CN103289887B

CN103289887B - 一种用于微藻工业化生产的半干固态贴壁培养装置

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Publication number: CN103289887B
Application number: CN201210051158.2A
Authority: CN
Inventors: 王俊峰; 刘天中; 陈昱; 张维; 高莉丽; 纪蓓; 程鹏飞; 季春丽
Original assignee: Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
Current assignee: Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: CN103289887A

Abstract

本发明属于微藻培养领域，具体地说是一种用于微藻工业化生产的半干固态贴壁培养装置。包括支架系统、贴壁培养单元、支撑轴传动系统、调速电机、补液管、收集槽及培养基贮液罐，其中支架系统上安装有至少一个贴壁培养单元，每个贴壁培养单元均通过支撑轴传动系统与调速电机相连；每个贴壁培养单元的上方均设有补液管，各补液管均通过管道与培养基贮液罐连通；在每个贴壁培养单元的下方均设有收集槽，各收集槽均通过集液管与培养基贮液罐连通；培养基贮液罐内分别设有液体循环泵及补碳装置。本发明可用于大规模生产微藻生物量及次生代谢物，有效提高单位占地面积产量，缩短培养周期，大幅度减少培养水耗，降低培养装置成本与运行成本，且易于工业放大。

Description

一种用于微藻工业化生产的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，具体地说是一种用于微藻工业化生产的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。目前传统的方法等到培养基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等营养胁迫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，其核心就是微藻细胞在固体支撑材料表面的贴壁培养。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。

本发明旨在基于上述半干固态培养方法专利而提出的一种微藻工业化生产的半干贴壁培养的装置。

发明内容

为了解决现有微藻培养存在的生长慢、成本高、生产周期长、放大困难等问题，本发明的目的在于提供一种用于微藻工业化生产的半干固态贴壁培养装置。该培养装置可用于大规模生产微藻生物量及次生代谢物，有效提高单位占地面积产量，缩短培养周期，大幅度减少培养水耗，降低培养装置成本与运行成本，且易于工业放大。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种用于微藻工业化生产的半干固态贴壁培养装置，包括支架系统、贴壁培养单元、支撑轴传动系统、调速电机、补液管、收集槽及培养基贮液罐，其中支架系统上安装有至少一个贴壁培养单元，每个贴壁培养单元均通过支撑轴传动系统与安装在支架系统上的所述调速电机相连；每个贴壁培养单元的上方均设有补液管，各补液管均通过管道与所述培养基贮液罐连通；在每个贴壁培养单元的下方均设有安装在支架系统上的收集槽，各收集槽均通过集液管与所述培养基贮液罐连通；所述培养基贮液罐内分别设有液体循环泵及与二氧化碳气源连通的补碳装置。

所述贴壁培养单元垂直于地面，每个贴壁培养单元均包括柔性材料、支撑轴、齿轮及采收刮刀，其中柔性材料的上下两端分别设有支撑轴，两个支撑轴上均设有齿轮，柔性材料的两侧均布有多个与所述齿轮咬合的孔；位于上端的支撑轴通过支撑轴传动系统与所述调速电机相连，所述柔性材料通过调速电机的驱动绕支撑轴转动；在柔性材料的下端设有采收刮刀。

每个支撑轴上均设有两个齿轮，所述柔性材料的上下两端分别位于每个支承轴上的两个齿轮之间，上下两个支撑轴的两端分别与所述支架系统转动连接，其中位于上端的支撑轴的任一端由支架系统穿出、通过支撑轴传动系统与所述调速电机相连。

所述补液管设置在位于贴壁培养单元上端的支撑轴的上方，沿所述支撑轴的轴向设置，在补液管上均布有多个向贴壁培养单元中的柔性材料上滴落微藻液体培养基的孔。

所述收集槽设置在位于下端支撑轴的下方，沿所述支撑轴轴向设置，每个收集槽上均设有出口，该出口与所述集液管相连。

所述柔性材料为多孔性或绒毛性材料。

所述采收刮刀是一块与贴壁培养单元等宽的不锈钢片，所述采收刮刀固定于贴壁培养单元且与贴壁培养单元中的柔性材料表面留有间隙。

所述支撑轴传动系统为链条-齿轮传动或皮带-皮带轮传动，所述调速电机的输出轴上连接有齿轮或皮带轮，每个贴壁培养单元位于上端的支撑轴上连接有齿轮或皮带轮，调速电机的输出轴及每个贴壁培养单元位于上端的支撑轴上的齿轮或皮带轮通过链条或皮带相连。

所述贴壁培养单元为1～1000个，各贴壁培养单元之间的间距为培养单元培养面高度的0.01～10倍。

所述培养装置可置于密闭环境或开放环境。

本发明的优点与积极效果为：

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；

2.本发明中，光源到微藻细胞的传导路径大幅缩短，光能损耗大幅减少，所以不需要过高光强就可以持续进行高效光合作用，光能利用率高；

3.本发明在培养微藻的过程中，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)的过程中本发明克服了固定装置细胞生长状态不均一的问题；

