CN108949576A - 一种利用浓海水在漂浮式光生物反应器中培养微藻的方法 - Google Patents

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CN108949576A CN201811034139.2A CN201811034139A CN108949576A CN 108949576 A CN108949576 A CN 108949576A CN 201811034139 A CN201811034139 A CN 201811034139A CN 108949576 A CN108949576 A CN 108949576A
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李永海
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Abstract

本发明涉及微藻生物技术领域，特别是涉及一种利用浓海水在漂浮式反应器中培养高价值微藻的技术。在不更改海水淡化设备的基础上添加部分工艺直接利用海水淡化产生的浓海水配制成微藻培养基，将微藻和微藻培养基置于漂浮反应器中，为微藻提供稳定的培养系统，并将反应器置于水面上，利用波浪能提供的动力养殖微藻。本发明利用无需稀释的浓海水养殖高价值微藻的技术，实现了浓海水的资源化再利用，微藻培养成本显著降低，为海水淡化创造更多的附加值，甚至使淡水成为附加产品；同时，由于本发明使用漂浮式培养系统，节约了宝贵的土地资源，并降低了海水的运输、设备维护成本，提高了海水淡化产业及微藻培养产业的市场竞争力。

Description

一种利用浓海水在漂浮式光生物反应器中培养微藻的方法
技术领域
本发明涉及微藻生物技术领域，具体涉及微藻培养基及微藻培养方法，特别是涉及一种利用浓海水在漂浮式光生物反应器中培养微藻的技术。
背景技术
水是生命之源，是社会和经济发展的命脉。随着经济高速发展，人口剧增，资源消耗巨大，淡水危机日趋加剧。海水中的水资源约占全球水储量的96.5％，海水淡化已成为解决淡水资源危机的战略途径，但其成本高昂。为降低海水淡化的成本，一种新兴的方法是利用海水淡化浓缩物生产高价值的附加产品。其中，一种可行的方法是利用浓缩海水养殖微藻，因为它们不仅富含丰富的蛋白质、多糖、色素等高价值产品，而且生长速率远高于陆生植物。
尽管利用废弃的浓缩海水来生产高价值的微藻产品对提高海水淡水产业经济性具有很大的潜力，但是目前微藻培养成本较高，限制了其商业化应用。以传统的光生物反应器为例，如平板式反应器，其反应器制作成本高，运行、维护成本较高，特别是需要投入较多的能量来维持培养液的混合，而且其规模较小很难进行大规模培养。与光生物反应器相比，开放池式微藻养殖系统具有培养成本低、操作简单、培养体积大等优点，但其需要占用大量的土地，而且较低的生产力导致了较高的生产成本。再有，因为通常海水淡化工厂和微藻养厂场地理距离较远，因此运输大量的浓海水至微藻养殖厂的成本会很高。除此之外，浓海水具有较高的盐度(>70g/L)，而多数微藻在此盐度范围内的生长速率较低。
因此，要想充分利用浓海水的资源并得到较高的产出价值，就必须开发高效低成本的微藻培养系统和选择对盐度具有较高耐受性的藻种。在此前专利中(中国专利CN107475069A)，公开了一种漂浮式光生物反应器。由于该反应器是利用塑料薄膜制作，其制作成本较低，同时其利用用波浪能驱动反应器的混合，节省了大量的电能、设备成本，而且不占用大量的土地资源。更为重要的是漂浮式光生物反应器可以安置在距离海水淡化工厂很近的位置，避免了浓海水在微藻养殖厂和海水淡化厂之间的长距离运输，节省了运输成本。因此漂浮式光生物反应器在浓海水培养微藻方面具有具有很大的应用潜力。但是，这个应用也具有很大的不确定性。一方面由于浓缩海水的复杂性，特别是其含有的较高浓度的钙镁离子对微藻的生长是否有影响及如何去除这些影响，同时如何向浓海水提供微藻生长的足够的碳源也是亟待解决的问题。另一方面，高盐浓度的浓缩海水中只适合培养耐高渗透压和耐高盐的藻，例如，富含β-胡萝卜素的盐生杜氏藻，但是这些耐盐藻能否在漂浮式生物反应器中生长以及最适培养条件是什么，都是急需解决的问题。
