暗周期間歇通氣的封閉式微藻培養(yǎng)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及生物能源領(lǐng)域，具體公開一種暗周期間歇通氣的封閉式微藻培養(yǎng)方法，包括在微藻培養(yǎng)的光周期和暗周期期間向氣升式光生物反應器中通入氣體，其特征在于，在所述光周期采用連續(xù)通氣，并且在所述暗周期采用間歇通氣。與現(xiàn)有技術(shù)中的連續(xù)通氣方式相比，本發(fā)明的方法采用在暗周期期間使用間歇通氣方式，達到近似連續(xù)通氣的培養(yǎng)結(jié)果。從而明顯降低能耗，降低微藻培養(yǎng)的工業(yè)化成本。
【專利說明】暗周期間歇通氣的封閉式微藻培養(yǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物能源領(lǐng)域，尤其涉及在暗周期采用間歇通氣的封閉式微藻培養(yǎng)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]在化石能源日益枯竭、全球氣候變暖的背景下，開展節(jié)能減排，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，開發(fā)可再生能源，是今后科技與社會發(fā)展的重要方向。國內(nèi)外許多研究者早已將目光投向了環(huán)境友好可再生能源，以替代化石能源。開發(fā)生物質(zhì)能源是解決能源問題的有效途徑。
[0003]在諸多生物質(zhì)能源中，微藻因其突出的優(yōu)點而被認為是一種極具潛力的生物燃料原料，日益受到人們的青睞。美國、西歐、澳洲、日本和南非的政府和企業(yè)，也都投入了大量資金進行產(chǎn)油微藻的開發(fā)。其優(yōu)點具體包括:微藻細胞增殖快、培養(yǎng)周期短、生物質(zhì)產(chǎn)量高、所產(chǎn)油脂 成分與植物油類似；且微藻富含大量蛋白質(zhì)、多糖、色素和油脂等物質(zhì)，可以廣泛應用于飼料、食品、醫(yī)藥保健品、化妝品和可再生燃料等領(lǐng)域；可利用的培養(yǎng)基來源廣泛，生長過程中可以固定二氧化碳；可利用鹽堿地、沙漠和海域養(yǎng)殖，不與糧爭地，不與人爭糧，也可利用城市生活污水和工業(yè)廢水等養(yǎng)殖，有利于環(huán)境治理。
[0004]微藻生物柴油的技術(shù)手段在實驗室已經(jīng)被打通，但目前生產(chǎn)成本問題制約了微藻生物柴油的商業(yè)化。微藻生物質(zhì)的獲得是微藻生物能源成本的主要構(gòu)成部分，因此降低微藻培養(yǎng)成本是推進其商業(yè)化進程的關(guān)鍵途徑。
[0005]微藻培養(yǎng)可分為敞開式和封閉式兩種。敞開式微藻培養(yǎng)方式已普遍應用于商業(yè)化的微藻大規(guī)模培養(yǎng)中，但其局限性在于僅有少數(shù)幾種微藻能夠米用敞開式培養(yǎng)。對于要求溫和培養(yǎng)條件、種群競爭能力較弱的微藻，只能采用封閉式光生物反應器培養(yǎng)；對于高衛(wèi)生要求的微藻產(chǎn)品生產(chǎn)以及基因工程微藻都必須采用封閉式光生物反應器培養(yǎng)。
[0006]與開放式光生物反應器相比，封閉式光生物反應器具有以下優(yōu)點:(I)無污染，能實現(xiàn)單種和純種培養(yǎng)；(2)培養(yǎng)條件易于控制；(3)培養(yǎng)密度高，易收獲；(4)適合于所有微藻的光自養(yǎng)培養(yǎng)，尤其適合于微藻代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)；(5)有較高的光照面積與培養(yǎng)體積之t匕，光能和二氧化碳利用率較高；等等。因此，近年來國內(nèi)外對微藻的封閉式光生物反應器培養(yǎng)的研制和開發(fā)利用較快，已實現(xiàn)了高密度商業(yè)化培養(yǎng)。
