CN1314795C - 一种雨生红球藻高密度培养的气升式光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雨生红球藻高密度培养的气升式光生物反应器，包括养殖罐、水处理装置、照明装置、气体供应装置，其特征在于水处理装置位于养殖罐外部，照明装置位于养殖罐侧面，照明装置包括内置光源和外置光源，温度控制装置位于养殖罐底部，在温度控制装置上是气体供应装置，采样出气孔位于反应器顶部内侧，藻液收集口位于养殖罐底部。本发明结构简单，操作方便，节省了生产成本，降低了劳动强度，通过调控反应条件实现全天候高密度养殖，并将藻的养殖和虾青素积累结合在同一反应器中完成。

Description

一种雨生红球藻高密度培养的气升式光生物反应器

                        技术领域

本发明涉及生物技术领域，更具体涉及一种雨生红球藻高密度培养的气升式光生物反应器，该反应器应用于雨生红球藻的高密度培养及虾青素的积累过程。

                        背景技术

雨生红球藻(Haomatococcus pluvialis)是一种单细胞微藻，在分类地位上属于绿藻门，团藻目、红球藻科、红球藻属。它在生长的特定阶段能够大量积累虾青素，是一种很有开发前途的微藻。作为经济微藻，它具有以下优势：1)经济价值高，按照目前国际市场的价格，1公斤干藻粉的价格大约在20美元以上；2)养殖成本低廉，需要的仅仅是少量营养盐和一定的温度光照条件；3)作为淡水藻，红球藻养殖不存在螺旋藻和盐藻废弃液排放带来的环境污染问题。

雨生红球藻广阔的市场前景也引起了国际上的普遍关注，目前国外利用雨生红球藻生产和提取天然虾青素的技术已取得长足发展，瑞典已有公司采用人工源照射光生物反应器进行生产。美国的Aquasearch公司在计算机控制的室外封闭光生物反应器(AGM)中进行藻培养，而cyanotech公司则采用封闭的“平台”式光生物反应器进行培养。但是目前对该藻的研究与商品化生产之间还很有一定距离，生产中主要存在以下几方面问题：(1)雨生红球藻对坏境变化敏感，指数生长期短，抵抗细菌和原生动物污染的能力较差，极端环境下将失去繁殖能力，不易建立稳定、高效的生产技术体系；(2)培养周期长、产率低、连续性差，而且在胁迫过程中大量死亡，不利于大规模培养。(3)在大池中培养，其光能利用率受到限制，这制约虾青素积累阶段的生产效率，也增加了生产成本。以上问题阻碍了该藻的开发，大大降低了其商品价值。为此，人们正积极地寻找细胞高密度培养条件及虾青素积累的生态调控技术。

申请人注意到中国知识产权局2003年1月22日公开的申请号为02134385.3的专利，名称为光生物反应器调节红球藻种群密度及虾青素合成和积累的方法，该发明是使用开放式大规运行的光生物反应器调节红球藻种群密度及细胞内虾青素的合成与积累。研究发现，这种开放式反应器和以大池露天进行微藻粗放式生产具有类似的缺陷和困难，如占地面积大，基建成本高，营养盐和能源消耗浪费多，受气候影响只能进行季节生产，且藻产品的产量、质量和稳定生产可能性受到外界化学因子和生物污染的威胁。而另外设计的一些反应器有的技术操作复杂，投资成本高，有的则忽视了藻培养过程中对温度光照的需求，如闭路管道式反应器的内温控制问题，藻细胞密度增大时的光照供应问题等，还有的所使用材料在高温和紫外线下容易老化，这些都限制了其生产应用的可行性。

                        发明内容

本发明的目的在于提供一种雨生红球藻高密度培养的气升式光生物反应器，能够有效控制藻细胞的生长，解决封闭养殖过程中藻细胞附壁、溶解氧蓄积问题，提高光能和营养利用效率的养殖装置。该装置将藻细胞的大量培养与虾青素的积累两个过程通过光强的调节结合在同一容器中，减少了中间环节带来的藻生物量的损失，避免了杂藻、病菌和虫害对生产的干扰，同时方便了采收，降低了劳动强度，节省了生产成本。