综上所述，将预处理后的浓缩海水作为培养富含高价值产品的耐盐微藻的培养基，同时利用漂浮在水面上的、成本低廉的漂浮式光生物反应器作为微藻的培养装置，该技术可以利用废弃的浓海水来培养微藻生产高价值产品，不仅能有效降低微藻养殖成本，而且能够弥补现在海水淡化产业的低盈利性的缺点，从而提高了海水淡化产业的市场竞争力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种以漂浮式光生物反应器为载体利用海水或浓海水养殖微藻的技术。利用经碳酸盐或是碱处理的海水或浓海水来培养富含高价值产品的微藻，进而达到废弃浓海水再利用和降低微藻养殖成本的双重目的。
本发明的上述目的是通过这样的技术方案实现的：利用可溶性碳酸盐或是碱预处理海水或浓缩海水，使得海水中钙镁等离子能在高pH下形成沉淀分离出来，并向分离得到的上清中通入CO2来调节pH值和补充碳源。向经过上述处理后的上清液补充微藻生长所需要的其他营养盐，如氮、磷、钾等，制成培养基。将上述制备的培养基与微藻注入到漂浮式光生物反应器中，开始微藻的培养。
该方法具体包括如下步骤：
(1)预处理海水或浓缩海水：由于海水中具有过量的Ca2+、Mg2+，且其会随着pH升高形成沉淀使溶液混浊，一方面形成的沉淀会影响微藻的生长，另一方面混浊液会阻碍光的进入，降低微藻的光能利用率。因此，在海水或浓海水中添加碳酸盐或是碱以去除过量的钙镁离子。并进行分离，去除其形成的沉淀得到钙镁离子含量较少的上清液。
(2)海水或浓海水由于经过碳酸盐处理后上清液中主要含有碳酸根，但是微藻并不能利用该形式的无机碳，且此时的上清液pH很高会抑制微藻的生长，因此，向步骤(1)得到的上清液中通入CO2气体或含有CO2的气体，补充碳源，通入的CO2可以与碳酸根或是氢氧根反应并生成微藻能够利用的碳酸氢根，既生成了微藻可以利用的碳酸氢盐，还降低了上清液的pH，避免了pH的抑制作用。
(3)微藻生长除了需要水、碳源、钙、镁离子等外，其他离子也是微藻生长所必须的。因此，向步骤(2)中得到的上清液加入氮、磷、钾等微藻生长所需要的营养盐，制成培养基。此时的海水或浓海水可以维持微藻的高效生长。由于得到的培养基的水、钠钙镁离子是来自海水或浓海水，所以大大降低了微藻培养基的成本。
(4)把步骤(3)得到的培养基与微藻注入微藻培养系统中进行培养。所述微藻培养系统可以但不限于是开放池或光生物反应器，其中开放池如跑道池、水面的漂浮池，光生物反应器如平板式光生物反应器、鼓泡式光生物反应器、管式光生物反应器和漂浮式光生物反应器。对于现在的微藻生产系统，其不仅造价高昂，运行成本也高，包括混合、控温及日常维护，同时其会占用大量的土地。因此，利用漂浮式光生物反应器来培养微藻。把步骤(3)中得到的培养基与微藻注入漂浮式光生物反应器中进行培养。将微藻和微藻培养基置于漂浮式光生物反应器中，为微藻提供稳定的培养系统，并将反应器置于水面上，利用波浪能提供的动力养殖微藻。具体地，可以将培养基注入放置在海面的漂浮式光生物反应器中，且控制培养液层厚度并接种微藻藻种，或是在漂浮式光生物反应器中直接接入已经混合了微藻藻种的培养基，并在其反应器底部添加适当厚度的保温层，然后在自然光强下进行微藻的培养。
根据上文技术方案，步骤(1)中，所述浓缩海水为海水淡化所产生的浓海水，包括但不限于采用多效蒸发、反渗透、离子交换、多级闪蒸、电渗析过程所产生的浓海水。
根据上文技术方案，步骤(1)中，所述碳酸盐优选为碳酸钠或碳酸钾，更优选为碳酸钠，碳酸钠添加至海水或浓缩海水中的浓度为0.01～1mol/L，且优选的碳酸钠浓度与相对应的微藻相关，如螺旋藻的最优碳酸钠浓度为0.3mol/L，而盐生杜氏藻的最优碳酸钠浓度为0.2mol/L。
根据上文技术方案，步骤(1)中，所述碱优选为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙，更优选为氢氧化钠，碱添加至海水或浓缩海水中的最终浓度为0.01～1mol/L,且最优的氢氧化物(碱)浓度与相对应的微藻培养基相适应，如螺旋藻的最优氢氧化钠浓度为0.3mol/L，而盐生杜世藻的最优氢氧化钠浓度为0.2mol/L。
根据上文技术方案，步骤(1)中，所述分离得到上清液的方法优选为沉降、过滤、离心的一种或几种，更优选为自然沉降与过滤的组合，即先让混浊的浓海水自沉降，再过滤自沉降后的上清液。
根据上文技术方案，步骤(2)中，所述过滤上清液使用的滤膜的孔径优选为0.1～0.75μm，更优选为0.22～0.5μm。
根据上文技术方案，步骤(2)中，所述通入CO2气体或含有CO2的气体调节pH最终值优选为7～11，且优选的pH与相对应的微藻相关，如螺旋藻的最优pH为9～10，而盐生杜氏藻的最优pH为8～10。
根据上文技术方案，步骤(2)中，所述含有CO2的气体为空气、烟道气或含有CO2的其他气体。如CO2气体或含有CO2的气体的浓度为0.04％～100％。
