本申請(qǐng)涉及一種基于正滲透原理的微藻脫水設(shè)備及方法，本申請(qǐng)同樣適用于其它微生物的濃縮脫水以及其它懸浮態(tài)液體的濃縮脫水。根據(jù)本申請(qǐng)的微藻脫水設(shè)備和方法實(shí)現(xiàn)了微藻培養(yǎng)、濃縮脫水和微藻產(chǎn)品加工三個(gè)階段的連續(xù)性。

背景技術(shù)：

微藻是低等植物，其種類繁多、分布極其廣泛，海洋、淡水湖泊等水域均有微藻存在。其特有的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)使其成為最有潛力的生物柴油和生物質(zhì)油的優(yōu)良原料?；茉刺N(yùn)藏量逐漸下降，溫室氣體排放日益嚴(yán)重，發(fā)展微藻生物能源被認(rèn)為是一種最具前景的替代能源。微藻濃縮脫水是微藻生物能源生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前在微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)中，微藻的固體含量很低，僅有0.1～0.5％，在微藻的收獲到產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，需要將藻液濃縮脫水，除去其中的大量水分，這一過(guò)程能耗高，制約著微藻生物能源開發(fā)的進(jìn)程。

現(xiàn)有的微藻濃縮脫水技術(shù)，一般采用濃縮和脫水串聯(lián)處理的方式，濃縮方法主要有膜過(guò)濾法、氣浮法和沉淀法，經(jīng)過(guò)濃縮后的藻液中的含水率仍然高達(dá)98％以上，需要再進(jìn)一步做脫水處理。在脫水階段主要有離心脫水法和機(jī)械壓濾法，進(jìn)行進(jìn)一步脫水可以使藻液中的含水率降到85％左右。

離心脫水法和機(jī)械壓濾、例如螺旋壓濾法都會(huì)消耗大量能量。離心脫水是利用藻液中微藻與培養(yǎng)液比重不同從而具有不同離心力的原理使微藻和培養(yǎng)液脫離，離心脫水與其它幾種技術(shù)相比存在的主要問(wèn)題是能耗過(guò)高；機(jī)械壓濾是通過(guò)對(duì)藻液施加外加壓力，利用壓濾機(jī)中濾布或篩網(wǎng)具有不同的透過(guò)孔徑，對(duì)藻液中的微藻進(jìn)行攔截過(guò)濾，而水分子由于具有更小的體積，故而通過(guò)小孔而進(jìn)行脫水，機(jī)械壓濾存在的主要問(wèn)題是運(yùn)行密封性低，容易造成污染，濾布或篩網(wǎng)的清洗需要消耗大量的水源，耗水量大。另外， 用這兩種方法對(duì)藻液脫水時(shí)也可能要摻入絮凝劑，影響微藻產(chǎn)業(yè)附加產(chǎn)品的純度。

為了克服利用上述方法對(duì)微藻進(jìn)行濃縮脫水時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，比如能耗高，現(xiàn)有技術(shù)中研制出一種利用正滲透(Forward Osmosis，F(xiàn)O)技術(shù)進(jìn)行微藻脫水的方法，但是目前該方法尚處于實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)階段，不能在大規(guī)模微藻培養(yǎng)中實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)所要求的連續(xù)性作業(yè)。

然而，隨著微藻培養(yǎng)技術(shù)的不斷改進(jìn)、微藻培養(yǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，處于不同培養(yǎng)階段的微藻會(huì)連續(xù)地輸出，這對(duì)于微藻的濃縮脫水過(guò)程提出更高的要求，希望微藻的濃縮脫水過(guò)程能夠連續(xù)進(jìn)行，以避免連續(xù)不斷排出的大量藻液沉積和存放造成的污染或變質(zhì)，并且使得濃縮后的藻液與后續(xù)進(jìn)一步干燥等加工作業(yè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)性作業(yè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)的目的是將正滲透技術(shù)應(yīng)用到大規(guī)模微生物培養(yǎng)及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝中，實(shí)現(xiàn)從微藻培養(yǎng)階段輸出的藻液能夠不經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)而直接進(jìn)入濃縮脫水階段、之后直接進(jìn)入微藻產(chǎn)品加工階段的連續(xù)式一條龍模式。

正滲透技術(shù)也稱為正滲透膜分離技術(shù)。正滲透的過(guò)程是水從較高水化學(xué)勢(shì)(或較低滲透壓)的一側(cè)通過(guò)正滲透膜(選擇透過(guò)性)流向較低水化學(xué)勢(shì)(或較高滲透壓)一側(cè)的過(guò)程。本過(guò)程是不需外加壓力做驅(qū)動(dòng)力、而僅僅依靠滲透壓驅(qū)動(dòng)的膜分離過(guò)程，因而，正滲透膜分離技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于不需要外加壓力或者在很低的壓力下運(yùn)行，而且膜污染小、能夠持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間而不需清洗。

具體地，采用正滲透技術(shù)所用的正滲透裝置主要包括正滲透膜，在正滲透膜的兩側(cè)分別放置兩種具有不同滲透壓的溶液，一種為具有較低滲透壓的原料液(Feed solution)，在本申請(qǐng)中即為待濃縮脫水的藻液，另一種是具有較高滲透壓的驅(qū)動(dòng)液(Draw solution)，在本申請(qǐng)中稱為汲取液。利用正滲透膜兩側(cè)的滲透壓差為驅(qū)動(dòng)力，水自發(fā)地從原料液一側(cè)透過(guò)正滲透膜到達(dá)驅(qū)動(dòng)液一側(cè)。

