CN104232471A - 一种培养光合生物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种培养光合生物的方法，该方法包括在培养光合生物的条件下，在培养光合生物的装置中进行光合生物的培养，其特征在于，所述培养光合生物的装置包括培养区（1）和调温区（2），所述培养区（1）和所述调温区（2）通过隔层（3）紧密接触，所述隔层（3）由导热材料制成，所述培养区（1）用于承装含有光合生物的培养液，所述调温区（2）用于充满换热介质。本发明提供的培养光合生物的方法，可降低培养液温度随环境变化而变化的程度；在温度过高或过低时，还可以低成本地以热交换的方式平稳调控含有光合生物的培养液的温度。本发明的培养光合生物的方法有利于光合生物大规模、低成本地进行室外薄层培养。

Description

一种培养光合生物的方法

技术领域

本发明涉及一种培养光合生物的方法，尤其涉及一种培养微藻的方法。

背景技术

光合生物是一类能够利用光进行光合作用的生物，例如微藻。微藻是一类在水中生长的种类繁多且分布极其广泛的低等植物，它是由阳光驱动的细胞工厂，通过微藻细胞高效的光合作用，吸收CO₂，将光能转化为脂肪或淀粉等碳水化合物的化学能，并放出O₂。利用微藻生产生物能源与化学品可以同时达到替代化石能源、减少CO₂排放等目的。

微藻一般在光生物反应器中进行培养。光生物反应器目前主要有开放式和封闭式两种，开放式培养最突出的优点就是装置结构及操作简单、成本低廉，最典型的开放式培养系统是跑道池反应器，其藻液的深度一般大于100mm，但是较深的藻液极大限制了微藻受光效率，通常开放池培养微藻的OD值小于2。封闭式培养的优点是培养条件易于控制、培养密度高、易收获，但是装置建造与操作成本也随之提高。无论是开放式光生物反应器，还是封闭式光生物反应器，以自养或兼养方式操作都需要将反应器置于光源下进行培养，光源可以是太阳光，也可以是人工光源。为了能形成微藻生物能源的产业链，首先要实现大规模、低成本、高效率的养殖微藻。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以大规模、低成本、高效率地养殖光合生物的方法，特别是养殖微藻的方法。为了实现上述目的，本发明首先采用薄层的培养方法，此时培养液的液厚为1-20cm，优选为1-10cm，在此条件下光合生物可以接受较充足的光照，进而大幅度提高养殖效率，单位面积养殖产率相比于传统方法可提高数倍左右。研究中发现，即便是开放式培养可以通过培养液水分的蒸发调节温度，在室外进行薄层培养时仍存在培养液温度难于调控的缺陷，并且蒸发损失的水量也十分巨大，而封闭式光生物反应器的温度更加难于控制，该问题在养殖后期更加严重，培养液的温度会很快升高到难以接受的程度，这不仅会影响养殖效率，甚至会导致养殖失败。

本发明的发明人在研究中发现，在培养光合生物的装置中设置调温区，调温区通过由导热材料制成的隔层与培养区紧密接触，调温区内注满换热介质，可降低培养液温度随环境变化而变化的程度，并且可通过调节调温区内换热介质的温度，以热交换的方式调节培养区内培养液的温度，可以低成本地实现对培养区内培养液温度的调控。

因此，为了实现上述目的，本发明提供了一种培养光合生物的方法，所述方法包括在培养光合生物的条件下，在培养光合生物的装置中进行光合生物的培养，其中，所述培养光合生物的装置包括培养区和调温区，所述培养区和所述调温区通过隔层紧密接触，所述隔层由导热材料制成，所述培养区用于承装含有光合生物的培养液，所述调温区用于充满换热介质。

