一種簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的裝置和方法

2023-12-01 07:02:56 1

專利名稱：一種簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的裝置及方法，屬於環境工程和生物工程領域。
背景技術：
微藻(Microalage)是對能夠利用來自空氣、廢氣、可溶性碳酸鹽等各種碳源的CO2進行類似於植物細胞光合作用的單細胞和簡單多細胞生物體類群的總稱。微藻在食品、醫藥、能源、環境等諸多領域具有廣泛應用。除利用空氣中的CO2和HC03_離子外，許多研究基於空氣中的CO2濃度過低考慮，使用含有高濃度CO2的空氣混合氣(CO2濃度範圍為O. 5%-3%)為微藻提供碳源。研究發現通過含有高濃度CO2的混合氣曝氣可以顯著地促進微藻的生長繁殖速率，且有時還可 以提高微藻的烴類、油質、β_胡蘿蔔素等副產物的含量。然而如果直接向培養池或培養瓶中通入高濃度CO2混合氣，由於形成的氣泡孔徑較大且不勻從而造成CO2的利用效率較低。20世紀50年代起，密閉式光生物反應器在藻類培養的應用開始得到重視。採用光生物反應器為微藻提供CO2曝氣能夠顯著提高CO2的利用效率，極大地提高微藻生長速率。目前用於藻類培養的光生物反應器種類主要包括泡柱式、平板式、氣升循環式、發酵罐式四類。其中內環流氣升式反應器在反應器中央設置導流裝置，當氣體進入導流筒後使反應器上升段內氣液混合物的密度低於外部區域的密度，由此產生對液體的提升力，從而使液體形成環流。當藻細胞生長到一定濃度，由於光的衰減，在反應器中央的藻液上升區形成黑暗區，從而藻細胞在反應器內進行有規律的光暗循環，因此與常規的管式光反應器相比，氣升式光反應器的光利用效率更高。氣升式生物反應器比起管形裝置更緊湊，從而更適合較大規模培養。截止目前，利用光生物反應器培養微藻獲得最高生產效率是10 g/(L · d)，而絕大多數開放培養模式下微藻的生產效率都低於I g/ (L · d)。總體來講，利用光生物反應器進行藻類培養的諸多優勢，如條件可控、產量高、佔地少等使其成微藻萄藻培養基礎研究的必然選擇。不過考慮到微藻在開放環境中可能會被生長速率更快的雜藻汙染，目前已報導的升流式光生物反應器大都採用高溫高壓或微孔過濾滅菌，從而造成目前大多數升流式光生物反應器的結構複雜、運行條件苛刻，造成其構建和運行成本太高，限制了其在微藻商業化大規模生產實踐中的應用。如果能採取措施避免這些滅菌操作或者找到一種低成本的滅菌方法，那麼利用光生物反應器培養微藻的成本將會大幅降低，具有重要意義。

發明內容
本發明目的是提供一種簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的裝置和方法。簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的裝置包括CO2氣瓶、空氣壓縮機、第一氣體減壓閥、第二氣體減壓閥、第三氣體減壓閥、CO2分析儀、氣體混合箱、第一氣體流量計、第二氣體流量計、第三氣體流量計、第一反應器罐體主體、第二反應器罐體主體、第一曝氣頭、第二曝氣頭、第一加溫器、第二加溫器；co2氣瓶、第一氣體減壓閥、第一氣體流量計、氣體混合箱順次相連；空氣壓縮機、第二氣體減壓閥、第二氣體流量計、氣體混合箱順次相連；co2分析儀與氣體混合箱相連；氣體混合箱順次通過第三氣體減壓閥、第三氣體流量計後分別與第一曝氣頭、第二曝氣頭相連；第一反應器罐體主體內設有第一導流筒，第一反應器罐體主體上部設有第一排氣口，第一反應器罐體主體下部設有第一排水口，第一導流筒的下部設有第一曝氣頭，第一加溫器的下部伸入第一反應器罐體主體；第二反應器罐體主體內設有第二導流筒，第二反應器罐體主體上部設有第二排氣口，第二反應器罐體主體下部設有第二排水口，第二導流筒的下部設有第二曝氣頭，第二加溫器的下部伸入第二反應器罐體主體；第一反應器罐體主體和第二反應器罐體主體的外周設有多個人工光源，分別為第一光源、第二光源、第三光源。所述的簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的方法，步驟如下
