本發(fā)明涉及一種微生物的異樣培養(yǎng)領域，具體涉及一種超疊層靜態(tài)薄層培養(yǎng)基異養(yǎng)培養(yǎng)方法及異養(yǎng)反應器。

背景技術：

微藻因其富含脂類、蛋白質和多糖，且具有光合作用效率高、生長周期短、可再生等突出特點，在食品、醫(yī)藥、保健品及生物能源領域得到了廣泛應用。但是，如何通過人工大規(guī)模培養(yǎng)技術高效率地獲得微藻生物質是微藻資源開發(fā)利用的關鍵。近年來，業(yè)內(nèi)逐漸興起了利用異養(yǎng)技術進行微藻的高細胞密度的培養(yǎng)技術。異養(yǎng)培養(yǎng)又叫發(fā)酵培養(yǎng)，是在培養(yǎng)基質中，加入葡萄糖并在一定溶氧度和無菌等條件下，使藻細胞直接利用葡萄糖轉化成微藻生物質，使藻細胞迅速增殖，而不依賴于光照，可達到較高的細胞密度和較大的生物量。該技術可以克服光自養(yǎng)戶外開放式養(yǎng)殖和光生物反應器培養(yǎng)的諸多缺陷，具有生長速度更快、能實現(xiàn)純種培養(yǎng)、單位體積產(chǎn)率高、便于自動化控制，以及降低藻單位質量的培養(yǎng)成本、收獲更容易等優(yōu)勢。因此，微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)技術成為近年來微藻培養(yǎng)的研究熱點，清華大學吳慶余、華東理工大學的李元廣等，都曾做過異養(yǎng)培養(yǎng)小球藻和雨生紅球藻的研究。

發(fā)酵罐是異養(yǎng)培養(yǎng)中最常用的發(fā)酵設備，CN104745454A公開了一種發(fā)酵罐的基本結構，如圖1所示，包括發(fā)酵罐本體1，用于調(diào)節(jié)溫度的蛇管2，攪拌軸3，第一層攪拌器4，第二層攪拌器5，第三層攪拌器6，第四層攪拌器7，第五層攪拌器8，用以改變液體流向的擋板9，其中攪拌器用來攪拌培養(yǎng)液，增加培養(yǎng)液的溶氧度，擋板進一步加大或改善入罐空氣的分散效果，將空氣流向由底層的徑向流變?yōu)閺较蛄骷油牧?，使空氣與培養(yǎng)液充分混合。另外在其他一些現(xiàn)有技術中，還可以采用夾層結構的加熱套來調(diào)節(jié)發(fā)酵罐的溫度，加熱套設于發(fā)酵罐底部，對發(fā)酵罐底部半包圍，根據(jù)不同的溫度要求，向加熱套的夾層內(nèi)依次通入熱源或冷源。

現(xiàn)有發(fā)酵罐存在以下缺陷：現(xiàn)有發(fā)酵罐通常具有一個容納培養(yǎng)基質的罐體，在罐體內(nèi)設有一個攪拌軸，攪拌軸從上到下設有若干組攪拌槳，用于增加溶氧度。從技術經(jīng)濟分析的角度來看，微藻異養(yǎng)培養(yǎng)的主要成本是來自于攪拌所需的能耗(約占總成本的1/2)，如果能降低或減去這部分能耗，則微藻異養(yǎng)培養(yǎng)的成本將會大大降低。

此外，對于這種罐式的異養(yǎng)容器方式而言，是將大量的培養(yǎng)液儲存在一個罐體內(nèi)，因而如果任何一個環(huán)節(jié)引入污染源，則污染源在攪拌作用下會快速生長，將會對整個罐體內(nèi)的培養(yǎng)液形成爆發(fā)式污染，使整個罐體內(nèi)的藻全部受損。

因此，發(fā)明人希望能夠提供一種造價成本低廉、培養(yǎng)能耗低、適用性廣、收獲程序簡化及適于藻大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化培養(yǎng)的異養(yǎng)培養(yǎng)方法及異樣反應器，以便整體降低微藻的生產(chǎn)成本。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種新的超疊層靜態(tài)薄層培養(yǎng)基異養(yǎng)培養(yǎng)設備和培養(yǎng)方法，用于微生物的異養(yǎng)培養(yǎng)。

