CN1185334C - 微细藻类的培养设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及培养微细藻类使用的封闭式穹形、圆锥形或圆筒形培养装置和在培养装置中设置得可以运动的气体排放装置。培养装置包括透明内部构件(半球形穹顶、圆锥形周壁或圆筒形周壁)、透明外部构件和连接两构件下端的底部，圆筒形开口部分设置在外部构件顶部上，气体引入件和培养溶液排放件设置在顶部中。气体排放装置基本包括两相对矩形底板、一个气泡引导件和一个排放喷嘴。培养溶液可无需机械搅拌地被搅拌，培养可高浓度地进行。

Description

微细藻类的培养设备

本发明涉及穹形、圆锥形或圆筒形的用于培养微细藻类等光合作用生物的培养设备，设有一个可在培养设备中运动、用于供应培养成培养溶液所需要的气体及搅拌培养溶液的气体排放装置，或涉及培养设备和气体排放装置相结合的培养系统。

为了生产有用的物质如维生素、氨基酸、颜料、蛋白质、多糖类、脂肪酸等，或者为了处置被认为是全球变暖原因的二氧化碳，迄今已对微生物的大量培养进行了广泛的研究，这些微生物包括微细藻类如小球藻、螺旋藻等，作为这种研究的结果的培养产品已经面市。

这些微生物中的大多数藻类通过光合作用吸收二氧化碳，生物合成有用的物质。在这种情形中，由于高效地培养藻类的重要性，培养设备必须使藻类高效地进行光合作用。因此，对传统培养设备的改进和新型培养设备的研制正在进行中。

例如，公知的藻类培养设备包括培养塘、水道培养装置、管状培养装置、形成液膜的培养装置等。在人工培养塘的形式中，例如在户外构筑培养池或培养罐，将培养溶液倒入池中以形成培养塘，利用阳光在溶液中培养微细藻类如小球藻等。但是，这种系统需要例如3000m²的池面面积，因而通常很庞大。

另外，当在这种系统中培养微细藻类时，在培养过程中在培养溶液中微细藻类的浓度增加，将溶液变成深绿色，从而妨碍阳光到达培养塘的底部。这种现象引起的问题是，如果微细藻类的培养浓度不降低就会降低藻类光合作用的总效率。

因此，溶液的深度必须保持低于15cm，为了微细藻类的大量培养必须有大的面积。由于培养溶液的浓度不能很高，所引起的问题是，为了从溶液收集培养物，培养物必须从低浓度的大量培养溶液收集。

另一方面，培养塘必须搅拌以利于微细藻类的光合作用，但是，搅拌大量低浓度溶液需要大量的能。另外，由于培养塘设置在户外，接通大气，脏物、灰尘等杂质容易混入溶液，漂浮在空气中的微生物和其它藻类混入塘中扩散；因而引起不能得到高纯度、高品质的培养物。

由于培养塘设置在户外，温度随气候变化，因而很难保护塘温不变。特别是培养塘具有取决于地区的在冬季温度变得太低的问题。

由于上述原因，利用培养塘的藻类培养所具有的缺陷是，不能用于除了那些甚至在高pH值或高含盐量的特殊条件下也能生长的小球藻、螺旋藻及杜氏藻类以外的藻类。

水道培养设备构筑在下述结构中，在培养罐内以平板分隔成培养溶液的回路，借助循环装置在回路中循环培养溶液的方法培养藻类。这种方法是培养塘方法的改进，但是，由于与培养塘培养方法一样，随着培养的进程藻类的光合作用速率下降，因而也不能有效地利用光线。这也引起碳酸气利用效率低的问题。为了实际光线的有效利用，也有人提出通过光纤将阳光引入溶液(日本实用新型申请公开文本第5-43900号)。

但是，在用这种方法进行的藻类培养情形中，溶液借助机械搅拌而循环，这种方法的不可避免的缺陷是，藻细胞要承受破坏或剪切应力(一种藻类被剪切应力剪切，从而降低藻的活力，使藻的生长速率变慢的现象)。

管状培养设备是一种使用光线传递管构制的培养罐来培养微细藻类等的设备。当用这种设备培养藻类时，不会有各种细菌等引起的培养溶液的污染，培养浓度也可以较高；因此，这是一种使藻类与培养溶液分离及收集由藻类生产的有用物质的极为有利的方法。

但是，在长期培养藻类以后，藻类会附着在管的内壁上，显著地降低了管传递的光量。这种现象使微细藻类的培养变难，并且不易清除附着在管内壁上的藻类。

为了解决这个问题，有人提出了一种在管中放置清洁球，使这些球总是随培养溶液循环，从而清洁管内壁的方法(日本专利申请公开文本第6-90739号)。但是，这种方法有很多问题，不能连续地清除管内壁上的脏物和附着的藻类，球必须加以收集和清洗，就必须总是在管中循环等等。按照这种培养藻类的方法的另一个问题是，藻类光合作用产生的氧气由于管内培养而留在管内，这些氧气会有害地妨碍藻的光合作用(光合作用的抑制)。因此，还有人提出一种抑制在光合作用中由于氧气造成的对培养的负面作用的装置的构思(日本专利申请公开文本第9-121835号)。

