CN104789442B - 一种培养光合生物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开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，该培养装置内形成有朝向光照方向（D）设置的培养区（1），该培养区（1）用于容纳含有光合生物的培养液，其特征在于，使所述光合生物沿所述光照方向（D）来回运动。本发明提供的培养光合生物的方法，通过驱动培养液沿光照方向来回运动，使光合生物间歇运动至培养液体表面并暴露在光照下，相对于现有的使全部培养液沿水平方向运动的培养方法，能够极大地降低能耗，且能够提高光合生物的产量，本发明方法适用于光合生物的大规模生产。

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。
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，例如光合细菌和微藻。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（光合生物培养装置）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。无论是开放式光生物反应器，还是封闭式光生物反应器，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，为了降低培养成本，一般利用太阳光在室外培养。为了接受较充足的光照，含有微藻的培养液的液厚一般≤60cm，优选为10-30cm。现有技术中，无论是那种形式的光生物反应器，将培养液体（如藻液）流动起来均是必要的，因为只有让藻液流动起来，才能有效避免光合微生物（如微藻）沉降，同时也保证了微藻充分受光和传质。微藻实际养殖中最为常见的跑道池就是采用浆轮驱动藻液沿着跑道状的浅池流动，藻液在流动的过程中接受光照。
在微藻的培养过程中由于浓度的不断增加，藻细胞相互遮挡，严重地影响微藻的受光，因此跑道池培养的藻液难以达到较高的浓度，其最终培养液的光密度值一般小于2，影响了总的生产效率。因此，出现了采用薄层培养液养殖的方法，如美国专利US5981271公开了一种使藻液形成薄层流动的培养工艺与装置，能够大幅提高藻液的浓度和生产效率。
中国专利CN1668185A公开了一种使用光生物反应器对气体进行处理的方法，包括：在光生物反应期内建立藻液的流动，并使至少一部分光生物反应器和至少一种光合生物暴露在能够驱动光合作用的光源下，该方法的特征是通过计算确定合理的曝光与避光时间间隔，并以此来控制光生物反应器内液体介质的流量。
中国专利CN102421887A公开了一种培养光合生物的方法，包括：提供培养室，向所述培养室引入培养基和光合生物，并暴露于光之下，然后利用气流控制部件控制气体通过培养基，所述气流带动所述培养基的蒸发。在实际养殖中，为了避免光合生物沉降，必需通入大量的气体，而这必然导致能耗的增加和培养液的剧烈蒸发，这对降低能耗与水耗显然是不利的。
中国专利CN102260629A公开了一种板式光生物反应器，包括至少一个流道，其中，每一流道包括：至少2块上挡板，设置于光照面的内壁上；至少2块下挡板，设置于无光面的内壁上；其中，上挡板和下挡板的长度方向与培养液流动方向的夹角为20-70度，且夹角方向相反。该板式反应器具有特定的内部结构，能够实现藻细胞在光生物反应器的光区和暗区之间穿梭，从而提高微藻的培养效率。但是，该方案操作时需要将全部藻液循环流动起来以通过光生物反应器内的挡板，显著增加了运行能耗。
综上可见，在现有技术中，无论采用何种形式的光生物反应器，为了使微藻得到充分的光照和传质效果，避免因藻细胞沉降带来的问题，均需要将藻液流动起来。而驱动全部藻液流动起来需要极高的能耗，并且藻液沿水平方向的流动（或者说是垂直于光照方向的运动）对于微藻的受光和传质而言并非必要。因此，这种驱动模式在大规模生产中显然是不利的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中培养光合生物能耗高、产量低的缺陷，提供一种适用于大规模生产的能耗低、产量高的培养光合生物的方法。
本发明的发明人经过深入研究发现，驱动培养液沿光照方向来回运动，使光合生物间歇运动至培养液体表面并暴露在光照下，代替全部培养液沿水平方向运动（或者说是垂直于光照方向的运动），可极大降低能耗，且可提高光合生物的产量。
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，该培养装置内形成有朝向光照方向（D）设置的培养区（1），该培养区（1）用于容纳含有光合生物的培养液，其特征在于，使所述光合生物沿所述光照方向（D）来回运动。
