專利名稱：一種基于植物仿生學(xué)的高效微藻培養(yǎng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微藻培養(yǎng)系統(tǒng)領(lǐng)域，具體講，是一種基于植物結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的涉及單細(xì)胞藻液高效捕光裝置
背景技術(shù)：
在人類社會面臨能源資源枯竭的大背景下，一些微藻因其高產(chǎn)油量、油脂累積快以及生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，近年來備受關(guān)注，已成為生物能源研究領(lǐng)域新興的熱點(diǎn)之一。我國在該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。薇藻原料成本占到生物柴油生產(chǎn)總成本的70%以上。因此，微藻生產(chǎn)過程中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是促進(jìn)藻類快速生長，使藻細(xì)胞在最短時間內(nèi)達(dá)到最大生產(chǎn)力。目前，藻類生物反應(yīng)器已成為高效、快速、大量培養(yǎng)藻類的關(guān)鍵設(shè)備。在研究、開發(fā)和生產(chǎn)中均需使用不同的光生物反應(yīng)器，主要可以區(qū)分為開放式和封閉式兩大類型。跑道池反應(yīng)器是最典型和最常用的一種敞開式反應(yīng)系統(tǒng)，構(gòu)建簡單、成本低廉、操作簡單，在微藻產(chǎn)業(yè)化培育中已普遍使用，但是該培養(yǎng)器占地面積大的缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用。密閉式反應(yīng)器，主要包括管式、平板式和柱式這三種形式，具有培養(yǎng)條件易控制，可無菌操作，補(bǔ)碳效果好，藻細(xì)胞生長速度快等優(yōu)勢，但是這些優(yōu)越性是以高投資和操作成本為代價的，放大潛力也因此大大受到了限制。同時，兩類反應(yīng)器擴(kuò)大生產(chǎn)后，當(dāng)藻細(xì)胞密度較高時，光的供給往往受到限制。因此，盡管單細(xì)胞微藻光合效率是植物的10-50倍，但培養(yǎng)器捕光效率的底下仍閑置著微藻的大規(guī)模培養(yǎng)。傳統(tǒng)的微藻反應(yīng)器盡管也都是基于光能高效采集為目標(biāo)，比如采用板式構(gòu)造、添加內(nèi)置光源等，但光能利用效率仍然較低。植物結(jié)構(gòu)仿生是在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通過研究自然界植物系統(tǒng)的優(yōu)異形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能特征，并有選擇性的在設(shè)計過程中應(yīng)用這些結(jié)構(gòu)原理和特征進(jìn)行設(shè)計。光合作用是綠色植物最重要的一項(xiàng)生物學(xué)特性，綠色植物高效的光合作用是基于根莖葉獨(dú)特的形態(tài)、排列和結(jié)構(gòu)的。
因此，基于植物形態(tài)仿生學(xué)，研制與構(gòu)建占地少、采光效率高、適應(yīng)性強(qiáng)的光生物反應(yīng)器的是未來技術(shù)的發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有開放式微藻反應(yīng)器占地大的缺點(diǎn)，以及現(xiàn)有密閉式反應(yīng)器的光路短等缺陷。提供了一種適于規(guī)模培養(yǎng)、占地面積小、捕光效率高，適應(yīng)性強(qiáng)的微藻培養(yǎng)反應(yīng)器，適用于開放式和封閉式光生物反應(yīng)器。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明基于植物形態(tài)結(jié)構(gòu)仿生學(xué)，采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)其特征在于整個培養(yǎng)系統(tǒng)主要包括根反應(yīng)器系統(tǒng)(2，12)、莖反應(yīng)器系統(tǒng)(1，11)、葉反應(yīng)器系統(tǒng)(5,6,7,9)和導(dǎo)管系統(tǒng)(3,4,8,10)等4個部分。這種基于植物仿生學(xué)的微藻反應(yīng)器，包括根反應(yīng)器系統(tǒng)由根反應(yīng)器(2)和集液口(12)組成，其中，根反應(yīng)器(2)可以設(shè)計成開放式結(jié)構(gòu)，為了增加牢固性和采光面積，池底和池壁可以由不同材料制作，底部可以做成磚混結(jié)構(gòu)，池壁可由硬質(zhì)透光材料構(gòu)成。主反應(yīng)器池型可以為圓形或者跑道式；莖反應(yīng)器系統(tǒng)由莖反應(yīng)器排液口⑴和莖反應(yīng)器(11)組成，其中莖反應(yīng)器可以設(shè)計成封閉式結(jié)構(gòu)，為了增加牢固性和采光面積，可以由硬質(zhì)透光材料構(gòu)成制作。藻液由莖反應(yīng)器排液口(I)匯入根反應(yīng)器(2);葉反應(yīng)器系統(tǒng)由固定支架( 5)、角度調(diào)節(jié)裝置(6)、葉反應(yīng)器(7)、葉反應(yīng)器排液口
