[發明專利]一種用于經濟微藻培養的微泡光生物反應器的使用方法

有效

• 申請號: 201810168432.1
• 申請日: 2018-02-28
• 公開（公告）號: CN108395993B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 蔡中華;應軻臻;周進;陶益;劉小寧
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: C12N1/12
• 分類號: C12N1/12;C12R1/89
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;孫楠

1.一種用于經濟微藻培養的微泡光生物反應器的使用方法，其特征在于包括以下步驟：

1)確定待培養目標經濟微藻的CO₂傳質目標值；

所述步驟1)中，待培養目標經濟微藻的CO₂傳質目標值的確定方法，包括以下步驟：

1.1)選取用于目標經濟微藻培養的密閉式容器；

1.2)設置多組不同濃度碳梯度的培養液，在培養過程中，保持密閉式容器密閉，防止CO₂傳質至空氣中，同時設置對照組，扣除非目標經濟微藻吸收所致的總碳濃度變化；

1.3)定期檢測各組密閉式容器中目標經濟微藻生物量及溶液中總碳濃度；

1.4)采用圖解法對得到的周期性測量數據進行處理，得到目標經濟微藻的最大比生長速率、碳半飽和常數、得率系數；

1.5)將步驟1.4)中得到的各參數代入生長及耗碳動力學模型，模擬計算該目標經濟微藻最優生長情況及其對應每日所需耗碳量；

其中，生長及耗碳動力學模型為：

w＝w₀e^μt

C＝C₀-ΔC

式中：μ和μ_max分別為比生長速率和最大比生長速率，單位為d^-1；w及w₀分別為微藻生物量及起始生物量，單位為g L^-1；Y_w/C為得率系數，單位為g mol^-1；K_C為半飽和常數，單位為molL^-1；C及ΔC分別為總碳濃度和總碳消耗量，單位為mol L^-1；

1.6)根據目標最終生物量或目標培養周期，確定最大日耗碳量，根據最大日耗碳量計算CO₂傳質系數，作為該目標經濟微藻所需的CO₂傳質目標值；

2)確定連續通氣條件下，維持培養體系最優pH值所需的碳酸鹽的投加量以及CO₂混合氣濃度；

所述步驟2)中，碳酸鹽的投加量以及CO₂混合氣濃度最優值的確定方法，包括以下步驟：

2.1)根據待培養目標經濟微藻種類確定其最優pH值；

2.2)根據待培養目標經濟微藻種類確定其對碳酸鹽濃度的耐受范圍；

2.3)根據得到的最優pH值以及碳酸鹽濃度耐受范圍，采用平衡pH模型模擬計算最優pH值條件下，碳酸鹽濃度耐受范圍內各碳酸鹽濃度值對應的CO₂混合氣濃度值，得到多組參數；

所述步驟2.3)中，所述平衡pH模型為：

pH^*＝7.6543+0.4063ln([NaHCO₃]_mol/L)-0.4551ln(CO₂％)，

式中，pH^*代表溶解平衡時的pH值，即平衡pH；[NaHCO₃]代表NaHCO₃濃度；CO₂％代表CO₂混合氣濃度；

2.4)根據實際培養條件，對步驟2.3)中得到的參數組進一步篩選，得到維持培養體系最優pH值的CO₂混合氣濃度和碳酸鹽濃度的最優參數，進行目標經濟微藻的培養；

3)基于確定的CO₂傳質目標值、CO₂混合氣濃度和碳酸鹽濃度，計算得到采用微泡生物反應器進行目標經濟微藻培養時其結構及操作參數的最優值，用于指導目標經濟微藻的培養；

所述步驟3)中，所采用的微泡光生物反應器包括具有預定容積的光生物反應器主體、可控粒徑微泡發生裝置、導流裝置、以及光照系統；所述可控粒徑微泡發生裝置設置在所述光生物反應器主體底部，用于提供經濟微藻培養所需的碳傳質和循環動力，同時解析溶氧；所述導流裝置懸掛設置在所述光生物反應器主體內部，用于促進液體循環及微泡傳質；所述光照系統設置在所述光生物反應器主體外側或內部，用于根據特定經濟微藻需求提供其生長最優波長及光暗頻率；

所述光生物反應器主體為管狀或板狀結構；

所述可控粒徑微泡發生裝置包括可拆卸底座、微孔陶瓷膜片和環形固定片；所述可拆卸底座包括基板和設置在所述基板上的腔體，所述基板上設置有用于與所述光生物反應器主體底部側壁螺栓連接的底座緊固螺紋，所述腔體上設置有用于與卸流閥門連接的卸流端螺紋；所述腔體上部中央設置有一圓錐形凹槽，所述圓錐形凹槽中部設置有貫穿所述腔體上、下兩端的進氣口，所述進氣口下端與設置在所述基板中部的變徑進氣嘴相連，所述變徑進氣嘴的另一端依次通過進氣閥門、進氣管道與CO₂混合氣相連；所述微孔陶瓷膜片通過所述環形固定片固定設置在所述圓錐體凹槽上，所述微孔陶瓷膜片下表面與所述圓錐體凹槽之間形成用于氣體積累增壓的弧形氣腔，所述微孔陶瓷膜片的側面與所述圓錐體凹槽之間預留有用于氣體流通的間隙；

所述導流裝置通過設置在其上、下兩端的導流裝置支點懸掛設置在所述光生物反應器主體腔體內部，所述導流裝置將所述光生物反應器主體腔體內部劃分為上升區和下降區，所述上升區是指位于所述導流裝置內部的所述光生物反應器主體腔體部分，所述下降區是指位于所述導流裝置外部的所述光生物反應器主體腔體部分；

所述步驟3)中，采用微泡生物反應器進行目標經濟微藻培養時其結構及操作參數的最優值的確定方法，包括以下步驟：

3.1)確定微泡光生物反應器的具體結構參數以及操作參數的預設取值范圍，包括微泡直徑d_B取值范圍、反應器高徑比H/D取值范圍、液體下降區面積與上升區面積比A_d/A_r的取值范圍、光的穿透范圍L及占地面積的取值范圍；

3.2)針對不同微泡直徑d_B，在不同微泡氣通量Q及不同反應器高徑比H/D條件下，對微泡光生物反應器進行傳質性能測試，得到其傳質模型；

所述傳質模型為：

式中，H/D為反應器高徑比；d_B為微泡直徑，單位為μm；Q為微泡氣通量，單位為L min^-1；V_L為培養體積，單位為L；K_La代表CO₂傳質系數，單位為min^-1；α為一經驗系數，其值為6×10⁶；

3.3)根據目標培養體積、CO₂傳質系數目標值、經驗系數α、傳質模型，以微泡直徑和高徑比的取值范圍為基礎，得到滿足微泡氣通量篩選條件的微泡直徑和高徑比取值范圍及其對應的微泡氣通量數據作為第一參數集合；

3.4)分別以液體下降區面積與上升區面積比的預設取值范圍以及第一參數集合中高徑比的取值范圍為基礎，得到滿足反應器結構篩選條件的反應器有效高度、反應器直徑、導流筒直徑以及導流筒與反應器主體的間距數據作為第二參數集合；

3.5)根據實際培養條件，對步驟3.3)和步驟3.4)中的第一、第二兩參數集合進一步優選，得到微泡光生物反應器結構和操作的最優參數組。