优选地，所述光合生物的运动速度为5-500cm/s，更优选为40-400cm/s。
优选地，使所述光合生物沿所述光照方向（D）来回运动的方式包括：所述培养装置包括扰流机构及其驱动机构（2），所述扰流机构能够由所述驱动机构（2）驱动在所述培养区（1）内移动，以引导所述光合生物沿所述光照方向（D）来回运动。
优选地，所述扰流机构包括移动板（3）和多个扰流片（4），所述驱动机构（2）用于驱动所述移动板（3）在所述培养区（1）内来回移动，所述多个扰流片（4）倾斜设置在所述移动板（3）的安装表面上并且沿该移动板（3）的移动方向间隔布置。
优选地，所述扰流片（4）相对于所述移动板（3）的安装表面的倾斜角度为20-80°，更优选为30-60°。
优选地，所述移动板（3）的移动速度为0.2-5m/s，更优选为0.3-2m/s，移动的频率为0.1-10Hz。
本发明提供的培养光合生物的方法，通过驱动培养液沿光照方向来回运动，使光合生物间歇运动至培养液体表面并暴露在光照下，相对于现有的使全部培养液沿水平方向运动的培养方法，能够极大地降低能耗，且能够提高光合生物的产量，本发明方法适用于光合生物的大规模生产。
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为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为图1所示的培养光合生物的装置的侧剖图。
图3为各实施例中光合生物的生长曲线。
附图标记说明
1培养区；2驱动机构；3移动板；4扰流片；5侧壁；6底壁；7顶壁；8培养液入口；9培养液出口；D光照方向。
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。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。
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，该培养装置内形成有朝向光照方向D设置的培养区1，该培养区1用于容纳含有光合生物的培养液，使光合生物沿光照方向D来回运动。
根据本发明，尽管按照上述方法即可实现本发明的目的，即降低能耗、提高产量，但优选情况下，光合生物的运动速度为5-500cm/s，更优选为40-400cm/s，可进一步提高光合生物的产量。
本发明中，对于使光合生物沿光照方向D来回运动的方式无特殊要求，可以采用本领域技术人员所能想到的各种方式。例如，可以采用图1和图2所示的培养光合生物的装置来实现光合生物沿光照方向D的来回运动。即，使光合生物沿光照方向D来回运动的方式包括：培养装置包括扰流机构及其驱动机构2，扰流机构能够由驱动机构2驱动在培养区1内移动，以引导光合生物沿光照方向D来回运动，增强光合生物沿光照方向D运动的流量。
本发明中的扰流机构的作用在于通过自身移动带动光合生物沿光照方向D来回运动，不同于现有技术中常见的静止设置的扰流构件，现有技术中的扰流构件仅是通过对流动的流体产生阻碍而改变流体流动方向达到形成扰流的目的。本发明的扰流机构设置在培养区1内并且扰流机构能够被驱动而产生移动，从而带动光合生物产生特定方向的运动，增强光合生物沿光照方向D运动的扰流流量。因此，本发明的扰流机构为主动件，引导光合生物流动。
本发明中，光合生物仅由扰流机构驱动而产生特定方向移动，不必由其它驱动机构驱动而进行大规模的水平流动（或者是垂直于光照方向的流动），对于光合生物的大规模生产而言，减少了培养液沿垂直于光照方向的水平运动，从而大大节省了能耗。
因此，通过设置上述扰流机构，能够在培养装置内建立光合生物沿光照方向上的来回运动，使至少一种具有光合功能的生物体（微藻）运动至培养液表面并间歇暴露在光照下。
为实现上述的光合生物形成沿光照方向的运动的目的，该扰流机构可具有多种结构形式。在本实施方式中，示例性举出了一种结构简单的扰流机构。如图1和图2所示，该扰流机构包括移动板3和多个扰流片4，驱动机构2用于驱动移动板3在培养区1内来回移动，多个扰流片4倾斜设置在移动板3的安装表面上并且沿该移动板3的移动方向间隔布置。这样，如图2所示，扰流片4为薄片形状，培养液盛放于一个水平放置的长方形水池中，而驱动培养液的移动板3和扰流片4放置于培养液的液面下，通过一定的机械结构固定于培养液下。在移动板3由驱动机构2驱动而带动扰流片4从右向左水平移动时，培养液流经倾斜设置的扰流片4的表面，大部分被引导向上沿光照方向D的反方向移动。同样地，移动板3带动扰流片4从左向右水平移动时，可引导培养液沿光照方向D移动。这样，移动板3带动扰流片4在培养液下方往复移动时，引导光合生物沿光照方向D来回运动，使得培养液中的光合生物间歇暴露在光照下。
本发明中，扰流片4相对于移动板3的安装表面的倾斜角度优选为20-80°，更优选为30-60°。
