一种表面生长式光合微生物培养单元及培养系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种表面生长式光合微生物培养单元、培养系统，及其用于培养 光合微生物的方法。
【背景技术】
[0002] 光合微生物是一类以光为唯一的或主要能量来源而生长繁殖的微生物，包括微 藻、蓝细菌等含有叶绿素可进行光合作用的微生物，微生物有着重要生物利用价值。据目前 文献报道，藻类富含蛋白质，可以作为水产饵料或畜禽饲料（如螺旋藻）；更重要的，某些微 藻在特定条件下能够大量合成次生代谢物，如油脂、类胡萝卜素、多糖等，这些物质往往具 有极高经济价值的生物活性物质，可以被用在功能食品、食品添加剂、制药、生物能源等领 域。特别是，通过微藻大规模培养以从中提取微藻油脂，进而转化成生物柴油被认为是解决 能源短缺与固碳减排的最重要途径之一。
[0003] 微藻培养已有几十年历史，目前的工业化微藻培养为液体浸没式，以大量水作为 微藻生活的支撑介质。主要包括开放式培养池与密闭式光生物反应器（photobioreactor， PBR)两种形式。开放式培养池的优点在于建造和运行的成本较低。但由于开放池的光照 面积/体积比较小，液体表面与下部混合较差，只有表层藻细胞能够接受较充足的光照，池 底细胞往往难以接受到充分光照；其次，开放池培养运行水深较浅，一般只有10-30厘米， 使得通气补碳时气液接触时间短，补碳效率低，培养液中溶解二氧化碳（CO 2)的不足使光合 作用受到限制；再一个是开放式升温慢，不能在短时间内升到酶活性最好的温度25°C，经 常错失光利用的最佳时机；而在夜间开放式池内温度自然下降太慢，使藻细胞仍然保持旺 盛的呼吸作用，将白天存储的能量消耗掉，故使藻细胞内有用的代谢物含量太低。因此开放 池培养的细胞生长速度与培养密度细胞均较低，另外其占地还大，容易受到污染。与其相 比，PBR-般是采用透光材料（如玻璃、有机玻璃、塑料薄膜等）制成的细薄结构，由于光径 小、培养体系光照面积/体积比较大，所以细胞光照较充分。同时，补碳气体与液体接触时 间长，培养液溶解〇) 2浓度较高，因而细胞生长速度与培养密度均较开放培养池高。但该类 PBR通常造价昂贵、运行成本高、维护困难、难于大型化，产率为5?30g/m2/d，远远低于理 论预测值100?200g/m 2/d，达不到产业化的理论计算目标，光能利用率低，这项微藻大规模 培养实现产业化最重要的直接制约因素仍有待提高。
[0004] 近年来，出现了一种半干式培养系统，并且已有文献报道。但是，目前的半干式培 养系统一般是采用滤纸、滤布、海绵、塑料泡沫、纤维织物（例如帆布）中的一种或几种作为 基质材料。然而，该类软质材料具备如下缺点：（1)机械强度低，需要复杂的支撑和固定等 配套装置，不合适大尺寸和空间高度上的放大，只能制成低矮细薄结构；（2)表面湿度不均 匀，微藻生长不牢固，容易受到环境影响而脱落；（3)不耐循环使用，需要经常更换，增加成 本；(4)容易掉落纤维等杂质，使收获的微藻受到污染；（5)吸水和保水性能差，不利于微藻 生长繁殖逐渐增加的培养液消耗要求并且能源成本增加，和（6)这些柔性材料在作为培养 载体时，其生物兼容性和耐化学腐蚀性等方面都具有一定局限性。因此目前此类培养系统 仍不适于大规模化生产。
[0005] 鉴于现有技术的上述缺点，本实用新型采用一种新型表面生长式光合微生物培养 单元、培养系统及培养方法。 【实用新型内容】
[0006] 为克服上述缺点，本实用新型提供一种表面生长式光合微生物培养单元，该培养 单元包括：
[0007] 至少一个多孔板，所述多孔板由刚性的吸水渗水材料制成，其表面用于附着光合 微生物；
[0008] 至少一个供液装置，所述供液装置用于向所述多孔板提供光合微生物生长所需的 培养液，所述培养液被所述的多孔板吸收并渗透至该多孔板的表面；
