一种简易升流式光生物反应器体系培养微藻的装置和方法

专利名称：一种简易升流式光生物反应器体系培养微藻的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种简易升流式光生物反应器体系培养微藻的装置及方法，属于环境工程和生物工程领域。
背景技术：
微藻(Microalage)是对能够利用来自空气、废气、可溶性碳酸盐等各种碳源的CO2进行类似于植物细胞光合作用的单细胞和简单多细胞生物体类群的总称。微藻在食品、医药、能源、环境等诸多领域具有广泛应用。除利用空气中的CO2和HC03_离子外，许多研究基于空气中的CO2浓度过低考虑，使用含有高浓度CO2的空气混合气(CO2浓度范围为O. 5%-3%)为微藻提供碳源。研究发现通过含有高浓度CO2的混合气曝气可以显著地促进微藻的生长繁殖速率，且有时还可 以提高微藻的烃类、油质、β_胡萝卜素等副产物的含量。然而如果直接向培养池或培养瓶中通入高浓度CO2混合气，由于形成的气泡孔径较大且不匀从而造成CO2的利用效率较低。20世纪50年代起，密闭式光生物反应器在藻类培养的应用开始得到重视。采用光生物反应器为微藻提供CO2曝气能够显著提高CO2的利用效率，极大地提高微藻生长速率。目前用于藻类培养的光生物反应器种类主要包括泡柱式、平板式、气升循环式、发酵罐式四类。其中内环流气升式反应器在反应器中央设置导流装置，当气体进入导流筒后使反应器上升段内气液混合物的密度低于外部区域的密度，由此产生对液体的提升力，从而使液体形成环流。当藻细胞生长到一定浓度，由于光的衰减，在反应器中央的藻液上升区形成黑暗区，从而藻细胞在反应器内进行有规律的光暗循环，因此与常规的管式光反应器相比，气升式光反应器的光利用效率更高。气升式生物反应器比起管形装置更紧凑，从而更适合较大规模培养。截止目前，利用光生物反应器培养微藻获得最高生产效率是10 g/(L · d)，而绝大多数开放培养模式下微藻的生产效率都低于I g/ (L · d)。总体来讲，利用光生物反应器进行藻类培养的诸多优势，如条件可控、产量高、占地少等使其成微藻萄藻培养基础研究的必然选择。不过考虑到微藻在开放环境中可能会被生长速率更快的杂藻污染，目前已报道的升流式光生物反应器大都采用高温高压或微孔过滤灭菌，从而造成目前大多数升流式光生物反应器的结构复杂、运行条件苛刻，造成其构建和运行成本太高，限制了其在微藻商业化大规模生产实践中的应用。如果能采取措施避免这些灭菌操作或者找到一种低成本的灭菌方法，那么利用光生物反应器培养微藻的成本将会大幅降低，具有重要意义。

发明内容
本发明目的是提供一种简易升流式光生物反应器体系培养微藻的装置和方法。简易升流式光生物反应器体系培养微藻的装置包括CO2气瓶、空气压缩机、第一气体减压阀、第二气体减压阀、第三气体减压阀、CO2分析仪、气体混合箱、第一气体流量计、第二气体流量计、第三气体流量计、第一反应器罐体主体、第二反应器罐体主体、第一曝气头、第二曝气头、第一加温器、第二加温器；co2气瓶、第一气体减压阀、第一气体流量计、气体混合箱顺次相连；空气压缩机、第二气体减压阀、第二气体流量计、气体混合箱顺次相连；co2分析仪与气体混合箱相连；气体混合箱顺次通过第三气体减压阀、第三气体流量计后分别与第一曝气头、第二曝气头相连；第一反应器罐体主体内设有第一导流筒，第一反应器罐体主体上部设有第一排气口，第一反应器罐体主体下部设有第一排水口，第一导流筒的下部设有第一曝气头，第一加温器的下部伸入第一反应器罐体主体；第二反应器罐体主体内设有第二导流筒，第二反应器罐体主体上部设有第二排气口，第二反应器罐体主体下部设有第二排水口，第二导流筒的下部设有第二曝气头，第二加温器的下部伸入第二反应器罐体主体；第一反应器罐体主体和第二反应器罐体主体的外周设有多个人工光源，分别为第一光源、第二光源、第三光源。所述的简易升流式光生物反应器体系培养微藻的方法，步骤如下