(9)等4部分組成，考慮到穩(wěn)定性，由硬質(zhì)材料構(gòu)成固定支架(5)，葉反應(yīng)器(7)可設(shè)計成密閉板狀結(jié)構(gòu)，由薄而透明的硬質(zhì)材料制作，其數(shù)量可根據(jù)莖反應(yīng)器高度而定。葉反應(yīng)器(7)通過固定支架(5)固定在莖反應(yīng)器上，排列方式可以為螺旋式、平行交錯式等，并且其角度可以通過角度調(diào)節(jié)裝置(6)調(diào)整，以適應(yīng)光線變化。藻液由葉反應(yīng)器排液口(9)流入莖反應(yīng)器(11)中；導(dǎo)管系統(tǒng)由水泵(3)、下行導(dǎo)管(4)、上行導(dǎo)管⑶和葉反應(yīng)器進(jìn)液導(dǎo)管(10)組成，其中視莖反應(yīng)器的高度選擇合適揚(yáng)程的水泵(3)，保證根反應(yīng)器中的藻液通過上行導(dǎo)管
(8)泵入莖反應(yīng)器，再由葉反應(yīng)器進(jìn)液導(dǎo)管(10)注入葉反應(yīng)器內(nèi)，其內(nèi)的藻液由下行導(dǎo)管再次流入莖反應(yīng)器內(nèi)。所述導(dǎo)管全部采用軟質(zhì)透明塑料制作，承壓性高，不易彎折，價格低廉，且又方便葉反應(yīng)器角度快速調(diào)整；本發(fā)明克服了的封閉式與開放式兩種培養(yǎng)器的缺點(diǎn)，基于植物仿生學(xué)，采用樹形結(jié)構(gòu)和循環(huán)方式培養(yǎng)單細(xì)胞微藻，不僅可節(jié)約較多土地，更為重要的是有效地增加光線捕獲和吸收，提高了光能利用效率。同時，該反應(yīng)器采用了價格低廉的塑料，還可根據(jù)光線變化調(diào)整反應(yīng)器角度。因此，該反應(yīng)器占地少，操作簡便，光利用效率高，適應(yīng)性強(qiáng)，可用于多種類型的光生物反應(yīng)器中，易于大規(guī)模培養(yǎng)單細(xì)胞藻類。


圖I 一種基于植物仿生學(xué)的高效微藻培養(yǎng)裝置側(cè)視圖；圖2 —種基于植物仿生學(xué)的高效微藻培養(yǎng)裝置俯視 附圖中主要部分代表符號
I.莖反應(yīng)器排液口 ；2.根反應(yīng)器；3.水泵；4.下行導(dǎo)管；5.固定支架；6.角度調(diào)節(jié)裝置；7.葉反應(yīng)器；8.上行導(dǎo)管；9.葉反應(yīng)器排液口 ；10.葉反應(yīng)器進(jìn)液導(dǎo)管；11.莖反應(yīng)器；12.集液口。
具體實(shí)施例方式為了更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明，未詳加說明的按本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明要求保護(hù)的范圍不單限于實(shí)施例表示的范圍實(shí)施例I :一種基于植物仿生學(xué)的高效微藻培養(yǎng)裝置，包括根反應(yīng)器(2)，器型為倒“梯”形，池底為磚混結(jié)構(gòu)，池壁由有機(jī)玻璃制成，下底直徑為4m,高50cm,池壁厚O. 5cm,根反應(yīng)器為藻細(xì)胞提供生長環(huán)境和營養(yǎng)；莖反應(yīng)器(11)由有機(jī)玻璃制成，器型為圓環(huán)形，環(huán)外徑為40cm，環(huán)內(nèi)徑為30cm，環(huán)高2m，環(huán)壁厚lcm，莖反應(yīng)器為藻液混合場所；葉反應(yīng)器(7)為藻細(xì)胞進(jìn)行光合作用場所，有6個，大小相等，器型圓形，高5cm，直徑為lm，從莖反應(yīng)器頂端向下依次等間隔螺旋固定于固定支架(5)上，間隔為25cm，夾角為60度，葉反應(yīng)器(7)由有機(jī)玻璃制作，固定支架(5)由實(shí)心有機(jī)玻璃棒制作并用強(qiáng)力膠將兩端分別固定在葉反應(yīng)器中部和莖反應(yīng)器上。連接水泵(3)和導(dǎo)管(4，8，10)，水泵揚(yáng)程為2m，下行導(dǎo)管(4)和上行導(dǎo)管⑶和葉反應(yīng)器進(jìn)液導(dǎo)管(10)由軟質(zhì)PVC管制成，內(nèi)徑lcm，打開電源，向莖反應(yīng)器和葉反應(yīng)器內(nèi)抽蓄藻液，調(diào)節(jié)水泵(3)轉(zhuǎn)速，至藻液沿管路緩慢流動。此時，可以向根反應(yīng)器內(nèi)添加藻液至40cm左右，待管路內(nèi)的藻液流動穩(wěn)定后即可以保持運(yùn)行，直至收獲。收獲時，打開莖反應(yīng)器和葉反應(yīng)器的出液口，使反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的藻液匯集在根反應(yīng)器內(nèi)，再通過集液口(12)進(jìn)行收集。
