专利名称：一种基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微藻培养领域，具体地，本发明涉及一种基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的方法及装置。
背景技术：
微藻能够利用CO2、光、水及营养盐进行光合作用合成有机物质并放出氧气。微藻细胞富含蛋白质、碳水化合物、脂类以及色素等，在食品、饲料、医药、精细化工及染料领域已得到广泛的应用。随着石油等能源的日益枯竭，利用微藻产氢、制油、炼制烯烃的新能源技术引起了人们高度重视。低成本、规模化培养是实现微藻产业化的关键技术。降低微藻生产成本主要有两种途径，一是降低培养原材料成本，另外一种是提高产量。在微藻培养中，营养盐成本占原料成本的比重很大，采取适当的营养盐控制策略，能够在提高营养盐利用率的同时提高细胞或目的产物的产量，有效降低微藻培养成本。目前，微藻培养的工艺还比较粗放，普遍存在单位面积产量低及质量不稳定等问题。部分工厂采用了一 些自动控制设备可以实现pH、温度等常规参数的监测。在微藻培养过程中，营养盐(主要为氮源及磷源)浓度的高低是影响微藻生长及细胞组分的重要因素。培养基中一次性加入过多的营养盐会对微藻的生长产生抑制和毒害作用(Effectsof increased atmospheric CO2 and N supply on photosynthesis, growth and cellcomposition of the cyanobacterium Spirulina platensis (Arthrospira).J.App1.Phycol.，1998，10:461 469 ；Review of nitrogen and phosphorus metabolism inseagrasses.J.Exp.Mar.Biol.Ecol.2000，250: 133 167)，而某些营养盐缺失将限制微藻的生长，同时改变藻的细胞组分，如对于某些微藻氮源或磷源的缺乏会导致藻生长停止，促进藻细胞总月旨(Effect of nitrogen, salt，and iron content in the growthmedium and light intensityon lipid production by microalgae isolated fromfrenshwater sources in Thailand.Bioresource Techno1.,2011,102:3043 3040)或总碳水化合物(Kinetics and energetics of photosynthetic micro-organisms inphotobioreactors.Bioprocess and Algae Reactor Technology，Apoptosis 1998，153 224 ；Nutrient limitation as a strategy for increasing starch accumulation inmicroalgae，Appl.Energ.，2011，88:3331 3335)的累积。因此，在微藻培养过程中，控制培养基中的营养盐水平十分必要。目前，在微藻培养中一般釆用半连续的培养模式，即在培养过程中藻细胞达到一定的浓度后，收获一定量藻细胞，在培养基中添加一定量的营养盐继续培养；或者废弃一部分培养基，釆用新鲜培养基替代废弃的培养基。在现有的培养模式中，营养盐补加主要是靠人工经验调节或者按照事先设定的程序进行操作，不能真实反映培养过程中营养盐浓度的变化；或者离线测定培养基中的营养盐浓度再进行补加，操作繁琐，控制滞后。
由于微藻培养过程的多变性，培养批次之间有所差异，而常用的氮源(硝酸盐、尿素及铵盐)、磷源(磷酸及磷酸氢盐)、镁等难以直接在线监测，难以实时地确切知道培养过程中营养盐浓度的实际变化，所以采用直接反馈控制营养盐的浓度难以实现。
发明内容
本发明的目的在于克服现有微藻培养中营养盐补加具有盲目性、影响生产控制及产量低的缺陷，提供了一种基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的方法，提供一种通过监测培养过程中培养液在某个波长的光密度(optical density, 0D)变化，利用OD反馈控制营养盐的补加，从而简化生产工艺，提高藻生物量或者产物(总脂、蛋白、多糖等)含量的反馈补料培养微藻的方法。本发明的再一目的在于为了克服上述问题，提供了一种基于光密度反馈控制补加
营养盐培养微藻的装置。根据本发明的基于 光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的方法，所述方法中通过公式(I)计算营养盐流加液的添加量，
权利要求
1.一种基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的方法，其特征在于，所述方法中通过公式(I)计算营养盐流加液的添加量，
