CN105331517B - 微藻培养系统、腔体式光生物反应器及微藻培养方法 - Google Patents

微藻培养系统、腔体式光生物反应器及微藻培养方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了微藻培养系统、腔体式光生物反应器及微藻培养方法。培养系统包括可容纳培养液和微藻的光生物反应器；所述反应器为密闭式；器壁为具有中空夹层结构的密封体和/或器壁的材质为轻质保温材料；反应器具有透气结构；培养液中含有碳酸氢盐。采用本发明的系统培养微藻，可以很好地控制反应器与所处水体环境之间的热交换，使反应器中的培养温度高于所处水体温度，以提高微藻的生长速度，但不至于温度过高而导致所培养微藻的死亡，其培养方法简单，成本低，培养效率高，适合于工业化应用。

Description

微藻培养系统、腔体式光生物反应器及微藻培养方法
技术领域
本发明涉及微藻生物技术领域，具体涉及微藻培养系统、腔体式光生物反应器及微藻培养方法。
背景技术
近些年来，自养微藻因其功能的多样性得到越来越多的关注。微藻可以作为一种新型的生物柴油原料。与大豆、甘蔗、麻枫树等能源作物相比，其具有生长周期短、光合作用速率快、油脂含量高等优点，有着良好的开发前景。微藻能够高效固定大气中的CO2，解决因化石燃料燃烧导致的环境问题。另外，微藻细胞中含有：蛋白质、脂类、多糖、类胡萝卜素、色素等高价值的营养成分，是优质的食品和饲料原料，也是化工、轻工和医药工业中用途极广的有机中间体，也可以是化妆品原料。
与其它生物一样，温度是影响微藻生长的一个至关重要因素。在传统的微藻培养系统中，长时间强光照射会导致封闭式光生物反应器内温度会升高10℃～30℃，而过高的温度会导致微藻产量下降，甚至引起微藻的死亡。因此，高效的微藻培养系统需要额外的温度控制系统，如喷洒水降温，但这导致了微藻生产的高成本。为了避免这种状况，有研究者开发了浸泡于水中、或漂浮在水面上的微藻培养系统，例如，美国Solix公司开发的浸泡于水中的微藻培养系统、Lee等人发明的漂浮式微藻培养系统、以及美国宇航局发明的漂浮式半透膜微藻培养系统等。
然而，上述漂浮式微藻培养系统商业化应用仍然受到了限制。首先，虽然所处水体可降低反应器内的温度，使其温度不至于升至过高而导致微藻细胞死亡，但是同时也把反应器内的温度降低到了与所处水体几乎相同的温度。由于水体的自蒸发作用，其温度通常都很低，例如，中国的海域中，渤海四个季度平均海洋表面温度分别为2.8℃、12.7℃、23.5℃和13.5℃，黄海四个季度平均海洋表面温度分别为8.4℃、14.9℃、24.1、17.1℃，东海四个季度平均海洋表面温度分别为16.8℃、21.7℃、28.0℃和23.0℃，南海四个季度平均海洋表面温度分别为25.1℃、28.2、29.1℃和27.1℃。过低的温度不利于微藻的生长，导致微藻的生长效率低下。比如，超嗜盐杆藻在不同温度下的生长速度明显不同(表1)。因此，提高反应器中的培养温度至关重要。
表1.超嗜盐杆藻在不同温度下培养5天的光密度
另外，无机碳源的供应对于微藻培养来说至关重要，而如何为漂浮式的反应器提供无机碳源是一个难题。像以上所述的漂浮式光反应器，采用封闭系统，并在其中鼓泡通入含有二氧化碳的压缩气体，这对大规模培养微藻来说其实是很难实现的。这需要为每个光反应器安装一个鼓泡通气的管道系统。一般来说，每个漂浮反应器的尺寸不可能做的很大，这就需要庞大数量的反应器进行大规模培养。在这种情况下，庞大数量的反应器的鼓泡通气需要非常复杂的压缩气体管道，这大大增加了每个反应器的制作成本和压缩气体管道的建设成本，同时会大大增加操作成本。而在大面积的水域表面架设如此复杂的通气管道，其建设难度更大，制作和操作成本更高，而且其被波浪破坏的风险很大，所以，在大规模生产中这是非常难实现的。而如果考虑利用敞开的反应器系统，虽然省去了鼓泡通气系统，而且有利于二氧化碳从空气中传递到培养液中，从而被微藻吸收，但是敞开系统由于蒸发的作用，其温度与水体本来的温度相差无几，不能形成温室效应，因此微藻生长慢，效率太低。
