專利名稱：一種培養(yǎng)微細(xì)藻類的方法及組合式光生物反應(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，特別是涉及一種采用微細(xì)藻類培養(yǎng)物中的二氧化碳形成微納米氣泡，以達(dá)到高效固定二氧化碳和高效培養(yǎng)微藻的方法，并涉及該種方法所用的組合式光生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
全球大氣中二氧化碳濃度升高所引起的全球氣候變化和溫室效應(yīng)，對人類的生存和可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，我國作為二氧化碳排放量最大的國家必然要承擔(dān)減排的義務(wù)與責(zé)任。微藻作為最簡單的光合作用有機(jī)體，已經(jīng)在地球上存活了二十多億年，據(jù)報(bào)道大氣中90%以上的氧氣由微藻產(chǎn)生，在固定大氣中二氧化碳方面也發(fā)揮主要作用。微藻所具備的光合作用效率高，生長速度快和固定二氧化碳能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被逐步得到認(rèn)識和開發(fā)， 在環(huán)境保護(hù)、保健食品和精細(xì)化工等領(lǐng)域越來越得到廣泛的應(yīng)用。一般認(rèn)為微藻屬于低等植物，通過吸收大氣中的二氧化碳進(jìn)行光合作用合成有機(jī)物。目前，產(chǎn)業(yè)化微藻培養(yǎng)主要有開放的池塘和跑道及封閉的光生物反應(yīng)器培養(yǎng)等方式。開放的微藻培養(yǎng)池雖然構(gòu)造簡單運(yùn)行費(fèi)用低，但只在水體表面與大氣接觸，因此溶入水體和被微藻吸收利用的二氧化碳量很低。與產(chǎn)業(yè)化開放的培養(yǎng)池和跑道相比，采用封閉的光生物反應(yīng)器按照一定比例將二氧化碳與空氣混合曝氣后，可以明顯提高二氧化碳的固定效率達(dá)50%左右，同時(shí)促進(jìn)了微藻的生長，使培養(yǎng)物中藻細(xì)胞干重濃度提高到1.5 g/L左右。國內(nèi)外學(xué)者在采用培養(yǎng)管道和平板等光生物反應(yīng)器培養(yǎng)微藻以提高二氧化碳固定和光合作用效率方面進(jìn)行了大量的研究，雖然取得了一些重要的研究進(jìn)展，但在通入二氧化碳?xì)怏w的方式上均沒有根本改進(jìn)，因此導(dǎo)致微藻固定二氧化碳效率沒有大幅度提高。在微藻培養(yǎng)過程中，影響二氧化碳固定效率的主要限制因素是通氣方式。目前， 主要有鼓泡供氣和纖維膜供氣等二氧化碳通氣方式，但均存在二氧化碳?xì)馀荽?毫米級)、 在水中停留時(shí)間短(數(shù)秒鐘)和不利于通過微藻吸收固定二氧化碳等缺點(diǎn)，因此如何縮小曝氣二氧化碳?xì)馀莸闹睆?，提高其在水體中的停留時(shí)間，是解決微藻固定二氧化碳效率低的關(guān)鍵。隨著科技的發(fā)展，開發(fā)出了一項(xiàng)微納米氣泡曝氣的新興技術(shù)，其特點(diǎn)是將氣液在微納米曝氣機(jī)內(nèi)充分混合，可以形成在水中停留時(shí)間長達(dá)3飛小時(shí)，直徑為3(Γ50微米的氣泡。 采用微納米曝氣機(jī)可以形成二氧化碳?xì)馀菸⑿?，不僅有利于二氧化碳溶解于水體，而且大幅度提高了二氧化碳在水中的停留時(shí)間，是完成二氧化碳高效固定和高效培養(yǎng)微藻的新技術(shù)，在二氧化碳減排和高效培養(yǎng)微藻方面具有極其重要的價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在微藻培養(yǎng)過程中，采用微納米曝氣機(jī)對通入微藻培養(yǎng)池中的二氧化碳進(jìn)行曝氣，形成直徑3(Γ50微米的二氧化碳?xì)馀?