一种微生物薄层水体培养系统的制作方法

专利名称：一种微生物薄层水体培养系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及微生物培养领域，更具体的，本发明涉及微生物薄层水体培养系统和方法。
背景技术：
随着化石能源日益枯竭，越来越多的国家开始重视可再生能源的研究与发展。但是生物质能源的发展也同样受到客观条件的制约，难以满足大规模替代化石燃料的规模和成本要求。因此，迫切需要开发不占用可耕地、淡水、化肥资源的新型生物能源技术，为可再生能源产业发展提供具备现实可行性的手段，切实有效减少二氧化碳排放，促进传统工业体系向基于可再生能源的绿色工业体系转化。利用微生物来生产能源是能源产业中的一个发展方向。而对生物燃料生物源，例如藻类的培养系统和方法的关注也与日俱增。藻类储存丰富的油脂，因此被视为有潜力的生物原料，可用来转化成燃料。微藻的用途广泛，可应用的领域很多如医药工业、食品工业、动物饲料、环境检测\净化、生物技术、可再生能源的制造等。微藻可以吸收二氧化碳通过光合作用制造维生素类、氨基酸、色素类、蛋白质、多糖类、脂肪酸等有用成分，作为养殖用的饲料等被培养。在其进行光合作用的过程中对温室气体二氧化碳的吸收，无形中放慢了全球气候变暖的脚步。为了有效的得到藻类等微生物所带来的价值，近年来，对于培养藻类等微生物的培养体系、培养方法、培养装置的研究逐渐成为热点。工业化生产培养藻类主要有两种方式包括:开放式培养和密闭式培养两种方式。现有的藻类开放式培养系统主要有圆形培养池及跑道式培养池两种，这些方式都存在如下缺陷:(I)使用成本高，造成这个后果的根源无疑是对水体的大量需求，从而导致运输、装置等成本的提高。(2)对于圆形培养池来说，其具有搅拌不均匀、搅拌耗能高、气体混合不易以及土地利用率低等。在现有技术中 ，为达到为藻类等微生物细胞提供营养物质、调控培养体系的环境参数、提供生存空间、更有效的吸收光照等目的，大量水体的存在是不可避免的。而大量水体是导致上述缺陷的直接原因，因此，迫切需要一种能只需要很少的水体就能实现有效培养藻类等微生物的培养体系。另外，在现有的微生物培养领域中，传统的微生物培养装置仅仅是为所述的微生物培养提供养料和生长条件的装置，而这种装置的缺陷是通常只能为一种微生物提供养料和生长条件，此外，无法根据外部环境的变化，实时改变所述微生物的生长条件，如营养成分调整，光照调整，温度调整等，这样的装置局限性很明显，大大阻碍了微生物培养的效果。

发明内容
为了克服现有技术中的上述缺点，本发明提供了一种两相微生物培养系统，即在培养系统中采用固相部分为微生物提供生长空间，另外提供了液相为微生物提供或补充水分和养料，其中液相是小的水体，能够达到有效为微生物提供或补充水分和养料的目的。本发明提供了一种培养系统，包括微生物生长系统、承载装置、支撑装置、营养供应循环装置、条件控制装置和采收装置，其特征在于:所述微生物生长系统为液相-固相的两相系统，微生物基本上在所述生长系统的固相中生长，液相用于向固相提供或补充水分和/或营养物质，其中液相的体积是小水体，在本发明的一个方面，液相和固相体积比小于10:1,优选小于3:1,最优选小于1:1;承载装置，用以承载所述的微生物生长系统；所述支撑装置用以支撑所述的承载装置，通过连接装置与所述的承载装置连接；营养供应循环装置包括供水装置和回水装置，用以形成循环管道用来为所述培养面提供水分和营养物质，用来实现所述微生物的生长与代谢；条件控制装置与所述支撑装置连接，可以通过所述连接装置调节所述承载装置的光朝向。本发明的培养系统还任选地包括采收装置，用以采收微生物或其产物。根据本发明的一个优选实施例，其中所述连接装置为卡槽装置、固定环装置或嵌入式连接装置，所述连接装置是可拆卸的。根据本发明的一个优选实施例，其中所述的支撑装置是可旋转、可平移或可固定的装置。