发明内容
鉴于现有技术中微藻培养器以及微藻培养中存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种用于微藻培养的系统，采用合理的设计，可有效调控系统温度。
本发明的技术方案为，微藻培养系统，包括可容纳培养液和微藻的光生物反应器；所述反应器为密闭式；所述反应器的器壁为具有中空夹层结构的密封体和/或器壁的材质为轻质保温材料；所述反应器具有透气结构；所述培养液中含有碳酸氢盐。
本发明所述轻质保温材料的“轻质”是指在水面上可漂浮。
本发明光生物反应器采用轻质保温材料制成，使其可以漂浮在水面上；当采用非轻质材料时，可以通过制作具有中空夹层结构的器壁以到达漂浮效果。
本发明微藻培养系统中，碳酸氢盐为微藻提供无机碳源，使其在光生物反应器中进行生长。微藻光合作用所产生的氧气通过具有透气不透水的密封结构(例如，具有透气不透水特性的密封膜)释放，或者通过透气口释放。
本发明提供的微藻培养系统，应用于敞开的具有波浪的水体表面，所述水体可以是，但不限于海洋、湖泊、河流、池塘、或水库。
本发明所述的微藻是任何可以在一定碳酸氢盐浓度条件下生长的真核微藻和蓝细菌，例如，所述的微藻可以选自杜氏藻(Dunaliella sp.)、小球藻(Chlorella sp.)、雨生红球藻(Hematococcus sp)、超嗜盐杆藻(Euhalothece sp.)、蓝杆藻(Cyanothece sp.)、螺旋藻(Spirulina.)、微鞘藻(Microcoleus sp.)、集胞藻(Synechocystis sp.)、球等鞭金藻(isochrysis sp)、小定鞭金藻(Prymnesium sp)、富油新绿藻(Neochlorisoleoabundans)、微拟球藻(Nannochloropsis)、或一种拉丁文名称为Picochlorum sp的微藻。
本发明提供的微藻培养系统，其光反应器在提供浮力的同时，还可减少反应器内部与所处水体之间的热交换，在阳光照射下形成一个漂浮式温室，维持的微藻培养温度高于光反应器所处的水体温度。
1)该培养系统置于有波浪的水体表面，利用波浪的能量实现反应器内培养液的混和，以满足微藻生长的传质要求。
2)该培养系统中光反应器的器壁采用具有中空夹层结构的密封体制成，或采用轻质保温材料制成，在提供浮力的同时，减少反应器内部与所处水体之间的热交换，在阳光照射下形成一个漂浮式温室，维持的微藻培养温度高于光反应器所处的水体温度。
3)达到保温效果，光反应器采用封闭的设计，微藻生长所需的无机碳源以碳酸氢盐的形式提供，以避免利用空气中的二氧化碳或通入含有二氧化碳的气体引起的热损失。
本发明的另一目的是提供一种腔体式光生物反应器，包括腔体，腔体具有腔壁，腔壁包括上腔壁；所述腔壁为具有中空夹层结构的密封体和/或腔壁的材质为轻质保温材料；所述腔体的上部设有进出料口和透气结构，所述进出料口和透气结构均穿过腔壁与腔体内部相通。
根据腔壁材质的不同，腔体式光生物反应器可为刚性或柔性。
进出料口也可采用透气不透水的密封结构。优选的该透气不透水的膜材料为膨体聚四氟乙烯。其一方面可以防止水体进入反应器内部，污染微藻。另一方面，可以光合作用产生的氧气透出去，降低溶氧的积累。
温度是微藻生长的重要因素，温度过低，微藻生长缓慢，而温度过高，则容易引起微藻细胞的死亡，因此，控制微藻培养温度在合理范围内至关重要。然而利用电加热或通冷却水等手段控制温度是不现实的。
对于室外的微藻培养系统来说，反应器内的温度是由阳光输入的热量和反应器向外界传出的热量之间的动态平衡决定的。开放的水体温度较低，通过传热会降低培养系统内的温度，而与环境水体相同的温度通常并不是微藻生长理想的温度，温度过低不利于微藻的生长。
