一种用于微藻规模培养的装置及培养方法

专利名称：一种用于微藻规模培养的装置及培养方法
技术领域：
本发明属于微藻培养领域，具体地涉及一种微藻大规模培养的装置。本发明还涉及一种利用上述装置进行微藻大规模培养的方法。
背景技术：
微藻能有效利用光能、CO2和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质，可以通过微藻培养来生产保健食品、食品添加剂、饲料及其他化学品。特别是近年来随着生物能源技术的发展，某些含油微藻因其油脂生产能力高(一般占细胞干重的20-60% )，光合效率高、生长周期短，可在盐碱地、沙漠、海域养殖，具有不与粮争地及不与人争粮的巨大优势，以及可利用工厂废气中的二氧化碳为碳源等特点世界各国已将其作为解决生物质能资源短缺的一条非常重要的途径，并投入巨大的资金和研究力量进行研究和技术开发。微藻作为单细胞生物，其比陆生植物有快得多的生长速度，因而光合固碳能力更强。这也是微藻作为最有潜力的能源生物资源，或者说微藻生物能源技术的重要出发点。然而要发挥微藻的这种优势，建立微藻生物能源产业体系，以现代工业工厂化生产方式，大规模、低成本、高效、优质稳定的获得微藻生物量是前提，这也是目前微藻生物能源产业化面临的最大瓶颈。有分析表明，在用含油微藻进行生物柴油炼制中，仅微藻生物量的成本就占整个生物柴油生产成本的40-60%。因此微藻培养技术是关键。目前的微藻培养主要有开放式培养池与密闭式光生物反应器两种形式。开放式培养池主要是利用天然或人工的长方型池塘或长椭园形跑道池，加装踏板式搅拌装置来实现培养池中的液体循环，以保证微藻细胞交替受光和空气中的CO2接触。目前开放式培养池大多设计成跑道池的形式。根据不同的光照强度池塘运行期水深一般在15-50cm间调整。 目前的经济型微藻品种，如螺旋藻与小球藻的商业化生产主要采取开放式的养殖模式来进行。该种培养方式直接利用天然的生长环境，培养池的建造和运行的成本都较低，也一般不需要控温设施。但是由于微藻细胞本身的吸光与遮光作用，光照深度随水培养池运行深度和细胞浓度迅速衰减，池底细胞往往难以接受到充分光照，使得细胞光合作用较弱，细胞生长速度与培养密度均较低。而通过过强的机械作用混合又会导致高能耗与细胞机械剪切损伤的问题，因而目前开放式的培养效率低，密度不高，一般仅可达到lg/Ι，如此高的含水量显然极大的加重了细胞采收与后下游加工的困难，而且由于微藻细胞中油脂的积累需要强光照的诱导，开放池的表层光强很难满足微藻油脂诱导积累对高光照强度的要，因而其细胞油脂诱导积累时间长，含油量不高。开放池培养另外一个重要缺陷在于由于运行水深一般只有15-50cm，如此浅的水层使得通过通气(烟道气或CO2/空气混合气)补碳时气液接触时间短，补碳效率低，(X)2利用率低，培养液中溶解CO2的不足导致的光合碳缺乏也是开放池培养细胞生长速率低的重要原因。因此如螺旋藻等的开放池规模培养补碳主要是依赖于添加NaHCO3，其既增加了培养基成本，同时其作为微藻生物能源的重要优势之一的光合固碳减排CO2难以发挥。
为改善开放池微藻培养的光照条件和补碳效率以提高培养效率，人们提出一些结构改进和操作方法。如通过降低开放池运行水深的浅池运行方式、在开放池中加置导流板强化水体混合与循环等，可提高微藻细胞在水层表面的受光机率，从而提高细胞光合速度。 丛威等(用于大规模培养微藻的补碳装置及其使用方法，中国专利200510126465. 2)则提出了开放池附加阱式补碳容器的结构。在阱式容器内安装有距容器底10-50厘米高的垂直隔板，在容器底安装置有气体分布器。再将该阱式装置置于开放池底部，阱式容器的上沿与开放池底部平齐。通过这种阱式容量内气液较长时间的接触来强化(X)2的补碳吸收，在一定程度上提高开放池的培养效果。李夜光等(微藻养殖池补充二氧化碳的装置，李夜光；耿亚红，殷大聪，桂建平，胡鸿钧。中国专利200610018771)提出在开放池中的多孔布气装置来改善气体分布，提高了补碳效果。但这些方法都无法从根本上高效解决开放池培养的两个基本问题，即光照与补碳。开放式培养的主要问题在于低的光照与低的气体补碳效率导致的培养效率低下， 因此为提高微藻培养效率、培养密度和CO2利用率，自二十世纪90年代以来，涌现出了大量光反应器设计，目前得到广泛应用一般有，管道式、平板式、柱式等。