專利名稱：一種光合自氧微生物的工業(yè)化培養(yǎng)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光合自氧微生物尤其是微藻的工業(yè)化培養(yǎng)的裝置和方法。本 發(fā)明同時(shí)涉及吸收工業(yè)尾氣中的二氧化碳的裝置和方法，大面積高氮磷重金屬 石油溢油廢水處理的裝置和方法，氣體中有效組分提取以及合成化工能源產(chǎn)品的 設(shè)備和方法，生物質(zhì)能源制造，廢水處理，化工，制藥，造紙，營養(yǎng)添加劑和糧 食制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1、溫室效應(yīng)與工業(yè)廢氣C02碳捕獲目前全世界每年向大氣中排放的C02總量近290億噸，而C02總利用率僅為1億噸，我國CO2排放總量已超過30億噸。目前并未形成良性循環(huán)。碳捕獲 技術(shù)的思路是用吸收劑吸收廢氣中低濃度C02之后，再使吸收劑再生放出co2原體，再高壓儲(chǔ)存運(yùn)輸C02原體，即物理應(yīng)用。成本十分高昂，使發(fā)電費(fèi)用增加70%，儲(chǔ)存所占空間巨大，巨大運(yùn)輸體積，而且無環(huán)保作用。如果轉(zhuǎn)換思路， 直接將C02通過化學(xué)轉(zhuǎn)化或生物轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為化工原料，將使碳捕獲技術(shù)成本顯著降低。現(xiàn)有普通微藻培養(yǎng)方法主要采用平面培養(yǎng)，培養(yǎng)液深度為15-20厘米，并采 用微孔管道將C02吹送到培養(yǎng)液中，不僅成本高昂，而且因C02是高壓吹送， 而微藻培養(yǎng)液深度很淺，C02極易流失到大氣中而未被微藻吸收，成為單位占地 面積的微藻產(chǎn)率的主要瓶頸。本專利技術(shù)顯著增加微藻對C02的利用效率，實(shí) 現(xiàn)普通微藻培養(yǎng)所不具備的工業(yè)廢氣碳捕獲功能。2、大面積水體凈化，恢復(fù)漁業(yè)，預(yù)防藻潮大面積海洋湖泊富營養(yǎng)化水體的氮磷硫重金屬離子凈化現(xiàn)在是較難解決的 水污染問題的重點(diǎn)。解決問題的主要方法目前在于禁止含高氮磷的廢水排入湖/ 海中。但不易真正得以被廠家執(zhí)行，且禁止新廢水排入未不能逆轉(zhuǎn)原有水體污染 情況。封閉式海水池塘養(yǎng)殖等廢水處理方法成本較高，實(shí)際推廣存在難度。另外， 被稱為海洋污染超級殺手的石油泄漏是一個(gè)極大的污染問題。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)， 每年通過各種途徑泄漏在海洋的石油和石油產(chǎn)品約占世界石油總產(chǎn)量的0.5%， 其中以油輪遇難造成的污染最為突出。目前，我國海上石油運(yùn)量已經(jīng)躍居世界第 三位，僅次于美國和日本，海洋溢油的潛在威脅日益增強(qiáng)。與以細(xì)菌為主體的傳統(tǒng)廢水生物處理方法相比，微藻有效回收氮磷重金屬 離子，吸收C02，制造氧氣。有效降低養(yǎng)殖廢水中的化學(xué)耗氧量(COD)、懸浮 物(SS)和氨氮磷濃度，同時(shí)可處理海洋溢油，有效回收資源，與物化技術(shù)相比 具有投資低、可減少運(yùn)行和管理費(fèi)用，不易產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn),是處理溶解態(tài) 污染物最經(jīng)濟(jì)有效的方式.