一种高效低成本的间歇性混合微藻培养方法与流程

本发明涉及微藻培养技术领域，尤其是涉及一种高效低成本的间歇性混合微藻培养方法。

背景技术：

微藻是一类微小光合微生物的总称，与陆生植物相比，它具有生长速度快、光合作用效率高、固碳效率高、营养丰富以及其培养不占用宝贵的耕地资源等优点。由于具有上述优点，微藻在食品、水产动物饲料、生物能源、污水处理、碳减排等方面有巨大应用潜力，但受制于生产成本过高，目前难以大规模产业化应用。

在微藻培养过程中，混合是影响微藻生长的一个重要因素，这是因为其具有如下重要作用：1)促进传质，如无机碳、营养盐，特别是将光合作用产生的氧气排出去；2)提高细胞在光暗区间切换的频率，即闪光效应，较高的闪光效应能够提高微藻的光合作用效率；3)防止细胞沉降；4)防止温度梯度，避免局部温度过高。因此，提高混合强度和效率能够成倍提高微藻生产效率，但是连续的高强度混合必然导致较高的的操作成本和能耗成本。例如，开放池、平板式反应器、管式光反应器的混合能耗分别为4、53、2500wm^-3。如此高的混合必然导致较高的混合成本，其中开放池、管式反应器和平板反应器的混合成本分别是0.08、1.27和3.10欧元/kg微藻生物质，分别占到整个生产成本的1.6％、30.6％、52％。因此，降低混合能耗及操作成本是降低微藻生产成本的一个重要努力方向。

为了降低微藻培养的混合成本，朱陈霸和huang等人均开发了漂浮式光生物反应器，希望利用波浪能为微藻提供混合，从而降低成本。但是由于波浪的不稳定性，这些培养系统中容易积累较高浓度的溶氧，从而导致低下的生产效率和不稳定的生产。chen等人则建议利用太阳能技术提供混合所需要的电力，但是目前较高的太阳能发电高成本限制其在微藻培养上的应用。而vadiveloo和cuello等人通过停止培养系统夜间混合或是通气的方法来降低混合成本，如开放池只在白天的时候才进行混合，而夜晚则停止。但是该方法并没有降低白天的混合成本，而这才是主要的混合成本，而且这些研究且也没有确定停止混合或间歇混合的方法在白天能否支持微藻的高效生长。

技术实现要素：

本发明是为了解决目前微藻培养过程中连续的高强度混合所导致的高生产成本问题，提供了一种高效低成本的间隙性混合微藻培养方法，即混合和停止的连续重复操作的混合模式。该方法通过减少混合的操作时间来降低混合能耗的投入，从而达到降低生产成本的目的。

在本技术公开之前，现有培养技术为了获得较高的微藻生物质产率，都是为微藻培养提供连续的高强度混合。但是该方法也带来了巨大的能耗投入，从而导致较高的操作成本和生产成本。而有的研究着利用如波浪能等可再生能源来提供混合能量，但是这些能源的不稳定会导致生产效率的低下和不稳定的生产。相比之下，本发明所公开的技术利用间隙性混合模式来培养微藻，即混合和混合停止的连续重复操作的混合模式。该方法一方面通过提供高强度混合来维持微藻的高效生长，另一方面混合和混合停止的连续操作模式可以减少混合操作时间，从而降低混合成本。

具体的，本发明的技术方案如下：

一种高效低成本的间歇性混合微藻培养方法，包括如下步骤：

(1)将微藻培养基装入含有混合时间控制装置的微藻培养系统中，并将微藻接种到所述培养基中；其中，所述含有混合时间控制装置的微藻培养系统为将混合时间控制装置连接在微藻培养系统的混合装置上；所述混合时间控制装置为用于混合时间和混合停止时间控制和调节的装置；

(2)接通混合装置的电源，将所述微藻培养系统的混合装置将按照预设的混合：混合停止的时间间隔连续操作模式运转，以此来进行微藻培养。

根据上文技术方案，所述的微藻培养系统可以是但不限于：开放式跑道池和圆形池，平板式光生物反应器、管道式光生物反应器、柱式光生物反应器等封闭式光生物反应器、漂浮式光生物反应器。

