自适应式微藻光生物反应系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光生物反应系统及方法，具体涉及一种自适应式微藻光生物反应系统及营养物质自动补充的方法。
【背景技术】
[0002]在环境污染和能源短缺的大背景下，微藻作为一种单细胞微生物，可利用电厂废气中的二氧化碳作为生长底物，在实现二氧化碳减排的同时通过其自身的生化代谢反应产生脂肪酸、蛋白质、维生素、DHA等诸多高附加值产物。其中，脂肪酸可通过转酯化反应生成生物柴油，在一定程度上缓解能源短缺的压力；而蛋白质、维生素、DHA等物质可通过进一步加工转化为对人类具有极高价值的生物医药及营养品。因此，微藻因具有很高的应用价值而受到了越来越广泛的关注。
[0003]在微藻的生长过程中，氮、磷、钾、镁等无机盐离子是微藻生长所必不可少的营养物质。氮离子(主要为硝酸根、铵根及尿素等)是微藻细胞内多种酶及核酸、蛋白质等的重要组成成分。氮元素被微藻细胞同化后会转化成细胞骨架上的α-氨基酸，直接参与微藻细胞骨架的构建。磷元素(主要为磷酸盐形式)也是藻细胞内诸多大分子和细胞膜的重要组成成分。而钾、镁等离子会通过影响微藻细胞内叶绿素及多种酶的含量和成分而间接影响微藻细胞的生长和代谢。因此，氮、磷、钾、镁等离子对微藻的生长代谢起到了极其重要的作用。
[0004]目前，微藻工业化培养主要有连续培养和批次培养等模式。连续培养即定期收获一定量的微藻，并补充相同量的新鲜培养基。这种培养模式会产生较大的后期收获成本。批次培养即一次性加入一定量的氮、磷、钾、镁营养物质供微藻生长，中间不再添加营养物质，待微藻生长到一定阶段后即对其进行采收。该培养模式下，若在前期加入适当的营养物质(即目前采用较多的SE、BGll等培养基)，则随着微藻生物质浓度的增加和营养物质的消耗，在微藻生长的中后期较低的营养物质会对其产生较为严重的生长限制；而如果在前期一次性加入大量的营养物质，又会对前期低浓度的微藻产生较强的生长抑制作用。
[0005]因此，一种高效合理的营养物质供应方式和装置有望大大提高微藻的最大生物质浓度。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种自适应式微藻光生物反应系统及方法。
[0007]为达到上述目的，本发明的第一个技术方案是:自适应式微藻光生物反应系统，包括中间腔室、左耳室和右耳室；
[0008]其特点是:左耳室和右耳室分别设置在中间腔室的左、右侧，中间腔室与左耳室和右耳室之间分别设置有阴离子交换膜和阳离子交换膜，以使左耳室和右耳室中的营养补给液分别通过阴离子交换膜和阳离子交换膜渗透入中间腔室中；左耳室和右耳室的底部均设置有进液口，左耳室和右耳室的顶部均设置有出液口 ；中间腔室内设置有微藻培养液；中间腔室顶部的中心位置设置有出气孔，排气管通过出气孔插入中间腔室内；中间腔室顶部的左、右端均设置有曝气孔，第一曝气管和第二曝气管分别通过曝气孔插入中间腔室内；中间腔室内位于第一曝气管和第二曝气管之间设置有第一导流板和第二导流板，第一导流板和第二导流板与中间腔室的左、右侧相平行。
[0009]根据本发明所述的自适应式微藻光生物反应系统的优选方案，该系统还包括气体源和气体流通管路；气体源中的气体通过气体流通管路和第一曝气管以及第二曝气管曝入微藻培养液内。
[0010]根据本发明所述的自适应式微藻光生物反应系统的优选方案，该系统还包括蠕动栗和储液器；营养供给液通过蠕动栗以及营养供给液进液口注入左耳室和右耳室内。
[0011]本发明的第二个技术方案是:利用自适应式微藻光生物反应系统进行营养物质自动补充的方法，其特征在于:包括以下步骤:
[0012]第一步:将微藻培养基在高压灭菌锅内进行高压蒸汽灭菌30?60min，并将集成系统在紫外线照射下灭菌24?48h ;
[0013]第二步:待微藻培养基达到常温后，将微藻菌种以0.05?0.2g/L的浓度接种到微藻培养基中，并将接种有藻种的微藻培养液注入中间腔室内；
