CN103421677A

CN103421677A - 一种用于微藻大规模培养的挡板开放池

Info

Publication number: CN103421677A
Application number: CN2013102981229A
Authority: CN
Inventors: 丛威; 张庆华; 薛升长; 刘明; 吴霞; 李岩溪
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2033-07-16
Also published as: CN103421677B

Abstract

本发明公开了一种用于微藻大规模培养的挡板开放池，该开放池的流道中设置有若干挡板于池底上，且挡板与培养液流动方向的夹角为20～70度，挡板至少有一端与该流道的开放池壁之间留有泄口，挡板的高度低于培养液的深度。当培养液以一定的流速在本发明的开放池内流动时，培养液在挡板的作用下会形成漩涡，从而在主体向前流动的基础上产生上下方向的运动（速度分量），推动藻细胞在光径方向上形成一定的往复运动，从而实现藻细胞在开放池内的光区(表层)和暗区(下层)的来回穿梭。本发明能够充分发挥藻细胞的“闪光效应”，提高微藻大规模培养时的光能利用率，提高单位照光面积的产量。

Description

一种用于微藻大规模培养的挡板开放池

技术领域

本发明涉及微藻大规模培养领域，具体涉及用于微藻大规模培养的挡板开放池。

背景技术

微藻具有很高的应用价值，微藻细胞富含蛋白质、氨基酸、碳水化合物、维生素、抗生素、高不饱和脂肪酸、多糖和色素等多种高附加值的生物物质，而且某些微藻还具有很高的产烃能力(如葡萄藻)，在能源利用方面具有很好的应用前景。在全球粮食、能源危机日益严峻的今天，开发利用微藻生物资源无疑具有重要的社会价值与经济意义。

微藻的大规模培养方式可分为密闭式和开放式。开放式是指采用开放池培养装置，如跑道池(如附图1所示)、圆形池。它具有技术简单、投资低廉等特点，在螺旋藻、小球藻和盐藻的工业化生产中获得了应用(Chaumont D.,Journal of AppliedPhycology,1993,5:593～604；Borowitzka L T.,Bioresource Technology,1991,38:251～252)，是目前微藻工业生产的主要方式。

在传统的大规模培养微藻的开放池内，培养液的流动靠搅拌器(叶轮)驱动，培养液的平均深度一般为20～30cm，一般的培养密度在0.5g/L左右。在该条件下，光线在培养液内传播时，光的穿透距离为几毫米到几厘米，光的穿透深度有限，下层培养液中的藻细胞难以照到光。

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，此时不需要光照甚至光照反而有害。如果藻细胞以特定频率(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”，光能的利用率会得到很大提高(Janssen M,Slenders P,Tramper J,et al.,Enzyme Microbial Technology,2001,29:298～305;Matthijs H.C.P,Balke H,Mur L.R,et al.,Biotechnology and Bioengineering,1996,50:98～107;Xue S Z,Su Z F,Cong W.,Journal of Biotechnology,2011,151(3):271-277)。所以，如果能实现藻细胞在开放池的表层(光区)与下层(暗区)之间的来回穿梭，就可使得接受过光照的藻细胞及时进入暗区进行暗反应，同时使得完成了暗反应的藻细胞回到光区再次接受光照，这样就使得照射在培养液上的光量子被充分利用。因此开放池内培养液的充分混合，特别是上、下方向的混合(注：默认阳光在上方)，对于藻细胞轮流接受光照、提高阳光的光能利用率和微藻总体产量至关重要。

然而，在传统的开放池内，培养液在流道内的混合完全靠在搅拌器(叶轮)的推动下在流道内流动时形成的自然流动，混合不充分，属于自然形成的湍流，特别是在近池底处接近层流。当采用更薄的培养液层时(如，专利CN201010279100.4提出一种能够实现微藻浅层均匀培养的低落差开放池，可以实现藻细胞的浅层高密度培养，从而大幅度提高藻细胞密度、降低水体驱动能耗、降低藻细胞的采收成本)，培养液的流动在整体上更加接近层流，更难以混合充分。