根据上文技术方案，所述的微藻为盐生杜氏藻(Dunaliella sp.)、小球藻(Chlorella sp.)、超嗜盐杆藻(Euhalothece sp.)、蓝杆藻(Cyanothece sp.)、螺旋藻(Spirulina.)、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)、三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutumBohlin)或一种拉丁文名称为Picochlorum sp.的微藻。
根据上文技术方案，步骤(3)中，所述营养盐的成分和浓度与相对应的微藻培养基相适应。因此，向步骤(2)得到的上清液中添加的不同营养盐的种类的最终浓度分别为：
其中，盐生杜氏藻(Dunaliella sp.)是向步骤(2)得到的上清液中添加营养盐的种类和最终浓度分别为：KNO3 0.1～1g/L，K2HPO4·3H2O 0.01～0.15g/L，FeCl3·6H2O0.0001～0.001g/L，MoCl2·4H2O 0.0005～0.002g/L，H3BO3 0.001～0.01g/L，NaMo4·2H2O0.0002～0.001g/L，ZnSO4·7H2O 0.00008～0.0005g/L，NaVO3 0.00008～0.0004g/L，CoCl2·6H2O 0.000009～0.00008g/L，CuSO4·5H2O 0.00008～0.0006g/L。
其中，小球藻(Chlorella sp.)是向步骤(2)得到的上清液中添加营养盐的种类和最终浓度分别为：NaNO3 0.2～1g/L，KH2PO4 0.1～0.8g/L，FeCl3·6H2O 0.001～0.009g/L，EDTA 0.0007～0.006g/L，H3BO3 0.008～0.006g/L，MnCl2·4H2O 0.0006～0.004g/L，ZnSO4·7H2O 0.00008～0.0005g/L，CuSO4·5H2O 0.00004～0.0001g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O0.00001～0.00006g/L。
其中，超嗜盐杆藻(Euhalothece sp.)是向步骤(2)得到的上清液中添加营养盐的种类和最终浓度分别为：KNO3 0.1～1g/L，K2HPO4·3H2O 0.01～0.15g/L，FeCl3·6H2O0.0001～0.001g/L，MoCl2·4H2O 0.0005～0.002g/L，H3BO3 0.001～0.01g/L，NaMo4·2H2O0.0002～0.001g/L，ZnSO4·7H2O 0.00008～0.0005g/L，NaVO3 0.00008～0.0004g/L，CoCl2·6H2O 0.000009～0.00008g/L，CuSO4·5H2O 0.00008～0.0006g/L。
其中，螺旋藻(Spirulina.)是向步骤(2)得到的上清液中添加营养盐的种类和最终浓度分别为：，K2HPO4 0.1～0.9g/L，NaNO3 0.8～5g/L，K2SO4 0.5～4g/L，FeSO4·7H2O0.008～0.05g/L，EDTA 0.0007～0.006g/L，H3BO3 0.008～0.006g/L，MnCl2·4H2O 0.0006～0.004g/L，ZnSO4·7H2O 0.00008～0.0005g/L，CuSO4·5H2O 0.00004～0.0001g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.00001～0.00006g/L。
其中，球等鞭金藻(Isochrysis sp.)是向步骤(2)得到的上清液中添加营养盐的种类和最终浓度分别为：NaNO3 25～125g/L，NaH2PO4·2H2O 1～8g/L，Na2EDTA 1～8g/L，FeCl3·6H2O 0.8～6g/L，CuSO4·5H2O 0.007～0.06g/L，ZnSO4·7H2O 0.008～0.05g/L，CoCl2·6H2O 0.008～0.05g/L，MnCl2·4H2O 0.07～0.5g/L，Na2MoO4·2H2O 0.001～0.009g/L，VB12 0.0001～0.0009g/L，VB1 0.07～0.5g/L，生物素0.0001～0.0009g/L，Na2SiO3·9H2O 10～50g/L，粗盐18～60g/L。
