專利名稱：一種微藻培養(yǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微藻生物技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種光生物反應(yīng)器培養(yǎng)微藻過程中有效補充(X)2實現(xiàn)微藻培養(yǎng)品質(zhì)提高的方法。
背景技術(shù)：
微藻富含蛋白質(zhì)、多糖、不飽和脂肪酸等營養(yǎng)成分(如螺旋藻)，可用于食品、醫(yī)藥和能源等方面；可以大量積累脂肪酸，有些微藻如小球藻，其體內(nèi)脂肪酸含量可占干重的 30% 60%。利用培養(yǎng)微藻來積累油脂資源，已經(jīng)成為目前利用太陽能開發(fā)可再生資源最熱門的研究領(lǐng)域。不僅具有強大的市場潛力，而且具有非凡的社會價值。微藻培養(yǎng)方式分為密閉式和開放式兩種，開放式類似野生放養(yǎng)，采用開放池培養(yǎng)裝置，技術(shù)簡單，投資少。但過程控制難度大，產(chǎn)出能力有限。密閉式培養(yǎng)一般采用密閉式光生物反應(yīng)器，如氣升式、攪拌式、管式等。可以實現(xiàn)理想的過程控制，生產(chǎn)效率極大提高。 但密閉式投資成本高，急需開發(fā)理想的培養(yǎng)方式。微藻的生產(chǎn)要消耗C02，CO2的有效利用吸收，是實現(xiàn)理想培養(yǎng)效果的關(guān)鍵，目前開放的光生物培養(yǎng)微藻技術(shù)中，有不少CO2補給方式和裝置。李夜光等“微藻養(yǎng)殖池補充二氧化碳裝置”(CN200610018771.9)采用一種與養(yǎng)殖池相連的CO2補給裝置，可以有效提高CO2利用率，但工藝繁瑣，增加了設(shè)備投資。劉建國等“微藻規(guī)模培養(yǎng)的管道光生物反應(yīng)器”(CN200410020978. 0)及繆堅人等“一種微藻工業(yè)生產(chǎn)用光合生物反應(yīng)器系統(tǒng)”(CN03U8138.9)均采用在光生物反應(yīng)器系統(tǒng)中加入一種裝置方法，來實現(xiàn)(X)2的補給，同時也能實現(xiàn)一定的氧解析效果。這些都難免增加設(shè)備投資，工藝過程繁瑣。目前文獻報道中還有另外的一種⑶2補給方式，叢威等在“通過PH值反饋控制補碳培養(yǎng)微藻的方法”(CN200410009360. 4)和“用于大規(guī)模微藻的補碳裝置及其使用方法合用途”(CN200510126465. 2)中使用煙道氣補碳。微藻利用光及CO2進行光合作用，培養(yǎng)過程中固定二氧化碳并釋放出氧氣。所以考慮CO2有效利用吸收的同時，還需要從培養(yǎng)基中不斷去除過量的氧，否則會反饋抑止生長及生物合成反應(yīng)。目前文獻中對于(X)2補給和氧解析過程雖然都有所涉及，但為克服目前 CO2補給和氧解析效果不夠理想、過程繁瑣、投資過大等不利因素，還需要對微藻培養(yǎng)過程中(X)2補給手段進行優(yōu)化，改善培養(yǎng)系統(tǒng)的碳源供應(yīng)，優(yōu)化培養(yǎng)工藝。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種微藻高效培養(yǎng)的方法，本發(fā)明方法具有提高微藻培養(yǎng)過程中微藻積累油脂能力，提高(X)2利用率，提高A解析能力，簡化培養(yǎng)裝置等優(yōu)點。本發(fā)明微藻培養(yǎng)的方法包括如下內(nèi)容采用光照氣升式生物反應(yīng)器，光照氣升式生物反應(yīng)器內(nèi)包括微藻和微藻培養(yǎng)基，通入含CO2的氣體實現(xiàn)氣升、補給CO2和解析O2，其中通入的含(X)2氣體采用氣液混合輸送裝置輸送，含(X)2氣體經(jīng)過氣液混合輸送裝置后進行氣液分離，氣液分離的氣相用于氣升式生物反應(yīng)器的氣升氣源，氣液分離后的液相進入氣升式生物反應(yīng)器進一步補充CO2，氣液混合輸送裝置入口的液相來源于氣升式生物反應(yīng)器。本發(fā)明方法中，氣液混合輸送裝置包括液環(huán)式輸送泵、氣液混合泵等適宜的輸送設(shè)備。