CN106609245A - 一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法，其步骤为：将微藻细胞接种于固态材料，将接种后的固态材料置于反应器内部；在反应器内部设置产生温度差的冷凝装置；密封反应器，将反应器置于光照下，并通入培养所需气体；反应器内部逐渐形成蒸汽饱和环境，蒸汽冷凝在温差装置上，形成液态水；液态水通过重力滴落、毛细扩散、人工转移的方式定位凝结润湿微藻培养表面，然后重新蒸发成气态进入反应器空腔；反应器内部水分循环连续进行，带走微藻培养表面的高温并维持湿润。本发明通过连续不断的水分循环，保持了培养表面湿润，维持了微藻细胞温度适宜，使系统水足迹极大降低。

Description

一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法

技术领域

本发明属于微藻培养领域，尤其是一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法。

背景技术

微藻是指能够进行光合作用的水生浮游藻类。某些微藻本身富含蛋白质，可以作为水产饵料或畜禽饲料(如螺旋藻)；更重要的，某些微藻在特定条件下能够大量合成次生代谢物，如油脂、类胡萝卜素、多糖等，这些物质往往是具有极高经济价值的生物活性物质，可以被用在功能食品、食品添加剂、制药、生物能源等领域。特别是通过微藻大规模培养提取微藻油脂，进而转化生产生物柴油被认为是解决生物能源生产与固碳减排的最重要途径之一。目前，在全球范围内，微藻生物技术已经迅速形成了一条规模巨大的完整产业链，其中的规模培养是重要环节。

目前的工业化微藻培养均采用液体浸没式培养，主要包括开放式培养池与密闭式光生物反应器(photobioreactor,PBR)两种形式。开放式培养池的优点在于建造和运行的成本较低。但由于开放池的光照面积/体积比较小，液体表面与下部混合较差，只有表层藻细胞能够接受较充足的光照，池底细胞往往难以接受到充分光照；其次，开放池培养运行水深较浅，一般只有5-30厘米，使得通气补碳时气液接触时间短，补碳效率低，培养液中溶解二氧化碳(CO₂)的不足使光合作用受到抑制。因此开放池培养的细胞生长速度与培养密度均较低。PBR一般是采用透光材料(如玻璃、有机玻璃、塑料薄膜等)制成的细薄结构，由于光径小、培养体系光照面积/体积比较大，所以细胞光照较充分。同时，补碳气体与液体接触时间长，培养液溶解CO₂浓度较高，因而细胞生长速度与培养密度均较开放培养池高。但PBR通常造价昂贵、运行成本高、维护困难、难于大型化。针对这一问题在申请号201010250866.X一种用于微藻工业化生产的半干固态培养方法的专利中提出了一种新型的微藻半干贴壁培养方法。该方法通过将藻细胞附着在人工材料的方法实现了高密度养殖，同时通过反应器的结构优化实现了光能的稀释，从而避免了光抑制带来的光能损失。大量室内、室外实验表明，该方法的生物量产量能够达到50～80gm^-2d^-1，是传统跑道池系统的4～7倍，是目前光能利用效率较高的微藻培养方式。

但是，对于微藻半干贴壁培养方法还有一些问题没有解决，这其中尤以水耗问题最为突出。目前的贴壁培养系统其水耗非常大，这主要表现在两个方面：首先是蒸发量过大。由于其实特殊的多层阵列式结构，该培养体系内与空气直接接触的培养表面往往是相同占地面积跑道池的数倍至十倍，导致蒸发量较普通跑道池大幅增加；其次，系统保留水过多。由于现有的系统需要通过管道系统循环起来，所以必须保留一定量的富余水体在外部蓄水池中，否则相关水泵无法正常工作。我国是十分缺水的国家，人均水资源占有量远低于世界平均水平，这一基本国情导致高耗水产业很难有发展前途。即使大部分水可以通过各种技术重复利用，但其间的人力物力消耗十分巨大，事实上，目前的微藻养殖产业，废水回用大多还只是一句口号。此外，高水耗更成了限制微藻产业发展的紧箍咒。我国水资源(包括淡水、海水)比较丰富的地区集中在南方、沿海一带，但这些地区往往是人口稠密、经济发达、寸土寸金的地区，而且气候条件湿润、多阴雨，并不适合发展微藻产业；相反广大西部地区地广人稀、日照充沛，但由于水资源极其缺乏，微藻反而没有用武之地。可见要想充分释放微藻在各个相关领域的潜力、切实推动微藻产业跨越式发展，降低培养过程的水耗是必须解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法。该方法可以减少水分的蒸发量，省略以往必须保留水量的管道循环系统，降低系统水足迹。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法，其步骤为：

