技术领域
[0001] 本
发明属于微藻
生物技术领域，具体地说涉及一种敞开式光
生物反应器培养微藻过程中有效补充CO2提高微藻培养品质的方法。
背景技术
[0002] 微藻富含
蛋白质、多糖、不饱和
脂肪酸等营养成分(如螺旋藻)，可用于食品、医药和
能源方面；可以大量积累脂肪酸，有些微藻如小球藻，其体内脂肪酸含量可占干重的30％～60％。利用培养微藻来积累油脂资源，已经成为目前利用
太阳能开发可再生资源最热
门的研究领域。不仅具有强大的市场潜
力，而且具有非凡的社会价值。
[0003] 微藻培养方式分一般为密闭式和开放式(或敞开式)两种，开放式类似野生放养，采用开放池(或敞开槽)培养装置，技术简单，投资少。但过程控制难度大，产出能力有限。密闭式培养一般采用密闭式光生物反应器，如气升式、搅拌式、管式等。密闭式培养可以实现理想的过程控制，生产效率高，但投资成本高。
[0004] 微藻的生产要消耗CO2，CO2的有效利用吸收，是实现理想培养效果的关键，目前开放式及封闭式光生物培养微藻技术中，有不少CO2补给方式和装置。对于封闭式光生物培养体系，补充CO2相对较为容易，主要问题集中在光合作用产生O2的解析与排出。刘建国等“微藻规模培养的管道光生物反应器”(CN200410020978.0)及缪坚人等“一种微藻工业生产用光合生物反应器系统”(CN03128138.9)均采用在光生物反应器系统中加入一种装置方法，来实现CO2的补给，同时也能实现一定的
氧解析效果。
[0005] 对于开放式光生物培养体系，由于面积大，液层薄，体系敞开，因此光合作用产生O2的解析与排出不是主要问题，主要问题在于通入的二氧化
碳在没有经过藻液及时吸收固定之前就被吹出反应器液相，所以其实际利用率低下。李夜光等“微藻养殖池补充二氧化碳装置”(CN200610018771.9)采用一种与养殖池相连的CO2补给装置，可以有效提高CO2利用率，但工艺繁琐，增加了设备投资。丛威等在“通过PH值反馈控制补碳培养微藻的方法”(CN200410009360.4)和“用于大规模微藻的补碳装置及其使用方法合用途”(CN200510126465.2)中使用
烟道气补碳，在开放式微藻培养体系中设置“井”式结构，在“井”式结构的底部补充CO2气体，在一定程度上提高了因液层薄造成的补充CO2气体利用低的问题。
[0006] 目前文献中对于CO2补给和氧解析过程虽然都有所涉及，但敞开式培养微藻过程中，CO2补充及其固定效率偏低的问题一直得不到很好的解决，为克服目前CO2补给和氧解析效果不够理想、过程繁琐、投资过大等不利因素。还需要对微藻培养过程中CO2补给手段进行优化，改善培养系统的碳源供应，优化培养工艺。
发明内容
[0007] 针对
现有技术的不足，本发明提供一种敞开式微藻高效培养的方法，本发明方法具有提高微藻培养过程中微藻积累油脂能力，提高CO2利用率，简化培养装置等优点。
[0008] 本发明敞开式培养微藻的方法包括如下内容：采用光照敞开式生物反应器，光照敞开式生物反应器内包括微藻和微藻培养基，补充CO2用于微藻生长，其中补充CO2的方法为利用气液混合输送装置将含CO2的气体与液相混合，然后在气液分离器中进行气液分离，气液分离后的溶有CO2的液相进入敞开式生物反应器补充微藻生长所需的CO2。
[0009] 本发明方法中，气液分离器中气液分离后的气相可以直接排放，可以部分循环回气液混合输送装置入口，利用CO2在
增压状态下易溶于
水的现象进一步利用其中的CO2，提高利CO2的用率，也可以引入敞开式生物反应器主要用于微藻光合作用产生O2的解析排出。
[0010] 本发明方法中，气液混合输送装置包括液环式输送
泵、气液混合泵等适宜的输送设备。气液混合输送装置入口的液相可以来源于敞开式生物反应器，敞开式生物反应器中液相经过微藻过滤后进入气液混合输送装置。可以向敞开式生物反应器内补充微藻培养所需的营养成份，也可以在气液混合输送装置输出的液相中补充所需的营养成份。
