CN101735948B - 一种微藻培养方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微藻培养方法及装置，该方法包括：若干板式反应器和位置调整部件；板式反应器，用于培养选定藻种的微藻；所述位置调整部件，用于承载所述板式反应器并调整所承载的板式反应器的位置，使所述板式反应器能够根据所培养的微藻藻种及微藻各生长时期对光照强度的需求情况，移动到能够获得相应光照强度的位置。根据每个板式反应器中微藻对光照强度的不同需求，移动并调整其位置，以充分利用自然光，实现微藻的连续、高效培养。

Description

一种微藻培养方法及装置
技术领域
本发明涉及生物技术领域，尤指一种能够充分利用自然光的、规模化的微藻培养方法及装置。
背景技术
在传统的微藻培养中，根据微藻生长速度和比生长速度的变化情况，将微藻的生长分为迟缓期、对数生长期、平台期和衰退期四个时期。其中，迟缓期又称延滞期，适应期，这个时期是微藻刚接种到新的培养基中，由于处于新的生长环境中，在一段时间内并不能马上生长，该时期微藻的数量维持恒定、增加量很少。对数生长期是适应了新的培养基之后的一个快速生长阶段，该时期微藻的比生长速度最大，且能够保持一个恒定的最大比生长速度生长，使微藻细胞数量呈指数级递增。经过快速生长后，微藻进入平台期，然后再进入衰退期这两个时期微藻几乎不再生长，甚至会出现细胞数量衰减。如图1所示，即为在750nm的波长段测得的微藻生长整个周期的光密度(Optical Density，OD)变化趋势示意图。该图是以荒漠栅列藻为例的。
针对微藻培养过程中的不同生长时期，根据光合作用的原理，改变光合作用的某些条件，提高光合作用强度(指植物在单位时间内通过光合作用制造糖的数量)，是增加微藻产量的主要措施。如果能够减短迟缓期，使微藻尽快进入对数生长期，则可以使藻细胞快速生长；如果能够使尽可能地维持处于对数生长期微藻处于快速生长的状态下，则对微藻的生长将是极为有利的。
光合作用的条件主要包括光照强度、温度、CO2浓度等。目前的微藻培养装置已经能够很好的控制光合反应气体中CO2的浓度，而温度的控制比较困难，其控制成本偏高，而光照作为微藻生长必不可少的外界条件之一，直接影响了微藻的细胞生长和产品的积累，所以光照的调节在微藻培养过程中越来越受到关注。
现有技术中，对光照的调节一般有两种方式：一是使用人工光源，在培养过程中使用连续人工光源，不仅会增加成本投入、浪费能源，而且会导致培养微藻的光反应器内的温度大幅度的提高，超出微藻可以耐受的限度，对微藻生长造成不利影响。二是尽量减少光程，尽量减少光程会导致培养系统的体积变小，难以形成规模化培养，从而使微藻培养的成本提高，不利于微藻的工业化产业进程。
由于人工光源和缩短光程的调节方式成本都比较高，不利于微藻的培养，因此，自然光(即太阳光)就变成了微藻培养过程中最廉价和最适用的光源。由于自然光光照强度和照射角度，在一天当中随着太阳的东升西落在不断的变化中，光照强度和照射角度变化很大，且目前的光反应器一般是固定的，随着阳光照射角度的变化，照射到反应器上的光会随着照射角度的变化而变弱，因此，现有技术中的光反应器不能充分的利用自然光来促进微藻细胞的增长，而只能被动的接受自然光，从而不能根据微藻不同生长时期的对光照的需求，不能实现在光强需要比较强时最大限度的接收太阳光，在需求比较小时尽可能少的接收太阳光。例如：在对数生长期持续提供足够强的自然光照，在迟缓期、平台期和衰退期则不需要提供较强的阳光。
因此，对微藻接受自然光的光照强度的调节开始受到关注，公开号为CN101405385A的发明专利申请，公开了一种可以按季节性固定反应器的倾斜角度，每年调节两次，在一定程度上可以促进自然光的利用率，但上述方式仍然不能避免一天之中太阳东升西落所在成的光照强度和角度变化所带来的光照减弱的问题，无法满足连续培养的快速生长的需求。
由此可见，现有技术中由于目前微藻一般是在一个固定的反应器中进行整个生长周期的培养，且光反应器均不能实现针对微藻不同生长时期的不同需求来调整自然光的光照强度，从而为不同生长时期的微藻提供合适的光照强度，因此，不能充分合理的利用太阳光实现连续、高效的微藻培养。在微藻的规模化培养中，不能实现在低成本、低投入的情况下，获取尽可能好的生长效果以提高微藻产量。
发明内容
本发明实施例提供一种微藻培养方法及装置，用以解决现有技术中光反应器不能根据微藻的不同生长时期调整光照强度、不能充分合理的利用太阳光实现连续、高效的微藻培养的问题。
一种微藻培养装置，包括：若干板式反应器和位置调整部件、至少一个光强测定仪以及控制部件；
所述板式反应器，用于培养选定藻种的微藻；
所述位置调整部件，用于承载所述板式反应器并调整所承载的板式反应器的位置，使所述板式反应器能够根据所培养的微藻藻种及微藻各生长时期对光照强度的需求情况，移动到能够获得相应光照强度的位置；
所述光强测定仪，用于测定太阳光在各方位的光照强度，得到光强参数，以便根据所述光强需求情况和所述光强参数，确定各板式反应器需要调整到的位置；
所述控制部件，用于根据各所述板式反应器中的微藻藻种及微藻的生长时期，确定各所述板式反应器中微藻的光强需求情况；以及根据所述光强需求情况和所述光强参数，确定各板式反应器需要调整到的位置，并控制所述位置调整部件将所承载的板式反应器调整到相应的位置。
一种微藻培养方法，采用上述的微藻培养装置，包括：
将选定的至少一种藻种的微藻置于微藻培养装置中的若干板式反应器中培养；
