[發明專利]一種多層半干貼壁培養裝置及培養方法

有效

• 申請號: 201410154869.1
• 申請日: 2014-04-17
• 公開（公告）號: CN105018330B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 劉天中;王俊峰;陳林;汪輝;高莉麗;周文俊;張維;董慶喆
• 申請（專利權）人: 中國科學院青島生物能源與過程研究所;波音（中國）投資有限公司
• 主分類號: C12M1/00
• 分類號: C12M1/00;C12N1/12;C12R1/89
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 許宗富

技術領域

本發明屬于微藻培養領域，具體地說是一種設置有多層貼壁培養單元的多層半干貼壁培養裝置。

背景技術

微藻是指能夠進行光合作用的水生浮游藻類。某些微藻本身富含蛋白質，可以作為水產餌料或畜禽飼料（如螺旋藻）。更重要的，某些微藻在特定條件下能夠大量合成次生代謝物，如油脂、類胡蘿卜素、多糖等，這些物質往往是具有極高經濟價值的生物活性物質，可以被用在功能食品、食品添加劑、制藥、生物能源等領域。特別是通過微藻大規模培養提取微藻油脂，進而轉化生產生物柴油被認為是解決生物能源生產與固碳減排的最重要途徑之一。目前，在全球范圍內，微藻生物技術已經迅速形成了一條規模巨大的完整產業鏈，其中規模培養是重要環節。

與陸生植物相比，微藻光合效率高、生長速度快，這是微藻作為最有潛力的新型生物質資源之一的重要優勢，也是發展微藻產業（食品、飼料、化學品、生物能源等）的基礎。然而，盡管理論上微藻的光合效率是陸生高等植物的10倍左右，但迄今為止即使是利用最高效的光反應器(Photobioreacter,PBR)，在自然光照且不外加光源的情況下最高生物量濃度也僅能達到10g.L^-1左右，如果考慮占地面積與實際情況，最高生物量年產量一般不到200噸/公頃，與高等植物接近。同植物一樣，微藻細胞的光合過程作用一般分為光反應和暗合成兩個階段。在光反應階段藻細胞吸收光子進行水的分解獲得還原態H，產生ATP，在暗合成階段利用光反應階段得到的還原態H和ATP進行生物質的合成，兩個階段交替進行。在暗合成階段即使有光照藻細胞也不利用這些光能。一般地，光反應階段為毫秒到秒級，而暗合成階段一般為秒至分鐘級。可以預見，如果采用傳統持續光照，至少在暗合成階段時間內的光能不能為藻細胞所利用。因此理論上來說，如果可以讓微藻細胞在很短的時間內吸收足夠的光源，然后轉移到黑暗環境中固定能量，待暗反應完成后再回到照光區吸收光能，實現藻細胞光照-暗合成-再光照周而復始的循環，這種情況下光能的利用效率最高，而損失最小。據測算過當光能完全被利用時，光合作用的最大生物量產量能夠達到150g.m^-2.d^-1。

無論是作為食品、飼料還是生物能源，微藻產業的核心在于微藻生物量的獲得，其關鍵在于微藻的規模培養。目前的微藻培養主要包括開放式培養池與光生物反應器兩種形式培養。開放式培養池的優點在于建造和運行的成本較低。但由于開放池的光照面積/體積比較小，液體表面與下部混合較差，只有表層藻細胞能夠接受較充足的光照，池底細胞往往難以接受到充分光照，因此微藻光能利用率低，生長速度慢、培養液濃度低。另外一種光生物反應器（PBR）培養，主要是采用透光材料（如玻璃、有機玻璃、塑料薄膜等）制成的細薄結構，包括各式平板式反應器、氣泡柱式反應器、螺旋管式反應器、不平管道式反應器等，由于光徑小、培養體系光照面積/體積比較大，細胞光照較充分，補碳氣體與液體接觸時間長，培養液溶解CO₂濃度較高，因而細胞生長速度與培養密度均較開放培養池高。但PBR通常造價昂貴、運行成本高、維護困難、難于大型化。但迄今無論是采用開放池培養，還是光生物反應器培養，其微藻面積產率都不高，只有5～30g.m^-2.d^-1，遠低于100～200g.m^-2.d^-1的理論面積產量，遠未能發揮出微藻的高產的優勢。