CN107699493B - 一种微藻养殖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微藻养殖技术领域，尤其涉及一种微藻养殖方法。通过采用无机碳源和有机碳源轮流切换的方式对微藻进行养殖，可通过异养对自养条件下产生的污染物进行抑制，并通过自养对异养条件下产生的污染物进行抑制，从而能够使微藻实现持续稳定量产。本发明实施例提供一种微藻养殖方法，包括：采用无机碳源和有机碳源轮流切换的方式对微藻进行养殖。本发明实施例用于微藻养殖。
Description
技术领域
本发明涉及微藻养殖技术领域，尤其涉及一种微藻养殖方法。
背景技术
微藻是一类在陆地、海洋分布广泛，营养丰富、光合利用度高的自养植物，细胞代谢产生的多糖、蛋白质、色素等，使其在食品、医药、基因工程、液体燃料等领域具有很好的开发前景。
在现有技术中，通常将微藻置于光照条件下，通过微藻的光合作用固定二氧化碳实现微藻的养殖，在对微藻养殖过程中，光照、温度、湿度、营养物质等条件发生变化时，都会对微藻的生长繁殖产生影响，随之而来的，也会导致污染物(如原生动物和细菌等)的爆发，从而会对微藻的产量产生影响。
研究表明，有些微藻也可利用有机碳源进行异养生长，而不需要光作为能量来源，在环境因素可控的异养条件下，微藻的生长速度是在光合自养下的几倍、几十倍甚至是成百倍，但异养养殖系统往往不能长期稳定量产，原因大多是因为异养养殖时容易出现大量的细菌污染，污染难以控制，另外，长期的异养养殖会使得微藻的色素逐渐衰退，细胞的活性状况持续下降，从而使得高产难以维持。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种微藻养殖方法，通过采用无机碳源和有机碳源轮流切换的方式对微藻进行养殖，可通过异养对自养条件下产生的污染物进行抑制，并通过自养对异养条件下产生的污染物进行抑制，从而能够使微藻实现持续稳定量产。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明实施例提供一种微藻养殖方法，包括：
采用无机碳源和有机碳源轮流切换的方式对微藻进行养殖。
可选的，具体包括：
采用无机碳源或有机碳源对微藻进行养殖，并对微藻中的污染物进行检测，若检测到污染物，且微藻的生物增长量开始下降时，切换碳源；
或者，采用无机碳源或有机碳源对微藻进行养殖，并对所述微藻的浓度进行检测，若检测到所述微藻的浓度大于等于第一预设阈值时，对所述微藻进行部分采收并切换碳源，使得切换碳源后的所述微藻的浓度处于第一预设范围内进行养殖。
可选的，若检测到污染物，且微藻的生物增长量开始下降时，切换碳源之后的保持时间至少为第一时间，所述第一时间是指微藻的生物增长速度恢复至或者超过所述微藻的生物增长量开始下降之前所需要的时间。
可选的，所述第一预设阈值等于所述第一预设范围的上限值。
可选的，对所述微藻进行部分采收并切换碳源之后，所述方法还包括：补加其他营养物质，并对所述微藻进行半连续养殖。
可选的，所述半连续养殖的更新周期大于0天小于等于5天。
可选的，在对所述微藻进行半连续养殖过程中，所述方法还包括：
检测所述微藻的生物增长量，当所述微藻的生物增长量下降时，对所述微藻进行部分采收并切换碳源。
可选的，所述无机碳源选自二氧化碳，所述有机碳源选自有机酸。
可选的，所述有机酸选自乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸中的一种或两种以上混合物。
可选的，所述无机碳源或所述有机碳源的添加量等于所述微藻的理论碳源需求量。
