CN101575567A - 一种光照培养微细藻类的方法及其反应器 - Google Patents

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Abstract

一种光照培养微细藻类的方法及其反应器，属于生物技术领域。本发明在微藻培养过程中通过二氧化碳供应装置向管道中注入二氧化碳，通过循环泵将来自于发酵罐的微藻液体培养物与注入的二氧化碳充分混合后在管道内流动，由于管道盘绕在圆柱形光源上，因此可以充分利用二氧化碳进行光合作用。从管道流出的微藻培养物进入发酵罐内后，通过搅拌浆搅拌和曝入的空气进行充分混合，然后再次泵入管道内形成流动循环。采用本发明光生物反应器，在通入1％～40％二氧化碳情况下，可以吸收固定曝气中40％～80％的二氧化碳，培养5天时间获得微细藻类细胞干重浓度达到3.5g/L以上，达到了高效吸收二氧化碳和高效培养微细藻类的目的。

Description

一种光照培养微细藻类的方法及其反应器
技术领域
本发明属于生物技术领域，特别是提供了一种将发酵罐与管道串联连接的组合式光生物反应器，用于高效固定二氧化碳和高效培养微细藻类的方法。
背景技术
微细藻类作为最简单的光合作用有机体，已经在地球上存活了二十多亿年，其通过光合作用为地球早期大气中氧气的产生以及动物的起源与发展奠定了重要的物质基础。据报道大气中90％以上的氧气由微藻产生，微藻的光合作用效率是一般植物的5～10倍，因此微细藻类在固定大气中二氧化碳方面发挥主要作用。随着科技的进步，微藻所具备的生长速度快、光合作用效率高和固定二氧化碳能力强等优点被逐步得到认识和开发，在保健食品、精细化工、医药和环境保护等方面得到了越来越广泛的应用。
一般认为微藻属于低等植物，通过吸收无机碳进行光合作用合成有机物是其最基本的培养方式。目前，产业化微藻培养主要有开放的池塘和跑道及封闭的管道培养等方式，一般来说微细藻类生长的碳源来自大气中的二氧化碳和培养基中的无机碳化合物。开放的微藻培养方式构建简单、系统造价和运行费用低，但光照和温度等环境因子难于控制，易受污染不能进行纯种的培养，不仅培养出的藻细胞浓度很低(细胞干重一般在0.5g/L左右)，加工成的藻粉质量差。封闭式反应器培养条件稳定，条件易于控制，光能和二氧化碳利用率较高，已成为近年来研究的发展方向。封闭式光生物反应器有管道式、平板式、柱状气升式、搅拌式发酵罐、浮式薄膜袋等，与开放的培养池和跑道相比，虽然在二氧化碳固定效率和光的利用率方面有所改善，培养物中的藻细胞干重浓度可以达到1.5g/L左右，但仍然存在二氧化碳利用率低、温度不容易控制和光照不充足等问题。因此研制一种既能够高效固定二氧化碳，又能够保证光照充分，同时还可以保持温度和pH稳定的新型光生物反应器，在减少二氧化碳的排放和培养获得大量微细藻类方面具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是研制一种既能够高效固定二氧化碳、又能够保证光照充分，同时还可以保持温度和pH稳定的新型光生物反应器，以满足高效培养微细藻类和高效固定二氧化碳的需要。
将液体培养基加入到发酵罐中，通过泵使发酵罐中的培养基进入与发酵罐密闭连接的管道中实现循环，经80～100℃1个小时的灭菌，冷却至20～30℃后接种小球藻培养物，经过由培养管道和圆柱形光源组成的管道式光生物反应器，进行光照自养培养；培养条件是发酵罐搅拌转速200～500转/分，通入空气进行曝气，采用pH探头在线全自动流加1％NaOH或1％HCl溶液控制pH在6.0～8.0之间，温度通过循环水控制在20～35℃；在管道进口处通入二氧化碳作为小球藻生长的碳源，通过泵使微细藻类培养物在发酵罐和管道中实现循环流动。
本发明实验所用藻种为一株我们自己筛选的具备自养和异养双重生长能力的小球藻-USTB01(Chlorella sp)，菌种保藏号：cgmcc No1448，保藏日期：2005年8月25日。
培养基组成如下(1000ml去离子水中)：MgSO47H2O 0.5～2.0g，Na2HPO412H2O 0.5～2.0g，KNO3 0.5～2.0g，CaCl2 10.0～50.0mg，EDTA-2Na 10.0～50.0mg，柠檬酸铁铵10.0～50.0mg。此配制的培养基初始pH为7.0～8.0。
利用上述方法，本发明提出一种发酵罐和管道组合式光生物反应器，包括发酵罐1、培养管道2、圆柱形光源3、循环泵4、气体流量计5和参数在线监控装置6。培养管道2盘绕在一个由透明材料组成的圆柱形光源3上，组成管道式光生物反应器。发酵罐和管道式光生物反应器以串联的形式连接，循环泵连接在藻液循环回路上，位于发酵罐与管道式光生物反应器之间，以使微细藻类培养物在发酵罐和管道中循环流动。
参数在线监控装置由自动流加装置、pH计、二氧化碳测定仪和参数控制单元组成。
本发明在微藻培养过程中通过二氧化碳供应装置向管道中注入二氧化碳，通过循环泵将来自于发酵罐的微藻液体培养物与注入的二氧化碳充分混合后在管道内流动，由于管道盘绕在圆柱形光源上，因此可以充分利用二氧化碳进行光合作用。从管道流出的微藻培养物进入发酵罐内后，通过搅拌浆搅拌和曝入的空气进行充分混合，然后再次泵入管道内形成流动循环。
