《一种微藻规模化养殖供气系统》涉及微藻养殖生物技术领域，具体地说是一种在微藻细胞培养过程中给微藻规模化养殖供气的系统。

自然界中有数以万计的微藻资源，它们分布于地球的每个角落，从陆地到海洋，从沙漠到草原，从淡水到温泉，都有微藻的存在和繁衍，它们能够适应不同的温度、湿度和营养生境，正因如此，微藻在种质、生态分布、遗传信息、生化合成、代谢途径等方面具有出多样性、复杂性和特殊性，进一步决定了其且在的营养和药学价值，人类可以从中开发出大量结构特异的高附加值生物活性成分、微藻蛋白、生物柴油或水产饵料等产品。

但是，自然界中存在的微藻高度混杂和分散，并没有大量单一种类的微藻可以直接收集，因此，开发微藻资源需要通过光生物反应器来养殖。

截至2009年11月，国际上，微藻规模化人工养殖采用的光生物反应器有：管道式光生物反应器、平板式光生物反应器、柱状式光生物反应器、半球状式光生物反应器、幕布式光生物反应器、开放式浅水层光生物反应器等等，但是以往的养殖方式只关注光生物反应器的形状、结构、体积、表面积、体积与表面积的比例，光照、温度、pH值等培养参数的控制，很少关注给光生物反应器供气的系统，因此，造成供气系统与光生物反应器间不匹配，消耗大量的电力、管材，气体供应量不足，气体的利用率低，微藻细胞光合作用效率低，有机物积累缓慢，呼吸速率低，藻体内能量得不到充分释放，藻细胞生长繁殖速率低，生物量增值慢，生产周期长，微藻养殖规模发展慢。

微藻的养殖以实现经济价值为目的，生产实践中在不增加反应器数量、体积、供气系统配置的前提下，提高供气气体的流量，增加气体的利用率，增大单位体积内微藻的生物量，可以缩短培养的时间，节约生产成本，提升微藻细胞培养效率，将成为微藻生物技术规模化发展中的关键核心技术问题。

图1是《一种微藻规模化养殖供气系统》的给微藻规模化养殖供气的系统结构示意图。

图中，1-初效过滤器；2-主气管道；3-进气管阀；4-采气装置；5-出气管阀；6-泄压阀；7-压力表；8-管道式加热器；9-管道式冷凝器；10-气液分离器；11-排污阀；12-去雾器；13-（高效）过滤器；14-支气管阀；15-支气管；16-微孔管；17-光生物反应器。

2016年12月7日，《一种微藻规模化养殖供气系统》获得第十八届中国专利优秀奖。 2100433B

如图1所示，《一种微藻规模化养殖供气系统》的具体结构如下：

给微藻规模化培养供气的系统主要由采气装置4、冷凝器9、气液分离器10、高效过滤器13、光生物反应器17以及连接管道、阀门等组成。管道包括主气管道2、支气管道15、微孔管16，主气管道2贯穿整个系统。采气装置至少由两套构成，可以实现微藻养殖过程中连续性供气。在采气装置与冷凝器间装有管道式加热器8，气液分离器10与高效过滤器13间装有去雾器12。光生物反应器的类型为：管道式光生物反应器、平板式光生物反应器、柱状式光生物反应器、半球状式光生物反应器、幕布式光生物反应器、开放式浅水层光生物反应器，光生物反应器17内设有微孔管16。采气装置4安装在主气管道2上，支气管15连接各个光生物反应器17；阀门包括进气管阀3、出气管阀5、支气管阀14、泄压阀6、排污阀11，进气管阀3安装在主气管道2上，位于采气装置4前端，出气管阀5安装在主气管道2上，位于采气装置4后端，泄压阀6安装在主气管道2上，排污阀11安装在气液分离器10和去雾器12底部，支气管阀14安装在支气管道15上。初效过滤器1位于进气管阀3前端，出气管阀5后端主气管道上分别依次安装管道式加热器8、管道式冷凝器9、气液分离器10、去雾器12、高效过滤器13，压力表7安装在泄压阀6前端主气管道上，光生物反应器17设置在主气管道末端。

