CN113136340A - 光生物反应器和光合微生物的培养方法及其应用 - Google Patents

光生物反应器和光合微生物的培养方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微藻培养领域，具体涉及光生物反应器和光合微生物的培养方法及其应用。光合微生物的培养方法包括：在光生物反应器中，在曝气和光照下，将光合微生物进行生物培养；所述光生物反应器中设置有光照装置和曝气装置，所述光照的强度分为两级控制，弱光阶段的光强度为5000lux以下，强光阶段的光强度大于5000lux。本发明的光合微生物养殖方法，采用两阶段光照控制，能提高光合微生物的光能利用率。特别是采用的曝气装置和光照装置的特别设置，可以通过气源在补气的同时推动细胞运动，既能节约搅拌的能耗，还能降低藻细胞在光源表面附着的机率。

Description

光生物反应器和光合微生物的培养方法及其应用
技术领域
本发明涉及微藻培养领域，具体涉及光生物反应器和光合微生物的培养方法及其应用。
背景技术
微藻是一类在水中生长的种类繁多且分布极其广泛的低等植物，它可以自养生长，是由阳光驱动的细胞工厂，通过微藻细胞高效的光合作用，吸收CO2，将光能转化为脂肪或淀粉等碳水化合物的化学能，并放出O2。利用微藻生产生物能源与化学品有望同时达到替代化石能源、减少CO2排放等目的。由于微藻具有极高的生产效率，所以近年来得到人们的广泛关注。除了上述两种营养方式外，部分微藻还可以进行光能兼养生长，即同时利用光能和有机碳源中的化学能进行生长，同时利用CO2和有机碳源进行生长，生长速率高于自养和异养。
然而对于自养生长和兼养生长来说，藻细胞容易吸附在光源表面，进一步的降低了光照强度，致使光照严重不足；并且，需要采用搅拌装置促进藻细胞流动，而搅拌装置占的空间越大，也会影响藻细胞接受充足的光照。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的光合微生物自养方法存在的光合生物光能利用率较低等缺陷，提供了一种高光能利用率的光生物反应器和光合微生物的培养方法及其应用。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种光合微生物的培养方法，该方法包括：在光生物反应器中，在曝气和光照下，将光合微生物进行生物培养；
所述光生物反应器中设置有光照装置和曝气装置，所述光照的强度分为两级控制，弱光阶段的光强度为5000lux以下，强光阶段的光强度大于5000lux。
本发明第二方面提供一种光生物反应器，所述光生物反应器中设置有光照装置和曝气装置，所述光照装置设置为能够进行两级控制光照，其中，弱光阶段的光强度为5000lux以下，强光阶段的光强度大于5000lux。
本发明第三方面提供了一种生产生物质的方法，包括采用上述方法培养光合微生物，并从所得的光合微生物中提取生物质。
本发明第四方面提供了一种生产生物能源的方法，包括采用上述方法培养光合微生物。
本发明的光合微生物养殖方法，采用两阶段光照控制，能提高光合微生物的光能利用率。特别是采用的曝气装置和光照装置的特别设置，可以通过气源在补气的同时推动细胞运动，既能节约搅拌的能耗，还能降低藻细胞在光源表面附着的机率，具体的优势如下：
(1)解决了高密度光合微生物在光源表面吸附的难题。气泡对光源表面的吹扫作用，明显减弱了光合微生物细胞在光源表面的吸附情况，提高了反应器中的光能利用率和光合微生物的生长速率，解决了大规模养殖过程中光源表面清洗的难题。
(2)提高了光生物反应器内置光源的光照强度，解决了高密度光合微生物培养过程中光照严重不足的难题。气泡推动光合微生物细胞在光生物反应器中运动，在显著节约能耗的同时还节约了反应器内部空间，增加了人工光源光照强度，从而提高了光合微生物的生长速率。
附图说明
图1是根据本发明的一种实施方式的曝气管和柱式光源设置方式的剖面图，其中，曝气管具有凹面且该凹面设置在柱式光源底部，以使得柱式光源底部位于凹面的弧度中。
图2是根据本发明的另一种实施方式的曝气管和柱式光源设置方式的剖面图，所述曝气管缠绕在柱式光源的下端。
图3是本发明的例子的小球藻生长曲线。
图4是本发明的例子的螺旋藻生长曲线。
附图标记