[0007]目前封閉式光生物反應器有:管道式、平板式、柱狀氣升式、攪拌式發(fā)酵罐、立式吊袋和浮式薄膜袋等。并且國內(nèi)外對微藻封閉式光生物反應器培養(yǎng)的研發(fā)，主要集中在反應器自身的設計和性能的優(yōu)化，在微藻培養(yǎng)工藝方面的研發(fā)卻很少。
[0008]CN201110112849.4公開了一種微藻養(yǎng)殖封閉式反應器，該反應器可呈多層三維立體，內(nèi)設循環(huán)隔板和環(huán)狀通道，采用亞克力透明膠或玻璃制作。該專利著重解決了三個方面的問題:光源全方位補充；使藻液循環(huán)流動更趨合理，同時補充藻類所需的CO2 ;解決了在最短時間內(nèi)維修、拆卸等方面的問題。
[0009]此外，CN200910047898.7公開一種曝氣式光生物反應器及其應用方法，結(jié)合了開放式和封閉式反應器的各自優(yōu)點；CN200920029774.1公開一種氣升式光生物反應器；CN201020282646.0公開一種多組鼓泡式光生物反應器；CN201110130733.3公開一種封閉式灌流式光生物反應器；CN200810039168.8公開一種氣推式光生物反應器。
[0010]在采用封閉式光生物反應器培養(yǎng)微藻時，通常向反應器中連續(xù)通入空氣和二氧化碳的混合氣體。這樣可使微藻培養(yǎng)液混合更均勻，以便使藻細胞得到充分的光照；同時還可提供微藻生長所需的二氧化碳；以及解析出微藻在光照期產(chǎn)生的氧氣，補充在微藻培養(yǎng)暗周期微藻呼吸作用所需的溶解氧。這樣雖然可以得到較大的微藻生物量，但也消耗了大量的動力能源，提高了微藻的生產(chǎn)成本。
[0011]可見,還需要開發(fā)一種新的微藻培養(yǎng)方式，以降低封閉式微藻培養(yǎng)的成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明旨在改進現(xiàn)有技術(shù)中的封閉式微藻培養(yǎng)方法，以降低能耗，降低微藻培養(yǎng)的成本。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)方案為一種暗周期間歇通氣的封閉式微藻培養(yǎng)方法，包括在微藻培養(yǎng)的光周期和暗周期期間向氣升式光生物反應器中通入氣體，其特征在于，在所述光周期采用連續(xù)通氣，并且在所述暗周期采用間歇通氣。
[0014]一些實施例中，每24小時的光暗周期內(nèi)，所述光周期的時間可以為10至14小時。
[0015]一些實施例中，所述通氣速率可以為0.1至0.Svv4Iiiin'
[0016]一些實施例中，所述光周期與所述暗周期期間，和/或所述連續(xù)通氣與所述間歇通氣可以具有相同或不同的通氣速率。
[0017]一些實施例中，每個暗周期的所述間歇通氣包括間歇性通氣I至9次，每次通氣時間為I至10分鐘。一些實施例中，所述間歇通氣可以包括以均勻時間間隔進行間歇性通氣。
[0018]一些實施例中，暗周期通入的所述氣體為空氣，光周期通入的所述氣體為二氧化碳與空氣的混合氣，并且混合氣中二氧化碳的體積百分數(shù)不高于3%。
