CN100562564C - 用于大规模培养微藻的补碳装置及其使用方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微藻的大规模培养领域，特别是涉及微藻在开放池内大规模培养时高效供给二氧化碳的补碳装置及其使用方法和用途。装置形状为阱式，在阱式容器里安装有与容器底有10厘米～50厘米间隙的垂直隔板，在容器底部安装有气体分布器。将阱式补碳装置嵌入开放池的池底，阱式补碳装置的上端沿与开放池的池底吻合，隔板高出开放池中的培养液面，使得培养液在搅拌器的推动下由阱式补碳装置的一端流入并经阱式补碳装置的底部，再由阱式补碳装置的另一端流出，这样大大延长了气液接触时间。另一方面，在阱式补碳装置的底部安装有气体分布器，二氧化碳气体通过气体分布器后，变成很小的气泡，气液接触面积急剧增大，这样就提高了二氧化碳的吸收率。
Description
技术领域
本发明属于微藻的大规模培养领域，特别是涉及微藻在开放池内大规模培养时高效供给二氧化碳的补碳装置及其使用方法和用途。
技术背景
微藻具有很高的应用价值，微藻细胞富含蛋白质、氨基酸、碳水化合物、维生素、抗生素、高不饱和脂肪酸、多糖和色素等多种高附加值的生物物质，而且某些微藻还具有很高的产烃能力(如葡萄藻)，在能源利用方面具有很好的应用前景。在全球粮食、能源危机日益严峻的今天，开发、利用微藻生物资源无疑具有重要的社会价值与经济意义。
微藻的大规模培养方式可分为密闭式和开放式。开放式是指采用开放池培养装置，如跑道池、圆形浅池，它具有技术简单、投资低廉等特点，在螺旋藻、小球藻和盐藻的工业化生产中获得了应用(Chaumont D.，J.Appl.Phycol.，1993，5：59～604；Bonnin G.，Spirulina Production EngineeringHandbook，BECCMA ed.，Nantes，France，1992，140～159；Richmond A.，Progress in Physiological Research，Vol.7，Biopress，Bristol.，1990，269～330；Borowitzka L.T.，Bioresource Technology，1991，38：251～252)。密闭式是指采用不同结构的密闭式的光生物反应器，如气升式、搅拌式、管式等，可用于生产高价值产物(如药物或保健品)或作为开放池培养的种子罐(Hu Q.，J.Appl.Phycol.，1994，6：391～396；Carlozzi P.，Appl.Microbiol.Biotecnol.，1996，45：18～23；Lee Y.K.，J.Appl.Phycol.，1995，7(1)：45～52；Hu Q.，Biotech.Bioeng.，1996，51(1)：51～60；Wohlgeschaffen G.D.，J.Appl.Phycol.，1992，4：25～29)。
微藻细胞中碳的含量占其细胞干重的一半以上，藻细胞在生长过程中通过光合作用将二氧化碳固定为自身的组成成分，故在藻类培养过程中需在培养液中保持足够的碳源。藻类培养液中的二氧化碳以HCO3 -、CO3 2和-游离的CO2三种形式存在，三种形式的碳在水溶液中的含量比例随pH值的变化而变化。具体的变化情况如图6所示。
在大规模的开放式培养条件下，为了使藻细胞接受光照，培养液的深度一般不超过15～20cm，在该条件下如果以含二氧化碳的气体直接向培养液中补碳，由于培养液深度较浅，气泡在培养液中停留时间短，导致CO2的利用率较低。正因为如此，目前在微藻大规模开放式的培养过程中还只能以NaHCO3作为碳源。NaHCO3作为碳源在培养液中不能够完全利用，随着HCO3 -的解离和利用，培养液的pH值逐渐升高，不适合藻类继续生长。有超过一半的NaHCO3转化为Na2CO3而不能被利用，造成碳源的大量浪费。因此，以NaHCO3为碳源培养微藻，会造成水资源和碳源的大量浪费，也是微藻生产成本居高不下的重要原因，例如，每生产1吨螺旋藻(以干重计)，要消耗8吨NaHCO3和1000吨水以及约3吨其他营养盐。
