CN102134553B

CN102134553B - 管式光生物反应器、培养微藻细胞的系统和方法

Info

Publication number: CN102134553B
Application number: CN 201010102330
Authority: CN
Inventors: 丛威; 张庆华; 薛升长; 颜飞
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: CN102134553A

Abstract

本发明涉及一种管式光生物反应器，包括一螺旋形挡板，该螺旋形挡板设置于管式光生物反应器的管道内。本发明还提供一种培养微藻细胞的系统，包括：至少一个如前所述的管式光生物反应器；流体输送装置；用于供气和进行氧解析的气液交换装置；以及热交换装置。本发明还提供一种培养微藻细胞的方法，包括：在如前所述的培养微藻细胞的系统中培养微藻细胞，将培养液以10cm/s～100cm/s的速度流过所述管式光生物反应器。本发明的管式光生物反应器能够充分发挥微藻细胞的“闪光效应”，提高微藻规模培养的光能利用率，提高产量。另外，本发明的管式光生物反应器结构简单，便于批量制造。

Description

管式光生物反应器、培养微藻细胞的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种管式光生物反应器，以及包括该管式光生物反应器的培养微藻细胞的系统和方法。

背景技术

微藻细胞富含氨基酸、蛋白质、维生素、不饱和脂肪酸等多种高附加值的生物物质，已经成为人类食品、医药、染料、精细化工领域的重要材料来源。目前，随着石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，基于生物质的生物炼制引起了人们的高度重视，微藻作为重要的可再生能源能够提供大量的生物质(油脂、淀粉、纤维素)，在生物炼制领域，具有广阔的应用前景。

微藻规模化培养的核心是光生物反应器，目前主要有开放式培养和封闭式培养两种方式。开放式培养是开发最早、应用最为普遍的一种方式，目前世界各国、特别是中国仍然将其作为微藻工业化培养的主要方式(Borowitzka L.T.，Bioresource Technology，1991，38：251～252；Terry K.L and Raymond.，Enzymeand Microbial Technology，1985，7：474～487)。代表的反应器有跑道式培养池、圆形培养池。该培养方式的主要优点是构建简单、成本低廉及操作简便。缺点是光能利用率低，受外界环境因素的影响大，易被污染，水分蒸发大。

封闭式光生物反应器有多种形式，如柱式、管式和板式。相比于开放式培养，封闭式培养不容易受污染，节约水资源，培养密度高，收获成本低，缺点是投资成本高(Pulz O.，Applied Microbiology and Biotechnology，2001，57：287～293；Lee Y-K.，Journal of Applied Phycology，2001，13：307～315；Tsygankov A.A.，Applied Biochemistry and Microbiology，2001，37(4)：333～341)。为了克服封闭式培养成本高的缺陷，一方面需要降低培养所需的材料、能耗成本，另一方面需要大幅度提高产率。虽然封闭式培养的产率要高于开放式培养，但是微藻的光能利用率还很低。设法提高微藻细胞对光能的利用率是提高产率、降低成本的重要途径。

微藻的光合作用过程可分为两个阶段，称为光反应和暗反应。在光反应阶段，微藻细胞接受光量子并转换为化学能；在暗反应阶段，微藻细胞利用化学能合成细胞组份。在暗反应阶段，微藻细胞不需要光照甚至光照反而有害。因此，对单个微藻细胞而言，持续的光照意味着光量子的浪费。

另一方面，在规模培养的光生物反应器内以及通常的细胞密度下，光线在培养液内传播时会迅速衰减，光的穿透距离为几毫米，在高细胞密度下只有1mm左右。光生物反应器内事实上可分为靠近光照面内壁面的光区与之外的暗区两部分。如果微藻细胞以特定频率(通常高于1Hz的频率)在光生物反应器的光区与暗区频繁置换时，会产生“闪光效应”，光能的利用率会得到很大提高(Janssen M，Slenders P，Tramper J，et al.，Enzyme Microbial Technology，2001，29：298～305；Matthijs H.C.P，Balke H，Mur L.R，et al.，Biotechnologyand Bioengineering，1996，50：98～107)。即，当微藻细胞在光生物反应器的光区与暗区之间来回穿梭，就可使得接受过光照的微藻细胞及时进入暗区进行暗反应，同时使得完成了暗反应的微藻细胞回到光区再次接受光照，这样就使得进入光生物反应器的光量子被充分利用。因此通过强化培养液的混合，使微藻细胞在光区与暗区之间高频率来回穿梭，可以提高总体的光能利用率和微藻细胞的产量。

