CN103756886B - 一种微藻高密度连续培养的方法及其装置 - Google Patents

一种微藻高密度连续培养的方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于微藻生物技术领域，具体涉及一种微藻高密度连续培养的方法及其装置。本发明装置包括光生物反应器循环单元、营养液补料单元、通气补碳单元、及微藻采收单元。利用本发明所述装置进行微藻高密度连续培养的方法包括如下步骤：（1）微藻接种；（2）微藻增殖；（3）微藻采收；（4）培养基补料；（5）重复上述步骤（2）~（4）。本发明通过及时的采收和补料来调控微藻细胞的增殖速率，使得光生物反应单元中的微藻细胞处于对数生长期的时间更长，实现了微藻的高密度连续培养，可以获得产率更高的微藻产品，相比微藻产业传统的批次培养产率可增加30%以上；同时本发明中的装置控制阀可采用电磁阀，可以实现规模化集中控制。

Description

一种微藻高密度连续培养的方法及其装置
技术领域
本发明属于微藻生物技术领域，具体涉及一种微藻高密度连续培养的方法及其装置。
背景技术
微藻不仅富含蛋白质、脂肪和碳水化合物这三大类人类所必需的物质，还含有各种氨基酸、维生素、抗生素、高不饱和脂肪酸以及其它多种生物活性物质，将是人类获取食品、药品、生化试剂、精细化工产品、燃料以及其它材料的一种重要途径。随着全球性资源短缺压力的日益增加，微藻的开发利用将是解决人类食品资源与能源的重要途径之一。
目前微藻的培养主要采用开放式，其构建简单、成本低廉及操作简便。但开放式光生物反应器仍存在诸多不足：(1)易受外界环境影响，难以保持较适宜的温度与光照；(2)会受到灰尘、昆虫及杂菌的污染，不易保持高质量的单藻培养；(3)光能及CO2利用率不高，无法实现高密的单藻培养；这些因素都将导致细胞培养密度偏低，使得采收成本较高，而且能适应大池培养的微藻藻种必须是在极端环境下能快速生长的藻种，如螺旋藻、小球藻和盐藻。对于种群竞争能力较弱的微藻，则只能采用封闭式光生物反应器培养。封闭式反应器培养条件稳定，可无菌操作，易进行高密度培养，已成为今后的发展方向。CN101353619A公开了一种藻类微生物光合反应系统，相比开放式培养设计出密闭的光合单元，可使藻液在密闭空间中生产，不直接暴露于空气中；CN1721523A公开了一种微藻规模培养的管道光生物反应器，对光生物反应器的直接利用阳光光照部分，管道排列方式，给出概念性的设计；上述设计均提出了密闭管道方式的培养模式，并定义了其中的光合单元，明确了与开放培养的理念差别。但是，封闭式培养很难实现微藻高密度规模化连续生产。
综上所述，现有技术中，微藻的规模化连续培养存在生产系统占地面积大、易受天气影响、产率不高以及采收成本高的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种微藻高密度连续培养的方法及其装置，本发明通过调控微藻细胞的增值速率，通过将补料装置、培养装置和采收装置有效的整合，可以实现微藻的规模化连续生产，所述培养装置占地面积小，培养获得的微藻产品产率高。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种微藻高密度连续培养的装置，包括：
光生物反应器循环单元，其包括光生物反应器、循环罐、循环泵和排气装置，所述光生
物反应器的顶端与所述循环罐侧壁连接，所述光生物反应器的底端与所述循环泵出口连接，所述循环泵的进口与所述循环罐的底端连接，所述排气装置设置于所述循环罐的顶端；
营养液补料单元，其包括营养液配液罐和营养输送泵，所述营养液配液罐与所述营养输送泵的进口连接，所述营养输送泵的出口与所述循环罐连接；
通气补碳单元，其包括通气补碳通道，所述通气补碳通道的出口与所述循环罐的底端连
接，所述通气补碳通道的入口与补碳气源连接，所述通气补碳通道还与一鼓风机通过支路管道连接；
及微藻采收单元，其包括收获罐和收获泵，所述收获罐的顶端与所述光生物反应器的顶端连接，所述收获罐的底端与所述收获泵的进口连接，所述收获泵的出口与外界连接。
上述方案中，还包括一软水补给单元，其包括两条软水补给通路，一条软水补给通路与
所述循环罐连接，另一条软水补给通路与所述营养液配液罐连接。
上述方案中，所述所有连接均为管道连接，所述所有管道上均设置有控制阀。
上述方案中，所述控制阀为电磁阀。
上述方案中，所述循环罐上设置有用于监测循环罐内的温度、pH和溶氧的监测探头，
