自適應(yīng)式微藻光生物反應(yīng)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光生物反應(yīng)系統(tǒng)及方法，具體涉及一種自適應(yīng)式微藻光生物反應(yīng)系統(tǒng)及營養(yǎng)物質(zhì)自動(dòng)補(bǔ)充的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在環(huán)境污染和能源短缺的大背景下，微藻作為一種單細(xì)胞微生物，可利用電廠廢氣中的二氧化碳作為生長(zhǎng)底物，在實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的同時(shí)通過其自身的生化代謝反應(yīng)產(chǎn)生脂肪酸、蛋白質(zhì)、維生素、DHA等諸多高附加值產(chǎn)物。其中，脂肪酸可通過轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)生成生物柴油，在一定程度上緩解能源短缺的壓力；而蛋白質(zhì)、維生素、DHA等物質(zhì)可通過進(jìn)一步加工轉(zhuǎn)化為對(duì)人類具有極高價(jià)值的生物醫(yī)藥及營養(yǎng)品。因此，微藻因具有很高的應(yīng)用價(jià)值而受到了越來越廣泛的關(guān)注。
[0003]在微藻的生長(zhǎng)過程中，氮、磷、鉀、鎂等無機(jī)鹽離子是微藻生長(zhǎng)所必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)。氮離子(主要為硝酸根、銨根及尿素等)是微藻細(xì)胞內(nèi)多種酶及核酸、蛋白質(zhì)等的重要組成成分。氮元素被微藻細(xì)胞同化后會(huì)轉(zhuǎn)化成細(xì)胞骨架上的α-氨基酸，直接參與微藻細(xì)胞骨架的構(gòu)建。磷元素(主要為磷酸鹽形式)也是藻細(xì)胞內(nèi)諸多大分子和細(xì)胞膜的重要組成成分。而鉀、鎂等離子會(huì)通過影響微藻細(xì)胞內(nèi)葉綠素及多種酶的含量和成分而間接影響微藻細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝。因此，氮、磷、鉀、鎂等離子對(duì)微藻的生長(zhǎng)代謝起到了極其重要的作用。
[0004]目前，微藻工業(yè)化培養(yǎng)主要有連續(xù)培養(yǎng)和批次培養(yǎng)等模式。連續(xù)培養(yǎng)即定期收獲一定量的微藻，并補(bǔ)充相同量的新鮮培養(yǎng)基。這種培養(yǎng)模式會(huì)產(chǎn)生較大的后期收獲成本。批次培養(yǎng)即一次性加入一定量的氮、磷、鉀、鎂營養(yǎng)物質(zhì)供微藻生長(zhǎng)，中間不再添加營養(yǎng)物質(zhì)，待微藻生長(zhǎng)到一定階段后即對(duì)其進(jìn)行采收。該培養(yǎng)模式下，若在前期加入適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)(即目前采用較多的SE、BGll等培養(yǎng)基)，則隨著微藻生物質(zhì)濃度的增加和營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，在微藻生長(zhǎng)的中后期較低的營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較為嚴(yán)重的生長(zhǎng)限制；而如果在前期一次性加入大量的營養(yǎng)物質(zhì)，又會(huì)對(duì)前期低濃度的微藻產(chǎn)生較強(qiáng)的生長(zhǎng)抑制作用。
[0005]因此，一種高效合理的營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)方式和裝置有望大大提高微藻的最大生物質(zhì)濃度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種自適應(yīng)式微藻光生物反應(yīng)系統(tǒng)及方法。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的第一個(gè)技術(shù)方案是:自適應(yīng)式微藻光生物反應(yīng)系統(tǒng)，包括中間腔室、左耳室和右耳室；
