CN110684645B - 用于微藻自养的高效供碳或氮装置 - Google Patents

用于微藻自养的高效供碳或氮装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于微藻自养的高效供碳或氮装置，包括：反应室，其具有一定容纳空腔，反应室内通过设置阴离子膜和双极膜，在反应室内形成三个独立子腔室，其中阴离子膜与双极膜之间的子腔室为微藻室，微藻室中放置待养微藻以及培养液，阴离子膜另一侧子腔室为阴极室，阴极室中添加碳酸氢盐溶液或者硝酸盐溶液，只允许阴离子从阴极室进入微藻室，双极膜的另一侧子腔室为阳极室，双极膜的阳极面朝向微藻室，阳极室中添加硫酸盐溶液，只允许阳离子从阳极室侧进入微藻室，阴离子从微藻室侧进入阳极室；惰性电极，其分别设置在阴极室和阳极室中，并连接外加电源连接。本发明能够有效地将阳离子隔离在微藻室外，专一地供给阴离子(HCO3 ‑/NO3 ‑)于微藻自养。

Description

用于微藻自养的高效供碳或氮装置
技术领域
本发明涉及微生物自养设备领域。更具体地说，本发明涉及一种用于微藻自养的高效供碳或氮装置。
背景技术
微藻(microalgae)是指那些在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类群体，是有叶绿素a并能进行光合作用的微生物的总称。微藻种类繁多，微藻细胞中含有：蛋白质、脂类、藻多糖、β-胡萝卜素、多种无机元素(如Cu,Fe,Se,Mn,Zn等)等高价值的营养成分和化工原料；其蛋白质含量很高，是单细胞蛋白(SCP)的一个重要来源；微藻所含的维生素A、维生素E、硫氨素、核黄素、吡多醇、维生素B12、维生素C、生物素、肌醇、叶酸、泛酸钙和烟酸等增加了其作为SCP的价值。微藻培养可分为光自养及非光自养(异养/兼养)，其中非光自养具有设备要求高，环境要求高，发酵原料贵等缺点，而导致异养/兼养成本居高不下且极易污染。而光自养在大规模开放系统中以遇见两个瓶颈：其一，CO2浪费：在跑道池中直接通入CO2，而CO2在水中溶解度极低，造成大量CO2逃逸，损失严重；若采用加压模式，则又引起更多成本投入；其二，直接以碳酸盐或碳酸氢盐形式添加，随着阴离子(碳)被细胞利用，阳离子逐渐累积，形成细胞毒害，抑制微藻养殖。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种用于微藻自养的高效供碳或氮装置，其能够有效地将阳离子隔离在微藻室外，专一地供给阴离子(HCO3 -/NO3 -)于微藻自养。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于微藻自养的高效供碳或氮装置，包括：
反应室，其具有一定容纳空腔，所述反应室内通过设置阴离子膜和双极膜，在反应室内形成三个独立子腔室，其中阴离子膜与双极膜之间的子腔室为微藻室，微藻室中放置待养微藻以及培养液，阴离子膜另一侧子腔室为阴极室，阴极室中添加碳酸氢盐溶液或者硝酸盐溶液，只允许阴离子从阴极室进入微藻室，双极膜的另一侧子腔室为阳极室，双极膜的阳极面朝向微藻室，阳极室中添加硫酸盐溶液，只允许阳离子从阳极室侧进入微藻室，阴离子从微藻室进入阳极室；
惰性电极，其分别设置在阴极室和阳极室中，并连接外加电源连接，外加电源正极与阳极室中的惰性电极连接，外加电源负极与阴极室中的惰性电极连接。
在上述技术方案中，通过在阴极室中加入碳酸氢盐溶液或者硝酸盐溶液，阳极室中加入硫酸盐溶液，电极通电后，电场力将阴极室的阴离子碳酸氢根或者硝酸根选择性透过阴离子膜进入微藻室，供给微藻自养，留下阳离子；同时在电极处电解水，化学反应生成氢气，留下氢氧根，可吸收微藻室逃逸的二氧化碳，继续产生碳酸氢盐，同时防止阳离子逐渐积累，形成阳离子毒害；阳极室中，水分子在双极膜处发生电离，氢离子选择性透过双极膜进入微藻室，氢氧根则选择性透过双极膜进入阳极室，综合阴极室供给的碳酸氢根电荷；水在电极处电解水，化学反应生成氧气，留下氢离子综合双极膜处水电离产生的氢氧根；本技术方案中所涉及的到化学品可以使用工业纯或者分析纯度的产品；本发明提供的技术方案能够显著增加微藻自养过程中碳或氮的高效专一性供给，同时能够防止阳离子逐渐累积，形成阳离子毒害，促进细胞生长，大大提高了微藻培养密度；并且本发明提供的技术方案简单易行，成本低廉，可工业化推广。