本发明提供的腔体式光生物反应器，其腔壁采用具有中空夹层结构的密封体，夹层中填充气体，例如空气。一方面，中空夹层结构不但为反应器在水面上的漂浮提供浮力，还由于空气的导热系数很低，可以起到保温效果；另一方面，中空夹层结构还有利于避免由于培养液的蒸发而在腔体壁上形成水雾，保证了光的高效进入，为微藻生长提高充足的光源。
作为另一种实施方式，该反应器的腔壁采用轻质保温材料制成，这同样可以同时起到保温和提供浮力的作用。保温效果可以通过调整腔壁的材质及其厚度来控制。例如，在冬季可以采用保温效果更好的材料以及腔壁厚度较大的反应器来培养微藻，以维持反应器内外较大的温差；而在夏季，水体温度较高时，可以采用导热系数较大的材料，并减小反应器腔壁的厚度，以维持一个较小的反应器内外温差，防止温度过高引起的对微藻的伤害。
因此，本发明提供的腔体式光生物反应器反应器，置于野外的水体(海面、江面、湖面、池塘、水库等水体)表面，仍可以为微藻的提供利于其生长的、较为稳定的温度环境。
微藻的光合作用会产生氧气，如果氧气不在反应器内的气相中及时逸出，会造成培养液中过高的溶氧浓度，这会严重影响微藻细胞的生长，甚至导致死亡。因此，本发明的反应器的设计中，设置有透气结构，以供氧气逸出。
作为优选的技术方案，所述透气结构包括透气口和/或透气不透水的密封结构。
透气口一般采用小口径，优选地，其透气口直径为小于0.5cm。
优选使用的透气结构是透气但不透水的密封膜，这样在有效释放光合作用产生的氧气的同时，可以保证整个反应器的密封性，不至于造成培养液的流失。同时，室外环境下，可以避免雨水进入反应器。另外，由于透气不透水的密封结构维持了一个封闭环境，大气中的灰尘和重金属颗粒等污染物也无法进入反应器。细菌、真菌，微藻等微生物也无法进入，轮虫、卤虫等以摄食微藻的生物等，都无法通过该膜进入反应器内部，可以有效地避免这些污染。
作为优选的技术方案，所述密封体的材质为透明材料，使阳光尽多地输入到反应器中，为微藻生长提供光和热。
作为优选的技术方案，所述密封体的材质可以为，但不限于PVC(聚氯乙烯)、PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、或PA(聚酰胺)、PMMA(聚甲基丙烯酸酯)等塑料制品。
作为优选的技术方案，所述保温材料为泡沫塑料。
作为优选的技术方案，所述泡沫塑料可以为，但不限于PVC(聚氯乙烯)、PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、或PA(聚酰胺)、PMMA(聚甲基丙烯酸酯)或其它改性泡沫塑料产品。
作为优选的技术方案，所述腔壁由上腔壁、下腔壁和侧腔壁组成，所述侧腔壁在竖直方向上，由至少两个以上的中空密封单元Ⅰ组成，所述中空密封单元Ⅰ之间密封叠合。
相对于单层结构，这种中空密封单元Ⅰ密封叠合而成的侧壁结构，在波浪冲击时具有更好的平衡能力，有助于反应器的稳定。形成反应器的腔体侧壁中空密封单元Ⅰ优选为方形柱体结构。更为重要的是，多层独立结构的设计可以防止因某个独立结构漏气或破裂导致的整个反应器的下沉。
作为优选的技术方案，所述中空夹层结构的外层设有充气口，也称气门，用以填充气体，为反应器提供浮力。
作为优选的技术方案，所述上腔壁在水平方向上，由至少两个以上中空密封单元Ⅱ组成，所述中空密封单元Ⅱ之间密封连接。这种结构有利于维持反应器的三维形状和结构，更有利于防止水雾的生成，保证光的进入。
作为优选的技术方案，所述上腔壁由具有防雾功能的聚氯乙烯材料的薄膜构成，防雾的同时，增强入射光的强度。
作为优选的技术方案，所述腔体的底部连接有稳定部件，所述稳定部件为绳索或管道结构；所述管道结构的一端与所述腔体的内部连通，另一端设有可拆卸式密封结构。
本发明所提供的微藻培养系统漂浮在水面上时，波浪可以为反应器的混和提供动力，相对于传统的电能驱动的搅拌装置，波浪提供的动力是完全免费的，这可以显著地降低生产能耗和成本。但是，波浪提供混和动力的同时，也可能造成反应器的倾覆，因此，采取底部连接有稳定部件的设计，可增加反应器在水面上的稳定性。
