CN106916724A

CN106916724A - 一种栅藻培养方法及培养装置

Info

Publication number: CN106916724A
Application number: CN201511001488.0A
Authority: CN
Inventors: 胡强; 王宇; 韩丹翔
Original assignee: STATE DEVELOPMENT & INVESTMENT Corp (SDIC); Chinese Electronics Engineering Design Institute
Current assignee: Sdic Biotechnology Investment Co ltd
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2017-07-04
Anticipated expiration: 2035-12-28
Also published as: CN106916724B

Abstract

本申请涉及微藻工业应用领域，具体而言，涉及一种栅藻培养方法及培养装置。

Description

一种栅藻培养方法及培养装置

发明领域

发明背景

栅藻是一类单细胞生物，广泛存在于各类水体。栅藻富含蛋白质、脂肪和碳水化合物，其代谢产物附加值高，可应用于食品，医药、保健、能源等领域。但是自然界很难得到大量的栅藻生物量，这是制约栅藻产业化的主要因素。因此，如何大规模、低成本培养栅藻是将栅藻产业化应用前必须解决的技术问题。

目前培养栅藻的方法主要采用液体浸没法，典型的代表有开放式跑道池以及平板式、管道式、立柱式等其他的透明容器等构成的封闭式光生物反应器。浸没法是将藻浸没在大量的培养基中，通过搅拌机或循环设备或鼓泡设备使培养基持续处于运动状态，使每个藻细胞可均匀地接受光照和吸收CO₂。然而，这些培养方法和培养装置具有能耗大、细胞密度低(仅能做到细胞干重2g/l)、污染源内部传播速度快、光利用效率低、占用空间大、用水量大、单位体积空间产率低等缺点。此外，浸没法培养栅藻会使收获的栅藻含水量相当大，必须要经过滤浓缩或离心浓缩后，再进入喷雾干燥塔进行喷雾干燥，此过程能耗非常高，效率也非常低。

现有的另一种栅藻培养方法是半干法，即将藻附着在片状吸水性材料表面，通过给这些吸水性材料供给培养液，使附着的藻类似青苔一样生长。这些吸水性材料可以一定间距竖直悬挂，并在在侧向放置一光墙以提供光照。半干法的好处是无需搅拌培养液，相对浸没法能够节省能耗；占用空间小，在一个单位空间内可以挂许多吸水膜片；且藻细胞附着于膜片表面，可直接利用空气中的CO₂，无需人工通入CO₂。半干法培养栅藻的培养密度可达细胞干重50g/m²/d。然而，半干法的吸水材料(如帆布、棉布等)表面非常容易长霉。这是因为霉菌的生长环境与吸水性材料膜所在的环境非常吻合，霉的生长速度甚至超过藻的速度。一旦染上霉菌，整块吸水性材料都会在一段时间内发生变质变性甚至腐烂破碎。目前没有对藻无毒害残留的霉菌处理方法。此外，半干法培养方式需要连续或间断地将培养液泵到吸水材料顶端往下喷洒，也有不小的能耗需求。

因此，本领域仍然需要新的栅藻培养方法和装置。

发明内容

在一方面，本发明提供了一种层叠式薄板栅藻培养装置，包括在竖直方向上层叠布置的多个薄板，所述多个薄板被支撑使得相邻的薄板之间间隔一预定距离，各薄板沿水平方向延伸，具有相反的上表面和下表面，并且在外围设有从相应薄板的上表面向上延伸的围堰部，各薄板的上表面和围堰部的内表面形成用于容纳栅藻培养液的空间，其中，所述围堰部的最小竖直高度不大于15mm。

在一些实施方式中，上下方向相邻的薄板之间设置多个支撑柱，所述支撑柱用于支撑上面的薄板。

在一些实施方式中，所述围堰部与相应薄板一体地形成，或者单独形成之后被附接到相应薄板。

在一些实施方式中，所述支撑柱与相应薄板一体地形成，或者单独形成之后被附接到相应薄板的下表面。

在一些实施方式中，所述围堰部相对于相应薄板的上表面成大于或等于90度的倾角。

在一些实施方式中，所述围堰部高出相应薄板的上表面1.5mm-15mm，例如1.5mm-4.5mm、6mm-9mm或10.5-15mm。

在一些实施方式中，所述围堰部由与薄板相同或不同的材料制成，和/或所述支撑柱由与薄板相同或不同的材料制成。

在一些实施方式中，所述薄板由下述材料之一制成：玻璃，GPPS，透明ABS，AS(苯乙烯丙烯腈)，PVC、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，PC(聚碳酸脂)，PS(聚苯乙烯)。

