專利名稱：一種培養微細藻類的方法及組合式光生物反應器的制作方法
技術領域：
本發明屬于生物技術領域，特別是涉及一種采用微細藻類培養物中的二氧化碳形成微納米氣泡，以達到高效固定二氧化碳和高效培養微藻的方法，并涉及該種方法所用的組合式光生物反應器。
背景技術：
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，對人類的生存和可持續發展構成了嚴重威脅，我國作為二氧化碳排放量最大的國家必然要承擔減排的義務與責任。微藻作為最簡單的光合作用有機體，已經在地球上存活了二十多億年，據報道大氣中90%以上的氧氣由微藻產生，在固定大氣中二氧化碳方面也發揮主要作用。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等優點被逐步得到認識和開發， 在環境保護、保健食品和精細化工等領域越來越得到廣泛的應用。一般認為微藻屬于低等植物，通過吸收大氣中的二氧化碳進行光合作用合成有機物。目前，產業化微藻培養主要有開放的池塘和跑道及封閉的光生物反應器培養等方式。開放的微藻培養池雖然構造簡單運行費用低，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。與產業化開放的培養池和跑道相比，采用封閉的光生物反應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50%左右，同時促進了微藻的生長，使培養物中藻細胞干重濃度提高到1.5 g/L左右。國內外學者在采用培養管道和平板等光生物反應器培養微藻以提高二氧化碳固定和光合作用效率方面進行了大量的研究，雖然取得了一些重要的研究進展，但在通入二氧化碳氣體的方式上均沒有根本改進，因此導致微藻固定二氧化碳效率沒有大幅度提高。在微藻培養過程中，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，但均存在二氧化碳氣泡大(毫米級)、 在水中停留時間短(數秒鐘)和不利于通過微藻吸收固定二氧化碳等缺點，因此如何縮小曝氣二氧化碳氣泡的直徑，提高其在水體中的停留時間，是解決微藻固定二氧化碳效率低的關鍵。隨著科技的發展，開發出了一項微納米氣泡曝氣的新興技術，其特點是將氣液在微納米曝氣機內充分混合，可以形成在水中停留時間長達3飛小時，直徑為3(Γ50微米的氣泡。 采用微納米曝氣機可以形成二氧化碳氣泡微小，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間，是完成二氧化碳高效固定和高效培養微藻的新技術，在二氧化碳減排和高效培養微藻方面具有極其重要的價值。
發明內容
本發明的目的是在微藻培養過程中，采用微納米曝氣機對通入微藻培養池中的二氧化碳進行曝氣，形成直徑3(Γ50微米的二氧化碳氣泡，使其在水中停留時間長達3飛小時，以達到高效固定二氧化碳和高效培養微藻的技術和方法。本發明實驗所用藻種為一株我們自主篩選的具備自養和異養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普通微生物中心，地址北京市朝陽區大屯路， 中國科學院微生物研究所。培養基組成如下(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。此配制的培養基初始pH為6. 5 7. O。本發明一種培養微細藻類的方法，在組合式光生物反應器中進行培養，所述方法包括如下步驟
1、將培養基加入發酵罐中經8(T100。C 1個小時的滅菌，冷卻至2(T35 °C后接種小球