普通微藻培養(yǎng)因大量施以化肥，反而造成水污染；自 然藻類因水體富營養(yǎng)化而大量增生繁殖，卻得不到清理而腐爛，從而產(chǎn)生更嚴(yán)重 的氮磷污染，即"赤潮"，"藻華"。本專利技術(shù)采用階段培養(yǎng)技術(shù)，達(dá)到固定化 微藻反應(yīng)器不能達(dá)到的迅速繁殖微藻的目的，解決了普通微藻培養(yǎng)難以凈化大面 積廢水的問題；解決了普通微藻培養(yǎng)因施以化肥，制造水污染問題；解決了開放 培養(yǎng)為其他微生物污染的問題。經(jīng)處理后水體富含氧分，可恢復(fù)水體漁業(yè)生態(tài)功能。是潛在理想的大面積水體治理的選擇。 3、高產(chǎn)率低成本微藻工業(yè)化養(yǎng)殖技術(shù)大規(guī)模培養(yǎng)光合生物如微藻用于生物質(zhì)能源制造，高蛋白糧食制造，制藥， 廢氣廢水處理受到廣泛關(guān)注。實(shí)現(xiàn)戶外光合生物如微藻的高產(chǎn)率低成本是建立可 贏利商業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵。目前一般微藻培養(yǎng)方式主要問題為l)全程開放培養(yǎng)， 此方式面臨污染危險(xiǎn)，難于解決維持種系問題；2)全程封閉培養(yǎng)，此方式成本 高，難于解決占地面積大的問題；3)高氮培養(yǎng)，難于解決氮濃度調(diào)整困難問題， 氮中毒問題和微藻在高氮培養(yǎng)環(huán)境下碳水化合物和脂類含量低的問題，以及制造 高氮廢水問題；4)現(xiàn)有其他微藻培養(yǎng)方法主要采用微孔管道將C02吹送到培養(yǎng) 液中，因C02是高壓吹送，而普通平面培養(yǎng)微藻培養(yǎng)液深度很淺，深度為15-20 厘米， 一般不能超過25厘米，C02極易流失到大氣中而未被微藻吸收，成本高 而碳利用率低，并且不具備工業(yè)廢氣碳捕獲功能；5)培養(yǎng)占地面積大，成本高， 難于工業(yè)化推廣。目前仍有待新的微藻培養(yǎng)方法設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)率低成本。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的，在于提供一種工業(yè)化光合自氧微生物養(yǎng)殖，尤其是工業(yè)化微 藻養(yǎng)殖的裝置和方法。本發(fā)明的目的，還在于提供一種污染資源化，整合廢氣碳捕獲，大面積高氮 磷重金屬石油溢油廢水凈化，和生物質(zhì)能源及化工產(chǎn)品制造為一體的裝置和方 法。本發(fā)明的目的，還在于提供一種廢氣有效組分提取以及合成化工能源產(chǎn)品的 設(shè)備和方法，同時(shí)消除廢氣中其他污染大氣成分。本發(fā)明的目的，還在于提供一種大面積高氮磷重金屬石油溢油廢水處理的設(shè) 備和方法本發(fā)明的目的，還在于提供一種生物質(zhì)能源制造的設(shè)備和方法，同時(shí)可用于 造紙，制藥，營養(yǎng)添加劑和糧食替代物生產(chǎn)。本發(fā)明的目的，還在于提供一種廢水處理的設(shè)備和方法，尤其是堿性廢水和 含氨廢水。本專利的目的，還在于提供回收環(huán)境污染元素轉(zhuǎn)化為資源的生物轉(zhuǎn)化法的技 術(shù)方案。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。