專利名稱：微藻密閉培養的柔性管道系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種以塑膜軟管為主體構件組成的微藻密閉培養的柔性管道系統，它能布設在露天地表、水面及室內，用于大規模從事微藻管道化生產，也可提供其它一些微生物進行常溫密閉發酵使用。
密閉培養是微藻開發的方向，與目前國內外普遍推行的露天培養方式不同，密閉培養污染少，藻粉質量好。易于調控生態因子，產量高。不受蒸發和降雨影響，有利于增溫、保溫、減少損耗，延長年內生長期。
密閉培養通常指管道化培養，所用管道皆能透光。因管壁周長大于水平面，故管道培養采光面大，藻類光合反應強。但國內外現有培養微藻的管道裝置，均由硬質材料組成，投資昂貴，還因培養過程中難以清除管內廢物，影響藻類生長。因此用硬質管道作為培養微藻的一種方式，至今仍處于探索階段，僅在國外有個別廠家試行外，未能推廣。故目前全世界微藻生產，幾乎均采用露天培養。
本發明針對露天培養以及硬質管道培養方式的不足，突破常規思維方式，提出了一種以塑膜軟管為主體構件，與高位池、上位池、下位池等組合連通，并輔以水泵及管道防護裝置，共同組成的柔性管道微藻培養系統，它代表了微藻產業的發展方向。
本發明系統的特點是以塑膜軟管為主體構件，與上位池、下位池等組合連通，輔以水泵等機械，完成藻液循環，并通過高位池輸出收藻，該系統中設有排渣口及排氣口。
塑膜軟管可根據場地條件分成多段，平行放置，多段串接連通，串接后的塑膜管進口與上位池相通，出口與下位池相通，下位池通過提水機械與高位池相通，高位池與上位池相通，收藻口位于高痊池與上位池之間的水流通道上，上位池的位勢高于管頂平面，下位池的位勢低于管底平面，但池壁高于管頂平面，高位池的位勢高于上位池的池頂平面。
多段塑膜管的串接處以及串接后的進出口與上，下位池的接合處均設置有節頭和導流基座，節頭一端與塑膜管匹配套接，另一端與導流基座連通，導流基內部為水流的回旋通道。
節頭呈扁形為佳，與塑膜管的套接口呈推拔型，外緣上設有出氣孔，導流基座按其功能分為出流基座和回流基座二組，均為長條形柜式結構，分別設于塑膜管系列的兩端，它們的正面與節頭嵌接，內部為流水的回旋通道、兩端的通道按節頭排列用隔墻交錯分隔，以約束管內水流往復式的回旋流動，出流基座頂部設有上位池，上位池底部開有與出流基座相通的進水口，此進水口處設有由上痊池水位控制開閉的閥門，出流基座上還設有出水口和排渣口，出水口下沿高于排渣口并高于管頂平面，出水口和排渣口與設于排渣口下方的回水槽相通，回水槽與下位池連通，回流基座上設有污氣排放窗口。
為了清除循環藻液中的雜物，在下位池中進出水體的通道內設有欄柵、網框和沉積坑。
為了減少對藻類的損傷，提水機械最好采用電動氣膈膜泵，刮水機械或水車。
為了保證系統運行的可靠性和增加壽命，系統中的塑膜管道還附設有保溫、防漏、防曬及防凍措施。
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。
圖1 為露天地表培養模式的結構正視圖；圖2 為露天地表培養模式的結構俯視圖；圖3 為水面漂浮培養模式的結構示意圖；圖4 為室內立體培養模式的結構示意圖。
參看圖1、2，微藻密閉培養的柔性管道裝置由塑膜管1、節頭2、導流基座(包括出流基座3和回流基座4)，上位池5，下位池6、提水機械7、高位池8及管道防護設施等主要構件組成，各主要構件的作用及結構分述如下1.塑膜管用聚乙稀原料制成，無毒、透光，其長度，管徑、壁厚可按特需加工。塑膜管有一定伸縮性和折疊性，把它展伸于地表并往管內充水，其自然形態是扁平的，底部與下墊面貼合，頂部略呈橢園面。管徑愈大、愈趨扁平。增加液壓，約束管壁兩側或控制出水口高程、均可調整管內水深和水量，改變管壁曲率，使塑膜管的容積有一定的可塑性。在塑膜管與節頭的套合處，用彈性材料襯里，可增加聯接強度，提高密閉性。