，使其在水中停留時(shí)間長達(dá)3飛小時(shí)，以達(dá)到高效固定二氧化碳和高效培養(yǎng)微藻的技術(shù)和方法。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)所用藻種為一株我們自主篩選的具備自養(yǎng)和異養(yǎng)雙重生長能力的小球藻 USTB-Ol {Chlorella sp.)，菌種保藏日期:2005 年 8 月 25 日，保藏號:cgmcc No 1448， 保藏單位中國微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心，地址北京市朝陽區(qū)大屯路， 中國科學(xué)院微生物研究所。培養(yǎng)基組成如下(1000ml 去離子水中)MgSO4 ·7 H2O 0. 5^2. 0 g，Na2HPO4 · 12H20 0.5 2.0 g，KNO3 0.5 2.0 g，CaCl2 0. θΓθ. 05 g，EDTA_2Na 0. θΓθ. 05 g，檸檬酸鐵銨 0.0廣0.05 g。此配制的培養(yǎng)基初始pH為6. 5 7. O。本發(fā)明一種培養(yǎng)微細(xì)藻類的方法，在組合式光生物反應(yīng)器中進(jìn)行培養(yǎng)，所述方法包括如下步驟
1、將培養(yǎng)基加入發(fā)酵罐中經(jīng)8(T100。C 1個(gè)小時(shí)的滅菌，冷卻至2(T35 °C后接種小球
藻藻種，接種后的培養(yǎng)基與藻種的混合物稱為培養(yǎng)物。2、向發(fā)酵罐通入空氣，培養(yǎng)物從發(fā)酵罐中流出，流出的的培養(yǎng)物與通入的二氧化碳在微納米曝氣機(jī)內(nèi)充分混合，形成直徑3(Γ50微米的二氧化碳?xì)馀?，然后流入培養(yǎng)管道進(jìn)行充分的光合作用，再返回發(fā)酵罐，微藻培養(yǎng)物在微納米曝氣機(jī)的作用下在發(fā)酵罐、微納米曝氣機(jī)和培養(yǎng)管道中實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)。進(jìn)一步的，所述發(fā)酵罐攪拌轉(zhuǎn)速20(Γ500轉(zhuǎn)/分，采用ρΗ探頭在線全自動(dòng)流加1% NaOH或1% HCl溶液控制ρΗ在6. 5 7. 0之間，溫度通過循環(huán)水控制在2(T35°C。進(jìn)一步的，所述通入空氣流量在1. 0-1. 5 m3/h。本發(fā)明還提出了一種用于上述方法的組合式光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)裝置，包括發(fā)酵罐(1)、培養(yǎng)管道(2)、圓柱形光源(3)、控制PH流加罐(4)、蠕動(dòng)泵(5)、二氧化碳?xì)怏w流量計(jì)(6)及空氣氣體流量計(jì)(7)，所述培養(yǎng)管道(2)緊密盤繞在圓柱形光源(3)上，并與發(fā)酵罐 (1)以串聯(lián)的形式連接；控制PH流加罐(4)與發(fā)酵罐(1)通過蠕動(dòng)泵(5)連接以控制ρΗ; 空氣氣體流量計(jì)(7)位于儲氣罐與發(fā)酵罐(1)之間，其特征在于還包括微納米曝氣機(jī)(8)， 二氧化碳?xì)怏w流量計(jì)(6)位于儲氣瓶與微納米曝氣機(jī)(8)之間；微納米曝氣機(jī)(8)連接在藻液循環(huán)回路上，以串聯(lián)的方式連接在發(fā)酵罐與培養(yǎng)管道之間，發(fā)酵罐中流出的培養(yǎng)物與通入的二氧化碳在微納米曝氣機(jī)內(nèi)充分混合，形成直徑3(Γ50微米的二氧化碳?xì)馀?。