為此目的，提供了一種微生物的異養(yǎng)培養(yǎng)方法，所述方法是將微生物接種到靜態(tài)薄層的培養(yǎng)液中培養(yǎng)，其中培養(yǎng)液的厚度不大于5cm，通過控制培養(yǎng)液周圍溫度和氧氣壓力，在培養(yǎng)周期內(nèi)不對培養(yǎng)基做任何均質化操作。

其中，所述培養(yǎng)液以層狀在豎直高度上層疊。

其中，所述氧氣壓力為0.02-0.03MPa。

根據(jù)所述的培養(yǎng)方法，本發(fā)明還涉及一種異養(yǎng)反應器，其包括培養(yǎng)平臺和密封罩體，所述培養(yǎng)平臺至少為一個，所述培養(yǎng)平臺沿水平方向延伸，具有相反的上表面和下表面，并且在外圍設有從相應培養(yǎng)平臺的上表面向上延伸的圍堰，培養(yǎng)平臺的上表面和圍堰部的內(nèi)表面形成用于容納培養(yǎng)微生物的培養(yǎng)液的空間；培養(yǎng)平臺由密封罩體圍住，所述密封罩體設置有進氣口和排氣口。

其中，所述圍堰部的高度不大于5cm。

借助上述特征，可使本發(fā)明的異養(yǎng)反應器在培養(yǎng)微藻的時候，培養(yǎng)液的最大厚度不超過5cm，此厚度下的培養(yǎng)液，可以充分實現(xiàn)氣體交換，無需通過攪拌實現(xiàn)溶氧和CO₂排出，節(jié)省了由于攪拌、混合等所需的巨大能耗。

根據(jù)一個可行實施方式，所述異養(yǎng)反應器包括多個所述培養(yǎng)平臺，所述多個培養(yǎng)平臺在豎直方向上層疊布置，且所述多個培養(yǎng)平臺被支撐使得相鄰的培養(yǎng)平臺之間間隔一預定距離。

根據(jù)一個可行實施方式，相鄰的培養(yǎng)平臺之間設置多個支撐柱，所述支撐柱用于支撐上面的培養(yǎng)平臺。

根據(jù)一個可行實施方式，所述支撐柱是具有圓形、長方形或方形橫截面的柱或管的形式。

根據(jù)一個可行實施方式，還包括支撐架，所述培養(yǎng)平臺擱置在所述支撐架上。

根據(jù)一個可行實施方式，所述支撐架為設置有滑道的抽屜式支撐架，所述培養(yǎng)平臺設置在滑道上，插入支撐架。

根據(jù)一個可行實施方式，所述支撐架設有平衡基座，所述平衡基座具有平衡調(diào)節(jié)螺母，便于平衡基座找平。

根據(jù)一個可行實施方式，所述培養(yǎng)平臺上表面設置有防止粘接的鍍膜。

根據(jù)一個可行實施方式，所述圍堰部與相應培養(yǎng)平臺一體地形成，或者單獨形成之后被附接到相應培養(yǎng)平臺。

根據(jù)一個可行的實施方式，所述支撐柱與相應培養(yǎng)平臺一體地形成，或者單獨形成之后被附接到相應培養(yǎng)平臺的下表面。

根據(jù)一個可行實施方式，所述圍堰部相對于相應培養(yǎng)平臺的上表面成大于或等于90度的傾角。

根據(jù)一個可行實施方式，所述圍堰部高出相應培養(yǎng)平臺的上表面1mm-4cm，優(yōu)選為1mm-5mm、10mm-30mm或30mm-100mm。

根據(jù)一個可行實施方式，所述圍堰部由與培養(yǎng)平臺相同或不同的材料制成，和/或所述支撐柱由與培養(yǎng)平臺相同或不同的材料制成。

根據(jù)一個可行實施方式，所述培養(yǎng)平臺由金屬或非金屬材料制成。

根據(jù)一個可行實施方式，所述培養(yǎng)平臺由下述材料之一制成：玻璃、PVC板、泡沫板、塑料。

根據(jù)一個可行實施方式，所述培養(yǎng)平臺由不銹鋼制成。

根據(jù)一個可行實施方式，所述培養(yǎng)平臺由平板玻璃制成，并且所述圍堰部是附接到平板玻璃周圍的膠條，即在該平板玻璃的四周粘接一圈膠條形成一個培養(yǎng)液的容納空間。

