CN103289886A - 一种明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于微藻培养领域，具体地说是一种明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置。包括支架系统、贴壁培养单元、调速电机、补液管、集液槽及外围保护罩，其中贴壁培养单元安装在支架系统上、并与调速电机连接，贴壁培养单元的上方设有补液管，下方设集液槽，该集液槽内设有液体循环泵、补液装置及与补碳装置，所述液体循环泵通过管道与补液管连接；所述支架系统和贴壁培养单元的外围设有所述外围保护罩，保护罩顶面由透光材料制成。本发明利用明-暗闪光原理稀释强光、提高光能利用效率，进而提高微藻生物量产量。

Description

一种明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置

技术领域

本发明属于微藻培养领域，具体地说是一种明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置

背景技术

微藻是指能够进行光合作用的水生浮游藻类。某些微藻本身富含蛋白质，可以作为水产饵料或畜禽饲料(如螺旋藻)。更重要的，某些微藻在特定条件下能够大量合成次生代谢物，如油脂、类胡萝卜素、多糖等，这些物质往往是具有极高经济价值的生物活性物质，可以被用在功能食品、食品添加剂、制药、生物能源等领域。特别是通过微藻大规模培养提取微藻油脂，进而转化生产生物柴油被认为是解决生物能源生产与固碳减排的最重要途径之一。目前，在全球范围内，微藻生物技术已经迅速形成了一条规模巨大的完整产业链，其中的规模培养是重要环节。

目前的工业化微藻培养均采用液体浸没式培养，主要包括开放式培养池与密闭式光生物反应器(photobioreactor，PBR)两种形式。开放式培养池的优点在于建造和运行的成本较低。但由于开放池的光照面积/体积比较小，液体表面与下部混合较差，只有表层藻细胞能够接受较充足的光照，池底细胞往往难以接受到充分光照；其次，开放池培养运行水深较浅，一般只有5～30厘米，使得通气补碳时气液接触时间短，补碳效率低，培养液中溶解二氧化碳(CO₂)的不足使光合作用受到抑制。因此开放池培养的细胞生长速度与培养密度均较低。PBR一般是采用透光材料(如玻璃、有机玻璃、塑料薄膜等)制成的细、薄结构，由于光径小、培养体系光照面积/体积比较大，所以细胞光照较充分。同时，补碳气体与液体接触时间长，培养液溶解CO₂浓度较高，因而细胞生长速度与培养密度均较开放培养池高。但PBR通常造价昂贵、运行成本高、维护困难、难于大型化。

与陆生植物相比，微藻光合效率高、生长速度快，这是微藻作为最有潜力的新型生物质资源之一的重要优势，也是发展微藻产业(食品、饲料、化学品、生物能源等)的基础。然而，尽管理论上微藻的光合效率是陆生高等植物的10倍左右，但迄今为止即使是利用最高效的PBR，在自然光照且不外加光源的情况下最高生物量浓度也仅能达到10gL^-1左右，如果考虑占地面积与实际情况，最高生物量年产量一般不到200吨/公顷，与高等植物接近。所以，传统培养方式下微藻的光合作用潜力远未得到充分发挥。

工业生产中，为了得到大量生物量，通常做法是加大培养体积，但在不增加占地面积的情况下(例如仅仅增加开放池的深度或PBR的光径)，增大培养液体积势必造成单个藻细胞吸收光能总量的降低，从而使单位体积培养效率大大下降；反过来，如果要保证单位体积培养效率不降低，则必须成比例增加占地面积，这会加大固定投资。另外，增大培养液体积会导致控温、搅拌、通气、采收、营养盐、废水处理等投入增加。

针对微藻规模培养效率低的问题，人们对传统培养方式作了许多改进。例如开放池的浅池运行、拆流档板强化混合、补碳强化(如2007年6月20日公开的、公开号为1982432、专利号为200510126465.2的中国发明专利“用于大规模培养微藻的补碳装置及其使用方法”，2006年9月27日公开的、公开号为1837350、专利号为200610018771.9的中国发明专利“微藻养殖池补充二氧化碳的装置”)，螺旋管式、管道式、气升式等各种密闭式光生物反应器结构改进，以及开放式跑道池与密闭式光生物反应器的耦联组合(如2011年10月5日公开的、公开号为102206570A、申请号为201010136300.4的中国发明专利申请“一种用于微藻规模培养的装置和培养方法”)等，在一定程度上改善了培养效率，但都未能在大幅度提高微藻光合利用效率、单位面积产率和降低成本上获得根本性突破。可见，传统液体浸没式培养方法不能最大程度的利用太阳光能，已经难于支撑工业化大规模微藻生物质资源的低成本供给。革新培养技术，在提高光能、CO₂、营养物质的利用效率的基础上实现微藻细胞的高密度培养，同时降低建造、运行成本，减少物耗能耗，减少占地，提高空间利用率是推进微藻产业化深入发展的迫切要求。