本发明的技术方案为：

一种雨生红球藻高密度培养的气升式光生物反应器，包括养殖罐、水处理装置、温度控制装置、气体供应装置、照明装置、采样出气孔以及藻液收集口。其特征在于：水处理装置大部分位于养殖罐外部，照明装置位于养殖罐侧面，照明装置包括内置光源和外置光源，温度控制装置位于养殖罐底部，在温度控制装置上是气体供应装置，采样出气孔位于反应器顶部内侧，藻液收集口位于养殖罐底部。

养殖罐为圆柱形，采用透光性好的树脂玻璃材料制作，直径0.3-0.8米，高度1.0-1.5米，透光玻璃厚度为0.5-1.0厘米。

水处理装置包括过滤器、电热器、臭氧发生器和紫外灯，除了紫外灯外，其他部件都位于反应器外；过滤器安装在进水口上，过滤器滤料为活性碳或纳米功能材料，它的作用主要是对养殖用水进行过滤，去除一些杂质和粗大的颗粒悬浮物，电热器安装在蓄水池的底部，可对进水加热至100℃达到灭菌作用，臭氧发生器通过导管与蓄水池相连，其产生的臭氧可以杀灭水体中的藻类和其他微生物，保证培养用水的清洁纯净。紫外灯独立安装在养殖罐内顶部，根据需要使用不同功率规格，紫外灯可进一步对培养用水进行处理，以上措施保证用水符合该藻的培养需要。

照明装置包括内置光源和外置光源两种，提供藻细胞培养阶段和虾青素积累阶段所需要的不同光强。内置光源采用防水潜水式荧光灯，每2-3根为一组，2-4组均匀分布，潜水式荧光灯通过螺栓或真空吸盘安装在养殖罐内部；外置光源采用荧光灯，每2-3根为一组，4-6组均匀分布，荧光灯通过螺栓或真空吸盘安装在反应器外壳的内侧；每组内外置光源均可独立开关，可根据培养实际情况需要决定光源的组合，当养殖罐内藻的密度有显著增加时，逐渐加大光照强度，而在完成了生物量的培养后可以打开所有灯，使藻细胞在高光下进行虾青素的积累。在反应器外壳的内侧均匀铺设反光性能好的锡箔纸，锡箔纸占据外壳3/4的表面积，留1/4表面积的空间观察生产过程中反应器的运转情况；锡箔纸有助于增加养殖罐内的光强。

养殖罐底部的温度控制装置由两部分组成，空调压缩机在养殖罐外部，温度调节用的散热/吸热器件位于养殖罐内部，通过防水垫圈和螺栓安装在养殖罐底部，并通过导流管与空调压缩机相连。

气体供应装置由气石、过滤器、流量计、气阀、空气泵和二氧化碳钢瓶组成，各个部件之间通过硅胶管相连接；气体过滤器可以采用35-50毫米针头式过滤器，内部为孔径0.30-0.65微米的混合纤维酯微孔滤膜。空气泵和二氧化碳钢瓶中的气体在进入气阀前混合，混合气体经气阀、流量计、过滤器和气石进入培养罐，气石固定在散热/吸热器件上，气石之间通过分头互相连接。1个气石位于养殖罐底部圆心上，另外6-8个气石均匀地分布在养殖罐底部圆周上。提供培养过程中所需要的气体，尤其使CO₂，同时通过气流使藻细胞和培养液充分混合接触，并保证大多数细胞都可以均匀受光。

采样出气孔为养殖罐顶部直径30-60毫米的圆形的开口，安装可拆卸的含混合纤维酯微孔滤膜的气体过滤器，过滤器通过密封圈连接到养殖罐上。该孔用于反应器藻细胞产生的氧气逸出，平衡反应器内的气压。拔下过滤器后该孔还可用于培养母液的添加、藻种的接种、培养过程中分析样品的取样，反应室温度和光强的测定。