[0019]本發(fā)明在微藻培養(yǎng)的暗周期采用間歇通氣方式，可達到近似連續(xù)通氣的培養(yǎng)結(jié)果，與現(xiàn)有技術(shù)的連續(xù)通氣相比，可以降低動力能耗，降低微藻的工業(yè)化培養(yǎng)成本。
【具體實施方式】
[0020]微藻的培養(yǎng)通常是在光暗周期中進行，一般為24小時的光暗周期中包括光周期和暗周期，即反應器有光照的時間和反應器無光照的時間。其中微藻在光周期進行光合作用，消耗二氧化碳產(chǎn)生氧氣；并且在暗周期進行呼吸作用，消耗培養(yǎng)水體中的溶解氧。
[0021]現(xiàn)有技術(shù)的微藻培養(yǎng)方法中，通常是在光周期和暗周期兩者期間，均采用持續(xù)通氣。光周期的持續(xù)通氣可以混合微藻培養(yǎng)液，以使藻細胞得到充分的光照；提供光周期微藻光合作用所需的二氧化碳；解析出微藻在光照期產(chǎn)生的氧氣。暗周期的持續(xù)通氣則可以補充在微藻呼吸作用所需的溶解氧。
[0022]然而事實上，在微藻培養(yǎng)的暗周期，微藻呼吸作用對溶解氧的消耗與光周期對二氧化碳的消耗程度存在差異，且暗周期也不需要持續(xù)混合微藻培養(yǎng)液。暗周期期間持續(xù)通氣造成了能耗的浪費?；诖?，本發(fā)明人研究了微藻在暗周期呼吸作用中對溶解氧的消耗規(guī)律，提出在微藻培養(yǎng)的暗周期采用間歇通氣方式，可以節(jié)約微藻培養(yǎng)的動力能耗。
[0023] 本發(fā)明的原理大體如下:即在暗周期期間當培養(yǎng)水體中的溶解氧被消耗時，啟動供氣設備向培養(yǎng)水體中通入空氣，使培養(yǎng)水體中的溶解氧得到補充；當培養(yǎng)水體中溶解氧補充至飽和時，停止供氣設備中斷空氣通入。
[0024]本發(fā)明的封閉式微藻培養(yǎng)方法中，在微藻培養(yǎng)期間采用差異化的通氣方式，向氣升式光生物反應器中通入氣體。即在所述微藻培養(yǎng)期間的光周期采用連續(xù)通氣，并且在暗周期采用間歇通氣。這樣，在光周期期間，持續(xù)通氣保證了微藻得到充分光照，二氧化碳得到持續(xù)補充，產(chǎn)生的氧氣能夠被解析出去；在暗周期期間，間歇通氣節(jié)省了動力能耗，且同時保證了微藻呼吸作用所需的溶解氧能夠及時充分地得到補充。
[0025]具體地，根據(jù)微藻對水體中溶解氧的消耗速率，每個暗周期期間可以間歇通氣I至9次，每次的通氣時間可以為I至10分鐘。這樣的間歇通氣方式使得暗周期水體中被消耗的氧得到補充。
[0026]例如可以利用曝氣管在反應器底部通氣。
[0027]暗周期通入的氣體為空氣，光周期通入的氣體為二氧化碳與空氣的混合氣，其中根據(jù)微藻的實際培養(yǎng)情況，混合氣中二氧化碳的濃度優(yōu)選在3%以下。通氣速率選擇在0.1至0.8vv_1min_1的范圍。這樣的通氣條件參數(shù)范圍能夠在節(jié)省能耗的同時,使得微藻呼吸所需的溶解氧、微藻光合作用所需的二氧化碳均得到及時充分的補充。
[0028]應理解，根據(jù)微藻的實際培養(yǎng)情況，光周期和暗周期期間的通氣速率可以相同也可以不同；并且間歇通氣與連續(xù)通氣時的通氣速率也可以相同，或不同。
[0029]本發(fā)明的微藻培養(yǎng)方法中，每24小時的光暗周期內(nèi)，所述光周期的時間可以為10至14小時，相應地暗周期的時間可以為14至10小時。