所述收获罐上设置有用于监测液位的液位监测探头。
上述方案中，所述营养输送泵、循环泵、鼓风机、循环罐上的监测探头和收
获罐上的液位监测探头是由控制单元统一控制。
上述方案中，所述光生物反应器为管道式光生物反应器或气升式光生物反应器。
上述方案中，所述排气装置包括一排气孔，所述排气孔可用于排气、取样或接种。
上述方案中，所述循环泵为隔膜泵、离心泵或螺杆泵。
一种利用上述装置进行微藻高密度连续培养的方法，包括如下步骤：
（1）微藻接种：在营养液配液罐中配制好培养基，通过营养输送泵将培养基输送至循环罐内，通过循环罐上的排气孔将微藻细胞接种至培养基中；
（2）微藻增殖：向循环罐底端通气补碳，启动循环泵，使藻液在循环罐与光生物反应器之间循环流动，所述藻液为培养基和微藻细胞，所述微藻细胞在循环流动的过程中逐渐增殖；
（3）微藻采收：取样检测循环罐中微藻细胞浓度，当微藻细胞浓度达到收获值时，通过循环泵将部分藻液输送至收获罐用作后处理，同时在循环罐和光生物反应器内保留部分藻液用以继续增殖培养；
（4）培养基补料：将营养液配料罐中的培养基通过营养输送泵输送至循环罐，使得此时在循环罐和光生物反应器内的微藻细胞，其浓度处于微藻的指数增长期浓度；
（5）重复上述步骤（2）~（4），实现微藻高密度连续培养。
上述方案中，步骤（2）所述通气补碳为通入空气-二氧化碳混合气体或者含二氧化碳的烟道气。
上述方案中，步骤（2）所述循环流动的流动速率为0.2m/s-2m/s。
上述方案中，所述光生物反应器与循环罐的体积比为0.8~5，优选值为0.25。
上述方案中，所述循环罐的体积与底面积的比值为2~10。
上述方案中，所述微藻增殖的过程中，当光生物反应器充满藻液时，循环罐中的藻液体积与循环罐体积的比值为0.10～0.72。
上述方案中，所述微藻细胞浓度的收获值为1.0~2.0g/L。
本发明的有益效果：
（1）本发明所述培养装置占地面积小，利用所述装置进行微藻高密度培养时，通过及
时的采收和补料来调控微藻细胞的增殖速率，使得光生物反应器单元中的微藻细胞处于对数生长期的时间更长，实现了微藻的高密度连续培养，可以获得产率更高的微藻产品，相比微藻产业传统的批次培养，微藻产率可增加30%以上；
（2）本发明中，循环罐的体积与底面积的比值大，因此可以提供较高的液位深度，循环罐底部通入的二氧化碳溶解在藻液后，能够快速进入光生物反应器，可以有效的增加二氧化碳的利用效率，减少直接通入后的逸出浪费；
（3）本发明中的装置控制阀可采用电磁阀，可以实现规模化集中控制。
附图说明
图1为本发明装置示意图。
图2本发明得到的微藻高密度连续培养33天过程中循环罐内微藻生物量与天数的关系图。
图中符号说明：1营养液配液罐；2营养输送泵；3鼓风机；4循环罐；5循环泵；6收获罐；7光生物反应器；8控制单元；9收获泵；10光生物反应器安全阀；11循环阀；12收获控制阀；13光生物反应器底阀；14搅拌电机；15营养液配液罐出口控制阀；16营养液输送泵出口控制阀；17排气装置/取样口/接种口；18鼓风机通气入口控制阀；19循环罐营养入口控制阀；20软水入口控制阀；21监测探头（温度、PH、溶氧）；22液位监测探头；23收获罐入口控制阀；24营养液配液罐软水入口控制阀；25混合气体入口控制阀；26营养液配液罐固体添加口。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例、附图和附表进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
参见图1，一种微藻高密度连续培养的装置，包括：
光生物反应器循环单元，其包括光生物反应器7、循环罐4、循环泵5和排气装置17，所述光生物反应器7的顶端与所述循环罐4侧壁通过光生物反应器安全阀10连接，所述光生物反应器7的底端与所述循环泵5出口通过光生物反应器底阀13连接，所述循环泵5的进口与所述循环罐4的底端通过循环阀11连接，所述排气装置17设置于所述循环罐4的顶端；
营养液补料单元，其包括营养液配液罐1和营养输送泵2，所述营养液配液罐1与所述营养输送泵2的进口通过营养液配液罐出口控制阀15连接，所述营养输送泵2的出口与所述循环罐4通过管道连接，管道上设置有营养液输送泵出口控制阀16和循环罐营养入口控制阀19；
通气补碳单元，其包括通气补碳通道，所述通气补碳通道的出口与所述循环罐4的底端通过混合气体入口控制阀25连接，所述通气补碳通道的入口与补碳气源连接，所述通气补碳通道还与一鼓风机3通过支路管道连接，管道上设置有鼓风机通气入口控制阀18；
