专利名称：一种基于pH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PH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蛋白质、碳水化合物、脂类以及色素等有机物质，在食品、饲料、医药、精细化工及染料领域已得到广泛的应用。近年来， 随着石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，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。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。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 (Effects of increased atmospheric CO2 and N supply on photosynthesis, growth and cell composition of the cyanobacterium Spirulina platensis(Arthrospira). J.Appl. Phycol. , 1998,10 461 ~ 469 ；Review of nitrogen and phosphorus metabolism in seagrasses. 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，同时改变微藻的细胞组分，如对于某些微藻氮源、磷源缺乏会促进藻细胞总脂、总碳水化合物或胡萝卜素的累积(Effect of nitrogen, salt，md iron content in the growth medium and light intensity on lipid production by microalgae isolated from freshwater sources in Thailand. Bioresource Technol.，2011， 102 :3043 3040 ；Nutrient limitation as a strategy for increasing starch accumulation in microalgae· Appl· Energ·，2011，88 :3331 3335)。因此，在微藻培养过程中，控制培养体系的营养盐浓度十分必要。目前，微藻培养工艺还比较粗放，一些微藻生产企业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或控制，但是在营养盐的控制方面，生产上更多采用的是靠人工经验补加营养盐，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。同时，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。在微藻培养体系的营养盐浓度控制方面，已有一些流加补料技术(如恒速流加、 指数流力口、变速流力口等)(Effects of carbon dioxide feeding rate and light intensity on thefed-batch pulse-feeding cultivation of Spirulina platensis in helical photobioreactor. Biochem. Eng. J. ,2008,39(2) :369 375 ；Continuous and pulse feeding of urea as a nitrogen source in fed-batch cultivation of Spirulinaplatensis. Aquacult. Eng.，2004，31 :237 245)用于微藻培养体系的营养盐浓度控制。 虽然这些流加补料技术能够在一定程度上控制培养体系的营养盐的浓度，提高目的产物产量，但是这些流加补料技术都是以培养时间为依据的前馈控制补料，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。另一方面，微藻的生长要消耗CO2,向培养液中添加适量的(X)2是提高培养密度的有效手段，而在微藻培养中维持一定的PH值有利于微藻的正常生长和代谢。当微藻培养体系的PH值过高或者过低时，微藻会停止生长甚至死亡(Influence of temperature and pH on biomass production and protein biosynthesis in a putative Spirulina sp. Bioresource Technol.，2007，98 :2207 2211)。由于微藻培养体系的 pH 值与(X)2 的添加密切相关，已有专利通过PH反馈补加(X)2作为碳源培养微藻的同时实现培养体系的pH 值调控(CN200410009360. 4, CN200510126465. 2)，但是不能实现营养盐的实时监控和添加。
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，在已有的基于PH反馈补加CO2培养微藻的方法基础上，提供一种基于pH 反馈控制补加营养盐培养微藻的方法通过PH反馈补加(X)2使培养体系的pH值维持在一定值(设定值)附近，计量培养体系的CO2补加量，利用CO2补加量控制营养盐的补加，从而简化生产工艺，同时实现培养体系PH值、碳源、营养盐控制，提高藻生物量或产物(总脂、蛋白、多糖等)含量。本发明的再一目的在于为了克服上述问题，提供一种基于PH反馈控制补加营养盐培养微藻的装置。根据本发明所述基于PH反馈控制补加营养盐培养微藻的方法，该方法通过pH反馈补加C02，使培养体系的PH值维持在设定值附近，一般培养体系的PH值在设定值附近的波动幅度可以为士0. 1 士0.5，计量培养体系的CO2补加量，并利用CO2补加量与营养盐消耗量之间的关系，控制营养盐的补加。作为本发明的一种优选实现方案，所述方法中通过公式(I)计算营养盐流加液的添加量，营养盐流加液添加量(L)=流量(L/min) X流加时间(min)
