一種培養(yǎng)光合生物的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種培養(yǎng)光合生物的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光合生物是一類能夠利用光進(jìn)行光合作用的生物，例如光合細(xì)菌和微藻。微藻是一類在水中生長的種類繁多且分布極其廣泛的低等植物，它是由陽光驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞工廠，通過微藻細(xì)胞高效的光合作用，吸收CO2，將光能轉(zhuǎn)化為脂肪或淀粉等碳水化合物的化學(xué)能，并放出02。利用微藻生產(chǎn)生物能源與化學(xué)品可以同時(shí)達(dá)到替代化石能源、減少CO2排放等目的。
[0003]微藻一般在光生物反應(yīng)器(光合生物培養(yǎng)裝置)中進(jìn)行培養(yǎng)。光生物反應(yīng)器目前主要有開放式和封閉式兩種。無論是開放式光生物反應(yīng)器，還是封閉式光生物反應(yīng)器，都需要將反應(yīng)器置于光源下進(jìn)行培養(yǎng)，光源可以是太陽光，也可以是人工光源，為了降低培養(yǎng)成本，一般利用太陽光在室外培養(yǎng)。為了接受較充足的光照，含有微藻的培養(yǎng)液的液厚一般(60cm，優(yōu)選為10-30cm?，F(xiàn)有技術(shù)中，無論是那種形式的光生物反應(yīng)器，將培養(yǎng)液體(如藻液)流動(dòng)起來均是必要的，因?yàn)橹挥凶屧逡毫鲃?dòng)起來，才能有效避免光合微生物(如微藻)沉降，同時(shí)也保證了微藻充分受光和傳質(zhì)。微藻實(shí)際養(yǎng)殖中最為常見的跑道池就是采用漿輪驅(qū)動(dòng)藻液沿著跑道狀的淺池流動(dòng)，藻液在流動(dòng)的過程中接受光照。
[0004]在微藻的培養(yǎng)過程中由于濃度的不斷增加，藻細(xì)胞相互遮擋，嚴(yán)重地影響微藻的受光，因此跑道池培養(yǎng)的藻液難以達(dá)到較高的濃度，其最終培養(yǎng)液的光密度值一般小于2，影響了總的生產(chǎn)效率。因此，出現(xiàn)了采用薄層培養(yǎng)液養(yǎng)殖的方法，如美國專利US5981271公開了一種使藻液形成薄層流動(dòng)的培養(yǎng)工藝與裝置，能夠大幅提高藻液的濃度和生產(chǎn)效率。
[0005]中國專利CN1668185A公開了一種使用光生物反應(yīng)器對(duì)氣體進(jìn)行處理的方法，包括:在光生物反應(yīng)期內(nèi)建立藻液的流動(dòng)，并使至少一部分光生物反應(yīng)器和至少一種光合生物暴露在能夠驅(qū)動(dòng)光合作用的光源下，該方法的特征是通過計(jì)算確定合理的曝光與避光時(shí)間間隔，并以此來控制光生物反應(yīng)器內(nèi)液體介質(zhì)的流量。
[0006]中國專利CN102421887A公開了一種培養(yǎng)光合生物的方法，包括:提供培養(yǎng)室，向所述培養(yǎng)室引入培養(yǎng)基和光合生物，并暴露于光之下，然后利用氣流控制部件控制氣體通過培養(yǎng)基，所述氣流帶動(dòng)所述培養(yǎng)基的蒸發(fā)。在實(shí)際養(yǎng)殖中，為了避免光合生物沉降，必需通入大量的氣體，而這必然導(dǎo)致能耗的增加和培養(yǎng)液的劇烈蒸發(fā)，這對(duì)降低能耗與水耗顯然是不利的。
[0007]中國專利CN102260629A公開了一種板式光生物反應(yīng)器，包括至少一個(gè)流道，其中，每一流道包括:至少2塊上擋板，設(shè)置于光照面的內(nèi)壁上；至少2塊下?lián)醢?，設(shè)置于無光面的內(nèi)壁上；其中，上擋板和下?lián)醢宓拈L度方向與培養(yǎng)液流動(dòng)方向的夾角為20-70度，且夾角方向相反。該板式反應(yīng)器具有特定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)藻細(xì)胞在光生物反應(yīng)器的光區(qū)和暗區(qū)之間穿梭，從而提高微藻的培養(yǎng)效率。但是，該方案操作時(shí)需要將全部藻液循環(huán)流動(dòng)起來以通過光生物反應(yīng)器內(nèi)的擋板，顯著增加了運(yùn)行能耗。