本发明的原理是：1.通过过滤、加热、臭氧处理和紫外线照射对培养用水进行彻底处理，保证了用水安全和卫生，有效避免杂藻、病菌和原生动物的危害；2.在生产应用中气石充气带动培养液和藻细胞的混合运动和密切接触，最大限度地保证了培养环境的均一性，促进了藻细胞对营养物质和光能的利用，提高了传质效率；3.根据细胞生长阶段的实际需要决定开启不同的光源组合，保证藻细胞生长和虾青素积累阶段都能得到适宜的光强，使得培养罐中藻细胞不会因为密度的增加而出现光能的不足，有利于藻细胞获得高密度的生物量，并在此后直接进入虾青素积累阶段，促使藻细胞形成厚壁孢子，积累虾青素。

本生物反应器的技术特征与优点：

1.清洁无污染，本反应器对培养用水和气体采用过滤装置，有效阻止了空气和水体中杂质和细菌的进入，此外密闭的养殖模式有效防止了杂藻、原生动物等的侵入。

2.培养密度大，本反应器设置了内外光源，有效防止了培养密度高了以后产生的自我遮蔽作用，保证了光能的充足供应，有助于实现高密度培养。

3.提供了一种稳定高效的生产技术体系，本反应器在养殖罐中装有散热/吸热器件，而空调压缩机则位于养殖罐外，这样的设计可以保证藻细胞的生长繁殖一直处于最适宜的温度范围内，此外由于光照的充足供应，加上反应器解决了杂藻和虫害等的干扰，保证了培养的顺利进行。

4.简化了工艺流程，以往的工艺是首先培养获得大量的绿色细胞，然后在将这些藻细胞放置到胁迫环境中2-3天，使其转变为厚壁孢子积累虾青素；本反应器的设计简化了传统的工艺流程，减少了因为中间环节可能造成的生物量损失，同时有助于虾青素的积累，提高产品质量。

5.设计简单，操作简便易行，同时对环境不产生污染，具有生产应用价值。

                        附图说明

图1为一种雨生红球藻高密度培养的气升式光生物反应器的结构示意图。

                        具体实施方式

实施例：

下面根据附图对本发明作进一步详述：

一种雨生红球藻高密度培养的气升式光生物反应器，它包括养殖罐2、水处理装置6、温度控制装置5、气体供应装置4、照明装置3、采样出气孔7以及藻液收集口8。

养殖罐2为圆柱形，采用透光性好的树脂玻璃材料制作，本实施例采用的规格是直径0.5米，高1.5米，透光玻璃厚度为0.6厘米。养殖罐2顶部有采样出气孔7和紫外灯19，左上部有水处理装置6，中部有照明装置3，底部有供气装置4、温度控制装置5和藻液收集口8。

水处理装置6包括紫外灯19、蓄水池20、进水过滤器21、电热器22和臭氧发生器23，除了紫外灯19外，其他部件都位于反应器外；进水过滤器21安装在进水口上，滤料为活性碳，它的作用主要是对养殖用水进行过滤，去除一些杂质和粗大的颗粒悬浮物，电热器22(可加热到水温100℃)安装在蓄水池20的底部，可对进水加热至100℃达到灭菌作用，臭氧发生器23(臭氧发生量5g/h)通过导管与蓄水池20相连，其产生的臭氧可以杀灭水体中的藻类和其他微生物.过滤处理的水首先加热到100℃，然后再开臭氧发生器，通过臭氧的作用杀灭水体微生物，保证培养用水的清洁纯净。紫外灯19(30W，3支)独立安装在圆柱形养殖罐2内顶部，紫外灯19在培养用水和培养母液添加完后开启24h，可进一步对培养用水进行处理；各个部件彼此不相连接，但它们共同的作用是保证用水符合该藻的培养需要。

温度控制装置5位于养殖罐2底部，由散热/吸热器件17和空调压缩机18两部分组成，空调压缩机18在养殖罐2外部，温度调节用的散热/吸热器件17位于养殖罐2内部，通过防水垫圈和螺栓安装在养殖罐2底部，并通过导流管与空调压缩机18相连。

