CN101724549B - 用于大规模培养微藻的补碳装置的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微藻的培养领域，特别涉及用于大规模培养微藻的补碳装置在微藻封闭式培养中的用途，其用途在于在微藻封闭式培养中高效供给二氧化碳和/或将培养液中产生的溶解氧解析。所述的补碳装置为阱式补碳装置，该阱式补碳装置用于在微藻封闭式培养中供给二氧化碳进行补碳和/或将培养液中产生的溶解氧解析。本发明能够向培养液中补加二氧化碳，维持藻细胞对碳源的需求；同时能够及时有效地将光反应器单元中的溶解氧脱除掉，从而防止过高的溶解氧浓度对藻细胞的生长产生抑制作用；本发明还具有高的二氧化碳吸收利用率，能够有效降低微藻培养成本；可以对培养液的流动速度进行更好的控制，有效降低流体循环的功耗，加强光反应器内的混合效果。
Description
技术领域
本发明属于微藻的培养领域，特别涉及用于大规模培养微藻的补碳装置在微藻封闭式培养中的用途，其用途在于在微藻封闭式培养中高效供给二氧化碳和/或将培养液中产生的溶解氧解析。
技术背景
微藻具有很高的应用价值，已经成为人类食品、医药、染料、精细化工领域的重要材料来源。随着石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，基于生物质的生物炼制引起了人们的高度重视。微藻作为重要的可再生能源能够提供油脂、淀粉、纤维素等生物质，在生物炼制领域，具有潜在的应用价值。
微藻的培养方式可分为密闭式和开放式，开放式是指采用开放池培养装置，如跑道池、圆形浅池，它具有技术简单、投资低廉等特点，在螺旋藻、小球藻和盐藻的工业化生产中获得了应用。封闭式培养是指采用不同结构的封闭式光生物反应器，如板式、管式等等(Hu Q.，J.Appl.Phycol.，1994，6：391～396；Carlozzi P.，Appl.Microbiol.Biotecnol.，1996，45：18～23；Lee Y.K.，J.Appl.Phycol.，1995，7(1)：45～52；Hu Q.，Biotech.Bioeng.，1996，51(1)：51～60；Wohlgeschaffen G.D.，J.Appl.Phycol.，1992，4：25～29)。封闭式光生物反应器可人工控制多种培养参数因子，细胞培养密度更大、产率更高，相对也容易隔断敌害生物污染，代表了未来微藻培养技术的发展方向。封闭式光生物反应器主要有两种，一种是管式光生物反应器(Pirt S.J.，J.Chem.Technol.Biotechnol.，1983，33：35～58；Tredici M.R.，J.Appl.Phycol.，1992，4：221～231；Lee Y.K.，J.Appl.Phycol.，1995，7：47～51；Borowitzka M.A.，J.Biotechnol.，1999，70：313～321)。另一种为平板式光生物反应器(Hu Q.，Biotechnol.Bioengng.，1996，51：51～60；Tredici M.R.，Biores.Technol.，1991，38：153～159)。目前封闭式光生物反应器主要处于研究或者中试阶段；近几年，在美国、德国、以色列等国开始尝试应用封闭式反应器进行工业化规模培养，其中2000年德国沃尔夫斯堡建成了规模为700m3的管式光生物反应器***进行小球藻的培养(Pulz 0.，Appl.Microb.Biotechnol.，2001，57：287～293)。制约封闭式光生物反应器在微藻的规模化培养中应用的因素除了投资成本高外，最关键的因素是：随着反应器规模的扩大，反应器内部微藻光合作用产能的溶氧难以快速有效地解析，而易引发微藻的高氧伤害。
微藻细胞通过光合作用固定CO2(可以以二氧化碳或碳酸氢钠的形式提供)，放出O2，随着光合作用的进行，培养***中溶解氧的浓度会逐渐升高，特别在进行封闭式、高密度培养时，溶解氧的浓度轻易就会达到40mg/l，过高的溶解氧浓度会对藻细胞的生长产生毒害作用，很多藻种在过饱和溶解氧的环境下2～3小时就会死亡，若在高温、高光照、碳源不足的情况下，过高的溶解氧还会加剧光抑制，导致产量下降。因此，微藻培养过程中，产生的O2必须在达到抑制浓度前及时除掉。所以，微藻培养尤其是封闭式培养过程中需要及时将光合作用产生的过量的溶解氧解析掉。
目前封闭式培养的氧解析的方法一般利用气升装置，如图1所示，在为封闭式光生物反应器提供循环动力的同时，实现对培养液中碳源的补加以及溶解氧的解析。该气升装置一般由上升管1、下降管2、气泡脱除区3构成，其中上升管的入口和下降管的出口分别和光反应单元的出口、入口连接，压缩空气直接在上升管入口处通入，压缩空气推动培养液沿上升管上升进入气泡脱除区，过程中溶解氧由液相进入到气相中，最后气泡在脱除区排到外部，而培养液在重力的作用下流回光反应单元。该种方式的实质是靠压缩空气驱动流体运动和混合，在达到同等流动速度下的动力消耗比机械搅拌的动力消耗大。
微藻细胞中碳的含量占其细胞干重的一半以上，微藻细胞在生长过程中通过光合作用将二氧化碳(可以以二氧化碳或碳酸氢钠的形式提供)固定为自身的组成成分，故在藻类培养过程中需在培养液中保持足够的碳源。藻类培养液中的二氧化碳以HCO3 -、CO3 2-和游离的CO2三种形式存在，三种形式的碳在水溶液中的含量比例随pH值的变化而变化。以NaHCO3作为碳源时藻细胞利用的是HCO3-解离出的CO2。随着HCO3 -的解离和利用，培养液的pH值逐渐升高，不适合藻类继续生长。有超过一半的NaHCO3转化为Na2CO3而不能被利用，造成碳源的浪费。因此，以NaHCO3为碳源培养微藻，会造成水资源和碳源的大量浪费，也是微藻生产成本居高不下的重要原因。