(1)是将微藻细胞接种于固态材料，将接种后的固态材料置于反应器内部；

(2)在反应器内部设置产生温度差的冷凝装置；

(3)密封反应器，将反应器置于光照下，并通入培养所需气体；

(4)反应器内部逐渐形成蒸汽饱和环境，蒸汽冷凝在温差装置上，形成液态水；

(5)液态水通过重力滴落、毛细扩散、人工转移的方式定位凝结润湿微藻培养表面，然后重新蒸发成气态进入反应器空腔；

(6)反应器内部水分循环连续进行，带走微藻培养表面的高温并维持湿润。

优选的，所述步骤(1)中的微藻，包括但不限于：拟微拟球藻、小球藻、栅藻、三角褐指藻、金藻、杜氏藻、蓝藻。

优选的，所述步骤(1)的固态材料是指对微藻细胞无毒或毒性轻微的，具一定存液能力的多孔性吸水材料，包括各类滤纸、滤布、海绵、塑料泡沫、纤维织物材料。

优选的，所述步骤(1)的接种方式可以是任何能够使微藻细胞存在于固态材料表面和/或内部的途径、方法，包括但不限于：浸没、喷撒、过滤、涂抹、注射等。

优选的，所述步骤(2)中的产生温差的冷凝装置为两端连接制冷机的中空钢管，所述中空钢管的数量不少于1根，其中每根中空钢管的两端均与制冷机相连，制冷介质在中空钢管内部和制冷机中循环流动。

优选的，所述制冷介质为2-10℃的冷却水或预冷空气。

优选的，所述制冷介质4℃的冷却水或预冷空气。

优选的，所述步骤(3)中的光照条件为室外光照下或室内人工光照下。

优选的，所述步骤(3)中的气体为混合有1.5％(V/V)二氧化碳的压缩空气。

优选的，所述步骤(3)中的气体为烟道气。

本发明基于现有的固态半干贴壁技术，对微藻生物量增殖及次生代谢物积累的半干固态培养方法中，水分供给方式进行改造，其核心内容是将培养表面密闭在一个腔室内，利用温度差在反应器内部使水蒸汽定位凝结润湿微藻培养表面，然后重新蒸发返回反应器空腔。

本发明中冷凝、润湿、重新蒸发的步骤是在微藻培养过程中连续、顺次进行的。

本发明中所述的温度差是指通过特定装置，使密闭容器内部特定区域的温度不高于反应器内水蒸气凝结温度(露点)。

本发明中所述定位凝结润湿微藻培养表面是指凝结的水分通过重力滴落、毛细扩散、人工转移等方法分布于培养表面，使其上的微藻细胞保持湿润但不脱离培养表面的状态。

本发明中所述重新蒸发是指培养表面用来润湿微藻的水分通过吸收反应器空腔热量、吸收光源辐射热量或人工加热等方式，重新变成气态回到反应器空腔的过程。

本发明采用密闭腔室的结构，能够有效地解决现有技术中水分蒸发量过大的问题，使水分能够通过冷凝的方式，循环再利用，一方面通过水分蒸发维持了微藻细胞的温度，保持了培养表面湿润，另一方面通过冷凝回流降低了水分的蒸发消耗量，减少了原有系统内过多的保留水，省略了培养装置中设置的保水管道，降低成本。

