光合微生物异养-自养的培养方法及其系统和生产生物质和生物能源的方法

摘要

本发明涉及微藻培养领域，具体涉及光合微生物异养‑自养的培养方法及其系统和生产生物质和生物能源的方法。该培养方法包括：在第一气源下，将光合微生物送至反应器A中进行异养培养，得到第一培养液；将部分或全部的所述第一培养液在未经稀释下送至反应器B中，在光照和第二气源下，进行自养培养，得到第二培养液。本发明的提供的方法能够有效地提高异养所得的光合微生物的品质。

说明书

技术领域

本发明涉及微藻培养领域，具体涉及光合微生物异养-自养的培养方法及其系统和生产生物质和生物能源的方法。

背景技术

微藻是一类在水中生长的种类繁多且分布极其广泛的低等植物，它是由阳光驱动的细胞工厂，通过微藻细胞高效的光合作用，吸收CO

成本是微藻养殖的核心问题，微藻异养或兼养养殖过程中需要条件有机碳源，有机碳源是微藻异养或兼养养殖成本中较大的一部分费用。为了降低微藻的生长成本，国外学者研究了葡萄糖、醋酸、乳酸、甘油、甘氨酸等对微茫藻、三角褐指藻、蛋白核小球藻、螺旋藻等生长的影响及生物活性物质的积累，研究结果表明，适当浓度的可溶性有机物有利于微藻的生长和活性物质的积累。2013年时Kirrolia et al(Renewable and SustainableEnergy Reviews 20：642–656)对开放式跑道池、光生物反应器和传统的发酵罐三种不同养殖模式下微藻的成本进行了对比，对比结果表明，三种养殖模式下生产单位质量的油脂的成本分别是7.64美元、24.6美元和1.54美元，生产单位质量的微藻生物质的成本分别是1.54美元、7.32美元和1.02美元。虽然微藻在发酵罐中养殖需要添加有机碳源，但生产成本并未提高，这可能是由于，微藻在发酵罐中高效率生长，缩短了微藻生产周期，减小了生产单位质量微藻的人工费、设备折旧费、占地费等其它费用，从而降低了微藻生产成本。

自养与异养各有优势，也存在着各自的问题。异养利用化学能培养，积累生物质的速度快，但也带来生物质品质下降的不足，比如与自养培养的微藻相比，异养的微藻蛋白质和色素含量明显降低，而对于大体积的发酵罐而言补光非常困难。另一方面，异养培养过程中需要消耗大量O

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供了一种成本更低的且能够适用于微藻大规模培养的光合微生物异养-自养的培养方法及其系统和生产生物质和生物能源的方法。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种光合微生物异养-自养的培养方法，该方法在串联的反应器A和反应器B中进行，该方法包括：

(1)在第一气源下，将光合微生物送至反应器A中进行异养培养，得到第一培养液；

(2)将部分或全部的所述第一培养液在未经稀释下送至反应器B中，在光照和第二气源下，进行自养培养，得到第二培养液。

本发明第二方面提供了一种光合微生物异养-自养的培养系统，该系统包括：反应器A和反应器B，其中，反应器A设置为用于光合微生物异养培养；所述反应器B设置为用于光合微生物自养培养，其中，所述反应器A包括第一气源装置，所述反应器B包括光照装置和第二气源装置，

其中，所述反应器A的培养液出口与反应器B的藻液入口连通，以使得光合微生物在反应器A中进行异养培养后，直接进入到反应器B中进行自养培养。

本发明第三方面提供了一种生产生物质的方法，包括采用上述方法培养光合微生物，并从所得的光合微生物中提取生物质。

本发明第四方面提供了一种生产生物能源的方法，包括采用上述方法培养光合微生物。

本发明的方法通过高浓度自养过程显著提高了异养所得的光合微生物的品质。在本发明的一种实施方式中，本发明提供的方法还利用光合微生物的自养培养有效地强化了光合微生物的异养培养。具体地，本发明能够获得如下优势：