1)將微藻首先接種於裝有20mL人工培養基的50 mL錐形瓶中，並將錐形瓶置於搖床上，以人工光源提供光照，控制光強、環境溫度和搖床轉速，活化微藻，使微藻進入對數生長 期；
2)將活化後的微藻接種到裝有40mL人工培養基的100 mL錐形瓶中按步驟I)所述的條件培養至藻液OD68tl達2. 0-2. 5時將60mL藻液接種到裝有240mL人工培養基的500 mL錐形瓶中，按步驟I)所述的條件培養至藻液OD68tl達2. 0-2. 5時，獲得300 mL處於對數生長期的微藻；
3)分別將150mL處於對數生長期的微藻接種到第一反應器罐體主體和第二反應器罐體主體，以含有O. 03%-25% CO2的CO2和空氣混合氣作為碳源，以純淨水配製的人工培養基或廢水作為微藻培養液，以人工光源或太陽光作為光源，在溫度為15-35 °C,光強為50-2000 PEm2S 1的環境條件下培養微藻,使微藻進入對數生長期；
4)CO2氣瓶中的CO2通過第一氣體減壓閥、第一氣體流量計進入氣體混合箱；空氣壓縮機中的空氣通過第二氣體減壓閥、第二氣體流量計進入氣體混合箱後與CO2氣瓶輸入的CO2混合後得混合氣體；co2分析儀檢測氣體混合箱內的混合氣體，控制混合氣體中的CO2體積百分比濃度為O. 03%-20% CO2，混合氣體通過第三氣體減壓閥、第三氣體流量計、第一曝氣頭進入到第一反應器罐體主體，混合氣體通過第三氣體減壓閥、第三氣體流量計、第二曝氣頭進入到第二反應器罐體主體；第三氣體流量計控制混合氣體的流量O. 6 L/min ；
5)利用分光光度計檢測第一反應器罐體主體和第二反應器罐體主體內微藻培養液最大吸收波長下吸收峰值變化狀況，待微藻培養液於最大吸收波長下的吸收峰達到最大值時，停止第一曝氣頭、第二曝氣頭曝氣，回收第一反應器罐體主體和第二反應器罐體主體上部微藻培養液，離心收集底部微藻細胞。所述的第一反應器罐體主體和第二反應器罐體主體利用2%_20%的次氯酸鈉溶液進行滅菌和除雜藻處理。所述的步驟5)中回收微藻培養液前採用靜置或添加絮凝劑方式使微藻與微藻培養液分離。本發明的有益效果
I、低能耗該方法成功避免了採用高溫高壓或微孔過濾(需要抽真空)所消耗的大量電倉泛。
2、運行高效通過試驗表明，該方法能夠顯著促進葡萄藻、小球藻、螺旋藻等微藻的生長繁殖速率，同時通過人工調控碳源、營養鹽濃度等方法可以大幅提高微藻高附加值代謝物產量。3、環境友好除人工培養基外，還可以利用一些富含氮磷元素的汙水作為營養源、以含有高濃度CO2的煙道氣作為碳源培養微藻，從而起到淨化環境的作用。4、操作簡便該方法對裝置和技術的要求較低，簡化了傳統內循環式光生物反應器的繁瑣裝置和方法流程，可提高微藻的生產效率，減少微藻高附加值產物的生產成本。5、省去蒸汽發生器等高溫高壓滅菌系統、微孔過濾系統等，同時以普通有機玻璃材質替代耐高溫高壓的精鋼材質構建反應器主體，在保持反應器高效運行的前提下，使工作體積為3L左右的內循環升流式光生物反應器的構建成本由3-10萬元降低至300-500
J Li ο·


圖I是簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的裝置的結構示意 圖2是葡萄藻在錐形瓶中的生長曲線；
圖3是葡萄藻在簡易內循環式光生物反應器中的生長曲線。圖中，CO2氣瓶I、空氣壓縮機2、第一氣體減壓閥3. I、第二氣體減壓閥3. 2、第三氣體減壓閥3. 3,CO2分析儀4、氣體混合箱5、第一氣體流量計6. I、第二氣體流量計6. 2、第三氣體流量計6. 3、第一反應器罐體主體7. I、第二反應器罐體主體7. 2、第一導流筒8. I、第二導流筒8. 2、第一曝氣頭9. I、第二曝氣頭9. 2、第一光源10. I、第二光源10. 2、第三光源
