CN105154317A - 一种连续式微藻培养反应器及其使用方法 - Google Patents

一种连续式微藻培养反应器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型的连续式微藻培养反应器及其使用方法，所述连续式微藻培养反应器由接种池，管式反应器，流量控制装置，气体分布器，采收池，循环管，泵和光照系统构成。基于微藻生长与产物积累所需条件的差异性，通过控制培养液流速，使微藻处在一定的基质梯度的营养条件下，同时，通过控制环境条件，尤其是光照强度，使得微藻细胞的生长与目标产物的积累均处于较适宜的条件下进行。该发明有利于提高微藻培养过程中目标产物的产率，有效地降低其生产成本。

Description

一种连续式微藻培养反应器及其使用方法
技术领域
本发明涉及生物工程技术领域，具体地，本发明涉及一种新型的连续式微藻培养反应器及其使用方法。
背景技术
微藻是一类光驱动的“细胞工厂”，它可以通过光合作用将二氧化碳和水转化成多种化学物质，它可以积累大量的油脂以及烃类物质，是一种优良的能源生物，另外，它还可以积累大量的蛋白质、脂肪酸、维生素、矿物质、抗氧化物质等，一些藻类还含有一些其他的活性物质，如富含胡萝卜素的螺旋藻，富含虾青素的雨生红球藻等，因此，微藻可以应用于动物饵料、食品、药品以及食品添加剂等的生产。微藻的生长和代谢需要维持特定的营养条件和环境条件，但是，通常情况下，目标产物通常需要在一定的胁迫条件下才能大量积累。如在多种藻中，油脂的积累通常在氮缺乏的条件下大量积累(BrennanL,OwendeP.Biofuelsfrommicroalgae—Areviewoftechnologiesforproduction,processing,andextractionsofbiofuelsandco-products.RenewableandSustainableEnergyReviews,2010,14:557–577)，但是这一条件下不利于细胞生物量的积累，从而不能有效地提高油脂的产率；另外，在利用雨生红球藻(Haematococcuspluvialis)生产虾青素的过程中，培养过程中可分为明显的两个阶段，第一阶段需要在适宜雨生红球藻生长的条件下积累生物量，而后需要在一定的胁迫条件下，如高光强、氮缺乏等的条件下积累虾青素(ParkJ.C.,ChoiS.P.,HongM.E.,SimS.J.Enhancedastaxanthinproductionfrommicroalga,Haematococcuspluvialisbytwo-stageperfusionculturewithstepwiselightirradiation.BioprocessBiosystemEngineering,2014,37:2039–2047)。
基于微藻生长与代谢需求有所差异的特性，常规的培养方法不能得到较高的目标产物产率。传统的分批式培养可以通过培养后期调节培养条件促进产物的积累，但是分批式培养中生物量产率较低，从而不能得到较高的目标产物产率；而传统的连续式培养通常只是针对生物量的生长，不利于目标产物的积累。
发明内容
针对微藻生长及产物积累的生理特性，本发明的目的在于提供一种新型的连续式微藻培养反应器及其使用方法，通过控制培养液流速，使微藻处在一定的基质梯度的营养条件下，同时，通过控制环境条件，使得微藻细胞的生长与目标产物的积累均处于较适宜的条件下进行。该发明有利于提高微藻培养过程中目标产物的产率，有效地降低其生产成本。
为实现上述目的，本发明所述的一种新型的连续式微藻培养反应器包括接种池1，流量控制装置，管式反应器3，气体分布器，采收池5、循环管6、泵7以及光照系统8。管式反应器阵列式均匀排布于接种池与采收池之间，并与两池连通，流量控制装置设置在接种池与管式反应器的连接处，气体分布器均匀布置在管式反应器底部，循环管外接将采收池与接种池连通，光照系统设置于管式反应器的上方。
优选地，管式反应器以平行阵列式排布，反应器数目为5～20；管式反应器的长度为100～500m；直径优选0.2～1m。
通过流量控制装置，维持管式反应器内培养液的流速在1～3m/h，同时，需保证流体的雷诺数小于2000，使流体处于层流状态，以维持管道中的基质浓度梯度。
结合管式反应器的长度以及管内流体的流速，维持培养过程的循环周期在5～20天，使之与微藻的培养周期一致。
光照系统8选用LED灯条9，每根灯条均可移动，通过控制灯条的密度控制局部光强，以维持适宜微藻生长与代谢的光照条件。优选地，单根灯条的亮度在50～1000μmol/m2/s。
优选地，本发明所述新型的连续式微藻培养反应器，其使用方法如下：
(1)将微藻以合适的初始生物量接入到接种池1中，通过流量控制装置2控制培养液的流速，结合管式反应器3的尺寸，使得培养过程的循环周期与培养周期保持一致；