(1)异养可以采用比兼养更大体积的发酵罐，但异养培养对有机碳源的利用率低且光合微生物的生物质品质低。本发明通过提供特定的光照条件，有效实施了对来自异养过程的高浓度光合微生物的强化自养培养，显著提高了异养光合微生物的生物质品质。

(2)本发明通过收集、利用自养过程的排气并为异养培养提供气源，强化了异养培养过程，提高了生产效率，降低了培养成本。

附图说明

图1是本发明的实施例1-7中发酵罐的小球藻生长曲线。

图2是本发明的实施例1-7中管式反应器的小球藻生长曲线。

图3是本发明的实施例1-7中管式反应器的小球藻随时间的叶绿素a/干重值变化曲线。

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明一方面提供了一种光合微生物异养-自养的培养方法，该方法在串联的反应器A和反应器B中进行，该方法包括：

(1)在第一气源下，将光合微生物送至反应器A中进行异养培养，得到第一培养液；

(2)将部分或全部的所述第一培养液在未经稀释下送至反应器B中，在光照和第二气源下，进行自养培养，得到第二培养液。

本发明第二方面提供了一种光合微生物异养-自养的培养系统，该系统包括：反应器A和反应器B，其中，反应器A设置为用于光合微生物异养培养；所述反应器B设置为用于光合微生物自养培养，其中，所述反应器A包括第一气源装置，所述反应器B包括光照装置和第二气源装置，

其中，所述反应器A的培养液出口与反应器B的藻液入口连通，以使得光合微生物在反应器A中进行异养培养后，直接进入到反应器B中进行自养培养。

以下将对本发明的上述方法和系统同时进行描述，但是应当理解的是，本发明的方法和系统可以配套使用，也可以分别独立地作为本发明的保护主题。

在本发明的一种实施方式中，所述反应器B排放的气体作为部分或者全部的第一气源，当作为部分气源时，该反应器B排放的气体将与其他常规供气的气体混合后作为第一气源。

在本发明中，应当理解的是，在反应器B中进行自养培养时，在反应器A中同时也进行着异养培养，这样便可利用反应器B排放出来的气体来作为反应器A的通气气源。

为了能够更好地促进该串联的异养-自养的辅助培养，优选地，将所述反应器B排放的气体收集且压缩后作为第一气源的气源。

本发明的系统中，为此，优选地，所述反应器B的排气口依次与集气装置和增压装置相连接，而后再与所述反应器A的第一气源装置连接，以将所述反应器B排放的气体收集且压缩后作为第一气源装置的气源。

所述反应器B可以是开放式或封闭式的，优选为管式、板式或柱式光生物反应器结构或开放式跑道池结构，更优选为封闭式的光生物反应器结构，便于排放的气体收集。而所述反应器A为封闭式反应器，优选发酵罐结构。

根据本发明，所述第一气源可采用的是反应器B排放的气体，这样的气体由于掺杂有自养培养过程产生的氧气，其氧气的含量将高于空气，更有利于异养培养。所述第一气源的通气量优选为0.1-10L/(L·min)，优选为0.2-5L/(L·min)，以使得光合微生物能够在本发明的第一养殖单元中更好地异养生长。

根据本发明，为了适用于高浓度的自养培养，第二气源采用的气体优选为富含二氧化碳的气体，所述第二气源采用的气体中，二氧化碳的体积含量为0.03-5％，例如为0.1-2％。其中，所述第二气源的通气量优选为0.1-10L/(L·min)，更优选为0.2-5L/(L·min)。