根据本发明的一个优选实施例，其中所述营养供应循环装置还包括流量表和控制阀，所述流量表用于显示营养供应循环装置中的液体流量，控制阀用于控制营养供应循环装置中的液体流量。根据本发明的一个优 选实施例，其中所述条件控制装置还包括温度控制装置、光照控制装置或蒸发控制装置，上述装置通过连接装置与所述承载装置连接，通过承载装置的光朝向的调节，实现所述微生物生长系统的培养温度，光照强度或蒸发程度的调节。本发明提供的系统可以用于培养微生物。微生物包括光养型生物体。光养型生物体是利用光合作用的生物体，包括真核植物、藻类、原生生物，以及原核生物的蓝细菌、绿色硫细菌、紫色硫细菌等。微生物还可以是异养生物体，例如真菌类、细菌等。在本发明中，微生物基本上在两相培养系统的固相中生长。所述“基本上”是指微生物通过吸附等化学、物理作用吸附或被限定在固相内部或其表面繁殖和生长，但不排除有少数微生物脱离固相系统进入到液相中。在本发明的液相-固相的两相微生物生长系统中，固相(例如固体多孔性材料)内部保持液体(培养液/水分)的饱和状态。固相的体积是指该两相系统中处于液体饱和状态下固相的外部体积。所述液相的体积是指该两相系统中固相外的液体的体积，即不包括固相内的液体的体积。在本发明的一个方面，微生物是藻类，包括但不限于下述中的菌种:原核生物的蓝藻门；原生生物的硅藻门、甲藻门、金藻门、黄藻门、隐藻门、裸藻门；以及属于植物界的红藻门、褐藻门、绿藻门和轮藻门等。这些藻类可以是生活在淡水的或海水的。在本发明的其中一个方面，微生物是蓝藻、小球藻、娃藻、绿藻、葡萄藻、栅藻、集胞藻、隐球藻、念珠藻、聚球藻、球藻、双歧藻、鞭枝藻、螺旋藻、马尾藻、微囊藻，鱼腥藻、项圈藻、颤藻、束丝藻、小定鞭藻等，最优选为蓝藻、小球藻、硅藻、绿藻、葡萄藻、栅藻。在本发明的某些方面，微生物可以经过基因工程修饰。基因工程修饰，或称为基因改造，或基因重组，是指对微生物的基因组进行改变，令其因异源核酸(如重组DNA构建体)的存在而发生改变。修饰后的微生物体内的基因或蛋白发生变化，会增加、减少或改变有关蛋白、脂类、核酸、糖类等的产生，获得需要的结果和产物。例如，可以对异养生物体进行基因工程使其变成可利用光进行自养的微生物，或是通过引入相关代谢途径令不生产乙醇的藻类等微生物产生乙醇。
微生物的产物可以是微生物的细胞体本身，也称为生物量，其提供蛋白、脂类、核酸、糖类等，可以用于工业或营养物质生产，或者用于畜牧或海产养殖。另外，微生物的产物还包括各种微生物细胞产生的化学物质，包括其合成的代谢物、代谢中间体，或经过基因改造而生产的商业产品，例如醇类、烃类、糖类、脂肪类等。本发明用于培养微生物需要的水分和营养物质可以培养液形式提供。培养液是指用于培养被包含在微生物培养系统内的生物体的组合物，典型地包括:例如，在藻类和/或其他捕获光的生物体的情况下，是水或盐溶液(例如，海水或盐味水)以及用于促使这类生物体生存并且生长的足够的营养物。培养基还包括氮源，该氮源可以包括但不限于硝酸盐、脲、氨以及铵盐、尿酸、以及氨基酸。培养基还包括碳源，包括有机碳源，如有机物，另外还包无机碳源如二氧化碳，可以通过连续或间歇通入含有高于大气二氧化碳(CO2)浓度的CO2/空气混合气或人工配合气、纯CO2气体、烟道气等，也可以是通过补充含有无机碳源的溶液的方式。培养微生物所要求的或适合用于维持正在生长的捕获光的生物体的培养物质(例如，发酵培养基)的具体的液体培养基组合物、营养物等在本领域中是熟知的。在本发明的一个方面，所述微生物生长系统的固相为多孔性材料，所述液相为培养液，所述培养液覆盖所述多孔性材料的表面，在多孔性材料上方形成薄层培养水体。培养系统的固相的多孔材料用于给微生物提供生长空间。