发明内容

本发明的目的是提供一种池底具有挡板的用于微藻大规模培养的挡板开放池，此开放池内能够使营养液更充分的流动，更好的实现藻细胞在开放池的光区(表层)与暗区(下层)之间的来回穿梭，增强藻细胞的“闪光效应”，从而提高微藻大规模培养时的光能利用率和提高微藻细胞的产量。

本发明提供了一种用于微藻大规模培养的挡板开放池，该开放池的流道中设置有若干挡板于池底上，且挡板与培养液流动方向的夹角为20～70度，挡板至少有一端与该流道的开放池壁之间留有泄口（挡板两端与开放池壁之间所留的缺口），挡板的高度低于培养液的深度。

优选的，挡板的两端与该流道的开放池壁之间留有泄口。

优选的，挡板沿流道宽度方向的投影长度是开放池流道宽度的30～90％。

优选的，同一段流道中相邻的挡板为平行设置。

优选的，相邻的挡板沿培养液流动方向的间距为40mm～400mm。

优选的，安装有挡板的开放池池底面积占开放池总面积的20％以上。

优选的，挡板两端泄口的宽度是开放池流道宽度的5～35％。

优选的，挡板沿长度方向为整体结构。

优选的，挡板沿挡板长度方向由2段以上的子挡板组成。

当挡板由多个子挡板组成时，各子挡板的长度可长可短。

优选的，各子挡板长度相等；相邻的子挡板之间的间隔距离(即相邻两段子挡板之间缺口的宽度)与挡板两端泄口的宽度的比值为0.5～2。

优选的，挡板的高度(挡板本身截面的高度)为10mm～60mm。

优选的，挡板的截面形状包括但不限于矩形、梯形、三角形、半圆形、平行四边形或其它形状；其中，当挡板的截面形状为矩形、平行四边形形状时，挡板的厚度为5mm～10mm；当挡板的截面形状为梯形、三角形或半圆形形状时，挡板的半高处的厚度为5mm～10mm。

挡板的材质包括但不限于木板、塑料、竹片、橡胶、树脂、有机玻璃、不锈钢、其他金属材料等。

本发明的开放池形状包括但不限于跑道池，还包括多回路、低长宽比等形状。

优选的，开放池内的培养液的深度为3～15cm。

优选的，挡板高度不超过培养液深度的40%。

优选的，开放池内培养液的流速为10cm/s～50cm/s。

优选的，当液层较浅时，为了提高搅拌效率，开放池包括一搅拌器，且搅拌器叶尖低于开放池底，并在开放池底沿搅拌器的转动轨迹设置弧形凹槽。

优选的，为了提高二氧化碳吸收率，该开放池还包括补碳装置，该补碳装置可以为阱式补碳装置或水平浸没罩式补碳装置，比如申请号为CN200510126465.2的中国专利公开的阱式补碳装置（如图5所示）或申请号为CN201210138845.8的中国专利所公开的水平浸没罩式补碳装置（如图6所示）。

开放池内用于培养微藻的培养基包括但不限于本领域熟知的任意适合微藻生长的培养基，如Zarrouk培养基、SM培养基、ASP2培养基、BG-11培养基等，也可以是针对某种藻特殊需要的培养基。

本发明的开放池能够用于大规模培养各种微藻，包括但不限于螺旋藻、雨生红球藻、盐藻、小球藻、衣藻等各种微藻。

本发明的开放池的原理是：当培养液以一定的流速在本发明的开放池内流动时，培养液在挡板的作用下会形成漩涡，从而在主体向前流动的基础上产生上下方向的运动（速度分量），推动藻细胞在光径方向上形成一定的往复运动，从而实现藻细胞在开放池内的光区(表层)和暗区(下层)的来回穿梭。

