[發明專利]緩釋補料光生物反應器及微藻培養方法

有效

• 申請號: 201710606893.8
• 申請日: 2017-07-24
• 公開（公告）號: CN107460115B
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 遲占有;劉強;朱陳霸;朱賀
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C12M1/12
• 分類號: C12M1/12;C12M1/00;C12N1/12
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 劉慧娟;李馨

本發明公開了一種緩釋補料光生物反應器及微藻培養方法，具體所述生物反應器為具有緩釋補料裝置和半透膜裝置的漂浮式光生物反應器，通過外加緩釋補料裝置可以提供充足營養物支持微藻高效生長。為避免補充碳酸氫鹽時帶來的高鹽度和高pH問題，該光生物反應器浸入水體部分具有半透膜裝置，用于釋放累積至高濃度的鹽離子和氫氧根離子，以穩定反應器中鹽濃度和pH。本發明解決了微藻培養過程中營養物質供應的成本問題和pH難以穩定的問題，在微藻大規模培養成本降低方面有良好的應用前景。

技術領域

本發明涉及微藻生物技術領域，具體涉及光生物反應器、通過半透膜或毛細管實現的緩釋補料光生物反應器、以及微藻培養方法。

背景技術

微藻細胞富含蛋白質、多糖、脂類、色素以及多種無機元素(如Cu、Fe、Se、Mn、Zn等)等高價值的營養成分，可以用于生產食品、保健品、飼料、生物化學品、以及生物燃油。同時，可以用于處理廢水和固定二氧化碳。

目前光生物反應器可以分為開放池系統和密閉式光生物反應器，與開放池相比，密閉式光生物反應器具有抗污染能力強、水分蒸發少、培養條件相對可控等優點，在微藻培養方面應用潛力巨大。微藻生長需要補充二氧化碳，開放池系統中培養液由于與空氣直接接觸，可以沒有成本地從空氣中獲得二氧化碳，但封閉反應器系統卻必須通過通氣的方式完成這一過程，而這能耗很高，導致成本上升。這一問題可以通過添加高濃度碳酸氫鹽的方式來解決，但一般微藻難以承受高濃度碳酸氫鹽的添加帶來的鹽度升高和pH升高問題。與碳酸氫鹽類似，其它營養成分的添加也會帶來類似問題。

發明內容

為解決添加高濃度碳酸氫鹽和其它營養物時帶來的鹽度升高和pH升高等問題，本發明公開了一種具有緩釋補料裝置的漂浮式光生物反應器，在此系統中，通過緩釋補料結構單元給可以為光生物反應器中微藻提供充足碳酸氫鹽和其它營養物質。同時，為避免補充碳酸氫鹽時帶來的高鹽度和高pH問題，該光生物反應器浸入水體部分具有半透膜裝置，用于釋放累積至高濃度的鹽離子和氫氧根離子，以穩定反應器中鹽濃度和pH。

本發明所述的漂浮式光生物反應器，由反應器腔體、設置于反應器腔體底部的半透膜以及緩釋補料結構單元組成，其中：

1)所述緩釋補料結構單元，用于補充微藻培養過程中快速消耗的營養物質；具體為微藻生長緩釋補充碳酸氫鹽和其它營養物；例如：氮源、磷源，以及微藻生長所需的其它微量元素離子，例如：碳酸氫鹽，磷酸鹽，硝酸鹽，鐵、鈣、鎂、鉀、錳、鋅、硅、硼、鈷、鉬等。

2)所述光生物反應器浸入水體部分具有半透膜結構單元；用于釋放反應器腔體內因緩釋補料積累至高濃度的鹽離子和氫氧根離子至外界水體中，以穩定光生物反應器內部水體的pH。

對于上文所述的漂浮式光生物反應器，優選的情況下，所述緩釋補料結構單元為密閉容器，該密閉容器與所述光生物反應器腔體通過半透膜、毛細管或可調節流速的閥門貫通式連接。

對于上文所述的漂浮式光生物反應器，優選的情況下，所述半透膜材料選自CA(二醋酸纖維素)；CTA(三醋酸纖維素)；CN(硝化纖維素)；EC(乙基纖維素)；CN-CA(混合纖維素)、PA-6(尼龍6)或PA-66(尼龍)微孔膜等親水微孔材料。

對于上文所述的漂浮式光生物反應器，優選的情況下，所述緩釋補料結構單元的半透膜，是經式(I)計算得出最佳面積的半透膜，用以實現反應器中培養液與水體之間的物質交換，以保證微藻生長。另外，本發明給出的可替換方案中所述的毛細管或可調節流速的閥門，也可以控制緩釋補料結構單元內部的營養物質的緩釋速度，從而保證微藻生長。

對于上文所述的漂浮式光生物反應器，優選的情況下，所述緩釋補料結構單元的半透膜的面積可以由以下公式進行估算(同樣的，如何替換為毛細管或可調節流速的閥門，也可以借鑒下述算法進行估算從而確定正確的流速控制)，某種營養物質生長速率和膜面積之間的關系式可表示為：

對于某種營養物質通過半透膜，進入反應器的速率可表示為：