海水微藻培养系统及其海藻培养和海盐循环使用方法
技术领域
本发明涉及海藻养殖领域，具体地涉及海水微藻培养系统及其海藻培养和海盐循环使用方法。
背景技术
微藻因其富含脂类、蛋白质和色素等成分，且具有光合作用效率高、生长周期短、可再生等突出特点，在食品、医药、保健品及生物能源领域得到了广泛应用。微藻通常分为淡水藻种和海水藻种两类，其中的海水藻种因来自于天然海水，生产微藻生物饲料对水产品的养殖具有至关重要的作用，并且海水微藻中富含岩藻黄素、不饱和脂肪酸等高附加值物质，通过人工大规模培养技术，高效率、低成本地获得微藻生物质是海水微藻开发利用的关键。
但现有技术在生产过程中存在如下缺陷：首先，海水微藻需要依赖于海水，因此一般选取沿海地区开展海水微藻的培养；而在中国沿海地区，培养微藻却面临着冬冷夏热的问题，海水藻种对温度比较敏感，规模化培养微藻冬季升温、夏季降温功耗高，投资大。其次，如果在光照和温度适宜区域，如：云南、青海等地培养微藻，用海盐配置人工海水可实现培养，但海盐投入大，成本高；因污染物富集效应，人工海水循环使用次数有限。此外，因为盐度高，适应高盐度的硝化细菌很少，并且处理效率极低，造成尾水无法达标排放。对于人工海水无法直接排放的问题，低成本的处理方法就是通过晾晒将海盐析出变成固体物之后再行处理，但晾晒过程需要很大的占地面积。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的环境温度要求高和海盐投入成本大的问题，提供海水微藻培养系统及其海藻培养和海盐循环使用方法，通过分别设置的彼此隔离的海藻培养区和晒盐区，获取可循环利用的海盐，土地利用率高、地域性限制小、环保零排放，使最终产品具备显著的成本优势。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种海水微藻培养系统，包括多个以定距离间隔设置的光生物反应器，所述海水微藻培养系统包括系统工作区域，所述系统工作区域设置有彼此隔离的海藻培养区和用于将收获并分离出的回用海水置入并进行晾晒的晒盐区；所述光生物反应器设置在所述海藻培养区内，所述晒盐区设置在相邻的两个所述海藻培养区之间。
优选地，所述海藻培养区和所述晒盐区在所述系统工作区域中的占地面积比为：1:2至1:6。
优选地，所述海藻培养区和所述晒盐区通过设置在所述系统工作区域内的围挡而形成，所述围挡环绕设置在所述光生物反应器的底部，形成封闭的区域。
优选地，所述围挡的高度为5-20cm。
优选地，多个所述海藻培养区在同一侧汇集到滴淋回水槽内，所述滴淋回水槽的末端与滴淋水处理单元相连，通过所述滴淋水处理单元处理后的滴淋液回送至所述光生物反应器内循环使用。
优选地，所述光生物反应器包括反应器管体和设置在所述反应器管体上的用于温度调整的外滴淋管，所述反应器管体上设有用于防止所述外滴淋管中的滴淋水进入所述晒盐区的遮挡单元和引流单元，所述遮挡单元包括遮挡板，所述引流单元包括引流板或引流线，所述引流板或引流线一端设置在所述反应器管体上，另一端置入所述滴淋回水槽内。
优选地，所述光生物反应器与气体交换单元相连，所述气体交换单元主要包括储罐和循环泵，所述储罐通过输入管道将二氧化碳气体输入所述光生物反应器，所述光生物反应器通过输出管道将藻类培养过程中产生的氧气输出至所述储罐，所述循环泵设置在所述输入管道或输出管道上，使所述光生物反应器内的流体循环运动。
本发明第二方面提供一种如上所述的海水微藻培养系统的海藻培养和海盐循环使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S100：在光生物反应器中注入配置好的培养液，并在培养液中加入藻种进行培养；
步骤S200：培养获得特定浓度的浓藻液；
