CN102311922A

CN102311922A - 一种微藻高效培养的方法

Info

Publication number: CN102311922A
Application number: CN 201010222001
Authority: CN
Inventors: 王领民; 金平; 师文静; 李晓姝; 王崇辉
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: CN102311922B

Abstract

本发明公开了一种微藻高效培养的方法，包括如下内容：采用光照气升式生物反应器，光照气升式生物反应器内包括微藻和微藻培养基，通入含CO₂的气体实现气升、补给CO₂和解析O₂，其中通入的含CO₂的气体来自于微生物发酵的尾气，该尾气经过输送预处理装置后通入光照气升式生物反应器。与现有技术相比，本发明方法具有提高了微藻培养过程中微藻积累油脂能力，提高CO₂利用率，提高O₂解析能力，简化培养装置等优点。

Description

一种微藻高效培养的方法

技术领域

本发明属于微藻生物技术领域，涉及一种光生物反应器培养微藻过程中有效利用CO₂同时实现氧解析的方法。

背景技术

微藻富含蛋白质、多糖、不饱和脂肪酸等营养成分(如螺旋藻)，可用于食品、医药和能源方面；可以大量积累脂肪酸，有些微藻脂肪酸含量可占干重的30％～60％。利用培养微藻来积累油脂资源，已经成为目前利用太阳能开发可再生资源最热门的研究领域。不仅具有强大的市场潜力，而且具有非凡的社会价值。

微藻培养方式分为密闭式和开放式两种，开放式类似野生放养，采用开放池培养装置，技术简单，投资少。但过程控制难度大，占地面积大，产出能力有限。密闭式培养一般采用密闭式光生物反应器，如气升式、搅拌式、管式等结构的生物反应器。密闭式培养可以实现理想的过程控制，生产效率可以有效提高。但密闭式投资成本高，急需开发理想的培养方式。

微藻的生产要消耗CO₂，CO₂的有效利用吸收，是实现理想培养效果的关键，目前开放的光生物培养微藻技术中，有不少CO₂补给方式和装置。李夜光等“微藻养殖池补充二氧化碳装置”(CN200610018771.9)采用一种与养殖池相连的CO₂补给装置，可以有效提高CO₂利用率，但工艺繁琐，增加了设备投资。刘建国等“微藻规模培养的管道光生物反应器”(CN200410020978.0)及缪坚人等“一种微藻工业生产用光合生物反应器系统”(CN03128138.9)均采用在光生物反应器系统中加入一种装置方法，来实现CO₂的补给，同时也能实现一定的氧解析效果。这些都难免增加设备投资，工艺过程繁琐。目前文献报道中还有另外的一种CO₂补给方式，丛威等在“通过PH值反馈控制补碳培养微藻的方法”(CN200410009360.4)和“用于大规模微藻的补碳装置及其使用方法和用途”(CN200510126465.2)中使用烟道气补碳。

微藻利用光及CO₂进行光合作用，培养过程中固定二氧化碳并释放出氧气。所以考虑CO₂有效利用吸收的同时，还需要从培养基中不断去除过量的氧，否则会反馈抑止生长及生物合成反应。

目前文献中对于CO₂补给和氧解析过程虽然都有所涉及，但在将两者有机结合，减少设备投资，提高CO₂利用率，使CO₂供给和氧解析过程成为光生物反应系统基本过程，利于过程控制，减少成本投入等方面的研究，仍需进一步提高。

根据亨利定律：

Cs = \frac{P}{H}

式中H------亨利常数，因气体种类、温度、溶质的不同而异

P------该种气体的气相分压

Cs------该种气体的液相溶解度

根据亨利定律要去除液相氧的最好的办法就是降低气相中的氧分压。

按气液传质方程式：

Q＝Kla*(Cs-C)

