CN103289888A - 一种插板式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，具体地说是一种插板式微藻半干固态贴壁培养装置。一种插板式微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：包括支撑桁架、培养板、布液管、集液槽及贮液瓶，其中支撑桁架上安装有至少一个培养板，每个培养板上方均设有布液管；在每个培养板的下方均设有安装在支撑桁架上的集液槽，各集液槽均通过主液管与所述贮液瓶连通；所述贮液瓶底部分别设有循环泵和与二氧化碳气源连通的补碳布气管，所述循环泵通过管道与所述布液管连通；所述每个培养板上均设有采收刮刀。本发明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

一种插板式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，具体地说是一种插板式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藻类。某些微藻本身富含蛋白质，某些微藻在特定条件下能够大量合成次生代谢物，如油脂、烃类、类胡萝卜素、淀粉、多糖等，，可用于生产功能食品、食品添加剂、医药保键品、蛋白质、饲料、生物能源如生物柴油、航空煤油等。同时由于微藻生长速度快、光合效率高、光合生长过程中吸收大量的CO₂，因此微藻被认为是最有前途具优良固碳减排效应的生物质资源。在全球范围内，以微藻生物质资源的生物技术产业链正在形成。

无论是作为食品、饲料还是生物能源，微藻产业的核心在于微藻生物量的获得，其关键在于微藻的规模培养。目前的微藻培养主要包括开放式培养池与光生物反应器(photobioreactor，PBR)两种形式培养。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，因此微藻光能利用率低，生长速度慢、培养液浓度低。另外一种光生物反应器(PBR)培养，主要是采用透光材料(如玻璃、有机玻璃、塑料薄膜等)制成的细薄结构，包括各式平板式反应器、气泡柱式反应器、螺旋管式反应器、不平管道式反应器等，由于光径小、培养体系光照面积/体积比较大，细胞光照较充分，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。但迄今无论是采用开放池培养，还是光生物反应器培养，其微藻面积产率都不高，只有5-30g/m²/d，远低于100-200g/m²/d的理论面积产量，远未能发挥出微藻的高产的优势。

目前微藻培养。无论开放池还是生物反应器，都是大量藻细胞在液体培养基中的悬浮培养，其特征在于藻细胞分散于大量培养基水体中。由于大水体，对微藻培养效率的提高、成本的降低和系统放大造成巨大困难：(1)藻细胞的对光的反射与遮挡，光在大水体中的衰减严重，藻细胞不能最大程度的利用太阳光；2)大水体为维持培养体系温度消耗的能源巨大；3)大水体的搅拌混合能耗高；4)大水体过大导致营养盐和CO₂消耗量大；5)大水体中细胞浓度低、藻细胞收获困难；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难于克服的障碍。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，中国发明专利名称为：一种用于微藻工业化生产的半干固态培养方法，申请号为：201010250866.X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。

本发明基于上述半干固态培养方法专利，而提出了一种微藻工业化生产的半干固态贴壁培养的装置。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种插板式微藻半干固态贴壁培养装置。利用该培养装置培养微藻可以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。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种插板式微藻半干固态贴壁培养装置，包括支撑桁架、培养板、布液管、集液槽及贮液瓶，其中支撑桁架上安装有至少一个培养板，每个培养板上方均设有布液管；在每个培养板的下方均设有安装在支撑桁架上的集液槽，各集液槽均通过主液管与所述贮液瓶连通；所述贮液瓶底部分别设有循环泵和与二氧化碳气源连通的补碳布气管，所述循环泵通过管道与所述布液管连通；所述每个培养板上均设有采收刮刀。

所述支撑桁架上设有与培养板数量相等的插槽，每个培养板均插设在所述插槽内；每个插槽的上方及下方沿培养板的长度方向分别设有安装在支撑桁架上的布液管及集液槽。

所述支撑桁架上的插槽及插设在该插槽内的培养板均垂直于地面。

所述集液槽倾斜设置，该集液槽的宽度大于培养板的厚度。

所述集液槽的水平倾斜角度为3～15°。

所述采收刮刀设置在培养板的两侧、并抵接在培养板两侧的培养表面上，所述采收刮刀沿培养板的高度方向上下往复滑动。

所述采收刮刀的两端安装在培养板两侧、沿培养板的高度方向设置的两根滑动杆上，所述采收刮刀沿着滑动杆上下往复滑动。

所述布液管与培养板平行设置，所述布液管上均布有多个向培养板滴落微藻液体培养基的孔，所述布液管的直径为培养板厚度的1/4～2/3。

所述培养板的表面为多孔材料或毛绒材料，或多层多孔材料或多层毛绒材料组成的组合体。

所述支撑桁架上放置1～1000个培养板，相邻两个培养板之间的间距为培养板高度的0.01～10倍；所述每个培养板的长度为0.1～10米，高度为0.1～20米。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明利用半干固态贴壁原理培养微藻，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.本发明中光源直接照射到微藻细胞表面，没有光的衰减，光能损耗大幅减少，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、面积产率高；