2.節頭為一組形態多樣的扁形節頭。節口呈推撥形，外緣有出氣孔，節頭可用硬塑。玻璃鋼、金屬材料或連同基座用混凝土整體澆筑而成。
異形節頭的節口，可以只有簡單進出的兩個節口或多個節口；節口之間中心線交角，可以有銳角、直角、鈍角、平角或往復式的平行交角。
3，導流基座有出流基座和回流基座兩組，均為長條形柜式結構，分別建于塑膜管系列的兩端，用混凝土預制構件組裝或直接澆筑而成，亦可由玻璃鋼、硬塑板或金屬板組成。導流基座正面鑲嵌節頭，內部為流水的回旋通道，兩端的通道按節頭排列用隔墻交錯分隔，可約束管內水流往復式的回旋流動。
出流基座的頂部有進水口9；背部有出水口10，出水口基部有排渣孔11。位于排渣孔下方的回水槽12，承納全部下泄水量排往下位池。
回流基座僅起水流回旋的導向作用，頂部安裝可啟開的窗口13，供排污排氣。回流基座不設上位池和回水槽。
4.上位池為橫貫出流基座頂部的長條形水池，可用磚石材料或混凝土建成。
上位池的位勢高于管頂平面。池高決定于貯水量及其勢能，應滿足進入管道的水流能引起管內水體的充分交換和混合。位于底部的進水口為可控口門，當池中液面上升到預定高度時，可藉浮箱升力或機電裝置自動啟開。為機動調節各管道水體的流向、流速及流程，可設多組進水口和出水口，每組對應的管道皆為獨立單元，各單元管道之間互不連通，操作時逐一輪換運轉。
5.下位池下位池作為整個管道系列的調節庫容、貯水量需滿足管內液體的攪拌和循環。下位池的位勢低于管底平面，池壁則應高于管頂平面。池壁宜用鋼筋混凝土整體澆筑，或用玻璃鋼、硬塑板、金屬板組成，以防泄漏。
下位池的水量來自回水槽，出水則通過安裝池內的提水機械抽出。在注入池中的流水通道內，安裝欄柵，網框14和沉積坑15，使水體在循環過程中，自動滯污，沉渣、欄截水中異物。
6，提水機械提水機械的應用，是把下位池的水量抽往高位池。為避免機械高速運轉導至藻體損傷，提水機械宜選用(1)電動氣膈膜泵；(2)刮水裝置，如單體式或組合式水車。
7.高位池高位池介于上位池與下位池兩者的水流通道之間，其位勢高于上位池。它直接承納水泵來水，再以自流方式通過閥門注入上位池。
高位池的功能是(1)供作擴種池，稀析營養鹽。(2)調節進出水量的平衡。(3)對注入的高速水流起消能作用，并利用氣浮效應，清除水中懸浮物。(4)控制下泄水量。當下泄水量進入上位池之前，可進行藻類的過濾、收集16。
8，管道防護裝置管道防護旨在確保管道正常運轉，提高使用性能，延長使用期。具體防護措施及其裝置，參見下述各不同生產應用模式。
下面再將柔性管道培養系統的幾種應模式介紹如下1、露天地表培養模式如圖1，2，所示，露天地表式培養模式只需平整地表即可布設塑膜管1。在平行管道系列兩端，分別建立出流基座2和回流基座4，將塑膜管口與基座節頭2緊密套合。在出流基座頂部、背部，建上位池5、回水槽12及相應的進出水口9，10。下位池6設于回水槽尾閭，池內安裝提水機械7，使出水排入高位池8。高位池緊靠上位池和下位池。這樣一個裝置，若同時覆蓋各露天水池的頂部，就構成露天地表培養模式。
當裝置內所需培養液配好后，啟動提水機械，藻液即由下位池提升到高位池并流往上位池。當上位池液面達到預定高度時，打開進水口，全部藻液就會在重力作用下自上往下繞基座進入塑膜管。隨之受回旋通道約束，將依次地沿各管道往復前進，最終經出水口、回水槽復歸下位池。在生產運轉過程中，若需收集藻粉，可在藻液從高位池流往上位池之間安置收藻裝置，過濾后的藻液仍流往上位池，進而重復以上流程，即可實現藻液在柔性管道內的全程流動或連續循環，并在運行過程中得到交換混合，以適應微藻的生長。
