CN103131638A

CN103131638A - 一种生物培养方法及所使用的光生物反应器系统

Info

Publication number: CN103131638A
Application number: CN2011103910787A
Authority: CN
Inventors: 刘中民; 徐云鹏; 孙新德; 白长敏; 张今令; 黄为
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-06-05

Abstract

一种培养微藻的光生物培养方法及其使用的光生物反应器系统，该光生物系统包括光区容器、暗区容器、藻液输送泵和太阳光会聚装置。太阳光会聚装置将太阳光聚集后照射在由透光材料制成的光区容器上，使用输送泵推动藻液在光区容器和暗区容器之间循环，光区容器或暗区容器之一是封闭的，空气和二氧化碳从不封闭的另一区通入并引出，所培养藻液的藻细胞密度为1-10g/l(干基)。该光生物反应器系统可用于培养等鞭金藻、小球藻、微绿球藻、圆石藻、紫球藻、硅藻等。

Description

一种生物培养方法及所使用的光生物反应器系统

技术领域

本发明属于一种在会聚太阳光为光源的条件下培养微藻的光生物反应系统及使用方法。

背景技术

微藻是一类具有重大应用价值的生物资源，现有的微藻培养主要在光生物反应器中进行，迄今已研制成功种类繁多、结构各异的光生物反应器，有开放池式、水平管状、垂直管状、柔性袋状等多种类型。代表性的有两类：跑道池式和封闭式光生物反应器。前者适合于可以开放培养的微藻，生产成本较低，并能在大面积生产中维持一定的产量，是目前商业规模大量培养微藻所普遍采用的培养系统。而封闭式光生物反应器可用于大多数藻类的培养，易于控制培养条件及生长参数、CO₂利用率高。其中较典型的有水平回旋管型和垂直管状，适用于不宜开放培养或经济价值较高的藻类，能防治污染、维持单种培养、运转过程能严格控制，有较高的光能利用率，因而可获得较高的生物密度和产量。

目前封闭式光生物反应器主要是管道式和板箱式两种，培养液的循环分别采用泵和气升两种方式。

中国专利CN1472305A报道了一体式的气升式光生物反应器，该反应器包括罐体、提升管、气体分布器，其中筒形提升管与罐体同轴；气体分布器由罐顶中心延伸至底部，下部与罐体底部留有距离以便培养液的循环。

中国专利申请号CN200410017249.X公开了一种光生物反应器系统及用该反应器系统培养微藻的方法，通过将多个封闭式光生物反应器组合成多级的封闭式光生物反应器系统，使培养微藻的方法包括以下步骤：①在第一级封闭式光生物反应器中添加培养基；②在每一级封闭式光生物反应器中进行培养液的充气培养，③将上一级封闭式光生物反应器中的培养液输送到下一级封闭式光生物反应器中，④从末一级封闭式光生物反应器中收集微藻产物，优点是培养微藻的生长可以保持长时间的指数生长期，并连续收获，比传统的方法减少了延缓期、平稳期，生长更加迅速。

目前用于培养微藻的光生物反应器及使用方法只能直接利用太阳光为光源，光强受到自然条件的限制，因而不能得到很高的藻细胞密度。

发明内容

本发明为了克服上述光生物反应器及培养方法的不足，提出一种培养微藻的光生物培养方法及用于该光生物培养方法的光生物反应器系统，采用以会聚太阳光为光源在较高的藻细胞密度下进行微藻的高效培养。