實(shí)施例2:一種基于植物仿生學(xué)的高效微藻培養(yǎng)裝置。于固定支架(5)和葉反應(yīng)器(7)連接處安裝了一套角度調(diào)節(jié)裝置，其余部分與上述實(shí)例相同。在下午時分，光照方向改變，調(diào)節(jié)角度調(diào)節(jié)裝置出)，并根據(jù)太陽方位將葉反應(yīng)器上表面調(diào)整到合適的角度，直至收獲。其余步驟與上述實(shí)例相同。
權(quán)利要求
1.一種基于植物仿生學(xué)的高效微藻培養(yǎng)裝置，其特征在于整個反應(yīng)器主要包括根反應(yīng)器系統(tǒng)(2，12)、莖反應(yīng)器系統(tǒng)(1，11)、葉反應(yīng)器系統(tǒng)(5，6，7，9)和導(dǎo)管系統(tǒng)(3，4，8，10)等4個部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述反應(yīng)器裝置，其特征在于1個根反應(yīng)器(2)匯集藻液，I個莖反應(yīng)器(11)混合藻液，葉反應(yīng)器(7)交錯排列在莖反應(yīng)器(11)上，呈樹形結(jié)構(gòu)，反應(yīng)器之間通過導(dǎo)管系統(tǒng)(3，4，8，10)連接，葉反應(yīng)器和莖反應(yīng)器類型為板式密閉式反應(yīng)器，根反應(yīng)器為開放式柱狀反應(yīng)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述反應(yīng)器裝置，其特征在于根反應(yīng)器(2)、莖反應(yīng)器(11)、葉反應(yīng)器(7)的材質(zhì)由透明硬質(zhì)材料構(gòu)成，下行導(dǎo)管(4)和上行導(dǎo)管(8)的材質(zhì)由透明軟質(zhì)材料構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述反應(yīng)器裝置，其特征在于葉反應(yīng)器(7)多個，大小不等，呈橢圓形或者圓形，圍繞莖反應(yīng)器交錯排列，當(dāng)藻液注滿葉反應(yīng)器后，藻液可最大程度地捕光，從而提高藻細(xì)胞光合作用效率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述反應(yīng)器裝置，其特征在于葉反應(yīng)器通過支架(5)固定在莖反應(yīng)器(11)上，如果光照減弱，可以通過角度調(diào)節(jié)裝置(6)調(diào)整葉反應(yīng)器(7)的朝向，從而達(dá)到補(bǔ)充光照的目的，支架(5)由硬質(zhì)透明材料構(gòu)成。
全文摘要
一種基于植物仿生學(xué)的高效微藻培養(yǎng)裝置。本發(fā)明屬于微細(xì)胞藻類生產(chǎn)領(lǐng)域。目的在于提供一種集光高效、占地面積小的微藻反應(yīng)器，以滿足微藻規(guī)模生產(chǎn)的需求。通過下列技術(shù)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器分為根、莖、葉反應(yīng)器和導(dǎo)管等4個部分，根反應(yīng)器位于底部，是藻液的匯集器，莖反應(yīng)器是藻液的混合器，葉反應(yīng)器交錯排列在莖反應(yīng)器上，是藻細(xì)胞光合作用場所，反應(yīng)器系統(tǒng)通過導(dǎo)管連接。水泵將根反應(yīng)器中的藻液吸入莖反應(yīng)器，再注入葉反應(yīng)器，待藻液蓄滿葉反應(yīng)器后，由導(dǎo)管注入莖反應(yīng)器，最后匯入根反應(yīng)器。葉反應(yīng)器數(shù)目多，交錯排列，角度可調(diào)，面積體積比大，藻細(xì)胞在此充分感光，提高了培養(yǎng)效率。本反應(yīng)器藻液感光效率高、占地面積小、工廠化程度高，適合各種環(huán)境使用，尤適合我國北方地區(qū)冬季微藻培養(yǎng)。
文檔編號C12M1/00GK102618434SQ201210036338
公開日2012年8月1日 申請日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者萬小春, 宋成軍, 崔光淇, 羅娟, 董保成, 趙立欣, 陳羚 申請人:農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院