一種光合自氧微生物的工業(yè)化培養(yǎng)的方法和裝置，即一種階段法微藻工業(yè)化 培養(yǎng)的方法和裝置，它將微藻工業(yè)化培養(yǎng)分為階段性進(jìn)行。其三個(gè)基本階段分別為第一階段一一小面積種系培養(yǎng)階段l，小面積培養(yǎng)，避免污染用于維持微藻 種系，屬高氮培養(yǎng)。第二階段——大面積開放式擴(kuò)增階段2，大面積低密度開放培養(yǎng)，可在開放 水面上設(shè)置浮圍包圍收納培養(yǎng)，可用篩網(wǎng)打撈收獲微藻?？捎糜谡衔⒃迮囵B(yǎng)與 大面積廢水預(yù)凈化技術(shù)為一體并擴(kuò)增微藻數(shù)量。第三階段一_高碳低氮碳捕獲階段3，用于提高微藻碳水化合物和脂類含 量。為大面積高密度培養(yǎng)，限制培養(yǎng)液中氮含量，并在培養(yǎng)中加入含碳化合物， 并提高微藻碳水化合物和脂類含量。以上各階段的次序不能顛倒。但在以上三個(gè)基本階段基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步加入 其他步驟。本發(fā)明的第一階段可以省略，可直接從大面積水域打撈微藻而不考慮 微藻種系問題。所述加入含碳化合物的方法，可選項(xiàng)為將工業(yè)廢氣二氧化碳捕獲后以液態(tài)含 碳化合物形式加入培養(yǎng)液中。限制培養(yǎng)液中氮含量方法可選項(xiàng)為聯(lián)合菌類降氮(如硝化菌和反硝化菌)。 本發(fā)明的特點(diǎn)為-1) 整合微藻培養(yǎng)和工業(yè)廢氣碳捕獲技術(shù)在一定范圍內(nèi)，微藻的產(chǎn)率與C02的吸收利用率成正比?，F(xiàn)有其他微藻培養(yǎng)方 法主要采用微孔管道將C02吹送到培養(yǎng)液中，因C02是高壓吹送，而普通平面 培養(yǎng)微藻培養(yǎng)液深度很淺，深度為15-20厘米， 一般不能超過25厘米，C02極 易流失到大氣中而未被微藻吸收。本專利通過"高碳低氮碳捕獲階段3"高密度 高深度培養(yǎng)，提高含碳化合物與微藻反應(yīng)接觸密度，加大含碳化合物與微藻反應(yīng) 通路長度，增加微藻培養(yǎng)中微藻對碳的利用效率，從而顯著提高微藻的產(chǎn)率，并 同時(shí)實(shí)現(xiàn)普通微藻培養(yǎng)所不具備的工業(yè)廢氣碳捕獲功能，并且低氮高碳培養(yǎng)有效 提高微藻碳水化合物和脂類含量。2) 整合微藻培養(yǎng)和廢水凈化技術(shù)為一體，恢復(fù)水體生態(tài)功能 開放培養(yǎng)密度低，并容易被污染，不易維持高品質(zhì)微藻種系。但開放培養(yǎng)成本低，可以解決微藻光合作用必須占用光照面積的占地面積問題。同時(shí)只有低密 度開放培養(yǎng)可以同時(shí)處理大面積高氮磷重金屬石油溢油廢水。本專利通過第一階 段小面積微藻種系培養(yǎng)1解決了開放培養(yǎng)中高品質(zhì)微藻種系的維持問題。本專利采用階段培養(yǎng)技術(shù)，達(dá)到固定化微藻凈水反應(yīng)器不能達(dá)到的迅速繁殖 微藻的目的；解決了普通微藻培養(yǎng)因培養(yǎng)密度低，難以凈化大面積廢水的問題； 解決了普通微藻培養(yǎng)因施以化肥，制造水污染問題；解決了開放培養(yǎng)為其他微生 物污染的問題；同時(shí)廢水凈化和能源產(chǎn)出成本合一，降低綜合工程成本?？烧?成為海水集約化養(yǎng)殖的集約化廢水處理部分。解決了大面積海洋湖泊富營養(yǎng)化水 體的氮磷硫重金屬離子凈化問題。