本发明的培养微藻的光生物培养方法，包括以下步骤：

1.在光区容器中导入干基藻细胞密度为1.0g/l以上，并且充有含CO₂的空气混合气的藻液；

2.向所述光区容器照射太阳光强度会聚成1.5～10倍的会聚太阳光；

3.经会聚太阳光照射的光区容器内的所述藻液，导入到暗区容器，并向暗区容器内通入CO₂的空气混合气；

4.将所述暗区容器内的充有含CO₂的空气混合气的导入光区容器，并循环上述步骤1～3；

5.当导入到暗区容器内藻液的干基藻细胞密度为10.0g/l以下时，从暗区容器中收集微藻产物。

上述本发明的光生物培养方法中，向藻液内通入含CO₂的空气混合气的步骤可参照现有技术进行，通常这种空气混合气中含有体积比2～15％的CO₂气体。

本发明的光生物反应器系统包括光区容器、暗区容器、藻液输送泵和太阳光会聚装置。

藻液置于光区和暗区容器中，光区和暗区容器之间至少有两处是连通的，使藻液可以通过输送泵的作用在光区和暗区容器之间循环。

太阳光会聚装置将太阳光会聚后照射在光区容器上，光区容器由高透过率的透光材料(如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等)制成，以便会聚后太阳光透过被其中的藻液吸收。光区容器的形状可以是管道状、球形、扁球形等，可以设置一个或多个串联的这种形状的容器。

太阳光会聚装置可以采用的凸透镜或凹面反射镜或其他能够使太阳光会聚的装置。使用凸透镜时，可设置多个凸透镜，在每个凸透镜下面各放置一个球形或扁球形或其他形状的容器，这些容器和暗区容器之间通过管道相连，容器的受光面位于透镜平面和透镜的焦点之间，通过调节这些容器和透镜之间的距离可以调节太阳光的会聚倍数。太阳光会聚装置采用凹面反射镜的一种方案如附图1所示，光区容器采用管道形状，置于凹面反射镜上方，照射到凹面反射镜的太阳光经反射汇聚后照到管道上，凹面反射镜反射面的横截面呈抛物线或接近抛物线效果最好。

本发明的光会聚装置可将太阳光强度会聚成原太阳光强度的1.5～10倍。会聚后的太阳光强度过低小于1.5倍时，对提高光生物反应的效果不明显，而会聚太阳光的能力提高，虽然可以提高光生物反应速度(效率)，但将增大光会聚装置并提高成本，较适当的太阳光会聚倍数为10倍以下。

光区和暗区之一是封闭的，空气和二氧化碳从不封闭的另一区通入并排出。所通入空气中二氧化碳的体积浓度为3-15％。藻液输送泵的入口接不封闭的一区，出口接封闭的一区；藻液从不封闭区由输送泵经必要的管道流入封闭区，再经另一必要的管道返回不封闭区。

本发明提出的上述光生物反应器系统适合于培养藻细胞密度为1-10g/l(干基)的藻液，能够得到较高的光合效率。在藻细胞密度较低小于1g/l(干基)时容易出现光抑制和光损伤，降低光合效率，甚至导致微藻大量死亡。藻细胞密度高的优点是微藻易于从藻液中分离出来，生产同样的生物量所需的反应器体积小，因而可以显著降低微藻的生产成本，但藻细胞密度过高大于10g/l(干基)时，生产时间变得过长，将会影响生产效率，因此较适当的培养藻细胞密度控制在1～10g/l(干基)的范围。

采用本发明提出的上述光生物反应器系统及使用方法，可用来培养各种利用光合作用合成生物质的微藻，包括等鞭金藻、小球藻、微绿球藻、圆石藻、紫球藻、硅藻等。

附图说明

附图1太阳光会聚装置采用凹面反射镜的示意图。图中，1为光区容器，2为太阳光会聚装置中的凹面反射镜，3为藻液进出光区容器，4为太阳光射入经凹面反射镜反射到光区容器的方向。

具体实施方式

实施例1

采用如附图1所示的太阳光会聚方案，其中作为光区容器的管道为内径32mm、长1.2m的玻璃管，将10组这样的凹面反射镜和玻璃管道的组合安装在能自动跟踪太阳方位的支架上，使其始终正对太阳方向。各玻璃管之间用软管串联起来，第1根玻璃管的空余一端用软管和潜水泵的出口相接，潜水泵放在作为暗区容器的塑料桶中，并浸没在其中的藻液中，第10根玻璃管的空余一端接软管通到暗区容器的塑料桶中。藻液从塑料桶中依次经潜水泵、10根玻璃管返回塑料桶中。