這樣，在原料液一側(cè)的藻液中的水分被去除，藻液中微藻的濃度越來(lái) 越高，達(dá)到濃縮的效果；而在正滲透膜的另一側(cè)，汲取液中的水分越來(lái)越多。通常來(lái)說(shuō)，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)液采取一定措施使驅(qū)動(dòng)液保持原有的組成和較高的滲透壓，例如調(diào)節(jié)汲取液(鹽水)的濃度，以便能夠持續(xù)不斷地、長(zhǎng)時(shí)間、高效地吸收滲透來(lái)的水分。

隨著正滲透過(guò)程的進(jìn)行，汲取液中的水分越來(lái)越多，為了使汲取液維持在一個(gè)恒定的濃度范圍內(nèi)，保證吸水的效率，可對(duì)汲取液進(jìn)行反滲透處理。此外，本領(lǐng)域內(nèi)已知的任何其它工藝，比如蒸餾，也可以用來(lái)維持汲取液濃度。

優(yōu)選地，可以以海鹽作為溶質(zhì)制作汲取液，吸水后的汲取液可作為海藻的培養(yǎng)基，從而使藻液中的水分又回到培養(yǎng)基中。因此，如用海鹽作為汲取液的溶質(zhì)，可不需要濃縮，而直接將海鹽汲取液作為海藻的培養(yǎng)基回收利用。

在本申請(qǐng)的藻類脫水應(yīng)用實(shí)施例中，采用的汲取液是高濃度鹽水或溶質(zhì)為MgCl₂的溶液。然而，汲取液也可以是其他溶質(zhì)的溶液，例如，溶質(zhì)可以是NaCl、KCl、Al₂(SO₄)₃、NH₄HCO₃、葡萄糖、果糖或其它任何適當(dāng)?shù)娜苜|(zhì)中的任一種或者根據(jù)特定需要選擇多種組合使用。

為實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)的目的，根據(jù)本申請(qǐng)的第一方面，提供了一種基于正滲透原理的藻液脫水設(shè)備，包括：一種基于正滲透原理的藻液脫水設(shè)備，包括：多個(gè)正滲透裝置，每個(gè)正滲透裝置包括將來(lái)自藻液供應(yīng)源的待脫水藻液直接供應(yīng)到該正滲透裝置的藻液供應(yīng)管道，將用于汲取所述待脫水藻液中的水分的汲取液供應(yīng)到該正滲透裝置的汲取液供應(yīng)管道，和將所述待脫水藻液中的水分的至少一部分去除之后生成的藻液排出該正滲透裝置的出液管道；使吸收了水分的汲取液濃縮再生的汲取液再生裝置；和控制裝置，所述控制裝置被設(shè)計(jì)為使得每個(gè)正滲透裝置的進(jìn)液操作、正滲透脫水過(guò)程以及出液操作連續(xù)、不間斷地進(jìn)行，并且，對(duì)于構(gòu)成脫水周期的進(jìn)液操作、正滲透脫水過(guò)程和出液操作中任一個(gè)來(lái)說(shuō)，相鄰兩個(gè)正滲透裝置中的后一正滲透裝置的相應(yīng)操作在前一正滲透裝置完成該相應(yīng)操作的時(shí)刻即開始；其中每一個(gè)正滲透裝置從進(jìn)液操作開始到出液操作結(jié)束的時(shí)間構(gòu)成一個(gè)脫水周期。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，每個(gè)正滲透裝置包括水分能夠透過(guò)的正滲 透膜，位于所述正滲透膜一側(cè)的藻液容器，以及位于正滲透膜另一側(cè)的汲取液容器，所述藻液容器與所述藻液供應(yīng)管道連通而被供應(yīng)所述待脫水藻液，所述汲取液容器與所述汲取液供應(yīng)管道連通而被供應(yīng)所述汲取液，并且所述汲取液容器與所述汲取液再生裝置連通。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，每個(gè)正滲透裝置包括串聯(lián)連接的多個(gè)子正滲透裝置，每個(gè)子正滲透裝置包括水分能夠透過(guò)的正滲透膜，位于所述正滲透膜一側(cè)的藻液容器，以及位于正滲透膜另一側(cè)的汲取液容器，并且所述藻液脫水設(shè)備包括與每個(gè)子正滲透裝置的汲取液容器連通的多個(gè)汲取液再生裝置；

在每個(gè)正滲透裝置中，所述多個(gè)子正滲透裝置中的第一個(gè)子正滲透裝置的藻液容器與所述藻液供應(yīng)管道連通而被供應(yīng)所述待脫水藻液，所述多個(gè)子正滲透裝置中的最后一個(gè)子正滲透裝置的藻液容器與該正滲透裝置的出液管道連通，并且，相鄰兩個(gè)子正滲透裝置串聯(lián)連接使得前一子正滲透裝置的藻液容器被供應(yīng)到后一子正滲透裝置中；并且