藻藻種，接種后的培養基與藻種的混合物稱為培養物。2、向發酵罐通入空氣，培養物從發酵罐中流出，流出的的培養物與通入的二氧化碳在微納米曝氣機內充分混合，形成直徑3(Γ50微米的二氧化碳氣泡，然后流入培養管道進行充分的光合作用，再返回發酵罐，微藻培養物在微納米曝氣機的作用下在發酵罐、微納米曝氣機和培養管道中實現循環流動。進一步的，所述發酵罐攪拌轉速20(Γ500轉/分，采用ρΗ探頭在線全自動流加1% NaOH或1% HCl溶液控制ρΗ在6. 5 7. 0之間，溫度通過循環水控制在2(T35°C。進一步的，所述通入空氣流量在1. 0-1. 5 m3/h。本發明還提出了一種用于上述方法的組合式光生物反應器的培養裝置，包括發酵罐(1)、培養管道(2)、圓柱形光源(3)、控制PH流加罐(4)、蠕動泵(5)、二氧化碳氣體流量計(6)及空氣氣體流量計(7)，所述培養管道(2)緊密盤繞在圓柱形光源(3)上，并與發酵罐 (1)以串聯的形式連接；控制PH流加罐(4)與發酵罐(1)通過蠕動泵(5)連接以控制ρΗ; 空氣氣體流量計(7)位于儲氣罐與發酵罐(1)之間，其特征在于還包括微納米曝氣機(8)， 二氧化碳氣體流量計(6)位于儲氣瓶與微納米曝氣機(8)之間；微納米曝氣機(8)連接在藻液循環回路上，以串聯的方式連接在發酵罐與培養管道之間，發酵罐中流出的培養物與通入的二氧化碳在微納米曝氣機內充分混合，形成直徑3(Γ50微米的二氧化碳氣泡。進一步的，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酵罐連接，檢測其中的二氧化碳濃度。本發明的原理是采用微納米曝氣機使通入微藻培養光生物反應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氣泡微小可以提高二氧化碳在水體中的停留時間，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，以達到高效減排二氧化碳和高效培養微藻的目的。采用本發明培養體系，在通入29Γ25% 二氧化碳情況下，培養5天時間獲得微藻細胞干重濃度達到 3. 5 g/L以上，可以固定曝氣中509Γ95%的二氧化碳，達到了高效固定二氧化碳和高效培養微藻的目的。本發明的優點在于采用微納米曝氣機將通入微藻培養的二氧化碳形成3(Γ50微米的氣泡，使其在水中停留時間長達3飛小時，以達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氣泡大，氣泡在培養體系中停留時間短，不利于微藻吸收固定二氧化碳等缺點。
圖1為本發明微納米曝氣機和組合式光生物反應器串聯連接的微藻培養裝置示意圖。圖2為本發明分別采用鼓泡曝氣和微納米曝氣機曝氣兩種二氧化碳供氣方式下， 在組合式光生物反應器內培養小球藻USTB-Ol的生長曲線。橫坐標為培養時間天，縱坐標為培養物中的小球藻細胞干重g/L。圖3為通入二氧化碳濃度均為2. 0%下，本發明分別采用鼓泡曝氣和微納米曝氣機曝氣兩種二氧化碳供氣方式下，在組合式光生物反應器培養小球藻USTB-Ol過程中的二氧化碳固定效率。橫坐標為培養時間天，縱坐標為二氧化碳固定效率％。
具體實施例方式1、藻種的選擇和培養基
本發明實驗所用藻種為一株自主篩選的同時具備自養和異養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。此培養基初始pH為6. 5左右。2、培養控制條件
本發明采用微納米曝氣機將通入微藻培管道中的二氧化碳形成微納米氣泡，在發酵罐與培養管道組合的光生物反應器中進行小球藻USTB-Ol的光照自養培養。配制30升培養基經采用蒸汽發生器進行100°C滅菌1個小時，待冷卻至30°C后接種小球藻USTB-Ol開始培養。培養條件是溫度30°C，發酵罐攪拌轉速200轉/分，全自動流加1% NaOH或1% HCl 溶液使培養物PH控制在6. 5。本發明采用微納米曝氣機將發酵罐中流出的培養物與通入的純二氧化碳氣充分混合，形成直徑3(Γ50微米的二氧化碳氣泡，然后流入培養管道進行充分的光合作用后再返回發酵罐。培養過程中，在發酵罐中通入流量為四4 L/h的空氣，使培養物的混勻，微藻培養物在發酵罐、微納米曝氣機和培養管道中以420 L/h的流速進行循環流動。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以串聯的方式連接在發酵罐與培養管道之間，采用微納米曝氣機將以6 L/h流速的二氧化碳和420 L/h流量的小球藻USTB-Ol培養物充分混合，形成3(Γ50微米的二氧化碳氣泡，在培養管道和發酵罐中循環流動。小球藻USTB-Ol培養物在發酵罐和培養管道的理論停留時間分別為3. 6分鐘和0. 