可选的，在采用有机碳源对微藻进行养殖或者当切换至有机碳源对微藻进行养殖时，所述方法还包括：根据所述微藻的pH值对所述有机酸的添加量进行调节。
可选的，在采用无机碳源和有机碳源轮流切换的方式对微藻进行养殖之前，所述方法还包括：在微藻养殖体系中添加浓度为0.5-5g/L的乙酸钠。
本发明实施例提供一种微藻养殖方法，当采用无机碳源对微藻进行养殖时，所述微藻为自养养殖，即，所述微藻通过光合作用固定二氧化碳，产生氧气，因此，在微藻达到一定的浓度时，水体溶氧量较高，这时，某些原生动物和好氧细菌会大量繁殖，从而会对微藻的生长产生影响；而当采用有机碳源对微藻进行养殖时，所述微藻为异养养殖，不再通过光合作用固定二氧化碳并产生氧气，而是通过消耗有机碳源和氧气提供能量进行繁殖，这时，氧气的减少能够抑制原生动物和好氧细菌继续生长，而随着异养养殖的进行，水体环境为低氧或无氧环境，适合该环境的厌氧细菌大量繁殖，会对微藻的生长产生影响，这时，通过切换至无机碳源进行养殖，微藻细胞在光合作用下产生氧气，随着水体溶氧量的提高，溶氧环境不适合厌氧细菌生长繁殖，从而又能够抑制厌氧细菌生长，如此不断循环，能够通过异养对自养条件下产生的污染物进行抑制，并通过自养对异养条件下产生的污染物进行抑制，从而能够使微藻实现持续稳定量产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种pH范围与小球藻的产量的关系图；
图2为本发明实施例提供的实施例1中实验组和对照组中小球藻进行半连续养殖的干重随更新周期的变化关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种微藻养殖方法，包括：
采用无机碳源和有机碳源轮流切换的方式对微藻进行养殖。
本发明实施例提供一种微藻养殖方法，当采用无机碳源对微藻进行养殖时，所述微藻为自养养殖，即，所述微藻通过光合作用固定二氧化碳，产生氧气，因此，在微藻达到一定的浓度时，水体溶氧量较高，这时，某些原生动物和好氧细菌会大量繁殖，从而会对微藻的生长产生影响；而当采用有机碳源对微藻进行养殖时，所述微藻为异养养殖，不再通过光合作用固定二氧化碳并产生氧气，而是通过消耗有机碳源和氧气提供能量进行繁殖，这时，氧气的减少能够抑制原生动物和好氧细菌继续生长，而随着异养养殖的进行，水体环境为低氧或无氧环境，适合该环境的厌氧细菌大量繁殖，会对微藻的生长产生影响，这时，通过切换至无机碳源进行养殖，微藻细胞在光合作用下产生氧气，随着水体溶氧量的提高，溶氧环境不适合厌氧细菌生长繁殖，从而又能够抑制厌氧细菌生长，如此不断循环，能够通过异养对自养条件下产生的污染物进行抑制，并通过自养对异养条件下产生的污染物进行抑制，从而能够使微藻实现持续稳定量产。
其中，所述微藻优选为可进行异养养殖的微藻，如小球藻(Chorella)、栅藻(Scenedesmus)、雨生红球藻(Haematococcus)、三角褐指藻(Phaeodactylum)、杜氏藻(Dunaliella)、金藻(Chrysophyta)和微拟球藻(Nannochloropsis)等。
其中，采用无机碳源和有机碳源轮流切换的方式对微藻进行养殖，具体包括两种可能的实现方式。
第一种可能的实现方式中，采用无机碳源或有机碳源对微藻进行养殖，并对微藻中的污染物进行检测，若检测到污染物，且微藻的生物增长量开始下降时，切换碳源。
在这种实现方式中，通过直接对所述微藻中的污染物和所述微藻的生物增长量进行检测，就能够确定该污染物是否对所述微藻的生长产生了影响，从而通过及时切换碳源，能够对所产生的污染物进行抑制，避免该污染物继续对微藻的生长产生影响。
