專利名稱：螺旋藻培養中碳源和pH值的調控方法
技術領域：
本發明屬于螺旋藻培養的方法，更具體涉及一種螺旋藻培養中利用碳源和PH值的調控方法。
目前，國內外用于螺旋藻培養的光生物反應器有封閉型和開放型兩種。封閉型的主要有水平管道式、垂直管道式、袋式、塔式光生物反應器。開放型的主要是循環跑道式培養池。封閉型的培養方法多用于實驗室和小型的室外培養實驗，所有的螺旋藻工廠均利用循環跑道式培養池養殖螺旋藻。無論是封閉型的培養，還是開放型的培養，欲達到長期連續培養的目的，都面臨著一個共同的同題，那就是碳源和PH值的調控同題。在螺旋藻培養過程中，培養液PH值不斷升高。主要是因為螺旋藻進行光合作用時從培養液中吸收利用碳源。螺旋藻是一種耐堿性的生物，適宜的堿性對其生長繁殖有利，但PH值太高又會對生長繁殖產生不利影響，甚至導致培養的失敗。控制培養液的PH值，是連續培養螺旋藻的一個關鍵。
培養螺旋藻普遍使用的碳源是NaHCO3，培養螺旋藻，NaHCO3的消耗是原材料成本的主要部分，Zarrouk培養基中，NaHCO3的費用占全部藥品費用的60％以上。科學合理地進行碳源調控，對于降低原材料成本有舉足輕重的作用。用CO2做碳源與NaHCO3相比，不僅可以有效地補給碳源，而且可以大幅度地降低碳源成本。因此，盡管技術上比較復雜，但國內外也有一些生產廠家大量使用CO2。七、八十年代，螺旋藻產業在國外蓬勃發展的時候，如何向培液中添加CO2曾被當作一個工程技術問題來進行研究，當時研究的重點在于如何提高CO2的添加效率，而不是從碳源代謝的角度來研究在培養過程中如何進行碳源的調控。九十年代以來，國內的螺旋藻產業迅速發展，生產規模已居國際前列。同時，不少關于螺旋藻培養技術的研究論文被報道，有的研究結果申請了專利，在專利申請中涉及到了CO2為碳源，但沒有涉及以碳源代謝為基礎的碳源和PH值調控方法。經檢索中國專利，專利申請號為9311924.3,CN1098246A，發明名稱為“螺旋藻生產的新方法及其裝置”，該發明首先在接種配料池內配好培養液并接上藻種，打開閥門管道上的閥門，將帶藻種的培養液輸入主培養池中的培養溝內；待培養液中的藻體密度達到0.05-0.2克/升干藻體時，便可進行采收；采收時，在斜向隔壁缺口處，裝上50-300目的過濾網，在斜窄溝內橫向裝上除渣網，在斜窄溝末端裝上50-300目的末端過濾網，末端過濾網與培養溝順流方向底面成30-60度的夾角。這時，培養液流動受阻，液面自然上升，未成熟的幼藻體仍可經斜向隔壁缺口上的過濾網孔，流回培養溝內。而成熟體大的藻體則被網阻攔，打開排放口上的排放閘，成熟的大藻體通過除渣網除渣后，流出排放口，經過水槽流入清洗槽內，立即打開自來水管，用噴霧狀的水滴清洗藻體；將洗凈的藻體流入離心機中除去部份水份，再通過壓力噴霧干燥機干燥，獲得干藻粉；連續采收四天后，經接種配料池，分別按比例劑量將各種營養物質流加入培養池中，用以保證培養液中的藻體能得到充足的養料；當螺旋藻培養液PH值升到11時，需通過二氧化碳通氣主管道和倒丁型支管，向培養液中補加二氧化碳，使培養液的PH值保持在9-11的范圍，除用二氧化碳代替大部分碳酸鹽外，還可用氨態氮代替硝銨態氮。中國專利申請號為93117345.0,CZ1089991A，發明名稱為“螺旋藻的封閉式培養方法及裝置”發明的主要內容是將藻種培養液置入封閉循環式立式管道培養槽內，鼓風機通過供氣管道和培養槽底部的散氣再向槽內通入CO2的混合空氣，氣養原理促使藻液攪動和循環流動；運用測試和控制裝置完成培養液供應、二氧化碳氣體的混合比、光照和溫度調節；然后，通過藻液采收和培養液回收分離采收藻泥和回收培養液；藻泥經清洗及干燥后形成藻粉或被提煉成各種成品，形成一個連續培養，連續采收的工廠化大量生產過程。上述幾種專利申請，沒有涉及以碳源代謝為基礎的碳源和PH值調控方法，沒有對使用CO2為碳源的關鍵技術參數進行描述。例如碳源利用率是多少？