CN104711163A - 一种可变光程板式微藻培养反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变光程板式微藻培养反应器，包括通气装置以及培养过程中光程可调的光生物反应系统。通气装置由流量计、通气管和曝气装置组成，通入气体为含有一定浓度二氧化碳（0.04-10%，质量比）的空气。培养装置为内衬透明塑料袋的简易平板式光生物反应器，培养过程中，随着微藻细胞浓度的增加，通过改变板式反应器挡板间距，进而不断改变光程，满足藻细胞生长对光能的需要，尤其适用于利用太阳光为光源的培养。

Description

一种可变光程板式微藻培养反应器

技术领域

本专利属于微藻培养技术领域，具体来说涉及一种可变光程板式微藻培养反应器。

背景技术

微藻为自养型微生物，因其细胞内存在光合作用系统也称为微藻植物。微藻具有高效吸收太阳能、固定二氧化碳产生生物质的能力（即光合作用能力）；同时微藻作为微生物的一种，其增殖速度较快。作为单细胞生物，微藻的主要组成为蛋白、脂肪、碳水化合物和核酸等。目前，微藻已经是重要的养殖饵料被养殖企业广泛应用，同时微藻也已经成为类胡萝卜素、蛋白质、多糖等保健食品的来源。随着化石能源枯竭的预期加剧，微藻在能源制品和精细化学品的潜在应用也得到了极大关注。但是所有这些存在的共同问题是如何获得足够的微藻生物质，即微藻大规模培养效率低、成本高。为了实现微藻大规模高效培养，一方面需要优化微藻对光能的利用效率，另一方面，要降低微藻培养系统成本。

光是微藻规模培养，尤其是自养培养，细胞生长的能量来源，但是过高的光强会导致细胞内光合系统发生损伤，尤其是在微藻生物量较低时，如种子液的培养过程中，过高的光强会导致生长缓慢或死亡。现有光生物反应器常见形式包括平板式、管道式、圆柱式等，其共同的缺点是在培养过程中，培养系统的光程不可调。因为，为了适应不同培养阶段微藻对光能的需求变化，在室内可以通过改变光源光强实现；而在户外，只能通过遮光网或遮光网降低入射光。同时，微藻生长过程中随着生物量的增加，细胞间会产生自屏蔽效应。这些因素都导致了微藻光生物反应器培养过程中光能利用效率的下降。

通常，光在藻液中的正向衰减符合郎伯比尔定律（Lambert-Beer Law），即

ln(I/I₀)=-aL，

其中，I为光程为L时的入射光，I₀为入射光，L为光程，a为表观消光系数，与溶液中微藻细胞生物量相关，随着生物量的增加而增大。I₀-I即单位面积下培养系统所吸收的光能。

目前已有的方法调整的都是I₀，但实际上光程L调整将会产生类似的效果，不过对于常规使用刚性透光材料（有机聚合物、玻璃等）或固定支撑材的袋式反应器，并不具备改变光程的能力。

针对现有光生物反应器光程不可调这一缺点，在常规光生物反应器基础上，本发明通过刚性透光材料为外部支撑，柔性透光材料为内衬，通过调整支撑结构的间距，实现了光程可调，即在低光强条件下减少光程，在高光强下增加光程，实现所培养微藻处于适宜光照条件下。

发明内容

本发明为一种可变光程板式微藻培养反应器，其特征在于包括通气装置以及培养过程中光程可调的光生物反应系统。通气装置由流量计、通气管和曝气装置组成，气体流量可控，形成的气泡较小且分布均匀。通气装置中的气体为含有一定浓度二氧化碳（0.04-10%，质量比）的空气。培养装置为内衬透明塑料袋的简易平板式光生物反应器，培养过程中，随着微藻细胞浓度的增加，通过改变板式反应器挡板间距，进而不断改变光程，满足藻细胞生长对光能的需要，尤其适用于利用太阳光为光源的培养。