传统液体浸没式培养中，占培养液比重最大的部分是水。水在微藻培养中的作用主要表现为：1)作为各种营养物质(包括CO₂、无机盐)的溶剂和传递介质，促进微藻细胞和营养物质的有效接触；2)作为调控环境的缓冲体系，稳定培养液pH、温度、渗透压等环境参数；3)作为微藻细胞的支撑体系，扩展微藻细胞的生存空间，以利细胞更充分接受光照。原则上，完成前两种功能所需水量很少，只要水层能保持藻细胞润湿即可。而作为支撑介质，水由于自身性质的限制表现出弊大于利的特征，主要为：1)光通过水体时会发生能量衰减，光径越大衰减越严重；2)控温过程中绝大部分能量消耗用于水体，而非藻细胞本身；3)通常情况下，微藻密度大于水，所以必须不停搅动水体来避免藻细胞沉降，此过程耗能较大；同时，水体搅动会导致细胞所处光环境波动剧烈，可能会影响生物量积累；4)水体过大导致只有增大营养盐和CO₂消耗量才能维持必要浓度；5)微藻的生长(生物量积累)和代谢物的产生(如油脂)一般是两个分开的过程，对环境的要求不尽相同。例如细胞生长需要高氮环境，而油脂积累则需要低氮等胁迫环境。大水体培养极大增加了这两种环境切换的困难。目前传统的液体悬浮方法只有待培养体系内原有氮源消耗完毕时才逐步转化为缺氮诱导环境，而这一过程往往需要10～15天。若想快速切换，只有先从高氮培养基中将藻细胞采集收来后再转入低氮或无氮培养基中进行油脂代谢，工作量大、能耗高；6)大水体带来的大体积、大重量、大压强是在目前技术条件下实现传统培养装备大型化和提高空间利用率无法克服的难题。例如传统光生物反应器采用的玻璃、有机玻璃、塑料薄膜等透明材质，因其机械强度低，不适合大尺寸和空间高度上的放大，只能是低、矮、细、薄结构，占地大，光能利用率低，而这是微藻大规模培养实现产业化最重要的直接制约因素。

可以说迄今微藻的所用培养方式都未能发挥出微藻高光效高生物质产率的优势，生成成本比较高。针对微藻规模培养效率低的问题，人们对从装备结构、补碳方法、操作模式等方面进行了许多改进，但都未能在大幅度提高微藻光合利用效率、单位面积产率和降低成本上获得根本性突破。

为解决藻细胞的光能利用，提高培养效率，在申请号为201010250866.X的中国发明专利申请“一种用于微藻工业化生产的半干固态培养方法”中提出了一种半干固态培养方法，其核心是微藻细胞在固体支撑材料表面的贴壁培养，具体方法可概括为：将微藻细胞接种于固态材料表面，并通过补充液体使细胞群体保持湿润；在光照条件下，向细胞群添加无机碳源，通过控制润湿液组分、光照强度、碳源浓度等各参数调控微藻细胞的生长与代谢，实现微藻生物量和/或次生代谢物的快速累积。

同植物一样，微藻细胞的光合过程作用一般分为光反应和暗合成两个阶段。在光反应阶段藻细胞吸收光子进行水的分解获得还原态H，产生ATP，在暗合成阶段利用光反应阶段得到的还原态H和ATP进行生物质的合成，两个阶段交替进行。在暗合成阶段即使有光照藻细胞也不利用这些光能。一般地光反应阶段为毫秒到秒级，而暗合成阶段一般为秒至分钟级。可以预见，如果采用传统持续光照，至少在暗合成阶段时间内的光能不能为藻细胞所利用。因此理论上来说，如果可以让微藻细胞在很短的时间内吸收足够的光源，然后转移到黑暗环境中固定能量，待暗反应完成后再回到照光区吸收光能，实现藻细胞光照-暗合成-再光照周而复始的循环，这种情况下光能的利用效率最高，而损失最小。据测算过当光能完全被利用时，绿色植物最大的生物量产量能够达到～150gm^-2d^-1。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置。该装置利用明-暗闪光原理稀释强光、提高光能利用效率，进而提高微藻生物量产量。该装置实现了微藻培养的模块化、移动化、全天候，提高了土地利用效率，能够缓解气候条件对微藻生产的限制。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置，包括支架系统、贴壁培养单元、调速电机、补液管、集液槽及外围保护罩，其中贴壁培养单元安装在支架系统上、并与安装在支架系统上的调速电机连接，所述贴壁培养单元的上方设有补液管，下方设有安装在所述支架系统上的集液槽，该集液槽内设有液体循环泵、补液装置及与二氧化碳气源连通的补碳装置，所述液体循环泵通过管道与补液管连接；所述外围保护罩安装在集液槽上、并罩在所述支架系统和贴壁培养单元的外围，保护罩顶面由透光材料制成。