本发明既可以采用开放式的养殖方式，也可以采用封闭式的养殖方式。

优选地，所述换热介质为比热≥2000J/kg·℃的物质；更优选为水。

优选地，在所述调温区与所述培养区接触的接触面上，所述培养区的表面位于所述调温区的表面之内。

优选地，所述培养区内所述培养液的液厚为1-10cm。

优选地，所述培养区与所述调温区接触的面积与所述培养液的液厚的比值≥1m；更优选≥10m。

优选地，所述调温区的厚度≥10cm；更优选为15-50cm。优选地，所述导热材料的导热系数≥0.2w/(m·k)。

优选地，所述光合生物为微藻，更优选地，所述微藻选自小球藻、栅藻、螺旋藻、金藻和三角褐指藻中的至少一种。

本发明提供的培养光合生物的方法，通过在培养光合生物的装置中设置调温区，并使调温区通过由导热材料制成的隔层与培养区紧密接触，调温区内注满换热介质，由于调温区与培养区之间只进行热量的交换而不进行物质的交换，因此相当于在保证培养区内的光合生物在接受良好光照的情况下增加了培养液的液厚，从而降低了培养液温度随环境变化而变化的程度；在温度过高或过低时，还可通过调节调温区内换热介质的温度，以热交换的方式调节培养区内培养液的温度，不会使培养液的温度骤冷或骤热，从而以低成本的方式成功实现对培养区内培养液的温度的平稳调控；当不需要温度调控时，只需抽离部分换热介质，使换热介质不与隔层接触，即可还原常规的培养方法，灵活方便。本发明的培养光合生物的方法有利于光合生物大规模、低成本地进行室外薄层培养。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明的一种优选实施方式的培养光合生物的装置的俯视图。

图2是图1所示的培养光合生物的装置的侧剖图。

附图标记说明

1培养区；2调温区；3隔层；4透明外罩；5驱动浆轮；6培养液入口；7培养液出口；8气体入口；9气体出口；10换热介质入口；11换热介质出口；12隔板。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种培养光合生物的方法，该方法包括在培养光合生物的条件下，在培养光合生物的装置中进行光合生物的培养，培养光合生物的装置包括培养区1和调温区2，培养区1和调温区2通过隔层3紧密接触，隔层3由导热材料制成，培养区1用于承装含有光合生物的培养液，调温区2用于充满换热介质。

本发明中，换热介质指的是能够通过热交换的方式调控培养区1内培养液的温度的物质。

根据本发明，尽管在培养光合生物的条件下，在培养光合生物的装置中进行光合生物的培养，培养光合生物的装置包括培养区1和调温区2，培养区1和调温区2通过隔层3紧密接触，隔层3由导热材料制成，培养区1用于承装含有光合生物的培养液，调温区2用于充满换热介质，即可实现本发明的目的，即降低培养液温度随环境变化而变化的程度，低成本地以热交换的方式平稳调控培养区内培养液的温度，但优选情况下，换热介质为比热≥2000J/kg·℃的物质，更优选为水，在该优选情况下，可以更好地调控培养区1内培养液的温度。

本发明中，对于培养区1和调温区2的形状无特别要求，可以为本领域技术人员所能想到的各种形状，例如长方体、椭球体等，图1和图2仅是示例性地列出了较常用的长方体。

本发明中，调温区2通过隔层3与培养区1紧密接触指的是调温区2与培养区1之间仅设置有隔层3，不存在其他间隔，调温区2与培养区1之间只进行热量的交换而不进行物质的交换。

本发明的目的在于通过调温区2与培养区1之间的热交换，来实现对培养区1中培养液的温度的调控，因此，对于隔层3无特殊要求，只要其由导热材料制成即可。为了更快速的传热，更好地调控培养区1内培养液的温度，导热材料的导热系数优选≥0.2w/(m·k)。对于具体的导热材料无特殊要求，可以在较宽泛的范围内选择。例如，玻璃的导热系数一般为0.8-1.5w/(m·k)，金属的导热系数一般为55-120w/(m·k)，塑料的导热系数一般为0.45-0.60w/(m·k)，均可以用作隔层3。

本领域技术人员应该理解的是，隔层3的厚度可以根据制造隔层3时所选用的导热材料的不同设定不同的厚度，如果所选用的导热材料的导热系数较大，则隔层3可以较厚一些，如果所选用的导热材料的导热系数较小，则隔层3可以较薄一些，因此，对于隔层3的厚度无特殊要求，可以在较宽泛的范围内选择，例如，隔层3的厚度可以为0.01-50mm。

本发明中，为了通过调温区2更好地调控培养区1内培养液的温度，优选情况下，在调温区2与培养区1接触的接触面上，培养区1的表面位于调温区2的表面之内。即是指在调温区2与培养区1接触的接触面上，培养区1的接触面落入调温区2的接触面内，调温区2的面积大于等于培养区1的面积，例如，如图1和图2所示，培养区1的底面与调温区2的顶面接触，在这个接触面上，培养区1的底面完全落入调温区2的顶面之内，调温区2的顶面面积大于等于培养区1的底面面积。