式中Q-----------单位时间气液传质的速率

Kla---------气液传质的系数

(Cs-C)------传质推动力，Cs为饱和氧浓度，C为现实氧浓度。本例中藻类细胞不断光合产氧，故(Cs-C)为负值，意为本例的传质方向是从液相到气相的脱氧过程。据此要提高脱氧速率，必需尽可能加大推动力，降低Cs，又必需同时努力提高传质系数Kla。因此反应器必需具备一定功率搅拌，尽可能增加气液接触的面积和时间，和保持相对合适的通气量。为此通气过程要保持低氧分压和高的CO₂分压，实现脱氧率大于90％同时也能实现CO₂利用率在70％以上。在光生物反应器中设有溶氧测定传感器，可按所测得的溶氧水平反馈调节通气量，以调节传质系数到合适水平。随着培养过程，微藻不断增殖，而逐步提高脱氧速率，甚至在高密度培养条件下也能达到满意的CO₂利用率和脱氧效果。

根据上述分析，为克服目前CO₂补给和氧解析过程繁琐、投资过大等不利因素。需要对CO₂供给和氧解析过程进行整合，优化工艺工程。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种微藻高效培养的方法，本发明方法具有提高微藻培养过程中微藻积累油脂能力，提高CO₂利用率，提高O₂解析能力，简化培养装置等优点。

本发明微藻高效培养的方法包括如下内容：采用光照气升式生物反应器，光照气升式生物反应器内包括微藻和微藻培养基，通入含CO₂的气体实现气升、补给CO₂和解析O₂，其中通入的含CO₂的气体来自于微生物发酵的尾气，该尾气经过输送预处理装置后通入光照气升式生物反应器。

本发明方法中，输送预处理装置采用液环式输送泵，液环式输送泵工作液为灭菌消毒剂水溶液，液环式输送泵在实现气体输送的同时将气体进行预处理。液环式输送泵排出的气液混合物气液分离后的气相可以进一步设置无菌过滤器脱除杂质，液环式输送泵排出的气液混合物气液分离之前可以设置气液接触设备使气液充分混合接触。

本发明方法中，含CO₂的气体可以来自任意微生物发酵过程得到的含二氧化碳气体，最好是厌氧发酵或微氧发酵过程排放的尾气，对于好氧微生物发酵过程的尾气可以先进行脱氧处理，然后利用，如吸附脱氧处理等，氧含量优选为低于8％(v)，最优选为低于5％(v)。典型的厌氧过程如克雷博士肺炎杆菌厌氧发酵生产1，3-丙二醇，初始通入的99％N₂，菌体在厌氧状态下发酵，产生大量的CO₂气体，一般尾气中含CO₂的体积浓度为10％左右。典型的好氧过程如酵母菌发酵制乙醇的过程，该尾气通过吸附脱除部分氧气后可以使用。

本发明方法中，灭菌消毒剂为本领域常规的灭菌消毒剂，如二氧化氯、次氯酸钠、漂白粉、过氧乙酸、过氧化氢、高铁酸钾、戊二醛等一切可以灭活菌类的消毒剂。灭菌消毒剂用量达到灭菌作用即可。

本发明方法中，气升式生物反应器的其它操作条件按常规的微藻培养条件控制。可以设置培养体系二氧化碳和溶解氧量的测定装置，根据需要调整通气量，以获得良好的效果。本发明方法中，如果发酵尾气中的二氧化碳浓度较高，需要的通气量较低，达不到气升的气量时，可以引入另一路气升气体。

本发明方法中，液环式输送泵可以采用液环式真空泵类似的结构，但本发明方法中，实现的是气体输送和预处理，而不是真空泵的作用，因此操作参数需进行相应调整。工作时，进气口一般为常压或微正压，液环式输送泵出口压力一般表压为2～200KPa，优选5～80KPa。

本发明方法中，液环式输送泵工作液和输送的气体在液环式输送泵内混合接触，排出的气液混合物在进行气液分离之前设置气液接触设备，进一步提高气液接触效率，在实现输送气体的同时实现输送气体的预处理功能。设置的气液接触设备可以包括静态混合器、动态混合器、填料塔、鼓泡分散构件等。静态混合器、动态混合器和填料塔可以单独设置在液环式输送泵出口管路上。鼓泡分散构件可以设置在气液分离设备中，此时气液分离设备同时具有气液充分接触作用。

