一种基于毛细管仿生结构的微藻固定化培养装置及其方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于毛细管仿生结构的微藻固定化培养装置及其方法，包括密闭培养室，所述密闭培养室内底部均布有若干装有培养基溶液的集液盒，所述集液盒内部均设置有尾部触及集液盒内底部的载体，所述载体与水平面垂直，所述载体正上方均布有固定在密闭培养室内部用来支撑载体的支架，所述支架上方设置有对密闭培养室进行密封的盖板，所述盖板上对称设置有若干气孔，所述盖板中间设置有可调式分气泵装置，所述可调式分气泵装置通过输气管与设置于密闭培养室旁侧的二氧化碳气体发生装置以及气孔连接实现互通，以微孔结构的复合载体模拟植物的茎，通过毛细管效应将培养基溶液输送至载体表面供微藻生长。
【专利说明】一种基于毛细管仿生结构的微藻固定化培养装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明提供一种基于毛细管仿生结构的微藻固定化培养装置及其方法，属于生物工程应用领域。
【背景技术】
[0002]微藻是一种能进行光合作用并且广泛分布于海洋与淡水流域的水生浮游藻类，其本身富含蛋白质，并且繁殖速度快，培养周期短，无需利用大量的农耕地，可用药或作为可再生能源的原材料。目前广泛采用悬浮培养法对微藻进行培养，主要的培养形式有管式、平板式和跑道池式等。由于微藻是一种单细胞的微生物，细胞的直径小，培养密度低，因此培养和生物质采收的能耗大，导致微藻油成本居高不下，从而影响微藻产业化地发展。为了解决悬浮培养效率低、成本高的弊端，各国的研究人员已经开始对微藻的吸附式固定化培养进行了探索性的研究。其中，吸附式固定化培养方法相较以往可以使产量大幅增加，缺点是吸附式微藻固定化培养的吸附率较低，目前主要是通过水泵来驱动营养液的循环，因此存在水泵功率小时无法实现大范围的营养循环，而水泵功率大时营养液在载体表面冲刷力过大，导致固定的藻细胞脱落，并且需要提供额外的能量来支撑营养的循环，造成能量的浪费与培养成本的增加。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种通过仿生植物根茎体内的毛细管将培养基溶液输送至载体表面供微藻生长的微藻固定化培养装置及其方法。
[0004]本发明解决技术问题所采用的方案是一种微藻固定化培养装置，包括密闭培养室，所述密闭培养室内底部均布有若干装有培养基溶液的集液盒，所述集液盒内部均设置有尾部触及集液盒内底部的载体，所述载体与水平面垂直，所述载体正上方均布有固定在密闭培养室内部用来支撑载体的支架，所述支架上方设置有对密闭培养室进行密封的盖板，所述盖板上对称设置有若干气孔，所述盖板中间设置有可调式分气泵装置，所述可调式分气泵装置通过输气管与设置于密闭培养室旁侧的二氧化碳气体发生装置以及气孔连接实现互通。
[0005]进一步的，所述两相邻载体之间的距离不得大于20cm，所述载体为能够模拟植物蒸腾作用并实现培养基溶液自下往上流动的毛细管仿生结构，所述毛细管仿生结构由表面张力大、接触角小的骨架和无毒副作用且孔径、缝隙大小可调整的复合承载体组成。
[0006]进一步的，所述气孔布置形式为在密闭培养室长度方向上每隔30cm至40cm处设置一组对称的气孔。
[0007]进一步的，所述可调式分气泵装置内部集成有电子流量计，所述电子流量计配合二氧化碳气体发生装置实现对所需二氧化碳的精确调整。
[0008]进一步的，所述培养基溶液的使用量为在同等占地面积下24小时蒸发量的2倍以上，所述培养基溶液溶度随室温与光强的增加而减少，所述培养基溶液溶度具体为正常培养基溶液溶度的0.5至2.5倍。
[0009]进一步的，所述复合承载体纵向编制的孔隙需保持在I μ m至10 μ m以满足毛细管作用，所述复合承载体横向方向缝隙需保持在40μπ?至ΙΟΟμπ?以承载微藻生长的空间，所述复合承载体选取的数量不超过18片/m并且高度在20cm至200cm之间。
[0010]一种微藻固定化培养方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)制作载体上的毛细管仿生结构，即将微藻细胞接种于消毒之后的复合承载体上，接种方式采用喷洒、注射、浸没或滴液；
