CN1272429C - 一种光生物反应器系统及用该反应器系统培养微藻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光生物反应器系统及用该反应器系统培养微藻的方法，通过将多个封闭式光生物反应器组合成多级的封闭式光生物反应器系统，使培养微藻的方法包括以下步骤：①在第一级封闭式光生物反应器中添加培养基；②在每一级封闭式光生物反应器中进行培养液的充气培养，③将上一级封闭式光生物反应器中的培养液输送到下一级封闭式光生物反应器中，④从末一级封闭式光生物反应器中收集微藻产物，优点是培养微藻的生长可以保持长时间的指数生长期，并连续收获，比传统的方法减少了延缓期、平稳期，生长更加迅速，培养过程减少了清洗、消毒、接种，具有更高的经济效益，并适合于大规模的产业化生产。

Description

一种光生物反应器系统及用该反应器系统培养微藻的方法
技术领域
本发明涉及一种光生物反应器系统及用该光生物反应器系统培养微藻的方法。
背景技术
现有的微藻培养主要在光生物反应器中进行，迄今已研制成功种类繁多、结构各异的光生物反应器，有开放池式、水平管状、垂直管状、柔性袋状等多种类型。代表性的有两类：跑道池式和封闭式光生物反应器。前者适合于可以开放培养的微藻，生产成本较低，并能在大面积生产中维持一定的产量，是目前商业规模大量培养微藻所普遍采用的培养系统。而封闭式光生物反应器可用于大多数藻类的培养，易于控制培养条件及生长参数；CO2利用率高。其中较典型的有水平回旋管型和垂直管状，适用于不宜开放培养或经济价值较高的藻类，能防治污染、维持单种培养、运转过程能严格控制，有较高的光能利用率，因而可获得较高的生物密度和产量。目前的封闭式光生物反应器微藻的培养过程主要包括以下步骤：①清洗光生物反应器，消毒、接种；②在封闭式光生物反应器中添加培养基；③在光生物反应器中充气，进行培养液的充气培养；④收集微藻产物；⑤添加新的培养基。上述的培养过程，每一个循环都要进行一次清洗、消毒和接种才能进行下一次新的培养循环，培养的数量相对较少，培养的效率比较低下，一般比较适合于实验室使用，而用于产业化生产则相应地增加了培养的成本；这种培养的方式，培养基的添加通过手工完成的，费时费力，而使用水泵添加培养基则容易导致培养基的污染以及因水泵的运转引起的温度变化；而如果采用部分收集培养产物并同时部分添加培养基的方式，由于单体的光生物反应器以相对独立的方式进行培养，培养基的添加与培养产物的收集在时间和空间上是相连续的，容易导致收集的培养产物有一部分是才添加的培养基，会影响培养的效果，造成培养的效率低下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种光生物反应器系统及用该光生物反应器系统培养微藻的方法，用于微藻大量、快速、经济、高效的培养，在短时间内能够连续培养以提供大量高密度的微藻，并能够持续相当长的时期，适用于微藻培养产业化的需要。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种光生物反应器系统，是由二个以上的封闭式光生物反应器组成的多级封闭式光生物反应器系统，所述的封闭式光生物反应器之间通过连接导流管相互连接，一个高位贮水容器通过加注导流管与第一级封闭式光生物反应器相连，所述的高位贮水容器通过所述的加注导流管向所述的第一级封闭式光生物反应器输送培养基，一个低位贮水容器通过收集导流管与所述的末级封闭式光生物反应器相连，所述的低位贮水容器通过收集导流管从所述的末级封闭式光生物反应器中收集微藻产物。
所述的光生物反应器系统，最好是由五个封闭式光生物反应器组成的五级封闭式光生物反应器，所述的封闭式光生物反应器之间通过连接导流管相互连接，所述的高位贮水容器通过加注导流管与第一级封闭式光生物反应器相连，所述的高位贮水容器通过所述的加注导流管向所述的第一级封闭式光生物反应器输送培养基，所述的低位贮水容器通过收集导流管与所述的第五级封闭式光生物反应器相连，所述的低位贮水容器通过收集导流管从所述的第五级封闭式光生物反应器中收集微藻产物。
所述的连接导流管上设置有玻璃三通。
所述的封闭式光生物反应器的外筒的底部呈圆锥形结构。
所述的连接导流管的开口是设置在所述的封闭式光生物反应器的外筒与内筒之间。