管道式(主要是水平管道式)是目前光反应器中比较适合室外培养的一种反应器结构，其结构简单易于放大。它一般采用透明的直径较小的硬质塑料、玻璃或有机玻璃管， 弯曲成不同形状构建而成，利用空气泵或气升系统实现培养物在管道内的循环。管式反应器本身的特点是其具有大的光照表面积，同时气体在管道内的长时间接触有利于(X)2的补碳传质，因而其细胞培养密度较开放式要高，培养效率也大为提高。但是在实际放大应用过程中，同样由于光在培养液中的迅速衰减，因此管道直径不可太大，同时如果不改变管路的长度以及占地面积，就势必要增加管路的直径，一般设计成细长结构，这一方面大大增加了反应器占地面积，另一方面细长结构的管道也使得微藻光合作用产生的溶解氧来不及解析而造成氧毒害，同时细长结构的管道清洗困难使得其大规模应用受到限制。平板式光反应器最早是由 Milner 于 1953 年(MiIner，H. W.，1953. Rockingtray. In =Burlew, J. S. (Ed.)， Algal Culture from Laboratory to Pilot Plant. Carnegie Institution, Washington, DC, p. 108，No. 600)首先提出用于微藻的培养，并于1986年由Ortega和Roux(Ramos A, Roux J. C. Production ofchlorella biomass in different types of flat bioreactors in temperate[J], Biomass, 1986, (10) :14-156.)利用可透光的 PVC 材料首次开发出了用于室外的平板式光反应器。在此后的20年间许多的研究者设计出了多种不同的形式以用于各种不同微藻品种的培养。平板式反应器因其单位面积高的光照通量和短光程的设计提高了单位体积细胞的受光强度，增强了细胞内光合作用，而且气体补碳方便，培养液内的溶解氧也易于得到释放，因而微藻培养效率高，广泛应用于微藻的高密度培养及其高油脂诱导过程。平板式反应器存在的问题包括为高光强的薄板结构存在受光面藻细胞的光抑制、 太阳光热幅射导致的培养体系温度难以控制等。同时反应器造价与运行成本也比较高。柱式光反应器不同于传统的管式反应器，因微藻培养对光强的要求一般选用直径大于0. 1-0. : 左右的透明的立式玻璃柱作为培养容器，由于其依赖设备底部通入的气体进行体系的混合，因此也被称为气泡柱式反应器。该种形式由于易于制作而且单体条件控制方便，藻细胞培养效率和培养密度较高，因而也被广泛的应用于微藻实验室高效培养研究中。这类反应器同样存在光热幅射温度控制难、单体直径过小、大规模应用时造价过高等问题。为了降低密闭式光反应器的造价成本，人们尝试利用低价材料用于制备光反应器。如人们提出了采用廉价的塑料薄膜的吊袋培养，包括美国SoliX公司最近开发的半浸没式塑料薄膜吊袋培养反应器(解决塑料薄膜承重强度不足，以及温度控制等问题)，但由于高强度塑料薄膜透光性仍不如玻璃材质，且易紫外老化等，在反应器造价、反应器使用寿命和培养效率等方面很难进行协调。综上可以看出，无论是开放式跑道池还是密闭光反应器培养，在微藻规模化培养生产中都存在应用上的瓶径。开放式培养成本低且易放大，但(X)2补碳困难、细胞生长速度慢、密度低，培养效率差。而光反应培养恰恰相反。光反应器通过提高光照通量、缩短光程和高效气体补碳可实现微藻的高密度快速培养，但反应器密制造成本高，温度控制困难、运行能耗大。高光效、高密度、高(X)2利用和低造价与低运行成本是微藻规模化培养的发展方向。光照是微藻光合作用的前提。在过去许多的研究中，很多学者都共同的注意到这样一个问题，即微藻细胞的生长是否需要持续的高强度光照？许多研究发现，周期性的间歇光照可能对微藻细胞的生长有更好的促进作用(闪光效应)。事实上，每一个微藻细胞都有着其光饱和点，超过其上的光照量不但不能被利用，反而会产生明显的生长抑制作用，即光饱和与光抑制作用。