1-柱式光源，2-曝气管，3-底部固定架。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明一方面提供一种光合微生物的培养方法，该方法包括：在光生物反应器中，在曝气和光照下，将光合微生物进行生物培养；
所述光生物反应器中设置有光照装置和曝气装置，所述光照的强度分为两级控制，弱光阶段的光强度为5000lux以下，强光阶段的光强度大于5000lux。
根据本发明，本发明的光照的强度可以达到较高水平，可以在较宽的光照强度范围内实现对光合微生物培养的控制，例如可以达到1000-100000lux。为了更好地促进光合微生物的生长，优选地，所述光照的弱光阶段的光强度为1000-5000lux；强光阶段的光强度为5500lux-100000lux。
其中，在每次重新接种或采收后，光合微生物浓度较低时进行弱光阶段的光照，在弱光阶段养殖一段时间后，例如在24h以上(24-48h)，则进入强光阶段进行光照。
尽管光照波长可以在较宽范围内变动，可以是部分波长光，也可以是全波长光，为了更利于光合微生物在本发明的光生物反应器中更好地生长，特别是更好地自养生长，优选地，所述光照的波长为380-780nm，优选为490-460nm和/或620-760nm，在该光照波长下，光合微生物细胞能够更好地利用光能，降低光合微生物养殖能耗。
根据本发明，为了能够降低藻细胞在光源表面附着，本发明的光照装置和曝气装置可以进行特别的设置，优选地，所述光照装置包括柱式光源，所述曝气装置包括曝气管；所述曝气管的至少部分曝气孔朝向柱式光源，以使得曝气孔出来的气泡冲刷柱式光源表面。
根据本发明，通过将光合微生物在本发明的光生物反应器中进行生物培养，可以实现所述光合微生物的自养生长。通过本发明的光照装置和曝气装置的配置，曝气管的至少部分曝气孔朝向柱式光源，这样可以使得这些曝气孔出来的气泡吹扫柱式光源表面，可以有效避免光合微生物因屈光作用在柱式光源表面吸附生长，有利于整个培养体系获得更为充分的光照。其中，所述曝气管可以以适当的方式与柱式光源相对配置，以实现至少部分曝气孔出来的气泡能够扫柱式光源表面的目的。优先地，所述柱式光源的末端和所述至少部分曝气孔的距离为150mm以下，优选为100mm以下，优选为10-80mm，更优选为30-60mm。
在本发明的一种优选的实施方式中，如图1所示的，所述曝气管2具有凹面且该凹面设置在柱式光源1底部，以使得柱式光源底部位于凹面的弧度中。该柱式光源的底部可以具有底部固定架3以使得曝气管2和柱式光源(1)位置相对固定。该固定架可设置于曝气管凹面内，以从空间上限定柱式光源的底部，避免柱式光源的底部脱离曝气管凹面的弧度中。
在本发明的另一种优选的实施方式中，如图2所示的，所述曝气管2缠绕在柱式光源1的下端。应当理解的是，这里的缠绕可以是接触式的紧密缠绕，也可以是非接触的分离缠绕，只要能够实现上述吹扫的目的即可。
根据本发明，其中，所述柱式光源可以是指灯柱形式，光从灯柱的下端发出照射培养体系。光源可以从灯柱中发出光，也可以从灯柱下端有藻液的部位开始发出光。
曝气管的管径可以根据灯柱的粗细和反应器的大小进行调整，本发明对此并无特别的限定，例如可以为1-6cm。所述曝气管的曝气孔的孔径可以在较宽范围内进行适当地调整，优选为0.5-3mm。应当理解的是，曝气管的曝气孔可以至少部分朝向柱式光源，以使得这些曝气孔出来的气泡吹扫柱式光源表面，剩余部分的曝气孔可以根据需要进行设置，例如可以均匀地分布于曝气管表面以达到为光合微生物的生长提供所需二氧化碳的目的。特别是，本发明的曝气管可以通过曝气达到搅拌培养液的目的，为此，本发明优选所述光生物反应器未设置其他搅拌装置，通过所述曝气产生的气泡推动光合微生物在光生物反应器中运动。通过不在光生物反应器中设置额外的搅拌装置，既可以节约反应器的空间，又可以提高人工光源的光照强度，提高光能利用率。
根据本发明，本发明的培养方法更适用于自养培养，为此，为了适用于光合微生物的自养培养，优选地，所述曝气采用的气体可以为二氧化碳气体，这样的二氧化碳气体可以为空气(如压缩空气)，或者富含二氧化碳的气体。所述曝气的曝气量优选为0.1-10L/(L·min)，以使得光合微生物能够在本发明的光生物反应器中更好地自养生长。