一种用上述的光生物反应器系统培养微藻的方法，在一个多级光生物反应器系统中进行，它包括以下步骤：①在第一级封闭式光生物反应器中添加培养基；②在每一级封闭式光生物反应器中进行培养液的充气培养，③将上一级封闭式光生物反应器中的培养液输送到下一级封闭式光生物反应器中，④从末一级封闭式光生物反应器中收集微藻产物。
所述的步骤①是通过一个容纳有培养基的高位贮水容器及一根连接所述的高位贮水容器和所述的第一级封闭式光生物反应器的加注导流管以自流的方式来完成的。
所述的步骤④是通过一个低位贮水容器及一根连接所述的末一级的单体的封闭式光生物反应器和所述的低位贮水容器的收集导流管以自流的方式完成的。
所述的步骤③是通过连接相邻封闭式光生物反应器的连接导流管来完成的。
与现有技术相比，本发明的优点在于微藻的培养过程是在一个由高位贮水容器、低位贮水容器和多个封闭式光生物反应器组成的多级光生物反应器系统中进行，培养基的添加、培养液的培养及培养产物的收集处于一个连续的状态，从而能够连续、迅速、高效地进行微藻的大量培养，并维持更长的培养时期；培养基的添加与培养产物的收集在时间与空间上的相对隔离，保持光生物反应器中的培养条件更加适合于培养物的生长，收集有更高的效果，使培养系统能够长期、有效地发挥功能；设置一个高位贮水容器，通过加注导流管将其中的培养基通过虹吸作用自流到光生物反应器中，光生物反应器培养产物通过收集导流管自流到一个低位贮水容器，可以节省人力和物力，同时避免了培养基的污染及因水泵的运转所造成的能源浪费和水泵的运转所引起的温度变化；连接导流管中间用一个玻璃三通连接，可以方便地排除管内的气体，调节相邻封闭式光生物反应器的液面高低，有利于培养液的添加与导出，并且随时能够添加营养盐或者其他的培养液调节物质，达到快速培养的目的；连接相邻封闭式光生物反应器的连接导流管的开口在光生物反应器的内外筒之间，与封闭式光生物反应器中的培养液循环的方向一致，不会露出液面，在整个培养过程中都能稳定地定位在设置的位置上。
本发明的培养方法，培养微藻的生长可以保持长时间的指数生长期，并连续收获，比传统的方法减少了延缓期、平稳期，生长更加迅速，每一次培养过程比常规的培养工艺减少了光生物反应器的清洗、消毒、接种，以及微藻生长的延缓期、指数生长期、平稳期及衰老期，具有更高的经济效益，并适合于大规模的产业化生产。
如采用五个光生物反应器连接成的五级光生物反应器系统，可以进行所有常见微藻的大量快速培养，以3～6升/小时的速度添加新鲜培养基，以同样的速度收集培养产物，在最后的一个光生物反应器的密度是第一个光生物反应器的密度8～30倍。培养物的生长速度及密度是通常的2～5倍，培养的周期是通常的1/2～1/5。
附图说明
图1为本发明的五级封闭式光生物反应器系统示意图；
图2为本发明俯视的五级封闭式光生物反应器系统示意图；
图3为本发明实施例四的结构示意图(省略高、低位贮水容器)；
图4为本发明封闭式光生物反应器结构之一的示意图；
图5为本发明封闭式光生物反应器结构之二的示意图；
图6为本发明实施例一的试验结果之一与现有技术的培养结果对照表；
图7为本发明实施例一的试验结果之二与现有技术的培养结果对照表。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：一种培养微藻的方法，在一个五级光生物反应器系统1中进行，包括以下步骤：①通过一个容纳有培养基的高位贮水容器4及一根连接高位贮水容器4和第一级封闭式光生物反应器11的加注导流管5以自流的方式向第一级封闭式光生物反应器11中添加培养基；②在每一级封闭式光生物反应器中通过充气管9充入CO2气体并进行培养液的循环培养，③通过连接相邻的封闭式光生物反应器的连接导流管3将上一级的封闭式光生物反应器中的培养液输送到下一级的封闭式光生物反应器中，④通过一个低位贮水容器6及一根连接第五级封闭式光生物反应器15和低位贮水容器6的收集导流管7以自流的方式从第五级封闭式光生物反应器15中收集微藻产物。
在一个五级光生物反应器系统中进行了下述的培养试验：
