CN103911289A

CN103911289A - 间歇通气的封闭式微藻培养方法

Info

Publication number: CN103911289A
Application number: CN201410153888.2A
Authority: CN
Inventors: 李旭; 章表明; 朱希坤; 李海龙; 王大志; 孙鸿曼
Original assignee: Shenyang Research Institute of Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Shenyang Research Institute of Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2014-07-09

Abstract

本发明涉及生物能源领域，具体公开一种间歇通气的封闭式微藻培养方法，包括在微藻培养的光周期和暗周期期间向气升式光生物反应器中通入气体，其特征在于，在微藻培养前期的光周期采用间歇通气，并且在微藻培养的其余时期采用连续通气。与现有技术中的连续通气方式相比，本发明的方法中采用间歇通气方式，达到近似连续通气的培养结果。从而明显降低能耗和碳源消耗，降低微藻培养的工业化成本。

Description

间歇通气的封闭式微藻培养方法

技术领域

本发明涉及生物能源领域，尤其涉及采用间歇通气的封闭式微藻培养技术。

背景技术

在化石能源日益枯竭、全球气候变暖的背景下，开展节能减排，发展循环经济，开发可再生能源，是今后科技与社会发展的重要方向。国内外许多研究者早已将目光投向了环境友好可再生能源，以替代化石能源。开发生物质能源是解决能源问题的有效途径。

在诸多生物质能源中，微藻因其突出的优点而被认为是一种极具潜力的生物燃料原料，日益受到人们的青睐。美国、西欧、澳洲、日本和南非的政府和企业，也都投入了大量资金进行产油微藻的开发。其优点具体包括：微藻细胞增殖快、培养周期短、生物质产量高、所产油脂成分与植物油类似；且微藻富含大量蛋白质、多糖、色素和油脂等物质，可以广泛应用于饲料、食品、医药保健品、化妆品和可再生燃料等领域；可利用的培养基来源广泛，生长过程中可以固定二氧化碳；可利用盐碱地、沙漠和海域养殖，不与粮争地，不与人争粮，也可利用城市生活污水和工业废水等养殖，有利于环境治理。

微藻生物柴油的技术手段在实验室已经被打通，但目前生产成本问题制约了微藻生物柴油的商业化。微藻生物质的获得是微藻生物能源成本的主要构成部分，因此降低微藻培养成本是推进其商业化进程的关键途径。

微藻培养可分为敞开式和封闭式两种。敞开式微藻培养方式已普遍应用于商业化的微藻大规模培养中，但其局限性在于仅有少数几种微藻能够采用敞开式培养。对于要求温和培养条件、种群竞争能力较弱的微藻，只能采用封闭式光生物反应器培养；对于高卫生要求的微藻产品生产以及基因工程微藻都必须采用封闭式光生物反应器培养。

与开放式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器具有以下优点：（1）无污染，能实现单种和纯种培养；（2）培养条件易于控制；（3）培养密度高，易收获；（4）适合于所有微藻的光自养培养，尤其适合于微藻代谢产物的生产；（5）有较高的光照面积与培养体积之比，光能和二氧化碳利用率较高；等等。因此，近年来国内外对微藻的封闭式光生物反应器培养的研制和开发利用较快，已实现了高密度商业化培养。

目前封闭式光生物反应器有：管道式、平板式、柱状气升式、搅拌式发酵罐、立式吊袋和浮式薄膜袋等。并且国内外对微藻封闭式光生物反应器培养的研发，主要集中在反应器自身的设计和性能的优化，在微藻培养工艺方面的研发却很少。

例如，CN201110112849.4公开了一种微藻养殖封闭式反应器，该反应器可呈多层三维立体，内设循环隔板和环状通道，采用亚克力透明胶或玻璃制作。该专利着重解决了三个方面的问题：光源全方位补充；使藻液循环流动更趋合理，同时补充藻类所需的CO₂；解决了在最短时间内维修、拆卸等方面的问题。此外，CN200910047898.7公开一种曝气式光生物反应器及其应用方法，结合了开放式和封闭式反应器的各自优点；CN200920029774.1公开一种气升式光生物反应器；CN201020282646.0公开一种多组鼓泡式光生物反应器；CN201110130733.3公开一种封闭式灌流式光生物反应器；CN200810039168.8公开一种气推式光生物反应器。

