(dá)到40℃。由于螺旋藻比較喜好高溫的特點(diǎn)，造成了目前我國(guó)螺旋藻的生產(chǎn)主要都集中在云南、廣東和福建等常年溫度高的南方地區(qū)，而在北方地區(qū)由于常年溫度較低而限制了螺旋藻的生產(chǎn)。雖然采用管道式培養(yǎng)在一定程度上能夠?qū)β菪逡哼M(jìn)行溫度控制，但在我國(guó)北方冬季要想大規(guī)模提高并保持螺旋藻生長(zhǎng)的最適溫度必然要消耗大量的電力或燃料等能源，這樣就提高了螺旋藻的生產(chǎn)成本。因此如何高效提升螺旋藻培養(yǎng)物的溫度，使我國(guó)北方地區(qū)在冬季仍然能夠進(jìn)行螺旋藻的生產(chǎn)是一個(gè)急待解決的科研難題。相對(duì)于我國(guó)南方地區(qū)來(lái)說(shuō)，我國(guó)北方地區(qū)常年晴天的日數(shù)明顯偏多，陽(yáng)光充足，具有更好的外部太陽(yáng)光光源條件，這是我國(guó)北方地區(qū)螺旋藻生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。但在光線充足的條件下，低溫已成為螺旋藻高效培養(yǎng)的嚴(yán)重限制因素。
隨著科技的進(jìn)步，以太陽(yáng)能集熱管為首的太陽(yáng)能集熱器已經(jīng)問(wèn)世，并在我國(guó)冬季解決人類洗澡和飲用熱水方面發(fā)揮了重要的作用。以太陽(yáng)能集熱管為例，它由內(nèi)外兩個(gè)玻璃管組成，在內(nèi)管外層有鋁-氮或鋁選擇性涂層，在內(nèi)外兩層管中保持真空狀態(tài)。太陽(yáng)能集熱管的突出優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)涂層將太陽(yáng)光能非常高效地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｒ蕴?yáng)能集熱管生產(chǎn)龍頭企業(yè)清華陽(yáng)光公司生產(chǎn)的曬樂(lè)牌全玻璃太陽(yáng)能真空集熱管的為例，在環(huán)境溫度為9.9℃時(shí)，可以將11℃的水在1天內(nèi)提升到41℃，日提高水溫30℃。此外太陽(yáng)能集熱管還具備非常好的保溫性能，在環(huán)境溫度為0℃下，初始55℃的水經(jīng)36小時(shí)后仍可達(dá)到40℃。目前清華陽(yáng)光公司已具備了年生產(chǎn)700萬(wàn)支集熱管的能力，為節(jié)約化石燃料能源和防止污染方面做出了重要貢獻(xiàn)，同時(shí)也為在我國(guó)北方地區(qū)冬季解決螺旋藻培養(yǎng)的溫度限制問(wèn)題提供了一條新的解決思路。
我國(guó)北方地區(qū)冬季雖然陽(yáng)光充足，但溫度低。如果在現(xiàn)有管道式培養(yǎng)螺旋藻的基礎(chǔ)上，在管道中串聯(lián)連接一定比例的太陽(yáng)能集熱管完全可以高效提升管道內(nèi)螺旋藻培養(yǎng)物的溫度，這無(wú)疑是解決低溫限制問(wèn)題的一條有效途徑。在強(qiáng)光條件下，螺旋藻需要有相對(duì)較高的溫度才能充分進(jìn)行光合作用維持快速生長(zhǎng)。而在太陽(yáng)光充足的情況下，太陽(yáng)能集熱器能夠更有效地提升螺旋藻培養(yǎng)物的溫度，這正好適合了螺旋藻生長(zhǎng)本身的生理生態(tài)特點(diǎn)。另外，利用太陽(yáng)能集熱器提高螺旋藻培養(yǎng)物的溫度，不僅可以節(jié)約化石燃料能源并防止大氣污染，而且因?yàn)樘?yáng)能集熱管的使用壽命長(zhǎng)達(dá)15年以上，這樣可以大大降低螺旋藻的生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的目的是提供一種利用太陽(yáng)能集熱器來(lái)直接加熱螺旋藻等微細(xì)藻類培養(yǎng)物或液體培養(yǎng)基的方法和技術(shù)。
本發(fā)明的螺旋藻等微細(xì)藻類培養(yǎng)方法是在封閉或敞開(kāi)式培養(yǎng)螺旋藻等微細(xì)藻類過(guò)程中，與培養(yǎng)池、培養(yǎng)箱或培養(yǎng)管道串聯(lián)或并聯(lián)連接一定數(shù)量的太陽(yáng)能集熱器，通過(guò)采用泵或其它方法使微細(xì)藻類培養(yǎng)物從太陽(yáng)能集熱器中流過(guò)，這樣可以對(duì)微細(xì)藻類培養(yǎng)物或液體培養(yǎng)基進(jìn)行加熱并提升溫度的方法和技術(shù)。