微藻培养装置中用于承载所述板式反应器的位置调整部件，根据各板式反应器中所培养的微藻藻种及微藻各生长时期对光照强度的需求情况，移动所述板式反应器到能够获得相应光照强度的位置。
本发明实施例提供的微藻培养方法及装置，微藻培养装置中用于承载所述板式反应器的位置调整部件，根据各板式反应器中所培养的微藻藻种及微藻各生长时期对光照强度的需求情况，移动所述板式反应器到能够获得相应光照强度的位置。上述方法能够根据每个板式反应器中微藻对光照强度的不同需求，调整板式反应器的位置，以最大限度地充分利用自然光，使进行光合作用的微藻细胞快速生长。通过在不同的板式反应器中接种不同种类和/或不同生长时期的微藻，实现微藻的连续、高效培养。
附图说明
图1为现有技术中一种微藻各生长时期OD值变化趋势示意图；
图2为本发明实施例中微藻培养装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中微藻培养方法的流程图；
图4为本发明实施例一中微藻培养装置的立体结构示意图；
图5为本发明实施例一中微藻培养装置的俯视图；
图6为本发明实施例一中三角褐指藻各生长时期OD值变化趋势对比图；
图7为本发明实施例一中牟氏角毛藻各生长时期OD值变化趋势对比图；
图8为本发明实施例二中微藻培养装置的立体结构示意图；
图9为本发明实施例二中微藻培养装置的俯视图；
图10为本发明实施例三中微藻培养装置的立体结构示意图；
图11为本发明实施例三中板式反应器的结构示意图；
图12为本发明实施例三中微藻收集部件的结构示意图；
图13为本发明实施例四中微藻培养装置的立体结构示意图；
图14为本发明实施例四中微藻培养装置的俯视图；
图15为本发明实施例四中板式反应器的结构示意图；
图16为本发明实施例四中微藻各生长时期OD值变化趋势对比图；
图17为本发明实施例五中微藻培养装置的结构示意图；
图18为本发明实施例五中微藻培养装置的俯视图。
具体实施方式
本发明实施例提供的微藻培养装置，其结构如图2所示，包括：若干板式反应器10和位置调整部件40。其中：
板式反应器10，用于培养选定藻种的微藻。
光强测定仪20，用于实时测定太阳光在各方位的光照强度，得到光强参数并发送给控制部件30。光强测定仪30安装在位置调整部件40或至少一个板式反应器10上。光强测定仪30测定太阳光在各方位的光照强度得到的光强参数与太阳高度角、太阳方位角相关。本申请中主要是针对太阳方位角的变化，对光反应器接收光照的方位和角度进行调整的。
控制部件30，用于根据各板式反应器10中的微藻藻种及微藻的生长时期，确定各板式反应器10中微藻的光强需求情况；以及根据光强需求情况和光强测定仪20得到的光强参数，确定各板式反应器10需要调整到的位置。
位置调整部件40，用于承载板式反应器10，并调整所承载的板式反应器10的位置，使板式反应器10能够根据所培养的微藻藻种及微藻各生长时期对光照强度的需求情况，移动到能够获得相应光照强度的位置。
上述微藻培养装置，还包括：控制部件30，用于根据各板式反应器10中的微藻藻种及微藻的生长时期，确定各板式反应器10中微藻的光强需求情况；以及根据光强需求情况和表征太阳光在各方位光照强度的光强参数，确定各板式反应器10需要调整到的位置，并控制位置调整部件40将所承载的板式反应器调整到相应的位置。
上述微藻培养装置，还包括：至少一个光强测定仪20，用于测定太阳光在各方位的光照强度，得到光强参数并发送给控制部件30。
上述微藻培养装置，还包括：与板式反应器10的曝气管(即进气管)相连的通气装置50，用于向板式反应器10通入设定流量的空气与二氧化碳的混合气体。
采用上述微藻培养装置培养微藻的方法流程如图3所示，执行步骤如下：
步骤S11：将选定的至少一种藻种的微藻置于微藻培养装置中的若干板式反应器中培养。
微藻培养装置中的多个板式反应器中可以培养同一种微藻，并在不同的时间接入，使其处于不同的生长时期，具有不同的光照强度需求。也可以培养两种以上的微藻，并将这两种以上的微藻接种到不同区域的板式反应器中，根据不同种类的微藻对光照强度的不同需求，调节反应器的位置。
微藻光合作用所需的设定流量的空气与二氧化碳的混合气体，通过与板式反应器的曝气管相连的通气装置通入。
步骤S12：通过光强测定仪确定光强参数，发送给控制部件。
上述微藻培养装置中的光强测定仪可以实时的监控和测定太阳光在各方位的光照强度，根据太阳光在板式反应器所在空间的各个方位的光照强度得到光强参数，并发送给微藻培养装置中的控制部件。其中，各个方位的光照强度与太阳高度角、太阳方位角相关，一天之中太阳光在板式反应器所在空间的各个方位的光照强度随着太阳的东升西落所导致的太阳方位角的变化而变化。
该光强测定仪测量并确定光强参数步骤不是必须的，可以不执行，而根据日常对所述微藻培养装置所在地的太阳光各方位照射强度的经验值确定。
步骤S13：确定各板式反应器中微藻的光强需求情况。
各板式反应器中微藻的光强需求情况由微藻培养装置中的控制部件根据各板式反应器中的微藻藻种及微藻的生长时期确定。
该步骤可以由控制部件确定，也可以人为确定。
步骤S14：确定各板式反应器需要调整到的位置。
一般根据太阳光照强度的变化，以及各板式反应器中微藻的光强需求情况，来确定将板式反应器调整到哪个位置区域或将其调整至哪个位置方位。也就是说，可以根据微藻的光强需求情况和步骤S12中确定出的光照参数确定各板式反应器需要调整到的位置。
该步骤可以由控制部件实现确定各板式反应器需要调整到的位置，也可以人为确定。