本领域技术人员应该理解的是，微藻培养，培养液的液厚越薄，微藻接受光照的效果越好，微藻的生长状况越好，产量越高。但在室外采用太阳光照进行培养时，培养液的液厚过薄，容易使培养液的温度很快升高到难以接受的程度，严重影响养殖效率，甚至导致培养失败，因此，微藻的室外培养实际上很难采用薄层培养。而采用本发明的方法，可较好地控制培养液的温度，因此，本发明方法有效解决了温度控制的问题，可实现在较薄的液厚条件下培养微藻，为了使微藻更充分地接受光照，本发明中，培养区1内培养液的液厚优选为1-10cm，更优选为1-8cm。

在上述液厚条件下，本发明的发明人经过大量实验研究发现，培养区1与调温区2接触的面积与培养液的液厚的比值≥1m，优选≥10m，可以更好地调控培养液的温度。因此，培养区1与调温区2接触的面积与培养液的液厚的比值优选≥1m，更优选≥10m。

本发明中，当培养区1内培养液的液厚为1-10cm，优选为1-8cm时，调温区2的厚度≥10cm，可实现对培养液温度更好地调控，调温区2的厚度为15-50cm，可进一步实现对培养液温度更好地调控，且可发挥换热介质的最大效能，进一步降低成本。因此，调温区2的厚度优选≥10cm，更优选为15-50cm。

为了更有效地利用调温区2对培养区1进行调温，优选情况下，培养区1朝向光线，调温区2背离光线。例如，利用太阳光照在室外进行微藻培养，由于太阳光从上而下照射，为了使微藻接受充足的光照，调温区2应设在培养区1的下方，即调温区2在培养区1的下方通过隔层3与培养区1紧密接触。因此，本发明中，培养液的液厚是指培养区1内承装的含有光合生物的培养液的垂直高度；调温区2的厚度是指调温区2的垂直高度。由于调温区2内充满换热介质，因此，本发明中，调温区2的厚度也即相当于换热介质的厚度。

本发明中，培养区1是用于培养光合生物的，因此，本领域技术人员应该理解的是，培养区1应设有一个或多个培养液入口6和培养液出口7，以及一个或多个气体入口8，如果采用封闭式养殖，还应设置一个或多个气体出口9，如图1和图2所示。

本发明中，为了使培养液中的光合生物能够更充分地接受光照，培养区1优选设置有用于驱动培养液流动的驱动装置，如驱动浆轮5，如图1和图2所示。为了更好地向培养液中的光合生物供给气体，培养区1优选设置有曝气装置。另外，为了更好地观测培养条件及光合生物的生长状态，根据实际需要，培养区1还可以设置有溶氧探测器、pH探测器、温度探测器、光强度探测器、电导率探测器、光合生物浓度探测器等本领域技术人员所能想到的用于观测培养条件及光合生物的生长状态的各种仪器中的一种或多种。

本发明中，调温区2是用于充满换热介质，以通过热交换调节培养区1内的含有光合生物的培养液的温度的，因此，本领域技术人员应该理解的是，调温区2应设有一个或多个换热介质入口10和换热介质出口11，如图1和图2所示。

本发明中，为了便于通过调温区2调节培养区1内含有光合生物的培养液的温度，调温区2优选设置有温度探测器和温度控制器。

本发明中，培养光合生物的装置可以是开放式的也可以是封闭式的，即培养区1可以是开放式的也可以是封闭式的，为了避免光合生物因外界生物或灰尘的污染而受到影响，培养区1优选为封闭式的。本领域技术人员应该理解的是，封闭式的培养区1在接受光照的部分应该是透明的。培养区1可以采用本领域技术人员所能想到的各种方式设置成封闭式，例如，如图1和图2所示，可以在培养区1中设置透明外罩4。

本领域技术人员应该理解的是，有些光合生物，例如微藻，在培养过程中容易贴壁，即微藻贴在培养装置的内壁上，如果贴在培养装置的接受光照面的内壁上，会影响光照的接收，降低微藻对光能的利用率和光合效率，降低微藻的产量，因此，在用封闭装置培养微藻时，培养液与培养装置的接受光照的面之间要保持一定的距离。本发明采用设置透明外罩4的方式构成封闭式培养装置，如图2所示，避免了培养过程中微藻在受光面的贴壁现象，更有利于微藻的培养。