其中，富油新绿藻(Neochloris oleoabundans)是向步骤(2)得到的上清液中添加营养盐的种类和最终浓度分别为：NaNO3 0.1～0.9g/L，KH2PO4 0.1～0.5g/L，FeCl3·6H2O0.001～0.009g/L，MoCl2·4H2O 0.0005～0.002g/L，H3BO3 0.001～0.01g/L，NaMo4·2H2O0.0002～0.001g/L，ZnSO4·7H2O 0.00008～0.0005g/L，NaVO3 0.00008～0.0004g/L，CoCl2·6H2O 0.000009～0.00008g/L，CuSO4·5H2O 0.00008～0.0006g/L。
其中，三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum Bohlin)是向步骤(2)得到的上清液中添加营养盐的种类和最终浓度分别为：P-IV金属溶液5～15mL/L，NaNO3 0.1～0.8g/L，Na2HPO4·7H2O 0.007～0.08g/L，土壤提取液25～75mL/L，VB12 0.0001～0.0009g/L，Na2EDTA·2H2O 0.4～1g/L，FeCl3·6H2O 0.04～0.5g/L，MnCl2·4H2O 0.01～0.09g/L，ZnCl2 0.001～0.009g/L，CoCl2·6H2O 0.0008～0.006g/L，Na2MoO4·2H2O 0.001～0.008g/L。
因此，向步骤(2)得到的上清液中添加营养盐后，制成培养基，所述培养基中所添加的营养盐种类和浓度分别为：
其中，盐生杜氏藻(Dunaliella sp.)的培养基中所添加营养盐的种类和最终浓度分别为：Na2CO3 1～100g/L，KNO3 0.1～1g/L，K2HPO4·3H2O 0.01～0.15g/L，CaCl2 0.05～0.25g/L，MgCl2·6H2O 0.1～1g/L，MgSO4·7H2O 0.05～0.2g/L，FeCl3·6H2O 0.0001～0.001g/L，MoCl2·4H2O 0.0005～0.002g/L，H3BO3 0.001～0.01g/L，NaMo4·2H2O 0.0002～0.001g/L，ZnSO4·7H2O 0.00008～0.0005g/L，NaVO3 0.00008～0.0004g/L，CoCl2·6H2O0.000009～0.00008g/L，CuSO4·5H2O 0.00008～0.0006g/L。
其中，小球藻(Chlorella sp.)的培养基中所添加营养盐的种类和最终浓度分别为：NaHCO3 15～30g/L、优选为：18-28g/L，NaNO3 0.2～1g/L，Mg2SO4 0.01～0.09g/L，CaCl20.008～0.06g/L，KH2PO4 0.1～0.8g/L，NaCl 0.01～0.05g/L，FeCl3·6H2O 0.001～0.009g/L，EDTA 0.0007～0.006g/L，H3BO3 0.008～0.006g/L，MnCl2·4H2O 0.0006～0.004g/L，ZnSO4·7H2O 0.00008～0.0005g/L，CuSO4·5H2O 0.00004～0.0001g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.00001～0.00006g/L。
其中，超嗜盐杆藻(Euhalothece sp.)的培养基所添加营养盐的种类和最终浓度分别为：NaCl 70～100g/L，NaHCO3 7～10g/L，KNO3 0.1～1g/L，K2HPO4·3H2O 0.01～0.15g/L，CaCl2 0.05～0.25g/L，MgCl2·6H2O 0.1～1g/L，MgSO4·7H2O 0.05～0.2g/L，FeCl3·6H2O 0.0001～0.001g/L，MoCl2·4H2O 0.0005～0.002g/L，H3BO3 0.001～0.01g/L，NaMo4·2H2O 0.0002～0.001g/L，ZnSO4·7H2O 0.00008～0.0005g/L，NaVO3 0.00008～0.0004g/L，CoCl2·6H2O 0.000009～0.00008g/L，CuSO4·5H2O 0.00008～0.0006g/L。