直接利用CO2为碳源，可以维持适宜的培养环境，避免用NaHCO3为碳源时，碳酸钠积累造成培养液pH值升高、盐度过高，致使水资源浪费的现象；同时可以避免随水排放大量营养盐的现象，只需要将被藻细胞利用的其他营养盐及时补充以维持适宜的浓度即可，从而大大减少营养盐的消耗。因此，在微藻生产中用二氧化碳气体代替NaHCO3作为碳源，可以大大降低生产成本。
但是，如果直接在封闭式光生物反应器内补加二氧化碳，其设备结构复杂，要在封闭式光生物反应器(板，管)内设置气体分布管或分布器，使得反应器的加工、安装、维护很复杂，同时直接向封闭式光生物反应器内通入气体还会导致反应器内出现大量气泡，影响藻细胞对光和其它的营养物质的吸收。
如上所述，在微藻的封闭式培养过程中，一方面需要向培养液中添加CO2为碳源，一方面要及时将光合作用产生的氧从培养液中解析，而目前的氧解析和补碳装置存在上述各种问题。开发高效的能同时完成补碳和氧解析的气液传质设备对于微藻封闭式培养至关重要。
本发明是利用本申请人在先专利申请的技术方案(用于大规模培养微藻的补碳装置及其使用方法和用途，CN200510126465.2)，将CN200510126465.2中的用于微藻开放池培养的由阱式容器、隔板、气体分布器等几部分构成的补碳装置，延伸至微藻在大规模封闭式光生物反应器内培养时的补碳和氧解析。
发明内容
本发明的目的是克服微藻在封闭式光生物反应器内培养时氧解析动力消耗大、在封闭式光生物反应器内直接补加二氧化碳设备复杂的问题，提供用于大规模培养微藻的补碳装置在微藻封闭式培养中的新用途，实现给封闭式光生物反应器内的微藻培养液有效补加二氧化碳，和/或对培养液中产生的溶解氧进行解析、不造成氧积累，即补碳和/或解氧。
本发明的用于大规模培养微藻的补碳装置的用途，是将CN200510126465.2的阱式补碳装置用于在微藻封闭式培养中高效供给二氧化碳进行补碳和/或将培养液中产生的溶解氧解析。
在本发明中，将CN200510126465.2的阱式补碳装置用于微藻封闭式培养的补碳和/或解氧的***包括阱式补碳装置、培养液输送装置、微藻培养***的光反应器单元以及附属连接管道等几部分。
所述的阱式补碳装置的培养液入口及培养液出口与管道连接处可以设置连接过渡段或液体分布器(图2中的11)，使液体在流动方向上分布均匀。阱式补碳装置的上端可以加盖子或敞口。
所述的管道的尺寸可以根据培养规模、培养流量确定，材质为塑料或不锈钢等。
所述的培养液输送装置可以是隔膜泵以及其它密闭性好、剪切力小的泵。也可以是叶轮装置。
所述的培养液输送装置的出口、入口分别和阱式补碳装置的培养液入口及微藻培养***的光反应器单元的出口连接，培养液输送装置的功率可以根据微藻培养的规模、培养液的流量确定。
所述的微藻培养***的光反应器单元可以是一个光反应器单元，或多个串联或并联连接的微藻培养***的光反应器单元。每个光反应器单元指通常的封闭式光生物反应器，包括管式或板式光生物反应器。
所述的用于在微藻封闭式培养中高效供给二氧化碳进行补碳和将培养液中产生的溶解氧解析进行微藻的培养时：
一个阱式补碳装置的培养液的入口通过管道与一个微藻培养***的光反应器单元的培养液的出口连接，或与多个串联或并联连接的微藻培养***的光反应器单元的培养液的总出口连接；在培养液输送装置(如泵或叶轮)的推动下，培养液由单个光反应器单元，或者培养液由多个串联或并联连接的光反应器单元进入阱式补碳装置中，含摩尔分数为1％～10％的CO2的气体(富含二氧化碳的空气或者其它气源)由CO2气源产生装置经阱式补碳装置中的气体分布器进入阱式补碳装置内部，培养液经气液传递后，经阱式补碳装置的培养液的出口流出阱式补碳装置，并重新进入上述的单个光反应器单元，或者重新进入多个串联或并联连接的光反应器单元，或进入下一个光反应器单元，达到预定的藻细胞密度，或者预定的培养时间完成微藻的培养；培养液经过与含摩尔分数为1％～10％的CO2的气体气液交换后，吸收了气体中的CO2完成补碳，同时将培养液中的溶解氧释放到气体中完成溶解氧的解析；或
多个串联或并联连接的阱式补碳装置的培养液的入口通过总管道，与微藻培养***的一个光反应器单元的培养液的出口连接，或与多个串联或并联连接的微藻培养***的光反应器单元的培养液的总出口连接；在培养液输送装置(如泵或叶轮)的推动下，培养液由单个光反应器单元，或者培养液由多个串联或并联连接的光反应器单元进入多个串联或并联连接的阱式补碳装置中，含摩尔分数为1％～10％的CO2的气体(富含二氧化碳的空气或者其它气源)由CO2气源产生装置经阱式补碳装置中的气体分布器进入多个串联或并联连接的每一个阱式补碳装置内部，培养液经气液传递后流出每个阱式补碳装置，经多个串联或并联连接的阱式补碳装置的总培养液的出口流出，并重新进入上述的单个光反应器单元，或者重新进入多个串联或并联连接的光反应器单元，或进入下一个光反应器单元，达到预定的藻细胞密度，或者预定的培养时间完成微藻的培养。培养液经过与含摩尔分数为1％～10％的CO2的气体气液交换后，吸收了气体中的CO2完成补碳，同时将培养液中的溶解氧释放到气体中完成溶解氧的解析。
将CN200510126465.2的阱式补碳装置应用于微藻封闭式培养补碳和解氧时，微藻培养***中可安置若干个CN200510126465.2的阱式补碳装置，其数量依据单个阱式补碳装置的传质速率、微藻的培养规模以及微藻的生长速率和培养工艺来确定。阱式补碳装置之间的连接方式可以为并联(如图4所示)亦可以为串联(如图5所示)。阱式补碳装置与光反应器单元的连接顺序可以为顺次(如图4、图5所示，其中的12为多个光反应器单元)亦可以为交替(如图6所示)。