6分鐘。采用微納米氣泡曝氣技術，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間， 是采用微藻完成二氧化碳高效固定的新技術，在二氧化碳減排和高效培養微藻方面具有非常重要的應用價值。圖2為本發明分別采用鼓泡曝氣和微納米曝氣機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5天小球藻USTB-Ol 細胞干重從初始的0.3 g/L增長到1.4 g/L，而采用微納米曝氣機對通入的二氧化碳進行曝氣，培養5天小球藻USTB-Ol細胞干重從初始的0.3 g/L增長到2. 5 g/L，使培養獲得的藻生物量提高了 79% (圖2)。 圖3為本發明分別采用鼓泡曝氣和微納米曝氣機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，在發酵罐中通入空氣量為四4 L/h， 在進入培養管道前通入純二氧化碳量為6 L/h。采用傳統的鼓泡曝氣方式，二氧化碳固定效率最高僅為60%，而采用微納米曝氣機曝氣二氧化碳，固定二氧化碳效率高達95%。本發明既減少了二氧化碳排放，又培養獲得了大量小球藻USTB-01，在二氧化碳減排和高效培養微藻方面具有重要的應用價值。
權利要求
1. 一種培養微細藻類的方法，其特征在于在組合式光生物反應器中進行培養，包括如下步驟1.1將培養基加入發酵罐中經8(T100。C 1個小時的滅菌，冷卻至2(Γ35 ！后接種小球藻藻種，接種后的培養基與藻種的混合物稱為培養物；1.2向發酵罐通入空氣，培養物從發酵罐中流出，流出的的培養物與通入的二氧化碳在微納米曝氣機內充分混合，形成直徑3(Γ50微米的二氧化碳氣泡，然后流入培養管道進行充分的光合作用，再返回發酵罐，微藻培養物在微納米曝氣機的作用下在發酵罐、微納米曝氣機和培養管道中實現循環流動。
2.根據權利要求1所述的一種培養微細藻類的方法，其特征在于所述步驟1.2中，發酵罐攪拌轉速20(Γ500轉/分，采用ρΗ探頭在線全自動流加1% NaOH或1% HCl溶液控制培養物PH在6. 5^7. 0之間，并通過循環水控制在溫度2(T35°C。
3.根據權利要求1所述的一種培養微細藻類的方法，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。
4.一種用于權利要求1所述方法組合式光生物反應器，包括發酵罐(1)、培養管道 (2)、圓柱形光源(3)、控制ρΗ流加罐(4)、蠕動泵(5)、二氧化碳氣體流量計(6)及空氣氣體流量計(7)，所述培養管道(2)緊密盤繞在圓柱形光源(3)上，并與發酵罐(1)以串聯的形式連接；控制PH流加罐(4)與發酵罐(1)通過蠕動泵(5)連接以控制ρΗ ；空氣氣體流量計 (7)位于儲氣罐與發酵罐(1)之間，其特征在于還包括微納米曝氣機(8)，二氧化碳氣體流量計(6)位于儲氣瓶與微納米曝氣機(8)之間；微納米曝氣機(8)連接在藻液循環回路上， 以串聯的方式連接在發酵罐與培養管道之間，發酵罐中流出的培養物與通入的二氧化碳在微納米曝氣機內充分混合，形成直徑3(Γ50微米的二氧化碳氣泡。
5.根據權利要求4所述的一種組合式光生物反應器，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將通入微藻培養池中的二氧化碳形成微納米氣泡，以達到高效固定二氧化碳和高效培養微藻的方法，屬于生物技術領域。本發明在微藻培養過程中，采用微納米曝氣機將發酵罐中流出的培養物與通入的二氧化碳充分混合，形成直徑30~50微米的二氧化碳氣泡，然后流入培養管道進行充分的光合作用后再返回發酵罐，使微藻培養物在發酵罐、微納米曝氣機和培養管道中實現循環流動，以達到高效固定二氧化碳和高效培養微藻的技術和方法。本發明同時還公開一種應用于上述方法的組合式光生物反應器。其特征在于采用微納米曝氣機可以形成二氧化碳氣泡微小，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 優先權日2010年5月26日
發明者周楓, 張可毅, 李慧梅, 許倩倩, 賈璇, 閆海 申請人:北京科技大學