(2)接种之后将复合承载体贴附于载体的骨架表面，贴附之后使用垂直布置方式将载体尾部放入集液盒并与集液盒内底部接触；
(3)在集液盒中装入培养基溶液，并且培养基溶液的用量至少是24小时蒸发量的两倍以上；
(4)利用支架对载体进行固定并用盖板密封，形成隔绝外界干扰的可调小环境培养空间，密封后通过二氧化碳气体发生装置和可调式分气泵装置进行二氧化碳气体输送与调节，同时通过光照和温度使培养基溶液蒸发驱动培养基溶液液面沿着接种有微藻细胞的复合承载体上升，从而使载体的表面保持湿润，并且利用高强度的光照与适宜的高温提高液体的蒸发量从而在密闭的环境中营造出免于外界干扰的湿润气候，实现优化培养；
(5)培养过程中调节实验所需的光照强度、培养基溶液的溶度、二氧化碳含量、蒸馏水和温度，来实现微藻的快速生长；
(6)收获时将载体抽出，利用骨架部分作为支撑体将载体至于收集盒上方，并且与水平面成30°至60°，手持外置收集刀具固定于载体表面做往复刮削运动，将微藻细胞刮削至收集盒内。
[0011]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:基于毛细管仿生结构的固定化培养方式每平方米耗水量相较传统的跑道池培养方法可减少大约88%的培养基溶液消耗；本发明复合承载体的布置形式与结构延展了培养空间，利用空间光稀释原理提高了光合作用率，增长了微藻的产量；实现质液分离，可充分的利用空气中的二氧化碳，避免二氧化碳浓缩机制中消耗的能量，提高生物质产量、缩短培养周期；收获时使用刮削方法，省去了传统收获方法中的后处理过程，大大降低了收获成本；本发明是一种环境因素可变的装置，可以满足不同的条件下的实验需求；本发明通过毛细管作用，利用蒸发力作为驱动实现了培养基溶液在载体上自主的传输，避免了在传统固定化培养时培养基溶液在载体表面流动带来的冲刷，提高了微藻的吸附效率，在增加了微藻产量的同时降低了培养过程中的能耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]下面结合附图对本发明专利进一步说明。
[0013]图1为该发明的结构示意图；
图2为图1的局部放大视图；
图3为该发明的载体结构示意图；
图中:
1-输气管；2_ 二氧化碳气体发生装置；3_可调式分气泵装置；4_支架；5_盖板；6_载体；601-复合承载体；602_骨架；7_密闭培养室；8_集液盒；9_培养基溶液；10_气孔。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0015]如图1?3所示，一种微藻固定化培养装置，包括密闭培养室7，所述密闭培养室7内底部均布有若干装有培养基溶液9的集液盒8，所述集液盒8内部均设置有尾部触及集液盒8内底部的载体6,所述载体6与水平面垂直,所述载体6正上方均布有固定在密闭培养室7内部用来支撑载体6的支架4，所述支架4上方设置有对密闭培养室7进行密封的盖板5，所述盖板5上对称设置有若干气孔10，所述盖板5中间设置有可调式分气泵装置3，所述可调式分气泵装置3通过输气管I与设置于密闭培养室7旁侧的二氧化碳气体发生装置2以及气孔10连接实现互通。
[0016]在本实施例中，为了实现对载体表面微藻进行培养，所述两相邻载体6之间的距离不得大于20cm，所述载体6为能够模拟植物蒸腾作用并实现培养基溶液9自下往上流动的毛细管仿生结构，所述毛细管仿生结构由表面张力大、接触角小的骨架602和无毒副作用且孔径、缝隙大小可调整的复合承载体601组成。
[0017]在本实施例中，所述气孔10布置形式为在密闭培养室7长度方向上每隔30cm至40cm处设置一组对称的气孔10。
[0018]在本实施例中，为了保证输气管I输气均匀且可调，所述可调式分气泵装置3内部集成有电子流量计，所述电子流量计配合二氧化碳气体发生装置2实现对所需二氧化碳的精确调整。
[0019]在本实施例中，所述培养基溶液9的使用量为在同等占地面积下24小时蒸发量的2倍以上，所述培养基溶液9溶度随室温与光强的增加而减少，所述培养基溶液9溶度具体为正常培养基溶液溶度的0.5至2.5倍。
