CN101792716A - 规模化培养葛仙米耦合固碳减排的方法和培养系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及健康绿色食品葛仙米的大量生产耦合固碳减排的方法和系统，它是在实现了葛仙米高产的基础上，用半封闭的室内水池实现规模化高产和固碳减排，并公开了水池的结构原理和培养葛仙米7个基本要素的优化条件。此法适用于城乡大规模生产，特别适用于贫穷缺粮地区。同时也适于在在地球极端环境和灾害，太空人类居住环境的食品生产自给。它为全人类提供一种新型的健康绿色食品，在生产食品的过程中同时实现了减排产氧和改善环境。

Description

规模化培养葛仙米耦合固碳减排的方法和培养系统

【技术领域】

本发明涉及一种规模化培养念珠藻属的生产系统，特别涉及健康食品葛仙米的大量生产耦合固碳减排的方法和系统。

【背景技术】

葛仙米是念珠藻属(Nostoc Vauch)中的拟球状念珠藻(Nostoc sphaeoides Kützing)的俗称，它属于蓝藻门(Cyanophyta)，蓝藻纲(Cyanophyceae)，念珠藻目(Nostocales)，念珠藻科(Nostocaceae)，是目前世界上能人工培育的念珠藻属中的佼佼者。本发明提出培养以葛仙米为代表的念珠藻属(Nostoc Vauch)的生产系统。以下叙述仅以葛仙米为代表。葛仙米产于我国湖北鹤峰县走马坪山区的水稻田中，是一种兼具光合和固氮双重作用的奇异珍珠状藻类植物。它既可固定空气中的氮气，最终合成机体的蛋白质；又可通过光合作用吸收CO₂形成碳水化合物并放出O₂；前者是人类的高级必须营养品，后者则可固碳减排产氧。关于葛仙米的药食两用功能，我国的文字记载已有1700多年，从晋朝开始便是宫廷御膳。它性寒味淡，具有清热解毒、益气明目、抗炎消肿的功能等，在明代的《本草纲目》、清代的《本草纲目补遗》和《全国中草药汇编》中均有记载。説到得名，曾有一段典故：是时，晋朝皇太子体弱多病，皇后的眼疾也久治不愈，自从服了当时的医学家道学家葛洪贡奉的时称“天仙米”后，均不药而愈。为谢葛洪，皇上特赐“天仙米”为“葛仙米”，此名一直延用至今。

葛仙米是理想的高蛋白保健食品。它的营养极为丰富，其干物质的蛋白质含量高达50％以上，高于大豆，牛肉和鸡肉；氨基酸品种较齐全，结构较合理，基本符合FAO/WHO推荐的标准。粗脂肪为5.34-8.11％，它富含不饱和脂肪酸，可以作为肥胖病人和糖尿病人的膳食。总糖为24.19％，其中8-12％为可抗辐射抗癌的活性多糖。还富含10％可抗癌防癌的藻蓝蛋白、丰富的维生素C(其含量高达521mg/100g(干重)，比柑橘高15倍，近于鲜枣。此外，还含有丰富的高于一般植物的叶绿素、β_类胡萝卜素、B族维生素和多种有益于健康的微量元素等。它的营养虽极为丰富，但是属于素食食品，无疑可成为一种新型的人类食品，并由此开发出一系列保健食品。它丰富的藻蓝蛋白和多糖，还可以开发医用，化工和美容产品。作为食品，它的口感很好，类似珍珠奶茶中的“珍珠”，但它十分脆嫩。其成品外形如灿烂的珍珠，颇为美观。它既可生食，也能搭配在任何菜肴中。若做熟食，炒，汤，羹，蒸都可。还可做成色拉，珍珠奶茶，冰淇淋，饮料等。它的食疗和药用价值很明显，有治病滋补和延年益寿的功效。中国历代将其作为御膳和药食两用的美味佳肴的文字记载数不胜数。由于其珍珠状生物体是连续生长的，所以可以根据需要在不同生长期随时收获不同大小的群体。由于收获的是藻类活体，故能在冰箱中保存较长时间而不易变质。如做成干品，则可随时放入水中浸泡恢复原来灿烂的珍珠状。