本发明方法克服了当前微藻培养过程中补给CO₂和氧解析效率低、工艺繁琐、设备投入大的问题，提供了一种整合工艺过程，实现理想的CO₂补给和氧解析方式。本发明方法采用的气体输送设备为液环式输送泵，一方面为气体输送提供动力，实现气升式反应器的气升搅拌作用，同时利用液环式输送泵的工作液对输送的气体进行适宜的预处理，实现了气体输送与预处理的双重功能，进而简化了工艺流程，降低了设备投资。

本发明方法中，将气体的输送和预处理有机结合在一起，通过改变液环式输送泵工作液的组成，将其同时作为气体预处理的处理液，在气体输送的同时实现了废气的预处理，避免了通入气体对封闭微藻培养系统造成的微生物污染。气体输送及预处理装置中使用的液环式输送泵虽然与常规的液环式真空泵工作原理相同，但改变了操作条件，入口负压小，出口压力相对较高，因此克服了液环式真空泵用于真空泵时效率低等不足，降低了操作能耗。

附图说明

图1是本发明发酵尾气输送及预处理方法一种具体工艺流程示意图。

图2为本发明发酵尾气输送及预处理方法中使用的液环式输送泵工作原理图。

其中：1-发酵尾气，2-工作液，3-液环式输送泵，4-气液分离罐，5-气液分布器，6-生物反应器；11-工作液进口，12-废气进口，13-气液混合物出口，14-液环式输送泵壳体，15-液环式输送泵液环，16-液环式输送泵叶轮。

具体实施方式

本发明方法中，微藻培养的气升式生物反应器中，使用的通入气体是克雷博士肺炎杆菌厌氧发酵生产1，3-丙二醇过程中的尾气，该尾气中含有N₂和CO₂。由于克雷博士肺炎杆菌厌氧发酵生产1，3-丙二醇中，初始通入的99％N₂，菌体在厌氧状态下发酵，产生大量的CO₂气体，携带出去形成N₂和CO₂混合气，此混合气成份90％以上为N₂，CO₂含量在10％左右。

本发明所使用的为微藻培养提供碳源尾气还包含其他生物发酵过程中的尾气，比如酵母菌发酵等好氧发酵过程。此尾气中含有CO₂量与上述尾气类似，但其中含有大量的氧气，先通过脱氧设备，获得氧分压较低CO₂含量充足的可以用于微藻培养的碳源供气。

本发明中对培养微藻的光生物反应器供气可以分为两路，进行并联操作，一路为N₂，用于反应器气升导流，实现培养体系物质返混与传质，以及降低系统氧分压，实现脱氧功能；第二路为发酵尾气，经过上述输送预处理后进入生物反应器，尾气的中CO₂可供微藻生长碳源，此供气支路流量控制与pH电极或CO₂电极进行藕联控制，可以实现系统供碳与pH控制相藕联，也可以实现培养系统供碳与CO₂吸收利用水平相藕联。

本发明中在光生物反应器中使用溶氧和CO₂传感器，根据所测溶氧和CO₂利用情况，来调节N₂和含CO₂发酵尾气的通气量，光生物反应器中通气量一般控制在0.01L/L·min～5L/L·min(气体的体积与生物反应器容积之比)，进而调节O₂和CO₂分压，从而实现理想的微藻光合反应过程中的CO₂利用和氧解析。本发明技术方案中的微藻培养体系尾气，可以部分循环回生物反应器，提高碳源的利用率。

本发明特别涉及所利用的微藻可以是各种利用二氧化碳为碳源进行光合作用生产有机物的藻类，如小球藻等。

下面对合附图，进一步说明本发明方案和效果。

如图2所示，液环式输送泵工作原理如下：工作液通过工作液进口11进入液环式输送泵壳体14内，当液环式输送泵叶轮16顺时针旋转时，由于离心力的作用，工作液在液环式输送泵壳体14内形成一个封闭液环15，通过液环式输送泵叶轮16的叶片将废气进口12的废气增压输送至气液混合物出口13，将废气和部分工作液输送至液环式输送泵外。

