[发明专利]表面生长式光合微生物培养板及其系统

说明书

技术领域

本申请总体上涉及微生物培养领域。具体地，本申请涉及一种微生物培养系统以及在微生物培养系统中使用的改进型复合表面生长式光合微生物培养板及系统。

背景技术

光合微生物是一类以光为唯一的或主要能量来源而生活的微生物，包括微藻、蓝细菌等含有叶绿素可进行光合作用的微生物，微生物有着重要生物利用价值。特别是微藻，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，进而转化成液体燃料，如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。

微藻大量培养已有几十年历史，目前的工业化微藻培养为液体浸没式，以大量水作为微藻生长的介质。主要包括开放式培养池与密闭式光生物反应器(photo-bioreactor，PBR)两种形式。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；其次，开放池培液的深度较浅，一般只有10-30厘米，使得通气补碳时气液接触时间短，补碳效率低，培养液中溶解二氧化碳(CO₂)的不足使光合作用受到限制，再一个是开放式升温慢，不能在短时间内升到酶活性最好的温度25℃，经常错失光利用的最佳时机；而在夜间开放式池内温度自然下降太慢，使藻细胞仍然保持旺盛的呼吸作用，将白天存储的能量消耗掉，故使藻细胞内有用的代谢物含量太低。因此开放池培养的细胞生长速度与细胞密度均较低，另外其占地还大。与其相比，PBR—般是采用透光材料(如玻璃、有机玻璃、塑料薄膜等)制成的细薄结构，由于光径小、培养体系光照面积/体积比较大，所以细胞光照较充分。同时，补碳气体与液体接触时间长，培养液溶解浓度较高，因而细胞生长速度与细胞密度均较开放培养池高。但该类PBR通常造价昂贵、运行成本高、维护困难、难于大型化，产率在5～30g/m²/d，远远低于理论预期的100～200g/m²/d，达不到产业化的理论计算目标，光能利用率低这项微藻大规模培养实现产业化最重要的直接制约因素仍有待提高。

近年来，出现了一种附着式培养系统，已有专利报道，这种附着式是采用滤纸、滤布、塑料泡沫、纤维织物(例如帆布)中的一种或几种作为基质材料，但是该类软质材料具备如下缺点：1)机械强度低，需要复杂的支撑，不合适大尺寸和空间高度上的放大，只能制成低矮细薄结构，而往往能自支撑，刚性较高的多孔材料其锁水性又比较有限，无法很好地满足微藻生长所需的营养液量；2)现有的滤布和纤维织物等表面湿度不均匀，微藻生长不牢固；并且3)现有的滤布和纤维织物等不耐循环使用，需要经常更换，增加成本，4)现有的滤布和纤维织物等容易掉落纤维等杂质；另外，5)这些柔性材料在作为培养板表面材料时，其生物兼容性、和耐化学腐蚀性等方面都具有一定局限性。因此，目前此类培养系统没有进入大规模生产。

为此，本发明人在另外一些申请中，提出一种微藻培养系统，其采用夹心式复合培养板进行微藻的培养。如图1a所示的一种夹心式复合培养板10，其主要包括两个外板12和14以及位于两个外板12和14之间的芯体16。其中，外板为刚性吸水透水性材料板，芯体为吸水透水性填充材料。

在培养过程中，夹心式复合培养板10的芯体16吸收培养液，在夹心式复合培养板10的两个外板12和14的外表面上接种附着藻种，芯体16吸收的培养液渗透过两个外板12和14而到达在外表面上的藻种，在设置适当的环境湿度和温度、光强下，藻类得以生长。上述夹心式复合培养板10，借助其夹心复合式结构，外板12、14表面的水量非常适合藻生长，且相对于现有的帆布等培养方式，由于其刚性材料外板12、14可以轻易实现自支撑，具有空间率用率高、耐环境因素性好、重复利用率高、不会掉纤维等优势。

但是，由于培养板10在竖直方向上存在一定高度，例如0.5-5.0米，在培养板的芯体吸水饱和后，在竖直方向上不可避免存在一定的静水压。如图1b所示，由于高度H1小于高度H2，距上边缘高度H2处的B点处的静水压高于距上边缘高度H1处的A点处的静水压。