其中，螺旋藻(Spirulina.)的培养基中所添加营养盐的种类和最终浓度分别为：NaHCO3 15～30、优选为18～28g/L，K2HPO4 0.1～0.9g/L，NaNO3 0.8～5g/L，K2SO4 0.5～4g/L，NaCl 0.5～4g/L，FeSO4·7H2O 0.008～0.05g/L，Mg2SO4·7H2O 0.08～0.5g/L，CaCl2·2H2O 0.01～0.08g/L，EDTA 0.0007～0.006g/L，H3BO3 0.008～0.006g/L，MnCl2·4H2O0.0006～0.004g/L，ZnSO4·7H2O 0.00008～0.0005g/L，CuSO4·5H2O 0.00004～0.0001g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.00001～0.00006g/L。
其中，球等鞭金藻(Isochrysis sp.)的培养基中所添加营养盐的种类和最终浓度分别为：NaHCO3 15～30g/L、优选为18～28g/L，NaNO3 25～125g/L，NaH2PO4·2H2O 1～8g/L，Na2EDTA 1～8g/L，FeCl3·6H2O 0.8～6g/L，CuSO4·5H2O 0.007～0.06g/L，ZnSO4·7H2O0.008～0.05g/L，CoCl2·6H2O 0.008～0.05g/L，MnCl2·4H2O 0.07～0.5g/L，Na2MoO4·2H2O 0.001～0.009g/L，VB12 0.0001～0.0009g/L，VB1 0.07～0.5g/L，生物素0.0001～0.0009g/L，Na2SiO3·9H2O 10～50g/L，粗盐18～60g/L。
其中，富油新绿藻(Neochloris oleoabundans)的培养基中所添加营养盐的种类和最终浓度分别为：NaNO3 0.1～0.9g/L，NaHCO3 15～30g/L、优选为18-28g/L，Mg2SO4 0.01～0.09g/L，NaCl 0.009～0.05g/L，CaCl2 0.009～0.05g/L，KH2PO4 0.1～0.5g/L，FeCl3·6H2O 0.001～0.009g/L，MoCl2·4H2O 0.0005～0.002g/L，H3BO3 0.001～0.01g/L，NaMo4·2H2O 0.0002～0.001g/L，ZnSO4·7H2O 0.00008～0.0005g/L，NaVO3 0.00008～0.0004g/L，CoCl2·6H2O 0.000009～0.00008g/L，CuSO4·5H2O 0.00008～0.0006g/L。
其中，三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum Bohlin)的培养基中所添加营养盐的种类和最终浓度分别为：NaHCO3 7～10g/L，P-IV金属溶液5～15mL/L，NaNO3 0.1～0.8g/L，Na2HPO4·7H2O 0.007～0.08g/L，土壤提取液25～75mL/L，VB12 0.0001～0.0009g/L，Na2EDTA·2H2O 0.4～1g/L，FeCl3·6H2O 0.04～0.5g/L，MnCl2·4H2O 0.01～0.09g/L，ZnCl2 0.001～0.009g/L，CoCl2·6H2O 0.0008～0.006g/L，Na2MoO4·2H2O 0.001～0.008g/L。
根据上文技术方案，步骤(4)中，所述漂浮式光生物反应器优选为漂浮开放式反应器或漂浮封闭式反应器。
根据上文技术方案，步骤(4)中，所述微藻藻种接入培养基中的接种位置为反应器内部接种或反应器外部接种。所述反应器内部接种为：先将培养基注入到漂浮式光生物反应器中，再将微藻接种到培养基中；所述反应器外部接种为：先将微藻接种到培养基中，再注入到漂浮式光生物反应器中。
根据上文技术方案，步骤(4)中，所述微藻藻种接入培养基中的接种密度为10×104～100×104/mL。
根据上文技术方案，步骤(4)中，在所述漂浮式光生物反应器中培养时，培养液层厚度为2.5～30cm，优选为2.5～10cm，更优选为7.5cm。
根据上文技术方案，步骤(4)中，在所述漂浮式光生物反应器中培养时，反应器底部保温层厚度优选为0～10cm，更优选为3～5cm。
本发明带来的益处：
本发明在不更改海水淡化设备的基础上添加部分工艺直接利用海水淡化产生的、且无需稀释的浓海水配制成微藻培养基养殖高价值微藻的方法，实现了废弃浓海水的资源化再利用，缓解了多余浓海水直接排放对环境造成的负担，并且使微藻培养成本显著降低，为海水淡化创造更多的附加值，甚至使淡水成为附加产品。