對(duì)每個(gè)正滲透裝置的進(jìn)液操作是對(duì)該正滲透裝置的第一個(gè)子正滲透裝置的藻液容器進(jìn)行的進(jìn)液操作，對(duì)每個(gè)正滲透裝置的出液操作是對(duì)該正滲透裝置的最后一個(gè)子正滲透裝置的藻液容器進(jìn)行的出液操作，每個(gè)正滲透裝置的正滲透脫水過(guò)程是對(duì)該正滲透裝置的第一個(gè)子正滲透裝置的進(jìn)液操作完成之后、對(duì)該正滲透裝置的最后一個(gè)子正滲透裝置進(jìn)行出液操作之前的過(guò)程。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，所述控制裝置還被設(shè)計(jì)成使得，每個(gè)正滲透裝置的正滲透脫水過(guò)程的持續(xù)時(shí)間與出液操作的持續(xù)時(shí)間的和略小于或等于其余所有正滲透裝置的進(jìn)液操作的持續(xù)時(shí)間的和；或者，每個(gè)正滲透裝置的脫水周期略大于或等于所有正滲透裝置的進(jìn)液操作的持續(xù)時(shí)間的和。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，所述汲取液再生裝置包括反滲透裝置、蒸發(fā)器、膜蒸餾組件、機(jī)械壓縮蒸發(fā)組件、低溫多效蒸發(fā)組件中的一個(gè)或多個(gè)。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，所述汲取液再生裝置還用作：對(duì)所述汲取液容器中的汲取液起擾動(dòng)作用的汲取液擾動(dòng)裝置，和/或汲取液均質(zhì)裝置。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，所述藻液脫水設(shè)備還包括用于擾動(dòng)藻液容器中的藻液的藻液擾動(dòng)裝置。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，所述藻液擾動(dòng)裝置是設(shè)置于所述藻液容器內(nèi)的葉片。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，所述藻液擾動(dòng)裝置是與所述藻液容器流體流體的泵。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，作為所述藻液擾動(dòng)裝置的泵還為出液操作提供動(dòng)力。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，所述藻液脫水設(shè)備還包括設(shè)置于所述汲取液容器內(nèi)部的單獨(dú)的汲取液擾動(dòng)裝置。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，不同汲取液容器具有相同的溶質(zhì)或不同的溶質(zhì)，或者具有相同濃度或不同濃度的溶質(zhì)。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，所述汲取液是溶質(zhì)為MgCl₂，NaCl、KCl、Al₂(SO₄)₃、NH₄HCO₃、葡萄糖、果糖中的一種或多種的溶液。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，所述汲取液是天然海水，所述藻液脫水設(shè)備還包括用于收集被稀釋的海水的收集器。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，所述汲取液的滲透壓保持在200～300atm。

根據(jù)本申請(qǐng)的第二方面，本發(fā)明還提供了一種正滲透裝置，所述正滲透裝置是由上述的多個(gè)子正滲透裝置構(gòu)成的正滲透裝置。

根據(jù)本申請(qǐng)的第三方面，還提供了一種藻液脫水的方法，所述方法包括：1)對(duì)所述藻液脫水設(shè)備中的每一個(gè)正滲透裝置重復(fù)地、連續(xù)地執(zhí)行由進(jìn)液操作、正滲透脫水過(guò)程和出液操作構(gòu)成的脫水周期；2)對(duì)于構(gòu)成脫水周期的進(jìn)液操作、正滲透脫水過(guò)程和出液操作中任一個(gè)來(lái)說(shuō)，相鄰兩個(gè)正滲透裝置中的后一正滲透裝置的相應(yīng)操作在前一正滲透裝置完成該相應(yīng)操作的時(shí)刻即開始。

根據(jù)本申請(qǐng)的第四方面，本發(fā)明還提供了一種用于上述的藻液脫水設(shè)備的控制裝置，所述控制裝置被配置用于執(zhí)行上述藻液脫水方法。

根據(jù)一種可選的實(shí)施方式，所述控制裝置是被預(yù)先編程的芯片、單片機(jī)或微控制器。

根據(jù)本申請(qǐng)的藻液脫水設(shè)備包括多個(gè)正滲透裝置，既具有正滲透技術(shù) 帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)：不需要絮凝劑從而避免了新雜質(zhì)的引入，降低了藥劑消耗的費(fèi)用，提高了微藻產(chǎn)業(yè)中附加產(chǎn)品的純度，為藻的食品用途或藥品用途提供可能，不需要外加壓力從而節(jié)省能耗；又具有在大規(guī)模藻類培養(yǎng)和工業(yè)化流水線生產(chǎn)模式中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠使從培養(yǎng)階段連續(xù)不斷輸出的藻液不需要大量存儲(chǔ)、集中和等待而是即刻以藻液輸出的方式進(jìn)入后續(xù)濃縮脫水操作，隨后經(jīng)濃縮脫水后的藻液又能夠順序地、連續(xù)不斷地從不同的正滲透裝置輸出進(jìn)行藻的干燥和產(chǎn)品加工，為藻類培養(yǎng)、濃縮脫水、產(chǎn)品加工的連續(xù)式、不間斷一條龍模式提供了技術(shù)支持。

