專(zhuān)利名稱(chēng)：一種光照培養(yǎng)微細(xì)藻類(lèi)的方法及其反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種將發(fā)酵罐與管道串聯(lián)連接的組合式 光生物反應(yīng)器，用于高效固定二氧化碳和高效培養(yǎng)微細(xì)藻類(lèi)的方法。
背景技術(shù)：
微細(xì)藻類(lèi)作為最簡(jiǎn)單的光合作用有機(jī)體，已經(jīng)在地球上存活了二十多億年，其通 過(guò)光合作用為地球早期大氣中氧氣的產(chǎn)生以及動(dòng)物的起源與發(fā)展奠定了重要的物質(zhì)
基礎(chǔ)。據(jù)報(bào)道大氣中90%以上的氧氣由微藻產(chǎn)生，微藻的光合作用效率是一般植物 的5H0倍，因此微細(xì)藻類(lèi)在固定大氣中二氧化碳方面發(fā)揮主要作用。隨著科技的進(jìn) 步，微藻所具備的生長(zhǎng)速度快、光合作用效率高和固定二氧化碳能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被逐步 得到認(rèn)識(shí)和開(kāi)發(fā)，在保健食品、精細(xì)化工、醫(yī)藥和環(huán)境保護(hù)等方面得到了越來(lái)越廣泛 的應(yīng)用。
一般認(rèn)為微藻屬于低等植物，通過(guò)吸收無(wú)機(jī)碳進(jìn)行光合作用合成有機(jī)物是其最基 本的培養(yǎng)方式。目前，產(chǎn)業(yè)化微藻培養(yǎng)主要有開(kāi)放的池塘和跑道及封閉的管道培養(yǎng)等 方式， 一般來(lái)說(shuō)微細(xì)藻類(lèi)生長(zhǎng)的碳源來(lái)自大氣中的二氧化碳和培養(yǎng)基中的無(wú)機(jī)碳化合 物。開(kāi)放的微藻培養(yǎng)方式構(gòu)建簡(jiǎn)單、系統(tǒng)造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用低，但光照和溫度等環(huán)境因 子難于控制，易受污染不能進(jìn)行純種的培養(yǎng)，不僅培養(yǎng)出的藻細(xì)胞濃度很低(細(xì)胞干 重一般在0.5g/L左右)，加工成的藻粉質(zhì)量差。封閉式反應(yīng)器培養(yǎng)條件穩(wěn)定，條件易 于控制，光能和二氧化碳利用率較高，己成為近年來(lái)研究的發(fā)展方向。封閉式光生物 反應(yīng)器有管道式、平板式、柱狀氣升式、攪拌式發(fā)酵罐、浮式薄膜袋等，與開(kāi)放的培 養(yǎng)池和跑道相比，雖然在二氧化碳固定效率和光的利用率方面有所改善，培養(yǎng)物中的 藻細(xì)胞干重濃度可以達(dá)到1.5g/L左右，但仍然存在二氧化碳利用率低、溫度不容易 控制和光照不充足等問(wèn)題。因此研制一種既能夠高效固定二氧化碳，又能夠保證光照 充分，同時(shí)還可以保持溫度和pH穩(wěn)定的新型光生物反應(yīng)器，在減少二氧化碳的排放 和培養(yǎng)獲得大量微細(xì)藻類(lèi)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是研制一種既能夠高效固定二氧化碳、又能夠保證光照充分，同時(shí)還可以保持溫度和pH穩(wěn)定的新型光生物反應(yīng)器，以滿(mǎn)足高效培養(yǎng)微細(xì)藻類(lèi)和高效固
定二氧化碳的需要。
將液體培養(yǎng)基加入到發(fā)酵罐中，通過(guò)泵使發(fā)酵罐中的培養(yǎng)基進(jìn)入與發(fā)酵罐密閉連 接的管道中實(shí)現(xiàn)循環(huán)，經(jīng)80 iocrc i個(gè)小時(shí)的滅菌，冷卻至20 3crc后接種小球藻 培養(yǎng)物，經(jīng)過(guò)由培養(yǎng)管道和圓柱形光源組成的管道式光生物反應(yīng)器，進(jìn)行光照自養(yǎng)培