本發(fā)明的微細(xì)藻類培養(yǎng)過(guò)程如下首先將太陽(yáng)能集熱器與封閉式培養(yǎng)罐和培養(yǎng)管道相串聯(lián)連接，組建使微細(xì)藻類培養(yǎng)物可以在培養(yǎng)罐-太陽(yáng)能集熱器-培養(yǎng)管道進(jìn)行閉合流動(dòng)循環(huán)的封閉式微細(xì)藻類培養(yǎng)系統(tǒng)。在培養(yǎng)罐中加入以碳酸氫鈉作為碳源、硝酸鈉作為氮源，磷酸氫二鉀作為磷源及包含多種微量元素組成的無(wú)機(jī)元素液體培養(yǎng)基并進(jìn)行攪拌，同時(shí)用泵將培養(yǎng)液從培養(yǎng)罐中抽入到太陽(yáng)能集熱管和培養(yǎng)管道中進(jìn)行閉合流動(dòng)循環(huán)。接種一定數(shù)量的微細(xì)藻類后，在一定初始溫度和pH的條件下進(jìn)行微細(xì)藻類的培養(yǎng)。
在培養(yǎng)過(guò)程中，溫度的控制非常重要，在室外溫度低于10℃時(shí)，可以串聯(lián)連接較多數(shù)量的太陽(yáng)能集熱器，以便在太陽(yáng)光照下較快地提升微細(xì)藻類培養(yǎng)物的溫度。在室外溫度在20到30℃時(shí)，可以減少使用太陽(yáng)能集熱器的用量。因?yàn)槲⒓?xì)藻類的培養(yǎng)周期為一周左右，在此期間室外氣溫的變化并不是非常劇烈，因此與管道串聯(lián)一定比例的太陽(yáng)能集熱器可以較好地提高并保持微細(xì)藻類培養(yǎng)物生長(zhǎng)的適宜溫度。另外通過(guò)調(diào)整流入太陽(yáng)能集熱器的培養(yǎng)物的流量也可以調(diào)節(jié)培養(yǎng)物的溫度。
在室外氣溫高達(dá)35℃以上時(shí)，可以省去太陽(yáng)能集熱器，使培養(yǎng)罐直接與培養(yǎng)管道相連接進(jìn)行閉合流動(dòng)循環(huán)培養(yǎng)。在室外溫度低于0℃時(shí)，除加大太陽(yáng)能集熱器的使用量外，還可以在培養(yǎng)罐中采用電或燃料燃燒加熱的方法對(duì)培養(yǎng)物進(jìn)行溫度的提升。
本發(fā)明的工作原理是在太陽(yáng)光照射下，太陽(yáng)能集熱器通過(guò)吸附選擇涂層可以高效地將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿鲗?dǎo)給流過(guò)的微細(xì)藻類培養(yǎng)物使其升溫，這樣就有利于微細(xì)藻類在由透明材料組成的管道中進(jìn)行更充分的光合作用，從而提高微細(xì)藻類的生長(zhǎng)速度，同時(shí)還可以節(jié)省化石燃料，降低微細(xì)藻類的生產(chǎn)成本。
圖1是本發(fā)明將太陽(yáng)能集熱器應(yīng)用于微細(xì)藻類培養(yǎng)罐和培養(yǎng)管道閉合循環(huán)系統(tǒng)的工作狀態(tài)示意圖。
結(jié)合


本發(fā)明的微細(xì)藻類培養(yǎng)過(guò)程如下圖1中1為培養(yǎng)罐。2為微細(xì)藻類培養(yǎng)物。3為攪拌器。4為溫度計(jì)。5為藻類培養(yǎng)物培養(yǎng)罐流出口。6為藻類培養(yǎng)物培養(yǎng)罐流入口。7為蠕動(dòng)泵。8為太陽(yáng)能集熱器。9為由透明材料制成的培養(yǎng)管道。圖1中培養(yǎng)罐(1)放在室內(nèi)，而太陽(yáng)能集熱管(8)和培養(yǎng)管道(9)放在室外太陽(yáng)光能夠照射到的地方。
首先在培養(yǎng)罐中加入一定體積的液體培養(yǎng)基和接種一定數(shù)量的微細(xì)藻種。通過(guò)泵(7)將微細(xì)藻類培養(yǎng)物從培養(yǎng)罐流出口(5)中抽出并使其流過(guò)太陽(yáng)能集熱器(8)進(jìn)行提升溫度，然后流入培養(yǎng)管道(9)，最后經(jīng)培養(yǎng)罐流入口(6)返回到培養(yǎng)罐中。
本發(fā)明實(shí)施例如下首先將一個(gè)放置在室內(nèi)的5升玻璃培養(yǎng)罐、與放置室外的一支1.29升容積的太陽(yáng)能集熱管(規(guī)格長(zhǎng)1200mm，管壁內(nèi)徑37mm)和5支與太陽(yáng)能集熱管同樣規(guī)格的玻璃管用橡膠管串聯(lián)連接在一起并組成一個(gè)閉合循環(huán)系統(tǒng)。在培養(yǎng)罐中配制加入微細(xì)藻類液體培養(yǎng)基，培養(yǎng)基組成是每升去離子水包含碳酸氫鈉16.8g、硝酸鈉2.5g、磷酸氫二鉀0.5g、氯化鈉1.0g、硫酸鎂0.2g、硫酸亞鐵0.01g、硫酸鉀1.0g、氯化鈣0.04g、EDTA0.08g。培養(yǎng)基用2N的氫氧化鈉調(diào)到初始pH為9.0左右，培養(yǎng)物初始溫度為18℃，室內(nèi)平均溫度為21℃，室外環(huán)境平均溫度為15℃左右時(shí)。