步骤S300：将所述浓藻液分离成上清液和海藻，所述上清液通过过滤、消毒处理后获得回用海水，所述回用海水重新配置成所述培养液并注入所述光生物反应器中循环使用；
步骤S400：将超过所述循环使用次数的所述回用海水进行晾晒，经晾晒脱水后形成的海盐或浓卤水收集后，进行污染物处理，用于配置所述步骤S100中的所述培养液。
优选地，所述步骤S100中所述培养液的配置包括：将自然海水经晾晒脱水后形成的海盐和淡水混合配置成人工海水，再加入营养盐形成培养液。
优选地，所述步骤S100中所述培养液的配置进一步包括：所述海盐和淡水按照质量比为1-3％的比例混合配置成人工海水。
优选地，所述步骤S100中所述培养液的配置包括：将所述步骤S400中进行污染物处理后的所述海盐或所述浓卤水中加入营养盐形成培养液。
优选地，所述步骤S100中所述培养液的配置进一步包括：所述培养液中所有溶质的质量比含量＞35％。
优选地，所述步骤S300中的所述过滤，过滤孔径＜10nm。
优选地，所述步骤S200中的所述特定浓度为海藻在所述浓藻液中的含量为1-3克/升。
优选地，所述步骤S400中的所述循环使用的次数为3-10次。
通过上述技术方案，本发明通过分别设置的彼此隔离的海藻培养区和晒盐区，在培养海藻的同时可获取可循环利用的海盐，土地利用率高、地域性限制小、环保零排放，使最终产品具备显著的成本优势。
附图说明
图1为本发明一实施例中的海水微藻培养系统的整体结构示意图；
图2为图1的俯视结构示意图；
图3为图1中的一个光生物反应器的局部结构示意图；
图4为本发明一实施例中的海藻培养和海盐循环使用方法流程图。
附图标记说明
100、光生物反应器；101、反应器管体；110、外滴淋管；120、遮挡单元；130、引流单元；200、海藻培养区；210、围挡；220、滴淋回水槽；230、滴淋水处理单元；300、晒盐区；400、储罐；410、循环泵；401、输入管道；402、输出管道。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”通常是指相对于各部件本身的轮廓的内外；“远、近”通常是指相对于各部件本身的轮廓的远近。
如图1并结合图2所示，本发明一方面提供一种海水微藻培养系统，包括多个以定距离间隔设置的光生物反应器100，所述海水微藻培养系统包括系统工作区域，所述系统工作区域设置有彼此隔离的海藻培养区200和用于将收获并分离出的回用海水置入并进行晾晒的晒盐区300。所述光生物反应器100设置在所述海藻培养区200内，所述晒盐区300设置在相邻的两个所述海藻培养区200之间。有上述内容可知，本发明通过在海水微藻培养系统的系统工作区域内分别设置了彼此隔离的海藻培养区和晒盐区，在微藻培养光生物反应器位置采取原位晾晒的方式获取可循环利用的海盐，土地利用率高、地域性限制小、环保零排放，使最终产品具备显著的成本优势。
如图1并结合图2所示，为了兼顾海藻培养和晒盐，使两者在同一场地同时进行，所述海藻培养区200和所述晒盐区300需要在所述系统工作区域中占据适合的面积，既可以保证海藻的产量，又可以有足够大的场地用于晾晒海盐。具体来说，在实际应用中，海藻培养区200和晒盐区300在系统工作区域中的占地面积比为：1:2至1:6，在图1所示的实施例中，海藻培养区200和晒盐区300在系统工作区域中的占地面积比为：1:4。更具体地，为了有效地将海藻培养区200和晒盐区300彼此隔离设置，在所述系统工作区域内设置有围挡210，所述围挡210环绕设置在所述光生物反应器100的底部四周，形成封闭的区域，该封闭区域即为海藻培养区200，而子系统工作区域内，除去海藻培养区200的其他剩余部分则为晒盐区300。通常情况下，所述围挡210的高度为5-20cm。