所述贴壁培养单元包括柔性材料、支撑轴、齿轮及采收刮刀，其中柔性材料由多根支撑轴支撑，每根支撑轴的两端分别与所述支架系统转动连接，每根支撑轴的两端均设有齿轮，柔性材料位于每根支撑轴上的两个齿轮之间、并且柔性材料的两侧均布有多个与所述齿轮咬合的孔；其中任意一根支撑轴与所述调速电机连接，所述柔性材料通过调速电机的驱动绕支撑轴转动；所述柔性材料的表面设有采收刮刀。

所述柔性材料由四个支撑轴支撑、形成长方体框；其中位于上端的任意一个支撑轴的一端由支架系统穿出、并与调速电机相连，各支撑轴之间通过柔性材料上的孔与所述齿轮啮合传动。

所述采收刮刀置于柔性材料的表面、并沿所述支撑轴的轴向设置。

所述贴壁培养单元的高度为0.1～20米，沿支撑轴的轴向长为0.1～100米，照光面的宽度为0.1～100米。

所述补液管沿所述支撑轴的轴向设置，在补液管上均布有多个向柔性材料上滴落微藻液体培养基的孔。

所述柔性材料为滤纸、滤布、海绵、塑料泡沫或纤维织物材料中的一种或多种或多种材料的组合体。

所述外围保护罩的下部四周密置网眼、并在内侧附着空气过滤材料。

所述外围保护罩的一个侧面上分别设有换气扇、控制板面和舱门；所述集液槽的底部设有多个万向轮。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明利用半干贴壁原理培养微藻，能极大减少微藻培养过程的水耗，真正实现微藻超高密度培养，同时光源到微藻细胞的传导路径大幅缩短，光能损耗大幅减少。

2.本发明利用了明-暗循环实现光稀释，提高光能利用效率，能够提高微藻生物量产量。

3.本发明培养微藻的过程中，各种胁迫条件易于添加和解除，从而使细胞生长状态易于调控。

4.本发明的培养表面能够转动，从而保证培养面上不同区域的微藻细胞照光均匀、生长状态一致，特别是在生产次生代谢物(如油脂、色素、多糖等)的过程中本装置克服了固定装置细胞生长状态不均一的问题。

5.本发明微藻细胞采收简便、能耗低。

6.本发明可以实现装置的大型化、高层化，涉及的反应器重量轻、材料要求低。

7.本发明实现了微藻培养的模块化，移动化，极大缓解了地域、气候对微藻培养的限制。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中集液槽的结构示意图；

