一種雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器的製作方法

2023-06-02 15:10:56 2

專利名稱：一種雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及生物技術領域，更具體涉及一種雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器，該反應器應用於雨生紅球藻的高密度培養及蝦青素的積累過程。
背景技術：
雨生紅球藻(Haomatococcus pluvialis)是一種單細胞微藻，在分類地位上屬於綠藻門，團藻目、紅球藻科、紅球藻屬。它在生長的特定階段能夠大量積累蝦青素，是一種很有開發前途的微藻。作為經濟微藻，它具有以下優勢1)經濟價值高，按照目前國際市場的價格，1公斤幹藻粉的價格大約在20美元以上；2)養殖成本低廉，需要的僅僅是少量營養鹽和一定的溫度光照條件；3)作為淡水藻，紅球藻養殖不存在螺旋藻和鹽藻廢棄液排放帶來的環境汙染問題。
雨生紅球藻廣闊的市場前景也引起了國際上的普遍關注，目前國外利用雨生紅球藻生產和提取天然蝦青素的技術已取得長足發展，瑞典已有公司採用人工源照射光生物反應器進行生產。美國的Aquasearch公司在計算機控制的室外封閉光生物反應器(AGM)中進行藻培養，而cyanotech公司則採用封閉的「平臺」式光生物反應器進行培養。但是目前對該藻的研究與商品化生產之間還很有一定距離，生產中主要存在以下幾方面問題(1)雨生紅球藻對環境變化敏感，指數生長期短，抵抗細菌和原生動物汙染的能力較差，極端環境下將失去繁殖能力，不易建立穩定、高效的生產技術體系；(2)培養周期長、產率低、連續性差，而且在脅迫過程中大量死亡，不利於大規模培養。(3)在大池中培養，其光能利用率受到限制，這制約蝦青素積累階段的生產效率，也增加了生產成本。以上問題阻礙了該藻的開發，大大降低了其商品價值。為此，人們正積極地尋找細胞高密度培養條件及蝦青素積累的生態調控技術。
申請人注意到中國知識產權局2003年1月22日公開的申請號為02134385.3的專利，名稱為光生物反應器調節紅球藻種群密度及蝦青素合成和積累的方法，該發明是使用開放式大規運行的光生物反應器調節紅球藻種群密度及細胞內蝦青素的合成與積累。研究發現，這種開放式反應器和以大池露天進行微藻粗放式生產具有類似的缺陷和困難，如佔地面積大，基建成本高，營養鹽和能源消耗浪費多，受氣候影響只能進行季節生產，且藻產品的產量、質量和穩定生產可能性受到外界化學因子和生物汙染的威脅。而另外設計的一些反應器有的技術操作複雜，投資成本高，有的則忽視了藻培養過程中對溫度光照的需求，如閉路管道式反應器的內溫控制問題，藻細胞密度增大時的光照供應問題等，還有的所使用材料在高溫和紫外線下容易老化，這些都限制了其生產應用的可行性。

發明內容
本發明的目的在於提供一種雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器，能夠有效控制藻細胞的生長，解決封閉養殖過程中藻細胞附壁、溶解氧蓄積問題，提高光能和營養利用效率的養殖裝置。該裝置將藻細胞的大量培養與蝦青素的積累兩個過程通過光強的調節結合在同一容器中，減少了中間環節帶來的藻生物量的損失，避免了雜藻、病菌和蟲害對生產的幹擾，同時方便了採收，降低了勞動強度，節省了生產成本。
本發明的技術方案為一種雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器，包括養殖罐、水處理裝置、溫度控制裝置、氣體供應裝置、照明裝置、採樣出氣孔以及藻液收集口。其特徵在於水處理裝置大部分位於養殖罐外部，照明裝置位於養殖罐側面，照明裝置包括內置光源和外置光源，溫度控制裝置位於養殖罐底部，在溫度控制裝置上是氣體供應裝置，採樣出氣孔位於反應器頂部內側，藻液收集口位於養殖罐底部。