本發(fā)明公開了包含多個(gè)脫水裝置的脫水設(shè)備及其脫水方法，使整個(gè)脫水設(shè)備對(duì)外呈現(xiàn)出進(jìn)料和連續(xù)出料的生產(chǎn)模式，可以避免藻液從光生物反應(yīng)器收集出來(lái)后暫存所帶來(lái)的污染或變質(zhì)，同時(shí)也能防止后續(xù)的干燥設(shè)備不斷開停的間斷性操作，因此具有產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本申請(qǐng)第一實(shí)施方式的序批式藻類脫水設(shè)備的簡(jiǎn)化示意圖；

圖2是圖1中的序批式藻類脫水設(shè)備的第一示例的時(shí)序操作示意圖；

圖3是圖1中的序批式藻類脫水設(shè)備的第二示例的時(shí)序操作示意圖；

圖4是根據(jù)本申請(qǐng)第二實(shí)施方式的接力式藻類脫水設(shè)備的簡(jiǎn)化示意圖；和

圖5是根據(jù)本申請(qǐng)第三實(shí)施方式的混合式藻類脫水設(shè)備的簡(jiǎn)化示意圖。

具體實(shí)施方式

在本申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)“藻類”不僅限于狹義意義上的“藻”類，而是泛指具有相同或類似培養(yǎng)方法或特性的任何光生物。術(shù)語(yǔ)“脫水”或“濃縮脫水”是指去除經(jīng)過(guò)培養(yǎng)得到的、含有大量(比如大于90％或98％)水分的藻液中的部分或大部分水分，使藻液濃度升高至預(yù)期值以進(jìn)行后續(xù)藻泥加工的過(guò)程。

本申請(qǐng)主要涉及正滲透技術(shù)在大規(guī)模藻類培養(yǎng)環(huán)境中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了從藻類培養(yǎng)階段連續(xù)不斷排出藻液不經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)放置而以連續(xù)不斷的方式濃 縮脫水繼而進(jìn)行產(chǎn)品后續(xù)加工的過(guò)程，避免對(duì)培養(yǎng)生成的藻液進(jìn)行存儲(chǔ)以及節(jié)省了與其相關(guān)的成本。下面詳細(xì)描述了根據(jù)本原理的藻液脫水設(shè)備和方法。

如圖1、4和5所示，根據(jù)本申請(qǐng)的藻液脫水設(shè)備100、200和300包括兩個(gè)、優(yōu)選更多個(gè)正滲透裝置50。每個(gè)正滲透裝置50(50-1，…50-N)主要包括正滲透膜(FO膜)52以及位于正滲透膜52兩側(cè)的原料液容器和汲取液容器56。原料液被供應(yīng)到原料液容器，并且汲取液被供應(yīng)到汲取液容器56。除此之外，正滲透裝置50還包括使吸水后的汲取液濃縮再生以獲得恒定濃度的汲取液再生裝置60。根據(jù)本申請(qǐng)，原料液是待脫水的藻液或任何其它含有光生物懸浮物的溶液，為方便起見，原料液以藻液為例進(jìn)行說(shuō)明，原料液容器在下文中描述為藻液容器54。

下面就序批式藻類脫水技術(shù)(包括設(shè)備和方法)進(jìn)行詳細(xì)描述。圖1示出了根據(jù)本申請(qǐng)第一實(shí)施方式的序批式藻類脫水設(shè)備100的簡(jiǎn)化示意圖。在本第一實(shí)施方式中，序批式藻類脫水設(shè)備100包括4個(gè)正滲透裝置50-1，50-2，50-3和50-4。對(duì)于每一個(gè)正滲透裝置50執(zhí)行下述操作：

進(jìn)液操作，包括：將配好的汲取液，在本實(shí)驗(yàn)中為滲透壓在200～300atm的MgCl₂溶液，通過(guò)輸送泵輸送到正滲透裝置50的汲取液容器56，將來(lái)自藻液供應(yīng)源(未示出)的待脫水藻液供應(yīng)到正滲透裝置500的藻液容器54；

正滲透脫水過(guò)程：利用滲透壓的驅(qū)動(dòng)，藻液中的水分通過(guò)正滲透膜52而被汲取液吸收。然而，為了使此過(guò)程效率更高，所需時(shí)間更短，可以為藻液容器54中的藻液和汲取液容器56在的汲取液分別配備藻液擾動(dòng)裝置和汲取液擾動(dòng)裝置，使得藻液和汲取液分別藻液容器54和汲取液容器56內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，這樣在正滲透膜52表面形成剪切力，更有利于藻液中的水分滲透到正滲透膜52另一側(cè)的汲取液中，也可以避免與滲透膜52接觸的局部藻液或汲取液隨著滲透的進(jìn)行二者濃度變化，滲透壓差逐漸減小致使?jié)B透停止；

出液操作：經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)定的正滲透脫水時(shí)間之后，藻液容器52中的藻液達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)濃度，即輸出預(yù)期濃度的藻液到藻液產(chǎn)品加工地A。

