专利名称：螺旋藻培养中碳源和pH值的调控方法
技术领域：
本发明属于螺旋藻培养的方法，更具体涉及一种螺旋藻培养中利用碳源和PH值的调控方法。
目前，国内外用于螺旋藻培养的光生物反应器有封闭型和开放型两种。封闭型的主要有水平管道式、垂直管道式、袋式、塔式光生物反应器。开放型的主要是循环跑道式培养池。封闭型的培养方法多用于实验室和小型的室外培养实验，所有的螺旋藻工厂均利用循环跑道式培养池养殖螺旋藻。无论是封闭型的培养，还是开放型的培养，欲达到长期连续培养的目的，都面临着一个共同的同题，那就是碳源和PH值的调控同题。在螺旋藻培养过程中，培养液PH值不断升高。主要是因为螺旋藻进行光合作用时从培养液中吸收利用碳源。螺旋藻是一种耐碱性的生物，适宜的碱性对其生长繁殖有利，但PH值太高又会对生长繁殖产生不利影响，甚至导致培养的失败。控制培养液的PH值，是连续培养螺旋藻的一个关键。
培养螺旋藻普遍使用的碳源是NaHCO3，培养螺旋藻，NaHCO3的消耗是原材料成本的主要部分，Zarrouk培养基中，NaHCO3的费用占全部药品费用的60％以上。科学合理地进行碳源调控，对于降低原材料成本有举足轻重的作用。用CO2做碳源与NaHCO3相比，不仅可以有效地补给碳源，而且可以大幅度地降低碳源成本。因此，尽管技术上比较复杂，但国内外也有一些生产厂家大量使用CO2。七、八十年代，螺旋藻产业在国外蓬勃发展的时候，如何向培液中添加CO2曾被当作一个工程技术问题来进行研究，当时研究的重点在于如何提高CO2的添加效率，而不是从碳源代谢的角度来研究在培养过程中如何进行碳源的调控。九十年代以来，国内的螺旋藻产业迅速发展，生产规模已居国际前列。同时，不少关于螺旋藻培养技术的研究论文被报道，有的研究结果申请了专利，在专利申请中涉及到了CO2为碳源，但没有涉及以碳源代谢为基础的碳源和PH值调控方法。经检索中国专利，专利申请号为9311924.3,CN1098246A，发明名称为“螺旋藻生产的新方法及其装置”，该发明首先在接种配料池内配好培养液并接上藻种，打开阀门管道上的阀门，将带藻种的培养液输入主培养池中的培养沟内；待培养液中的藻体密度达到0.05-0.2克/升干藻体时，便可进行采收；采收时，在斜向隔壁缺口处，装上50-300目的过滤网，在斜窄沟内横向装上除渣网，在斜窄沟末端装上50-300目的末端过滤网，末端过滤网与培养沟顺流方向底面成30-60度的夹角。这时，培养液流动受阻，液面自然上升，未成熟的幼藻体仍可经斜向隔壁缺口上的过滤网孔，流回培养沟内。而成熟体大的藻体则被网阻拦，打开排放口上的排放闸，成熟的大藻体通过除渣网除渣后，流出排放口，经过水槽流入清洗槽内，立即打开自来水管，用喷雾状的水滴清洗藻体；将洗净的藻体流入离心机中除去部份水份，再通过压力喷雾干燥机干燥，获得干藻粉；连续采收四天后，经接种配料池，分别按比例剂量将各种营养物质流加入培养池中，用以保证培养液中的藻体能得到充足的养料；当螺旋藻培养液PH值升到11时，需通过二氧化碳通气主管道和倒丁型支管，向培养液中补加二氧化碳，使培养液的PH值保持在9-11的范围，除用二氧化碳代替大部分碳酸盐外，还可用氨态氮代替硝铵态氮。中国专利申请号为93117345.0,CZ1089991A，发明名称为“螺旋藻的封闭式培养方法及装置”发明的主要内容是将藻种培养液置入封闭循环式立式管道培养槽内，鼓风机通过供气管道和培养槽底部的散气再向槽内通入CO2的混合空气，气养原理促使藻液搅动和循环流动；运用测试和控制装置完成培养液供应、二氧化碳气体的混合比、光照和温度调节；然后，通过藻液采收和培养液回收分离采收藻泥和回收培养液；藻泥经清洗及干燥后形成藻粉或被提炼成各种成品，形成一个连续培养，连续采收的工厂化大量生产过程。上述几种专利申请，没有涉及以碳源代谢为基础的碳源和PH值调控方法，没有对使用CO2为碳源的关键技术参数进行描述。例如碳源利用率是多少？也没有对向培养液中补充CO2装置的关键部件进行定量的描述，再如，CO2气体是通过多大孔径的出口通入培养液中？