一种光合微生物的培养方法及光生物反应器与流程

本发明涉及光合微生物的培养领域，具体涉及一种静态薄层液体培养模式的培养方法及光生物反应器。

背景技术：

光合微生物是一类以光为唯一或主要能量来源而生活的微生物，包括微藻、蓝细菌等含有叶绿素、可进行光合作用的微生物。这类微生物有着重要的生物利用价值，特别是微藻，富含蛋白质，可作为水产饵料或畜禽饲料(如螺旋藻)；更重要的，某些微藻在特定条件下能够大量合成次生代谢物，如油脂、类胡萝卜素、多糖等，这些物质往往是具有极高经济价值的生物活性物质，可以用在功能食品、食品添加剂、制药、生物能源等领域。其中，通过微藻大规模培养提取微藻油脂，进而转化成液体燃料、如生物柴油被认为是解决生物能源生产与固碳减排的最重要途径之一。

微藻大量培养已有几十年历史，目前的工业化微藻培养为液体浸没式，即以大量培养液作为微藻生长的介质，将藻种浸没在培养液内进行培养。浸没式培养又主要包括开放式培养池与密闭式光生物反应器(photo-bioreactor，PBR)两种形式。

开放式培养池的优点在于建造和运行的成本较低，然而，液体表面下部藻细胞受光度弱，池底细胞往往难以接受到充分光照，而且，开放池占地面积大，在培养时还需使用大功率的搅拌装置和曝气设备。此外，开放式培养池受外部自然环境影响很大，易受到细菌体和病虫害的污染，直接影响藻的生长和生物质增殖。

与此相比，密闭式PBR一般是采用透光材料(如玻璃、有机玻璃、塑料薄膜等)制成光径小的容器。如卧式或立式玻璃管、平板式玻璃水槽等现有光生物反应器，其培养体系的光照面积/体积比较大，细胞光照较充分，光合微生物细胞培养密度较开放式培养池更高，环境条件可控性强，更不易受外部环境污染。但是密闭式PBR同样也需要循环\搅拌装置、曝气装置， 而单位空间体积的有效培养面积较小。而且，该类PBR通常其本体的造价较昂贵，运行维护成本高，难于规模化培养，无法达到理想的产业化目标，这些是实现微藻规模化产业最直接的制约因素，也是微藻产品成本无法达到大众化消费目标的原因。同时，这些传统的浸没式培养方式，由于必须使用搅拌、曝气、循环机械等，因此无法供一些特殊藻类的高效培养，如发菜、葛仙米及地皮菜。

另外，密闭式光生物反应器若采用玻璃材质，由于玻璃容器通常采用吹制工艺，要制作大型的、适于规模化生产的玻璃容器，目前存在很大的技术难度，即使是中小型试验用的玻璃管，其造价也相当高，而在连接组装过程中，还要借助许多连接组件，如专用的连接胶套，连接头，U形弯管等，还会经常出现玻璃管或连接组件的破损，维护起来也有困难。

前述的开放式、封闭式由于培养液在不停的循环和流动，因此，一旦培养液的局部被污染，则很快在全部的培养液范围内产生爆发性的污染；而固态的培养方式，经常是通过顶部的供液装置给多孔质材料表面供液，故同样无法避免污染源的快速传播。

另外，还有一类固态培养的光生物反应器，将藻种附着在能够吸附并释放水分的多孔质材料表面，通过慢慢向多孔质材料供应培养液，供附着其上的藻种生长。然而这种固态培养方法，往往在很大程度上要依赖多孔质材料的保水性能以及藻种附着特性，若材质保水性差，则需要不停地供水，耗费能量；而若藻种附着性差，藻种易脱离，则无法使藻种正常生长。这些多孔材质往往是不透光材料，会吸附较多光能，藻种对光的利用效率不高，其多孔性还会让藻种进入其内堵塞孔道，给后续供液、收获、清洁及消毒带来困难。而且，该固态培养方式往往非常不适用于体积较大的藻类，如发菜、葛仙米及地皮菜等的培养。

综上所述，现有的光生物反应器大致存在如下一些技术问题：①、开放式跑道池占地大，培养密度低，培养液循环能耗高，易受外界污染；②、密闭式的透光容器造价高，尤其玻璃容器，受限于玻璃加工工艺的特殊性，无法一次成型，制造成本、安装及维护成本都非常高，且同样存在细胞密度低，空间利用度不足，能耗高的问题。③、无论是开放式跑道池还是密闭式透光容器，都需要消耗大量培养液和能量，收获时培养液浓度低，需经过繁琐的分离、过滤和干燥处理程序的技术缺陷，无法降低微藻产品成 本。④固态培养光生物反应器，对于材质本身的依赖性很大、光利用效率低，其适用性也比较受局限，其供液装置是一种耗能装置，故无法更进一步降低培养成本。⑤现有的光生物反应器均不利于污染源的有效隔离与控制。