上述是對(duì)每一個(gè)正滲透裝置50的藻液脫水流程的介紹，進(jìn)液操作、正滲透脫水過(guò)程和出液操作構(gòu)成了完整的藻液脫水周期。下面結(jié)合圖2的時(shí)序圖、描述圖1中的包括4個(gè)正滲透裝置50(50-1，50-2，50-3，50-4)的藻液脫水設(shè)備100的序批式操作過(guò)程。這里應(yīng)說(shuō)明，在本申請(qǐng)的時(shí)序圖中，相同的操作步驟用相同的陰影線表示，以使說(shuō)明更清楚，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員更容易理解。

首先對(duì)第一正滲透裝置50-1(例如，圖1中最左側(cè)的正滲透裝置50)供應(yīng)待脫水藻液和汲取液，其中，待脫水藻液來(lái)自藻液供應(yīng)源(未示出)，即進(jìn)液步驟，歷時(shí)預(yù)設(shè)的2個(gè)小時(shí)T11；進(jìn)液完成后，第一正滲透裝置50-1開始預(yù)設(shè)的4個(gè)小時(shí)(T12+T13)的正滲透脫水過(guò)程，優(yōu)選地，對(duì)藻液和汲取液一直進(jìn)行擾動(dòng)。

在第一正滲透裝置50-1的此4個(gè)小時(shí)的正滲透脫水過(guò)程期間，即第一正滲透裝置50-1完成進(jìn)液操作的即刻，對(duì)第二正滲透裝置50-2供應(yīng)待脫水藻液和汲取液，即進(jìn)液步驟，持續(xù)2個(gè)小時(shí)，如圖2所示的T12；在對(duì)第二正滲透裝置50-2的進(jìn)液操作結(jié)束的即刻，開始第二正滲透裝置50-2的正滲透脫水過(guò)程的同時(shí)，對(duì)第三正滲透裝置50-3進(jìn)行進(jìn)液步驟，持續(xù)預(yù)設(shè)的2個(gè)小時(shí)，如圖2所示的T13。

對(duì)第三正滲透裝置50-3的進(jìn)液步驟完成的即刻，一方面，第三正滲透裝置50-3開始正滲透脫水過(guò)程，同時(shí)對(duì)第四正滲透裝置50-4進(jìn)行進(jìn)液步驟，持續(xù)預(yù)設(shè)的2個(gè)小時(shí)，如圖2所示的T14；另一方面，對(duì)第三正滲透裝置50-3的進(jìn)液步驟完成的即可，第一正滲透裝置50-1的正滲透脫水過(guò)程(T12+T13)基本上結(jié)束，藻液達(dá)到預(yù)期濃度，在T14期間進(jìn)行出液操作。

第四正滲透裝置50-4的進(jìn)液步驟結(jié)束的同時(shí)，第一正滲透裝置50-1的出液操作也結(jié)束。至此，第一正滲透裝置50-1完成第一脫水周期P1。重復(fù)對(duì)第一正滲透裝置50-1的進(jìn)液步驟T11，同時(shí)對(duì)第二正滲透裝置50-2進(jìn)行出液操作…以此類推。

在本實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)設(shè)定，對(duì)于每一個(gè)正滲透裝置50來(lái)說(shuō)，每一批藻液的脫水周期為8小時(shí)，進(jìn)液2小時(shí)(T11)，正滲透脫水過(guò)程4小時(shí)(T12+T13)，出液2小時(shí)(T14)，對(duì)于具有4個(gè)正滲透裝置50的正滲透藻液脫水設(shè)備 100來(lái)說(shuō)，最高效率地、完美地實(shí)現(xiàn)了出液和進(jìn)液操作的連續(xù)性，這對(duì)于微藻連續(xù)不斷地從培養(yǎng)階段輸出的工業(yè)化生產(chǎn)作業(yè)場(chǎng)合來(lái)說(shuō)是非常具有優(yōu)勢(shì)的，這使得從培養(yǎng)階段連續(xù)不斷輸出的微藻能夠不經(jīng)過(guò)大量存儲(chǔ)而連續(xù)不斷地進(jìn)入到濃縮脫水流程中，繼而能夠連續(xù)不斷地進(jìn)入微藻產(chǎn)品后續(xù)加工階段，實(shí)現(xiàn)了微藻培養(yǎng)、濃縮脫水、產(chǎn)品加工的連續(xù)、一條龍模式。

擴(kuò)展來(lái)講，對(duì)于包括N個(gè)(N大于或等于2)正滲透裝置的正滲透藻液脫水設(shè)備來(lái)說(shuō)，為保證正滲透藻液脫水設(shè)備中各正滲透裝置出液操作的連貫性，每個(gè)正滲透裝置的正滲透脫水時(shí)間(T12+T13)與每個(gè)正滲透裝置的出液時(shí)間(T14)的和應(yīng)小于或等于其余N-1個(gè)正滲透裝置的進(jìn)液時(shí)間(T12*(N-1))的和(在圖2的示例中為最佳地“等于”)；另外，為保證正滲透藻液脫水設(shè)備各正滲透裝置進(jìn)液的連續(xù)性，每個(gè)正滲透裝置的脫水周期P應(yīng)大于或等于N個(gè)正滲透裝置的進(jìn)液時(shí)間的和(在圖2的示例中為最佳地“等于”)。

