一种用于培养底栖微藻的光生物反应器及其培养方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于培养底栖微藻的光生物反应器及其培养方法；光生物反应器包括反应器和进出液管路；反应器通过培养液、光照、pH、温度等条件调节，配合着LED光源和二氧化碳的不断补充，使微藻在悬浮的过程中持续时间接受光照，极大地促进其进行光合作用，从而实现培养不同的单一底栖藻种；稳定的培养环境和封闭的培养系统避免了外界杂藻和原生动物的污染；本发明设备结构简单，光能利用率高，培养与采收简便，能够实现大规模工厂化生产。
【专利说明】一种用于培养底栖微藻的光生物反应器及其培养方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及底栖微藻【技术领域】，特别是涉及一种用于培养底栖微藻的光生物反应 器及其培养方法。
【背景技术】
[0002] 底栖微藻种类繁多，其藻细胞内普遍含有丰富的生物活性物质、矿物质及微量元 素，如维生素 A、维生素 C、维生素 E、维生素 B12、硫氨素、核黄素、吡多醇生物素、肌醇、叶酸、 泛酸钙和烟酸等，部分底栖微藻中高产DHA (二十二碳六烯酸）、EPA (二十碳五烯酸）等不 饱和脂肪酸。随着底栖微藻的研究进一步深入，其在现代食品、药品以及高档水产品培养 中，越来越占有重要的地位。
[0003] 底栖微藻在自然环境下，一般分布生长在水体底部，接受自然光照不足、光能利用 率低，水体C0 2含量少，使得其光合作用的能力非常有限，因此其生长速度极其缓慢。底栖 微藻早期应用于水产养殖的苗种培育阶段，传统的培养方法是利用开放的水泥池，其生产 效率低、操作不便、人工成本高、培养过程中极易被杂藻与外源水生生物污染，这也成为底 栖微藻单一藻种高密度培养所面临的最大问题。由于早期人们对底栖微藻的商业价值认识 不多，传统的底栖微藻培养主要用于水产贝类养殖以及早期育苗育种，其推广应用具有区 域性和季节性特点的限制，因而产量较少。传统技术中使用的培养设备也极为简单，有塑料 袋、水泥池、塑料水桶。底栖微藻在培养过程中经常积沉在水体底部，即使通过搅拌或是放 入气石，也只能使局部的底栖微藻悬浮，还会存在死角。传统方式存在的一系列问题，限制 了底栖微藻单一藻种高密度的工厂化生产。原料的缺少严重制约了丰富的底栖微藻资源在 医药、食品等领域的应用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种用于培养底栖微藻的光生物反应器及其培养方法，可用 于生产不同的底栖微藻，以实现工厂进行规模化地连续生产，弥补现有技术的不足。
[0005] 为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种用于培养底栖微藻的光生物反应 器，其特征在于包括反应器和进出液管路；所述反应器包括至少一个中空结构的中间柱体， 所述中间柱体的顶端螺栓连接有顶盖，其底端密封有底盖；所述顶盖开有顶盖排气孔和支 进液孔；所述进出液管路包括进液主路，所述进液主路连接有数量与所述中间柱体数量一 致的进液支路，所述进液支路与所述顶盖上的支进液孔连接，所述进液支路上设置有进液 支路阀门；所述底盖的圆心处设置有支出液孔，所述支出液孔连接有出液支路；所述出液 支路连接有出液主路，所述出液主路连接至藻液收集罐；所述底盖在所述支出液孔的周边 设置有多个进气孔；所述进气孔的下面连接有进气管路；所述中间柱体的外侧设置有LED 灯管，所述LED灯管通过支架与所述中间柱体的外壁固定连接；所述LED灯管连接有LED功 率可调开关；所述中间柱体的内部设置有pH检测电极和温度传感器。
[0006] 更进一步的，所述底盖在所述进气孔的上面设置有出气弯管，所述出气弯管与所 述进气管路连通。
[0007] 优选的，所述出气弯管由坚直部和弯曲部组成，坚直部和弯曲部形成的夹角为 45。。
[0008] 优选的，所述弯曲部在所述底盖上的投影与所述坚直部与所述支出液孔的连接线 形成的夹角为45°。
[0009] 应用上述光生物反应器培养底栖微藻的方法，其特征在于包括以下步骤：
[0010] ⑴蒸汽消毒
[0011] 在光生物反应器运行前，需要进行高温蒸汽消毒；首先关闭顶盖排气孔、出液支路 阀门、进气管路，打开进液支路阀门、出液支路阀门；高温蒸汽由出液主路进入，再由进液主 路排出；
[0012] ⑵装液
[0013] 关闭出液支路阀门，打开顶盖排气孔并用脱脂棉封口，将二氧化碳和空气的混合 气体过滤后由进气管路通入中间柱体的内部；随后将初级藻种液由进液主路流入，再分别 通过进液支路将初级藻种液注入中间柱体；待初级藻种液进液完成后，用同样的方法注入 培养液；