形成液膜的培养设备构制成下述结构，一个传递光线的拱盖放置在培养罐上，培养溶液从下向着拱盖顶部内表面喷洒；在拱盖内表面上形成培养溶液的液膜，该液膜暴露于光线(日本专利申请公开文本第8-38159号)。

但是，上述方法的问题是，为了连续地形成液膜需要循环泵，不适于大量培养，不能利用阳光等。

由于微细藻类通过光合作用在其体内蓄积有用物质，一个重大的挑战是使微细藻类尽可能高效地进行光合作用。高效进行光合作用的可以想到的因素是扩大培养设备采光面积、有效搅拌培养溶液、调节培养溶液的厚度或深度、简化附着在培养设备内表面上的微细藻类的清除工作、控制温度、防止外部细菌、其它微细藻类及杂质的混入等。

采光面积的问题受到下述两个因素的影响：多大的面积受到光线或培养溶液暴露于光线的有效性。

例如，在培养罐或培养塘的情形中，表面积是由培养罐或培养塘的面积决定的；因而扩大表面积只能通过增加罐或塘的尺寸来实现，没有其它手段。

培养溶液的搅拌对于均匀地向培养溶液进行光照是很重要的，所用的普通手段往往是例如借助泵对溶液进行搅拌，即，在罐、塘中进行机械搅拌等。

但是，上述机械搅拌会引起微细藻类细胞的破坏或剪切应力，并非完善的手段。

由于光合作用的速率根据微细藻类的种类而不同，对于低速率藻类及高速率藻类必须采用不同的培养溶液深度，也必须按照预期的培养浓度来改变深度。如上所述，培养溶液的厚度或深度需要按照微细藻类种类、预期的培养浓度等情况自由调整。

在设置于户外的敞开式培养塘和培养罐的情形中，清除附着在培养设备内表面上的微细藻类的工作并不那么重要。但是这种清除工作对于封闭式的培养设备却很重要，这是因为附着的微细藻类会遮拦光线。另外，设备需要构制成下述结构：在培养完成的阶段中，设备的内表面可以为下一次培养进行清洗，从而容易地除去附着物。

特别是对于封闭式设备来说，温度控制是很重要的，这是由于在夏季溶液温度会变得太高而引起培养困难。一种解决方案是采用向培养溶液中混入凉水的方法，但是由于培养溶液的稀释，这样被稀释的大量培养溶液要在下一步收集培养的藻类时加以处理。因此，从产业方面考虑这种方法是很不利的。

培养装置通常分为户外使用和室内使用的。因此，如果室内使用的装置用于室内，那就会引起光线利用效率低的问题，另一方面，也存在室内使用的装置不能用于户外的问题。因此，日益需要一种结构简单的培养设备，可在室内及户外两种普通培养条件下使用。

培养溶液的搅拌是一种对于均匀培养来说关键的操作，其原因是这种操作是为下述目的进行的：(1)清除在液体介质表层部分和深层部分之间出现的培养差别；(2)在整个液体介质或培养溶液中使气体如空气、二氧化碳等均匀分布；(3)使光线在被培养的微细藻类上均匀分布；(4)防止在培养过程中容易形成集群的微细藻类沉积在液体底部并使其在培养溶液中重新散开等。

因此，必须不断搅拌培养溶液，向培养溶液中供应需要的空气或碳酸气等。

因此，本发明的一个目的是提供一种封闭式的微细藻类培养装置，它可以克服传统敞开式或封闭式培养装置的缺陷，其形状是穹形、圆锥形或圆筒形的，具有以下优点：(1)可防止外界细菌及杂质混入设备内；(2)易于进行培养溶液的温度控制；(3)溶液可被搅拌而不用对培养溶液的机械搅拌，因而可防止藻细胞被破坏并防止出现剪切应力；(4)可以设定高的培养浓度；(5)装置易于清洗；(6)培养不会受到产生的氧气的妨碍；(7)光线利用效率高。

本发明的另一个目的是提供一种在培养装置中使用的气体排放装置，它有下述优点：当使用这种装置向培养溶液中供应必要的气体时，装置进行搅拌溶液的运动，而且溶液也被排放的气体搅拌，因而在供应的气体和培养溶液之间的接触极好，从而提高了培养效率。

另外，本发明涉及一种培养设备，其特征是上述培养装置和上述气体排放装置的组合。

按照本发明的微细藻类培养装置，其形状可从穹形、圆锥形和圆筒形中选择；穹形的培养装置包括一个透明材料的外部半球形穹顶、一个透明材料的内部半球形穹顶和一个连接两穹顶下端的底部，其中，一个圆筒形开口部分设置在外部半球形穹顶的顶部上，一个空气和/或碳酸气引入件和一个培养溶液排放件设置在底部上，一个喷水件设在圆筒形开口部分外面，一个喷出的水的接收器如需要则围绕底部的外周设置；

圆锥形的培养装置包括一个透明材料的外部圆锥形周壁、一个透明材料的内部圆锥形周壁和一个连接两个周壁下端的底部，其中，一个圆筒形开口部分设置在外部圆锥形周壁的外面，一个空气和/或碳酸气引入件和一个培养溶液排放件设置在底部中，一个喷水件设置在圆筒形开口部分外面，一个喷出的水的接收器如需要围绕底部外周设置；