5.本装置微藻细胞采收简便、能耗低；

6.本发明解决了传统液体浸没式培养大量水体的压力对光反应器大型化、高层化的限制，涉及的反应器重量轻、材料要求低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中：1为支架系统；2为贴壁培养单元；3为柔性材料；4为支承轴；5为齿轮；6为采收刮刀；7为支撑轴传动系统；8为调速电机；9为补液管；10为收集槽；11为集液管；12为培养基贮液罐；13为补碳装置；14为液体循环泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括支架系统1、贴壁培养单元2、支撑轴传动系统7、调速电机8、补液管9、收集槽10及培养基贮液罐12，其中支架系统1上安装有至少一个贴壁培养单元2每个贴壁培养单元2均通过支撑轴传动系统7与安装在支架系统1上的所述调速电机8相连；每个贴壁培养单元2的上方均设有补液管9，各补液管9均通过管道与所述培养基贮液罐12连通；在每个贴壁培养单元2的下方均设有安装在支架系统1上的收集槽10，各收集槽10均通过集液管11与所述培养基贮液罐12连通；所述培养基贮液罐12内分别设有液体循环泵14及与二氧化碳气源连通的补碳装置13，液体泵14的出口和各贴壁培养单元2上方的补液管9之间通过管道连接；液体泵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、离心泵及自吸泵等；补碳装置13可以通入含有二氧化碳的空气、纯二氧化碳、含二氧化碳溶汽水、烟道气、经过前处理的烟道气、含烟道气成分的溶汽水、碳酸盐或碳酸氢盐溶液。

贴壁培养单元2垂直于地面，每个贴壁培养单元2均包括柔性材料3、支撑轴4、齿轮5及采收刮刀6，其中柔性材料3的上下两端分别设有支撑轴4，每个支撑轴4上各设有两个齿轮5，柔性材料3的上下两端位于每个支承轴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齿轮5咬合的孔；上下两个支撑轴4的两端分别与所述支架系统1转动连接，其中位于上端的支撑轴4的任一端由支架系统1穿出、通过支撑轴传动系统7与所述调速电机8相连；柔性材料3呈闭环状，上下两个支撑轴4上的齿轮5随支撑轴4转动，通过与柔性材料3上孔的咬合，由调速电机8的驱动使柔性材料3绕支撑轴4转动。在柔性材料3的下端设有采收刮刀6，采收刮刀6是一块与贴壁培养单元2等宽的不锈钢片，所述采收刮刀6固定于贴壁培养单元2且与贴壁培养单元2中的柔性材料3表面留有间隙，该间隙为一般为5～10毫米。采收时通过手动或电动方式使采收刮刀6压下、抵接在柔性材料3表面，随着柔性材料3的转动而将附在柔性材料3表面的藻泥刮下落入收集槽10中。

补液管9设置在位于上端的支撑轴4的上方，沿支撑轴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。收集槽10设置在位于下端支撑轴4的下方，沿支撑轴4轴向设置，每个收集槽10上均设有出口，该出口与所述集液管11相连。柔性材料3是指固态的、对微藻细胞无毒或毒性轻微的、能够围绕支承轴4长时间转动而不改变物理、化学性质的多孔性或绒毛性无机或有机材料，包括但不限于如滤纸、滤布、海绵、塑料泡沫或纤维织物材料(如毛巾、毛绒、植绒)等中的一种或多种，也可以是多层不同材料组成的组合体。每个培养系统安装的贴壁培养单元2数量视规模与占地面积设为1～1000个，各贴壁培养单元2之间的间距为培养单元培养面高度的0.01～10倍，且间距可调。每个贴壁培养单元长度为0.1～10米，高度为0.1～20米。支撑轴4的直径为0.001米～1米，贴壁培养单元2围绕支承轴4转动的转速为0.01米～100米每秒。

支撑轴传动系统7为链条-齿轮传动或皮带-皮带轮传动，所述调速电机8的输出轴上连接有齿轮或皮带轮，每个贴壁培养单元2位于上端的支撑轴上连接有齿轮或皮带轮，调速电机8的输出轴及每个贴壁培养单元2位于上端的支撑轴上的齿轮或皮带轮通过链条或皮带相连。

本发明的培养装置可置于密闭环境或开放环境，适用于利用光合自养特性培养微藻细胞，适合室内、外使用。

本发明的工作原理为：

将该装置置于光照环境中，将微藻种子接种于贴壁培养单元2的柔性材料3上，培养基贮液罐12内装有适合微藻种生长的培养基，并通过补碳装置13补碳。开启循环液体循环泵14、并调节水泵流速，使微藻液体培养基通过补液管9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。滴落的富余培养基滴入收集槽10内，并经集液管11回流入培养基贮液罐12中。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落到收集槽10中，从收集槽10直接收集藻泥。

