CN1317379C - 微藻规模培养的管道光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微藻生物技术领域，具体是一种封闭式微藻规模培养的管道光生物反应器装置，包括透明管道、气体解析装置、附属管道***、培养参数感受和控制设施、经济微藻，本发明采用大型气体解析装置、将直线平行排列的透明管道进行并联、机械推动水体流动、以及细胞相互遮光等新思路。解决了封闭管道光生物反应器气体交换难的问题，降低了氧化损伤作用，有效补偿二氧化碳，保障微藻正常光合代谢，降低了强光引起的光损伤作用，减少了气泡柱形成对水流阻碍作用，突破了管道长度增加的限制，提高了微藻培养效率，很容易将封闭式管道光生物反应器放大到几吨到上百吨。同时将管道光生物反应器建立在太阳光线充足的地方，充分利用自然阳光降低培养成本。

Description

微藻规模培养的管道光生物反应器
技术领域
本发明属于微藻生物技术领域，涉及一种微藻培养的管道光生物反应器。该装置为封闭体系，能有效隔断敌害生物污染；同时藻液可以有效搅拌，能避免存在死角；另外气体交换充分，有效补偿二氧化碳和解析溶解氧。该装置可用于规模化培养微藻，生产相关产品或提供水产养殖饵料。
背景技术
微藻作为生物圈中第一生产力的重要组成部分，是水生态***中水产动物整个生长过程(或特定发育阶段)的唯一饵料或饵料生物的饵料。同时，微藻接近植物种类的50％，在种质、生态分布、遗传信息、生化组成、代谢途径等方面具有出多样性、复杂性和特殊性，进一步决定了其潜在的营养和药学价值，人类可能从中开发出大量结构特异的高附加值生物活性成分。
自然界并没有可以大量直接收集的微藻，开发微藻资源需要通过工程培养生产原料。国际上，微藻规模化人工培养目前主要有开放池和封闭光生物反应器2类方式：
开放式培养(如循环跑道池)相对简单、投资低。但该方式培养条件变化较大，微藻产率低，并存在严重的生物污染。任何来自于水源、空气、肥料、仪器、以及操作等的天敌生物(如原生动物)以及其它藻类都极易侵入污染，常常导致整个培养彻底失败，直接限制了影响微藻培养和资源开发。只有极少数能在极端环境中生长的微藻(如在高pH环境中快速生长的螺旋藻和在高盐度中成为优势种的盐藻)可以利用该方式培养成功。
虽然封闭式光生物反应器投资费用相对较大，由于可以调控多项培养参数，更易于控制生物污染，培养微藻的产率更高，因此成为近年来本领域研发趋势。目前用于实验室和小试研究(工作体积从几升到几百升)的封闭式光生物反应器已经很多。但是真正地应用到放大规模生产中，构建几吨到上百吨的封闭式光生物反应器还有很难逾越的屏障。
首先，微藻属于光自养生物，很多代谢需要光能或由光启动，因此用于培养微藻的生物反应器材料通常要求很好的光透性。传统透光材料(玻璃、有机玻璃和塑料)的抗压和抗高温性能很低，易于破碎和与热变形甚至熔化，因此不能借鉴传统封闭式发酵方法设计光生物反应器；而抗压和抗高温性高的材料的透光性能下降，甚至完全不透光，这与光生物反应器培养微藻的基本思路相矛盾，也是限制光生物反应器放大到吨级甚至更大的重要原因。
利用透光材料研制出的封闭式管道光生物反应器，有平行管道类型(图1)和螺旋管道类型(图2)，分为受光管道部分和气体解析装置部分，如图1所示平行管道光生物反应器，包括藻液1、气体解析装置2、推动水流动的机械装置3、过滤压缩气体管道4、气泡42、气体解析管道5、卸料管道6、上料管道7、透明管道8、平行排列的透明管道81、“U”型回折82等，如图2所示螺旋管道光生物反应器示意图，包括藻液1、气体解析装置2、过滤压缩气体管道4、气体解析管道5、上料管道7、透明管道8、螺旋排列的透明管道83等。上述两类光生反应器多以气体带动藻液1上升到气体解析装置2内(和/或机械装置3推动藻液1流动)，然后靠地球重力作用下降回流到封闭的受光管道部分(透明管道8)中。在封闭管道光生物反应器放大中，管道长度增加是重要的手段。而随着管道长度增加，藻液中的二氧化碳很快被耗尽，限制了细胞生长；同时由于藻细胞光合作用大量氧气在藻液中积累，氧饱和度高达300％，过高的溶解氧反过来对藻细胞产生严重的氧化损伤；另外，气体在管道内形成气泡并逐渐增大形成气柱，阻碍了藻掖的正常流动。因此管道长度增加是有限度的，一般不长于150米，大大制约了封闭管道光生物反应器的放大应用。