更没有实际使用CO2所达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？上述专利申请中涉及到向培养液中补充CO2使培养液的PH值保持在9.0-11.0范围的内容，其目的主要是为了调节培养液PH值，没有明确指出补加CO2保持培养PH值与碳源控制的关系，更没有描述PH值调控与碳源调控数量上的对应关系。并且，提供的9.0-11.0的PH值调控范围，仅是螺旋藻可以生长的范围，超出了螺旋藻繁殖的最适PH值范围。在实际使用过程中会出现PH值低时碳源浪费，PH值高时沉淀增多的问题。到目前为止螺旋藻培养中碳源和PH值精确调控的问题一直没有得到圆满的解决，国内螺旋藻厂家生产过程中的碳源和PH值调控基本停留在经验型的管理水平上。
本发明的目的是提供了一种螺旋藻培养中碳源和PH值的调控方法，利用微孔塑料管向培养液中添加碳源，解决了精确用量、调控精度高、快速繁殖的问题。
为实现上述任务，本发明的设计思路是在螺旋藻培养液中存在着着三种碳源形式相互转化的动态平衡K1、K2是化学反应平衡常数，当浓度采用mol/L时，K1=4.3×10-7K2=5.6×10-11当反应处于平衡状态时，C02、HCO3-、CO32-三者的浓度(分别用〔CO2〕，〔HCO3-〕，〔CO32-〕表示)满足于下列数量关系
由于螺旋藻培养液中碳源浓度很高，远远高于其它所有营养成分浓度的总和，所以，三种形式碳源形成的缓冲系统决定着培养液的PH值，三种碳源形成相互转化的平衡移动，决定着培养液PH值的变化。
1、利用NaHCO3碳源的情况，通过试验表明，螺旋藻光合作用吸收利用碳源使PH值升高，当碳源利用率(已被利用的碳源占碳源总量的百分比)分别达到14.5％、24.3％、35.7％、40％、46.8％、50.4％时，培养液的PH值分别上升到9.5、10.0、10.3、10.5、11.0、12.0，这种对应关系在一定范围内与碳源的总量无关，与碳源的加入时间无关，也就是说无论一次加入碳源，还是分批加入，在PH值为10.3时，碳源利用率总是35.7％，PH值为10.5时，碳源利用率总是40％。
以上结果说明在螺旋藻培养过程中，碳源代谢和PH值变化是培养液中同一化学过程的两个方面，碳源利用率与PH值变化的本质联系，特别是数量上的对应关系，为碳源和PH值调控提供了依据①以NaHCO3为碳源，有多少碳源能被吸收利用，是由培养系统的特性所决定的，在一定的PH值条件下，不能通过碳源添加方式(时间和数量)加以改变；②通过向培养液中添加NaHCO3，将PH值控制在某一数值(范围)，只要这一PH值(范围)在生产工艺所要求的最适范围内，所添加的NaHCO3也正好是实际需要的碳源的量，不多也不少。
2、利用CO2为碳源的情况，通过试验表明，利用CO2为碳源培养螺旋藻，螺旋藻光合作用吸收利用碳源，培养液PH值升高，向培养液中添加CO2PH值降低，利用CO2将培养液PH值控制在某一数值(范围)，添加的CO2(指培养液吸收的CO2，而不是供给的CO2总量)正好等于被螺旋藻吸收利用的CO2的量，碳源利用率不与PH值对应，无论PH值是多少，只要保持稳定，碳源利用率都是100％。
以上结果为利用CO2调控碳源提供了依据只要控制PH值不变，培养液中的碳源总量就不增加也不减少，添加的CO2的量正是所需要的CO2的量。
为了达到精确定量地调控碳源和PH值的目的，确定培养过程中控制PH值的范围，PH值10.0-10.3，这是螺旋藻的最适PH值范围；定期监测培养液PH值，每天一次或两次，当PH值接近或达到10.3时，向培养液中添加NaHCO3或CO2，将PH值降低。在培养过程中，如此反复操作，将PH值控制在10.0-10.3的范围内，同时实现了对碳源和PH值的调控。在以NaHCO3为碳源的情况下，可以直接将NaHCO3加入培养池；或先将NaHCO3用水溶解，形成溶液，然后将NaHCO3溶液加入培养液。