优选的是，所述外加电源为直流电源，此处包括转换为直流电的交流电源以及能够提供直流电的新能源电源，如太阳能电源。
优选的是，所述外加电源电流大小为4～1000mA，随着装置大小设置不同，相关从业人员可根据实际应用调节电流大小，修改更大或者更小的电流范围。
优选的是，所述培养液为水或者BG11-C/BG11-N。
优选的是，所述惰性电极为石墨。
优选的是，所述惰性电极至少插入溶液0.1cm，原则上惰性电极至少插入溶液以下。
本发明进一步要求保护一种用于微藻自养的高效供碳或氮方法，将待养微藻以及培养液放入所述的用于微藻自养的高效供碳或氮装置中自养。
优选的是，所述的用于微藻自养的高效供碳或氮方法，包括：
步骤一、将所述的用于微藻自养的高效供碳或氮装置通电3～10min后，电源电流控制在4～1000mA，将待养微藻以及培养液放入所述微藻自养的高效供碳或氮装置中自养；
步骤二、实时监控微藻室内pH值，微藻室pH值低于6.5，则断电，待pH值升至7.5，继续通电，此处针对一般微藻养殖需求最佳pH值范围在7～7.5；嗜酸或者嗜碱的微藻可根据其最佳pH值范围调节通断电时机，一般来说，微藻室内pH值低于其最佳pH值范围低值0.5时，断电；微藻室内pH值高于其最佳pH值范围低值时，通电。
本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明提供的用于微藻自养的高效供碳或氮装置可高效、专一地供给用于微藻自养的碳或氮，促进微藻细胞生长，大大提高了微藻培养密度；其二，本发明提供的用于微藻自养的高效供碳或氮装置能够有效防止阳离子逐渐累积，造成阳离子毒害；其三，本发明提供的用于微藻自养的高效供碳或氮装置简单易行，成本低廉，便于工业化推广应用。
本发明提供的本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述用于微藻自养的高效供碳或氮装置的示意图；
图2为本发明实施例1中碳供给效率变化曲线图；
图3为本发明实施例1中钠离子含量变化曲线图；
图4为本发明实施例2中硝酸根供给效率变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供一种用于微藻自养的高效供碳或氮装置，包括：
反应室，其具有一定容纳空腔，所述反应室内通过设置阴离子膜1和双极膜2，在反应室内形成三个独立子腔室，其中阴离子膜1与双极膜2之间的子腔室为微藻室4，微藻室4中放置待养微藻以及培养液，阴离子膜1另一侧子腔室为阴极室3，阴极室3中添加碳酸氢盐溶液或者硝酸盐溶液，只允许阴离子从阴极室3进入微藻室4，双极膜2的阴极面朝向微藻室4，双极膜2的另一侧子腔室为阳极室5，阳极室5中添加硫酸盐溶液，只允许阳离子从阳极室5进入微藻室4，阴离子从微藻室4侧进入阳极室5；
惰性电极6和7，其分别设置在阴极室3和阳极室5中，并通过外加电源8连接，外加电源正极与阳极室5中的惰性电极6连接，外加电源负极与阴极室3中的惰性电极7连接。