開(kāi)動(dòng)攪拌器進(jìn)行攪拌同時(shí)打開(kāi)蠕動(dòng)泵以35毫升/秒的流量使培養(yǎng)基在培養(yǎng)罐-太陽(yáng)能集熱管-培養(yǎng)管道中進(jìn)行閉合流動(dòng)循環(huán)，待系統(tǒng)流動(dòng)穩(wěn)定后向培養(yǎng)罐中加入0.5升螺旋藻液開(kāi)始進(jìn)行培養(yǎng)。在白天陽(yáng)光充足的情況下，太陽(yáng)能集熱管會(huì)迅速將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軐?duì)螺旋藻培養(yǎng)物進(jìn)行加熱，僅在白天一天微細(xì)藻類培養(yǎng)物的最高溫度可上升到30℃。因?yàn)榇朔忾]培養(yǎng)系統(tǒng)具有一定的保溫性能，在夜晚無(wú)太陽(yáng)光照下，螺旋藻培養(yǎng)物的溫度也能保持在22℃以上。用此培養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行培養(yǎng)，螺旋藻培養(yǎng)物的溫度可以始終保持在20到35℃之間，在5天左右螺旋藻就能夠生長(zhǎng)到5克干重/升以上，可以進(jìn)行收獲。
綜上所述，本發(fā)明是一項(xiàng)將太陽(yáng)能集熱器應(yīng)用于微細(xì)藻類培養(yǎng)的技術(shù)，通過(guò)太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軐?duì)微細(xì)藻類培養(yǎng)物進(jìn)行加熱，可有效提高微細(xì)藻類培養(yǎng)物的溫度，使微細(xì)藻類能夠快速生長(zhǎng)。不僅充分利用了太陽(yáng)光轉(zhuǎn)變成的熱能，而且節(jié)約了用于對(duì)微細(xì)藻類培養(yǎng)物加熱的電能和其它化石燃料，具有非常重要和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種提升螺旋藻等微細(xì)藻類培養(yǎng)物溫度的方法，其特征是在封閉式或敞開(kāi)式培養(yǎng)微細(xì)藻類過(guò)程中，與微細(xì)藻類培養(yǎng)池、培養(yǎng)箱或培養(yǎng)管道串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)連接一定數(shù)量的太陽(yáng)能集熱器，通過(guò)泵或其它方法使微細(xì)藻類培養(yǎng)物在太陽(yáng)光下從太陽(yáng)能集熱器中流過(guò)進(jìn)行升溫的方法。
2.在權(quán)利要求第1項(xiàng)記載的方法中，太陽(yáng)能集熱器包括用鋁-氮、鋁或其它選擇性吸收涂層的太陽(yáng)能集熱管、集熱板或集熱箱。
3.在權(quán)利要求第1項(xiàng)記載的方法中，通過(guò)加大太陽(yáng)能集熱器的使用比例或者全部使用太陽(yáng)能集熱器對(duì)微細(xì)藻類培養(yǎng)基進(jìn)行加熱或進(jìn)行高溫滅菌的方法。
4.通過(guò)太陽(yáng)能集熱器加熱水體或其它任何液體后再通過(guò)熱交換對(duì)微細(xì)藻類培養(yǎng)物進(jìn)行加熱并提升溫度的方法。
全文摘要
在封閉式或敞開(kāi)式培養(yǎng)螺旋藻等微細(xì)藻類過(guò)程中,與培養(yǎng)池、培養(yǎng)箱或培養(yǎng)管道串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)連接一定數(shù)量的太陽(yáng)能集熱器,用泵或其它方法使微細(xì)藻類培養(yǎng)物通過(guò)太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行流動(dòng),在太陽(yáng)光的照射下由太陽(yáng)能集熱器通過(guò)吸附選擇涂層將光能高效轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿鲗?dǎo)給微細(xì)藻類培養(yǎng)物后,不僅可以高效地提升微細(xì)藻類培養(yǎng)物的溫度,而且可以降低在寒冷地區(qū)微細(xì)藻類的生產(chǎn)成本,具有非常重要和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C12M1/00GK1341707SQ0114188
公開(kāi)日2002年3月27日 申請(qǐng)日期2001年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月18日
發(fā)明者閻海, 潘綱, 秦延文, 張明明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心