在采用封闭式光生物反应器培养微藻时，通常向反应器中连续通入空气和二氧化碳的混合气体。这样可使微藻培养液混合更均匀，以便使藻细胞得到充分的光照；同时还可提供微藻生长所需的二氧化碳；以及解析出微藻在光照期产生的氧气，补充在微藻培养暗周期微藻呼吸作用所需的溶解氧。这样虽然可以得到较大的微藻生物量，但也消耗了大量的动力能源，提高了微藻的生产成本。

可见，还需要开发一种新的微藻培养方式，以降低封闭式微藻培养的成本。

发明内容

本发明旨在改进现有技术中的封闭式微藻培养方法，以降低能耗、降低微藻培养的成本。

本发明的技术方案为一种间歇通气的封闭式微藻培养方法，包括在微藻培养的光周期和暗周期期间向气升式光生物反应器中通入气体，其特征在于，在微藻培养前期的光周期采用间歇通气，并且在微藻培养的其余时期采用连续通气。

所述微藻培养前期优选为：微藻培养过程中，以球面光辐射测定仪测得光生物反应器中轴线中心点的光辐射强度高于5.5mEm^-2s^-1的时期。

一些实施例中，，还可以在微藻培养的暗周期采用间歇通气。

一些实施例中，每24小时的光暗周期内，所述光周期的时间为10至14小时。

一些实施例中，所述通气速率可以为0.1至0.8vv^-1min^-1。

一些实施例中，所述光周期与所述暗周期期间，和/或所述连续通气与所述间歇通气可以具有相同或不同的通气速率。

一些实施例中，每个暗周期的所述间歇通气可以包括间歇性通气1至9次，每次通气时间可以为1至10分钟。

一些实施例中，在微藻培养前期的光周期的间歇通气中，每次通气的持续时间可以大于等于1分钟，并且间隔时间可以小于等于5分钟。

一些实施例中，所述间歇通气可以包括以均匀时间间隔进行间歇性通气。

一些实施例中，暗周期通入的气体为空气，光周期通入的气体为二氧化碳与空气的混合气，并且混合气中二氧化碳的体积百分数不高于3%。

本发明在微藻培养的暗周期，以及微藻培养前期的光周期采用间歇通气方式，可达到近似连续通气的培养结果，与现有技术的连续通气相比，可以降低动力能耗和碳源消耗，降低微藻的工业化培养成本。

具体实施方式

微藻的培养通常是在光暗周期中进行，一般为24小时的光暗周期中包括光周期和暗周期，即反应器有光照的时间和反应器无光照的时间。其中微藻在光周期进行光合作用，消耗二氧化碳产生氧气；并且在暗周期进行呼吸作用，消耗培养水体中的溶解氧。

现有技术的微藻培养方法中，通常是在光周期和暗周期两者期间，均采用持续通气。光周期的持续通气可以混合微藻培养液，以使藻细胞得到充分的光照；提供光周期微藻光合作用所需的二氧化碳；解析出微藻在光照期产生的氧气。暗周期的持续通气则可以补充在微藻呼吸作用所需的溶解氧。

然而事实上，在微藻培养前期的光周期，微藻细胞对光的利用率，以及光合作用的能力远低于培养后期，持续通气会造成能耗和气体（碳源）的浪费。微藻培养前期一般可以被定义为：在微藻培养过程中，以球面光辐射测定仪测得光生物反应器中轴线中心点的光辐射强度高于5.5mEm^-2s^-1的时期。

此外，在微藻培养的暗周期，微藻呼吸作用对溶解氧的消耗与光周期对二氧化碳的消耗程度存在差异，且暗周期也不需要持续混合微藻培养液。暗周期期间持续通气造成了能耗的浪费。