优选的，若检测到污染物，且微藻的生物增长量开始下降时，切换碳源之后的保持时间至少为第一时间，所述第一时间是指微藻的生物增长速度恢复至或者超过所述微藻的生物增长量开始下降之前所需要的时间。有利于微藻稳定增长。
第二种可能的实现方式中，采用无机碳源或有机碳源对微藻进行养殖，并对所述微藻的浓度进行检测，若检测到所述微藻的浓度大于等于第一预设阈值时，对所述微藻进行部分采收并切换碳源，使得切换碳源后的所述微藻的浓度保持在第一预设范围内进行养殖。
在这种实现方式中，通过对微藻的浓度进行检测，能够侧面反映自养或异养的养殖情况，即在所述微藻的浓度大于等于第一预设阈值时，需要切换碳源以抑制微藻中产生的污染物，这时，通过对所述微藻进行部分采收，能够使所述微藻的浓度保持在一定的范围内，有利于微藻在合适的浓度条件下进行养殖。
其中，所述第一预设阈值等于所述第一预设范围的上限值。
本发明的一实施例中，对所述微藻进行部分采收并切换碳源之后，所述方法还包括：补加其他营养物质，并对所述微藻进行半连续养殖。
半连续养殖是指在微生物培养过程中，放出部分培养液进入提练加工工序，在剩余的培养液中加等体积的、新的未接种的培养液，继续培养，如此反复。半连续养殖高效易操作，营养利用充分。
本发明的一优选实施例中，所述半连续养殖的更新周期大于0天小于等于5天。半连续养殖过程中，通常情况下，随着更新周期的延长，微藻的浓度提高，培养液中越容易出现污染物，因此，通过将所述半连续养殖的更新周期控制在以上范围内，提高更新频率，能够降低感染污染物的几率，并能够通过培养液的更新对已出现的污染物进行抑制。
本发明的又一实施例中，在对所述微藻进行半连续养殖过程中，所述方法还包括：
检测所述微藻的生物增长量，当所述微藻的生物增长量下降时，对所述微藻进行部分采收并切换碳源。
在本发明实施例中，在半连续养殖过程中，当所述微藻的生物增长量下降时，对所述微藻进行部分采收并切换碳源，能够及时更新碳源对微藻中产生的污染物进行抑制。
示例性的，当以更新周期为3天，对微藻进行半连续养殖时，若在第一个更新周期(3天)后，需要对微藻进行部分采收时，微藻的浓度可以达到第一预设阈值，而在第二个更新周期(6天)后，需要对微藻进行部分采收时，微藻的浓度远小于所述第一预设阈值，或者，在第二个更新周期内如培养5天时，微藻的生物增长量下降，则对微藻进行部分采收并切换碳源，而不受半连续养殖的更新周期的限制。
本发明的又一实施例中，所述无机碳源选自二氧化碳，所述有机碳源选自有机酸。
优选的，所述有机酸选自乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸中的一种或两种以上混合物。
本发明的又一实施例中，所述无机碳源或所述有机碳源的添加量等于所述微藻的理论碳源需求量。微藻的理论碳源需求量是指碳源的添加量恰好能够满足微藻的生长需求，这样能够防止碳源添加过多而在切换碳源时残留有未消耗干净的碳源，以防止细菌的滋生。
其中，由于所述有机碳源选自有机酸，因此，在采用有机碳源对微藻进行养殖或者当切换至有机碳源对微藻进行养殖时，所述方法还包括：根据所述微藻的pH值对所述有机酸的添加量进行调节。以避免有机酸添加过量，并保证微藻在最佳的条件下(合适的pH值和有机碳源供应)生长。
具体的，可以对微藻的pH值进行检测，当所述pH值高于适合微藻生长的pH范围的上限值时，添加有机酸，而当所述pH值低于适合微藻生长的pH范围的下限值时，停止添加有机酸。
其中，适合微藻生长的pH范围是指pH值处于某一范围内时微藻利用有机酸生长速度最快。这可以通过设计平行实验获取。