Nedbal (Nedbal L，Tichy' V，Xiong F, Grobbekaar JU. Microscopic green algae and cyanobacteria in high-frequency intermittent light. J Appl Phycol [J], 1996,8 :325-333)等在1996年的研究表明，相比于持续性的照光，间隔性的光照模式更不容易引起光抑制作用；Camacho Rubio (Camacho Rubio F, Camacho FG, Sevilla JMF,Chisti Y,Molina Grima Ε. Amechanistic model of photosynthesis in microalgae. Biotechnology andBioenergy [J]，2003，81 :473-559)等在 2003年的研究也表明，在光/ 暗间隔培养中细胞在短时间的黑暗中可以利用吸收的光能完成有效的光合作用，从而达到和持续性光照同样的光合效率。例如在微藻的光反应器培养中，在高密度培养状态下由于细胞间的挡光作用，整个反应器可以被分成光饱和区、光抑制区和暗区，因此人们曾尝试通过光程改变或优化(反应腔空间厚度)，让细胞在三个区的交替运动来实现闪光效应，从而提高培养效果。在平板式与柱式反应器等中的培养研究都发现，在高光强与短光程照射状态下，高细胞接种密度相比于低接种密度而言，更不容易因为光抑制作用阻止生长，因而能获得更高的光合效率及更快的生长速度。单细胞微藻比陆生植物生长更快，因而光合固碳能力更强。这微藻生物能源技术的重要出发点。迄今通过开放池培养，虽然投资与运行成本低，但微藻的快速生长与高光合固碳能力远未得到充分发挥，而光反应器培养，虽然可以在反应器内实现微藻的快速高密度生长与高光合固碳，但由于光反应器本身的结构特点与对光的要求，反应器必须间距布局，单位土地面积上的反应器数量有限，因而平均占地面积的微藻产率也不很高，而且反应器投资与运行成本高昂。正是这些基于效率/成本的原因，微藻培养无论是采用开放式还是密闭式都存在诸多缺点，使得其大规模应用受到限制
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于微藻规模培养的装置。本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置进行微藻规模培养的方法。为实现上述目的，本发明提供的用于微藻规模培养的装置，其主要结构为开放式跑道池，具有一液体出口，该液体出口连接一液体泵，通过该液体泵连接光生物反应器底部的液体进口；该光生物反应器顶部有一液体出口管道，使培养液可以经此管道流回到开放式跑道池内；所述的装置中，光生物反应器单体可以是平板式光生物反应器或气泡柱式光生物反应器。所述的装置中，光生物反应器与开放式跑道池装液总体积比为0.02-1，并以此来确定单个跑道池需要配置的光生物反应器大小与个数。本发明提供的利用上述装置进行微藻规模培养的方法，液体泵将开放式跑道池的部分液体泵入光反应器的底部，再从光反应器的顶部流出进入开放式跑道池实现培养液体循环；光生物反应器底部通气补碳。所述的方法中，培养液在光生物反应器内的平均停留时间为60-600秒，并以此来确定循环泵的液体流速。所述的方法中，光生物反应器底部补碳是通入含体积比为1-15% 二氧化碳的空气混合气体或烟道气。所述的方法中，光生物反应器内液体依靠高位差自动流入开放式跑道池中进行培养液循环。本发明将开放式跑道池与光生物反应器串联组合在一起形成循环培养系统。开放式跑道池中的一部分培养液通泵入到光生物反应器(平板式或气泡柱式)的底端，再从光生物反应器的顶端流出重新进入跑道池循环。通过这种循环方式，一方面可在密闭式光生物应器内通气(空气与二氧化碳混合气、或烟道气)解决气体高效补碳的问题，为培养过程提供碳源；另一方面，微藻细胞随体循环周期性的通过光生物反应器接受高光照射的闪光效应促进了微藻细胞的生长。同时，开放式跑道池较大的水体可以降低光生物反应器因较大的受光面的光热辅射导致的升温问题，有利于降低微藻培养温控成本。本发明明显提高了微藻在开放式跑道池内的细胞生产速度、细胞浓度与培养效率，将有助于解决微藻大规模培养的效率/成本(投资、运行)瓶颈。


图1是本发明的开放式跑道池与平板式光生物反应器组合培养系统示意图。图2是本发明的开放式跑道池与气泡柱式光生物反应器组合培养系统示意图。图中1跑道池，2液体泵，3平板式光生物反应器(组)，3’气泡柱式光生物反应器(组)，4跑道池搅拌桨。
