[發明專利]一種用于經濟微藻培養的微泡光生物反應器

有效

• 申請號: 201810168434.0
• 申請日: 2018-02-28
• 公開（公告）號: CN108359580B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 蔡中華;應軻臻;周進;陶益;劉小寧
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳國際研究生院
• 主分類號: C12M1/00
• 分類號: C12M1/00;C12M1/24;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

本發明涉及一種用于經濟微藻培養的微泡光生物反應器，其特征在于：其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LED波頻雙變光照系統；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LED波頻雙變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。本發明結構簡單，操作方便，可以廣泛應用于經濟微藻的培養中。

技術領域

本發明屬于生物工程領域，特別是涉及一種用于經濟微藻培養的微泡光生物反應器。

背景技術

經濟微藻因富含多種生物活性物質，在食品、水產養殖、醫藥、美容、生物能源等行業具有廣泛的應用。例如小球藻可以應用于單細胞蛋白生產；三角褐指藻被應用于海參養殖育苗；而雨生紅球藻因其富含蝦青素，具有強大的抗氧化能力，在保健品，化妝品，醫藥行業擁有廣闊市場。因此，經濟微藻生物質能產業是各國爭先發展的新型產業。而要實現經濟微藻生物質能產業的快速發展，首要條件是低成本且高效地獲取高密度生物量。

目前經濟微藻的主要培養方式為露天培養和光生物反應器培養。傳統的露天培養由于可控性不高、占地面積大、易染菌等缺點，使得微藻培養工藝的研發趨勢慢慢推向了光生物反應器。相比露天培養，光生物反應器培養具有培養條件可控性高、占地面積小、操作靈活、產率高及適合單一性培養等特點，尤其受到經濟微藻培養的青睞。但是傳統光生物反應器培養仍然面臨著供碳不足、溶氧堆積、光能利用率低等技術瓶頸。具體體現如下：

(a)、光能利用率低：在較高細胞濃度時，易發生藻間遮蔽效應，使得藻細胞對光源的利用變得十分有限，從而難以實現經濟微藻的高密度培養。

(b)、CO₂供給不足：微藻的供碳主要通過通入一定比例的CO₂氣體來實現，而在實際培養過程中，CO₂的供給并不能滿足微藻最優生長的需求。有研究顯示微藻對CO₂的吸收速度高達0.2～0.3×10^-4mol/L/min。而傳統曝氣方式的CO₂傳質速率僅為0.4×10^-7～0.7×10^-5mol/L/min，遠不能滿足微藻對溶解CO₂的需求。因此，即使光照充足，如果反應器達不到充足的CO₂供給，同樣無法使得微藻最優生長。

(c)、溶氧積累嚴重：微藻的光合放氧速率可達0.3×10^-4mol/L，而傳統鼓氣對O₂的吹脫速率只有約0.16×10^-4mol/L/min，小于微藻的光合放氧速率。因此，在密閉培養中容易發生溶氧的累積，造成溶氧過飽和從而抑制藻類生長。

關于光能利用率的優化，目前的主要思路包括光源的改進和光路的縮短。例如Bourgoin等(專利號US20130029404A1)將由光伏電池組成的照明隔板置于光生物反應器中心，為不同微藻品種提供生長所需波長。Bazaire等(專利號US20090203116A1)通過內置光纖為反應器提供360度光照。Friederich等(專利號US20140073035A1)通過導光管將外置LED光源產生的光通量收集并導入光生物反應器內部，為培養提供光照。黃旭雄等(專利號CN104651215A)通過減小光生物反應器內徑，并內置LED燈帶的方式，實現節能、縮短光程、提高光能利用率等目的。除此之外，還有許多類似的設計，在一定程度上提高了反應器的光能利用率。然而這些設計并沒有從根本上解決高濃度時藻間遮蔽的問題，此外，在傳統CO₂供給不能滿足微藻快速生長所需的條件下，光源或光路的優化并不能真正有效地提高光能利用率，相反過剩的光照可能導致微藻光呼吸作用從而影響生物質產量。