CN104328044A - 一种光照-二氧化碳联合调控光生物反应器 - Google Patents

一种光照-二氧化碳联合调控光生物反应器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新颖的光生物反应器，具体来说是在光自养培养过程中，通过检测系统中用于光合作用的光照强度变化和液相二氧化碳浓度，计算二氧化碳量补充速率，进行二氧化碳的动态调节，实现与光强匹配的二氧化碳补给。本发明有效的保证了光合作用中能量与物质输入的协调，尤其适用于以自然光为光源的户外培养。

Description

一种光照-二氧化碳联合调控光生物反应器
技术领域：
本发明属于一种新颖的光生物反应器，应用于微藻、光合细菌等的光自养培养。
背景技术：
微藻、光合细菌等能够利用其光合系统，高效吸收太阳能、固定CO2产生生物质，因而得到了生物工程研究和生产的关注，有望在生物能源、生物基材料以及高值制品的生产上得到广泛应用。其中，光生物反应器培养是开发此类生物资源应用的重要环节，尤其是在需要进行大规模培养的领域。
光生物反应器中，生物生长的能量来自于太阳光能，因此，在规模生产过程中，如何能够充分利用太阳光能是光生物反应器培养所需要考虑和突破的。与人工光源不同，太阳光源具有不稳定性，使得培养的光能利用率无法提高。如理论上，微藻培养的光能利用率可以接近10％，而实际上直接利用太阳光进行培养，其光能利用率仅有1～2％。
为了提高光能利用率，一个可行的方法是将光能与光合作用的原料——二氧化碳的通入量相匹配，即根据光能输入动态调节二氧化碳的输入。目前，常见的二氧化碳动态调节主要方式是根据pH值进行，以设定pH为目标二氧化碳的通入时间。这种调节一般具有滞后性和被动性。在自然光照条件下，光照随阴晴变化，缺乏规律性，难以确定不同光照下的适宜pH值作为控制参数。因此，有必要寻找一种直接基于光照强度的控制方法。
太阳光是连续光谱，其中只有400nm～700nm波长范围是光合系统所能利用的，也就是所谓的光合有效辐射(PAR)。光自养培养中，生物质所积累的全部化学能都是来自太阳光能，而生物质所积累的化学能的数量可以通过测定燃烧热来获得。同时，在正常生长过程中，对于特定的光合生物，在特定的光生物反应器中，其生产生物质的光能利用效率、二氧化碳固定效率等均可以通过独立实验测定，作为经验常数使用，这为基于能量守恒原理估算不同光照条件下的生物生长所需碳源提供了可能。再通过pH值信息得到培养系统能够实际的液相二氧化碳浓度，使用传质计算公式和亨利公式，即可以得到所需要的气相二氧化碳浓度，使用质量流量计予以动态匹配。
当处于无光照阶段，即夜间，呼吸作用会消耗一定量的生物质，在维持细胞正常存活的情况下，能够降低呼吸作用带来的生物量损失和不必要的能耗。如，对于微藻，可以通过测定其叶绿素荧光动力学参数的变化来确定最低夜间氧气通入量。
基于上述分析，本发明以优化配置光生物反应器中有效能量与碳源供给为出发，实现了有效光强与二氧化碳补给的动态实时调控，为提高光生物反应器的培养效率、降低能耗提供了新的技术可能。
发明内容
针对光生物反应器培养本质是光能与二氧化碳在光合系统作用下转换为以生物质形式存储的化学能，本发明提出了一种新颖的基于光合作用可利用光强的二氧化碳匹配调节的光生物反应器，在常规光生物反应器基础上，以能量衡算为基础，实现培养系统中能量和物质输入的协调。反应器的示意图见附图一，具体包括：
1、一种光照-二氧化碳联合调控光生物反应器，其特征在于，利用光强传感器和pH传感器对培养器的入射光强、透射光强和pH进行检测，计算系统需求的二氧化碳补给速率，进行二氧化碳的动态调节：
(1)光强传感器①和②测定的是光合有效辐射强度(PAR，单位μmol/(m2·s))，分别记为入射Iin和透射Iout；
(2)通过入射光强与培养物光合特征值——饱和光强，判断入射光是否达到饱和光强。当光强超过饱和光强，以饱和光强作为入射Iin进行后续计算；饱和光强测定参见文献所述方法【陈根云等，光合作用对光和二氧化碳相应的观测方法探讨，《植物生理与分子生物学学报》，2006，32(6)：691-696】
(3)利用公式N＝1.6～2.0×0.217×K×(Iin-Iout)×A/H进行二氧化碳需求速率计算，其单位为g/s，其中生物质热值(H，单位J/g，取值范围在1.6～2.4x104J/g)、生物质与二氧化碳固定比例(取值范围1.6～2.0)、平均PAR能量转换关系(1μmol/(m2·s)＝0.217W/m2，以550nm光子能量计)，光照面积(A，单位m2)和光能利用效率(K，通常取值在0.01～0.09)；
(4)利用pH结合pH对二氧化碳溶解度曲线获得液相中的二氧化碳浓度C(mol/L)【崔清晨等，海洋化学辞典，海洋出版社，1993年出版】；
(5)基于(3)、(4)获得的N、C，利用传质公式N＝KL(C*-C)计算获得预期二氧化碳传递速率N所需要的与气相分压平衡的二氧化碳液相浓度C*(mol/L)，其中取传质系数等于KL＝0.0045m/s；