根据本发明，本发明的光生物反应器可以是开放式的，也可以是密闭式的结构，本发明对此并无特别的限定，只要能够有利于光合微生物的自养生长即可，通常采用开放式的光生物反应器即可实现该目的。
根据本发明，所述光合微生物的培养体系采用的培养液优选为以下组成：K2HPO4·3H2O：20-50mg/L，NaNO3：1200-2000mg/L，Na2CO3：10-30mg/L，MgSO4·7H2O：50-90mg/L，CaCl2·2H2O：30-50mg/L，柠檬酸：1-10mg/L，柠檬酸铁铵：1-10mg/L，EDTA钠：0.5-2mg/L，微量元素A5：0.5-2ml/L。
其中，微量元素A5的组成优选为：H3BO3：2500-3000mg/L，MnCl2·4H2O：1500-2000mg/L，ZnSO4·7H2O：200-250mg/L，CuSO4·5H2O：50-90mg/L，NaMoO4·5H2O：350-420mg/L，Co(NO3)2·6H2O：20-65mg/L。
本发明的方法适于光合微生物的高密度养殖，采用本发明的方法培养微藻，微藻生长到一定浓度后取出部分藻液，补充新鲜培养基后继续养殖。
本发明第二方面提供一种光生物反应器，所述光生物反应器中设置有光照装置和曝气装置，所述光照装置设置为能够进行两级控制光照，其中，弱光阶段的光强度为5000lux以下，强光阶段的光强度大于5000lux。
其中，所述封闭式光生物反应器中设置有光照装置和曝气装置的设置如上文中所描述的，本发明在此不再赘述。
本发明第三方面提供了一种生产生物质的方法，包括采用上述方法培养光合微生物，并从所得的光合微生物中提取生物质。
所述生物质可以为本领域常规的多种生物质，例如可以为油脂、蛋白质、碳水化合物、核酸、色素、维生素、生长因子之一或其任意组合。
本发明第四方面提供了一种生产生物能源的方法，包括采用上述方法培养光合微生物。
本发明的方法适用于光合微生物的生物养殖，特别是自养养殖，能够在更低的能耗下，更高产量地获得高品质的光合微生物发酵液。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
小球藻藻液光密度值(OD680值)测定：光密度值用分光光度计测定，以蒸馏水作对照，测定藻液在波长680nm处的吸光值，作为小球藻生物量浓度指标。
螺旋藻藻液光密度值(OD570值)测定：光密度值用分光光度计测定，以蒸馏水作对照，测定藻液在波长570nm处的吸光值，作为螺旋藻生物量浓度指标。
小球藻藻种来自中国科学院水生生物研究所。
螺旋藻藻种(编号910)来自中国科学院水生生物研究所。
BG11培养基的组成：K2HPO4·3H2O：40mg/L，NaNO3：1500mg/L，Na2CO3：20mg/L，MgSO4·7H2O：75mg/L，CaCl2·2H2O：36mg/L，柠檬酸：6mg/L，柠檬酸铁铵：6mg/L，EDTA钠：1mg/L，微量元素A5：1ml/L。
微量元素A5的组成：H3BO3：2860mg/L，MnCl2·4H2O：1810mg/L，ZnSO4·7H2O：222mg/L，CuSO4·5H2O：79mg/L，NaMoO4·5H2O：390mg/L，Co(NO3)2·6H2O：50mg/L。
光生物反应器1#：开放式结构，其中设置与图1所示的光照装置和曝气装置，曝气管2具有凹面且该凹面设置在柱式光源1底部，以使得柱式光源底部位于凹面的弧度中，曝气管凹面的弧度内的曝气孔朝向柱式光源，该柱式光源的末端和凹面内曝气孔的距离约为50mm，柱式光源为光柱，曝气管的凹面内设置有底部固定架3，以使得柱式光源2底端固定于曝气管1的凹面弧度中。
封闭式光生物反应器2#：开放式结构，其中设置与图2所示的光照装置和曝气装置，曝气管2缠绕在柱式光源1的下端，以分离式缠绕的方式，缠绕的曝气管面向柱式光源表面的曝气孔与柱式光源表面的距离为40mm；柱式光源为光柱。
实施例1
本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。
在光生物反应器1#中加入1L BG11培养基，接种小球藻藻种进行自养培养。
反应器中光柱的光照强度5000-20000lux，光照波长为380-780nm，光暗周期12：12。