基于此，本发明人研究了微藻培养前期光合作用对二氧化碳的消耗规律，以及微藻在暗周期呼吸作用中对溶解氧的消耗规律，光在微藻培养水体中的传递特征及藻细胞对光的利用特点，提出在微藻培养前期的光周期采用间歇通气方式，以及可以还在微藻培养的暗周期采用间歇通气的方式，以节约微藻培养的动力能耗和碳源消耗。

本发明的原理大体如下：即在微藻培养前期的光周期期间，当受光照的藻细胞光合作用减弱，培养水体中的二氧化碳被消耗时，启动供气设备向培养水体中通入空气，使培养水体中的二氧化碳得到补充，并通过混合，使未受光照的藻细胞接收光照；当藻细胞得到充分混合，培养水体中二氧化碳补充至饱和时，停止供气设备中断空气通入。此外，还可以在暗周期期间，当培养水体中的溶解氧被消耗时，启动供气设备向培养水体中通入空气，使培养水体中的溶解氧得到补充；当培养水体中溶解氧补充至饱和时，停止供气设备中断空气通入。

本发明的封闭式微藻培养方法中，在微藻培养期间采用差异化的通气方式，向气升式光生物反应器中通入气体。即在微藻培养前期的光周期采用间歇通气，并在微藻培养的其他时期采用连续通气。或者另一种情况中，在所述微藻培养期间的暗周期，以及微藻培养前期的光周期采用间歇通气，并在微藻培养后期的光周期采用连续通气。这样，在暗周期期间，间歇通气节省了动力能耗，且同时保证了微藻呼吸作用所需的溶解氧能够及时充分地得到补充。在微藻培养前期的光周期期间，间歇通气能够实现对光、二氧化碳的充分利用，节省动力能耗。在微藻培养后期的光周期期间，持续通气保证了微藻得到充分光照，二氧化碳得到持续补充，产生的氧气能够被解析出去；

具体地，根据微藻培养前期的光周期中，微藻细胞的光合作用能力，以及对光和二氧化碳的利用率，间歇通气的每次通气的持续时间大于等于1分钟，并且间隔时间小于等于5分钟。这样的通气方式使得在微藻培养前期的光周期中，二氧化碳能够及时充分地得到补充，并且确保光能得到充分利用。根据微藻对水体中溶解氧的消耗速率，每个暗周期期间可以间歇通气1至9次，每次的通气时间可以为1至10分钟。这样的间歇通气方式使得暗周期水体中被消耗的氧得到补充。

例如可以利用曝气管在反应器底部通气。

暗周期通入的气体为空气，光周期通入的气体为二氧化碳与空气的混合气，其中根据微藻的实际培养情况，混合气中二氧化碳的浓度优选在3%以下。通气速率选择在0.1至0.8vv^-1min^-1的范围。这样的通气条件参数范围能够在节省能耗的同时，使得微藻呼吸所需的溶解氧、微藻光合作用所需的二氧化碳均得到及时充分的补充。

应理解，根据微藻的实际培养情况，光周期和暗周期期间的通气速率可以相同也可以不同；并且间歇通气与连续通气时的通气速率也可以相同，或不同。

本发明的微藻培养方法中，每24小时的光暗周期内，所述光周期的时间可以为10至14小时，相应地暗周期的时间可以为14至10小时。

本发明的微藻培养方法适用条件较为宽泛，并且培养条件的具体选择也根据具体实际情况而定。例如气升式光生物反应器可以为其他形状，并且可以具有更大或更小的容积；光照强度根据不同微藻的实际培养特性，可以在2000至20000lx的范围内选择；培养温度可以在15至35℃的范围内选择；根据微藻类型的不同，微藻培养的起始pH值可以为7至9。

本发明的封闭式微藻培养方法，采用在微藻培养前期的光周期间歇通气；或者在暗周期以及微藻培养前期的光周期间歇通气，与现有技术常用的连续通气培养方法相比，可降低通气动力能耗约高达46%，降低碳源（二氧化碳气体）消耗高达36%。