圆筒形培养装置包括一个具有透明材料的上壁的外部圆筒形周壁、一个具有透明材料的上壁的内部圆筒形周壁和一个连接两周壁下端的底部，其中，一个圆筒形开口部分设置在外部圆筒形周壁的上壁的中央部分，一个空气和/或碳酸气引入件和一个培养溶液排放件设置在底部中，一个喷水件设置在圆筒形开口部分外面，一个喷出的水的接收器如需要围绕底部的外周设置。

用于微细藻类培养装置的气体排放装置包括两个相对的矩形底板、一个开口朝下的U形横截面或倒U形横截面的气泡引导件和一个排放喷嘴，其中，气泡引导件设置得倾斜于矩形底板的上表面，作为其上表面斜壁在其上端弯曲以形成一个基本水平延伸的上壁，气泡引导件具有从斜壁和上壁两侧缘向下悬伸的侧壁，两侧壁的下端连接于矩形底板的上表面，

其中，排放喷嘴设置得穿过斜壁下部上钻出的一个通孔以便可以转动，其中相对矩形底板的至少一个在前端部分和/或在后端部分根据需要以相同的方向弯曲，或者，矩形底板中的至少一个设有重量调节装置。

另外，本发明是一种作为上述培养装置和上述气体排放装置的组合的培养设备。

在培养装置中使用的透明材料可以是任何透明材料，只要它透光性好、具有足够耐风雨性及耐紫外线性即可；例如，它可以从下述材料选择：丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、玻璃等；为了易于工作可适当采用合成树脂；具体来说，丙烯酸树脂是最适用的材料，这是由于它具有上述特性。

此入培养装置的气体在其成分中必须含有碳酸气，可以在空气中混合碳酸气以提高碳酸气浓度；也可以将空气和碳酸气分开地引入装置中。

碳酸气最好以同空气混合的形式使用。当含有碳酸气的气泡升向表面，搅拌培养溶液时，碳酸气弥散并被吸收在培养溶液中，空气的作用是从培养溶液清除培养中形成的氧气。如果将碳酸气单独地引入培养溶液中，碳酸气的引入速率不高，且碳酸气在培养溶液中弥散的速率不可避免地倾向于变低。

圆筒形开口部分的作用是将引入培养溶液中的空气、未使用的碳酸气和形成的氧气排入大气；但是，如果开口部分通向大气，灰尘杂质等将进入装置。为了防止上述物质的混入，最好为开口部分设置一个过滤件，或使开口部分带有一个可以按照与过滤件类似方式起作用的盖子。

这个开口部分可以同外部半球形穹顶、外部圆锥形周壁或外部圆筒形周壁模制成整体形式，或者可以单独模制并固定其上。

穹形、圆锥形或圆筒形培养溶液的培养溶液本体可以按照下述任一种方式构制：外部构件和内部构件中的每一个都整体形成；它们中的一个整体形成，而另一个则由适当分开的两个或四个部分组装而成；两个构件都由分开的部件组装而成。制造培养装置的方式可以按照培养装置的尺寸和形状确定。

另外，喷出的水的接收器的材料和结构可以任意确定，只要该构件可以接收喷出的和在装置外表面上流下来的水流即可。材料可以是金属材料，也可以是塑料。

喷出的水的接收器可采用下述任一种结构：它可以模制成与培养装置本体分开的构件；通过围绕外周水平延伸培养装置的外部构件的下端并向上弯曲端部而构成接收器；通过围绕外周水平延伸培养装置的内部构件的下端并向上弯曲端部而构成喷出的水的接收器。

喷出的水的接收器的一种推荐的结构是模制成一个与培养装置本体分开的构件。

设置在底部的空气和/或碳酸气的引入件可以是一个管状件，它具有许多气体排放孔，或者在底部有穿孔而形成气体排放孔。

由于从这种引入件引入培养溶液中的气体在培养溶液中上升而搅拌培养溶液，培养溶液不必有意地进行机械搅拌。这种方法可防止由于机械搅拌而引起的细胞的破坏及出现剪切应力。

在光合作用中形成的氧气随着气体的上升可以迅速从培养溶液有效排出。

有两种向培养装置中供应培养溶液的方法。第一种方法是在底部上设置供应件(例如，在底部上钻出供应孔)，并通过这种供应件供应培养溶液。

第二种方法是通过顶部上的圆筒形开口部分供应培养溶液。

在装置中设置各种供应和引入件会使装置复杂化，也具有在改变培养的微细藻类种类时产生污染的问题。

因此，最好采用第二种方法。

由于培养装置的外部构件和内部构件都是用透明材料制成的，因而如果在培养装置的内部空间设置人造光源，在户外培养的情形中在夜间也可进行培养。在室内培养的情形中，使用在培养装置内、外设置的两个人造光源可以实现高效、连续的培养。

由于穹形培养装置占用面积小但表面积大，因而其采光面积大。在这种装置中，培养溶液的搅拌进行得极好。当装置是用塑料制成时，可以容易地通过真空成形法成形，因而制造成本极低。

由于这些原因，穹形培养装置最适于用作微细藻类培养装置。

培养装置最好设置各种传感器如温度传感器、液面高度传感器、pH值传感器、溶氧量传感器等，以便控制和监视培养条件。这些传感器通过圆筒形开口部分或通过装置的外壁设置。

由于本发明的气体排放装置倾斜向下向着培养装置的底部排放空气或类似的气体，它象青蛙那样在装置中跳动前进。这种运动使培养溶液被有力地搅拌，被排放的气体在培养溶液中上升的过程中也搅拌培养溶液。特别是在被培养的微细藻类易形成群落的情形中，从气体排放装置排放的气体打破了这种群落，使微细藻类在培养溶液中弥散，从而提高培养效率。