为了落实上述方案，选择柱状光生物反应器和一套供气系统为代表，说明微藻规模化养殖供气的系统结构组成。

具体应用实例：

在离柱状光生物反应器最近距离内，平整3-4平方的土地，按图1方式安装系统。

首先，供气系统的主管道全采用Φ200黑色PE管、镀锌管，控制阀为Φ200涡轮阀、Φ20PE球阀，初效过滤器、高效过滤器、管道式冷凝器、管道式加热器、气液分离器、去雾器、压力表均可采用市售产品。

在初效过滤器的后端，安装2套出气管阀5后方的主气管道2上，同样安装一套并排的采气装置，若供气系统在运行过程中其中一套采气装置需要进行停机休息、维护、保养、检修，也不会影响给光生物反应器的正常供气。

其次在整个系统全部安装完毕后，通入臭氧，进行系统消毒，保持系统的无菌状态。

最后，利用上述供气系统给微藻（以红球藻为代表）养殖供气，具体过程如下：

1、柱状光生物反应器17内接入雨生红球藻，每个柱状光反应器的体积为0.2吨，高度为1.5米。

2、开启采气装置4，气体通过初效过滤器1，滤掉大颗粒的杂质，进入采气装置。

3、气体经采气装置后加压，流速加快，流量增大，根据压力7表显示数据，逐步关闭泄压阀6，调节到0.02-0.05兆帕的压力。

4、气体经过管道加热器8进行瞬间高温灭菌，杀灭气体中的杂藻、细菌、真菌、原生动物，提高气体洁净度，而且可以给雨生红球藻和培养液内部直接加温，提高能源的利用率。

5、高温气体经过管道式冷凝器9，气温可以降低。若光生物反应器内雨生红球藻和培养溶液因阳光照射温度过高，可以将经过管道冷凝器9的气体进行低温冷却，低温气体在雨生红球藻和培养液内部直接降温，给雨生红球藻提供适宜温度。

6、气体又进入气液分离器10和水雾分离器12，气温降低后，气体内部产生水滴和水雾，通过两个分离器处理，除去水分，成为洁净干燥的气体，可以保护高效过滤器的精度及使用寿命。

7、气体通过高效过滤器13后，被管道加热器杀死的原生动物、真菌、细菌、其他藻类的死体被挡住，出来气体彻底变为无菌且洁净度更高气体。

8、最后无菌气体经Φ20支气管道15进入光生物反应器17，通过微米级的微孔管道16，分解为直径达微米级的微小气泡，溶解于雨生红球藻的培养溶液，为雨生红球藻生长代谢提供氧气或二氧化碳气体，气体利用率得到提高。

9、供气系统在运行过程中，随时检查气液分离器、水雾分离器，若有水分则通过排污阀11排出。

实施结果表明，《一种微藻规模化养殖供气系统》利用流体力学中流体的规律，近距离由下往上供气，减小气体与管壁间的摩擦力，保持总气压和流量最大化，气体经过初效、高温、高效处理，成无菌气体，减少污染，利用微米级的微孔管道排入培养液，气体的利用率增大，培养效率提高，节约培养时间。所以在不增加光生物反应器的数量和体积、供气系统配置的前提下的前提下，利用《一种微藻规模化养殖供气系统》的供气系统，可以有效提高微藻细胞的生物量，大大降低微藻培养污染，可以用于连续和半连续细胞工程培养，为开发微藻生物资源提供实际的技术支撑，开发出大量结构特异的高附加值生物活性成分、微藻蛋白、生物柴油或水产饵料等产品。

一种微藻规模化养殖供气系统专利目的

《一种微藻规模化养殖供气系统》的目的在于克服微藻规模化培养过程生物量小、气体供应量小、气体利用率低、供气系统与光生物反应器间不匹配的问题，提供一种微藻规模化养殖供气系统，为微藻规模化养殖提供技术支撑。

