CN102382754A - 一种发挥微藻“闪光效应”的光纤光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物技术领域，具体地，本发明涉及一种发挥微藻“闪光效应”的光纤光生物反应器，所述反应器内设置侧发光光纤，所述侧发光光纤浸泡在藻液中，沿藻液的流动方向逐层布置，藻液在各层光纤构成的几何面的垂直方向上有速度分量；生物反应器内所设置的侧发光光纤的数目其中，V为藻液在光纤构成的几何面的垂直方向上的流速，V＝0.1～1m/s，d为光纤直径，d≤30mm，L为光纤长度，l为光区的厚度l＝0.5～5mm，K为光比例，K＝0.05～0.3；反应器内设置光纤的层数N＝F/D，D为相邻光纤层间的间距，D＝V×(0.01～0.1s)，F为光生物反应器在光纤构成的几何面的垂直方向上的长度。通过本发明既利用了光纤作为内光源，又实现了“闪光效应”，提高光能利用率和细胞产率。

Description

一种发挥微藻“闪光效应”的光纤光生物反应器

技术领域

本发明涉及生物技术领域，具体地，本发明涉及一种发挥微藻“闪光效应”的光纤光生物反应器，适用于中试或生产规模上培养各种微藻及其他光合生物。

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。随着煤炭、石油等化石能源的日益枯竭，微藻作为重要的可再生资源能够提供各种生物质如：油脂、淀粉、纤维素等，因而引起了人们的高度重视。

微藻规模化培养的核心是光生物反应器，设法提高反应器中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。在规模培养的光生物反应器中，在通常的细胞密度下，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”，微藻的光能利用率会得到很大提高(Janssen M，Slenders P，Tramper J，et al.，Enzyme Microb.Technol.，2001，29：298～305；Matthijs H.C.P，Balke H，Mur L.R，et al.，Biotechnol.Bioeng.，1996，50：98～107)。原因在于微藻的光合作用过程可分为光反应和暗反应两个阶段，在光反应阶段藻细胞接受光量子并转换为化学能，在暗反应阶段藻细胞利用化学能合成细胞组分。在暗反应阶段，藻细胞不需要光照甚至光照反而有害，对单个藻细胞而言，持续的光照意味着光量子的浪费。因此通过合理的反应器设计与操作，使微藻细胞以较高的频率周期性地流过反应器的光区和暗区，可以提高总体的光能利用率和微藻细胞的产量。

在传统的光生物反应器(管式、板式、箱式、柱式)中，藻液在光线的传播方向(称为光径方向)上流动速度不明显，难以发挥微藻的“闪光效应”。一些研究者试图通过对反应器内部进行结构设计以影响藻液流动，使得微藻细胞在反应器的光区和暗区之间快速置换，进而发挥微藻“闪光效应”。文献(Degen J.et al.J.Biotechnol.2001，92：89-94)通过在气升板式光生物反应器的两个侧面上交错布置折流挡板，藻液在气体的带动下会周期性地流过反应器的光区和暗区，有效利用了微藻的“闪光效应”；文献(Ugwu C.U.et al，Appl.Microbiol.Biotechnol.，2002，58：600-607.)在传统的管式反应器中增加了静态混合器，使得藻液流过时存在一定的径向流速，也能利用微藻的“闪光效应”；国际专利(WO2003094598A1)公开了一种在倾斜管中利用上升的气流和下降的液流形成“气旋涡流”的方式实现微藻“闪光效应”的反应器结构。这类光生物反应器都是通过流体湍动或漩涡来实现微藻的周期受光，流体的湍流耗散能大，局部剪切力大，此外，这类光生物反应器整体的光/暗循环频率较小且难以实现藻细胞光/暗循环频率的一致性。