因此，如何克服上述弊端，构建可应用到生产中的吨级以上新型封闭式光生物反应器装置，成为开发微藻资源的关键核心技术。
发明内容
针对式封闭式光生物反应器培养中出现的上述问题，通过不断实验，我们采用传统透光材料成功地构建了一种新型封闭式管道光生物反应器(图3)。该封闭式管道光生物反应器解决了管道光生物反应器规模化放大中陡然出现的气体交换问题，增加了氧气有效解析，避免了积累过高的溶解氧，降低了溶解氧对微藻的氧化损伤作用。同时，通过有效补偿消耗的二氧化碳，保障微藻正常光合代谢进行，突破了管道总长度增加的限制屏障。因此，该封闭式管道光生物反应器很容易从几吨放大到几十吨，甚至上百吨。
本发明解决上述技术问题所采取的方案是：
1、将放大的管道光生物反应器分别设置为：多条透明管道的并联组、大型气体解析装置、附属管道***、培养参数感受和控制设施、经济微藻五部分，并联的透明管道组的二端分别与大型气体解析装置相连，藻液在机械装置的推动下在光生物反应器内循环流动。
2、将放大的管道光生物反应器建立在太阳光线充足的地方，如室外、日光温室或塑料大棚内，充分利用自然阳光，降低规模培养微藻的成本。
3、采用受光管道部分的透明管道增粗和延长管道总长度的办法，实现扩大管道光生物反应器体积目的。将透明管道直径从传统的1cm到5cm进一步增加，增加范围到5cm至100cm；将传统的管道光生物反应器的透明管道总长度从100m以内，进一步增加数百倍(总长度增加范围从100m到30000m)。
4、改变利用压缩气体在管道内释放后，气泡上升带动水流的方法，利用机械装置推动培养藻液循环流动，并带动微藻细胞的不断上下左右穿梭，通过细胞之间相互遮光，降低强烈的太阳光线对微藻细胞的光损伤作用。
5、采用增加透明管道直径的办法，实现增加了藻液培养厚度，微藻细胞的相互遮蔽作用增强，进一步实现降低强烈阳光对微藻细胞的光损伤作用。
6、改变传统上的小体积的气体解析装置为大型的大气体解析装置；在气体解析装置上设“U”型气体解析管道，减少其它生物入侵污染；改变传统一个气体解析装置配备一条透明管道，为一个气体解析装置配备多条透明管道。
7、将传统的单一(或多条串联)透明管道“U”形回折成平行状排列，或一条透明管道螺旋排列成螺旋状，改变成直线排列模式，降低管道内气泡逐渐增大形成气柱，有利于藻掖的正常流动。将多条直线形的透明管道按照平行方式紧密排列并联在一起。
8、改变传统一条(或多条串联在一起的)透明管道的二个末端与一个气体解析装置相连方式。将每条(含串联连接在一起的)透明管道的二端分别都与2个气体解析装置相连。进一步降低管道内气泡逐渐增大形成气柱，有利于藻液的正常流动。
9、保留每条透明管道长度在1m到150m范围内，多条透明管道并联在一起后，整个光生物反应器的透明管道的总长度可以增加到几百米、几千米甚至数万米。有效地实现管道光生物反应器的放大。
10、整个气体解析装置是封闭的，在其上端设有过滤压缩气体管道、气体解析管道、卸料管道和上料管道。在其一侧设有多个平行管道接口，与多条透明管道相连。在大型气体解析装置内设凹型坑，卸料管道开口位于该坑内，便于有效卸料。气体解析装置中间设推动水流动的机械装置，依靠机械装置推动培养藻液循环流动，而不是利用压缩气体在管道内释放后的上升气泡带动水流。如经济条件许可，进一步安装培养参数感受和控制设施，包括温度传感器、pH传感器、维持温度恒定的加热或降温装置、酸或碱加样装置、二氧化碳控制开关等。其中感受pH、温度变化的传感器与控制***相连，对培养参数进行检测和控制。