根據(jù)一個可行實施方式，所述培養(yǎng)平臺由有機材料制成，并且所述圍堰部與培養(yǎng)平臺一體成型。

根據(jù)一個可行實施方式，多個所述培養(yǎng)平臺的各培養(yǎng)平臺之間的間距相同或不同。

根據(jù)一個可行實施方式，所述培養(yǎng)平臺的規(guī)格為長度2m×寬度1m，相鄰培養(yǎng)平臺之間的間距為0.04m。

根據(jù)一個可行實施方式，所述密封罩體包括保溫層或由保溫材料組成。

根據(jù)一個可行實施方式，所述密封罩體設有艙門。

根據(jù)一個可行實施方式，所述密封罩體底部與地面活動結合。

本發(fā)明首次采用薄層靜態(tài)培養(yǎng)基的發(fā)酵培養(yǎng)方法，通過攤薄培養(yǎng)基的厚度，實現(xiàn)了在無攪拌情況下，仍可實現(xiàn)有效的氣體交換和溶氧的需求，大大降低異養(yǎng)培養(yǎng)的能耗成本。此外通過本發(fā)明的超疊層靜態(tài)薄層培養(yǎng)基異養(yǎng)反應器，具有若干個容納薄層培養(yǎng)基的培養(yǎng)平臺，在高度方向上高密度地層疊，使培養(yǎng)液具有極大的比表面積，是對傳統(tǒng)發(fā)酵罐的微分處理的結果，使單位體積內(nèi)的培養(yǎng)基容量達到一定要求，盡管相比連續(xù)的罐式容納培養(yǎng)基的培養(yǎng)方式，本發(fā)明異養(yǎng)反應器犧牲了一定的培養(yǎng)體積，但由于完全不需要攪拌能耗，因此仍能夠降低單位質量的細胞培養(yǎng)成本，從而大幅降低最終產(chǎn)品的成本。本發(fā)明人開拓性地使用一種微分的思路，將現(xiàn)有的柱狀或塔狀的培養(yǎng)罐進行水平方向的微分化處理，將整體的罐容納的連續(xù)培養(yǎng)基質在豎直方向微分化分解成若干層疊的薄層基質，再通過控制和調(diào)節(jié)氣體壓力，使氧氣在培養(yǎng)基質內(nèi)實現(xiàn)可控和均勻的溶解。

同時，培養(yǎng)基一次性加入，避免中間過程的相關操作，培養(yǎng)周期縮短。由于各層培養(yǎng)平臺構成一個個小的獨立培養(yǎng)環(huán)境，因此當個別的培養(yǎng)平臺單元內(nèi)的培養(yǎng)基受到細菌污染時，也不會因為攪拌而由局部污染造成全面爆發(fā)性污染，降低異養(yǎng)反應器全部細胞被污染的風險，提高培養(yǎng)成功率。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術中發(fā)酵罐結構圖；

圖2a-圖2b為本發(fā)明較佳實施例的異養(yǎng)反應器的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明另一實施例的異養(yǎng)反應器的結構示意圖。

其中：1為發(fā)酵罐本體，2為蛇管，3為攪拌軸，4為第一層攪拌器，5為第二層攪拌器，6為第三層攪拌器，7為第四層攪拌器，8為第五層攪拌器，9為擋板，10為培養(yǎng)平臺，11為支撐柱，12為密封罩體，13為微生物及培養(yǎng)液，14為進氣口，15為排氣口。

具體實施方式

本發(fā)明提供的異養(yǎng)反應器是一種超疊層靜態(tài)薄層培養(yǎng)基異養(yǎng)反應器，其包括在豎直方向上層疊且呈預定間距布置的多個培養(yǎng)平臺，所述多個培養(yǎng)平臺沿水平方向延伸，每個培養(yǎng)平臺具有用于放置培養(yǎng)目標微生物的培養(yǎng)液的上表面和相反的下表面，每個培養(yǎng)平臺的外圍設有從相應培養(yǎng)平臺伸出的傾斜于相應培養(yǎng)平臺的上表面向上延伸的圍堰部。

實施例1：

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的異養(yǎng)反應器。

從圖中可以看出，異養(yǎng)反應器包括在豎直方向上層疊布置的多個培養(yǎng)平臺10和位于相鄰的培養(yǎng)平臺之間的多個支撐柱11。各培養(yǎng)平臺10沿水平方向延伸，并且具有用于放置培養(yǎng)目標微生物的培養(yǎng)液的上表面和相反的下表面。每個培養(yǎng)平臺10的外圍設有從相應培養(yǎng)平臺10伸出的傾斜于相應培養(yǎng)平臺10的上表面向上延伸的圍堰部。