養(yǎng)；培養(yǎng)條件是發(fā)酵罐攪拌轉(zhuǎn)速200~500轉(zhuǎn)/分，通入空氣進(jìn)行曝氣，采用pH探頭 在線全自動(dòng)流加l%NaOH或1%HCI溶液控制pH在6.0~8.0之間，溫度通過(guò)循環(huán) 水控制在20 35'C;在管道進(jìn)口處通入二氧化碳作為小球藻生長(zhǎng)的碳源，通過(guò)泵使微 細(xì)藻類(lèi)培養(yǎng)物在發(fā)酵罐和管道中實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)。
本發(fā)明實(shí)驗(yàn)所用藻種為一株我們自己篩選的具備自養(yǎng)和異養(yǎng)雙重生長(zhǎng)能力的小 球藻-USTBOl (Chlorellasp)，菌種保藏號(hào)cgmccNo1448，保藏日期2005年8 月25日。
培養(yǎng)基組成如下(1000 ml去離子水中)MgS〇4 7 H2〇0.5~2.0 g， Nd2HP〇4 12H2〇0.5~2.0g， KN〇3 0.5~2.0 g， CaCI2 10.0~50,0 mg， EDTA-2Na 10.0~50.0 mg，檸檬酸鐵鉸10.0~50.0mg。此配制的培養(yǎng)基初始pH為7.0~8.0。
利用上述方法，本發(fā)明提出一種發(fā)酵罐和管道組合式光生物反應(yīng)器，包括發(fā)酵罐 1、培養(yǎng)管道2、圓柱形光源3、循環(huán)泵4、氣體流量計(jì)5和參數(shù)在線監(jiān)控裝置6。培 養(yǎng)管道2盤(pán)繞在一個(gè)由透明材料組成的圓柱形光源3上，組成管道式光生物反應(yīng)器。 發(fā)酵罐和管道式光生物反應(yīng)器以串聯(lián)的形式連接，循環(huán)泵連接在藻液循環(huán)回路上，位 于發(fā)酵罐與管道式光生物反應(yīng)器之間，以使微細(xì)藻類(lèi)培養(yǎng)物在發(fā)酵罐和管道中循環(huán)流 動(dòng)。
參數(shù)在線監(jiān)控裝置由自動(dòng)流加裝置、pH計(jì)、二氧化碳測(cè)定儀和參數(shù)控制單元組成。
本發(fā)明在微藻培養(yǎng)過(guò)程中通過(guò)二氧化碳供應(yīng)裝置向管道中注入二氧化碳，通過(guò)循 環(huán)泵將來(lái)自于發(fā)酵罐的微藻液體培養(yǎng)物與注入的二氧化碳充分混合后在管道內(nèi)流動(dòng)， 由于管道盤(pán)繞在圓柱形光源上，因此可以充分利用二氧化碳進(jìn)行光合作用。從管道流 出的微藻培養(yǎng)物進(jìn)入發(fā)酵罐內(nèi)后，通過(guò)攪拌漿攪拌和曝入的空氣進(jìn)行充分混合，然后 再次泵入管道內(nèi)形成流動(dòng)循環(huán)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于將微細(xì)藻類(lèi)的發(fā)酵罐培養(yǎng)和管道培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)集于一身，在發(fā)酵罐中控制培養(yǎng)物的溫度和pH，而在管道中使微細(xì)藻類(lèi)進(jìn)行充分的光合作用以固定 二氧化碳。雖然在管道中培養(yǎng)微細(xì)藻類(lèi)光合作用充分，但如果停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的 氧氣會(huì)抑制微藻對(duì)二氧化碳的固定效率，同時(shí)由于強(qiáng)光會(huì)產(chǎn)生熱，使管道中微藻培養(yǎng) 物的溫度升高，不利于微藻的高效培養(yǎng)和二氧化碳的固定。通過(guò)循環(huán)泵使微細(xì)藻類(lèi)培 養(yǎng)物在發(fā)酵罐和管道中循環(huán)流動(dòng)，既避免了單純采用發(fā)酵罐培養(yǎng)光照不充分、固定二