当地野生年产量为一吨左右，由于珍贵，当地农民每年会争相采捞，它在古代作为贡品，近代供出口。近年因化肥和杀虫剂的大量使用，和过量的采收致使野生产量逐年减少，面临灭绝的危险。

近年来，经中国科学院水生生物研究所和其他单位的联合开发，已经研制出相关的光生物反应器，以及生产配方，实现了实验室内的小规模水箱培养，形成了较为成熟的生产工艺，使葛仙米几乎成为目前世界上念珠属中能人工培育较好的唯一的品种，并在实验室5立方水箱中达到平均和最高产量分别为1.2和2.0kg/m³/d(鲜重)。由于该产品的产量低成本高，致使其培养至今停留在实验室内。

【发明内容】

本发明提供一种水体容积大，固碳减排效果好，生物产量高，生产成本低，操作简便的规模化培养葛仙米的半封闭光生反应器系统。

发明基础：我们对葛仙米的有关生长条件进行了改进，使其新鲜生物体产量提高至原产量的4-6倍左右，达到每立方水体每天产7-8公斤左右，该产量是任何高产作物都无法与之比拟的。由于产量增加，必然会伴随着二氧化碳消耗量成比例地大量增加，从而进一步提高了其固碳减排和产氧的功能。这使它不但可成为人类的理想保健食品和氧气的生产源，也使之成为理想的固碳减排藻类。目前，能同时实现葛仙米规模化高产和固碳减排的方法和装置，国内外尚未见诸报道。

由于葛仙米生长速度快，产量高，决定了其减排效果好。按我们目前掌握的每天每立方水体的产量为7-8公斤(鲜重)计算：将其干重所含的能量转换为等量能量的含碳量后，可以得到每天每立方水体的葛仙米可以减排二氧化碳155-176克。如进行大规模培养，便可以得到可观的CO₂减排量和葛仙米的产量。如用本发明设计的2个培养池，它们的培养水体容积达到1000吨，则每天可以固碳减排二氧化碳155-176公斤，还可以向大气中释放相当数量的新鲜氧气，同时收获葛仙米7-8吨(鲜重)。这是多么可观的减排增氧效果和葛仙米产量！该法也可用于实现工业废气(在去除SO₂和有害成分后)的减排。我们目前采用了含5-10％CO₂的混合空气通气培养葛仙米，能同时实现减排和生物量高产。对工厂来说，仅用很少的投资就可以一举几得，既可实现减排、产氧，改善环境；又增加了葛仙米这个新型保健绿色食品产业；同时还可解决人员的就业。

由于目前对规模化生产的研究刚开始，所以提高其产量和减排的潜力还很大。

利用生产葛仙米减排的优势在于：它不占农田、投资小，技术和设备简单，生长周期短、一年四季可连续生产、光合作用效率高、也不会造成二次污染。

除了固碳减排效果可观外，它的生物量产量则是作物的数百倍。经我们60天培育，每个藻群体可以从直径0.2公分长到1.2公分，而它生长所需的养料，仅为一些普通的无机盐营养液，其中形成高蛋白的氮肥来自空气中的氮气，无需另外添加，所需碳源，正中减排的下怀，我们仅用了CO₂气体，无需补充其它含碳的盐类，故营养液的成本较低。其温度适应范围较宽(15-35℃)，也不需要强光(自然漫射光或冷白荧光灯即可)，生产设备简单，生产成本低。它的整个生物体可以100％食用，没有一般植物总有根，叶，秆，壳，核等大量的不可食用部分。而其产量和营养，则是许多作物无法比拟的。另外在培养过程中，由于不产生有害或有毒物质，不存在两次污染。其培养水盐度低，其酸碱度接近于自然水体，因此整个培养水池的水体都可以循环使用。