1)将微藻首先接种于装有20mL人工培养基的50 mL锥形瓶中，并将锥形瓶置于摇床上，以人工光源提供光照，控制光强、环境温度和摇床转速，活化微藻，使微藻进入对数生长 期；
2)将活化后的微藻接种到装有40mL人工培养基的100 mL锥形瓶中按步骤I)所述的条件培养至藻液OD68tl达2. 0-2. 5时将60mL藻液接种到装有240mL人工培养基的500 mL锥形瓶中，按步骤I)所述的条件培养至藻液OD68tl达2. 0-2. 5时，获得300 mL处于对数生长期的微藻；
3)分别将150mL处于对数生长期的微藻接种到第一反应器罐体主体和第二反应器罐体主体，以含有O. 03%-25% CO2的CO2和空气混合气作为碳源，以纯净水配制的人工培养基或废水作为微藻培养液，以人工光源或太阳光作为光源，在温度为15-35 °C,光强为50-2000 PEm2S 1的环境条件下培养微藻,使微藻进入对数生长期；
4)CO2气瓶中的CO2通过第一气体减压阀、第一气体流量计进入气体混合箱；空气压缩机中的空气通过第二气体减压阀、第二气体流量计进入气体混合箱后与CO2气瓶输入的CO2混合后得混合气体；co2分析仪检测气体混合箱内的混合气体，控制混合气体中的CO2体积百分比浓度为O. 03%-20% CO2，混合气体通过第三气体减压阀、第三气体流量计、第一曝气头进入到第一反应器罐体主体，混合气体通过第三气体减压阀、第三气体流量计、第二曝气头进入到第二反应器罐体主体；第三气体流量计控制混合气体的流量O. 6 L/min ；
5)利用分光光度计检测第一反应器罐体主体和第二反应器罐体主体内微藻培养液最大吸收波长下吸收峰值变化状况，待微藻培养液于最大吸收波长下的吸收峰达到最大值时，停止第一曝气头、第二曝气头曝气，回收第一反应器罐体主体和第二反应器罐体主体上部微藻培养液，离心收集底部微藻细胞。所述的第一反应器罐体主体和第二反应器罐体主体利用2%_20%的次氯酸钠溶液进行灭菌和除杂藻处理。所述的步骤5)中回收微藻培养液前采用静置或添加絮凝剂方式使微藻与微藻培养液分离。本发明的有益效果
I、低能耗该方法成功避免了采用高温高压或微孔过滤(需要抽真空)所消耗的大量电倉泛。
2、运行高效通过试验表明，该方法能够显著促进葡萄藻、小球藻、螺旋藻等微藻的生长繁殖速率，同时通过人工调控碳源、营养盐浓度等方法可以大幅提高微藻高附加值代谢物产量。3、环境友好除人工培养基外，还可以利用一些富含氮磷元素的污水作为营养源、以含有高浓度CO2的烟道气作为碳源培养微藻，从而起到净化环境的作用。4、操作简便该方法对装置和技术的要求较低，简化了传统内循环式光生物反应器的繁琐装置和方法流程，可提高微藻的生产效率，减少微藻高附加值产物的生产成本。5、省去蒸汽发生器等高温高压灭菌系统、微孔过滤系统等，同时以普通有机玻璃材质替代耐高温高压的精钢材质构建反应器主体，在保持反应器高效运行的前提下，使工作体积为3L左右的内循环升流式光生物反应器的构建成本由3-10万元降低至300-500
J Li ο·


图I是简易升流式光生物反应器体系培养微藻的装置的结构示意图2是葡萄藻在锥形瓶中的生长曲线；
图3是葡萄藻在简易内循环式光生物反应器中的生长曲线。图中，CO2气瓶I、空气压缩机2、第一气体减压阀3. I、第二气体减压阀3. 2、第三气体减压阀3. 3,CO2分析仪4、气体混合箱5、第一气体流量计6. I、第二气体流量计6. 2、第三气体流量计6. 3、第一反应器罐体主体7. I、第二反应器罐体主体7. 2、第一导流筒8. I、第二导流筒8. 2、第一曝气头9. I、第二曝气头9. 2、第一光源10. I、第二光源10. 2、第三光源
