[实用新型]一种耦合式光生物反应器

说明书

技术领域

本实用新型涉及光生物反应器，特别涉及一种耦合式光生物反应器。

背景技术

微藻是一类系统发生各异、个体较小、通常为单细胞或群体的、能进行光合作用的水生(或陆生、气生、共生)低等植物，是自然界起源最早、分布最广、种类和数量最多的生物质资源。微藻具有独特的生物学特性，被广泛应用在生物制药、营养品、保健品、污水处理、天然食品加工、生物饵料、生物肥料和可再生能源生产等方面，具有重要的经济和社会价值。

许多微藻富含高附加值的生物活性物质，如蛋白质、多糖、维生素、β-胡萝卜素、多不高饱和脂肪酸(EPA、DHA、AA)、叶黄素等，成为人类未来开发的重要生物资源之一。(1)蛋白质，部分蓝藻(螺旋藻)和绿藻(小球藻)的蛋白质含量高，且氨基酸组成合理，含有人体必需的8种氨基酸，可作为单细胞蛋白的重要来源；(2)多糖，微藻多糖广泛存在于微藻细胞内，具有抗肿瘤、抗病毒、抗辐射损伤、抗突变、抗衰老、抗凝血、降血脂及调节机体免疫能力等广泛的生理功能，目前研究较多的微藻多糖有：节旋藻(螺旋藻)多糖、小球藻多糖、紫球藻多糖等；(3)色素，主要有类胡萝卜素(胡萝卜素类、叶黄素类)和藻胆素(藻红胆素、藻蓝胆素)。β-胡萝卜素是维生素A合成的前体，有抗氧化、抗突变、抗衰老、预防癌症、增加免疫力等作用，盐生杜氏藻(Dunaliella salina)中β-胡萝卜素含量占干重的10％以上。叶黄素类色素及富含藻株主要有：堇菜黄素(Eustigmatophyceae)、虾青素(Haematococcus pluvialis)、玉米黄素(Nannochloropsis gaditana)、叶黄素(Scenedesmus almeriensis、Muriellopsis sp.)、岩藻黄素(Bacillariophyceae)等。藻蓝胆素(螺旋藻)可用作光敏剂，用于癌症的光动态治疗，高纯度的藻蓝蛋白可以作为生物大分子的荧光分子探针；(4)多不高饱和脂肪酸(PUFA)，具有独特的生理功能，有预防和治疗心血管疾病、癌症，调节中枢神经、视觉系统的功能，可提高人体的免疫机能调节能力，防止记忆力减退。某些微藻种类富含PUFA，如柯氏隐甲藻(二十二碳六烯酸)、硅藻和真眼点藻(二十碳五烯酸)、螺旋藻(γ-亚麻酸)、缺刻缘绿藻(花生四烯酸)等。

微藻具有如此重要的开发利用价值，但其产业化进程却较缓慢。目前市面上可供选择微藻生物产品种类非常贫乏，主要集中在螺旋藻、盐藻、雨生红球藻、柯氏隐甲藻和小球藻等藻株生产的产品中，突破微藻的低成本高密度培养技术，是将微藻生物产品推向市场的关键。微藻可通过类似于微生物发酵的方式，在透明的培养装置——光生物反应器中进行规模化培养，因此一种高效的光生物反应器是快速实现微藻规模化培养的关键设备。

用于微藻培养的光生物反应器主要有敞开式和封闭式两种类型。敞开式光生物反应器具有结构简单、容易放大和成本低等优点，已普遍应用于商业化微藻大规模培养中。但它也存在诸多缺点，如比表面积小、光能和CO₂利用率低、易污染、环境条件(温度、光照、pH等)控制能力差等，目前仅有少数几种微藻(小球藻、盐藻、螺旋藻等)能够采用敞开式光生物反应器进行培养，而对于培养条件要求温和、种群竞争能力较弱的微藻，则只能采用封闭式光生物反应器培养。与敞开式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器具有以下优点：(1)不易受到灰尘、昆虫及杂菌等污染，能实现纯种培养；(2)培养条件易于控制(温度、pH)；(3)培养密度高，且易收获；(4)适合于绝大多数微藻的光自养培养；(5)有较高比表面积；(6)光能和CO₂利用率较高等优点，但封闭式光生物反应器的这些优越性是以提高投资和操作成本为代价的。

目前科研单位和企业普遍采用传统的光生物反应器(跑道池、平板式、管道式、垂直柱式、悬袋式等)培养高附加值的经济微藻，其在技术上存在诸多缺点：(1)多数科研单位设计的光生物反应器并不具备规模放大的能力，某些实用新型声称可以实现微藻的规模化培养，但它们均缺乏实际应用，经成本核算发现，其构建成本相对较高；(2)利用传统的跑道池光生物反应器培养高附加值的经济微藻，其产量相对较低，且培养的微藻种类有限(小球藻、盐藻、螺旋藻等)，在培养过程中可能会滋生人体致病菌，影响产品的质量；(3)传统的封闭式光生物反应器同样存在许多缺点，如管道式光生物反应器的氧解析问题、垂直柱式光生物反应器的串联问题、悬袋式光生物反应器透光膜的选择、平板式光生物反应器光径增大与光衰减之间矛盾的问题等，上述问题限制了传统封闭式光生物反应器在微藻规模化培养中的广泛应用。