[0014] (3)光照
[0015] 当中间柱体装液完毕后，检查进液支路阀门是否完全关闭；打开LED功率可调开 关，对中间柱体进行持续光照；通过pH检测电极与温度传感器进行监测，保持培养过程中 pH范围在7. 5?10. 5之间，温度控制在25?40°C之间；
[0016] ⑷培养
[0017] 培养时间为5?10天，当微藻个数达到2*105个/毫升以上时，进行采收；采收过 程中，保持进气管路持续进气，打开出液支路阀门，使中间柱体内的藻液通过出液主路进入 藻液收集罐；
[0018] (5)连续性培养
[0019] 当每个中间柱体的剩余藻液为20?30L时，关闭出液支路阀门，打开进液支路阀 门，由进液主路分别通过进液支路注入培养液，再次进行步骤（2)和（3)，以实现连续性培 养；连续性培养次数控制在3?5次，再次培养时，需要进行步骤（1)的蒸汽消毒操作。
[0020] 优选的，所述步骤（2)中二氧化碳和空气的混合气体的体积比为:Vsn = 2%?5%。
[0021] 优选的，所述步骤（2)中每个中间柱体注入初级藻种液的液量为20?30L。
[0022] 优选的，所述步骤（2)中每个中间柱体注入培养液的液量为80?90L。
[0023] 优选的，所述步骤（5)中每个中间柱体注入培养液的液量为80?90L。
[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0025] (1)本发明设备结构简单、操作方便、光能利用率高、培养与采收简便，能够实现大 规模工厂化生产；
[0026] (2)通过底栖微藻光生物反应器，能够对不同的底栖微藻实现差异化生产，对培养 过程中所需的营养盐、C0 2补给、pH环境进行合理调节，严格控制外界污染源，实现底栖微藻 单一藻种的高密度工厂化生产；
[0027] (3)本发明可以通过培养液、光照、pH、温度等条件调节，实现培养不同的单一底栖 藻种；稳定的培养环境和封闭的培养系统避免了外界杂藻和原生动物的污染；气升式曝气 装置避免了底栖微藻的沉降现象，配合着LED光源和二氧化碳的不断补充，使微藻在悬浮 的过程中持续时间接受光照，极大地促进其进行光合作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1所示为本发明光生物反应器的结构示意图；
[0029] 图2所示为底盖设置四个出气弯管的立体结构示意图；
[0030] 图3所示为图2中出气弯管的平面结构图；
[0031] 图4所示为图2的俯视图。
【具体实施方式】
[0032] 以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0033] 实施例：
[0034] 如图1所示为一种用于培养底栖微藻的光生物反应器，其特征在于包括反应器和 进出液管路；所述反应器包括至少一个中空结构的中间柱体12 ;图1中所示为四个中间柱 体12,在工业化生产阶段，根据生产规模的需要，可以添加或减少中间柱体12的数量；所述 中间柱体12的内径为350mm，壁厚10mm，高度为1500mm，采用透明亚克力材质制作，中间柱 体12的顶端螺栓连接有顶盖8,其底端焊接有底盖10 ;所述顶盖8的边缘平均分布有六个 l〇mm直径的孔，用于与中间柱体12通过螺栓固定；所述顶盖8开有顶盖排气孔9 ;顶盖排气 孔9采用内径10mm、外径2mm、长30mm亚克力空心管，焊接在顶盖8上，起到排气作用。
[0035] 所述底盖10的直径为400mm，壁厚为10mm，采用亚克力材质，在底盖10的边缘平 均分布六个1〇_直径的螺栓连接孔22,螺栓连接孔22用于与支持平台20通过螺栓固定。
[0036] 优选的，所述底盖10与所述支持平台20中间填充有硅胶垫13,硅胶垫13的厚度 为10mm，其大小与底盖10相同，在所述螺栓连接孔22对应的位置进行挖孔以便于螺栓穿 过。
[0037] 所述进出液管路包括进液主路1，所述进液主路1连接有数量与所述中间柱体数 量一致的进液支路3,所述进液支路3与所述顶盖8上的支进液孔连接（所述进液支路3上 设置有进液支路阀门2);所述底盖10的圆心处设置有直径为55mm的支出液孔4,所述支出 液孔4连接有出液支路5 ;所述出液支路5连接有出液主路7,所述出液主路7连接至藻液 收集罐21 ;其中，出液支路5采用内径为40mm的PVC排水管，出液支路5上设置有出液支 路阀门6,出液主路7采用内径为50mm的PVC排水管。
