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CN102268374A - 一种培养微细藻类的方法及组合式光生物反应器 - Google Patents

一种培养微细藻类的方法及组合式光生物反应器 Download PDF

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Abstract

一种采用微纳米曝气机将通入微藻培养池中的二氧化碳形成微纳米气泡，以达到高效固定二氧化碳和高效培养微藻的方法，属于生物技术领域。本发明在微藻培养过程中，采用微纳米曝气机将发酵罐中流出的培养物与通入的二氧化碳充分混合，形成直径30~50微米的二氧化碳气泡，然后流入培养管道进行充分的光合作用后再返回发酵罐，使微藻培养物在发酵罐、微纳米曝气机和培养管道中实现循环流动，以达到高效固定二氧化碳和高效培养微藻的技术和方法。本发明同时还公开一种应用于上述方法的组合式光生物反应器。其特征在于采用微纳米曝气机可以形成二氧化碳气泡微小，不仅有利于二氧化碳溶解于水体，而且大幅度提高了二氧化碳在水中的停留时间。

Description

一种培养微细藻类的方法及组合式光生物反应器
技术领域
本发明属于生物技术领域，特别是涉及一种采用微细藻类培养物中的二氧化碳形成微纳米气泡，以达到高效固定二氧化碳和高效培养微藻的方法，并涉及该种方法所用的组合式光生物反应器。 
背景技术
全球大气中二氧化碳浓度升高所引起的全球气候变化和温室效应，对人类的生存和可持续发展构成了严重威胁，我国作为二氧化碳排放量最大的国家必然要承担减排的义务与责任。微藻作为最简单的光合作用有机体，已经在地球上存活了二十多亿年，据报道大气中90％以上的氧气由微藻产生，在固定大气中二氧化碳方面也发挥主要作用。微藻所具备的光合作用效率高，生长速度快和固定二氧化碳能力强等优点被逐步得到认识和开发，在环境保护、保健食品和精细化工等领域越来越得到广泛的应用。 
一般认为微藻属于低等植物，通过吸收大气中的二氧化碳进行光合作用合成有机物。目前，产业化微藻培养主要有开放的池塘和跑道及封闭的光生物反应器培养等方式。开放的微藻培养池虽然构造简单运行费用低，但只在水体表面与大气接触，因此溶入水体和被微藻吸收利用的二氧化碳量很低。与产业化开放的培养池和跑道相比，采用封闭的光生物反应器按照一定比例将二氧化碳与空气混合曝气后，可以明显提高二氧化碳的固定效率达50%左右，同时促进了微藻的生长，使培养物中藻细胞干重浓度提高到1.5 g/L左右。国内外学者在采用培养管道和平板等光生物反应器培养微藻以提高二氧化碳固定和光合作用效率方面进行了大量的研究，虽然取得了一些重要的研究进展，但在通入二氧化碳气体的方式上均没有根本改进，因此导致微藻固定二氧化碳效率没有大幅度提高。 
在微藻培养过程中，影响二氧化碳固定效率的主要限制因素是通气方式。目前，主要有鼓泡供气和纤维膜供气等二氧化碳通气方式，但均存在二氧化碳气泡大（毫米级）、在水中停留时间短（数秒钟）和不利于通过微藻吸收固定二氧化碳等缺点，因此如何缩小曝气二氧化碳气泡的直径，提高其在水体中的停留时间，是解决微藻固定二氧化碳效率低的关键。随着科技的发展，开发出了一项微纳米气泡曝气的新兴技术，其特点是将气液在微纳米曝气机内充分混合，可以形成在水中停留时间长达3~5小时，直径为30~50微米的气泡。采用微纳米曝气机可以形成二氧化碳气泡微小，不仅有利于二氧化碳溶解于水体，而且大幅度提高了二氧化碳在水中的停留时间，是完成二氧化碳高效固定和高效培养微藻的新技术，在二氧化碳减排和高效培养微藻方面具有极其重要的价值。 
发明内容
本发明的目的是在微藻培养过程中，采用微纳米曝气机对通入微藻培养池中的二氧化碳进行曝气，形成直径30~50微米的二氧化碳气泡，使其在水中停留时间长达3~5小时，以达到高效固定二氧化碳和高效培养微藻的技术和方法。 
