CN1528879A - 太阳能集热器在光合细菌培养中的应用与控制技术 - Google Patents

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Abstract

在封闭式或敞开式培养光合细菌过程中，与培养罐或培养管道串联、并联或串并联连接一定数量的太阳能集热器，用泵或其它方法使光合细菌培养物在太阳能集热器中进行流动，在太阳光或人工照明灯的照射下由太阳能集热器通过吸附选择涂层将光能高效转变为热能并传导给光合细菌培养物后，不仅可以高效提升光合细菌培养物的温度，而且可以降低在寒冷地区光合细菌的培养成本，具有非常重要和广泛的应用价值。

Description

太阳能集热器在光合细菌培养中的应用与控制技术
本发明专利申请涉及太阳能集热器在光合细菌培养中的应用与控制技术，属生物技术领域。
光合细菌(Photosynthetic Bacteria)是一大类能在厌氧光照条件下进行不产氧光合作用的原核生物的总称，属于革兰阴性菌，分为红螺菌科(Rhodospirillaceae)、着色菌科(Chromatiaceae)、绿菌科(Chlorobiaceae)和绿色丝状菌科(Chloroflexaceae)4个科，菌细胞主要分为杆状和球形2种不同形态，是地球生命起源的先锋物种之一。其中红假单胞菌(Rhodopseudomonas)和紫色无硫菌(Rhodospirillaceae)是产业化生产较多的光合细菌种类。光合细菌的蛋白质含量高达60％以上，同时富含可以作为细胞代谢激活剂和天然抗氧化剂的辅酶Q10(泛醌)及具有抗癌作用的类胡萝卜素，具有重要的营养和药用价值。目前，光合细菌在作为畜禽饲料添加剂促进动物生长、处理高浓度有机废水、水产养殖水质的净化和农业高效活性菌肥等方面都发挥了越来越重要的作用。
国内外研究现状显示，目前光合细菌主要有动态和静置2种培养方式，培养装置有开放和密闭2种类型。国外有采用透光的密闭式光生物反应器动态连续培养光合细菌的报道，但在国内多采用玻璃缸和塑料桶在光照下静置密闭培养。
动态密闭培养一般在透光的反应器内进行，为了保持培养物能够得到充分的光照，通过泵使光合细菌液体培养物流过螺旋的玻璃管，采用电加热或燃料燃烧等方式提升并保持一定的培养温度。虽然此种培养方法具有效率高和条件易于控制等优点，但在比较寒冷的地区必须消耗大量的能源和电力来提高并保持光合细菌的培养温度。
对于静置封闭培养光合细菌的规模生产工艺一般分为四级培养，分别是一级试管种的转接和纯化；二级锥形瓶培养，培养体积1～5升；三级扩大培养，培养体积25～50升；四级扩大培养，培养体积为100～1500升。在扩大培养过程中采用太阳光或人工光源进行光照，但一般不进行加热提升光合细菌培养物的温度。尽管此种培养方法投资小，但是因为不能保持光合细菌生长的最适温度，因此在冬季不能保证光合细菌的高效稳定生产。
光合细菌具有喜好高温的特点，其最适生长温度为25～35℃，低于10℃时尘长非常缓慢，但在接近40℃时却仍能够保持快速生长。因此造成了目前我国光合细菌的生产主要集中在海南、广东和福建等常年温度高的南方地区，而在北方地区由于常年温度较低而限制了光合细菌的生产。虽然采用管道式培养在一定程度上能够对光合细菌的培养进行温度控制，但在我国北方冬季要想大规模生产过程中保持光合细菌生长的最适温度必然要消耗大量的电力或燃料等能源，这样就提高了光合细菌的生产成本。因此如何高效提升光合细菌培养物的温度，使我国北方地区在冬季仍然能够进行光合细菌的生产是一个急待解决的难题。相对于我国南方地区来说，我国北方地区常年晴天的日数明显偏多，阳光充足，具有更好的外部太阳光光源条件，这是我国北方地区光合细菌生产的优势。但在光线充足的条件下，低温已成为高效培养光合细菌的严重限制因素。