本发明的有益效果是，本发明的核心是利用温度差在反应器内部使水蒸汽定位凝结润湿微藻培养表面，然后重新蒸发返回反应器空腔，通过这种连续不断的水分循环，既保持了培养表面湿润，又维持了微藻细胞温度适宜。由于整个体系密封，所以水分蒸发损耗极大减少；由于利用了水的状态转换实现了定位补水，所以以往必须的管道保留水量可以完全省略，使系统水足迹极大降低。本发明将密封体系和冷凝装置结合起来，实现了水分在培养体系内部的状体转换并定位冷凝在固态培养材料上以润湿细胞，从而彻底解决了微藻培养耗水量巨大的问题。本发明有利于降低微藻培养的设备成本和运行成本。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法，其步骤为：

(1)是将微藻细胞接种于固态材料，将接种后的固态材料置于反应器内部；其中微藻包括但不限于：拟微拟球藻、小球藻、栅藻、三角褐指藻、金藻、杜氏藻、蓝藻；固态材料是指对微藻细胞无毒或毒性轻微的，具一定存液能力的多孔性吸水材料，包括各类滤纸、滤布、海绵、塑料泡沫、纤维织物材料；接种方式可以是任何能够使微藻细胞存在于固态材料表面和/或内部的途径、方法，包括但不限于：浸没、喷撒、过滤、涂抹、注射等。

(2)在反应器内部设置产生温度差的冷凝装置；产生温差的冷凝装置为两端连接制冷机的中空钢管，所述中空钢管的数量不少于1根，其中每根中空钢管的两端均与制冷机相连，4℃的冷却水或预冷空气在中空钢管内部和制冷机中循环流动。

(3)密封反应器，将反应器置于室外光照下或室内人工光照下，并通入培养所需气体；其中所需气体为混合有1.5％(V/V)二氧化碳的压缩空气，或烟道气。

(4)反应器内部逐渐形成蒸汽饱和环境，蒸汽冷凝在温差装置上，形成液态水；

(5)液态水通过重力滴落、毛细扩散、人工转移的方式定位凝结润湿微藻培养表面，然后重新蒸发成气态进入反应器空腔；

(6)反应器内部水分循环连续进行，带走微藻培养表面的高温并维持湿润。

实施例1

在长×宽为0.5m×0.5m，厚度0.003m的玻璃板表面覆盖一层分析滤纸，然后用1L BG11培养基浸湿。将栅藻细胞培养液通过真空抽滤附着于孔径0.45μm的醋酸纤维素滤膜上，生物量密度20g m^-2。将附着有栅藻细胞的醋酸纤维素滤膜平铺在分析滤纸上方，并置于一个玻璃箱体内部(长×宽×高分别0.5m×0.5m×0.03m，材料为厚度0.003m的普通玻璃)。玻璃箱体水平放置在日光灯光源下，微藻细胞接受光强为100μmol m^-2s^-1。在玻璃箱体内部、滤纸上方1cm处设置一根长0.5m的不锈钢中空钢管，中空钢管两端与制冷机相连。开启制冷机后，中空钢管内持续流过4℃的冷却水。玻璃箱体完全密封。玻璃箱体两个相对侧面的中部分别留有直径为0.003m的圆形开口，开口中插入内径0.003m的硅胶管作为进气口和排气口。进气为混合有1.5％(V/V)二氧化碳的压缩空气，压强0.1Mpa，流速1Lmin^-1。内部很快达到水蒸汽饱和，并在中空钢管管壁上凝结成水滴，受重力作用滴下，润湿下方滤纸和栅藻细胞。结果表明，栅藻在每层培养玻璃箱体内的生长速率在10d内稳定在8g m^-2d^-1。培养过程栅藻细胞膜始终保持有效湿润。

