[發(fā)明專(zhuān)利]光生物反應(yīng)器和光合微生物的培養(yǎng)方法及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010060654.9
• 申請(qǐng)日: 2020-01-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113136342B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱俊英;榮峻峰;宗保寧;李煦;程琳;郄鳳翔;管炳偉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)石油化工股份有限公司;中國(guó)石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院
• 主分類(lèi)號(hào): C12N1/12
• 分類(lèi)號(hào): C12N1/12;C12N1/20;C12M1/00;C12M1/04;C12R1/01;C12R1/89
• 代理公司: 北京潤(rùn)平知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11283
• 代理人: 劉國(guó)平;顧映芬

本發(fā)明涉及微藻培養(yǎng)領(lǐng)域，具體涉及封閉式光生物反應(yīng)器和光合微生物的培養(yǎng)方法及其應(yīng)用。該光合微生物的培養(yǎng)方法包括：在封閉式光生物反應(yīng)器中，在曝氣和光照下，將光合微生物進(jìn)行無(wú)菌培養(yǎng)；所述封閉式光生物反應(yīng)器中設(shè)置有光照裝置和曝氣裝置，所述光照裝置包括柱式光源，所述曝氣裝置包括曝氣管；所述曝氣管的至少部分曝氣孔朝向柱式光源，以使得曝氣孔出來(lái)的氣泡吹掃柱式光源表面。本發(fā)明的光合微生物養(yǎng)殖方法，不但能提高光合微生物的光照強(qiáng)度，而且可以通過(guò)氣源在補(bǔ)氣的同時(shí)推動(dòng)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，既能節(jié)約攪拌的能耗，還能降低藻細(xì)胞在光源表面附著的機(jī)率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微藻培養(yǎng)領(lǐng)域，具體涉及光生物反應(yīng)器和光合微生物的培養(yǎng)方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

微藻是一類(lèi)在水中生長(zhǎng)的種類(lèi)繁多且分布極其廣泛的低等植物，它可以自養(yǎng)生長(zhǎng)，是由陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞工廠。其通過(guò)微藻細(xì)胞高效的光合作用，吸收CO₂，將光能轉(zhuǎn)化為脂肪或淀粉等碳水化合物的化學(xué)能，并放出O₂。利用微藻生產(chǎn)生物能源與化學(xué)品有望同時(shí)達(dá)到替代化石能源、減少CO₂排放等目的。由于微藻具有極高的生產(chǎn)效率，所以近年來(lái)得到人們的廣泛關(guān)注。除此之外，部分微藻可以像細(xì)菌那樣利用有機(jī)碳源進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率可以提高十幾倍甚至幾十倍，主要在發(fā)酵罐中進(jìn)行養(yǎng)殖。除了上述兩種營(yíng)養(yǎng)方式外，部分微藻還可以進(jìn)行光能兼養(yǎng)生長(zhǎng)，即同時(shí)利用光能和有機(jī)碳源中的化學(xué)能進(jìn)行生長(zhǎng)，同時(shí)利用CO₂和有機(jī)碳源進(jìn)行生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率高于自養(yǎng)和異養(yǎng)。微藻光能兼養(yǎng)也稱(chēng)為混合營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)，能促進(jìn)許多微藻的生長(zhǎng)及其蛋白質(zhì)的合成，同時(shí)因其具有縮短培養(yǎng)周期、實(shí)現(xiàn)細(xì)胞高密度培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)，已成為微藻培養(yǎng)的新技術(shù)，在生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)上具有重要意義。