(6)利用亨利公式计算所需要的气相二氧化碳浓度，P＝E*C*，取亨利系数值E＝1.64x103atm；
(7)控制器(④)中完成(3)-(6)所需的计算，并根据(6)的结果，调节质量流量计(⑤、⑥)，获得与光强匹配的二氧化碳补给；
(8)当无光照时，控制器④关闭二氧化碳质量流量计⑥，同时调低空气质量流量计⑤的流量为光照水平的20-50％。
发明原理：
光生物反应的本质是通过生物的光合作用，将水和二氧化碳转化为生物质，同时固定光能的过程，光生物反应器为上述过程提供一个优化的环境。水对于光生物反应器是远远过量的，因此，主要需要优化的参数就是光和二氧化碳。为了实现这二者的协调匹配，需要一种切实可行的实时控制手段。
本发明是以能量衡算为基础，综合考虑了有效光能的输入和二氧化碳传质速率之间的匹配，即实时估算输入系统的光能能够固定多少二氧化碳，而这些二氧化碳又需要多大的传质速率才能匹配，再结合水相二氧化碳浓度，最终确定通入气体中适宜的二氧化碳浓度。
同时，基于夜间呼吸作用消耗生物质的考虑，适当调低通入气体中的氧气含量，也将部分一直呼吸作用，在维持细胞活性的条件下，也有助于提高生物质的量，降低能耗。如以夜间10小时，通气量降低为白天的20％，整体运行过程中的通气能耗将下降为原先的三分之二。
本发明具有如下优点：
(1)实现了光生物反应器中能量输入和碳源输入的匹配；
(2)通过降低无光照阶段通气(氧)量，部分抑制微藻呼吸作用，减少了因呼吸导致的生物量损失和额外的CO2释放；
(3)通气量的优化有助于通气部分能耗的降低。
附图说明：
图1、装置示意图。①入射光传感器、②透射光传感器、③pH传感器、④控制器、⑤空气质量流量控制器、⑥二氧化碳质量流量控制器和⑦培养容器。
具体实施方式
具体装置结构见图1：
对于500mL培养系统：500mL鼓泡式圆柱反应器，底部为烧结玻璃的曝气板。反应器高50-60cm，直径5cm，壁厚2mm，内装藻液500mL。单侧日光灯光照，培养系统输入光强50-2000μmol/(m2·s)。
对于100L培养系统：使用长x宽x高为1.2m x 0.1m x 1.1m的透明长方形培养容器，底部设有气体分布管，以日光灯(培养系统输入光强为50-250μmol/(m2·s))或自然光(培养系统输入光强为50-2000μmol/(m2·s))为光源，内装藻液100L。
对于上述培养系统，于培养容器的可见光透出侧壁的外侧壁面上设有第一光强传感器①和第二光强传感器②，第一光强传感器①位于培养容器的上部且其所处位置处于培养容器内的微藻培养液液面的上方，第二光强传感器②位于培养容器的中下部且其所处位置处于培养容器内的微藻培养液液面的下方；一pH传感器③插入培养容器内的微藻培养液液面之下；于容器⑦底部设有气体分布器，气体分布器通过管路分别经空气质量流量控制器和二氧化碳质量流量控制器与空气和二氧化碳相连；
第一光强传感器①、第二光强传感器②、pH传感器③、空气质量流量控制器和二氧化碳质量流量控制器分别通过导线与控制器④相连。控制器④为单片机；空气质量流量控制器和二氧化碳质量流量控制器均为气体质量流量计。
实施例1、
利用燃烧热测定装置对几种典型微藻，包括湛江等鞭金藻(金藻)、四爿藻(海洋绿藻)、小球藻(淡水绿藻)和螺旋藻(蓝藻)的燃烧热值进行测定，分别为：2.2±0.08、1.7±0.02、2.0±0.03和2.1±0.01，单位x104J/g。
以湛江等鞭金藻为培养物，测定不同培养系统中，包括日光灯光源下(培养系统输入光强为50-250μmol/(m2·s))0.5L管式气升反应器、1L板式反应器、1.5L板式反应器、3L摇瓶、30L板式反应器、100L板式反应器以及自然光下(培养系统输入光强为50-2000μmol/(m2·s))100L板式反应器，以收获时生物质增量对总输入光能计算的光能利用率分别为：9.3％、6.0％、6.4％、3.9％、3.2％、3.5％和1.2％。
实施例2、
在标准3x F/2培养基条件下，500mL管式光生物反应器中，按照100mL/min的通气速率通气(光照段加入体积比2％的CO2)，14:10光暗比对湛江等鞭金藻进行培养，无光照段通气量分别调整为正常水平的50％和20％，测定无光照段开始和结束点时Fv/Fm的变化比例，相比正常水平，50％和20％组分别下降1.0％和7.5％，确定20％的通气量为最低通气量。其中低通气量生物质含量0.423g/L，较正常通气组的0.389g/L高约8.7％。
实施例3、
在实施例2所述培养条件基础上，在维持空气通入速率不变的基础上，使用本发明所述控制工艺，进行动态CO2补加的湛江等鞭金藻培养。以实施例2中所述条件培养为对照。培养结果表明，使用动态补加系统，在同样培养时间下，系统中的CO2通入总量下降至对照组的70％以下，同时，生物量较对照组有5-40％的增加，平均增加比例在20％。