气体供应装置4由气石11、流量计12、过滤器13、气阀14、空气泵15和二氧化碳钢瓶16组成，各个部件间通过硅胶管串连连接；空气泵15和二氧化碳钢瓶16中的气体在进入气阀14前混合，混合气体经“气阀14→流量计13→过滤器12→气石11”到养殖罐2内；过滤器13可以采用35毫米针头式过滤器，内部为孔径0.30微米的混合纤维酯微孔滤膜。气石11固定在圆形的散热/吸热器件17上，1个气石位于养殖罐2底部圆心上，另外6-8个气石均匀地分布在养殖罐2底部圆周上，气石11之间采用分头连接。该分装置提供培养过程中所需要的气体，尤其是CO₂，同时通过气流使藻细胞和培养液充分混合接触，并保证大多数细胞能均匀受光。

照明装置3分内置光源和外置光源两种；内置光源采用防水潜水式荧光灯9，功率为20W，每2根为一组，3组均匀分布在养殖罐2内部；外置光源采用荧光灯10，功率为20W，每2根为一组，4组均匀分布在反应器外壳1的内侧；这些灯提供光强范围在30～350μmol m^-2s^-1的光能供藻细胞光合作用需要。每组内外置光源均可独立开关，可根据实际情况需要决定光源的组合。在反应器外壳1的内侧均匀铺设反光性能好的锡箔纸，锡箔纸占据外壳3/4的表面积，留1/4表面积的空间观察生产过程中反应器的运转情况。照明装置3安装在反应器居中的位置上，各灯之间为并联连接，并分别固定在养殖罐壁和反应器外壳1上。

采样出气孔7为直径50毫米的圆形开口，位于反应器顶部内侧，安装可拆卸的孔径0.30微米的混合纤维酯微孔滤膜，用于反应器藻细胞产生的氧气逸出，平衡反应器内的气压。该孔还用于培养母液的添加、藻种的接种、培养过程中分析样品的取样，反应室温度和光强的测定。

Claims (3)

1、一种雨生红球藻高密度培养的气升式光生物反应器，包括养殖罐(2)、照明装置(3)、气体供应装置(4)、温度控制装置(5)、水处理装置(6)、采样出气孔(7)、藻液收集口(8)，其特征在于水处理装置(6)位于养殖罐(2)外部，水处理装置(6)包括过滤器(21)、电热器(22)、臭氧发生器(23)和紫外灯(19)，过滤器(21)安装在进水口上，电热器(22)安装在蓄水池(20)的底部，臭氧发生器(23)通过导管与蓄水池(20)相连，紫外灯(19)安装在养殖罐(2)内顶部；照明装置(3)位于养殖罐(2)侧面，照明装置(3)包括内置光源和外置光源，在反应器外壳内侧均匀铺设反光性的锡箔纸，占外壳3/4的表面积；温度控制装置(5)位于养殖罐(2)底部，在温度控制装置(5)上是气体供应装置(4)，气体供应装置(4)由气石(11)、流量计(12)、过滤器(13)、气阀(14)、空气泵(15)和二氧化碳钢瓶(16)组成，依次用胶管串联连接，6-8个气石均匀地分布在养殖罐底部圆周上，气石间采用分头连接；采样出气孔(7)位于反应器顶部内侧，为直径50毫米的圆形开口，是空气排放口、进料口和接种口；藻液收集口(8)位于养殖罐(2)底部。

2、根据权利要求1所述的一种雨生红球藻高密度培养的气升式光生物反应器，其特征在于温度控制装置(5)由散热/吸热器件(17)和空调压缩机(18)组成，空调压缩机(18)位于养殖罐(2)外部，散热/吸热器件(17)位于养殖罐(2)内部，通过防水垫圈和螺栓安装在养殖罐(2)底部，并通过导流管与空调压缩机(18)相连。

3、根据权利要求1所述的一种雨生红球藻高密度培养的气升式光生物反应器，其特征在于照明装置(3)分内置光源和外置光源两种，内置光源采用防水潜水式荧光灯(9)，每2根为一组，三组均匀分布在养殖罐(2)内部；外置光源采用荧光灯(10)，每2根为一组，四组均匀分布在反应器外壳(1)的内侧；照明装置(3)安装在反应器居中的位置上，各灯之间为并联连接，并分别固定在养殖罐壁和反应器外壳(1)上。

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