各培養(yǎng)平臺10形成異養(yǎng)反應器的培養(yǎng)板，即，各培養(yǎng)平臺10的上表面、培養(yǎng)平臺10的圍堰部的內(nèi)表面限定出盛納培養(yǎng)液的空間。

形成異養(yǎng)反應器的培養(yǎng)平臺10可采用金屬材料或非金屬材料制成。相對于發(fā)酵罐而言，根據(jù)本發(fā)明的由平板構成的異養(yǎng)反應器加工制造簡單、成本低，而且能夠做到單個培養(yǎng)板的培養(yǎng)面積較大，厚度也可以相對較薄。

各培養(yǎng)平臺10在豎直方向上層疊布置，使結構集成化，單位占地空間的有效培養(yǎng)面積最大化。

根據(jù)本發(fā)明，各培養(yǎng)平臺10的圍堰部可以與培養(yǎng)平臺10一體形成，也可以單獨形成之后附接到培養(yǎng)平臺10。

在培養(yǎng)平臺10由玻璃材料制成時，圍堰部可以是粘接到培養(yǎng)平臺10外圍的一圈膠條。對于有機材料的培養(yǎng)平臺10來說，圍堰部可以與培養(yǎng)平臺10一體成型。

形成培養(yǎng)平臺10的材料可以為玻璃、泡沫板、塑料、GPPS，ABS，AS(苯乙烯丙烯腈)，PVC、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，PC(聚碳酸脂)，PS(聚苯乙烯)等，還可以是不銹鋼。形成圍堰部的材料可以是與培養(yǎng)平臺10相同的材料，也可以用其它材料，如膠條、玻璃膠等。

圍堰部與培養(yǎng)平臺10的上表面成大于或等于90度的角度，以便于在上表面上培養(yǎng)的微生物被以高壓水/氣吹出至培養(yǎng)平臺10外，從而實現(xiàn)微生物的收獲；較佳地是圍堰部與培養(yǎng)平臺10的上表面成大于90度的角度并且在兩者結合處之間形成圓角，防止形成收獲死角或清潔死角。可選地，所述圍堰部高出相應培養(yǎng)平臺10的上表面的距離為1mm-5cm，優(yōu)選為1mm-5mm。

各培養(yǎng)平臺10之間的間距根據(jù)微生物培養(yǎng)所需的溫度和壓力、以及微生物的培養(yǎng)和收獲要求來確定。

支撐柱11的形狀、材料、數(shù)量、間距以及布置方式可以不限制，只需支撐柱11具有一定強度，足夠支撐在上面堆疊的培養(yǎng)平臺10及其上表面上的培養(yǎng)液。優(yōu)選地，支撐柱11采用與培養(yǎng)平臺10相同的材料制成。支撐柱11可具有任何適宜的形狀，包括但不限制于圓柱形、圓管形、方形、長條形等。

在圖示實施例中，支撐柱11被成排布置。

對于玻璃培養(yǎng)平臺10而言，支撐柱11可以用玻璃柱，也可以是非玻璃柱。支撐柱11可以與上面和下面的培養(yǎng)平臺10都分離，也可以粘接于上層培養(yǎng)平臺10的下表面。

對于由有機材料制成的培養(yǎng)平臺10而言，支撐柱11可以與培養(yǎng)平臺10一體成型。

本發(fā)明的異養(yǎng)物反應器還包括密封罩體12，用以將其內(nèi)部層疊的培養(yǎng)平臺10上培養(yǎng)的微生物與外界環(huán)境隔絕，并為其提供密閉無菌的、溫度及壓力可控的環(huán)境。所述密封罩體12包括進氣口14和排氣口15，所述進氣口14為密封罩體12內(nèi)部的微生物提供所需的氧氣，所屬排氣口15則將微生物呼出的CO₂排出密封罩體12，保證微生物處于適宜的生長環(huán)境。密封罩體12外表面設有絕熱層，用來保證內(nèi)部溫度的恒定，同時通過對進入密封罩體12的氧氣加熱或冷卻來控制內(nèi)部的溫度處于適宜微生物生長的范圍內(nèi)。

優(yōu)選的，密封罩體12設有艙門，可以供人或設備進出，但密封罩體12的內(nèi)部容積空間不能相對于超疊層培養(yǎng)平臺大太多，這是因為空間越大，內(nèi)部的氣體循環(huán)和溫度控制也越困難，相應會增加溫度和氣體均質化的成本。密封罩體12底部可與地面活動結合，這樣在收獲時，可先將罩體移開，供收獲設備對培養(yǎng)平臺上的藻進行收獲處理，方便操作。