在光生物反应器100的顶端设有用于为其降温的滴淋水，滴淋水就是普通的干净水，由于滴淋水主要是用于给藻液降温，显然温度越低越好，但出于节约能源的角度考虑，通常情况下，滴淋水的温度要比藻液温度低至少5℃。滴淋水的温度调节一般有几种方式：地下水循环、预埋地下水罐靠大地降温、冷却器等。为了有效收集滴淋水并使其能够在系统中循环使用，多个所述海藻培养区200在同一侧汇集到滴淋回水槽220内，所述滴淋回水槽220的末端与滴淋水处理单元230相连，通过所述滴淋水处理单元230处理后的滴淋液回送至所述光生物反应器100内循环使用。滴淋水处理单元230主要包括过滤和冷却，过滤就是用筛网过滤即可，降温就是靠地下水或冷却器，如上所述，通常冷却后的滴淋水的水温比藻液温度至少低5℃。
如图3所示，所述光生物反应器100包括反应器管体101和设置在所述反应器管体101上的用于温度调整的外滴淋管110，所述反应器管体101上设有用于防止所述外滴淋管110中的滴淋水进入所述晒盐区300的遮挡单元120和引流单元130。为了节省空间和占地面积，并使单位面积内的海藻产量更大，在实际应用中，反应器管体101通常采用盘旋上升的方式进行布置。所述遮挡单元120包括遮挡板，遮挡板通常设置在光生物反应器100的正上方。遮挡板通常设置为折弯板或弧形板，主要的作用是防止滴淋水到处喷溅。所述引流单元130包括引流板或引流线，所述引流板或引流线一端设置在所述反应器管体101上，另一端置入所述滴淋回水槽220内，遮挡单元120和引流单元130确保滴淋水不会进入晒盐区300。
为了给在光生物反应器100的反应器管体101中培养的海藻提供通过光合作用生长的充分条件，所述光生物反应器100与气体交换单元相连，所述气体交换单元主要包括储罐400和循环泵410，所述储罐400通过输入管道401将二氧化碳气体输入所述光生物反应器100。由于在一般情况下，二氧化碳充入越多，pH值越低，反之由于微藻消耗CO2多导致pH值越高；因此，在海藻培养过程中，需要根据不同的藻种，调节二氧化碳的pH值，使其维持到不同的合理范围内。所述光生物反应器100通过输出管道402将藻类培养过程中产生的氧气输出至所述储罐400，通常情况下，氧气会自然溢出。所述循环泵410可以设置在所述输入管道401或输出管道402上，使所述光生物反应器100内的反应器管体101内的流体循环运动。在图2所示的实施例中，循环泵410设置在输入管道401上。
如图4所示，本发明第二方面提供一种如上所述的海水微藻培养系统的海藻培养和海盐循环使用方法，总体来说，该方法包括如下步骤：
步骤S100：在光生物反应器中注入配置好的培养液，并在培养液中加入藻种进行培养；
步骤S200：培养获得特定浓度的浓藻液；
步骤S300：将所述浓藻液分离成上清液和海藻，所述上清液通过过滤、消毒处理后获得回用海水，所述回用海水重新配置成所述培养液并注入所述光生物反应器中循环使用；
步骤S400：将超过所述循环使用次数的所述回用海水进行晾晒，经晾晒脱水后形成的海盐或浓卤水收集后，进行污染物处理，用于配置所述步骤S100中的所述培养液。
优选地，所述步骤S100中所述培养液的配置包括：将自然海水经晾晒脱水后形成的海盐和淡水混合配置成人工海水，再加入营养盐形成培养液。
优选地，所述步骤S100中所述培养液的配置进一步包括：所述海盐和淡水按照质量比为1-3％的比例混合配置成人工海水。
优选地，所述步骤S100中所述培养液的配置包括：将所述步骤S400中进行污染物处理后的所述海盐或所述浓卤水中加入营养盐形成培养液。
优选地，所述步骤S100中所述培养液的配置进一步包括：所述培养液中所有溶质的质量比＞35％。
优选地，所述步骤S300中的所述过滤，过滤孔径＜10nm。
优选地，所述步骤S200中的所述特定浓度为海藻在所述浓藻液中的含量为1-3克/升。
优选地，所述步骤S400中的所述循环使用的次数为3-10次。
以下结合图1至图4对本发明的微藻培养过程进行详细地说明：