作为稳定结构的改进结构，在腔体的底部安装一定长度的绳索，并坠以重物，以增加反应器的稳定性。
作为另一种稳定结构的改进结构，也可以在反应器腔体的底部安装一定长度的管道结构，提高对反应器的稳定作用。管道结构的一端与所述光生物反应器的腔体内部连通，另一端设有可拆卸式密封结构，如密封盖。
本发明还提供上述腔体式光生物反应器收集微藻的方法，以所述管道结构沉降微藻形成微藻浓缩液。微藻培养结束后，其所得细胞的收获一直是非常困难的问题。例如，在开放池系统中，通常细胞密度不到1g/L，如果通过离心或过滤的手段来实现微藻细胞的分离，需要大量的能耗和成本。在使用本发明的反应器时，所培养的藻液会进入到管道中，并在此管道中沉降，最终在软管底部形成微藻浓缩液，这可以大大方便微藻的收获过程，降低能耗和成本。
所述的管道结构的材料不予特别限定，可以采用不锈钢、PVC(聚氯乙烯)、PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)或PA(聚酰胺)等材料。
作为优选的技术方案，所述中空夹层结构中填充气体，例如空气。
本发明的再一个目的是提供一种采用以上所述的微藻培养系统或以上所述的腔体式光生物反应器培养微藻的方法。
作为优选的技术方案，该培养方法包括将微藻和含有可溶性碳酸氢盐的微藻培养液置于所述的腔体式光生物反应器中，然后将该腔体式光生物反应器置于有波浪的水体表面的步骤。
本发明提供的培养微藻的方法将装有微藻和微藻培养液的所述光生物反应器置于有波浪的水面中，利用波浪的能量为主要推动力实现反应器内培养液的混和，以满足反应器内传质要求。
微藻培养需要碳源，目前的培养系统一般靠在反应器中通入含有二氧化碳的气体或者利用空气中的二氧化碳来实现。通入含有二氧化碳的气体是一个非常有效的二氧化碳提供手段，但是，如前所述，对于大规模的微藻培养来说，为每一个光反应器安装一个二氧化碳通气系统的不现实的。而利用空气中的二氧化碳，必须采用开放式设计，以利于二氧化碳从气相从液相的传递。
对于工业化、大规模的密闭式培养系统，上述两种手段都不可行。为解决此问题，本发明所提供的培养系统利用碳酸氢盐为微藻生长提供碳源。
作为优选的技术方案，所述的可溶性碳酸氢盐为碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢钙、碳酸氢铵等可溶性碳酸氢盐中的至少一种。
可溶性碳酸氢盐在微藻培养液中的浓度可以根据微藻对碳酸氢盐浓度的耐受性和生产实际需要进行选择，其浓度可以是从极低的浓度至饱和浓度。
作为优选的技术方案，所述可溶性碳酸氢盐在微藻培养液中的浓度为0.01mol/L至其饱和浓度。
在可以耐受的范围内，碳酸氢盐浓度越高，其支持微藻细胞生长的可能密度越高。例如，如果微藻培养基中含有0.1mol/L的碳酸氢盐，如果这些碳酸氢盐全部被消耗，可以提供1.2g/L的无机碳。通常来说，微藻生物质的干重中含有约50％的碳，因此，从理论上来说这1.2g/L的碳可以供约2.4g/L的微藻生长。而且，很多微藻都可以在更高浓度的碳酸氢盐环境下生长，例如，超嗜盐杆藻可以在饱和的碳酸氢钠中生长，这个浓度已经高于1mol/L，这可以为其生长提供非常充足的碳源。
碳酸氢盐浓度较高时，可以选用嗜盐碱微藻，例如，杜氏藻(Dunaliella sp.)、小球藻(Chlorella sp.)、超嗜盐杆藻(Euhalothece sp.)、蓝杆藻(Cyanothece sp.)、螺旋藻(Spirulina sp.)、微鞘藻(Microcoleus sp.)、集胞藻(Synechocystis sp.)等，这些藻类对于高浓度的碳酸氢盐具有良好的耐受性。需要说明的是，本发明适用于任何一种可以在一定碳酸氢盐浓度下生长的微藻。
本发明的有益效果：
本发明提供的是微藻培养系统、腔体式光生物反应器及微藻培养方法。
本发明的微藻培养系统可漂浮在水体表面，利用波浪的能量实现系统内培养液混和微藻的震荡培养。