氧化碳效率低的不足，又克服了單純采用管道培養(yǎng)溫度和pH難以控制的缺點(diǎn)。采用 本發(fā)明光生物反應(yīng)器，在通入1%~40%二氧化碳情況下，可以吸收固定曝氣中 40%~80%的二氧化碳，培養(yǎng)5天時(shí)間獲得微細(xì)藻類(lèi)細(xì)胞干重濃度達(dá)到3.5 g/L以上， 達(dá)到了高效吸收二氧化碳和高效培養(yǎng)微細(xì)藻類(lèi)的目的。


圖1為本發(fā)明發(fā)酵罐與管道串聯(lián)連接的組合式光生物反應(yīng)器示意圖。
圖2為本發(fā)明僅采用發(fā)酵罐培養(yǎng)和采用發(fā)酵罐與管道串聯(lián)連接的組合式光生物 反應(yīng)器培養(yǎng)小球藻USTB-01的生長(zhǎng)曲線。橫坐標(biāo)為培養(yǎng)時(shí)間小時(shí)，縱坐標(biāo)為小球藻培 養(yǎng)物中的藻細(xì)胞干重濃度g/L。
圖3為通入二氧化碳濃度均為3.0%下，本發(fā)明僅采用發(fā)酵罐培養(yǎng)和采用發(fā)酵罐 與管道串聯(lián)連接的組合式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)小球藻USTB-01過(guò)程中的二氧化碳吸收 效率。橫坐標(biāo)為培養(yǎng)時(shí)間小時(shí)，縱坐標(biāo)為二氧化碳吸收效率％。
具體實(shí)施例方式
1、 藻種的選擇和培養(yǎng)用培養(yǎng)基
本發(fā)明實(shí)驗(yàn)所用藻種為一株我們自己篩選的同時(shí)具備自養(yǎng)和異養(yǎng)雙重功能的原
核小球藻-USTBOl (Chlorellasp)，菌種保藏號(hào)cgmccNo1448，保藏日期2005 年8月25日。培養(yǎng)基組成如下(1000 ml去離子水中)MgS〇4 7 H2〇1.0 g， Na2HP〇4 12H2〇2.0g， KN〇32.0g， CaCI230 mg， EDTA國(guó)2Na 20 mg，豐寧檬酸 鐵銨10mg。此配制的培養(yǎng)基初始pH為8.0。
2、 發(fā)酵罐與管道組合式光生物反應(yīng)器
本發(fā)明采用的組合式光生物反應(yīng)器主要由發(fā)酵罐和管道串聯(lián)連接組成，通過(guò)泵使 小球藻USTB-01培養(yǎng)物在發(fā)酵罐和管道中循環(huán)流動(dòng)。使用的全自控發(fā)酵罐容積為50 升，內(nèi)部安裝有4只15瓦的日光燈進(jìn)行照明。發(fā)酵罐外層加熱套控制溫度，通過(guò)自 動(dòng)流加酸或堿溶液控制培養(yǎng)物pH在7.0，配備有轉(zhuǎn)速可在200轉(zhuǎn)/分到800轉(zhuǎn)/分任意可調(diào)的攪拌槳和可通入氣體的進(jìn)氣口 ，在發(fā)酵罐出氣口安裝有二氧化碳?xì)怏w測(cè)定