《一种微藻规模化养殖供气系统》结合生产实践经验的基础上，通过不断试验，成功的构建了采气、加热、冷却、过滤、供气等一种供气系统，为微藻规模化养殖提供技术支撑。

一种微藻规模化养殖供气系统技术方案

《一种微藻规模化养殖供气系统》主要由采气装置、冷凝器、气液分离器、高效过滤器、光生物反应器、连接管道、阀门组成；管道包括主气管道、支气管道、微孔管，主气管道贯穿整个系统，支气管道连接各个光生物反应器，微孔管位于光生物反应器内，采气装置安装在主气管道上；阀门包括进气管阀、出气管阀、支气管阀、泄压阀、排污阀，进气管阀安装在主气管道上，位于采气装置前端，出气管阀安装在主气管道上，位于采气装置后端，泄压阀安装在主气管道上，排污阀安装在气液分离器底部，支气管阀安装在支气管道上；采气装置、冷凝器、气液分离器、高效过滤器、光生物反应器通过管道依次连接。

采气装置至少由两套构成，可以实现微藻养殖过程中连续性供气。进气管阀前端设有初效过滤器。在采气装置与冷凝器间装有管道式加热器。气液分离器与过滤器间装有去雾器。光生物反应器的类型为：管道式光生物反应器、平板式光生物反应器、柱状式光生物反应器、半球状式光生物反应器、幕布式光生物反应器、开放式浅水层光生物反应器。光生物反应器内设有微孔管。

一种微藻规模化养殖供气系统改善效果

1、《一种微藻规模化养殖供气系统》的供气系统，移动运输、安装连接、拆卸维修等操作方便，占地面积小。

2、该发明的采气装置两端安装有控制阀门，任何一台采气装置在维修保养的过程中不会影响其它采气装置的正常供气。

3、该发明供气系统产生气体，经过微米级的微孔管道排出，气液间的接触面积增大，气体利用率增加，而且总气压和气流量可以减小，节约电力和采气装置的费用投入。

4、该发明供气系统给光生物反应器内微藻供热，由原来的外部传导供热改为气体直接加热。

5、该发明供气系统给光生物反应器内微藻降温，由原来的外部传导降温改为气体直接降温。

6、经采气装置出来的气体在过管道加热器，可以进行瞬间高温灭菌，为微藻规模化养殖提供无菌气体。

7、该发明供气系统提供的气体经过气液分离器、去雾器处理，成为干燥洁净的气体。

8、该发明的供气系统安装在光生物反应器的下方，根据流体力学的规律，由下往上放输送气体，减小气体与管壁间摩擦力。

9、该发明供气系统设置在离光生物反应器最近的位置，管道、阀门和附属设施布局简洁、流畅、整齐，减小气压和气流量的损耗。

1.《一种微藻规模化养殖供气系统》特征在于：该系统主要由采气装置、冷凝器、气液分离器、过滤器、光生物反应器、连接管道、阀门组成；管道包括主气管道、支气管道、微孔管，主气管道贯穿整个系统，支气管道连接各个光生物反应器，微孔管位于光生物反应器内，采气装置安装在主气管道上；阀门包括进气管阀、出气管阀、支气管阀、泄压阀、排污阀，进气管阀安装在主气管道上，位于采气装置前端，出气管阀安装在主气管道上，位于采气装置后端，泄压阀安装在主气管道上，排污阀安装在气液分离器底部，支气管阀安装在支气管道上；采气装置、冷凝器、气液分离器、过滤器、光生物反应器通过管道依次连接。

2.根据权利要求1所述的微藻规模化养殖供气系统，其特征在于采气装置至少由两套构成，可以实现微藻养殖过程中连续性供气。

3.根据权利要求1所述的微藻规模化养殖供气系统，其特征在于在采气装置与冷凝器间装有管道式加热器。

4.根据权利要求1所述的微藻规模化养殖供气系统，其特征在于气液分离器与过滤器间装有去雾器。

5.根据权利要求1所述的微藻规模化养殖供气系统，其特征在于光生物反应器的类型为：管道式光生物反应器、平板式光生物反应器、柱状式光生物反应器、半球状式光生物反应器、幕布式光生物反应器、开放式浅水层光生物反应器。