本发明的腔体式光生物反应器，接受光照支持微藻生长，同时利用光照提高反应器内温度通过反应器腔壁的设计和制作来控制反应器与所处水体环境之间的热交换，使反应器中的培养温度高于所处水体温度，以提高微藻的生长速度，但不至于温度过高而导致所培养微藻的死亡：
1、为避免过多的热量损失，该反应器结构的腔壁采用中空夹层设计，以减少壁面和环境之间的热交换，同时这种结构又使其稳定漂浮在水面提供浮力。
2、该反应器采用封闭的设计，以减少气体交换和蒸发引起的热损失。
3、侧壁设计成至少一个以上中空密封单元并叠合，且在反应器腔体底部设置有稳定结构，以提高反应器的漂浮性和稳定性。尤为重要的是，其能够防止因某个独立结构漏气或破裂导致的整个反应器的下沉。
利用本发明中与腔体式反应器下壁连通的管道结构，可以在管道中形成微藻浓缩液，大大方便微藻的收集。
本发明提供的微藻培养方法，采用碳酸氢盐作为碳源，一方面提供微藻生长所需要的碳源，同时避免鼓泡式提供碳源所带来的通气系统复杂而导致的反应器制作困难和高成本，也能避免通气的高能耗问题。
附图说明
图1腔体式光生物反应器用于微藻培养示意图；
图2腔体式光生物反应器结构示意图；
图3刚性腔体式光生物反应器正视图；
图4刚性腔体式光生物反应器俯视图；
图5柔性腔体式光生物反应器正视图；
图6柔性腔体式光生物反应器俯视图；
图7器壁材质为轻质保温材料的光生物反应器正视图；
图8器壁材质为轻质保温材料的光生物反应器俯视图；
图9刚性腔体式光生物反应器室内培养的超嗜盐杆藻生长曲线；
图10刚性腔体式光生物反应器室内培养的杜氏盐藻藻生长曲线；
图11刚性腔体式光生物反应器室外培养的超嗜盐杆藻生长曲线；
图12水体和不同底部结构的柔性反应器(PVC材料)内培养液温度变化((24)小时)；
图13水体和不同底部结构的柔性反应器(PVC材料)内培养液温度变化(12天)；
图14不同底部结构的柔性反应器(PVC材料)室外培养的超嗜盐杆藻生长曲线；
图中，1腔体；2腔壁；21上腔壁；22下腔壁；23侧腔壁；24中空密封单元Ⅰ；25中空密封单元Ⅱ；3中空夹层结构；4充气口；5进出料口；6透气口；7透气不透水的密封结构；8稳定部件；9可拆卸式密封盖；
A曲线：反应器1#，液面高度5厘米；
B曲线：反应器1#，液面高度10厘米；
C曲线：反应器2#，液面高度5厘米；
a曲线：双层充气底的反应器；
b曲线：单层底的反应器；
c曲线：水温。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。下述内容仅仅是对本申请要求保护的范围的示例性说明，本领域技术人员可以根据所公开的内容对本申请的发明做出多种改变和修饰，而其也应当属于本申请要求保护的范围之中。
实施例1腔体式光生物反应器
如图1、图2所示，该反应器包括腔体1，腔体1的腔壁2为具有中空夹层结构3的密封体，中空夹层结构3外层上设有充气口4。腔壁2由腔体1由上腔壁21、下腔壁22和侧腔壁23组成。
腔体1的上部分别设有进出料口5和透气口6，进出料口5和透气口6均穿过腔壁2与腔体1内部相通。使用时，通过进出料口5放入用于培养的物料，如微藻以及微藻培养液，并在微藻的培养过程中，也通过该进出料口，取样，观察微藻的生长情况。进出料口5和透气口6均设置了透气不透水的密封结构7，其具有透气不透水的膜材料。一方面，该膜材料可以透过光合作用产生的氧气，另一方面，使反应器处在封闭的状态，以减少气体交换和蒸发引起的热损失，提高反应器内的温度。
腔体1的底部连接有稳定部件8，稳定部件8为管道结构，管道结构的一端与光生物反应器的腔体内部连通，另一端设有可拆卸式密封结构9。在使用时，所培养的藻液中的一部分会进入该管道中，细胞在此管道中沉降，最终在软管底部形成微藻浓缩液，这可以大大方便微藻的收获过程，降低能耗和成本。