步骤S15：将培养微藻的板式反应器调整到相应的位置。
微藻培养装置中用于承载板式反应器的位置调整部件，根据各板式反应器中所培养的微藻藻种及微藻各生长时期对光照强度的需求情况，移动板式反应器到能够获得相应光照强度的位置。
位置调整可以通过控制部件控制实现，也可以由人工实现推动实现。通过控制部件实现时，具体为通过微藻培养装置中的控制部件控制用于承载板式反应器的位置调整部件将所承载的板式反应器调整到相应的位置。
也就是说，在微藻培养装置中控制部件和光强测定仪都不是必须的，本申请的核心是能够实现板式反应器的移动，以调整光照强度。
当在微藻培养装置的不同区域中的板式反应器内接种不同种类的微藻时，根据每一种微藻的生长时期确定光强需求情况，根据光强参数，将用于培养需要光照强度最大的、处于对数生长期的微藻的板式反应器通过位置调整部件调整至光光照强度最强的区域中。
当在所述微藻培养装置的若干板式反应器内接种处于不同生长时期的不同浓度的微藻时，由控制部件根据板式反应器中微藻的生长时期，确定优先级最高的一个板式反应器，将优先级最高的板式反应器通过位置调整部件调整至光照强度最强的位置处。
其中，在微藻培养装置的若干板式反应器内接种处于不同生长时期的不同浓度的微藻时，具体可以在第一板式反应器中接种选定藻种的微藻，当微藻藻液增长至设定浓度时，通过位置调整部件第一板式反应器中设定比例的微藻藻液输送给第二板式反应器进行接种培养。
在实际应用中，上述微藻培养装置可以设计成各种可以实现根据太阳各方位的光照强度调整板式反应器位置的微藻培养装置，在下面的实施例中详细介绍上述微藻培养装置的各种具体结构。
实施例一：
本发明实施例一提供的微藻培养装置，是一种具有圆形轨道的轨道式培养装置，其立体结构如图4所示，俯视图如图5所示，包括：若干板式反应器11、光强测定仪21、控制部件31、以及由圆形轨道411(移动轨道)和移动支架412组成的位置调整部件41。其中，位置调整部件41中还包括动力单元，动力单元在图4和5中未标示。
也就是说，位置调整部件，包括：动力单元、圆形的移动轨道411和移动支架412。其中，动力单元，用于在控制部件31的控制下驱动移动支架412沿移动轨道411运动；移动支架412在动力单元的驱动下沿圆形的移动轨道411运动，带动所承载的板式反应器11沿圆形轨道411移动，将板式反应器11调整到相应的位置处。
移动支架412底部装有滑轮，滑轮能够与圆形轨道411配合，并在动力单元的驱动下转动，实现带动移动支架412沿圆形轨道411移动。
上述微藻培养装置还包括：安装在圆形轨道411的选定位置处的微藻收集组部件61，用于收集板式反应器11中培养的待收集的微藻。例如：图中所示的是安装在圆形轨道北面的位置上。
上述各板式反应器11培养微藻所需的混合气体通过通气装置供给。
图中光强测定仪是以安装在3区中为例，当然也可以安装在其他区域中，既可以安装在某一个板式反应器上，也可以安装在反应器支架或圆形轨道上。
较佳的，上述微藻培养装置可以在位于不同区域中的板式反应器内接种不同种类的微藻，由控制部件根据每一种微藻的生长时期确定光强需求情况，根据光强参数，将培养需要光照强度最大的、处于对数生长期的微藻的板式反应器通过圆形轨道和移动支架调整至光光照强度最强的区域中。
以在上述微藻培养装置培养两种对光照强度需求不同微藻为例，按照所培养的两种微藻的生长时期及对光照强度的需求情况，调整微藻培养装置中板式反应器的位置，为所培养的微藻提供合适光照。
例如：培养牟氏角毛藻(Chaetoceros mualleri)和三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)两种不同的微藻，其中，牟氏角毛藻(FACHB-862)购自武汉中科院水生所，三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)购自中科院海洋所。对数生长期的牟氏角毛藻的光照强度需求为200±50umol/(m2.s)，对数生长期的三角褐指藻的光照为100±50umol/(m2.s)。
在图4的轨道式培养装置中，按照方位的不同可以划分为6个区域，其中，位于北面的区域为5区，沿顺时针方向依次为4、3、1、2、6区。将已处于对数生长期的三角褐指藻接种到1，2，6区的板式反应器中，用改良的f/2培养液作为培养基，接种的比率为3∶1，微藻藻液的初始OD750为0.519(在750nm的波长段测得，本申请中下面提到的OD值均在750nm的波长段测得，后续不再说明)。将已处于对数生长期的牟氏角毛藻接种到3，4，5区的板式反应器中，接种的微藻藻液的初始OD750值为0.652。接种微藻之后，从各板式反应器的底部曝气头通入CO2和空气的混合气体，通气量为2.5L/min，混合气体中CO2的浓度为5％。
例如接种时间选在下午16:00左右，此时，由光强测定仪可以测定出西面的光强大于东面时，则板式反应器沿顺时针旋转，使接种光强需求比较大的牟氏角毛藻的原3，4，5区的板式反应器旋转至西面。在一天当中，根据光强测定仪的测定结果，由控制部件控制板式反应器沿圆形轨道移动，以3区的板式反应器为例，其移动的方向依次为3→1→2→6→5→4区。板式反应器的沿圆形轨道的运动由控制部件控制动力单元驱动移动支架沿圆形轨道运动，由移动支架带动所承载的板式反应器沿圆形轨道移动，将板式反应器调整到相应的位置处。具体通过移动支架底部安装的滑轮在动力单元的驱动下转动带动移动支架沿圆形轨道移动。
上述改良的f/2培养液的成分如下表1所示.