这些材料包括无机材料或有机材料如下:无机材料例如活性炭、多孔玻璃，多孔陶瓷，多糖类例如纤维素、交联葡萄糖、明胶，天然高分子凝胶载体例如琼脂，以及有机合成高分子材料。这些材料具有对微生物细胞无毒、传质性能好，透光透水性良好、性质稳定、不易被微生物降解。在本发明的一个方面，使用的多孔材料包括滤布、棉布、海绵、滤纸、各种无纺布例如PET无纺布、聚乳酸无纺布等。这些材料的特点是孔径较大，利于微生物细胞生长，以及利于与液相的水分和营养物质交换。本发明使用的无纺布的材料可以是各种公知的热塑性树脂，例如聚烯烃(聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯等)、聚酯(聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等)、聚酰胺(尼龙6、尼龙66等)、热塑性弹性体(聚烯烃系弹性体，聚酯系弹性体等)。根据本发明的一个优选实施例，其中所述多孔性材料的平均孔径为约0.5-50 μ m,优选为约0.8-30 μ m，最优选为约1-20μπι。在本发明的一个优选实施例，其中所述多孔性材料的吸液率为约50-5000%，优选为约100-2000%，最优选为约300-1000%。吸液率是指在标准时间内或材料完全湿润所需要的时间内，每单位质量的材料吸收液体(通常是指水)的量，常用百分比(重量)表示。吸液率代表吸液材料(例如多孔材料)吸收和存储液体的能力。根据本发明的一个优选实施例，其中所述固相还包括基材，所述多孔性材料附着在基材表面。基材向前述用于微生物生长的多孔性材料提供支持作用。基材的材料包括玻璃、塑料、不锈钢、各种合金、海绵、滤网等。所述基材的材料可以与多孔性材料相同或不同。本发明培养系统中的微生物生长系统的液相是小水体，体积相对传统培养方式来说小很多。基本上，本发明的液相的体积的要求是能够覆盖所述固相，并能满足固相的液体饱和度，以及具有良好的流动性，以对固相提供充足的水分和/或营养。在本发明的一个方面，所述微生物生长系统的液相为培养液，所述培养液覆盖固相的多孔性材料的表面，在多孔性材料上方形成薄层培养水体。优选的，液相固相体积比小于10:1,优选小于3:1,最优选小于1:1。在本发明的一个实施方式，所述薄层培养水体的高度为0.3-10厘米，优选为1-5厘米，更优选为0.5-3厘米。在本发明的一个方面，提供了一种培养微生物的方法，其中利用一种微生物培养系统进行所述培养，该微生物培养系统包括生长系统、承载装置、支撑装置、营养供应循环装置、条件控制装置和采收装置，其特征在于:在所述微生物生长系统培养微生物，所述微生物生长系统为液相-固相的两相系统，微生物基本上在所述生长系统的固相中生长，液相用于向固相提供或补充水分和/或营养物质，其中液相和固相体积比小于10: 1，优选小于3:1,最优选小于1:1。在本发明的一个方面，利用了前述微生物培养系统来培养微生物。微生物是藻类或蓝细菌，包括但不限于 下述中的菌种:原核生物的蓝藻门；原生生物的硅藻门、甲藻门、金藻门、黄藻门、隐藻门、裸藻门，以及属于植物界的红藻门、褐藻门、绿藻门和轮藻门等。这些藻类可以是生活在淡水的或海水的。在本发明的其中一个方面，微生物是蓝藻、小球藻、硅藻、绿藻、葡萄藻、栅藻、集胞藻、隐球藻、念珠藻、聚球藻、球藻、双歧藻、鞭枝藻、螺旋藻、马尾藻、微囊藻，鱼腥藻、项圈藻、颤藻、束丝藻、小定鞭藻等，最优选为蓝藻、小球藻、硅藻、绿藻、葡萄藻、栅藻。本发明采用的固体材料和薄层水结合的两相培养系统和方法具有显著优点。培养细胞以很高的密度附着于固体材料上，使得单层培养材料表面上的细胞数量即可达到传统水体培养方式的细胞数量，从而大大减少培养同样数量细胞所需要的用水量，减少光在水体中的衰减，提高光能利用效率，同时降低了水处理成本和水资源消耗量，有助于培养系统的规模化放大。此外，由于细胞在单层固体材料上附着，使得细胞生长表面的形状和空间结构较为灵活，可以实现多层培养，从而成倍提高单位受光面积下的细胞数量，改善光能利用效率，为大幅度提闻单位面积广量提供了可能。