本发明的光生物反应器示意图见图1。具体为：

一种可变光程板式微藻培养反应器，包括光程可变板式光生物反应系统、通气管③和曝气管⑤，

所述光程可变板式光生物反应系统包括：透光刚性支撑①、透光柔性内衬②和滚珠丝杠或导轨④；

（1）培养系统：光生物反应系统内衬透明塑料薄膜②，外侧为间距可调的平行透光夹板或支撑网格①。其中内衬可以是②聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺或上述材料复合物制成的无毒透光薄膜，外侧刚性支撑①可以为有机玻璃板、聚碳酸酯板，以及工程塑料、不锈钢等硬质材料制成的支撑网格。根据微藻所需光强，通过④滚珠丝杠或能够限位的导轨调整夹板或支撑网间距，光生物反应器的光程在5厘米-15厘米范围内可调。

培养反应器内衬材料为聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺或上述聚合物的复合物制成的有机聚合物薄膜，外侧可调的刚性支撑为有机玻璃板、聚碳酸酯板、工程塑料及不锈钢材料制成的硬质支撑网格。

（2）通气系统：光生物反应器内通过由曝气管⑤、通气管③组成的通气系统提供微藻生长和气升混合的气体。根据培养微藻种类不同的需求，气体为空气或补加一定浓度二氧化碳的空气（0.04-10%，质量比），流量通过气体流量计控制。

所述微藻包括单细胞的金藻、绿藻、蓝藻、硅藻，以及螺旋藻。

本发明具有以下效果：

（1）根据微藻对光的需求，通过改变光程，改变培养系统实际获得光能的量，实现光能的高效利用；

（2）本发明通过调整实际光能输入，增加了反应器适宜培养生物量的范围，有利于将种子液培养和生产在同一个装置内实现，简化了培养操作。在接种生物量较低的情况下，可以通过缩短光程维持较小培养体积，随着生物量增加，光程增大，也增大了培养体积，利于扩种至正常生产规模；在微藻生长至较高密度由于自屏蔽效应，限制生长的时候，又可以缩短光程，减少单位光照面积下的培养体积，满足细胞生长的需要，已获得更高生物量。

附图说明

图1可变光程板式微藻培养反应器示意图。

其中，①透光刚性支撑，②透光柔性内衬，③通气管，④滚珠丝杠或导轨，⑤曝气管。

具体实施方式

结合附图1和具体实施例对本发明进行说明。

实施例1

以初始1000万细胞每毫升接种密度，进行湛江等鞭金藻培养，培养基为通用的F/2培养基，二氧化碳浓度为1.4%，入射光光强为95μM/m·s^-2。通过调整滚珠丝杠④，测定相同生物量下不同光程下系统的透过光光强，见表1。结果表明，通过调整光程，改变了培养系统的光能利用情况。

表1、不同光程时的透过光强

实施例2

以初始1000万细胞每毫升接种密度，进行湛江等鞭金藻培养，培养基为通用的F/2培养基，二氧化碳浓度为1.4%，初始光程5cm，生长至1500万细胞每毫升后，将系统光程调整为7厘米，调整二氧化碳浓度为2.1%，并补水，体积增加40%，在同一装置完成扩种至生产规模。

实施例3

以初始1000万细胞每毫升接种密度，进行湛江等鞭金藻培养，在其它生长条件一致的情况下，10厘米光程反应器中细胞生长至3000万细胞每毫升，受自屏蔽效应影响，即达到稳定期；而利用本发明反应器，在5cm光程条件下，最终生长到7800万细胞每毫升。

Claims (2)

1.一种可变光程板式微藻培养反应器，包括光程可变板式光生物反应系统、通气管③和曝气管⑤，其特征在于：

所述光程可变板式光生物反应系统包括：透光刚性支撑①、透光柔性内衬②和滚珠丝杠或导轨④；

（1）培养反应器内衬透明塑料薄膜，外侧为间距可调的平行透光夹板或支撑网格，通过调整夹板或支撑网间距，光生物反应器的光程在5厘米-15厘米范围内可调。

（2）培养反应器内衬材料为聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺或上述聚合物的复合物制成的有机聚合物薄膜，外侧可调的刚性支撑为有机玻璃板、聚碳酸酯板、工程塑料及不锈钢材料制成的硬质支撑网格。

（3）根据培养微藻种类不同的需求，气体为空气或补加一定浓度（0.04-10%，质量比）二氧化碳的空气，流量通过气体流量计控制。

2.根据权利要求1所述微藻培养反应器，其特征在于：所述微藻包括单细胞的金藻、绿藻、蓝藻、硅藻，以及螺旋藻。