表1
  营养物质   浓度(mg/L)
  NaNO3   37.5
  尿素   15
  Na2SiO3.9H2O   30
  NaH2PO4.2H2O   5.66
  Na2HPO4   5.15
  FeCl3.6H2O   3.162
  Na2.EDTA   3.419
  CuSO4.5H2O   0.01
  ZnSO4.7H2O   0.023
  CoCL2.6H2O   0.012
  MnCL2.4H2O   0.18
  Na2MoO4.2H2O   0.07
  VB1   0.1
  VB12   0.5×10-3
  生物素   0.5×10-3
  MgCl2.7H2O   7.5
  海水晶   30
上述表1中，海水晶是一种常用模拟海水的物质，本申请中配制改良的f/2培养液时的海水晶购自天津中盐海洋生物科学有限公司。
该实施方案中将光照强度需求不同的微藻放在圆形轨道不同位置的板式反应器中培养，当太阳照射角度变化时，通过调整板式反应器的位置使其接受阳光的角度和方位有所不同，可以最大限度地利用自然光，来满足各个微藻的生长需求。当微藻由对数生长期达到平台期时，将板式反应器沿圆形轨道移动至位于北面的收集部件位置处进行收集。
通过上述具体试验得到的三角褐指藻和牟氏角毛藻的培养结果，与现有技术中采用固定的板式反应器(对照组)的培养结果对比，如图6和图7所示。其中，图6为采用上述可移动的板式反应器(移动反应器)培养的三角褐指藻与固定的板式反应器培养的三角褐指藻的OD(OD750)值对比曲线图，由图6中可以看出，采用可移动的板式反应器的培养结果优于固定的板式反应器，其生长速率约提高到了原来的1.25倍。图7为采用上述可移动的板式反应器培养的牟氏角毛藻与固定的板式反应器培养的牟氏角毛藻的OD(OD750)值对比曲线图，由图7中可以看出，采用可移动的板式反应器的培养结果优于固定的板式反应器，其生长速率约提高到了原来的1.967倍。
实施例二：
本发明实施例二提供的微藻培养装置，是一种具有椭圆形轨道的轨道式培养装置，其立体结构如图8所示，俯视图如图9所示，包括：若干板式反应器12、光强测定仪22、控制部件32、以及由椭圆形轨道421(移动轨道)和移动支架422组成的位置调整部件42。其中，位置调整部件42中还包括动力单元，动力单元在图8和9中未标示。
也就是说，位置调整部件，包括：动力单元、椭圆形的移动轨道421和移动支架422。其中，动力单元，用于在控制部件32的控制下驱动移动支架422沿移动轨道421运动；移动支架422在动力单元的驱动下沿椭圆形的移动轨道421运动，带动所承载的板式反应器12沿椭圆形轨道421移动，将板式反应器12调整到相应的位置处。
移动支架422底部装有滑轮，滑轮能够与椭圆形轨道421配合，并在动力单元的驱动下转动，实现带动移动支架422沿椭圆形轨道421移动。
上述微藻培养装置还包括：安装在椭圆形轨道421的选定位置处的微藻收集组部件62，用于收集板式反应器12中培养的待收集的微藻。例如：图8和9中所示的是安装在圆形轨道北面的位置上。
上述各板式反应器12培养微藻所需的混合气体也通过通气装置供给。
图中是每个板式反应器上安装一个光强测定仪是以为例，当然也可以只在某一个板式反应器上安装，或在反应器支架或椭圆形轨道上安装。
较佳的，上述微藻培养装置可以在位于不同区域中的板式反应器内接种不同种类或相同种类的微藻。可以在不同的时间接入接种相同种类的微藻，或在同一时间接入处于不同生长期的微藻。由控制部件根据每一种微藻的生长时期确定光强需求情况，根据光强参数，将用于培养需要光照强度最大的、处于对数生长期的微藻的板式反应器通过椭圆形轨道和移动支架调整至光光照强度最强的区域中。
以在上述微藻培养装置培养处于不同生长期的微藻为例，按照微藻不同生长时期及对光照强度的需求情况，将处于不同生长时期的微藻接入到不同区域的板式反应器中，当微藻的生长时期发生变化时，调整板式反应器的位置，以适应不同生长期对光照强度的不同要求。
例如：将购自武汉中科院水生所的牟氏角毛藻(Chaetoceros mualleri)(FACHB-862)分批次分别在不同的时间接种到上述微藻培养装置的不用区域中。其中，在图8和9的轨道式培养装置中，按照方位的不同可以划分为4个区域，位于北面的区域为1区，沿顺时针方向依次为1、3、2、4区。培养的流程具体为：
首先，在1区中的板式反应器中接种牟氏角毛藻用改良的f/2培养液作为培养基，接种的比率为3∶1，微藻藻液的初始OD750为0.598，接种期所需的光照强度为100±25umol/(m2.s)。接种微藻之后，从各板式反应器的底部曝气头通入CO2和空气的混合气体，通气量为2.5L/min，混合气体中CO2的浓度为5％。此时，微藻处于延滞期，轨道保持静止状态，一天后，过了延滞期该轨道开始运转，运转方向为1-3-2-4区，即将原来位于1区中的板式反应器调整至光照强度较佳的2区。第五天之后，在调整后位于1区中的板式反应器中新接种一批微藻，接种浓度和接种比例同前，在接种一天之后的第六天，即新接种的微藻过了延滞期之后，根据安装在所有板式反应器上的光强测定仪和各个板式反应器中微藻对光照强度的需求情况，确定将新接种了微藻的1区中的反应器调整至2区，如此循环。同样的，3区和4区中的板式反应器也可以参与上述循环培养过程，
当某个板式反应器中的微藻生长至平台期时，即可以通过椭圆形轨道将该板式反应器移动至收集部件的位置处，统一进行收集。图8和9中所示的收集部件位于北面。
上述当板式反应器中的微藻处于不同生长时期时，调整板式反应器至不同的位置区域中，来获取不同的光照强度。由于延滞期初始细胞浓度低，生长缓慢，平台期微藻生长也已经趋于缓慢，因此需要的光照强度低；对数生长期，细胞快速生长，细胞生长所需的光照强度高，当板式反应器中的微藻处于对数生长期时，调整至强光区；当板式反应器中微藻处于延滞期和平台期时，调整至弱光区。在每个板式反应器上安装光强测定仪，测定板式反应器所在区域360度范围内各个方向的光强，找到最佳的光照角度，并通过控制部件控制位置调整部件的驱动单元驱动位置调整部件沿椭圆形轨道运动，实现将板式反应器调整到所需的位置处。这样既保证了对数生长期的高光强需求，同时又会由于光照强度太高，而杀死处于延滞期或平台期的状态不佳的藻细胞。
