CN105779269A - 光合生物反应器以及培养光合生物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光合生物反应器以及培养光合生物的方法，该光合生物反应器内形成有环形流道(1)，所述环形流道(1)的底部设有扰流构件(2)且所述环形流道(1)的顶部能够透光，该扰流构件(2)由驱动机构驱动沿所述环形流道(1)循环运动，从而驱使所述环形流道(1)内的培养液从所述环形流道(1)的底部向所述培养液的液面运动。本发明通过扰流构件的运动来驱动培养液流动，不仅可以节约能耗，而且能够获得更佳的培养效果。本发明的培养光合生物的反应器有利于光合生物大规模、低成本、高效率地进行室外培养。

Description

光合生物反应器以及培养光合生物的方法

技术领域

本发明涉及生物反应器领域，具体地，涉及一种光合生物反应器以及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以及减少CO₂排放等目的。

微藻一般在光生物反应器中进行培养。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，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。

光合微生物，如微藻，在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。一方面，该方法不容易解决易“逃逸”营养物质的损耗问题，比如CO₂；另一方面建立薄层流动也会导致较高的能耗。

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，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，因此，迫切需要新的养殖模式、养殖方法和养殖设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种可大规模、低成本、高效率地培养光合微生物的光合生物反应器。

其中，经过发明人的深入研究发现，为了达到上述降低能耗、提高培养效果的目的，不必低效耗能地使全部藻液沿着一定的方向流动起来，而只需在光生物反应器中设置扰流构件并通过扰流构件的规律运动来驱动藻液沿光照方向来回运动，使光合生物体的细胞间歇运动至培养液体表面并暴露在光照下即可达到更优的效果。

为了实现上述目的，本发明提供一种光合生物反应器，该光合生物反应器内形成有环形流道，所述环形流道的底部设有扰流构件且所述环形流道的顶部能够透光，该扰流构件由驱动机构驱动沿所述环形流道循环运动，从而驱使所述环形流道内的培养液从所述环形流道的底部向所述培养液的液面运动。

优选地，所述驱动机构包括移动带、驱动轮以及与所述驱动轮连接的电机，所述移动带和驱动轮布置于所述环形流道的底部，多个所述扰流构件间隔安装于所述移动带上，所述电机通过驱动轮来驱动所述移动带沿所述环形流道循环运动。

优选地，所述扰流构件具有长方形平面，所述长方形平面的长度方向与所述移动带的运动方向垂直，且所述长方形平面与所述移动带运动方向的夹角为20～80°。

优选地，所述扰流构件为扰流板。

优选地，所述扰流板的高度h与所述培养液的深度H的比值为1:2～1:20。

优选地，所述光合生物反应器还包括溶氧探测器、pH探测器、温度探测器、光强度探测器、电导率探测器和光合生物浓度探测器中的一种或多种。

本发明还提供一种培养光合生物的方法，所述方法为使用上述的光合生物反应器培养光合生物。

优选地，所述光合生物选自小球藻、栅藻、螺旋藻、金藻和三角褐指藻中的至少一种。

优选地，培养所述光合生物的条件包括：温度为15～40℃，光强为1000～200000lux。

优选地，所述光合生物的运动速度为5～500cm/s。

本发明的光合生物反应器包括允许培养液流动的流道和设于流道内的扰流构件，通过扰流构件的运动驱动培养液流动，不仅能够节约能耗，而且能获得更佳的培养效果。本发明的培养光合生物的反应器有利于光合生物大规模、低成本、高效率地培养。

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

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明具体实施方式的光合生物反应器的俯视图；

图2是本发明具体实施方式的光合生物反应器的A-A向剖视图；

图3是通过本发明的光合生物反应器进行培养的小球藻的生长曲线图。

附图标记说明

1环形流道2扰流构件

3培养液入口4培养液出口

5移动带6驱动轮

7电机

具体实施方式

以下结合附图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。

如图1和图2所示，本发明的光合生物反应器内形成有环形流道1以及连通该环形流道1的培养液入口3和培养液出口4，基于培养液的沉降性质考虑，在环形流道1的底部设有扰流构件2，而在环形流道1的顶部能够透光，该扰流构件2由驱动机构驱动沿环形流道1循环运动，从而驱使环形流道1内的培养液从环形流道1的底部向培养液的液面运动，从而使培养液内的生物体能够间歇运动至培养液表面以暴露在光照下。这样能大幅度节约能耗，并且能获得更佳的培养效果。本发明的培养光合生物的反应器有利于光合生物大规模、低成本、高效率地进行室外培养。

具体地，本发明中光合生物仅由扰流构件2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。

在本实施方式中，上述环形流道1中的“环形”是指环状的几何图形，在实施方式中环形流道1可为圆环、矩形环或者三角形环，且环形流道1均具有一定深度。矩形环是指一个大矩形挖去一个小的同心矩形剩下的部分，三角形环是指一个大三角形挖去一个小的同心三角形剩下的部分。本实施方式优选环形流道1为矩形环(参见图1)。同时，基于培养液的沉降特性考虑，本实施方式中将培养液入口3设于环形流道1的顶部，培养液出口4设于环形流道1的底部。