[0020]在本实施例中，所述复合承载体601纵向编制的孔隙需保持在I μ m至10 μ m以满足毛细管作用，所述复合承载体601横向方向缝隙需保持在40 μ m至100 μ m以承载微藻生长的空间，所述复合承载体601选取的数量不超过18片/m并且高度在20cm至200cm之间，实现了培养规模空间上的延展，利用了空间光稀释原理，提高了光合作用效率。
[0021]一种微藻固定化培养方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)制作载体6上的毛细管仿生结构，即将微藻细胞接种于消毒之后的复合承载体601上，接种方式采用喷洒、注射、浸没或滴液；
(2)接种之后将复合承载体601贴附于载体6的骨架602表面，贴附之后使用垂直布置方式将载体6尾部放入集液盒8并与集液盒8内底部接触；
(3)在集液盒8中装入培养基溶液9，并且培养基溶液9的用量至少是24小时蒸发量的两倍以上；
(4)利用支架4对载体6进行固定并用盖板5密封，形成隔绝外界干扰的可调小环境培养空间，密封后通过二氧化碳气体发生装置2和可调式分气泵装置3进行二氧化碳气体输送与调节，同时通过光照和温度使培养基溶液9蒸发驱动培养基溶液9液面沿着接种有微藻细胞的复合承载体601上升，从而使载体6的表面保持湿润，并且利用高强度的光照与适宜的高温提高液体的蒸发量从而在密闭的环境中营造出免于外界干扰的湿润气候，实现优化培养； (5)培养过程中调节实验所需的光照强度、培养基溶液9的溶度、二氧化碳含量、蒸馏水和温度，来实现微藻的快速生长；
(6)收获时将载体6抽出，利用骨架602部分作为支撑体将载体6至于收集盒上方，并且与水平面成30°至60°，手持外置收集刀具固定于载体6表面做往复刮削运动，将微藻细胞刮削至收集盒内。
[0022]具体实施过程:
实施例一:
使用两块长度为50cm，宽度为1cm的毛料作为复合承载体601，分别将其浸没于Modified Basal培养基内30分钟，使其完全湿润，之后拧干，分别接入0.03g的生物量，尽量使微藻细胞均匀分布于复合承载体601的表面，接种之后将其分别固定于集液盒8内，两相邻复合承载体601距离为6cm，通过光稀释原则可知理论光稀释倍数约为6。接着分别在集液盒8内加入500ml的Modified Basal培养基溶液9，浸没复合承载体601的高度都为3.5cm，在密闭培养室7中通入二氧化碳含量为5%的空气，保持温度为28°C，光照为15000Lux,培养的周期为5天，并且在每天的培养过程中补充60ml的培养基溶液9，培养结束后使用刮削的方式将微藻收获，使用85°C烘干24小时，最终获得的生物量为1.023g，在5天的培养过程中增长了 0.963g，培养单元的占地面积为0.006m2，微藻的单位面积产率为32.lg/m2/d。
[0023]实施例二:
使用两块长度为50cm，宽度为1cm的毛料作为复合承载体601，分别将其浸没于Modified Basal培养基内30分钟，使其完全湿润，之后拧干，分别接入0.03g的生物量，尽量使微藻细胞均勻分布于复合承载体601的表面,接种之后,将其分别贴附于相同尺寸的玻璃(作为骨架602)组成载体6后，分别固定于集液盒8内，两相邻载体6距离为6cm，通过光稀释原则可知理论光稀释倍数约为9.3。接着分别在集液盒8内加入500ml的ModifiedBasal培养基溶液9，浸没载体6的高度都为3.5cm，在密闭培养室7中通入二氧化碳含量为5%的空气，保持温度为28°C，光照为15000Lux，培养的周期为5天，并且在每天的培养过程中补充120ml的培养基溶液9，培养结束后使用刮削的方式将微藻收获，使用85°C烘干24小时，最终获得的生物量为1.42935g，在5天的培养过程中增长了 1.36935g，培养单元的占地面积为0.006m2，微藻的单位面积产率为45.645g/m2/d。
[0024]实施例三:
使用两块长度为50cm，宽度为1cm的毛料作为复合承载体601，分别将其浸没于Modified Basal培养基内30分钟，使其完全湿润，之后拧干，分别接入0.03g的生物量，尽量使微藻细胞均勻分布于复合承载体601的表面,接种之后,将其分别贴附于相同尺寸的玻璃(作为骨架602)组成载体6后，分别固定于集液盒8内，两相邻载体6距离为6cm，通过光稀释原则可知理论光稀释倍数约为5.8。接着分别在集液盒8内加入500ml的ModifiedBasal培养基溶液9，浸没载体6的高度都为3.5cm,在密闭培养室7中通入二氧化碳含量为5%的空气，保持温度为28°C，光照为15000Lux，培养的周期为5天，并且在每天的培养过程中补充120ml的培养基溶液9，培养结束后使用刮削的方式将微藻收获，使用85°C烘干24小时，最终获得的生物量为1.848g，在5天的培养过程中增长了 1.788g，培养单元的占地面积为0.006m2 ,微藻的单位面积产率为59.6g/m2/d。
[0025]上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种微藻固定化培养装置，其特征在于:包括密闭培养室，所述密闭培养室内底部均布有若干装有培养基溶液的集液盒，所述集液盒内部均设置有尾部触及集液盒内底部的载体，所述载体与水平面垂直，所述载体正上方均布有固定在密闭培养室内部用来支撑载体的支架，所述支架上方设置有对密闭培养室进行密封的盖板，所述盖板上对称设置有若干气孔，所述盖板中间设置有可调式分气泵装置，所述可调式分气泵装置通过输气管与设置于密闭培养室旁侧的二氧化碳气体发生装置以及气孔连接实现互通。
2.根据权利要求1所述的微藻固定化培养装置，其特征在于:所述两相邻载体之间的距离不得大于20cm，所述载体为能够模拟植物蒸腾作用并实现培养基溶液自下往上流动的毛细管仿生结构，所述毛细管仿生结构由表面张力大、接触角小的骨架和无毒副作用且孔径、缝隙大小可调整的复合承载体组成。
3.根据权利要求1所述的微藻固定化培养装置，其特征在于:所述气孔布置形式为在密闭培养室长度方向上每隔30cm至40cm处设置一组对称的气孔。
4.根据权利要求1所述的微藻固定化培养装置，其特征在于:所述可调式分气泵装置内部集成有电子流量计，所述电子流量计配合二氧化碳气体发生装置实现对所需二氧化碳的精确调整。
5.根据权利要求1所述的微藻固定化培养装置，其特征在于:所述培养基溶液的使用量为在同等占地面积下24小时蒸发量的2倍以上，所述培养基溶液溶度随室温与光强的增加而减少，所述培养基溶液溶度具体为正常培养基溶液溶度的0.5至2.5倍。
6.根据权利要求2所述的微藻固定化培养装置，其特征在于:所述复合承载体纵向编制的孔隙需保持在I μ m至10 μ m以满足毛细管作用，所述复合承载体横向方向缝隙需保持在40 μ m至100 μ m以承载微藻生长的空间，所述复合承载体选取的数量不超过18片/m并且高度在20cm至200cm之间。
7.一种微藻固定化培养方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)制作载体上的毛细管仿生结构，即将微藻细胞接种于消毒之后的复合承载体上，接种方式采用喷洒、注射、浸没或滴液； (2)接种之后将复合承载体贴附于载体的骨架表面，贴附之后使用垂直布置方式将载体尾部放入集液盒并与集液盒内底部接触； (3)在集液盒中装入培养基溶液，并且培养基溶液的用量至少是24小时蒸发量的两倍以上； (4)利用支架对载体进行固定并用盖板密封，形成隔绝外界干扰的可调小环境培养空间，密封后通过二氧化碳气体发生装置和可调式分气泵装置进行二氧化碳气体输送与调节，同时通过光照和温度使培养基溶液蒸发驱动培养基溶液液面沿着接种有微藻细胞的复合承载体上升，从而使载体的表面保持湿润，并且利用高强度的光照与适宜的高温提高液体的蒸发量从而在密闭的环境中营造出免于外界干扰的湿润气候，实现优化培养； (5)培养过程中调节实验所需的光照强度、培养基溶液的溶度、二氧化碳含量、蒸馏水和温度，来实现微藻的快速生长； (6)收获时将载体抽出，利用骨架部分作为支撑体将载体至于收集盒上方，并且与水平面成30°至60°，手持外置收集刀具固定于载体表面做往复刮削运动，将微藻细胞刮削至收集盒内。
【文档编号】C12M1/00GK104328033SQ201410691735
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】沈英, 范志翔, 赵云, 徐新苗 申请人:福州大学