本发明实验所用藻种为一株我们自主筛选的具备自养和异养双重生长能力的小球藻USTB-01 (Chlorella sp.)，菌种保藏日期：2005年8月25日，保藏号：cgmcc No1448，保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所。 
培养基组成如下（1000 ml去离子水中）： MgSO4·7 H2O 0.5~2.0 g，Na2HPO4·12H2O 0.5~2.0 g，KNO3 0.5~2.0 g，CaCl2 0.01~0.05 g，EDTA-2Na 0.01~0.05 g，柠檬酸铁铵0.01~0.05 g。此配制的培养基初始pH为6.5~7.0。 
本发明一种培养微细藻类的方法，在组合式光生物反应器中进行培养，所述方法包括如下步骤： 
1、将培养基加入发酵罐中经80~100 ℃ 1个小时的灭菌，冷却至20~35 ℃后接种小球藻藻种，接种后的培养基与藻种的混合物称为培养物。
2、向发酵罐通入空气，培养物从发酵罐中流出，流出的的培养物与通入的二氧化碳在微纳米曝气机内充分混合，形成直径30~50微米的二氧化碳气泡，然后流入培养管道进行充分的光合作用，再返回发酵罐，微藻培养物在微纳米曝气机的作用下在发酵罐、微纳米曝气机和培养管道中实现循环流动。 
进一步的，所述发酵罐搅拌转速200~500转/分，采用pH探头在线全自动流加1% NaOH或1% HCl溶液控制pH在6.5~7.0之间，温度通过循环水控制在20~35℃。 
进一步的，所述通入空气流量在1.0-1.5 m3/h。 
本发明还提出了一种用于上述方法的组合式光生物反应器的培养装置，包括发酵罐（1）、培养管道（2）、圆柱形光源（3）、控制pH流加罐（4）、蠕动泵（5）、二氧化碳气体流量计（6）及空气气体流量计（7），所述培养管道（2）紧密盘绕在圆柱形光源（3）上，并与发酵罐（1）以串联的形式连接；控制pH流加罐（4）与发酵罐（1）通过蠕动泵（5）连接以控制pH；空气气体流量计（7）位于储气罐与发酵罐（1）之间，其特征在于：还包括微纳米曝气机（8），二氧化碳气体流量计（6）位于储气瓶与微纳米曝气机（8）之间；微纳米曝气机（8）连接在藻液循环回路上，以串联的方式连接在发酵罐与培养管道之间，发酵罐中流出的培养物与通入的二氧化碳在微纳米曝气机内充分混合，形成直径30~50微米的二氧化碳气泡。 
进一步的，上述装置还包括二氧化碳浓度测定仪（9），所述二氧化碳浓度测定仪与发酵罐连接，检测其中的二氧化碳浓度。 
本发明的原理是采用微纳米曝气机使通入微藻培养光生物反应器中的二氧化碳形成30~50微米的气泡，一方面由于二氧化碳气泡微小可以提高二氧化碳在水体中的停留时间，增加二氧化碳与水体的接触面积，使二氧化碳易于溶解于水中。另一方面也有利于微藻通过光合作用吸收二氧化碳，以达到高效减排二氧化碳和高效培养微藻的目的。采用本发明培养体系，在通入2%~25%二氧化碳情况下，培养5天时间获得微藻细胞干重浓度达到3.5 g/L以上，可以固定曝气中50%~95%的二氧化碳，达到了高效固定二氧化碳和高效培养微藻的目的。 
本发明的优点在于：采用微纳米曝气机将通入微藻培养的二氧化碳形成30~50微米的气泡，使其在水中停留时间长达3~5小时，以达到高效固定二氧化碳和提高微藻生长速度的目的。避免了采用鼓泡和纤维膜曝气方式存在的二氧化碳气泡大，气泡在培养体系中停留时间短，不利于微藻吸收固定二氧化碳等缺点。 
附图说明
图1为本发明微纳米曝气机和组合式光生物反应器串联连接的微藻培养装置示意图。 
图2为本发明分别采用鼓泡曝气和微纳米曝气机曝气两种二氧化碳供气方式下，在组合式光生物反应器内培养小球藻USTB-01的生长曲线。横坐标为培养时间天，纵坐标为培养物中的小球藻细胞干重g/L。 
图3为通入二氧化碳浓度均为2.0%下，本发明分别采用鼓泡曝气和微纳米曝气机曝气两种二氧化碳供气方式下，在组合式光生物反应器培养小球藻USTB-01过程中的二氧化碳固定效率。横坐标为培养时间天，纵坐标为二氧化碳固定效率%。 
  