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.本发明的微藻细胞通过刮刀刮取直接收获藻泥，采收简便、能耗低；

5.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为支撑桁架，2为培养板，3为布液管，4为采收刮刀，5为集液槽，6为主液管，7为补碳布气管，8为循环泵，9为贮液瓶。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步描述。

如图1所示，本发明包括支撑桁架1、培养板2、布液管3、采收刮刀4、集液槽5及贮液瓶9，其中支撑桁架1为长方体的框架结构，在支撑桁架1上、垂直于地面设有至少一个插槽，插槽为多个时，各插槽相互平行，每个培养板2均为矩形、且分别插设在支撑桁架1上的插槽内。在每个培养板2的上方设有一根布液管3，布液管3位于所述插槽的上方、与培养板2平行设置，布液管3上均布有多个向培养板2滴落微藻液体培养基的孔，布液管3的直径为培养板2厚度的1/4～2/3，以保持液体不会直接滴落在培养板2表面导致藻细胞被冲落。在每个培养板2的下方均设有安装在支撑桁架1上的集液槽5，该集液槽5倾斜设置，水平倾斜角度为3～15°，集液槽5的宽度大于培养板2的厚度。每个培养板2下方的各集液槽5均与同一个主液管6相连，并通过该主液管6与贮液瓶9连通。贮液瓶9的底部设有循环泵8和与二氧化碳气源连通的补碳布气管7；各布液管3分别安装在支撑桁架1上，一端分别通过管道与贮液瓶9内的循环泵8连通。循环泵8可以驱动液体在管道内流动，循环泵8可为蠕动泵、潜水泵、离心泵或自吸泵等。贮液瓶9通过补碳布气管7补碳，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、碳酸盐或碳酸氢盐溶液。每个培养板2均设有采收刮刀4，采收刮刀4是由两块长与培养板等宽的不锈钢片组成的夹持具，并安装在培养板2两侧、抵接夹持在培养板2两侧培养表面上。采收刮刀4的两端安装在培养板2两侧、沿培养板2的高度方向设置的两根滑动杆上，通过手动或电动方式使采收刮刀4沿着滑动杆高度方向上下往复滑动。

每个支撑桁架1根据规模与实际需要可以放置1～1000个培养板2，相邻两个培养板2之间的间距为培养板高度的0.01～10倍。每个培养板2的长度为0.1～10米，高度为0.1～20米。培养板2的表面为多孔材料或毛绒材料，多孔材料包括各种海绵、毛毡等吸水保水性材料，毛绒材料包括但不限于各种材质的毛巾、植绒、滤布等吸水保水性材料。培养板2的表面也可以是多层多孔材料或多层毛绒材料组成的组合体。本发明适用于利用光合自养特性培养微藻细胞，可以在室内或室外使用，也可以将本发明置于密闭环境或置于开放性环境中。

本发明的主要工作过程是：将本发明置于室外光照环境中。先将微藻种子培养液均匀喷洒在培养板2的表面，贮液瓶9内装入适合特定微藻种生长的培养基，并通过贮液瓶9底部补碳布气管7补碳。开启循环泵8并调节水泵流速使微藻液体培养基通过布液管3均匀滴下落在培养板2上部的多孔材料上，以保持培养表面湿润，从而使微藻细胞润湿并为微藻生长提供营养成分。从培养板2上滴落下的富余液体培养基滴入集液槽5内，并通过主液管6回流入贮液瓶9中。当培养至设定时间按需要进行细胞收获时，关闭循环泵8，手动或电动使采收刮刀4沿滑动杆从培养板2上部匀速向下滑动，从而将培养板2表面上的微藻细胞刮下落到集液槽5中，从集液槽5直接收集获得藻泥。