本項裝置除柔性管道外，余均為硬質構件。為確保安全、穩定運轉，關鍵在于管道防護。管道防護主要是防止管路破損，藻液外泄。此外為適應微藻在管道中培養的生態要求，尚需防御夏季烈日對管頂曝曬，以及為延長微藻年內生長期，在低溫期對管道采取防凍的保溫，增溫措施。塑膜管因有柔性，不易發生脆裂大破損。主要是因質地不均勻引起微孔滲漏或機械外傷導至裂損。防護首當預查，可在安裝前作充水檢查或安裝后于水中作充氣檢查，對發現的漏洞用粘膠劑將塑膜貼補即可。在運行過程中發生破損，需局部排出藻液、降低液壓或將管道在水淹下柔化后抬高修補。亦可考慮建立水下應急修補的技術裝置進行處理。
塑膜管在夏日防止曝曬的措施有(1)在管道平面內建立貯水、排水設施，用淹水來防護。用此方法時，管底平面須鋪設薄膜以防止水流失；(2)建立遮陽網；(3)搭棚架種植絲瓜等遮陰。
塑膜管在低溫期間的保溫，增溫措施，包括在管道底部安設隔熱墊層或電勢帶，頂部建立塑膜罩。在有溫泉或工廠廢熱水排放時，可在塑膜管內套裝小型塑膜管，即管中管，將熱水輸入小管內循環，這樣既可對藻液加溫，又可產生熱力的垂直對流混合。
2、水面漂浮培養模式圖3即水面漂浮培養模式的結構示意圖。由于塑膜管及其內部培養液的整體平均比重，接近于水，稍重于水。只需將導流基座設計為可調節升降的漂浮結構17，同時對塑膜管附加稍具浮力的定型裝置18，并與定位繩連結19，即可布設于水面，從事微藻的漂浮式培養。
水面漂浮培養模式與露天地表培養模式的主要區別，在于環境介質不同，其培養裝置的操作及技術性能亦有所不同(1)因導流基座是漂浮的，原來固定于岸上的高位池、上位池與下位池需相應調整，或由統一的漂浮容體取代。管道在水體浮力柞用下的形態趨于圓柱體，節頭亦需有相應改變。為防止水體的漲落、流動及風浪沖擊，需強化整個裝置的定位，調節及水上管理與維護。(2)為有利于微藻營光合作用，塑膜管需充分采光，要求所在環境，水體澄清，有較好的水色與透明度。(3)水體內部導熱快，在春末冬初，管外水溫較低，為延長微藻在管內的生長期，塑膜管應有增溫保溫措施。
針對以上技術環節，漂浮式裝置的建立，需采用以下措施(1)選擇風浪小、水位變幅不大且易于控制的水域進行培養。如選擇有屏障的湖灣、淺水帶，或小型洼蕩。
為進一步削弱風浪，便于管理，并美化水面，可在控制區外圍建立浮毯式漂浮植物消浪帶。同時在控制區內部，搞水面園田化，并利用水面空隙，栽植沉水植物，促使水體澄清。
(2)在水域控制區內，按一定間距沿管道縱向打固定樁20，用大孔眼機織平網從管道底部往上包絡(21)，網的兩側或網內安裝浮體，浮體的結構可用泡膜塑料墊層或用充氣的塑膜管形成的汽墊層組成，使整個管道能在墊層浮托下隨水位漲落。由于與管道連接的導流基座采用浮式結構，使整個培養裝置能隨水位變化而自動升降，或藉滑輪升降。
(3)在水溫偏低季節，采用大小不同的雙層塑膜管，內層為培養微藻的輸液管，外層的大管，在兩管之間的輸液管基部，仍用浮托墊層鋪底，使兩管貼合處保持間距，形成隔熱層。同時用硬塑圈或竹圈將大管定型擴展，使輸液管不和外圍水體接觸并處于溫室效應內。
水面漂浮培養的另一方式是在池塘中進行。這時充液的塑膜管仍是漂浮的。導流基座則可固定地建于池邊。一旦發生水位明顯漲落，可抽水調節，使水位穩定。這種培養方式，操柞簡易，安全。
水面培養微藻，作為一種生產模式，可納入水體農業范疇。它的實施，可引用有關的技術和經驗，從而使它獨具優勢(1)不占用土地，省去地表平整及框格化工程。(2)在培養區內，只需合理布局，保持一定的空水面，可養殖青蝦、蟹及某些底層魚類。同時結合水生態環境治理，改善水質，可就地解決生產水源，實現水域多目標利用和立體開發。(3)水面開敝，陽光充足，水中光的折射和反射率強，使管道底部也能不同程度采光，有利于藻類生長。(4)水體熱容量大，水溫變幅小，管道布設在水中，不僅可延緩老化，延長使用期，尚可減輕或避免夏日強光和極限高溫對藻類的傷害。(5)在水體浮力作用下，管道柔化，管壁應力小，滲透壓小。一旦破損，泄漏小，易修補。另外，風浪、船行均可引起管內液體攪動，有利于藻類生長。可見微藻在水中管道內培養更具有生態適應性。