具体实施方式
1、藻种的选择和培养基 
本发明实验所用藻种为一株自主筛选的同时具备自养和异养双重生长能力的小球藻USTB-01 (Chlorella sp.)，菌种保藏号：cgmcc No1448，保藏日期：2005年8月25日。培养基组成如下(1000 ml去离子水中)： MgSO4·7 H2O 1.0 g，Na2HPO4·12H2O 2.0 g，KNO3 3.0 g，CaCl2 20 mg，EDTA-2Na 0.02 g，柠檬酸铁铵0.01 g。此培养基初始pH为6.5左右。
2、培养控制条件 
本发明采用微纳米曝气机将通入微藻培管道中的二氧化碳形成微纳米气泡，在发酵罐与培养管道组合的光生物反应器中进行小球藻USTB-01的光照自养培养。配制30升培养基经采用蒸汽发生器进行100℃灭菌1个小时，待冷却至30℃后接种小球藻USTB-01开始培养。培养条件是：温度30℃，发酵罐搅拌转速200转/分，全自动流加1% NaOH或1% HCl溶液使培养物pH控制在6.5。本发明采用微纳米曝气机将发酵罐中流出的培养物与通入的纯二氧化碳气充分混合，形成直径30~50微米的二氧化碳气泡，然后流入培养管道进行充分的光合作用后再返回发酵罐。培养过程中，在发酵罐中通入流量为294 L/h的空气，使培养物的混匀，微藻培养物在发酵罐、微纳米曝气机和培养管道中以420 L/h的流速进行循环流动。
3、微纳米曝气供气高效固定二氧化碳 
如图1所示，使用的微纳米曝气机以串联的方式连接在发酵罐与培养管道之间，采用微纳米曝气机将以6 L/h流速的二氧化碳和420 L/h流量的小球藻USTB-01培养物充分混合，形成30~50微米的二氧化碳气泡，在培养管道和发酵罐中循环流动。小球藻USTB-01培养物在发酵罐和培养管道的理论停留时间分别为3.6分钟和0.6分钟。采用微纳米气泡曝气技术，不仅有利于二氧化碳在水中的溶解，而且显著提高了二氧化碳在水中的停留时间，是采用微藻完成二氧化碳高效固定的新技术，在二氧化碳减排和高效培养微藻方面具有非常重要的应用价值。
图2为本发明分别采用鼓泡曝气和微纳米曝气机曝气两种二氧化碳供气方式下小球藻USTB-01的生长曲线。如图所示，采用鼓泡曝气二氧化碳下，培养5天小球藻USTB-01细胞干重从初始的0.3 g/L增长到1.4 g/L，而采用微纳米曝气机对通入的二氧化碳进行曝气，培养5天小球藻USTB-01细胞干重从初始的0.3 g/L增长到2.5 g/L，使培养获得的藻生物量提高了79%(图2)。 
图3为本发明分别采用鼓泡曝气和微纳米曝气机曝气两种二氧化碳供气方式下小球藻USTB-01固定吸收二氧化碳的效率。如图所示，在发酵罐中通入空气量为294 L/h，在进入培养管道前通入纯二氧化碳量为6 L/h。采用传统的鼓泡曝气方式，二氧化碳固定效率最高仅为60%，而采用微纳米曝气机曝气二氧化碳，固定二氧化碳效率高达95%。本发明既减少了二氧化碳排放，又培养获得了大量小球藻USTB-01，在二氧化碳减排和高效培养微藻方面具有重要的应用价值。 
  

Claims (5)

1.一种培养微细藻类的方法，其特征在于：在组合式光生物反应器中进行培养，包括如下步骤：
1.1将培养基加入发酵罐中经80~100 ℃ 1个小时的灭菌，冷却至20~35 ℃后接种小球藻藻种，接种后的培养基与藻种的混合物称为培养物；
1.2 向发酵罐通入空气，培养物从发酵罐中流出，流出的的培养物与通入的二氧化碳在微纳米曝气机内充分混合，形成直径30~50微米的二氧化碳气泡，然后流入培养管道进行充分的光合作用，再返回发酵罐，微藻培养物在微纳米曝气机的作用下在发酵罐、微纳米曝气机和培养管道中实现循环流动。
2. 根据权利要求1所述的一种培养微细藻类的方法，其特征在于：所述步骤1.2中，发酵罐搅拌转速200~500转/分，采用pH探头在线全自动流加1% NaOH或1% HCl溶液控制培养物pH在6.5~7.0之间，并通过循环水控制在温度20~35℃。
3. 根据权利要求1所述的一种培养微细藻类的方法，其特征在于：所述步骤1.2中，通入空气流量在通入空气流量为200-400 L/h。
4. 一种用于权利要求1所述方法组合式光生物反应器，包括发酵罐（1）、培养管道（2）、圆柱形光源（3）、控制pH流加罐（4）、蠕动泵（5）、二氧化碳气体流量计（6）及空气气体流量计（7），所述培养管道（2）紧密盘绕在圆柱形光源（3）上，并与发酵罐（1）以串联的形式连接；控制pH流加罐（4）与发酵罐（1）通过蠕动泵（5）连接以控制pH；空气气体流量计（7）位于储气罐与发酵罐（1）之间，其特征在于：还包括微纳米曝气机（8），二氧化碳气体流量计（6）位于储气瓶与微纳米曝气机（8）之间；微纳米曝气机（8）连接在藻液循环回路上，以串联的方式连接在发酵罐与培养管道之间，发酵罐中流出的培养物与通入的二氧化碳在微纳米曝气机内充分混合，形成直径30~50微米的二氧化碳气泡。
5. 根据权利要求4所述的一种组合式光生物反应器，其特征在于：还包括二氧化碳浓度测定仪（9），所述二氧化碳浓度测定仪与发酵罐连接，检测其中的二氧化碳浓度。
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