微藻能效优化的培养系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及的是一种微生物培养领域的技术，具体是一种微藻能效优化的培养系 统及方法，有利于降低微藻生物能源技术的应用成本。
【背景技术】
[0002] 目前由于化石燃料过度开采和燃烧而导致的全球气候变暖已受到各界广泛的关 注。生物质能的开发和应用是解决运一问题的重要手段。在生物质能的领域里，微藻的综 合开发利用又是最有前景的发展方向之一。微藻类具有高光合效率，油脂含量高和相对于 其他能源作物更高的生长速度，生长周期短，生产占用±地面积少等特点，是生产生物柴油 的理想选择。
[0003] 微藻生物能源具有巨大的开发潜力及应用前景，但仍面临很多产业化瓶颈。
[0004] 如何提高微藻生长效率、降低能耗，降低应用成本，仍是面临的艰巨任务，而在微 藻的人工培养中，提高微藻的能效利用水平是降低生产成本的重要方向。
[0005] 在传统的培养体系中，人们往往只关注最终产率的增加，而忽略了光源能耗随之 而产生的变化，例如人们通过增加光照的强度，寻找最适光强，从而增加微藻的生物质产 量（参见Suz曰naW曰hidinet曰1，Theinfluenceoflightintensity曰ndphotoperiod onthegrowthandlipidcontentofmicroalgaeNannochloropsissp.Bioresource Technology,2013,129)。传统研究中人们还会通过，在保持不同颜色光，在光照强度一致 的条件下，光源颜色的变化，W求提升生物质产量，但是忽略了不同光源的能耗差异，（参 见DaeGeunKimetal，Manipulationoflightwavelengthatappropriategrowth st曰getoenh曰neebiom曰ssproductivity曰ndf曰tty曰cidmethylesteryieldusing Chlorell曰vulg曰ris，BioresourceTechnology，2014,159)。
[0006] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN204162697U公开（公告）日 2015. 02. 18,公开了一种微藻的同步化培养装置，其特征在于包含一个简易C〇2通气装置和 一个可控光周期培养架。C〇2通过食品级明抓、小苏打和水反应来制备，利用空气累抽吸， 经过空气过滤器净化后通入液体培养基中。普通日光灯固定后安上控时开关即成为光周期 可控光照装置。但该技术的缺陷和不足在于：1、无法方便快捷的改变光照强度，往往使用 的是增加或减少光源个数的方式，此方式，费事费力，还不精确；2、该技术中使用的是普通 日光灯管，明暗无法调节，无法在不改变灯管个数，保持培养基与灯组相对位置不变的条件 下，实现光照强度的调节，但在寻找最佳能效方案的研究中，运两个前提条件是必须要满足 的；3、该技术无法根据需要记录和调节光源的能耗水平，运同样是在能效研究中所必须的； 4、该技术无法让空气累累出的气体流速被相对精确稳定的调节，无法解决气体流速的控制 问题；5、该技术无法跟据需要更换不同颜色的灯管，无法实现保持不同颜色光光强相同时， 所消耗的能量差异的比较，因为在该技术中，调节光强是通过改变相对位置，改变灯管个数 实现的，从而使运两个因素导致的微藻能量吸收上的差异无法被排除。
[0007] 中国专利文献号CN103966086,公开（公告）日2014. 08. 06,公开了一种可调控光 强可调光色的内外置分级调控光源系统，其特征在于根据反应罐内微藻细胞浓度的变化动 态调整光照强度和光谱范围，但该技术无法排除由于灯管位置的改变而对微藻光源能量利 用的影响。
[0008] W上现有技术都无法实现光强和光周期协同控制，对能源利用率较低，难W满足 微藻量产的工业需求。
【发明内容】
[0009] 本发明针对现有技术中存在的次优光强的作用被忽略的问题，提出一种微藻能效 优化的培养系统及方法，通过明暗可调的新型L邸光源、用电监测器和微藻培养设备等联 合使用，解决了一般培养体系无法实现光源能量的定量调节和监测的问题，实现了在不同 条件下的能效比较，是并利用运一系统发现在次优的光照强度下，相比于同等条件下的最 适光强，微藻往往有更高的光源能量利用效率和油脂产量。