通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中:图1是根据本发明的优选实施例的一种培养装置的整体结构框图。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。其中，图中各个附图标记指代的含义如下:100培养系统101微生物生长系统102承载装置103支撑装置104营养供应循环装置 105条件控制装置106采收装置107固相108 液相109连接装置110双头螺栓
111供水储罐111回水储罐113供水管线114回水管线115流量表116控制阀117进水口118 回水口119回水泵120管道122温度控制装置123光照控制装置124蒸发控制装置125传感器
具体实施例方式为了更好地理解和阐释本发明，下面将参照图1对本发明作进一步的详细描述。图1是根据本发明的优选实施例的一种培养系统的整体结构框图。如图1所示，所述培养系统100包括有微生物生长系统101、承载装置102、支撑装置103、营养供应循环装置104、条件控制装置105和采收装置106组成。具体地,所述微生物生长系统为液相107-固相108的两相系统,微生物在所述生长系统的固相108中生长，液相107用于向固相108提供或补充水分和/或营养物质。其中液相107是小水体，体积相对传统培养方式来说小很多。优选的，液相107和固相108体积比小于10:1,优选小于3:1,最优选小于1:1。基本上，本发明的液相的体积的要求是能够覆盖所述固相，并能满足固相的液体饱和度，以及具有良好的流动性，以对固相提供充足的水分和/或营养。在本发明的一个实施方式，所述液相的高度为0.3-10厘米，优选为1-5厘米，更优选为0.5-3厘米。在本发明的一个优选实施方式，培养液覆盖固体多孔性材料的表面，在多孔性材料上方形成一层培养水体，所述培养水体的深度为0.3-10厘米，优选为1-5厘米，更优选为0.5-3厘米。所述承载装置102，用以承载所述的微生物生长系统101，其中所述承载装置可以使用金属或塑料材料制成，也可以采用其他合成材料，根据所述微生物生长系统的可操作性，例如可旋转等，可以对制作材料进行多种选择。优选地，所述承载装置102可以是封闭式的机械装置，也可以是非封闭式的机械装置。封闭式的装置可以防止水分的蒸发和外源污染物的侵入。封闭式的装置通常具有透明的顶盖，可以让日光等光线透过。封闭式的装置的侧墙也可以是透明的，可以让日光等光线透过。 所述支撑装置103用以支撑所述的承载装置102，通过连接装置109与所述的承载装置102连接，如图1所示，所述连接装置109与承载装置102可以通过双头螺栓110进行连接，当然也可以通过卡槽装置、固定环装置或嵌入式连接装置连接；所述连接装置109可以将所述承载装置102旋转，平移或者固定。其中所述双头螺栓110、卡槽装置、固定环装置或嵌入式连接装置可以与所述连接装置109或承载装置102实现物理分离，即上述装置是彼此可以拆卸或者说可分离的。此外，支撑装置103可以是与水平面垂直、平行或成一定角度的。支撑装置可以旋转、平移或静止。优选地，图1中仅仅示出了一种实现方式，在实际的应用和生产中的优选实施例中，支撑装置103可以由电动机、减速机、连轴器、轴承、旋转轴、支架组成的旋转式培养系统结构，旋转轴与水平面平行并穿过所述承载装置102的中心，多个平行排列的承载装置102由螺栓固定在旋转轴上，承载装置102与旋转轴垂直，旋转轴可由电动机、减速机、轴承带动旋转，转速可以是例如0-30转每分钟，其中，旋转轴、电动机、减速机、连轴器、轴承固定在支架上；旋转轴、螺栓、支架采用木质、不锈钢、铸铁、合成材料、高分子材料等，为了简化图形，上述实施例未在图中示出。