气体排放装置通常用塑料制成，设有重量调节装置以调节装置的重量。

可以使用本发明的培养装置培养的微细藻类除了已在商业上获得成功的小球藻、螺旋藻和杜氏藻以外还包括多种微细藻类，例如，那些被添加以生产有用物质的微细藻类，例如，生产β-酮基类胡萝卜素(β-ketocarotenoid)(虾青素)的雨生红球藻、在养殖海洋鱼类或生产高未饱和脂肪酸(DHA)时用作活饵的绿光等鞭金藻(Isocrysis galvana)、在养殖海洋鱼类或生产高未饱和脂肪酸(EPA)时用作活饵的Nannochloropsis oculata，等等。本发明的培养设备可以高浓度地并以高的光线利用效率来培养上述微细藻类。

附图简要说明如下：

图1是按照本发明的穹形培养装置的剖视图；

图2的局部示意图表示在图1所示的穹形培养装置内的培养过程中的一种状态；

图3是图1所示穹形培养装置的前视图；

图4的示意图表示利用图1至图3所示穹形培养装置的微细藻类批量培养系统；

图5是按照本发明的圆锥形培养装置的剖视图；

图6是图5所示圆锥形培养装置的前视图；

图7是按照本发明的圆筒形培养装置的剖视图；

图8是图7所示圆筒形培养装置的前视图；

图9是气体排放装置的立体图；

图10是图9的气体排放装置的侧视图；

图11是图9的气体排放装置的平面图；

图12是图9的气体排放装置的剖视图；

图13是图9的气体排放装置的排放喷嘴的放大剖视图；

图14的示意剖视图表示气体排放装置正向培养溶液中排放气体的状态；

图15是穹形培养装置本身与气体排放装置组合的培养设备的示意剖视图；

图16是图15部分剖开的顶视平面图；

图17是圆锥形培养装置本身与气体排放装置组合的培养设备的示意剖视图；

图18是圆筒形培养装置本身与气体排放装置组合的培养设备的示意剖视图；

图19的立体图表示本发明的气体排放装置的另一个实例；

图20的立体图表示本发明的气体排放装置的另一个实例；

图21的立体图表示本发明的气体排放装置的另一个实例；

图22是沿图21中X-X′线的剖视图；

为了更详细地描述本发明，下面对照附图描述按照本发明的培养装置和气体排放装置。

图1至图3表示穹形培养装置1。

图3是穹形培养装置1的前视图，其中，一个圆筒形开口部分4设置在外部半球形穹顶8的顶部上，一个用于冷却穹顶8的喷水件3设置在圆筒形开口部分4外面，一个用于接收从喷水件3喷出的水的接收器11设置在穹顶8的下部，培养装置1由多个固定件16支承。一个气体引入件6和一个培养溶液排放件7连接于培养装置的底部14。

图1是培养装置1的剖视图。培养装置1由外部半球形穹顶8、内部半球形穹顶9和用于连接两穹顶下端的底部14构成。圆筒形开口部分4作为一个单独的构件设置在穹顶8的顶部上，喷水件3设置在圆筒形开口部分4外面，因而冷却水15从喷水件3喷在穹顶8的表面上，并以膜状覆盖穹顶8的表面，向下落至喷出水的接收器11。

培养溶液5的温度由上述冷却水15控制(见图2)。

穹顶8、穹顶9、底部14、圆筒形开口部分4和喷出的水的接收器11都是由透明材料制成的。这里使用的透明材料是丙烯酸树脂。金属材料如不锈钢等也可以用作喷出的水的接收器11的材料。冷却水从喷出的水的接收器11通过排泄件(未画出)排泄。这样排泄的水被储存，然后再次用作冷却水。

用于向培养溶液5中供应空气和/或碳酸气的气体引入件6和用于从培养装置1排放培养溶液5的排放件7连接于底部14。多根气体进口管10具有许多在管的上表面钻成的进口孔，这些气体进口管10设置在底部14的上表面上，从而包括气体引入件6部分。从气体引入件6供应的气体最好是加有碳酸气的空气，但它也可以只是空气。

人造光源2设置在内部穹顶内的内部空间中。人造光源2使微细藻类甚至在夜间在户外培养的情形中也可以进行光合作用。另外，在室内培养的情形中，使用设置在培养装置内、外的人造光源也可进行光合作用，在这种情形中，如必要可以增加培养溶液的深度或厚度。

图2示意地表示培养过程中的一种状态。从气体进口管10排入培养溶液5的气泡12在培养溶液5中由于浮力而沿外部半球形穹顶8的内壁上升。气泡12的这种上升运动促进了培养溶液的向上运动，气泡12中的碳酸气供入培养溶液，光合作用中形成的氧气进入气泡12。气泡12在培养溶液的表面放入大气。沿穹顶8内壁上升的培养溶液流17沿内部半球形穹顶9的壁下降。