本发明的目的在于通过在设置有调温区2的培养光合生物的装置中培养光合生物，通过热交换的方式调节含有光合生物的培养液的温度，因此，对于光合生物的培养条件无特殊要求，可以根据所需培养的光合生物，采用本领域常用的条件。当培养微藻时，可以采用培养微藻常用的条件，例如，含有微藻的培养液的流动速率可以为0.3-0.6m/s；温度可以为15-40℃，优选为25-35℃；光强可以为2000-200000勒克斯，优选为5000-100000勒克斯；通入空气与二氧化碳的混合气体；控制含有微藻的培养液的pH值为6-9。

本发明中，含有微藻的培养液的流动速率，即流速，指的是含有微藻的培养液在驱动装置的驱动下水平流动的速率。

对于培养液，可以根据所培养的光合生物，采用本领域常用的培养液。当培养微藻时，可以采用能够提供微藻生长所需的营养元素的本领域常用的培养液，例如，BG11培养液，此为本领域技术人员所公知，在此不再赘述。

本发明中，光合生物优选为微藻。对于微藻的种类没有特别的限制，优选为产油微藻，更优选为具有较大的产业利用价值的产油工程微藻，例如，微藻可以选自小球藻、栅藻、螺旋藻、金藻、或三角褐指藻中的至少一种。

实施例

以下的实施例将对本发明作进一步的说明，但并不因此限制本发明。

在以下实施例和对比例中：

小球藻购自中国科学院水生生物研究所，培养液为BG11。

OD值：采用分光光度计，以去离子水作对照，在波长680nm处测定的含有微藻的培养液的吸光值。

采用图1和图2所示的培养光合生物的装置：培养区1和调温区2均为长方体，培养区1的底面与调温区2的顶面通过隔层3紧密接触，在接触面上，培养区1和调温区2等长，调温区2的宽度大于培养区1的宽度。培养区1设置有透明外罩4、驱动浆轮5、培养液入口6、培养液出口7、气体入口8、气体出口9，并在培养区的宽度中心沿长度方向设置有隔板12，使含有小球藻的培养液在驱动浆轮5的驱动下围绕隔板12循环流动。调温区2设置有换热介质入口10和换热介质出口11。

实施例1

该实施例用于说明本发明的培养光合生物的方法。

将小球藻接种密度为OD=0.6的含有小球藻的培养液从培养液入口6输入培养区1中，培养液的液厚为5cm。同时通过换热介质入口10向调温区2中输入水，使之充满调温区2。通过气体入口8向培养区1中输入空气与二氧化碳的混合气体，使培养过程中培养液的pH值为6-9。启动驱动浆轮5，使含有小球藻的培养液在培养区1内的流速为0.5m/s。在太阳光照下培养小球藻，当小球藻的OD=8时，从培养液出口7采收小球藻。培养区1与调温区2接触的面积与培养液的液厚的比值为12m；调温区2的厚度为18cm，隔层3的厚度为3mm，为导热系数为1.1w/(m·k)的玻璃。夏季日光光照达到10000勒克斯以上，气温达到38℃时，调温区2内的水的温度为23℃，测定含有小球藻的培养液的温度为33℃，无光抑制或小球藻死亡的现象发生。

实施例2

该实施例用于说明本发明的培养光合生物的方法。

将小球藻接种密度为OD=0.6的含有小球藻的培养液从培养液入口6输入培养区1中，培养液的液厚为1cm。同时通过换热介质入口10向调温区2中输入水，使之充满调温区2。通过气体入口8向培养区1中输入空气与二氧化碳的混合气体，使培养过程中培养液的pH值为6-9。启动驱动浆轮5，使含有小球藻的培养液在培养区1内的流速为0.4m/s。在太阳光照下培养小球藻，当小球藻的OD=8时，从培养液出口7采收小球藻。培养区1与调温区2接触的面积与培养液的液厚的比值为10m；调温区2的厚度为25cm，隔层3的厚度为0.1mm，为导热系数为0.51w/(m·k)的塑料。夏季日光光照达到10000勒克斯以上，气温达到34℃时，调温区2内的水的温度为25℃，测定含有小球藻的培养液的温度为34℃，无光抑制或小球藻死亡的现象发生。