本发明的优点在于：将微细藻类的发酵罐培养和管道培养的优点集于一身，在发酵罐中控制培养物的温度和pH，而在管道中使微细藻类进行充分的光合作用以固定二氧化碳。虽然在管道中培养微细藻类光合作用充分，但如果停留时间过长时产生的氧气会抑制微藻对二氧化碳的固定效率，同时由于强光会产生热，使管道中微藻培养物的温度升高，不利于微藻的高效培养和二氧化碳的固定。通过循环泵使微细藻类培养物在发酵罐和管道中循环流动，既避免了单纯采用发酵罐培养光照不充分、固定二氧化碳效率低的不足，又克服了单纯采用管道培养温度和pH难以控制的缺点。采用本发明光生物反应器，在通入1％～40％二氧化碳情况下，可以吸收固定曝气中40％～80％的二氧化碳，培养5天时间获得微细藻类细胞干重浓度达到3.5g/L以上，达到了高效吸收二氧化碳和高效培养微细藻类的目的。
附图说明
图1为本发明发酵罐与管道串联连接的组合式光生物反应器示意图。
图2为本发明仅采用发酵罐培养和采用发酵罐与管道串联连接的组合式光生物反应器培养小球藻USTB-01的生长曲线。横坐标为培养时间小时，纵坐标为小球藻培养物中的藻细胞干重浓度g/L。
图3为通入二氧化碳浓度均为3.0％下，本发明仅采用发酵罐培养和采用发酵罐与管道串联连接的组合式光生物反应器培养小球藻USTB-01过程中的二氧化碳吸收效率。横坐标为培养时间小时，纵坐标为二氧化碳吸收效率％。
具体实施方式
1、藻种的选择和培养用培养基：
本发明实验所用藻种为一株我们自己筛选的同时具备自养和异养双重功能的原核小球藻-USTB01(Chlorella sp)，菌种保藏号：cgmcc No1448，保藏日期：2005年8月25日。培养基组成如下(1000ml去离子水中)：MgSO4 7H2O 1.0g，Na2HPO4 12H2O 2.0g，KNO3 2.0g，CaCl2 30mg，EDTA-2Na 20mg，柠檬酸铁铵10mg。此配制的培养基初始pH为8.0。
2、发酵罐与管道组合式光生物反应器：
本发明采用的组合式光生物反应器主要由发酵罐和管道串联连接组成，通过泵使小球藻USTB-01培养物在发酵罐和管道中循环流动。使用的全自控发酵罐容积为50升，内部安装有4只15瓦的日光灯进行照明。发酵罐外层加热套控制温度，通过自动流加酸或碱溶液控制培养物pH在7.0，配备有转速可在200转/分到800转/分任意可调的搅拌桨和可通入气体的进气口，在发酵罐出气口安装有二氧化碳气体测定仪。使用的培养管道由硅胶管组成，内径15毫米，长13.5米，培养管道紧密缠绕在内部有1支40瓦日光灯照明的长1米外径30厘米的中空有机玻璃柱上，培养管道总容积为2.5升。在从发酵罐小球藻USTB-01培养物流入培养管道处安装有二氧化碳注入口，采用HX6540型潜水空气两用泵将发酵罐内的小球藻USTB-01培养物以4.2L/min的流速抽入到培养管道内进行循环流动，小球藻USTB-01培养物在发酵罐和培养管道的理论停留时间分别为6.6分钟和0.5分钟。
3、微藻的光照自养培养和CO2的高效固定
将液体培养基30升加入到发酵罐中，在打开泵使培养基在发酵罐和培养管道内流动循环的情况下，进行100℃加热灭菌1小时。待培养基冷却至30℃后，接种小球藻USTB-01培养物后进行培养，培养条件是搅拌转速200转/分，在发酵罐内通空气量为2m3/h，通过全自动流加NaOH或HCl溶液使培养物pH控制在7.0，温度恒定保持在30℃。如图1所示，培养管道进口处通入二氧化碳气体，经HX6540型潜水空气两用泵按流速为4.2L/min将发酵罐中的微藻培养物抽出打入培养管道，在盘绕于内部有光照透明柱的培养管道内，经充分的光合作用后，返回到发酵罐中进行循环。采用发酵罐与管道串联连接的组合式光生物反应器，可以高效固定二氧化碳和高效培养小球藻USTB-01，具有非常重要的应用价值。
图2为本发明仅采用发酵罐培养和采用发酵罐与管道串联连接的组合式光生物反应器培养小球藻USTB-01的生长曲线。图中显示，分别采用发酵罐和组合式光生物反应器对小球藻USTB-01进行培养，培养温度30℃，搅拌转速200转/分，pH控制在7.0连续培养5天后，单纯采用发酵罐培养，藻细胞干重浓度从初始的0.4g/L增长到0.8g/L，而采用发酵罐与管道串联的组合式反应器能够显著促进藻细胞生长，藻细胞干重浓度可达到3.5g/L，藻生物量提高了4倍以上(图2)。
图3为本发明仅采用发酵罐培养和采用发酵罐与管道串联连接的组合式光生物反应器培养小球藻USTB-01过程中的二氧化碳吸收效率。图中显示，在向反应器中通入空气量为2m3/h，二氧化碳浓度均为3.0％的条件下，单纯采用发酵罐培养，最高固定二氧化碳效率仅为20％，而采用发酵罐与管道串联的组合式反应器能够显著提高二氧化碳的固定能力，二氧化碳吸收效率高达79％。在培养小球藻的过程中，既获得了大量的微藻生物量，又达到了减少二氧化碳排放的目的。