經(jīng)處理后水體富含氧分，恢復(fù)大面積海洋湖泊 水體漁業(yè)生態(tài)功能，并消除重金屬對漁業(yè)食品安全的威脅。3) 提高微藻有效產(chǎn)品含量微藻自然品種達(dá)1萬種以上，對于不同品種微藻和不同培養(yǎng)條件方法，微 藻有效產(chǎn)品含量差距極大。以含碳水化合物率為例，微藻在不同培養(yǎng)條件方法下， 含碳水化合物占干重比例可由低于1%到80%以上。開放培養(yǎng)密度低，并容易被污染，不易維持高品質(zhì)微藻種系。但開放培養(yǎng)成 本低，可以解決微藻光合作用必須占用光照面積的占地面積問題。同時(shí)也只有低 密度開放培養(yǎng)可以同時(shí)處理大面積高氮磷重金屬石油溢油廢水。本專利通過第一 階段"種系維持階段1"，以相對高濃度投放到擴(kuò)增培養(yǎng)階段，解決了開放培養(yǎng) 中高品質(zhì)微藻種系的維持問題。微藻在高氮培養(yǎng)環(huán)境下主要以擴(kuò)增數(shù)量為主；在低氮高碳培養(yǎng)環(huán)境下主要以 提高微藻碳水化合物和脂類含量為主。本專利通過"大面積開放式階段2"擴(kuò)增 微藻數(shù)量；再通過"高碳低氮碳捕獲階段3"提高微藻碳水化合物和脂類含量。 從而有效將擴(kuò)增微藻數(shù)量和提高微藻碳水化合物和脂類含量相結(jié)合。4) 污染資源化的生物轉(zhuǎn)化法的技術(shù)方案 回收已經(jīng)排入環(huán)境中的污染元素并轉(zhuǎn)化為可利用的資源是解決資源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)的重要模式。本專利技術(shù)使微藻培養(yǎng)得以低成本大規(guī)?；厥找呀?jīng)排入環(huán) 境中的污染元素。解決了普通微藻培養(yǎng)不能自動(dòng)整合廢氣廢水處理功能，不能有 效捕獲工業(yè)廢氣二氧化碳，不能凈化廢水，并可能制造廢水污染；成本高，產(chǎn)率 低；能源轉(zhuǎn)化率低等問題。


圖1是本發(fā)明階段法微藻廢氣廢水再生能源的工藝流程圖；圖2是為進(jìn)一步說明本發(fā)明分階段培養(yǎng)模式，加入實(shí)施實(shí)例及培養(yǎng)器設(shè)計(jì)舉 例的本發(fā)明的工藝流程圖。圖中l(wèi)小面積種系維持階段；2大面積開放培養(yǎng)階段；3高碳低氮培養(yǎng)階 段；4微藻產(chǎn)品提?。?廢氣二氧化碳捕獲；6富營養(yǎng)化污水；7浮圍篩網(wǎng)微藻 開放式養(yǎng)殖培養(yǎng)器設(shè)計(jì)；8高密度高深度培養(yǎng)的微藻培養(yǎng)器設(shè)計(jì)技術(shù)；9將工業(yè) 廢氣二氧化碳捕獲后以液態(tài)含碳化合物形式加入培養(yǎng)中。圖中需要說明的是在低密度開放培養(yǎng)階段2，采用在富營養(yǎng)化高氮磷重金 屬石油溢油污水水域，進(jìn)行開放式低密度培養(yǎng)，擴(kuò)增微藻數(shù)量及同時(shí)凈化污水6， 培養(yǎng)器設(shè)計(jì)舉例性采用結(jié)合浮圍篩網(wǎng)微藻開放式養(yǎng)殖系統(tǒng)7，并在培養(yǎng)中加入經(jīng) 工業(yè)廢氣二氧化碳捕獲后的液態(tài)含碳化合物5，在高密度高碳低氮培養(yǎng)階段3， 培養(yǎng)器設(shè)計(jì)舉例性采用將可透光構(gòu)架重復(fù)插入培養(yǎng)液，從而使光投射入培養(yǎng)深部 的高密度高深度培養(yǎng)的微藻培養(yǎng)器設(shè)計(jì)技術(shù)；培養(yǎng)器設(shè)計(jì)和加入含碳化合物方法 包括但不限于以上設(shè)計(jì)舉例。