10.3、第一加溫器11. I、第二加溫器11. 2、第一排氣口 12. I、第二排氣口 12. 2、第一排水口13. I、第二排水口 13. 2。
具體實施例方式下面通過附圖和實施例對本發明進行進一步的說明。簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的裝置包括CO2氣瓶I、空氣壓縮機2、第一氣體減壓閥3. I、第二氣體減壓閥3. 2、第三氣體減壓閥3. 3,CO2分析儀4、氣體混合箱5、第一氣體流量計6. I、第二氣體流量計6. 2、第三氣體流量計6. 3、第一反應器罐體主體7. I、第二反應器罐體主體7. 2、第一曝氣頭9. I、第二曝氣頭9. 2、第一加溫器11. I、第二加溫器
11.2 ；C02氣瓶I、第一氣體減壓閥3. I、第一氣體流量計6. I、氣體混合箱5順次相連；空氣壓縮機2、第二氣體減壓閥3. 2、第二氣體流量計6. 2、氣體混合箱5順次相連；C02分析儀4與氣體混合箱5相連；氣體混合箱5順次通過第三氣體減壓閥3. 3、第三氣體流量計6. 3後分別與第一曝氣頭9. I、第二曝氣頭9. 2相連；第一反應器罐體主體7. I內設有第一導流筒8. I,第一反應器罐體主體7. I上部設有第一排氣口 12. I,第一反應器罐體主體7. I下部設有第一排水口 13. I,第一導流筒8. I的下部設有第一曝氣頭9. I,第一加溫器11. I的下部伸入第一反應器罐體主體7. I ;第二反應器罐體主體7. 2內設有第二導流筒8. 2，第二反應器罐體主體7. 2上部設有第二排氣口 12. 2，第二反應器罐體主體7. 2下部設有第二排水口13. 2，第二導流筒8. 2的下部設有第二曝氣頭9. 2，第二加溫器11. 2的下部伸入第二反應器罐體主體7. 2 ;第一反應器罐體主體7. I和第二反應器罐體主體7. 2的外周設有多個人工光源，分別為第一光源10. I、第二光源10. 2、第三光源10. 3。所述的簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的方法，步驟如下1)將純藻種在無菌工作檯上接種於含有20 mL適宜培養基的50mL錐形瓶中，在溫度15-35 °C、光強50-2000 PEnT2S'50-300 rpm攪拌下培養微藻，使藻體細胞進入指數生長期，即藻液的OD68tl達到 2. 0-2. 5。2)將I)中獲得的藻液接種於含有40 mL培養基的100 mL錐形瓶中，在溫度15-35°C、光強50-2000 PEnT2S'50-300 rpm攪拌下培養微藻，使藻體細胞進入指數生長期，即藻液的 OD68tl 達到 2. 0-2. 5。3)將2)中獲得的藻液接種於含有240 mL培養基的500 mL錐形瓶中，在溫度15-35°C、光強50-2000 PEnT2S'50-300 rpm攪拌下培養微藻，使藻體細胞進入指數生長期，即藻液的 OD68tl 達到 2. 0-2. 5。4)參照圖I構建簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的裝置。 5)將3)中獲得藻種接種於4)中設計的簡易簡易升流式光生物反應器中，以含有O. 03%-25%C02的CO2和空氣混合氣作為碳源，以人工光源或太陽光作為光源，在溫度為15-35 °C、光強為50-2000 μΕπι 2S 1的環境中培養微藻,使藻體細胞進入指數生長期，即藻液的 OD68tl 達到 2. 0-2. 5。6)停止CO2混合氣體曝氣，靜置光生物反應器24-48小時或加入殼聚糖等絮凝齊U，使藻體細胞與培養液分離；回收上清液，重複利用；同時通過離心(2000-8000 rpm, 5-30min)收集藻體細胞。