腔壁2的材质优选透明材料，可以采用硅酸盐玻璃；有机玻璃；塑料如聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或聚酰胺(PA)等。腔体形状可以采用扁平式、平板式、柱式、管式、袋式等形状，其中优选方形扁平结构，该结构利于其稳定性增强培养液的传质，而且，有利于增加其接受光照的面积。
实施例2刚性腔体式光生物反应器
如图3、图4所示，该反应器包括腔体1，腔体1的腔壁2由腔体1由上腔壁21、下腔壁22和侧腔壁23经粘合连接而成。侧腔壁23和下腔壁22均为具有中空夹层结构3的密封体。腔体1的上部分别设有进出料口5和透气口6，进出料口5和透气口6均穿过腔壁2与腔体1内部相通。
使用时，通过进出料口5放入用于培养的物料，如微藻以及微藻培养液，并在微藻的培养过程中，也通过该进出料口，取样，观察微藻的生长情况。进出料口5和透气口6均设置了透气不透水的密封结构7，其具有透气不透水的膜材料。在培养过程中，一方面，该膜材料可以透过光合作用产生的氧气，另一方面，使反应器处在封闭的状态，以减少气体交换和蒸发引起的热损失，提高反应器内的温度。
在本实施例中制作的刚性腔体式光生物反应器，其形状为方形，腔壁2为具有中空夹层结构3的高透明的有机玻璃，玻璃厚度为1.0cm，中空夹层厚度为2.0cm。按照此方法，制作光生物反应器1#和2#，其中反应器1#的长度为25.0cm，宽度为22.7cm，高度为14.0cm，反应器2#的长度为50.0cm，宽度为50.0cm，高度为12.0cm。
实施例3柔性腔体式光生物反应器
如图5、图6所示，该反应器包括腔体1，腔体1的腔壁2由腔体1由上腔壁21、下腔壁22和侧腔壁23组成。腔壁2为透明度很高的聚氯乙烯(PVC)薄膜。
侧腔壁23为具有中空夹层结构3的密封体，在竖直方向上，由3个中空密封单元Ⅰ24组成，中空密封单元Ⅰ24之间密封叠合，每一个中空密封单元Ⅰ都设有用于充气和放气的充气口4。
上腔壁21为具有中空夹层结构3的密封体，在水平方向上，由若干个中空密封单元Ⅱ25组成，所述中空密封单元Ⅱ25之间密封连接。腔体1的上部分别设有进出料口5和透气口6，进出料口5和透气口6均穿过腔壁2与腔体1内部相通。
本实施例中制作了两个尺寸为40×40×20的长方形的光生物反应器3#和4#，其区别是：反应器3#的底部是单层的，反应器4#底部是夹层结构的，使用时，充入空气，充气厚度的为2.0cm。
实施例4器壁材质为轻质保温材料的腔体式光生物反应器
如图7、图8所示，该反应器包括腔体1，上腔壁21，下腔壁22和侧腔壁23。腔体1的上部分别设有进出料口5和透气口6，进出料口5和透气口6均穿过上腔壁21与腔体1内部相通。其中下腔壁22和侧腔壁23均为轻质保温的发泡聚乙烯塑料，厚度为3.0厘米。上腔壁21材质，优选的为具有防雾功能的聚氯乙烯，厚度为0.1厘米。本实施例中制作了一个尺寸为40×40×20的长方形的光生物反应器5#。
实施例5刚性腔体式光生物反应器室内培养微藻
利用实施例2中所述的光生物反应器1#和2#，在室内培养超嗜盐杆藻和杜氏盐藻，其培养基配方如下：其中表2为超嗜盐杆藻培养基，表3为杜氏盐藻培养基。
表2超嗜盐杆藻培养基
表3杜氏盐藻培养基
将上述培养基配方成分按比例溶于蒸馏水中，得微藻培养液。超嗜盐杆藻的培养：在光反应器1#中添加该微藻培养液，直至达到10.0cm的液层厚度，选取对数生长期的超嗜盐杆藻(Euhalothece ZM001)以10％接种率接种，初始接种密度为分别为0.20g/L。具有波浪的池内水温恒定为20±1℃，室内人工光源下培养，光强恒定为300μmol E/m2/s。
杜氏盐藻的培养：在光反应器1#中添加该微藻培养液，直至达到10.0cm的液层厚度，并选取对数生长期的杜氏盐藻，以10％接种率接种，初始接种密度为分别为0.10g/L.具有波浪的池内水温恒定为20±1℃，室内人工光源下培养，光强恒定为300μmol E/m2/s。
开始养殖，每天定时取样测干重。测干重方法如下：