实施例三：
本发明实施例三提供的微藻培养装置，是一种具有圆形轨道的轨道式培养装置，其立体结构如图10所示，包括：若干板式反应器13(如图10中所示的板式反应器13(a)、13(b)、13(c)、13(d)等)、光强测定仪23、控制部件33、以及由圆形轨道431(移动轨道)和转动支架432组成的位置调整部件43。其中，位置调整部件43中还包括动力单元，动力单元在图10中未标示。
也就是说，位置调整部件43，包括：动力单元、圆形的移动轨道431和转动支架432。其中，转动支架432底部安装有滑轮，滑轮能够沿圆形轨道431运动，通过滑轮的运动使转动支架432绕圆形轨道431的中心转动。转动支架432再带动所承载的板式反应器13绕圆形轨道431的中心转动，将板式反应器13调整到相应的位置处。其中滑轮安装在圆形轨431的凹槽内，可在凹槽内转动前进。
上述板式反应器13(包括13(a)、13(b)、13(c)、13(d)等)放置在转动支架432上，呈放射状。其结构如图11所示，板式反应器13上除了设置的光强测定仪23之外，其本身的结构具体包括：反应容器131和透光性好的有机玻璃盖132，设置在反应容器131上方两侧的的曝气管133和设置在反应容器131上方中间的排气口134，以及设置在反应容器131外侧上端的进料阀门135和设置在底部外侧的排水口136。其中，曝气管133用于导入光合反应所需要的混合气体，排气口134用于排出反应后的气体。进料阀门135用于接种注入微藻的培养液，排水口136可用于排出微藻藻液，以便收集微藻。曝气管133、排气口134、进料阀门135和排水口136等结构的设计位置不限于图中所示的位置，其他实施例中的板式反应器也具有相应的结构，其设计位置也不限与图11中所示。
上述微藻培养装置还包括：通气装置53，通气装置53上有硅胶管与各板式反应器12上的曝气管相连。
上述微藻培养装置还包括：安装在圆形轨道431下方的微藻收集组部件63，微藻收集部件63如图12所示，为倒置圆锥型的收集部件。微藻收集部件63的圆锥型631外沿向外延伸出法兰盘633，该法兰盘633与圆形轨道431的内侧边缘相连接。微藻收集部件63用于收集板式反应器13中培养的待收集的微藻。如图12所示，微藻收集部件63的倒置圆锥型631的顶尖部位，设置出口阀632，通过出口阀632的开启和关闭实现控制收集的微藻从收集装置中的导出或存放。
图10中是每个板式反应器13上安装一个光强测定仪23是以为例，当然也可以只在某一个板式反应器13上安装，或在转动支架432或圆形轨道431上安装。
较佳的，上述微藻培养装置可以在位于不同的板式反应器13内接种不同生长时期的不同种类或相同种类的微藻(即接种不同浓度的微藻藻液)，即接种微藻时，在不同的时间接入。由控制部件根据板式反应器13中微藻的生长时期，确定优先级最高的一个板式反应器13；将优先级最高的板式反应器13通过圆形轨道431和转动支架432调整至光照强度最强的位置处。
例如：将配置好的一定体积的培养液由进料阀门135注入板式反应器13(a)、13(b)、13(c)、13(d)中，然后关闭进料阀门135。在板式反应器13(a)、13(b)、13(c)、13(d)中接种由高到低四个浓度的微藻。其中，控制部件33根据接种浓度确定板式反应器13(a)的优先级最高。随着光照强度的变化，控制部件33控制板式反应器13随转动支架运动，维持板式反应器13(a)上安装的光强测定仪在最大读数。
经过一段时间的培养，板式反应器13(a)中的微藻进入平台期，则可以打开板式反应器13(a)底部的排水口，将微藻藻液注入到微藻收集部件63中，收集微藻细胞，最后微藻细胞经过冲洗清洁后通过微藻收集部件63上的阀门632汇总收集。在从板式反应器13(a)中收集微藻时，可以留下部分微藻藻液作为接种用的藻种，通过进料阀门135加入新鲜的培养基，开始进行下一轮培养。
并且控制部件33重新确定优先级最高的板式反应器13，例如：此时板式反应器13(b)的优先级变为最高，则随着光照强度的变化，控制部件33控制板式反应器13随转动支架432运动，维持板式反应器13(b)上安装的光强测定仪在最大读数。以此类推，循环培养各个板式反应器13中的微藻。并确保按照接种浓度高低，微藻处于不同的光强区域中，随着微藻细胞浓度的增大，光照强度随着增加，满足藻细胞不同生长阶段对光强的需求。
实施例四：
本发明实施例四提供的微藻培养装置，是一种具有旋转转台结构的旋转式培养装置，其立体结构如图13所示，俯视图如图14所示，包括：板式反应器14、光强测定仪24、控制部件34、以及由旋转转台441和反应器支架442组成的位置调整部件44。其中，位置调整部件44中还包括动力单元，动力单元在图13和14中未标示。
反应器支架442，用于支撑板式反应器14。动力单元，用于在控制部件34的控制下驱动旋转转台441作旋转运动。旋转转台441在动力单元驱动下作转动，带动反应器支架442围绕旋转转台441的轴线转动，将反应器支架442上的板式反应器14调整到相应的位置处。
图13和14中，旋转转台441上仅安装一个反应器支架442，反应器支架442上安置一个板式反应器14。安装的反应器支架442的中心线、板式反应器14的中心线与旋转转台441的旋转中心重合。旋转转台441通过自身的转动，带动反应器支架442及所承载的板式反应器14均绕各自的中心线作旋转运动，调整板式反应器14接收光照的角度。当然，实际应用中也可以允许偏离，依然能够实现位置调整。
本实施例中，光强测定仪24具体包括为旋转转台441上安装的感光物质，感光物质用于感应太阳光照，确定光强参数；以及控制部件34根据光强参数控制旋转转台441随光强参数中包含的各方位的光照强度的变化而转动。
