[发明专利]一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器

说明书

本发明涉及一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器，其特征在于：其包括具有预定容积的光生物反应器主体、可控粒径微泡发生装置、导流装置、以及LED波频双变光照系统；所述可控粒径微泡发生装置设置在所述光生物反应器主体底部，用于提供经济微藻培养所需的碳传质和循环动力，同时解析溶氧；所述导流装置悬挂设置在所述光生物反应器主体内部，用于促进液体循环及微泡传质；所述LED波频双变光照系统设置在所述光生物反应器主体外侧或内部，用于根据特定经济微藻需求提供其生长最优波长及光暗频率。本发明结构简单，操作方便，可以广泛应用于经济微藻的培养中。

技术领域

本发明属于生物工程领域，特别是涉及一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器。

背景技术

经济微藻因富含多种生物活性物质，在食品、水产养殖、医药、美容、生物能源等行业具有广泛的应用。例如小球藻可以应用于单细胞蛋白生产；三角褐指藻被应用于海参养殖育苗；而雨生红球藻因其富含虾青素，具有强大的抗氧化能力，在保健品，化妆品，医药行业拥有广阔市场。因此，经济微藻生物质能产业是各国争先发展的新型产业。而要实现经济微藻生物质能产业的快速发展，首要条件是低成本且高效地获取高密度生物量。

目前经济微藻的主要培养方式为露天培养和光生物反应器培养。传统的露天培养由于可控性不高、占地面积大、易染菌等缺点，使得微藻培养工艺的研发趋势慢慢推向了光生物反应器。相比露天培养，光生物反应器培养具有培养条件可控性高、占地面积小、操作灵活、产率高及适合单一性培养等特点，尤其受到经济微藻培养的青睐。但是传统光生物反应器培养仍然面临着供碳不足、溶氧堆积、光能利用率低等技术瓶颈。具体体现如下：

(a)、光能利用率低：在较高细胞浓度时，易发生藻间遮蔽效应，使得藻细胞对光源的利用变得十分有限，从而难以实现经济微藻的高密度培养。

(b)、CO₂供给不足：微藻的供碳主要通过通入一定比例的CO₂气体来实现，而在实际培养过程中，CO₂的供给并不能满足微藻最优生长的需求。有研究显示微藻对CO₂的吸收速度高达0.2～0.3×10^-4mol/L/min。而传统曝气方式的CO₂传质速率仅为0.4×10^-7～0.7×10^-5mol/L/min，远不能满足微藻对溶解CO₂的需求。因此，即使光照充足，如果反应器达不到充足的CO₂供给，同样无法使得微藻最优生长。

(c)、溶氧积累严重：微藻的光合放氧速率可达0.3×10^-4mol/L，而传统鼓气对O₂的吹脱速率只有约0.16×10^-4mol/L/min，小于微藻的光合放氧速率。因此，在密闭培养中容易发生溶氧的累积，造成溶氧过饱和从而抑制藻类生长。

关于光能利用率的优化，目前的主要思路包括光源的改进和光路的缩短。例如Bourgoin等(专利号US20130029404A1)将由光伏电池组成的照明隔板置于光生物反应器中心，为不同微藻品种提供生长所需波长。Bazaire等(专利号US20090203116A1)通过内置光纤为反应器提供360度光照。Friederich等(专利号US20140073035A1)通过导光管将外置LED光源产生的光通量收集并导入光生物反应器内部，为培养提供光照。黄旭雄等(专利号CN104651215A)通过减小光生物反应器内径，并内置LED灯带的方式，实现节能、缩短光程、提高光能利用率等目的。除此之外，还有许多类似的设计，在一定程度上提高了反应器的光能利用率。然而这些设计并没有从根本上解决高浓度时藻间遮蔽的问题，此外，在传统CO₂供给不能满足微藻快速生长所需的条件下，光源或光路的优化并不能真正有效地提高光能利用率，相反过剩的光照可能导致微藻光呼吸作用从而影响生物质产量。