实施例2

一个长1m，宽0.5m，深0.3m的不锈钢槽，顶部开放。将20只内直径为3mm，长为0.5m的不锈钢中空钢管架在钢槽上，间距5cm。每根中空钢管两端连接制冷机。开启制冷机后，中空钢管内持续流过4℃的预冷空气。将接种有栅藻的普通分析滤纸(长宽均为0.5m)搭在中空钢管上，滤纸底端距离不锈钢槽5cm，光强稀释倍数为10倍。不锈钢槽顶部覆盖玻璃并密封。通过预留气孔向不锈钢槽内部通入含有1.5％(v/v)CO₂的压缩空气，压强0.1Mpa，流速1Lmin^-1。将装置整体置于室外开放环境，温度25～28℃，正午光强2000μmolm^-2s^-1。内部很快达到水蒸汽饱和，并在中空钢管管壁上凝结成水滴。水滴直接被滤纸吸收，并受重力作用和毛细作用沿滤纸下行到达最低端。结果表明，栅藻在每层培养不锈钢槽内的生长速率在10d内稳定在5～8g m^-2d^-1，反应装置占地面积生物量产量50～80g m^-2d^-1。培养过程微藻细胞膜始终保持有效湿润。

以上实施例中，将藻种替换为拟微拟球藻、小球藻、栅藻、三角褐指藻、金藻、杜氏藻、蓝藻等，或将通入的气体改为烟道气重复上述实验，所得结果相似，只是从简明起见不一一重复叙述。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法，其特征在于，其步骤为：

(1)是将微藻细胞接种于固态材料，将接种后的固态材料置于反应器内部；

(2)在反应器内部设置产生温度差的冷凝装置；

(3)密封反应器，将反应器置于光照下，并通入培养所需气体；

(4)反应器内部逐渐形成蒸汽饱和环境，蒸汽冷凝在温差装置上，形成液态水；

(5)液态水通过重力滴落、毛细扩散、人工转移的方式定位凝结润湿微藻培养表面，然后重新蒸发成气态进入反应器空腔；

(6)反应器内部水分循环连续进行，带走微藻培养表面的高温并维持湿润。

2.如权利要求1所述的一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法，其特征在于，所述步骤(1)中的微藻包括但不限于：拟微拟球藻、小球藻、栅藻、三角褐指藻、金藻、杜氏藻、蓝藻。

3.如权利要求1所述的一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法，其特征在于，所述步骤(1)中的固态材料是指对微藻细胞无毒或毒性轻微的，具一定存液能力的多孔性吸水材料，包括各类滤纸、滤布、海绵、塑料泡沫、纤维织物材料。

4.如权利要求1所述的一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法，其特征在于，所述步骤(1)中的接种方式可以是任何能够使微藻细胞存在于固态材料表面和/或内部的途径、方法，包括但不限于：浸没、喷撒、过滤、涂抹、注射等。

5.如权利要求1所述的一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法，其特征在于，所述步骤(2)中的产生温差的冷凝装置为两端连接制冷机的中空钢管，所述中空钢管的数量不少于1根，其中每根中空钢管的两端均与制冷机相连，制冷介质在中空钢管内部和制冷机中循环流动。

6.如权利要求5所述的一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法，其特征在于，所述制冷介质为2-10℃的冷却水或预冷空气。

7.如权利要求5所述的一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法，其特征在于，所述制冷介质4℃的冷却水或预冷空气。

8.如权利要求1所述的一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法，其特征在于，所述步骤(3)中的光照条件为室外光照下或室内人工光照下。

9.如权利要求1所述的一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法，其特征在于，所述步骤(3)中的气体为混合有1.5％(V/V)二氧化碳的压缩空气。

10.如权利要求1所述的一种基于固态半干贴壁技术的微藻培养方法，其特征在于，所述步骤(3)中的气体为烟道气。