为此，本发明人希望能够提供一种造价成本低廉、单位空间体积有效培养面积更大、光能利用效率高、培养能耗低、适用性广、收获程序简化及适于藻大规模产业化培养的光生物反应器，以便整体降低微藻的生产成本。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种有别于传统的、产率高，能耗少、适用性广、适于规模化培养光合微生物的培养方法及光生物反应器。

为此目的，提供了一种光合微生物培养方法，所述方法是将光合微生物接种到薄层的液态培养基中培养，其中培养液的厚度不大于10cm，在培养周期内不对培养液做任何均质化操作，向该培养液提供光源照射。

其中，所述培养液以层状在竖直高度上层叠。

根据所述的培养方法，本发明还涉及一种光生物反应器，其包括在至少一个板体，所述板体沿水平方向延伸，具有相反的上表面和下表面，并且在外围设有从相应板体的上表面向上延伸的围堰部，所述板体的上表面和围堰部的内表面形成用于容纳培养目标光合微生物(下文中简称“光生物”)的培养液的空间，其中，所述围堰部的高度不大于10cm。

借助上述特征，可使本发明的光生物反应器在培养微藻的时候，培养液的最大厚度不超过10cm，因而可在不搅拌的情况下，处于培养液底层的光合微生物依然可以接收到充分的光照，节省了由于搅拌、混合等均质化所需的巨大能耗。

根据一个可行实施方式，所述光生物反应器包括多个所述板体，所述多个板体在竖直方向上层叠布置，且所述多个板体被支撑使得相邻的板体之间间隔一预定距离。

根据一个可行实施方式，相邻的板体之间设置多个支撑柱，所述支撑柱用于支撑上面的板体。

根据一个可行实施方式，所述围堰部与相应板体一体地形成，或者单 独形成之后被附接到相应板体。

根据一个可行的实施方式，所述支撑柱与相应板体一体地形成，或者单独形成之后被附接到相应板体的下表面。

根据一个可行实施方式，所述围堰部相对于相应板体的上表面成大于或等于90度的倾角。

根据一个可行实施方式，所述围堰部高出相应板体的上表面1mm-10cm，优选为1mm-5mm、10mm-30mm或30mm-100mm。

根据一个可行实施方式，所述围堰部由与板体相同或不同的材料制成，和/或所述支撑柱由与板体相同或不同的材料制成。

根据一个可行实施方式，所述支撑柱是具有圆形、长方形或方形横截面的柱或管的形式。

根据一个可行实施方式，所述板体由透光的玻璃或透光率高的塑料制成。

根据一个可行实施方式，所述板体由下述材料之一制成：玻璃，GPPS，透明ABS，AS(苯乙烯丙烯腈)，PVC、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，PC(聚碳酸脂)，PS(聚苯乙烯)。

根据一个可行实施方式，所述板体由平板玻璃制成，并且所述围堰部是附接到板体的胶条，优选为透明胶条，即在该平板玻璃的四周粘接一圈透明胶条形成一个培养液的容纳空间。

根据一个可行实施方式，所述板体由有机材料制成，并且所述围堰部与板体一体成型。

根据一个可行实施方式，各板体之间的间距相同或不同。

根据一个可行实施方式，所述各板体的尺寸从上至下依次增大，使光生物反应器的至少一侧呈现出斜面状。该斜面的一侧设有光源，借助斜面，可使两层板体之间进入更多的光线。

根据一个可行实施方式，所述板体的规格为长度10m×宽度1m，相邻板体之间的间距为0.04m。

根据一个可行实施方式，所述支撑柱上形成于光能够透过的孔。

根据本发明的光生物反应器，进行光生物培养的板体为平板结构，其加工制造简单、成本低，而且能够做到单个板体的培养面积较大，厚度也可以相对较薄，透明度可以很高。多个板体(平板)竖直层叠设置，使结 构集成化，单位占地空间的有效培养面积最大化，具有显著的比表面积优势。由于各板体为透明度材质，所以受光面积大，光利用效率非常高。采用本发明的光生物反应器，各层板体上的藻液被摊薄，以其一个表面直接与环境接触，故可以充分与空气中CO₂接触和吸收的同时，还充分接收外部的光照，使培养液最底层的光合微生物也可以接收到光源，减少遮挡；结构的集成化有利于反应器的固定、以及提高空间利用效率。运用本发明的方法和光生物反应器培养微藻过程中，不需要大量的水体，更无需输送\循环机械或搅拌操作，节省了输送、循环和搅拌能耗，又能很好地获得光照，有效控制局部污染源的爆发性扩散；在收获时，由于培养液量少，降低了所培养的光生物与培养液分离难度，缩短了收获周期，能够获得显著的经济效益。本发明的光生物反应器开创了一种薄层、静态的培养方式，是一种介于浸没式培养与固态式培养之间的全新培养模式，更可应用于体积和形态千差万别的各种藻类的养殖。