所使用的液環(huán)式輸送泵或氣液混合泵可以實現(xiàn)增壓效果，這樣可以大大提高二氧化碳在液相中的溶解度，將此富含(X)2的液相輸送至培養(yǎng)微藻的反應(yīng)器中，作為微藻培養(yǎng)用基礎(chǔ)培養(yǎng)液成份之一。上述富含(X)2的液相在進入反應(yīng)器之前，可以根據(jù)需要需添加基本培養(yǎng)成份配置的母液，以補充微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的營養(yǎng)成份。本發(fā)明方法中，氣液混合輸送裝置入口的液相來源于氣升式生物反應(yīng)器，氣升式生物反應(yīng)器中液相經(jīng)過微藻過濾后進入氣液混合輸送裝置。本發(fā)明方法中，含(X)2的氣體可以來自任意含(X)2的氣體，如微生物發(fā)酵過程得到的含二氧化碳氣體、煙道氣等，最好是厭氧發(fā)酵或微氧發(fā)酵過程排放的尾氣，對于好氧微生物發(fā)酵過程的尾氣可以先進行脫氧處理，然后利用，如吸附脫氧處理等，氧含量優(yōu)選為低于 8% (ν)，最優(yōu)選為低于5% (V)。典型的厭氧過程如克雷博士肺炎桿菌厭氧發(fā)酵生產(chǎn)1，3_丙二醇，初始通入的99% &，菌體在厭氧狀態(tài)下發(fā)酵，產(chǎn)生大量的(X)2氣體，一般尾氣中含(X)2 的體積濃度為10%左右。典型的好氧過程如酵母菌發(fā)酵制乙醇的過程，該尾氣通過吸附脫除部分氧氣后可以使用。煙道氣可以經(jīng)過適當(dāng)過濾等處理進行使用。本發(fā)明方法中，氣升式生物反應(yīng)器的其它操作條件按常規(guī)的微藻培養(yǎng)條件控制。 可以設(shè)置培養(yǎng)體系二氧化碳和溶解氧量的測定裝置，根據(jù)需要調(diào)整通氣量，以獲得良好的效果。本發(fā)明方法中，如果含二氧化碳氣體中二氧化碳濃度較高，需要的通氣量較低，達不到氣升的氣量時，可以引入另一路氣升氣體。本發(fā)明方法中，氣液混合輸送裝置可以采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的氣液混合輸送置，其中液環(huán)式輸送泵可以采用液環(huán)式真空泵類似的結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明方法中，實現(xiàn)的是氣體輸送和氣液混合，而不是真空泵的作用，因此操作參數(shù)需進行相應(yīng)調(diào)整。工作時，進氣口一般為常壓或微正壓，液環(huán)式輸送泵或氣液混合泵等氣液混合輸送裝置的出口壓力一般表壓為2 200KPa，優(yōu)選 5 80KPa。本發(fā)明方法中，氣液混合輸送裝置將氣體和液體混合并輸送，排出的氣液混合物在進行氣液分離之前可以設(shè)置氣液接觸設(shè)備，進一步提高氣液接觸效率，在實現(xiàn)輸送氣體的同時實現(xiàn)二氧化碳在液體中的充分溶解。設(shè)置的氣液接觸設(shè)備可以包括靜態(tài)混合器、動態(tài)混合器、填料塔、鼓泡分散構(gòu)件等。靜態(tài)混合器、動態(tài)混合器和填料塔可以單獨設(shè)置在液環(huán)式輸送泵出口管路上。鼓泡分散構(gòu)件可以設(shè)置在氣液分離設(shè)備中，此時氣液分離設(shè)備同時具有氣液充分接觸作用。本發(fā)明方法克服了當(dāng)前微藻培養(yǎng)過程中補給CO2和氧解析效率低、工藝繁瑣、設(shè)備投入大的問題，提供了一種(X)2在氣液兩相中實施共同補充工藝過程，實現(xiàn)理想的(X)2補給和氧解析方式，進一步提高了 CO2補給效果。本發(fā)明方法利用在增壓下CO2更易溶解于水中的效果，將氣體的輸送和液相補充循環(huán)利用有機結(jié)合在一起，一方面為氣體輸送提供動力， 實現(xiàn)氣升式反應(yīng)器的氣升攪拌作用，同時利用富含(X)2的輸出液體對反應(yīng)器進行進一步補充CO2,實現(xiàn)了氣體輸送與液相補充的雙重功能，進而簡化了工藝流程，降低了設(shè)備投資。