6.根据权利要求1所述的微藻规模化养殖供气系统，其特征在于光生物反应器内设有微孔管。

7.根据权利要求1所述的微藻规模化养殖供气系统，其特征在于进气管阀前端设有初效过滤器。

中文名称：微藻柴油英文名称：Microalgae diesel

定义：由微藻（可在水中养殖的光合生物）生产的生物柴油。

微藻制油的原理是利用微藻光合作用，将化工生产过程中产生的二氧化碳转化为微藻自身的生物质从而固定了碳元素，再通过诱导反应使微藻自身的碳物质转化为油脂，然后利用物理或化学方法把微藻细胞内的油脂转化到细胞外，再进行提炼加工，从而生产出生物柴油。 即通过藻类的光合作用，将废水中的营养物质和空气中的二氧化碳转化为生物燃料、蛋白质。“这是一个变废为宝的产业，而且还可以生产更多的下游产品。”在石油价格大幅上升，粮食短缺问题日渐突出的今天，该产业有着广阔的发展前景。

如果在我国广阔的沿海和内地水域大规模种植工程高油藻类，生物柴油的生产规模可以达到数千万吨。这并非遥不可及。在科研人员的积极探索下，国内在海洋微藻制取生物柴油方面已取得可喜成果，更宏大的项目正在酝酿之中。

中国工程院院士闵恩泽日前在华中科技大学演讲时透露，我国将有部分城市销售含5%微藻生物柴油的“绿色石油”。但受成本和生产条件制约，这种“绿色石油”大力推广还需时日。

闵恩泽院士算了一笔账：如果推广含5%生物柴油的清洁燃油，以我国石油的使用量计算，生物柴油的需求量是600万吨。这项技术的经济和生态效益都非常可观。

微藻柴油可望满足全国一半用油

“在显微镜下，海藻就像一个油葫芦，比油菜籽、花生的含油量高7～8倍，比玉米高十几倍。”山东海洋工程研究院院长李乃胜介绍，海洋微藻制取生物柴油是国际新能源领域的新方向。

专家指出，我国盐碱地面积达1.5亿亩。如果用14%的盐碱地培养微藻，在技术成熟的条件下，生产的柴油量就可满足全国50%的用油需求。

中国海洋大学教授潘克厚说，微藻资源丰富，不会因收获而破坏生态系统，可大量培养而不占用耕地。另外，它的光合作用效率高，生长周期短，单位面积年产量是粮食的几十倍乃至上百倍。而且微藻脂类含量在20%至70%，是陆地植物远远达不到的，不仅可生产生物柴油或乙醇，还有望成为生产氢气的新原料。

闵恩泽院士表示，在使用秸秆生产乙醇汽油之后，利用微藻生产生物柴油是最新的“绿色”燃油技术，不过技术虽已成熟，但微藻燃油生产系统的投产还需要时间。他认为，要让普通交通工具都“喝”上微藻生物柴油，还必须跨越三道槛：首先是成本。微藻燃油项目的产业链很长，藻类的培养成本很高，制成品的价格是石油的好多倍；其次，微藻生物柴油项目要投产，规模要很大才能做，而各个研究机构的生产规模都很小；再次，难以找到合适的生产场地。在藻类培养中，藻类的密度只能到1%~2%，如果太密藻类就无法吸收阳光。微藻生长对阳光和水的高要求，决定了需要大型的场地。