上述微藻培养装置还包括：用于收集板式反应器14中培养的微藻的微藻收集组部件和用于为板式反应器14提供设定流量的混合气体的通气装置。
上述板式反应器14的结构可以如图15所示，包括反应容器141，设置在反应容器141外侧下端的出料口142和设置在底部过滤口143和排水口144。其中，出料口142用于收集微藻。过滤口143和排水口144用于排出藻液，过滤口143处安装滤膜，且滤膜上下均安装有塞盖，排水口144处也安装有塞盖。板式反应器14上也设置曝气管、排气口、进料阀门等结构，图中未进行标示。
图13和14中是以采用感光物质测定光照强度为例进行说明的，当然也可以在板式反应器14或旋转转台441上安装光强测定仪。
在上述微藻培养装置的板式反应器中接种设定浓度的微藻，通过板式反应器的转动实现半连续的培养。例如，在板式反应器中接种荒漠栅列藻(Scenedesmus deserticola)，荒漠栅列藻购自暨南大学。采用BG11培养基培养，接种比例为3∶1，接种浓度初始OD750为0.6～0.8，在自然光下培养，培养温度保持在为25±5℃。
上述采用的BG11培养液的成分如下表2所示。
表2
  营养物质   浓度(mg/L)
  NaNO3   1500
  K2HPO4   39mg
  MgSO4·7H2O   75mg
  CaCl2   27mg
  柠檬酸   6mg
  柠檬酸铁   6mg
  EDTA   1mg
  NaCO3   20mg
  Na2SiO3·9H2O   58mg
  H3BO3   2.86mg
  MnCl2   1.81mg
  ZnSO4·7H2O   0.222mg
  Na2MoO4·2H2O   0.391mg
  CuSO4·5H2O   0.079mg
  Co(NO3)2·6H2O   0.0494mg
接种完成后，通过曝气管通入空气和CO2的混合气体，通气量为2.5L/min，CO2的百分含量为5％，培养时间为12天。通过旋转转台441上安装的感光物质感应太阳光照，确定各方位的光照强度，得到光强参数，由控制部件34根据一天之中光强参数的变化(具体为光强参数中各方位的光照强度的变化)，控制板式反应器在旋转转台的带动下板式反应器绕中心线旋转，实现根据各方位的光照强度的变化调整板式反应器接收光照的角度。从而使得板式反应器可以随着太阳的转动而转动，以最大限度地利用自然光。
图16为采用上述可旋转的板式反应器(可移动反应器)培养的荒漠栅列藻与固定的板式反应器(传统反应器)培养的荒漠栅列藻的OD(OD750)值对比曲线图，由图16中可以看出，采用可旋转的板式反应器的培养结果优于固定的板式反应器，其生长速率约提高到了原来的1.518倍。
培养流程结束后，打开过滤口143，培养液废液流走，从出料口142处收集微藻，并剩余少量藻种，通过过滤口143反冲入新鲜的培养液，以实现接种、收集和膜清洗的三者统一，减少繁琐步骤，从而降低成本。另外，当不剩余藻种，单纯地接种时，将培养液从排水口144处直接排出。
实施例五：
本发明实施例五提供的微藻培养装置，是一种具有旋转转台结构的旋转式培养装置，其立体如图17所示，俯视图如图18所示，包括：板式反应器15、光强测定仪25、控制部件35、以及由旋转转台451和若干反应器支架452组成的位置调整部件45。其中，位置调整部件45中还包括动力单元，动力单元在图17和18中未标示。
反应器支架452，用于支撑板式反应器15。动力单元，用于在控制部件35的控制下驱动旋转转台451作旋转运动。旋转转台451在动力单元驱动下作转动，带动反应器支架452围绕旋转转台451的轴线转动，将反应器支架452上的板式反应器15调整到相应的位置处。
图17和18中，旋转转台451上仅安装若干反应器支架452，反应器支架452的一端与旋转转台451连接，每个反应器支架452上远离旋转转台451的旋转中心的另一端上安置一个板式反应器15。旋转转台451通过自身的转动，带动反应器支架452绕旋转中心摆动。反应器支架452带动所承载的板式反应器15沿以旋转转台451的旋转中心为圆心的圆周运动，实现调整板式反应器15接收光照的角度。如图17和18中所示，反应器支架452是从旋转转台451的伸出的若干杆状结构，若干反应器支架452可以通过预留的孔安装进旋转转台451伸出的轴上，通过轴和孔的配合实现反应器支架452沿旋转转台451的轴转动。多个反应器支架452也可以通过螺纹连接的方式连接在旋转转台451的台面上。
本实施例中，光强测定仪25可以是旋转转台451上安装的感光物质，感光物质用于感应太阳光照，确定光强参数；以及控制部件35根据光强参数控制旋转转台451根据光强参数中各方位的光照强度的变化而转动。当然也可以在板式反应器15或旋转转台451上安装光强测定仪25。图17和18中是以安装光强测定仪25测定光照强度为例进行说明的。
上述微藻培养装置还包括：用于收集板式反应器15中培养的微藻的微藻收集组部件和用于为板式反应器15提供设定流量的混合气体的通气装置。
上述微藻培养装置还可以包括：支架抬升单元75，用于抬升反应器支架452至设定的高度，使反应器支架452上的板式反应器15的高度高于其他板式反应器支架452上的板式反应器15的高度。将抬升后的反应器支架452旋转至与选定的其他板式反应器452支架重叠的位置处，实现将抬升后的板式反应器中的微藻藻液输送给位置重叠后的其他板式反应器15。当采用轴孔结合的方式安装反应器支架452时，只能抬升位于最上边的一个反应器支架452。不采用轴孔结合的方式时，则可以抬升任意一个反应器支架452。
较佳的，上述微藻培养装置可以在位于不同的板式反应器15内接种不同生长时期的不同种类或相同种类的微藻(即接种不同浓度的微藻藻液)，即接种微藻时，在不同的时间接入。由控制部件根据板式反应器15中微藻的生长时期，确定优先级最高的一个板式反应器15；将优先级最高的板式反应器15通过旋转转台451和反应器支架452调整至光照强度最强的位置处。