[0011] 本发明方法中，含CO2的气体可以来自任意含CO2的气体，如
微生物发酵过程得到的含二氧化碳气体、烟道气等，最好是厌氧发酵或微氧发酵过程排放的尾气，对于好氧微生物发酵过程的尾气可以先进行脱氧处理，然后利用，如
吸附脱氧处理等，氧含量优选为低于8％(v)，最优选为低于5％(v)。典型的厌氧过程如克雷博士
肺炎杆菌厌氧发酵生产1，3-丙二醇，初始通入的99％N2，菌体在厌氧状态下发酵，产生大量的CO2气体，一般尾气中含CO2的体积浓度为10％左右。典型的好氧过程如
酵母菌发酵制
乙醇的过程，该尾气通过吸附脱除部分氧气后可以使用。烟道气可以经过适当过滤等处理进行使用。
[0012] 本发明方法中，敞开式生物反应器可以是槽式、池式、跑道式等适宜结构。溶有CO2的液相进入敞开式生物反应器时，优选均匀设置多个补充点，实现均匀的CO2补给。生物反应器的其它操作条件按常规的微藻培养条件控制。可以设置培养体系二氧化碳和溶解氧量的测定装置，根据需要调整CO2补给量，以获得良好的效果。
[0013] 本发明方法中，气液混合输送装置可以采用现有结构的气液混合输送置，其中液环式输送泵可以采用液环式
真空泵类似的结构，但本发明方法中，实现的是气体输送和气液混合，而不是
真空泵的作用，因此操作参数需进行相应调整。工作时，进气口一般为常压或微
正压，液环式输送泵或气液混合泵等气液混合输送装置的出口压力一般表压为2～200KPa，优选5～80KPa。
[0014] 本发明方法中，气液混合输送装置将气体和液体混合并输送，排出的气液混合物在进行气液分离之前可以设置气液
接触设备，进一步提高气液接触效率，实现二氧化碳在液体中的充分溶解。设置的气液接触设备可以包括静态混合器、动态混合器、填料塔、鼓泡分散构件等。静态混合器、动态混合器和填料塔可以单独设置在液环式输送泵出口管路上。鼓泡分散构件可以设置在气液分离设备中，此时气液分离设备同时具有气液充分接触作用。
[0015] 本发明方法利用在增压条件下CO2易溶于水的原理，利用适宜的输送装置，将含CO2的气体与液体充分混合，在实现输送的同时将CO2溶于液体中，再将溶有CO2的液体补充到敞开式生物反应器中，将CO2的气相补给转变为液相补给，提高了CO2的补给效率和利用率，解决了敞开式生物反应器中由于液层薄造成的CO2的利用率低的问题。
附图说明
[0016] 图1是本发明方法一种具体工艺流程示意图。
[0017] 图2为本发明方法中使用的液环式输送泵工作原理图。
[0018] 其中：1-发酵尾气，2-工作液，3-液环式输送泵，4-气液分离罐，5-气液分布器，6-生物反应器；11-工作液进口，12-废气进口，13-气液混合物出口，14-液环式输送
泵壳体，15-液环式输送泵液环，16-液环式输送泵
叶轮。
具体实施方式
[0019] 如图1和2所示，本发明中采用液环式输送泵进行气体和液体的混合与输送，液体来自于敞开式生物反应器并经过液环式输送泵后循环回生物反应器。循环液体经过液环式输送泵时，大量溶解了CO2，经过补充适量营养物质后循环回敞开式生物反应器。循环液体取自生物反应器底部，经过过滤装置引出，循环液体循环回生物反应器底部。
[0020] 生物反应器底部循环液体出口处设置的过滤装置为金属或塑料滤网，网眼尺寸在1～20微米均可。同时在滤网外端接有反吹气路，目的是在循环路线由于滤网微藻
滤饼堆积影响正常流速时，反吹滤饼，及时消除堆积效应，使系统连续循环运转状况不受影响。
[0021] 本发明方法中，微藻培养的敞开式生物反应器中，补充CO2的气体来自于克雷博士肺炎杆菌厌氧发酵生产1，3-丙二醇过程中的尾气，该尾气中含有N2和CO2。由于克雷博士肺炎杆菌厌氧发酵生产1，3-丙二醇中，初始通入的99％N2，菌体在厌氧状态下发酵，产生大量的CO2气体，携带出去形成N2和CO2混合气，此混合气成份90％以上为N2，CO2含量在10％左右。