利用碳酸盐及CO2处理后的浓海水钙镁离子含量大幅减少，避免了在微藻培养过程中pH值升高引起钙镁沉淀从而影响微藻生长及光的传递，而且将微藻不能利用的碳酸盐转变为微藻能够利用的碳酸氢盐，有效提高了微藻可以利用的碳源浓度。此时只需加入氮、磷、钾等元素即可配制成适合微藻生长的培养基，大大降低了培养基的配制成本。
同时，由于本发明使用漂浮式培养系统，漂浮式反应器造价低廉，能够自动为微藻提供适宜的温度、光照等条件，有效克服污染物、风雨、灰尘、杂藻的影响，并且利用波浪能够提供混合，极大的降低了传统微藻生产系统的混合成本，并且节省了大量土地资源，还降低了海水的运输、设备维护成本，提高了海水淡化产业及微藻养殖产业的市场竞争力。
附图说明
图1是浓海水处理过程图。海水采用反渗透、离子交换等海水淡化过程产生的浓缩海水，经过碳酸盐、碱等沉淀剂处理后在沉淀池中形成碳酸钙、氢氧化镁沉淀和上清液，过滤得到上清液，向上清液中通入二氧化碳碳源等补充剂，同时添加营养盐调至合适配比的培养基，再先将培养基注入漂浮式反应器中后再接种微藻到培养基中，或先接种微藻到培养基中，再注入漂浮式反应器中，漂浮在水面上进行微藻培养，从而生产出富含高价值的微藻生物质。
图2是不同碳酸钠浓度处理对总溶解无机碳、钙镁离子的影响。
图3是不同碳酸钠浓度处理对盐生杜氏藻生长的影响。
图4是不同碳酸钠浓度处理对盐生杜氏藻生产β-胡萝卜素的影响。
图5是不同保温层厚度对漂浮反应器内培养基温度的影响。
图6是不同液层厚度对β-胡萝卜素产率的影响。
图7是在室外分别利用人工海水培养、处理过浓海水培养基培养盐生杜氏藻细胞干重图。
图8是在室外分别利用人工海水培养、处理过浓海水培养基培养盐生杜氏藻β-胡萝卜素含量图。
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不同浓度碳酸钠处理对浓海水中钙镁的影响
未经处理的浓海水中含有大量的钙镁离子，若直接用于微藻培养，则会由于pH值的升高生成大量钙镁沉淀，这些沉淀不仅会抑制微藻的生长，还会影响光的传递效率。所以利用不同浓度的碳酸钠来处理浓海水，一方面可以除去多余的钙镁离子，另一方面能够为微藻生长提供充足的无机碳源。
浓海水预处理：首先向浓缩海水中按照最终浓度分别为10,100,200和300mmol/L(mM)浓度分别缓慢添加碳酸钠溶液，剧烈搅拌10min，此法是为了去除浓海水中过量的Ca2+和Mg2+。静置60分钟。随后，把上清液用滤膜(0.22μm)过滤到另一个容器中。然后，鼓入浓度为100％的CO2调节pH，直至pH降低到8.0，该pH为盐生杜氏藻的最适pH。
碳酸钠处理后效果如图2所示，其中未处理的浓缩海水中总溶解无机碳含量很低，仅为10.5mg/L，而且钙镁离子浓度也很高，分别为627.3mg/L、1909mg/L。与未处理的浓海水相比，处理海水的总溶解无机碳含量是随着处理所用碳酸钠浓度的升高而升高的，但钙镁离子随着所用碳酸钠浓度的升高而降低。
实施例2不同浓度碳酸钠处理的浓海水培养基培养盐生杜氏藻的实例
如实施例1所述，利用碳酸钠处理海水同时影响了培养基的盐度、无机碳浓度以及溶解态的钙镁浓度，而这些是与微藻生长密切相关的，且对不同的藻种的影响是不同的。因此，本实施例以盐生杜氏藻为研究对象探讨了不同浓度碳酸钠处理后得到的培养基对该藻生长的影响。
浓海水预处理参考实施例1。
培养基制备方法如下：
浓海水培养基制备：首先利用10,100,200和300mM的碳酸钠处理浓海水，并向分离得到的上清液中鼓入浓度为100％的CO2，最终的pH下降至8.0时即停止CO2气体的通入。然后在上述上清液中添加营养盐的种类和最终浓度分别为：KNO3 0.5g/L，K2HPO4·3H2O 0.08g/L，FeCl3·6H2O 0.0006g/L，MoCl2·4H2O 0.001979g/L，H3BO3 0.003092g/L，NaMo4·2H2O0.000484g/L，ZnSO4·7H2O 0.00023g/L，NaVO3 0.000183g/L，CoCl2·6H2O 0.000048g/L，CuSO4·5H2O 0.0002g/L。
并以人工海水培养基做对照，配方为：NaCl 87.75g/L，NaHCO3 8.4g/L，KNO3 0.5g/L，K2HPO4·3H2O 0.08g/L，CaCl2 0.111g/L，MgCl2·6H2O 0.507g/L，MgSO4·7H2O 0.123g/L，FeCl3·6H2O 0.0006g/L，MoCl2·4H2O 0.001979g/L，H3BO3 0.003092g/L，NaMo4·2H2O0.000484g/L，ZnSO4·7H2O 0.00023g/L，NaVO3 0.000183g/L，CoCl2·6H2O 0.000048g/L，CuSO4·5H2O 0.0002g/L。