2.根据权利要求1所述的基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的方法，其特征在于，通过常规培养方法对微藻进行培养，测定藻液生物量浓度与光密度OD值的关系曲线得到光密度OD值的增量与藻细胞增量间的换算系数α，通过测定藻液的生物量浓度与营养盐消耗的关系曲线得到藻细胞增量与营养盐消耗量之间的比例系数β。
3.根据权利要求1或2所述的基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的方法，其特征在于，所述预先设定培养液的光密度OD值的增量为0.1 1.0 ;或者 所述的预先设定光密度OD值的检测时间间隔为I 24小时。
4.根据权利要求1或2所述的基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的方法，其特征在于，所述微藻选自蓝藻门、绿藻门、金藻门和红藻门。
5.根据权利要求4所述的基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的方法，其特征在于，所述微藻选自蓝藻门的螺旋藻、绿藻门的小球藻、栅藻、金藻门的金藻、三角褐指藻、拟微球藻和红藻门的紫球藻；所述微藻培养基为Zarrouk培养基、BG-1I培养基、f/2培养基、Provasoli培养基、BBM培养基； 所述的营养盐流加液中的营养盐包括氮源、磷源、镁源、钾源、铁源和钙源中的一种或者几种。
6.根据权利要求5所述的基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的方法，其特征在于， 所述的氮源包括硝酸盐、铵盐和尿素中的一种或多种； 所述的磷源包括磷酸氢盐和/或磷酸； 所述的镁源包括硫酸镁和/或磷氯化镁； 所述的钾源包括硫酸钾和/或磷氯化钾； 所述的铁源包括硫酸亚铁的EDTA络合物； 所述的钙源包括氯化钙或硫酸钙； 所述的营养盐流加液中的氮源的浓度为0.01 5mol/L，磷源的浓度为0.001 0.5mol/L，镁、钾、铁、钙源的浓度为0.0005 0.lmol/L。
7.一种基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的装置，所述装置包括微藻培养器(5)以及营养盐流加液贮罐(3)，其特征在于，所述装置还包括光密度传感器(I)、控制器(2)和执行机构⑷， 其中，所述光密度传感器(I)与控制器(2)之间通过电缆或者无线联接，将光密度传感器(I)获得的OD测定值传送给控制器(2); 控制器(2)的信号输出口与执行机构(4)的信号输入口通过电缆或者无线联接，营养盐流加液贮罐(3)与执行机构(4)的输入口通过管道连通，执行机构(4)的输出口与微藻培养器(5)输入口通过管道连通； 控制器(2)根据公式(I)计算营养盐流加液的添加量，并根据计算所得的营养盐流加液的添加量向执行机构(4)发出指令，执行机构(4)收到指令后经营养盐流加液贮罐(3)进行营养盐流加液的添加
8.根据权利要求7所述的基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的装置，其特征在于，所述执行机构(4)的输出口与微藻培养器(5)输入口的管道上设有阀门、过滤器及流量计。
9.根据权利要求7所述的基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的装置，其特征在于，所述执行机构(4)为执行控制器(2)的指令、调节并计量营养盐流加量的流体输送装置。
10.根据权利要求9所述的基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的装置，其特征在于，所述流体输送装置为两位、多位或连续调节开度的计量泵或蠕动泵。
11.根据权利要求7所述的基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的装置，其特征在于，所述微藻培养器(5) 包括开放式培养池和密闭式光生物反应器,其中，开放式培养池包括跑道池和圆形浅池；所述密闭式光生物反应器包括管道式光生物反应器、平板式光生物反应器和圆柱型光生物反应器。
全文摘要
本发明涉及微藻培养领域，具体地，本发明涉及一种基于光密度反馈控制补加营养盐培养微藻的方法及装置。所述方法中通过公式(I)计算营养盐流加液的添加量，其中，α(g/L)为光密度OD值的增量与微藻细胞增量间的换算系数，即ΔX＝αΔOD，β(mol/g)为藻细胞增量与营养盐消耗量之间的比例系数，ΔOD为培养液光密度OD值的增量，预先设定培养液的光密度OD值的增量，当培养液的光密度增量达到设定值后，采用公式(I)计算营养盐流加液的添加量，或者，设定检测光密度OD值的时间间隔，检测所述时间间隔内培养液光密度OD值的增量，根据测得的光密度OD值的增量采用公式(I)计算并添加营养盐流加液。本发明能更准确地控制营养盐的添加量。
文档编号C12M1/34GK103103131SQ20111035656
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月11日 优先权日2011年11月11日
发明者丛威, 鲍亦璐, 张东梅, 温树梅, 刘明 申请人:中国科学院过程工程研究所