[发明专利]用于微藻的异养和混合营养培养的方法和系统

说明书

本发明涉及用于微藻的同时异养和混合营养培养的方法、用于微藻的同时异养和混合营养培养的系统以及所述方法和/或系统用于培养微藻的用途。

技术领域

本发明涉及用于微藻的同时异养和混合营养培养的方法、微藻的同时异养和混合营养培养的系统以及该方法和/或系统用于培养微藻的用途。

背景技术

微藻是用于生产食品和饲料、精细化学品、药品和化妆品的有价值的资源，因为它们能够在光的存在下从空气中所含的二氧化碳和必需的矿物质养分构成有机物质并释放出氧气。这个过程称为光养。

相当数量的微藻还能够在存在氧气的情况下，即使在没有光的情况下利用存储在有机基质中的化学能由合适的有机基质和必需的矿物质养分构成有机生物质。这个过程称为异养。这些微藻中的一部分可以同时进行光养和异养作用。这种形式称为混合营养。

在工业规模上进行光养培养的前提是在培养体系中无机碳的充分可得。无机碳的添加主要通过将气态二氧化碳或碳酸氢盐引入培养基中来进行。光养培养的另一个前提是通过结构上的措施，特别是通过在尽可能薄的层中引导培养基来在培养悬浮液中提供所需的光强度，以及培养基内尽可能高的湍流以确保在稠密培养物中必需的养分供应、气体交换和光可得性。

对于在工业规模上对微藻进行光养培养，已经实现了两种不同形式的培养系统(Lee 2001)。一种形式是在开放装置中培养微藻。其中要培养的微藻与环境处于直接接触以确保培养过程所需的光输入的设施称为开放装置或开放系统。天然湖泊、池塘、水池(Ponds)和人工河道(跑道池；Raceway Ponds)可以代表用于微藻培养的开放装置，其中在从空气供应二氧化碳的情况下或通过将二氧化碳或二氧化碳混合物直接供入含有必要的矿物质养分的含水培养基中来培养微藻。可替代地，在相应的pH值范围内，在某些藻类的情况下，碳酸氢盐也可以充当碳源。必要的气体交换，包括光合作用过程中形成的氧气的排放在内，发生在与环境空气直接接触的水表面上。培养基的混匀可以通过风、吹入空气、通过搅拌器或培养基的来回泵送来进行。为了确保必要的光输入，特别是通过阳光的光输入，水深度在大多数情况下小于30cm。开放系统还可以设有透明盖，以减少天气影响和有害物质输入。

开放系统的缺点是对微生物和化学性质的污染的易感性高，由于蒸发造成的水损失高，由于大气中二氧化碳分压低以及生物质密度低(尤其是小于1g/l)而导致的光合作用效率低，以及空时产率低。

在选定情况下，开放系统也可以混养方式运行。这种方法限于少数非常快速生长并且偏爱营养过度环境的藻类，例如来自小球藻聚类的代表，它们也耐受这些过程中固有的伴随细菌。在这种方法中，乙酸盐优选充当有机碳源。由于通过添加有机养分而急剧提高的微生物污染风险，开放系统中的混合营养方法的应用范围小。来自这种方法的产品必须麻烦地清洁和巴氏灭菌。

微藻的光养培养的另一种形式是在封闭装置中进行培养，该装置也称为光生物反应器(PBR)。如下的装置称为光生物反应器：其中包含微藻的培养基位于透明反应空间中，与环境隔离。优选使用管状或长方体装置以及基于软管袋的系统。作为用于这些装置的优选材料，使用玻璃以及各种透光聚合物，例如聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯酸酯、聚乙烯或聚硅氧烷(DE 102009045851 A1)。在封闭的装置中，光合作用所需的二氧化碳被输入，并且在光合作用过程中释放的氧气被排出，其中与开放系统相比，达到更高的二氧化碳的分压，并因此达到更高的生物质密度和更高的生产率。为了优化光产率并提高空时产率，保持低的培养基的层厚度，并通过悬浮液的来回泵送或引入过程气体来产生所需的湍流。与开放系统相比，通过封闭系统有利地降低生物异源物质污染的风险，其中由于大规模工业设施中普遍采用的非无菌运行方式，微生物污染的风险只有不显著的降低。