進(jìn)一步的，上述裝置還包括二氧化碳濃度測定儀(9 )，所述二氧化碳濃度測定儀與發(fā)酵罐連接，檢測其中的二氧化碳濃度。本發(fā)明的原理是采用微納米曝氣機(jī)使通入微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器中的二氧化碳形成3(Γ50微米的氣泡，一方面由于二氧化碳?xì)馀菸⑿】梢蕴岣叨趸荚谒w中的停留時(shí)間，增加二氧化碳與水體的接觸面積，使二氧化碳易于溶解于水中。另一方面也有利于微藻通過光合作用吸收二氧化碳，以達(dá)到高效減排二氧化碳和高效培養(yǎng)微藻的目的。采用本發(fā)明培養(yǎng)體系，在通入29Γ25% 二氧化碳情況下，培養(yǎng)5天時(shí)間獲得微藻細(xì)胞干重濃度達(dá)到 3. 5 g/L以上，可以固定曝氣中509Γ95%的二氧化碳，達(dá)到了高效固定二氧化碳和高效培養(yǎng)微藻的目的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用微納米曝氣機(jī)將通入微藻培養(yǎng)的二氧化碳形成3(Γ50微米的氣泡，使其在水中停留時(shí)間長達(dá)3飛小時(shí)，以達(dá)到高效固定二氧化碳和提高微藻生長速度的目的。避免了采用鼓泡和纖維膜曝氣方式存在的二氧化碳?xì)馀荽?，氣泡在培養(yǎng)體系中停留時(shí)間短，不利于微藻吸收固定二氧化碳等缺點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明微納米曝氣機(jī)和組合式光生物反應(yīng)器串聯(lián)連接的微藻培養(yǎng)裝置示意圖。圖2為本發(fā)明分別采用鼓泡曝氣和微納米曝氣機(jī)曝氣兩種二氧化碳供氣方式下， 在組合式光生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)小球藻USTB-Ol的生長曲線。橫坐標(biāo)為培養(yǎng)時(shí)間天，縱坐標(biāo)為培養(yǎng)物中的小球藻細(xì)胞干重g/L。圖3為通入二氧化碳濃度均為2. 0%下，本發(fā)明分別采用鼓泡曝氣和微納米曝氣機(jī)曝氣兩種二氧化碳供氣方式下，在組合式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)小球藻USTB-Ol過程中的二氧化碳固定效率。橫坐標(biāo)為培養(yǎng)時(shí)間天，縱坐標(biāo)為二氧化碳固定效率％。
具體實(shí)施例方式1、藻種的選擇和培養(yǎng)基
本發(fā)明實(shí)驗(yàn)所用藻種為一株自主篩選的同時(shí)具備自養(yǎng)和異養(yǎng)雙重生長能力的小球藻 USTB-Ol {Chlorella sp.)，菌種保藏號cgmcc Nol448，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)MgSO4 · 7 H2O 1. 0 g, Na2HPO4 · 12H20 2. 0 g, KNO3 3.0 g, CaCl2 20 mg，EDTA_2Na 0. 02 g，檸檬酸鐵銨0.01 g。此培養(yǎng)基初始pH為6. 5左右。2、培養(yǎng)控制條件
