[發明專利]動態光生物反應器及使用動態光培養微藻的方法

在審

• 申請號: 201810064339.6
• 申請日: 2018-01-23
• 公開（公告）號: CN108192801A
• 公開（公告）日: 2018-06-22
• 發明（設計）人: 約翰李
• 申請（專利權）人: 約翰李
• 主分類號: C12M1/00
• 分類號: C12M1/00;C12M1/02
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙) 11371
• 代理人: 趙琳琳

本發明的動態光生物反應器，包括培養罐和發光單元，動態光生物反應器還包括光臂葉槳和驅動機構；發光單元設于光臂葉槳上，光臂葉槳設于培養罐中，驅動機構可以驅動光臂葉槳在培養罐中做旋轉和升降運動。還提供一種使用動態光培養微藻的方法，對微藻的培養液進行旋轉和升降地攪動，在攪動時配以同攪拌同步的動態光照。本發明的動態光生物反應器及使用動態光培養微藻的方法操作簡單、成本低廉、能夠有效地提高其所培養的微生物(微藻)的產量。

技術領域

本發明涉及微生物培養領域，具體而言，涉及動態光生物反應器及使用動態光培養微藻的方法。

背景技術

微藻能夠將二氧化碳轉化為生物燃料、食品、飼料和高價值的生物活性物，同時還可用于生物除污以及作為固氮生物肥料。微藻能夠提供不同類型的可再生生物燃料，包括從微藻油脂中提取生物柴油、經厭氧消化后產生甲烷、以及燃料乙醇、水熱裂解液化處理制生物油、光合制生物氫氣等。

由于微藻具有分布廣泛、光合作用效率高、含油量高、生長周期短、油脂面積產率高、環境適應能力強且不占用耕地等特點，被認為是最有潛力替代石油的生物質資源。微藻中油脂含量甚至可超過其自身干重的80％，是生產生物柴油的理想原料之一。通過微藻生產生物柴油既對經濟可持續發展，推進能源替代，減輕環境壓力，控制城市大氣污染具有重要的意義，同時避免了大規模種植生物柴油農作物可能導致的“與糧爭地”隱患。另一方面，微藻的生長能夠減少二氧化碳和硫化物等氣體的排放。利用微藻生產生物柴油具有廣闊的發展前景，微藻生物柴油很可能成為未來最重要的可再生能源之一。

到本世紀中葉，全球人口將達到90億，屆時糧食供應將無法滿足新增人口的需要。微藻其占地少，增殖快，富含蛋白質、人類必需氨基酸等，可用作食品和飼料，是人類應對食品危機的一個重要選項。

經過了數十年研究，增加微藻的生物量、可大規模商業化的光反應器仍然沒有重大突破，因此該屬物種的商業潛力仍未得到充分發揮。目前微藻養殖多采用露天池和封閉式光生物反應器兩種形式。其中，開放池塘可分為天然水域(湖泊，瀉湖，池塘)和人造池塘或集裝箱。最常用的系統包括淺大池塘，坦克，圓形池塘和跑道池塘。開放池塘的主要優點之一是它們比大多數封閉系統更易于構建和運行。然而，露天池塘的主要局限性包括細胞的光利用不良，按照露天池系統培養微藻可用的太陽能計算，每平方米每年僅為0.1-0.2GJ/(平方米/年)而每千克微藻生物質需要的能量約為0.02Gj，因此，露天池塘的最大產能理論上為17-30g(AFDW)/M2/d。美國能源部所規劃的2022年的微藻產能目標為25g(AFDW)/M2/d。即便達到這個產量，也是非常不理想的。其次，開放系統會造成大量水體蒸發損失，二氧化碳向大氣擴散損失，以及大面積土地的需求。食藻類水生體和其他快速增長的異養生物的污染將開放培養系統中的藻類的商業生產限制在僅在極端條件下生長的藻種。此外，由于開放培養系統中的攪拌機制不足，它們的傳質速率非常差，導致低生物量生產率。

為了克服露天池塘的問題，現今非常重視開發適合的封閉系統，如平板，管狀，垂直柱和內部照明的光生物反應器。

平板光生物反應器由于其照明表面積大而受到光合微生物培養的關注。其優點為光照面積大，適合戶外培養，利于藻類固定，光線好路徑良好，生物質生產力較高，價格相對便宜，較管式反應器容易清理，可智能調節，低氧積累等。另一方面，平板光生物反應器的缺陷對大規模養殖也造成一定的局限，如：放大需要許多隔室和支撐材料，控制培養溫度的難度，一定程度的壁生長清理成本高，容易造成一些藻類菌株的流體動力學的應激。