也沒有對向培養液中補充CO2裝置的關鍵部件進行定量的描述，再如，CO2氣體是通過多大孔徑的出口通入培養液中？更沒有實際使用CO2所達到的效果的定量描述，例如，所提供的CO2有多少被螺旋藻吸收利用？上述專利申請中涉及到向培養液中補充CO2使培養液的PH值保持在9.0-11.0范圍的內容，其目的主要是為了調節培養液PH值，沒有明確指出補加CO2保持培養PH值與碳源控制的關系，更沒有描述PH值調控與碳源調控數量上的對應關系。并且，提供的9.0-11.0的PH值調控范圍，僅是螺旋藻可以生長的范圍，超出了螺旋藻繁殖的最適PH值范圍。在實際使用過程中會出現PH值低時碳源浪費，PH值高時沉淀增多的問題。到目前為止螺旋藻培養中碳源和PH值精確調控的問題一直沒有得到圓滿的解決，國內螺旋藻廠家生產過程中的碳源和PH值調控基本停留在經驗型的管理水平上。
本發明的目的是提供了一種螺旋藻培養中碳源和PH值的調控方法，利用微孔塑料管向培養液中添加碳源，解決了精確用量、調控精度高、快速繁殖的問題。
為實現上述任務，本發明的設計思路是在螺旋藻培養液中存在著著三種碳源形式相互轉化的動態平衡K1、K2是化學反應平衡常數，當濃度采用mol/L時，K1=4.3×10-7K2=5.6×10-11當反應處于平衡狀態時，C02、HCO3-、CO32-三者的濃度(分別用〔CO2〕，〔HCO3-〕，〔CO32-〕表示)滿足于下列數量關系
由于螺旋藻培養液中碳源濃度很高，遠遠高于其它所有營養成分濃度的總和，所以，三種形式碳源形成的緩沖系統決定著培養液的PH值，三種碳源形成相互轉化的平衡移動，決定著培養液PH值的變化。
1、利用NaHCO3碳源的情況，通過試驗表明，螺旋藻光合作用吸收利用碳源使PH值升高，當碳源利用率(已被利用的碳源占碳源總量的百分比)分別達到14.5％、24.3％、35.7％、40％、46.8％、50.4％時，培養液的PH值分別上升到9.5、10.0、10.3、10.5、11.0、12.0，這種對應關系在一定范圍內與碳源的總量無關，與碳源的加入時間無關，也就是說無論一次加入碳源，還是分批加入，在PH值為10.3時，碳源利用率總是35.7％，PH值為10.5時，碳源利用率總是40％。
以上結果說明在螺旋藻培養過程中，碳源代謝和PH值變化是培養液中同一化學過程的兩個方面，碳源利用率與PH值變化的本質聯系，特別是數量上的對應關系，為碳源和PH值調控提供了依據①以NaHCO3為碳源，有多少碳源能被吸收利用，是由培養系統的特性所決定的，在一定的PH值條件下，不能通過碳源添加方式(時間和數量)加以改變；②通過向培養液中添加NaHCO3，將PH值控制在某一數值(范圍)，只要這一PH值(范圍)在生產工藝所要求的最適范圍內，所添加的NaHCO3也正好是實際需要的碳源的量，不多也不少。
2、利用CO2為碳源的情況，通過試驗表明，利用CO2為碳源培養螺旋藻，螺旋藻光合作用吸收利用碳源，培養液PH值升高，向培養液中添加CO2PH值降低，利用CO2將培養液PH值控制在某一數值(范圍)，添加的CO2(指培養液吸收的CO2，而不是供給的CO2總量)正好等于被螺旋藻吸收利用的CO2的量，碳源利用率不與PH值對應，無論PH值是多少，只要保持穩定，碳源利用率都是100％。
以上結果為利用CO2調控碳源提供了依據只要控制PH值不變，培養液中的碳源總量就不增加也不減少，添加的CO2的量正是所需要的CO2的量。
為了達到精確定量地調控碳源和PH值的目的，確定培養過程中控制PH值的范圍，PH值10.0-10.3，這是螺旋藻的最適PH值范圍；定期監測培養液PH值，每天一次或兩次，當PH值接近或達到10.3時，向培養液中添加NaHCO3或CO2，將PH值降低。在培養過程中，如此反復操作，將PH值控制在10.0-10.3的范圍內，同時實現了對碳源和PH值的調控。在以NaHCO3為碳源的情況下，可以直接將NaHCO3加入培養池；或先將NaHCO3用水溶解，形成溶液，然后將NaHCO3溶液加入培養液。在以CO2為碳源的情況下，利用管壁上帶有40-50μ直徑微孔管道向培養液中添加CO2，CO2通過管壁上的微孔在培養液中形成氣泡，氣泡在上升過程中，CO2被培養液吸收，為了提高培養液吸收CO2的效率，充氣的塑料微孔管道被貼近池底放置。