在一些实施方式中，所述薄板由平板玻璃制成，并且所述围堰部是附接到薄板的胶条，优选为透明胶条，即在该平板玻璃的四周粘接一圈透明胶条形成一个培养液的容纳空间。

在一些实施方式中，所述薄板由有机材料制成，并且所述围堰部与薄板一体成型。

在一些实施方式中，上下方向各薄板之间的间距相同或不同，相邻薄板之间的间距可以为5mm-25mm，例如5mm-9mm或11-25mm，优选是5mm。

在一些实施方式中，所述栅藻培养装置的侧面设置有光源。

在另一方面，本发明提供了一种栅藻培养方法，其中包括在薄层液体培养基静态培养所述栅藻，其中所述薄层液体培养基的厚度为1mm-10mm，例如1mm-2.5mm、3.5mm-4.5mm、或5mm-10mm。在一些优选实施方式中，所述薄层液体培养基厚度为1mm-2.5mm。在一些实施方式中，所述栅藻是尖细栅藻(Scenedesmus acuminatus)。

在一些实施方式中，所述栅藻培养中使用的环境温度为20-30℃。

在一些实施方式中，所述栅藻培养中使用的光强为1-238umol·m^-2·s^-1。

在一些实施方式中，所述栅藻培养中使用的培养基是BG11培养基。

在一些实施方式中，所述栅藻培养中的环境湿度范围是80-99％。

在一些实施方式中，所述栅藻培养中栅藻初始接种的密度是0.1-0.6OD₇₅₀。

在一些实施方式中，所述栅藻培养在本发明的层叠式薄板栅藻培养装置中进行。在一些实施方式中，多个层叠式薄板栅藻培养装置可以在水平方向被布置成阵列，其中在阵列的一侧布置有光源。

附图简述

图1是根据本发明优选实施例的层叠式薄板栅藻培养装置的立体图。

图2是图1的正视图。

图3是沿图1中A-A的剖视图。

图4A是本发明装置阵列的俯视图，其中左侧设置1m×1m的光源，沿光线传播方向设置10排本发明的装置。

图4B是传统平板容器型反应器的俯视图，其中左侧设置1m×1m的光源。

图5示出本发明装置阵列各排培养基表面的光强值和最终收获的栅藻生物量。

发明详述

本发明提供了一种栅藻培养方法，其中包括在厚度为1mm-10mm的薄层液体培养基静态培养所述栅藻。在一些实施方式中，所述栅藻是尖细栅藻(Scenedesmus acuminatus)。

由于本发明的方法中培养基的厚度足够小(1mm-10mm)，因此不需要搅拌混合等均质化操作，仍然能够保证培养液内的所有栅藻细胞可以较为均匀地获得光照(在光线向水下传递的有效距离内)。并且通过使用本发明所述的培养基厚度(1mm-10mm)，使得栅藻细胞能够通过气体交换从培养液的液面直接获得光合作用所需要的CO₂和并排放对光合作用产生抑制的O₂，因此不需要向培养液进行通气操作。

藻体收获和干燥是藻类培养的重要步骤，其能耗大，效率低。然而，根据本发明的方法，使用薄层液体培养基静态培养栅藻，在藻生长至成熟的时候(一般大约8-9天)，培养基通常被消耗掉大部分。此时，细胞干重已达较高比值，非常有利于藻体收获、干燥。在本发明的培养基厚度范围内(1mm-10mm)，可以根据栅藻接种量、光强、湿度和温度等因素对培养基的厚度进行调整，使得培养基的量恰好可供藻生长到成熟期而不会有过多的富余。此外，由于藻体一直处于薄层培养液中，较不易生霉菌。