附图说明

本发明的上述和其它方面、优势和特征将通过参考附图给出的实施例进行详细的描述。但是，本领域内的技术人员应理解，图中示出的实施例仅仅用来说明本发明的原理，而不意于限制本发明的范围。本发明的保护范围仅由权利要求限定。其中：

图1是根据本发明优选实施例的光生物反应器的立体图；

图2是图1的正视图；以及

图3是沿图1中A-A的剖视图。

图4是与根据本发明的光生物反应器形成对比的卧管式管道光生物反应器的立体图。

图5是在200m²的占地面积内采用图4中的反应器进行光生物培养的空间布局示意图。

图6是在200m²的占地面积内采用图1的光生物反应器进行光生物培养的空间布局示意图。

具体实施方式

总体上，本发明提供的光生物反应器是一种多层板体层叠的光生物反 应器，其包括在竖直方向上层叠且呈预定间距布置的多个板体，所述多个板体沿水平方向延伸，每个板体具有用于放置培养目标光生物的培养液的上表面和相反的下表面，每个板体的外围设有从相应板体伸出的倾斜于相应板体的上表面向上延伸的围堰部。

图1至3示出了根据本发明优选实施例的光生物反应器100。

从图中可以看出，光生物反应器100包括在竖直方向上层叠布置的多个板体20和位于相邻的板体之间的多个支撑柱40。各板体20沿水平方向延伸，并且具有用于放置培养目标光生物的培养液的上表面22和相反的下表面24。每个板体20的外围设有从相应板体20伸出的倾斜于相应板体20的上表面22向上延伸的围堰部26。

各板体20形成光生物反应器的培养板，即，各板体20的上表面22、板体20的围堰部26的内表面限定盛纳培养液的空间30。

形成光生物反应器的板体20可采用由玻璃材料或有机材料制成的透明平板。相对于管状的、槽状的、或罐状的光生物反应器而言，根据本发明的由平板构成的光生物反应器加工制造简单、成本低，而且能够做到单个培养板的培养面积较大，厚度也可以相对较薄，透明度可以更高。

各板体20在竖直方向上层叠布置，使结构集成化，单位占地空间的有效培养面积最大化。

由于各板体20的材料为透明度高的材质，在藻的培养初期，由于各板体20上的藻还未形成深绿色的生物膜，故来自外部的光可以透过各层板体20上表面达到相邻的下层板体的培养液面上，同样也可以从各层板体20的下表面到达上层板体的培养液面上，光照效率较高。光源从板体20的上表面直接照射上面的藻细胞并且透过板体20而照射到在下面的板体20的上表面22上培养的光生物细胞，所以受光面积大，光利用效率非常高。

利用本结构的光生物反应器，使用的水体少，所以光生物的培养无需搅拌，节省能耗。另外，由于水量少，收获时可以减少工序并且因而降低收获成本。因而，利用本结构的光生物反应器培养光生物为静止培养，培养过程中无需提供输送或搅拌动力，又能很好地获得光照。

根据本发明，各板体20的围堰部26可以与板体20一体形成，也可以单独形成之后附接到板体20。

在板体20由玻璃材料制成时，围堰部26可以是粘接到板体20外围的 一圈胶条，优选透明胶条。对于有机材料的板体20来说，围堰部26可以与板体20一体成型。

形成板体20的材料可以为玻璃或透光率高的塑料，如GPPS，透明ABS，AS(苯乙烯丙烯腈)，PVC、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，PC(聚碳酸脂)，PS(聚苯乙烯)等。形成围堰部26的材料可以是与板体20相同的材料，也可以用其它透明材料，如胶条、玻璃胶等。

围堰部26与板体20的上表面22成大于或等于90度的角度，以便于在上表面22上培养的光生物被以高压水/气吹出至板体20外，从而实现光生物的收获；较佳地是围堰部26与板体20的上表面22成大于90度的角度并且在两者结合处之间形成圆角，防止形成收获死角或清洁死角。可选地，所述围堰部26高出相应板体20的上表面22的距离为1mm-10cm，优选为1mm-5mm。

