CN104328032A

CN104328032A - 表面生长式光合微生物培养单元、培养系统及培养方法

Info

Publication number: CN104328032A
Application number: CN201410602029.7A
Authority: CN
Inventors: 胡强
Original assignee: STATE DEVELOPMENT & INVESTMENT Corp (SDIC); Chinese Electronics Engineering Design Institute
Current assignee: STATE DEVELOPMENT & INVESTMENT Corp (SDIC); Chinese Electronics Engineering Design Institute
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2015-02-04

Abstract

本发明涉及一种表面生长式光合微生物培养单元，该培养单元包括：至少一个多孔板，所述多孔板是由刚性的吸水渗水材料制成，其表面用于附着光合微生物；至少一个供液装置，所述供液装置用于向所述多孔板提供光合微生物生长所需的培养液，所述培养液被所述的多孔板吸收并渗透至该多孔板的表面；至少一个培养液回收装置。此外，本发明还涉及一种包含上述培养单元的表面生长式培养系统，包括由上述培养单元组成的阵列，为供液装置源源不断地提供培养液的培养液供给装置，所述供给装置包括培养液池和循环动力装置。本发明解决了现有浸没式光合微生物培养的光生物反应器系统制造和维护成本昂贵，空间利用率低、生产效率低、能耗高的问题。

Description

表面生长式光合微生物培养单元、培养系统及培养方法

技术领域

本发明涉及一种表面生长式光合微生物培养单元、培养系统，及其用于培养光合微生物的方法。

背景技术

光合微生物是一类以光为唯一的或主要能量来源而生长繁殖的微生物，包括微藻、蓝细菌等含有叶绿素可进行光合作用的微生物，微生物有着重要生物利用价值。据目前文献报道，藻类富含蛋白质，可以作为水产饵料或畜禽饲料(如螺旋藻)；更重要的，某些微藻在特定条件下能够大量合成次生代谢物，如油脂、类胡萝卜素、多糖等，这些物质往往具有极高经济价值的生物活性物质，可以被用在功能食品、食品添加剂、制药、生物能源等领域。特别是，通过微藻大规模培养以从中提取微藻油脂，进而转化成生物柴油被认为是解决能源短缺与固碳减排的最重要途径之一。

微藻培养已有几十年历史，目前的工业化微藻培养为液体浸没式，以大量水作为微藻生活的支撑介质。主要包括开放式培养池与密闭式光生物反应器(photobioreactor，PBR)两种形式。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；其次，开放池培养运行水深较浅，一般只有10-30厘米，使得通气补碳时气液接触时间短，补碳效率低，培养液中溶解二氧化碳(CO₂)的不足使光合作用受到限制；再一个是开放式升温慢，不能在短时间内升到酶活性最好的温度25℃，经常错失光利用的最佳时机；而在夜间开放式池内温度自然下降太慢，使藻细胞仍然保持旺盛的呼吸作用，将白天存储的能量消耗掉，故使藻细胞内有用的代谢物含量太低。因此开放池培养的细胞生长速度与培养密度细胞均较低，另外其占地还大，容易受到污染。与其相比，PBR—般是采用透光材料(如玻璃、有机玻璃、塑料薄膜等)制成的细薄结构，由于光径小、培养体系光照面积/体积比较大，所以细胞光照较充分。同时，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。但该类PBR通常造价昂贵、运行成本高、维护困难、难于大型化，产率为5～30g/m²/d，远远低于理论预测值100～200g/m²/d，达不到产业化的理论计算目标，光能利用率低，这项微藻大规模培养实现产业化最重要的直接制约因素仍有待提高。

近年来，出现了一种半干式培养系统，并且已有文献报道。但是，目前的半干式培养系统一般是采用滤纸、滤布、海绵、塑料泡沫、纤维织物(例如帆布)中的一种或几种作为基质材料。然而，该类软质材料具备如下缺点：(1)机械强度低，需要复杂的支撑和固定等配套装置，不合适大尺寸和空间高度上的放大，只能制成低矮细薄结构；(2)表面湿度不均匀，微藻生长不牢固，容易受到环境影响而脱落；(3)不耐循环使用，需要经常更换，增加成本；(4)容易掉落纤维等杂质，使收获的微藻受到污染；(5)吸水和保水性能差，不利于微藻生长繁殖逐渐增加的培养液消耗要求并且能源成本增加，和(6)这些柔性材料在作为培养载体时，其生物兼容性和耐化学腐蚀性等方面都具有一定局限性。因此目前此类培养系统仍不适于大规模化生产。