当用1个CN200510126465.2的阱式补碳装置进行微藻的封闭式培养，在给培养液补碳和解氧时，对培养液中碳源(来自含CO2的气体)的补加量可按照目前封闭式培养微藻的碳源消耗量补加，培养液在阱式补碳装置的上升段的液体的流速为0.3厘米/秒～32厘米/秒，进入阱式补碳装置中的含CO2的气体的流量为0.1～0.6L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。
当用多个串联或并联连接的CN200510126465.2的阱式补碳装置进行微藻的封闭式培养，在给培养液补碳和解氧时，培养液在每个阱式补碳装置的上升段的液体的流速为0.3厘米/秒～32厘米/秒，进入每个阱式补碳装置中的含CO2的气体的流量为0.1～0.6L/L(补碳装置内的培养液体积).min。
除了上述的将CN200510126465.2的阱式补碳装置用于微藻封闭式培养的补碳和解氧进行微藻培养这一用途外，本发明还提供将CN200510126465.2的阱式补碳装置用于微藻封闭式培养的补碳或解氧进行微藻培养的另一用途。
前述发明CN200510126465.2的阱式补碳装置可以仅仅只作为补碳装置或解氧装置用于微藻封闭式培养，即，将同一个阱式补碳装置分时段交替作为补碳装置或解氧装置使用；或在串联或并联的多个阱式补碳装置中有的只充当补碳装置使用，有的只充当解氧装置使用。充当补碳装置时通入的气体为富含CO2的气体，充当解氧装置时通入空气。
本发明的将CN200510126465.2的阱式补碳装置用于在微藻封闭式培养中高效供给二氧化碳进行补碳或将培养液中产生的溶解氧解析进行微藻的培养时：
一个阱式补碳装置的培养液的入口通过管道与一个微藻培养***的光反应器单元的培养液的出口连接，或与多个串联或并联连接的微藻培养***的光反应器单元的培养液的总出口连接；在培养液输送装置(如泵或叶轮)的推动下，培养液由单个光反应器单元，或者培养液由多个串联或并联连接的光反应器单元进入阱式补碳装置中；由CO2气源产生装置产生的含摩尔分数大于10％的CO2的气体(富含二氧化碳的空气或者其它气源)与空气交替(阱式补碳装置充当补碳装置的时间和充当解氧装置的时间之比值在1：1～1：3)经阱式补碳装置的气体分布器进入阱式补碳装置内部，使阱式补碳装置交替充当补碳装置和解氧装置；培养液经气液传递后，经阱式补碳装置的培养液的出口流出，并重新进入上述的单个光反应器单元，或者重新进入多个串联或并联连接的光反应器单元，或进入下一个光反应器单元，达到预定的藻细胞密度，或者预定的培养时间完成微藻的培养；或者
多个串联或并联连接的阱式补碳装置的培养液的入口通过总管道，与微藻培养***的一个光反应器单元的培养液出口连接，或与多个串联或并联连接的微藻培养***的光反应器单元的培养液的总出口连接；在培养液输送装置(如泵或叶轮)的推动下，培养液由单个光反应器单元，或者培养液由多个串联或并联连接的光反应器单元进入多个串联或并联连接的阱式补碳装置中；由CO2气源产生装置产生的含摩尔分数大于10％的CO2的气体(富含二氧化碳的空气或者其它气源，用于补碳)与空气(用于解氧)交替(阱式补碳装置充当补碳装置的时间和充当解氧装置的时间之比值在1：1～1：3)经阱式补碳装置的气体分布器进入多个串联或并联连接的每一个阱式补碳装置内部；培养液经气液传递后，经多个串联或并联连接的阱式补碳装置的总培养液的出口流出，并重新进入上述的单个光反应器单元，或者重新进入多个串联或并联连接的光反应器单元，或进入下一个光反应器单元，达到预定的藻细胞密度，或者预定的培养时间完成微藻的培养；或
由CO2气源产生装置产生的含摩尔分数大于10％的CO2的气体(富含二氧化碳的空气或者其它气源，用于补碳)经阱式补碳装置的气体分布器进入多个串联或并联连接的阱式补碳装置中只充当补碳装置的阱式补碳装置中，空气(用于解氧)经阱式补碳装置的气体分布器进入多个串联或并联连接的阱式补碳装置中只充当解氧装置的阱式补碳装置中(多个串联或并联连接的阱式补碳装置中充当补碳装置的装置数量和充当解氧装置的装置数量之比在1：1～1：3，每个阱式补碳装置可以交替充当补碳装置和解氧装置)；培养液经气液传递后流出只充当补碳装置的阱式补碳装置和只充当解氧装置的阱式补碳装置，经多个串联或并联连接的阱式补碳装置的总培养液的出口流出，并重新进入上述的单个光反应器单元，或者重新进入多个串联或并联连接的光反应器单元，或进入下一个光反应器单元，达到预定的藻细胞密度，或者预定的培养时间完成微藻的培养。
将CN200510126465.2的阱式补碳装置应用于微藻封闭式培养补碳或解氧时，培养***中可安置若干个CN200510126465.2的阱式补碳装置，其数量依据单个阱式补碳装置的传质速率、微藻的培养规模以及微藻的生长速率和培养工艺来确定。阱式补碳装置之间的连接方式可以为并联(如图4所示)亦可以为串联(如图5所示)。阱式补碳装置与光反应器单元的连接顺序可以为顺次(如图4、图5所示，其中的12为多个光反应器单元)亦可以为交替(如图6所示)。
当用1个CN200510126465.2的阱式补碳装置进行微藻的封闭式培养，在给培养液补碳或解氧时，对培养液中碳源(来自富含CO2的气体)的补加量可按照目前封闭式培养微藻的碳源消耗量补加，培养液在阱式补碳装置的上升段的液体的流速为3厘米/秒～30厘米/秒；充当补碳装置时进入阱式补碳装置中的富含CO2的气体的流量折合纯CO2为0.01～0.05L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min，充当解氧装置时进入阱式补碳装置中的空气的流量为0.3～1.5L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。