具體實(shí)施方式
參見圖2，光合自氧生物尤其是微藻的工業(yè)化培養(yǎng)分為三個(gè)階段并整合生物 質(zhì)能源制造，工業(yè)廢氣二氧化碳捕獲，大面積高氮磷重金屬石油溢油廢水處理為一體的實(shí)例。培養(yǎng)分為三個(gè)階段"小面積種系維持階段1"以及"大面積開放式擴(kuò)增階段2"和"高碳低氮碳捕獲階段3"。"小面積種系維持階段"采用小面 積高氮高密度培養(yǎng)，防止污染，用于維持微藻種系，培養(yǎng)器設(shè)計(jì)采用結(jié)合立體培 養(yǎng)，以增加單位占地面積產(chǎn)率。收獲后微藻放入"大面積開放式擴(kuò)增階段2"， 采用在富營養(yǎng)化高氮磷重金屬石油溢油污水水域，進(jìn)行開放式低密度培養(yǎng)，擴(kuò)增 微藻數(shù)量及同時(shí)凈化污水6，采用浮圍篩網(wǎng)法7包圍收納培養(yǎng)和用篩網(wǎng)打撈收獲 微藻；并在培養(yǎng)中加入含碳化合物5其方法采用將工業(yè)廢氣二氧化碳捕獲后以液 態(tài)含碳化合物形式加入培養(yǎng)中；經(jīng)打撈收獲的微藻進(jìn)入"高碳低氮碳捕獲階段 3"，采用高密度培養(yǎng)，限制氮含量，并在培養(yǎng)中加入含碳化合物5，提高微藻 碳水化合物和脂類含量，培養(yǎng)器設(shè)計(jì)采用結(jié)合將可透光構(gòu)架重復(fù)插入培養(yǎng)液，從 而使光投射入培養(yǎng)深部的高密度高深度培養(yǎng)的微藻培養(yǎng)器設(shè)計(jì)技術(shù)，以加深培養(yǎng) 深度用于同時(shí)整合微藻培養(yǎng)和工業(yè)廢氣二氧化碳捕獲技術(shù)為一體。從而1實(shí)現(xiàn)低 成本大面積微藻工業(yè)化培養(yǎng)，2提高微藻碳水化合物和脂類含量，3可整合微藻 培養(yǎng)和廢水凈化技術(shù)為一體，4可整合微藻培養(yǎng)和工業(yè)廢氣二氧化碳捕獲技術(shù)為 一體；潛在用途在于生物質(zhì)能源制造，工業(yè)廢氣二氧化碳捕獲，大面積高氮磷重 金屬石油溢油廢水處理，化工合成，造紙等。
權(quán)利要求
1. 一種光合自氧微生物的工業(yè)化培養(yǎng)的方法和裝置，可實(shí)現(xiàn)微藻低成本大規(guī)模培養(yǎng)，提高微藻碳水化合物和脂類含量，用于微藻生物能源制造、化工合成、造紙等用途，可用于吸收工業(yè)尾氣中的二氧化碳，可用于大面積高氮磷重金屬石油溢油廢水處理；其特征在于所述的方法包含至少三個(gè)階段至少包括一個(gè)主要用于維持微藻種系的初始培養(yǎng)階段，采用小面積培養(yǎng)；至少包括一個(gè)主要用于擴(kuò)增微藻數(shù)量的培養(yǎng)階段，采用大面積開放式培養(yǎng)；之后，至少包括一個(gè)主要用于提高微藻碳水化合物和脂類含量的培養(yǎng)階段，采用高密度低氮培養(yǎng)并在培養(yǎng)中加入含碳化合物。
2. 按照權(quán)利要求1所述的光合自氧微生物的工業(yè)化培養(yǎng)的方法，其特征在于所 述用于維持微藻種系、擴(kuò)增微藻數(shù)量與提高微藻碳水化合物和脂類含量的微藻培養(yǎng)，分 開為小面積培養(yǎng)、大面積開放式培養(yǎng)和低氮高碳培養(yǎng)三個(gè)不同階段進(jìn)行。