微藻采收单元，其包括收获罐6和收获泵9，所述收获罐6的顶端与所述光生物反应器7的顶端通过管道连接，管道上设置有收获控制阀12和收获罐入口控制阀23，所述收获罐6的底端与所述收获泵9的进口连接，所述收获泵9的出口与外界连接；
及软水补给单元，其包括两条软水补给通路，一条软水补给通路与所述循环罐通过软水入口控制阀20连接，另一条软水补给通路与所述营养液配液罐通过营养液配液罐软水入口控制阀24连接。
上述营养液配液罐1上还设置有营养液配液罐固体添加口26和搅拌电机14；上述循环罐上还设置有用于检测温度、PH和溶氧的监测探头21；上述收获罐上还设置有液位监测探头22。
上述营养输送泵2、循环泵5、鼓风机3、循环罐上的监测探头21和收获罐上的液位监测探头22是由控制单元8统一控制。
一种微藻高密度连续培养的方法，具体操作如下：
参阅图1，循环罐体积为2m3，循环罐的体积与底面积的比值为5，光合反应区体积5m3，用下述培养基培养蛋白核小球藻。微藻高密度连续培养的具体操作步骤为：（1）开启软水入口控制阀20、光生物反应器底阀13、光生物反应器安全阀10，循环阀11和循环泵5，关闭收获控制阀12，向光生物反应器循环单元通入软水，当光生物反应器7中充满水（5m3），循环罐4中水量达0.5m3即可关闭软水入口控制阀；在营养液配液罐1中配置浓度为所述培养基浓度50倍的培养基母液500L，打开营养液配液罐出口控制阀15、营养液输送泵出口控制阀16和循环罐营养入口控制阀19，通过营养输送泵2将110L培养基母液输送至循环罐；打开鼓风机3、鼓风机通气入口控制阀18和混合气体入口控制阀25，向循环罐通入二氧化碳和空气的混合气体，利用二氧化碳流量控制调节循环罐中培养基pH值为7~8，通气循环30分钟后，通过接种口17将小球藻细胞浓度为2.8g/L的藻种150升接种至循环罐中的培养基中，所述藻种通过一个150L的平板反应器培养获得；（2）微藻培养：关闭收获控制阀12，开启循环泵5、循环阀11、光生物反应器底阀13和光生物反应器安全阀10，使藻液在循环罐与光生物反应器之间以1m/s速率循环流动，微藻细胞逐渐增殖，此时循环罐和光生物反应器的藻液总体积为5.76m3，所述藻液包括培养基和微藻细胞，其中，光生物反应器充满藻液（5m3），循环罐内的藻液体积与循环罐总体积的比值为0.38；同时微藻培养过程中一直开启鼓风机、鼓风机通气入口控制阀和混合气体入口控制阀，在循环罐底部通入二氧化碳和空气的混合物，通过曝气使藻液混匀；（3）微藻采收：每10h通过取样口取样检测小球藻细胞增殖情况，监测到小球藻细胞浓度大于1.6g/L即可采收，采收时的操作为：打开软水入口控制阀20，开启循环泵5、循环阀11、光生物反应器底阀13、收获控制阀12和收获罐入口控制阀23，关闭光生物反应器安全阀10，通过循环泵将光反应区和循环罐内的藻液输送到收获罐6中，当收获罐中微藻的采收体积达到5m3时，关闭收获控制阀和收获罐入口控制阀，停止采收；（4）培养基补料：开启循环泵5、光生物反应器安全阀10，软水入口控制阀20、循环阀11和光生物反应器底阀13，继续向循环罐内通软水，待软水充满光反应区（5m3），且循环罐内的体积达1.0m3，即总体积约6m3，关闭软水入口控制阀，再开启循环罐营养入口控制阀19、营养液输送泵出口控制阀16、营养液配液罐出口控制阀15，通过营养输送泵2将营养液培养罐中的60L培养基母液输送入循环罐中；（5）重复上述操作（2）~（4），其中步骤（2）微藻培养过程中，循环罐和光生物反应器的藻液的体积为6.06m3，所述藻液包括培养基和微藻细胞，光生物反应器充满藻液（5m3），循环罐内的藻液体积与循环罐总体积的比值为0.53，得到微藻高密度连续培养33天过程中循环罐内微藻生物量与天数的关系（见图2）。
本实施例中，微藻高密度连续培养33天，分5批次采收，每个批次微藻培养时间约为5.5d，各批次微藻的产率为：第一个批次：产率=（5m3*1.6g/L）/（5.76m3*5.5d）=0.25g/（L·d）；第二个批次：产率=（5m3*1.6g/L）/（6.06m3*5.5d）=0.24g/（L·d）；第三个批次：产率=（5m3*1.6g/L）/（6.06m3*5.5d）=0.24g/（L·d）；第四个批次产率=（5m3*1.6g/L）/（6.06m3*5.5d）=0.24g/（L·d）；第五个批次：产率=（5m3*1.6g/L）/（6.06m3*5.5d）=0.24g/（L·d）；微藻每批次的平均产率为0.242g/（L·d），所述每批次产率的计算方式为：∑收获藻液量*藻液干重/藻液总体积·天数。