具体实施例方式目前微藻规模培养主要有两种方式，即开放式跑道池和光生物反应器培养。开放式跑道池结构简单、造价低、运行成本低且易放大，但CO2补碳困难、细胞生长速度慢、密度低，培养效率差。光生物反应器通过提高光照通量、缩短光程和高效气体补碳可实现微藻的高密度快速培养，但反应器制造成本高，温度控制困难、运行能耗大。本发明基于上述两种微藻培养方式各自的优缺点，提出以开放式跑道池培养为核心，将开放式跑道池与光生物反应器通过液体泵连接实现部分培养液在开放式跑道池与光生物反应器内的周期循环，从而强化微藻培养效率，降低微藻培养成本。本发明的技术原理与优势如下①闪光效应光生物反应器光程短，受光面积大，具有高的光照强度，微藻细胞在随液体循环周期性通过光生物反应器时接受更强的光照刺激促进光合作用，促进细胞的生长。②补碳作用光生物反应器CO2与培养液有较长的接触时间，部分培养液在光生物反应器内补碳后再循环回到开放式跑道，可以提高开放池培养液中的CO2浓度，从而解除开放池藻细胞生长的碳缺乏限制，提高细胞生长速度。③控温作用开放式跑道池有较大的水体，其对培养液温度变化有较好的缓冲作用，通过培养液在开放式跑道池与光生物反应器之间的循环，可以有效控制光生物反应器因光热幅射导致的温度升高、从而更有利于维持微藻培养液最适温度，降低温控运行费用。下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明在开放式跑道池内1接入微藻种子液，用液体泵2将其与光生物反应器 3 (平板式光生物反应器或气泡柱式光生物反应器;T)联接，开通液体泵2以一定的流速将开放式跑道池内的培养液泵入光生物反应器3的一端底部，同时在光生物反应器3下部以一定的通气量经气体分布器通入气体(空气/(D2混合气或烟道气)，培养液从光生物反应器3内的另一端上部经导管自动流回到开放式跑道池内。培养一定时间后，收获微藻细胞。利用本发明的组合系统及培养方法，融合开放式跑道池与光生物反应器各自的优点，可有效解决传统开放式跑道池ω2补碳困难、效率低，光照利用差的问题，同时大水体的培养液循环通过光生物反应器，克服了传统光生物反应器的光热幅射导致的温升问题，从而提高光合利用效率和ω2利用率，提高微藻培养密度，降低设备投资与运行费用。实施例1两个长为3. 8米、宽为1. 9米的椭园型跑道池进行室外拟微拟球藻 (Nanochoropsis)培养。其装液高度为0. 25米(装液量1500升)，搅拌水流速度为0. 25 米/秒。采用富氮m培养基(NaNO3浓度0. 75克/升)，细胞接种密度0. 1克/升。其中一个跑道池与一个厚度为0. 05米，高1. 2米，宽2. 4米，装液量为125升的有机玻璃板制备的平板式光反应器通过一个水泵相联接。开放池一侧的培养液经泵从平板式光反应器一侧的底部通入，再从平板式光反应器另一侧的上部自流回到开放池的另一侧，控制水泵流量 1000升/小时以保持培养液在平板式光生物反应器内的平均停留时间为45秒。平板式光反应器通入空气/(D2的混合气体(5% CO2, ν/ν)，通气量为0. 3VVM。培养周期内，平均气温和光照强度为8:00 时 12°C，900umol/m2/s，13:00 时 31°C，1800umol/m2/s，17:00 时 26°C, 800umOl/m2/S。另一个跑道池则采用传统的运行方式(不通气)作为对照。培养12天后， 取样分析，藻细胞浓度为2. 1克/升，而对照组培养12天后藻细胞浓度为0. 9克/升。相对于对照组，细胞培养浓度提高了 130%。实施例2
两个长为3. 8米、宽为1. 9米的椭园型跑道池进行室外微拟球藻(Nanochoropsis) 培养。其装液高度为0. 25米(装液量1500升)，搅拌水流速度为0. 25米/秒。采用富氮 f/2培养基(NaNO3浓度0. 75克/升)，细胞接种密度0. 1克/升。其中一个跑道池与两个厚度为0. 05米，高1. 2米，宽2. 4米，装液量为125升的有机玻璃板制备的平板式光反应器各通过一个水泵相联接。开放池一侧的培养液经泵从平板式光反应器一侧的底部通入，再从平板式光反应器另一侧的上部自流回到开放池的另一侧，控制水泵流量1500升/小时以保持培养液在平板式光生物反应器内的平均停留时间为30秒。