本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果1、精確定量，實現了碳源的定量調控，所添加的碳源幾乎等于所需要的碳源的置，既滿足了螺旋藻生長繁殖對碳源的需要，又不會因過量添加碳源而造成浪費；2、經濟高效，利用NaHCO3調控碳源和PH值，碳源利用率35％，利用CO2調控碳源和PH值，碳源利用率72％；3、簡便易行只要監測一個技術參數--PH值，就可以同時對碳源和PH值進行調控，所需儀器設備簡單，任何螺旋藻生產廠家都可能具備；4、PH值調控精度高，PH值被調控在螺旋藻的最適范圍內(PH10.0-10.3)，而不僅僅是螺旋藻可以生長的范圍。精確的PH值調控更有利于螺旋藻的快速生長繁殖，避免了PH值較低(≤9.6)時培養液向空氣中釋放CO2而造成碳源的浪費，避免了PH值較高時培養中沉淀的生成，減少了因生成沉淀而造成的營養成分的浪費，同時，因減少了沉淀而提高了產品質量。適用于螺旋藻的工廠化生產，具有顯著的經濟效益。
實施例1測得螺旋藻培養液的PH值達到或接近10.30，取NaHCO3，直接加入培養液中，將PH值降低到或接近10.0，所需NaHCO3的量由培養液的總量和培養液中碳源的濃度決定，對于一定體積的培養液，培養液的初始碳源濃度越大，將PH值由10.3降到10.0所需要加入的NaHCO3越多，反之，需要的NaHCO3越少。隨著培養過程的進行，PH值上升又接近10.3，再取NaHCO3加入培養液中，將PH值降到10.0，在整個培養過程中，如此反復多次，將PH值控制在10.0-10.3，同時實現了PH值和碳源的調控。
實施例2測得螺旋藻培養液的PH值達到或接近10.3，利用塑料微孔管將CO2通入培養液中。塑料微孔管置于培養池底部，利用置于培養池底部的塑料微孔管向培養液中添加CO2，塑料微孔管壁上有40-50μ微孔，將PH值降低或接近10.0，所需的CO2的量由培養液的總量和培養液中碳源的濃度決定，對于一定體積的培養液，培養液的初始碳源濃度越大，將PH值由10.30降到10.0所需要加入的CO2越多，反之，需要的CO2越少。隨著培養過程的進行，PH上升又接近10.3，再利用塑料微孔管向培養液中通入CO2，將PH值降到10.0，在整個培養過程中，反復多次，將PH值控制在10.0-10.3，同時實現了PH值和碳源的調控。
權利要求
1.一種螺旋藻培養中碳源和PH值的調控方法，其特征是測得螺旋藻培養的PH值達到10.3，向培養液中添加NaHCO3或CO2，將PH值控制在10.0-10.3，同時實現對碳源和PH值的調控。
2.根據權利要求1所述的一種螺旋藻培養中碳源和PH值的調控方法，其特征是以NaHCO3為碳源，將NaHCO3用水溶解，形成溶液，再將NaHCO3溶液加入培養液。
3.根據權利要求1所述的一種螺旋藻培養中碳源和PH值的調控方法，其特征是以CO2為碳源，將塑料微孔管置于培養池底部，利用置于培養池底部的塑料微孔管向培養液中添加CO2。
4.根據權利要求3所述的一種螺旋藻培養中碳源和PH值的調控方法，其特征是塑料微孔管壁上有40-50μ微孔。
全文摘要
本發明公開了一種螺旋藻培養中碳源和pH值的調控方法,其特征是測得螺旋藻培養的pH值達到10.3,向培養液中添加NaHCO
文檔編號C12N1/12GK1218831SQ98113618
公開日1999年6月9日 申請日期1998年7月2日 優先權日1998年7月2日
發明者李夜光, 胡鴻鈞, 李中奎 申請人:中國科學院武漢植物研究所