如上所述，从底部附近供入培养溶液的空气等气体的作用一方面是向培养溶液中供应碳酸气并将形成的氧气带入气体以便将其排入大气，另一方面是均匀地搅拌培养溶液。

在夏季中，由于培养溶液的温度上升而难于进行培养，因而将冷却水15从喷水件3向外部半球形穹顶表面供应，以便控制培养溶液的温度。用于冷却的水借助喷出的水的接收器11收集，并再次使用。

当在户外培养时，培养也在夜间进行，借助设在内部穹顶9内的内部空间中的人造光源2可以实现24小时连续培养。

微细藻类在白天吸收阳光，活跃地进行光合作用而增加，也产生和储存有用的物质如蛋白质、多糖、脂肪酸、颜料、维生素等，而在夜间上述光合作用并不进行，白天合成的物质因微细藻类自身的能耗而用掉；例如，在夏季在极端情形中与白天细胞重量相比较藻细胞大约20％的重量损失，因而造成很大损失。

为了避免这种损失，使用人造光源进行光合作用以补偿损失。因此，为了供应最低光合作用所需的足够光量，可以布置人造光源，但是即使所进行的光合作用高于最低光合作用也不会造成麻烦。例如，人造光源可以从日光灯管、白炽灯、卤灯等选择。

在室内培养的情形中，人造光源可以在培养装置1的内、外使用。以这种方式使用人造光源2可以实现24小时高效连续培养。

为了监测培养条件，必须总是测量培养溶液的温度、液面高度和溶解氧量(DO)，并且将这些因素的数值分别保持在最佳范围内。因些，需要将这些因素的传感器安装在装置上，这些传感器最好通过在顶部的圆筒形开口部分4或通过穹顶8或穹顶9或通过两个穹顶设置。如果这些传感器安装在装置的穹顶上，那么，装置就会变得复杂起来，就需要相当的劳力和时间作清洁等工作；因此，这些传感器最好通过圆筒形开口部分4设置。

这种穹形培养装置1可以由半径彼此不同的两种半球形穹顶任意组合而构成，这种结构可以在两穹顶间形成的空间容量方面，以及在两穹顶间距离方面进行变化。这就是说，培养溶液的量，以及培养溶液的厚度或深度可以自由设定。

另外，微细藻类附着在装置表面与培养溶液接触，因而为了除去和清洗这种附着物，组合的两种半球形穹顶中的外部半球形穹顶8被拆去以便清洗每个穹顶；或者在不同的部位上拆去两个穹顶以便清洗。

对于半球形穹顶来说，例如，采用两件的组件作为半部半球形穹顶是很方便的。在任一种情形中，两种中的每种穹顶不必为整体的模制件，而可以是多个模制件的组件。

除了球形外，本发明也包括变型的球形如蛋形等。

例如，适用的穹顶尺寸是：直径为大约50cm至大约200cm，可以按照被培养的微细藻类种类、培养条件及培养目的任意选择尺寸来构制培养装置。

两种穹顶之间的间距可以调节以获得最大的光合作用效率，不过这要根据微细藻类种类、培养条件及培养目的进行。通常间距推荐为2.5cm至10cm，最好为大约5cm。

曾用半径约为50cm的外部半球形穹顶8和半径约为45cm的内部半球形穹顶构制穹顶间距为5cm的穹形培养装置1，模制成与穹顶分开的构件且半径为6cm的圆筒形开口部分4设置在穹顶8的顶部。

曾用上述培养装置培养微细藻类Spriruline Platencis，从而实现了10至20克/升的培养浓度和2.0至5.0克/升/天的生产率。另一方面，在传统的培养塘方法的情形中，培养浓度是0.3至0.5克/升，生产率是0.1至0.2克/升/天。因此，证明了生产率增加到传统培养方法的大约十倍。

在为生产红颜料虾青素而培养雨生红球藻时也证明，通过5至10克/升的培养浓度的高浓度培养可以生产4％至8％高含量的虾青素颜料的藻体(生物质量)。生产这种红颜料的雨生红球藻用传统的培养塘法是很难培养的。另外，也能够以大约5至10克/升的高浓度培养海藻Nannochloropsis Oculata，而传统方法的最高浓度为0.2至0.4克/升。

图4表示的传统中设置许多按照本发明的封闭的户外培养装置，可同时、大量培养微细藻类。在该系统中，在各个构成的培养装置中可同时投入及培养同种微细藻类，在各培养装置中也可以单独地投入及培养不同的微细藻类。每个装置设有各种传感器以便可以控制培养条件。

由于各培养装置的各种培养条件即使在各培养装置中培养不同的微细藻类也可以独立地控制，因而这种结构是很有效的。

另外，即使培养装置以很紧密的关系布置，单位占地面积的光线利用效率或采光面积很高，因而这种结构很方便，适于大量培养，生产率很高。

图5和图6表示圆锥形的培养装置21。

图6是圆锥形的培养装置21的前视图，其中，圆筒形开口部分24设置在透明材料制成的外部圆锥形周壁28的顶部上，用于冷却周壁28的喷水件23设置在上述开口部分24外面，用于接收从喷水件23喷出的水的接收器31设置在周壁28的下部，装置21由多个固定件36支承。

另外，气体引入件26和培养溶液的排放件27连接于装置21的底部34。

图5是装置21的剖视图。装置21由透明材料的外部圆锥形周壁28、透明材料的内部圆锥形周壁29和用于连接两周壁下端的底部34构成。圆筒形开口部分24作为一个单独的构件设置在外部圆锥形周壁28的顶部，喷水件23设置在开口部分24外面，使冷却水从喷水件23喷在周壁28的表面上，下落时以膜状覆盖周壁28的表面，流入喷出的水的接收器31。培养溶液25的温度由冷却水控制。