【附图说明】

图1培养葛仙米的半封闭长方形圆角水池的纵向结构示意图；

图2为上述图1水池的A-A横向剖面结构示意图

参见图1和图2，1为长方形浅水池壁，2进水管口，3排水管口，4充气管口，5营养液管口，6气泡板条或气泡管，7光源，8水池液面，9透光膜，10可伸缩的遮光顶架。

【具体实施方式】

本发明提供了规模化培养葛仙米的半封闭光生物反应器系统以及对其培养条件的优化控制两部分：

一、培养葛仙米生长的半封闭水池式光生物反应器系统

二、培养葛仙米7个基本条件的优化，包括水处理、通气速率、补充CO₂、光照强度、温度控制、，藻种选择和接种量、培养液组分。

现分别叙述如下：

一.培养葛仙米生长的半封闭水池式光生物反应器系统：

规模化培养微藻的光生物反应器有封闭式和开放式两种。各种形式的开放式水池主要是利用自然的光照和温度，水池的结构简单，成本低廉，但易受环境污染，培养条件不稳定，藻体产量低，质量差。封闭式的可避免了上述缺点，但投资大，成本高，操作严格。封闭式的有管道式，罐式，立式吊袋，柱状气升式等。其中，水体容积大结构最简单的要算水池式的。由于葛仙米的藻群体比一般微藻要大得多，如用跑道式或循环式水池，依靠浆轮或旋转臂来推动池中水流，可使池中营养液均匀分布和循环，并提高藻体的光能利用率，但这种方式容易使葛仙米藻体沉底，并与池壁摩擦损伤。本设计采用了半封闭式的长方形圆角水池为光生物反应器，给出了规模化高产培养葛仙米的基本方略。

参见图1和图2，先在温室内水泥地坪上用混凝土和砖块建造一个长方形浅水池，水池壁1的厚度应保证水池灌水后的强度和不渗水。水池的四面内壁和池底全部涂白水泥，并涂以透明无毒塑料膜，以保证池壁光滑不伤藻体和便于清洗；涂以白色是为了增加池壁的反光性。培养液的深度范围可以在0.4-1.25米之间；水池的宽度和长度设计需考虑光照时间、操作方便和培养液量的要求。以本设计为例设计的水池尺度为：高X宽X长：1.50X8.0X50米。其水池的水深为1.25米。培养池可以建在地面上，也可以建在地面下.

9是用去雾农用膜(无滴膜)覆盖整个水池顶部，能使水池保持相对封闭但不气密，它可防止外界污染，并起保温和透光透气的作用。

10是可伸缩的培养池遮光顶架，其上的遮光材料可以伸缩移动，使藻体能进行正常的光合作用；当外界光强太高时，它可以适当遮阴，使藻体免受强光的伤害。室内的培养温度宜控制在25-30℃。在寒冷的地区，室内需要加温，以满足上述培养温度的要求，这样一年四季便可保证不断地减排和生产葛仙米。

二，对葛仙米培养的7种要素，分别叙述如下：

水：培养池中的进水管口2设置在水池一端的池壁顶部。整个水池的供水是经过过滤消毒的自来水。放水同时，按比例配置营养液，也可由池壁的营养液管口5加注。排水管口3是设置在水池另一端的池壁底部的管路，整个水池的换水由此排出。如果在其下游养殖水生动植物，则培养葛仙米后的富营养富氧的培养液将对下游水池中的水生动植物生长会有利。饲养过水生动植物的富CO₂和无机盐的水体经过净化还可以再循环回来为培养葛仙米所用，这样这些水池之间的水体可以连续循环使用。在葛仙米的生长期内其培养液视需要定期更新或循环更换。排水管口设置不同孔径的组合筛网，以收获不同直径的葛仙米。也可用不同孔径的网筛或拉网直接收获。