实施例1：

在一不锈钢材质的支撑桁架1上放置五块培养板2，每块培养板2长为40cm，高为70cm，厚为3cm。培养板2为多层聚氨酯海绵复合体。培养板2除下沿外用不锈钢包边。在每块培养板2上安装有一个双面不锈钢夹条作为采收刮刀。相邻两培养板2之间的间距为20cm。贮液瓶9内装入钝顶螺旋藻(Spirulinaplatensis)(市购)培养基(组成为每1升培养基含：碳酸氢钠16.80克，磷酸氢钾0.5克，硝酸钠2.5克，氯化钠1.0克，硫酸镁0.2克，硫酸铁0.01克，硫酸钾1.0克，一水氯化钙0.04克，EDTA0.08克，用NaOH溶液调pH8.0)。将预先培养好的螺旋藻种子液喷洒在培养板2表面。该支撑桁架1四周用塑料薄膜包裹，支撑桁架1上方安装多根日光灯管作为光源，其平均光强为300mol/m²/s。将装置置于实验中，保持实验室温度在28℃。贮液瓶9通入含1％(体积百分比)CO₂的空气混合气。开启循环泵8并调节流量使培养液滴入到培养板2上部以保持培养面湿润。培养三天后，手动将每块培养板2上的采收刮刀4沿滑动杆向下滑动，刮下藻泥，收集落入集液槽5中的藻泥，洗涤，于85℃度烘干称重，共得增加的螺旋藻总生物质量为79克。该装置占地面积(以五块培养板占地面积计)为五块×20厘米×40厘米/10000＝0.4平方米，折合单位面积螺旋藻产率为79克/0.4平方米/3天＝65.8克/平方米/天。

实施例2：

在一不锈钢材质的支撑桁架1上放置五块培养板2，每块培养板2的长为40cm，高为70cm，厚为2.9cm。培养板2中间夹心层为聚氨酯海绵，厚度为2.5cm。夹心层两外层为植绒布。培养板2除下沿外用不锈钢包边。在每块培养板2上安装有一个双面不锈钢夹条作为采收刮刀。相邻两培养板2之间的间距为20cm.贮液瓶9内装入钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)(市购)培养基(组成为每1升培养基含：碳酸氢钠16.80克，磷酸氢钾0.5克，硝酸钠2.5克，氯化钠1.0克，硫酸镁0.2克，硫酸铁0.01克，硫酸钾1.0克，一水氯化钙0.04克，EDTA0.08克，用NaOH溶液调pH 8.0)。将预先培养好的螺旋藻种子液喷洒在培养板2的表面。该支撑桁架1四周用塑料薄膜包裹，支撑桁架1上方安装多根日光灯管作为光源，其平均光强为300μmol/m²/s。将装置置于实验室中，保持实验室温度在28℃。贮液瓶9内通入含2％(体积百分比)CO²的空气混合气。开启循环泵8、并调节流量使培养液滴入到培养板2上部以保持培养面湿润。培养三天后，手动将每块培养板2上的采收刮刀4沿滑动杆向下滑动，收集落入集液槽中的藻泥，洗涤，于85℃度烘干称重，共得增加的螺旋藻总生物质量为78.2克。该装置占地面积(以五块培养板占地面积计)为五块×20厘米×40厘米/10000＝0.4平方米，折合单位面积螺旋藻产率为78.2克/0.4平方米/3天＝65.1克/平方米/天。

实施例3：

在一不锈钢材质的支撑桁架1上放置五块培养板2，每块培养板2的长为40cm，高为70cm，厚为3cm。培养板2为聚氨酯海绵，相邻两培养板2之间的间距为20cm。贮液瓶9内装入10升钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)(市购)培养基(组成为每1升培养基含：碳酸氢钠16.80克，磷酸氢钾0.5克，硝酸钠2.5克，氯化钠1.0克，硫酸镁0.2克，硫酸铁0.01克，硫酸钾1.0克，一水氯化钙0.04克，EDTA0.08克，用NaOH溶液调pH8.0)。将预先培养好的螺旋藻种子液喷洒在培养板2的表面。该支撑桁架1四周和顶部用透明塑料薄膜包裹，将装置置于室外，太阳光中午光强为1500μmol/m²/s，早晚约为500μmol/m²/s，折合白天平均光强为900μmol/m²/s，白天平均温度29℃，晚间平均温度20℃。贮液瓶9内通入含2％(体积百分比)CO₂的空气混合气。开启循环泵8、并调节流量使培养液滴入到培养板2上部以保持培养面湿润。培养三天后，手动将每块培养板2上的采收刮刀4沿滑动杆向下刮动，收集落入集液槽5中的藻泥，洗涤，于85℃度烘干称重，共得增加的螺旋藻总生物质量为36.4克＝101.1克。该装置占地面积(以五块培养板占地面积计)为五块×20厘米×40厘米/10000＝0.4平方米，折合单位面积螺旋藻产率为101.1克/0.4平方米/3天＝84.2克/平方米/天。