本發(fā)明采用微納米曝氣機(jī)將通入微藻培管道中的二氧化碳形成微納米氣泡，在發(fā)酵罐與培養(yǎng)管道組合的光生物反應(yīng)器中進(jìn)行小球藻USTB-Ol的光照自養(yǎng)培養(yǎng)。配制30升培養(yǎng)基經(jīng)采用蒸汽發(fā)生器進(jìn)行100°C滅菌1個(gè)小時(shí)，待冷卻至30°C后接種小球藻USTB-Ol開始培養(yǎng)。培養(yǎng)條件是溫度30°C，發(fā)酵罐攪拌轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，全自動(dòng)流加1% NaOH或1% HCl 溶液使培養(yǎng)物PH控制在6. 5。本發(fā)明采用微納米曝氣機(jī)將發(fā)酵罐中流出的培養(yǎng)物與通入的純二氧化碳?xì)獬浞只旌?，形成直?(Γ50微米的二氧化碳?xì)馀?，然后流入培養(yǎng)管道進(jìn)行充分的光合作用后再返回發(fā)酵罐。培養(yǎng)過程中，在發(fā)酵罐中通入流量為四4 L/h的空氣，使培養(yǎng)物的混勻，微藻培養(yǎng)物在發(fā)酵罐、微納米曝氣機(jī)和培養(yǎng)管道中以420 L/h的流速進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。3、微納米曝氣供氣高效固定二氧化碳
如圖1所示，使用的微納米曝氣機(jī)以串聯(lián)的方式連接在發(fā)酵罐與培養(yǎng)管道之間，采用微納米曝氣機(jī)將以6 L/h流速的二氧化碳和420 L/h流量的小球藻USTB-Ol培養(yǎng)物充分混合，形成3(Γ50微米的二氧化碳?xì)馀?，在培養(yǎng)管道和發(fā)酵罐中循環(huán)流動(dòng)。小球藻USTB-Ol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3. 6分鐘和0. 6分鐘。采用微納米氣泡曝氣技術(shù)，不僅有利于二氧化碳在水中的溶解，而且顯著提高了二氧化碳在水中的停留時(shí)間， 是采用微藻完成二氧化碳高效固定的新技術(shù)，在二氧化碳減排和高效培養(yǎng)微藻方面具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。圖2為本發(fā)明分別采用鼓泡曝氣和微納米曝氣機(jī)曝氣兩種二氧化碳供氣方式下小球藻USTB-Ol的生長曲線。如圖所示，采用鼓泡曝氣二氧化碳下，培養(yǎng)5天小球藻USTB-Ol 細(xì)胞干重從初始的0.3 g/L增長到1.4 g/L，而采用微納米曝氣機(jī)對通入的二氧化碳進(jìn)行曝氣，培養(yǎng)5天小球藻USTB-Ol細(xì)胞干重從初始的0.3 g/L增長到2. 5 g/L，使培養(yǎng)獲得的藻生物量提高了 79% (圖2)。 圖3為本發(fā)明分別采用鼓泡曝氣和微納米曝氣機(jī)曝氣兩種二氧化碳供氣方式下小球藻USTB-Ol固定吸收二氧化碳的效率。如圖所示，在發(fā)酵罐中通入空氣量為四4 L/h， 在進(jìn)入培養(yǎng)管道前通入純二氧化碳量為6 L/h。采用傳統(tǒng)的鼓泡曝氣方式，二氧化碳固定效率最高僅為60%，而采用微納米曝氣機(jī)曝氣二氧化碳，固定二氧化碳效率高達(dá)95%。本發(fā)明既減少了二氧化碳排放，又培養(yǎng)獲得了大量小球藻USTB-01，在二氧化碳減排和高效培養(yǎng)微藻方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1. 一種培養(yǎng)微細(xì)藻類的方法，其特征在于在組合式光生物反應(yīng)器中進(jìn)行培養(yǎng)，包括如下步驟1.1將培養(yǎng)基加入發(fā)酵罐中經(jīng)8(T100。C 1個(gè)小時(shí)的滅菌，冷卻至2(Γ35 ！后接種小球藻藻種，接種后的培養(yǎng)基與藻種的混合物稱為培養(yǎng)物；1.2向發(fā)酵罐通入空氣，培養(yǎng)物從發(fā)酵罐中流出，流出的的培養(yǎng)物與通入的二氧化碳在微納米曝氣機(jī)內(nèi)充分混合，形成直徑3(Γ50微米的二氧化碳?xì)馀?