然而，在传统的管式光生物反应器中，培养液的流动混合尚不理想。传统的管式光生物反应器可以是直管、弯折管或螺旋管等；可以水平放置、倾斜放置或垂直放置；其管径通常在10～100mm之间不等；反应器的内壁面往往是光滑的。受反应器壁面的限制，在靠近内壁面处培养液混合不充分，微藻细胞在垂直于流动方向(以下称光径方向)的速度很小，难以产生在光区与暗区之间的穿梭，微藻细胞长时间位于光照面内壁面附近会产生光抑制甚至是光损伤(即光照过量)；而距光照面内壁面较远的微藻细胞却长时间处于光限制状态(即光照不足)，使得光能利用率不高。

在中国专利CN200720148293.3中，公开了一种加置中空挡板的管柱式光生物反应装置，通过该特定的内部装置可以强化培养液的流动混合，同时，在所述的中空挡板内可以安装内光源或者作为气体分布装置。该类加装中空挡板的装置虽然可以起到培养液的混合作用，但是结构复杂，制造成本高，而且微藻细胞的混合是无序混合，难以保证微藻细胞受到特定频率的光照。

发明内容

本发明的目的在于基本上克服了现有管式光生物反应器的种种缺陷，从而提供一种具有特定结构的内部混合装置、能够有效提高微藻规模培养光能利用率的管式光生物反应器，以能够实现微藻细胞在光生物反应器的光区与暗区之间的来回穿梭，能发挥微藻细胞的“闪光效应”，提高微藻规模培养的光能利用率，从而提高微藻细胞的产量，并且该管式光生物反应器结构简单、便于批量制造。

本发明的目的还在于提供包括该管式光生物反应器的培养微藻细胞的系统和方法。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供一种管式光生物反应器，包括一螺旋形挡板，该螺旋形挡板设置于管式光生物反应器的管道内。

本发明还提供一种培养微藻细胞的系统，包括：至少一个如前所述的管式光生物反应器；流体输送装置；用于供气和进行氧解析的气液交换装置；以及热交换装置。

本发明还提供一种培养微藻细胞的方法，包括：在如前所述的培养微藻细胞的系统中培养微藻细胞，将培养液以10cm/s～100cm/s的速度流过所述管式光生物反应器。

与现有技术相比，本发明的管式光生物反应器的优点在于：能够充分发挥微藻细胞的“闪光效应”，提高微藻规模培养的光能利用率，提高产量。另外，本发明的管式光生物反应器结构简单，便于批量制造。

附图说明

图1为本发明的管式光生物反应器的结构示意图；

图2为串联式使用本发明的管式光生物反应器的示意图；

图3为并联式使用本发明的管式光生物反应器的示意图；

图4为在本发明的管式光生物反应器内的微藻细胞在光径方向上的位置变化；

图5为本发明一实施方式的微藻培养系统示意图；

其中，

1.培养液入口 2.培养液出口 3.螺旋形挡板

4.管道 5.管道连接件 6.培养液入口主管

7.培养液出口主管 8.流体输送装置 9.光生物反应器

10.热交换装置 11.气液交换装置。

具体实施方式

本发明提供一种管式光生物反应器，如图1所示，包括一螺旋形挡板3，该螺旋形挡板设置于管式光生物反应器的管道4内，该螺旋形挡板被设置为部分地或全部地覆盖管式光生物反应器的培养液入口1到培养液出口2之间的区域。

在用不同材料制造上述带有螺旋形挡板的管式光生物反应器时，可依据材料的加工性能选择上述螺旋形挡板的制造和安装方式。在本发明的一实施方式中，所述的螺旋形挡板与所述的管式光生物反应器的管道为一体成型的；所述的螺旋形挡板和管式光生物反应器的管道均由选自聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、有机玻璃、聚碳酸酯、和聚对苯二甲酸乙二醇酯之一的同样材料制得。

在本发明的另一实施方式中，所述的螺旋形挡板直接插入所述的管式光生物反应器的管道中，并紧贴在管式光生物反应器的内壁面上；所述的螺旋形挡板由透光材料或不透光材料制得，例如：所述的透光材料可以是玻璃或透明的塑料(聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、有机玻璃、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等)，所述的不透光材料可以是不透明的塑料、橡胶、或金属。

