一种微藻高效固碳装置与营养物补充控制方法

1.本发明属于微生物培养技术领域，涉及微藻生物培养反应器，特别涉及一种微藻高效固碳装置与营养物补充控制方法。


背景技术：

2.为了降低化石能源的消耗率，包括太阳能、生物质能等新能源的发展迅速，其中微藻作为第三代生物能源的发展平台，应用潜力巨大。与此同时，微藻作为光合作用速率较高的微生物之一，具有生长速率快、占地面积小等优势，近年来被视为高效固碳的重要途径之一。因其同时具有高效固碳和生产生物能源的作用，具有广阔的研究前景。然而，由于难以控制微藻的最优生长条件，在微藻种植方面仍面临一些挑战。在微藻生长过程中，co2通入量、光照条件、营养物浓度等是影响微藻生长速率的主要因素。
3.反应器内的co2浓度、营养物浓度、光强等多个因素对微藻生长有明显的影响，且目前的研究已经一定程度上揭示了这些因素对微藻生长速率的影响情况。此外，文献也表明，伴随着营养物浓度的降低，微藻生长速率逐渐下降，微藻生长过程中往往需要进行多次扩培和营养物补充。但目前的模型中，采用的大多是单一初始条件、营养物浓度逐渐降低的微藻生长模型，还没有文献对微藻生长过程中的营养物补充策略及其相应的生长模型进行研究。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微藻高效固碳装置与营养物补充控制方法，建立了一套适用于微藻营养物补充策略的生长动力学模型和对应的营养物补充策略，并对小球藻在营养液中的生长情况以设计补充策略的方式进行了优化，定时定量分次添加微藻溶液内营养物，具有节省营养物、有效提升微藻生长速率、使用方便等特点。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种微藻高效固碳装置，由光生物反应器主体、营养物离子监测系统和营养物离子补充系统组成，其中：
7.所述光生物反应器主体提供微藻生长所需的环境；
8.所述营养物离子监测系统与光生物反应器主体连接，对抽滤后的微藻上清液进行监测，实时获取其中的营养物离子浓度；
9.所述营养物离子补充系统与营养物离子监测系统连接获取监测结果，并根据监测结果向光生物反应器主体补充营养物，以延长微藻的快速生长期，延缓进入死亡期，保持微藻尽可能持久地维持稳定的高速增长。
10.所述光生物反应器主体包括用于容纳微藻溶液2的光生物反应器1，所述营养物离子监测系统包括离子监测装置9，离子监测装置9通过监测取样管8与光生物反应器1的顶部连接，所述营养物离子补充系统包括计算机7和储存有营养液6的营养液储存罐5，所述营养
液储存罐5通过带有流量控制阀4的营养物补充管3连接光生物反应器1，所述计算机7连接离子监测装置9的输出端和流量控制阀4的控制端，计算机7根据监测结果控制流量控制阀4在固定的时间通断。
11.所述光生物反应器1采用透明材料制成，为平板式光生物反应器、柱式光生物反应器、管式光生物反应器或锥形瓶光生物反应器，光生物反应器1外有led灯或植物培养荧光灯，为微藻生长提供适宜光源。
12.所述营养物包含碳酸盐、硝酸盐、磷酸盐、硫酸盐等无机盐离子以及微藻生长所需的金属离子。
13.本发明还提供了基于所述微藻高效固碳装置的营养物补充控制方法，将微藻生长周期根据营养物消耗和比生长速率变化分为环境适应期、快速生长期、慢速生长期和死亡期四个阶段，通过监测光生物反应器主体内的微藻溶液中的营养物离子浓度判断微藻生长所处阶段，在快速生长期结束时加入新的营养液，对微藻进行营养物补充，从而延长微藻的快速生长期，延缓进入死亡期，尽可能地使微藻保持在快速生长的状态。
14.所述微藻生长周期中，接种后的24小时微藻处于环境适应期，在此阶段内微藻营养物几乎没有消耗；随后进入快速生长期，微藻的比生长速率和营养物的消耗速率均有明显的提升，此阶段营养物大量消耗，最终达到原有营养物浓度的50％左右(
±
5％)(以0.3g/l nano3为例约消耗至0.15g/l)；在比生长速率曲线和营养物消耗曲线出现明显的平缓趋势时，微藻结束快速生长期，进入缓慢死亡期，此阶段营养物消耗速度较慢，最终达到原有营养物浓度的35％左右(