光纤光生物反应器与传统的密闭式光生物反应器的不同之处在于，采用内置光纤为光生物反应器内的藻细胞提供光照，光源可以来自室外集光器采集的自然光或人工光源。典型的光纤光生物反应器的示意图如图1所示：集光器1将采集到的太阳光或者人工光源发出的光导入起导光作用的端发光光纤3(Optical fiber)；反应器5内部是侧发光(通体发光)光纤4，光纤4浸泡在微藻培养液6中，通过光纤3导入的光经过光纤4的侧面发出为微藻生长提供能量。在光生物反应器内采用光纤提供光照，可以使反应器布置上更加紧凑，驱动流体流动的能耗也可以显著降低。文献(Matsunaga T.，Appl.Biochem.Biotech.，1991，28-9：157-167.)在一个气升柱式光反应器的内部垂直布置了一定数量的发光光纤；文献(An J.-Y.，J.Biotechnol.，2000，80：35-44.Ogbonna J.C.，J.Biotechnol.，1999，70：289-297)在传统的搅拌罐式光反应器内垂直布置了一定数目的光纤；文献(Janssen M.，Biotechnol.Bioeng.，2003，81：193-210.)报道了一种以光纤为内光源的气升板箱式光生物反应器，在其导流板内布置一定数量的光纤，组成了多个的发光面。此类反应器在传统的光生物反应器的基础上增加了光纤作为内光源，提高了反应器的光照面积/体积比，进而提高了微藻产率。然而，此类光纤光生物反应器由于光纤布置与藻液流动方向平行，难以实现微藻细胞在光区和暗区之间的快速置换，因而难以利用微藻“闪光效应”。

因此，如何在生物反应器中以发光光纤为光源，既能提高反应器的光照面积/体积比，降低驱动流体流动的能耗，又能够同时实现微藻“闪光效应”，从而达到进一步提高微藻细胞对光能的利用率、提高微藻产率、降低成本的目的，对微藻的规模化培养具有重要的作用，但目前还没有相关的生物反应器能实现上述目的。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种发挥微藻“闪光效应”的光纤光生物反应器，成功的解决了上述问题。

根据本发明的发挥微藻“闪光效应”的光纤光生物反应器，所述反应器内设置侧发光光纤，所述侧发光光纤浸泡在藻液中，并且沿藻液的流动方向逐层布置，藻液在各层光纤构成的几何面的垂直方向上有速度分量；生物反应器内所设置的侧发光光纤的数目

其中，V为藻液在光纤构成的几何面的垂直方向上的流速，V＝0.1～1m/s，d为光纤直径，d≤30mm，L为光纤本身的长度，l为光区的厚度l＝0.5～5mm，K为光比例，K＝0.05～0.3；光纤光生物反应器内设置光纤的层数N＝F/D，其中，D为相邻光纤层之间的间距，D＝V×(0.01～0.1s)，F为光生物反应器在光纤构成的几何面的垂直方向上的长度。

根据本发明的发挥微藻“闪光效应”的光纤光生物反应器，所述的光纤构成的面由多根单股光纤平行排成一排构成，相邻两排光纤中的单股光纤交错排列，如图2所示。其中单根光纤的直径从1～30mm；或者光纤构成的面由多根单股光纤以一定方式织成的光纤网构成，例如横竖交叉织成的方形或菱形网孔的光纤网，网孔不小于1mm，如图3所示，其中的光纤为较细的单根光纤，直径一般d≤1mm。其中所述的光纤的材料为玻璃或者塑料，所述玻璃包括高纯度石英玻璃、多组分玻璃，所述塑料包括聚甲基丙烯甲酯(PMMA)、聚苯丙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、氟化聚甲基丙烯酸酯(FPMMA)和全氟树脂等。

本发明的光纤光生物反应器包括在通常的外形为板式、箱式、柱式光生物反应器内设置多根侧发光光纤，其特征是，多根侧发光光纤沿藻液的流动方向逐层布置，各层光纤构成的面(几何面)与藻液的流动方向垂直或虽然不完全垂直，但是藻液在光纤构成的面的垂直方向上有一定的速度分量，如图2，其中8为暗区，9为光区。所述的藻液的流动方向包括水平方向或上下垂直方向，藻液的流动的实现方式包括气升(气体驱动，藻液上下循环流动，如图4)、鼓泡(气体驱动，藻液上下垂直流动，如图5)、泵驱动(藻液水平流动或上下循环流动，如图6)、机械搅拌(藻液周向流动或上下循环流动，如图7)等方式。