在本发明的一实施方式中，所述的螺旋形挡板的螺距为10mm～100mm；所述的螺旋形挡板的宽度为5mm～20mm。

在本发明的一实施方式中，所述的螺旋形挡板的厚度为1mm～10mm。

在本发明的技术方案中，所述的管式光生物反应器的管道内径为10mm～100mm，长度根据实际培养需要作相应的调整；该管式光生物反应器可以是直管，或有多个弯折的管；该管式光生物反应器的光照面可由包括各种透光材料，如玻璃、透明的塑料(聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、有机玻璃、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等)在内的材料制得，所用的材料可以是板材、管材、卷材或薄膜材料。

本发明管式光生物反应器中的螺旋型挡板相当于在其内部的混合装置，可以对各种微藻进行培养，例如螺旋藻、盐藻、小球藻、硅藻、金藻等。当培养液以一定的速度流过该管式光生物反应器时，会在螺旋区域产生螺旋运动，推动微藻细胞作近似的绕管轴的圆周运动，同时在径向上也形成往复运动，微藻细胞在径向方向上每往复一次，就经历一次光暗周期，从而实现微藻细胞在光生物反应器的光区和暗区的来回穿梭。通过调整培养液的流速、螺旋形挡板的尺寸，可以得到不同的光暗循环周期，而且光暗循环的频率可以高于1Hz。如图4所示，当培养液在本发明的管式光生物反应器内流动时，一个典型的代表微藻细胞的粒子在径向上的位置随时间的变化，可以清楚地看到，粒子在光径方向上有规律地波动，一个完整的光暗循环周期为300ms～400ms。本发明优选培养液在管式光生物反应器内的流速是10cm/s～100cm/s，在此范围内可以形成500ms～20ms的光暗循环周期，对应的光暗循环频率为2Hz～50Hz。

在本发明的一实施方式中，所述的培养微藻细胞的系统包括若干个如前所述的管式光生物反应器，并且将该若干个管式光生物反应器通过管道连接件5串联(如图2所示)或并联(如图3所示，两端可以合并为培养液入口主管6和培养液出口主管7)在一起。若在大规模生产时，可以根据产量的需要，配置多个串联或并联的上述管式光生物反应器，再配套其它装置。

本发明的培养微藻细胞的系统，可以建造在室外露天或者大棚内，充分利用自然光直接照射管式光生物反应器；还可以在地面铺设反光膜，将漏过管式光生物反应器的管道间隙的光反射回来，使得管式光生物反应器的管道的正面和背面同时照光，以提高微藻产量。

实施例1

在室外自然光照下进行螺旋藻的培养。以并联管式光生物反应器的方式构建培养系统，如图3所示，所使用的管式光生物反应器水平放置，制造材质为玻璃圆管，内径为50mm，长度为10m。每10根圆管4并排，一端与培养液入口主管6相联，另一端与培养液出口主管7相联，构成一组。将事先用聚乙烯材料制造好的螺旋形挡板置入管式光生物反应器中，螺旋形挡板螺距50mm，宽度10mm，厚度2mm。除了圆管两端要安装连接管件的部分以外，螺旋形挡板遍及圆管全长。

如图5所示，培养微藻细胞的系统包括2组上述管式光生物反应器9，用于供气和进行氧解析的气液交换装置11、流体输送装置8(市售隔膜泵)、连接装置、物料分配装置，以及必要的热交换装置10以及其它附属装置。其中，气液交换装置11为内径165mm、高1m的鼓泡塔，培养液从塔顶进入、从塔底流出；从塔底通过不锈钢砂烧结的气体分布器鼓入无菌空气，空气流量10L/分钟。

培养液在管道内的流速为20cm/s。

微藻种来自中国科学院过程工程研究所，品种为钝顶螺旋藻，培养基为Zarrouk培养基，其中碳酸氢钠的初始浓度为0.1mol/L。

培养前用经0.2μ微滤膜过滤后的水清洗上述的光生物反应器。按照Zarrouk培养基配方配制500L培养基，培养基用0.2μ微滤膜过滤。按常规方法制备种液，接种密度0.1g/L。培养液pH值设定在9.0，采用户外自然光照，控制培养温度为32±1℃。培养期间，向培养系统中的每个气液交换装置内通入空气和二氧化碳的混合气体，混合气体的流量是1.0L/L.min，混合气体中二氧化碳的摩尔分数为3％。

培养期间定期检测其它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。定期取样测定微藻细胞密度。当微藻细胞密度达到5g(干重)/L时开始半连续采收，采收方法是(大约每3天)将培养系统内培养液的20％引出，将过滤后的过滤液返回上述的培养系统中。过滤得到的微藻细胞收获后洗涤、干燥。