(2)针对微藻的生长特性，光照系统8设置合适的光照梯度，以促进细胞的前一阶段的生长以及后一阶段的产物积累；(不同的微藻所需的光强及光照梯度有所差异，因此没有一个统一的标准，但本领域技术人员通过相关文献可以获取这些参数)
(3)将采收池5中部分藻液采收后，剩余的部分藻液利用泵经循环管6循环至接种池1，同时在接种池中补充相应的新鲜培养基，实现微藻的循环连续式培养。
优选地，所述微藻的初始生物量为0.15-0.35g/L，进一步优选0.2-0.3g/L；从接种池到采收池沿管式反应器径向，光照强度由50～200μmol/m2/s逐步增加至200～800μmol/m2/s；采收池中5的培养液的循环比例优选5～15％。
与现有的微藻培养反应器相比，本发明所述的新型的连续式微藻培养反应器及其使用方法具有如下有益效果：
(1)本发明提供的培养方法可以实现培养液中的基质梯度，有利于前期细胞生物量的增长，同时后期营养物质的匮乏利于相关目标产物的积累；
(2)本发明提供的培养方法可以实现培养条件，尤其是光照的梯度控制，使得细胞生长和产物积累均能在适宜的条件下进行；
(3)本发明所述的连续式微藻培养反应器可以实现微藻的连续化培养，有利于提高生物量及目标产物的产率。
附图说明
图1本发明一种新型的连续式微藻培养反应器局部结构示意图。
图2本发明一种新型的连续式微藻培养反应器主视结构示意图。
图3本发明一种新型的连续式微藻培养反应器光照系统及灯条布置示意图。
其中：1、接种池，3、管式反应器，5、采收池，6、循环管，7、泵，8、光照系统9、LED灯条。
具体实施方式
为了更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，以雨生红球藻的培养测定该新型连续式微藻培养反应器的培养效果。
本发明的连续式微藻培养反应器如图1、2、3所示，管式反应器3阵列式均匀排布于接种池1与采收池5之间，并与两池连通，流量控制装置设置在接种池1与管式反应器3的连接处，气体分布器均匀布置在管式反应器3底部，循环管6外接将采收池1与接种池5连通，循环管6管路上设有泵7，光照系统8设置于管式反应器3的上方，光照系统8选用LED灯条9。
实施例1
(1)选用10根直径为0.8m，长度500m的管式反应器以阵列式排布，将雨生红球藻以0.2g/L的接种量接入培养装置中；
(2)通过流量控制装置，以3m/h的流速进行培养，同时维持管式反应器径向的光强分布由100μmol/m2/s逐步增加至500μmol/m2/s；
(3)培养7天后，开始收集细胞，同时以15％的比例将培养液循环至接种池。
培养效果测试：
培养过程中细胞的生物量产率和虾青素产率较常规培养方式分别提高了10.5％和15.3％。
实施例2
(1)选用5根直径为0.2m，长度200m的管式反应器以阵列式排布，将雨生红球藻以0.15g/L的接种量接入培养装置中；
(2)通过流量控制装置，以1.5m/h的流速进行培养，同时维持管式反应器径向的光强分布由50μmol/m2/s逐步增加至200μmol/m2/s；
(3)培养5天后，开始收集细胞，同时以12％的比例将培养液循环至接种池。
培养效果测试：
培养过程中细胞的生物量产率和虾青素产率较常规培养方式分别提高了11.3％和16.2％。
实施例3
(1)选用18根直径为1m，长度430m的管式反应器以阵列式排布，将雨生红球藻以0.3g/L的接种量接入培养装置中；
(2)通过流量控制装置，以2m/h的流速进行培养，同时维持管式反应器径向的光强分布由150μmol/m2/s逐步增加至400μmol/m2/s；
(3)培养12天后，开始收集细胞，同时以8％的比例将培养液循环至接种池。
培养效果测试：
培养过程中细胞的生物量产率和虾青素产率较常规培养方式分别提高了9.6％和14.8％。
实施例4
(1)选用20根直径为0.6m，长度480m的管式反应器以阵列式排布，将雨生红球藻以0.35g/L的接种量接入培养装置中；
(2)通过流量控制装置，以1m/h的流速进行培养，同时维持管式反应器径向的光强分布由180μmol/m2/s逐步增加至800μmol/m2/s；
(3)培养20天后，开始收集细胞，同时以5％的比例将培养液循环至接种池。
培养效果测试：
培养过程中细胞的生物量产率和虾青素产率较常规培养方式分别提高了13.5％和15.7％。
实施例5
(1)选用15根直径为0.4m，长度600m的管式反应器以阵列式排布，将雨生红球藻以0.25g/L的接种量接入培养装置中；
(2)通过流量控制装置，以2.5m/h的流速进行培养，同时维持管式反应器径向的光强分布由200μmol/m2/s逐步增加至600μmol/m2/s；
(3)培养10天后，开始收集细胞，同时以10％的比例将培养液循环至接种池。
培养效果测试：
培养过程中细胞的生物量产率和虾青素产率较常规培养方式分别提高了14.1％和15.9％。