营养供应循环装置104包括供水装置和回水装置，用以形成循环管道用来为所述培养面提供水分和营养物质，用来实现所述微生物的生长与代谢。如图所示，所述供水装置为供水储罐111，所述回水装置为回水储罐112，所述循环管道图示为供水管线113、回水管线114和管道120，在供水管线113端还设置有流量表115和控制阀116，如图所示，营养供应循环装置104由供水储罐111、供水管线113、进水口 117、回水口 118、回水储罐112、回水泵119、流量表115、控制阀116和管道120组成。营养液和水分由供水储罐111通过虹吸作用或水泵(图中未示出)进入供水管 线113，经进水口 117流入微生物培养系统的液相107。在一个实施例中，营养液通过水泵推动作用进入供水管线113，然后经进水口 117流出后进入液相。营养液经过固相表面(液相中的水分或营养与固相中的水分或营养交换)后流出，经过回水口 118进入回水管线114和回水储罐112，回水储罐112中的营养液经单级或多级回水泵119返回供水储罐111，供水和回水达到平衡，营养液流动速度为0.1-10升/分钟/平方米培养面。条件控制装置105与所述支撑装置103连接，可以通过所述连接装置109调节所述承载装置的光朝向，所述条件控制装置105可以包括温度控制装置122、光照控制装置123或者蒸发控制装置124，当然，也可以包括其他控制装置，例如控制所述连接装置的传动装置等。其中，优选地，所述温度控制装置123如图所示可以通过传感器125直接与所述承载装置102连接，通过传感器显示的所述承载装置102中的微生物培养系统101中的培养温度，并通过所述支撑装置103调整所述的连接装置109，从而达到调整所述承载装置102的光朝向的目的，进而达到调整微生物培养系统101中的培养温度的目的。而光照控制装置124和蒸发控制装置125可以通过类似或者等同的原理达到微生物培养的光照强度和蒸发程度的控制的目的，在优选实施例中，温度范围15-35摄氏度，光照强度15-2000uE/m2/s,每日蒸发量为营养液体积的0-10%。在优选的实施例中，本发明的培养系统包括采收装置106。采收装置106用以采收经由微生物生长系统101中的微生物或其产生的产物，通常所述采收装置为密闭容器，当然根据所述产物的形态的不同，可以采用各种类型的收集容器。此外，优选地，还可以通过采收装置直接将微生物，如细胞，及其代谢产物直接收集，或者通过液化等手段实现产物收集形态的多元化。在优选的实施例中，在所述的营养供应循环系统中还可以包括有净化装置126(为了简化图形，图中未示出)，可以对管道中的水质或营养液进行净化，以达到水分和营养液的充分循环利用的效果，此外，所述净化装置还可以定期进行清洗，以净化整个循环流程。优选地，图1中示出的微生物生长系统中的两相系统仅仅是单层结构，优选地，所述两相系统可以多层并列结构或者多层叠加结构。利于上述描述的系统和方法对不同种类的微生物进行了培养。
实施例1将集胞藻PCC6803在摇瓶中培养，采用BGll培养液，培养5_7天，OD730达到3-5,准备用做接种。将摇瓶里的藻液5000rpm离心15min后，除去上清液,用新鲜的BGll培养基重悬沉淀，得到OD73tl为6-7的接种液。培养藻种的固体材料是PET无纺布，其孔径为约8 μ m，吸液率为约450-600%。将多层PET无纺布堆叠形成长宽高各约为60cmX50cmX5cm的无纺布培养层。当OD73tl达到8左右时，取10_20ml的藻液，均匀点滴到无纺布培养层上，藻液的量以刚好使藻布满材料为宜。取出后固定在一长X宽为约60cmX50cm,厚度为20cm的聚乙烯塑料块的上表面。