实施例：

测试地点为山东青岛，测试时间为2011年10月。培养装置共设置五块贴壁培养单元2，每个贴壁培养单元高1米，宽2米，转速1米每秒，贴壁培养单元间距20厘米。选用工业滤布作为柔性材料3，以支撑贴壁培养单元表面的微藻。将培养装置置于室外塑料薄膜温室中，将栅藻(Scenedesmus dimorphus)(市购)接种于贴壁培养装置培养单元表面。培养基贮液罐12中培养液为BG11培养基(组成为：每1升培养基含硝酸钠1.5克，磷酸氢钾0.04克，七水合硫酸镁0.0375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0.00186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，用氢氧化钠或盐酸调节培养基pH为7.0)，向培养基贮液罐12的培养液中连续通入0.1vvm的含1.5％(体积百分比)二氧化碳的空气。实验时室外太阳光中午光强为1200μmol/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℃。连续培养十天，每天手动刮取培养单元表面的细胞生物量，洗涤烘干测定生物量产量。结果表明，以五块贴壁培养单元的占地面积计算，其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

1.一种用于微藻工业化生产的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)、支撑轴传动系统(7)、调速电机(8)、补液管(9)、收集槽(10)及培养基贮液罐(12)，其中支架系统(1)上安装有至少一个贴壁培养单元(2)，每个贴壁培养单元(2)均通过支撑轴传动系统(7)与安装在支架系统(1)上的所述调速电机(8)相连；每个贴壁培养单元(2)的上方均设有补液管(9)，各补液管(9)均通过管道与所述培养基贮液罐(12)连通；在每个贴壁培养单元(2)的下方均设有安装在支架系统(1)上的收集槽(10)，各收集槽(10)均通过集液管(11)与所述培养基贮液罐(12)连通；所述培养基贮液罐(12)内分别设有液体循环泵(14)及与二氧化碳气源连通的补碳装置(13)；所述贴壁培养单元(2)垂直于地面，每个贴壁培养单元(2)均包括柔性材料(3)、支撑轴(4)、齿轮(5)、采收刮刀(6)，其中柔性材料(3)的上下两端分别设有支撑轴(4)，两个支撑轴(4)上均设有齿轮(5)，柔性材料(3)的两侧均布有多个与所述齿轮(5)咬合的孔；位于上端的支撑轴(4)通过支撑轴传动系统(7)与所述调速电机(8)相连，所述柔性材料(3)通过调速电机(8)的驱动绕支撑轴(4)转动；在柔性材料(3)的下端设有采收刮刀(6)；所述补液管(9)设置在位于贴壁培养单元(2)上端的支撑轴(4)的上方，沿所述支撑轴(4)的轴向设置，在补液管(9)上均布有多个向贴壁培养单元(2)中的柔性材料(3)上滴落微藻液体培养基的孔。

2.按权利要求1所述用于微藻工业化生产的半干固态贴壁培养装置，其特征在于：每个支撑轴(4)上均设有两个齿轮(5)，所述柔性材料(3)的上下两端分别位于每个支承轴(4)上的两个齿轮(5)之间，上下两个支撑轴(4)的两端分别与所述支架系统(1)转动连接，其中位于上端的支撑轴(4)的任一端由支架系统(1)穿出、通过支撑轴传动系统(7)与所述调速电机(8)相连。

3.按权利要求1所述用于微藻工业化生产的半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述收集槽(10)设置在位于下端支撑轴(4)的下方，沿所述支撑轴(4)轴向设置，每个收集槽(10)上均设有出口，该出口与所述集液管(11)相连。

4.按权利要求1所述用于微藻工业化生产的半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述柔性材料(3)为多孔性或绒毛性材料。

5.按权利要求1所述用于微藻工业化生产的半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述采收刮刀(6)是一块与贴壁培养单元(2)等宽的不锈钢片，所述采收刮刀(6)固定于贴壁培养单元(2)且与贴壁培养单元(2)中的柔性材料(3)表面留有间隙。

6.按权利要求1所述用于微藻工业化生产的半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述支撑轴传动系统(7)为链条—齿轮传动或皮带—皮带轮传动，所述调速电机(8)的输出轴上连接有齿轮或皮带轮，每个贴壁培养单元(2)位于上端的支撑轴上连接有齿轮或皮带轮，调速电机(8)的输出轴及每个贴壁培养单元(2)位于上端的支撑轴上的齿轮或皮带轮通过链条或皮带相连。

7.按权利要求1所述用于微藻工业化生产的半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述贴壁培养单元(2)为1～1000个，各贴壁培养单元(2)之间的间距为培养单元培养面高度的0.01～10倍。

8.按权利要求1所述用于微藻工业化生产的半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述培养装置置于密闭环境或开放环境。