图3为本发明的立体示意图；

图4为本发明中密置网眼与空气过滤材料的结构示意图；

其中：1为支架系统，2为贴壁培养单元，3为柔性材料，4为支撑轴，5为齿轮，6为采收刮刀，7为补液管，8为调速电机，9为集液槽，10为补碳装置，11为补液装置，12为液体循环泵，13为万向轮，14为外围保护罩，15为换气扇，16为控制面板，17为舱门，18为保护罩顶面，19为密置网眼，20为空气过滤材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1～4所示，本发明包括支架系统1、贴壁培养单元2、调速电机8、补液管7、集液槽9及外围保护罩14。其中贴壁培养单元2安装在支架系统1上、并与安装在支架系统1上的调速电机8连接。贴壁培养单元2的上方设有补液管7，下方设有安装在支架系统1上的集液槽9，该集液槽9的内部设有液体循环泵12、补液装置11及与二氧化碳气源连通的补碳装置10，所述液体循环泵12的出口通过管道与补液管7连接。补碳装置10和补液装置11的外部开口均高于液体循环泵12的吸液口，但均低于贴壁培养单元2的下表面；所述外围保护罩14严密安装在集液槽9上，并罩在所述支架系统1和贴壁培养单元2的外围，外围保护罩14的侧壁由各种箱体材料(不透光或透光材料)制成，保护罩顶面18由透光材料制成。液体循环泵12为可以驱动液体在管道中流动的装置，包括但不限于蠕动泵、潜水泵、离心泵、自吸泵等；补碳装置10可以通入含有二氧化碳的空气、纯二氧化碳、含二氧化碳溶气水、烟道气、经过前处理的烟道气、含烟道气成分的溶气水、碳酸盐或碳酸氢盐溶液；补液装置11可以通入含二氧化碳溶气水、含烟道气成分的溶气水、碳酸盐或碳酸氢盐溶液、纯水、自来水、海水、各种培养基或含某种培养基组分的溶液；外围保护罩14的侧壁可采用透光材料，如：玻璃、有机玻璃、亚克力、塑料薄膜、农用地膜、聚碳酸酯等。外围保护罩14的侧壁也可采用不透光材料，如：各种金属板材、塑料板材、木板材等。保护罩顶面18的材料为所有能够透光的材料，包括玻璃、有机玻璃、亚克力、塑料薄膜、农用地膜、聚碳酸酯等。

所述贴壁培养单元2垂直于地面，贴壁培养单元2包括柔性材料3、支撑轴4、齿轮5及采收刮刀6，其中柔性材料3由四个支撑轴4支撑、形成长方框体，每根支撑轴4上均设有两个齿轮5，所述柔性材料3位于每根支承轴4上的两个齿轮5之间，柔性材料3两侧均布有多个与所述齿轮5相咬合的孔；每根支撑轴4的两端分别与所述支架系统1转动连接，位于上端的其中一个支撑轴4的任意一端由支架系统1穿出、并与调速电机8相连，各支撑轴4之间通过所述柔性材料3上的孔与所述齿轮5啮合传动，柔性材料3通过调速电机8的驱动绕支撑轴4转动。采收刮刀6置于长方框体顶端的柔性材料3的表面，并沿所述支撑轴4的轴向设置。手动或电动压下采收刮刀6，使其紧密贴合培养表面，随着柔性材料3的转动，从而将微藻细胞刮下并收集。所述补液管7在贴壁培养单元2的上方沿支撑轴4的轴向设置，在补液管7上均布有多个向柔性材料3上滴落微藻液体培养基的孔。柔性材料3是指固态的、对微藻细胞无毒或毒性轻微的、能够围绕支撑轴长时间转动而不改变物理、化学性质的无机或有机材料，包括各类滤纸、滤布、海绵、塑料泡沫或纤维织物材料中的一种或几种或多种材料的组合体。

外围保护罩14的下部四周密置网眼19、并在内侧附着空气过滤材料20，该空气过滤材料20为各种市售空气过滤介质，如各种滤纸、滤布、滤棉、滤膜、海绵、棉花、石棉滤板等。外围保护罩14的一个侧立面上分别设有换气扇15、控制板面16和舱门17；所述集液槽9的底部设有若干万向轮13，本实施例采用四个万向轮13；贴壁培养单元2的高度为0.1～20米，沿支撑轴4的轴向长度为0.1～100米，照光面的宽度为0.1～100米；支撑轴4的直径为0.001～1米，柔性材料3绕支撑轴4转动的转速为0.01～100米每秒，通过调节柔性材料3的转速产生光照的明-暗交替，进而使微藻细胞在不同光照条件下都能以合适的光照明-暗周期生长。本发明适用于利用光合自养特性培养微藻细胞，适合室内、外使用，可以单独使用，也可以多个装置紧密排列组成反应器阵列。

本法明的工作过程是：将本发明置于光照环境中，将微藻种子接种于贴壁培养单元2的柔性材料3上，集液槽9内装有适合特定微藻种生长的培养基，并通过补碳装置10补碳。开启液体循环泵12并调节水泵流速使微藻液体培养基通过补液管7均匀滴下、落在柔性材料3的表面以保持藻细胞润湿并提供微藻生长的营养成分。滴落的富余培养基会流入集液槽9内，重新循环。启动调速电机8使接种有微藻细胞的贴壁培养单元2的表面以一定速率转动。一定时间后，手动或电动使采收刮刀6紧密贴合培养表面，从而将微藻细胞刮下并收集。通过补液装置11维持集液槽9内溶液液位。控制面板16上装有各个电器的总开关，并可集成环境监测装置。需要降温时，打开换气扇15，让空气在装置内部形成对流带走热量。通过调节柔性材料3的转速产生光照的明-暗交替，进而使微藻细胞在不同光照条件下都能以合适的光照明-暗周期生长。需要检修时，由舱门17进入反应器内部作业。