對(duì)于時(shí)間的控制來(lái)說(shuō)，還優(yōu)選地，每個(gè)正滲透裝置的正滲透脫水過(guò)程完成后，其前一正滲透裝置剛好完成出液操作；并且每個(gè)正滲透裝置的出液完成后，其后一正滲透裝置剛好完成正滲透脫水過(guò)程。

上面是包括4個(gè)正滲透裝置50的正滲透藻液脫水設(shè)備100的第一示例。

作為第一實(shí)施方式的第二個(gè)示例，序批式藻液脫水設(shè)備可包括6個(gè)正滲透裝置50-1，…，50-6。每個(gè)正滲透裝置的操作周期設(shè)定為7小時(shí)，其中對(duì)各正滲透裝置的進(jìn)液時(shí)間為1小時(shí)，脫水過(guò)程持續(xù)5小時(shí)，出液時(shí)間為1小時(shí)。

第二個(gè)示例的時(shí)序圖如圖3所示，其中T21，T22和T23分別表示每一個(gè)正滲透裝置50-1，…，50-6的進(jìn)液時(shí)間、脫水過(guò)程時(shí)間和出液時(shí)間。其中，在第一正滲透裝置的脫水過(guò)程T12期間(5個(gè)小時(shí))，完成其它5個(gè)正滲透裝置的進(jìn)液操作，類似操作過(guò)程參考上述第一示例，這里不再贅述。

在本第一實(shí)施方式的第三示例中，序批式藻液脫水設(shè)備可包括8個(gè)正滲透裝置。在本示例中，每個(gè)正滲透裝置的操作周期設(shè)定為12小時(shí)，其中對(duì)各正滲透裝置的進(jìn)液時(shí)間為1.5小時(shí)，脫水過(guò)程持續(xù)10小時(shí)，出液時(shí)間為0.5小時(shí)。同樣，在第一正滲透裝置進(jìn)液完成的即刻，進(jìn)行第二正滲透裝 置的進(jìn)液，依次類推，在第一正滲透裝置的出液完成的同時(shí)，最后一個(gè)正滲透裝置的進(jìn)液操作也完成，即開始對(duì)第一正滲透裝置的下一脫水循環(huán)的進(jìn)液操作。

上面給出了根據(jù)本申請(qǐng)的第一實(shí)施方式的序批式藻液脫水設(shè)備的三個(gè)示例。根據(jù)本申請(qǐng)第一實(shí)施方式的包括多個(gè)正滲透裝置的藻類脫水設(shè)備，既具有正滲透技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)：不需要絮凝劑從而避免了新雜質(zhì)的引入，降低了藥劑消耗的費(fèi)用，提高了微藻產(chǎn)業(yè)中附加產(chǎn)品的純度，為藻的食品用途或藥品用途提供可能，不需要外加壓力從而節(jié)省能耗；又具有在大規(guī)模藻類培養(yǎng)環(huán)境中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠使從培養(yǎng)階段連續(xù)不斷輸出的藻液不需要大量存儲(chǔ)、集中和等待而是即刻以藻液輸出的順序進(jìn)入后續(xù)濃縮脫水操作，隨后順序地、連續(xù)不斷地從不同的正滲透裝置輸出進(jìn)行藻類產(chǎn)品加工，為藻類培養(yǎng)、濃縮脫水、產(chǎn)品加工的連續(xù)式、不間斷一條龍模式提供了技術(shù)支持。

在上述優(yōu)選的三個(gè)示例中，在藻類的正滲透脫水過(guò)程期間，對(duì)原料液(藻液)和汲取液同時(shí)施加了擾動(dòng)、攪拌或循環(huán)操作，使得藻液容器中的藻液的脫水能夠均勻進(jìn)行、藻液濃度能夠均勻提高，使得汲取液能夠保持均一的濃度、能夠均勻地吸收穿過(guò)正滲透膜的水分從而能夠以大致恒定的高效率對(duì)藻類脫水。

上述藻液擾動(dòng)裝置和汲取液擾動(dòng)裝置可以分別設(shè)置于藻液容器54和汲取液容器56內(nèi)部，例如葉輪或葉片或類似裝置；也可以分別設(shè)置于藻液容器54和汲取液容器56外面，例如分別與藻液容器54和汲取液容器56連通的擾動(dòng)泵。在一個(gè)優(yōu)選例子中，作為藻液擾動(dòng)裝置的泵也可用于在出液操作中為藻液的排出提供動(dòng)力。在另一個(gè)優(yōu)選例子中，汲取液再生裝置60也可以為汲取液提供擾動(dòng)作用。

汲取液再生裝置60可以包括如圖所示的反滲透裝置64和泵62，它們與汲取液容器56連通，形成汲取液的連續(xù)封閉的循環(huán)回路。這不但能夠?qū)崿F(xiàn)汲取液的擾動(dòng)作用，還能夠在汲取液的循環(huán)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)的回收利用，能夠避免與正滲透膜接觸區(qū)域的汲取液被稀釋后降低藻類脫水效率的問(wèn)題，同時(shí)不會(huì)形成濃水排放，避免造成環(huán)境污染。

可選地，汲取液再生裝置60可還包括蒸發(fā)器或蒸餾器(未示出)，比如膜蒸餾器(真空膜蒸餾器或吹掃氣膜蒸餾器)、機(jī)械壓縮蒸發(fā)器、和低溫多效蒸發(fā)器中的一種或幾種，以通過(guò)蒸發(fā)、蒸餾等方式對(duì)汲取液提供濃縮、脫水或再生功能。