当用多个串联或并联连接的CN200510126465.2的阱式补碳装置进行微藻的封闭式培养，在给培养液补碳或解氧时，培养液在阱式补碳装置的上升段的液体的流速为3厘米/秒～30厘米/秒；每个阱式补碳装置充当补碳装置时进入阱式补碳装置中的富含CO2的气体的流量折合纯CO2为0.01～0.05L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min，充当解氧装置时进入阱式补碳装置中的空气的流量为0.3～1.5L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。
所述的富含CO2的气体可以是净化烟道气、工业CO2气体、纯净的CO2气体、混合有CO2的空气或其它气体(如氮气)或液态CO2等。
用于培养微藻的培养液可以是本领域熟知的任意适合微藻生长的培养基，如Zarrouk培养基、SM培养基、ASP2培养基或BG-11培养基等，也可以是针对某种藻特殊需要的培养基；所培养的微藻包括螺旋藻、雨生红球藻、盐藻、小球藻或衣藻等各种微藻。
本发明的优点在于：
1)能够向培养液中补加二氧化碳，维持藻细胞对碳源的需求；同时能够及时有效地将光反应器单元中的溶解氧脱除掉，从而防止过高的溶解氧浓度对藻细胞的生长产生抑制作用。
2)具有高的二氧化碳吸收利用率，能够有效降低微藻培养成本。
3)使用泵作为循环动力，可以对培养液的流动速度进行更好的控制，有效降低流体循环的功耗，加强光反应器内的混合效果。
附图说明
图1.现有气升式氧解析装置示意图。
图2.本发明中所述的增加了连接过渡段的阱式补碳装置示意图。
图3.本发明中所述的单个阱式补碳装置的使用示意图。
图4.本发明中所述的阱式补碳装置的并联使用示意图。
图5.本发明中所述的阱式补碳装置的串联使用示意图。
图6.本发明中所述的阱式补碳装置与光反应器单元的交替连接方式示意图。
附图标记
1.上升管 2.下降管 3.气泡脱除区
4.阱式容器 5.隔板 6.气体分布器
7.培养液输送装置 8.培养液入口 9.培养液出口
10.连接管道 11.连接过渡段或液体分布器
12.光反应器组(多个单元)
具体实施方式
实施例1
在平板式光生物反应器内封闭式培养螺旋藻。藻种来自中国科学院过程工程研究所，品种为钝顶螺旋藻(Spirulina Platensis)，培养基为Zarrouk培养基，培养液中碳酸氢钠的初始浓度为0.1mol/L。
请参见图2和图3。在高100cm，宽80cm，厚度为20cm，材料为2cm厚的有机玻璃板的阱式容器4里安装有不低于容器里液面，且与容器底部有20厘米间隙的垂直的隔板5，隔板为1.0厘米厚的塑料板，位于阱式容器厚度方向的居中位置，宽度与阱式容器配合；在阱式容器的底部安装有8个型号为G2的玻璃砂芯气体分布器6，气体分布器位于隔板的正下方。在阱式容器的上部开有培养液入口8及培养液出口9；培养液入口通过连接管道10与培养液输送装置7(市售隔膜泵)相连接，培养液出口通过管道与培养液输出装置相连接，且培养液入口及培养液出口与管道连接处设置有连接过渡段或液体分布器11，使液体在流动方向上分布均匀；气体分布器6通过连接管道10与气源产生装置相连接，由此构成阱式补碳装置，阱式补碳装置内的培养液体积为150升。
培养***由1组平板式光反应器组12和1个上述的阱式补碳装置构成。1个阱式补碳装置的两端与平板式光反应器组的两端连接形成回路，如图3所示。
1组平板式光反应器组由25个平板式光反应器单元顺序串联。平板式光生物反应器单元规格为：长1m，宽1m，厚度3cm。材质为有机玻璃，平板内部用筋分隔为5cm宽的流道。平板光生物反应器单元水平放置，其液体进口和出口设置在光反应器单元的对角位置。
进行螺旋藻培养前用0.2μ微滤膜过滤后的水清洗平板光生物反应器。按照Zarrouk培养基配方配制1000L培养基，培养基用0.2μ微滤膜过滤。按常规方法制备种液，接种密度0.1g/L。向阱式补碳装置中连续通入空气和二氧化碳的混合气体，二氧化碳的摩尔分数为2％，气体流量为42L/min(标况)，折合0.28L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是300升/min，折合在补碳装置的上升段的流速为6.25厘米/秒。户外自然光照，白天对光反应器实行洒水方式降温，维持培养液温度不超过35℃；夜晚停止通气，仅保持培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是15～20升/min(折合在补碳装置的上升段的流速为0.313厘米～0.417厘米/秒)。
定期取样测定藻细胞密度。当藻细胞密度达到2g(干重)/L时开始半连续采收，采收方法是每3天将光反应器内培养液的约1/5泵出经过滤后返回光反应器。藻细胞收获后洗涤、干燥。期间定期检测其他营养盐的浓度并及时补充，并补充少量水以弥补水的蒸发损耗。期间，利用溶解氧电极检测培养液溶解氧浓度。
培养过程持续60天，整个培养期内，溶解氧的浓度不超过20mg/L；单位面积藻细胞的产量达到1.6g(干重)/m2.h。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。二氧化碳的利用率70％。
实施例2
在平板式光生物反应器内封闭式培养螺旋藻。藻种来自中国科学院过程工程研究所，品种为钝顶螺旋藻(Spirulina Platensis)，培养基为Zarrouk培养基，培养液中碳酸氢钠的初始浓度为0.1mol/L。