實施例葡萄藻braunii765)的高效培養
I)將葡萄藻braunii 765)接種於含有約20 mL BG11培養基的50 mL錐形瓶中，在弱光照下於搖床上震蕩培養(搖床轉速為120 rpm,溫度為25°C，光暗周期比為12:12,光強為50 μ Em 2s 1X以使藻種適應新的培養液和溫光環境。定期在顯微鏡下鏡檢藻種是否汙染。藻液顏色由黃綠色轉為深綠色時，開始測定藻液的OD68tl，待藻液的OD68tl為
2.0-2. 5時將藻液接種到含有40 mL培養基的100 mL錐形瓶中，於搖床上震蕩培養並將光照強度逐步提高到80 μΕπΓ2^ (搖床轉速120 rpm、溫度25°C、光暗周期比14:10)，連續培養。待藻液的OD68tl為2. 0-2. 5時，將藻液轉接到含有240 mL培養基的500 mL錐形瓶中，於搖床上震蕩培養並將光照強度逐步提高到100搖床轉速為120 rpm，溫度為25°C，光暗周期比為18:6)，擴大培養。待藻液的OD68tl為2. 0-2. 5時，備用，為後期試驗準備充足藻種。2)簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的裝置的結構示意圖如圖I。加入藻液和培養基前，使用10%的次氯酸鈉溶液在曝氣情況下運行反應器24小時，對簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的裝置的反應器罐體主體進行消毒滅菌處理，將次氯酸鈉溶液倒出後用無菌水衝洗三次以清除殘留的次氯酸鈉溶液。先將大約2. 5 L的無菌BGl I培養基倒入反應器，再將約O. 5 L處於對數生長期的葡萄藻藻液接種於反應器培養基內。將反應器置於恆溫空調室採用連續光照進行微藻培養。運行參數如表I所示。表I 3L簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的裝置的運行參數
權利要求
1.一種簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的裝置，其特徵在於它包括CO2氣瓶(I)、空氣壓縮機(2)、第一氣體減壓閥(3. I)、第二氣體減壓閥(3. 2)、第三氣體減壓閥(3. 3)、CO2分析儀(4)、氣體混合箱(5)、第一氣體流量計(6. I)、第二氣體流量計(6. 2)、第三氣體流量計(6. 3)、第一反應器罐體主體(7. I)、第二反應器罐體主體(7. 2)、第一曝氣頭(9. I)、第二曝氣頭(9. 2)、第一加溫器(11. I)、第二加溫器(11. 2) ；C02氣瓶(I)、第一氣體減壓閥(3. I)、第一氣體流量計(6. I)、氣體混合箱(5)順次相連；空氣壓縮機(2)、第二氣體減壓閥(3. 2)、第二氣體流量計(6. 2)、氣體混合箱(5)順次相連；C02分析儀(4)與氣體混合箱(5)相連；氣體混合箱(5)順次通過第三氣體減壓閥(3. 3)、第三氣體流量計(6. 3)後分別與第一曝氣頭(9. I)、第二曝氣頭(9. 2)相連；第一反應器罐體主體(7. I)內設有第一導流筒(8. I),第一反應器罐體主體(7. I)上部設有第一排氣ロ(12. I),第一反應器罐體主體(7. I)下部設有第一排水ロ(13. 1)，第一導流筒(8. I)的下部設有第一曝氣頭(9. I),第一加溫器(11. O的下部伸入第一反應器罐體主體(7. I);第二反應器罐體主體(7. 2)內設有第二導流筒(8. 2)，第二反應器罐體主體(7. 2)上部設有第二排氣ロ(12. 2)，第二反應器罐體主體(7. 2)下部設有第二排水ロ(13. 2)，第二導流筒(8. 2)的下部設有第二曝氣頭(9. 2)，第二加溫器(11. 2)的下部伸入第二反應器罐體主體(7. 2);第一反應器罐體主體(7. I)和第二反應器罐體主體(7. 2)的外周設有多個人工光源，分別為第一光源(10. I)、第ニ光源(10. 2)、第三光源(10. 3)。