图7～图9为开放池内某粒子在上下方向的位置变化的模拟图，采用流体体积法VOF（Volume of Fluid）进行计算，计算的开放池长1.5m、流道宽0.2m、液面高度0.04m、流道的入口速度为0.2m/s。

图7为没有挡板的开放池(即传统平底开放池)内某粒子在上下方向的位置变化图。

图8a为流道内设置有挡板的开放池的示意图，图8b为某粒子在挡板区域内上下方向的位置变化图，其中，挡板高度为20mm、厚度为2mm，挡板与流体流动方向夹角为30度，挡板与开放池边壁间距(挡板两端泄口的宽度)为20mm，相邻两个挡板之间的距离（沿培养液流动方向的间距）为50mm。从图8b可以看出，在开放池底加入挡板后，颗粒在光径方向可形成比图7所示更频繁的往复运动。

图9a为在流道内设置有分段挡板的开放池(即，挡板沿挡板长度方向由2段子挡板组成)示意图，图9b为某粒子在挡板区域内上下方向的位置变化图，其中，挡板高度为20mm、厚度为2mm，挡板与流体流动方向夹角为30度，挡板与开放池边壁间距(挡板两端泄口的宽度)为10mm，两段子挡板之间缺口的宽度为10mm，相邻两个挡板之间的距离（沿培养液流动方向的间距）为50mm。从图9b可以看出，在开放池底加入分段挡板后，颗粒在光径方向可形成比图7所示更频繁的往复运动。

本发明的优点在于：能够充分发挥藻细胞的“闪光效应”，提高微藻大规模培养的光能利用率，提高单位照光面积的产量。

附图说明

图1.挡板沿长度方向为整体结构的挡板开放池示意图。

图2.挡板沿长度方向挡板由两个子挡板组成的挡板开放池示意图。

图3.不同形状的挡板的横截面示意图。

图4.带有搅拌器的挡板开放池示意图。

图5.带有搅拌器和阱式补碳装置的挡板开放池示意图。

图6.带有搅拌器和水平浸没罩式补碳装置的挡板开放池示意图。

图7.没有挡板的开放池内某粒子在上下方向的位置变化图。

图8a.在流道内设置有挡板的开放池示意图，图8b为某粒子在挡板区域内上下方向的位置变化图。

图9a.在流道内设置有分段挡板的开放池示意图，图9b为某粒子在挡板区域内上下方向的位置变化图。

附图标识

1.开放池池壁 2.挡板 3.搅拌器 4.泄口 5.矩形挡板 6.梯形挡板 7.三角形挡板 8.平行四边形挡板 9.开放池池底 10.凹槽 11.培养液流动方向 12.培养液面 13.阱式补碳装置 14.隔板 15.气体分布器 16.水平浸没罩式补碳装置 17.补碳装置的培养液进口 18.补碳装置的培养液出口α.挡板的长度方向与流道中培养液流动方向的夹角

具体实施方式

实施例1

在开放池内进行螺旋藻培养。开放池的俯视图如图1所示，流道周长30m、宽2m。在开放池直流道段池底粘贴由有机玻璃板材料制作的矩形截面挡板5，其长度方向与培养液流动方向的夹角α大小为30度，矩形截面挡板5长度360cm(挡板沿开放池流道宽度方向的投影长度是流道宽度的90％)，每个泄口4的宽度为10cm，挡板沿培养液流动方向上的间距为80mm，挡板高度为30mm，挡板厚度为5mm，挡板总数为180个，其中搅拌器所在一侧流道的池底有80个，另一侧流道的池底有100个，相邻的挡板平行设置。搅拌器3为由一根转轴带动的4个钢制叶轮，每个叶轮有4个叶片，同一个叶轮的叶片之间相互间隔90度角，相邻两个叶轮的叶片交错45度角，转轴由变频电机和减速机带动，搅拌器的自转半径为50cm。搅拌器3下方设置有半径51cm、深15cm的弧形凹槽10，搅拌器3转动时叶尖的转动轨迹距离弧形凹槽10的弧面为1cm。搅拌器3及其下方的池底结构剖面如图4所示。