儀。使用的培養(yǎng)管道由硅膠管組成，內(nèi)徑15毫米，長(zhǎng)13.5米，培養(yǎng)管道緊密纏繞 在內(nèi)部有1支40瓦日光燈照明的長(zhǎng)1米外徑30厘米的中空有機(jī)玻璃柱上，培養(yǎng)管 道總?cè)莘e為2.5升。在從發(fā)酵罐小球藻USTB-01培養(yǎng)物流入培養(yǎng)管道處安裝有二氧化 碳注入口，采用HX6540型潛水空氣兩用泵將發(fā)酵罐內(nèi)的小球藻USTB-01培養(yǎng)物以 4.2 L/min的流速抽入到培養(yǎng)管道內(nèi)進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，小球藻USTB-01培養(yǎng)物在發(fā)酵罐 和培養(yǎng)管道的理論停留時(shí)間分別為6.6分鐘和0.5分鐘。 3、微藻的光照自養(yǎng)培養(yǎng)和C02的高效固定
將液體培養(yǎng)基30升加入到發(fā)酵罐中，在打開(kāi)泵使培養(yǎng)基在發(fā)酵罐和培養(yǎng)管道內(nèi)
流動(dòng)循環(huán)的情況下，進(jìn)行iocrc加熱滅菌i小時(shí)。待培養(yǎng)基冷卻至3crc后，接種小
球藻USTB-01培養(yǎng)物后進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)條件是攪拌轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，在發(fā)酵罐內(nèi)通空 氣量為2rrVVh，通過(guò)全自動(dòng)流加NaOH或HCI溶液使培養(yǎng)物pH控制在7.0，溫度 恒定保持在30。C。如圖1所示，培養(yǎng)管道進(jìn)口處通入二氧化碳?xì)怏w，經(jīng)HX6540型 潛水空氣兩用泵按流速為4.2 L/min將發(fā)酵罐中的微藻培養(yǎng)物抽出打入培養(yǎng)管道，在 盤(pán)繞于內(nèi)部有光照透明柱的培養(yǎng)管道內(nèi)，經(jīng)充分的光合作用后，返回到發(fā)酵罐中進(jìn)行 循環(huán)。采用發(fā)酵罐與管道串聯(lián)連接的組合式光生物反應(yīng)器，可以高效固定二氧化碳和 高效培養(yǎng)小球藻USTB-01 ，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。
圖2為本發(fā)明僅采用發(fā)酵罐培養(yǎng)和采用發(fā)酵罐與管道串聯(lián)連接的組合式光生物 反應(yīng)器培養(yǎng)小球藻USTB-01的生長(zhǎng)曲線。圖中顯示，分別采用發(fā)酵罐和組合式光生物 反應(yīng)器對(duì)小球藻USTB-01進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度30'C，攪拌轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，pH控制 在7.0連續(xù)培養(yǎng)5天后，單純采用發(fā)酵罐培養(yǎng)，藻細(xì)胞干重濃度從初始的0.4g/L增 長(zhǎng)到0.8 g/L，而采用發(fā)酵罐與管道串聯(lián)的組合式反應(yīng)器能夠顯著促進(jìn)藻細(xì)胞生長(zhǎng)， 藻細(xì)胞干重濃度可達(dá)到3.5 g/L，藻生物量提高了4倍以上(圖2)。
圖3為本發(fā)明僅采用發(fā)酵罐培養(yǎng)和采用發(fā)酵罐與管道串聯(lián)連接的組合式光生物 反應(yīng)器培養(yǎng)小球藻USTB-01過(guò)程中的二氧化碳吸收效率。圖中顯示，在向反應(yīng)器中通 入空氣量為2ms/h， 二氧化碳濃度均為3.0%的條件下，單純采用發(fā)酵罐培養(yǎng)，最高 固定二氧化碳效率僅為20%，而采用發(fā)酵罐與管道串聯(lián)的組合式反應(yīng)器能夠顯著提高 二氧化碳的固定能力，二氧化碳吸收效率高達(dá)79%。在培養(yǎng)小球藻的過(guò)程中，既獲得 了大量的微藻生物量，又達(dá)到了減少二氧化碳排放的目的。