在体系中加入藻细胞密度为1.38g/l(干基)的等鞭金藻藻液，其中处于光区的藻液约为10升，处于暗区塑料桶中的藻液约为1升；塑料桶中通入含5％CO₂(体积比)的空气混合气，流量为1000ml/min，并放置冷却盘管将藻液温度控制在25-30℃。调节玻璃管与凹面反射镜的距离使太阳光会聚2倍。

在太阳光光强平均为2.7mmol·m^-2·S^-1的条件下，培养7小时后藻细胞密度达2.94g/l(干基)。

实施例2

采用与实施例1相同的光生物反应器系统及培养方法，不同的是藻种为小球藻、起始藻细胞密度为1.87g/l(干基)，其中处于光区的藻液约为10升，处于暗区塑料桶中的藻液约为6升；塑料桶中通入含5％CO₂(体积比)的空气混合气，流量为2000ml/min，太阳光会聚倍数为5倍。

在太阳光光强平均为2.7mmol·m^-2·S^-1的条件下，培养7小时后藻细胞密度达4.68g/l(干基)。

实施例3

采用与实施例1相同的光生物反应器系统及培养方法，不同的是藻种为微绿球藻、起始藻细胞密度为1.64g/l(干基)，其中处于光区的藻液约为10升，处于暗区塑料桶中的藻液约为50升；塑料桶中通入含6.5％CO₂(体积比)的空气混合气，流量为10000ml/min，太阳光会聚倍数为6倍。

在太阳光光强平均为3.5mmol·m^-2·S^-1的条件下，培养7小时后藻细胞密度达2.90g/l(干基)。

实施例4

采用与实施例1相同的光生物反应器系统及培养方法，不同的是藻种为圆石藻、起始藻细胞密度为2.53g/l(干基)，其中处于光区的藻液约为10升，处于暗区塑料桶中的藻液约为100升，塑料桶中通入含6.5％CO₂(体积比)的空气混合气，流量为151/min，太阳光会聚倍数为10倍。

在太阳光光强平均为3.1mmol·m^-2·S^-1的条件下，培养7小时后藻细胞密度达3.97g/l(干基)。

实施例5

采用8个直径40cm的树脂螺纹透镜为太阳光会聚装置，8个直径15cm的球形玻璃容器作为光区容器固定在透镜下方适当距离，将透镜和球形玻璃容器安装在能自动跟踪太阳方位的支架上，使透镜始终正对太阳方向。各个玻璃球形容器及潜水泵和作为暗区容器的塑料桶之间用软管串联起来，潜水泵放在作为暗区容器的塑料桶中，并浸没在其中的藻液中，藻液从塑料桶中依次经潜水泵、8个球形玻璃容器返回塑料桶中。由于软管连接处位于球形玻璃容器的两侧，藻液不能充满全部空间，其顶部存有少量空气。

在体系中加入藻细胞密度为2.51g/l(干基)的等鞭金藻藻液，其中处于光区的藻液约为8.5升，处于暗区塑料桶中的藻液约为3升；塑料桶中通入含5％CO₂(体积比)的空气混合气，流量为2500ml/min，并放置冷却盘管将藻液温度控制在25-30℃。调节球形玻璃容器与透镜的距离使太阳光会聚4.5倍。

在太阳光光强平均为3.2mmol·m^-2·S^-1的条件下，培养7小时后藻细胞密度达4.68g/l(干基)；第二天在太阳光光强平均为2.6mmol·m^-2·S^-1的条件下，培养至8小时藻细胞密度达6.69g/l(干基)；第三天在太阳光光强平均为2.7mmol·m^-2·S^-1的条件下，培养至7小时傍晚藻细胞密度达8.63g/l(干基)。