[0022] 本发明特别涉及所利用的微藻可以是各种利用二氧化碳为碳源进行光合作用生产有机物的藻类，如小球藻等。
[0023] 下面对合附图，进一步说明本发明方案和效果。
[0024] 如图2所示，液环式输送泵工作原理如下：工作液通过工作液进口11进入液环式输送泵壳体14内，当液环式输送
泵叶轮16顺
时针旋转时，由于
离心力的作用，工作液在液环式输送泵壳体14内形成一个封闭液环15，通过液环式输送泵叶轮16的
叶片将气体进口12的气体增压输送至气液混合物出口13，将气体和部分工作液输送至液环式输送泵外。
[0025] 如图1所示，发酵尾气1和工作液2通过液环式输送泵3混合输出至气液分离罐4，在气液分离罐4中，尾气和工作液通过气液分布器5进一步充分接触，提高工作液中CO2的溶解量，然后进行气液分离，分离出的气相可以排放，可以进入敞开式生物反应器6，也可以部分循环至液环式输送泵入口。气液分离罐4排放的液相进入敞开式生物反应器6以液相形式补给CO2。液环式输送泵3的工作液2来自于生物反应器6，形成循环操作，可以向气液分离罐中补充营养物质，也可以直接向生物反应器6中补充营养物质。由于液环式输送泵3的增压作用，CO2在工作液中的
溶解度可以明显增加。
[0026] 方案1(比较例)
[0027] 在10L光生物反应器内进行小球藻培养。反应器为敞开槽式，液层厚度为20cm，内设气体分布器，可以实现培养液的返混，反应器为玻璃体，设置日光灯
光源，自动控制设定光的
开关时间，形成小球藻培养过程中光暗过程转换。反应器内有
温度控制盘管，以及O2和CO2
传感器。
[0028] 藻种为普通小球藻，培养基SE培养基。
[0029] SE培养基配方(以每升计)：
[0030] NaNO3 0.25g
[0031] K2HPO4.3H2O 0.075g
[0032] MgSO4.7H2O 0.075g
[0033] CaCl2.2H2O 0.025g
[0034] KH2PO4 0.175g
[0035] NaCl 0.025
[0036] Soil extract(
土壤提取液) 40ml
[0037] FeCl3·6H2O 0.005
[0038] Fe-EDTA 1ml
[0039] 通气采用空气
压缩机压缩空气通入，通入量1L/min。土壤提取液为任意土壤与水混合沉降后的上清液。
[0040] 培养液在既定的光暗周期下，培养7天后终止培养，收集藻细胞，测干重与油脂含量，并分析CO2利用情况。
[0042] 同方案1，所不同的是采用液环式输送泵将取自生物反应器的液体和1，3-丙二醇过程中的尾气(含二氧化碳10v％)混合输送，气液分离罐操作压力为表压20KPa，然后气液分离，气相和液相分别引入生物反应器(如图1所示流程)，液相补充营养物质后进入反应器，从反应器出来的料液经过过滤除藻之后，实现循环，其循环流速与培养体系中CO2溶解情况相关联，设定循环流速为10mL/min。其他培养条件同方案1所述。
[0043] 通过脱氧补碳培养7天后，收集藻细胞，测干重与油脂含量，分析CO2利用率。
[0044] 方案3(比较例)
[0045] 同方案2，发酵尾气采用普通压缩机输送至光生物反应器，其他培养条件同方案2所述。通过培养，7天后收集此普通小球藻，测干重与油脂含量，分析CO2利用率。
[0046] 上述实施例实验结果如下表：
[0047]方案 藻干重 油脂含量 CO2利用率
1 1.07g/L 21.2％ 0.31g/(L·h)
2 7.31g/L 34.4％ 0.70g/(L·h)
3 2.20g/L 24.2％ 0.39g/(L·h)
[0048] 从上述数据可以看出，本发明方法(方案2)极大地提高了微藻细胞的
收获量，油脂含量也得到了提高。