鉴于现有技术的上述缺点，本发明采用一种新型表面生长式光合微生物培养单元、培养系统及培养方法。

发明内容

为克服上述缺点，本发明提供一种表面生长式光合微生物培养单元，该培养单元包括：

至少一个多孔板，所述多孔板由刚性的吸水渗水材料制成，其表面用于附着光合微生物；

至少一个供液装置，所述供液装置用于向所述多孔板提供光合微生物生长所需的培养液，所述培养液被所述的多孔板吸收并渗透至该多孔板的表面；

至少一个培养液回收装置，所述培养液回收装置设于所述多孔板下端，以将各多孔板下端渗出或未被多孔板吸收的培养液收集。

在一个实施方案中，所述多孔板为透水陶瓷板、水泥板、青砖板、红砖板、陶土制成板或瓦板。

在一个实施方案中，所述多孔板是由基质材料和添加剂制成的硬质多孔板，其中，所述添加剂包括粘结剂，所述基质材料为分子筛、玻璃粉、玻璃砂或者青石。

在一个实施方案中，所述粘结剂包含铝石。

在一个实施方案中，所述粘结剂还包含田菁粉和硝酸。

在一个实施方案中，所述基质材料为分子筛，所述分子筛具有的第一孔径。

在一个实施方案中，所述分子筛具有的第一孔径。

在一个实施方案中，所述多孔板包含分子筛和铝石，其中所述分子筛为50-90质量份，铝石为5-45质量份。

在一个实施方案中，所述多孔板包含分子筛、铝石、田菁粉和硝酸，其中所述分子筛为60-80质量份，铝石为15-35质量份，田菁粉为1-4质量份，硝酸为1-4质量份。

在一个实施方案中，所述多孔板具有3～40μm的第二孔径。

在一个实施方案中，所述多孔板的表面呈凹凸不平状，其包括规则或不规则图案。

在一个实施方案中，所述多孔板的表面呈纹理状。

在一个实施方案中，所述供液装置系罩设于所述多孔板的上顶端侧缘。

在一个实施方案中，所述供液装置以间隔方式设于该多孔板的顶端上方，所述供液装置以喷淋、滴漏或渗漏的方式给多孔板提供培养液。

在一个实施方案中，所述培养单元还包括至少一个固定装置，该固定装置用于将所述多孔板以直立的方式固定于一个预定位置。

此外，本发明还提供了一种包含上述培养单元的表面生长式培养系统，该培养系统包括：

一个由上述任一实施方案中的培养单元所组成的阵列，所述各培养单元的多孔板表面供光合微生物附着生长；和

用于向所述阵列中的培养单元的供液装置提供培养液的培养液供给装置；

其中，所述培养液供给装置包括培养液池、循环动力装置，该循环动力装置与各该供液装置连接，以将该培养液池内的培养液输送至各该供液装置。

本发明系统的一个实施方式中，所述循环动力装置为泵。

本发明系统的一个实施方式中，所述培养液供给装置还包括一个二氧化碳的混入装置，所述混入装置将二氧化碳混入至所述的培养液培养池中。

依据上述构思，本发明还可以采用压力将培养液输送至供液装置，所述循环动力装置包括压力罐和空气压缩气源，所述培养液池以管路连接至该压力罐的进液口，所述培养液池能够将一定量的培养液输入该压力罐内暂存，所述压力罐的出液口通过管路与各该供液装置连接，该空气压缩气源连接该压力罐的进气口，通过启动该空气压缩气源工作向该压力罐内增压，以该压力罐内暂存的培养液输送至各该供液装置。

本发明系统的一个实施方式中，所述压力罐的一侧设有一个通向外界的排气阀，该培养液池连接至该压力罐之间的管路上设有第一截止阀，该空气压缩气源连接至该压力罐之间的管路上设有第二截止阀和一个减压阀。

本发明系统的一个实施方式中，该压力罐底部还设有一个液位检测计，该压力罐连接至各该供液装置的管路上设有一个压力表。

本发明系统的一个实施方式中，所述培养液回收装置将该多孔板下端渗出或未被多孔板吸收的培养液收集并通过管路返回至培养液池。

本发明系统的一个实施方式中，所述多孔板与培养液回收装置中的培养液接触。

本发明系统的一个实施方式中，所述培养单元为至少两个，相邻培养单元之间设置有光源装置，该光源装置与所述培养单元平行地设置；或者，所述各培养单元平行放置形成阵列，而将一光源装置设于该阵列的一侧，与各该培养单元垂直。