本发明的方法中所使用的培养基厚度可以为大约1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm，或上述任意值之间的范围。例如，所述厚度可以为1mm-2.5mm、3.5mm-4.5mm、或5mm-10mm。优选地，所述厚度为1mm-2.5mm。

在一些实施方式中，所述栅藻培养方法中使用的温度为20-30℃。在一些实施方式中，所述栅藻培养中使用的光强为1-238umol·m^-2·s^-1。在一些实施方式中，所述栅藻培养中使用的培养基是BG11培养基。在一些实施方式中，所述栅藻培养中的环境湿度范围是80-99％。在一些实施方式中，所述栅藻培养中栅藻初始接种的密度是0.1-0.6OD₇₅₀，其中OD₇₅₀是750nm波长下测定的吸光度。

本发明的栅藻培养方法采用薄层静态培养的方式，其实质是介于浸没法和半干法之间的一种新型栅藻培养方法，如上所述，具有节约能耗，降低培养成本，减少霉菌、其他敌害浮游动植物污染风险的优势。

在另一方面，本发明还提供了一种层叠式薄板栅藻培养装置，其包括在竖直方向上层叠且呈预定间距布置的多个薄板，所述多个薄板沿水平方向延伸，每个薄板具有用于放置栅藻培养液的上表面和相反的下表面，每个薄板的外围设有从相应薄板伸出的倾斜于相应薄板的上表面向上延伸的围堰部。其中，所述围堰部的最小竖直高度不大于15mm。

图1至3示出了根据本发明优选实施例的层叠式薄板栅藻培养装置100。

从图中可以看出，层叠式薄板栅藻培养装置100包括在竖直方向上层叠布置的多个薄板20和位于相邻的薄板之间的多个支撑柱40。各薄板20沿水平方向延伸，并且具有用于放置栅藻培养液的上表面22和相反的下表面24。每个薄板20的外围设有从相应薄板20伸出的倾斜于相应薄板20的上表面22向上延伸的围堰部26。

各薄板20形成培养装置的培养板，即，各薄板20的上表面22、薄板20的围堰部26的内表面限定容纳栅藻培养液的空间30。

形成培养装置的薄板20可采用由玻璃材料或有机材料制成的透明平板。相对于管状的、槽状的、或罐状的培养装置而言，根据本发明的由平板构成的栅藻培养装置加工制造简单、成本低，而且能够做到单个培养板的培养面积较大，厚度也可以相对较薄，透明度可以更高。所述薄板的长度例如可以是10cm-10m，宽度例如可以是5cm-1m。各薄板20在竖直方向上层叠布置，使结构集成化，单位占地空间的有效培养面积最大化。

由于各薄板20的材料为透明度高的材质，在栅藻的培养初期，由于各薄板20上的栅藻还未形成深色的生物膜，故来自外部的光可以透过各层薄板20上表面达到相邻的下层薄板的培养液面上，同样也可以从各层薄板20的下表面到达上层薄板的培养液面上，光照效率较高。光源从薄板20的上表面直接照射上面的藻细胞并且透过薄板20而照射到在下面的薄板20的上表面22上培养的细胞，所以受光面积大，光利用效率非常高。

利用本结构的栅藻培养装置，使用的水体少，所以栅藻的培养无需搅拌，节省能耗。另外，由于水量少，收获时可以减少工序并且因而降低收获成本。因而，利用本结构的栅藻培养装置培养栅藻为静止培养，培养过程中无需输送气体或提供搅拌动力，又能很好地获得光照。

根据本发明，各薄板20的围堰部26可以与薄板20一体形成，也可以单独形成之后附接到薄板20。

在薄板20由玻璃材料制成时，围堰部26可以是粘接到薄板20外围的一圈胶条，优选透明胶条。对于有机材料的薄板20来说，围堰部26可以与薄板20一体成型。

形成薄板20的材料可以为玻璃或透光率高的塑料，如GPPS，透明ABS，AS(苯乙烯丙烯腈)，PVC、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，PC(聚碳酸脂)，PS(聚苯乙烯)等。形成围堰部26的材料可以是与薄板20相同的材料，也可以用其它透明材料，如胶条、玻璃胶等。