[0008]綜上可見，在現(xiàn)有技術(shù)中，無論采用何種形式的光生物反應(yīng)器，為了使微藻得到充分的光照和傳質(zhì)效果，避免因藻細(xì)胞沉降帶來的問題，均需要將藻液流動(dòng)起來。而驅(qū)動(dòng)全部藻液流動(dòng)起來需要極高的能耗，并且藻液沿水平方向的流動(dòng)(或者說是垂直于光照方向的運(yùn)動(dòng))對(duì)于微藻的受光和傳質(zhì)而言并非必要。因此，這種驅(qū)動(dòng)模式在大規(guī)模生產(chǎn)中顯然是不利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中培養(yǎng)光合生物能耗高、產(chǎn)量低的缺陷，提供一種適用于大規(guī)模生產(chǎn)的能耗低、產(chǎn)量高的培養(yǎng)光合生物的方法。
[0010]本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)液沿光照方向來回運(yùn)動(dòng)，使光合生物間歇運(yùn)動(dòng)至培養(yǎng)液體表面并暴露在光照下，代替全部培養(yǎng)液沿水平方向運(yùn)動(dòng)(或者說是垂直于光照方向的運(yùn)動(dòng))，可極大降低能耗，且可提高光合生物的產(chǎn)量。
[0011]因此，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種培養(yǎng)光合生物的方法，所述方法包括在培養(yǎng)光合生物的條件下，在培養(yǎng)光合生物的裝置中進(jìn)行光合生物的培養(yǎng)，該培養(yǎng)裝置內(nèi)形成有朝向光照方向(D)設(shè)置的培養(yǎng)區(qū)(I),該培養(yǎng)區(qū)(I)用于容納含有光合生物的培養(yǎng)液，其特征在于，使所述光合生物沿所述光照方向(D)來回運(yùn)動(dòng)。
[0012]優(yōu)選地，所述光合生物的運(yùn)動(dòng)速度為5-500cm/s，更優(yōu)選為40-400cm/S。
[0013]優(yōu)選地，使所述光合生物沿所述光照方向(D)來回運(yùn)動(dòng)的方式包括:所述培養(yǎng)裝置包括擾流機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)，所述擾流機(jī)構(gòu)能夠由所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)驅(qū)動(dòng)在所述培養(yǎng)區(qū)(I)內(nèi)移動(dòng)，以引導(dǎo)所述光合生物沿所述光照方向(D)來回運(yùn)動(dòng)。
[0014]優(yōu)選地，所述擾流機(jī)構(gòu)包括移動(dòng)板(3)和多個(gè)擾流片(4)，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)用于驅(qū)動(dòng)所述移動(dòng)板(3 )在所述培養(yǎng)區(qū)(I)內(nèi)來回移動(dòng)，所述多個(gè)擾流片(4)傾斜設(shè)置在所述移動(dòng)板(3)的安裝表面上并且沿該移動(dòng)板(3)的移動(dòng)方向間隔布置。
[0015]優(yōu)選地，所述擾流片(4)相對(duì)于所述移動(dòng)板(3)的安裝表面的傾斜角度為20-80。，更優(yōu)選為 30-60°。
[0016]優(yōu)選地，所述移動(dòng)板(3)的移動(dòng)速度為0.2-5m/s，更優(yōu)選為0.3_2m/S，移動(dòng)的頻率為 0.1-1OHz0
[0017]本發(fā)明提供的培養(yǎng)光合生物的方法，通過驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)液沿光照方向來回運(yùn)動(dòng)，使光合生物間歇運(yùn)動(dòng)至培養(yǎng)液體表面并暴露在光照下，相對(duì)于現(xiàn)有的使全部培養(yǎng)液沿水平方向運(yùn)動(dòng)的培養(yǎng)方法，能夠極大地降低能耗，且能夠提高光合生物的產(chǎn)量，本發(fā)明方法適用于光合生物的大規(guī)模生產(chǎn)。
[0018]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式的培養(yǎng)光合生物的裝置的俯視圖。
[0020]圖2為圖1所示的培養(yǎng)光合生物的裝置的側(cè)剖圖。
[0021]圖3為各實(shí)施例中光合生物的生長曲線。
[0022]附圖標(biāo)記說明