權(quán)利要求
1、一種光照培養(yǎng)微細(xì)藻類(lèi)的方法，其特征在于，將液體培養(yǎng)基加入到發(fā)酵罐中，通過(guò)泵使發(fā)酵罐中的培養(yǎng)基進(jìn)入與發(fā)酵罐密閉連接的管道中實(shí)現(xiàn)循環(huán)，經(jīng)80～100℃1個(gè)小時(shí)的滅菌，冷卻至20～30℃后接種小球藻培養(yǎng)物經(jīng)過(guò)繞在內(nèi)部裝有日光燈照明的圓柱形透明管的管道，進(jìn)行光照自養(yǎng)培養(yǎng)；培養(yǎng)條件是發(fā)酵罐攪拌轉(zhuǎn)速200～500轉(zhuǎn)/分，通入空氣進(jìn)行曝氣，在線全自動(dòng)流加1％NaOH或1％HCl溶液控制pH在6.0～8.0之間，溫度控制在20～35℃；在管道進(jìn)口處通入二氧化碳作為小球藻生長(zhǎng)的碳源，通過(guò)泵使微細(xì)藻類(lèi)培養(yǎng)物在發(fā)酵罐和管道中實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)。
2、 一種光照培養(yǎng)微細(xì)藻類(lèi)的反應(yīng)器，其特征在于，反應(yīng)器包括發(fā)酵罐(1)、培 養(yǎng)管道(2)、圓柱形光源(3)、循環(huán)泵(4)、氣體流量計(jì)(5)和參數(shù)在線監(jiān)控裝置(6);培養(yǎng)管道(2)盤(pán)繞在一個(gè)由透明材料組成的圓柱形光源(3)上，組成管道式 光生物反應(yīng)器；發(fā)酵罐(1)和管道式光生物反應(yīng)器以串聯(lián)的形式連接，循環(huán)泵(4) 連接在藻液循環(huán)回路上，位于發(fā)酵罐與管道式光生物反應(yīng)器之間。
3、 如權(quán)利要求2所述的光照培養(yǎng)微細(xì)藻類(lèi)的反應(yīng)器，其特征在于，參數(shù)在線監(jiān) 控裝置由自動(dòng)流加裝置、pH計(jì)、二氧化碳測(cè)定儀和參數(shù)控制單元組成。
全文摘要
一種光照培養(yǎng)微細(xì)藻類(lèi)的方法及其反應(yīng)器，屬于生物技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在微藻培養(yǎng)過(guò)程中通過(guò)二氧化碳供應(yīng)裝置向管道中注入二氧化碳，通過(guò)循環(huán)泵將來(lái)自于發(fā)酵罐的微藻液體培養(yǎng)物與注入的二氧化碳充分混合后在管道內(nèi)流動(dòng)，由于管道盤(pán)繞在圓柱形光源上，因此可以充分利用二氧化碳進(jìn)行光合作用。從管道流出的微藻培養(yǎng)物進(jìn)入發(fā)酵罐內(nèi)后，通過(guò)攪拌漿攪拌和曝入的空氣進(jìn)行充分混合，然后再次泵入管道內(nèi)形成流動(dòng)循環(huán)。采用本發(fā)明光生物反應(yīng)器，在通入1％～40％二氧化碳情況下，可以吸收固定曝氣中40％～80％的二氧化碳，培養(yǎng)5天時(shí)間獲得微細(xì)藻類(lèi)細(xì)胞干重濃度達(dá)到3.5g/L以上，達(dá)到了高效吸收二氧化碳和高效培養(yǎng)微細(xì)藻類(lèi)的目的。
文檔編號(hào)C12R1/89GK101575567SQ20091008730
公開(kāi)日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日
發(fā)明者景建克, 帥 楊, 王子敬, 璇 賈, 海 閆 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)