一種基于固態(tài)半干貼壁技術(shù)的微藻培養(yǎng)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于固態(tài)半干貼壁技術(shù)的微藻培養(yǎng)方法，其步驟為：將微藻細(xì)胞接種于固態(tài)材料，將接種后的固態(tài)材料置于反應(yīng)器內(nèi)部；在反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置產(chǎn)生溫度差的冷凝裝置；密封反應(yīng)器，將反應(yīng)器置于光照下，并通入培養(yǎng)所需氣體；反應(yīng)器內(nèi)部逐漸形成蒸汽飽和環(huán)境，蒸汽冷凝在溫差裝置上，形成液態(tài)水；液態(tài)水通過重力滴落、毛細(xì)擴(kuò)散、人工轉(zhuǎn)移的方式定位凝結(jié)潤(rùn)濕微藻培養(yǎng)表面，然后重新蒸發(fā)成氣態(tài)進(jìn)入反應(yīng)器空腔；反應(yīng)器內(nèi)部水分循環(huán)連續(xù)進(jìn)行，帶走微藻培養(yǎng)表面的高溫并維持濕潤(rùn)。本發(fā)明專利技術(shù)通過連續(xù)不斷的水分循環(huán)，保持了培養(yǎng)表面濕潤(rùn)，維持了微藻細(xì)胞溫度適宜，使系統(tǒng)水足跡極大降低。

Method for culturing microalgae based on solid semi dry wall sticking technology

The invention discloses a solid semi dry wall technology of microalgae culture based method, which comprises the following steps: inoculating the algae cells in solid materials, solid material will be placed inside the reactor after inoculation; condensation temperature difference device arranged in the reactor; sealing the reactor, the reactor was put in the light, and pass into the training required for gas; the reactor gradually saturated steam condensation in steam environment, thermoelectric device, liquid water; liquid water by positioning the gravity dripping, capillary diffusion and artificial transfer of microalgae culture condensation wetting surface, and then re evaporated into gas into the reactor cavity inside the reactor water; cycle continuously, take away heat and keep the microalgae culture moist. The invention keeps the culture surface moist through continuous water circulation, maintains the appropriate temperature of the microalgae cell, and greatly reduces the water footprint of the system.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于微藻培養(yǎng)領(lǐng)域，尤其是一種基于固態(tài)半干貼壁技術(shù)的微藻培養(yǎng)方法。
技術(shù)介紹