11、过滤压缩气体(空气或二氧化碳加富空气)释放管道口置于气体解析装置与透明管道的接口部。气体伴随藻液流入透明管道，在透明管道内流动过程中充分实现气体交换，有效补充微藻细胞光合作用消耗的二氧化碳，解析放出的氧气，避免过高的溶解氧对藻细胞的氧化损伤作用。然后气体随藻液在另一端的气体解析装置内释放。
本发明培养的经济微藻包括来自于淡水微藻、咸水和海水等环境中的微藻，如：扁藻、小球藻、金藻、栅藻、红球藻、紫球藻、雪藻或硅藻等其它微藻。培养的经济微藻用于水产养殖饵料和进行特殊生物活性成分开发。
本发明透明管道采用玻璃、有机玻璃或塑料(聚乙烯、聚氯乙烯或聚丙烯等)等传统透明材料制成；塑料透明管道可以有聚乙烯、聚氯乙烯或聚丙烯等材料制成。包括任何厚薄、色泽、质地的透光材料，直径从5cm到100cm，单条透明管道从1m到150m，而每个光生物反应器的透明管道总长度可以从100m到30000m。
本发明物料分别包括水和藻液等液体，空气和二氧化碳等气体，无机和有机矿物质营养物质，以及用于水消毒的物质和消毒后的中和物质等。
本发明微藻规模管道光生物反应器装置可以是上面的一个培养单元，也可以是2个以上的培养单元装置相互连接在一起形成的更大型规模化管道光生物反应器组。
本发明的优点是：
1、克服了受材料和技术限制，封闭光生物反应器不能有效放大的技术难题，通过建立2个大型封闭气体解析装置与多条平行的透明管道并联，理论上可以无限放大培养微藻，为微藻资源的有效开发利用带来了光明一片。
2、借助机械装置推动水流动和搅拌藻液，不仅保障了体系内部的培养液消毒充分和营养分布均匀一致，避免了反应器内存在的死角问题，而且气体交换(解析氧气和补偿二氧化碳)充分。
3、微藻规模培养的管道光生物反应器建立在太阳光线充足的地方(如室外、日光温室或塑料大棚内)，最经济地利用自然阳光。
4、改变传统透明管道的“U”回折为直线状平行排列，在管道2端分别设置气体解析装置，不仅增加了气体交换，同时防止了气泡在透明管道内增大形成气柱，避免了气柱对藻液流动产生的阻碍作用。
附图说明
图1为传统气升式平行管道光生物反应器示意图。
图2为传统气升式螺旋管道光生物反应器示意图。
图3A为位于光生物反应器二端的气体解析装置纵面观示意图。
图3B为图3A中新型微藻规模培养管道光生物反应器的平面观示意图。
【主要部分代表符号】
1、藻液；2、气体解析装置；3、推动水流动的机械装置；4、过滤压缩气体管道；41、过滤压缩气体释放管道口；42、气泡，5、气体解析管道，51、U型气体解析管道，6、卸料管道，7、上料管道，8、透明管道(一条或多条串联在一起)，81、平行排列的透明管道，82、“U”型回折，83、螺旋排列的透明管道，84、并联的透明管道组，9、平行管道接口，10、凹型坑，11、培养参数感受和控制设施。
具体实施方式
实施例1
30吨规模的管道光生物反应器。
在标准化塑料温室内(长66m、宽10m，净面积1亩地)，按照图3A和图3B设计新型微藻规模培养光生物反应器。
首先，在温室二端分别建1个大型气体解析装置2。每个气体解析装置2内侧面一侧分别设50个圆形平行管道接口9，接口周长36cm，接口均匀排列。二端的大型气体解析装置管道接口要求遥向对应，在大型气体解析装置上端设有过滤压缩气体管道4、气体解析管道5、卸料管道6和上料管道7。过滤压缩气体(空气或二氧化碳加富空气)释放管道口41置于气体解析装置2的管道接口9内。在气体解析装置外的气体解析管道5设为“U”型气体解析管道51。在大型气体解析装置2内设凹型坑10，卸料管道6开口位于该坑内，大型气体解析装置2中间设推动水流动的机械装置3，该机械装置为泵、叶轮等均可，气体解析装置2内安装pH、温度培养参数感受和控制设施11，然后将整个大型气体解析装置2进行封闭。
