[发明专利]一种梯度光照的光生物反应器及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种梯度光照的光生物反应器及其应用于微藻培养的方法。

背景技术

微藻是获取食物蛋白、药物等材料的重要生物资源，同时也是第3代生物燃料的主要原料和重要技术平台。采用光生物反应器进行微藻的规模化培养，是解决微藻资源产业化瓶颈的的重要途径。光生物反应器是可提供一定的光照强度和流体力学环境，进行光照生物质培养或光化学反应的反应器。采用光生物反应培养微藻，可提高微藻的培养浓度和增殖速率，节省空间，避免外界环境对微藻培养的影响，可连续获得质量稳定的微藻资源。

光生物反应器中光强分布是影响光合作用，从而影响微藻增殖的重要特性。在光反应器中进行微藻的自养培养时，影响光强分布的因素包括光照的深度、气泡大小与数量以及微藻的细胞浓度等。其中藻细胞对光的散射作用，是造成光强随光程增加而迅速衰减的重要原因，也是限制高细胞浓度培养的重要原因。为了改善反应器中的光强分布，提高微藻的增殖速率和培养密度，研究者提出了各种形式的光反应器（包括管道式、板式、柱式等）结构、人工光源的使用、藻液的循环及相应的培养方法。

管道式反应器一般由或玻璃、有机玻璃或其他透明硬质塑料的封闭管构成，管道弯曲成不同形状，微藻悬浮在培养液中并以一定流速在管道中流动，借助自然光或人工光源进行光培养。为获得管道内较好的光强分布，提高微藻增殖速率，研究者对管道的直径、管道的排布方式、管道内构件、光照的方式等进行了各种优化设计，如L.Travieso等报道的螺旋形的管道式反应器（Int.Biodeter.Biodegra.,2001,47:151-155），中国专利CN102134553A公开的内设有螺旋形挡板的管道式反应器等。

板式反应器由单个或多个组合的板箱式结构组成，或者在箱体内通过安装折流板分割成多个箱室。不同的箱室间流体的交换往往通过气升式环流形成。为获得箱室理想的光强分布，研究者对箱室的厚度、箱体的内部结构、箱体的排布方式、一级光照方式或人工光源位置等进行了各种优化设计。例如，中国发明专利CN1880442A报道了一种多节的平板式光生物反应器，在箱体内部有多个安装人工光源的中空腔体，可实现高浓度的细胞培养。S.R.Chae等报道的L型平板光生物反应器（Bioresource Tech.,2006,97:322-329）等，可较好的利用光照。

也有一些技术通过使藻液不断在光照区和暗区循环，来提高微藻的增殖速率和光能的利用率，中国专利CN201801523U公开了一种薄板反应器，通过继电器控制光源的亮与灭，并通过反应器内部可转动的区域，实现反应器内短周期光/暗交替培养。又如中国专利CN101870950A公开了一种由藻液输送装置、藻液导流面和存储装置的微藻培养装置，通过藻液输送装置使存储装置中的藻液不断流过藻液导流面接受光照。

微藻生长要求光强在一定范围内，过高或过低都会影响微藻的生产，而在一定范围内，生长速率随光照增加而增加。而另一方面，反应器内光强随藻细胞浓度将呈指数下降。在微藻培养的过程中，随着培养进行，藻细胞浓度不断提高，对光的散射和吸收作用不断加强，反应器内光强不断减弱。现有技术通过反应器设计等，虽可获得反应器内较高的光强分布，但多采用恒定照度光源的方式，这使得在培养初期，藻细胞浓度较低时，光强过高而使光利用率下降，甚至可能超过藻细胞承受范围而影响正常增殖。而在培养到高浓度时，光强又不能满足微藻生长的要求而限制微藻生产和藻浓度的进一步增加。同时这些反应器大部分都是全混流的反应器，采取连续稳定的培养方式时，为得到浓度较高的细胞液，反应器也必须以高细胞浓度运行，因而需要较高的光照强度，造成光能利用率的降低。

分段培养、根据藻细胞浓度不同而调整光源强度，是解决该问题的一个技术途径。如国际专利WO2012016208报道了一种采用多段培养的方式，采用了两个光强不同的反应器，微藻先后在两反应器中分段培养，根据每个反应器中藻浓度调整光照和培养时间，以获得较高的光利用率。但是，在一个反应器光程位置不同，光强差异也很大（光强基本随光程增加呈指数的衰减），如能在一个反应器中，根据光程不同而调整藻细胞的培养浓度，使光照强度和藻细胞浓度更加匹配，则会进一步提高光利用率。

除了光照外，藻细胞生长的不同阶段，所需要的通气量等流体力学条件也不相同，因此根据细胞和光照条件，同时调整通气量，使反应器为细胞生长提供最优的流体力学条件，也是提高细胞产率和光利用率的途径之一。

发明内容