请参见图2和图4。在高100cm，宽40cm，厚度为20cm，材料为2cm厚的有机玻璃板的阱式容器4里安装有不低于容器里液面，且与容器底部有20厘米间隙的垂直的隔板5，隔板为1.0厘米厚的塑料板，位于阱式容器厚度方向的居中位置，宽度与阱式容器配合；在阱式容器的底部安装有4个型号为G2的玻璃砂芯气体分布器6，气体分布器位于隔板的下游侧(即“位于上升段的下方”)。在阱式容器的上部开有培养液入口8及培养液出口9；培养液入口通过连接管道10与培养液输送装置7(市售隔膜泵)相连接，培养液出口通过管道与培养液输出装置相连接，且培养液入口及培养液出口与管道连接处设置有连接过渡段或液体分布器11，使液体在流动方向上分布均匀；气体分布器6通过连接管道10与气源产生装置相连接，由此构成阱式补碳装置，阱式补碳装置内的培养液体积为75升。
培养***由1组平板式光反应器组12和2个上述的阱式补碳装置构成。2个阱式补碳装置之间并联，与平板式光反应器组的两端连接形成回路，如图4所示。
1组平板式光反应器组由25个平板式光反应器单元顺序串联。平板式光生物反应器单元规格为：长1m，宽1m，厚度3cm。材质为有机玻璃，平板内部用筋分隔为5cm宽的流道。平板光生物反应器单元水平放置，其液体进口和出口设置在光反应器单元的对角位置。
进行螺旋藻培养前用0.2μ微滤膜过滤后的水清洗平板光生物反应器。按照Zarrouk培养基配方配制1000L培养基，培养基用0.2μ微滤膜过滤。按常规方法制备种液，接种密度0.1g/L。向2个阱式补碳装置中连续通入空气和二氧化碳的混合气体，二氧化碳的摩尔分数为2％，每个阱式补碳装置的气体流量为21L/min(标况)，折合0.28L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是150升/min，折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为3.125厘米/秒。户外自然光照，白天对光反应器实行洒水方式降温，维持培养液温度不超过35℃；夜晚停止通气，仅保持培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是15～20升/min(折合在补碳装置的上升段的流速为0.313厘米～0.417厘米/秒)。
定期取样测定藻细胞密度。当藻细胞密度达到2g(干重)/L时开始半连续采收，采收方法是每3天将光反应器内培养液的约1/5泵出经过滤后返回光反应器。藻细胞收获后洗涤、干燥。期间定期检测其他营养盐的浓度并及时补充，并补充少量水以弥补水的蒸发损耗。期间，利用溶解氧电极检测培养液溶解氧浓度。
培养过程持续60天，整个培养期内，溶解氧的浓度不超过20mg/L；单位面积藻细胞的产量达到1.6g(干重)/m2.h。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。二氧化碳的利用率70％。
实施例3
在管式光生物反应器内培养螺旋藻，将实施例2的板式光生物反应器改为管式光生物反应器。
培养***由1组管式光反应器组12和2个实施例2的阱式补碳装置构成。2个阱式补碳装置之间并联，与管式光反应器组的两端连接形成回路，如图4所示。
1组管式光反应器组由40根管式光反应器单元并联而成。管式光生物反应单元规格：管内径3cm，外径4cm，长25m。每10根管并排构成一组，两端由歧管连接，共4组。管子材质为玻璃。4组管式光生物反应器并联。均水平放置。
其它同实施例2。
培养过程中向2个阱式补碳装置中连续通入空气和二氧化碳的混合气体，二氧化碳的摩尔分数为3％，每个补碳装置的气体流量为17L/min(标况)，折合0.227L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是300升/min，折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为6.25厘米/秒。
培养过程持续30天。整个培养期内，溶解氧的浓度不超过22mg/L；单位面积藻细胞的产量达到1.9g(干重)/m2.h。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。二氧化碳的利用率68％。
实施例4
其它同实施例2。
培养过程中向2个阱式补碳装置中连续通入空气和二氧化碳的混合气体，二氧化碳的摩尔分数为6％，每个补碳装置的气体流量为9L/min(标况)，折合0.12L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是750升/min，折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为15.63厘米/秒。
培养过程持续30天。整个培养期内，溶解氧的浓度不超过26mg/L；单位面积藻细胞的产量达到1.5g(干重)/m2.h。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。二氧化碳的利用率55％。
实施例5
其它同实施例2。
培养过程中向2个阱式补碳装置中连续通入空气和二氧化碳的混合气体，二氧化碳的摩尔分数为3.3％，每个补碳装置的气体流量为15L/min(标况)，折合0.2L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是1050升/min，折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为21.88厘米/秒。
培养过程持续30天。整个培养期内，溶解氧的浓度不超过22mg/L；单位面积藻细胞的产量达到1.5g(干重)/m2.h。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。二氧化碳的利用率60％。
实施例6
其它同实施例2。