如上分析，如果能大幅度提高CO2气体的利用率，则可以直接利用二氧化碳气体或者液体进行藻类养殖，使碳源成本大大降低。以螺旋藻的培养为例，以NaHCO3补碳的碳源成本是以CO2补碳的6倍左右(假设CO2完全被培养液所吸收)。此外，还可以节约水资源。而且，若以CO2为碳源，微藻利用的就是CO2，则可以避免培养液pH值升高的问题，有利于维持适宜的培养环境，使水可以长时间或者重复使用。
发明内容
本发明的一目的在于克服在开放池利用CO2补碳的吸收率非常低、难以直接利用CO2为碳源的问题，提供一种能够有效补充二氧化碳、使在微藻养殖中以CO2为碳源成为经济可行的补碳装置。
本发明的另一目的在于提供目的一微藻养殖过程中的补碳装置的使用方法。
本发明的还一目的在于提供目的一微藻养殖过程中的补碳装置的用途。
本发明的用于大规模培养微藻的补碳装置由阱式容器、隔板、气体分布器等几部分构成。
一阱式容器，在阱式容器里安装有与容器底部有10厘米～50厘米间隙的垂直的隔板，且隔板高出阱式容器的壁，在阱式容器底部安装有气体分布器。
在所述的阱式容器隔板的一侧或两侧安装有搅拌器。
所述的阱式容器的宽度与开放池的宽度一致；当宽度40厘米～500厘米时，深度30厘米～300厘米，厚度20厘米～200厘米。
所述的阱式容器的底部可以是平底，亦可以为锥底，还可以为半圆底；材质为水泥、塑料板、不锈钢板、砖或与开放池底同样的材料等。
所述的隔板主要尺寸：宽度与阱式容器配合，厚度1.5厘米～5厘米。
所述的隔板材质可以为塑料板、不锈钢板、木板等材料，能加工成型、有一定强度即可。
所述的隔板在阱式容器中的位置可以居左(上游侧)、居中或居右(下游侧)。
所述的气体分布器的分布板为疏水材质。可以由玻璃砂芯(疏水)、不同目数的筛网、纱布等多孔材料制成，外型不限，数量为1个以上。
所述的气体分布器在阱式容器底部的位置可以居左(上游侧)、居中或居右(下游侧)。
在开放池内培养微藻过程中，用CO2补碳时碳源利用率非常低的主要原因是：培养液层比较浅，气液接触时间短，二氧化碳气体来不及被吸收即溢出。本发明的补碳装置如图1所示，该装置克服了上述缺点。
本发明的用于大规模培养微藻的补碳装置的使用方法是：将阱式补碳装置嵌入开放池的池底，阱式补碳装置的上端沿与开放池的池底吻合，中间的隔板高出开放池中的培养液面，使得培养液在搅拌器(本领域常规使用的搅拌器)的推动下由阱式补碳装置的一端流入阱式补碳装置中，流经阱式补碳装置的底部，再由阱式补碳装置的另一端流出，这样大大延长了气液接触时间。另一方面，在阱式补碳装置的底部安装有气体分布器，二氧化碳气体(或者含有二氧化碳的混合气体)通过气体分布器后，变成很小的气泡，气液接触面积急剧增大。这样就大大提高了二氧化碳的吸收率。
将该阱式装置用于微藻的培养时，在开放池内设置若干个阱式补碳装置，其数量依据单个补碳装置的补碳速率、开放池的大小、培养对象的生长速率及工艺要求。液体的流动可以依靠现有的开放池的搅拌器驱动实现，如叶轮或搅拌臂，材质可以为竹片、塑料、不锈钢、其它金属材料等。
该阱式补碳装置中的培养液下降段和上升段的液体的流速为0.5厘米/秒～50厘米/秒。
该阱式补碳装置底部的CO2气体流量(折合标准状况的纯CO2)为每米宽度上0.1升/分钟～20升/分钟。
所述的开放池内的培养液的深度可以是1～20厘米。
所补充的CO2可以是净化烟道气、工业CO2气体、纯净的CO2气体、混合有CO2的空气或其它气体、液态CO2等。
用于培养微藻的培养基可以是本领域熟知的任意适合微藻生长的培养基，如Zarrouk培养基、SM培养基、ASP2培养基、BG-11培养基等，也可以是针对某种藻特殊需要的培养基，只要该培养过程需要CO2。
本发明的装置形状为阱式，能够用于在开放池内大规模培养各种微藻过程中补充CO2，包括螺旋藻、雨生红球藻、盐藻、小球藻、衣藻等各种微藻。
本发明能够有效利用二氧化碳进行补碳，在养殖池内养殖微藻细胞，大大降低了生产成本。本发明的优点在于：
