[发明专利]一种基于pH反馈控制补加营养盐培养微藻的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及微藻培养领域，具体地，本发明涉及一种基于pH反馈控制补加营养盐培养微藻的方法及装置。

背景技术

微藻能够利用CO₂、光、水及营养盐进行光合作用合成蛋白质、碳水化合物、脂类以及色素等有机物质，在食品、饲料、医药、精细化工及染料领域已得到广泛的应用。近年来，随着石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，利用微藻产氢、制油、炼制烯烃的新能源技术引起了人们高度重视。

在微藻培养中，营养盐成本占原料成本的比重很大，采取适当的营养盐控制策略，能够在提高营养盐利用率的同时提高细胞或目的产物的产量，有效降低微藻培养成本。在微藻培养过程中，营养盐(主要为氮源及磷源)浓度的高低是影响微藻生长及细胞组分的重要因素。培养基中一次性加入过多的营养盐会对微藻的生长产生抑制和毒害作用(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)；而某些营养盐缺失将限制微藻的生长，同时改变微藻的细胞组分，如对于某些微藻氮源、磷源缺乏会促进藻细胞总脂、总碳水化合物或胡萝卜素的累积(Effect of nitrogen，salt，and 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，在微藻培养过程中，控制培养体系的营养盐浓度十分必要。

目前，微藻培养工艺还比较粗放，一些微藻生产企业采用了一些自动控制设备，可以实现pH、温度等常规参数的监测或控制，但是在营养盐的控制方面，生产上更多采用的是靠人工经验补加营养盐，或者离线测定培养基中的营养盐浓度再进行补加，操作繁琐，控制滞后。

同时，由于微藻培养过程的多变性，培养批次之间有所差异，而常用的氮源(硝酸盐、尿素及铵盐)、磷源(磷酸及磷酸氢盐)、镁等难以直接在线监测，难以实时地确切知道培养过程中营养盐浓度的实际变化，所以采用直接反馈控制营养盐的浓度难以实现。

在微藻培养体系的营养盐浓度控制方面，已有一些流加补料技术(如恒速流加、指数流加、变速流加等)(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 Spirulina platensis.Aquacult.Eng.，2004，31：237～245)用于微藻培养体系的营养盐浓度控制。虽然这些流加补料技术能够在一定程度上控制培养体系的营养盐的浓度，提高目的产物产量，但是这些流加补料技术都是以培养时间为依据的前馈控制补料，按照事先设定的程序进行操作，不能真实反映培养过程中营养盐浓度的变化。