[0009] 至少一个培养液回收装置，所述培养液回收装置设于所述多孔板下端，以将各多 孔板下端渗出或未被多孔板吸收的培养液收集。
[0010] 在一个实施方案中，所述多孔板为透水陶瓷板、水泥板、青砖板、红砖板、陶土制成 板或瓦板。
[0011] 在一个实施方案中，所述多孔板是由基质材料和添加剂制成的硬质多孔板，其中， 所述添加剂包括粘结剂，所述基质材料为分子筛、玻璃粉、玻璃砂或者青石。
[0012] 在一个实施方案中，所述粘结剂包含铝石。
[0013] 在一个实施方案中，所述粘结剂还包含田菁粉和硝酸。
[0014] 在一个实施方案中，所述基质材料为分子筛，所述分子筛具有5 A ~ 2nm的第一 孔径。
[0015] 在一个实施方案中，所述分子筛具有6 ~ 8人的第一孔径。
[0016] 在一个实施方案中，所述多孔板包含分子筛和错石，其中所述分子筛为50-90质 量份，错石为5-45质量份。
[0017] 在一个实施方案中，所述多孔板包含分子筛、铝石、田菁粉和硝酸，其中所述分子 筛为60-80质量份，铝石为15-35质量份，田菁粉为1-4质量份，硝酸为1-4质量份。
[0018] 在一个实施方案中，所述多孔板具有3?40 μ m的第二孔径。
[0019] 在一个实施方案中，所述多孔板的表面呈凹凸不平状，其包括规则或不规则图案。 [0020] 在一个实施方案中，所述多孔板的表面呈纹理状。
[0021] 在一个实施方案中，所述供液装置系罩设于所述多孔板的上顶端侧缘。
[0022] 在一个实施方案中，所述供液装置以间隔方式设于该多孔板的顶端上方，所述供 液装置以喷淋、滴漏或渗漏的方式给多孔板提供培养液。
[0023] 在一个实施方案中，所述培养单元还包括至少一个固定装置，该固定装置用于将 所述多孔板以直立的方式固定于一个预定位置。
[0024] 此外，本实用新型还提供了一种包含上述培养单元的表面生长式培养系统，该培 养系统包括：
[0025] -个由上述任一实施方案中的培养单元所组成的阵列，所述各培养单元的多孔板 表面供光合微生物附着生长；和
[0026] 用于向所述阵列中的培养单元的供液装置提供培养液的培养液供给装置；
[0027] 其中，所述培养液供给装置包括培养液池、循环动力装置，该循环动力装置与各该 供液装置连接，以将该培养液池内的培养液输送至各该供液装置。
[0028] 本实用新型系统的一个实施方式中，所述循环动力装置为泵。
[0029] 本实用新型系统的一个实施方式中，所述培养液供给装置还包括一个二氧化碳的 混入装置，所述混入装置将二氧化碳混入至所述的培养液培养池中。
[0030] 依据上述构思，本实用新型还可以采用压力将培养液输送至供液装置，所述循环 动力装置包括压力罐和空气压缩气源，所述培养液池以管路连接至该压力罐的进液口，所 述培养液池能够将一定量的培养液输入该压力罐内暂存，所述压力罐的出液口通过管路与 各该供液装置连接，该空气压缩气源连接该压力罐的进气口，通过启动该空气压缩气源工 作向该压力罐内增压，以该压力罐内暂存的培养液输送至各该供液装置。
[0031] 本实用新型系统的一个实施方式中，所述压力罐的一侧设有一个通向外界的排气 阀，该培养液池连接至该压力罐之间的管路上设有第一截止阀，该空气压缩气源连接至该 压力罐之间的管路上设有第二截止阀和一个减压阀。
[0032] 本实用新型系统的一个实施方式中，该压力罐底部还设有一个液位检测计，该压 力罐连接至各该供液装置的管路上设有一个压力表。
[0033] 本实用新型系统的一个实施方式中，所述培养液回收装置将该多孔板下端渗出或 未被多孔板吸收的培养液收集并通过管路返回至培养液池。
[0034] 本实用新型系统的一个实施方式中，所述多孔板与培养液回收装置中的培养液接 触。
[0035] 本实用新型系统的一个实施方式中，所述培养单元为至少两个，相邻培养单元之 间设置有光源装置，该光源装置与所述培养单元平行地设置；或者，所述各培养单元平行放 置形成阵列，而将一光源装置设于该阵列