±
5％)(以0.3g/l nano3为例约消耗至0.10g/l)；最后，在微藻生长速率出现下降时，微藻进入死亡期，营养物浓度不再降低。
15.本发明中，所述营养液6为商用bg11培养基，补充时以bg11培养基的浓度作为基础浓度，浓度记为1bc，对应稀释x倍数的bg11培养基，浓度记为1/x bc。
16.本发明选取生长动力学模型为基于haldane
‑
like model优化后的模型，选取营养液中的主要成分硝酸根离子(氮盐)和磷酸根离子(磷盐)作为模型的影响参数，通过生长动力学模型计算微藻比生长速率随时间的变化曲线，再确定对应的补充策略。根据四个阶段微藻生长规律的不同，采用数值模拟的方法对微藻生长周期进行拟合，获得从快速生长期到微藻死亡期的微藻生长动力学模型，该模型结合营养物浓度对微藻生长的抑制和限制作用，构建微藻比生长速率曲线，将微藻从初始生长到达到最高比生长速率的时间记为a小时，微藻从初始生长到死亡的时间记为b小时，营养物补充方法为：在初始时加入浓度为0.2bc的bg11培养基，进行微藻培养，第一次的补充时间为24+a小时，此后每隔a小时进行营养物的循环补充，每次的营养物补充量为(a/b)bc的bg11培养基。
17.具体地，可根据四个阶段微藻生长规律的不同，采用数值模拟的方法对微藻生长周期进行拟合，获得从快速生长期到微藻死亡期的微藻生长动力学模型，该模型结合营养物浓度对微藻生长的抑制和限制作用，构建微藻比生长速率曲线，将微藻从初始生长到达到最高比生长速率的时间记为a小时，微藻从初始生长到死亡的时间记为b小时，营养物补充方法为：在初始时加入浓度为0.2bc的bg11培养基，进行微藻培养，第一次的补充时间为24+a小时，此后每隔a小时进行营养物的循环补充，每次的营养物补充量为(a/b)bc的bg11培养基。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.(1)改变了原有的单一次数营养物添加的微藻培养方式，通过多次营养物添加的方式保持微藻始终维持高速的生长状态，在高速生长期后对微藻进行营养物补充，保持溶液中的营养物离子浓度，对微藻固碳效率的提升具有重要意义。
20.(2)基于成熟的培养基进行营养物补充方案的设计，相比于单纯对单个或多个种类的营养物进行补充，采取目前广泛应用的bg11或类似的商用培养基，在前期准备和营养液配制过程中可以简化步骤、节约成本，也可以选择直接购买商用培养基进行微藻培养。
21.(3)相比于使用离子渗透膜或缓释添加营养液的反应器和培养方法，本发明采用多次、定时、定量补充的方式，可以有效降低培养成本，对大规模培养过程中离子渗透膜成本过高、生长速率缓慢等问题具有指导意义。
22.(4)提出了一种具有普适性的微藻营养物补充策略，对于大规模微藻培养过程中的营养物添加提供了指导，有效降低了缓释培养反应器的培养成本，节省了营养物溶液的使用量，可以有效提高微藻的固碳效率。
附图说明
23.图1为微藻高效固碳光生物反应装置示意图。
24.图2为培养方法的示意图。
25.图3为本发明实施例中得到的微藻浓度与时间的曲线。
26.图4为本发明实施例中微藻生物量浓度与营养物消耗关系的曲线。
27.图5为本发明实施例中得到的8组平行对照组的微藻平均每日生物量变化曲线。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
29.如图1所示，本发明的微藻高效固碳装置，可应用于实验室和室外大规模培养下的微藻生物质生产及二氧化碳固定，由光生物反应器主体、营养物离子监测系统和营养物离子补充系统三大部分组成，其中：