培养方法：在1000mL锥形瓶中接入300mL培养基种密度为13.65×104/mL盐生杜氏藻。培养条件：摇床转速摇为50rpm，光照强度115.4μmol·m-2·s-1，温度为25℃。培养时间为8天。
10,100,200和300mM的碳酸钠处理的浓海水培养基、人工海水培养基中的盐生杜氏藻密度如图3、4所示，分别为184×104，276×104，310×10×4，329×104和291×104cells·mL-1，β-胡萝卜素含量分别为1.24％，1.29％，×1.58％，1.32％，1.16％。虽然300mM碳酸钠处理的细胞数达到最大，但是其最终产物β-胡萝卜含量不及200mM碳酸钠处理效果，这表明200mM的碳酸钠处理的浓海水培养基最有利于盐生杜氏藻的培养。且与在人造海水中的培养效果无显著差异，说明经处理过的浓缩海水培养基可以达到人工海水培养基相同的培养效果。
实施例3利用不同保温层厚度对漂浮反应器内部液体温度的影响
温度是影响微藻生长的一个重要因素，其中最适温度为20～35℃，但是目前的温度控制成本太高。而漂浮反应器本可以太阳能热源为培养液加温，同时利用周围水体作为降温介质，因此漂浮反应器具有较低的控温成本，且温度调节可以通过控制底部挡板厚度实现，因此本实施例考察了不同保温层厚度对反应器内部液体温度的影响。
本实施例中的腔体式光生物漂浮反应器已在名称为“漂浮式微藻培养系统及微藻培养方法”的中国专利CN107475069A中的图4中所公开。
浓缩海水的预处理、浓海水培养基的配制参考实施例2。
测试方法：分别将制备的浓海水培养基缓慢注入到有效表面积为1.0m2的腔体式漂浮反应器的腔体中，且反应器底部保温层厚度分别为1.0、3.0、5.0cm。液层厚度分别为7.5cm，将反应器锚定在相同海域，温度、光照通过相应的自动记录仪每十分钟自动记录一次，测试选择在一个晴天，始于早上7点终于晚上7点。
结果如图5所示，具有1.0、3.0、5.0cm厚度保温层的反应器内温度分别为22.1～34.4、22.6～35.8、22.7～39.2℃，这表明1.0、3.0cm保温层厚度能够使反应器内藻液温度维持在20～35℃，有利于微藻生长，其中3cm保温层厚度最有利于盐生杜氏藻的生长；5.0cm保温层厚度由于过厚而阻碍水面对反应器内部的降温，导致较高的温度。
实施例4不同液层厚度浓海水培养基海上培养盐生杜氏藻的实例
在微藻培养过程中可能会出现藻体沉降、营养物质混合不均、光透过性低下等问题，而这些因素与反应器内液层厚度密切相关：液层厚度过薄，虽然混合效果优良，但是生产量低；而液层厚度过厚会导致混合效果差，影响培养液内营养物质的混合及光的透过性，降低产物品质及生产效率。因此，本实施例考察了不同液层厚度对微藻生长的影响。
本实施例中的腔体式光生物漂浮反应器已在名称为“漂浮式微藻培养系统及微藻培养方法”的中国专利CN107475069A中的图4中所公开。
浓缩海水的预处理、浓海水培养基的配制参考实施例2。
培养方法：分别将制备的浓海水培养基缓慢注入到有效表面积为1.0m2的腔体式光生物漂浮反应器的腔体中，再将盐生杜氏藻分别接种到浓海水培养基中，接种密度为50.48×104/mL(0.046g/L)。液层厚度分别为5、7.5、10cm，将反应器锚定在相同海域，温度光照不做任何人工处理，昼夜交替培养18天。
液层厚度分别为5、7.5、10cm的培养方法β-胡萝卜素平均面积产率如图6所示，分别为11.11,14.20,10.86g/m2/d，这表明这些液层厚度均有较好的细胞生长，但且7.5cm液层厚度下的β-胡萝卜素产率最高。
实施例5利用处理过的浓海水培养基海上培养盐生杜氏藻的实例
传统的微藻培养系统不仅需要高耗能搅拌装置，还需要大量的通气、控温等辅助设备，设备成本高昂。于此相比，漂浮反应器具有成本低廉、自动控温、光照充足、传质高效等特点。本实施例通过在海上利用浓海水培养基、人工海水培养基培养盐生杜氏藻来考察漂浮反应器的培养效果及两种培养基的差异。
本实施例中的腔体式光生物漂浮反应器已在名称为“漂浮式微藻培养系统及微藻培养方法”的中国专利CN107475069A中的图4中所公开。
浓缩海水的预处理、浓海水培养基的配制参考实施例2，人造海水培养基的配制参考实施例2。