如图1所示，发酵尾气1和工作液2通过液环式输送泵3混合输出至气液分离罐4，在气液分离罐4中，尾气和工作液通过气液分布器5进一步充分接触，以工作液对尾气进行预处理，然后进行气液分离，分离的气相进入气升式反应器6，液相作为工作液循环回液环式输送泵。液环式输送泵的工作液为发酵尾气的预处理液，因此需适时补充消毒剂等试剂。

方案1(比较例)

在10L光生物反应器内进行小球藻培养。反应器为气升式，内设导流桶，可以实现培养液的返混，反应器为玻璃体，外设不锈钢密封罩，罩内有日光灯光源，自动控制设定光的开关时间，形成小球藻培养过程中光暗过程转换。反应器内有温度控制盘管，以及O₂和CO₂传感器。

藻种为普通小球藻，培养基SE培养基。

SE培养基配方(以每升计)：

NaNO₃ 0.25g

K₂HPO₄.3H₂O 0.075g

MgSO₄.7H₂O 0.075g

CaCl₂.2H₂O 0.025g

KH₂PO₄ 0.175g

NaCl 0.025

Soil extract(土壤提取液) 40ml

FeCl₃·6H₂O 0.005

Fe-EDTA 1ml

通气采用空气压缩机压缩空气通入，通入量1L/min。土壤提取液为任意土壤与水混合沉降后的上清液。

培养液在既定的光暗周期下，培养7天后终止培养，收集藻细胞，测干重与油脂含量，并分析CO₂利用情况。

方案2(实施例)

同方案1，所不同的是通气部分，两路并联供气，第一支路为压缩N₂气，第二支路采用液环输送泵输送收集来自克雷博士肺炎杆菌厌氧发酵生产1，3-丙二醇过程中的尾气，将两支路并联，分别调节流量，压缩混合气通入10L光生物反应器中，根据O₂和CO₂传感器所测量数据，分别来调节两个并联支路通气量为0.5L/min和0.1L/min。其他培养条件同方案1所述。

通过脱氧补碳培养7天后，收集藻细胞，测干重与油脂含量，分析CO₂利用率。

方案3(比较例)

同方案2，发酵尾气采用普通压缩机输送至光生物反应器，其他培养条件同方案2所述。通过培养，7天后收集此普通小球藻，测干重与油脂含量，分析CO₂利用率。

上述实施例实验结果如下表：

方案	藻干重	油脂含量	CO₂利用率
				1	1.27g/L	29.2％	0.24g/(L·h)
2	4.81g/L	35.4％	0.58g/(L·h)
				3	2.89g/L	21.2％	0.21g/(L·h)

从上述数据可以看出，本发明方法(方案2)极大地提高了微藻细胞的收获量，油脂含量也得到了提高。

Claims

1.一种微藻高效培养的方法，包括如下内容：采用光照气升式生物反应器，光照气升式生物反应器内包括微藻和微藻培养基，通入含CO₂的气体实现气升、补给CO₂和解析O₂，其特征在于：通入的含CO₂的气体来自于微生物发酵的尾气，该尾气经过输送预处理装置后通入光照气升式生物反应器。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：输送预处理装置采用液环式输送泵，液环式输送泵工作液为灭菌消毒剂水溶液，液环式输送泵在实现气体输送的同时将气体进行预处理。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：液环式输送泵排出的气液混合物气液分离后的气相进一步设置无菌过滤器脱除杂质。

4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：液环式输送泵排出的气液混合物气液分离之前设置气液接触设备使气液充分混合接触。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：含CO₂的气体是厌氧发酵或微氧发酵过程排放的尾气。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：含CO₂的气体是好氧微生物发酵过程的尾气脱氧处理后的气体，氧含量为低于8v％。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：灭菌消毒剂为二氧化氯、次氯酸钠、漂白粉、过氧乙酸、过氧化氢、高铁酸钾、戊二醛中的一种或几种。

8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：气升式生物反应器设置培养体系二氧化碳和溶解氧量的测定装置。

9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：液环式输送泵压力表压为2～200KPa。

10.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：液环式输送泵工作液和输送的气体在液环式输送泵内混合接触，排出的气液混合物在进行气液分离之前设置气液接触设备，进一步提高气液接触效率，在实现输送气体的同时实现输送气体的预处理功能。