实施例：

测试地点为山东青岛，测试时间为2011年10月。将栅藻(Scenedesmusdimorphus)(市购)接种于培养装置，并将该装置置于室外环境中。柔性材料3选用工业滤布作为微藻支撑材料，培养单元高为1米，长为2米，宽幅为0.5米，转速为10米每秒。集液槽9中培养液为BG11(组成为：每一升培养基含硝酸钠1.5克，磷酸氢二钾0.04克，七水合硫酸镁0.075克，二水合氯化钙0.036克，柠檬酸0.006克，柠檬酸铁铵0.006克，EDTA二钠盐0.001克，碳酸钠0.02克，硼酸0.00286克，四水合氯化锰0.00181克，七水合硫酸锌0.00022克，二水合钼酸钠0.00039克，五水合硫酸铜0.00008克，六水合硝酸钴0.00005克，培养基pH为7.0)，并连续通入0.1vvm的含1.5％(体积百分比)二氧化碳的空气。连续培养10天，每天测定生物量产量。实验时室外太阳光中午光强为1500μmol/m²/s。早晚约为350μmol/m²/s，折合白天平均光强为750μmol/m²/s，平均温度23度。结果表明，以占地面积计算的最高生物量产量达到80gm^-2d^-1，10天平均50gm^-2d^-1，分别较相同条件下传统跑道池的平均产量(10gm^-2d^-1)提高700％和500％。

Claims (9)

1.一种明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：包括支架系统(1)、贴壁培养单元(2)、调速电机(8)、补液管(7)、集液槽(9)及外围保护罩(14)，其中贴壁培养单元(2)安装在支架系统(1)上、并与安装在支架系统(1)上的调速电机(8)连接，所述贴壁培养单元(2)的上方设有补液管(9)，下方设有安装在所述支架系统(1)上的集液槽(9)，该集液槽(9)内设有液体循环泵(12)、补液装置(11)及与二氧化碳气源连通的补碳装置(10)，所述液体循环泵(12)通过管道与补液管(9)连接；所述外围保护罩(14)安装在集液槽(9)上、并罩在所述支架系统(1)和贴壁培养单元(2)的外围，保护罩顶面(18)由透光材料制成。

2.按权利要求1所述的明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述贴壁培养单元(2)包括柔性材料(3)、支撑轴(4)、齿轮(5)及采收刮刀(6)，其中柔性材料(3)由多根支撑轴(4)支撑，每根支撑轴(4)的两端分别与所述支架系统(1)转动连接，每根支撑轴(4)的两端均设有齿轮(5)，柔性材料(3)位于每根支撑轴(4)上的两个齿轮(5)之间、并且柔性材料(3)的两侧均布有多个与所述齿轮(5)咬合的孔；其中任意一根支撑轴(4)与所述调速电机(8)连接，所述柔性材料(3)通过调速电机(8)的驱动绕支撑轴(4)转动；所述柔性材料(3)的表面设有采收刮刀(6)。

3.按权利要求2所述的明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述柔性材料(3)由四个支撑轴(4)支撑、形成长方体框；其中位于上端的任意一个支撑轴(4)的一端由支架系统(1)穿出、并与调速电机(8)相连，各支撑轴(4)之间通过柔性材料(3)上的孔与所述齿轮(5)啮合传动。

4.按权利要求3所述的明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述采收刮刀(6)置于柔性材料(3)的表面、并沿所述支撑轴(4)的轴向设置。

5.按权利要求3所述的明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述贴壁培养单元(2)的高度为0.1～20米，沿支撑轴(4)的轴向长为0.1～100米，照光面的宽度为0.1～100米。

6.按权利要求2所述的明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述补液管(7)沿所述支撑轴(4)的轴向设置，在补液管(9)上均布有多个向柔性材料(3)上滴落微藻液体培养基的孔。

7.按权利要求2所述的明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述柔性材料(3)为滤纸、滤布、海绵、塑料泡沫或纤维织物材料中的一种或多种或多种材料的组合体。

8.按权利要求1所述的明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述外围保护罩(14)的下部四周密置网眼(19)、并在内侧附着空气过滤材料(20)。

9.按权利要求1所述的明暗交替光照的微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述外围保护罩(14)的一个侧面上分别设有换气扇(15)、控制板面(16)和舱门(17)；所述集液槽(9)的底部设有多个万向轮(13)。

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