Claims (8)

1.一种连续式微藻培养反应器，其特征在于，所述连续式微藻培养反应器包括接种池(1)，流量控制装置，管式反应器(3)，气体分布器，采收池(5)，循环管(6)，泵(7)以及光照系统(8)；管式反应器排布于接种池与采收池之间，并与两池连通，流量控制装置设置在接种池与管式反应器的连接处，气体分布器均匀布置在管式反应器底部，循环管外接将采收池与接种池连通，光照系统设置于管式反应器的上方。
2.根据权利要求1所述的连续式微藻培养反应器，其特征在于所述管式反应器以平行阵列式排布，管式反应器数目为5～20；管式反应器的长度为100～500m；直径0.2～1m。
3.根据权利要求1所述的连续式微藻培养反应器，其特征在于，光照系统(8)选用LED灯条(9)，每根灯条均可移动，通过控制灯条的密度控制局部光强，以维持适宜微藻生长与代谢的光照条件。
4.根据权利要求1所述的连续式微藻培养反应器，其特征在于，单根LED灯条的亮度在50～1000μmol/m2/s。
5.一种权利要求1所述连续式微藻培养反应器培养微藻的使用方法，其特征在于：
(1)将微藻以合适的初始生物量接入到接种池中，通过流量控制装置控制培养液的流速，结合管式反应器的尺寸，使得培养过程的循环周期与培养周期保持一致；
(2)针对微藻的生长特性，选择合适的光照梯度，以促进细胞的前一阶段的生长以及后一阶段的产物积累；
(3)将采收池(5)中的部分藻液采收后，剩余部分利用泵(7)经循环管(6)循环至接种池(1)，同时在接种池中补充相应的新鲜培养基，实现微藻的循环连续式培养。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述微藻的初始生物量为0.15-0.35g/L；沿管式反应器径向，光照强度由50～200μmol/m2/s逐步增加至200～800μmol/m2/s；采收池(5)中的培养液的循环比例为5～15％。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于通过流量控制装置维持管式反应器内培养液的流速在1～3m/h，同时，需保证流体的雷诺数小于2000，使流体处于层流状态，以维持管道中的基质浓度梯度。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于结合管式反应器的长度以及管内流体的流速，维持培养过程的循环周期在5～20天，使之与微藻的培养周期一致。
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