培养过程中向2个阱式补碳装置中连续通入氮气和二氧化碳的混合气体，二氧化碳的摩尔分数为9％，每个补碳装置的气体流量为7L/min(标况)，折合0.093L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是600升/min，折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为12.5厘米/秒。
培养过程持续30天。整个培养期内，溶解氧的浓度不超过28mg/L；单位面积藻细胞的产量达到1.5g(干重)/m2.h。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。二氧化碳的利用率47％。
实施例7
其它同实施例3。
培养过程中向2个阱式补碳装置中连续通入氮气和二氧化碳的混合气体，二氧化碳的摩尔分数为2％，每个补碳装置的气体流量为20L/min(标况)，折合0.267L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是600升/min，折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为12.5厘米/秒。
培养过程持续30天。整个培养期内，溶解氧的浓度不超过16mg/L；单位面积藻细胞的产量达到1.8g(干重)/m2.h。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。二氧化碳的利用率77％。
实施例8
请参见图2和图5。其它同实施例2。但是2个阱式补碳装置串联连接，与平板式光反应器组的两端连接形成回路，如图5所示。
培养过程中向2个阱式补碳装置中连续通入空气和二氧化碳的混合气体，二氧化碳的摩尔分数为1％，每个补碳装置的气体流量为45L/min(标况)，折合0.6L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是750升/min，折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为31.25厘米/秒。
培养过程持续30天。整个培养期内，溶解氧的浓度不超过14mg/L；单位面积藻细胞的产量达到1.6g(干重)/m2.h。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。二氧化碳的利用率65％。
实施例9
请参见图2和图5。其它同实施例2。但是2个阱式补碳装置串联连接，与平板式光反应器组的两端连接形成回路，如图5所示。
补碳与解氧在2个阱式补碳装置中分别实施。培养过程中向迎着培养液流动方向的第1个阱式补碳装置内通入空气进行解氧操作，空气流量为100L/min(标况)，折合1.33L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min；向另1个阱式补碳装置内通入空气和二氧化碳的混合气体，二氧化碳的摩尔分数为50％，进行补碳操作，混合气体的流量为2.0L/min(标况)，折合纯CO2为0.0135L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是300升/min，折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为12.5厘米/秒。
培养过程持续30天。整个培养期内，溶解氧的浓度不超过12mg/L；单位面积藻细胞的产量达到1.8g(干重)/m2.h。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。二氧化碳的利用率67％。
实施例10
请参见图2和图6。其它同实施例2。但是培养***由2组平板式光反应器组12和2个阱式补碳装置构成，2组平板式光反应器组与2个阱式补碳装置交替串联连接，形成回路，如图6所示。
补碳与解氧在2个阱式补碳装置中分别实施。培养过程中向其中1个阱式补碳装置内通入空气进行解氧操作，空气流量为110L/min(标况)，折合1.46L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min；向另1个阱式补碳装置内通入食品级纯二氧化碳气体进行补碳操作，纯二氧化碳气体的流量为4.0L/min(标况)，折合纯CO2为0.027L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是75升/min，折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为3.1厘米/秒。
培养过程持续30天。整个培养期内，溶解氧的浓度不超过19mg/L；单位面积藻细胞的产量达到1.7g(干重)/m2.h。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。二氧化碳的利用率68％。
实施例11
请参见图2和图6。其它同实施例2。但是培养***由2组平板式光反应器组12和4个阱式补碳装置构成，2组平板式光反应器组与4个阱式补碳装置交替串联连接，形成回路，如图6所示(图6中每个阱式补碳装置示意图表示2个阱式补碳装置串联)。
补碳与解氧在4个阱式补碳装置中分别实施。培养过程中向其中3个阱式补碳装置内通入空气进行解氧操作，每个阱式补碳装置的空气流量为25L/min(标况)，折合0.33L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min；向第4个阱式补碳装置内通入空气和二氧化碳的混合气体，二氧化碳的摩尔分数为15％，进行补碳操作，混合气体的流量为40L/min(标况)，折合纯CO2为0.041L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min。培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是600升/min，折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为25厘米/秒。