根据本发明，对于本发明的系统来说，所述第一气源和第二气源采用的通气装置可以为本领域常规采用的通气装置结构，只要能够用于进行本发明的第一气源和第二气源通气即可。

根据本发明，所述异养培养可以在搅拌下进行，其中，搅拌转速优选为200-500r/min。为此，本发明的系统的反应器A中可以增设有搅拌结构。

根据本发明，所述反应器B的光合微生物来源于反应器A的异养培养后的培养液。在这种情况下，可以每次都从反应器A的异养培养后的培养液中抽取部分培养液送至反应器B中，而剩余的培养液继续在反应器A中进行异养培养(通过额外补充营养液)，由此，本发明的方法中，反应器B向反应器A供气便是指在反应器B和反应器A都进行培养期间。优选地，其中，送至反应器B中的部分来自反应器A的培养液占反应器A的总培养液的70-90体积％。

应当理解的是，如果需要将反应器A异养培养后的培养液作为反应器B的光合微生物来源，那么在首次异养培养时，异养培养中采用的通气气源可以直接是压缩空气，可以进行无菌处理后的压缩空气。

其中，从反应器A中送来的异养培养后的培养液不经过稀释下送至反应器B中进行自养培养，这样可以获得更高品质的光合微生物产品。

对于本发明的系统来说，为了使得反应器A的异养后的培养液部分送至反应器B中进行自养培养，所述反应器A的培养液出口与反应器B的藻液入口连通，以使得光合微生物在反应器A中进行异养培养后，直接进入到反应器B中进行自养培养。其中，所述反应器A和反应器B之间通过培养液输送管道连通，在该管道上可以设置输送泵，也可以使反应器A的位置高于反应器B并有足够的高度差，以助于将培养液从反应器A输送至反应器B中。

本发明为了更有利于自养培养的进行，采用了两阶段光照的方式，也即优选地，所述光照包括第一阶段光照和第二阶段光照，所述第一阶段光照的光强度为5000lux以下，优选为2000-5000lux，更优选为3000-4000lux；

所述第二阶段光照的光强度大于5000lux，优选为6000-20000lux，更优选为10000-15000lux。

根据本发明，优选地，所述第一阶段光照的时长为10h以上，优选为10-36h，更优选为12-30h，特别是20-24h。

根据本发明，所述第二阶段光照的时长并不特别的限定，在进行第一阶段光照后，剩余的培养时间皆进行第二阶段光照。可以理解为，反应器B中进行新一轮的光合微生物接种时，进行第一阶段光照，而后再进行第二阶段光照。

本发明中，所述光照采用人工光源。

根据本发明，光照波长可以在较宽范围内变动，可以是部分波长光，也可以是全波长光，为了更利于光合微生物在本发明的生长，优选地，光照的波长均为380-780nm，更优选光照波长为490-460nm和/或620-760nm，在该光照波长下，光合微生物细胞能够更好地利用光能，降低光合微生物养殖能耗。

上述光照所采用的光源可以是LED光源，特别是蓝光和红光LED光源。为了隔绝水汽，可以将光源采用透明材料进行封闭。

根据本发明，为了能够使得微生物能够更好地利用光能，对于本发明的光源设置来说，优选地，光源在光线方向上的间距为2-300mm，优选为60-200mm，也可以将光源封闭后直接插入培养液中。

根据本发明，优选情况下，所述异养培养的温度为20-35℃。其培养时间可以在较宽范围内变动，例如为3-10天。这里的异养培养的时间应当理解为每次开始培养到再次接种新的光合微生物种或者添加新的营养液的时间段。

根据本发明，优选情况下，所述自养培养的温度为20-35℃。其培养时间可以在较宽范围内变动，例如时间可以为3-20天。这里的自养培养的时间应当理解为每次开始培养到再次接种新的光合微生物种的时间段。

更加本发明，优选地，所述光合微生物为微藻，优选为绿藻，更优选为小球藻。

根据本发明，本发明的反应器A采用的是密闭的设置，以此可以进行无菌的异养培养，而所述异养培养需要补入有机碳源。优选地，所述有机碳源为糖类和/或醋酸盐。其中，所述糖类例如可以为葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖等中的一种或多种。所述例如可以为醋酸钠。更优选地，所述有机碳源为葡萄糖。