准确量取藻液40ml，10000rpm离心10分钟收集藻细胞，量取10g/L的氯化钠水溶液40mL清洗收集的藻细胞，重复两次。最后收集的藻细胞加入5mL的氯化钠水溶液中，于105℃下烘干至质量恒定，用精密分析天平称量藻细胞干重，并计算微藻的干重。
结果：如图9、10中的曲线所示，本发明的光生物器能够培养超嗜盐杆藻和杜氏盐藻。其中，超嗜盐杆藻在第九天时，细胞浓度最大，此时的浓度Cx＝2.29g/L。且在第四天时，其体积产率最大，为0.61g/L/d。杜氏盐藻在第7天时取得最大细胞浓度为0.72g/L。从上述数据可以看出，采用本发明的光生物反应器在培养条件下培养的微藻可以达到较高的细胞浓度。
实施例6刚性腔体式光生物反应器室外培养微藻
利用实施例2中所述的光生物反应器1#和2#，在室外培养超嗜盐杆藻，其培养基配方以及培养液的制备同实施例4。温度和光照不做任何人工处理，完全依赖自然条件。
开始养殖，每天定时取样测干重。测干重方法如同实施例2。
结果：由图11所示，本发明的光生物反应器1#和2#，在室外条件下均能够成功培养超嗜盐杆藻。其中反应器1和2培养的最大细胞浓度依次位，1.47g/L，1.28g/L(分别对应图11中的C和B)。如图11中的A所示，其最大浓度0.95g/L。
结论：从上述数据可以看出，采用本发明的光生物反应器和培养条件下培养的微藻可以达到较高的细胞浓度，且其能耗、培养、操作成本低。
实施例7柔性腔体式光生物反应器室外培养微藻
利用实施例3中所述的光生物反应器3#和4#，在室外培养超嗜盐杆藻。漂浮条件和反应器内温度测定：将制作好的反应器漂浮于室外具有波浪的水池中，在上述光反应器中3和4中添加该微藻培养液，并选取对数生长期的Euhalothece ZM001，初始接种密度为0.20g/L，在这种情况下，分别测量反应器内部和其所处水体的温度、光强在早7时至晚19时时间段内的变化。
由图12可见，在7点-13点时间范围内，由于阳光的照射，培养液温度逐渐增加，并在13时达到最大，为29℃。另一方面，池内的水温也会升高，与反应器内不同的是，其在15时到最高温度，为23.9℃，且低于反应器的培养液温度，这是因为水的比热熔很大，因此水体温度改变不大。应该指出的是，在一天的实验时间范围内，漂浮式温室反应器内均比所处水体的温度高，且他们之间的最大温差出现在13时，为5.7℃，说明本发明的光生物反应器具有较好的保温性。
如图12所示，单层反应器内的温度会比水温度高，但是温度差介于-0.1到0.7℃，并没有多大的显著性差异。与单层底部的反应器相比，具有空气夹层底部的反应器，可以形成较大的温度差(5.7℃)。底部具有充气结构的反应器和水温有较大的温度差异由于充气的空气层的热阻较大阻碍了热量的传递，从而保持较高的温度。在此需要指出的是，如图13所示，具有空气夹层底部的反应器在整个培养周期内(白天)都维持比水体和单层反应器内的培养液较高的温度，说明本发明的反应器具有较好的的保温功能，且较稳定。而且这个温度差可以通过调节空气层的厚度和占整个底面积的比例来实现，以此可以通过反应器底部的设计来实现反应器内温度的调控。但是。在实际生产中，使用何种反应器映取决于培养的藻种，不同的藻种具有不同的适宜的生长温度范围。
在本实施例中所选的超嗜盐杆藻是一种具有较高最适生长温度的微藻，较高的温度利于其生长。因此，具有保温功能的反应器能够促进其生长。如图14所示，反应器4#的微藻最终生物量达到0.89g/L，而反应器3#的最终生物量只有0.67g/L。由此可知，本实施例的反应器，在室外能够培养微藻，且具有保温功能，并能够促进微藻的生长。
结论：从上述数据可以看出，采用本实施例的光生物反应器和培养条件下培养的微藻可以达到较高的细胞浓度，其保温效果良好，可以维持细胞较快的生长。

Claims (16)

1.微藻培养系统，包括可容纳培养液和微藻的光生物反应器；其特征在于，
所述反应器为密闭式；
所述反应器的器壁为具有中空夹层结构(3)的密封体，所述中空夹层结构（3）的密封体由至少两个中空密封单元Ⅰ(24)组成，中空密封单元Ⅰ(24)之间密封叠合；
