專利名稱：一種基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及微藻培養領域，具體地，本發明涉及一種基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法及裝置。
背景技術：
微藻能夠利用CO2、光、水及營養鹽進行光合作用合成有機物質并放出氧氣。微藻細胞富含蛋白質、碳水化合物、脂類以及色素等，在食品、飼料、醫藥、精細化工及染料領域已得到廣泛的應用。隨著石油等能源的日益枯竭，利用微藻產氫、制油、煉制烯烴的新能源技術引起了人們高度重視。低成本、規模化培養是實現微藻產業化的關鍵技術。降低微藻生產成本主要有兩種途徑，一是降低培養原材料成本，另外一種是提高產量。在微藻培養中，營養鹽成本占原料成本的比重很大，采取適當的營養鹽控制策略，能夠在提高營養鹽利用率的同時提高細胞或目的產物的產量，有效降低微藻培養成本。目前，微藻培養的工藝還比較粗放，普遍存在單位面積產量低及質量不穩定等問題。部分工廠采用了一 些自動控制設備可以實現pH、溫度等常規參數的監測。在微藻培養過程中，營養鹽(主要為氮源及磷源)濃度的高低是影響微藻生長及細胞組分的重要因素。培養基中一次性加入過多的營養鹽會對微藻的生長產生抑制和毒害作用(Effectsof increased atmospheric CO2 and N supply on photosynthesis, growth and cellcomposition of the cyanobacterium Spirulina platensis (Arthrospira).J.App1.Phycol.，1998，10:461 469 ；Review of nitrogen and phosphorus metabolism inseagrasses.J.Exp.Mar.Biol.Ecol.2000，250: 133 167)，而某些營養鹽缺失將限制微藻的生長，同時改變藻的細胞組分，如對于某些微藻氮源或磷源的缺乏會導致藻生長停止，促進藻細胞總月旨(Effect of nitrogen, salt，and iron content in the growthmedium and light intensityon lipid production by microalgae isolated fromfrenshwater sources in Thailand.Bioresource Techno1.,2011,102:3043 3040)或總碳水化合物(Kinetics and energetics of photosynthetic micro-organisms inphotobioreactors.Bioprocess and Algae Reactor Technology，Apoptosis 1998，153 224 ；Nutrient limitation as a strategy for increasing starch accumulation inmicroalgae，Appl.Energ.，2011，88:3331 3335)的累積。因此，在微藻培養過程中，控制培養基中的營養鹽水平十分必要。目前，在微藻培養中一般釆用半連續的培養模式，即在培養過程中藻細胞達到一定的濃度后，收獲一定量藻細胞，在培養基中添加一定量的營養鹽繼續培養；或者廢棄一部分培養基，釆用新鮮培養基替代廢棄的培養基。在現有的培養模式中，營養鹽補加主要是靠人工經驗調節或者按照事先設定的程序進行操作，不能真實反映培養過程中營養鹽濃度的變化；或者離線測定培養基中的營養鹽濃度再進行補加，操作繁瑣，控制滯后。
由于微藻培養過程的多變性，培養批次之間有所差異，而常用的氮源(硝酸鹽、尿素及銨鹽)、磷源(磷酸及磷酸氫鹽)、鎂等難以直接在線監測，難以實時地確切知道培養過程中營養鹽濃度的實際變化，所以采用直接反饋控制營養鹽的濃度難以實現。

發明內容
本發明的目的在于克服現有微藻培養中營養鹽補加具有盲目性、影響生產控制及產量低的缺陷，提供了一種基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法，提供一種通過監測培養過程中培養液在某個波長的光密度(optical density, 0D)變化，利用OD反饋控制營養鹽的補加，從而簡化生產工藝，提高藻生物量或者產物(總脂、蛋白、多糖等)含量的反饋補料培養微藻的方法。本發明的再一目的在于為了克服上述問題，提供了一種基于光密度反饋控制補加
營養鹽培養微藻的裝置。根據本發明的基于 光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法，所述方法中通過公式(I)計算營養鹽流加液的添加量，
權利要求
1.一種基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法，其特征在于，所述方法中通過公式(I)計算營養鹽流加液的添加量，
2.根據權利要求1所述的基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法，其特征在于，通過常規培養方法對微藻進行培養，測定藻液生物量濃度與光密度OD值的關系曲線得到光密度OD值的增量與藻細胞增量間的換算系數α，通過測定藻液的生物量濃度與營養鹽消耗的關系曲線得到藻細胞增量與營養鹽消耗量之間的比例系數β。
3.根據權利要求1或2所述的基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法，其特征在于，所述預先設定培養液的光密度OD值的增量為0.1 1.0 ;或者 所述的預先設定光密度OD值的檢測時間間隔為I 24小時。
4.根據權利要求1或2所述的基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法，其特征在于，所述微藻選自藍藻門、綠藻門、金藻門和紅藻門。
5.根據權利要求4所述的基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法，其特征在于，所述微藻選自藍藻門的螺旋藻、綠藻門的小球藻、柵藻、金藻門的金藻、三角褐指藻、擬微球藻和紅藻門的紫球藻；所述微藻培養基為Zarrouk培養基、BG-1I培養基、f/2培養基、Provasoli培養基、BBM培養基； 所述的營養鹽流加液中的營養鹽包括氮源、磷源、鎂源、鉀源、鐵源和鈣源中的一種或者幾種。
6.根據權利要求5所述的基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法，其特征在于， 所述的氮源包括硝酸鹽、銨鹽和尿素中的一種或多種； 所述的磷源包括磷酸氫鹽和/或磷酸； 所述的鎂源包括硫酸鎂和/或磷氯化鎂； 所述的鉀源包括硫酸鉀和/或磷氯化鉀； 所述的鐵源包括硫酸亞鐵的EDTA絡合物； 所述的鈣源包括氯化鈣或硫酸鈣； 所述的營養鹽流加液中的氮源的濃度為0.01 5mol/L，磷源的濃度為0.001 0.5mol/L，鎂、鉀、鐵、鈣源的濃度為0.0005 0.lmol/L。
7.一種基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的裝置，所述裝置包括微藻培養器(5)以及營養鹽流加液貯罐(3)，其特征在于，所述裝置還包括光密度傳感器(I)、控制器(2)和執行機構⑷， 其中，所述光密度傳感器(I)與控制器(2)之間通過電纜或者無線聯接，將光密度傳感器(I)獲得的OD測定值傳送給控制器(2); 控制器(2)的信號輸出口與執行機構(4)的信號輸入口通過電纜或者無線聯接，營養鹽流加液貯罐(3)與執行機構(4)的輸入口通過管道連通，執行機構(4)的輸出口與微藻培養器(5)輸入口通過管道連通； 控制器(2)根據公式(I)計算營養鹽流加液的添加量，并根據計算所得的營養鹽流加液的添加量向執行機構(4)發出指令，執行機構(4)收到指令后經營養鹽流加液貯罐(3)進行營養鹽流加液的添加
8.根據權利要求7所述的基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的裝置，其特征在于，所述執行機構(4)的輸出口與微藻培養器(5)輸入口的管道上設有閥門、過濾器及流量計。
9.根據權利要求7所述的基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的裝置，其特征在于，所述執行機構(4)為執行控制器(2)的指令、調節并計量營養鹽流加量的流體輸送裝置。
10.根據權利要求9所述的基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的裝置，其特征在于，所述流體輸送裝置為兩位、多位或連續調節開度的計量泵或蠕動泵。
11.根據權利要求7所述的基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的裝置，其特征在于，所述微藻培養器(5) 包括開放式培養池和密閉式光生物反應器,其中，開放式培養池包括跑道池和圓形淺池；所述密閉式光生物反應器包括管道式光生物反應器、平板式光生物反應器和圓柱型光生物反應器。
全文摘要
本發明涉及微藻培養領域，具體地，本發明涉及一種基于光密度反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法及裝置。所述方法中通過公式(I)計算營養鹽流加液的添加量，其中，α(g/L)為光密度OD值的增量與微藻細胞增量間的換算系數，即ΔX＝αΔOD，β(mol/g)為藻細胞增量與營養鹽消耗量之間的比例系數，ΔOD為培養液光密度OD值的增量，預先設定培養液的光密度OD值的增量，當培養液的光密度增量達到設定值后，采用公式(I)計算營養鹽流加液的添加量，或者，設定檢測光密度OD值的時間間隔，檢測所述時間間隔內培養液光密度OD值的增量，根據測得的光密度OD值的增量采用公式(I)計算并添加營養鹽流加液。本發明能更準確地控制營養鹽的添加量。
文檔編號C12M1/34GK103103131SQ20111035656
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月11日 優先權日2011年11月11日
發明者叢威, 鮑亦璐, 張東梅, 溫樹梅, 劉明 申請人:中國科學院過程工程研究所