首先，需要使用海盐和淡水配置成人工海水，再加入营养盐形成培养液；其次，将培养液注入到光生物反应器中，在培养液中加入藻种进行培养。需要说明的是，本发明所提供的这种海水微藻培养系统及其海藻培养和海盐循环使用方法能够适用于绝大多数海藻的培养，因此，不再对藻种的类型进行特别的限制和说明。另外，对于培养液来说，根据所培养的藻种的不同，培养液中溶质的组分也有所不同，例如：可以包括：NaNO3、NaH2PO4.H2O、Na2SiO3.9H2O、Na2EDTA、FeCl3.6H2O、CuSO4.5H2O、ZnSO4.7H2O、CoCL2.6H2O、MnCL.4H2O、Na2MoO4.2H2O、维生素B1、维生素B12和生物素等；或者，也可以包括：H3BO3、MnCl2.4H2O、ZnSO4.7H2O、CuSO4.5H2O、Co(NO3)2.6H2O、NaMO4.2H2O等。由于培养液的组分并不是本发明保护的重点，以上仅为示例说明，在此不再赘述。
进一步地，在光生物反应器的反应器管体内进行微藻培养，反应器外滴淋管内的水在重力作用下，通过反应器进行降温/升温，进入滴淋回水槽，滴淋水流入到一侧的汇流槽内，汇流槽水进入滴淋水处理系统，通过包括沉淀、过滤、降温/升温处理后，再返回到滴淋管对反应器进行降温/升温；最后，不能循环利用的回用海水，注入到晒盐区中，进行晾晒，晾晒完的海盐或浓卤水收集后，通过对其中的污染物进行处理，处理后仍然可以进行重复利用。也就是说，通过上述的循环处理，系统中的回用海水的循环使用的次数大约为3-10次，而海盐循环使用次数则接近无限次。需要说明的是，回用海水的循环使用次数通常采用人工统计的方法进行计算，通常在回用几次后，生产的产率就会下降，当产率下降到一定程度，比如：20％时，则说明不能够再行回用了。在长期生产统计的过程中能够形成经验值，比如回用6-8次就不能回用了，则将可回用的次数，比如：6次记录在生产规范里，设置为回用次数限值即可。
当反应器管体101内的海藻培养达到特定浓度，比如：海藻为1-3克/升后开始收获过程，收获过程获得的浓藻液进入干燥程序，另外获得的上清液通过过滤、消毒处理后获得可回用的海水，回用海水再返回到培养液中，进入下一次培养过程，实现海水循环利用。当回用海水循环使用一定次数，比如：3-10次之后，在微藻培养设施的生产区域进行原位晾晒，晾晒获得的海盐或弄卤水进行污染物的处理后，再配备一定的淡水形成新1-3％的人工海水，进入到微藻培养流程中，继续循环使用。上述的污染物处理方法包括高温氧化、杀菌等，主要的处理对象是一些有机物、细菌和盐类，盐类是可以回用的，而有机物和细菌可以通过高温加热进行分解或杀死。
综上所述，本发明通过在海水微藻培养系统的系统工作区域内分别设置了彼此隔离的海藻培养区和晒盐区，在微藻培养光生物反应器位置采取原位晾晒的方式获取可循环利用的海盐，海盐通过处理后可以实现多次重复利用，无需占用大量土地面积，提高了土地的利用率；海盐可以循环利用，克服了必须选取沿海地区开展海水微藻的培养的地域性限制，可以选择在光照和温度更适宜的区域全年培养微藻，产出更高，无需能耗过高的降温或升温措施，减少投资；相比现有技术中高盐度下海水污染物无法彻底处理，进而无法实现达标排放的现状，本发明通过晾晒成海盐或浓卤水，利用物理或化学方法处理污染物，实现海盐的循环利用，且环保零排放；本发明的上述优势，可以突破海水微藻生产的地域限制，选择更适于微藻生产的区域，产出高，海盐的重复利用可以降低成本，最终产品具备显著的成本优势。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，例如，可以根据光生物反应器的设置数量和设置位置来调整海藻培养区和晒盐区的设置方式和设置比例。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