微藻是指能夠進(jìn)行光合作用的水生浮游藻類。某些微藻本身富含蛋白質(zhì)，可以作為水產(chǎn)餌料或畜禽飼料(如螺旋藻)；更重要的，某些微藻在特定條件下能夠大量合成次生代謝物，如油脂、類胡蘿卜素、多糖等，這些物質(zhì)往往是具有極高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的生物活性物質(zhì)，可以被用在功能食品、食品添加劑、制藥、生物能源等領(lǐng)域。特別是通過微藻大規(guī)模培養(yǎng)提取微藻油脂，進(jìn)而轉(zhuǎn)化生產(chǎn)生物柴油被認(rèn)為是解決生物能源生產(chǎn)與固碳減排的最重要途徑之一。目前，在全球范圍內(nèi)，微藻生物技術(shù)已經(jīng)迅速形成了一條規(guī)模巨大的完整產(chǎn)業(yè)鏈，其中的規(guī)模培養(yǎng)是重要環(huán)節(jié)。目前的工業(yè)化微藻培養(yǎng)均采用液體浸沒式培養(yǎng)，主要包括開放式培養(yǎng)池與密閉式光生物反應(yīng)器(photobioreactor,PBR)兩種形式。開放式培養(yǎng)池的優(yōu)點(diǎn)在于建造和運(yùn)行的成本較低。但由于開放池的光照面積/體積比較小，液體表面與下部混合較差，只有表層藻細(xì)胞能夠接受較充足的光照，池底細(xì)胞往往難以接受到充分光照；其次，開放池培養(yǎng)運(yùn)行水深較淺，一般只有5-30厘米，使得通氣補(bǔ)碳時(shí)氣液接觸時(shí)間短，補(bǔ)碳效率低，培養(yǎng)液中溶解二氧化碳(CO2)的不足使光合作用受到抑制。因此開放池培養(yǎng)的細(xì)胞生長(zhǎng)速度與培養(yǎng)密度均較低。PBR一般是采用透光材料(如玻璃、有機(jī)玻璃、塑料薄膜等)制成的細(xì)薄結(jié)構(gòu)，由于光徑小、培養(yǎng)體系光照面積/體積比較大，所以細(xì)胞光照較充分。同時(shí)，補(bǔ)碳?xì)怏w與液體接觸時(shí)間長(zhǎng)，培養(yǎng)液溶解CO2濃度較高，因而細(xì)胞生長(zhǎng)速度與培養(yǎng)密度均較開放培養(yǎng)池高。但PBR通常造價(jià)昂貴、運(yùn)行成本高、維護(hù)困難、難于大型化。針對(duì)這一問題在申請(qǐng)?zhí)?01010250866.X一種用于微藻工業(yè)化生產(chǎn)的半干固態(tài)培養(yǎng)方法的專利中提出了一種新型的微藻半干貼壁培養(yǎng)方法。該方法通過將藻細(xì)胞附著在人工材料的方法實(shí)現(xiàn)了高密度養(yǎng)殖，同時(shí)通過反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了光能的稀釋，從而避免了光抑制帶來的光能損失。大量室內(nèi)、室外實(shí)驗(yàn)表明，該方法的生物量產(chǎn)量能夠達(dá)到50～80gm-2d-1，是傳統(tǒng)跑道池系統(tǒng)的4～7倍，是目前光能利用效率較高的微藻培養(yǎng)方式。但是，對(duì)于微藻半干貼壁培養(yǎng)方法還有一些問題沒有解決，這其中尤以水耗問題最為突出。目前的貼壁培養(yǎng)系統(tǒng)其水耗非常大，這主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先是蒸發(fā)量過大。由于其實(shí)特殊的多層陣列式結(jié)構(gòu)，該培養(yǎng)體系內(nèi)與空氣直接接觸的培養(yǎng)表面往往是相同占地面積跑道池的數(shù)倍至十倍，導(dǎo)致蒸發(fā)量較普通跑道池大幅增加；其次，系統(tǒng)保留水過多。由于現(xiàn)有的系統(tǒng)需要通過管道系統(tǒng)循環(huán)起來，所以必須保留一定量的富余水體在外部蓄水池中，否則相關(guān)水泵無法正常工作。我國(guó)是十分缺水的國(guó)家，人均水資源占有量遠(yuǎn)低于世界平均水平，這一基本國(guó)情導(dǎo)致高耗水產(chǎn)業(yè)很難有發(fā)展前途。即使大部分水可以通過各種技術(shù)重復(fù)利用，但其間的人力物力消耗十分巨大，事實(shí)上，目前的微藻養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，廢水回用大多還只是一句口號(hào)。此外，高水耗更成了限制微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的緊箍咒。我國(guó)水資源(包括淡水、海水)比較豐富的地區(qū)集中在南方、沿海一帶，但這些地區(qū)往往是人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、寸土寸金的地區(qū)，而且氣候條件濕潤(rùn)、多陰雨，并不適合發(fā)展微藻產(chǎn)業(yè)；相反廣大西部地區(qū)地廣人稀、日照充沛，但由于水資源極其缺乏，微藻反而沒有用武之地。可見要想充分釋放微藻在各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的潛力、切實(shí)推動(dòng)微藻產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展，降低培養(yǎng)過程的水耗是必須解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于固態(tài)半干貼壁技術(shù)的微藻培養(yǎng)方法。