[0014]第三步:将营养补给液放入储液器中，并开启蠕动栗将营养补给液供入左耳室和右耳室中，使目标离子通过阴离子交换膜和阳离子交换膜渗入微藻培养液内供微藻生长使用；
[0015]第四步:开启气源和气体压力计，调节压力至0.02MPa后，气体经第一曝气管和第二曝气管曝入微藻培养液内；
[0016]第五步:重复第三步、第四步，待微藻培养液培养7?15天后，即停止该批次培养，对微藻进行收获。
[0017]本发明所述的自适应式微藻光生物反应系统及方法的有益效果是:通过离子交换膜的离子渗入，实现微藻所需营养物质的连续供入，从而有效避免高营养物浓度对为藻生长的抑制作用和低浓度营养物质对微藻生长的限制作用，从而较大程度的提高微藻的生物质产量；可广泛应用于生物、环保、能源等领域。
【附图说明】
[0018]图1为本发明所述的自适应式微藻光生物反应系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行进一步详细的描述。
[0020]参见图1，自适应式微藻光生物反应系统，包括中间腔室3、左耳室4a、右耳室4b、气体源23、气体流通管路25、蠕动栗20和储液器21 ;左耳室4a和右耳室4b分别设置在中间腔室3的左、右侧，中间腔室3与左耳室4a和右耳室4b之间分别设置有阴离子交换膜6和阳离子交换膜7 ;即左耳室4a和右耳室4b分别通过阴离子交换膜6和阳离子交换膜7与中间腔室3隔离，左耳室4a和右耳室4b中的营养补给液9分别通过阴离子交换膜6和阳离子交换膜7渗透入微藻培养液8中；左耳室4a和右耳室4b的底部均设置有进液口 10，左耳室4a和右耳室4b的顶部均设置有出液口 11 ;中间腔室3内设置有微藻培养液8 ;中间腔室3顶部的中心位置设置有出气孔，排气管15通过出气孔插入中间腔室3内；中间腔室3顶部的左、右端均设置有曝气孔，第一曝气管14a和第二曝气管14b分别通过曝气孔插入中间腔室3内；中间腔室3内位于第一曝气管14a和第二曝气管14b之间设置有第一导流板13a和第二导流板13b，第一导流板13a和第二导流板13b与中间腔室3的左、右侧相平行；气体源23中的气体通过气体流通管路25和第一曝气管14a以及第二曝气管14b曝入微藻培养液8内；营养供给液9通过蠕动栗20以及营养供给液进液口 10注入左耳室4a和右耳室4b内。
[0021]在具体实施例中，中间腔室3由上盖板1、下盖板2和中间腔体构成；所述上盖板I设置在中间腔体的顶部，上盖板I和中间腔体的连接处通过螺栓5和硅胶板26进行密封固定；所述下盖板2设置在中间腔体的底部，下盖板2和中间腔体的连接处也通过螺栓和硅胶板进行密封固定；对所述中间腔体左、右两侧壁面进行镂空处理，左、右两侧镂空壁面上分别粘贴阴离子交换膜6和阳离子交换膜7，以使左耳室4a和右耳室4b分别通过阴离子交换膜6和阳离子交换膜7与中间腔室3隔离；左耳室4a和右耳室4b中的营养供给液9分别通过阴离子交换膜6和阳离子交换膜7渗透入微藻培养液8中；中间腔室3、左耳室4a、右耳室4b均由透光性较好的有机玻璃材料制成，比如有机玻璃。
[0022]由于目标离子在营养供给液9与微藻培养液8中的浓度不同，因而目标离子在浓度差的作用下通过阴离子交换膜6和阳离子交换膜7渗透入微藻培养液8中供微藻生长需要，其离子渗透方向如图1中箭头26所示。具体应用中可根据需要调整营养供给液9中的离子浓度，从而改变目标离子向微藻培养液8中的渗透速率，达到调控目标离子的目的。
[0023]导流板对中间腔室3内的微藻培养液8进行导流，在具体实施例中，可在中间腔室3的前后壁面上设置多处导流板插槽12，第一导流板13a和第二导流板13b插入导流板插槽12中，并可根据需要调整导流板在中间腔室3中的位置。在具体实施例中，在中间腔室3上还设置有多处开孔，包括温度检测口和取样口 17，通过温度检测口插入温度计16，完成对微藻培养液8进行温度检测，取样口 17用于对微藻培养液8进行检测。
[0024]本发明的工作原理是:气体通过