围堰部26与薄板20的上表面22成大于或等于90度的角度，以便于在上表面22上培养的栅藻被以高压水/气吹出至薄板20外，从而实现栅藻的收获；较佳地是围堰部26与薄板20的上表面22成大于90度的角度并且在两者结合处之间形成圆角，防止形成收获死角或清洁死角。可选地，所述围堰部26高出相应薄板20的上表面22的距离为1.5mm、3mm、4.5mm、6mm、7.5mm、9mm、10.5mm、12mm、13.5mm、15mm，或上述任意值之间的范围。例如，所述距离可以是1.5mm-4.5mm、6mm-9mm或10.5-15mm。在一优选实施方式中，所述距离是1.5mm-3mm。

各薄板20之间的间距(相邻两个薄板下表面之间垂直距离，或相邻两个薄板上表面之间垂直距离)根据光源布置、栅藻的培养和收获要求来确定。例如，可以为5mm、7mm、9mm、11mm、13mm、15mm、20mm或25mm，或上述任意值之间的范围。例如，所述间距可以是5-9mm或11-25mm。在一优选实施方式，所述间距是5mm。

支撑柱40的形状、材料、数量、间距以及布置方式可以不限制，只需支撑柱40具有一定强度，足够支撑在上面堆叠的薄板20及其上表面22上的培养液。优选地，支撑柱40采用透明材质，如玻璃、亚克力、PC等材质。支撑柱40可具有任何适宜的形状，包括但不限制于圆柱形、圆管形、方形、长条形等。

在图示实施例中，支撑柱40被成排布置。另外可选地，支撑柱40上设置有用于使光能够透过的孔。

对于玻璃薄板20而言，支撑柱40可以用玻璃柱，也可以是非玻璃柱。支撑柱40可以与上面和下面的薄板20都分离，也可以粘接于上面薄板20的下表面24。

对于由有机透明材料制成的薄板20而言，支撑柱40可以与薄板20一体成型。

本发明的层叠式薄板栅藻培养装置还可进一步设置能够向各薄板20补充培养液的培养液滴注装置50，培养液滴注装置50在图3中示意性示出了，以及可选地，可配置测量各薄板20的精准液位的液位监测器(未示出)。另外在图3中示出了光源60。光源可以布置在本发明层叠式薄板栅藻培养装置一侧。

另外可选地，本发明的层叠式薄板栅藻培养装置可还包括将层叠式薄板栅藻培养装置包封起来的透光膜罩，为其内部的层叠式薄板栅藻培养装置提供恒定温度、空气湿度的氛围。这可以减少水分的蒸发，给栅藻的培养创造最为适宜的生长条件，如此可在栅藻的培养周期内，无需再补充供应培养液。

除了上述示例的层叠式薄板栅藻培养装置外，所述各薄板20还可分别放置在具有数根横杆的支架上(此时无需设置支撑柱40)，通过该支架来分散各薄板20以及培养液的重力；同样可以达到与前述实例相同的技术效果。

本发明前述的栅藻培养方法可以在本发明的层叠式薄板栅藻培养装置中进行，使得可以规模化，低成本地培养栅藻。

在所述栅藻培养方法一些实施方式中，多个层叠式薄板栅藻培养装置可以在水平方向被布置成阵列。在一些实施方式中，其中在阵列的一侧布置有光源。

使用本发明的培养装置对栅藻进行高密度层叠培养，由于每层之间具有间隙(支撑柱高度为3-20mm)，可供光线传播至较远的距离，因此，在光线可及的范围内都能用来培养栅藻。因此直接增大了单位面积光源的生物质产量，大大提高了光能利用率。此外，多个培养装置水平布置成阵列，由于围堰部将各薄板隔开，且藻液处于静态的培养，可以使得培养中可能出现的污染被限制在较小的范围，也便于对单个薄板上培养环境的控制。

使用本发明的装置培养栅藻，假定每个薄板的自身厚度为1.9mm，而支撑柱的高度约3mm-20mm，培养液厚度为2.5mm，那么在1m高度空间下可以叠起45-204层。若在每一层薄板的围堰内上培养栅藻，则1m高度范围内能够养殖的生物量相当可观。在本发明如下实施例中可达到细胞干重1940g/m³，生长速度高达90g/m²/d，光能利用效率达31.04％，单位质量的栅藻的能耗仅为约1089J/g。