1)可以大大提高二氧化碳气体的利用率，在微藻生产中可以用二氧化碳气体代替NaHCO3作为碳源，大大降低生产成本。
2)直接利用CO2为碳源，可以维持适宜的培养环境，避免用NaHCO3为碳源时，碳酸钠积累造成培养液pH值升高、盐度过高，致使水资源大量浪费的现象。同时，由于水可以长时间或者重复使用，就可以避免随水排放大量营养盐的现象，只需要将被藻细胞利用的其他营养盐及时补充以维持适宜的浓度即可，从而大大减少营养盐的消耗。
3)直接利用CO2为碳源，使得水可以长时间或者重复使用，碳源和其他营养盐可以自动补充，从而可以在开放池内实现微藻的连续或半连续培养与采收，方便大规模自动化生产。
4)直接利用CO2为碳源可以在开放池内实现微藻的连续或半连续培养与采收，则培养液的厚度(深度)不再需要15～20厘米，可以减小到5厘米以下(甚至1厘米)，只要开放池底建造时的水平度足够即可。这样可以使驱动培养液混合的动力消耗大大减少。可以将传统的搅拌器(其搅拌方式和位置见图2)改为沉入水体搅拌以提高搅拌效率(其搅拌方式和位置见图5)，或与补碳装置合并为一个装置(其搅拌方式和位置见图3和4，其中搅拌器可以安装在隔板的上游侧或者下游侧，也可以两侧都安装)。
附图说明
图1.本发明的阱式补碳装置示意图。
图2.利用本发明的阱式补碳装置自动补碳的系统示意图。
图3.利用本发明的阱式补碳装置的一侧安装有搅拌器示意图(搅拌器半径小于阱式补碳装置的深度)。
图4.利用本发明的阱式补碳装置的一侧安装有搅拌器示意图(搅拌器半径与阱式补碳装置的深度相当)。
图5.本发明的阱式补碳装置的边上有与之配套使用的带有搅拌器的半圆形容器示意图。
图6.藻类培养液中的无机碳以HCO3 -、CO3 2和-游离的CO2在水溶液中的pH值的变化曲线。
附图标记
1.阱式容器 2.隔板 3.气体分布器
4执行机构 5.搅拌叶轮 6.阱式补碳装置
7.气体分布器 8.流量计 9.压力表
10.pH传感器 11.控制装置 12.CO2气源
13.微藻培养液面
具体实施方式
实施例1.
在跑道式培养池内进行螺旋藻培养。跑道池周长200米，宽2米，水深度15厘米。培养液的驱动装置为钢制叶轮，由马达带动。藻种来自中国科学院过程工程研究所，品种为钝顶螺旋藻(Spirulina Platensis)，培养基为Zarrouk培养基，培养液中碳酸氢钠的初始浓度为0.1mol/L。
采用自动补碳，自动控制方法见CN200410009360.4，实施方案系统参见图2。其中，pH传感器10为市售可蒸汽消毒的pH电极，控制装置11为带开关控制的pH计，CO2气源12为纯净的二氧化碳气体，执行机构4是两位常闭电磁阀(通径8毫米)，气体分布器7是型号为G2的玻璃砂芯分布板。补碳装置的外型尺寸为：阱式容器深1米、宽度为2米(与跑道池一致)、厚度为20厘米。材料：阱式容器为水泥(与培养池材质一样，在培养池底挖出阱式容器)。隔板为1.5厘米厚的塑料板，位于厚度方向的居中位置，宽度与阱式容器配合，隔板下端距阱式容器底部的距离为20厘米。在阱式容器底部装有4个玻璃砂芯气体分布器，分布器位于隔板的下游侧。跑道池内补碳装置的总个数为8个，每个装置的布局如图2，彼此之间间隔25米。按照CN200410009360.4所述的方法控制二氧化碳的补加，即依据培养液的pH值控制二氧化碳进气阀门的开启与关闭。本实施例中pH的控制范围为8.5～9.5。每个阱式容器内二氧化碳气体的流量(执行机构4开)为1.9L/min(纯二氧化碳，标况)，阱式容器内液体下降和上升的流速为15厘米/秒。当藻细胞密度达到1g(干重)/升时开始半连续采收，每3天采收20％的藻细胞，采收方法是将培养池内20％的培养液泵出经过滤后返回培养池，藻细胞收获后洗涤、干燥。连续培养2个月，期间定期检测其他营养盐的浓度并及时补充，并补充少量水以弥补水的蒸发损耗。单位面积藻细胞的产量达到10g(干重)/m2.d。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。每公斤藻粉(干重)消耗二氧化碳约2.29公斤。
实施例2.