30.光生物反应器主体提供微藻生长所需的环境，例如适宜的光照条件、co2供给条件等，微藻首先在其中采用较低初始浓度进行培养。光生物反应器主体主要包括用于容纳微藻溶液2的光生物反应器1，光生物反应器1一般采用机玻璃材料或塑料薄膜等透明材料制成，其结构可为平板式光生物反应器、柱式光生物反应器、管式光生物反应器、锥形瓶光生物反应器等大小不一的光生物反应器类型，具体尺寸可在实际使用过程中根据需要进行调整；光生物反应器1外有为微藻生长提供适宜光源的led灯或植物培养荧光灯，灯架选用铝合金或金属材料等焊接而成，保持光源的稳定性，可根据实际需要包围光生物反应器1的四面或两面，在光生物反应器1顶部预留有接口与营养物离子补充系统和营养物离子监测系统进行连接，方便进行营养物补充和溶液取样。
31.营养物离子监测系统与光生物反应器主体连接，对抽滤后的微藻上清液中的营养物(硝酸盐、碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐等)进行监测，实时获取其中的营养物离子浓度，营养物离子监测系统包括离子监测装置9，离子监测装置9通过监测取样管8与光生物反应器1的顶部连接，微藻溶液2经检测取样管3并经过初步处理后在离子监测装置9中可检测溶液中的不同离子浓度。
32.营养物离子补充系统与营养物离子监测系统连接获取监测结果，并根据监测结果，在达到相对应的时间和离子浓度后，向光生物反应器主体补充营养物，供给微藻溶液中足够的营养物浓度，以延长微藻的快速生长期，延缓进入死亡期，保持微藻尽可能持久地维持稳定的高速增长。具体地，营养物离子补充系统包括计算机7和储存有营养液6的营养液储存罐5，营养液储存罐5通过带有流量控制阀4的营养物补充管3连接光生物反应器1，计算机7连接离子监测装置9的输出端和流量控制阀4的控制端，计算机7根据监测结果控制流量控制阀4在固定的时间通断，在固定的时间从营养液储存罐5中向溶液内添加营养液6。
33.参考图2，本发明还提供了基于微藻高效固碳装置的营养物补充控制方法，将微藻生长从初始接种到培养基内到最后的死亡划分为四个阶段：环境适应期、快速生长期、慢速生长期和死亡期，采用分批次补充的方式对微藻溶液内的营养液进行补充，通过监测光生物反应器主体内的微藻溶液中的营养物离子浓度判断微藻生长所处阶段，初始加入较低的营养物浓度，在经历环境适应期和快速生长期后，在快速生长期结束时加入新的营养液，对微藻进行营养物补充，从而延长微藻的快速生长期，延缓进入死亡期，尽可能地使微藻保持在快速生长的状态。
34.从图2可以看出，微藻补充组的微藻保持高速生长状态，不补充组的微藻进入慢速生长期，直到最后死亡。图中的反应器形状、营养物补充量和营养物补充时间是根据一个应用实例绘制，具体培养过程中的补充量和补充时间的确定由本发明提出的营养物补充方法确定。
35.本发明中，为方便进行补料和微藻培养，营养液6为商用bg11培养基，bg11相对较为成熟，通过合理调配使用比例，并设置合理的补充策略，对微藻大规模培养的指导意义显著，相比传统单一或几种离子的补充方案操作更加简单，具有节约培养成本、有效提升微藻固碳效率、使用方便等特点。
36.本发明采用特定补料次数的方式进行营养物补充，例如，微藻培养的初始营养物浓度为0.2bc，微藻首先经过24小时的营养物适应期，随后进入循环营养物补充阶段，每72小时对微藻进行营养物补充，每次补充0.3bc的营养液，维持微藻的高速生长。
37.本发明根据四个阶段微藻生长规律的不同，采用数值模拟的方法对微藻生长周期进行拟合，获得从快速生长期到微藻死亡期的微藻生长动力学模型，该模型结合营养物浓度对微藻生长的抑制和限制作用，构建微藻比生长速率曲线，将微藻从初始生长到达到最高比生长速率的时间记为a小时，微藻从初始生长到死亡的时间记为b小时，营养物补充方法为：在初始时加入浓度为0.2bc的bg11培养基，进行微藻培养，第一次的补充时间为24+a小时，此后每隔a小时进行营养物的循环补充，每次的营养物补充量为(a/b)bc的bg11培养基。可以实现微藻快速生长，提升微藻固碳效率，并节省营养物。
38.本发明模型为基于haldane
‑
like model优化后的模型，选取营养液中的主要成分硝酸根离子氮盐和磷酸根离子磷盐作为模型的影响参数，通过生长动力学模型计算微藻比生长速率随时间的变化曲线，再确定对应的补充策略：
39.40.式中，μ表示微藻比生长速率，μ
max