本发明系统的一个实施方式中，所述光源为自然光或人工光源，所述人工光源为双面光源或单面光源。

基于上述构思，本发明运用前述表面生长式培养系统培养光合微生物的方法，包括以下步骤：

a)将培养液池中的培养液通过泵或空气压缩气源及压力罐输送至各供液装置，供液装置以喷淋、滴漏或渗漏的方式给多孔板提供培养液，从而使培养液浸润多孔板；

b)在所述多孔板上接种光合微生物；

c)设置环境湿度和温度，在适合光合微生物生长的光强下使得光合微生物进行光合作用、生长繁殖。

其中，在步骤a)中，还包括将所述多孔板上渗出或未被多孔板吸收的培养液回收至培养液池中的步骤，且同时监测培养液池中的培养液成分，以便及时向培养液池补充营养成分。

在一个实施方案中，所述光合微生物包括小球藻、螺旋藻、绿藻、等鞭金藻、微拟球藻、栅藻或血球藻。

为了进行光合微生物的表面生长式培养，本发明采用新型表面生长式光合微生物培养单元和培养系统，其中所使用的刚性多孔板可应用于本发明的培养系统和培养方法。这种多孔材料板具有很好的吸水/渗水性能，因此其吸收的培养液可储备起来而为培养系统表面提供供给，其内部孔径允许水分子在材料的内部网络充分循环流动，且由于水分流动的带动作用，培养所需的营养小分子物质均可通过扩散到达多孔板的表面实现均匀分布，而粒径比水和无机盐大的微藻藻种，不容易反向渗入至多孔板的内部，又由于上述多孔材料的亲水性，其电荷允许大量的微藻藻种附着(类似苔藓等生长在水中的石壁上)。另外，这种多孔材料板的骨架密度比较低、强度和刚性较高，相对于现有的滤布、滤纸或帆布等具有如下效果：(1)多孔板自身为刚性，可以简单的方式实现自支撑(只需简单地对其底部固定就可以直立)，在空间高度和尺寸上更容易实现，无需如帆布等必须依赖复杂的支撑框架，可以节省系统所占空间和成本；(2)表面湿度均匀，微藻生长牢固，不容易受到环境影响而脱落；(3)可耐环境因素影响，耐腐性好，重复利用率高，降低成本；(4)不会有纤维等杂质混入收获的藻产物中；(5)吸水和保水性能好，有利于微藻生长繁殖逐渐增加的对培养液消耗的要求。

本发明的多孔板较佳是以分子筛为基质，分子筛通常是由TO₄(T＝Si，P，Al，Ge等)四面体构成的具有微孔结构的晶态无机固体，具有不同的笼或孔状结构(孔径通常小于2nm)。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附到空穴内部，而把比孔径大的分子排斥在其空穴外，起到筛分分子的作用，故得名分子筛。沸石分子筛的实际用途是非常广泛的，比如它可以用作吸附剂、离子交换剂，尤其是可以用作石油裂解催化剂，这是人们开发具有良好催化活性和选择性沸石分子筛的动力。当然，随着人们对分子筛研究的不断深入，其应用范围也得到进一步的拓展，比如可以用作电池材料、药物载体等等。沸石分子筛的这些特性主要依赖于其机构和组成方面的特征，例如孔道的多维性、孔的尺寸、孔容、阳离子的数目和位点、Si/Al比例等，可以说分子筛的性能是这几种因素的综合作用的体现。与一般常用的固体吸附剂如硅胶、活性炭、活性氧化铝等相比，分子筛在吸附性能方面有两个显著的特点，一个是选择性吸附，另一个是高效率吸附。

由于组成元素主要是亲水性元素以及多维的孔道结构，分子筛具有良好的水吸附性能。其吸附方式主要为物理吸附，而且被吸附的水分子主要储藏于分子筛的孔道中，因此在吸水前后分子筛材料体积并没有明显变化。同时，分子筛在水分子连续输送方面也具有很好性能，这是分子筛能够在较长时间内使内部和表面保持均一湿度的原因。此外，分子筛还有一项重要的特性是能够在水分子的协助下，对金属离子表现出良好的传输性能，使材料内部的离子能够源源不断地向表面进行输送。这些特点决定了分子筛在半干法微藻培养方面具有产业化应用的潜力。

本发明提供的表面生长式培养系统耗水量比较低、微藻细胞生长较快、收获便利及总体能耗低，具体优势如下：

1、本发明采用的是表面生长式光合微生物培养系统。我们能够将微藻接种于多孔板的表面后，利用供液系统向多孔板材源源不断地注入培养液，培养液经过多孔板内部达到表面，供藻细胞生长。这样就避免了传统光生物反应器中水的大量使用，减少了动力系统的能耗；减少了管道设计；减少了单位生物质产量的占地面积；同时，通过使微藻生长浓度极大地提高，也简化了传统微藻后期收获中浓缩、离心、过滤等工艺，提高了生产效率、降低运营成本；