Claims (3)

1、一种光照培养微细藻类的方法，其特征在于，将液体培养基加入到发酵罐中，通过泵使发酵罐中的培养基进入与发酵罐密闭连接的管道中实现循环，经80～100℃1个小时的灭菌，冷却至20～30℃后接种小球藻培养物经过绕在内部装有日光灯照明的圆柱形透明管的管道，进行光照自养培养；培养条件是发酵罐搅拌转速200～500转/分，通入空气进行曝气，在线全自动流加1％NaOH或1％HCl溶液控制pH在6.0～8.0之间，温度控制在20～35℃；在管道进口处通入二氧化碳作为小球藻生长的碳源，通过泵使微细藻类培养物在发酵罐和管道中实现循环流动。
2、一种光照培养微细藻类的反应器，其特征在于，反应器包括发酵罐(1)、培养管道(2)、圆柱形光源(3)、循环泵(4)、气体流量计(5)和参数在线监控装置(6)；培养管道(2)盘绕在一个由透明材料组成的圆柱形光源(3)上，组成管道式光生物反应器；发酵罐(1)和管道式光生物反应器以串联的形式连接，循环泵(4)连接在藻液循环回路上，位于发酵罐与管道式光生物反应器之间。
3、如权利要求2所述的光照培养微细藻类的反应器，其特征在于，参数在线监控装置由自动流加装置、pH计、二氧化碳测定仪和参数控制单元组成。
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