[0030]本發(fā)明的微藻培養(yǎng)方法適用條件較為寬泛，并且培養(yǎng)條件的具體選擇也根據(jù)具體實際情況而定。例如氣升式光生物反應器可以為其他形狀，并且可以具有更大或更小的容積；光照強度根據(jù)不同微藻的實際培養(yǎng)特性，可以在2000至200001x的范圍內(nèi)選擇；培養(yǎng)溫度可以在15至35°C的范圍內(nèi)選擇；根據(jù)微藻類型的不同，微藻培養(yǎng)的起始pH值可以為7至9。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的封閉式微藻培養(yǎng)方法，采用在暗周期間歇通氣，與現(xiàn)有技術(shù)常用的連續(xù)通氣培養(yǎng)方法相比，可降低通氣動力能耗約20%至40%。
[0032]可見，本發(fā)明的封閉式微藻培養(yǎng)方法中，根據(jù)培養(yǎng)水體中溶解氧的消耗情況，在暗周期期間采用歇性通氣方式，可以達到近似于現(xiàn)有技術(shù)中采用連續(xù)通氣的培養(yǎng)結(jié)果。這種間歇通氣培養(yǎng)方式可大大降低微藻培養(yǎng)的動力能耗，從而降低能源微藻的工業(yè)化培養(yǎng)成本，對促進微藻的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。
[0033]實施例
[0034]提供以下實施例以進一步詳細描述本發(fā)明。然而應理解，這些實施例僅是出于舉例說明的目的，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
[0035]為了便于對比，每個實施例中均使用4個相同的管式封閉光生物反應器，加入相同量的相同種類藻細胞，在相同的條件下以相同的培養(yǎng)步驟進行培養(yǎng)。其中2個采用現(xiàn)有技術(shù)的連續(xù)通氣方式；2個采用本發(fā)明的間歇通氣方式。培養(yǎng)至微藻生長對數(shù)末期(在本發(fā)明的實施例中為第8天)，對培養(yǎng)液分別進行藻細胞計數(shù)，獲得微藻生物量的積累情況。
[0036]具體地，使用800ml管式封閉光生物反應器，培養(yǎng)體積500ml，添加0.50ml f/2培養(yǎng)基。利用曝氣管在反應器底部通空氣-二氧化碳混合氣體。應理解，為了便于對比，實施中采用的培養(yǎng)條件僅為示例性的，本發(fā)明的方法還適用于其他培養(yǎng)條件。
[0037]實施例中使用的微藻為海洋湛江等鞭金藻藻種；培養(yǎng)基為海洋微藻通用培養(yǎng)基 f/2，其組成為:75mg/L NaNO3, 5mg/L NaH2PO4.H2O, 30mg/LNa2Si03.9H20, 3.9mg/LFeC6H5O7.5Η20，4.35mg/L Na2.EDTA，0.0010mg/LCuS04.5H20，0.0073mg/L Na2MoO4.2H20,
0.023mg/L ZnSO4.4H20，0.012mg/L CoCl2.6H20，0.178mg/L MnCl2.4H20，0.0Olmg/L 維生素B12，0.2mg/L維生素B1,0.0Olmg/L生物素。應理解，本發(fā)明的微藻培養(yǎng)方法也適合于其它種類的微藻，并且也可以使用其他培養(yǎng)基。
[0038]本發(fā)明采用間歇通氣的封閉式微藻培養(yǎng)方法的動力能源節(jié)約率(R)如下計算:動力能耗以總通氣時間(T)長短衡量，按單位微藻生物量(M)折算成平均動力能耗(P)，再與現(xiàn)有技術(shù)采用連續(xù)通氣的微藻培養(yǎng)方法的能耗進行比較。
[0039]具體地，在一個光暗周期中，T (總通氣時間)=T光酬(光周期通氣時間)+T暗周期(暗周期通氣時間)。因此，本發(fā)明的間歇通氣培養(yǎng)方法中Teme =每次通氣時間X通氣次數(shù)；現(xiàn)有技術(shù)的連續(xù)通氣培養(yǎng)方法中:T=1440min/d (即24小時連續(xù)通氣)。