圖1是本發(fā)明一種具體工藝流程示意圖。圖2為本發(fā)明使用的液環(huán)式輸送泵工作原理圖。其中1-發(fā)酵尾氣，2-工作液，3-液環(huán)式輸送泵，4-氣液分離罐，5-氣液分布器， 6-生物反應(yīng)器，7-補充營養(yǎng)物質(zhì)，8-液相入口管線，9-微藻過濾裝置；11-工作液進口， 12-廢氣進口，13-氣液混合物出口，14-液環(huán)式輸送泵殼體，15-液環(huán)式輸送泵液環(huán)，16-液環(huán)式輸送泵葉輪。
具體實施例方式如圖1和2所示，本發(fā)明中采用液環(huán)式輸送泵進行氣體和液體的混合與輸送，液體來自于氣升式生物反應(yīng)器并經(jīng)過液環(huán)式輸送泵后循環(huán)回生物反應(yīng)器。循環(huán)液體經(jīng)過液環(huán)式輸送泵時，大量溶解了 CO2，經(jīng)過補充適量營養(yǎng)物質(zhì)后循環(huán)回生物反應(yīng)器。循環(huán)液體取自生物反應(yīng)器底部，經(jīng)過過濾裝置引出，循環(huán)液體循環(huán)回生物反應(yīng)器上部。生物反應(yīng)器底部循環(huán)液體出口處設(shè)置的過濾裝置為金屬或塑料濾網(wǎng)，網(wǎng)眼尺寸在 1 20微米均可。同時在濾網(wǎng)外端接有反吹氣路，目的是在循環(huán)路線由于濾網(wǎng)微藻濾餅堆積影響正常流速時，反吹濾餅，及時消除堆積效應(yīng)，使系統(tǒng)連續(xù)循環(huán)運轉(zhuǎn)狀況不受影響。本發(fā)明方法中，微藻培養(yǎng)的氣升式生物反應(yīng)器中，使用的通入氣體是克雷博士肺炎桿菌厭氧發(fā)酵生產(chǎn)1，3_丙二醇過程中的尾氣，該尾氣中含有隊和0)2。由于克雷博士肺炎桿菌厭氧發(fā)酵生產(chǎn)1，3-丙二醇中，初始通入的99 %隊，菌體在厭氧狀態(tài)下發(fā)酵，產(chǎn)生大量的CO2氣體，攜帶出去形成隊和(X)2混合氣，此混合氣成份90%以上為隊，(X)2含量在10% 左右ο本發(fā)明所使用的為微藻培養(yǎng)提供碳源尾氣還包含其他生物發(fā)酵過程中的尾氣，比如酵母菌發(fā)酵等好氧發(fā)酵過程。此尾氣中含有CO2量與上述尾氣類似，但其中含有大量的氧氣，先通過脫氧設(shè)備，獲得氧分壓較低(X)2含量充足的可以用于微藻培養(yǎng)的碳源供氣。當(dāng)然也可以使用其它來源的含(X)2氣體，如煙道氣等。本發(fā)明中對培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器供氣可以分為兩路，進行并聯(lián)操作，一路為 N2，用于反應(yīng)器氣升導(dǎo)流，實現(xiàn)培養(yǎng)體系物質(zhì)返混與傳質(zhì)，以及降低系統(tǒng)氧分壓，實現(xiàn)脫氧功能；第二路為含(X)2氣體，經(jīng)過上述輸送預(yù)裝后進入生物反應(yīng)器，此供氣支路流量控制與 PH電極或(X)2電極進行藕聯(lián)控制，可以實現(xiàn)系統(tǒng)供碳與pH控制相藕聯(lián)，也可以實現(xiàn)培養(yǎng)系統(tǒng)供碳與(X)2吸收利用水平相藕聯(lián)。本發(fā)明中在光生物反應(yīng)器中使用溶氧和CO2傳感器，根據(jù)所測溶氧和CO2利用情況，來調(diào)節(jié)隊和含ω2氣體的通氣量，光生物反應(yīng)器中通氣量一般控制在0. 01L/L · min 5L/L -min (氣體的體積與生物反應(yīng)器容積之比)，進而調(diào)節(jié)O2和(X)2分壓，從而實現(xiàn)理想的微藻光合反應(yīng)過程中的CO2利用和氧解析。本發(fā)明技術(shù)方案中的微藻培養(yǎng)體系尾氣，可以部分循環(huán)回生物反應(yīng)器，提高碳源的利用率。本發(fā)明特別涉及所利用的微藻可以是各種利用二氧化碳為碳源進行光合作用生產(chǎn)有機物的藻類，如小球藻等。生物反應(yīng)器優(yōu)選采用常壓操作。下面對合附圖，進一步說明本發(fā)明方案和效果。