10.3、第一加温器11. I、第二加温器11. 2、第一排气口 12. I、第二排气口 12. 2、第一排水口13. I、第二排水口 13. 2。
具体实施例方式下面通过附图和实施例对本发明进行进一步的说明。简易升流式光生物反应器体系培养微藻的装置包括CO2气瓶I、空气压缩机2、第一气体减压阀3. I、第二气体减压阀3. 2、第三气体减压阀3. 3,CO2分析仪4、气体混合箱5、第一气体流量计6. I、第二气体流量计6. 2、第三气体流量计6. 3、第一反应器罐体主体7. I、第二反应器罐体主体7. 2、第一曝气头9. I、第二曝气头9. 2、第一加温器11. I、第二加温器
11.2 ；C02气瓶I、第一气体减压阀3. I、第一气体流量计6. I、气体混合箱5顺次相连；空气压缩机2、第二气体减压阀3. 2、第二气体流量计6. 2、气体混合箱5顺次相连；C02分析仪4与气体混合箱5相连；气体混合箱5顺次通过第三气体减压阀3. 3、第三气体流量计6. 3后分别与第一曝气头9. I、第二曝气头9. 2相连；第一反应器罐体主体7. I内设有第一导流筒8. I,第一反应器罐体主体7. I上部设有第一排气口 12. I,第一反应器罐体主体7. I下部设有第一排水口 13. I,第一导流筒8. I的下部设有第一曝气头9. I,第一加温器11. I的下部伸入第一反应器罐体主体7. I ;第二反应器罐体主体7. 2内设有第二导流筒8. 2，第二反应器罐体主体7. 2上部设有第二排气口 12. 2，第二反应器罐体主体7. 2下部设有第二排水口13. 2，第二导流筒8. 2的下部设有第二曝气头9. 2，第二加温器11. 2的下部伸入第二反应器罐体主体7. 2 ;第一反应器罐体主体7. I和第二反应器罐体主体7. 2的外周设有多个人工光源，分别为第一光源10. I、第二光源10. 2、第三光源10. 3。所述的简易升流式光生物反应器体系培养微藻的方法，步骤如下1)将纯藻种在无菌工作台上接种于含有20 mL适宜培养基的50mL锥形瓶中，在温度15-35 °C、光强50-2000 PEnT2S'50-300 rpm搅拌下培养微藻，使藻体细胞进入指数生长期，即藻液的OD68tl达到 2. 0-2. 5。2)将I)中获得的藻液接种于含有40 mL培养基的100 mL锥形瓶中，在温度15-35°C、光强50-2000 PEnT2S'50-300 rpm搅拌下培养微藻，使藻体细胞进入指数生长期，即藻液的 OD68tl 达到 2. 0-2. 5。3)将2)中获得的藻液接种于含有240 mL培养基的500 mL锥形瓶中，在温度15-35°C、光强50-2000 PEnT2S'50-300 rpm搅拌下培养微藻，使藻体细胞进入指数生长期，即藻液的 OD68tl 达到 2. 0-2. 5。4)参照图I构建简易升流式光生物反应器体系培养微藻的装置。 5)将3)中获得藻种接种于4)中设计的简易简易升流式光生物反应器中，以含有O. 03%-25%C02的CO2和空气混合气作为碳源，以人工光源或太阳光作为光源，在温度为15-35 °C、光强为50-2000 μΕπι 2S 1的环境中培养微藻,使藻体细胞进入指数生长期，即藻液的 OD68tl 达到 2. 0-2. 5。6)停止CO2混合气体曝气，静置光生物反应器24-48小时或加入壳聚糖等絮凝齐U，使藻体细胞与培养液分离；回收上清液，重复利用；同时通过离心(2000-8000 rpm, 5-30min)收集藻体细胞。