另外，流道的环形流道1通过流道壁限定，培养光合生物的环形流道1可以是开放式的也可以是封闭式的，为了避免光合生物因外界生物或灰尘的污染而受到影响，故环形流道1优选为封闭式。在本实施方式中的流道壁包括透明的顶壁，环形流道1透过透明的顶壁接受光照。在考虑到有些光合生物，例如微藻，在培养过程中容易贴壁，即微藻容易贴在流道壁的内壁上，这样会降低微藻对光能的利用率和光和效率，而降低微藻的生产率，因此，在使用封闭的环形流道1培养微藻时，培养液的液面与环形流道1的接受光照的面之间要保持一定距离。例如在本实施方式中，环形流道1内培养液的液面与流道壁的顶壁之间保持一定距离。

进一步地，本发明驱动机构可为多种形式，例如通过轨道与滑轮的配合使扰流构件2循环运动，也可以是通过齿圈和齿轮配合来使扰流构件2循环运动等。而作为一种优选的实施方式，驱动机构包括移动带5、驱动轮6以及与驱动轮6连接的电机7，移动带5和驱动轮6布置于环形流道1的底部。移动带5通过驱动轮6支撑定位并沿环形流道1的循环方向布置，多个扰流构件2间隔安装于移动带5上，电机7通过驱动轮6来驱动移动带5沿环形流道1的循环方向B进行循环运动，以在培养液经过环形流道1时搅动培养液，使得培养液内的生物体能够间歇运动至培养液表面以暴露在光照下。其中，移动带5和驱动轮6也可为多种形式，例如皮带与皮带轮，链条与链轮，等等。在本实施方式中优选移动带5为链条，驱动轮6为链轮。如图1所示，四个链轮分别布置于呈矩形环状的环形流道1的四角，使得链条沿环形流道1的循环方向B布置且不与环形流道1的侧壁接触。四个链轮中至少一个为主动轮，其余链轮为从动轮，从动轮的安装轴固定于环形流道1内，而从动轮能够绕安装轴旋转。如图2所示，电机7通过传动轴与主动轮连接，并通过该主动轮驱动链条移动。主动轮以键连接的方式固定于传动轴上，传动轴安装于轴承座上并穿过环形流道1的底壁，而使电机7能够布置于环形流道1下方(或者，电机7也可以布置在环形流道1的上方)。传动轴与底壁之间通过多个密封圈密封，能使传动轴既能相对转动，又能保证培养液不会从底壁泄露。

具体地，扰流构件2优选具有长方形平面。为了保证扰流效果，针对液体的流动性特点，使该长方形平面的长度方向与移动带5的运动方向(即循环方向B)垂直，且长方形平面与移动带5运动方向的夹角为20～80°。并且，在本实施方式中长方形平面的下端优选朝向移动带5的运动方向倾斜，扰流构件2在环形流道1内循环运动时，环形流道1内的培养液与扰流构件2的长方形平面碰撞而改变流动方向，即培养液会朝向环形流道1的顶部运动，从而使培养液内的光合生物间歇地接受光照。

其中，扰流构件2可为薄板或者可为棱线与移动带5运动方向垂直设置的三棱柱等，只要该扰流构件2具有上文中记载的长方形平面即可。在本实施方式中扰流构件2优选为扰流板，扰流板为长方形的薄板，移动带5带动多块扰流板循环运动，而加强对培养液的扰流效果。扰流板的长度方向与移动带5的运动方向(即循环方向B)垂直且扰流板与该移动带5的运动方向的夹角为20～80°(若该夹角大于80°，会使扰流板承受较大的流体阻力且很难起到使培养液向上运动的作用，若该夹角小于20°，同样会削弱扰流板的扰流效果)，且该夹角优选为30～60°。

另外，扰流板2的高度h(本实施方式中高度h为扰流板2顶端到环形流道1的底面的距离)与培养液的深度H的比值为1:2～1:20，优选为1:3～1:10。培养液的深度H为3～30cm，优选为10～20cm。

另外，为了更好地观测培养条件和光合生物的生长状态，根据需要光合生物反应器还可以包括溶氧探测器、pH探测器、温度探测器、光强度探测器、电导率探测器和光合生物浓度探测器中的一种或多种，以便于实时观测和监控各个参数。

另外，本发明还提供一种培养光合生物的方法，该方法为使用上述的光合生物反应器培养光合生物。其中，光合生物的运动速度为5～500cm/s，优选为40～200cm/s，在较为强烈的光照下，运动速度越高则培养效果越好。培养光合生物的条件包括：温度为15～40℃，光强为1000～200000lux。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BG11培养液，其能够提供光合生物生长所需的氮、磷、钾等营养元素。光合生物包括微藻和光合细菌，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。本实施方式的光合生物优选为微藻。目前，具有较大的产业利用价值的产油工程微藻为小球藻属的微藻，例如小球藻、原始小球藻、蛋白核小球藻和普通小球藻中的至少一种。

