[发明专利]一种用于微藻工业化生产的半干固态贴壁培养装置

说明书

技术领域

本发明属于微藻培养领域，具体地说是一种用于微藻工业化生产的半干固态贴壁培养装置。

背景技术

微藻是指能够进行光合作用的水生浮游藻类。某些微藻本身富含蛋白质，可以作为水产饵料或畜禽饲料(如螺旋藻)；更重要的，某些微藻在特定条件下能够大量合成次生代谢物，如油脂、类胡萝卜素、多糖等，这些物质往往是具有极高经济价值的生物活性物质，可以被用在功能食品、食品添加剂、制药、生物能源等领域。特别是通过微藻大规模培养提取微藻油脂，进而转化生产生物柴油被认为是解决生物能源生产与固碳减排的最重要途径之一。目前，在全球范围内，微藻生物技术已经迅速形成了一条规模巨大的完整产业链，其中的规模培养是重要环节。

目前的工业化微藻培养均采用液体浸没式培养，主要包括开放式培养池与密闭式光生物反应器(photobioreactor，PBR)两种形式。开放式培养池的优点在于建造和运行的成本较低。但由于开放池的光照面积/体积比较小，液体表面与下部混合较差，只有表层藻细胞能够接受较充足的光照，池底细胞往往难以接受到充分光照；其次，开放池培养运行水深较浅，一般只有5～30厘米，使得通气补碳时气液接触时间短，补碳效率低，培养液中溶解二氧化碳(CO₂)的不足使光合作用受到抑制。因此开放池培养的细胞生长速度与培养密度均较低。PBR一般是采用透光材料(如玻璃、有机玻璃、塑料薄膜等)制成的细薄结构，由于光径小、培养体系光照面积/体积比较大，所以细胞光照较充分。同时，补碳气体与液体接触时间长，培养液溶解CO₂浓度较高，因而细胞生长速度与培养密度均较开放培养池高。但PBR通常造价昂贵、运行成本高、维护困难、难于大型化。

与陆生植物相比，微藻光合效率高、生长速度快，这是微藻作为最有潜力的新型生物质资源之一的重要优势，也是发展微藻产业(食品、饲料、化学品、生物能源等)的基础。然而，尽管理论上微藻的光合效率是陆生高等植物的10倍左右，但迄今为止即使是利用最高效的PBR，在自然光照且不外加光源的情况下最高生物量浓度也仅能达到10gL^-1左右，如果考虑占地面积与实际情况，最高生物量年产量一般不到200吨/公顷，与高等植物接近。所以，传统培养方式下微藻的光合作用潜力远未得到充分发挥。

工业生产中，为了得到大量生物量，通常做法是加大培养体积，但在不增加占地面积的情况下(例如仅仅增加开放池的深度或PBR的光径)，增大培养液体积势必造成单个藻细胞吸收光能总量的降低，从而使单位体积培养效率大大下降；反过来，如果要保证单位体积培养效率不降低，则必须成比例增加占地面积，这会加大固定投资。另外，增大培养液体积会导致控温、搅拌、通气、采收、营养盐、废水处理等投入增加。

针对微藻规模培养效率低的问题，人们对传统培养方式作了许多改进。例如开放池的浅池运行、拆流档板强化混合、补碳强化(如2007年6月20日公开的、公开号为1982432、专利号为200510126465.2的中国发明专利“用于大规模培养微藻的补碳装置及其使用方法”，2006年9月27日公开的、公开号为1837350、专利号为200610018771.9的中国发明专利“微藻养殖池补充二氧化碳的装置”)，螺旋管式、管道式、气升式等各种密闭式光生物反应器结构改进，以及开放式跑道池与密闭式光生物反应器的耦联组合(如2011年10月5日公开的、公开号为102206570A、申请号为201010136300.4的中国发明专利申请“一种用于微藻规模培养的装置和培养方法”)等，在一定程度上改善了培养效率，但都未能在大幅度提高微藻光合利用效率、单位面积产率和降低成本上获得根本性突破。可见，传统液体浸没式培养方法不能最大程度的利用太阳光能，已经难于支撑工业化大规模微藻生物质资源的低成本供给。革新培养技术，在提高光能、CO₂、营养物质的利用效率的基础上实现微藻细胞的高密度培养，同时降低建造、运行成本，减少物耗能耗，减少占地，提高空间利用率是推进微藻产业化深入发展的迫切要求。

传统液体浸没式培养中，占培养液比重最大的部分是水。水在微藻培养中的作用主要表现为：

1)作为各种营养物质(包括CO₂、无机盐)的溶剂和传递介质，促进微藻细胞和营养物质的有效接触；

2)作为调控环境的缓冲体系，稳定培养液pH、温度、渗透压等环境参数；

3)作为微藻细胞的支撑体系，扩展微藻细胞的生存空间，以利细胞更充分接受光照。原则上，完成前两种功能所需水量很少，只要水层能保持藻细胞润湿即可。