專利名稱：螺旋藻培養(yǎng)中碳源和pH值的調(diào)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于螺旋藻培養(yǎng)的方法，更具體涉及一種螺旋藻培養(yǎng)中利用碳源和PH值的調(diào)控方法。
目前，國內(nèi)外用于螺旋藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器有封閉型和開放型兩種。封閉型的主要有水平管道式、垂直管道式、袋式、塔式光生物反應(yīng)器。開放型的主要是循環(huán)跑道式培養(yǎng)池。封閉型的培養(yǎng)方法多用于實(shí)驗(yàn)室和小型的室外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，所有的螺旋藻工廠均利用循環(huán)跑道式培養(yǎng)池養(yǎng)殖螺旋藻。無論是封閉型的培養(yǎng)，還是開放型的培養(yǎng)，欲達(dá)到長期連續(xù)培養(yǎng)的目的，都面臨著一個(gè)共同的同題，那就是碳源和PH值的調(diào)控同題。在螺旋藻培養(yǎng)過程中，培養(yǎng)液PH值不斷升高。主要是因?yàn)槁菪暹M(jìn)行光合作用時(shí)從培養(yǎng)液中吸收利用碳源。螺旋藻是一種耐堿性的生物，適宜的堿性對(duì)其生長繁殖有利，但PH值太高又會(huì)對(duì)生長繁殖產(chǎn)生不利影響，甚至導(dǎo)致培養(yǎng)的失敗?？刂婆囵B(yǎng)液的PH值，是連續(xù)培養(yǎng)螺旋藻的一個(gè)關(guān)鍵。
培養(yǎng)螺旋藻普遍使用的碳源是NaHCO3，培養(yǎng)螺旋藻，NaHCO3的消耗是原材料成本的主要部分，Zarrouk培養(yǎng)基中，NaHCO3的費(fèi)用占全部藥品費(fèi)用的60％以上?？茖W(xué)合理地進(jìn)行碳源調(diào)控，對(duì)于降低原材料成本有舉足輕重的作用。用CO2做碳源與NaHCO3相比，不僅可以有效地補(bǔ)給碳源，而且可以大幅度地降低碳源成本。因此，盡管技術(shù)上比較復(fù)雜，但國內(nèi)外也有一些生產(chǎn)廠家大量使用CO2。七、八十年代，螺旋藻產(chǎn)業(yè)在國外蓬勃發(fā)展的時(shí)候，如何向培液中添加CO2曾被當(dāng)作一個(gè)工程技術(shù)問題來進(jìn)行研究，當(dāng)時(shí)研究的重點(diǎn)在于如何提高CO2的添加效率，而不是從碳源代謝的角度來研究在培養(yǎng)過程中如何進(jìn)行碳源的調(diào)控。九十年代以來，國內(nèi)的螺旋藻產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模已居國際前列。同時(shí)，不少關(guān)于螺旋藻培養(yǎng)技術(shù)的研究論文被報(bào)道，有的研究結(jié)果申請(qǐng)了專利，在專利申請(qǐng)中涉及到了CO2為碳源，但沒有涉及以碳源代謝為基礎(chǔ)的碳源和PH值調(diào)控方法。經(jīng)檢索中國專利，專利申請(qǐng)?zhí)枮?311924.3,CN1098246A，發(fā)明名稱為“螺旋藻生產(chǎn)的新方法及其裝置”，該發(fā)明首先在接種配料池內(nèi)配好培養(yǎng)液并接上藻種，打開閥門管道上的閥門，將帶藻種的培養(yǎng)液輸入主培養(yǎng)池中的培養(yǎng)溝內(nèi)；待培養(yǎng)液中的藻體密度達(dá)到0.05-0.2克/升干藻體時(shí)，便可進(jìn)行采收；采收時(shí)，在斜向隔壁缺口處，裝上50-300目的過濾網(wǎng)，在斜窄溝內(nèi)橫向裝上除渣網(wǎng)，在斜窄溝末端裝上50-300目的末端過濾網(wǎng)，末端過濾網(wǎng)與培養(yǎng)溝順流方向底面成30-60度的夾角。這時(shí)，培養(yǎng)液流動(dòng)受阻，液面自然上升，未成熟的幼藻體仍可經(jīng)斜向隔壁缺口上的過濾網(wǎng)孔，流回培養(yǎng)溝內(nèi)。而成熟體大的藻體則被網(wǎng)阻攔，打開排放口上的排放閘，成熟的大藻體通過除渣網(wǎng)除渣后，流出排放口，經(jīng)過水槽流入清洗槽內(nèi)，立即打開自來水管，用噴霧狀的水滴清洗藻體；將洗凈的藻體流入離心機(jī)中除去部份水份，再通過壓力噴霧干燥機(jī)干燥，獲得干藻粉；連續(xù)采收四天后，經(jīng)接種配料池，分別按比例劑量將各種營養(yǎng)物質(zhì)流加入培養(yǎng)池中，用以保證培養(yǎng)液中的藻體能得到充足的養(yǎng)料；當(dāng)螺旋藻培養(yǎng)液PH值升到11時(shí)，需通過二氧化碳通氣主管道和倒丁型支管，向培養(yǎng)液中補(bǔ)加二氧化碳，使培養(yǎng)液的PH值保持在9-11的范圍，除用二氧化碳代替大部分碳酸鹽外，還可用氨態(tài)氮代替硝銨態(tài)氮。