培养过程持续30天。整个培养期内，溶解氧的浓度不超过15mg/L；单位面积藻细胞的产量达到1.8g(干重)/m2.h。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。二氧化碳的利用率65％。
实施例12
其它同实施例3。
补碳与解氧在时间上交替实施。培养过程中，白天进行解氧操作，向2个并联的阱式补碳装置内通入空气，每个补碳装置的空气流量为45L/min(标况)，折合0.6L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min，培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是300升/min，折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为6.25厘米/秒，持续16小时。夜间进行补碳操作，向2个并联的阱式补碳装置内通入空气和二氧化碳的混合气体，二氧化碳的摩尔分数为50％，每个补碳装置的气体流量为1.0L/min(标况)，折合纯CO2为0.011/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min，保持培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是300升/min(折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为6.25厘米/秒)，持续8小时。
培养过程持续30天。整个培养期内，溶解氧的浓度不超过13mg/L；单位面积藻细胞的产量达到1.8g(干重)/m2.h。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。二氧化碳的利用率74％。
实施例13
其它同实施例3。
但培养***由2组管式光反应器组12和2个实施例3的阱式补碳装置构成。2个阱式补碳装置之间并联，与2组串联连接的管式光反应器组的两端连接形成回路，如图4所示。
补碳与解氧在时间上交替实施。培养过程中，白天进行解氧操作，向2个阱式补碳装置内通入空气，每个补碳装置的空气流量为90L/min(标况)，折合1.2L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min，培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是300升/min，折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为6.25厘米/秒，持续12小时。夜间进行补碳操作，向2个阱式补碳装置内通入空气和二氧化碳的混合气体，二氧化碳的摩尔分数为25％，每个补碳装置的气体流量为4.0L/min(标况)，折合纯CO2为0.02L/L(阱式补碳装置内的培养液体积).min，保持培养液在培养体系(总管路)内的循环流量是150升/min(折合在每个阱式补碳装置的上升段的流速为3.125厘米/秒)，持续12小时。
培养过程持续30天。整个培养期内，溶解氧的浓度不超过15mg/L；单位面积藻细胞的产量达到1.75g(干重)/m2.h。获得螺旋藻藻粉的常规成分、氨基酸、脂肪酸以及类胡萝卜素的组成及含量与文献报道基本一致。二氧化碳的利用率70％。
Claims (11)
1.一种用于大规模培养微藻的补碳装置的用途，其特征是：所述的补碳装置为阱式补碳装置，该阱式补碳装置用于在用泵推动培养液在培养***中循环流动的微藻封闭式培养中供给二氧化碳进行补碳和/或将培养液中产生的溶解氧解析；
所述的阱式补碳装置包括阱式容器、隔板、气体分布器；一阱式容器，在阱式容器里安装有宽度与阱式容器配合的并与容器底部有10厘米～50厘米间隙的垂直的隔板，且隔板高出阱式容器的壁，在阱式容器底部安装有气体分布器；
所述的用于在用泵推动培养液在培养***中循环流动的微藻封闭式培养中供给二氧化碳进行补碳和将培养液中产生的溶解氧解析进行微藻的培养时：
一个阱式补碳装置的培养液的入口通过管道与一个微藻培养***的光反应器单元的培养液的出口连接，或与多个串联或并联连接的微藻培养***的光反应器单元的培养液的总出口连接；在培养液输送泵的推动下，培养液由单个光反应器单元，或者培养液由多个串联或并联连接的光反应器单元进入阱式补碳装置中，含摩尔分数为1％～10％的CO2的气体由CO2气源产生装置经阱式补碳装置中的气体分布器进入阱式补碳装置内部，培养液经气液传递后，经阱式补碳装置的培养液的出口流出阱式补碳装置，并重新进入上述的单个光反应器单元，或者重新进入多个串联或并联连接的光反应器单元，或进入下一个光反应器单元，达到预定的藻细胞密度，或者预定的培养时间完成微藻的培养；或