表示最大比生长速率，s
n
、s
p
表示微藻溶液中氮、磷元素的浓度，k
s,n
、k
i,n
、k
s,p
、k
i,p
为通过实验拟合获得的参数；
41.本发明通过构建微藻生长动力学模型，可针对不同藻种、不同光生物反应器构建微藻营养物补充方法。
42.在本发明的一个具体实施例中，具体采用了如下具体的流程以及具体选择：
43.1)选择实验室500ml锥形瓶光生物反应器进行试验，反应器的尺寸和规格如表1所示，放置在光照培养箱(宁波江南仪器厂gxz智能型)中进行培养，采用6根14w的led灯进行照明，光暗周期为12h/12h，培养温度设定为25度，使用空气泵连接通气管插入锥形瓶底部以均匀的速率通入空气(co2体积分数0.04％)，控制各个对照组进气速率一致。在实验前使用高速离心机(上海安亭科学仪器厂tdl80
‑
2b)对预先培养的微藻进行离心去除微藻中的营养物离子，并根据需要添加对应浓度的营养液。
44.表1微藻反应器尺寸
45.项目数值总传热功率/mw22.58铅的进口温度/℃560铅的出口温度/℃440铅的质量流量/kg
·
s
‑1959.66s
‑
co2的进口温度/℃364.12s
‑
co2的出口温度/℃550
46.2)实验采用购于上海光语生物科技有限公司的蛋白核小球藻(chlorella pyrenosdosa,gy
‑
d12)，本次实验中选择的微藻营养液(为微藻提供生长所需的营养物质)为常用的bg11配方，具体配方为1.5g/l nano3,0.04g/l k2hpo4,0.075g/l mgso4·
7h2o,0.036g/l cacl2·
2h2o,0.006g/l柠檬酸,0.006g/l柠檬酸铁铵,0.001g/l edtana2,0.02g/l na2co3大量元素以及1ml a5微量元素(0.222g/l znso4·
7h2o,0.079g/l cuso4·
5h2o,0.015g/l moo3,0.036g/l cacl2·
2h2o,2.86g/l h3bo3,0.006g/l mncl2·
4h2o)。
47.3)通过设置3组对照试验(如表2所示)，以探究小球藻的最佳生长条件。第一组实验为最优营养物初始浓度确定实验，通过设置不同的初始营养物浓度，每隔2小时测定小球藻生物量浓度，连续测量120小时，获取小球藻最适宜的初始营养物浓度浓度；第二组实验为最佳每日补充量确定实验，设置不同的补充量，对小球藻生长过程中的浓度变化进行监测，获取小球藻最佳的平均每日补充量。
48.表2微藻对照试验对照组设计方案
[0049][0050]
4)采用分光光度法测量微藻生物量：使用shimadzu公司生产的uv
‑
1800240v紫外可见光分光光度计进行测量，根据前期的实验，标定出了微藻浓度和681nm下吸光度数值的线性关系，如公式(1)所示：
[0051]
c＝0.394od
681
+0.055
ꢀꢀꢀ
(1)
[0052]
其中，c为微藻浓度，od
681
为681nm波长下微藻溶液的吸光度。通过这一关系式可以通过测定吸光度快速计算微藻生物量浓度。
[0053]
5)在monod模型的基础上，使用引入高浓度下的营养物抑制作用修正的haldane
‑
like model，考虑氮、磷两种营养物影响因素，建立微藻生长多因素影响模型；并通过后续的实验，建立营养物补充策略的模型。
[0054]
6)微藻比生长速率由式(2)表示：
[0055][0056]
其中μ表示微藻的比生长速率，x表示微藻生物量浓度，t表示时间。
[0057]
7)在单因素影响的微藻生长模型中，pico
‑
marco e等人在monod模型的基础上进行改进，考虑了高浓度下的营养物抑制作用，较好的模拟了微藻在单一影响因素下的生长规律，提出了haldane
‑
like model，如式(3)表示：
[0058][0059]
其中，μ表示微藻的比生长速率，μ
max
表示微藻的最大比生长速率，s为营养物浓度，k
s
，k
i
为生长动力学模型拟合中的参数。
[0060]
8)本发明以haldane