随着科技的进步，以太阳能集热管为主的太阳能集热器已经问世，并在我国冬季解决人类洗澡和饮用热水方面发挥了重要的作用。以太阳能集热管为例，它由内外两个玻璃管组成，在内管外层有铝-氮或铝选择性涂层，在内外两层管中保持真空状态。太阳能集热管的突出优点是可以通过涂层将太阳光能高效地转变为热能。以太阳能集热管生产龙头企业清华阳光公司生产的晒乐牌全玻璃太阳能真空集热管的为例，在环境温度为9.9℃时，可以将11℃的水在1天内提升到41℃，日提高水温30℃。此外太阳能集热管还具备非常好的保温性能，在环境温度为0℃下，初始55℃的水经36小时后仍可保持40℃。目前清华阳光公司已具备了年生产700万支集热管的能力，为节约化石燃料能源和防止污染方面做出了重要贡献，同时也为在我国北方地区冬季解决光合细菌培养的温度限制问题提供了一条新的解决思路。
我国北方地区冬季虽然阳光充足，但温度低。如果在管道式培养光合细菌的基础上，在管道中串联连接一定比例的太阳能集热管完全可以高效提升管道内光合细菌培养物的温度，这无疑是解决低温限制问题的一条有效途径。在强光条件下，光合细菌需要有相对较高的温度才能充分进行光合作用维持快速生长。而在太阳光充足的情况下，太阳能集热器能够更有效地提升光合细菌培养物的温度，这正好适合了光合细菌本身的生理生态特点。另外，利用太阳能集热器提高光合细菌培养物的温度，不仅可以节约化石燃料能源并防止大气污染，而且因为太阳能集热管的使用寿命长达15年以上，可以大大降低光合细菌的生产成本。
本发明的目的是提供一种利用太阳能集热器来直接加热光合细菌培养物或液体培养基的方法和技术。
本发明的光合细菌培养方法是：在封闭式培养光合细菌过程中，与培养池、培养罐或培养管道串联或并联连接一定数量的太阳能集热器，通过采用泵或其它方法使光合细菌培养物从太阳能集热器中流过，这样可以对光合细菌培养物或液体培养基进行加热并提升温度的方法和技术。
本发明的光合细菌培养过程如下：首先将太阳能集热器与封闭式培养罐和培养管道进行串联连接，组建使光合细菌培养物可以在培养罐-太阳能集热器-培养管道进行闭合流动循环的封闭式光合细菌培养系统。在培养罐中加入以乙酸钠和碳酸氢钠作为碳源、氯化铵作为氮源，磷酸二氢钾作为磷源及包含多种微量元素组成的液体培养基，用泵将培养液从培养罐中抽入到太阳能集热管和培养管道中进行闭合流动循环。接种一定数量的光合细菌后，在一定初始温度和pH的条件下进行光合细菌的培养。
在培养过程中，温度的控制非常重要，在室外温度低于10℃时，可以串联连接较多数量的太阳能集热器，以便在太阳光照下较快地提升光合细菌培养物的温度。在室外温度在20到30℃时，可以减少使用太阳能集热器的用量。因为光合细菌的培养周期为5天左右，在此期间室外气温的变化并不是非常剧烈，因此与管道串联一定比例的太阳能集热器可以较好地提高并保持光合细菌培养物生长的适宜温度。另外通过调整流入太阳能集热器的培养物的流量也可以调节培养物的温度。在室外气温高达30℃以上时，可以省去太阳能集热器，使培养罐直接与培养管道相连接进行闭合流动循环培养。在室外温度低于0℃时，除加大太阳能集热器的使用量外，还可以在培养罐中采用电或燃料燃烧加热的方法对培养物进行温度的提升。
本发明的工作原理是：在太阳光照射下，太阳能集热器通过吸附选择涂层可以高效地将太阳光能转变为热能并传导给流过的光合细菌培养物使其升温，这样就有利于光合细菌在由透明材料组成的管道中进行更充分的光合作用，从而提高光合细菌的生长速度，同时还可以节省化石燃料，降低光合细菌的生产成本。
图1是本发明将太阳能集热器应用于光合细菌培养罐和培养管道闭合循环系统的工作状态示意图。
结合附图说明本发明的光合细菌培养过程如下：
图1中1为培养罐。2为光合细菌培养物。3为温度计。4为光合细菌培养罐流出口。5为光合细菌培养罐流入口。6为蠕动泵。7为太阳能集热管。8为由透明材料制成的培养管道。