Claims (5)

1.一种光照-二氧化碳联合调控光生物反应器，其特征在于：
采用侧壁面为透明材料的容器(⑦)进行微藻培养，于培养容器的一侧设有光源，光源发出的可见光由培养容器的一侧透明侧壁入射至培养容器中，由相应的培养容器的另一侧透明侧壁透出；
于培养容器的可见光透出侧壁的外侧壁面上设有第一光强传感器(①)和第二光强传感器(②)，第一光强传感器(①)位于培养容器的上部且其所处位置处于培养容器内的微藻培养液液面的上方，第二光强传感器②位于培养容器的中下部且其所处位置处于培养容器内的微藻培养液液面的下方；一pH传感器(③)插入培养容器内的微藻培养液液面之下；于容器(⑦)底部设有气体分布器，气体分布器通过管路分别经空气质量流量控制器和二氧化碳质量流量控制器与空气和二氧化碳相连；
第一光强传感器(①)、第二光强传感器(②)、pH传感器(③)、空气质量流量控制器和二氧化碳质量流量控制器分别通过导线与控制器(④)相连。
2.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：控制器④为单片机；空气质量流量控制器和二氧化碳质量流量控制器均为气体质量流量计。
3.一种权利要求1或2所述反应器的应用，其特征在于：
采用权利要求1或2所述反应器进行微藻的光照培养：
利用第一、第二光强传感器(①、②)和pH传感器(③)对培养器(⑦)的入射光强、透射光强和pH进行检测，通过控制器④计算微藻培养体系需求的二氧化碳补给速率，进行二氧化碳和空气的动态调节：
(1)第一、第二光强传感器(①和②)测定的是光合有效辐射强度(PAR，单位μmol/(m2·s))，分别记为入射Iin和透射Iout；
(2)通过入射光强与培养物光合特征值——饱和光强，判断入射光是否达到饱和光强；当光强超过饱和光强，以饱和光强作为入射Iin进行后续计算；
(3)利用公式N＝1.6～2.0×0.217×K×(Iin-Iout)×A/H进行二氧化碳需求速率计算，其单位为g/s，其中生物质热值(H，单位J/g，取值范围在1.6～2.4x104J/g)、生物质与二氧化碳固定比例(取值范围1.6～2.0)、平均PAR能量转换关系(1μmol/(m2·s)＝0.217W/m2，以550nm光子能量计)，光照面积(A，单位m2)和光能利用效率(K，通常取值在0.01～0.09)；
(4)利用pH结合pH对二氧化碳溶解度曲线获得培养液中的二氧化碳浓度C(mol/L)；
(5)基于(3)、(4)获得的N、C，利用传质公式N＝KL(C*-C)计算获得预期二氧化碳传递速率N所需要的与气相分压平衡的二氧化碳液相浓度C*(mol/L)，其中取传质系数等于KL＝0.0045m/s；
(6)利用亨利公式计算所需要的气体分布器内气相二氧化碳浓度，P＝E*C*，取亨利系数值E＝1.64x103atm；
(7)于控制器(④)中完成上述步骤(3)-(6)所需的计算过程，并根据步骤(6)的计算结果，由控制器(④)调节空气质量流量控制器和二氧化碳质量流量控制器(⑤、⑥)的气体流量实现气体分布器内的气相二氧化碳浓度至所需浓度，使培养体系获得与光强匹配的二氧化碳补给。
4.按照权利要求1所述的应用，其特征在于：
当采用权利要求1或2所述反应器进行微藻的暗培养过程：
当微藻培养体系的输入光强小于等于10μMm-2s-1时，由控制器④关闭二氧化碳质量流量控制器(⑥)，同时调低空气质量流量计⑤的流量至微藻光培养过程空气质量流量的20-50％。
5.按照权利要求1所述方法，其特征在于：所述光生物反应器适用于微藻的自养培养，包括绿藻、金藻、硅藻或螺旋藻。
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