[0008]其特點(diǎn)是:左耳室和右耳室分別設(shè)置在中間腔室的左、右側(cè)，中間腔室與左耳室和右耳室之間分別設(shè)置有陰離子交換膜和陽離子交換膜，以使左耳室和右耳室中的營養(yǎng)補(bǔ)給液分別通過陰離子交換膜和陽離子交換膜滲透入中間腔室中；左耳室和右耳室的底部均設(shè)置有進(jìn)液口，左耳室和右耳室的頂部均設(shè)置有出液口 ；中間腔室內(nèi)設(shè)置有微藻培養(yǎng)液；中間腔室頂部的中心位置設(shè)置有出氣孔，排氣管通過出氣孔插入中間腔室內(nèi)；中間腔室頂部的左、右端均設(shè)置有曝氣孔，第一曝氣管和第二曝氣管分別通過曝氣孔插入中間腔室內(nèi)；中間腔室內(nèi)位于第一曝氣管和第二曝氣管之間設(shè)置有第一導(dǎo)流板和第二導(dǎo)流板，第一導(dǎo)流板和第二導(dǎo)流板與中間腔室的左、右側(cè)相平行。
[0009]根據(jù)本發(fā)明所述的自適應(yīng)式微藻光生物反應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)選方案，該系統(tǒng)還包括氣體源和氣體流通管路；氣體源中的氣體通過氣體流通管路和第一曝氣管以及第二曝氣管曝入微藻培養(yǎng)液內(nèi)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明所述的自適應(yīng)式微藻光生物反應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)選方案，該系統(tǒng)還包括蠕動(dòng)栗和儲(chǔ)液器；營養(yǎng)供給液通過蠕動(dòng)栗以及營養(yǎng)供給液進(jìn)液口注入左耳室和右耳室內(nèi)。
[0011]本發(fā)明的第二個(gè)技術(shù)方案是:利用自適應(yīng)式微藻光生物反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行營養(yǎng)物質(zhì)自動(dòng)補(bǔ)充的方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0012]第一步:將微藻培養(yǎng)基在高壓滅菌鍋內(nèi)進(jìn)行高壓蒸汽滅菌30?60min，并將集成系統(tǒng)在紫外線照射下滅菌24?48h ;
[0013]第二步:待微藻培養(yǎng)基達(dá)到常溫后，將微藻菌種以0.05?0.2g/L的濃度接種到微藻培養(yǎng)基中，并將接種有藻種的微藻培養(yǎng)液注入中間腔室內(nèi)；
[0014]第三步:將營養(yǎng)補(bǔ)給液放入儲(chǔ)液器中，并開啟蠕動(dòng)栗將營養(yǎng)補(bǔ)給液供入左耳室和右耳室中，使目標(biāo)離子通過陰離子交換膜和陽離子交換膜滲入微藻培養(yǎng)液內(nèi)供微藻生長(zhǎng)使用；
[0015]第四步:開啟氣源和氣體壓力計(jì)，調(diào)節(jié)壓力至0.02MPa后，氣體經(jīng)第一曝氣管和第二曝氣管曝入微藻培養(yǎng)液內(nèi)；
[0016]第五步:重復(fù)第三步、第四步，待微藻培養(yǎng)液培養(yǎng)7?15天后，即停止該批次培養(yǎng)，對(duì)微藻進(jìn)行收獲。