周壁28、周壁29、底部34、圆筒形开口部分24和喷出的水的接收器31都是由透明材料如丙烯酸树脂制成的。

冷却水从喷出的水的接收器31通过排泄件(未画出)排泄。

用于向培养溶液25中供应空气和/或碳酸气的气体引入件26和用于从装置21排放培养溶液25的排放件27连接于底部34。多根气体进口管30在其上表面具有许多气体进口，这些气体进口管设置在底部34的上表面上，从而构成气体引入件26的一部分。另外，人造光源22设置在周壁29内的空间中，因而在户外培养中夜间可连续进行光合作用。

图7和8表示圆筒形的培养装置41。

图8是圆筒形培养装置41的前视图，其中，圆筒形开口部分44设置在透明材料制成的、具有上壁57的外部圆筒形周壁48的上壁的中央部分附近，用于冷却上壁57和周壁48的喷水件43设置在开口部分44外面，用于接收从喷水件43喷出的水的接收器51设置在周壁28的下部，装置41由多个固定件56支承。

另外，气体引入件46和培养溶液的排放件47连接于装置41的底部54。

图7是装置41的剖视图。装置41由具有上壁57的外部圆筒形周壁48、具有上壁58的内部圆筒形周壁49和连接两周壁下端的底部54构成。圆筒形开口部分44在上壁57的中央部分整体形成，喷水件43设置在开口部分44外面，使从喷水件43喷出的水以膜状覆盖周壁48表面向下流入喷出的水的接收器51。

培养溶液45的温度可以由冷却水控制。

周壁48、周壁49、上壁57、上壁58、圆筒形开口部分44和喷出的水的接收器51都是用透明材料如丙烯酸树脂制成的。

冷却水从喷出的水的接收器51通过排泄件(未画出)排泄。用于向培养溶液中供应气体的气体引入件46和用于从装置41排放培养溶液45的排放件47连接于底部54。多根气体进口管在管上表面上具有许多进口孔，这些进口管设置在底部54的上表面上，从而构成气体引入件46的一部分。

另外，人造光源42设置在由上壁58和周壁49形成的内部空间中，以便可在夜间进行光合作用。

图9至图12分别是气体排放装置100的立体图、侧视图、平面图和剖视图，图13是气体排放装置的排放喷嘴的放大剖视图。

气体排放装置100由彼此相对的矩形底板101，101′、开口朝下的П形横截面的气泡引导件102和排放喷嘴103构成的，气泡引导件102倾斜于矩形底板的上表面107，107′并具有一个作为上表面的斜壁104和一个在其上端几乎水平延伸的上壁105，气体引导件102也具有从斜壁104和上壁105的侧缘向下延伸的侧壁106，106′，两侧壁106，106′的下端连接于两矩形底板101，101′的上表面107，107′。两矩形底部借助固定件108，108′彼此固定。

排放喷嘴103通过一个在斜壁104下部上钻出的通孔109设置以便可以转动。在喷嘴103的外周上，在通孔109的两侧的相对位置上设置止动器110，110′，以防止喷嘴103滑离通孔109。

在培养装置的任一种形式的主体中，即，在穹形、圆锥形或圆筒形主体中，底部的内、外缘为同心圆的圆周，因而底部是通过从一圆盘切掉中央部分而得到的。为了便于在带孔圆形的底部上运动，矩形底板101，101′的前、后部分以相同的方向弯曲，如图11所示。

斜壁104相对于矩形底板的上表面的倾角最好设计为45°至60°。

图14的示意图表示气体排放装置正在向培养溶液中排放气体的状态。

空气或加有碳酸气的气体从一个与培养装置分开设置的气体供应装置(未画出)通过一根气体进口管111送至排放喷嘴103，然后从喷嘴的末端排向培养装置的底部112。排放的气体触及底部112，然后以气泡的形式在气泡引导件102中，即，沿斜壁104和上壁105上升，从上壁105的端部送入培养溶液115。这样输送的气泡114在溶液中上升，以便在培养溶液的表面排向大气。当气体接触培养溶液时，培养溶液吸收碳酸气，而气体则接受藻类光合作用形成的氧气并形成气泡或溶解在培养溶液中。气泡114在培养溶液中向上移动时也推动溶液，从而形成溶液的对流。

从排放喷嘴103的末端排出的气体和气泡114对排放装置本身产生浮力及在箭头方向上的推力。这使气体排放装置100沿箭头方向以浮动状态运动。气体排放装置反复进行因其重力而接触底部，然后向前浮起的动作；这种动作使培养溶液被有力地搅拌。气体排放装置在培养溶液中的上述动作类似于青蛙的向前跳跃动作。

构成气体排放装置100的构件通常是由塑料制成的，但是除在培养溶液中的浮力以外许多塑料本身重量相当轻；因此，它们是在塑料中加入大比重的填料以增加一些重量的材料的模制件、使用合成树脂如环氧树脂等将石粉或填料粉粘合在矩形底板101，101′上形成的叠层形式的人造石状构件、人造石状的矩形底板101，101′的下部和塑料的上部形成的构件，或者在矩形底板101，101′的相对表面上的任意位置上可卸式地布置金属如铅等的重物而得到的可调节气体排放装置100的总重量的构件，在上述各种构件中，最好采用总重量可调节的那种构件。