实施例葡萄藻braunii765)的高效培养
I)将葡萄藻braunii 765)接种于含有约20 mL BG11培养基的50 mL锥形瓶中，在弱光照下于摇床上震荡培养(摇床转速为120 rpm,温度为25°C，光暗周期比为12:12,光强为50 μ Em 2s 1X以使藻种适应新的培养液和温光环境。定期在显微镜下镜检藻种是否污染。藻液颜色由黄绿色转为深绿色时，开始测定藻液的OD68tl，待藻液的OD68tl为
2.0-2. 5时将藻液接种到含有40 mL培养基的100 mL锥形瓶中，于摇床上震荡培养并将光照强度逐步提高到80 μΕπΓ2^ (摇床转速120 rpm、温度25°C、光暗周期比14:10)，连续培养。待藻液的OD68tl为2. 0-2. 5时，将藻液转接到含有240 mL培养基的500 mL锥形瓶中，于摇床上震荡培养并将光照强度逐步提高到100摇床转速为120 rpm，温度为25°C，光暗周期比为18:6)，扩大培养。待藻液的OD68tl为2. 0-2. 5时，备用，为后期试验准备充足藻种。2)简易升流式光生物反应器体系培养微藻的装置的结构示意图如图I。加入藻液和培养基前，使用10%的次氯酸钠溶液在曝气情况下运行反应器24小时，对简易升流式光生物反应器体系培养微藻的装置的反应器罐体主体进行消毒灭菌处理，将次氯酸钠溶液倒出后用无菌水冲洗三次以清除残留的次氯酸钠溶液。先将大约2. 5 L的无菌BGl I培养基倒入反应器，再将约O. 5 L处于对数生长期的葡萄藻藻液接种于反应器培养基内。将反应器置于恒温空调室采用连续光照进行微藻培养。运行参数如表I所示。表I 3L简易升流式光生物反应器体系培养微藻的装置的运行参数
权利要求
1.一种简易升流式光生物反应器体系培养微藻的装置，其特征在于它包括CO2气瓶(I)、空气压缩机(2)、第一气体减压阀(3. I)、第二气体减压阀(3. 2)、第三气体减压阀(3. 3)、CO2分析仪(4)、气体混合箱(5)、第一气体流量计(6. I)、第二气体流量计(6. 2)、第三气体流量计(6. 3)、第一反应器罐体主体(7. I)、第二反应器罐体主体(7. 2)、第一曝气头(9. I)、第二曝气头(9. 2)、第一加温器(11. I)、第二加温器(11. 2) ；C02气瓶(I)、第一气体减压阀(3. I)、第一气体流量计(6. I)、气体混合箱(5)顺次相连；空气压缩机(2)、第二气体减压阀(3. 2)、第二气体流量计(6. 2)、气体混合箱(5)顺次相连；C02分析仪(4)与气体混合箱(5)相连；气体混合箱(5)顺次通过第三气体减压阀(3. 3)、第三气体流量计(6. 3)后分别与第一曝气头(9. I)、第二曝气头(9. 2)相连；第一反应器罐体主体(7. I)内设有第一导流筒(8. I),第一反应器罐体主体(7. I)上部设有第一排气ロ(12. I),第一反应器罐体主体(7. I)下部设有第一排水ロ(13. 1)，第一导流筒(8. I)的下部设有第一曝气头(9. I),第一加温器(11. O的下部伸入第一反应器罐体主体(7. I);第二反应器罐体主体(7. 2)内设有第二导流筒(8. 2)，第二反应器罐体主体(7. 2)上部设有第二排气ロ(12. 2)，第二反应器罐体主体(7. 2)下部设有第二排水ロ(13. 2)，第二导流筒(8. 2)的下部设有第二曝气头(9. 2)，第二加温器(11. 2)的下部伸入第二反应器罐体主体(7. 2);第一反应器罐体主体(7. I)和第二反应器罐体主体(7. 2)的外周设有多个人工光源，分别为第一光源(10. I)、第ニ光源(10. 2)、第三光源(10. 3)。