现有技术中，传统的微藻分批次培养的产率一般为0.15g/（L·d），本发明与现有技术中传统的微藻分批次培养方法相比，通过及时的采收和补料来调控微藻细胞的增殖速率，使得光生物反应器单元中的微藻细胞处于对数生长期的时间更长，本实施例中，微藻每批次的平均产率为0.242g/（L·d），与现有技术的微藻分批次培养方法相比，微藻的产率提高了50%以上。
表1培养基各组分配比
KNO3 8g/L
葡萄糖 28g/L
KH2PO4 0.7g/L
Na2HPO4 1.4g/L
MgSO4 0.40g/L
CaCl2 0.15g/L
FeSO4 0.006g/L
微量元素 1ml
表2微量元素各组分配比
H3BO3 11.5g/L
ZnSO4 5.0g/L
MnCl2 1.3g/L
(NH4)6Mo7O24 0.5g/L
CuSO4 1.0g/L
Co（NO3）2 0.3g/L
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用微藻高密度连续培养装置进行微藻高密度连续培养的方法，其特征在于，
所述微藻高密度连续培养装置包括：
光生物反应器循环单元，其包括光生物反应器、循环罐、循环泵和排气装置，所述光生物反应器的顶端与所述循环罐侧壁连接，所述光生物反应器的底端与所述循环泵出口连接，所述循环泵的进口与所述循环罐的底端连接，所述排气装置设置于所述循环罐的顶端；所述循环罐的体积与底面积的比值为2~10；
营养液补料单元，其包括营养液配液罐和营养输送泵，所述营养液配液罐与所述营养输送泵的进口连接，所述营养输送泵的出口与所述循环罐连接；
通气补碳单元，其包括通气补碳通道，所述通气补碳通道的出口与所述循环罐的底端连接；
及微藻采收单元，其包括收获罐和收获泵，所述收获罐的顶端与所述光生物反应器的顶端连接，所述收获罐的底端与所述收获泵的进口连接，所述收获泵的出口与外界连接；
所述微藻高密度连续培养的方法包括如下步骤：
（1）微藻接种：在营养液配液罐中配制好培养基，通过营养输送泵将培养基输送至循环罐内，通过循环罐上的排气孔将微藻细胞接种至培养基中；
（2）微藻增殖：向循环罐底端通气补碳，启动循环泵，使藻液在循环罐与光生物反应器之间循环流动，所述藻液为培养基和微藻细胞，所述微藻细胞在循环流动过程中逐渐增殖；
（3）微藻采收：取样检测循环罐中微藻细胞浓度，当微藻细胞浓度达到收获值时，通过循环泵将部分藻液输送至收获罐用作后处理，同时在循环罐和光生物反应器内保留部分藻液用以继续增殖培养，所述微藻细胞浓度的收获值为1.0~2.0g/L；
（4）培养基补料：将营养液配料罐中的培养基通过营养输送泵输送至循环罐，使得此时在循环罐和光生物反应器内的微藻细胞，其浓度处于微藻的指数增长期浓度；
（5）重复上述步骤（2）~（4），实现微藻高密度连续培养。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤（2）所述通气补碳为通入空气-二氧化碳混合气体或者含二氧化碳的烟道气。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤（2）所述循环流动的流动速率为0.2m/s~2m/s。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述光生物反应器与所述循环罐的体积比为0.8~5。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述微藻增殖的过程中，当光生物反应器中充满藻液时，循环罐中的藻液体积与循环罐体积的比值为0.10～0.72。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述微藻高密度连续培养装置还包括软水补给单元，其包括两条软水补给通路，一条软水补给通路与所述循环罐连接，另一条软水补给通路与所述营养液配液罐连接。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述微藻高密度连续培养装置中所有连接均为管道连接，所述所有管道上均设置有控制阀。
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