3、室內立體培養模式圖4即室內立體培養模式的結構示意圖。在室內采用柔性管道培養微藻，能夠實現全天候立體開發。
柔性管道輕盈，布設簡易，只需在室內豎起垂直分層支架22，在支架各層面上安裝承載網框23，即可安放管道，充液后從事微藻培養。由于建筑物遮擋，室內光照弱，冬春氣溫低，這對微藻生長不利。但可采用現代技術手段進行調控，如采用透光房頂24，多開窗25，冬季安裝加溫設備，夏季敝開窗戶等，使室內采光，控溫性能得到改善，為微藻生長創造最佳環境，從而實現優質、高產，并降低成本。
微藻室內培養與露天地表培養兩者的差異主要在于，管道的排列，除水平方向布設外，尚可多層的進行垂直方向布設。與之相適應的管內液體循環方式，亦有所不同一方面，它需保持同一層面內的水平閉合循環；另方面，應體現立體循環和收藻功能。為此，需建立統一的縱向豎管26與橫向管路的聯網，通過閥門調度27、運轉，使各層面之間的液體得以交換。
為節約室內空間，改善建筑物內部的結構應力，確保安全運轉，這里無需另設高位池，高位池的功能將由容積有限的上位池取代。建于地表下的下位池則需適當擴大容量。
室內培養的液體循環方式主要是動力循環。但由于人工調控生態因子，在低溫季節，有可能利用系統內外即室內外的溫差效應，實現管道液體的熱力循環。這時需另安裝縱向豎管布設在室外28、利用室外氣溫低，藻液下沉，室內氣溫高，藻液上浮，因而形成閉合環流。這種環流引起的液體交換，具有穩定，持續，緩和而均勻的特點。
室內立體培養體現了農業工廠化方向，有利于集約經營。設某車間凈地表面積2000米2，按三層布設，取各層面平均利用率為0.75，相當于4500米2。由于全天候運作，年生產期可達露天生產期(150天)的一倍，即300天。若實現人工調控，使生態因子達到良好狀態，日單產由露天生產的10克/米2提高到15克/米2，則年生產藻粉量可達20噸，相當于露天地表培養面積13300米2的產藻量，即提高地表利用率5倍以上。可見采用柔性管道發展微藻的室內立體培養，前景是十分廣闊的。根據同樣原理，可局部利用室內空間，建立由動力循環，溫差循環或組合式循環的小型實驗培養裝置。
本發明系統用于微藻密閉培養具有全新的特色，一方面它既具有硬質管道培養微藻的優越性，又便于清除管壁污染物，并可克服管內氧飽和，從而可充分發揮密閉培養的功效、它具有的突出優點和效果是(1)投資單價低與硬質管道相比，大幅度降低成本，并明顯低于露天培養池的造價。(2)使用范圍廣除田野外，尚可廣泛用于灘涂、低洼沼澤地或干旱地區的鹽堿地、荒漠帶。它還可以建成漂浮結構，直接在池塘、湖蕩的廣闊水面上布設。并可用于室內從事多層立體開發。(3)實施簡易，它結構輕盈，用料省，安裝快速。用于地表，只需稍加平整，無需破壞土壤結構；用于水面，有利于采光，且可防御夏季高溫，延緩管道老化；用于室內，可立體開發，走農業工廠化方向。在整個生產運轉過程中，管理維護方便。(4)結構整體具有穩定性和安全性，塑膜管充液后，管道的長度遠大于寬度，寬度大于高度(即液體深度，約30cm以內)，且管底又與下墊面貼合，因而整個管道平展地葡伏于地表上，具有整體的穩定性。從力學分析，管道在水平方向的全部重量均由地基反力所平衡，在鉛垂方向，管內水壓力則由兩側弧形管壁的內應力所平衡。水壓力是有限的，按單位長度計，不大于0.5kg/cm，或17g/cm2，遠小于塑膜管材料的極限應力。可見管道的力學性能是安全的。在規范設計、施工條件下，具有可靠性。(5)管內液體的攪拌，能達到充分，均勻，所需動力小，能耗省。本項裝置的循環系統，能有效利用機械提水產生的勢能。當液體從上位池進入管道時，由于管壁光滑，斷面均勻，對水體運動阻力小、更因管道有一定彈性，不僅產生水量運移，還引起管內波能傳遞，并導至反復振蕩。只需有限水體的間斷沖擊，即可使管內液體垂直滑動和水平運移，達到充分、均勻攪拌。由于循環的動力源于水泵，功率小，能耗省。(6)整個裝置，管路結構簡單，組合緊湊，集循環、清污、收藻于一體，為實現生產自控奠立了基礎框架。