可见，本发明的封闭式微藻培养方法中，根据微藻培养前期光合作用对二氧化碳的消耗规律，光在微藻培养水体中的传递特征及藻细胞对光的利用特点，在微藻培养前期的光周期采用间歇性通气方式；或者在一些情况中，还根据培养水体中溶解氧的消耗情况，在暗周期期间采用歇性通气方式，可以达到近似于现有技术中采用连续通气的培养结果。这种间歇通气培养方式可大大降低微藻培养的动力能耗和碳源消耗，从而降低能源微藻的工业化培养成本，对促进微藻的产业化发展具有重要的现实意义。

实施例

提供以下实施例以进一步详细描述本发明。然而应理解，这些实施例仅是出于举例说明的目的，并不构成对本发明的限制。

为了便于对比，每个实施例中均使用4个相同的管式封闭光生物反应器，加入相同量的相同种类藻细胞，在相同的条件下以相同的培养步骤进行培养。其中2个采用现有技术的连续通气方式；2个采用本发明的间歇通气方式。培养至微藻生长对数末期（在本发明的实施例中为第8天），对培养液分别进行藻细胞计数，获得微藻生物量的积累情况。

具体地，使用800ml管式封闭光生物反应器，培养体积500ml，添加0.50ml f/2培养基。利用曝气管在反应器底部通空气-二氧化碳混合气体。应理解，为了便于对比，实施中采用的培养条件仅为示例性的，本发明的方法还适用于其他培养条件。

实施例中使用的微藻为海洋湛江等鞭金藻藻种；培养基为海洋微藻通用培养基f/2，其组成为：75mg/L NaNO₃，5mg/L NaH₂PO₄·H₂O，30mg/LNa₂SiO₃·9H₂O，3.9mg/L FeC₆H₅O₇·5H₂O，4.35mg/L Na₂·EDTA，0.0010mg/LCuSO₄·5H₂O，0.0073mg/L Na₂MoO₄·2H₂O，0.023mg/L ZnSO₄·4H₂O，0.012mg/L CoCl₂·6H₂O，0.178mg/L MnCl₂·4H₂O，0.001mg/L维生素B₁₂，0.2mg/L维生素B₁，0.001mg/L生物素。应理解，本发明的微藻培养方法也适合于其它种类的微藻，并且也可以使用其他培养基。

本发明采用间歇通气的封闭式微藻培养方法的动力能源节约率（Re）和碳源节约率（Rc）如下计算：动力能耗以总通气时间（T）长短衡量，碳源（二氧化碳）消耗以光周期通气时间长短衡量。动力能耗和碳源消耗均按单位微藻生物量（M）折算成平均动力能耗（P）和平均碳源消耗（C），再与现有技术采用连续通气的微藻培养方法的能耗进行比较。

具体地，在一个光暗周期中，T（总通气时间）=T_光周期（光周期通气时间）+T_暗周期（暗周期通气时间）。因此，本发明的间歇通气培养方法中：T=T_{后期光周期}（连续通气时间）+T_暗周期+T_{前期光周期}（培养前期光周期通气次数×每次通气时间）；现有技术的连续通气培养方法中：T=1440min/d（即24小时连续通气）。

P=T/M；Re=1－（P_间歇/P_连续）×100%

C=T_光周期/M；Rc=1－（C_间歇/C_连续）×100%

实施例1

培养条件：培养液起始pH值7.0；光照强度4000±300lx；培养温度15±1℃；24小时光暗周期中光周期14小时，暗周期10小时；通气速率0.1vv^-1min^-1；混合气体中二氧化碳的体积百分数为0.03%。

培养液中初始藻细胞密度为598×10⁴个/ml。间歇通气方式：第1至5天的光周期间歇通气，每次5分钟间隔5分钟；第6至8天的光周期连续通气；暗周期连续通气。对照样光周期和暗周期均为连续通气。

培养至第8天，对培养液进行藻细胞计数，连续通气方式培养的藻细胞平均为2808×10⁴个/ml，间歇性通气方式培养的藻细胞密度平均为2420×10⁴个/ml。

经计算，与光周期和暗周期均为连续通气的培养方式相比，该实施例的间歇性通气方式的动力能源节约率为0.8%，二氧化碳节约率31.3%。

实施例2

培养条件：培养液起始pH值8.4；光照强度8000±380lx；培养温度为25±1℃；24小时光暗周期中光周期12小时，暗周期12小时；通气速率0.4vv^-1min^-1；混合气体中二氧化碳的体积百分数为2.0%。