实施例4：

在一不锈钢材质的支撑桁架1上放置五块培养板2，每块培养板2的长为40cm，高为70cm，厚为2.9cm。培养板2为聚氨酯海绵复合体。相邻两培养板2的间距为15cm.贮液瓶9内装入2.5升栅藻(Scenedesmus dimorphus)(市购)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)。将预先培养好的栅藻种子液喷洒在培养板2的表面。该支撑桁架1四周用塑料薄膜包裹，支撑桁架1的上方安装多根日光灯管作为光源，其平均光强为300μmol/m²/s。将装置置于实验中，保持实验室温度约28℃。贮液瓶9内通入含2％(体积百分比)CO₂的空气混合气。开启循环泵8并调节流量使培养液滴入到培养板2上部以保持培养面湿润。培养三天后，手动将每块培养板2上的采收刮刀4沿滑动杆向下滑动，收集落入集液槽5中的藻泥，洗涤，于85℃度烘干称重，共得增加的栅藻总生物质量为60.6克。该装置占地面积(以五块培养板占地面积计)为五块×15厘米×40厘米/10000＝0.3平方米，折合单位面积栅藻产率为60.6克/0.3平方米/3天＝67.3克/平方米/天。

实施例5：

同实施例4，以栅藻对象，装置置于室外，太阳光中午光强为1600μmol/m²/s，早晚约为550μmol/m²/s，折合白天平均光强为950μmol/m²/s，白天平均温度29℃，晚间平均温度21℃。培养三天后，手动将每块培养板2上的采收刮刀4沿滑动杆向下滑动，收集落入集液槽中的藻泥，洗涤，于85℃度烘干称重，共得增加的栅藻总生物质量为＝102.5克-42克＝60.5克。该装置占地面积的积栅藻产率为40.3克/平方米/天。

以上实施例中，将所用的藻种替换为拟微拟球藻、小球藻、栅藻、三角褐指藻、金藻、杜氏藻、蓝藻等，或将通入的气体改为烟道气重复上述实验，所得结果相似，只是从简明起见不再赘述。

Claims (10)

1.一种插板式微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：包括支撑桁架(1)、培养板(2)、布液管(3)、集液槽(5)及贮液瓶(9)，其中支撑桁架(1)上安装有至少一个培养板(2)，每个培养板(2)上方均设有布液管(3)；在每个培养板(2)的下方均设有安装在支撑桁架(1)上的集液槽(5)，各集液槽(5)均通过主液管(6)与所述贮液瓶(9)连通；所述贮液瓶(9)底部分别设有循环泵(8)和与二氧化碳气源连通的补碳布气管(7)，所述循环泵(8)通过管道与所述布液管(3)连通；所述每个培养板(2)上均设有采收刮刀(4)。

2.按权利要求1所述的插板式微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述支撑桁架(1)上设有与培养板(2)数量相等的插槽，每个培养板(2)均插设在所述插槽内；每个插槽的上方及下方沿培养板(2)的长度方向分别设有安装在支撑桁架(1)上的布液管(3)及集液槽(5)。

3.按权利要求2所述的插板式微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述支撑桁架(1)上的插槽及插设在该插槽内的培养板(2)均垂直于地面。

4.按权利要求1所述的插板式微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述集液槽(5)倾斜设置，该集液槽(5)的宽度大于培养板(2)的厚度。

5.按权利要求4所述的插板式微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述集液槽(5)的水平倾斜角度为3～15°。

6.按权利要求1所述的插板式微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述采收刮刀(4)设置在培养板(2)的两侧、并抵接在培养板(2)两侧的培养表面上，所述采收刮刀(4)沿培养板(2)的高度方向上下往复滑动。

7.按权利要求6所述的插板式微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述采收刮刀(4)的两端安装在培养板(2)两侧、沿培养板(2)的高度方向设置的两根滑动杆上，所述采收刮刀(4)沿着滑动杆上下往复滑动。

8.按权利要求1所述的插板式微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述布液管(3)与培养板(2)平行设置，所述布液管(3)上均布有多个向培养板(2)滴落微藻液体培养基的孔，所述布液管(3)的直径为培养板(2)厚度的1/4～2/3。

9.按权利要求1所述的插板式微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述培养板(2)的表面为多孔材料或毛绒材料，或多层多孔材料或多层毛绒材料组成的组合体。

10.按权利要求1所述的插板式微藻半干固态贴壁培养装置，其特征在于：所述支撑桁架(1)上放置1～1000个培养板(2)，相邻两个培养板(2)之间的间距为培养板高度的0.01～10倍；所述每个培养板(2)的长度为0.1～10米，高度为0.1～20米。

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