实施例6

采用与实施例1相同的光生物反应器系统及培养方法，不同的是藻种为紫球藻、藻细胞密度为3.15g/l(干基)，其中处于光区的藻液约为8.5升，处于暗区塑料桶中的藻液约为15升；塑料桶中通入含6.5％CO₂(体积比)空气混合气，流量为4000ml/min；太阳光会聚倍数为6倍。

在太阳光光强平均为2.6mmol·m^-2·S^-1的条件下，培养7小时后藻细胞密度达4.62g/l(干基)。

对比例1

采用与实施例1相同的光生物反应器系统及培养方法，不同的是等鞭金藻藻液的起始藻细胞密度为0.25g/l(干基)，其中处于光区的藻液约为10升，处于暗区塑料桶中的藻液约为20升；太阳光会聚倍数为3倍。

在太阳光光强平均为2.47mmol·m^-2·S^-1的条件下，培养7小时后藻细胞密度降为0.13g/l(干基)。

该对比例说明，藻细胞密度较低时培养效果很差。

对比例2

采用与实施例5相同的光生物反应器系统及培养方法，不同的是等鞭金藻藻液的起始藻细胞密度为2.54g/l(干基)，其中处于光区的藻液约为10升，处于暗区塑料桶中的藻液约为8升；太阳光未经会聚即移去聚光透镜。

在太阳光光强平均为2.3mmol·m^-2·S^-1的条件下，培养7小时后藻细胞密度降为2.05g/l(干基)。

该对比例说明，藻细胞密度较高而使用未经会聚的太阳光时培养效果很差。

Claims

1.一种培养微藻的光生物培养方法，包括以下步骤：(1)在光区容器中导入干基藻细胞密度为1.0g/l以上，并且充有含CO₂的空气混合气的藻液；(2)向所述光区容器照射太阳光强度会聚成1.5～10倍的会聚太阳光；(3)经会聚太阳光照射的光区容器内的所述藻液，导入到暗区容器，并向暗区容器内通入CO₂的空气混合气；(4)将所述暗区容器内的充有含CO₂的空气混合气的导入光区容器，并循环上述步骤1～3；(5)当导入到暗区容器内藻液的干基藻细胞密度为10.0g/l以下时，从暗区容器中收集微藻产物。

2.根据权利要求1所述的光生物培养方法，向暗区容器内通入的所述空气混合气中含有体积比2～15％的CO₂气体。

3.一种权利要求1或2所述光生物培养方法使用的光生物反应器系统，包括光区容器、暗区容器、藻液输送泵和太阳光会聚装置，其中所述光区容器由透光材料制成；太阳光会聚装置将太阳光聚集后照射在所述光区容器上；所述光区容器和暗区容器之间至少有两处连通，所述藻液输送泵推动所述藻液在所述光区容器和暗区容器之间循环；所述光区容器或暗区容器其中一个是封闭容器，另一个是开放容器，空气和二氧化碳的混合气体由开放容器端通入和引出。

4.根据权利要求3所述的光生物反应器系统，其特征在于，所述太阳光会聚装置设有一个或多个凸透镜，置于光区容器的上方。

5.根据权利要求3所述的光生物反应器系统，其特征在于，所述太阳光会聚装置设有凹面反射镜，位于光区容器的下方。

6.根据权利要求3所述的光生物反应器系统，其特征在于，所述光区容器为管道形、球形或扁球形透明封闭容器。

7.根据权利要求3所述的光生物反应器系统，其特征在于，所述光区容器由管道形、球形或扁球形透明容器多个串联而成。

8.根据权利要求3～7中任意一项所述的光生物反应器系统，其特征在于，所述光区容器与暗区容器中的藻液体积比为0.1-10。

9.根据权利要求3～7中任意一项所述的光生物反应器系统，其特征在于，所述微藻为等鞭金藻、小球藻、微绿球藻、圆石藻、紫球藻、硅藻中的一种。