本发明的又一实施例中，在采用无机碳源和有机碳源轮流切换的方式对微藻进行养殖之前，所述方法还包括：在微藻养殖体系中添加浓度为0.5-5g/L的乙酸钠。
在本发明实施例中，通过添加一定量的乙酸钠，在提供有机碳源即有机酸尤其是乙酸时，可在微藻养殖体系中形成“乙酸-乙酸钠”缓冲体系，使得整个系统的稳定更高，有利于微藻的稳定量产。
以下，将通过实施例对本发明进行详细说明，并通过实验组和对照组对本发明所产生的技术效果进行详细说明。
实施例1
所述实施例1以小球藻为例对微藻进行养殖。
1、确定适合小球藻生长的pH范围
设置三组实验组，在小球藻户外养殖中，初始接种浓度为0.6g/L，将乙酸稀释成含量为10％的乙酸溶液添加到养殖藻液中，参见图1，分别控制三组实验组中的pH值控制在6.5-7.2，7.2-8和8-8.8的范围内，养殖4天，每天取样测定干重值。如图1所示，pH值控制在7.2-8范围内时，小球藻的产量最高。
2、对小球藻进行养殖
分别设置实验组和对照组，对小球藻进行户外养殖，小球藻的初始接种浓度为0.4g/L。
在实验组中，将乙酸稀释成含量为10％后添加到养殖藻液中，并通过pH的反馈进行pH的监控，当pH高于8时添加乙酸，低于7.2时停止添加，使得pH值保持在7.2-8的范围内，养殖3-4天，对微藻进行部分采收，使得采收后的小球藻的浓度在0.5-1g/L之间，更换碳源为二氧化碳，停止乙酸的添加，并将pH值控制在7左右继续对小球藻进行养殖，养殖1-2天，再次切换碳源为乙酸，按照前述的pH控制方式进行养殖。整个半连续养殖过程中，更新周期为5天，更新次数为4次(约19天)，如图2所示为实验组和对照组中微藻的干重随更新周期的变化图，微藻的平均产量为34.5g/m2/d。
在对照组中，向藻液中通入CO2，并将pH值控制在7.2-8的范围内，对小球藻进行半连续养殖，由于对照组中小球藻的生物增长量较小，因此，由图2所示，对照组中小球藻的更新周期为8.5天，更新次数为2次(约19天)，并且每更新一次，小球藻在部分采收时的浓度相对于实验组均较小，小球藻的浓度始终保持在0.5-1g/L的范围内。养殖3、4天以后出现明显的原生动物生长，藻细胞的生长受到明显的影响。平均产量为12.0g/m2/d。
结论：实验组中有效防止养殖过程中的污染物爆发，细菌和原生动物的污染都得到了很好的控制，始终没有出现爆发影响微藻细胞生长的状况。实验组的产量相比对照组提高了187.5％。
实施例2
所述实施例2以小球藻为例对微藻进行养殖。
1、确定适合小球藻生长的pH范围
设置三组实验组，在小球藻户外养殖中，初始接种浓度为0.8g/L，将乙酸稀释成含量为10％的乙酸添加到养殖藻液中，分别控制三组实验组中的pH值控制在6.5-7.5，7.5-8.5和8.5-9.5的范围内，养殖4天，每天取样测定干重值。实验结果表明，pH值控制在7.5-8.5范围内时，小球藻的产量最高。
2、对小球藻进行养殖
分别设置实验组和对照组，对小球藻进行户外养殖，小球藻的初始接种浓度为0.3g/L。
在实验组中，控制pH值为7左右，采用二氧化碳作为碳源对微藻进行养殖，养殖3-4天，更换碳源为乙酸，将乙酸稀释成含量为10％后添加到养殖藻液中，并在藻液中添加浓度为0.5-5g/L的乙酸钠，通过pH的反馈进行pH的监控，当pH高于8.5时添加乙酸，低于7.5时停止添加，使得pH值保持在7.5-8.5的范围内，同时对微藻进行部分采收，使得采收后的小球藻的浓度在0.5-1g/L之间，继续对小球藻进行半连续养殖，更新周期为5天，更新次数为2次(约10天)，在半连续养殖过程中，通过检测获得在第二轮养殖时微藻的生物增长量下降，这时，更换碳源为二氧化碳，继续对微藻进行半连续养殖，更新周期为5天，更新次数为2次(约10天)，最终获得微藻的平均产量为36.8g/m2/d。