如上所述，光合生物的运动速度为5-500cm/s，更优选为40-400cm/s，可进一步提高光合生物的产量。采用本发明的扰流机构，移动版3的移动速度和频率决定了光合生物的运动速度，本发明的发明人在研究中发现，移动板3的移动速度为20-500cm/s，移动的频率为0.1-10Hz，可使光合生物的运动速度为5-500cm/s，移动板3的移动速度进一步优选为30-200cm/s，可使光合生物的运动速度为40-400cm/s，因此，移动板3的移动速度优选为20-500cm/s，更优选为30-200cm/s，移动的频率优选为0.1-10Hz。在上述优选情况下，可进一步提高光合生物的产量。
在本实施方式中，如图1和图2所示，培养装置包括围绕培养区1设置的侧壁5和底壁6，为了更好地引导培养区1内所有的光合生物运动，移动板3可移动地优选设置在底壁6上。为了方便设置，且为了使光合生物更好地沿光照方向（D）来回运动，移动板（3）优选沿光照方向（D）的垂直方向来回移动。
本发明中，扰流片4的宽度以侧壁5的宽度为限，扰流片4的高度与培养区1中容纳的培养液的设计液面高度之间的比值优选为1：3-20，更优选为1：3-10。
本发明中，含有微藻的培养液的液厚优选为3-30cm，更优选为10-20cm。
采用上述实施方式，可以使光合生物主要沿光照方向D来回运动，而不是全体光合生物沿水平方向运动，极大地节省了能耗。
此外，该培养装置可以形成为封闭的或暴露的，根据培养环境等条件而选择确定。即：该培养装置中可形成有顶部敞口以暴露培养区1，或者为避免光合生物因外界生物或灰尘的污染而受到影响，也可以是封闭的。
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，降低微藻的生产率，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。如图2所示，该培养装置还包括顶壁7且形成为箱型长方体，培养区1形成在箱型长方体的内腔中，并且顶壁7的高度高于培养液的设计液面高度。换言之，顶壁7与培养液的液面间隔开。此外，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，例如可以在培养区1中设置透明外罩等。
本发明中，驱动机构2优选为推杆电机，该推杆电机用于推动移动板3在培养区1内往复移动。
本发明中，光合生物包括微藻和光合细菌，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、金藻和三角褐指藻中的至少一种。
本发明中，对于培养光合生物的条件无特殊要求，可以采用本领域常用的条件，例如包括：温度为15-40℃，光强为2000-200000lux。
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，还可以在培养装置中设置有溶氧探测器、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，以便于实时观测和监控各个参数。
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。例如，培养微藻时，可以采用BG11培养液，能够提供微藻生长所需的氮、磷、钾等营养元素。
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，以蒸馏水作对照，在波长680nm处测定的含有微藻的培养液的吸光值。
光合生物的运动速度以藻液的流速表示：采用多普勒流速仪，测定藻液的流速。
实施例1
本实施例用于说明本发明的培养光合生物的方法。
采用如图1、图2所示的光合生物培养装置培养小球藻。采用BG11培养基，氮肥为0.3g/L尿素，控制温度为20-30℃之间，藻种起始浓度OD680为0.5，通入2%（v/v）的CO2通气培养。扰流片4由一组与水平方向成45度角的薄片构成，其高度为1cm，藻液液厚为10cm，启动光合生物培养装置中的扰流机构使移动板3带动扰流片4来回运动，调节其运动速度为50cm/s，频率为0.1Hz，藻液在扰流机构的驱动下发生上下运动，通过多普勒流速仪测定光合生物的运动速度为40-60cm/s。每天检测藻液的OD680值，连续培养14天后收获，其生长曲线见图3。
实施例2
本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，扰流片4由一组与水平方向成60度角的薄片构成，其高度为5cm，藻液液厚为15cm，启动光合生物培养装置中的扰流机构使移动板3带动扰流片4来回运动，调节其运动速度为200cm/s，频率为10Hz，藻液在扰流机构的驱动下发生上下运动，通过多普勒流速仪测定光合生物的运动速度为100-400cm/s。每天检测藻液的OD680值，连续培养14天后收获，其生长曲线见图3。
