[发明专利]一种多层半干贴壁培养装置及培养方法

说明书

技术领域

本发明属于微藻培养领域，具体地说是一种设置有多层贴壁培养单元的多层半干贴壁培养装置。

背景技术

微藻是指能够进行光合作用的水生浮游藻类。某些微藻本身富含蛋白质，可以作为水产饵料或畜禽饲料（如螺旋藻）。更重要的，某些微藻在特定条件下能够大量合成次生代谢物，如油脂、类胡萝卜素、多糖等，这些物质往往是具有极高经济价值的生物活性物质，可以被用在功能食品、食品添加剂、制药、生物能源等领域。特别是通过微藻大规模培养提取微藻油脂，进而转化生产生物柴油被认为是解决生物能源生产与固碳减排的最重要途径之一。目前，在全球范围内，微藻生物技术已经迅速形成了一条规模巨大的完整产业链，其中规模培养是重要环节。

与陆生植物相比，微藻光合效率高、生长速度快，这是微藻作为最有潜力的新型生物质资源之一的重要优势，也是发展微藻产业（食品、饲料、化学品、生物能源等）的基础。然而，尽管理论上微藻的光合效率是陆生高等植物的10倍左右，但迄今为止即使是利用最高效的光反应器(Photobioreacter,PBR)，在自然光照且不外加光源的情况下最高生物量浓度也仅能达到10g.L^-1左右，如果考虑占地面积与实际情况，最高生物量年产量一般不到200吨/公顷，与高等植物接近。同植物一样，微藻细胞的光合过程作用一般分为光反应和暗合成两个阶段。在光反应阶段藻细胞吸收光子进行水的分解获得还原态H，产生ATP，在暗合成阶段利用光反应阶段得到的还原态H和ATP进行生物质的合成，两个阶段交替进行。在暗合成阶段即使有光照藻细胞也不利用这些光能。一般地，光反应阶段为毫秒到秒级，而暗合成阶段一般为秒至分钟级。可以预见，如果采用传统持续光照，至少在暗合成阶段时间内的光能不能为藻细胞所利用。因此理论上来说，如果可以让微藻细胞在很短的时间内吸收足够的光源，然后转移到黑暗环境中固定能量，待暗反应完成后再回到照光区吸收光能，实现藻细胞光照-暗合成-再光照周而复始的循环，这种情况下光能的利用效率最高，而损失最小。据测算过当光能完全被利用时，光合作用的最大生物量产量能够达到150g.m^-2.d^-1。

无论是作为食品、饲料还是生物能源，微藻产业的核心在于微藻生物量的获得，其关键在于微藻的规模培养。目前的微藻培养主要包括开放式培养池与光生物反应器两种形式培养。开放式培养池的优点在于建造和运行的成本较低。但由于开放池的光照面积/体积比较小，液体表面与下部混合较差，只有表层藻细胞能够接受较充足的光照，池底细胞往往难以接受到充分光照，因此微藻光能利用率低，生长速度慢、培养液浓度低。另外一种光生物反应器（PBR）培养，主要是采用透光材料（如玻璃、有机玻璃、塑料薄膜等）制成的细薄结构，包括各式平板式反应器、气泡柱式反应器、螺旋管式反应器、不平管道式反应器等，由于光径小、培养体系光照面积/体积比较大，细胞光照较充分，补碳气体与液体接触时间长，培养液溶解CO₂浓度较高，因而细胞生长速度与培养密度均较开放培养池高。但PBR通常造价昂贵、运行成本高、维护困难、难于大型化。但迄今无论是采用开放池培养，还是光生物反应器培养，其微藻面积产率都不高，只有5～30g.m^-2.d^-1，远低于100～200g.m^-2.d^-1的理论面积产量，远未能发挥出微藻的高产的优势。