在对照组中，向藻液中通入CO2，并将pH值控制在7.2-8的范围内，对小球藻进行半连续养殖，由于对照组中小球藻的生物增长量与实验组相比较小，因此，与实施例1类似，对照组中小球藻的更新周期为8.5天，更新次数为2次(约19天)，并且每更新一次，小球藻在部分采收时的浓度相对于实验组均较小，小球藻的浓度始终保持在0.5-1g/L的范围内。养殖3、4天以后出现明显的原生动物生长，藻细胞的生长受到明显的影响。平均产量为13.0g/m2/d。
结论：实验组中有效防止养殖过程中的污染物爆发，细菌和原生动物的污染都得到了很好的控制，始终没有出现爆发影响微藻细胞生长的状况。实验组的产量相比对照组提高了183.1％。
实施例3
所述实施例3以栅藻为例对微藻进行养殖。
1、确定适合栅藻生长的pH范围
设置三组实验组，在栅藻户外养殖中，初始接种浓度为0.6g/L，将乙酸稀释成含量为10％的乙酸添加到养殖藻液中，分别控制三组实验组中的pH值控制在5.5-7，7-8.5和8.5-9的范围内，养殖4天，每天取样测定干重值。实验结果表明，pH值控制在7-8.5范围内时，栅藻的产量最高。
2、对栅藻进行养殖
分别设置实验组和对照组，对栅藻进行户外养殖，栅藻的初始接种浓度为0.4g/L。
在实验组中，控制pH值为7左右，采用二氧化碳作为碳源对栅藻进行养殖，养殖3-4天，发现藻液中出现明显的原生动物生长，且微藻的生物增长量下降，这时，更换碳源为乙酸，将乙酸稀释成含量为10％后添加到养殖藻液中，并在藻液中添加浓度为0.5-5g/L的乙酸钠，通过pH的反馈进行pH的监控，当pH高于8.5时添加乙酸，低于7时停止添加，使得pH值保持在7-8.5的范围内，对微藻进行连续养殖，在养殖过程中继续监测微藻的生物增长量，在养殖4-5天时发现微藻的生物增长速度恢复，这时，更换碳源为二氧化碳，继续对栅藻进行连续养殖，总养殖天数为20天，最终获得微藻的平均产量为32.8g/m2/d。
在对照组中，向藻液中通入CO2，并将pH值控制在7-8.5的范围内，对栅藻进行连续养殖(约20天)，养殖3、4天以后出现明显的原生动物生长，藻细胞的生长受到明显的影响。平均产量为12.0g/m2/d。
结论：实验组中有效防止养殖过程中的污染物爆发，细菌和原生动物的污染都得到了很好的控制，始终没有出现爆发影响微藻细胞生长的状况。实验组的产量相比对照组提高了173.3％。
实施例4
所述实施例4以雨生红球藻为例对微藻进行养殖。
1、确定适合雨生红球藻生长的pH范围
设置三组实验组，在雨生红球藻户外养殖中，初始接种浓度为0.6g/L，将乙酸稀释成含量为10％的乙酸添加到养殖藻液中，分别控制三组实验组中的pH值控制在6.5-7.2，7.2-8和8-8.8的范围内，养殖4天，每天取样测定干重值。实验结果表明，pH值控制在7.2-8范围内时，雨生红球藻的产量最高。
2、对雨生红球藻进行养殖
分别设置实验组和对照组，对雨生红球藻进行户外养殖，雨生红球藻的初始接种浓度为0.4g/L。
在实验组中，控制pH值为7左右，采用二氧化碳作为碳源对雨生红球藻进行养殖，养殖3-4天，发现藻液中出现明显的原生动物生长，且微藻的生物增长量下降，这时，更换碳源为乙酸，将乙酸稀释成含量为10％后添加到养殖藻液中，并在藻液中添加浓度为0.5-5g/L的乙酸钠，通过pH的反馈进行pH的监控，当pH高于8时添加乙酸，低于7.2时停止添加，使得pH值保持在7.2-8的范围内，对微藻进行养殖，在养殖过程中继续监测微藻的生物增长量，在养殖3-4天时发现微藻的生物增长速度超过微藻的生物增长量下降前的增长速度，继续对微藻的生物增长量进行检测，在养殖5-6天时发现藻液中出现明显的细菌生长，且微藻的生物增长量下降，这时，更换碳源为二氧化碳，继续对雨生红球藻进行连续养殖，总养殖天数为20天，最终获得微藻的平均产量为12.8g/m2/d。