如圖2所示，液環(huán)式輸送泵工作原理如下工作液通過工作液進口 11進入液環(huán)式輸送泵殼體14內(nèi)，當(dāng)液環(huán)式輸送泵葉輪16順時針旋轉(zhuǎn)時，由于離心力的作用，工作液在液環(huán)式輸送泵殼體14內(nèi)形成一個封閉液環(huán)15，通過液環(huán)式輸送泵葉輪16的葉片將氣體進口 12的氣體增壓輸送至氣液混合物出口 13，將氣體和部分工作液輸送至液環(huán)式輸送泵外。如圖1所示，發(fā)酵尾氣1和工作液2通過液環(huán)式輸送泵3混合輸出至氣液分離罐 4，在氣液分離罐4中，尾氣和工作液通過氣液分布器5進一步充分接觸，使二氧化碳進一步充分溶解在工作液中，然后進行氣液分離，分離的氣相進入氣升式反應(yīng)器6，充分溶解二氧化碳的液相進入生物反應(yīng)器進一步補充二氧化碳。同時，氣液分離罐中的工作液可以補充營養(yǎng)物質(zhì)7，并通過液相入口管線8以一定流速加入反應(yīng)器中6中，實現(xiàn)氣液兩相同步補充 CO2的效果，最后在設(shè)置的微藻過濾裝置9之后，使工作液在反應(yīng)器與液環(huán)式輸送泵之間進行循環(huán)。方案1 (比較例)在IOL光生物反應(yīng)器內(nèi)進行小球藻培養(yǎng)。反應(yīng)器為氣升式，內(nèi)設(shè)導(dǎo)流桶，可以實現(xiàn)培養(yǎng)液的返混，反應(yīng)器為玻璃體，外設(shè)不銹鋼密封罩，罩內(nèi)有日光燈光源，自動控制設(shè)定光的開關(guān)時間，形成小球藻培養(yǎng)過程中光暗過程轉(zhuǎn)換。反應(yīng)器內(nèi)有溫度控制盤管，以及O2和 CO2傳感器。藻種為普通小球藻，培養(yǎng)基SE培養(yǎng)基。SE培養(yǎng)基配方(以每升計)NaNO30. 25gK2HPO4. 3H200. 075gMgSO4. 7H200. 075gCaCl2. 2H200. 025gKH2PO40. 175gNaCl0. 025Soil extract (土壤提取液)40mlFeCl3 · 6H200. 005Fe-EDTAIml通氣采用空氣壓縮機壓縮空氣通入，通入量lL/min。土壤提取液為任意土壤與水混合沉降后的上清液。培養(yǎng)液在既定的光暗周期下，培養(yǎng)7天后終止培養(yǎng)，收集藻細胞，測干重與油脂含量，并分析CO2利用情況。方案2 (實施例)同方案1，所不同的是采用液環(huán)式輸送泵將取自生物反應(yīng)器的液體和1，3_丙二醇過程中的尾氣混合輸送，然后氣液分離，氣相和液相分別引入生物反應(yīng)器(如圖1所示流程)，液相補充營養(yǎng)物質(zhì)后進入反應(yīng)器，從反應(yīng)器出來的料液經(jīng)過過濾除藻之后，實現(xiàn)循環(huán)， 其循環(huán)流速與培養(yǎng)體系中CO2溶解情況相關(guān)聯(lián)，設(shè)定循環(huán)流速為20mL/min。通氣部分，采用液環(huán)輸送泵輸送收集來自克雷博士肺炎桿菌厭氧發(fā)酵生產(chǎn)1，3-丙二醇過程中的尾氣，壓縮混合氣通入IOL光生物反應(yīng)器中，根據(jù)&和(X)2傳感器所測量數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)通氣量為0. IL/ min,同時補充適量隊提高氣升效果。此氣液兩相中均富含CO2，在反應(yīng)器中與微藻細胞進行物質(zhì)傳遞，實現(xiàn)CO2在生物體內(nèi)的固定。其他培養(yǎng)條件同方案1所述。通過脫氧補碳培養(yǎng)7天后，收集藻細胞，測干重與油脂含量，分析(X)2利用率。
方案3 (比較例)同方案2，發(fā)酵尾氣采用普通壓縮機輸送至光生物反應(yīng)器，營養(yǎng)物質(zhì)直接補充到生物反應(yīng)器中，其他培養(yǎng)條件同方案2所述。通過培養(yǎng)，7天后收集此普通小球藻，測干重與油脂含量，分析(X)2利用率。上述實施例實驗結(jié)果如下表
權(quán)利要求