图15是培养设备150的示意剖视图，该设备是穹形培养装置本体151与气体排放装置100′的组合，图16是上述设备的部分剖开的顶视平面图。

这里，培养装置本体151是由外部半球形穹顶153、内部半球形穹顶152和一个连接两穹顶下端的底部154构成的，一个圆筒形开口部分155设置在穹顶153的顶部，这里不再赘述其它构件。

所有上述构件是用透明材料如丙烯酸树脂制成的。

连接气体进口管157的气体排放装置100′是通过培养装置本体151的圆筒形开口部分155放入并放在底部154上。

气体进口管157是由从聚氨酯、硅氧烷、合成橡胶等选择的，与内部半球形穹顶152的表面接触。

当空气或类似气体送至气体排放装置100′，该装置100′在培养溶液中沿箭头方向跳动前进。此时，培养溶液借助排放的气体和气体排放装置的运动被充分搅拌。

由于气体排放装置100′在环形的底部154上前进，装置100′在底部154上作圆形运动，而与其连接的气体进口管157则摩擦及清洁内部半球形穹顶152的表面，如图16所示。也就是说，装置100′在底部154上进行圆形运动，气体进口管157摩擦或清洗穹顶152的表面，也就是说，气体进口管157的作用是防止藻类附着在该表面上并清洁该表面。

由于气体排放装置100′运动时搅拌培养溶液156，因而如果存在易于形成群落的藻类，将被打散并再次弥散在培养溶液中，因而培养可以高效地进行。

此时，气体进口管被扭绞，但是，排放喷嘴可自由转动，如图13所示；因此，排放喷嘴在通孔中转动而消除扭绞现象。

图17是培养设备160的示意剖视图，该设备是气体排放装置100″与圆锥形培养装置本体161的组合。

这里，培养装置本体161由透明材料的外部圆锥形周壁163、透明材料的内部圆锥形周壁162和连接两周壁下端的底部164，一个透明材料的圆筒形开口部分165设置在周壁163的顶部上。其它构件这里不再赘述。

连接气体进口管167的气体排放装置100″通过圆筒形开口部分165放入并放置在底部164上。

当空气或类似气体送至气体排放装置100″时，该装置100″在培养溶液中跳动前进。这种运动与图15和图16的培养设备描述的情形一样。

图18是培养设备170的示意剖视图，该设备是气体排放装置100与圆筒形的培养装置本体171的组合。

这里，培养装置本体171由一个透明材料的具有上壁的外部圆筒形周壁173，一个透明材料的具有上壁的内部圆筒形周壁172和一个连接两周壁下端的底部174，一个透明材料的圆筒形开口部分175设置在外部圆筒形周壁173的上壁上。其它构件这里不再赘述。

连接气体进口管177的气体排放装置100通过圆筒形开口部分175放入并放置在底部174上。

当空气或类似气体送至气体排放装置100时，该装置100在培养溶液中不断跳动前进。这种运动与图15和图16的培养设备的情形一样。

图19的立体图表示本发明气体排放装置的另一实施例。

该气体排放装置200与图9所示的气体排放装置100在结构上的不同之处在于，相对的矩形底板201，201′中的一个矩形底板201短于另一个矩形底板201′，并且矩形底板201的前端部和后端部是不弯曲的，但在其它方面是相同的。标号202代表气泡引导件，203代表排放喷嘴，211代表气体进口管，201和201′代表矩形底板，204代表斜壁，205代表上壁，206代表侧壁，207和207′代表上表面，208和208′代表固定件。

作为重量调节装置的重物(未画出)可卸地安装在矩形底板201，201′上。

图20的立体图表示本发明的气体排放装置的另一个实施例。

该气体排放装置300与图9所示气体排放装置100在结构上的不同之处在于，两相对的矩形底部301，301′的前端部和后端部是不弯曲的，但在其它方面是相同的。标号302代表气泡引导件，303代表排放喷嘴，311代表气体进口管，301，301′代表矩形底板，304代表斜壁，305代表上壁，306代表侧壁，307，307′代表矩形底板的上表面，308和308′代表固定件。

作为重量调节装置的重物(未画出)可卸地安装在矩形底板301，301′上。

图21的主体图表示本发明气体排放装置的另一个实施例。图22是沿图21中X-X′线的气体排放装置的剖视图。

该气体排放装置400包括相对的矩形底板401，401′、开口朝下的倒U形横截面的狗腿状轮廓的气泡引导件402和连接气体进口管411的排放喷嘴403，气泡引导件402相对于矩形底板部分的上表面407，407′倾斜设置并具有倒U形横截面结构，其中，作为上表面的半圆形斜壁404的上端延伸构成上壁405，保持半圆形并几乎水平弯曲，两侧壁(包括侧壁406和另一个没有画出的侧壁)从半圆形边缘向下延伸，两侧壁的下端连接于矩形底板的上表面407，407′。排放喷嘴403通过倒U形横截面气泡引导件402的斜壁404的下部的半圆形顶部上的通孔409可转动地设置，两个止动器410，410′在通孔409两侧的相对部分上的排放喷嘴403的外周部分上设置，以便防止排放喷嘴滑离通孔409。