图1中培养罐(1)放在室内，而太阳能集热管(7)和培养管道(8)放在室外太阳光能够照射到的地方。
首先在培养罐中加入一定体积的液体培养基和接种一定数量的光合细菌。通过泵(6)将光合细菌培养物从培养罐流出口(4)中抽出并使其流过太阳能集热器(7)进行提升温度，然后流入培养管道(8)，最后经培养罐流入口(5)返回到培养罐(1)中。
本发明实施例如下：首先将一个放置在室内的5升玻璃培养罐、与放置室外的一支1.29升容积的太阳能集热管(规格：长1200mm，管壁内径37mm)和5支与太阳能集热管同样规格的玻璃管用橡胶管串联连接在一起并组成一个闭合循环系统。在培养罐中配制加入光合细菌液体培养基，培养基组成是每升去离子水包含碳酸氢钠3.0g、碳酸氢钠2.0g、氯化铵2.5g、磷酸二氢钾1.0g、氯化钠1.0g、硫酸镁0.2g、硫酸亚铁0.01g、氯化钙0.02g、酵母粉0.5g。此培养基初始pH为7.0左右，培养物初始温度为18℃，室内平均温度为21℃，室外环境平均温度为15℃左右时。打开蠕动泵以35毫升/秒的流量使培养基在培养罐—太阳能集热管—培养管道中进行闭合流动循环，待系统流动稳定后向培养罐中加入1.0升光合细菌液开始进行培养。在白天阳光充足的情况下，太阳能集热管会迅速将太阳光能转变为热能对光合细菌培养物进行加热，仅在白天1天时间光合细菌培养物的最高温度可上升到30℃。因为此封闭培养系统具有一定的保温性能，在夜晚无太阳光照下，光合细菌培养物的温度也能保持在22℃以上。用此培养系统进行培养，光合细菌培养物的温度可以始终保持在20到35℃之间，在4天时间光合细菌就能够生长到2克干重/升以上，可以进行收获。
综上所述，本发明是一项将太阳能集热器应用于光合细菌培养的技术，通过太阳能集热器将太阳光能转变为热能对光合细菌培养物进行加热，可有效提高光合细菌培养物的温度，使光合细菌能够快速生长。不仅充分利用了太阳光转变成的热能，而且节约了用于对光合细菌培养物加热的电能和其它化石燃料，具有非常重要和广泛的应用价值。

Claims (4)

1、一种提升光合细菌培养温度的方法，其特征是在封闭或敞开式培养光合细菌过程中，与光合细菌培养罐或管道串联、并联或串并联连接一定数量的太阳能集热器，在太阳光或人工照明灯下，通过泵或其它方法使光合细菌培养物从太阳能集热器中流过进行升温的方法。
2、在权利要求第1项记载的方法中，太阳能集热器包括用铝-氮、铝或其它选择性吸收涂层的太阳能集热管、集热板或集热箱。
3、在权利要求第1项记载的方法中，通过加大太阳能集热器的使用比例或者全部使用太阳能集热器对光合细菌培养基进行加热或进行高温灭菌的方法。
4、通过太阳能集热器加热水体或其它任何液体后再通过热交换对光合细菌培养物进行加热并提升温度的方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20120252112A1 (en) * 2009-10-01 2012-10-04 Jeremy Pruvost Thin-layer photobioreactor with high volume productivity
US20130052719A1 (en) * 2010-02-22 2013-02-28 Inha-Industry Partnership Institute Photobioreactor for mass culture of microalgae, and method for culturing microalgae by using same

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