培养方法：分别将人造海水培养基和经处理的浓海水培养基缓慢注入到有效表面积为1.0m2的腔体式光生物漂浮反应器的腔体中，再将盐生杜氏藻分别接种到注入人造海水培养基和经过处理的浓海水培养基的漂浮反应器中，接种密度为50.48×104/mL(0.046g/L)，液层厚度为7.5cm，保温层厚度为3.0cm。将反应器锚定在相同海域，温度光照不做任何人工处理，昼夜交替培养12天。
如图7、8所示，人造海水培养的盐生杜氏藻中，细胞干重为0.28g/L，β-胡萝卜素含量为1.3％。与此相比，浓缩海水具有较高的生物质得率，最高的细胞干重为0.35g/L，β-胡萝卜素含量为4.8％。这表明利用经处理的浓缩海水可以作为盐生杜氏藻的培养基，且能够得到较高的β-胡萝卜素产率。

Claims (10)

1.一种利用海水或浓缩海水在漂浮式光生物反应器中培养微藻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在海水或浓缩海水中加入碳酸盐或碱来去除海水或浓缩海水中过量的Ca2+、Mg2+，并分离得到上清液；
(2)向步骤(1)得到的上清液中通入CO2气体或含有CO2的气体至pH 7～11；
(3)向步骤(2)得到的上清液中补充氮、磷、钾微藻生长所需要的营养盐，制成培养基；
(4)把步骤(3)中得到的培养基与微藻注入漂浮式光生物反应器中进行培养。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的浓缩海水为海水淡化所产生的浓海水。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述碳酸盐为碳酸钠或碳酸钾，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述碳酸盐添加至海水或浓缩海水中的浓度为0.01～1mol/L，所述碱添加至海水或浓缩海水中的浓度为0.01～1mol/L。
5.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述分离的方法选自沉降、过滤、离心中的一种或几种。
6.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述含有CO2的气体为空气或烟道气。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微藻为盐生杜氏藻(Dunaliellasp.)、小球藻(Chlorella sp.)、超嗜盐杆藻(Euhalothece sp.)、蓝杆藻(Cyanothecesp.)、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)、三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutumBohlin)或一种拉丁文名称为Picochlorum sp.的微藻。
8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述的微藻为盐生杜氏藻(Dunaliellasp.)，盐生杜氏藻培养基中所添加营养盐种类和浓度为：Na2CO3 1～100g/L，KNO3 0.1～1g/L，K2HPO4·3H2O 0.01～0.15g/L，CaCl2 0.05～0.25g/L，MgCl2·6H2O 0.1～1g/L，MgSO4·7H2O 0.05～0.2g/L，FeCl3·6H2O 0.0001～0.001g/L，MoCl2·4H2O 0.0005～0.002g/L，H3BO3 0.001～0.01g/L，NaMo4·2H2O 0.0002～0.001g/L，ZnSO4·7H2O 0.00008～0.0005g/L，NaVO3 0.00008～0.0004g/L，CoCl2·6H2O 0.000009～0.00008g/L，CuSO4·5H2O 0.00008～0.0006g/L。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，在所述漂浮式光生物反应器中培养时，培养液层厚度为2.5～30cm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，在所述漂浮式光生物反应器中培养时，反应器底部的保温层厚度为0～10cm。
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