由上壁405和两侧壁构成的端部是敞口的，矩形底板401，401′通过固定件408，408′彼此固定。

在这个实施例中，两个矩形底板在前、后端部不弯曲，但是，即使在其结构中两矩形底板的前、后端部同向弯曲，或只有一个矩形底板在前端部和/域后端部弯曲，它们也可同样地使用。

作为重量调节装置的重物(未画出)可卸地安装在矩形底板401，401′上。

如上所述，按照本发明的培养装置、气体排放装置或作为培养装置与气体排放装置的组合的培养设备适于以高微细藻类浓度进行培养，培养溶液不必有意进行机械搅拌。另外，当人造光源设置在装置的内部空间中时，可以在户外进行24小时连续培养，在室内培养中，光线可从装置内部和外部照射，以便实现连续培养。

Claims (14)

1.一种微细藻类培养装置，所述装置可以是从穹形、圆锥形和圆筒形中任选的一种，

其中，穹形培养装置包括一个透明材料的外部半球形穹顶、一个透明材料的内部半球形穹顶和一个连接两穹顶下端的底部，一个圆筒形开口部分设置在外部半球形穹顶的顶部上，一个空气和/或碳酸气的引入件和一个培养溶液的排放件设置在底部中，

其中，圆锥形培养装置包括一个透明材料的外部圆锥形周壁、一个透明的内部圆锥形周壁和连接两周壁下端的底部，一个圆筒形开口部分设置在外部圆锥形周壁的顶部上，一个空气和/或碳酸气的引入件和一个培养溶液的排放件设置在底部中，

或者，其中，圆筒形培养装置包括一个透明材料的具有上壁的外部圆筒形周壁、一个透明材料的具有上壁的内部圆筒形周壁和一个连接两周壁下端的底部，一个圆筒形开口部分设置在外部圆筒形周壁的上壁的中央部分上，一个空气和/或碳酸气的引入件和一个培养溶液的排放件设置在底部中。

2.如权利要求1所述的培养装置，其特征在于：培养装置的形状是穹形的。

3.如权利要求1所述的培养装置，其特征在于：培养装置的形状是圆锥形的。

4.如权利要求1所述的培养装置，其特征在于：培养装置的形状是圆筒形的。

5.如权利要求1至4中任一项所述的培养装置，其特征在于：所述透明材料是丙烯酸树脂。

6.如权利要求1至4中任一项所述的培养装置，其特征在于：一个喷水件设置在圆筒形开口部分外面，一个喷出的水的接收器围绕底部的外周设置。

7.如权利要求1至4中任一项所述的培养装置，其特征在于：一个人造光源设置在内部半球形穹顶、内部圆锥形周壁或内部圆筒形周壁的内部空间中。

8.一种微细藻类培养设备，包括一个培养装置本体和一个气体排放装置，

其中，培养装置本体是穹形、圆锥形或圆筒形的培养装置，

其中，穹形培养装置包括一个透明材料的外部半球形穹顶、一个透明材料的内部半球形穹顶和一个连接两穹顶下端的底部，一个圆筒形开口部分设置在外部半球形穹顶的顶部上，一个空气和/或碳酸气的引入件和一个培养溶液的排放件设置在底部中，

其中，圆锥形培养装置包括一个透明材料的外部圆锥形周壁、一个透明的内部圆锥形周壁和连接两周壁下端的底部，一个圆筒形开口部分设置在外部圆锥形周壁的顶部上，一个培养溶液的排放件设置在底部中，

或者，其中，圆筒形培养装置包括一个透明材料的具有上壁的外部圆筒形周壁、一个透明材料的具有上壁的内部圆筒形周壁和一个连接两周壁下端的底部，一个圆筒形开口部分设置在外部圆筒形周壁的上壁的中央部分上，一个培养溶液的排放件设置在底部中，

其中，所述气体排放装置包括两个相对的矩形底板、一个开口朝下II形横截面或倒U形横截面的气泡引导件和一个排放喷嘴，气泡引导件相对于矩形底板的上表面倾斜设置，一个作为气泡引导件上表面的斜壁在其上端弯曲成基本水平延伸的上壁，气泡引导件具有从斜壁和上壁的两侧缘向下延伸的侧壁，两侧壁的下端分别连接于两矩形底板的上表面，排放喷嘴可通过斜壁下部钻出的一个通孔可转动地安装。

9.如权利要求8所述的培养设备，其特征在于：所述培养装置本体的透明材料是丙烯酸树脂。

10.如权利要求8所述的培养设备，其特征在于：一个空气和/或碳酸气的引入件设置在培养装置本体的底部中。

11.如权利要求8所述的培养设备，其特征在于：培养装置本体还包括一个在圆筒形开口部分外面的喷水件和一个围绕所述底部外周的喷出的水的接收器。

12.如权利要求8所述的培养设备，其特征在于；培养装置本体还包括一个在内部半球形穹顶、内部圆锥形周壁或内部圆筒形周壁的内部空间中的人造光源。

13.如权利要求8所述的培养设备，其特征在于：气体排放装置的至少一个矩形底部在前端部和/或后端部同向弯曲。

14.如权利要求8至13中任一项所述的培养设备，其特征在于：气体排放装置的两个矩形排放底板中的至少一个设有重量调节装置。

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