本系統以出流基座為中心，各池緊密相臨，進、出水口能夠自行調節、啟開。僅需啟動提水裝置(水泵)，即可完成自動收藻，藻液循環、攪拌以及在循環過程中清污，這樣的結構組合，有利于集約經營，實現自動化生產。
權利要求
1.一種微藻密閉培養的柔性管道系統，其特征是該系統以塑膜軟管為主體構件，與上位池、下位池等組合連通，輔以水泵等機械，完成藻液循環，并通過高位池輸出收藻，該系統中設有排渣口及排氣口。
2.根據權利要求1所述的微藻密閉培養的柔性管道系統，其特征是塑膜軟管根據場地條件分成多段，平行放置，多段串接連通，串接后的塑膜管進口與上位池相通，出口與下位池相通，下位池通過提水機械與高位池相通，高位池與上位池相通，收藻口位于高位池與上位池之間的水流通道上，上位池的位勢高于管頂平面，下位池的位勢低于管底平面，但池壁高于管頂平面，高位池的位勢高于上位池的池頂平面。
3.根據權利要求2所述的微藻密閉培養的柔性管道系統，其特征是多段塑膜管的串接處以及串接后的進出口與上、下位池的接各處均設置有節頭和導流基座，節頭一端與塑膜管匹配套接，另一端與導流基座連通，導流基座內部為水流的回旋通道。
4.根據權利要求3所述的微藻密閉培養的柔性管道系統，其特征是節頭呈扁形，與塑膜管的套接口呈推拔型，外緣上設有出氣孔，導流基座按其功能分為出流基座和回流基座二組，均為長條形柜式結構，分別設于塑膜管系列的兩端，它們的正面與節頭嵌接，內部為流水的回旋通道，兩端的通道按節頭排列用隔墻交錯分隔，以約束管內水流往復式的回旋流動，出流基座頂部設有上位池，上位池底部開有與出流基座相通的進水口，此進水口處設有由上位池水位控制開閉的閥門，出流基座還設有出水口和排渣口、出水口下沿高于排渣口并高于管頂平面，出水口和排渣口與設于排渣口下方的回水槽相通，回水槽與下位池連通，回流基座上設有污氣排放窗口。
5.根據權利要求3或4所述的微藻密閉培養的柔性管道系統，其特征是下位池中進出水體的通道內設有欄柵、網框和沉積坑。
6，根據權利要求1或2所述的微藻密閉培養的柔性管道系統，其特征是下位池中進出水體的通道內設有欄柵、網框和沉積坑。
7，根據權利要求2所述的微藻密閉培養的柔性管道系統，其特征是所說提水機械是離心泵，潛水泵，電動氣隔膜泵等或刮水機械(如水車)。
8.根據權利要求1或2所述的微藻密閉培養的柔性管道系統，其特征是系統中的塑膜管道設有采用遮陽棚、冷水噴淋或在管道平面內建立貯水、排水設施，用淹水的方法采實現防曬降溫；采用在管道底部安設隔熱墊層或電勢帶或采用大小不同的雙層塑膜管，在兩管之間設置熱源并循環，實現冬季保溫及增溫。
9.根據權利要求5所述的微藻密閉培養的柔性管道系統，其特征是系統中的塑膜管道設有采用遮陽棚，冷水噴淋或在管道平面內建立貯水、排水設施，用淹水的方法來實現防曬降溫；采用在管道底部安設隔熱墊層或電勢帶或采用大小不同的雙層塑膜管，在兩管之間設置熱源并循環，實現冬季保溫及增溫。
全文摘要
本發明涉及一種微藻密閉培養的柔性管道裝置,能安裝在野外地表、水面及室內,用于大規模從事微藻的管道化生產。其特征在于該系統以塑膜軟管為主體構件,與上位池、下位池等組合連通,輔以水泵等機械,完成藻液循環,并通過高位池輸出收藻,該系統中設有排渣口及排氣口。本發明既具有硬質管道培養微藻的優越性,又可克服管壁污染、管內氧飽和的缺陷。它的結構簡單,管路緊湊,安裝簡易,管理方便,并且運轉安全,能耗省,投資單價低。該系統裝置亦可供作某些微生物進行常溫密閉發酵使用。
文檔編號C12M1/24GK1201827SQ9710698
公開日1998年12月16日 申請日期1997年6月5日 優先權日1997年6月5日
發明者區裕雄 申請人:區裕雄