权利要求
1.一种基于PH反馈控制补加营养盐培养微藻的方法，该方法通过PH反馈补加CO2,使培养体系的PH值维持在设定值，计量培养体系的(X)2补加量，并利用(X)2补加量与营养盐消耗量之间的关系，控制营养盐的补加。
2.根据权利要求1所述的基于PH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，营养盐流加液添加量(L)= ^^xACQ2Cmo/)_流加液浓度、molID(υ其中，α为营养盐消耗量与CO2补加量之间的换算系数，Δ CO2为培养体系的CO2补加量，预先设定培养体系营养盐补料间隔的CO2补加量，当培养体系的CO2补加量达到设定值时，采用公式(I)计算营养盐流加液的添加量并实施添加；或者预先设定培养体系营养盐补料间隔时间，计量间隔时间内培养体系的CO2补加量，根据间隔时间内的CO2补加量采用公式(I)计算营养盐流加液的添加量并实施添加。
3.根据权利要求2所述的基于ρΗ反馈控制补加营养盐培养微藻的方法，其特征在于， 采用常规培养方法对微藻进行培养，测定微藻培养过程中培养体系的(X)2补加量和营养盐消耗量的关系曲线得到营养盐消耗量与CO2补加量之间的换算系数α。
4.根据权利要求2所述的基于ρΗ反馈控制补加营养盐培养微藻的方法，其特征在于， 所述预先设定培养体系营养盐补料间隔的(X)2补加量为0. OOl-ImoVm2X培养面积m2或 0. 003-3mol/m3X 培养体积 m3，或所述的预先设定的营养盐补料间隔时间为0. 1 M小时。
5.根据权利要求2所述的基于ρΗ反馈控制补加营养盐培养微藻的方法，其特征在于， 所述微藻为蓝藻门的螺旋藻、绿藻门的小球藻、栅藻、雨生红球藻、盐藻、金藻门的金藻、硅藻门三角褐指藻或红藻门的紫球藻，所述微藻的生长培养基为Zarrouk培养基、BG-Il培养基、f/2培养基、Provasoli培养基或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ρΗ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；镁盐包括硫酸镁和/或氯化镁；钾盐包括硫酸钾和/或氯化钾；铁盐包括硫酸亚铁的EDTA络合物；钙盐包括氯化钙和/或硫酸钙；所述的营养盐流加液中氮源的浓度为0. 01 5mol/L，磷源的浓度为0. 001 0. 5mol/ L，镁、钾、铁、钙盐的浓度为0. 0005 0. lmol/L。
7.一种实现权利要求1至6之一所述基于ρΗ反馈控制补加营养盐培养微藻方法的装置，所述装置包括微藻培养器(5)、营养盐流加液贮罐(6)和CO2贮罐(7)，其特征在于，所述装置还包括PH传感器(1)、CO2流量计量机构O)、控制机构(3)和执行机构G)，其中，所述PH传感器(1)和CO2流量计量机构(2)均与控制机构(3)联接，控制机构(3)的信号输出口与执行机构(4)的信号输入口联接，所述CO2贮罐(7)经CO2流量计量机构O) 与微藻培养器( 连通，所述营养盐流加液贮罐(6)经执行机构(4)与微藻培养器(5)连通；所述控制机构(3)通过pH传感器(1)检测培养体系的pH值，通过CO2流量计量机构 (2)控制CO2的通断或流量大小，并获得培养体系的CO2补加量，然后根据公式(I)计算营养盐流加液的添加量，最后通过执行机构(4)实施添加；
8.根据权利要求7所述的基于pH反馈控制补加营养盐培养微藻的装置，其特征在于， 所述PH传感器(1)和CO2流量计量机构(2)与控制机构(3)联接，分别将pH传感器(1)获得的培养体系的PH值和CO2流量计量机构(2)获得的CO2流量值传送给控制机构(3)；控制机构⑶的信号输出口与执行机构⑷的信号输入口联接，CO2贮罐(7)的输出口与CO2流量计量机构⑵的输入口连通，CO2流量计量机构⑵的输出口通过管道与微藻培养器(5)的输入口连通，营养盐贮罐(6)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)的输入口连通；控制机构(3)根据pH传感器(1)传送的培养体系的pH值，向CO2流量计量机构(2)发出指令，控制CO2的通断或流量大小，CO2流量计量机构(2)将测定的实际CO2流量信号传送回控制机构(3)，控制机构(3)累计培养体系的CO2补加量，并根据公式(I)计算营养盐流加液的添加量，控制机构⑶根据计算所得的营养盐流加液的添加量向执行机构⑷发出指令，执行机构(4)收到相应指令后经营养盐流加液贮罐(6)进行营养盐流加液的添加。
9.根据权利要求7或8所述的基于pH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)为根据控制机构(3)的指令调节并计量营养盐流加液的添加量的流体输送装置。
10.根据权利要求9所述的基于pH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PH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( 为开放式培养池或密闭式光生物反应器，其中，开放式培养池为跑道池或圆形浅池；所述密闭式光生物反应器为管道式光生物反应器、平板式光生物反应器或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pH反馈控制补加营养盐培养微藻的方法及装置。所述方法通过pH反馈补加CO2，使培养体系的pH值维持在设定值，计量培养体系的CO2补加量，并利用CO2补加量与营养盐消耗量之间的关系，控制营养盐的补加。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为营养盐消耗量与CO2补加量之间的换算系数，ΔCO2为培养体系的CO2补加量。与传统方法相比，本发明的方法能将培养体系的营养盐浓度控制在较小范围内波动，能够提高培养过程中营养盐的利用率，节约成本。
文档编号C12R1/89GK102559505SQ20121001724
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者丛威, 刘明, 吴霞, 张东梅, 温树梅, 鲍亦璐 申请人:中国科学院过程工程研究所