平板式光反应器通入空气 /CO2的混合气体CO2, ν/ν)，通气量为0. 3VVM。培养周期内，平均气温和光照强度为 8:00 时 12°C，900umol/m2/s，13:00 时 31 °C, 1800umol/m2/s, 17:00 时 26 °C，800umol/m2/s。 另一个跑道池则采用传统的运行方式，并通入2% (v/v)CO2/空气混合气，通气流量400升 /分钟，作为对照。培养12天后，取样分析，藻细胞浓度为1. 93克/升，而对照组培养12天后藻细胞浓度为1. 1克/升。相对于对照组，细胞培养浓度提高了 75%。实施例3两个长为3. 8米、宽为1. 9米的椭园型跑道池进行室外小球藻培养。其装液高度为0. 25米(装液量1500升)，搅拌水流速度为0. 25米/秒。采用富氮f/2培养基(NaNO3 浓度0. 75克/升)，细胞接种密度0. 15克/升。其中一个跑道池通过一个流量为1000升/ 小时的水泵，再分支分别送入6根直径为160mm，高1. 8米的气泡柱光反应器(每个气泡柱反应器的装液量为30升)，培养液再回到跑道池，培养液在每个气泡柱光反应器内的平均停留时间为11秒。气泡柱式光反应器通入空气/(D2的混合气体(5% CO2, ν/ν)，通气量为 0. 3VVMο培养周期内，平均气温和光照强度为:8:00时15°C，950umol/m2/s，13:00时;35°C， 2050umol/m2/s，17:00时沈1，8501111101/11178。另一个跑道池则采用传统的运行方式(不通气)作为对照。培养12天后，取样分析。藻细胞浓度为1.75克/升，而对照组培养12天后藻细胞浓度为0. 87克/升，相对于对照组，细胞培养浓度提高了 101%。以上实施例中，将所用的藻种替换为拟微拟球藻、小球藻、栅藻、三角褐指藻、金藻、盐藻、杜氏藻等，或将通入的气体改为烟道气重复上述实验，所得结果相似。
权利要求
1.一种用于微藻规模培养的装置，其主要结构为开放式跑道池，具有一液体出口，该液体出口连接一液体泵，通过该液体泵连接光生物反应器底部的液体进口；该光生物反应器顶部有一液体出口管道，培养液经此管道流回开放式跑道池。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述光生物反应器为平板式光生物反应器或气泡柱式光生物反应器。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述的光生物反应器与开放式跑道池装液总体积比为0. 02-1，并以此来确定单个跑道池需要配置的光生物反应器大小与个数。
4.一种利用权利要求1所述装置进行微藻规模培养的方法，液体泵将开放式跑道池的部分液体泵入光反应器的底部，再从光反应器的顶部流出进入开放式跑道池内实现培养液体循环；光生物反应器底部通气补碳。
5.如权利要求4所述的方法，其中，培养液在光生物反应器内的平均停留时间为 60-600秒，并以此来确定循环泵的液体流速。
6.如权利要求4所述的方法，其中，光生物反应器底部补碳是通入含有体积比为 1-15% 二氧化碳的空气混合气体或烟道气。
7.如权利要求4所述的方法，其中，光生物反应器内液体依靠高位差自动流入跑道池中进行培养液循环。
全文摘要
一种用于微藻规模培养的装置，其主要结构为一开放式跑道池，具有一液体出口，该液体出口连接一液体泵，通过该液体泵再连接光生物反应器底部的液体进口，光生物反应器顶部有一液体出口管道，使培养液可以经此管道流回开放式跑道池。进行微藻规模培养的方法，是通过液体泵将开放式跑道池的部分液体泵入光反应器的底部，再从光反应器的顶部流出回到开放式跑道池内实现培养液体循环；光生物反应器底部通气补碳。本发明将明显提高开放式跑道池微藻培养的光合固碳效率、生长速率与培养密度，缩短培养周期，降低微藻规模培养装置成本与运行成本。
文档编号C12R1/89GK102206570SQ201010136300
公开日2011年10月5日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者刘天中, 张维, 彭小伟, 陈昱, 陈晓琳, 陈林 申请人:中国科学院青岛生物能源与过程研究所