以亚心形扁藻Platymonas subcordiformis高密度培养的试验为例，采用XB.K25血球计数板，在OLYMPUS-CH30显微镜下计数结果表明：培养10d，藻细胞由最初的接种密度6.4×104个/ml；2d后上升到25.2×104个/ml；4d后上升到最高值111.5×104个/ml；6d后上升到390.0×104个/ml；8d后上升到758.3×104个/ml；10d后上升到1200×104个/ml；放去三分之一体积的藻液，加回新鲜培养基继续培养，培养2d，藻细胞密度800×104个/ml升高到1350×104个/ml，放去三分之一体积的藻液，加回新鲜培养液继续培养，培养2d，藻细胞密度900×104个/ml升高到2170×104个/ml，放去二分之一体积的藻液，加回新鲜培养液继续培养，培养2d，藻细胞密度1035×104个/ml升高到1500×104个/ml，放去三分之一体积的藻液，加回新鲜培养液继续培养，培养2d，藻细胞密度750×104个/ml升高到1300×104个/ml，放去三分之一体积的藻液，加回新鲜培养液继续培养，培养2d，藻细胞密度780×104个/ml升高到1300×104个/ml。如图6所示，与对照比较，能达到的最高密度及生长速度都是采用本发明有更大的优势。
以添加硅进行新月菱形藻Nitzschia closterium的高密度培养为例，培养开始时接种的细胞密度为60.6×104个/ml，2d后上升到408.3×104个/ml；4d后上升到1336.7×104个/ml；6d后上升到2378.3×104个/ml；8d后上升到4483.3×104个/ml；放去三分之一体积的藻液，加回新鲜培养液继续培养，培养2d，藻细胞密度2990×104个/ml升高到4800×104个/ml，放去三分之一体积的藻液，加回新鲜培养液继续培养，培养2d，藻细胞密度3200×104个/ml升高到5230×104个/ml，放去二分之一体积的藻液，加回新鲜培养液继续培养，培养2d，藻细胞密度2620×104个/ml升高到3800×104个/ml，放去三分之一体积的藻液，加回新鲜培养液继续培养，培养2d，藻细胞密度2530×104个/ml升高到4300×104个/ml，放去三分之一体积的藻液，加回新鲜培养液继续培养，培养2d，藻细胞密度2870×104个/ml升高到4000×104个/ml，放去三分之一体积的藻液，加回新鲜培养液继续培养，培养2d，藻细胞密度2670×104个/ml升高到4000×104个/ml，这对于快速、高密度培养饵料生物具有重要意义。如图7所示，与对照的比较，高密度培养新月菱形藻能达到的最高密度及生长速度都是采用本发明的有更大的优势。
实施例二：一种培养微藻的方法，在一个二级光生物反应器系统1′中进行，包括以下步骤：①通过一个容纳有培养基的高位贮水容器4′及一根连接高位贮水容器4′和第一级封闭式光生物反应器11′的加注导流管5′以自流的方式向第一级封闭式光生物反应器11′中添加培养基；②在每一级封闭式光生物反应器中通过充气管9′充入CO2气体并进行培养液的循环培养，③通过连接导流管3′将第一级封闭式光生物反应器11′中的培养液输送到第二级封闭式光生物反应器12′中，④通过一个低位贮水容器6′及一根连接第二级封闭式光生物反应器12′和低位贮水容器6′的收集导流管7′以自流的方式从第二级封闭式光生物反应器12′中收集微藻产物。
实施例三：一种光生物反应器系统，是由五个封闭式光生物反应器组成的五级封闭式光生物反应器系统1，五个封闭式光生物反应器设置在支架2上，各个封闭式光生物反应器之间通过连接导流管3相互连接，一个高位贮水容器4通过加注导流管5与第一级封闭式光生物反应器11相连，高位贮水容器4通过加注导流管5向第一级封闭式光生物反应器11输送培养基，一个低位贮水容器6通过收集导流管7与第五级封闭式光生物反应器15相连，低位贮水容器6通过收集导流管7从第五级封闭式光生物反应器15中收集培养产物；连接导流管5上设置有玻璃三通8，封闭式光生物反应器的外筒101的底部最好呈圆锥形结构或圆筒状结构，连接导流管3的开口31设置在封闭式光生物反应器的外筒101与内筒102之间，加注导流管5和收集导流管7都可以设置有调节阀门(图中未显示)，在封闭式光生物反应器的外筒101的底部设置有进气口103，通过一个充气管9连接到充气装置(图中未显示)，封闭式光生物反应器的内筒102的顶部设置有溢气孔104，连接导流管3可以从溢气孔104的位置连接相邻的封闭式光生物反应器，还可以从进气口103的位置连接相邻的封闭式光生物反应器。内筒102接近外筒101的上端处留有溢流孔105，内筒102接近外筒101下端处留有回流孔106，利用气泡的浮力带动内筒102内的培养液，形成在内筒102的上升流与与外筒101的下降流的定向的液体循环，在支架2上设置有环绕在五级封闭式光生物反应器系统1周围的可调控的光照装置10。