該方法可以減少水分的蒸發(fā)量，省略以往必須保留水量的管道循環(huán)系統(tǒng)，降低系統(tǒng)水足跡。本專利技術(shù)的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種基于固態(tài)半干貼壁技術(shù)的微藻培養(yǎng)方法，其步驟為：(1)是將微藻細(xì)胞接種于固態(tài)材料，將接種后的固態(tài)材料置于反應(yīng)器內(nèi)部；(2)在反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置產(chǎn)生溫度差的冷凝裝置；(3)密封反應(yīng)器，將反應(yīng)器置于光照下，并通入培養(yǎng)所需氣體；(4)反應(yīng)器內(nèi)部逐漸形成蒸汽飽和環(huán)境，蒸汽冷凝在溫差裝置上，形成液態(tài)水；(5)液態(tài)水通過重力滴落、毛細(xì)擴(kuò)散、人工轉(zhuǎn)移的方式定位凝結(jié)潤(rùn)濕微藻培養(yǎng)表面，然后重新蒸發(fā)成氣態(tài)進(jìn)入反應(yīng)器空腔；(6)反應(yīng)器內(nèi)部水分循環(huán)連續(xù)進(jìn)行，帶走微藻培養(yǎng)表面的高溫并維持濕潤(rùn)。優(yōu)選的，所述步驟(1)中的微藻，包括但不限于：擬微擬球藻、小球藻、柵藻、三角褐指藻、金藻、杜氏藻、藍(lán)藻。優(yōu)選的，所述步驟(1)的固態(tài)材料是指對(duì)微藻細(xì)胞無毒或毒性輕微的，具一定存液能力的多孔性吸水材料，包括各類濾紙、濾布、海綿、塑料泡沫、纖維織物材料。優(yōu)選的，所述步驟(1)的接種方式可以是任何能夠使微藻細(xì)胞存在于固態(tài)材料表面和/或內(nèi)部的途徑、方法，包括但不限于：浸沒、噴撒、過濾、涂抹、注射等。優(yōu)選的，所述步驟(2)中的產(chǎn)生溫差的冷凝裝置為兩端連接制冷機(jī)的中空鋼管，所述中空鋼管的數(shù)量不少于1根，其中每根中空鋼管的兩端均與制冷機(jī)相連，制冷介質(zhì)在中空鋼管內(nèi)部和制冷機(jī)中循環(huán)流動(dòng)。優(yōu)選的，所述制冷介質(zhì)為2-10℃的冷卻水或預(yù)冷空氣。優(yōu)選的，所述制冷介質(zhì)4℃的冷卻水或預(yù)冷空氣。優(yōu)選的，所述步驟(3)中的光照條件為室外光照下或室內(nèi)人工光照下。優(yōu)選的，所述步驟(3)中的氣體為混合有1.5％(V/V)二氧化碳的壓縮空氣。優(yōu)選的，所述步驟(3)中的氣體為煙道氣。本專利技術(shù)基于現(xiàn)有的固態(tài)半干貼壁技術(shù)，對(duì)微藻生物量增殖及次生代謝物積累的半干固態(tài)培養(yǎng)方法中，水分供給方式進(jìn)行改造，其核心內(nèi)容是將培養(yǎng)表面密閉在一個(gè)腔室內(nèi)，利用溫度差在反應(yīng)器內(nèi)部使水蒸汽定位凝結(jié)潤(rùn)濕微藻培養(yǎng)表面，然后重新蒸發(fā)返回反應(yīng)器空腔。本專利技術(shù)中冷凝、潤(rùn)濕、重新蒸發(fā)的步驟是在微藻培養(yǎng)過程中連續(xù)、順次進(jìn)行的。本專利技術(shù)中所述的溫度差是指通過特定裝置，使密閉容器內(nèi)部特定區(qū)域的溫度不高于反應(yīng)器內(nèi)水蒸氣凝結(jié)溫度(露點(diǎn))。本專利技術(shù)中所述定位凝結(jié)潤(rùn)濕微藻培養(yǎng)表面是指凝結(jié)的水分通過重力滴落、毛細(xì)擴(kuò)散、人工轉(zhuǎn)移等方法分布于培養(yǎng)表面，使其上的微藻細(xì)胞保持濕潤(rùn)但不脫離培養(yǎng)表面的狀態(tài)。本專利技術(shù)中所述重新蒸發(fā)是指培養(yǎng)表面用來潤(rùn)濕微藻的水分通過吸收反應(yīng)器空腔熱量、吸收光源輻射熱量或人工加熱等方式，重新變成氣態(tài)回到反應(yīng)器空腔的過程。本專利技術(shù)采用密閉腔室的結(jié)構(gòu)，能夠有效地解決現(xiàn)有技術(shù)中水分蒸發(fā)量過大的問題，使水分能夠通過冷凝的方式，循環(huán)再利用，一方面通過水分蒸發(fā)維持了微藻細(xì)胞的溫度，保持了培養(yǎng)表面濕潤(rùn)，另一方面通過冷凝回流降低了水分的蒸發(fā)消耗量，減少了原有系統(tǒng)內(nèi)過多的保留水，省略了培養(yǎng)裝置中設(shè)置的保水管道，降低成本。