[0010] 本发明是通过W下技术方案实现的：
[0011] 本发明设及一种微藻能效优化的培养系统，包括：培养箱和分别与之相连的空气 输送部分和电子监控部分，其中：空气输送部分向培养箱中提供分流空气，电子监控部分与 培养箱的顶部相连并输出控制电平，实现按需光源调节。
[0012] 所述的培养箱包括：箱体和设置于其内部的光源、培养机构W及传感机构，其中： 光源与电子监控部分相连，传感机构与箱体相连并输出培养箱内的光强信息和溫度信息， 培养机构与空气输送部分相连。
[0013] 所述的传感机构包括但不限于溫度计、光强计等。
[0014] 所述的光源包括但不限于能够输出不同颜色波长的L邸灯组等，在不同的实验条 件下，灯组中L邸灯管数目都为7支，灯管数目可做修改，但必须保持在不同条件下是一致 的。
[0015] 所述的培养机构包括但不限于培养皿、锥形瓶等，该培养机构内含有培养液或培 养基，W及所述微藻。
[0016] 所述的空气输送部分包括：依次连接的空气累、气流调节阀、气体流量计和气流分 流器，其中：气流分流器的多个输出端分别与不同的培养箱相连，
[0017] 所述的输出端与培养箱之间设有用于过滤除菌的微孔滤膜，当通过空气累累入空 气时，通过橡皮管将气体通过气流调节阀、气体流量计、气流调节阀、气体分流器和微孔滤 膜，最终通入锥形瓶中的培养基中，其中两次使用调节阀调节流速，流速的分级调控，使得 气流更加稳定准确，气体流量计测定空气流速，气体分流器分配气流。
[0018] 所述的电子监控部分包括：依次连接的电源、定时器、调光器和用电监测器，其中： 用电监测器的输出端与培养箱上的光源相连。
[0019] 通过L邸灯组的更换，调光器的调节W及定时器的不同设置，分别改变光的颜色、 光源的能耗水平（光强也同时发生改变）W及单日的光照时间，同时通过用电监测器监测 用电水平。
[0020] 本发明设及上述系统的微藻能效优化的培养方法，包括W下步骤：
[0021] 1)将生长至对数期的微藻接种于含有培养基或培养液的锥形瓶中，然后将接种微 藻的该锥形瓶固定于光源下，置于用布料覆盖的避免透光的箱体内；
[0022] 2)将光强计设置于箱体内与光源平行的平面上，然后将所测光强最大位置作为锥 形瓶放置的位置，从而确保了光源与培养基相对位置的一致性；
[0023] 3)通过定时器设置单日光照时间，通过调光器调节光源的亮度，调整判断用电是 否达到预定能耗水平，到达所需位置后停止调节，用光强计记录此时的光强；
[0024] 4)测定在当前环境下微藻的培养和生长数据，制成微藻生长曲线，并根据微藻生 长曲线分析单位体积的油脂产量和能效利用水平，从而实现优化生产。
[00巧]所述的培养和生长数据是指：将微藻的第十天的0D值，通过0D值与细胞干重的 换算的标准曲线，得出单位体积的生物质产量，用10天的光源能耗数据与十天内的生物质 产量增加值相除，得出微藻的相对能效利用水平，根据10天内ODew值变化制成微藻生长曲 线。
[0026] 所述的油脂产量，通过W下方式检测得到：
[0027] i)将培养中的含有微藻的培养液离屯、冷冻后称重，得微藻细胞干重；
[002引 U)取Ig步骤U中得到的藻细胞或藻粉，加入5mL去离子水，超声粉碎机研磨 5min，加入3血氯仿/甲醇（2:1)溶液混匀，室溫下揽拌20min，然后8000巧m离屯、lOmin， 取下层有机相，重复上述实验2次，合并所有有机相于已称量的试管中，置于70°C水浴上挥 发干溶剂，然后在干燥箱中低溫烘干，将称重结果扣除试管净重即为油脂含量。 技术效果
[0029] 与现有技术相比，本发明实现了从光照强度和光照时间的协同调控的研究角度， 优化和提升微藻对光源能量的利用效率，解决了气流的稳定性，锥形瓶与光源位置的相对 固定、不同颜色光源能效比较等一系列问题，发现了次优光强下，微藻有更高的能量利用效 率，达到了在微藻光源能耗不变的基础上，提升生长速率和油脂含量，对生物柴油的应用， 具有明显的价值。
[0030] 本发明技术效果进一步包括：
[0031] 1)在微藻通气培养子系统中，前后使用了两个气流调节阀，实现了气体流速的分 级调控，使得气流调节更加精确，气体流速更加稳定。
[0032] 2)可W只需调节电子调节器，即进行光强的调节，传统方法往往是通过调节灯管