具体说来，对于外形为板式、箱式、罐式的光生物反应器，当采用气升和鼓泡驱动藻液流动时，藻液的流动方向为上下方向，光纤构成的面优选水平方向；对于机械搅拌罐式，藻液的流动方向可为周向，光纤构成的面可垂直于反应器底面，或采用螺旋桨及导流筒结构时藻液的流动方向为上下循环，光纤构成的面优选水平方向；对于在光反应器外采用泵驱动藻液流动的方式，藻液可以根据进出反应器接口的设置实现水平流动或上下循环流动。藻液垂直流过光纤构成的面能够使得藻细胞交替穿过光区和暗区，发挥微藻的“闪光效应”。

其中，光区和暗区的界定是根据可以支持微藻生长的最低光强(补偿光强)来区分的。本领域科学家已发现，由于藻细胞的吸收和散射，光在藻液中传播时会迅速衰减，因此光强在反应器内有一个分布，反应器内光强高于此最低光强的区域视为光区，低于此最低光强的区域视为暗区，支持微藻生长的最低光强可通过研究特定藻种对光强的响应来确定。反应器内任一点的光强可根据反应器几何结构、光源位置、藻液浓度计算出来，如使用文献(Suh I.S.，Biotechnol.Bioeng.，2003，82(2)：180-189)的方法。由此可以确定光区的厚度，大多数情况下光区的厚度在0.5～5mm范围内。类似地，合适的光比例可根据微藻在光/暗循环下的响应数据来确定。本领域科学家已发现，对很多微藻，合适的光比例的范围为0.05～0.3。图2给出了光生物反应器的光区、暗区示意图。

为了使反应器内藻细胞达到一定频率的光/暗循环，藻液在垂直于光纤构成的面的方向上要达到一定的速度(或速度分量)。作为本领域技术人员所熟知的，在反应器结构和光纤布置确定之后，藻液流速可以通过操作条件来控制。例如，采用气体驱动流体运动时(鼓泡或气升)，可以通过调节气压和通气速率来调节藻液流速；采用机械搅拌或泵驱动时，可以通过调节搅拌转速或泵的流量来调节藻液流速。

除了上述特征，所述的光纤光反应器还满足通常的无菌、检测、控制等方面的要求。在本发明中所提到的微藻，也可以指其他光合生物细胞，如植物细胞、光合细菌等。

现有光纤光生物反应器的示意图如图1所示：集光器1将采集到的太阳光或者人工光源发出的光导入起导光作用的端发光光纤3(Optical fiber)；反应器5内部是侧发光(通体发光)光纤4，光纤4浸泡在微藻培养液6中，通过光纤3导入的光经过光纤4的侧面发出为微藻生长提供能量。

本发明提供的一种能充分发挥微藻“闪光效应”的气升板箱式光纤光生物反应器，如附图4所示，包括一封闭或敞开的箱体13、箱体相对的两个侧壁14和15上水平固定一定数目的侧发光光纤4、垂直于两侧壁14和15的两个导流板18。反应器内装有一定量的藻液6，且藻液的液面高于导流板的上边缘。两个导流板18之间的靠近底面的位置布置气体分布器16，来自空气压缩机或者气瓶的气体10通入气体分布器16，分散成气泡17进入反应器内，带动藻液6的上下循环。

本发明提供的一种能充分发挥微藻“闪光效应”的鼓泡板箱式光纤光生物反应器，如附图5所示，包括一封闭或敞开的箱体13、相对的两个侧壁14和15上水平固定一定数目的侧发光光纤4。反应器内装有一定量的藻液6，靠近反应器底面的位置布置有气体分布器16，来自空气压缩机或者气瓶的气体10通入气体分布器16分散成气泡17进入反应器内，带动藻液6的上下循环。

本发明提供的一种能充分发挥微藻“闪光效应”的板式光纤光生物反应器，如附图6所示，包括一板式反应器20，板式反应器20内与流动方向7垂直的方向固定一定数目的侧发光光纤4。在液体驱动装置泵11的驱动下，藻液6通过进液口19(为保证流场均匀可设置多个进液口)进入板式反应器20，垂直流过多层光纤后流出反应器进入到气液交换装置12，在气液交换装置12内经过氧解析和补充二氧化碳之后重新进入板式反应器20。

本发明提供的一种能充分发挥微藻“闪光效应”的搅拌罐式光纤光生物反应器，如附图7所示，包括一罐体21和搅拌桨22，罐体21内垂直固定一定数目的侧发光光纤4。反应器内装有一定量的藻液6，在搅拌桨的带动下，藻液6在反应器内循环混合。