[0038] 所述支出液孔4的周边设置有多个进气孔23 ;所述进气孔23的下端连接有进气 管路11 ;进气管路11的规格为内径l〇mm、外径2mm、长30mm，材料为亚克力。
[0039] 所述中间柱体12的一侧设置有LED灯管15, LED灯管15的直径30mm、长1200mm、 功率26W，所述LED灯管15通过上支架14和下支架16与所述中间柱体12固定连接，上支 架14和下支架16均采用亚克力材料制作，通过与中间柱体12的外壁焊接固定；所述支持 平台20上设置有与LED灯管15连接的LED功率可调开关17。
[0040] 所述中间柱体12的内部设置有pH检测电极18和温度传感器19 ;本发明光生物 反应器在运行时，pH检测电极18和温度传感器19需要完全没入培养液中，以便于收集相 关数据。
[0041] 更进一步的，如图2所示，所述进气孔23的上端设置有出气弯管24,所述出气弯管 24与所述进气管路11连通。
[0042] 优选的，如图3所示，所述出气弯管24由坚直部241和弯曲部242组成，坚直部 241和弯曲部242形成的夹角b为45°。
[0043] 优选的，如图4所示，所述弯曲部242在所述底盖10上的投影与所述坚直部241 与所述支出液孔4的连接线形成的夹角a为45°。
[0044] 上述可知，所述进气管路11通入的气体经过出气弯管24排出，由于底盖10为圆 形，四个出气弯管24所形成的气流能够对底盖10进行无死角冲击，并中间柱体12内形成 涡流；沉淀于中间柱体12底部的底栖微藻跟随涡流上升，使底栖微藻能够悬浮在中间柱体 12内的培养液中，在运动状态下接受LED光源的照射，使得气升式曝气效果更佳。
[0045] 应用上述光生物反应器培养底栖微藻的方法，其特征在于包括以下步骤：
[0046] (1)蒸汽消毒
[0047] 在光生物反应器运行前，需要进行高温蒸汽消毒；首先关闭顶盖排气孔9、出液支 路阀门6、进气管路11，打开进液支路阀门2、出液支路阀门6。高温蒸汽由出液主路7进入， 由进液主路1排出，蒸汽消毒的过程持续一小时，以实现光生物反应器内的消毒。
[0048] (2)装液
[0049] 关闭出液支路阀门6,打开顶盖排气孔9并用脱脂棉封口，将二氧化碳和空气的混 合气体过滤后由进气管路11进入光生物反应器，实现气升式曝气功能，即使得底栖微藻在 培养过程中，不断在腔内翻滚而不会发生沉降；此时初级藻种液由进液主路1流入，再分别 通过进液支路3将初级藻种液注入中间柱体12 ;待中间柱体12进液完成后，由进液主路1 通过进液支路3再次注入配制好的培养液；
[0050] (3)光照
[0051] 当中间柱体12装液完毕后，检查进液支路阀门2是否完全关闭；打开LED功率可 调开关17,实现持续光照，保证光合作用顺利稳定进行；通过pH检测电极18与温度传感器 19实时监测，保持培养过程中pH范围在7. 5?10. 5之间，温度控制在25?40°C之间；pH 值可由二氧化碳通入量进行调节，温度可由室内空调调节。
[0052] ⑷培养
[0053] 培养时间为5?10天，当微藻个数达到2*105个/毫升以上时，进行采收；采收过 程中，保持进气管路11持续进气，打开出液支路阀门6,使培养腔内的藻液均匀通过出液主 路7进入藻液收集罐21。
[0054] (5)连续性培养
[0055] 当每个中间柱体12剩余的藻液为20?30L时，关闭出液支路阀门6,打开进液支 路阀门2,由进液主路1分别通过进液支路3注入配制好的培养液，实现连续性培养；连续 性培养次数控制在3?5次，再次培养时，需要对光生物反应器进行步骤（1)的蒸汽消毒作 业。
[0056] 优选的，所述步骤（2)中二氧化碳和空气的混合气体的体积比为:Vsn = 2%?5%，其目的在于以弥补培养过程中二氧化碳的不足。
[0057] 优选的，所述步骤（2)中每个中间柱体12注入初级藻种液的液量为20?30L。
[0058] 优选的，所述步骤（2)中每个中间柱体12注入培养液的液量为80?90L。
[0059] 优选的，所述步骤（5)中每个中间柱体12注入培养液的液量为80?90L
[0060] 上述步骤（2)和步骤（5)中注入的用于培养底栖微藻的培养液，各组分的浓度 范围分别为：NaN0 3 :17· 0 ?13. Og/L、Κ2ΗΡ04 :4· 0 ?1. Og/L、MgS04 · 7H20 :4· 0 ?2. Og/L、 CaC12 · 2H20 :2. 0 ?1. Og/L、柠檬酸：0· 5 ?0· lg/L、柠檬酸铁铵：0· 5 ?0· lg/L、EDTANa2 : 0· 1 ?0· 3g/L、Na2C03 :2. 0 ?0· 5g/L、Η3Β03 :3. 5 ?1. 5g/L、MnC12 · 4H20 :3. 0 ?1. Og/L、 ZnS04 · 7H20 :0· 8 ?0· lg/L、Na2Mo04 · 2H20 :0· 8 ?0· lg/L、CuS04 · 5H20 :0· 2 ?0· 05g/L、 C〇(N03)2 · 6H20 :0· 1 ?0· 02g/L。