本專利技術(shù)的有益效果是，本專利技術(shù)的核心是利用溫度差在反應(yīng)器內(nèi)部使水蒸汽定位凝結(jié)潤(rùn)濕微藻培養(yǎng)表面，然后重新蒸發(fā)返回反應(yīng)器空腔，通過這種連續(xù)不斷的水分循環(huán)，既保持了培養(yǎng)表面濕潤(rùn)，又維持了微藻細(xì)胞溫度適宜。由于整個(gè)體系密封，所以水分蒸發(fā)損耗極大減少；由于利用了水的狀態(tài)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了定位補(bǔ)水，所以以往必須的管道保留水量可以完全省略，使系統(tǒng)水足跡極大降低。本專利技術(shù)將密封體系和冷凝裝置結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了水分在培養(yǎng)體系內(nèi)部的狀體轉(zhuǎn)換并定位冷凝在固態(tài)培養(yǎng)材料上以潤(rùn)濕細(xì)胞，從而徹底解決了微藻培養(yǎng)耗水量巨大的問題。本專利技術(shù)有利于降低微藻培養(yǎng)的設(shè)備成本和運(yùn)行成本。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)進(jìn)一步說明。一種基于固態(tài)半干貼壁技術(shù)的微藻培養(yǎng)方法，本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于固態(tài)半干貼壁技術(shù)的微藻培養(yǎng)方法，其特征在于，其步驟為：(1)是將微藻細(xì)胞接種于固態(tài)材料，將接種后的固態(tài)材料置于反應(yīng)器內(nèi)部；(2)在反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置產(chǎn)生溫度差的冷凝裝置；(3)密封反應(yīng)器，將反應(yīng)器置于光照下，并通入培養(yǎng)所需氣體；(4)反應(yīng)器內(nèi)部逐漸形成蒸汽飽和環(huán)境，蒸汽冷凝在溫差裝置上，形成液態(tài)水；(5)液態(tài)水通過重力滴落、毛細(xì)擴(kuò)散、人工轉(zhuǎn)移的方式定位凝結(jié)潤(rùn)濕微藻培養(yǎng)表面，然后重新蒸發(fā)成氣態(tài)進(jìn)入反應(yīng)器空腔；(6)反應(yīng)器內(nèi)部水分循環(huán)連續(xù)進(jìn)行，帶走微藻培養(yǎng)表面的高溫并維持濕潤(rùn)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于固態(tài)半干貼壁技術(shù)的微藻培養(yǎng)方法，其特征在于，其步驟為：(1)是將微藻細(xì)胞接種于固態(tài)材料，將接種后的固態(tài)材料置于反應(yīng)器內(nèi)部；(2)在反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置產(chǎn)生溫度差的冷凝裝置；(3)密封反應(yīng)器，將反應(yīng)器置于光照下，并通入培養(yǎng)所需氣體；(4)反應(yīng)器內(nèi)部逐漸形成蒸汽飽和環(huán)境，蒸汽冷凝在溫差裝置上，形成液態(tài)水；(5)液態(tài)水通過重力滴落、毛細(xì)擴(kuò)散、人工轉(zhuǎn)移的方式定位凝結(jié)潤(rùn)濕微藻培養(yǎng)表面，然后重新蒸發(fā)成氣態(tài)進(jìn)入反應(yīng)器空腔；(6)反應(yīng)器內(nèi)部水分循環(huán)連續(xù)進(jìn)行，帶走微藻培養(yǎng)表面的高溫并維持濕潤(rùn)。2.如權(quán)利要求1所述的一種基于固態(tài)半干貼壁技術(shù)的微藻培養(yǎng)方法，其特征在于，所述步驟(1)中的微藻包括但不限于：擬微擬球藻、小球藻、柵藻、三角褐指藻、金藻、杜氏藻、藍(lán)藻。3.如權(quán)利要求1所述的一種基于固態(tài)半干貼壁技術(shù)的微藻培養(yǎng)方法，其特征在于，所述步驟(1)中的固態(tài)材料是指對(duì)微藻細(xì)胞無毒或毒性輕微的，具一定存液能力的多孔性吸水材料，包括各類濾紙、濾布、海綿、塑料泡沫、纖維織物材料。4.如權(quán)利要求1所述的一種基于固態(tài)半干貼壁技術(shù)的微藻培養(yǎng)方法，其特征在于，所述步驟(1)中的接種方式可...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王俊峰，劉天中，陳林，汪輝，張維，程文濤，周文俊，高莉麗，唐偉偉，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：山東;37