成本是微藻養(yǎng)殖的核心問(wèn)題，微藻兼養(yǎng)培養(yǎng)成本主要包括兩方面，一是有機(jī)碳源的消耗；二是反應(yīng)器成本高。有機(jī)碳源是微藻異養(yǎng)或兼養(yǎng)養(yǎng)殖成本中較大的一部分費(fèi)用。為了降低微藻的生長(zhǎng)成本，國(guó)外學(xué)者研究了葡萄糖、醋酸、乳酸、甘油、甘氨酸等對(duì)微茫藻、三角褐指藻、蛋白核小球藻、螺旋藻等生長(zhǎng)的影響及生物活性物質(zhì)的積累，研究結(jié)果表明，適當(dāng)濃度的可溶性有機(jī)物有利于微藻的生長(zhǎng)和活性物質(zhì)的積累。

然而，微藻兼養(yǎng)常在發(fā)酵罐中進(jìn)行，而發(fā)酵罐自身成本及運(yùn)行能耗較高，如何降低反應(yīng)器成本和運(yùn)行能耗是降低微藻兼養(yǎng)培養(yǎng)成本的一個(gè)關(guān)鍵因素。同時(shí)，微藻兼養(yǎng)培養(yǎng)需要提供有機(jī)碳源，有機(jī)碳源會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)體系中細(xì)菌大量繁殖，不但消耗了有機(jī)碳源還影響了藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，而發(fā)酵罐是相對(duì)成熟的可以原位滅菌的設(shè)備，因此是常用于細(xì)菌、酵母和微藻等的異養(yǎng)或兼養(yǎng)培養(yǎng)。攪拌是發(fā)酵罐過(guò)程能耗中較高的一部分，而且隨著發(fā)酵罐體積的增大，這部分的能耗會(huì)顯著增加。

2013年時(shí)Kirrolia?et?al(Renewable?and?Sustainable?Energy?Reviews?20：642–656)對(duì)開(kāi)放式跑道池、光生物反應(yīng)器和發(fā)酵罐三種不同養(yǎng)殖模式下微藻的成本進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明，三種養(yǎng)殖模式下生產(chǎn)單位質(zhì)量的油脂的成本分別是7.64美元、24.6美元和1.54美元，生產(chǎn)單位質(zhì)量的微藻生物質(zhì)的成本分別是1.54美元、7.32美元和1.02美元。雖然微藻在發(fā)酵罐中養(yǎng)殖需要添加有機(jī)碳源，但生產(chǎn)成本并未提高，這可能是由于，微藻在發(fā)酵罐中高效率生長(zhǎng)，縮短了微藻生產(chǎn)周期，減小了生產(chǎn)單位質(zhì)量微藻的人工費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)、占地費(fèi)等其它費(fèi)用，從而降低了微藻生產(chǎn)成本。

目前發(fā)酵罐常用于異養(yǎng)培養(yǎng)微生物，一般沒(méi)有光源，微藻兼養(yǎng)培養(yǎng)需要光源，而發(fā)酵罐中的補(bǔ)光常受到操作以及空間的限制，發(fā)酵罐體積越大，攪拌裝置占的空間越大，導(dǎo)致發(fā)酵罐中補(bǔ)光嚴(yán)重不足，尤其當(dāng)藻細(xì)胞密度較大時(shí)，每個(gè)藻細(xì)胞能獲得的光照非常低。另一方面，藻細(xì)胞容易吸附在光源表面，進(jìn)一步的降低了光照強(qiáng)度，致使光照發(fā)酵罐中光照嚴(yán)重不足。

CN206706077U公開(kāi)了一種新型光照玻璃發(fā)酵罐，其通過(guò)在發(fā)酵罐外設(shè)置光源。CN202030744U公開(kāi)了一種光合培養(yǎng)發(fā)酵罐，其在發(fā)酵罐中添置多根玻璃管，并在每根玻璃管中添置數(shù)個(gè)光源。CN207062270U公開(kāi)了一種微生物培養(yǎng)用藍(lán)光光照發(fā)酵罐，其通過(guò)在空心攪拌槳中設(shè)置燈帶。這些專(zhuān)利雖然提供了多種新型光照發(fā)酵罐，但仍存在光照不足和光合生物貼壁的現(xiàn)象。