在以CO2为碳源的情况下，利用管壁上带有40-50μ直径微孔管道向培养液中添加CO2，CO2通过管壁上的微孔在培养液中形成气泡，气泡在上升过程中，CO2被培养液吸收，为了提高培养液吸收CO2的效率，充气的塑料微孔管道被贴近池底放置。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果1、精确定量，实现了碳源的定量调控，所添加的碳源几乎等于所需要的碳源的置，既满足了螺旋藻生长繁殖对碳源的需要，又不会因过量添加碳源而造成浪费；2、经济高效，利用NaHCO3调控碳源和PH值，碳源利用率35％，利用CO2调控碳源和PH值，碳源利用率72％；3、简便易行只要监测一个技术参数--PH值，就可以同时对碳源和PH值进行调控，所需仪器设备简单，任何螺旋藻生产厂家都可能具备；4、PH值调控精度高，PH值被调控在螺旋藻的最适范围内(PH10.0-10.3)，而不仅仅是螺旋藻可以生长的范围。精确的PH值调控更有利于螺旋藻的快速生长繁殖，避免了PH值较低(≤9.6)时培养液向空气中释放CO2而造成碳源的浪费，避免了PH值较高时培养中沉淀的生成，减少了因生成沉淀而造成的营养成分的浪费，同时，因减少了沉淀而提高了产品质量。适用于螺旋藻的工厂化生产，具有显著的经济效益。
实施例1测得螺旋藻培养液的PH值达到或接近10.30，取NaHCO3，直接加入培养液中，将PH值降低到或接近10.0，所需NaHCO3的量由培养液的总量和培养液中碳源的浓度决定，对于一定体积的培养液，培养液的初始碳源浓度越大，将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。随着培养过程的进行，PH值上升又接近10.3，再取NaHCO3加入培养液中，将PH值降到10.0，在整个培养过程中，如此反复多次，将PH值控制在10.0-10.3，同时实现了PH值和碳源的调控。
实施例2测得螺旋藻培养液的PH值达到或接近10.3，利用塑料微孔管将CO2通入培养液中。塑料微孔管置于培养池底部，利用置于培养池底部的塑料微孔管向培养液中添加CO2，塑料微孔管壁上有40-50μ微孔，将PH值降低或接近10.0，所需的CO2的量由培养液的总量和培养液中碳源的浓度决定，对于一定体积的培养液，培养液的初始碳源浓度越大，将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。随着培养过程的进行，PH上升又接近10.3，再利用塑料微孔管向培养液中通入CO2，将PH值降到10.0，在整个培养过程中，反复多次，将PH值控制在10.0-10.3，同时实现了PH值和碳源的调控。
权利要求
1.一种螺旋藻培养中碳源和PH值的调控方法，其特征是测得螺旋藻培养的PH值达到10.3，向培养液中添加NaHCO3或CO2，将PH值控制在10.0-10.3，同时实现对碳源和PH值的调控。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋藻培养中碳源和PH值的调控方法，其特征是以NaHCO3为碳源，将NaHCO3用水溶解，形成溶液，再将NaHCO3溶液加入培养液。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋藻培养中碳源和PH值的调控方法，其特征是以CO2为碳源，将塑料微孔管置于培养池底部，利用置于培养池底部的塑料微孔管向培养液中添加CO2。
4.根据权利要求3所述的一种螺旋藻培养中碳源和PH值的调控方法，其特征是塑料微孔管壁上有40-50μ微孔。
全文摘要
本发明公开了一种螺旋藻培养中碳源和pH值的调控方法,其特征是测得螺旋藻培养的pH值达到10.3,向培养液中添加NaHCO
文档编号C12N1/12GK1218831SQ98113618
公开日1999年6月9日 申请日期1998年7月2日 优先权日1998年7月2日
发明者李夜光, 胡鸿钧, 李中奎 申请人:中国科学院武汉植物研究所