根据上文技术方案，所述的混合装置包括搅拌桨、循环水泵、曝气的气石和管道。

根据上文技术方案，所述的混合时间控制装置包括电子阀、或含有编程用以控制电机以一定频率运转和停止的控制器。

根据上文技术方案，当所述的混合装置为曝气的气石和管道时，该装置主要用于基于曝气方式混合的控制，所述曝气的气石位于微藻培养系统的底部，所述微藻培养系统的底部与管道相连接，所述的电子阀可以以设定的频率控制气门的开和关。

根据上文技术方案，当所述的混合装置为搅拌桨或循环水泵时，该装置主要用于基于搅拌桨和循环水泵方式混合的控制，所述搅拌桨位于微藻培养系统的内部，所述循环水泵与微藻培养系统的底部相连，所述的控制器通过编好的程序向步进电机驱动器发送脉冲，步进电机接收信号带动搅拌桨以一定时间间隔旋转和停止。

根据上文技术方案，所述的混合时间可以是但不限于0.05-50s，混合停止时间可以是但不限于0.01-100s。

根据上文技术方案，优选的混合时间为0.05-6s，优选的混合停止时间为0.01-10s。

根据上文技术方案，所述的微藻培养利用的碳源包括醋酸、葡萄糖、乙醇、乙酸钠等有机碳源、co2、碳酸氢盐的至少一种。

与传统连续混合培养方法相比，本发明具有如下益处:

本发明提供了一种混合和混合停止的连续重复操作的间歇性混合微藻培养方法，该方法通过较少混合操作时间来降低混合操作成本。更为重要的是本方法在降低混合操作能耗的同时还可以维持微藻高效生产，因此本方法可以高效低成本地培养微藻。

附图说明

图1为间歇性曝气混合示意图。

图2为间歇性曝气混合对细鞘丝藻生长的影响。其中cm：连续混合，pm：间歇性混合。

图中：1、光生物反应器，2、电池阀，3、空气压缩机，4、光源，5、管道。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。下述内容仅仅是对本申请要求保护的范围的示例性说明，本领域技术人员可以根据所公开的内容对本申请的发明做出多种改变和修饰，而其也应当属于本申请要求保护的范围之中。

实施例1连续人工光照下歇性曝气混合对细鞘丝藻生长的影响

首先配制如下培养基：25.2gl^-1nahco3，2.5gl^-1nano3，0.04gl^-1cacl2·2h2o，1.0gl^-1k2so4，0.5gl^-1k2hpo4，0.2gl^-1mgso4·7h2o，0.01gl^-1feso4·7h2o，1.979gl^-1mocl2·4h2o，3.092gl^-1h3bo3，0.484gl^-1namo4·2h2o，0.23gl^-1znso4·7h2o，0.183gl^-1navo3，0.048gl^-1cocl2·6h2o，0.2gl-1cuso4·5h2o。

将上述5份培养基注入到高30cm、直径5.0cm的鼓泡式光生物反应器1中，其底部设置与鼓泡柱子连接的气石，用于向反应器1提供混合，通入的空气速率200mll^-1。其中上述4个反应器1的通气管道5分别与电磁阀2的一端连接，所述电磁阀2的另一端通过管道连接空气压缩机3，所述空气压缩机3用于通入空气。它们控制的间歇性混合模式分别为6:2、6:4、6:6、6:10(混合：停止混合，时间：秒)。作为对照，向最后一个反应器2中的通入连续的空气，通气速率不变。

最后按照0.189gl^-1的密度接入细鞘丝藻藻，并按照如下培养条件进行微藻的培养：温度设置为25℃，并用白炽灯提供连续光照，光强设置为150μmol.m^-2·s^-1的光照，培养时间为4天。

如图1所示，6:2、6:4、6:6(混合：停止混合，时间：秒)的间歇性混合模式的实验组可以产生同连续混合对照组相同水平的细胞密度，它们对应的最高细胞密度分别为1.76±0.03、1.75±0.04、1.72±0.05gl^-1，而连续混合培养的细胞密度为1.82±0.06gl-1。与此相比，具有较长混合间歇时间的实验组(6:10)产生了稍微低的细胞密度(1.66±0.04gl-1)，但这也只之比连续混合培养的低了8.9％。由于减少了曝气时间，6:2、6:4、6:6、6:10(混合：停止混合，时间：秒)的间歇性混合模式理论上可以节省25％、40％、50％、62.5％的混合成本。因此，本发明在节约能耗的同时还可以获得较高的生产效率。

对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。