2、本发明中所使用光源直接照射到微藻细胞，而不需要通过水体，因此光能量衰减较少，相对传统光生物反应器，大幅度提高了光能利用率，同时大幅度提高了微藻生长速率和品质，这是微藻生物能源产业化的关键一步；

3、传统管式光生物反应器需要对水、藻混合物进行搅拌，以保证微藻在充足的光照条件下充分生长，能耗和成本较高。而本发明所涉及的培养系统不需通过搅拌来避免藻细胞沉降、实现藻细胞充分生长，从而减少了能耗，节约了成本；

4、相对于其他光生物反应器，半干法光生物反应器可以便捷地改变微藻生长环境。微藻的生长(生物量积累)和代谢物的产生(如油脂)一般是两个分开的过程，因为它们对环境要求不相同，细胞生长需要高氮环境，而油脂积累过程则需要低氮等胁迫环境。目前常用的方法是等到培养基体系内原有氮源消耗完毕时才逐步转化为缺氮诱导环境，往往需要10天以上；若生长已近平台期，想快速进入油脂累积阶段，目前只能是先采集藻细胞后再转入低氮或无氮培养基中进行油脂代谢，这个工作量很大，而且能耗高。而通过本发明的培养系统及培养方法，我们可以根据微藻生长情况随时改变生长环境，以实现微藻生物量的积累或油脂累积。

5、使用本发明的表面生长式培养系统及培养方法，与现有的表面生长式培养系统及方法相比，具有明显的优势：

5a)本发明多孔板具有强的吸水性、透水性，从而可以为微藻的培养、生长源源不断地提供水分和其他培养所需的营养成分。本发明中的多孔板具有内部连通的数个微孔管道，加上扩散性能良好，所述多孔培养板可迅速吸收培养液，达到饱和状态，为在表面培养微藻做好储备。在水分蒸发时，由于培养系统表面孔穴内液体表面的表面张力作用，可在孔道内产生汲取作用。在汲取作用下，培养液可在多孔板的管道/网络/空穴内流动，可使培养液快速补给到培养板表面，使培养板表面的湿度均一饱和。借助水分的运动，溶培养液中的营养物质小分子也会随同水流动到达任何地方，培养液实现从培养板内部向培养板表面运输。在上述自然机理作用下，由于是一个自然现象，因而相对于现有技术可降低供液能耗。本发明的多孔板较佳选择以分子筛为基质，由于分子筛的规格均一，可实现液体的流动快速而且均匀；

由分子筛制造的多孔板具有双重多孔性，所述双重多孔性为①分子筛多孔性，即，分子筛本身所具有孔径，从而具有强吸水性和保水性；②板多孔性(由分子筛颗粒压制形成时产生的孔径)，即，制成的分子筛多孔板还具有除了分子筛本身孔径以外的孔径，这种孔径大于分子筛本身孔径，增加水生生物在多孔板表面与水的接触面积，并且增加在多孔板表面水的流动性，从而有利于将富含营养成分的培养液向水生生物输送。这种分子筛的多孔性和板多孔性的配合极大地增加了多孔板的吸水性和保水性，并增加了将培养液递送至水生生物的能力，有利于水生生物生长；

5b)本发明的多孔板为刚性，其机械强度高，可在竖直方向自支撑，只需简易地对其底部支撑固定即可，便于实现尺寸上的延展；

5c)本发明的多孔板抗腐蚀性好，从而在收获后或污染后，可耐受消毒剂，从而保证其循环使用性好；以及

5d)本发明的多孔板成本低，分子筛材料加工制造工艺目前相对成熟，而且可以选用的原材料可来自本欲填埋处理的废渣。

由上述优点可见，这在很大程度上克服了微藻培养规模化所遇到的技术瓶颈——装备大型化和提高空间利用率障碍，使微藻生物能源产业化具有可能性。

另外一个额外的好处在于，不仅可降低做催化剂用的分子筛废料处理成本，起到环境保护作用，而且还低成本地进行了环境治理。

综上所述，本发明解决了现有的浸没式微藻培养的光生物反应器系统制造和维护成本昂贵，空间利用率低、生产效率低、能耗高的问题。本发明中，不仅培养系统经济廉价，而且微藻对光能、碳源及营养的利用效率高，次生代谢物的生成速度快，大幅提高了单位占地面积生物量产率和次生代谢物产率。

附图说明

图1为培养单元的示意图。

图2为表面生长式培养系统1000a的示意图。

图3为表面生长式培养系统1000b的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

需要说明的是本发明中“刚性”所指代的含义是指相对于帆布、纤维布或海绵具有更大硬度的材质，包括但不限于“透水陶瓷板、水泥板、陶土烧制板、青砖板、红砖板及瓦材板”等这些建筑施工用的刚性材质，这些材质的特点是皆可在竖直方向无特殊支撑架的状态下实现自支撑、且耐腐蚀性强。

