[发明专利]一种用于微藻光自养培养的光强和二氧化碳耦合方法

说明书

技术领域

本发明属于一种微藻光生物反应器培养控制方法。

背景技术

微藻能够通过光合作用将光能转化为化学能，进而固定二氧化碳积累生物质。作为极具潜力的新一代生物基化学品和生物能源的来源生物，利用太阳光进行微藻规模培养得到了人们的关注，也是人们研究的热点。在以生物质为目标的培养过程中，微量营养元素通常处于过量状态，限制生物质积累以及生产成本控制的主要因素即是光和二氧化碳。

在规模培养中，太阳光是微藻生长的直接能量来源，但这种能量的供应是随时波动的，常规的恒定pH或恒定二氧化碳浓度的培养方法无能有效的根据能量输入变化进行调节，降低了光能和二氧化碳的利用效率，并最终影响微藻的生产成本。

根据植物和微藻光合作用的过程，处于正常生长的微藻(非胁迫状态)，输入能量与积累生物量中的总化学能成正比，其比例系数与生物质热值、生物质中碳含量、微藻光能利用效率有关。其中能激发光合作用的有效辐射可以通过PAR测定仪获得，生物质热值可以通过燃烧热分析获得，生物质中的碳含量可以通过元素分析获得，结合多次培养所获得的平均光能利用效率，可以计算出瞬时的二氧化碳需求量。

特定培养体系中二氧化碳输送能力，受气泡大小、气体停留时间、二氧化碳浓度差等影响差异很大，但是可以通过冷模实验对培养系统中二氧化碳的传递比例进行测定。在此基础上，获得为了满足瞬时二氧化碳需求的实际二氧化碳通入量，如在典型的气升板式反应器中，对通入气体的二氧化碳浓度进行调节。

基于上述分析，一种用于微藻光生物反应器培养的、尤其是自然光为光源的、光强与二氧化碳耦合培养技术是可行的，尤其适用于微藻正常培养阶段。这种培养有别于常规基于pH或二氧化碳浓度的调节，真正根据需求提供二氧化碳。该技术通过动态调节生长要素，一方面将促进微藻产量的提高，另一方面也将降低低光照时不必要的二氧化碳通入，降低生产成本。

发明内容

基于上述分析，可以通过测定入射和透射光强变化，结合微藻的光合作用和培养的特征值，包括微藻生物质的量与二氧化碳固定量之间的比例、平均PAR与能量转换关系等，能够快速有效预测微藻在特定光照条件下对二氧化碳的需求，用于实现基于光强的二氧化碳耦合调控。

具体步骤为

(1)测定入射I_in和透射I_out的光合有效辐射强度(PAR，单位μmol/(m²·s))；

(2)通过入射光强与微藻自身光合特征值——饱和光强(陈根云等，光合作用对光和二氧化碳相应的观测方法探讨，《植物生理与分子生物学学报》，2006，32(6)：691-696)，判断入射光是否达到饱和光强；

(3)在(1)的基础上，根据微藻生物质热值(H，单位J/g，对于微藻取值范围在1.6～2.4x10⁴J/g)、微藻生物质与二氧化碳固定比例(B，取值范围1.6～2.0)、平均PAR能量转换关系(1μmol/(m²·s)＝0.217W/m²，以550nm光子能量计)，光照面积(A，单位m²)和光能利用效率(K，通常微藻培养过程中取值在0.01～0.09)，计算单位时间系统二氧化碳需求量(M，单位g/s)，公式如下：

M＝B×0.217×K×(I_in-I_out)×A/H

(4)在(2)的基础上，当光强大于最大饱和光强，取微藻的最大饱和光强的值为I_in。

这一计算方式适用于常见的绿藻、金藻、螺旋藻等。

本发明具有如下优点：

(1)测定方式简便，在确定相应系数后，实际生产上只通过测定进入系统中的光强变化即可获得所需要的二氧化碳量；

(2)测定计算具有实时性，对于现在的自动化控制水平，本发明所涉及的计算和控制便于实现应用；

(3)在提高生物量生产效率的同时，降低了无效二氧化碳通入所产生的能耗和二氧化碳排放。

发明原理

微藻光自养生物质的积累实际上是以光能为能量来源，借助光合系统转化为化学能的过程，同时伴随着二氧化碳的固定，表现为生物质的增加。整个过程的唯一能量来源即光能。在实际培养过程中，用于生物质固定的光能仅为光能损失的一部分，另一部分将会以热耗散等其它形式损失掉，因此，实际光能利用率低于光能的输入量。