以下将结合实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

在以下实施例和对比例中，小球藻均购自中国科学院水生生物研究所，培养液为BG11培养液。其中，OD值是指采用分光光度计，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，在此条件下测定的OD值记作OD₆₈₀。而藻液(即含有小球藻的培养液)的运动速度采用多普勒测速仪进行测定。图3是各实施例中小球藻的生长曲线图，以在波长680nm处测定的含有小球藻的培养液的吸光值OD₆₈₀来直观地体现各实施例中小球藻的生长情况。

实施例1

采用如图1、图2所示的光合生物反应器培养小球藻。采用BG11培养基，氮肥含量为0.3g/L，控制培养温度在20～30℃之间，藻种起始浓度的OD₆₈₀为0.5，通入体积比为2％(v/v)的CO₂进行通气培养。扰流构件由一组与移动带5运动方向成45°夹角的扰流板构成，其高度h为2cm，藻液的深度H为10cm。启动电机7使光生物反应器中的扰流构件沿环形流道1进行循环运动，调节扰流构件的运动速度，通过多普勒测速仪测得此条件下小球藻的运动速度为54cm/s。每天检测并记录藻液的OD₆₈₀值，连续培养15天后收获，其生长曲线见图3。

实施例2

同实施例1，不同之处在扰流构件由一组与移动带5运动方向成50°夹角的扰流板构成，其高度h为1cm，藻液的深度H为6cm。启动电机7使光生物反应器中的扰流构件沿环形流道1进行循环运动，调节扰流构件的运动速度，通过多普勒测速仪测得此条件下小球藻的运动速度为109cm/s。每天检测并记录藻液的OD₆₈₀值，连续培养15天后收获，其生长曲线见图3。

实施例3

同实施例1，不同之处在扰流构件由一组与移动带5运动方向成30°夹角的扰流板构成，其高度h为5cm，藻液的深度H为15cm。启动电机7使光生物反应器中的扰流构件沿环形流道1进行循环运动，调节扰流构件的运动速度，通过多普勒测速仪测得此条件下小球藻的运动速度为52cm/s。每天检测并记录藻液的OD₆₈₀值，连续培养15天后收获，其生长曲线见图3。

对比例

同实施例1，不同之处在于，光合生物反应器不启动扰流件且用浆轮驱动藻液沿流道循环流动(即采用跑道池的驱动方式，同时本发明的扰流构件为静止的扰流件)，通过多普勒测速仪测得此条件下小球藻的运动速度为60cm/s。每天检测并记录藻液的OD₆₈₀值，连续培养15天后收获，其生长曲线见图3。

从以上实施例可以看出，本发明的光合生物反应器可以高效率地驱动培养液流动，这样既能节约能耗，又能获得更佳的培养效果，有利于光合生物大规模、低成本、高效率地进行室外培养。

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)

1.一种光合生物反应器，其特征在于，该光合生物反应器内形成有环形流道(1)，所述环形流道(1)的底部设有扰流构件(2)且所述环形流道(1)的顶部能够透光，该扰流构件(2)由驱动机构驱动沿所述环形流道(1)循环运动，从而驱使所述环形流道(1)内的培养液从所述环形流道(1)的底部向所述培养液的液面运动。

2.根据权利要求1所述的光合生物反应器，其特征在于，所述驱动机构包括移动带(5)、驱动轮(6)以及与所述驱动轮(6)连接的电机(7)，所述移动带(5)和驱动轮(6)布置于所述环形流道(1)的底部，多个所述扰流构件(2)间隔安装于所述移动带(5)上，所述电机(7)通过驱动轮(6)来驱动所述移动带(5)沿所述环形流道(1)循环运动。

3.根据权利要求2所述的光合生物反应器，其特征在于，所述扰流构件(2)具有长方形平面，所述长方形平面的长度方向与所述移动带(5)的运动方向垂直，且所述长方形平面与所述移动带(5)运动方向的夹角为20～80°。

4.根据权利要求3所述的光合生物反应器，其特征在于，所述扰流构件(2)为扰流板。

5.根据权利要求4所述的光合生物反应器，其特征在于，所述扰流板的高度h与所述培养液的深度H的比值为1:2～1:20。

6.根据权利要求1所述的光合生物反应器，其特征在于，所述光合生物反应器还包括溶氧探测器、pH探测器、温度探测器、光强度探测器、电导率探测器和光合生物浓度探测器中的一种或多种。

7.一种培养光合生物的方法，其特征在于，所述方法为使用权利要求1～6中的任一项所述的光合生物反应器培养光合生物。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光合生物选自小球藻、栅藻、螺旋藻、金藻和三角褐指藻中的至少一种。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，培养所述光合生物的条件包括：温度为15～40℃，光强为1000～200000lux。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光合生物的运动速度为5～500cm/s。