CN102311923B - 一种微藻培养方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微藻培养方法，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气体采用气液混合输送装置输送，含CO2气体经过气液混合输送装置后进行气液分离，气液分离的气相用于气升式生物反应器的气升气源，气液分离后的液相进入气升式生物反应器进一步补充CO2，气液混合输送装置入口的液相来源于气升式生物反应器。与现有技术相比，本发明方法通过气相和液相同时补充CO2，提高了微藻培养过程中微藻积累油脂能力，提高了CO2利用率，同时简化了培养装置。

Description

一种微藻培养方法
技术领域
本发明属于微藻生物技术领域，具体地说涉及一种光生物反应器培养微藻过程中有效补充CO2实现微藻培养品质提高的方法。
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、医药和能源等方面；可以大量积累脂肪酸，有些微藻如小球藻，其体内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，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。可以实现理想的过程控制，生产效率极大提高。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合用途”(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，但为克服目前CO2补给和氧解析效果不够理想、过程繁琐、投资过大等不利因素，还需要对微藻培养过程中CO2补给手段进行优化，改善培养系统的碳源供应，优化培养工艺。
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气体采用气液混合输送装置输送，含CO2气体经过气液混合输送装置后进行气液分离，气液分离的气相用于气升式生物反应器的气升气源，气液分离后的液相进入气升式生物反应器进一步补充CO2，气液混合输送装置入口的液相来源于气升式生物反应器。
本发明方法中，气液混合输送装置包括液环式输送泵、气液混合泵等适宜的输送设备。所使用的液环式输送泵或气液混合泵可以实现增压效果，这样可以大大提高二氧化碳在液相中的溶解度，将此富含CO2的液相输送至培养微藻的反应器中，作为微藻培养用基础培养液成份之一。上述富含CO2的液相在进入反应器之前，可以根据需要需添加基本培养成份配置的母液，以补充微藻培养系统的营养成份。
本发明方法中，气液混合输送装置入口的液相来源于气升式生物反应器，气升式生物反应器中液相经过微藻过滤后进入气液混合输送装置。
本发明方法中，含CO2的气体可以来自任意含CO2的气体，如微生物发酵过程得到的含二氧化碳气体、烟道气等，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。烟道气可以经过适当过滤等处理进行使用。
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，如果含二氧化碳气体中二氧化碳浓度较高，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，气液混合输送装置可以采用现有结构的气液混合输送置，其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气液混合，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，液环式输送泵或气液混合泵等气液混合输送装置的出口压力一般表压为2～200KPa，优选5～80KPa。
本发明方法中，气液混合输送装置将气体和液体混合并输送，排出的气液混合物在进行气液分离之前可以设置气液接触设备，进一步提高气液接触效率，在实现输送气体的同时实现二氧化碳在液体中的充分溶解。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CO2在气液两相中实施共同补充工艺过程，实现理想的CO2补给和氧解析方式，进一步提高了CO2补给效果。本发明方法利用在增压下CO2更易溶解于水中的效果，将气体的输送和液相补充循环利用有机结合在一起，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，同时利用富含CO2的输出液体对反应器进行进一步补充CO2，实现了气体输送与液相补充的双重功能，进而简化了工艺流程，降低了设备投资。
附图说明
图1是本发明一种具体工艺流程示意图。
图2为本发明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，7-补充营养物质，8-液相入口管线，9-微藻过滤装置；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
如图1和2所示，本发明中采用液环式输送泵进行气体和液体的混合与输送，液体来自于气升式生物反应器并经过液环式输送泵后循环回生物反应器。循环液体经过液环式输送泵时，大量溶解了CO2，经过补充适量营养物质后循环回生物反应器。循环液体取自生物反应器底部，经过过滤装置引出，循环液体循环回生物反应器上部。
生物反应器底部循环液体出口处设置的过滤装置为金属或塑料滤网，网眼尺寸在1～20微米均可。同时在滤网外端接有反吹气路，目的是在循环路线由于滤网微藻滤饼堆积影响正常流速时，反吹滤饼，及时消除堆积效应，使系统连续循环运转状况不受影响。
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。当然也可以使用其它来源的含CO2气体，如烟道气等。
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；第二路为含CO2气体，经过上述输送预装后进入生物反应器，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气体的通气量，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。生物反应器优选采用常压操作。
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的叶片将气体进口12的气体增压输送至气液混合物出口13，将气体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，使二氧化碳进一步充分溶解在工作液中，然后进行气液分离，分离的气相进入气升式反应器6，充分溶解二氧化碳的液相进入生物反应器进一步补充二氧化碳。同时，气液分离罐中的工作液可以补充营养物质7，并通过液相入口管线8以一定流速加入反应器中6中，实现气液两相同步补充CO2的效果，最后在设置的微藻过滤装置9之后，使工作液在反应器与液环式输送泵之间进行循环。
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，所不同的是采用液环式输送泵将取自生物反应器的液体和1，3-丙二醇过程中的尾气混合输送，然后气液分离，气相和液相分别引入生物反应器(如图1所示流程)，液相补充营养物质后进入反应器，从反应器出来的料液经过过滤除藻之后，实现循环，其循环流速与培养体系中CO2溶解情况相关联，设定循环流速为20mL/min。通气部分，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，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，调节通气量为0.1L/min，同时补充适量N2提高气升效果。此气液两相中均富含CO2，在反应器中与微藻细胞进行物质传递，实现CO2在生物体内的固定。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，营养物质直接补充到生物反应器中，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   5.85g/L   37.6％   0.67g/(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 (9)

1.一种微藻培养方法，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气体采用气液混合输送装置输送，含CO2气体经过气液混合输送装置后进行气液分离，气液分离的气相用于气升式生物反应器的气升气源，气液分离后的液相进入气升式生物反应器进一步补充CO2，气液混合输送装置入口的液相来源于气升式生物反应器；气液混合输送装置将气体和液体混合并输送，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二氧化碳在液体中的充分溶解。 
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：气液混合输送装置包括液环式输送泵、气液混合泵。 
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：气液分离后的液相进入气升式生物反应器之前，补充微藻培养系统的营养成份。 
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：气升式生物反应器中液相经过微藻过滤后进入气液混合输送装置。 
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：含CO2的气体来自微生物发酵过程得到的含二氧化碳气体或烟道气。 
6.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。 
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：气液混合输送装置的出口压力表压为2～200KPa。 
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：设置的气液接触设备包括静态混合器、动态混合器、填料塔或鼓泡分散构件。 
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：气液混合输送装置入口的液相取自生物反应器底部，经过过滤装置引出；气液分离后的液相进入气升式生物反应器上部。 
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