通过本发明的光纤光生物反应器既利用了光纤作为内光源提高反应器的光照面积/体积比，又使得藻液流动时藻细胞能够有序的通过光生物反应器的光区和暗区，实现微藻细胞的周期照光。根据本发明的具体实施例，按照公式

设置的侧发光纤的数，其中，V为藻液在光纤构成的几何面的垂直方向上的流速，V的取值一般在0.1～1m/s范围内，d为光纤直径，d≤30mm，L为光纤本身的长度，l为光区的厚度，一般l＝0.5～5mm，K为光比例，K＝0.05～0.3；光纤光生物反应器内设置光纤的层数N＝F/D，其中，D为相邻光纤层之间的间距，D＝V×(0.01～0.1s)，F为光生物反应器在光纤构成的几何面的垂直方向上的长度，在设置光纤时，V、l、K在上述数值范围内取值，沿藻液的流动方向逐层布置光纤，使藻液在各层光纤构成的几何面的垂直方向上有速度分量。这样设置的光纤光反应器，可以尽可能地充分发挥微藻“闪光效应”，达到提高规模化培养的光能利用率和细胞产率的目的。

附图说明

图1为现有光纤光生物反应器系统示意图；

图2为本发明的能发挥微藻“闪光效应”的光纤光生物反应器原理示意图；

图3为本发明拟采用的网状光纤示意图，其中左图为方形网状光纤，右图为菱形网状光纤；

图4为本发明的一种能充分发挥微藻“闪光效应”的气升板箱式光纤光生物反应器示意图，其中左图为三维视图，右图为侧面视图；

图5为本发明的一种能充分发挥微藻“闪光效应”的鼓泡板箱式光纤光生物反应器示意图，其中左图为三维视图，右图为侧面视图；

图6为本发明的一种能充分发挥微藻“闪光效应”的板式光纤光生物反应器示意图；

图7为本发明的一种能充分发挥微藻“闪光效应”的搅拌罐式光纤光生物反应器示意图，其中左图为主视图，右图为俯视图；

附图标记

1-光源(太阳或人工光源)；    2-集光器；          3-端发光光纤；

4-侧发光光纤；              5-光生物反应器；    6-藻液；

7-藻液流动方向；            8-光区；            9-暗区；

10-气体；                   11-泵；             12-气液交换装置；

13-反应器箱体；             14、15-相互平行的两个反应器侧壁；

16-气体分布器；             17-气泡；           18-导流板；

19-进液口；                 20-板式反应器；     21-罐体；

22-搅拌桨；

具体实施方式

实施例1

构建以光纤为内光源的气升板箱式光生物反应器系统，反应器结构如附图4所示：包括一封闭或敞开的箱体13、箱体相对的两个侧壁14和15上水平固定一定数目的侧发光光纤4、垂直于两侧壁14和15的两个导流板18。反应器内装有一定量的藻液6，且藻液的液面高于导流板的上边缘。两个导流板18之间的靠近底面的位置布置气体分布器16，来自空气压缩机或者气瓶的气体10通入气体分布器16，分散成气泡17进入反应器内，带动藻液6的上下循环。

主体尺寸(长×宽×高)为500mm×250mm×1000mm，装液体积约100L；两个导流板之间的距离为100mm，导流板长度500mm，下边缘距离反应器底面150mm；气体分布器使用3根长度为450mm的Φ10的陶瓷管并行排列；反应器侧壁面布置有水夹套，培养时通入恒温水控温；光纤采用直径10mm的PMMA塑料光纤，长度2m，前1.5m为导光段，后0.5m为发光段，垂直固定在与导流板垂直的两侧壁之间，在反应器内高度为0～800mm的范围内布置20层，每层10根光纤，层与层之间距离40mm，光纤错位布置；光纤的光源采用10组大功率白光LED(300W)，每组光源器对应20根光纤；光源器的输出可调，光纤表面光强最高可达200μmol m^-2s^-1。

使用此反应器培养钝顶螺旋藻(中国科学院水生生物研究所淡水藻种库，编号439)，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100L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，控制培养温度为32±1℃；培养期间向反应器内通入空气和二氧化碳的混合气体，混合气体的流量是40L/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，采收方法是每3天将培养系统内培养液的20％引出，引出的培养液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3.5g/L.d，高于对比实施例1藻液流动方向与光纤方向平行的光纤光生物反应器内同样培养条件下的体积产率(1.6g/L.d)，表明微藻细胞的光能利用率明显提高。