自养培养条件包括：先进行弱光阶段光照，光照强度为5000lux；48h后再进行强光阶段光照，光照强度为20000lux；其中，两阶段光照时，压缩空气流量为1L/(L·min)，培养的温度为28℃。
待小球藻生长缓慢后(为第7天)，分离取出藻液体积约80％，继续向反应器中补加新鲜的培养基，先弱光再强光继续培养，小球藻的生长结果如表1所示。
实施例2
本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。
在光生物反应器2#中加入1L BG11培养基，接种小球藻藻种进行自养培养。
反应器中光柱的光照强度4000-20000lux，光照波长为380-780nm，光暗周期12：12。
自养培养条件包括：先进行弱光阶段光照，光照强度为4000lux；48h后再进行强光阶段光照，光照强度为20000lux；其中，两阶段光照时，压缩空气流量为0.8L/(L·min)，培养的温度为28℃。
待小球藻生长缓慢后(为第7天)，分离取出藻液体积约80％，继续向反应器中补加新鲜的培养基，先弱光再强光继续培养，小球藻的生长结果如表1所示。
实施例3
本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。
根据实施例1所述的方法，不同的是，反应器中光柱的光照波长为全波长光；最终小球藻的生长结果如表1所示。
实施例4
本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。
根据实施例1所述的方法，不同的是，反应器中柱式光源的末端和凹面内曝气孔的距离约为150mm；最终小球藻的生长结果如表1所示。
实施例5
本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。
根据实施例1所述的方法，不同的是，采用的反应器不同，该反应器曝气装置位于底部，光柱底部位于培养液内，曝气管离光柱底部较远无法产生的气泡对光柱底部表面进行吹扫，该反应器内设置有搅拌装置；最终小球藻的生长结果如表1所示。
对比例1
根据实施例1所述的方法，不同的是，光照强度不分为两个阶段，而是持续地为20000lux；最终小球藻的生长结果如表1所示。
对比例2
根据实施例1所述的方法，不同的是，光照强度不分为两个阶段，而是持续地为5000lux；最终小球藻的生长结果如表1所示。
表1：测量培养各天后的OD值
Figure BDA0002374339950000091
Figure BDA0002374339950000101
将上述表中数据绘制成图3所示的小球藻生长曲线，通过该图可以看，本发明的光合微生物的培养方法能够有利于光合微生物的自养培养。
实施例6
本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。
在光生物反应器1#中加入1L Zarrouk培养基，接种螺旋藻藻种进行自养培养。
反应器中光柱的光照强度5000-20000lux，光照波长为380-780nm。
自养培养条件包括：先进行弱光阶段光照，光照强度为5000lux；48h后再进行强光阶段光照，光照强度为20000lux；其中，两阶段光照时，压缩空气流量为1L/(L·min)，培养的温度为30℃。
待螺旋藻生长缓慢后，分离取出藻液体积约80％，继续向反应器中补加新鲜的培养基，先弱光再强光继续培养，螺旋藻的生长结果如表2所示。
实施例7
本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。
根据实施例6所述的方法，不同的是，反应器中光柱的光照波长为全波长光；最终螺旋藻的生长结果如表2所示。
实施例8
本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。
根据实施例6所述的方法，不同的是，反应器中柱式光源的末端和凹面内曝气孔的距离约为150mm；最终螺旋藻的生长结果如表2所示。
对比例3
根据实施例6所述的方法，不同的是，光照强度不分为两个阶段，而是持续地为20000lux；最终螺旋藻的生长结果如表2所示。
表2：测量培养各天后的OD570值
Figure BDA0002374339950000111
