[发明专利]微藻培养系统、腔体式光生物反应器及微藻培养方法

说明书

技术领域

本发明涉及微藻生物技术领域，具体涉及微藻培养系统、腔体式光生物反应器及微藻培养方法。

背景技术

近些年来，自养微藻因其功能的多样性得到越来越多的关注。微藻可以作为一种新型的生物柴油原料。与大豆、甘蔗、麻枫树等能源作物相比，其具有生长周期短、光合作用速率快、油脂含量高等优点，有着良好的开发前景。微藻能够高效固定大气中的CO₂，解决因化石燃料燃烧导致的环境问题。另外，微藻细胞中含有：蛋白质、脂类、多糖、类胡萝卜素、色素等高价值的营养成分，是优质的食品和饲料原料，也是化工、轻工和医药工业中用途极广的有机中间体，也可以是化妆品原料。

与其它生物一样，温度是影响微藻生长的一个至关重要因素。在传统的微藻培养系统中，长时间强光照射会导致封闭式光生物反应器内温度会升高10℃～30℃，而过高的温度会导致微藻产量下降，甚至引起微藻的死亡。因此，高效的微藻培养系统需要额外的温度控制系统，如喷洒水降温，但这导致了微藻生产的高成本。为了避免这种状况，有研究者开发了浸泡于水中、或漂浮在水面上的微藻培养系统，例如，美国Solix公司开发的浸泡于水中的微藻培养系统、Lee等人发明的漂浮式微藻培养系统、以及美国宇航局发明的漂浮式半透膜微藻培养系统等。

然而，上述漂浮式微藻培养系统商业化应用仍然受到了限制。首先，虽然所处水体可降低反应器内的温度，使其温度不至于升至过高而导致微藻细胞死亡，但是同时也把反应器内的温度降低到了与所处水体几乎相同的温度。由于水体的自蒸发作用，其温度通常都很低，例如，中国的海域中，渤海四个季度平均海洋表面温度分别为2.8℃、12.7℃、23.5℃和13.5℃，黄海四个季度平均海洋表面温度分别为8.4℃、14.9℃、24.1、17.1℃，东海四个季度平均海洋表面温度分别为16.8℃、21.7℃、28.0℃和23.0℃，南海四个季度平均海洋表面温度分别为25.1℃、28.2、29.1℃和27.1℃。过低的温度不利于微藻的生长，导致微藻的生长效率低下。比如，超嗜盐杆藻在不同温度下的生长速度明显不同(表1)。因此，提高反应器中的培养温度至关重要。

表1.超嗜盐杆藻在不同温度下培养5天的光密度

另外，无机碳源的供应对于微藻培养来说至关重要，而如何为漂浮式的反应器提供无机碳源是一个难题。像以上所述的漂浮式光反应器，采用封闭系统，并在其中鼓泡通入含有二氧化碳的压缩气体，这对大规模培养微藻来说其实是很难实现的。这需要为每个光反应器安装一个鼓泡通气的管道系统。一般来说，每个漂浮反应器的尺寸不可能做的很大，这就需要庞大数量的反应器进行大规模培养。在这种情况下，庞大数量的反应器的鼓泡通气需要非常复杂的压缩气体管道，这大大增加了每个反应器的制作成本和压缩气体管道的建设成本，同时会大大增加操作成本。而在大面积的水域表面架设如此复杂的通气管道，其建设难度更大，制作和操作成本更高，而且其被波浪破坏的风险很大，所以，在大规模生产中这是非常难实现的。而如果考虑利用敞开的反应器系统，虽然省去了鼓泡通气系统，而且有利于二氧化碳从空气中传递到培养液中，从而被微藻吸收，但是敞开系统由于蒸发的作用，其温度与水体本来的温度相差无几，不能形成温室效应，因此微藻生长慢，效率太低。

发明内容

鉴于现有技术中微藻培养器以及微藻培养中存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种用于微藻培养的系统，采用合理的设计，可有效调控系统温度。

本发明的技术方案为，微藻培养系统，包括可容纳培养液和微藻的光生物反应器；所述反应器为密闭式；所述反应器的器壁为具有中空夹层结构的密封体和/或器壁的材质为轻质保温材料；所述反应器具有透气结构；所述培养液中含有碳酸氢盐。

本发明所述轻质保温材料的“轻质”是指在水面上可漂浮。

本发明光生物反应器采用轻质保温材料制成，使其可以漂浮在水面上；当采用非轻质材料时，可以通过制作具有中空夹层结构的器壁以到达漂浮效果。

本发明微藻培养系统中，碳酸氢盐为微藻提供无机碳源，使其在光生物反应器中进行生长。微藻光合作用所产生的氧气通过具有透气不透水的密封结构(例如，具有透气不透水特性的密封膜)释放，或者通过透气口释放。

本发明提供的微藻培养系统，应用于敞开的具有波浪的水体表面，所述水体可以是，但不限于海洋、湖泊、河流、池塘、或水库。