将固定了无纺布培养层的聚乙烯塑料块放入培养系统的承载装置，该承载装置为长宽高各为60CmX50CmX80Cm的透明硬塑料箱体，具有可拆卸的透明顶盖。在透明硬塑料箱体加入BGll培养液，至液面超过无纺布培养层3厘米。供水装置以营养液流动速度为0.1升/分钟/平方米培养面的速度进行循环。通入300mlC02/天的二氧化碳气体或空气。在温度范围25-28摄氏度，光照强度92uE/m2/s下培养7天。收集无纺布培养层，经过真空抽滤泵抽滤后，放入电热恒温干燥箱中105°C烘干2小时后称干重，计算净干重，并记录。另外采用了不同孔径的无纺布、滤纸等作为固体材料用于培养。培养结果见下表
权利要求
1.一种微生物培养系统，包括微生物生长系统、承载装置、支撑装置、营养供应循环装置、条件控制装置和采收装置，其特征在于: 所述微生物生长系统为液相-固相的两相系统，微生物基本上在所述生长系统的固相中生长，液相用于向固相提供或补充水分和/或营养物质，其中液相和固相体积比小于10: 1，优选小于3: 1，最优选小于1:1; 承载装置，用以承载所述的微生物生长系统； 所述支撑装置用以支撑所述的承载装置，通过连接装置与所述的承载装置连接； 营养供应循环装置包括供水装置和回水装置，用以形成循环管道用来为所述培养面提供水分和营养物质，用来实现所述微生物的生长与代谢； 条件控制装置与所述支撑装置连接，可以通过所述连接装置调节所述承载装置的光朝向。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述连接装置为卡槽装置、固定环装置或嵌入式连接装置，所述连接装置是可拆卸的。
3.如权利要求1或2所述的系 统，其中所述的支撑装置是可旋转、可平移或可固定的装置。
4.如权利要求1-3任意一项所述的系统，其中所述营养供应循环装置还包括流量表和控制阀，所述流量表用于显示营养供应循环装置中的液体流量，控制阀用于控制营养供应循环装置中的液体流量。
5.如权利要求1-4任意一项所述的系统，所述条件控制装置还包括温度控制装置、光照控制装置或蒸发控制装置，上述装置通过连接装置与所述承载装置连接，通过承载装置的光朝向的调节，实现所述微生物生长系统的培养温度，光照强度或蒸发程度的调节。
6.如权利要求1-5任意一项所述的系统，其中所述生长系统的固相为多孔性材料，所述液相为培养液，所述培养液覆盖所述多孔性材料的表面，在多孔性材料上方形成薄层培养水体。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述多孔性材料的平均孔径为约0.5-50 μ m，优选为约0.8-30 μ m,最优选为约1-20 μ m。
8.如权利要求6或7所述的系统，其中所述多孔性材料的吸液率为约50-5000%，优选为约 100-2000%，最优选为 300-1000%。
9.如权利要求6-8任意一项所述的系统，其中所述培养水体的深度为约0.3-10厘米，优选为约0.5-5厘米，更优选为约1-3厘米。
10.一种采用权利要求1-9中任一项的培养系统培养微生物的方法，优选的，所述微生物为藻类。
全文摘要
本发明提供了一种培养系统，包括微生物生长系统、承载装置、支撑装置、营养供应循环装置、条件控制装置和采收装置，其特征在于所述微生物生长系统为液相-固相的两相系统，微生物在所述生长系统的固相中生长，液相用于向固相提供或补充水分和/或营养物质，其中液相为小体积。本发明公开的培养系统可以实现微生物生长和培养环境的动态调整，并节省大量水资源。本发明还提供了在液相-固相的两相系统培养微生物的方法。
文档编号C12N1/00GK103194368SQ201210005539
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者范文俊, 郑晓光 申请人:浙江齐成碳能科技有限公司