实施例四：一种光生物反应器系统，是由两个封闭式光生物反应器组成两级封闭式光生物反应器系统1′，各个封闭式光生物反应器之间通过连接导流管3′相互连接，一个高位贮水容器4′通过加注导流管5′与第一级封闭式光生物反应器11′相连，高位贮水容器4′通过加注导流管5′向第一级封闭式光生物反应器11′输送培养基，一个低位贮水容器6′通过收集导流管7′与第二级封闭式光生物反应器12′相连，低位贮水容器6′通过收集导流管7′从第二级封闭式光生物反应器12′中收集培养产物；连接导流管5′上设置有玻璃三通8′，第一级封闭式光生物反应器11′的外筒101的底部呈圆锥形结构，第二级封闭式光生物反应器12′的外筒101的底部呈圆筒状结构，连接导流管3′的开口31′设置在封闭式光生物反应器的外筒101与内筒102之间，加注导流管5′和收集导流管7′都可以设置有调节阀门(图中未显示)，在封闭式光生物反应器的外筒101的底部设置有进气口103，通过一个充气管9′连接到充气装置(图中未显示)，封闭式光生物反应器的内筒102的顶部设置有溢气孔104，连接导流管3可以从溢气孔104的位置连接相邻的封闭式光生物反应器，还可以从进气口103的位置连接相邻的封闭式光生物反应器。内筒102接近外筒101的上端处留有溢流孔105，内筒102接近外筒101下端处留有回流孔106，利用气泡的浮力带动内筒102内的培养液，形成在内筒102的上升流与与外筒101的下降流的定向的液体循环。

Claims (8)

1、一种光生物反应器系统，其特征在于它是由二个以上的封闭式光生物反应器组成的多级封闭式光生物反应器系统，所述的封闭式光生物反应器之间通过连接导流管相互连接，一个高位贮水容器通过加注导流管与第一级封闭式光生物反应器相连，所述的高位贮水容器通过所述的加注导流管向所述的第一级封闭式光生物反应器输送培养基，一个低位贮水容器通过收集导流管与所述的末级封闭式光生物反应器相连，所述的低位贮水容器通过收集导流管从所述的末级封闭式光生物反应器中收集微藻产物。
2、如权利要求1所述的一种光生物反应器系统，其特征在于它是由五个封闭式光生物反应器组成的五级封闭式光生物反应器系统，所述的封闭式光生物反应器之间通过连接导流管相互连接，所述的高位贮水容器通过加注导流管与第一级封闭式光生物反应器相连，所述的高位贮水容器通过所述的加注导流管向所述的第一级封闭式光生物反应器输送培养基，所述的低位贮水容器通过收集导流管与所述的第五级封闭式光生物反应器相连，所述的低位贮水容器通过收集导流管从所述的第五级封闭式光生物反应器中收集微藻产物。
3、如权利要求1或2所述的一种光生物反应器系统，其特征在于所述的连接导流管上设置有玻璃三通。
4、如权利要求3所述的一种光生物反应器系统，其特征在于所述的封闭式光生物反应器的外筒的底部呈圆锥形结构，所述的连接导流管的开口是设置在所述的封闭式光生物反应器的外筒与内筒之间。
5、一种用权利要求1所述的光生物反应器系统培养微藻的方法，其特征在于它包括以下步骤：①在第一级封闭式光生物反应器中添加培养基；②在每一级封闭式光生物反应器中进行培养液的充气培养，③将上一级封闭式光生物反应器中的培养液输送到下一级封闭式光生物反应器中，④从末一级封闭式光生物反应器中收集微藻产物。
6、如权利要求5所述的一种培养微藻的方法，其特征在于所述的步骤①是通过一个容纳有培养基的高位贮水容器及一根连接所述的高位贮水容器和所述的第一级封闭式光生物反应器的加注导流管以自流的方式来完成的。
7、如权利要求5所述的一种培养微藻的方法，其特征在于所述的步骤④是通过一个低位贮水容器及一根连接所述的末一级封闭式光生物反应器和所述的低位贮水容器的收集导流管以自流的方式完成的。
8、如权利要求5所述的一种培养微藻的方法，其特征在于所述的步骤③是通过连接相邻封闭式光生物反应器的连接导流管来完成的。
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