專利名稱：一種基于pH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PH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蛋白質、碳水化合物、脂類以及色素等有機物質，在食品、飼料、醫藥、精細化工及染料領域已得到廣泛的應用。近年來， 隨著石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，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。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。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 (Effects of increased atmospheric CO2 and N supply on photosynthesis, growth and cell composition of the cyanobacterium Spirulina platensis(Arthrospira). J.Appl. Phycol. , 1998,10 461 ~ 469 ；Review of nitrogen and phosphorus metabolism in seagrasses. 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，同時改變微藻的細胞組分，如對于某些微藻氮源、磷源缺乏會促進藻細胞總脂、總碳水化合物或胡蘿卜素的累積(Effect of nitrogen, salt，md iron content in the growth medium and light intensity on lipid production by microalgae isolated from freshwater sources in Thailand. Bioresource Technol.，2011， 102 :3043 3040 ；Nutrient limitation as a strategy for increasing starch accumulation in microalgae· Appl· Energ·，2011，88 :3331 3335)。因此，在微藻培養過程中，控制培養體系的營養鹽濃度十分必要。目前，微藻培養工藝還比較粗放，一些微藻生產企業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或控制，但是在營養鹽的控制方面，生產上更多采用的是靠人工經驗補加營養鹽，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。同時，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。在微藻培養體系的營養鹽濃度控制方面，已有一些流加補料技術(如恒速流加、 指數流力口、變速流力口等)(Effects of carbon dioxide feeding rate and light intensity on thefed-batch pulse-feeding cultivation of Spirulina platensis in helical photobioreactor. Biochem. Eng. J. ,2008,39(2) :369 375 ；Continuous and pulse feeding of urea as a nitrogen source in fed-batch cultivation of Spirulinaplatensis. Aquacult. Eng.，2004，31 :237 245)用于微藻培養體系的營養鹽濃度控制。 雖然這些流加補料技術能夠在一定程度上控制培養體系的營養鹽的濃度，提高目的產物產量，但是這些流加補料技術都是以培養時間為依據的前饋控制補料，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。另一方面，微藻的生長要消耗CO2,向培養液中添加適量的(X)2是提高培養密度的有效手段，而在微藻培養中維持一定的PH值有利于微藻的正常生長和代謝。當微藻培養體系的PH值過高或者過低時，微藻會停止生長甚至死亡(Influence of temperature and pH on biomass production and protein biosynthesis in a putative Spirulina sp. Bioresource Technol.，2007，98 :2207 2211)。由于微藻培養體系的 pH 值與(X)2 的添加密切相關，已有專利通過PH反饋補加(X)2作為碳源培養微藻的同時實現培養體系的pH 值調控(CN200410009360. 4, CN200510126465. 2)，但是不能實現營養鹽的實時監控和添加。

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，在已有的基于PH反饋補加CO2培養微藻的方法基礎上，提供一種基于pH 反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法通過PH反饋補加(X)2使培養體系的pH值維持在一定值(設定值)附近，計量培養體系的CO2補加量，利用CO2補加量控制營養鹽的補加，從而簡化生產工藝，同時實現培養體系PH值、碳源、營養鹽控制，提高藻生物量或產物(總脂、蛋白、多糖等)含量。本發明的再一目的在于為了克服上述問題，提供一種基于PH反饋控制補加營養鹽培養微藻的裝置。根據本發明所述基于PH反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法，該方法通過pH反饋補加C02，使培養體系的PH值維持在設定值附近，一般培養體系的PH值在設定值附近的波動幅度可以為士0. 1 士0.5，計量培養體系的CO2補加量，并利用CO2補加量與營養鹽消耗量之間的關系，控制營養鹽的補加。作為本發明的一種優選實現方案，所述方法中通過公式(I)計算營養鹽流加液的添加量，營養鹽流加液添加量(L)=流量(L/min) X流加時間(min)
權利要求
1.一種基于PH反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法，該方法通過PH反饋補加CO2,使培養體系的PH值維持在設定值，計量培養體系的(X)2補加量，并利用(X)2補加量與營養鹽消耗量之間的關系，控制營養鹽的補加。
2.根據權利要求1所述的基于PH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，營養鹽流加液添加量(L)= ^^xACQ2Cmo/)_流加液濃度、molID(υ其中，α為營養鹽消耗量與CO2補加量之間的換算系數，Δ CO2為培養體系的CO2補加量，預先設定培養體系營養鹽補料間隔的CO2補加量，當培養體系的CO2補加量達到設定值時，采用公式(I)計算營養鹽流加液的添加量并實施添加；或者預先設定培養體系營養鹽補料間隔時間，計量間隔時間內培養體系的CO2補加量，根據間隔時間內的CO2補加量采用公式(I)計算營養鹽流加液的添加量并實施添加。
3.根據權利要求2所述的基于ρΗ反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法，其特征在于， 采用常規培養方法對微藻進行培養，測定微藻培養過程中培養體系的(X)2補加量和營養鹽消耗量的關系曲線得到營養鹽消耗量與CO2補加量之間的換算系數α。
4.根據權利要求2所述的基于ρΗ反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法，其特征在于， 所述預先設定培養體系營養鹽補料間隔的(X)2補加量為0. OOl-ImoVm2X培養面積m2或 0. 003-3mol/m3X 培養體積 m3，或所述的預先設定的營養鹽補料間隔時間為0. 1 M小時。
5.根據權利要求2所述的基于ρΗ反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法，其特征在于， 所述微藻為藍藻門的螺旋藻、綠藻門的小球藻、柵藻、雨生紅球藻、鹽藻、金藻門的金藻、硅藻門三角褐指藻或紅藻門的紫球藻，所述微藻的生長培養基為Zarrouk培養基、BG-Il培養基、f/2培養基、Provasoli培養基或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ρΗ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；鎂鹽包括硫酸鎂和/或氯化鎂；鉀鹽包括硫酸鉀和/或氯化鉀；鐵鹽包括硫酸亞鐵的EDTA絡合物；鈣鹽包括氯化鈣和/或硫酸鈣；所述的營養鹽流加液中氮源的濃度為0. 01 5mol/L，磷源的濃度為0. 001 0. 5mol/ L，鎂、鉀、鐵、鈣鹽的濃度為0. 0005 0. lmol/L。
7.一種實現權利要求1至6之一所述基于ρΗ反饋控制補加營養鹽培養微藻方法的裝置，所述裝置包括微藻培養器(5)、營養鹽流加液貯罐(6)和CO2貯罐(7)，其特征在于，所述裝置還包括PH傳感器(1)、CO2流量計量機構O)、控制機構(3)和執行機構G)，其中，所述PH傳感器(1)和CO2流量計量機構(2)均與控制機構(3)聯接，控制機構(3)的信號輸出口與執行機構(4)的信號輸入口聯接，所述CO2貯罐(7)經CO2流量計量機構O) 與微藻培養器( 連通，所述營養鹽流加液貯罐(6)經執行機構(4)與微藻培養器(5)連通；所述控制機構(3)通過pH傳感器(1)檢測培養體系的pH值，通過CO2流量計量機構 (2)控制CO2的通斷或流量大小，并獲得培養體系的CO2補加量，然后根據公式(I)計算營養鹽流加液的添加量，最后通過執行機構(4)實施添加；
8.根據權利要求7所述的基于pH反饋控制補加營養鹽培養微藻的裝置，其特征在于， 所述PH傳感器(1)和CO2流量計量機構(2)與控制機構(3)聯接，分別將pH傳感器(1)獲得的培養體系的PH值和CO2流量計量機構(2)獲得的CO2流量值傳送給控制機構(3)；控制機構⑶的信號輸出口與執行機構⑷的信號輸入口聯接，CO2貯罐(7)的輸出口與CO2流量計量機構⑵的輸入口連通，CO2流量計量機構⑵的輸出口通過管道與微藻培養器(5)的輸入口連通，營養鹽貯罐(6)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)的輸入口連通；控制機構(3)根據pH傳感器(1)傳送的培養體系的pH值，向CO2流量計量機構(2)發出指令，控制CO2的通斷或流量大小，CO2流量計量機構(2)將測定的實際CO2流量信號傳送回控制機構(3)，控制機構(3)累計培養體系的CO2補加量，并根據公式(I)計算營養鹽流加液的添加量，控制機構⑶根據計算所得的營養鹽流加液的添加量向執行機構⑷發出指令，執行機構(4)收到相應指令后經營養鹽流加液貯罐(6)進行營養鹽流加液的添加。
9.根據權利要求7或8所述的基于pH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)為根據控制機構(3)的指令調節并計量營養鹽流加液的添加量的流體輸送裝置。
10.根據權利要求9所述的基于pH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PH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( 為開放式培養池或密閉式光生物反應器，其中，開放式培養池為跑道池或圓形淺池；所述密閉式光生物反應器為管道式光生物反應器、平板式光生物反應器或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pH反饋控制補加營養鹽培養微藻的方法及裝置。所述方法通過pH反饋補加CO2，使培養體系的pH值維持在設定值，計量培養體系的CO2補加量，并利用CO2補加量與營養鹽消耗量之間的關系，控制營養鹽的補加。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為營養鹽消耗量與CO2補加量之間的換算系數，ΔCO2為培養體系的CO2補加量。與傳統方法相比，本發明的方法能將培養體系的營養鹽濃度控制在較小范圍內波動，能夠提高培養過程中營養鹽的利用率，節約成本。
文檔編號C12R1/89GK102559505SQ20121001724
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月19日 優先權日2012年1月19日
發明者叢威, 劉明, 吳霞, 張東梅, 溫樹梅, 鮑亦璐 申請人:中國科學院過程工程研究所