養殖罐為圓柱形，採用透光性好的樹脂玻璃材料製作，直徑0.3-0.8米，高度1.0-1.5米，透光玻璃厚度為0.5-1.0釐米。
水處理裝置包括過濾器、電熱器、臭氧發生器和紫外燈，除了紫外燈外，其他部件都位於反應器外；過濾器安裝在進水口上，過濾器濾料為活性碳或納米功能材料，它的作用主要是對養殖用水進行過濾，去除一些雜質和粗大的顆粒懸浮物，電熱器安裝在蓄水池的底部，可對進水加熱至100℃達到滅菌作用，臭氧發生器通過導管與蓄水池相連，其產生的臭氧可以殺滅水體中的藻類和其他微生物，保證培養用水的清潔純淨。紫外燈獨立安裝在養殖罐內頂部，根據需要使用不同功率規格，紫外燈可進一步對培養用水進行處理，以上措施保證用水符合該藻的培養需要。
照明裝置包括內置光源和外置光源兩種，提供藻細胞培養階段和蝦青素積累階段所需要的不同光強。內置光源採用防水潛水式螢光燈，每2-3根為一組，2-4組均勻分布，潛水式螢光燈通過螺栓或真空吸盤安裝在養殖罐內部；外置光源採用螢光燈，每2-3根為一組，4-6組均勻分布，螢光燈通過螺栓或真空吸盤安裝在反應器外殼的內側；每組內外置光源均可獨立開關，可根據培養實際情況需要決定光源的組合，當養殖罐內藻的密度有顯著增加時，逐漸加大光照強度，而在完成了生物量的培養後可以打開所有燈，使藻細胞在高光下進行蝦青素的積累。在反應器外殼的內側均勻鋪設反光性能好的錫箔紙，錫箔紙佔據外殼3/4的表面積，留1/4表面積的空間觀察生產過程中反應器的運轉情況；錫箔紙有助於增加養殖罐內的光強。
養殖罐底部的溫度控制裝置由兩部分組成，空調壓縮機在養殖罐外部，溫度調節用的散熱/吸熱器件位於養殖罐內部，通過防水墊圈和螺栓安裝在養殖罐底部，並通過導流管與空調壓縮機相連。
氣體供應裝置由氣石、過濾器、流量計、氣閥、空氣泵和二氧化碳鋼瓶組成，各個部件之間通過矽膠管相連接；氣體過濾器可以採用35-50毫米針頭式過濾器，內部為孔徑0.30-0.65微米的混合纖維酯微孔濾膜。空氣泵和二氧化碳鋼瓶中的氣體在進入氣閥前混合，混合氣體經氣閥、流量計、過濾器和氣石進入培養罐，氣石固定在散熱/吸熱器件上，氣石之間通過分頭互相連接。1個氣石位於養殖罐底部圓心上，另外6-8個氣石均勻地分布在養殖罐底部圓周上。提供培養過程中所需要的氣體，尤其使CO2，同時通過氣流使藻細胞和培養液充分混合接觸，並保證大多數細胞都可以均勻受光。
採樣出氣孔為養殖罐頂部直徑30-60毫米的圓形的開口，安裝可拆卸的含混合纖維酯微孔濾膜的氣體過濾器，過濾器通過密封圈連接到養殖罐上。該孔用於反應器藻細胞產生的氧氣逸出，平衡反應器內的氣壓。拔下過濾器後該孔還可用於培養母液的添加、藻種的接種、培養過程中分析樣品的取樣，反應室溫度和光強的測定。
本發明的原理是1.通過過濾、加熱、臭氧處理和紫外線照射對培養用水進行徹底處理，保證了用水安全和衛生，有效避免雜藻、病菌和原生動物的危害；2.在生產應用中氣石充氣帶動培養液和藻細胞的混合運動和密切接觸，最大限度地保證了培養環境的均一性，促進了藻細胞對營養物質和光能的利用，提高了傳質效率；3.根據細胞生長階段的實際需要決定開啟不同的光源組合，保證藻細胞生長和蝦青素積累階段都能得到適宜的光強，使得培養罐中藻細胞不會因為密度的增加而出現光能的不足，有利於藻細胞獲得高密度的生物量，並在此後直接進入蝦青素積累階段，促使藻細胞形成厚壁孢子，積累蝦青素。
本生物反應器的技術特徵與優點1.清潔無汙染，本反應器對培養用水和氣體採用過濾裝置，有效阻止了空氣和水體中雜質和細菌的進入，此外密閉的養殖模式有效防止了雜藻、原生動物等的侵入。