同实施例1，但是碳酸氢钠的初始浓度改为0.2mol/L，每个阱式容器内二氧化碳气体的流量(执行机构4开)为4.0L/min(标况)。连续培养2个月，单位面积藻类的产量达到9.5g/m2.d。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。每公斤藻粉(干重)消耗二氧化碳约2.62公斤。
实施例3.
同实施例1，所不同的是pH控制范围为8.5～11.0，每个阱式容器内二氧化碳气体流量(执行机构4开)为4.0L/min(标况)。连续培养2个月，单位面积藻类的产量达到9.0g/m2.d。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。每公斤藻粉(干重)消耗二氧化碳约2.5公斤。
实施例4.
同实施例1，所不同的是阱式补碳装置的结构采用图4所示的结构。补碳装置阱式容器的深度为50cm，阱式容器厚度为55厘米，隔板距阱式容器右壁(下游侧)10厘米，气体分布器位于隔板的正下方。在阱式补碳装置的边上挖出半径为50厘米的1/4个圆形槽，槽底与阱式容器的底部接为一体，使搅拌器(半径45厘米)的位置降到搅拌轴与液面水平，以节省搅拌功耗。连续培养2个月，单位面积藻类的产量达到10.2g/m2.d。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。每公斤藻粉(干重)消耗二氧化碳约2.44公斤。
实施例5.
同实施例1，所不同的是将补碳装置的宽度调为150cm，深度为50cm，将补碳装置与培养池(培养池宽2米)之间的缺口堵死。每个阱式容器底部装有3个玻璃砂芯气体分布器。连续培养2个月，单位面积藻类的产量分别达到达到10.2g/m2.d。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。每公斤藻粉(干重)消耗二氧化碳约2.35公斤。
实施例6.
同实施例1，所不同的是通入压缩空气和二氧化碳的混合气体。每个阱式容器内混合气体流量(执行机构4开)为3.8L/min(标况)，含二氧化碳50％(分子分数)，连续培养2个月，单位面积藻类的产量分别达到10.3g/m2.d。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。每公斤藻粉(干重)消耗二氧化碳分别为2.62公斤。
实施例7.
同实施例1，所不同的是通入压缩空气和二氧化碳的混合气体。每个阱式容器内混合气体流量(执行机构4开)为6.0L/min(标况)，含二氧化碳20％(分子分数)，pH控制范围为9.0±0.2。连续培养2个月，单位面积藻类的产量达到12g/m2.d.获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。每公斤藻粉(干重)消耗二氧化碳约2.6公斤。
实施例8.
同实施例1，所不同的是二氧化碳气体流量为1.2L/min(标况)，pH控制范围为9.0±0.2。养殖取得成功，养殖取得成功，单位面积藻类的产量达到11.8g/m2.d.获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。每公斤藻粉(干重)消耗二氧化碳约2.5公斤。
实施例9.
人工检测pH并人工控制补碳，其它同实施例1。连续培养2个月，期间补充蒸发水和营养盐。2个月内单位面积藻细胞的产量达到10.1g(干重)/m2.d。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。每公斤藻粉(干重)消耗二氧化碳约2.3公斤。
实施例10.