实施例

为了进一步显示本发明的培养方法和培养装置的有益技术效果，以下实施例对“单位面积光源产量”“单位质量藻粉能耗”两个因素进行了考察。

实验组：

采用布置成阵列的本发明的培养装置培养尖细栅藻(Scenedesmusacuminatus)(购自中科院武汉水生所藻种库)。该阵列俯视图见图4A。

左侧为长度为1m、高度为1m的光源，光强238umol·m^-2·s^-1。右侧为若干本发明培养装置组成的阵列。与光源垂直的方向上布置了10排培养装置。其中，每个薄板(玻璃板)规格为120mm×60mm，厚度为1.9mm，支撑柱是3mm，在垂直方向上层叠至1m。围堰的高度为2.5mm。每个薄板都铺满栅藻培养液。每个薄板表面可容纳的藻液量为18ml。环境温度控制25度左右，相对湿度80％-99％。每个薄板上的初始接种OD₇₅₀＝0.4。培养在完全遮蔽自然光的环境中进行，排除自然光干扰。

经光强检测仪检测，从距离灯源最远的第10排至最近的第1排培养装置中培养基表面的光强示于图5。从图5可以看出，由于层叠的薄板之间有支撑柱，层与层之间存在大量细小的间距，光线可以通过层间的间隙往远侧连续传递过去，越远的地方光强越弱。图5从左到右依次是第10排、第9排……第1排培养基表面的光强值和各排最终收获的栅藻生物量(培养6天的情形)。

而经观察，第1排的玻璃薄板由于接近光源，生长状况最好，越远离光源灯板生长状况越差，第10排的生长情况最差。待培养大约6天之后进行收获，统计各排栅藻总生物量，生长情况如图5所示。从中可以看的是，第10排的栅藻虽然生长情况较差，但依然可以获得光源的照射并生长。与光源垂直的方向上布置的排数可以根据光源强度进行调整，且薄板之间的间隔也可根据光源强度进行调整，以使单位面积的光源可获得最大生物量的栅藻。

将本实验的阵列中收获的栅藻总干重为593.64g。培养液总体积V＝(1000/120)×10×18ml×(1000/4.9)＝306.12L，则计算平均收获的藻干重密度为1.94g/L。

对照组：

完全遮蔽自然光的环境中进行使用传统平板容器型反应器(金鱼缸式反应器)的栅藻培养。如图4B的俯视图所示，1㎡的光源(与实验组所用光源相同)照射传统的平板容器型反应器的一个侧面，平板容器侧面为1㎡，容器宽度为5cm。传统平板容器型反应器需要搅拌和专门的CO₂高压罐供气。

在完全遮蔽自然光的情况下，上述1㎡光源灯板的光线穿过5cm藻液后，光强剧烈减弱，损失率达到96％以上，导致1㎡的光源仅能供照射一个平板型容器内的栅藻生长，无法供应并排安置的另一个金鱼缸式光生物反应器中的栅藻生长。平板容器的容积为1㎡*0.05m＝50L。经过约6天的培养，金鱼缸式光生物反应器在最理想的培养效果时，藻干重密度约为2.11g/L，则收获的藻总量为105.5g。

结果比较：

如上所述使用本发明的层叠式薄板栅藻培养装置与传统的平板容器型反应器培养栅藻的结果总结如下表1(均以1㎡光源为参考对象)：

表1

	本发明	平板容器型
			单位面积光源产率
单位质量藻粉耗能	57.7KJ/g藻	345.3KJ/g藻

以上为支撑柱高度是3mm时计算得到的结果。而在支撑柱为5mm、10mm、15mm、20mm时单位面积光源产率分别为98.46g/m²/d，61.96g/m²/d，34.59g/m²/d、27.04g/m²/d、22.19g/m²/d。可见使用本发明的培养装置，在上述各种支撑柱高度下，单位面积的产率均较传统的平板型容器要高很多。不过如果间距过小，藻液易粘连上一层的玻璃薄板，影响栅藻的生长，因此优选间距不小于5mm。