微藻是潜力很大的生物能源，但规模和成本是开发微藻的两大瓶颈问题，因此要把微藻生物柴油技术作为一项长远事业，重视方案和路线选择。

上海加紧开发微藻制油新技术

由上海市科委立项的微藻制油项目已取得小试阶段性成果。科研人员正加紧研发既能产出柴油，又能减排二氧化碳的微藻制油新技术，并准备将成果率先应用于治理燃煤电厂废气。

主持藻类制油研究的上海交通大学副教授缪晓玲表示，课题组正在解决品种选择问题。全世界已知的藻类有近3万种，其中含油量高的未必长得快，长得快的又未必适应高浓度二氧化碳环境。科研人员希望从中找到最适宜的品种，让微藻能大量吸收二氧化碳，并通过叶绿素的光合作用制造生长所需的养分，从中提取出油脂，再制备出生物柴油。这种生物柴油与传统石化柴油的性质和成分相似，某些指标如发动机低温启动性能甚至更好。

为实现微藻柴油产业化，课题组计划开发适合工业化生产的连续采收、能源消耗低的脱水干燥和微藻制油技术，建立规模化的微藻制油工厂，在大型容器中养殖微藻。按照设想，白天，阳光和工业二氧化碳废气将为微藻创造出适宜的生长条件；夜晚，光合作用停止，但依然可以给微藻“喂食”工业废水，让它们利用废水中的糖制造养分；“榨油”之后的微藻残渣，则可以作为新型生物质能锅炉的燃料。经过这一轮的绿色循环，微藻柴油能做到让汽车的碳排放降为零。

上海交大生物质能研究中心主任罗永浩教授认为，上海有很多大型燃煤电厂，其气体排放组成中有99%是二氧化碳，运用这项技术可使微藻制油在本地循环起来。

据了解，藻类含有大量生物油脂，部分品种含油量达70%。它们的光合作用效率高，生长迅速，最多两周就可以完成一个生长周期。研究表明，每公顷土地玉米年产油量只有120升，大豆为440升，而藻类可达1.5万至8万升。藻类将是非常有潜力的生物柴油来源。壳牌、雪佛龙等石油巨头以及正致力于新能源开发的微软董事长比尔·盖茨，近两年已投入巨资启动微藻制油研发。微藻制油需国家立项支持

鉴于微藻的重要能源价值以及世界各国对能源微藻研究不断深入，有专家建议，我国应立即启动微藻产乙醇、产油技术的研究，对微藻产氢也要注意动态跟踪，作好长远规划。

我国在能源微藻基础研究方面拥有很强的研发力量，众多高校和科研院所承担了多项国家及省部级微藻分类、育种和保存技术研究，拥有一大批淡水和海水微藻种质资源。我国在微藻大规模养殖方面已走在世界前列。

专家建议，利用微藻制取生物柴油，具有重要的政治、经济、科学意义，国家对此应加大科技支持力度，使之上升为国家项目。微藻制油需要国家立项支持，科技部、发改委、财政部、能源局等部委在科技立项时，要向微藻制油倾斜，鼓励相关企业开发微藻制油自动化设备，大力促进微藻制油产业化。

发达国家大力开发微藻制油

美国从1976年起就启动了微藻能源研究，攻关以化石燃料产生的废气生产高含脂微藻。这一计划虽然因经费精简、藻类制油成本过高于1996年终止，但美国科学家已经培育出了富油的工程小环藻。这种藻类在实验室条件下的脂质含量可达到60%以上(比自然状态下微藻的脂质含量提高了3～12倍)，户外生产也可增加到40%以上，为后来的研究提供了坚实基础。

2006年，美国两家企业建立了可与1040兆瓦电厂烟道气相连接的商业化系统，成功地利用烟道气中的二氧化碳进行大规模光合成培养微藻，并将微藻转化为生物“原油”。2007年，美国宣布由国家能源局支持的微型曼哈顿计划，计划在2010年实现微藻制备生物柴油工业化，各项技术研发全面提速。

2007年，以色列一家公司对外展示了利用海藻吸收二氧化碳，将太阳能转化为生物质能的技术，每5千克藻类可生产1升燃料。

此外，在微藻制乙醇方面，美国已开发出利用微藻替代糖来发酵生产乙醇的专利；日本两家公司联合开发出了利用微藻将二氧化碳转换成燃料乙醇的新技术，计划在2010年研制出有关设备，并投入工业化生产。