表面生长式光合微生物培养单元及系统

<培养单元>

图1示出了本发明的培养单元101，培养单元101包括多孔板1、固定装置2、培养液回收装置3、供液装置4。所述固定装置2可包括相对的固定组件21和22，固定组件21和22之间形成可固定多孔板1的孔隙23，该多孔板1可从上至下插设于孔隙23中。培养单元100可包括多个多孔板1的阵列，其形成较大的平面培养板组件。供液装置4设置在多孔板1的上方，供液装置4可具有孔、缝隙等出口，从而培养液以滴漏、渗漏等形式进入多孔板1。多孔板1的顶端侧缘可密封在供液装置4中。作为替换，供液装置4可沿竖直方向与多孔板1间隔开，以使得培养液从供液装置4滴落至多孔板1。多孔板1的下端侧面可密封在培养液回收装置3中，与培养液回收装置3中的培养液接触。

其中，多孔板1是由刚性的吸水渗水材料制成，其表面用于附着微藻藻种；多孔板1的材质可为水泥板、青砖板、红砖板、陶土制成板或瓦板等等，可以吸水渗水的刚性板材。但，在本发明的一个较佳是实施例中，多孔板1是由基质材料和添加剂制成的硬质多孔板，其中，添加剂包括粘结剂，而基质材料为分子筛、玻璃粉、玻璃砂或者青石。多孔板1的表面加工呈凹凸不平状(如波浪形纹理)，可增加表面积，增加藻的附着量。

多孔板1可通过以下方法制造：将具有的孔径的物质A(如分子筛类多孔材料)和粘合物质B(如铝石类辅助剂)以质量份数比约70份:25份混合，在室温和常压用本领域公知技术处理，形成粒度约为50nm的微球，在80-100℃和常压下使混合物压制形成多孔板。

此外，多孔板1还可通过以下方法制造：将具有的孔径的物质A(如分子筛类多孔材料)和粘合物质B(如铝石类辅助剂)以质量份数比约70份:25份混合，向上述混合物加入添加剂C(如田菁粉类添加剂)进行粘接，在80-100℃和常压，使粘接混合物压制形成具有3～40μm的第二孔径的多孔板，以组分A、B和C的质量份数总和为100计，所述添加剂C的质量份数不超过5份。压制成的多孔板所具有的第二孔径大小范围，可主要通过改变分子筛A的粒径，其次是粘合物质B的量、压制的方式、压力等来实现第二孔径大小的调节；一般来说，分子筛的平均粒径越大、粘合物质B的量越少，压力越小，得到的压制成型多孔板第二孔径越大。

所述多孔板选用的基质材料除了采用上述的分子筛，还可以为玻璃粉、玻璃砂或青石，所使用的粘合剂为铝石、或由铝石、田菁粉及硝酸组成的混合物。所选的分子筛具有的第一孔径，较佳为

当所述多孔板由分子筛和铝石组成时，其中所述分子筛为50-90质量份，铝石为5-45质量份。当所述多孔板由分子筛和铝石、田菁粉及硝酸组成时，

其中所述分子筛为60-80质量份，铝石为15-35质量份，田菁粉为1-4质量份，硝酸为1-4质量份。

<培养系统实施例1>

结合图1和图2进行说明，图2示出了本发明的表面生长式培养系统1000a的，表面生长式培养系统1000a可包括多个如图1所示的培养单元101和设置在培养单元101之间的光源装置8，以及为培养单元101提供培养液的培养液供给装置9。

如图1和2所述，所述固定装置2包括相对的固定组件21和22，固定组件21和22之间形成可固定多孔板1的孔隙23，多孔板1还可以向上移动自孔隙23中取出。

图2中的多个培养单元101设置为相互平行且间隔开一距离。每两个培养单元101之间设置至少一光源装置8。光源装置可为双面光源，对两侧的培养单元进行照射。光源装置8也可根据需要为单面光源。

图2的表面生长式培养系统1000a包括培养液供给装置9，该培养液供给装置9包括培养液池6、循环泵7。

培养液回收装置3用于将从多孔板1下端渗出或未被多孔板1吸收的培养液收集并通过管道返回至培养液池6。当培养系统1000a工作时，循环泵7启动，将培养液池6中的培养液通过管道输送至供液装置4，供液装置4将培养液供给多孔板1，多孔板1吸收培养液并通过其内部的细小孔径运输至多孔板1的表面，提供为微藻生长所需的营养，而多孔板1端部同时与培养液回收装置3内的培养液相接触，培养液通过毛细作用浸润多孔板1下端的部分区域，使得多孔板1处于半干状态。