[0061] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本【技术领域】的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰 也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种用于培养底栖微藻的光生物反应器，其特征在于包括反应器和进出液管路；所 述反应器包括至少一个中空结构的中间柱体，所述中间柱体的顶端螺栓连接有顶盖，其底 端密封有底盖；所述顶盖开有顶盖排气孔和支进液孔；所述进出液管路包括进液主路，所 述进液主路连接有数量与所述中间柱体数量一致的进液支路，所述进液支路与所述顶盖上 的支进液孔连接，所述进液支路上设置有进液支路阀门；所述底盖的圆心处设置有支出液 孔，所述支出液孔连接有出液支路；所述出液支路连接有出液主路，所述出液主路连接至藻 液收集罐；所述底盖在所述支出液孔的周边设置有多个进气孔；所述进气孔的下面连接有 进气管路；所述中间柱体的外侧设置有LED灯管，所述LED灯管通过支架与所述中间柱体的 外壁固定连接；所述LED灯管连接有LED功率可调开关；所述中间柱体的内部设置有pH检 测电极和温度传感器。
2. 根据权利要求1所述的一种用于培养底栖微藻的光生物反应器，其特征在于所述底 盖在所述进气孔的上面设置有出气弯管，所述出气弯管与所述进气管路连通。
3. 根据权利要求1所述的一种用于培养底栖微藻的光生物反应器，其特征在于所述出 气弯管由坚直部和弯曲部组成，坚直部和弯曲部形成的夹角为45°。
4. 根据权利要求1所述的一种用于培养底栖微藻的光生物反应器，其特征在于所述弯 曲部在所述底盖上的投影与所述坚直部与所述支出液孔的连接线形成的夹角为45°。
5. 应用权利要求1-4之一所述的光生物反应器培养底栖微藻的方法，其特征在于包括 以下步骤： (1) 蒸汽消毒 在光生物反应器运行前，需要进行高温蒸汽消毒；首先关闭顶盖排气孔、出液支路阀 门、进气管路，打开进液支路阀门、出液支路阀门；高温蒸汽由出液主路进入，再由进液主路 排出； (2) 装液 关闭出液支路阀门，打开顶盖排气孔并用脱脂棉封口，将二氧化碳和空气的混合气体 过滤后由进气管路通入中间柱体的内部；随后将初级藻种液由进液主路流入，再分别通过 进液支路将初级藻种液注入中间柱体；待初级藻种液进液完成后，用同样的方法注入培养 液； (3) 光照 当中间柱体装液完毕后，检查进液支路阀门是否完全关闭；打开LED功率可调开关，对 中间柱体进行持续光照；通过pH检测电极与温度传感器进行监测，保持培养过程中pH范围 在7. 5?10. 5之间，温度控制在25?40°C之间； (4) 培养 培养时间为5?10天，当微藻个数达到2*105个/毫升以上时，进行采收；采收过程 中，保持进气管路持续进气，打开出液支路阀门，使中间柱体内的藻液通过出液主路进入藻 液收集罐； (5) 连续性培养 当每个中间柱体的剩余藻液为20?30L时，关闭出液支路阀门，打开进液支路阀门，由 进液主路分别通过进液支路注入培养液，再次进行步骤（2)和（3)，以实现连续性培养；连 续性培养次数控制在3?5次，再次培养时，需要进行步骤（1)的蒸汽消毒操作。
6. 根据权利要求5所述的光生物反应器培养底栖微藻的方法，其特征在于所述步骤 ⑵中二氧化碳和空气的混合气体的体积比为:Vsn= 2%?5%。
7. 根据权利要求5所述的光生物反应器培养底栖微藻的方法，其特征在于所述步骤 (2)中每个中间柱体注入初级藻种液的液量为20?30L。
8. 根据权利要求5所述的光生物反应器培养底栖微藻的方法，其特征在于所述步骤 (2)中每个中间柱体注入培养液的液量为80?90L。
9. 根据权利要求5所述的光生物反应器培养底栖微藻的方法，其特征在于所述步骤 (5)中每个中间柱体注入培养液的液量为80?90L。
【文档编号】C12M1/34GK104152344SQ201410378671
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】不公告发明人 申请人:天津爱微生物科技有限公司