各板体20之间的间距根据光源布置、光生物的培养和收获要求来确定。

支撑柱40的形状、材料、数量、间距以及布置方式可以不限制，只需支撑柱40具有一定强度，足够支撑在上面堆叠的板体20及其上表面22上的培养液。优选地，支撑柱40采用透明材质，如玻璃、亚克力、PC等材质。支撑柱40可具有任何适宜的形状，包括但不限制于圆柱形、圆管形、方形、长条形等。

在图示实施例中，支撑柱40被成排布置。另外可选地，支撑柱40上设置有用于使光能够透过的孔。

对于玻璃板体20而言，支撑柱40可以用玻璃柱，也可以是非玻璃柱。支撑柱40可以与上面和下面的板体20都分离，也可以粘接于上面板体20的下表面24。

对于由有机透明材料制成的板体20而言，支撑柱40可以与板体20一体成型。

采用根据本发明的光生物反应器100，实现了很大程度上增大比表面积的技术目的。然而，这可能导致本来水量很少的培养液快速蒸发的问题，为此，本发明的光生物反应器可进一步设置能够向各板体20补充培养液的培养液滴注装置50，培养液滴注装置50在图3中示意性示出了，以及可选地，可配置测量各板体20的精准液位的液位监测器(未示出)。另外在图3中示出了光源60。

另外可选地，本发明的光生物反应器可还包括将光生物反应器包封起来的透光膜罩，为其内部的层叠的板体上培养的光合微生物提供恒定温度、空气湿度的氛围。这可以减少水分的蒸发，给光生物的培养创造最为适宜的生长条件，如此可在光合微生物的培养周期内，无需再补充供应培养液。

根据本发明的光生物反应器，不需要大量的水体，因此在收获、浓缩、干燥、水处理等环节，就可以降低大量的工作量和能耗，从而降低收获时的综合成本，获得显著的经济效益产率高，适于规模化培养。

光生物反应器的光照面积是评价光生物反应器培养效率的一个最为关键因素之一。下面，针对相同的培养液体积，使本发明的光生物反应器与传统的卧管式光生物反应器二者接受到光照的面积比较，来说明本发明的光生物反应器的优势。

接受光照面积的比较：

传统卧管式光生物反应器：1L体积量藻液，占据直径为50mm的玻璃管道，经计算其受光表面积为：0.04m²。

本发明的光生物反应器：1L体积量藻液，液面厚度3mm，双面受光面积为：0.66m²。可见，相同体积的藻液接受光照面积提高约16.67倍。

为了更进一步说明本发明光生物反应器的优势，下面再以实例的形式说明根据本发明的光生物反应器的优势。

与根据本发明的光生物反应器形成对比的是在图4中以透视图给出的卧管式管道光生物反应器200，箭头表示培养液进入和流出反应器200。

以200m²的占地面积为例(图5-6数字单位均为mm)，如图5所示，因为要布置与反应器200配套使用的泵210和曝气池220，所以只能布置4套如图4示的卧管式管道光生物反应器。假设每套卧管式管道光生物反应器的高度为2.5m，总培养体积量4000L，在10天的培养时间内，以生物质产量3g/L计算，共收获干物质12kg。

同样在200m²的占地面积中，如图6所示采用根据本发明的光生物反应器，不需要如图5所示的附加配套设施，所以能够布置50个反应器100。假设反应器100的高度同样为2.5m，由平板玻璃制成的板体20规格为2.0×0.8m，相邻板体20之间的间距为10mm，每个反应器100可层叠250层，每个反应器培养面积400m²，则50个反应器100的总培养面积为400×50＝20000m²。保守计算每天每平米培养生物质量1g/m²/d，同样培养 周期10天，则生物质产量为：10d×20000m²×1g/m²/d＝200kg。

由上述对比可知，相同占地面积和占地空间的情况下，采用根据本发明的具有多层板体层叠的光生物反应器所得到的生物质产量大约是采用卧管式管道光生物反应器所得到的生物质产量的16.67倍。

与需要大量水体、需要大量功耗来输送培养液、而且还需要搅拌装置的传统的管道式光生物反应器相比，根据本发明的光生物反应器为静止培养，不需要大量的水体，培养过程中无需输送或搅拌操作，节省了输送和搅拌动力，又能很好地获得光照。另外，培养液浓度远远高于传统的管道式光生物反应器，因此在收获、浓缩、干燥、水处理等环节，就可以降低大量的光生物-培养液分离的工作量和能耗，从而降低收获时的综合成本，获得显著的经济效益。

由于本发明首次开创了在培养过程采用静态(不用搅拌)、薄层(培养液量少,光利用度高)液体培养基的培养方式，将光合微生物置于适宜培养液量中进行培养，故非常适用于体积和形态较大的单细胞藻类的培养，包括发菜、葛仙米及地皮菜等等。