实施例3
本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，扰流片4由一组与水平方向成30度角薄片构成，其高度为4cm，藻液液厚为20cm，启动光合生物培养装置中的扰流机构使移动板3带动扰流片4来回运动，调节其运动速度为100cm/s，频率为5Hz，藻液在扰流机构的驱动下发生上下运动，通过多普勒流速仪测定光合生物的运动速度为60-150cm/s。每天检测藻液的OD680值，连续培养14天后收获，其生长曲线见图3。
实施例4
本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，启动光合生物培养装置中的扰流机构使移动板3带动扰流片4来回运动，调节其运动速度为20cm/s，频率为0.1Hz，藻液在扰流机构的驱动下发生上下运动，通过多普勒流速仪测定光合生物的运动速度为10cm/s-30cm/s。每天检测藻液的OD680值，连续培养14天后收获，其生长曲线见图3。
从图3可以看出，采用本发明方法培养光合生物，产量高。
将实施例1与实施例4进行比较可以看出，光合生物的运动速度为40-400cm/s，可进一步提高光合生物的产量。
本发明提供的培养光合生物的方法，通过驱动培养液沿光照方向来回运动，使光合生物间歇运动至培养液体表面并暴露在光照下，相对于现有的使全部培养液沿水平方向运动的培养方法，能够降低能耗，且能够提高光合生物的产量，本发明方法适用于光合生物的大规模生产。
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 (10)

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，该培养装置内形成有朝向光照方向(D)设置的培养区(1)，该培养区(1)用于容纳含有光合生物的培养液，其特征在于，使所述光合生物沿所述光照方向(D)来回运动；
其中，使所述光合生物沿所述光照方向(D)来回运动的方式包括：所述培养装置包括扰流机构及其驱动机构(2)，所述扰流机构能够由所述驱动机构(2)驱动在所述培养区(1)内移动，以引导所述光合生物沿所述光照方向(D)来回运动；
其中，所述扰流机构包括移动板(3)和多个扰流片(4)，所述驱动机构(2)用于驱动所述移动板(3)在所述培养区(1)内来回移动，所述多个扰流片(4)倾斜设置在所述移动板(3)的安装表面上并且沿该移动板(3)的移动方向间隔布置；
其中，所述光合生物的运动速度为40-400cm/s。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述扰流片(4)相对于所述移动板(3)的安装表面的倾斜角度为20-80°。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述扰流片(4)相对于所述移动板(3)的安装表面的倾斜角度为30-60°。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移动板(3)的移动速度为30-200cm/s，移动的频率为0.1-10Hz。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移动板(3)沿光照方向(D)的垂直方向来回移动。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述培养装置包括围绕所述培养区(1)设置的侧壁(5)和底壁(6)，所述移动板(3)可移动地设置在所述底壁(6)上，所述扰流片(4)的高度与所述培养区(1)中容纳的所述培养液的设计液面高度之间的比值为1：3-1：20。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述扰流片(4)的高度与所述培养液的设计液面高度之间的比值为1：3-1：10。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述培养液的设计液面的高度为3-30cm。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光合生物包括微藻和光合细菌，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。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述培养光合生物的条件包括：温度为15-40℃，光强为2000-200000lux。
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