其中，所述有机碳源的添加量可以在较宽范围内变动，优选地，培养体系中，所述有机碳源的添加量为5-15g/L。

根据本发明，所述光合微生物的异养培养体系中还可以添加本领域常规采用的其他试剂，例如可以为磷酸盐(例如为K

根据本发明，为了实现异养培养保持一定的无菌环境，通气采用的气体可以为无菌的，另外，可以在异养培养体系中添加抗生素来防止细菌生长。这样的抗生素可以为本领域常规采用的控制微生物无菌培养采用的抗生素，例如可以为卡那霉素、氯霉素、链霉素、庆大霉素、万古霉素、阿奇霉素等中的一种或多种。其用量可以在较宽范围内变动，例如为10-65mg/L。

根据本发明，所述光合微生物的培养体系采用的培养基优选为以下组成：K

其中，微量元素A5的组成优选为：H

本发明第三方面提供了一种生产生物质的方法，包括采用上述方法培养光合微生物，并从所得的光合微生物中提取生物质。

所述生物质可以为本领域常规的多种生物质，例如可以为油脂、蛋白质、碳水化合物、核酸、色素、维生素、生长因子之一或其任意组合。

本发明第四方面提供了一种生产生物能源的方法，包括采用上述方法培养光合微生物。

本发明的方法适用于光合微生物的养殖，能够在更低的能耗下，更高产量地获得高品质的光合微生物发酵液。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

以下例子中：

小球藻干重测定：：取适量藻液，6000r/min，离心5min，去上清液，藻泥冷冻干燥72h后称重。小球藻藻种来自中国科学院水生生物研究所。藻种准备阶段，在三角瓶中加入600mL左右的BG11培养基和5g/L葡萄糖，然后在120℃下消毒灭菌30min，待冷却后加入适量藻种和50mg/L的卡那霉素，然后在光强为6000lux、温度为28℃的条件下通入无菌空气培养3d左右，获得诱导藻种。

BG11培养基的组成：K

微量元素A5的组成：H

培养系统：该培养系统包括依次串联的反应器A和反应器B，反应器A为5L容积的封闭式发酵罐，反应器B为容积为10L的封闭的管式光生物反应器；其中，封闭式发酵罐的底部藻液排出口连接有藻液输送管，藻液输送管连接至输送泵，输送泵排出口通过另一藻液输送管连接至封闭的管式光生物反应器上部的藻液入口；封闭式管式光生物反应器的顶部排气口连接至收集罐，收集罐的气体排出口连接至空气压缩机，空气压缩机的排气口连接至封闭式发酵罐内的通气装置的进气口。

实施例1

本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。

在上述培养系统的封闭式发酵罐中加入3L BG11培养基和15g/L葡萄糖，然后在120℃下进行消毒灭菌30min，待冷却后备用，接种时加入经过葡萄糖诱导的小球藻藻种和50mg/L的卡那霉素，通入1L/(L·min)的无菌空气，温度为28℃，转速为250r/min，每天补充15g/L葡萄糖，其他营养盐根据消耗量补充，异养培养至藻细胞生长缓慢。

将来自封闭式发酵罐80体积％的藻液不经稀释下直接移至封闭的管式光生物反应器中进行自养培养，养殖温度28℃，通入1L/(L·min)的气体，其中CO

其中，将管式光生物反应器的排气口排出的气体收集并经压缩送至封闭式发酵罐的底部进气口，对封闭式发酵罐进行通气，保持通气的流量为1L/(L·min)；将封闭式发酵罐的排气口排出的气体直接排放，同时，封闭的管式光生物反应器采用纯压缩空气进行通气，保持通气的流量为1L/(L·min)。