培养液中初始藻细胞密度为605×10⁴个/ml。间歇通气方式：第1至4天的光周期间歇通气，每次1分钟间隔1分钟；第5至8天的光周期连续通气；暗周期连续通气。对照样光周期和暗周期均为连续通气。

培养至第8天，对培养液进行藻细胞计数，连续通气方式培养的藻细胞平均为3120×10⁴个/ml，间歇性通气方式培养的藻细胞密度平均为2980×10⁴个/ml。

经计算，与光周期和暗周期均为连续通气的培养方式相比，该实施例的间歇性通气方式的动力能源节约率为7.3%，二氧化碳节约率25.0%。

实施例3

培养条件为：培养液起始pH值9.0；光照强度20000±660lx；培养温度30±1℃；24小时光暗周期中光周期10小时，暗周期14小时；通气速率0.6vv^-1min^-1；混合气体中二氧化碳的体积百分数为2.0%。

培养液中初始藻细胞密度为587×10⁴个/ml。间歇通气方式：第1至5天的光周期间歇通气，每次2分钟间隔2分钟；第6至8天的光周期连续通气；暗周期连续通气。对照样光周期和暗周期均为连续通气。

培养至第8天，对培养液进行藻细胞计数，连续通气方式培养的藻细胞平均为3095×10⁴个/ml，间歇性通气方式培养的藻细胞密度平均为2868×10⁴个/ml。

经计算，与光周期和暗周期均为连续通气的培养方式相比，该实施例的间歇性通气方式的动力能源节约率为4.4%，二氧化碳节约率31.3%。

实施例4

培养条件为：培养液起始pH值8.0；光照强度8000±380lx；培养温度35±1℃；24小时光暗周期中光周期12小时，暗周期12小时；通气速率0.8vv^-1min^-1；混合气体中二氧化碳的体积百分数为3.0%。

培养液中初始藻细胞密度为587×10⁴个/ml。间歇通气方式：第1至4天的光周期间歇通气，每次2分钟间隔2分钟；第5至8天的光周期连续通气；暗周期连续通气。对照样光周期和暗周期均为连续通气。

培养至第8天，对培养液进行藻细胞计数，连续通气方式培养的藻细胞平均为2863×10⁴个/ml，间歇性通气方式培养的藻细胞密度平均为2620×10⁴个/ml。

经计算，与光周期和暗周期均为连续通气的培养方式相比，该实施例的间歇性通气方式的动力能源节约率为2.0%，二氧化碳节约率25.0%。

实施例5

培养液中初始藻细胞密度为595×10⁴个/ml。间歇通气方式：每个暗周期第7小时通气1次，通气时间为10分钟；第1至5天的光周期间歇通气，每次5分钟间隔5分钟；第6至8天的光周期连续通气。对照样光周期和暗周期均为连续通气。

培养至第8天，对培养液进行藻细胞计数，连续通气方式培养的藻细胞平均为3289×10⁴个/ml，间歇性通气方式培养的藻细胞密度平均为2321×10⁴个/ml。

经计算，与光周期和暗周期均为连续通气的培养方式相比，该实施例的间歇通气方式的动力能源节约率为36.3%，二氧化碳节约6.8%。

实施例6

培养条件：培养液起始pH值8.4；光照强度8000±380lx；培养温度25±1℃；24小时光暗周期中光周期12小时，暗周期12小时；通气速率0.4vv^-1min^-1；混合气体中二氧化碳的体积百分数为1.0%。

培养液中初始藻细胞密度为621×10⁴个/ml。间歇通气方式：每个暗周期均匀间隔通气3次，每次通气时间为7min；第1至4天的光周期间歇通气，每次1分钟间隔1分钟；第5至8天的光周期连续通气光周期前间歇性通气。对照样光周期和暗周期均为连续通气。