[0040] P=T/M ；R=1 - (P間歇/P連續(xù))X 100%
[0041]實施例1
[0042]培養(yǎng)條件:培養(yǎng)液起始pH值7.0 ;光照強度4000±3001x ;培養(yǎng)溫度15土 1°C ；24小時光暗周期中光周期14小時,暗周期10小時；通氣速率0.lvv_1min_1 ;混合氣體中二氧化碳的體積百分數(shù)為0.03%。
[0043]培養(yǎng)液中初始藻細胞密度為600X IO4個/ml。間歇通氣方式:光周期連續(xù)通氣，暗周期第7h通氣I次,通氣時間為lOmin。對照樣光周期和暗周期均為連續(xù)通氣。
[0044]培養(yǎng)至第8天，對培養(yǎng)液進行藻細胞計數(shù)，連續(xù)通氣方式培養(yǎng)的藻細胞平均為2810X IO4個/ml，間歇性通氣方式培養(yǎng)的藻細胞密度平均為2350X IO4個/ml。
[0045]經(jīng)計算，與光周期和暗周期均為連續(xù)通氣的培養(yǎng)方式相比，該實施例的間歇性通氣方式的動力能源節(jié)約率為25.5%。
[0046]實施例2
[0047]培養(yǎng)條件:培養(yǎng)液起始pH值8.4 ;光照強度8000±3801x ;培養(yǎng)溫度25土 1°C ；24小時光暗周期中光周期12小時，暗周期12小時；通氣速率0.4vv^min^ ;混合氣體中二氧化碳的體積百分數(shù)為2%。
[0048]培養(yǎng)液中初始藻細胞密度為598X IO4個/ml。間歇通氣方式:光周期連續(xù)通氣，暗周期第2、4、6、8、10小時各通氣I次，每次通氣時間為5min。對照樣光周期和暗周期均為連
續(xù)通氣。
[0049]培養(yǎng)至第8天，對培養(yǎng)液進行藻細胞計數(shù)，連續(xù)通氣方式培養(yǎng)的藻細胞平均為3218X IO4個/ml，間歇性通氣方式培養(yǎng)的藻細胞密度平均為2981 X IO4個/ml。
[0050]經(jīng)計算，與光周期和暗周期均為連續(xù)通氣的培養(yǎng)方式相比，該實施例的間歇性通氣方式的動力能源節(jié)約率為43.1%。
[0051]實施例3
[0052]培養(yǎng)條件:培養(yǎng)液起始pH值8.4 ;光照強度6500±3201x ;培養(yǎng)溫度為20±1°C;24小時光暗周期中光周期14小時，暗周期10小時；通氣速率0.2vv^min^ ;混合氣體中二氧化碳的體積百分數(shù)為1.0%。[0053]培養(yǎng)液中初始藻細胞密度為612X IO4個/ml。間歇通氣方式:光周期連續(xù)通氣，暗周期均勻間隔通氣3次，每次通氣時間為7min。對照樣光周期和暗周期均為連續(xù)通氣。
[0054]培養(yǎng)至第8天，對培養(yǎng)液進行藻細胞計數(shù)，連續(xù)通氣方式培養(yǎng)的藻細胞平均為3310X IO4個/ml，間歇性通氣方式培養(yǎng)的藻細胞密度平均為3021 X IO4個/ml。
[0055]經(jīng)計算，與光周期和暗周期均為連續(xù)通氣的培養(yǎng)方式相比，該實施例的間歇性通氣方式的動力能源節(jié)約率為30.0%。
[0056]實施例4
[0057]培養(yǎng)條件:培養(yǎng)液起始pH值9.0 ;光照強度20000±6601x ;培養(yǎng)溫度為35±1°C ；24小時光暗周期中光周期10小時，暗周期14小時；通氣速率0.8vv^min^ ;混合氣體中二氧化碳的體積百分數(shù)為3.0%。