[0017]本發(fā)明所述的自適應(yīng)式微藻光生物反應(yīng)系統(tǒng)及方法的有益效果是:通過離子交換膜的離子滲入，實(shí)現(xiàn)微藻所需營養(yǎng)物質(zhì)的連續(xù)供入，從而有效避免高營養(yǎng)物濃度對(duì)為藻生長(zhǎng)的抑制作用和低濃度營養(yǎng)物質(zhì)對(duì)微藻生長(zhǎng)的限制作用，從而較大程度的提高微藻的生物質(zhì)產(chǎn)量；可廣泛應(yīng)用于生物、環(huán)保、能源等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明所述的自適應(yīng)式微藻光生物反應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0020]參見圖1，自適應(yīng)式微藻光生物反應(yīng)系統(tǒng)，包括中間腔室3、左耳室4a、右耳室4b、氣體源23、氣體流通管路25、蠕動(dòng)栗20和儲(chǔ)液器21 ;左耳室4a和右耳室4b分別設(shè)置在中間腔室3的左、右側(cè)，中間腔室3與左耳室4a和右耳室4b之間分別設(shè)置有陰離子交換膜6和陽離子交換膜7 ;即左耳室4a和右耳室4b分別通過陰離子交換膜6和陽離子交換膜7與中間腔室3隔離，左耳室4a和右耳室4b中的營養(yǎng)補(bǔ)給液9分別通過陰離子交換膜6和陽離子交換膜7滲透入微藻培養(yǎng)液8中；左耳室4a和右耳室4b的底部均設(shè)置有進(jìn)液口 10，左耳室4a和右耳室4b的頂部均設(shè)置有出液口 11 ;中間腔室3內(nèi)設(shè)置有微藻培養(yǎng)液8 ;中間腔室3頂部的中心位置設(shè)置有出氣孔，排氣管15通過出氣孔插入中間腔室3內(nèi)；中間腔室3頂部的左、右端均設(shè)置有曝氣孔，第一曝氣管14a和第二曝氣管14b分別通過曝氣孔插入中間腔室3內(nèi)；中間腔室3內(nèi)位于第一曝氣管14a和第二曝氣管14b之間設(shè)置有第一導(dǎo)流板13a和第二導(dǎo)流板13b，第一導(dǎo)流板13a和第二導(dǎo)流板13b與中間腔室3的左、右側(cè)相平行；氣體源23中的氣體通過氣體流通管路25和第一曝氣管14a以及第二曝氣管14b曝入微藻培養(yǎng)液8內(nèi)；營養(yǎng)供給液9通過蠕動(dòng)栗20以及營養(yǎng)供給液進(jìn)液口 10注入左耳室4a和右耳室4b內(nèi)。
[0021]在具體實(shí)施例中，中間腔室3由上蓋板1、下蓋板2和中間腔體構(gòu)成；所述上蓋板I設(shè)置在中間腔體的頂部，上蓋板I和中間腔體的連接處通過螺栓5和硅膠板26進(jìn)行密封固定；所述下蓋板2設(shè)置在中間腔體的底部，下蓋板2和中間腔體的連接處也通過螺栓和硅膠板進(jìn)行密封固定；對(duì)所述中間腔體左、右兩側(cè)壁面進(jìn)行鏤空處理，左、右兩側(cè)鏤空壁面上分別粘貼陰離子交換膜6和陽離子交換膜7，以使左耳室4a和右耳室4b分別通過陰離子交換膜6和陽離子交換膜7與中間腔室3隔離；左耳室4a和右耳室4b中的營養(yǎng)供給液9分別通過陰離子交換膜6和陽離子交換膜7滲透入微藻培養(yǎng)液8中；中間腔室3、左耳室4a、右耳室4b均由透光性較好的有機(jī)玻璃材料制成，比如有機(jī)玻璃。
[0022]由于目標(biāo)離子在營養(yǎng)供給液9與微藻培養(yǎng)液8中的濃度不同，因而目標(biāo)離子在濃度差的作用下通過陰離子交換膜6和陽離子交換膜7滲透入微藻培養(yǎng)液8中供微藻生長(zhǎng)需要，其離子滲透方向如圖1中箭頭26所示。具體應(yīng)用中可根據(jù)需要調(diào)整營養(yǎng)供給液9中的離子濃度，從而改變目標(biāo)離子向微藻培養(yǎng)液8中的滲透速率，達(dá)到調(diào)控目標(biāo)離子的目的。
[0023]導(dǎo)流板對(duì)中間腔室3內(nèi)的微藻培養(yǎng)液8進(jìn)行導(dǎo)流，在具體實(shí)施例中，可在中間腔室3的前后壁面上設(shè)置多處導(dǎo)流板插槽12，第一導(dǎo)流板13a和第二導(dǎo)流板13b插入導(dǎo)流板插槽12中，并可根據(jù)需要調(diào)整導(dǎo)流板在中間腔室3中的位置。在具體實(shí)施例中，在中間腔室3上還設(shè)置有多處開孔，包括溫度檢測(cè)口和取樣口 17，通過溫度檢測(cè)口插入溫度計(jì)16，完成對(duì)微藻培養(yǎng)液8進(jìn)行溫度檢測(cè)，取樣口 17用于對(duì)微藻培養(yǎng)液8進(jìn)行檢測(cè)。
[0024]本發(fā)明的工作原理是:氣體通過