[發明專利]一種用于微藻光自養培養的光強和二氧化碳耦合方法

有效

• 申請號: 201410606404.5
• 申請日: 2014-10-31
• 公開（公告）號: CN104388314B
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 薛松;曹旭鵬;褚亞東;陸洪斌
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C12N1/12
• 分類號: C12N1/12;C12N1/20;C12R1/89;C12R1/01
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明屬于一種微藻光生物反應器培養控制方法。

背景技術

微藻能夠通過光合作用將光能轉化為化學能，進而固定二氧化碳積累生物質。作為極具潛力的新一代生物基化學品和生物能源的來源生物，利用太陽光進行微藻規模培養得到了人們的關注，也是人們研究的熱點。在以生物質為目標的培養過程中，微量營養元素通常處于過量狀態，限制生物質積累以及生產成本控制的主要因素即是光和二氧化碳。

在規模培養中，太陽光是微藻生長的直接能量來源，但這種能量的供應是隨時波動的，常規的恒定pH或恒定二氧化碳濃度的培養方法無能有效的根據能量輸入變化進行調節，降低了光能和二氧化碳的利用效率，并最終影響微藻的生產成本。

根據植物和微藻光合作用的過程，處于正常生長的微藻(非脅迫狀態)，輸入能量與積累生物量中的總化學能成正比，其比例系數與生物質熱值、生物質中碳含量、微藻光能利用效率有關。其中能激發光合作用的有效輻射可以通過PAR測定儀獲得，生物質熱值可以通過燃燒熱分析獲得，生物質中的碳含量可以通過元素分析獲得，結合多次培養所獲得的平均光能利用效率，可以計算出瞬時的二氧化碳需求量。

特定培養體系中二氧化碳輸送能力，受氣泡大小、氣體停留時間、二氧化碳濃度差等影響差異很大，但是可以通過冷模實驗對培養系統中二氧化碳的傳遞比例進行測定。在此基礎上，獲得為了滿足瞬時二氧化碳需求的實際二氧化碳通入量，如在典型的氣升板式反應器中，對通入氣體的二氧化碳濃度進行調節。

基于上述分析，一種用于微藻光生物反應器培養的、尤其是自然光為光源的、光強與二氧化碳耦合培養技術是可行的，尤其適用于微藻正常培養階段。這種培養有別于常規基于pH或二氧化碳濃度的調節，真正根據需求提供二氧化碳。該技術通過動態調節生長要素，一方面將促進微藻產量的提高，另一方面也將降低低光照時不必要的二氧化碳通入，降低生產成本。

發明內容

基于上述分析，可以通過測定入射和透射光強變化，結合微藻的光合作用和培養的特征值，包括微藻生物質的量與二氧化碳固定量之間的比例、平均PAR與能量轉換關系等，能夠快速有效預測微藻在特定光照條件下對二氧化碳的需求，用于實現基于光強的二氧化碳耦合調控。

具體步驟為

(1)測定入射I_in和透射I_out的光合有效輻射強度(PAR，單位μmol/(m²·s))；

(2)通過入射光強與微藻自身光合特征值——飽和光強(陳根云等，光合作用對光和二氧化碳相應的觀測方法探討，《植物生理與分子生物學學報》，2006，32(6)：691-696)，判斷入射光是否達到飽和光強；

(3)在(1)的基礎上，根據微藻生物質熱值(H，單位J/g，對于微藻取值范圍在1.6～2.4x10⁴J/g)、微藻生物質與二氧化碳固定比例(B，取值范圍1.6～2.0)、平均PAR能量轉換關系(1μmol/(m²·s)＝0.217W/m²，以550nm光子能量計)，光照面積(A，單位m²)和光能利用效率(K，通常微藻培養過程中取值在0.01～0.09)，計算單位時間系統二氧化碳需求量(M，單位g/s)，公式如下：

M＝B×0.217×K×(I_in-I_out)×A/H

(4)在(2)的基礎上，當光強大于最大飽和光強，取微藻的最大飽和光強的值為I_in。

這一計算方式適用于常見的綠藻、金藻、螺旋藻等。

本發明具有如下優點：

(1)測定方式簡便，在確定相應系數后，實際生產上只通過測定進入系統中的光強變化即可獲得所需要的二氧化碳量；

(2)測定計算具有實時性，對于現在的自動化控制水平，本發明所涉及的計算和控制便于實現應用；

(3)在提高生物量生產效率的同時，降低了無效二氧化碳通入所產生的能耗和二氧化碳排放。

發明原理

微藻光自養生物質的積累實際上是以光能為能量來源，借助光合系統轉化為化學能的過程，同時伴隨著二氧化碳的固定，表現為生物質的增加。整個過程的唯一能量來源即光能。在實際培養過程中，用于生物質固定的光能僅為光能損失的一部分，另一部分將會以熱耗散等其它形式損失掉，因此，實際光能利用率低于光能的輸入量。