所述反应器具有透气结构；
所述培养液中含有碳酸氢盐；
所述的微藻选自杜氏藻（Dunaliella sp.）、小球藻（Chlorella sp.）、雨生红球藻（Hematococcus sp.）、超嗜盐杆藻（Euhalothece sp.）、蓝杆藻（Cyanothece sp.）、螺旋藻（Spirulina.）、微鞘藻（Microcoleus sp.）、集胞藻（Synechocystis sp.）、球等鞭金藻（isochrysis sp. ）、小定鞭金藻(Prymnesium sp.) 、富油新绿藻（Neochlorisoleoabundans）、微拟球藻（Nannochloropsis）、或一种拉丁文名称为Picochlorum sp. 的微藻。
2.根据权利要求1所述的微藻培养系统，其特征在于，所述系统应用于具有波浪的水体表面，所述水体为海洋、湖泊、河流、池塘、或水库。
3.腔体式光生物反应器，其特征在于，包括腔体(1)，腔体(1)具有腔壁(2)，所述腔壁(2)为具有中空夹层结构(3)的密封体,由上腔壁(21)、下腔壁(22)和侧腔壁(23)组成，所述侧腔壁(23)在竖直方向上，由至少两个中空密封单元Ⅰ(24) 组成，所述中空密封单元Ⅰ(24)之间密封叠合；所述腔体(1)的上部设有进出料口(5)和透气结构，所述进出料口(5)和透气结构均穿过上腔壁(21)与腔体(1)内部相通。
4.根据权利要求1所述的微藻培养系统或权利要求3所述的腔体式光生物反应器，其特征在于，所述透气结构包括透气口(6)和/或透气不透水的密封结构(7)。
5.根据权利要求1所述的微藻培养系统或权利要求3所述的腔体式光生物反应器，其特征在于，所述密封体的材质为透明材料。
6.根据权利要求1所述的微藻培养系统或权利要求3所述的腔体式光生物反应器，其特征在于，所述密封体的材质为高分子聚合物材料。
7.根据权利要求6所述的腔体式光生物反应器，其特征在于，所述高分子聚合物材料为聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸酯或聚酰胺。
8.根据权利要求3所述的腔体式光生物反应器，其特征在于，中空夹层结构(3)的外层设置有充气口(4)。
9.根据权利要求3所述的腔体式光生物反应器，其特征在于，所述上腔壁(21)在水平方向上，由至少两个中空密封单元Ⅱ(25)组成，所述中空密封单元Ⅱ(25)之间密封连接。
10.根据权利要求3所述的腔体式光生物反应器，其特征在于，所述腔体(1)的底部连接有稳定部件(8)；所述稳定部件(8)为绳索、锚、或管道结构；所述管道结构的一端与所述腔体(1)的内部连通，另一端设有可拆卸式密封结构(9)。
11.根据权利要求1所述的微藻培养系统或权利要求3所述的腔体式光生物反应器，其特征在于，所述中空夹层结构(3)中填充气体。
12.采用权利要求11所述腔体式光生物反应器收集微藻的方法，其特征在于，以所述管道结构沉降微藻形成微藻浓缩液。
13.一种微藻培养方法，其特征在于，该方法采用权利要求1或2所述的微藻培养系统或采用权利要求3～11的任一项权利要求所述的腔体式光生物反应器培养微藻。
14.根据权利要求13所述的培养方法，其特征在于，该培养方法包括将微藻和含有可溶性碳酸氢盐的微藻培养液置于所述的腔体式光生物反应器中，然后将该腔体式光生物反应器置于有波浪的水体表面的步骤。
15.根据权利要求14所述的培养方法，其特征在于，所述可溶性碳酸氢盐为碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢钙、碳酸氢铵中的至少一种。
16.根据权利要求13或14所述的培养方法，其特征在于，所述可溶性碳酸氢盐在微藻培养液中的浓度为0.01mol/L 至其饱和浓度。
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