[發明專利]提高微藻規模培養的光能利用率的封閉式光生物反應器

有效

• 申請號: 200910085248.1
• 申請日: 2009-05-27
• 公開（公告）號: CN101899385A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發明（設計）人: 叢威;蘇貞峰;薛升長;楊成硯
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: C12M1/18
• 分類號: C12M1/18;C12R1/89
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 李柏

技術領域

本發明屬于生物技術領域，涉及一種具有特殊內部結構的封閉式光生物反應器，該種封閉式光生物反應器能夠有效提高微藻細胞規模培養的光能利用率，提高微藻細胞的產量。該結構的封閉式光生物反應器適宜于規模化培養各種微藻，生產相關的產品。

背景技術

人類利用微藻已經有幾百年的歷史，對微藻的研究開發日益深入，微藻已經成為人類食品、醫藥、染料、精細化工領域的重要材料來源。目前，隨著石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，基于生物質的生物煉制引起了人們的高度重視，微藻作為重要的可再生能源能夠提供大量的生物質(油脂、淀粉、纖維素)，在生物煉制領域，具有廣闊的應用前景。

微藻規模化培養主要有開放式培養和封閉式培養兩種方式。開放式培養，是開發最早，應用最為普遍的一種方式，目前世界各國、特別是中國仍然將其作為微藻工業化培養的主要方式(Borowitzka?L.T.，Bioresource?Technology，1991，38：251～252；Terry?K.L?and?Raymond.，Enzyme?and?Microbial?Technology，1985，7：474～487)。代表的反應器有跑道式培養池、圓形培養池。該培養方式的主要缺點是光能利用率低，受外界環境因素的影響大，易被污染，水分蒸發大。

相比于開放式培養，封閉式培養不容易受污染，節約水資源，培養密度高，收獲成本低，缺點是投資成本高(Lee?Y-K.，Journal?of?Applied?Phycology，2001，13：307～315；Tsygankov?A.A.，Applied?Biochemistry?and?Microbiology，2001，37(4)：333～341；Pulz?O.，Applied?Microbiology?and?Biotechnology，2001，57：287～293)。為了克服封閉式培養培養成本高的缺陷，一方面需要降低培養所需的材料、能耗成本，另一方面需要大幅度提高產率。雖然封閉式培養的產率要高于開放式培養，但是微藻的光能利用率還很低。設法提高藻細胞對光能的利用率是提高產率、降低成本的重要途徑。

微藻的光合作用過程可分為兩個階段，稱為光反應和暗反應。在光反應階段，藻細胞接受光量子并轉換為化學能；在暗反應階段，藻細胞利用化學能合成細胞組份。在暗反應階段，藻細胞不需要光照甚至光照反而有害。因此，對單個藻細胞而言，持續的光照意味著光量子的浪費。

另一方面，在規模培養的光生物反應器內以及通常的細胞密度下，光線在培養液內傳播時會迅速衰減，光的穿透距離為幾毫米，在高細胞密度下只有1mm左右。光生物反應器內事實上可分為靠近光照面內壁面的光區與之外的暗區兩部分。如果藻細胞以特定頻率(通常高于1Hz的頻率)在光生物反應器的光區與暗區頻繁置換時，會產生“閃光效應”，光能的利用率會得到很大提高(Janssen?M，Slenders?P，Tramper?J，et?al.，Enzyme?Microbial?Technology，2001，29：298～305；Matthijs?H.C.P，Balke?H，Mur?L.R，et?al.，Biotechnology?andBioengineering，1996，50：98～107)。即，當藻細胞在光生物反應器的光區與暗區之間來回穿梭，就可使得接受過光照的藻細胞及時進入暗區進行暗反應，同時使得完成了暗反應的藻細胞回到光區再次接受光照，這樣就使得進入光生物反應器的光量子被充分利用。因此通過強化培養液的混合，使藻細胞在光區與暗區之間高頻率來回穿梭，可以提高總體的光能利用率和藻細胞的產量。

然而，在傳統的封閉式光生物反應器中，培養液的流動混合尚不理想。以管式、板式光生物反應器為例，管式光生物反應器(有直管、彎折管和螺旋管等，可以水平放置、傾斜放置或垂直放置)的管徑在1～10cm之間不等，板式光生物反應器(有水平放置、傾斜放置、垂直放置等)的板厚在1～10cm之間不等，這些光生物反應器的內壁面往往是光滑的。受反應器壁面的限制，在靠近內壁面處培養液混合不充分，藻細胞在垂直于流動方向(以下稱光徑方向)的速度很小，難以產生在光區與暗區之間的穿梭，藻細胞長時間位于光照面內壁面附近會產生光抑制甚至是光損傷(即光照過量)；而距光照面內壁面較遠的藻細胞卻長時間處于光限制狀態(即光照不足)，使得光能利用率不高。