对比实施例1

构建主体尺寸与实施例1相同的气升板箱式光纤光生物反应器，所不同的是，光纤垂直于反应器的底面，导光段长度为1m，发光段长度为1m。其他同实施例1，培养过程持续30天，螺旋藻的体积产率约为1.6g/L.d。

实施例2

构建如附图6所示的板式光纤光生物反应器系统，反应器水平放置，包括一板式反应器20，板式反应器20内与流动方向7垂直的方向固定一定数目的侧发光光纤4。在液体驱动装置泵11的驱动下，藻液6通过进液口19(为保证流场均匀可设置多个进液口)进入板式反应器20，垂直流过多层光纤后流出反应器进入到气液交换装置12，在气液交换装置12内经过氧解析和补充二氧化碳之后重新进入板式反应器20。

主体尺寸(长×宽×高)为1000mm×500mm×250，装液体积约120L；反应器上壁面布置有水夹套，培养时通入恒温水控温；采用直径1mm的PMMA塑料光纤织成的方形网状光纤，网孔边长2mm；网状光纤垂直于流动方向固定在反应器四壁上；布置25层，层与层之间距离40mm；光纤的光源器采用10组大功率白光LED(300W)；光源器的输出可调，网状光纤表面光强最高可达200μmol m^-2 s^-1；气液交换装置采用体积为50L的鼓泡式反应器；离心泵驱动藻液循环。

使用此反应器培养钝顶螺旋藻(中国科学院水生生物研究所淡水藻种库，编号439)，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光生物反应器系统；按照Zarrouk培养基配方配制150L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，控制培养温度为32±1℃；培养期间气液交换装置内藻液体积越30L，向其中通入空气和二氧化碳的混合气体，流量为6L/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，采收方法是每3天将培养系统内培养液的20％引出，引出的培养液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2.8g/L.d，高于对比实施例2藻液流动方向与光纤网平行的板式光纤光生物反应器内同样培养条件下的体积产率(1.5g/L.d)，表明微藻细胞的光能利用率明显提高。

对比实施例2

构建主体尺寸与实施例2相同的板式光纤光生物反应器系统，板式反应器内布置5层网状光纤，网状光纤平行于藻液流动方向，网状光纤总的发光面积及表面光强与实施例2相同。其他条件同实施例2，培养过程持续30天，螺旋藻的体积产率约为1.5g/L.d。

Claims (4)

1.一种发挥微藻“闪光效应”的光纤光生物反应器，所述反应器内设置侧发光光纤，所述侧发光光纤浸泡在藻液中，其特征在于，

所述的侧发光光纤沿藻液的流动方向逐层布置，藻液在各层光纤构成的几何面的垂直方向上有速度分量；

生物反应器内所设置的侧发光光纤的数目

其中，V为藻液在光纤构成的几何面的垂直方向上的流速，V＝0.1～1m/s，d为光纤直径，d≤30mm，L为光纤本身的长度，l为光区的厚度l＝0.5～5mm，K为光比例，K＝0.05～0.3；

光纤光生物反应器内设置光纤的层数N＝F/D，其中，D为相邻光纤层之间的间距，D＝V×(0.01～0.1s)，F为光生物反应器在光纤构成的几何面的垂直方向上的长度。

2.根据权利要求1所述的发挥微藻“闪光效应”的光纤光生物反应器，其特征在于，所述的侧发光光纤沿藻液的流动方向逐层布置，各层由多根单股光纤平行排列成排构成，或由多根单股光纤以织成光纤网构成，其中，相邻两排光纤中的单股光纤交错排列。

3.根据权利要求1所述的发挥微藻“闪光效应”的光纤光生物反应器，其特征在于，所述的光纤的材料为玻璃或者塑料，所述玻璃包括高纯度石英玻璃、多组分玻璃，所述塑料包括聚甲基丙烯甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、氟化聚甲基丙烯酸酯、全氟树脂。

4.根据权利要求1所述的发挥微藻“闪光效应”的光纤光生物反应器，其特征在于，藻液流动的实现方式包括气升、鼓泡、泵驱动、机械搅拌。

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