[0023]I培養(yǎng)區(qū)；2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；3移動(dòng)板；4擾流片；5側(cè)壁；6底壁；7頂壁；8培養(yǎng)液入口 ；9培養(yǎng)液出口 ；D光照方向。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實(shí)施方式】僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0025]在本發(fā)明中，在未作相反說明的情況下，使用的方位詞如“上、下、頂、底”通常是針對(duì)附圖所示的方向而言的或者是針對(duì)豎直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置關(guān)系描述用詞。
[0026]如圖1和圖2所不,本發(fā)明提供了一種培養(yǎng)光合生物的方法,該方法包括在培養(yǎng)光合生物的條件下，在培養(yǎng)光合生物的裝置中進(jìn)行光合生物的培養(yǎng)，該培養(yǎng)裝置內(nèi)形成有朝向光照方向D設(shè)置的培養(yǎng)區(qū)1，該培養(yǎng)區(qū)I用于容納含有光合生物的培養(yǎng)液，使光合生物沿光照方向D來回運(yùn)動(dòng)。
[0027]根據(jù)本發(fā)明，盡管按照上述方法即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，即降低能耗、提高產(chǎn)量，但優(yōu)選情況下，光合生物的運(yùn)動(dòng)速度為5-500cm/s，更優(yōu)選為40-400cm/S，可進(jìn)一步提高光合生物的產(chǎn)量。
[0028]本發(fā)明中，對(duì)于使光合生物沿光照方向D來回運(yùn)動(dòng)的方式無特殊要求，可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所能想到的各種方式。例如，可以采用圖1和圖2所示的培養(yǎng)光合生物的裝置來實(shí)現(xiàn)光合生物沿光照方向D的來回運(yùn)動(dòng)。即，使光合生物沿光照方向D來回運(yùn)動(dòng)的方式包括:培養(yǎng)裝置包括擾流機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2，擾流機(jī)構(gòu)能夠由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2驅(qū)動(dòng)在培養(yǎng)區(qū)I內(nèi)移動(dòng)，以引導(dǎo)光合生物沿光照方向D來回運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)光合生物沿光照方向D運(yùn)動(dòng)的流量。
[0029]本發(fā)明中的擾流機(jī)構(gòu)的作用在于通過自身移動(dòng)帶動(dòng)光合生物沿光照方向D來回運(yùn)動(dòng)，不同于現(xiàn)有技術(shù)中常見的靜止設(shè)置的擾流構(gòu)件，現(xiàn)有技術(shù)中的擾流構(gòu)件僅是通過對(duì)流動(dòng)的流體產(chǎn)生阻礙而改變流體流動(dòng)方向達(dá)到形成擾流的目的。本發(fā)明的擾流機(jī)構(gòu)設(shè)置在培養(yǎng)區(qū)I內(nèi)并且擾流機(jī)構(gòu)能夠被驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生移動(dòng)，從而帶動(dòng)光合生物產(chǎn)生特定方向的運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)光合生物沿光照方向D運(yùn)動(dòng)的擾流流量。因此，本發(fā)明的擾流機(jī)構(gòu)為主動(dòng)件，引導(dǎo)光合生物流動(dòng)。
[0030]本發(fā)明中，光合生物僅由擾流機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生特定方向移動(dòng)，不必由其它驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)而進(jìn)行大規(guī)模的水平流動(dòng)(或者是垂直于光照方向的流動(dòng))，對(duì)于光合生物的大規(guī)模生產(chǎn)而言，減少了培養(yǎng)液沿垂直于光照方向的水平運(yùn)動(dòng)，從而大大節(jié)省了能耗。