上述微藻培养装置在不同的时间接种微藻时，具体包括：在第一板式反应器中接种选定藻种的微藻，当微藻藻液增长至设定浓度时，通过支架抬升单元75将承载述第一板式反应器的反应器支架抬升至设定高度，并旋转至与选定的承载第二板式反应器的反应器支架重叠的位置处，将第一板式反应器中设定比例的微藻藻液输送给第二板式反应器。
在上述微藻培养装置的板式反应器中接种设定浓度的选定藻种的微藻，通过板式反应器的转动实现连续的培养。例如，首先在1号板式反应器中接种对数生长期的牟氏角毛藻(Chaetoceros mualleri)(FACHB-862)，牟氏角毛藻可购自武汉中科院水生所。采用改良的f/2培养液培养，接种比例为3∶1，接种浓度初始OD750为0.816，在自然光下培养，培养温度保持在为30±5℃。
接种完成后，通过曝气管通入空气和CO2的混合气体，通气量为2.5L/min，CO2的百分含量为5％，培养时间为12天。通过至少一个板式反应器15上安装的光强测定仪25确定各方位的光照强度，得到光强参数，由控制部件35根据一天之中光强参数的变化(具体为光强参数中各方位的光照强度的变化)，控制板式反应器在旋转转台的带动下板式反应器绕中心线作圆周运动，实现随各方位的光照强度的变化调整板式反应器接收光照的角度。从而使得板式反应器可以随着太阳的转动而转动，以最大限度地利用自然光。
例如：如图中所示，1号板式反应器15上安装光强检测仪，接种完成后，根据各板式反应器15中的微藻的藻种和生长时期，确定1号板式反应器15的优先级最高，则360度可转动式的光强检测仪首先检测对1号板式反应器15而言，最适合的光照方向，即使1号板式反应器15上的光强检测仪读数最大的方位，在控制部件35的控制下将1号板式反应器15调整至该位置处。当通过检测细胞密度的电极检测到1号板式反应器15中的微藻细胞的浓度达到接种时的1.5倍时，即可以抬高1号板式反应器15，向其他板式反应器(例如2号板式反应器15)中输送微藻藻液进行接种了。例如将1号板式反应器15中1/3的微藻藻液输送至2号板式反应器15中，且直接靠重力即可完成输送。同理，也可以向其他的3、4、5、6、7、8、9号板式反应器15中接种微藻。
上述微藻培养装置还可以包括人工光源，根据光强检测仪检测到的最大光强，确定人工光源的开启数量，使各个板式反应器的光照强度均能到达该最大光强值。例如检测到最大光强＜200umol/(m2.s)时，控制开启人工光源，使各个板式反应器所能接收到的光照强度均能达到200umol/(m2.s)的光强标准。
培养流程结束后，通过微藻收集装置收集微藻，例如将微藻收集装置固定在北面，通过高度差使板式反应器中待收集的微藻藻液直接流入微藻收集装置中，进行离心收集。
上述实施例一至五中的微藻培养装置均可以采用自然光源和人工光源相结合的方式，为板式反应器提供所需的光照强度，以便进一步提高微藻培养的生长速度，获取更高的产量。且都可以通过检测细胞密度的电极，检测微藻藻液中的微藻细胞的数量，当微藻细胞的数量增加至接种时的设定倍数时，可以继续向其他板式反应器中接种或收集。
上述实施例一至五中，装置的结构、反应器的数量、微藻接种和板式反应器移动控制的方式等，均是举例说明，其中每个实施例中所列举的各种微藻培养接种、板式反应器位置调整控制方式均可以应用于其他实施例中。
本发明实施例提供的上述微藻培养方法及装置，通过设计带有可以移动的板式反应器的微藻培养装置，根据不同微藻藻种、微藻不同生长时期对光照强度的需求情况以及太阳光照强度的变化情况，调整板式反应器的位置，实现从最合适的位置和角度接收光照，即能够随一天之中太阳方位角的变化，灵活的调整光反应器的位置，实现对接收光照强度的调整，从而最大限度的利用太阳光，实现微藻的工业化连续、高效的培养。
板式反应器的位置调整可以通过转动和移动两种模式来实现的，具体可以通过移动轨道和旋转转台两种方式实现，通过不同的调整方式用于不同需求的微藻培养，满足各种不同的位置调整要求。
通过在反应器底部加滤膜等方式，实现接种、采收和滤膜冲洗结合起来，是微藻培养工艺变得简洁、易操作，降低了微藻培养操作的复杂程度，从而降低了培养成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化、替换或应用到其他类似的装置，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种微藻培养装置，其特征在于，包括：若干板式反应器、位置调整部件、至少一个光强测定仪以及控制部件；
所述板式反应器，用于培养选定藻种的微藻；
所述位置调整部件，用于承载所述板式反应器并调整所承载的板式反应器的位置，使所述板式反应器能够根据所培养的微藻藻种及微藻各生长时期对光照强度的需求情况，移动到能够获得相应光照强度的位置；
所述光强测定仪，用于测定太阳光在各方位的光照强度，得到光强参数，以便根据所述光强需求情况和所述光强参数，确定各板式反应器需要调整到的位置；
所述控制部件，用于根据各所述板式反应器中的微藻藻种及微藻的生长时期，确定各所述板式反应器中微藻的光强需求情况；以及根据所述光强需求情况和所述光强参数，确定各板式反应器需要调整到的位置，并控制所述位置调整部件将所承载的板式反应器调整到相应的位置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述位置调整部件，包括：动力单元、移动轨道和移动支架；
所述动力单元，用于在所述控制部件的控制下驱动所述移动支架沿所述移动轨道运动；
所述移动支架在所述动力单元的驱动下沿所述移动轨道运动，带动所承载的所述板式反应器沿所述移动轨道移动，将所述板式反应器调整到相应的位置处。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述移动轨道为圆形轨道或椭圆形轨道；