培养液供给装置9还可包括二氧化碳混入装置(图中未示)，用于将二氧化碳混入到培养液中。

<培养系统实施例2>

结合图1和图3说明本发明的另一培养系统1000b。图3示出了本发明的表面生长式培养系统1000b。与图2所示的实施例类似，培养系统1000b也可包括一个或多个图1的培养单元101。具体地，培养系统1000b可包括多孔板1、固定装置2、培养液回收装置3、供液装置4、培养液池6、压力罐11、空气压缩气源12、液位计13、截止阀14、截止阀15、减压阀16、排气阀17、和压力表18。

图3的表面生长式培养系统1000b包括培养液循环装置9b，所述培养液循环装置9b中可选采用空气压缩方式。该空气压缩方式所用装置为本领域可选的其他压力泵替代装置，可选但不限于包括压力罐11、空气压缩气源12、液位计13以及配套阀门，优选截止阀14、15，减压阀16等。通过将在压力罐11内储备足量培养液的条件下，将循环装置9b中其上游截阀15关闭，将截止阀14开启，通过空气压缩气源12使压力罐11内培养液在循环装置9b中输送至供液装置4，可选用压力表18监测，供液装置4以喷淋、滴漏或渗漏的方式给多孔板1提供培养液，从而使含培养所需营养物质的培养液浸润整个多孔板1，培养液回收装置3位于多孔板1的下方，未被多孔板1吸收的培养液流至培养液回收装置3，培养液回收装置3中的培养液通过管道回流至培养液池6。

微藻表面生长式培养系统的操作

本发明实施例1的表面生长式培养系统1000a可如下操作：

-通过培养液供给装置9使得供液装置4具有包含CO₂微泡的培养液，供液装置4以喷淋、滴漏或渗漏的方式给多孔板1提供培养液；

-使多孔板1与培养液回收装置3中的培养液保持接触，从而使含CO₂微泡的培养液浸润多孔板1；

-在多孔板1的表面接种微藻；

-利用所述光源装置8照射所述多孔板1，并设置培养系统1000a周围的环境湿度和温度，温度通常为20-35℃，湿度在50-80％的范围，使得微藻生长。

本发明实施例2的表面生长式培养系统1000b可如下操作：

1.排气阀17打开，截止阀14和截止阀15关闭，减压阀16压力调至0MPa，减压阀16要求在0-1.0MPa范围内可调；

2.在培养液池6中添加一定体积量的培养液；

3.打开截止阀15，培养液从培养液池6流入压力罐11，液面在截止阀14相连的管路入口以下；

4.关闭截止阀15和排气阀17，打开截止阀14，调整减压阀16的压力，压力罐11内的培养液会逐渐流入供液装置4，为多孔板1提供微藻所生长所需要的培养液。其中，根据多孔板1承载的微藻生长情况和压力表18显示的压力，将减压阀16的压力调整到适当的值；

5.流经培养液回收装置3的培养液返回到培养液池6中，同时对培养液池6中的成分进行实时监测，如果成分达不到培养要求，及时补充相应的培养液成分；

6.压力罐11中安装有低液位检测的液位计13，当液位低于设定的液位后，将排气阀17打开，截止阀15打开，截止阀14关闭，培养液从培养液池6流入压力罐11。重复步骤3至步骤5的过程，实现对多孔板1上微藻不间断供给培养液；

7.在培养液浸润整个多孔板1后，在多孔板1的表面上接种微藻；

8.利用光源装置8照射多孔板1，并设置培养系统100周围的环境湿度和温度，温度通常为20-35℃，湿度在50-80％的范围，使得水生生物生长。

本发明实施例2的系统借助压力表18、减压阀16以及液位计13，可以根据微藻生长状况较为精确地控制培养液的供给量和速度，实现精准控制的目的。

以下是将本发明的培养单元与现有技术进行比较，以进一步使本本发明的技术效果得到体现：

微藻表面生长式培养系统的培养效果

实施例1:本发明多孔板及对照的制备

首先，混合物质A和物质B，所述物质A为beta分子筛，具有约的第一孔径，物质B包括铝石、田菁粉和硝酸，以总质量份数100份计算，物质A为70份，物质B为30份，且铝石：田菁粉：硝酸＝25：4：1，在80至100℃的温度范围和常压处理所述混合物，冷却成型为一板状后，所得的多孔板具有约10-20μm的第二孔径，测定方法采用电子显微镜图像分析法(Optimas 6.5，US)。前述方法得到的多孔板1尺寸为1米*2米*3厘米。另外，作为上述物质A，也可以使用约孔径的ZSM-5分子筛。

