一种微藻培养装置及微藻培养方法 |
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| 申请号 | CN201110219548.1 | 申请日 | 2011-07-28 | 公开(公告)号 | CN102382755B | 公开(公告)日 | 2013-09-18 |
| 申请人 | 中国科学院青岛生物能源与过程研究所; 波音(中国)投资有限公司; | 发明人 | 张维; 尹久盛; 刘天中; 陈昱; 王俊峰; 陈晓琳; 彭小伟; 陈林; 高莉丽; | ||||
| 摘要 | 一种微藻培养装置，包括：一开放式跑道池，具有一液体出口，该液体出口连接一液体 循环 泵 ，通过该液体 循环泵 连接培养液贮罐的液体进口；该培养液贮罐顶部有一液体出口管道，使培养液可以经此管道流回开放式跑道池。在培养液贮罐底部设有气体分布器，通入各种含CO2的气体对微藻培养液进行补 碳 。通过控制开放式跑道池培养液与培养液贮罐内培养培养液体积比和循环速度，来调节微藻细胞在光照的跑道池和光暗的培养液贮罐内的 停留时间 ，实现藻细胞的明暗强制循环。本 发明 解决了传统开放式跑道池培养过程细胞明暗混合差、光能利用率低、气体充气补碳的困难，明显提高微藻培养效率、生长速率和面积产率，降低了微藻规模培养系统投资与运行成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种微藻培养装置，其主要结构包括： |
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| 说明书全文 | 一种微藻培养装置及微藻培养方法技术领域[0001] 本发明属于微藻培养领域，具体地涉及一种微藻大规模培养的装置。 [0002] 本发明还涉及一种利用上述装置进行微藻大规模培养的方法。 背景技术[0003] 微藻能有效利用光能、CO2和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质，可以通过微藻培养来生产保健食品、食品添加剂、饲料及其他化学品。特别是近年来随着生物能源技术的发展，某些含油微藻因其油脂生产能力高(一般占细胞干重的20-60％)，光合效率高、生长周期短，可在盐碱地、沙漠、海域养殖，具有不与粮争地及不与人争粮的巨大优势，以及可利用工厂废气中的二氧化碳为碳源等特点.世界各国已将其作为解决生物质能资源短缺的一条非常重要的途径，并投入巨大的资金和研究力量进行研究和技术开发。 [0004] 微藻作为单细胞生物，其比陆生植物有快得多的生长速度，因而光合固碳能力更强。这也是微藻作为最有潜力的能源生物资源，或者说微藻生物能源技术的重要出发点。然而要发挥微藻的这种优势，建立微藻生物能源产业体系，以现代工业工厂化生产方式，大规模、低成本、高效、优质稳定的获得微藻生物量是前提，这也是目前微藻生物能源产业化面临的最大瓶颈。有分析表明，在用含油微藻进行生物柴油炼制中，仅微藻生物量的成本就占整个生物柴油生产成本的40-60％。因此微藻培养技术是关键。 [0005] 人类很早就有着微藻培养生产的历史，在非洲很早就开始在天然的湖泊中养殖螺旋藻作为食物的来源，东欧、以色列和日本在十九世纪70年代间就已开始了微藻的商业化生产。但是要使微藻培养工业能够满足现代化生产的需求、能够解决国家能源与环境的问题，就必须满足三方面的条件，即规模、成本与效率。 [0006] 目前的已获得工业化生产应用的微藻培养是开放式培养池形式。开放式培养池主要是利用天然或人工的长方型或长椭园形池塘，加装踏板式搅拌装置来实现培养池中的液体循环，以保证微藻细胞交替受光和空气中的CO2接触。目前开放式培养池大多设计成水泥结构或塑料薄膜结构的跑道池形式。培养池的建造和运行的成本都较低，也一般不需要控温设施。根据不同的光照强度池塘运行期水深一般在15-50cm间调整。目前的经济型微藻品种，如螺旋藻与小球藻的商业化生产主要采取开放式的养殖模式来进行。 [0007] 由于在微藻培养过程中，微藻细胞本身的吸光与遮光作用，开放池的光照深度随培养池运行深度和细胞浓度迅速衰减，整个水体呈现出表面强光区(一般只有几毫米或几厘米，随光照强度和藻细胞浓度而变化)、中层弱光区和底层无光区的明暗分区结构。中下部大部藻细胞处于弱光或暗区，无法获得充足的光照，细胞光合作用较弱。由于踏板式搅拌装置难以实现培养液沿光径方向(上下方向)的混合，处于开放池上部表层水体的藻细胞长时间停留在强光照射的表面，而中下部弱光或黑暗区的藻细胞难于通过混合到达上部表层接受光照，因此开放池培养上真正有效的是池体上部很薄的水体，因此开放池培养光能利用率低，细胞生长慢，面积产率(指单位占地面每天新增的微藻生物量)低，一般只有5-15g/m2/d，造成大规模培养占地面积过大。同时将开放池跑道池用于产油微藻的培养用于生产微藻生物能源时，藻细胞油脂的积累需要较强的光照诱导环境，而开放池大部分水体光照不足或处于暗区，使得微藻油脂诱导周期长，细胞含油量不高。 [0008] 为了改善开放池培养的光照强度，目前一般采用降低开放池运行水深的方法，如采用薄层(3-8cm)培养。薄层培养即使能够获得较高的细胞生长速度和培养密度，但薄层培养水体体积太少，总的生物量产率仍不高。同时太薄的水层在光照条件下升温很快，失去了传统开放池大水体对温度的缓冲作用。为维持培养液合适的温度(25-35℃)需要增加额外的降温措施和能耗。 [0009] 同时，开放池无论是传统的15-50cm水深还是3-8cm的薄层培养，当向培养水体中通入CO2来实现补碳时，由于水层太浅，气体与培养液的接触时间过短，很难实现高效补碳，通入的CO2的利用率也很低。为了改善开放池培养中的CO2补碳效果，人们也相继开发出了一些新的装置或方法如在开放池中加置导流板强化水体混合与循环。丛威等(用于大规模培养微藻的补碳装置及其使用方法，中国专利200510126465.2)提出了开放池附加阱式补碳容器的结构。在阱式容器内安装有距容器底10-50厘米高的垂直隔板，在容器底安装置有气体分布器。再将该阱式装置置于开放池底部，阱式容器的上沿与开放池底部平齐。通过这种阱式容量内气液较长时间的接触来强化CO2的补碳吸收，在一定程度上提高开放池的培养效果。李夜光等(微藻养殖池补充二氧化碳的装置，李夜光；耿亚红，殷大聪，桂建平，胡鸿钧。中国专利200610018771)提出在开放池中的多孔布气装置来改善气体分布，提高了补碳效果。但这些方法都无法从根本上高效解决开放池培养的两个基本问题，即光照与补碳。 [0010] 光照是微藻光合作用的前提。微藻细胞的光合合成一般分为两个过程，一是光能吸收，在这一过程中藻细胞接受光照能量分解水产生物氢和氧并合成ATP，之后进入生物质暗合成阶段，这一过程不需要光照，藻细胞利用前一过程产生的能量驱动合成生物质。每一个微藻细胞都有着其光饱和点，超过其上的光照量不但不能被利用，反而会产生明显的光抑制生长。由于微藻细胞生合作用藻细胞长时间处于受光区并不能提高微藻的光合效率，反而因占位而阻滞了其它未受光藻细胞进入受光区。而藻细胞长期处于光照不足的暗区，细胞会因维持其生命活动导致生物量消耗。因此理想的微藻培养，是保证藻细胞在受光区获得充足的光照后及时进入暗区进行生物质合成，而未获得光照或完成暗合成后的藻细胞又及时进入受光区，实现藻细胞在明暗区的穿梭替换，从而提高微藻对光能的利用率和细胞生长速度。虽然藻细胞光合过程的光吸收和光合成时间非常短，一般只有毫秒或皮秒级，从工程的角度上很难实现。但任何强化这种明暗交替或循环的方法或措施无疑都会强化藻细胞的光能利用或生长速率。 发明内容[0011] 本发明的目的在于提供一种用于微藻规模培养的装置。 [0012] 本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置进行微藻规模培养的方法。 [0013] 为实现上述目的，本发明提供的用于微藻规模培养的装置，其主要结构包括： [0014] 一开放式跑道池，该开放式跑道池设有一液体出口，该液体出口通过一液体循环泵连接至培养液贮罐的液体进口；该培养液贮罐顶部有一液体出口管道，培养液经此管道流回开放式跑道池；培养液贮罐底部设有气体分布器，以对培养液充气补碳。 [0015] 所述的微藻培养装置，其中，所述贮罐为任何形状的内部具有空间的容器或罐体。 [0016] 本发明提供的利用上述装置进行微藻培养的方法，液体循环泵将开放式跑道池的部分培养液泵入培养液贮罐底部，再从培养液贮罐顶部流出进入开放式跑道池内实现培养液循环；培养液贮罐底部通气补碳。 [0017] 所述微藻培养的方法，其中，开放式跑道池中培养液深度控制在3-10cm。 [0018] 所述微藻培养的方法，其中，培养液贮罐内的培养液装液深度不低于0.5米。 [0019] 所述微藻培养的方法，其中，培养液贮罐内的培养液体积与开放式跑道池中的培养液的体积比为1∶1-10。 [0020] 所述微藻培养的方法，其中，培养液在开放式跑道池内的停留时间为60-600秒，并以此来确定培养液的流速。 [0021] 所述微藻培养的方法，其中，培养液在夜间停止循环，并将所有培养液泵入培养液贮罐内保存。 [0022] 所述微藻培养的方法，其中，培养液贮罐底部补碳是通入含有体积比1-15％的二氧化碳气体。 [0023] 所述微藻培养的方法，其中，二氧化碳气体是指空气-CO2混合气体或烟道气。 [0024] 本发明是基于微藻光合作用的原理，将传统的开放池与一个培养液贮罐通过液体循环泵相连。开放池内处于薄层(3-10cm)运行，使得培养池内的藻细胞都能能够获得充足的光照，之后通过液体循环泵进入培养液贮罐进行暗合成，实现微藻细胞明暗周期的强制循环。同时培养液贮罐内通入CO2，由于培养液贮罐较高的液位深度或者较高的操作压力使得CO2-培养液接触时间增长，气液传质推动力提高，进而提高了补碳效率和CO2利用率。同时培养液贮罐较紧凑的结构和大水体使得温度缓冲和控制更为方便。通过本发明，可在不增加微藻培养面积的情况下大幅度的提高光能利用率和微藻细胞的面积产率，节省能耗，且易于放大和对现有开放池的改造。附图说明 [0025] 图1是本发明的微藻培养装置示意图。 [0026] 图中：1开放式跑道池，2液体循环泵，3培养液贮罐，4搅拌桨，5气体分布器。 具体实施方式[0027] 本发明的微藻装置组成，是一开放式跑道池1，具有一液体出口，该液体出口连接一液体循环泵2，通过该液体循环泵连接于培养液贮罐3。 [0028] 培养液贮罐3顶部有一液体出口管道，培养液可以经此管道流回到开放式跑道池1内；开放式跑道池1内部安装有搅拌浆4，以促进开放式跑道池内培养液的流动。 [0029] 在培养液贮罐底部设有气体分布器，该气体分布器连接一进气管道(公知技术，图中未示)，以一定比例通入CO2，或含CO2的空气混合气对培养液进行补碳。 [0030] 本发明的培养液贮罐可以是各种形式和形状的液体容器。培养液贮罐与开放式跑道池装液总体积比为1∶1-10，培养液贮罐的装液深度不低于0.5米，开放式跑道池内的培养液的深度控制在3-10cm。 [0031] 本发明利用上述装置进行微藻规模培养的方法，是由液体循环泵将开放式跑道池的部分培养液泵入培养液贮罐底部，再从培养液贮罐顶部流出进入开放式跑道池实现培养2 液循环；在培养液贮罐底部通气补碳。培养液贮罐液位深度为0.5-2米，表压为0-2kg/cm。 培养液在开放式跑道池内的停留时间为60-600秒，并以此来确定液体循环泵的流速。 [0032] 本发明将开放式跑道池与培养液贮罐串联组合在一起形成，解决了微藻细胞在光区和暗区的强制循环和高效补碳，明显提高了微藻在开放式跑道池内的细胞生产速度、细胞浓度与培养效率，将有助于解决微藻大规模培养的效率/成本(投资、运行)瓶颈。 [0033] 以下结合实施例作进一步的说明。 [0034] 实施例1 [0035] 采用两个长为3.8米、宽为1.9米的椭园型开放式跑道池(培养面积为6.44平方米)进行室外拟微拟球藻(Nanochloropsis)培养，以进行比较说明。 [0036] 其中一个跑道池装液高度为0.05m(总体积360升)，其一侧通过管道与一个液体循环泵相联，液体循环泵出来的培养液经管道通入一个直径为1.5米，高2.5米，装液量为3.6立方米的园筒型贮罐式底部，同时培养液贮罐底部通入空气/CO2的混合气体(5％CO2， 2 v/v)，通气量为0.3VVM，保持贮罐表压1kg/cm。从培养液贮罐顶部经管道将培养液自流另入开放式跑道池的另一侧。控制水泵流量10立方米/小时以保持培养液在跑道池内的平均停留时间为120秒。夜间停止循环，并将所有培养液泵入培养液贮罐内保存。培养周期 2 2 内，平均气温和光照强度为：8:00时12.2℃，900umol/m/s，13:00时31.1℃，1800umol/m/ 2 s，17:00时26.4℃，800umol/m/s。初始藻细胞接种密度为0.14克/升，培养12天后，取样分析，藻细胞浓度为0.48克/升，折合面积产率为(培养终了藻细胞浓度-初始接种密度)*培养液总体积(升)/培养天数/培养池面积＝(0.48-0.14)*(360+3600)/12/6.44＝17.4克/平方米/天。 [0037] 另一个开放式跑道池采用传统培养方式作为对照，装液高度为0.55米(装液量3.9立方米)，搅拌水流速度为0.25米/秒，池底部通入空气/CO2的混合气体(5％CO2，v/v)，通气量为0.3VVM。采用富氮f/2培养基(NaNO3浓度0.75克/升)，细胞接种密度0.1克 2 /升。培养周期内，平均气温和光照强度为：8:00时12.2℃，900umol/m/s，13:00时31.1℃， 2 2 1800umol/m/s，17:00时26.4℃，800umol/m/s。初始藻细胞接种密度为0.13克/升，培养 12天后，取样分析，藻细胞浓度为0.40克/升，折合面积产率(计算方法同前)为13.8克/平方米/天。 [0038] 两种方法比较的结果说明本发明的微藻面积产率总产量提高了20％。 [0039] 实施例2 [0040] 两个长为3.8米、宽为1.9米的椭园型开放式跑道池进行室外拟微拟球藻(Nanochloropsis)培养。其中一个开放式跑道池装液高度为0.05m(总体积360升)，其一侧通过管道与一个液体循环泵相联，液体循环泵出来的培养液经管道通入一个直径为1.5米，高2.5米，装液量为1.1立方米的园筒型贮罐式底部，同时培养液贮罐底部通入空气/2 CO2的混合气体(5％CO2，v/v)，通气量为0.3VVM，保持贮罐表压1kg/cm。从培养液贮罐顶部经管道将培养液自流另入开放式跑道池的另一侧。控制水泵流量20立方米/小时以保持培养液在跑道池内的平均停留时间为60秒。夜间停止循环，并将所有培养液泵入培养液 2 贮罐内保存。培养周期内，平均气温和光照强度为：8:00时12.6℃，900umol/m/s，13:00时 2 2 30.9℃，1800umol/m/s，17:00时26.5℃，800umol/m/s。初始藻细胞接种密度为0.21克/升，培养12天后，取样分析，藻细胞浓度为1.65克/升，折合面积产率为27.1克/平方米/天。 [0041] 另一个开放式跑道池采用传统培养方式作为对照，装液高度为0.20米(装液量1.45立方米)，搅拌水流速度为0.25米/秒，池底部通入空气/CO2的混合气体(5％CO2，v/v)，通气量为0.3VVM。采用富氮f/2培养基(NaNO3浓度0.75克/升)，细胞接种密度 2 0.18克/升。培养周期内，平均气温和光照强度为：8:00时12.6℃，900umol/m/s，13:00时 2 2 30.9℃，1800umol/m/s，17:00时26.5℃，800umol/m/s。培养12天后，取样分析，藻细胞浓度为0.85克/升，折合面积产率为12.5克/平方米/天。 [0042] 两种方法比较的结果说明本发明的微藻面积产率提高了117％。 [0043] 实施例3 [0044] 两个长为3.8米、宽为1.9米的椭园型开放式跑道池进行室外拟微拟球藻(Nanochloropsis)培养。其中一个开放式跑道池装液高度为0.05m(总体积360升)，其一侧通过管道与一个液体循环泵相联，液体循环泵出来的培养液经管道通入一个直径为1.5米，高2.5米，装液量为1.1立方米的园筒型贮罐式底部，同时培养液贮罐底部通入空气/2 CO2的混合气体(5％CO2，v/v)，通气量为0.3VVM，保持贮罐表压1.6kg/cm。从培养液贮罐顶部经管道将培养液自流另入开放式跑道池的另一侧。控制水泵流量20立方米/小时以保持培养液在跑道池内的平均停留时间为60秒。夜间停止循环，并将所有培养液泵入培养 2 液贮罐内保存。培养周期内，平均气温和光照强度为：8:00时11.5℃，850umol/m/s，13:00 2 2 时30.5℃，1700umol/m/s，17:00时26.1℃，780umol/m/s。细胞接种密度0.18克/升，培养6天后藻细胞浓度为0.85克/升，折合面积产率为25克/平方米/天。 [0045] 另一个开放式跑道池采用传统培养方式作为对照，装液高度为0.05米(装液量360升)，搅拌水流速度为0.25米/秒，池底部通入空气/CO2的混合气体(5％CO2，v/v)，通气量为0.3VVM。采用富氮f/2培养基(NaNO3浓度0.75克/升)，细胞接种密度0.28克/ 2 升。培养周期内，平均气温和光照强度为：8:00时11.5℃，850umol/m/s，13:00时30.5℃， 2 2 1700umol/m/s，17:00时26.1℃，780umol/m/s。培养6天后藻细胞浓度为为1.8克/升，折合面积产率为14.1克/平方米/天。 [0046] 两种方法比较的结果说明本发明的微藻面积产率提高了78％。 [0047] 实施例4 [0048] 两个长为3.8米、宽为1.9米的椭园型跑道池进行室外拟微拟球藻(Nanochloropsis)培养。其中一个跑道池装液高度为0.05m(总体积360升)，其一侧通过管道与一个液体循环泵相联，液体循环泵出来的培养液经管道通入一个直径为1.5米，高2.5米，装液量为0.72立方米的园筒型贮罐式底部，同时培养液贮罐底部通入空气/CO2的 2 混合气体(1％CO2，v/v)，通气量为0.25VVM，保持贮罐表压1.5kg/cm。从培养液贮罐顶部经管道将培养液自流另入开放式跑道池的另一侧。控制水泵流量10立方米/小时以保持培养液在跑道池内的平均停留时间为120秒。夜间停止循环，并将所有培养液泵入培养液 2 贮罐内保存。培养周期内，平均气温和光照强度为：8:00时12.3℃，900umol/m/s，13:00时 2 2 31.6℃，1750umol/m/s，17:00时26.5℃，800umol/m/s。细胞接种密度0.28克/升，培养 12天后藻细胞浓度为1.8克/升，折合面积产率为21克/平方米/天。 [0049] 另一个开放式跑道池采用传统培养方式作为对照，装液高度为0.15米(装液量1080升)，搅拌水流速度为0.25米/秒，池底部通入空气/CO2的混合气体(1％CO2，v/v)，通气量为0.25VVM。采用富氮f/2培养基(NaNO3浓度0.75克/升)，细胞接种密度0.1克/ 2 升。培养周期内，平均气温和光照强度为：8:00时12.3℃，900umol/m/s，13:00时31.6℃， 2 2 1750umol/m/s，17:00时26.5℃，800umol/m/s。培养12天后藻细胞浓度为1.05克/升，折合面积产率为13.1克/平方米/天。 [0050] 两种方法比较的结果说明本发明的微藻面积产率提高了62％。 [0051] 以上实施例中，将所用的藻种替换为栅藻、小球藻、螺旋藻、角毛藻、三角褐指藻、金藻或盐藻等，重复上述实验，所得结果相似。 |
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