本發(fā)明的異養(yǎng)反應器異養(yǎng)培養(yǎng)過程如下：培養(yǎng)目標和培養(yǎng)液配置好后，利用接種設備接種到每一層培養(yǎng)平臺10上；培養(yǎng)過程中，從密封罩體12的進氣口14通入氧氣和空氣，根據(jù)培養(yǎng)液的溶氧度和pH值調(diào)節(jié)通入氧氣和空氣量的大小，同時控制出氣口15的開度，以保持培養(yǎng)環(huán)境處于適當?shù)难鯕鈮毫?0.02-0.03MPa)下；同時，培養(yǎng)過程中監(jiān)測培養(yǎng)液營養(yǎng)成分的變化，待營養(yǎng)成分消耗完畢或微生物停止生長時，利用收集設備將微生物及培養(yǎng)液收集到容器中；收獲結束后，對整套培養(yǎng)系統(tǒng)進行消毒，然后進入下一個培養(yǎng)周期。

實施例2：

如圖3，培養(yǎng)平臺10還可以采用支撐架20支撐，支撐架20可以為設有滑道的抽屜式支撐架，所述培養(yǎng)平臺10插入支撐架設置在每一層的滑道上，被支撐架20固定。所述支撐架20還設置有平衡基座，所述平衡基座具有平衡調(diào)節(jié)螺母，便于平衡基座找平。其中，支撐架20可為骨架結構，將各培養(yǎng)平臺10插入到該支撐架20后，外部再罩設了如實施例1中的密封罩體12。此時支撐架20沒有進氣口及排氣口。

進一步的，支撐架20本身也可以做成半密封體結構，在一側設置有供所述各培養(yǎng)平臺10塞入或取出的開放側，待這些培養(yǎng)平臺10放置到所述支撐架20后，在所述開放側配合對應結合另一個半密封體結構，從而構成密封罩體，為異養(yǎng)過程提供較為穩(wěn)定的溫度、壓力條件以及無菌環(huán)境。此時，可在該支撐架20上端設置空氣或O₂進氣口，下端設置CO₂排氣口。

下面，通過與傳統(tǒng)發(fā)酵罐異養(yǎng)培養(yǎng)方法的對比實施例，來說明本發(fā)明的異養(yǎng)反應器的優(yōu)勢。

將異養(yǎng)反應器設置為：培養(yǎng)液的厚度為4mm，培養(yǎng)平臺厚度為3mm，支撐柱的高度為8mm，則在2m高度范圍內(nèi)可堆疊180層培養(yǎng)平臺，設置培養(yǎng)平臺的長度為2m，寬度為1m，則培養(yǎng)液的總量可達到2m*1m*0.004m*180＝1.44m³。按照小球藻異養(yǎng)培養(yǎng)的生物質含量為100g/L計算(經(jīng)實際培養(yǎng)驗證在其他條件一定時靜態(tài)薄層的異養(yǎng)培養(yǎng)，培養(yǎng)基中生物質含量略低于常規(guī)發(fā)酵罐)，則該異養(yǎng)反應器可培養(yǎng)144kg生物質。假定發(fā)酵罐由于不停攪拌，其溶氧度要好于本發(fā)明的實施例，使得培養(yǎng)的生物質含量高達150g/L，要得到相同質量的生物質，則需要使用容積為1m³的傳統(tǒng)發(fā)酵罐連續(xù)發(fā)酵培養(yǎng)210h，假設攪拌電機的功率為1.1kW，則需要耗費231kWh的能源。因此，本發(fā)明的異養(yǎng)反應器，在培養(yǎng)144kg藻生物質時，相比采用傳統(tǒng)發(fā)酵罐的培養(yǎng)方法，可節(jié)省攪拌能耗約231kWh。

本發(fā)明的超疊層靜態(tài)薄層培養(yǎng)基培養(yǎng)設備以及培養(yǎng)方法相對于現(xiàn)有技術的攪拌式培養(yǎng)罐，可無需攪拌裝置，因此可省掉異養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)中攪拌所需的能耗。此外，由于本發(fā)明采用超疊層靜態(tài)薄層培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法，當局部培養(yǎng)基受到污染時，這種污染僅被控制在局部范圍內(nèi)，難以廣范圍的爆發(fā)式擴散，因此降低了培養(yǎng)中被全部污染的風險。