[0031]因此，通過設(shè)置上述擾流機(jī)構(gòu)，能夠在培養(yǎng)裝置內(nèi)建立光合生物沿光照方向上的來回運(yùn)動(dòng)，使至少一種具有光合功能的生物體(微藻)運(yùn)動(dòng)至培養(yǎng)液表面并間歇暴露在光照下。
[0032]為實(shí)現(xiàn)上述的光合生物形成沿光照方向的運(yùn)動(dòng)的目的，該擾流機(jī)構(gòu)可具有多種結(jié)構(gòu)形式。在本實(shí)施方式中，示例性舉出了一種結(jié)構(gòu)簡單的擾流機(jī)構(gòu)。如圖1和圖2所示，該擾流機(jī)構(gòu)包括移動(dòng)板3和多個(gè)擾流片4，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2用于驅(qū)動(dòng)移動(dòng)板3在培養(yǎng)區(qū)I內(nèi)來回移動(dòng)，多個(gè)擾流片4傾斜設(shè)置在移動(dòng)板3的安裝表面上并且沿該移動(dòng)板3的移動(dòng)方向間隔布置。這樣，如圖2所示，擾流片4為薄片形狀，培養(yǎng)液盛放于一個(gè)水平放置的長方形水池中，而驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)液的移動(dòng)板3和擾流片4放置于培養(yǎng)液的液面下,通過一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)固定于培養(yǎng)液下。在移動(dòng)板3由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2驅(qū)動(dòng)而帶動(dòng)擾流片4從右向左水平移動(dòng)時(shí)，培養(yǎng)液流經(jīng)傾斜設(shè)置的擾流片4的表面，大部分被引導(dǎo)向上沿光照方向D的反方向移動(dòng)。同樣地，移動(dòng)板3帶動(dòng)擾流片4從左向右水平移動(dòng)時(shí)，可引導(dǎo)培養(yǎng)液沿光照方向D移動(dòng)。這樣，移動(dòng)板3帶動(dòng)擾流片4在培養(yǎng)液下方往復(fù)移動(dòng)時(shí)，引導(dǎo)光合生物沿光照方向D來回運(yùn)動(dòng)，使得培養(yǎng)液中的光合生物間歇暴露在光照下。
[0033]本發(fā)明中，擾流片4相對(duì)于移動(dòng)板3的安裝表面的傾斜角度優(yōu)選為20-80°，更優(yōu)選為 30-60。。
[0034]如上所述，光合生物的運(yùn)動(dòng)速度為5-500cm/s，更優(yōu)選為40-400cm/s，可進(jìn)一步提高光合生物的產(chǎn)量。采用本發(fā)明的擾流機(jī)構(gòu)，移動(dòng)版3的移動(dòng)速度和頻率決定了光合生物的運(yùn)動(dòng)速度，本發(fā)明的發(fā)明人在研究中發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)板3的移動(dòng)速度為20-500cm/s，移動(dòng)的頻率為0.1-lOHz，可使光合生物的運(yùn)動(dòng)速度為5-500cm/s，移動(dòng)板3的移動(dòng)速度進(jìn)一步優(yōu)選為30-200cm/s，可使光合生物的運(yùn)動(dòng)速度為40-400cm/s，因此，移動(dòng)板3的移動(dòng)速度優(yōu)選為20-500cm/s，更優(yōu)選為30-200cm/s，移動(dòng)的頻率優(yōu)選為0.l-10Hz。在上述優(yōu)選情況下，可進(jìn)一步提高光合生物的產(chǎn)量。
[0035]在本實(shí)施方式中，如圖1和圖2所示，培養(yǎng)裝置包括圍繞培養(yǎng)區(qū)I設(shè)置的側(cè)壁5和底壁6，為了更好地引導(dǎo)培養(yǎng)區(qū)I內(nèi)所有的光合生物運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)板3可移動(dòng)地優(yōu)選設(shè)置在底壁6上。為了方便設(shè)置，且為了使光合生物更好地沿光照方向(D)來回運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)板(3)優(yōu)選沿光照方向(D)的垂直方向