实施例3

该实施例用于说明本发明的培养光合生物的方法。

将小球藻接种密度为OD=0.6的含有小球藻的培养液从培养液入口6输入培养区1中，培养液的液厚为8cm。同时通过换热介质入口10向调温区2中输入水，使之充满调温区2。通过气体入口8向培养区1中输入空气与二氧化碳的混合气体，使培养过程中培养液的pH值为6-9。启动驱动浆轮5，使含有小球藻的培养液在培养区1内的流速为0.6m/s。在太阳光照下培养小球藻，当小球藻的OD=8时，从培养液出口7采收小球藻。培养区1与调温区2接触的面积与培养液的液厚的比值为15m；调温区2的厚度为45cm，隔层3的厚度为5mm，为导热系数为80w/(m·k)的铁。秋季光照达到6000勒克斯以上，气温为10℃时，通过换热介质调节调温区2内的水的温度为30℃，测定含有小球藻的培养液的温度为20℃，无光抑制或小球藻死亡的现象发生。

实施例4

该实施例用于说明本发明的培养光合生物的方法。

按照实施例1的方法培养小球藻，不同的是，培养区1与调温区2接触的面积与培养液的液厚的比值为1m。夏季日光光照达到10000勒克斯以上，当气温达到38℃时，调温区2内的水的温度为23℃，测定含有小球藻的培养液的温度为35℃，虽无光抑制或小球藻死亡的现象发生，但调温效果下降。

实施例5

该实施例用于说明本发明的培养光合生物的方法。

按照实施例1的方法培养小球藻，不同的是，调温区2的厚度为10cm。夏季日光光照达到10000勒克斯以上，气温达到38℃时，调温区2内的水的温度为23℃，测定含有小球藻的培养液的温度为36℃，虽无光抑制或小球藻死亡的现象发生，但调温效果下降。

实施例6

该实施例用于说明本发明的培养光合生物的方法。

按照实施例3的方法培养小球藻，不同的是，调温区2的厚度为55cm。秋季光照达到6000勒克斯以上，气温为10℃时，通过换热介质调节调温区2内的水的温度为30℃，测定含有小球藻的培养液的温度为20℃，虽无光抑制或小球藻死亡的现象发生，但增加了换热介质的量，增加了成本。

对比例1

按照实施例1的方法培养小球藻，不同的是，不设置调温区2。夏季日光光照达到10000勒克斯以上，气温达到38℃时，测定含有小球藻的培养液的温度为42℃，小球藻由于温度过高而死亡，培养失败。

将实施例1与对比例1进行比较可以看出，本发明提供的培养光合生物的方法，通过热交换的方式可以较好地调控含有小球藻的培养液的温度。

将实施例1与实施例4进行比较可以看出，培养区1与调温区2接触的面积与培养液的液厚的比值≥10m，可以更好地调控培养液的温度；将实施例1与实施例5进行比较，将实施例3与实施例6进行比较，可以看出，调温区2的厚度为15-50cm，可以更好地调控培养液的温度，且可发挥换热介质的最大效能，进一步降低成本。

本发明提供的培养光合生物的方法，可降低培养液温度随环境变化而变化的程度；在温度过高或过低时，还可以低成本地以热交换的方式平稳调控含有光合生物的培养液的温度。本发明的培养光合生物的方法有利于光合生物大规模、低成本地进行室外薄层培养。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种培养光合生物的方法，所述方法包括在培养光合生物的条件下，在培养光合生物的装置中进行光合生物的培养，其特征在于，所述培养光合生物的装置包括培养区（1）和调温区（2），所述培养区（1）和所述调温区（2）通过隔层（3）紧密接触，所述隔层（3）由导热材料制成，所述培养区（1）用于承装含有光合生物的培养液，所述调温区（2）用于充满换热介质。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述换热介质为比热≥2000J/kg·℃的物质。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述换热介质为水。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，在所述调温区（2）与所述培养区（1）接触的接触面上，所述培养区（1）的表面位于所述调温区（2）的表面之内。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述培养区（1）内所述培养液的液厚为1-10cm。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述培养区（1）与所述调温区（2）接触的面积与所述培养液的液厚的比值≥1m。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述培养区（1）与所述调温区（2）接触的面积与所述培养液的液厚的比值≥10m。

8.根据权利要求5-7中任意一项所述的方法，其中，所述调温区（2）的厚度≥10cm。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述调温区（2）的厚度为15-50cm。

10.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述导热材料的导热系数≥0.2w/(m·k)。

11.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述光合生物为微藻。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述微藻选自小球藻、栅藻、螺旋藻、金藻和三角褐指藻中的至少一种。