空气，CO₂和气泡：

充气管口4设在两侧池壁底部，管口一头连接鼓风机，另一头连接水中多个塑料充气管，这些充气管分别与铺满在池底有无数微气孔的气泡板条或气泡管连接，以保证整个池底不断释放气泡，使藻体随着上升气泡在培养池中不停地翻滚运动，既可与水中的氮气，CO₂和营养液充分接触，也可保持藻群体在培养池中光照均衡，提高光合效率，并不会沉底和附壁。所用气体是经过过滤的空气加上钢瓶中的二氧化碳的混合气体，以提供葛仙米藻群体生长所需的CO₂、N₂和O₂的需求。(CO₂的浓度由流量计控制在5-10％范围内)。通气量与培养水体体积之比约为1∶1/min。调节充气压力可以控制气量和气泡的大小，以保证不同生长期的葛仙米球体在水中的正常翻动。

光源：在白天，用自然光照射时，只需满足光强2-8Klx，此时可以不用人工光源，以节约能源，当光强过高时，可启动顶部的可伸缩遮阳设备。在晚上或白天自然光太弱时，需用灯光作补充光源。常用光源为防水日光灯管或发光二极管LED，这些灯分别间隔布置在池底和水池侧壁(见图1，图2中7)，以维持藻体能获得2-8Klx光强的照射。在用LED作光源时，可以编制程序自动控制光强和光频。由于葛仙米生长要求的光照强度不高，所以光能的消耗相对较少。

温度：葛仙米的生长温度范围为15-35℃，最佳温度在25-30℃左右。当自然温度在此温度范围内时，温室的顶窗和9的无滴膜两侧可以打开，以调节池内温度。温度太低时，需关闭顶窗和无滴膜，通过室内保温或加温，以保持室内的温度。

藻种及接种：分一级和两级藻种。一级藻种为全无菌操作，是将葛仙米微群体匀浆后在实验室严格的条件下培养。以玻璃蒸馏水配置培养液，在121℃灭菌20分钟后，无菌接种。采用50-1000ml玻璃三角瓶通气培养。光照3-5Klx，并添加适量红光。温度25-30℃。当藻体培养到0.5-1.0mm直径时，再次转接，并按一级种子培养的条件培养。当藻体直径长到2mm左右时就成为二级藻种。此时，可以直接放入生产培养池中培养。接种的密度由藻体大小和其他培养条件而定。此时，水温保持在25-30℃，pH 7.0-8.0，光强也需满足上述自然光和灯光的条件。

培养液组分：

培养液                                浓度(g/L)

MgSO₄.7H₂O                            0.025-0.125

CaCl₂.2H₂O                            0.018-0.054

K₂HPO₄.3H₂O                           0.020-0.080

Na₂SiO₃.9H₂O                          0.100-0.250

KCl                                   0.002-0.010

NaCl                                  0.025-0.100

Na₂MoO₄2H₂O                           0.010-0.030(mg/L)

EDTA-Na₂                              0.001-0.002(g/L)

Citric Acid                           0.005-0.008

Ferric Ammonium Citrate               0.002-0.004

主要相关设备：1.光学显微镜2、电子天平，3、超净工作台；4.光生物反应器5、流量计，温度计，照度计，pH计；6、气泡板条或气泡管；7、CO₂储气钢瓶；8、冰箱；9、灭菌锅；10、；水质分析仪11、光源；12、空调机；13、鼓风机；14、水和空气的过滤器等。

本项目有如下突出的优点：

1，采用规模化培养葛仙米，可同时实现葛仙米高产和CO₂减排的双重目标。它有以下诸多优点集于一身：高产减排、固氮放氧、全年生产，不占农田、药食两用、生熟可食、营养丰富、外形美观、方便采收、绿色环保、应用面宽，规模生产，前景远大等。类似如此珍稀宝贵的藻类食品，目前世界上尚未见诸报道。

2，规模化培养葛仙米的方法一旦推广，将使全人类在日常生活中增添了一种新型高营养绿色食品。

3，它室内外都可以培养，故可普及到所有城市，建设屋顶农场和空地农场。甚至家庭也可以培养，尤其适于贫困和缺粮地区，既改善了环境又发展了经济，并由此可发展出一系列葛仙米产业。

4，培养葛仙米的同时，可以同时养殖水生动植物，因为两者培养水池的水体可以循环使用：前者的富营养富氧的培养液将对后者水池中的水生动植物生长会有利。后者的富CO₂和无机盐的水体经过净化还可以再循环回来为培养葛仙米所用，这样使两者成为一个互倚的生态循环系统。