藻种来自中国科学院过程工程研究所，品种为钝顶螺旋藻(Spirulina Platensis)，培养基为Zarrouk培养基，其中碳酸氢钠的初始浓度为0.1mol/L。培养液平均深度10cm，藻细胞接种密度0.65g(干重)/L。调节电机的转速使得培养液在流道内的流速为20cm/s左右。

每天定时检测其他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。持续培养5天，藻细胞密度达到1.45g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到16g(干重)/(m².d)。

此处，也可以将挡板更换为图3中任一具有不同截面形状的挡板。另外，本实施例中，相邻的两块挡板为平行设置，其非平行设置也可以起到类似的技术效果；本实施例中，仅提及了挡板两端与流道的开放池壁设置有两个泄口的情况，但也可仅在挡板的一端设置泄口，相邻的挡板可以平行设置，也可以不平行设置；这些挡板可以间隔地分别在相邻的挡板的左侧和右侧设置泄口，形成ABAB类型的设置，也可以仅在一侧设置泄口，或者这些泄口的方位无序分布，由于其也可以促进营养液的充分流动，进而也可以起到类似的技术效果。此外，开放池中的挡板也可以部分在两端设置泄口，部分在一端设置泄口，均不影响其技术效果。以下各实施例由于和本实施例采用了相同的技术方案，挡板的灵活设置对其技术效果的影响不再赘述。

比较例1

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例1，所不同的是开放池池底无挡板。

持续培养5天，藻细胞密度达到1.27g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到12.4g(干重)/(m².d)。

显然，同样培养条件下，在本发明实施例1的挡板开放池内的面积产率高于在比较例1的无挡板开放池内的面积产率，即本发明的挡板开放池使得藻细胞的光能利用率明显提高。

实施例2

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例1，所不同的是挡板两端每个泄口的宽度为6.7cm，挡板沿挡板长度方向分为2段子挡板，每段子挡板的长度为180cm，两段子挡板之间的间隔距离(即两段子挡板之间缺口的宽度)为6.7cm，其横截面结构如图2所示。

持续培养5天，藻细胞密度达到1.53g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到17.6g(干重)/(m².d)。高于在比较例1的无挡板开放池内的面积产率，表明藻细胞的光能利用率明显提高。

实施例3

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例1，所不同的是挡板的高度为20mm，厚度为5mm，挡板的长度方向与培养液流动方向的夹角大小为70度，挡板沿开放池流道宽度方向的投影长度是流道宽度的50％，沿培养液流动方向上的间距为100mm。

持续培养5天，藻细胞密度达到1.57g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到18.4g(干重)/(m².d)。高于在比较例1的无挡板开放池内的面积产率，表明藻细胞的光能利用率明显提高。

实施例4

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例3，所不同的是挡板的长度方向与培养液流动方向的夹角大小为20度，挡板沿开放池流道宽度方向的投影长度是流道宽度的30％。

持续培养5天，藻细胞密度达到1.38g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到14.6g(干重)/(m².d)。高于在比较例1的无挡板开放池内的面积产率，表明藻细胞的光能利用率明显提高。

实施例5

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例1，所不同的是挡板沿培养液流动方向上的间距为40mm。

持续培养5天，藻细胞密度达到1.71g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到21.2g(干重)/(m².d)。高于在比较例1的无挡板开放池内的面积产率，表明藻细胞的光能利用率明显提高。

实施例6

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例1，所不同的是培养液的流速为50cm/s左右。

持续培养5天，藻细胞密度达到1.56g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到18.2g(干重)/(m².d)。高于比较例2在无挡板开放池内同样培养条件下的面积产率，表明藻细胞的光能利用率明显提高。

