[发明专利]管式光生物反应器、培养微藻细胞的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种管式光生物反应器，以及包括该管式光生物反应器的培养微藻细胞的系统和方法。

背景技术

微藻细胞富含氨基酸、蛋白质、维生素、不饱和脂肪酸等多种高附加值的生物物质，已经成为人类食品、医药、染料、精细化工领域的重要材料来源。目前，随着石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，基于生物质的生物炼制引起了人们的高度重视，微藻作为重要的可再生能源能够提供大量的生物质(油脂、淀粉、纤维素)，在生物炼制领域，具有广阔的应用前景。

微藻规模化培养的核心是光生物反应器，目前主要有开放式培养和封闭式培养两种方式。开放式培养是开发最早、应用最为普遍的一种方式，目前世界各国、特别是中国仍然将其作为微藻工业化培养的主要方式(Borowitzka L.T.，Bioresource Technology，1991，38：251～252；Terry K.L and Raymond.，Enzymeand Microbial Technology，1985，7：474～487)。代表的反应器有跑道式培养池、圆形培养池。该培养方式的主要优点是构建简单、成本低廉及操作简便。缺点是光能利用率低，受外界环境因素的影响大，易被污染，水分蒸发大。

封闭式光生物反应器有多种形式，如柱式、管式和板式。相比于开放式培养，封闭式培养不容易受污染，节约水资源，培养密度高，收获成本低，缺点是投资成本高(Pulz O.，Applied Microbiology and Biotechnology，2001，57：287～293；Lee Y-K.，Journal of Applied Phycology，2001，13：307～315；Tsygankov A.A.，Applied Biochemistry and Microbiology，2001，37(4)：333～341)。为了克服封闭式培养成本高的缺陷，一方面需要降低培养所需的材料、能耗成本，另一方面需要大幅度提高产率。虽然封闭式培养的产率要高于开放式培养，但是微藻的光能利用率还很低。设法提高微藻细胞对光能的利用率是提高产率、降低成本的重要途径。

微藻的光合作用过程可分为两个阶段，称为光反应和暗反应。在光反应阶段，微藻细胞接受光量子并转换为化学能；在暗反应阶段，微藻细胞利用化学能合成细胞组份。在暗反应阶段，微藻细胞不需要光照甚至光照反而有害。因此，对单个微藻细胞而言，持续的光照意味着光量子的浪费。

另一方面，在规模培养的光生物反应器内以及通常的细胞密度下，光线在培养液内传播时会迅速衰减，光的穿透距离为几毫米，在高细胞密度下只有1mm左右。光生物反应器内事实上可分为靠近光照面内壁面的光区与之外的暗区两部分。如果微藻细胞以特定频率(通常高于1Hz的频率)在光生物反应器的光区与暗区频繁置换时，会产生“闪光效应”，光能的利用率会得到很大提高(Janssen M，Slenders P，Tramper J，et al.，Enzyme Microbial Technology，2001，29：298～305；Matthijs H.C.P，Balke H，Mur L.R，et al.，Biotechnologyand Bioengineering，1996，50：98～107)。即，当微藻细胞在光生物反应器的光区与暗区之间来回穿梭，就可使得接受过光照的微藻细胞及时进入暗区进行暗反应，同时使得完成了暗反应的微藻细胞回到光区再次接受光照，这样就使得进入光生物反应器的光量子被充分利用。因此通过强化培养液的混合，使微藻细胞在光区与暗区之间高频率来回穿梭，可以提高总体的光能利用率和微藻细胞的产量。

然而，在传统的管式光生物反应器中，培养液的流动混合尚不理想。传统的管式光生物反应器可以是直管、弯折管或螺旋管等；可以水平放置、倾斜放置或垂直放置；其管径通常在10～100mm之间不等；反应器的内壁面往往是光滑的。受反应器壁面的限制，在靠近内壁面处培养液混合不充分，微藻细胞在垂直于流动方向(以下称光径方向)的速度很小，难以产生在光区与暗区之间的穿梭，微藻细胞长时间位于光照面内壁面附近会产生光抑制甚至是光损伤(即光照过量)；而距光照面内壁面较远的微藻细胞却长时间处于光限制状态(即光照不足)，使得光能利用率不高。