微藻培养系统、腔体式光生物反应器及微藻培养方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及微藻生物技术领域，具体设及微藻培养系统、腔体式光生物反应器及 微藻培养方法。
【背景技术】
[0002] 近些年来，自养微藻因其功能的多样性得到越来越多的关注。微藻可W作为一种 新型的生物柴油原料。与大豆、甘薦、麻枫树等能源作物相比，其具有生长周期短、光合作用 速率快、油脂含量高等优点，有着良好的开发前景。微藻能够高效固定大气中的C〇2,解决因 化石燃料燃烧导致的环境问题。另外，微藻细胞中含有：蛋白质、脂类、多糖、类胡萝l·素、色 素等高价值的营养成分，是优质的食品和饲料原料，也是化工、轻工和医药工业中用途极广 的有机中间体，也可W是化妆品原料。
[0003] 与其它生物一样，溫度是影响微藻生长的一个至关重要因素。在传统的微藻培养 系统中，长时间强光照射会导致封闭式光生物反应器内溫度会升高10°c~30°C，而过高的 溫度会导致微藻产量下降，甚至引起微藻的死亡。因此，高效的微藻培养系统需要额外的溫 度控制系统，如喷洒水降溫，但运导致了微藻生产的高成本。为了避免运种状况，有研究者 开发了浸泡于水中、或漂浮在水面上的微藻培养系统，例如，美国Solix公司开发的浸泡于 水中的微藻培养系统、Lee等人发明的漂浮式微藻培养系统、W及美国宇航局发明的漂浮式 半透膜微藻培养系统等。
[0004] 然而，上述漂浮式微藻培养系统商业化应用仍然受到了限制。首先，虽然所处水 体可降低反应器内的溫度，使其溫度不至于升至过高而导致微藻细胞死亡，但是同时也把 反应器内的溫度降低到了与所处水体几乎相同的溫度。由于水体的自蒸发作用，其溫度 通常都很低，例如，中国的海域中，勸海四个季度平均海洋表面溫度分别为2. 8°C、12. 7°C、 23. 5°C和13. 5°C，黄海四个季度平均海洋表面溫度分别为8. 4°C、14. 9°C、24. 1、17.rC，东 海四个季度平均海洋表面溫度分别为16. 8°C、21. 7°C、28. 0°C和23. 0°C，南海四个季度平 均海洋表面溫度分别为25.rC、28.2、29.rC和27.rC。过低的溫度不利于微藻的生长，导 致微藻的生长效率低下。比如，超嗜盐杆藻在不同溫度下的生长速度明显不同（表1)。因 此，提高反应器中的培养溫度至关重要。 阳0化]表1.超嗜盐杆藻在不同溫度下培养5天的光密度
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[0007] 另外，无机碳源的供应对于微藻培养来说至关重要，而如何为漂浮式的反应器提 供无机碳源是一个难题。像W上所述的漂浮式光反应器，采用封闭系统，并在其中鼓泡通入 含有二氧化碳的压缩气体，运对大规模培养微藻来说其实是很难实现的。运需要为每个光 反应器安装一个鼓泡通气的管道系统。一般来说，每个漂浮反应器的尺寸不可能做的很大， 运就需要庞大数量的反应器进行大规模培养。在运种情况下，庞大数量的反应器的鼓泡通 气需要非常复杂的压缩气体管道，运大大增加了每个反应器的制作成本和压缩气体管道的 建设成本，同时会大大增加操作成本。而在大面积的水域表面架设如此复杂的通气管道，其 建设难度更大，制作和操作成本更高，而且其被波浪破坏的风险很大，所W，在大规模生产 中运是非常难实现的。而如果考虑利用敞开的反应器系统，虽然省去了鼓泡通气系统，而且 有利于二氧化碳从空气中传递到培养液中，从而被微藻吸收，但是敞开系统由于蒸发的作 用，其溫度与水体本来的溫度相差无几，不能形成溫室效应，因此微藻生长慢，效率太低。
【发明内容】
[0008] 鉴于现有技术中微藻培养器W及微藻培养中存在的不足，本发明的目的之一在于 提供一种用于微藻培养的系统，采用合理的设计，可有效调控系统溫度。
[0009] 本发明的技术方案为，微藻培养系统，包括可容纳培养液和微藻的光生物反应器； 所述反应器为密闭式；所述反应器的器壁为具有中空夹层结构的密封体和/或器壁的材质 为轻质保溫材料；所述反应器具有透气结构；所述培养液中含有碳酸氨盐。
[0010] 本发明所述轻质保溫材料的"轻质"是指在水面上可漂浮。
