[发明专利]一种用于微藻规模培养的装置及培养方法

说明书

技术领域

本发明属于微藻培养领域，具体地涉及一种微藻大规模培养的装置。

本发明还涉及一种利用上述装置进行微藻大规模培养的方法。

背景技术

微藻能有效利用光能、CO₂和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质，可以通过微藻培养来生产保健食品、食品添加剂、饲料及其他化学品。特别是近年来随着生物能源技术的发展，某些含油微藻因其油脂生产能力高(一般占细胞干重的20-60％)，光合效率高、生长周期短，可在盐碱地、沙漠、海域养殖，具有不与粮争地及不与人争粮的巨大优势，以及可利用工厂废气中的二氧化碳为碳源等特点世界各国已将其作为解决生物质能资源短缺的一条非常重要的途径，并投入巨大的资金和研究力量进行研究和技术开发。

微藻作为单细胞生物，其比陆生植物有快得多的生长速度，因而光合固碳能力更强。这也是微藻作为最有潜力的能源生物资源，或者说微藻生物能源技术的重要出发点。然而要发挥微藻的这种优势，建立微藻生物能源产业体系，以现代工业工厂化生产方式，大规模、低成本、高效、优质稳定的获得微藻生物量是前提，这也是目前微藻生物能源产业化面临的最大瓶颈。有分析表明，在用含油微藻进行生物柴油炼制中，仅微藻生物量的成本就占整个生物柴油生产成本的40-60％。因此微藻培养技术是关键。

目前的微藻培养主要有开放式培养池与密闭式光生物反应器两种形式。开放式培养池主要是利用天然或人工的长方型池塘或长椭园形跑道池，加装踏板式搅拌装置来实现培养池中的液体循环，以保证微藻细胞交替受光和空气中的CO₂接触。目前开放式培养池大多设计成跑道池的形式。根据不同的光照强度池塘运行期水深一般在15-50cm间调整。目前的经济型微藻品种，如螺旋藻与小球藻的商业化生产主要采取开放式的养殖模式来进行。该种培养方式直接利用天然的生长环境，培养池的建造和运行的成本都较低，也一般不需要控温设施。但是由于微藻细胞本身的吸光与遮光作用，光照深度随水培养池运行深度和细胞浓度迅速衰减，池底细胞往往难以接受到充分光照，使得细胞光合作用较弱，细胞生长速度与培养密度均较低。而通过过强的机械作用混合又会导致高能耗与细胞机械剪切损伤的问题，因而目前开放式的培养效率低，密度不高，一般仅可达到1g/l，如此高的含水量显然极大的加重了细胞采收与后下游加工的困难，而且由于微藻细胞中油脂的积累需要强光照的诱导，开放池的表层光强很难满足微藻油脂诱导积累对高光照强度的要，因而其细胞油脂诱导积累时间长，含油量不高。开放池培养另外一个重要缺陷在于由于运行水深一般只有15-50cm，如此浅的水层使得通过通气(烟道气或CO₂/空气混合气)补碳时气液接触时间短，补碳效率低，CO₂利用率低，培养液中溶解CO₂的不足导致的光合碳缺乏也是开放池培养细胞生长速率低的重要原因。因此如螺旋藻等的开放池规模培养补碳主要是依赖于添加NaHCO₃，其既增加了培养基成本，同时其作为微藻生物能源的重要优势之一的光合固碳减排CO₂难以发挥。

为改善开放池微藻培养的光照条件和补碳效率以提高培养效率，人们提出一些结构改进和操作方法。如通过降低开放池运行水深的浅池运行方式、在开放池中加置导流板强化水体混合与循环等，可提高微藻细胞在水层表面的受光机率，从而提高细胞光合速度。丛威等(用于大规模培养微藻的补碳装置及其使用方法，中国专利200510126465.2)则提出了开放池附加阱式补碳容器的结构。在阱式容器内安装有距容器底10-50厘米高的垂直隔板，在容器底安装置有气体分布器。再将该阱式装置置于开放池底部，阱式容器的上沿与开放池底部平齐。通过这种阱式容量内气液较长时间的接触来强化CO₂的补碳吸收，在一定程度上提高开放池的培养效果。李夜光等(微藻养殖池补充二氧化碳的装置，李夜光；耿亚红，殷大聪，桂建平，胡鸿钧。中国专利200610018771)提出在开放池中的多孔布气装置来改善气体分布，提高了补碳效果。但这些方法都无法从根本上高效解决开放池培养的两个基本问题，即光照与补碳。

开放式培养的主要问题在于低的光照与低的气体补碳效率导致的培养效率低下，因此为提高微藻培养效率、培养密度和CO₂利用率，自二十世纪90年代以来，涌现出了大量光反应器设计，目前得到广泛应用一般有，管道式、平板式、柱式等。