，然后流入培養(yǎng)管道進(jìn)行充分的光合作用，再返回發(fā)酵罐，微藻培養(yǎng)物在微納米曝氣機(jī)的作用下在發(fā)酵罐、微納米曝氣機(jī)和培養(yǎng)管道中實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種培養(yǎng)微細(xì)藻類的方法，其特征在于所述步驟1.2中，發(fā)酵罐攪拌轉(zhuǎn)速20(Γ500轉(zhuǎn)/分，采用ρΗ探頭在線全自動(dòng)流加1% NaOH或1% HCl溶液控制培養(yǎng)物PH在6. 5^7. 0之間，并通過循環(huán)水控制在溫度2(T35°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種培養(yǎng)微細(xì)藻類的方法，其特征在于所述步驟1.2中，通入空氣流量在通入空氣流量為200-400 L/h。
4.一種用于權(quán)利要求1所述方法組合式光生物反應(yīng)器，包括發(fā)酵罐(1)、培養(yǎng)管道 (2)、圓柱形光源(3)、控制ρΗ流加罐(4)、蠕動(dòng)泵(5)、二氧化碳?xì)怏w流量計(jì)(6)及空氣氣體流量計(jì)(7)，所述培養(yǎng)管道(2)緊密盤繞在圓柱形光源(3)上，并與發(fā)酵罐(1)以串聯(lián)的形式連接；控制PH流加罐(4)與發(fā)酵罐(1)通過蠕動(dòng)泵(5)連接以控制ρΗ ；空氣氣體流量計(jì) (7)位于儲氣罐與發(fā)酵罐(1)之間，其特征在于還包括微納米曝氣機(jī)(8)，二氧化碳?xì)怏w流量計(jì)(6)位于儲氣瓶與微納米曝氣機(jī)(8)之間；微納米曝氣機(jī)(8)連接在藻液循環(huán)回路上， 以串聯(lián)的方式連接在發(fā)酵罐與培養(yǎng)管道之間，發(fā)酵罐中流出的培養(yǎng)物與通入的二氧化碳在微納米曝氣機(jī)內(nèi)充分混合，形成直徑3(Γ50微米的二氧化碳?xì)馀荨?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種組合式光生物反應(yīng)器，其特征在于還包括二氧化碳濃度測定儀(9 )，所述二氧化碳濃度測定儀與發(fā)酵罐連接，檢測其中的二氧化碳濃度。
全文摘要
一種采用微納米曝氣機(jī)將通入微藻培養(yǎng)池中的二氧化碳形成微納米氣泡，以達(dá)到高效固定二氧化碳和高效培養(yǎng)微藻的方法，屬于生物技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在微藻培養(yǎng)過程中，采用微納米曝氣機(jī)將發(fā)酵罐中流出的培養(yǎng)物與通入的二氧化碳充分混合，形成直徑30~50微米的二氧化碳?xì)馀?，然后流入培養(yǎng)管道進(jìn)行充分的光合作用后再返回發(fā)酵罐，使微藻培養(yǎng)物在發(fā)酵罐、微納米曝氣機(jī)和培養(yǎng)管道中實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)，以達(dá)到高效固定二氧化碳和高效培養(yǎng)微藻的技術(shù)和方法。本發(fā)明同時(shí)還公開一種應(yīng)用于上述方法的組合式光生物反應(yīng)器。其特征在于采用微納米曝氣機(jī)可以形成二氧化碳?xì)馀菸⑿?，不僅有利于二氧化碳溶解于水體，而且大幅度提高了二氧化碳在水中的停留時(shí)間。
文檔編號C12M1/34GK102268374SQ20101054308
公開日2011年12月7日 申請日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者周楓, 張可毅, 李慧梅, 許倩倩, 賈璇, 閆海 申請人:北京科技大學(xué)