在上述技术方案中，通过在阴极室3中加入碳酸氢盐溶液或者硝酸盐溶液，阳极室5中加入硫酸盐溶液，电极6和7通电后，电场力将阴极室3的阴离子碳酸氢根或者硝酸根选择性透过阴离子膜1进入微藻室4，供给微藻自养，留下阳离子；同时在电极处电解水，化学反应生成氢气，留下氢氧根，形成碱液，可有效地进行二氧化碳固定吸附，也可吸收微藻室4可能逃逸的二氧化碳，继续产生碳酸氢盐，同时防止阳离子逐渐积累，形成阳离子毒害；阳极室5中，水分子在双极膜处发生电离，氢离子选择性透过双极膜2进入微藻室4，氢氧根则选择性透过双极膜2进入阳极室5，中和阴极室3供给而来的碳酸氢根电荷；水在电极处电解水，化学反应生成氧气，留下氢离子中和双极膜处水电离产生的氢氧根；本技术方案中所涉及的到化学品可以使用工业纯或者分析纯度的产品；本发明提供的技术方案能够显著增加微藻自养过程中碳或氮的高效专一性供给，同时能够防止阳离子逐渐累积，形成阳离子毒害，促进细胞生长，大大提高了微藻培养密度；并且本发明提供的技术方案简单易行，成本低廉，可工业化推广。
在其中一个技术方案中，所述外加电源8为直流电源，此处包括可转换为直流电的交流电源以及能够提供直流电的新能源电源，如太阳能电源。
在其中一个技术方案中，所述外加电源8电流大小为4～1000mA，随着装置大小设置不同，相关从业人员可根据实际应用调节电流大小，修改更大或者更小的电流范围。
在其中一个技术方案中，所述培养液为水或者BG11-C/BG11-N，其适合绝大部分藻类的培养。
在其中一个技术方案中，所述惰性电极6和7为石墨，石墨电极价格低廉且熔点高。
在其中一个技术方案中，所述惰性电极6和7至少插入溶液0.1cm，原则上惰性电极至少插入溶液以下。
本发明进一步要求保护一种用于微藻自养的高效供碳或氮方法，将待养微藻以及培养液放入所述的用于微藻自养的高效供碳或氮装置中自养。
在其中一个技术方案中，所述的用于微藻自养的高效供碳或氮方法，包括：
步骤一、将所述的用于微藻自养的高效供碳或氮装置通电3～10min后，电源电流控制在4～1000mA，将待养微藻以及培养液放入所述微藻自养的高效供碳或氮装置中自养；
步骤二、实时监控微藻室内pH值，微藻室pH值低于6.5，则断电，待pH值升至7.5，继续通电；此处针对一般微藻养殖需求最佳pH值范围在7～7.5；针对嗜酸或者嗜碱的微藻，本领域相关从业人员可根据其最佳pH值范围调节通断电时机，一般来说，微藻室内pH值低于其最佳pH值范围低值0.5时，断电；微藻室内pH值高于其最佳pH值范围低值时，通电，本领域相关从业人员也可根据实际需求自行设置调节pH值范围。
实施例1
选择阴离子膜和双极膜，分别组装成阴极室和阳极室，其中双极膜阳极面朝向微藻室。电极选择稳定惰性电极石墨，以交流电过伯乐蛋白电泳仪为外加电源。阴极室中添加碳酸氢钠，阳极室中添加硫酸钠。石墨电极插入腔室3cm，通过调节电流大小4～10mA，微藻室以BG11-C或者水为媒介，进行2h碳供给，每隔20min取样检测钠离子含量及碳供给量。其中钠离子测定TP330型钠离子检测仪进行检测，碳的测定方法采用研究所TIC测定法，NO3 -测定方法采用分光光度法，A＝A220-2*A275。取1mL中间室样品，12000rpm离心5min，收集上清。经0.22μm过滤过直接用于碳测定。而硝酸根测定，则加入20μL 0.8％氨基磺酸，200μL1M HCl，然后进行吸光度测定。
所得碳供给效率变化曲线图如图2所示，由图2的结果表明，电流大小为10mA，媒介为BG11-C时，在2h内，碳最高供给达到了40mg/L；在电流大小为4mA，媒介为BG11-C时，在2h内，碳供给至少达到15mg/L；媒介为水时，在2h内，碳供给至少达到10mg/L。
所得钠离子含量变化曲线图如图3，其中A的微藻室以BG11-C为媒介，B的微藻室以水为媒介，由图3可以看出，本发明提供的装置及方法在碳供给时能有效的将钠离子进行隔离，中间微藻室阳离子没有积累造成细胞毒害。
实施例2
选择阴离子膜和双极膜，分别组装成阴极室和阳极室，其中双极膜阳极面朝向微藻室。电极选择稳定惰性电极石墨，以交流电过伯乐蛋白电泳仪为外加电源。阴极室中添加硝酸钠，阳极室中添加硫酸钠。石墨电极插入腔室3cm，通过调节电流大小4～10mA，微藻室以BG11-N或者水为媒介，进行2h碳供给，每隔20min取样检测钠离子含量及碳供给量。其中钠离子测定TP330型钠离子检测仪进行检测，碳的测定方法采用研究所TIC测定法，NO3 -测定方法采用分光光度法，A＝A220-2*A275。取1mL中间室样品，12000rpm离心5min，收集上清。经0.22μm过滤过直接用于碳测定。而硝酸根测定，则加入20μL 0.8％氨基磺酸，200μL 1MHCl，然后进行吸光度测定。