[0058]培養(yǎng)液中初始藻細胞密度為604X IO4個/ml。間歇通氣方式:光周期連續(xù)通氣，暗周期均勻間隔通氣9次，每次通氣時間為lmin。對照樣光周期和暗周期均為連續(xù)通氣。
[0059]培養(yǎng)至第8天，對培養(yǎng)液進行藻細胞計數(shù)，連續(xù)通氣方式培養(yǎng)的藻細胞平均為2480X IO4個/ml，間歇性通氣方式培養(yǎng)的藻細胞密度平均為1750X IO4個/ml。
[0060]經(jīng)計算，與光周期和暗周期均為連續(xù)通氣的培養(yǎng)方式相比，該實施例的間歇性通氣方式的動力能源節(jié)約率為30.8%。
[0061]實施例5
[0062]培養(yǎng)條件:培養(yǎng)液起始pH值8.4 ;光照強度15000 ±5101x ;培養(yǎng)溫度為30±1°C ;24小時光暗周期中光周期10小時，暗周期14小時；通氣速率0.6vv^min^ ;混合氣體中二氧化碳的體積百分數(shù)為2.5%。
[0063]培養(yǎng)液中初始藻細胞密度為603X IO4個/ml。間歇通氣方式:光周期連續(xù)通氣，暗周期均勻間隔通氣7次，每次通氣時間為3min。對照樣光周期和暗周期均為連續(xù)通氣。
[0064]培養(yǎng)至第8天，對培養(yǎng)液進行藻細胞計數(shù)，連續(xù)通氣方式培養(yǎng)的藻細胞平均為3110X IO4個/ml，間歇性通氣方式培養(yǎng)的藻細胞密度平均為2310X IO4個/ml。
[0065]經(jīng)計算，與光周期和暗周期均為連續(xù)通氣的培養(yǎng)方式相比，該實施例的間歇性通氣方式的動力能源節(jié)約率為36.7%。
[0066] 以上所述本發(fā)明的【具體實施方式】，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思所作出的各種其他相應的改變與變形，均應包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種暗周期間歇通氣的封閉式微藻培養(yǎng)方法，包括在微藻培養(yǎng)的光周期和暗周期期間向氣升式光生物反應器中通入氣體，其特征在于，在所述光周期采用連續(xù)通氣，并且在所述暗周期采用間歇通氣。
2.如權(quán)利要求1所述的封閉式微藻培養(yǎng)方法，其中，每24小時的光暗周期內(nèi)，所述光周期的時間為10至14小時。
3.如權(quán)利要求1所述的封閉式微藻培養(yǎng)方法，其中，所述通氣速率為0.1至0.Svv-1Iiiirf10
4.如權(quán)利要求1所述的封閉式微藻培養(yǎng)方法，其中，所述光周期與所述暗周期期間，和/或所述連續(xù)通氣與所述間歇通氣具有相同或不同的通氣速率。
5.如權(quán)利要求1所述的封閉式微藻培養(yǎng)方法，其中，每個暗周期的所述間歇通氣包括間歇性通氣I至9次，每次通氣時間為I至10分鐘。
6.如權(quán)利要求5所述的封閉式微藻培養(yǎng)方法，其中，所述間歇通氣包括以均勻時間間隔進行間歇性通氣。
7.如權(quán)利要求 1所述的封閉式微藻培養(yǎng)方法，其中，暗周期通入的所述氣體為空氣，光周期通入的所述氣體為二氧化碳與空氣的混合氣，并且混合氣中二氧化碳的體積百分數(shù)不聞于3%。
【文檔編號】C12N1/12GK103911290SQ201410157584
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】李旭, 章表明, 朱希坤, 李海龍, 王大志, 孫鴻曼 申請人:沈陽化工研究院有限公司