2.ー種利用如權利要求I所述的簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的方法，其特徵在於它的步驟如下 1)將微藻首先接種於裝有20mL人工培養基的50 mL錐形瓶中，並將錐形瓶置於搖床上，以人工光源提供光照，控制光強、環境溫度和搖床轉速，活化微藻，使微藻進入對數生長期； 2)將活化後的微藻接種到裝有40mL人工培養基的100 mL錐形瓶中按步驟I)所述的條件培養至藻液OD68tl達2. 0-2. 5時將60mL藻液接種到裝有240mL人工培養基的500 mL錐形瓶中，按步驟I)所述的條件培養至藻液OD68tl達2. 0-2. 5吋，獲得300 mL處於對數生長期的微藻； 3)分別將150mL處於對數生長期的微藻接種到第一反應器罐體主體(7. I)和第二反應器罐體主體(7. 2)，以含有O. 03%-25%C02的CO2和空氣混合氣作為碳源，以純淨水配製的人工培養基或廢水作為微藻培養液，以人工光源或太陽光作為光源，在溫度為15-35で，光強為50-2000 PEm2S 1的環境條件下培養微藻,使微藻進入對數生長期； 4)CO2氣瓶I中的CO2通過第一氣體減壓閥(3. I)、第一氣體流量計(6. I)進入氣體混合箱(5);空氣壓縮機(2)中的空氣通過第二氣體減壓閥(3. 2)、第二氣體流量計(6. 2)進入氣體混合箱(5)後與CO2氣瓶(I)輸入的CO2混合後得混合氣體；C02分析儀(4)檢測氣體混合箱(5)內的混合氣體，控制混合氣體中的CO2體積百分比濃度為O. 03%-20%C02，混合氣體通過第三氣體減壓閥(3. 3)、第三氣體流量計(6. 3)、第一曝氣頭(9. I)進入到第一反應器罐體主體(7. 1)，混合氣體通過第三氣體減壓閥(3. 3)、第三氣體流量計(6. 3)、第二曝氣頭(9. 2)進入到第二反應器罐體主體(7. 2);第三氣體流量計(6. 3)控制混合氣體的流量O. 6L/min ； 5)利用分光光度計檢測第一反應器罐體主體(7.I)和第二反應器罐體主體(7. 2)內微藻培養液最大吸收波長下吸收峰值變化狀況，待微藻培養液於最大吸收波長下的吸收峰達到最大值時，停止第一曝氣頭(9. I)、第二曝氣頭(9. 2)曝氣，回收第一反應器罐體主體(7. I)和第二反應器罐體主體(7. 2)上部微藻培養液，離心收集底部微藻細胞。
3.按照權利要求2所述的方法，其特徵在於所述的第一反應器罐體主體(7.I)和第ニ反應器罐體主體(7. 2)利用2%-20%的次氯酸鈉溶液進行滅菌和除雜藻處理。
4.按照權利要求2所述方法，其特徵在於所述的步驟5)中回收微藻培養液前採用靜置或添加絮凝劑方式使微藻與微藻培養液分離。
全文摘要
本發明公開了一種簡易升流式光生物反應器體系培養微藻的裝置及方法。首先利用錐形瓶在人工環境下活化單一藻種，以次氯酸鈉溶液對升流式光生物反應器滅菌後將活化的藻種接種於反應器，同時向其中充入含有CO2的空氣，在自然光照或人工光源照射下，微藻在光生物反應器內可迅速繁殖，最終達到快速生產微藻生物質的目的。與現有利用傳統光生物反應器培養微藻的方法相比，本發明以次氯酸鈉法對反應器進行滅菌處理，從而大幅降低了光生物反應器對材料、設備的苛刻要求，具有成本低、能耗小、效率高、可持續等特點。本發明涉及的微藻培養裝置及方法在微藻基礎研究、生物固碳、廢物再利用等領域均具良好的應用價值。
文檔編號C12M1/04GK102816687SQ20121031458
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者劉俊稚, 葛亞明, 程海翔, 楊治中, 田光明 申請人:浙江大學