将上述表中数据绘制成图4所示的小球藻生长曲线，通过该图可以看，本发明的光合微生物的培养方法能够有利于光合微生物的自养培养。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (19)

1.一种光合微生物的培养方法，其特征在于，该方法包括：在光生物反应器中，在曝气和光照下，将光合微生物进行生物培养；
所述光生物反应器中设置有光照装置和曝气装置，所述光照的强度分为两级控制，弱光阶段的光强度为5000lux以下，强光阶段的光强度大于5000lux。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述弱光阶段的光强度为1000-5000lux，所述强光阶段的光强度为5500lux-100000lux。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述光照装置包括柱式光源，所述曝气装置包括曝气管；所述曝气管的至少部分曝气孔朝向柱式光源，以使得曝气孔出来的气泡冲刷柱式光源表面。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述曝气管具有凹面且该凹面设置在柱式光源底部，以使得柱式光源底部位于凹面的弧度中。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述曝气管缠绕在柱式光源的下端。
6.根据权利要求3-5中任意一项所述的方法，其中，所述柱式光源的末端和所述至少部分曝气孔的距离为150mm以下，优选为100mm以下，更优选为10-80mm，更优选为30-60mm。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，所述生物培养为自养培养，所述曝气采用的气体为含二氧化碳气体，曝气量为0.1-10L/(L·min)。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，所述光照的波长为380-780nm，优选为490-460nm和/或620-760nm。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其中，所述光合微生物为微藻，优选为蓝藻和绿藻，更优选为小球藻。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的方法，其中，所述光生物反应器未设置其他搅拌装置，通过所述曝气产生的气泡推动光合微生物在光生物反应器中运动。
11.一种光生物反应器，其特征在于，所述光生物反应器中设置有光照装置和曝气装置，所述光照装置设置为能够进行两级控制光照，其中，弱光阶段的光强度为5000lux以下，强光阶段的光强度大于5000lux。
12.根据权利要求11所述的光生物反应器，其中，所述弱光阶段的光强度为1000-5000lux，所述强光阶段的光强度为5500lux-100000lux。
13.根据权利要求11或12所述的光生物反应器，其中，所述光照装置包括柱式光源，所述曝气装置包括曝气管；所述曝气管的至少部分曝气孔朝向柱式光源，以使得曝气孔出来的气泡冲刷柱式光源表面。
14.根据权利要求13所述的光生物反应器，其中，所述曝气管具有凹面且该凹面设置在柱式光源底部，以使得柱式光源底部位于凹面的弧度中。
15.根据权利要求13所述的光生物反应器，其中，所述曝气管缠绕在柱式光源的下端。
16.根据权利要求13-15中任意一项所述的光生物反应器，其中，所述柱式光源的末端和所述至少部分曝气孔的距离为100mm以下，优选为10-80mm，更优选为30-60mm。
17.根据权利要求11-16中任意一项所述的光生物反应器，其中，所述光生物反应器未设置其他搅拌装置。
18.一种生产生物质的方法，包括采用权利要求1-10中任意一项所述的方法培养光合微生物，并从所得的光合微生物中提取生物质。
19.一种生产生物能源的方法，包括采用权利要求1-10中任意一项所述的方法培养光合微生物。
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