培养过程持续30天，螺旋藻的体积产率约为2.3g/L.d，高于无螺旋形挡板管式光生物反应器内同样培养条件下的体积产率(1.1g/L.d)，表明微藻细胞的光能利用率明显提高。

比较例1

在室外自然光照下进行螺旋藻的培养。其它条件同实施例1，所不同的是管式光生物反应器的内部没有设置挡板，即为常规结构的管式光生物反应器。

培养过程持续30天，螺旋藻的体积产率约为1.1g/L.d。

实施例2

在自然光照下进行螺旋藻的培养。其它条件同实施例1，所不同的是内置螺旋形挡板的宽度为5mm。

培养过程持续30天，螺旋藻的体积产率约为2.0g/L.d。高于无螺旋形挡板管式光生物反应器内同样培养条件下的体积产率(1.1g/L.d)，表明微藻细胞的光能利用率明显提高。

实施例3

在自然光照下进行螺旋藻的培养。其它条件同实施例1，所不同的是内置螺旋形挡板的宽度为15mm。

培养过程持续30天，螺旋藻的体积产率约为2.4g/L.d。高于无螺旋形挡板管式光生物反应器内同样培养条件下的体积产率(1.1g/L.d)，表明微藻细胞的光能利用率明显提高。

实施例4

在自然光照下进行螺旋藻的培养。其它条件同实施例1，所不同的是内置螺旋形挡板的螺距为30mm。

培养过程持续30天，螺旋藻的体积产率约为2.2g/L.d。高于无螺旋形挡板管式光生物反应器内同样培养条件下的体积产率(1.1g/L.d)，表明微藻细胞的光能利用率明显提高。

实施例5

在自然光照下进行螺旋藻的培养。其它条件同实施例1，所不同的是内置螺旋形挡板的螺距为100mm。

实施例6

在自然光照下进行螺旋藻的培养。其它条件同实施例1，所不同的是内置螺旋形挡板的厚度为6mm。

实施例7

在自然光照下进行螺旋藻的培养。其它条件同实施例1，所不同的是内置螺旋形挡板的宽度为15mm，培养液在管道内的流速为80cm/s。

培养过程持续30天，螺旋藻的体积产率约为2.7g/L.d。高于无螺旋形挡板管式光生物反应器内同样培养条件下的体积产率(1.1g/L.d)，表明微藻细胞的光能利用率明显提高。

实施例8

在自然光照下进行螺旋藻的培养。其它条件同实施例1，所不同的是内置螺旋形挡板的螺距为30mm，培养液在管道内的流速为10cm/s。

培养过程持续30天，螺旋藻的体积产率约为1.8g/L.d。高于无螺旋形挡板管式光生物反应器内同样培养条件下的体积产率(1.1g/L.d)，表明微藻细胞的光能利用率明显提高。

实施例9

在自然光照下进行螺旋藻的培养。其它条件同实施例1，所不同的是内置螺旋形挡板的螺距为100mm，培养液在管道内的流速为100cm/s。

Claims

1.一种管式光生物反应器，包括一螺旋形挡板，该螺旋形挡板设置于管式光生物反应器的管道内；

其中，所述的螺旋形挡板插入所述的管式光生物反应器的管道中，并紧贴在管式光生物反应器的内壁面上；

所述的螺旋形挡板的螺距为10mm～100mm；所述的螺旋形挡板的宽度为5mm～20mm。

2.根据权利要求1所述的管式光生物反应器，其特征在于：所述的螺旋形挡板与所述的管式光生物反应器的管道为一体成型的。

3.根据权利要求2所述的管式光生物反应器，其特征在于：所述的螺旋形挡板和管式光生物反应器的管道均由选自聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、有机玻璃、聚碳酸酯、和聚对苯二甲酸乙二醇酯之一的同样材料制得。

4.根据权利要求1所述的管式光生物反应器，其特征在于：所述的螺旋形挡板由透光材料或不透光材料制得。

5.根据权利要求1所述的管式光生物反应器，其特征在于：所述的螺旋形挡板的厚度为1mm～10mm。

6.一种培养微藻细胞的系统，包括：

至少一个权利要求1、2、或5所述的管式光生物反应器；

流体输送装置；

用于供气和进行氧解析的气液交换装置；以及

热交换装置。

7.根据权利要求6所述的培养微藻细胞的系统，其特征在于：包括若干个所述的管式光生物反应器，并且将该若干个管式光生物反应器串联或并联在一起。

8.一种培养微藻细胞的方法，包括：在权利要求6所述的培养微藻细胞的系统中培养微藻细胞，将培养液以10cm/s～100cm/s的速度流过所述管式光生物反应器。