2.培養密度大，本反應器設置了內外光源，有效防止了培養密度高了以後產生的自我遮蔽作用，保證了光能的充足供應，有助於實現高密度培養。
3.提供了一種穩定高效的生產技術體系，本反應器在養殖罐中裝有散熱/吸熱器件，而空調壓縮機則位於養殖罐外，這樣的設計可以保證藻細胞的生長繁殖一直處於最適宜的溫度範圍內，此外由於光照的充足供應，加上反應器解決了雜藻和蟲害等的幹擾，保證了培養的順利進行。
4.簡化了工藝流程，以往的工藝是首先培養獲得大量的綠色細胞，然後在將這些藻細胞放置到脅迫環境中2-3天，使其轉變為厚壁孢子積累蝦青素；本反應器的設計簡化了傳統的工藝流程，減少了因為中間環節可能造成的生物量損失，同時有助於蝦青素的積累，提高產品質量。
5.設計簡單，操作簡便易行，同時對環境不產生汙染，具有生產應用價值。


圖1為一種雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器的結構示意圖。
具體實施例方式
實施例下面根據附圖對本發明作進一步詳述一種雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器，它包括養殖罐2、水處理裝置6、溫度控制裝置5、氣體供應裝置4、照明裝置3、採樣出氣孔7以及藻液收集口8。
養殖罐2為圓柱形，採用透光性好的樹脂玻璃材料製作，本實施例採用的規格是直徑0.5米，高1.5米，透光玻璃厚度為0.6釐米。養殖罐2頂部有採樣出氣孔7和紫外燈19，左上部有水處理裝置6，中部有照明裝置3，底部有供氣裝置4、溫度控制裝置5和藻液收集口8。
水處理裝置6包括紫外燈19、蓄水池20、進水過濾器21、電熱器22和臭氧發生器23，除了紫外燈19外，其他部件都位於反應器外；進水過濾器21安裝在進水口上，濾料為活性碳，它的作用主要是對養殖用水進行過濾，去除一些雜質和粗大的顆粒懸浮物，電熱器22(可加熱到水溫100℃)安裝在蓄水池20的底部，可對進水加熱至100℃達到滅菌作用，臭氧發生器23(臭氧發生量5g/h)通過導管與蓄水池20相連，其產生的臭氧可以殺滅水體中的藻類和其他微生物過濾處理的水首先加熱到100℃，然後再開臭氧發生器，通過臭氧的作用殺滅水體微生物，保證培養用水的清潔純淨。紫外燈19(30W，3支)獨立安裝在圓柱形養殖罐2內頂部，紫外燈19在培養用水和培養母液添加完後開啟24h，可進一步對培養用水進行處理；各個部件彼此不相連接，但它們共同的作用是保證用水符合該藻的培養需要。
溫度控制裝置5位於養殖罐2底部，由散熱/吸熱器件17和空調壓縮機18兩部分組成，空調壓縮機18在養殖罐2外部，溫度調節用的散熱/吸熱器件17位於養殖罐2內部，通過防水墊圈和螺栓安裝在養殖罐2底部，並通過導流管與空調壓縮機18相連。
氣體供應裝置4由氣石11、流量計12、過濾器13、氣閥14、空氣泵15和二氧化碳鋼瓶16組成，各個部件間通過矽膠管串連連接；空氣泵15和二氧化碳鋼瓶16中的氣體在進入氣閥14前混合，混合氣體經「氣閥14→流量計13→過濾器12→氣石11」到養殖罐2內；過濾器13可以採用35毫米針頭式過濾器，內部為孔徑0.30微米的混合纖維酯微孔濾膜。氣石11固定在圓形的散熱/吸熱器件17上，1個氣石位於養殖罐2底部圓心上，另外6-8個氣石均勻地分布在養殖罐2底部圓周上，氣石11之間採用分頭連接。該分裝置提供培養過程中所需要的氣體，尤其是CO2，同時通過氣流使藻細胞和培養液充分混合接觸，並保證大多數細胞能均勻受光。
照明裝置3分內置光源和外置光源兩種；內置光源採用防水潛水式螢光燈9，功率為20W，每2根為一組，3組均勻分布在養殖罐2內部；外置光源採用螢光燈10，功率為20W，每2根為一組，4組均勻分布在反應器外殼1的內側；這些燈提供光強範圍在30～350μmol m-2s-1的光能供藻細胞光合作用需要。每組內外置光源均可獨立開關，可根據實際情況需要決定光源的組合。在反應器外殼1的內側均勻鋪設反光性能好的錫箔紙，錫箔紙佔據外殼3/4的表面積，留1/4表面積的空間觀察生產過程中反應器的運轉情況。照明裝置3安裝在反應器居中的位置上，各燈之間為並聯連接，並分別固定在養殖罐壁和反應器外殼1上。