设置对照样本，其为32支帆布，尺寸与所述多孔板相当。

实施例2:吸水率比较

表1.吸水率比较

由表1可见，本发明以分子筛制作的多孔板1吸水率分别明显高于对照帆布。

实施例3:培养试验

3.1.培养液组成

以小球藻培养的培养液组成为例，见下表2。

表2小球藻培养的培养液组成

组分	使用量	母液
			NaNO₃	1mL/L	25g/100ml dH₂O
K₂HPO₄	1mL/L	7.5g/100ml dH₂O
			MgSO₄·7H₂O	1mL/L	7.5g/100ml dH₂O
CaCl₂·2H₂O	1mL/L	2.5g/100ml dH₂O
			KH₂PO₄	1mL/L	17.5g/100ml dH₂O
NaCl	1mL/L	2.5g/100ml dH₂O
			Na₂CO₃	1mL/L	0.2g/100ml dH₂O
FeCl₃·6H₂O	1mL/L	0.05g/100ml dH₂O
			EDTA-Fe	1mL/L
痕量金属溶液	1mL/L
			土壤提取液	40mL/L

表3痕量金属溶液的配方

组分	母液
		H₃BO₃	2.86g/100mL dH₂O
MnCl₂·4H₂O	1.86g/100mL dH₂O
		ZnSO₄·7H₂O	0.22g/100mL dH₂O
Na₂MO₄·2H₂O	0.39g/100mL dH₂O
		CuSO₄·5H₂O	0.08g/100mL dH₂O
Co(NO₃)₂·6H₂O	0.05g/100mL dH₂O

此外，培养液中EDTA-Fe的制备方法为：取4.1mL浓盐酸用蒸馏水稀释至50mL，制成1N HCl；称取0.93g EDTA-Na₂并溶解至500mL蒸馏水中，制成0.1N EDTA-Na₂溶液；称取FeCl₃ 6H₂O 0.90g并溶于10mL上述1N HCl中，然后与10ml 0.1N EDTA-Na₂溶液混合，加入蒸馏水稀释至1000mL。土壤提取液配制方法为：取未施过肥的花园土200g置于烧杯或三角瓶中，加入蒸馏水1000mL，瓶口用透气塞封口，在水浴中沸水加热3小时，冷却，沉淀24小时，此过程连续进行3次，然后过滤，取上清液，于高压灭菌锅中灭菌后于4℃冰箱中保存备用。

按照如上表2及表3的配方，配制培养小球藻所用的培养液。储藏于容器中待用。

3.2.本发明多孔板培养系统及对照组的装配

依照图1-2所示的培养系统，分别连接培养单元101和培养液供给装置9，将管道连接至供液装置4，培养液回收装置3连接至培养液池6，开启泵7，将培养液池6中的培养液输送至各多孔板1上端所设的供液装置4中，且供液装置4以滴落的方式滴到多孔板1的顶端侧缘。

再依照图1-2所示的培养系统，只是将其中的多孔板1换成相同尺寸的帆布2。

3.3培养系统的运行

-运行图2所示的培养系统及对照组的培养系统；

-在多孔板1的表面接种微藻；

利用所述光源装置8照射所述多孔板，并设置培养系统1000a周围的环境湿度为65％-75％，温度为26-28℃，使得微藻生长。

4.收获及培养物结果对比

在上述培养系统培养24、48和72小时后，分别从同等面积的本发明多孔板1和对照帆布上收获微藻培养物，称重藻泥，在70℃干燥脱水后，称取干重进行干生物质重量比较。

表4实施方案1培养结果比较

由表4可见，微藻干生物质在本发明多孔板1的产出量要高于对照帆布，且本发明多孔板培养单元及系统具有更高的循环利用率。

Claims

1.一种表面生长式光合微生物培养单元，其特征是，该培养单元包括：

至少一个多孔板，所述多孔板是由刚性的吸水渗水材料制成，其表面用于附着光合微生物；

2.根据权利要求1所述的表面生长式光合微生物培养单元，其特征是，所述多孔板为透水陶瓷板、水泥板、青砖板、红砖板、陶土制成板或瓦板。

3.根据权利要求1所述的表面生长式光合微生物培养单元，其特征是，所述多孔板是由基质材料和添加剂制成的硬质多孔板，其中，所述添加剂包括粘结剂，所述基质材料为分子筛、玻璃粉、玻璃砂或青石。