1.一種微藻培養(yǎng)方法，采用光照氣升式生物反應(yīng)器，光照氣升式生物反應(yīng)器內(nèi)包括微藻和微藻培養(yǎng)基，通入含(X)2的氣體實現(xiàn)氣升、補給(X)2和解析02，其特征在于通入的含CO2 氣體采用氣液混合輸送裝置輸送，含(X)2氣體經(jīng)過氣液混合輸送裝置后進行氣液分離，氣液分離的氣相用于氣升式生物反應(yīng)器的氣升氣源，氣液分離后的液相進入氣升式生物反應(yīng)器進一步補充CO2，氣液混合輸送裝置入口的液相來源于氣升式生物反應(yīng)器。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于氣液混合輸送裝置包括液環(huán)式輸送泵、氣液混合泵。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于氣液分離后的液相進入氣升式生物反應(yīng)器之前，補充微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的營養(yǎng)成份。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于氣升式生物反應(yīng)器中液相經(jīng)過微藻過濾后進入氣液混合輸送裝置。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于含CO2的氣體來自微生物發(fā)酵過程得到的含二氧化碳氣體或煙道氣。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于氣升式生物反應(yīng)器的設(shè)置培養(yǎng)體系二氧化碳和溶解氧量的測定裝置。
7.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于氣液混合輸送裝置的出口壓力表壓為 2 20010 。
8.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于氣液混合輸送裝置將氣體和液體混合并輸送，排出的氣液混合物在進行氣液分離之前設(shè)置氣液接觸設(shè)備，進一步提高氣液接觸效率，在實現(xiàn)輸送氣體的同時實現(xiàn)二氧化碳在液體中的充分溶解。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于設(shè)置的氣液接觸設(shè)備包括靜態(tài)混合器、動態(tài)混合器、填料塔或鼓泡分散構(gòu)件。
10.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于氣液混合輸送裝置入口的液相取自生物反應(yīng)器底部，經(jīng)過過濾裝置引出；氣液分離后的液相進入氣升式生物反應(yīng)器上部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微藻培養(yǎng)方法，采用光照氣升式生物反應(yīng)器，光照氣升式生物反應(yīng)器內(nèi)包括微藻和微藻培養(yǎng)基，通入含CO2的氣體實現(xiàn)氣升、補給CO2和解析O2，其中通入的含CO2氣體采用氣液混合輸送裝置輸送，含CO2氣體經(jīng)過氣液混合輸送裝置后進行氣液分離，氣液分離的氣相用于氣升式生物反應(yīng)器的氣升氣源，氣液分離后的液相進入氣升式生物反應(yīng)器進一步補充CO2，氣液混合輸送裝置入口的液相來源于氣升式生物反應(yīng)器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法通過氣相和液相同時補充CO2，提高了微藻培養(yǎng)過程中微藻積累油脂能力，提高了CO2利用率，同時簡化了培養(yǎng)裝置。
文檔編號C12R1/89GK102311923SQ20101022200
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月7日
發(fā)明者師文靜, 李曉姝, 王崇輝, 王領(lǐng)民, 金平 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院