3. 按照權(quán)利要求1所述的光合自氧微生物的工業(yè)化培養(yǎng)的方法，其特征在于所 述的大面積低密度開放式培養(yǎng)，可以整合微藻培養(yǎng)和污水凈化為一體；所述的污水凈化， 系凈化富營養(yǎng)化高氮污水，可包括但不限于磷重金屬污水，可包括但不限于石油溢油污 水。
4. 按照權(quán)利要求1所述的光合自氧微生物的工業(yè)化培養(yǎng)的方法和裝置，其特征在 于所述擴(kuò)增微藻數(shù)量的培養(yǎng)階段，其培養(yǎng)器的設(shè)計(jì)，可選用浮圍篩網(wǎng)法來包圍收納培 養(yǎng)和打撈收獲微藻。
5. 按照權(quán)利要求4所述的光合自氧微生物的工業(yè)化培養(yǎng)的方法和裝置，其特征在 于所述的浮圍篩網(wǎng)法，是在水面上設(shè)置浮圍包圍收納培養(yǎng)和用篩網(wǎng)打撈收獲微藻兩部 分；浮圍懸浮于水面，包圍收納微藻培養(yǎng)于浮圍環(huán)繞的范圍之內(nèi)。
6. 按照權(quán)利要求1所述的光合自氧微生物的工業(yè)化培養(yǎng)的方法和裝置，其特征在 于所述的高密度高碳低氮培養(yǎng)，即高密度培養(yǎng)，是限制培養(yǎng)液中氮的含量，在培養(yǎng)液 中加入含碳化合物，并整合微藻培養(yǎng)和工業(yè)廢氣二氧化碳捕獲技術(shù)為一體。
7. 按照權(quán)利要求6所述的光合自氧微生物的工業(yè)化培養(yǎng)的方法和裝置，其特征在 于所述限制培養(yǎng)液中氮含量的方法，可選擇性地采用聯(lián)合菌類降氮，所述的菌類包括 硝化菌和反硝化菌。
8. 按照權(quán)利要求1所述的光合自氧微生物的工業(yè)化培養(yǎng)的方法和裝置，其特征在 于所述提高微藻碳水化合物和脂類含量的階段，需采用高密度培養(yǎng)器，所述的高密度 培養(yǎng)器的設(shè)計(jì)，可選擇性地結(jié)合立體培養(yǎng)技術(shù)。
9. 按照權(quán)利要求1所述的光合自氧微生物的工業(yè)化培養(yǎng)的方法和裝置，其特征在 于可選擇性地將工業(yè)廢氣二氧化碳捕獲后的含碳化合物加入培養(yǎng)器中，采用整合微藻 培養(yǎng)和工業(yè)尾氣的二氧化碳捕獲功能為一體的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光合自氧微生物的工業(yè)化培養(yǎng)的方法和裝置，尤其涉及微藻培養(yǎng)。本發(fā)明改變了傳統(tǒng)的高氮高密度微藻培養(yǎng)方法，將培養(yǎng)分為至少三個(gè)階段進(jìn)行種系維持階段、大面積開放式低密度擴(kuò)增階段和高碳低氮高密度碳捕獲階段。上述三階段分別達(dá)到了低成本大面積微藻工業(yè)化培養(yǎng)、提高微藻碳水化合物和脂類含量、整合微藻培養(yǎng)和工業(yè)廢氣二氧化碳捕獲、廢水凈化為一體的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)微藻培養(yǎng)得以低成本大規(guī)?；厥找呀?jīng)排入環(huán)境中的污染元素，潛在用途在于微藻生物質(zhì)能源制造，工業(yè)廢氣二氧化碳捕獲，大面積高氮磷重金屬石油溢油廢水處理，化工合成，造紙等。
文檔編號C12R1/89GK101280273SQ20081011042
公開日2008年10月8日 申請日期2008年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月3日
發(fā)明者洪 朱 申請人:洪 朱