培养至第8天，对培养液进行藻细胞计数，连续通气方式培养的藻细胞平均为3411×10⁴个/ml，间歇性通气方式培养的藻细胞密度平均为2630×10⁴个/ml。

经计算，与光周期和暗周期均为连续通气的培养方式相比，该实施例的间歇性通气方式的动力能源节约率为45.9%，二氧化碳节约4.0%。

实施例7

培养条件：培养液起始pH值9.0；光照强度20000±660lx；培养温度30±1℃；24小时光暗周期中光周期10小时，暗周期14小时；通气速率0.6vv^-1min^-1；混合气体中二氧化碳的体积百分数为2.0%。

培养液中初始藻细胞密度为595×10⁴个/ml。间歇通气方式：每个暗周期均匀间隔通气5次，每次通气时间为5min；第1至5天的光周期间歇通气，每次2分钟间隔2分钟；第6至8天的光周期连续通气。对照样光周期和暗周期均为连续通气。

培养至第8天，对培养液进行藻细胞计数，连续通气方式培养的藻细胞平均为2810×10⁴个/ml，间歇性通气方式培养的藻细胞密度平均为1640×10⁴个/ml。

经计算，与光周期和暗周期均为连续通气的培养方式相比，该实施例的间歇性通气方式的动力能源节约率为35.6%，二氧化碳节约31.4%。

实施例8

培养条件：培养液起始pH值8.0；光照强度20000±660lx；培养温度35±1℃；24小时光暗周期中光周期10小时，暗周期14小时；通气速率0.6vv^-1min^-1；混合气体中二氧化碳的体积百分数为2.5%。

培养液中初始藻细胞密度为598×10⁴个/ml。间歇通气方式：每个暗周期均匀间隔通气9次，每次通气时间为1min；第1至6天的光周期间歇通气，每次1分钟间隔1分钟；第7至8天的光周期连续通气。对照样光周期和暗周期均为连续通气。

培养至第8天，对培养液进行藻细胞计数，连续通气方式培养的藻细胞平均为2480×10⁴个/ml，间歇性通气方式培养的藻细胞密度平均为1352×10⁴个/ml。

经计算，与光周期和暗周期均为连续通气的培养方式相比，该实施例的间歇性通气方式的动力能源节约率为40.7%，二氧化碳节约35.9%。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种间歇通气的封闭式微藻培养方法，包括在微藻培养的光周期和暗周期期间向气升式光生物反应器中通入气体，其特征在于，在微藻培养前期的光周期采用间歇通气，并且在微藻培养的其余时期采用连续通气。

2.如权利要求1所述的封闭式微藻培养方法，其中，所述微藻培养前期为：微藻培养过程中，以球面光辐射测定仪测得光生物反应器中轴线中心点的光辐射强度高于5.5mEm^-2s^-1的时期。

3.如权利要求1所述的封闭式微藻培养方法，其中，还在微藻培养的暗周期采用间歇通气。

4.如权利要求1所述的封闭式微藻培养方法，其中，每24小时的光暗周期内，所述光周期的时间为10至14小时。

5.如权利要求1所述的封闭式微藻培养方法，其中，所述通气速率为0.1至0.8vv^-1min^-1。

6.如权利要求1所述的封闭式微藻培养方法，其中，所述光周期与所述暗周期期间，和/或所述连续通气与所述间歇通气具有相同或不同的通气速率。

7.如权利要求1所述的封闭式微藻培养方法，其中，每个暗周期的所述间歇通气包括间歇性通气1至9次，每次通气时间为1至10分钟。

8.如权利要求1所述的封闭式微藻培养方法，其中，在微藻培养前期的光周期的间歇通气中，每次通气的持续时间大于等于1分钟，并且间隔时间小于等于5分钟。

9.如权利要求7或8所述的封闭式微藻培养方法，其中，所述间歇通气包括以均匀时间间隔进行间歇性通气。

10.如权利要求1所述的封闭式微藻培养方法，其中，暗周期通入的气体为空气，光周期通入的气体为二氧化碳与空气的混合气，并且混合气中二氧化碳的体积百分数不高于3%。