同实施例1，但是补碳装置的个数减为4个，相互间隔50米。每个阱式容器内二氧化碳气体的流量(执行机构4开)为3.0L/min(标况)。连续培养2个月，单位面积藻类的产量达到9.5g/m2.d。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。每公斤藻粉(干重)消耗二氧化碳约2.4公斤。
实施例11.
同实施例1，但是补碳装置的个数为4个，相互间隔50米。通入压缩空气和二氧化碳的混合气体。每个阱式容器内混合气体流量(执行机构4开)为6.0L/min(标况)，含二氧化碳20％(分子分数)。连续培养2个月，单位面积藻类的产量达到9.5g/m2.d。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。每公斤藻粉(干重)消耗二氧化碳约3.05公斤。
实施例12.
同实施例1，所不同的是阱式补碳装置的结构采用图3所示的结构。培养液深度为5厘米，阱式容器厚度为55厘米，隔板在阱式容器中的位置居右(下游侧)距阱式容器右壁10厘米，气体分布器位于隔板的正下方。在阱式补碳装置的边上挖出半径为50厘米的1/4个圆形槽，使搅拌器(半径45厘米)的位置降到搅拌轴与液面水平，以节省搅拌功耗。每天采收20％的藻细胞。连续培养2个月，单位面积藻类的产量达到9.4g/m2.d。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。每公斤藻粉(干重)消耗二氧化碳约2.29公斤。
实施例13.
同实施例1，所不同的是培养液深度为2厘米，阱式补碳装置的结构采用图5所示的结构，搅拌器下挖出半圆形槽，使搅拌器的位置降到搅拌轴与液面水平，以节省搅拌功耗。每天采收50％的藻细胞。连续培养2个月，单位面积藻类的产量达到9.4g/m2.d。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。每公斤藻粉(干重)消耗二氧化碳约2.3公斤。
Claims (11)
1.一种用于开放池大规模培养微藻的补碳装置，包括阱式容器、隔板、气体分布器，其特征是：
一阱式容器，在阱式容器里安装有宽度与阱式容器配合的并与容器底部有10厘米～50厘米间隙的垂直的隔板，且隔板高出阱式容器的壁，在阱式容器底部安装有气体分布器。
2.根据权利要求1所述的补碳装置，其特征是：所述的阱式容器隔板的一侧或两侧安装有搅拌叶尖低于开放池底的搅拌器，或补碳装置的一侧或两侧安装有搅拌叶尖低于开放池底的搅拌器。
3.根据权利要求1或2所述的补碳装置，其特征是：所述的阱式容器的宽度与开放池的宽度一致。
4.根据权利要求3所述的补碳装置，其特征是：所述的阱式容器的宽度40厘米～500厘米，深度30厘米～300厘米，厚度20厘米～200厘米。
5.根据权利要求1、2或4所述的补碳装置，其特征是：所述的阱式容器的底部是平底、锥底或半圆底。
6.根据权利要求3所述的补碳装置，其特征是：所述的阱式容器的底部是平底、锥底或半圆底。
7.一种根据权利要求1～6任一项所述的补碳装置的使用方法，其特征是：将阱式补碳装置嵌入开放池的池底，阱式补碳装置的上端沿与开放池的池底吻合，隔板高出开放池中的培养液面，使得培养液在搅拌器的推动下由阱式补碳装置的一端流入阱式补碳装置中，流经阱式补碳装置的底部，再由阱式补碳装置的另一端流出；
阱式补碳装置中的培养液下降段和上升段的液体的流速为0.5厘米/秒～50厘米/秒；
阱式补碳装置底部的CO2气体流量，折合标准状况的纯CO2为每米宽度上0.1升/分钟～20升/分钟。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是：在阱式补碳装置的边上有与之配套使用的带有搅拌器的半圆形容器。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征是：所述的开放池内的培养液的深度是1～20厘米。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征是：所述的CO2气体是净化烟道气、工业CO2气体、纯净的CO2气体、混合有CO2的空气或液态CO2。
11.一种根据权利要求1～6任一项所述的补碳装置的用途，其特征是：用于培养包括螺旋藻、雨生红球藻、盐藻、小球藻或衣藻。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20091125 Termination date: 20201212 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |