暗周期間歇通氣的封閉式微藻培養方法
【專利摘要】本發明涉及生物能源領域，具體公開一種暗周期間歇通氣的封閉式微藻培養方法，包括在微藻培養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通氣，并且在所述暗周期采用間歇通氣。與現有技術中的連續通氣方式相比，本發明的方法采用在暗周期期間使用間歇通氣方式，達到近似連續通氣的培養結果。從而明顯降低能耗，降低微藻培養的工業化成本。
【專利說明】暗周期間歇通氣的封閉式微藻培養方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及生物能源領域，尤其涉及在暗周期采用間歇通氣的封閉式微藻培養技術。
【背景技術】
[0002]在化石能源日益枯竭、全球氣候變暖的背景下，開展節能減排，發展循環經濟，開發可再生能源，是今后科技與社會發展的重要方向。國內外許多研究者早已將目光投向了環境友好可再生能源，以替代化石能源。開發生物質能源是解決能源問題的有效途徑。
[0003]在諸多生物質能源中，微藻因其突出的優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，也都投入了大量資金進行產油微藻的開發。其優點具體包括:微藻細胞增殖快、培養周期短、生物質產量高、所產油脂 成分與植物油類似；且微藻富含大量蛋白質、多糖、色素和油脂等物質，可以廣泛應用于飼料、食品、醫藥保健品、化妝品和可再生燃料等領域；可利用的培養基來源廣泛，生長過程中可以固定二氧化碳；可利用鹽堿地、沙漠和海域養殖，不與糧爭地，不與人爭糧，也可利用城市生活污水和工業廢水等養殖，有利于環境治理。
[0004]微藻生物柴油的技術手段在實驗室已經被打通，但目前生產成本問題制約了微藻生物柴油的商業化。微藻生物質的獲得是微藻生物能源成本的主要構成部分，因此降低微藻培養成本是推進其商業化進程的關鍵途徑。
[0005]微藻培養可分為敞開式和封閉式兩種。敞開式微藻培養方式已普遍應用于商業化的微藻大規模培養中，但其局限性在于僅有少數幾種微藻能夠米用敞開式培養。對于要求溫和培養條件、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；對于高衛生要求的微藻產品生產以及基因工程微藻都必須采用封閉式光生物反應器培養。
[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點:(I)無污染，能實現單種和純種培養；(2)培養條件易于控制；(3)培養密度高，易收獲；(4)適合于所有微藻的光自養培養，尤其適合于微藻代謝產物的生產；(5)有較高的光照面積與培養體積之t匕，光能和二氧化碳利用率較高；等等。因此，近年來國內外對微藻的封閉式光生物反應器培養的研制和開發利用較快，已實現了高密度商業化培養。
[0007]目前封閉式光生物反應器有:管道式、平板式、柱狀氣升式、攪拌式發酵罐、立式吊袋和浮式薄膜袋等。并且國內外對微藻封閉式光生物反應器培養的研發，主要集中在反應器自身的設計和性能的優化，在微藻培養工藝方面的研發卻很少。
[0008]CN201110112849.4公開了一種微藻養殖封閉式反應器，該反應器可呈多層三維立體，內設循環隔板和環狀通道，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，結合了開放式和封閉式反應器的各自優點；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微藻時，通常向反應器中連續通入空氣和二氧化碳的混合氣體。這樣可使微藻培養液混合更均勻，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生的氧氣，補充在微藻培養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，提高了微藻的生產成本。
[0011]可見,還需要開發一種新的微藻培養方式，以降低封閉式微藻培養的成本。

【發明內容】

[0012]本發明旨在改進現有技術中的封閉式微藻培養方法，以降低能耗，降低微藻培養的成本。
[0013]本發明的技術方案為一種暗周期間歇通氣的封閉式微藻培養方法，包括在微藻培養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，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不高于3%。
[0019]本發明在微藻培養的暗周期采用間歇通氣方式，可達到近似連續通氣的培養結果，與現有技術的連續通氣相比，可以降低動力能耗，降低微藻的工業化培養成本。
【具體實施方式】
[0020]微藻的培養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，消耗二氧化碳產生氧氣；并且在暗周期進行呼吸作用，消耗培養水體中的溶解氧。
[0021]現有技術的微藻培養方法中，通常是在光周期和暗周期兩者期間，均采用持續通氣。光周期的持續通氣可以混合微藻培養液，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生的氧氣。暗周期的持續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混合微藻培養液。暗周期期間持續通氣造成了能耗的浪費。基于此，本發明人研究了微藻在暗周期呼吸作用中對溶解氧的消耗規律，提出在微藻培養的暗周期采用間歇通氣方式，可以節約微藻培養的動力能耗。
[0023] 本發明的原理大體如下:即在暗周期期間當培養水體中的溶解氧被消耗時，啟動供氣設備向培養水體中通入空氣，使培養水體中的溶解氧得到補充；當培養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]本發明的封閉式微藻培養方法中，在微藻培養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。即在所述微藻培養期間的光周期采用連續通氣，并且在暗周期采用間歇通氣。這樣，在光周期期間，持續通氣保證了微藻得到充分光照，二氧化碳得到持續補充，產生的氧氣能夠被解析出去；在暗周期期間，間歇通氣節省了動力能耗，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，其中根據微藻的實際培養情況，混合氣中二氧化碳的濃度優選在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范圍能夠在節省能耗的同時,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，根據微藻的實際培養情況，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通氣時的通氣速率也可以相同，或不同。
[0029]本發明的微藻培養方法中，每24小時的光暗周期內，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]本發明的微藻培養方法適用條件較為寬泛，并且培養條件的具體選擇也根據具體實際情況而定。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；光照強度根據不同微藻的實際培養特性，可以在2000至200001x的范圍內選擇；培養溫度可以在15至35°C的范圍內選擇；根據微藻類型的不同，微藻培養的起始pH值可以為7至9。
[0031]根據本發明的封閉式微藻培養方法，采用在暗周期間歇通氣，與現有技術常用的連續通氣培養方法相比，可降低通氣動力能耗約20%至40%。
[0032]可見，本發明的封閉式微藻培養方法中，根據培養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，可以達到近似于現有技術中采用連續通氣的培養結果。這種間歇通氣培養方式可大大降低微藻培養的動力能耗，從而降低能源微藻的工業化培養成本，對促進微藻的產業化發展具有重要的現實意義。
[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，并不構成對本發明的限制。
[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步驟進行培養。其中2個采用現有技術的連續通氣方式；2個采用本發明的間歇通氣方式。培養至微藻生長對數末期(在本發明的實施例中為第8天)，對培養液分別進行藻細胞計數，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，培養體積500ml，添加0.50ml f/2培養基。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，實施中采用的培養條件僅為示例性的，本發明的方法還適用于其他培養條件。
[0037]實施例中使用的微藻為海洋湛江等鞭金藻藻種；培養基為海洋微藻通用培養基 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，本發明的微藻培養方法也適合于其它種類的微藻，并且也可以使用其他培養基。
[0038]本發明采用間歇通氣的封閉式微藻培養方法的動力能源節約率(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)，再與現有技術采用連續通氣的微藻培養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，本發明的間歇通氣培養方法中Teme =每次通氣時間X通氣次數；現有技術的連續通氣培養方法中:T=1440min/d (即24小時連續通氣)。
[0040] P=T/M ；R=1 - (P間歇/P連續)X 100%
[0041]實施例1
[0042]培養條件:培養液起始pH值7.0 ;光照強度4000±3001x ;培養溫度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為0.03%。
[0043]培養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通氣。
[0044]培養至第8天，對培養液進行藻細胞計數，連續通氣方式培養的藻細胞平均為2810X IO4個/ml，間歇性通氣方式培養的藻細胞密度平均為2350X IO4個/ml。
[0045]經計算，與光周期和暗周期均為連續通氣的培養方式相比，該實施例的間歇性通氣方式的動力能源節約率為25.5%。
[0046]實施例2
[0047]培養條件:培養液起始pH值8.4 ;光照強度8000±3801x ;培養溫度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為2%。
[0048]培養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
續通氣。
[0049]培養至第8天，對培養液進行藻細胞計數，連續通氣方式培養的藻細胞平均為3218X IO4個/ml，間歇性通氣方式培養的藻細胞密度平均為2981 X IO4個/ml。
[0050]經計算，與光周期和暗周期均為連續通氣的培養方式相比，該實施例的間歇性通氣方式的動力能源節約率為43.1%。
[0051]實施例3
[0052]培養條件:培養液起始pH值8.4 ;光照強度6500±3201x ;培養溫度為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為1.0%。[0053]培養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通氣。
[0054]培養至第8天，對培養液進行藻細胞計數，連續通氣方式培養的藻細胞平均為3310X IO4個/ml，間歇性通氣方式培養的藻細胞密度平均為3021 X IO4個/ml。
[0055]經計算，與光周期和暗周期均為連續通氣的培養方式相比，該實施例的間歇性通氣方式的動力能源節約率為30.0%。
[0056]實施例4
[0057]培養條件:培養液起始pH值9.0 ;光照強度20000±6601x ;培養溫度為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為3.0%。
[0058]培養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通氣。
[0059]培養至第8天，對培養液進行藻細胞計數，連續通氣方式培養的藻細胞平均為2480X IO4個/ml，間歇性通氣方式培養的藻細胞密度平均為1750X IO4個/ml。
[0060]經計算，與光周期和暗周期均為連續通氣的培養方式相比，該實施例的間歇性通氣方式的動力能源節約率為30.8%。
[0061]實施例5
[0062]培養條件:培養液起始pH值8.4 ;光照強度15000 ±5101x ;培養溫度為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為2.5%。
[0063]培養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通氣。
[0064]培養至第8天，對培養液進行藻細胞計數，連續通氣方式培養的藻細胞平均為3110X IO4個/ml，間歇性通氣方式培養的藻細胞密度平均為2310X IO4個/ml。
[0065]經計算，與光周期和暗周期均為連續通氣的培養方式相比，該實施例的間歇性通氣方式的動力能源節約率為36.7%。
[0066] 以上所述本發明的【具體實施方式】，并不構成對本發明保護范圍的限定。任何根據本發明的技術構思所作出的各種其他相應的改變與變形，均應包含在本發明權利要求的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種暗周期間歇通氣的封閉式微藻培養方法，包括在微藻培養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通氣，并且在所述暗周期采用間歇通氣。
2.如權利要求1所述的封閉式微藻培養方法，其中，每24小時的光暗周期內，所述光周期的時間為10至14小時。
3.如權利要求1所述的封閉式微藻培養方法，其中，所述通氣速率為0.1至0.Svv-1Iiiirf10
4.如權利要求1所述的封閉式微藻培養方法，其中，所述光周期與所述暗周期期間，和/或所述連續通氣與所述間歇通氣具有相同或不同的通氣速率。
5.如權利要求1所述的封閉式微藻培養方法，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.如權利要求5所述的封閉式微藻培養方法，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.如權利要求 1所述的封閉式微藻培養方法，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 優先權日:2014年4月16日
【發明者】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