多个串联或并联连接的阱式补碳装置的培养液的入口通过总管道，与微藻培养***的一个光反应器单元的培养液的出口连接，或与多个串联或并联连接的微藻培养***的光反应器单元的培养液的总出口连接；在培养液输送泵的推动下，培养液由单个光反应器单元，或者培养液由多个串联或并联连接的光反应器单元进入多个串联或并联连接的阱式补碳装置中，含摩尔分数为1％～10％的CO2的气体由CO2气源产生装置经阱式补碳装置中的气体分布器进入多个串联或并联连接的每一个阱式补碳装置内部，培养液经气液传递后流出每个阱式补碳装置，经多个串联或并联连接的阱式补碳装置的总培养液的出口流出，并重新进入上述的单个光反应器单元，或者重新进入多个串联或并联连接的光反应器单元，或进入下一个光反应器单元，达到预定的藻细胞密度，或者预定的培养时间完成微藻的培养。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征是：当用1个阱式补碳装置进行微藻的封闭式培养，在给培养液补碳和解氧时，培养液在阱式补碳装置的上升段的液体的流速为0.3厘米/秒～32厘米/秒，每分钟进入阱式补碳装置中的含CO2的气体的流量为0.1～0.6升/每升培养液体积；
当用多个串联或并联连接的阱式补碳装置进行微藻的封闭式培养，在给培养液补碳和解氧时，培养液在每个阱式补碳装置的上升段的液体的流速为0.3厘米/秒～32厘米/秒，每分钟进入每个阱式补碳装置中的含CO2的气体的流量为0.1～0.6升/每升培养液体积。
3.根据权利要求1所述的用途，其特征是：用于在用泵推动培养液在培养***中循环流动的微藻封闭式培养中供给二氧化碳进行补碳或将培养液中产生的溶解氧解析时，将同一个阱式补碳装置分时段交替作为补碳装置或解氧装置使用，或在串联或并联的多个阱式补碳装置中有的只充当补碳装置使用，有的只充当解氧装置使用；充当补碳装置时通入的气体为富含CO2的气体，充当解氧装置时通入空气。
4.根据权利要求3所述的用途，其特征是：当同一个阱式补碳装置分时段交替作为补碳装置或解氧装置使用，用于在用泵推动培养液在培养***中循环流动的微藻封闭式培养中供给二氧化碳进行补碳或将培养液中产生的溶解氧解析进行微藻的培养时，一个阱式补碳装置的培养液的入口通过管道与一个微藻培养***的光反应器单元的培养液的出口连接，或与多个串联或并联连接的微藻培养***的光反应器单元的培养液的总出口连接；在培养液输送泵的推动下，培养液由单个光反应器单元，或者培养液由多个串联或并联连接的光反应器单元进入阱式补碳装置中；由CO2气源产生装置产生的含摩尔分数大于10％的CO2的气体与空气交替经阱式补碳装置的气体分布器进入阱式补碳装置内部，使阱式补碳装置交替充当补碳装置和解氧装置；培养液经气液传递后，经阱式补碳装置的培养液的出口流出，并重新进入上述的单个光反应器单元，或者重新进入多个串联或并联连接的光反应器单元，或进入下一个光反应器单元，达到预定的藻细胞密度，或者预定的培养时间完成微藻的培养。
5.根据权利要求4所述的用途，其特征是：所述的由CO2气源产生装置产生的含摩尔分数大于10％的CO2的气体与空气交替经阱式补碳装置的气体分布器进入阱式补碳装置内部，阱式补碳装置充当补碳装置的时间与充当解氧装置的时间之比在1∶1～1∶3。
6.根据权利要求4所述的用途，其特征是：培养液在阱式补碳装置的上升段的液体的流速为3厘米/秒～30厘米/秒；充当补碳装置时每分钟进入阱式补碳装置中的含CO2的气体的流量折合纯CO2为0.01～0.05升/每升培养液体积，充当解氧装置时每分钟进入阱式补碳装置中的空气的流量为0.3～1.5升/每升培养液体积。
7.根据权利要求3所述的用途，其特征是：在串联或并联的多个阱式补碳装置中有的只充当补碳装置使用，有的只充当解氧装置使用，用于在用泵推动培养液在培养***中循环流动的微藻封闭式培养中供给二氧化碳进行补碳或将培养液中产生的溶解氧解析进行微藻的培养时，多个串联或并联连接的阱式补碳装置的培养液的入口通过总管道，与微藻培养***的一个光反应器单元的培养液出口连接，或与多个串联或并联连接的微藻培养***的光反应器单元的培养液的总出口连接；在培养液输送泵的推动下，培养液由单个光反应器单元，或者培养液由多个串联或并联连接的光反应器单元进入多个串联或并联连接的阱式补碳装置中；
由CO2气源产生装置产生的含摩尔分数大于10％的CO2的气体经阱式补碳装置的气体分布器进入多个串联或并联连接的阱式补碳装置中只充当补碳装置的阱式补碳装置中，空气经阱式补碳装置的气体分布器进入多个串联或并联连接的阱式补碳装置中只充当解氧装置的阱式补碳装置中；培养液经气液传递后流出只充当补碳装置的阱式补碳装置和只充当解氧装置的阱式补碳装置，经多个串联或并联连接的阱式补碳装置的总培养液的出口流出，并重新进入上述的单个光反应器单元，或者重新进入多个串联或并联连接的光反应器单元，或进入下一个光反应器单元，达到预定的藻细胞密度，或者预定的培养时间完成微藻的培养。
8.根据权利要求7所述的用途，其特征是：所述的由CO2气源产生装置产生的含摩尔分数大于10％的CO2的气体经阱式补碳装置的气体分布器进入多个串联或并联连接的阱式补碳装置中只充当补碳装置的阱式补碳装置中，空气经阱式补碳装置的气体分布器进入多个串联或并联连接的阱式补碳装置中只充当解氧装置的阱式补碳装置中，所述多个串联或并联连接的阱式补碳装置中充当补碳装置的装置数量和充当解氧装置的装置数量之比在1∶1～1∶3。
9.根据权利要求7所述的用途，其特征是：培养液在阱式补碳装置的上升段的液体的流速为3厘米/秒～30厘米/秒；每个阱式补碳装置充当补碳装置时每分钟进入阱式补碳装置中的含CO2的气体的流量折合纯CO2为0.01～0.05升/每升培养液体积，充当解氧装置时每分钟进入阱式补碳装置中的空气的流量为0.3～1.5升/每升培养液体积。
10.根据权利要求1、2、3、4、6、7或9所述的用途，其特征是：培养液是适合微藻生长的培养基，选自Zarrouk培养基、SM培养基、ASP2培养基、BG-11培养基中的一种。
11.根据权利要求1、2、3、4或7所述的用途，其特征是：所述的微藻包括螺旋藻、雨生红球藻、盐藻、小球藻或衣藻。
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