在异养培养和自养培养同时进行下，在指定时间测量发酵罐和管式光生物反应器中小球藻干重见表1，测定管式光生物反应器中小球藻的绿素a/干重(重量比)见表2所示。

实施例2

本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。

在上述培养系统的封闭式发酵罐中加入3L BG11培养基和15g/L葡萄糖，然后在120℃下进行消毒灭菌30min，待冷却后备用，接种时加入经过葡萄糖诱导的小球藻藻种和10mg/L的氯霉素，通入0.8L/(L·min)的无菌空气，温度为28℃，转速为250r/min，每天补充15g/L葡萄糖，其他营养盐根据消耗量补充，培养至藻细胞生长缓慢。

将来自封闭式发酵罐80体积％的藻液不经稀释下直接移至封闭的管式光生物反应器中进行自养培养，养殖温度28℃，通入1L/(L·min)的气体，其中CO

其中，将管式光生物反应器的排气口排出的气体收集并经压缩送至封闭式发酵罐的底部进气口，对封闭式发酵罐进行通气，保持通气的流量为0.8L/(L·min)；将封闭式发酵罐的排气口排出的气体直接排放，同时，封闭的管式光生物反应器采用纯压缩空气进行通气，保持通气的流量为0.8L/(L·min)。

在异养培养和自养培养同时进行下，在指定时间测量发酵罐和管式光生物反应器中小球藻干重见表1，测定管式光生物反应器中小球藻的绿素a/干重(重量比)见表2所示。

实施例3

本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。

根据实施例1所述的方法，不同的是，异养培养和自养培养同时进行时，自养培养中，先在光照强度为1000lux下进行光照，24h后再在20000lux下进行光照；在异养培养和自养培养同时进行下，在指定时间测量发酵罐和管式光生物反应器中小球藻干重见表1，测定管式光生物反应器中小球藻的绿素a/干重(重量比)见表2所示。

实施例4

本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。

根据实施例1所述的方法，不同的是，异养培养和自养培养同时进行时，自养培养中，先在光照强度为5000lux下进行光照，24h后再在8000lux下进行光照；在异养培养和自养培养同时进行下，在指定时间测量发酵罐和管式光生物反应器中小球藻干重见表1，测定管式光生物反应器中小球藻的绿素a/干重(重量比)见表2所示。

实施例5

本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。

根据实施例1所述的方法，不同的是，异养培养和自养培养同时进行时，自养培养的光照波长为全波长；在异养培养和自养培养同时进行下，在指定时间测量发酵罐和管式光生物反应器中小球藻干重见表1，测定管式光生物反应器中小球藻的绿素a/干重(重量比)见表2所示。

实施例6

本实施例用于说明本发明的光合微生物的培养方法。

根据实施例1所述的方法，不同的是，异养培养和自养培养同时进行时，自养培养中，光照强度未分为两个阶段，而是持续在20000lux光照下进行培养；在异养培养和自养培养同时进行下，在指定时间测量发酵罐和管式光生物反应器中小球藻干重见表1，测定管式光生物反应器中小球藻的绿素a/干重(重量比)见表2所示。

实施例7

根据实施例1所述的方法，不同的是，异养培养和自养培养同时进行时，发酵罐中通入的是空气而不是管式光生物反应器排放出来的气体；在异养培养和自养培养同时进行下，在指定时间测量发酵罐和管式光生物反应器中小球藻干重见表1，测定管式光生物反应器中小球藻的绿素a/干重(重量比)见表2所示。

表1

表2

将表1中发酵罐的小球藻随时间的干重变化绘制成图1所示的小球藻生长曲线，将表1中实施例1-7管式反应器的小球藻随时间的干重变化绘制成图2所示的小球藻生长曲线；将表2中管式反应器的小球藻随时间的叶绿素a/干重值绘制成图3所示的曲线。

通过表和图所示结果可以看出，本发明的方法能够实施高浓度光合微生物的自养培养，进而显著改善异养光合微生物的品质；此外，本发明还可以利用光合微生物的自养培养强化光合微生物的异养过程。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。