在对照组中，向藻液中通入CO2，并将pH值控制在7.2-8的范围内，对雨生红球藻进行连续养殖20天，养殖3、4天以后出现明显的原生动物生长，藻细胞的生长受到明显的影响。平均产量为5.3g/m2/d。
结论：实验组中有效防止养殖过程中的污染物爆发，细菌和原生动物的污染都得到了很好的控制，始终没有出现爆发影响微藻细胞生长的状况。实验组的产量相比对照组提高了128.6％。
综上所述，采用无机碳源和有机碳源轮流切换的方式对微藻进行养殖，可通过异养对自养条件下产生的污染物进行抑制，并通过自养对异养条件下产生的污染物进行抑制，避免微藻养殖过程中污染物大爆发，从而能够使微藻实现持续稳定量产。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种微藻养殖方法，其特征在于，包括：
采用无机碳源和有机碳源轮流切换的方式对微藻进行养殖，具体包括：
采用无机碳源或有机碳源对微藻进行养殖，并对微藻中的污染物进行检测，若检测到污染物，且微藻的生物增长量开始下降时，切换碳源；
或者，采用无机碳源或有机碳源对微藻进行养殖，并对所述微藻的浓度进行检测，若检测到所述微藻的浓度大于等于第一预设阈值时，对所述微藻进行部分采收并切换碳源，使得切换碳源后的所述微藻的浓度处于第一预设范围内进行养殖；
所述无机碳源选自二氧化碳，所述有机碳源选自有机酸；
在采用有机碳源对微藻进行养殖或者当切换至有机碳源对微藻进行养殖时，所述方法还包括：根据所述微藻的pH值对所述有机酸的添加量进行调节。
2.根据权利要求1所述的微藻养殖方法，其特征在于，若检测到污染物，且微藻的生物增长量开始下降时，切换碳源之后的保持时间至少为第一时间，所述第一时间是指微藻的生物增长速度恢复至或者超过所述微藻的生物增长量开始下降之前所需要的时间。
3.根据权利要求1所述的微藻养殖方法，其特征在于，
所述第一预设阈值等于所述第一预设范围的上限值。
4.根据权利要求1所述的微藻养殖方法，其特征在于，
对所述微藻进行部分采收并切换碳源之后，所述方法还包括：补加其他营养物质，并对所述微藻进行半连续养殖。
5.根据权利要求4所述的微藻养殖方法，其特征在于，
所述半连续养殖的更新周期大于0天小于等于5天。
6.根据权利要求4所述的微藻养殖方法，其特征在于，
在对所述微藻进行半连续养殖过程中，所述方法还包括：
检测所述微藻的生物增长量，当所述微藻的生物增长量下降时，对所述微藻进行部分采收并切换碳源。
7.根据权利要求1所述的微藻养殖方法，其特征在于，
所述有机酸选自乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸中的一种或两种以上混合物。
8.根据权利要求1所述的微藻养殖方法，其特征在于，
所述无机碳源或所述有机碳源的添加量等于所述微藻的理论碳源需求量。
9.根据权利要求1-8任一项所述的微藻养殖方法，其特征在于，
在采用无机碳源和有机碳源轮流切换的方式对微藻进行养殖之前，所述方法还包括：在微藻养殖体系中添加浓度为0.5-5g/L的乙酸钠。
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