[0011] 本发明光生物反应器采用轻质保溫材料制成，使其可W漂浮在水面上；当采用非 轻质材料时，可W通过制作具有中空夹层结构的器壁W到达漂浮效果。
[0012] 本发明微藻培养系统中，碳酸氨盐为微藻提供无机碳源，使其在光生物反应器中 进行生长。微藻光合作用所产生的氧气通过具有透气不透水的密封结构（例如，具有透气 不透水特性的密封膜）释放，或者通过透气口释放。
[0013] 本发明提供的微藻培养系统，应用于敞开的具有波浪的水体表面，所述水体可W 是，但不限于海洋、湖泊、河流、池塘、或水库。
[0014] 本发明所述的微藻是任何可W在一定碳酸氨盐浓度条件下生长的真核微藻和蓝 细菌，例如，所述的微藻可W选自杜氏藻值unaliellasp.)、小球藻烟ilorellasp.)、 雨生红球藻化ematococ州ssp)、超嗜盐杆藻巧uhalothecesp.)、蓝杆藻（切anothece sp.)、螺旋藻（Spirulina.)、微銷藻（Microcoleussp.)、集胞藻（Synecho巧stissp.)、 球等鞭金藻（isoc虹ysissp)、小定鞭金藻（Prymnesiumsp)、富油新绿藻（Neochloris oleo油undans)、微拟球藻（Nannochloropsis)、或一种拉下文名称为Picochlorumsp的微 藻。
[0015] 本发明提供的微藻培养系统，其光反应器在提供浮力的同时，还可减少反应器内 部与所处水体之间的热交换，在阳光照射下形成一个漂浮式溫室，维持的微藻培养溫度高 于光反应器所处的水体溫度。
[0016] 1)该培养系统置于有波浪的水体表面，利用波浪的能量实现反应器内培养液的混 和，W满足微藻生长的传质要求。
[0017] 2)该培养系统中光反应器的器壁采用具有中空夹层结构的密封体制成，或采用轻 质保溫材料制成，在提供浮力的同时，减少反应器内部与所处水体之间的热交换，在阳光照 射下形成一个漂浮式溫室，维持的微藻培养溫度高于光反应器所处的水体溫度。
[0018] 3)达到保溫效果，光反应器采用封闭的设计，微藻生长所需的无机碳源W碳酸氨 盐的形式提供，W避免利用空气中的二氧化碳或通入含有二氧化碳的气体引起的热损失。
[0019] 本发明的另一目的是提供一种腔体式光生物反应器，包括腔体，腔体具有腔壁，腔 壁包括上腔壁；所述腔壁为具有中空夹层结构的密封体和/或腔壁的材质为轻质保溫材 料；所述腔体的上部设有进出料口和透气结构，所述进出料口和透气结构均穿过腔壁与腔 体内部相通。
[0020] 根据腔壁材质的不同，腔体式光生物反应器可为刚性或柔性。
[0021] 进出料口也可采用透气不透水的密封结构。优选的该透气不透水的膜材料为膨体 聚四氣乙締。其一方面可W防止水体进入反应器内部，污染微藻。另一方面，可W光合作用 产生的氧气透出去，降低溶氧的积累。
[0022] 溫度是微藻生长的重要因素，溫度过低，微藻生长缓慢，而溫度过高，则容易引起 微藻细胞的死亡，因此，控制微藻培养溫度在合理范围内至关重要。然而利用电加热或通冷 却水等手段控制溫度是不现实的。
[0023] 对于室外的微藻培养系统来说，反应器内的溫度是由阳光输入的热量和反应器向 外界传出的热量之间的动态平衡决定的。开放的水体溫度较低，通过传热会降低培养系统 内的溫度，而与环境水体相同的溫度通常并不是微藻生长理想的溫度，溫度过低不利于微 藻的生长。
[0024] 本发明提供的腔体式光生物反应器，其腔壁采用具有中空夹层结构的密封体，夹 层中填充气体，例如空气。一方面，中空夹层结构不但为反应器在水面上的漂浮提供浮力， 还由于空气的导热系数很低，可W起到保溫效果；另一方面，中空夹层结构还有利于避免由 于培养液的蒸发而在腔体壁上形成水雾，保证了光的高效进入，为微藻生长提高充足的光 源。
[00巧]作为另一种实施方式，该反应器的腔壁采用轻质保溫材料制成，运同样可W同时 起到保溫和提供浮力的作用。保溫效果可W通过调整腔壁的材质及其厚度来控制。例如， 在冬季可W采用保溫效果更好的材料W及腔壁厚度较大的反应器来培养微藻，W维持反应 器内外较大的溫差；而在夏季，水体溫度较高时，可W采用导热系数较大的材料，并减小反 应器腔壁的厚度，W维持一个较小的反应器内外溫差，防止溫度过高引起的对微藻的伤害。 [00%] 因此，本发明提供的腔体式光生物反应器反应器，置于野外的水体（