2.ー种利用如权利要求I所述的简易升流式光生物反应器体系培养微藻的方法，其特征在于它的步骤如下1)将微藻首先接种于装有20mL人工培养基的50 mL锥形瓶中，并将锥形瓶置于摇床上，以人工光源提供光照，控制光强、环境温度和摇床转速，活化微藻，使微藻进入对数生长期；2)将活化后的微藻接种到装有40mL人工培养基的100 mL锥形瓶中按步骤I)所述的条件培养至藻液OD68tl达2. 0-2. 5时将60mL藻液接种到装有240mL人工培养基的500 mL锥形瓶中，按步骤I)所述的条件培养至藻液OD68tl达2. 0-2. 5吋，获得300 mL处于对数生长期的微藻；3)分别将150mL处于对数生长期的微藻接种到第一反应器罐体主体(7. I)和第二反应器罐体主体(7. 2)，以含有O. 03%-25%C02的CO2和空气混合气作为碳源，以纯净水配制的人工培养基或废水作为微藻培养液，以人工光源或太阳光作为光源，在温度为15-35で，光强为50-2000 PEm2S 1的环境条件下培养微藻,使微藻进入对数生长期；4)CO2气瓶I中的CO2通过第一气体减压阀(3. I)、第一气体流量计(6. I)进入气体混合箱(5);空气压缩机(2)中的空气通过第二气体减压阀(3. 2)、第二气体流量计(6. 2)进入气体混合箱(5)后与CO2气瓶(I)输入的CO2混合后得混合气体；C02分析仪(4)检测气体混合箱(5)内的混合气体，控制混合气体中的CO2体积百分比浓度为O. 03%-20%C02，混合气体通过第三气体减压阀(3. 3)、第三气体流量计(6. 3)、第一曝气头(9. I)进入到第一反应器罐体主体(7. 1)，混合气体通过第三气体减压阀(3. 3)、第三气体流量计(6. 3)、第二曝气头(9. 2)进入到第二反应器罐体主体(7. 2);第三气体流量计(6. 3)控制混合气体的流量O. 6L/min ；5)利用分光光度计检测第一反应器罐体主体(7.I)和第二反应器罐体主体(7. 2)内微藻培养液最大吸收波长下吸收峰值变化状况，待微藻培养液于最大吸收波长下的吸收峰达到最大值时，停止第一曝气头(9. I)、第二曝气头(9. 2)曝气，回收第一反应器罐体主体(7. I)和第二反应器罐体主体(7. 2)上部微藻培养液，离心收集底部微藻细胞。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于所述的第一反应器罐体主体(7.I)和第ニ反应器罐体主体(7. 2)利用2%-20%的次氯酸钠溶液进行灭菌和除杂藻处理。
4.按照权利要求2所述方法，其特征在于所述的步骤5)中回收微藻培养液前采用静置或添加絮凝剂方式使微藻与微藻培养液分离。
全文摘要
本发明公开了一种简易升流式光生物反应器体系培养微藻的装置及方法。首先利用锥形瓶在人工环境下活化单一藻种，以次氯酸钠溶液对升流式光生物反应器灭菌后将活化的藻种接种于反应器，同时向其中充入含有CO2的空气，在自然光照或人工光源照射下，微藻在光生物反应器内可迅速繁殖，最终达到快速生产微藻生物质的目的。与现有利用传统光生物反应器培养微藻的方法相比，本发明以次氯酸钠法对反应器进行灭菌处理，从而大幅降低了光生物反应器对材料、设备的苛刻要求，具有成本低、能耗小、效率高、可持续等特点。本发明涉及的微藻培养装置及方法在微藻基础研究、生物固碳、废物再利用等领域均具良好的应用价值。
文档编号C12M1/04GK102816687SQ20121031458
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者刘俊稚, 葛亚明, 程海翔, 杨治中, 田光明 申请人:浙江大学