‑
like model为基础，模拟营养物浓度n和p对微藻生长的影响规律，并考虑n、p耦合的多因素情况下，微藻的比生长速率应表示为式(4)所示：
[0061][0062]
式中，μ表示微藻的比生长速率，μ
max
表示最大比生长速率，s
n
、s
p
表示微藻溶液中氮、磷元素的浓度，k
s,n
、k
i,n
、k
s,p
、k
i,p
为通过实验拟合获得的参数。
[0063]
9)对于营养物的消耗速率，文献研究表明，微藻每生长一定的生物量浓度所消耗的离子浓度固定，即微藻生长量与营养物消耗量成正比，记为y，由式(5)表示：
[0064][0065]
其中x1、x2表示不同时刻的微藻生物量浓度，s1、s2表示不同时刻微藻溶液中的营养物浓度。
[0066]
10)采用最小二乘法进行优化，优化参数为实验值与模拟值的方差：
[0067][0068]
其中d表示方差，x
sim
和x
exp
分别表示同一时刻下模拟和实验所获得微藻生物量浓度，n表示总的点数，当方差最小时，记录优化的参数。最终获得的优化后参数如表3所示，y
n
、y
p
分别表示氮、磷元素的消耗速率。
[0069]
表3优化后的参数
[0070]
编号参数初始值1μ
max
0.04h
‑12k
s,n
0.03g l
‑13k
i,n
0.75g l
‑14k
s,p
0.0105g l
‑15k
i,p
0.53g l
‑16y
n
0.0810mg
·
mg
‑17y
p
0.0238mg
·
mg
‑1[0071]
11)通过初始营养物浓度的改变，以目前微藻培养常用的微藻培养培养基bg11为
例，改变初始的营养物浓度，按照表2中第一组对照组的设置进行实验，共设置8组对照组，前48小时内每隔2小时测定一次微藻浓度，记录120小时内微藻生物量浓度的变化情况，得到图3所示的微藻浓度与时间的曲线，可以得出，在前48小时内最适宜微藻生长的营养物初始浓度为0.2bc。
[0072]
12)为了确定最佳的补充时间点，同时对微藻进行全生命周期规律的研究，对微藻进行从低浓度接种开始连续培养，直到观察到微藻浓度下降为止。实验表明，全部过程大约持续280小时，在220小时之后微藻浓度趋于平缓，在270小时左右出现下降。从图4中可以发现，微藻生长可分为4个阶段，第一阶段为培养环境适应期，此阶段生长速率较慢；第二阶段为微藻快速生长期，这一阶段中是微藻快速生长的阶段，生长速率最快；第三阶段为缓慢生长期，此时营养物接近消耗完或已经消耗完依靠细胞内营养物生长，微藻的生长出现缓慢的趋势；第四阶段为死亡期，此时微藻不能保持继续生长，开始出现浓度不变甚至下降的情况。
[0073]
13)根据上述实验结论，通过表2中第三组对照组的实验进行实验，探究最佳的单次补充量，共设置8组对照组，每隔12小时测定微藻生物量浓度，从100小时开始补充，分别设置不同的补充策略，采用每天补充的方式，补充量从0.05bc
‑
0.4bc不等。计算微藻平均每日生物量变化量，得到8组平行对照组的微藻平均每日生物量变化曲线如图5所示，可以看出，当选择平均每天补充补充0.1bc
‑
0.15bc对微藻的生长最有利，为了节省营养物，可选择平均每天0.1bc作为每日补充量。此外，还设计实验对微藻的补充间隔进行研究，分别研究了每天补充、每两天补充、每三天补充、每四天补充情况下微藻的生长情况，最终得到结论每隔72小时补充效果最佳，每次补充量为0.3bc。
[0074]
14)经过实验和数值模拟的两方面研究，初步确定了微藻的优化培养条件，由传统的采用1bc不补充的策略，改变为采用0.2bc初始浓度、第100小时开始补充，每隔72小时补充一次，每次补充0.3bc的营养物补充策略。设计实验对补充方案进行验证，证明了采用此补充方案是可以有效提高微藻的生长速率，且于不补充的对照组进行对比，200小时生物量浓度提升了34.2％。
[0075]
本发明的营养物补充方案可针对不同藻种、不同反应器进行改变，具有多样性的特点，根据不同的微藻浓度和营养物条件进行培养策略的设计，符合高效低成本的微藻培养和固碳要求。