中國專利申請(qǐng)?zhí)枮?3117345.0,CZ1089991A，發(fā)明名稱為“螺旋藻的封閉式培養(yǎng)方法及裝置”發(fā)明的主要內(nèi)容是將藻種培養(yǎng)液置入封閉循環(huán)式立式管道培養(yǎng)槽內(nèi)，鼓風(fēng)機(jī)通過供氣管道和培養(yǎng)槽底部的散氣再向槽內(nèi)通入CO2的混合空氣，氣養(yǎng)原理促使藻液攪動(dòng)和循環(huán)流動(dòng)；運(yùn)用測試和控制裝置完成培養(yǎng)液供應(yīng)、二氧化碳?xì)怏w的混合比、光照和溫度調(diào)節(jié)；然后，通過藻液采收和培養(yǎng)液回收分離采收藻泥和回收培養(yǎng)液；藻泥經(jīng)清洗及干燥后形成藻粉或被提煉成各種成品，形成一個(gè)連續(xù)培養(yǎng)，連續(xù)采收的工廠化大量生產(chǎn)過程。上述幾種專利申請(qǐng)，沒有涉及以碳源代謝為基礎(chǔ)的碳源和PH值調(diào)控方法，沒有對(duì)使用CO2為碳源的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行描述。例如碳源利用率是多少？也沒有對(duì)向培養(yǎng)液中補(bǔ)充CO2裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行定量的描述，再如，CO2氣體是通過多大孔徑的出口通入培養(yǎng)液中？更沒有實(shí)際使用CO2所達(dá)到的效果的定量描述，例如，所提供的CO2有多少被螺旋藻吸收利用？上述專利申請(qǐng)中涉及到向培養(yǎng)液中補(bǔ)充CO2使培養(yǎng)液的PH值保持在9.0-11.0范圍的內(nèi)容，其目的主要是為了調(diào)節(jié)培養(yǎng)液PH值，沒有明確指出補(bǔ)加CO2保持培養(yǎng)PH值與碳源控制的關(guān)系，更沒有描述PH值調(diào)控與碳源調(diào)控?cái)?shù)量上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。并且，提供的9.0-11.0的PH值調(diào)控范圍，僅是螺旋藻可以生長的范圍，超出了螺旋藻繁殖的最適PH值范圍。在實(shí)際使用過程中會(huì)出現(xiàn)PH值低時(shí)碳源浪費(fèi)，PH值高時(shí)沉淀增多的問題。到目前為止螺旋藻培養(yǎng)中碳源和PH值精確調(diào)控的問題一直沒有得到圓滿的解決，國內(nèi)螺旋藻廠家生產(chǎn)過程中的碳源和PH值調(diào)控基本停留在經(jīng)驗(yàn)型的管理水平上。
本發(fā)明的目的是提供了一種螺旋藻培養(yǎng)中碳源和PH值的調(diào)控方法，利用微孔塑料管向培養(yǎng)液中添加碳源，解決了精確用量、調(diào)控精度高、快速繁殖的問題。
為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路是在螺旋藻培養(yǎng)液中存在著著三種碳源形式相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)平衡K1、K2是化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)，當(dāng)濃度采用mol/L時(shí)，K1=4.3×10-7K2=5.6×10-11當(dāng)反應(yīng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，C02、HCO3-、CO32-三者的濃度(分別用〔CO2〕，〔HCO3-〕，〔CO32-〕表示)滿足于下列數(shù)量關(guān)系
由于螺旋藻培養(yǎng)液中碳源濃度很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它所有營養(yǎng)成分濃度的總和，所以，三種形式碳源形成的緩沖系統(tǒng)決定著培養(yǎng)液的PH值，三種碳源形成相互轉(zhuǎn)化的平衡移動(dòng)，決定著培養(yǎng)液PH值的變化。