4.根据权利要求3所述的表面生长式光合微生物培养单元，其特征是，所述粘结剂包含铝石。

5.根据权利要求4所述的表面生长式光合微生物培养单元，其特征是，所述粘结剂还包含田菁粉和硝酸。

6.根据权利要求3或4所述的表面生长式光合微生物培养单元，其特征是，所述分子筛具有～2nm的第一孔径。

7.根据权利要求3所述的表面生长式光合微生物培养单元，其特征是，所述多孔板包含分子筛和铝石，其中所述分子筛为50-90质量份，铝石为5-45质量份。

8.根据权利要求3所述的表面生长式光合微生物培养单元，其特征是，所述多孔板包含分子筛、铝石、田菁粉和硝酸，其中所述分子筛为60-80质量份，铝石为15-35质量份，田菁粉为1-4质量份，硝酸为1-4质量份。

9.根据权利要求3或4所述的表面生长式光合微生物培养单元，其特征是，所述多孔板具有3～40μm的第二孔径。

10.根据权利要求1所述的表面生长式光合微生物培养单元，其特征是，所述多孔板的表面呈凹凸不平状，其包括规则或不规则图案。

11.根据权利要求1所述的表面生长式光合微生物培养单元，其特征是，所述供液装置系罩设于所述多孔板的顶端侧缘。

12.根据权利要求1所述的表面生长式光合微生物培养单元，其特征是，所述供液装置以间隔方式设于该多孔板的顶端上方位置，所述供液装置以喷淋、滴漏或渗漏的方式给该多孔板提供培养液。

13.根据权利要求1所述的表面生长式光合微生物培养单元，其特征是，所述培养单元还包括至少一个固定装置，该固定装置用于将所述多孔板以直立的方式固定于一个预定位置。

14.一种表面生长式培养系统，该培养系统包括：

一个由权利要求1-13任一项所述的培养单元所组成的阵列，以及

15.根据权利要求14所述的表面生长式培养系统，其特征是，所述循环动力装置为泵。

16.根据权利要求14所述的表面生长式培养系统，其特征是，所述培养液供给装置还包括一个二氧化碳的混入装置，所述混入装置将二氧化碳混入至所述的培养液培养池中。

17.根据权利要求14所述的表面生长式培养系统，其特征是，所述循环动力装置包括压力罐和空气压缩气源，所述培养液池以管路连接至该压力罐的进液口，所述培养液池能够将一定量的培养液输入该压力罐内暂存，所述压力罐的出液口通过管路与各该供液装置连接，该空气压缩气源连接该压力罐的进气口，通过启动该空气压缩气源工作向该压力罐内增压，以该压力罐内暂存的培养液输送至各该供液装置。

18.根据权利要求17所述的表面生长式培养系统，其特征是，所述压力罐的一侧设有一个通向外界的排气阀，该培养液池连接至该压力罐之间的管路上设有第一截止阀，该空气压缩气源连接至该压力罐之间的管路上设有第二截止阀和一个减压阀。

19.根据权利要求17所述的表面生长式培养系统，其特征是，该压力罐底部还设有一个液位检测计，该压力罐连接至各该供液装置的管路上设有一个压力表。

20.根据权利要求15或17所述的表面生长式培养系统，其特征是，所述培养液回收装置将该多孔板下端渗出或未被多孔板吸收的培养液收集并通过管路返回至培养液池。

21.根据权利要求15或17所述的表面生长式培养系统，其特征是，所述多孔板与培养液回收装置中的培养液接触。

22.根据权利要求15或17所述的表面生长式培养系统，其特征是，所述培养单元为至少两个，相邻培养单元之间设置有光源装置，该光源装置与所述培养单元平行地设置；或者，所述各培养单元平行放置形成阵列，而将一光源装置设于该阵列的一侧，与各该培养单元垂直。

23.根据权利要求22所述的表面生长式培养系统，其特征是，所述光源为自然光或人工光源，所述人工光源为双面光源或单面光源。

24.一种运用权利要求14-23任一项所述的表面生长式培养系统培养光合微生物的方法，包括以下步骤：

a)将培养液池中的培养液通过泵或空气压缩气源及压力罐输送至各供液装置，供液装置以喷淋、滴漏或渗漏的方式给多孔板提供培养液，使培养液浸润整个多孔板；

b)在所述多孔板上接种光合微生物；

25.根据权利要求24所述的培养光合微生物的方法，其特征是，在步骤a)中，还包括将所述多孔板上渗出或未被多孔板吸收的培养液回收至培养液池中的步骤，同时监测培养液池中的培养液成分，及时向培养液池补充营养成分。

26.根据权利要求24所述的培养光合微生物的方法，其特征是，所述光合微生物包括小球藻、螺旋藻、绿藻、栅藻、等鞭金藻、微拟球藻或血球藻。