透明管道8为聚乙烯材料，管道周长36cm，每条透明管道长度60m，50条透明管道平行排列铺在水平地面上，管道总长度3000m。平行排列的透明管道81分别与大型气体解析装置的平行管道接口9一一封闭连接，从而形成并联的透明管道组84。1个30吨规模的管道光生物反应器基本建成。
通过管道灌入培养液，消毒灭菌后接种微藻藻种，即可进行生产培养。
本发明采用大型气体解析装置2、将直线平行排列的透明管道81并联在一起、机械推动水体流动、以及细胞相互遮光等新思路。解决了封闭管道光生物反应器气体交换难的问题，降低了氧化损伤作用，有效补偿二氧化碳，保障微藻正常光合代谢，降低了强光引起的光损伤作用，减少了气泡柱形成对水流阻碍作用，突破了管道长度增加的限制，提高了微藻培养效率，很容易将封闭式管道光生物反应器放大到几吨到上百吨。同时将管道光生物反应器建立在太阳光线充足的地方，充分利用自然阳光降低培养成本。

Claims (10)

1、微藻规模培养的管道光生物反应器，包括：透明管道、气体解析装置、附属管道***、培养参数感受和控制设施、经济微藻五部分，其特征在于：所述透明管道(8)为单一或多条串联的，每条透明管道为没有回折的直线形排列，并联的透明管道组(84)二端分别与气体解析装置(2)相连，多条透明管道按照平行方式紧密排列在一起。
2、根据权利要求1所述微藻规模培养的管道光生物反应器，其特征在于：所述经济微藻来自于淡水微藻、咸水或海水环境中的微藻。
3、根据权利要求1所述微藻规模培养的管道光生物反应器，其特征在于：所述光生物反应器建立在太阳光线充足的地方。
4、根据权利要求1所述微藻规模培养的管道光生物反应器，其特征在于：所述微藻规模培养管道光生物反应器体积扩大采用受光管道部分的透明管道增粗和延长管道总长度的办法，透明管道直径为5cm至100cm，保留每条透明管道长度在1m到150m范围内。
5、根据权利要求1所述微藻规模培养的管道光生物反应器，其特征在于：所述透明管道，包括任何厚薄、色泽、质地的透光材料。
6、根据权利要求1所述所述微藻规模培养的管道光生物反应器，其特征在于：所述整个气体解析装置(2)是封闭的，在气体解析装置(2)上设有附属管道***，包括过滤压缩气体管道(4)、气体解析管道(5)、卸料管道(6)和物料上料管道(7)，在气体解析装置(2)一侧设有多个平行管道接口(9)，与多条透明管道(8)相连，气体解析装置(2)内部设有凹型坑(10)，卸料管道(6)开口位于该坑内，气体解析装置(2)中间设推动水流动的机械装置(3)，藻液在机械装置的推动下在光生物反应器内循环流动。
7、根据权利要求6所述微藻规模培养的管道光生物反应器，其特征在于：所述物料包括水、藻液、空气、二氧化碳、无机和有机矿物质营养物质、以及用于水消毒的物质和消毒后的中和物质。
8、根据权利要求6所述微藻规模培养的管道光生物反应器，其特征在于：所述过滤压缩气体释放管道口(41)置于透明管道气体解析装置(2)管道接口(9)内；所述气体解析管道为U型气体解析管道。
9、根据权利要求1所述微藻规模培养的管道光生物反应器，其特征在于：所述培养参数感受和控制设施包括温度传感器、pH传感器、维持温度恒定的加热或降温装置、酸或碱加样装置、二氧化碳控制开关。
10、根据权利要求1所述微藻规模培养的管道光生物反应器，其特征在于：所述微藻光生物反应器装置为单独的培养单元，或者为2个以上的培养单元装置相互连接在一起的规模化管道光生物反应器组。
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