一個(gè)優(yōu)選的例子是使反滲透裝置64和蒸發(fā)器或蒸餾器相組合，這能夠提高汲取液再生的效率。這樣，可以將汲取液維持在一個(gè)恒定的濃度范圍內(nèi)，保持較高的滲透壓。優(yōu)選地，再生后的汲取液可通過(guò)循環(huán)作用再返回到汲取液容器中循環(huán)利用。

如上述，根據(jù)本申請(qǐng)的汲取液再生裝置60可用作對(duì)藻液容器54和汲取液容器56的溶液起到均質(zhì)作用的均質(zhì)裝置，以避免與正滲透膜接觸的區(qū)域中的汲取液被局部過(guò)渡稀釋而喪失吸水作用。

在本申請(qǐng)中，來(lái)自藻液供應(yīng)源的待脫水藻液的密度可以為10～50g/L，脫水后藻液的密度可達(dá)200-240g/l。

如圖所示，根據(jù)本申請(qǐng)的正滲透藻液脫水設(shè)備100還包括為正滲透裝置50提供的進(jìn)液管道70和出液管道80及這些管道上的控制閥75和85，以及可以在汲取液再生裝置60、藻液擾動(dòng)裝置和汲取液擾動(dòng)裝置上設(shè)置有各種閥件。

與上述正滲透脫水過(guò)程相適應(yīng)地，根據(jù)本申請(qǐng)的正滲透藻液脫水設(shè)備100還包括控制裝置(未示出)，控制裝置被配置用于執(zhí)行如上面關(guān)于正滲透藻液脫水設(shè)備100所述的藻液脫水程序，例如通過(guò)控制正滲透藻液脫水設(shè)備100中各正滲透裝置50的泵件、控制閥75和85、以及可能存在的其它電器件的開關(guān)操作、持續(xù)時(shí)間等。控制裝置所控制的參數(shù)可包括但不限制于：各泵/閥的開/關(guān)時(shí)間，進(jìn)液/出液的速度/持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，汲取液循環(huán)速度/再生速度，反滲透裝置的反滲透壓力/速度，蒸發(fā)器的功率等。例如，通過(guò)對(duì)反滲透裝置64的工作參數(shù)(壓力、頻率等)的控制和對(duì)汲取液循環(huán)的流速控制，可以將汲取液的滲透壓保持在200～300atm。

具體到圖1和2所示的第一實(shí)施方式的第一示例，控制裝置首先允許用于第一正滲透裝置50-1的進(jìn)液控制閥75打開進(jìn)行進(jìn)液操作；T11時(shí)間之后，控制裝置自動(dòng)關(guān)閉第一正滲透裝置50-1的進(jìn)液控制閥75，同時(shí)打開第 二正滲透裝置50-2的進(jìn)液控制閥75，根據(jù)需要開啟第一正滲透裝置50-1的汲取液再生裝置60；持續(xù)T12之后，控制裝置自動(dòng)關(guān)閉第二正滲透裝置50-2的進(jìn)液控制閥75，同時(shí)打開第三正滲透裝置50-3的進(jìn)液控制閥75，根據(jù)需要開啟第二正滲透裝置50-2的汲取液再生裝置60；持續(xù)T13之后，控制裝置自動(dòng)關(guān)閉第三正滲透裝置50-3的進(jìn)液控制閥75，同時(shí)打開第四正滲透裝置50-4的進(jìn)液控制閥75，根據(jù)需要開啟第三正滲透裝置50-3的汲取液再生裝置60，另外同時(shí)開啟第一正滲透裝置50-1的出液閥控制85…依次類推。

控制裝置可以配置為單片機(jī)、芯片、微控制器以及其它預(yù)先編程的電子控制單元的形式。

特別優(yōu)選地，可以將海水作為汲取液，例如常溫25℃時(shí)滲透壓為200～300atm的溶液。在以海水作為汲取液時(shí)，可以將汲取液容器56的進(jìn)口連接海水供應(yīng)源，源源不斷地接收滲透壓在200～300atm的海水，出口連接到收集罐，用于儲(chǔ)備起來(lái)養(yǎng)殖海藻，無(wú)需另行濃縮處理。

如上述，包括多個(gè)正滲透裝置的正滲透藻液脫水設(shè)備100在大規(guī)模的藻類培養(yǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了藻類培養(yǎng)、濃縮脫水和后續(xù)產(chǎn)品加工的連續(xù)性。

下面描述根本申請(qǐng)的第二實(shí)施方式，第二種實(shí)施方式與第一種實(shí)施方式的區(qū)別在于正滲透藻液脫水設(shè)備200中的各正滲透裝置50為串行布置，對(duì)下一正滲透裝置50供應(yīng)的藻液是從前一正滲透裝置排出的藻液，以實(shí)現(xiàn)對(duì)藻液的逐級(jí)接力式脫水濃縮。