1、利用NaHCO3碳源的情況，通過試驗(yàn)表明，螺旋藻光合作用吸收利用碳源使PH值升高，當(dāng)碳源利用率(已被利用的碳源占碳源總量的百分比)分別達(dá)到14.5％、24.3％、35.7％、40％、46.8％、50.4％時(shí)，培養(yǎng)液的PH值分別上升到9.5、10.0、10.3、10.5、11.0、12.0，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系在一定范圍內(nèi)與碳源的總量無關(guān)，與碳源的加入時(shí)間無關(guān)，也就是說無論一次加入碳源，還是分批加入，在PH值為10.3時(shí)，碳源利用率總是35.7％，PH值為10.5時(shí)，碳源利用率總是40％。
以上結(jié)果說明在螺旋藻培養(yǎng)過程中，碳源代謝和PH值變化是培養(yǎng)液中同一化學(xué)過程的兩個(gè)方面，碳源利用率與PH值變化的本質(zhì)聯(lián)系，特別是數(shù)量上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為碳源和PH值調(diào)控提供了依據(jù)①以NaHCO3為碳源，有多少碳源能被吸收利用，是由培養(yǎng)系統(tǒng)的特性所決定的，在一定的PH值條件下，不能通過碳源添加方式(時(shí)間和數(shù)量)加以改變；②通過向培養(yǎng)液中添加NaHCO3，將PH值控制在某一數(shù)值(范圍)，只要這一PH值(范圍)在生產(chǎn)工藝所要求的最適范圍內(nèi)，所添加的NaHCO3也正好是實(shí)際需要的碳源的量，不多也不少。
2、利用CO2為碳源的情況，通過試驗(yàn)表明，利用CO2為碳源培養(yǎng)螺旋藻，螺旋藻光合作用吸收利用碳源，培養(yǎng)液PH值升高，向培養(yǎng)液中添加CO2PH值降低，利用CO2將培養(yǎng)液PH值控制在某一數(shù)值(范圍)，添加的CO2(指培養(yǎng)液吸收的CO2，而不是供給的CO2總量)正好等于被螺旋藻吸收利用的CO2的量，碳源利用率不與PH值對(duì)應(yīng)，無論P(yáng)H值是多少，只要保持穩(wěn)定，碳源利用率都是100％。
以上結(jié)果為利用CO2調(diào)控碳源提供了依據(jù)只要控制PH值不變，培養(yǎng)液中的碳源總量就不增加也不減少，添加的CO2的量正是所需要的CO2的量。
為了達(dá)到精確定量地調(diào)控碳源和PH值的目的，確定培養(yǎng)過程中控制PH值的范圍，PH值10.0-10.3，這是螺旋藻的最適PH值范圍；定期監(jiān)測培養(yǎng)液PH值，每天一次或兩次，當(dāng)PH值接近或達(dá)到10.3時(shí)，向培養(yǎng)液中添加NaHCO3或CO2，將PH值降低。在培養(yǎng)過程中，如此反復(fù)操作，將PH值控制在10.0-10.3的范圍內(nèi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳源和PH值的調(diào)控。在以NaHCO3為碳源的情況下，可以直接將NaHCO3加入培養(yǎng)池；或先將NaHCO3用水溶解，形成溶液，然后將NaHCO3溶液加入培養(yǎng)液。在以CO2為碳源的情況下，利用管壁上帶有40-50μ直徑微孔管道向培養(yǎng)液中添加CO2，CO2通過管壁上的微孔在培養(yǎng)液中形成氣泡，氣泡在上升過程中，CO2被培養(yǎng)液吸收，為了提高培養(yǎng)液吸收CO2的效率，充氣的塑料微孔管道被貼近池底放置。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果1、精確定量，實(shí)現(xiàn)了碳源的定量調(diào)控，所添加的碳源幾乎等于所需要的碳源的置，既滿足了螺旋藻生長繁殖對(duì)碳源的需要，又不會(huì)因過量添加碳源而造成浪費(fèi)；2、經(jīng)濟(jì)高效，利用NaHCO3調(diào)控碳源和PH值，碳源利用率35％，利用CO2調(diào)控碳源和PH值，碳源利用率72％；3、簡便易行只要監(jiān)測一個(gè)技術(shù)參數(shù)--PH值，就可以同時(shí)對(duì)碳源和PH值進(jìn)行調(diào)控，所需儀器設(shè)備簡單，任何螺旋藻生產(chǎn)廠家都可能具備；4、PH值調(diào)控精度高，PH值被調(diào)控在螺旋藻的最適范圍內(nèi)(PH10.0-10.3)，而不僅僅是螺旋藻可以生長的范圍。精確的PH值調(diào)控更有利于螺旋藻的快速生長繁殖，避免了PH值較低(≤9.6)時(shí)培養(yǎng)液向空氣中釋放CO2而造成碳源的浪費(fèi)，避免了PH值較高時(shí)培養(yǎng)中沉淀的生成，減少了因生成沉淀而造成的營養(yǎng)成分的浪費(fèi)，同時(shí)，因減少了沉淀而提高了產(chǎn)品質(zhì)量。適用于螺旋藻的工廠化生產(chǎn)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
實(shí)施例1測得螺旋藻培養(yǎng)液的PH值達(dá)到或接近10.30，取NaHCO3，直接加入培養(yǎng)液中，將PH值降低到或接近10.0，所需NaHCO3的量由培養(yǎng)液的總量和培養(yǎng)液中碳源的濃度決定，對(duì)于一定體積的培養(yǎng)液，培養(yǎng)液的初始碳源濃度越大，將PH值由10.3降到10.0所需要加入的NaHCO3越多，反之，需要的NaHCO3越少。隨著培養(yǎng)過程的進(jìn)行，PH值上升又接近10.3，再取NaHCO3加入培養(yǎng)液中，將PH值降到10.0，在整個(gè)培養(yǎng)過程中，如此反復(fù)多次，將PH值控制在10.0-10.3，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了PH值和碳源的調(diào)控。
實(shí)施例2測得螺旋藻培養(yǎng)液的PH值達(dá)到或接近10.3，利用塑料微孔管將CO2通入培養(yǎng)液中。塑料微孔管置于培養(yǎng)池底部，利用置于培養(yǎng)池底部的塑料微孔管向培養(yǎng)液中添加CO2，塑料微孔管壁上有40-50μ微孔，將PH值降低或接近10.0，所需的CO2的量由培養(yǎng)液的總量和培養(yǎng)液中碳源的濃度決定，對(duì)于一定體積的培養(yǎng)液，培養(yǎng)液的初始碳源濃度越大，將PH值由10.30降到10.0所需要加入的CO2越多，反之，需要的CO2越少。隨著培養(yǎng)過程的進(jìn)行，PH上升又接近10.3，再利用塑料微孔管向培養(yǎng)液中通入CO2，將PH值降到10.0，在整個(gè)培養(yǎng)過程中，反復(fù)多次，將PH值控制在10.0-10.3，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了PH值和碳源的調(diào)控。
權(quán)利要求
1.一種螺旋藻培養(yǎng)中碳源和PH值的調(diào)控方法，其特征是測得螺旋藻培養(yǎng)的PH值達(dá)到10.3，向培養(yǎng)液中添加NaHCO3或CO2，將PH值控制在10.0-10.3，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)碳源和PH值的調(diào)控。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種螺旋藻培養(yǎng)中碳源和PH值的調(diào)控方法，其特征是以NaHCO3為碳源，將NaHCO3用水溶解，形成溶液，再將NaHCO3溶液加入培養(yǎng)液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種螺旋藻培養(yǎng)中碳源和PH值的調(diào)控方法，其特征是以CO2為碳源，將塑料微孔管置于培養(yǎng)池底部，利用置于培養(yǎng)池底部的塑料微孔管向培養(yǎng)液中添加CO2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種螺旋藻培養(yǎng)中碳源和PH值的調(diào)控方法，其特征是塑料微孔管壁上有40-50μ微孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種螺旋藻培養(yǎng)中碳源和pH值的調(diào)控方法,其特征是測得螺旋藻培養(yǎng)的pH值達(dá)到10.3,向培養(yǎng)液中添加NaHCO
文檔編號(hào)C12N1/12GK1218831SQ98113618
公開日1999年6月9日 申請(qǐng)日期1998年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月2日
發(fā)明者李夜光, 胡鴻鈞, 李中奎 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院武漢植物研究所