所得硝酸根供给效率变化曲线图如图4所示，由图4结果可知，电流大小为4mA，媒介为BG11-C时，在1h内，氮最高供给达到了20mg/L；在电流大小为10mA，媒介为BG11-C时，在2h内，氮供给至少达到10mg/L；媒介为水时，在2h内，氮供给至少达到6mg/L。
实施例3
选择阴离子膜和双极膜，分别组装成阴极室和阳极室，其中双极膜阳极面朝向微藻室。电极选择稳定惰性电极石墨，以交流电过伯乐蛋白电泳仪为外加电源。阴极室中添加碳酸氢钠，阳极室中添加硫酸钠。石墨电极插入腔室5cm，通电3～10min后，电源电流控制在4～1000mA，微藻室以BG11-C或者水为媒介，将待养微藻以及培养液放入所述微藻自养的高效供碳或氮装置中自养；实时监控微藻室内pH值，微藻室pH值低于6.5，则断电，待pH值升至7.5，继续通电；进行2h碳供给，经检测，微藻室中碳供给至少达到6mg/L，并且微藻室中有效防止了阳离子逐渐累积，无阳离子毒害。
如上所述，本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明提供的用于微藻自养的高效供碳或氮装置可高效、专一地供给用于微藻自养的碳或氮，促进微藻细胞生长，大大提高了微藻培养密度；其二，本发明提供的用于微藻自养的高效供碳或氮装置能够有效防止阳离子逐渐累积，造成阳离子毒害；其三，本发明提供的用于微藻自养的高效供碳或氮装置简单易行，成本低廉，便于工业化推广应用。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.用于微藻自养的高效供碳或氮装置，其特征在于，包括：
反应室，其具有一定容纳空腔，所述反应室内通过设置阴离子膜和双极膜，在反应室内形成三个独立子腔室，其中阴离子膜与双极膜之间的子腔室为微藻室，微藻室中放置待养微藻以及培养液，阴离子膜另一侧子腔室为阴极室，阴极室中添加碳酸氢钠溶液或者硝酸钠溶液，只允许阴离子从阴极室进入微藻室，双极膜的另一侧子腔室为阳极室，双极膜的阳极面朝向微藻室，阳极室中添加硫酸钠溶液，只允许阳离子从阳极室侧进入微藻室，阴离子从微藻室侧进入阳极室；
惰性电极，其分别设置在阴极室和阳极室中，并连接外加电源连接，外加电源正极与阳极室中的惰性电极连接，外加电源负极与阴极室中的惰性电极连接。
2.如权利要求1所述的用于微藻自养的高效供碳或氮装置，其特征在于，所述外加电源为直流电源。
3.如权利要求2所述的用于微藻自养的高效供碳或氮装置，其特征在于，所述外加电源电流大小为4~1000mA。
4.如权利要求3所述的用于微藻自养的高效供碳或氮装置，其特征在于，所述培养液为水或者BG11-C/BG11-N。
5.如权利要求4所述的用于微藻自养的高效供碳或氮装置，其特征在于，所述惰性电极为石墨。
6.如权利要求5所述的用于微藻自养的高效供碳或氮装置，其特征在于，所述惰性电极至少插入溶液0.1cm。
7.用于微藻自养的高效供碳或氮方法，其特征在于，将待养微藻以及培养液放入权利要求1~6任一项所述的用于微藻自养的高效供碳或氮装置中自养。
8.如权利要求7所述的用于微藻自养的高效供碳或氮方法，其特征在于，包括：
步骤一、将权利要求1~6任一项所述的用于微藻自养的高效供碳或氮装置通电3~10min后，电源电流控制在4~1000mA，将待养微藻以及培养液放入所述微藻自养的高效供碳或氮装置中自养；
步骤二、实时监控微藻室内pH值，微藻室pH值低于6.5，则断电，待pH值升至7.5，继续通电。
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