可见，本发明的栅藻培养方法和装置显著优于现有技术的方法和装置。此外，本发明培养方法和装置是以静态的方式培养，期间无需供高压CO₂实现气浮式搅拌，也无需循环泵、搅拌桨等设备，进一步减少了能耗。另外，本发明使用薄层培养，收获的栅藻已处于半湿状态(收获测试的干重为540g/㎡)，进一步减少了收获后，再进行浓缩、干燥等程序的能耗。

Claims

1.一种层叠式薄板栅藻培养装置，其特征是，所述层叠式薄板栅藻培养装置包括在竖直方向上层叠布置的多个薄板，所述多个薄板被支撑使得相邻的薄板之间间隔一预定距离，各薄板沿水平方向延伸，具有相反的上表面和下表面，并且在外围设有从相应薄板的上表面向上延伸的围堰部，各薄板的上表面和围堰部的内表面形成用于容纳栅藻培养液的空间，其中所述围堰部的最小竖直高度不大于15mm。

2.根据权利要求1的层叠式薄板栅藻培养装置，其特征是，上下方向相邻的薄板之间设置多个支撑柱，所述支撑柱用于支撑上面的薄板。

3.根据权利要求1或2的层叠式薄板栅藻培养装置，其特征是，所述围堰部与相应薄板一体成型，或者单独形成之后被附接到相应薄板。

4.根据权利要求1-3中任一项的层叠式薄板栅藻培养装置，其特征是，所述支撑柱与相应薄板一体成型，或者单独形成之后被附接到相应薄板的下表面。

5.根据权利要求1-4中任一项的层叠式薄板栅藻培养装置，其特征是，所述围堰部相对于相应薄板的上表面成大于或等于90度的倾角。

6.根据权利要求1-5中任一项的层叠式薄板栅藻培养装置，其特征是，所述围堰部高出相应薄板的上表面1.5mm-15mm，例如1.5mm-4.5mm、6mm-9mm或10.5mm-15mm。

7.根据权利要求1-6中任一项的层叠式薄板栅藻培养装置，其特征是，所述围堰部由与薄板相同或不同的材料制成，和/或所述支撑柱由与薄板相同或不同的材料制成。

8.根据权利要求1-7中任一项的层叠式薄板栅藻培养装置，其特征是，所述薄板由下述材料之一制成：玻璃，GPPS，透明ABS，AS(苯乙烯丙烯腈)，PVC、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，PC(聚碳酸脂)，PS(聚苯乙烯)。

9.根据权利要求1的层叠式薄板栅藻培养装置，其特征是，所述薄板由平板玻璃制成，并且所述围堰部是附接到薄板的胶条，优选为透明胶条。

10.根据权利要求1的层叠式薄板栅藻培养装置，其特征是，所述薄板由有机材料制成，并且所述围堰部与薄板一体成型。

11.根据权利要求1-10中任一项的层叠式薄板栅藻培养装置，其特征是，各薄板之间的间距相同或不同，相邻薄板之间的间距为5mm-25mm，例如5mm-9mm或11-25mm，优选5mm。

12.一种栅藻培养方法，其中包括在薄层液体培养基中静态培养所述栅藻，其中所述薄层液体培养基的厚度为1mm-10mm，例如1mm-2.5mm、3.5mm-4.5mm、或5mm-10mm。

13.根据权利要求12的方法，其中所述栅藻是尖细栅藻(Scenedesmusacuminatus)。

14.根据权利要求12或13的方法，其中所述培养在20-30℃下进行。

15.根据权利要求12-14中任一项的方法，其中所述培养在1-238umol·m^-2·s^-1的光强下进行。

16.根据权利要求12-15中任一项的方法，其中所述培养基是BG11培养基。

17.根据权利要求12-16中任一项的方法，其中所述培养在80-99％的湿度下进行。

18.根据权利要求12-17中任一项的方法，其中栅藻的初始接种的密度是0.1-0.6OD₇₅₀。

19.根据权利要求12-18中任一项的方法，所述其中栅藻培养在权利要求1-11中任一项的层叠式薄板栅藻培养装置中进行。

20.根据权利要求19的方法，其中多个层叠式薄板栅藻培养装置在水平方向被布置成阵列，其中在阵列的一侧布置有光源。