如圖4所示，待脫水藻液被從藻液供應(yīng)源(未示出)供應(yīng)到第一正滲透裝置50-1的藻液容器54，汲取液被供應(yīng)到第一正滲透裝置50-1的汲取液容器56，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的正滲透脫水過(guò)程之后，脫水后的藻液被從第一正滲透裝置50-1排出，此排出的藻液被供應(yīng)到第二正滲透裝置50-2的藻液容器54，進(jìn)行進(jìn)一步脫水操作，以此類推，直到進(jìn)行了N此脫水后的藻液被從第N個(gè)正滲透裝置50-N排出。在圖4的示例中，N等于3。

此種接力式藻液脫水方式的優(yōu)勢(shì)在于：可以為不同的正滲透裝置50設(shè)定相等或不等的藻液脫水時(shí)間。對(duì)于預(yù)期目標(biāo)濃度相同的藻液來(lái)說(shuō)，此種接力式脫水方式為經(jīng)過(guò)多次脫水過(guò)程實(shí)現(xiàn)，與如第一種實(shí)施方式中那樣經(jīng) 過(guò)僅一次脫水過(guò)程相比，每一個(gè)正滲透裝置50的脫水過(guò)程的持續(xù)時(shí)間被大大縮短，從而每個(gè)正滲透裝置50每次進(jìn)液和出液的時(shí)間間隔就會(huì)縮短很多。

本第二實(shí)施方式還具有另外一種優(yōu)勢(shì)：因?yàn)榧橙∫簼舛仍礁哒凉B透的驅(qū)動(dòng)力越大，所以，可以從第一個(gè)正滲透裝置50-1到最后一個(gè)正滲透裝置50-N依次增大汲取液的濃度，以增大驅(qū)動(dòng)力從而提高吸水能力。與第一實(shí)施方式中單一恒定的汲取液濃度相比，本實(shí)施方式能夠?qū)崿F(xiàn)更高效率的脫水。此外，從第一正滲透裝置至最后一個(gè)正滲透裝置，可以根據(jù)目標(biāo)藻液特性的要求，改變汲取液的溶質(zhì)，例如第一個(gè)正滲透裝置50-1到最后一個(gè)正滲透裝置50-N中汲取液的溶質(zhì)各不相同，也可以使不同的溶質(zhì)搭配使用，降低材料成本。

圖5示出了作為第一種和第二種實(shí)施方式的組合的第三種實(shí)施方式。

根據(jù)第三實(shí)施方式的正滲透藻液脫水設(shè)備300包括三組正滲透藻裝置G1，G2，G3，每一組正滲透藻裝置相當(dāng)于根據(jù)本申請(qǐng)第二實(shí)施方式的正滲透藻液脫水設(shè)備200，三組之間的關(guān)系與根據(jù)本申請(qǐng)第一實(shí)施方式的正滲透藻液脫水設(shè)備100中的正滲透藻裝置50-1，50-2，50-3和50-4之間的關(guān)系相同。

首先第一組正滲透藻裝置G1中的第一正滲透藻裝置50-1被供應(yīng)來(lái)自藻液供應(yīng)源(未示出)的待脫水藻液，由此開始第一組G1的藻液脫水過(guò)程，第一組G1中的各正滲透裝置50-1至50-3的脫水循環(huán)過(guò)程參考本申請(qǐng)的第二實(shí)施方式。

第一組正滲透藻裝置G1中的第一正滲透藻裝置50-1的進(jìn)液操作完成后，開始藻液脫水過(guò)程的同時(shí)，打開第二組正滲透藻裝置G2中的第一正滲透藻裝置50-1的進(jìn)液控制閥75以從藻液供應(yīng)源向第二組正滲透藻裝置G2中的正滲透裝置50-1的藻液容器供應(yīng)待脫水藻液，由此開始第二組G2的藻液脫水過(guò)程，第一組G2中的各正滲透裝置50-1至50-3的脫水循環(huán)過(guò)程同樣參考本申請(qǐng)的第二實(shí)施方式。

第二組正滲透藻裝置G2中的第一正滲透藻裝置50-1的進(jìn)液操作完成后，開始藻液脫水過(guò)程的同時(shí)，打開第三組正滲透藻裝置G3中的第一正滲透藻裝置50-1的進(jìn)液控制閥75以從藻液供應(yīng)源向第三組正滲透藻裝置G3 中的正滲透裝置50-1的藻液容器供應(yīng)待脫水藻液，由此開始第二組G3的藻液脫水過(guò)程，第三組G3中的各正滲透裝置50-1至50-3的脫水循環(huán)過(guò)程同樣參考本申請(qǐng)的第二實(shí)施方式。

本第三方式的藻液脫水程序集成了第一實(shí)施方式和第二實(shí)施方式的優(yōu)勢(shì)，更適合于大規(guī)模藻類培養(yǎng)環(huán)境，脫水效率更高。本第三實(shí)施方式中的正滲透裝置的組與正滲透裝置的關(guān)系也可以描述為正滲透裝置與構(gòu)成該正滲透裝置的多個(gè)子正滲透裝置的關(guān)系。

上面基于附圖中示出的特殊實(shí)施方式描述了本申請(qǐng)，但本申請(qǐng)并不限制于上面描述的以及圖中示出的細(xì)節(jié)。相反地，在權(quán)利要求及其等效內(nèi)容的范圍內(nèi)，可以對(duì)本申請(qǐng)的形式和結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)進(jìn)行修改和替換。