比较例2

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例6，所不同的是开放池内无挡板。

持续培养5天，藻细胞密度达到1.33g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到13.6g(干重)/(m².d)。

实施例7

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例1，所不同的是培养液的流速为10cm/s左右。

持续培养5天，藻细胞密度达到1.41g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到15.2g(干重)/(m².d)。高于比较例3在无挡板开放池内同样培养条件下的面积产率，表明藻细胞的光能利用率明显提高。

比较例3

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例7，所不同的是开放池内无挡板。

持续培养5天，藻细胞密度达到1.18g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到10.6g(干重)/(m².d)。

实施例8

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例1，所不同的是挡板高度为10mm，碳酸氢钠的初始浓度为0.16mol/L，培养液的平均深度为3cm，藻细胞接种密度1.01g(干重)/L。

持续培养3天，藻细胞密度达到2.79g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到17.8g(干重)/(m².d)。高于比较例4在无挡板开放池内同样培养条件下的面积产率，表明藻细胞的光能利用率明显提高。

比较例4

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例8，所不同的是开放池内无挡板。

持续培养3天，藻细胞密度达到2.35g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到13.4g(干重)/(m².d)。

实施例9

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例1，所不同的是培养液的平均深度为15cm，挡板高度为60mm。

持续培养5天，藻细胞密度达到1.15g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到15.5g(干重)/(m².d)。高于比较例5在无挡板开放池内同样培养条件下的面积产率，表明藻细胞的光能利用率明显提高。

比较例5

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例9，所不同的是开放池内无挡板。

持续培养5天，藻细胞密度达到1.01g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到10.8g(干重)/(m².d)。

实施例10

在开放池内进行螺旋藻培养。培养池流道周长105m、宽2m。在开放池直流道段池底粘贴由有机玻璃板材料制备的矩形截面挡板5，挡板的长度方向与培养液流动方向的夹角大小为30度，挡板长度360cm(挡板沿开放池流道宽度方向的投影长度是流道宽度的90％)，沿培养液流动方向上挡板的间距为80mm，挡板高度为20mm，挡板厚度为5mm，挡板总数为1050个，其中搅拌器一侧流道池底为500个，另一侧为550个，相邻的挡板平行设置。

搅拌器3及其下方的池底结构以及配合使用专利CN200510126465.2所述的阱式补碳装置13的剖面如图5。阱式补碳装置13的外型尺寸为：阱式容器深1.5m、宽度为2m(与流道宽度一致)、厚度为40cm。阱式容器的材质为水泥(与开放池的池材质一样，在开放池底挖出阱式容器)。隔板14为1.5cm厚的塑料板，位于阱式容器厚度方向的居中位置，宽度与阱式容器配合。隔板下端距阱式容器底部的距离为20cm。在阱式容器底部装有直径4cm的曝气管作为气体分布器15。

藻种来自中国科学院过程工程研究所，品种为钝顶螺旋藻(Spirulina Platensis)，培养基为Zarrouk培养基，其中碳酸氢钠的初始浓度为0.16mol/L。培养液平均深度5cm，藻细胞接种密度1.1g(干重)/L。当培养液的pH升高到9.4时开始采用人工控制补充二氧化碳，所用二氧化碳来自钢瓶，通过调节二氧化碳气体的流量(折合标况在4升/分钟～6升/分钟范围内)将培养液的pH维持在9.4左右。调节电机的转速使得培养液的流速为20cm/s左右。

每天定时检测其他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。持续培养3天，藻细胞密度达到2.71g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到26.8g(干重)/(m².d)。高于在比较例6的无挡板开放池内的面积产率，表明藻细胞的光能利用率明显提高。

比较例6

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例10，所不同的是开放池内无挡板。

持续培养3天，藻细胞密度达到2.05g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到15.8g(干重)/(m².d)。

实施例11

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例10，所不同的是挡板沿培养液流动方向上的间距为400mm。