5，它也适用于太空星球基地，空间站和太空飞船生命保障系统中的食品生产，减排供氧和水循环利用；还可用于地球极端环境(如水面水下舰船、海岛、森林、山地、极地、地震)和灾害情况下的人类生存必需的食品自给。

Claims (4)

1.一种规模化高产葛仙米耦合固碳减排的方法和培养系统，其特征为：

A.半封闭水池式大容积光生物反应器：它建在温室内，兼可利用自然和人工的温度和光照，可使培养水体常年维持在最佳培养温度(25-30℃)和最佳光照度(2-8Klx)范围内，从而保证了一年四季能不断地减排产氧和生产葛仙米。采用无滴膜覆盖整个水池顶部，能使水池保持相对封闭但不气密，它既可防止外界污染，并起调温和透光透气的作用。温室顶部是可伸缩的培养池遮光顶架，其遮光材料可以伸缩移动，还可使温室顶部敞开或关闭，以调节培养池的光照和温度，在寒冷的地区，室内需要供暖.在晚上和白天光照不足时，由池壁和池底布置的防水日光灯或LED灯补足灯光。

B.在营养液中排除含碳和含氮元素的成分，供葛仙米藻体生长所需碳源和氮源，均来自含有5-10％CO₂经过滤消毒的混合空气。

C.在水池底部将上述混合气体以气泡形式释放，并充入水池水体。通气量与培养水体体积之比约为1∶1/min。调节充气压力可以控制气量和气泡的大小，以保证不同生长期的葛仙米球体在水中能正常运动。

D.其培养液成份和浓度如下

成分                       浓度(g/L)

MgSO₄.7H₂O                 0.025-0.125

CaCl₂.2H₂O                 0.018-0.054

K₂HPO₄.3H₂O                0.020-0.080

Na₂SiO₃.9H₂O               0.100-0.250

KCl                        0.002-0.010

NaCl                       0.025-0.100

Na₂MoO₄2H₂O                0.010-0.030(mg/L)

EDTA-Na₂                   0.001_0.002(g/L)

Citric Acid                0.005-0.008

Ferric Ammonium Citrate    0.002-0.004

上述营养液的配方需在生长期不同阶段加以调整，培养水体需视情况定期更换或循环使用。

E.藻种及接种：藻种培养分一级和两级藻种。一级藻种为全无菌操作，是将葛仙米微群体匀浆后在实验室严格的条件下培养。以玻璃蒸馏水配置培养液，在121℃灭菌20分钟后，无菌接种。采用50-1000ml玻璃三角瓶通气培养。光照3-5KLX，并添加适量红光。温度25-30℃。当藻体培养到0.5-1.0mm直径时，再次转接，并按一级种子培养的条件培养。当藻体直径长到2mm左右时就成为二级藻种。此时，可以直接放入生产培养池中培养。接种的密度由藻体大小，季节和其他各培养条件而定。此时，水温保持在25-30℃，pH 7.0-8.0，光强也需满足其生长要求，即2-8Klx。

2.根据权利要求1所述的一种产业化高产葛仙米耦合固碳减排的方法和培养系统，可以同时与养殖水生动植物的水池系统相连接，因为两者培养水池的水体可以循环使用，使两者成为一个互倚的生态循环系统，以降低成本，提高产量。

3.根据权利要求1所述的一种产业化高产葛仙米耦合固碳减排的方法和培养系统，也适用于太空星球基地，空间站和太空飞船生命保障系统中的食品生产，减排供氧和水循环利用；还可用于地球极端环境和灾害情况下的人类生存必需的食品自给，如水面水下舰船，海岛，森林，山地，沙漠，极地，地震，水灾等。

4.根据权利要求1所述的一种产业化高产葛仙米耦合固碳减排的方法和培养系统，可应用于所有农村和城市，特别适于贫困和缺粮地区和建设城市屋顶农场和废地农场，以达到高产高营养食品葛仙米和改善环境的作用。

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