採樣出氣孔7為直徑50毫米的圓形開口，位於反應器頂部內側，安裝可拆卸的孔徑0.30微米的混合纖維酯微孔濾膜，用於反應器藻細胞產生的氧氣逸出，平衡反應器內的氣壓。該孔還用於培養母液的添加、藻種的接種、培養過程中分析樣品的取樣，反應室溫度和光強的測定。
權利要求
1.一種雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器，包括養殖罐(2)、水處理裝置(6)、照明裝置(3)、氣體供應裝置(4)，其特徵在於水處理裝置(6)位於養殖罐(2)外部，照明裝置(3)位於養殖罐(2)側面，照明裝置(3)包括內置光源和外置光源，溫度控制裝置(5)位於養殖罐(2)底部，在溫度控制裝置(5)上是氣體供應裝置(4)，採樣出氣孔(7)位於反應器頂部內側，藻液收集口(8)位於養殖罐(2)底部。
2.根據權利要求1所述的一種雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器，其特徵在於水處理裝置(6)包括過濾器(21)、電熱器(22)、臭氧發生器(23)和紫外燈(19)，過濾器(21)安裝在進水口上，電熱器(22)安裝在蓄水池(20)的底部，臭氧發生器(23)通過導管與蓄水池(20)相連，紫外燈(19)安裝在養殖罐(2)內頂部。
3.根據權利要求1所述的一種雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器，其特徵在於溫度控制裝置(5)由散熱/吸熱器件(17)和空調壓縮機(18)組成，空調壓縮機(18)位於養殖罐(2)外部，散熱/吸熱器件(17)位於養殖罐(2)內部，通過防水墊圈和螺栓安裝在養殖罐(2)底部，並通過導流管與空調壓縮機(18)相連。
4.根據權利要求1所述的一種雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器，其特徵在於氣體供應裝置(4)由氣石(11)、流量計(12)、過濾器(13)、氣閥(14)、空氣泵(15)和二氧化碳鋼瓶(16)組成，並依次用膠管串聯連接。
5.根據權利要求1所述的一種雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器，其特徵在於照明裝置(3)分內置光源和外置光源兩種，內置光源採用防水潛水式螢光燈(9)，每2根為一組，三組均勻分布在養殖罐(2)內部；外置光源採用螢光燈(10)，每2根為一組，四組均勻分布在反應器外殼(1)的內側；照明裝置(3)安裝在反應器居中的位置上，各燈之間為並聯連接，並分別固定在養殖罐壁和反應器外殼(1)上。
全文摘要
本發明公開了一種雨生紅球藻高密度培養的氣升式光生物反應器，包括養殖罐、水處理裝置、照明裝置、氣體供應裝置，其特徵在於水處理裝置位於養殖罐外部，照明裝置位於養殖罐側面，照明裝置包括內置光源和外置光源，溫度控制裝置位於養殖罐底部，在溫度控制裝置上是氣體供應裝置，採樣出氣孔位於反應器頂部內側，藻液收集口位於養殖罐底部。本發明結構簡單，操作方便，節省了生產成本，降低了勞動強度，通過調控反應條件實現全天候高密度養殖，並將藻的養殖和蝦青素積累結合在同一反應器中完成。
文檔編號C12M3/00GK1680539SQ20051001820
公開日2005年10月12日 申請日期2005年1月26日 優先權日2005年1月26日
發明者馮斌, 畢永紅, 江涓, 胡徵宇, 邱昌恩 申請人:湖北師範學院