持续培养3天，藻细胞密度达到2.36g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到20.14g(干重)/(m².d)。高于比较例6在无挡板开放池内同样培养条件下的面积产率，表明藻细胞的光能利用率明显提高。

实施例12

在开放池内进行螺旋藻培养。其他条件同实施例10，所不同的是培养液的平均深度为10cm，挡板高度为40mm，藻细胞接种密度0.7g(干重)/L。

补碳装置采用专利CN201210138845.8所述的水平浸没罩式补碳装置。搅拌器3及其下方的池底结构以及配合使用专利CN201210138845.8所述的水平浸没罩式补碳装置16如图6。在开放池内沿流道方向设置一组4个水平浸没罩式补碳装置，每个水平浸没罩式补碳装置含一个顺培养液流动方向的罩子和被其罩住的一个气体分布器。每个罩子由1mm厚的不锈钢板制成，罩子的主体截面形状为半圆，每个罩子长度400cm，宽10cm，高5cm。气体分布器为微孔橡胶膜曝气管，长50cm，其外径16mm，内径10mm，孔径约为30～60μm，顺培养液流动方向设置在罩子下方的培养液进口0～50cm之间、径向位置居中。培养液被搅拌器3推动顺流道流动，部分培养液进入补碳装置的培养液进口17，与气体分布器放出的气泡接触，流经罩子下方的空间，流出补碳装置的培养液出口18，与未进入补碳装置的培养液混合后在流道内继续循环流动。

持续培养3天，藻细胞密度达到1.53g(干重)/L，单位面积藻细胞的产率达到26.6g(干重)/(m².d)。高于在比较例6的无挡板开放池内的面积产率，表明藻细胞的光能利用率明显提高。

Claims

1.一种用于微藻大规模培养的挡板开放池，其特征在于，所述开放池的流道中设置有若干挡板于池底上，且挡板与培养液流动方向的夹角为20～70度，所述挡板至少有一端与该流道的开放池壁之间留有泄口，所述挡板的高度低于培养液的深度。

2.根据权利要求1所述的开放池，其特征在于，同一段流道中相邻的挡板平行设置。

3.根据权利要求1或2所述的开放池，其特征在于，所述挡板沿流道宽度方向的投影为该流道宽度的30～90％。

4.根据权利要求1或2所述的开放池，其特征在于，相邻的挡板沿培养液流动方向的间距为40mm～400mm。

5.根据权利要求1或2所述的开放池，其特征在于，安装有挡板的开放池池底面积占开放池总面积的20％以上。

6.根据权利要求1或2任一所述的开放池，其特征在于，所述挡板沿挡板长度方向包括2段以上的子挡板。

7.根据权利要求6所述的开放池，其特征在于，相邻的子挡板之间的间隔距离与挡板两端泄口的宽度的比值为0.5～2：1。

8.根据权利要求1或2所述的开放池，其特征在于，所述挡板的截面形状包括矩形、梯形、三角形、半圆形或平行四边形；其中，当挡板的截面形状为矩形、平行四边形时，挡板的厚度为5mm～10mm；当挡板的截面形状为梯形、三角形或半圆形形状时，挡板的半高处的厚度为5mm～10mm。

9.根据权利要求1或2所述的开放池，其特征在于，所述开放池内的培养液的深度为3～15cm。

10.根据权利要求1或2所述的开放池，其特征在于，所述挡板高度不超过培养液深度的40%。

11.根据权利要求1或2所述的开放池，其特征在于，所述开放池内培养液的流速为10cm/s～50cm/s。

12.根据权利要求1或2所述的开放池，其特征在于，所述开放池包括一搅拌器，且搅拌器叶尖低于开放池底，并在开放池底沿搅拌器的转动轨迹设置弧形凹槽。

13.根据权利要求1或12所述的开放池，其特征在于，所述开放池还包括补碳装置。