所述移动支架底部装有滑轮，所述滑轮能够与所述圆形轨道或椭圆形轨道配合，并在所述动力单元的驱动下转动，实现带动移动支架沿所述圆形轨道或椭圆形轨道移动。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述微藻培养装置，还包括：
微藻收集部件，安装在所述移动轨道的选定位置处，用于收集所述板式反应器中培养的待收集的微藻。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述位置调整部件，包括：动力单元、圆形轨道和转动支架；
所述动力单元，用于在所述控制部件的控制下驱动所述转动支架底部安装的滑轮沿所述圆形轨道运动，带动所述转动支架绕所述圆形轨道的中心转动；
所述转动支架底部安装有滑轮，所述滑轮能够沿所述圆形轨道运动；所述转动支架用于带动所承载的所述板式反应器绕所述圆形轨道的中心转动，将所述板式反应器调整到相应的位置处。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述微藻培养装置，还包括：
微藻收集部件，为倒置圆锥型的收集部件，通过从圆锥型外沿向外延伸的法兰盘与所述圆形轨道的内侧边缘相连接，用于收集所述板式反应器中培养的待收集的微藻。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述位置调整部件，包括：动力单元、旋转转台和反应器支架；
所述反应器支架，用于支撑所述板式反应器；
所述旋转转台在所述动力单元驱动下作转动，带动所述反应器支架围绕所述旋转转台的轴线转动，将所述反应器支架上的板式反应器调整到相应的位置处；
所述动力单元，用于在所述控制部件的控制下驱动所述旋转转台作旋转运动。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述旋转转台上安装一个反应器支架，所述反应器支架上安置一个板式反应器，安装的反应器支架的中心线、板式反应器的中心线与所述旋转转台的旋转中心重合；
所述旋转转台，具体用于通过自身的转动，带动所述反应器支架及所承载的板式反应器均绕各自的中心线作旋转运动，调整所述板式反应器接收光照的角度。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述旋转转台上安装若干反应器支架，所述反应器支架的一端与所述旋转转台连接，每个所述反应器支架上远离所述旋转转台的旋转中心的另一端上安置一个板式反应器；
所述旋转转台，具体用于通过自身的转动，带动所述反应器支架绕所述旋转中心摆动；
所述反应器支架带动所承载的板式反应器沿以旋转转台的旋转中心为圆心的圆周运动，调整所述板式反应器接收光照的角度。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述位置调整部件，还包括：支架抬升单元，用于抬升所述反应器支架至设定的高度，使所述反应器支架上的板式反应器的高度高于其他板式反应器支架上的板式反应器的高度；
将抬升后的所述反应器支架旋转至与选定的其他板式反应器支架重叠的位置处，实现将抬升后的板式反应器中的微藻藻液输送给位置重叠后的其他板式反应器进行接种培养。
11.如权利要求1-10任一所述的装置，其特征在于，还包括：
通气装置，与所述板式反应器的曝气管相连，用于向所述板式反应器通入设定流量的空气与二氧化碳的混合气体。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述光强测定仪安装在所述位置调整部件或至少一个板式反应器上。
13.一种微藻培养方法，其特征在于，采用如权利要求1-10任一所述的微藻培养装置，包括：
将选定的至少一种藻种的微藻置于微藻培养装置中的若干板式反应器中培养；
微藻培养装置中用于承载所述板式反应器的位置调整部件，根据各板式反应器中所培养的微藻藻种及微藻各生长时期对光照强度的需求情况，移动所述板式反应器到能够获得相应光照强度的位置。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
所述微藻培养装置中的光强测定仪测定太阳光在各方位的光照强度，得到光强参数，以便根据所述光强需求情况和所述光强参数，确定各板式反应器需要调整到的位置。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：
所述微藻培养装置中的控制部件根据各所述板式反应器中的微藻藻种及微藻的生长时期，确定各所述板式反应器中微藻的光强需求情况；以及根据所述光强需求情况和所述光强参数，确定各板式反应器需要调整到的位置，并控制所述位置调整部件将所承载的板式反应器调整到相应的位置。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述微藻培养装置的不同区域中的板式反应器内接种不同种类的微藻；
根据每一种微藻的生长时期确定所述光强需求情况，根据所述光强参数，将用于培养需要光照强度最大的、处于对数生长期的微藻的板式反应器通过所述位置调整部件调整至光光照强度最强的区域中。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在所述微藻培养装置的若干板式反应器内接种处于不同生长时期的不同浓度的微藻；
所述控制部件根据板式反应器中微藻的生长时期，确定优先级最高的一个板式反应器；
将优先级最高的板式反应器通过所述位置调整部件调整至光照强度最强的位置处。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述在所述微藻培养装置的若干板式反应器内接种处于不同生长时期的不同浓度的微藻，具体包括：
在第一板式反应器中接种选定藻种的微藻，当所述微藻藻液增长至设定浓度时，通过所述位置调整部件将所述第一板式反应器中设定比例的微藻藻液输送给第二板式反应器进行接种培养。
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