[发明专利]光生物反应器

说明书

技术领域

本发明涉及光合微生物培养技术领域，尤指一种使用组装式光生物反应器培养光合微生物的光合微生物培养方法和系统、光生物反应器及容器。

背景技术

光合微生物，尤其是微藻和蓝细菌(简称藻类)的生长繁殖主要依靠简单的矿物质。藻类通过光合作用，利用光能(如太阳光和人工照明)将水和二氧化碳转化成色素、蛋白质、脂肪酸、糖类及次生代谢物等高价值有机化合物。藻类因具有极高的光及营养利用效率表现出比高等植物更强的生长潜力。

通过利用分子生物学、代谢工程、功能基因组研究等方面的最新突破，可以将藻类这一极好的基因表达载体应用于生产营养保健方面的重组蛋白和其它生物活性物质。由于藻类具有快速从周围环境中吸收C0₂、氮、磷等营养物质并将其转化为有机化合物(如储存在细胞中的蛋白)的能力，它还可以用于去除或回收废水及和火电站富含CO₂的烟气中的营养废弃物。藻类作为生物净化过程的副产物还可作为生产生物燃料(如生物柴油，酒精和甲烷)、动物饲料添加剂和有机肥料的原料。虽然藻类在气、液态可再生生物能源、高附加值产品和环境生物净化方面的应用是科学的、符合环境要求的，但藻类应用的经济可行性是由供藻类生长、繁殖的工业规模的光反应器的培养效率和成本效益决定的。

当前工业规模的光反应器一般为开放式跑道池，多建成1000～5000m²环形的浅池(水深15～30cm)，用浆轮使培养液循环流动。这种生产模式的优点在于其结构和维护相对简单，但它在藻类户外生长生产力因素的控制方面有许多不足。因为缺乏温度控制、光程长及混合不均匀，使得开放式跑道池的总体生产率低，由于培养藻类的开放式跑道池直接与空气接触而易于染菌，常导致培养失败。

开放式跑道池的缺陷推动了封闭式培养系统的发展，用透明的管或容器制成并用泵或气泡实现培养液混合的管式光生物反应器出现了。但管式反应器的气体交换罐是一个很大的“暗区或暗体积”(通常占总培养体积的10～15％)；且管式反应器中易于积累光合作用过程中生成的氧，从而抑制光合作用及生物量生产潜力；此外，管式光生物反应器一般用泵来实现微藻藻液的混合及循环，泵的使用会造成微藻细胞的严重损伤。同时，管式反应器的应用也受到其高成本及维护费用的限制，仅用于生产小批量、高附加值特种产品。

因此，板式反应器越来越多的受到关注，板式反应器克服了管式反应器的暗区、通气等问题，并能减小对微藻细胞的破坏。

申请号为CN200920160301.5，名称为《一种光生物反应器》的专利申请提供了一种光生物反应器，包括曝气系统，用于控制所述箱体中培养液的温度的控温系统，反应器控制系统和至少一个反应器单元；其反应器单元包括箱体及其支撑框架，箱体为适于容纳液体的盒体，其顶部是开放式开口，内腔整体贯通；该箱体纵向相对的两长侧面是整体结构，至少一个长侧面是透明的；在横向相对的短侧面上设有进料口、取样口、排液口；该箱体的两长侧面外侧以支撑框架支撑，支撑框架沿箱体纵向均匀布设，支撑框架的高不小于箱体的高；支撑框架呈梯形，垂直地面，以箱体的横向中垂面两侧对称设置，每侧呈直角三角形，直角三角形的垂直边为支撑框架立柱，两支撑框架立柱间固夹箱体，定位，两直角三角形底边为一根支撑杆件相连接，底边位于支撑面上。该反应器结构简单，便于整体收获，运行费用低，是一种可连续培养微藻的反应器。

但上述板式反应器也存在着以下不足之处：

板式生物光反应器大规模应用时，易采用较大的容积，但容积增大会增加反应器的制作难度和成本；板式反应器大都采用粘合方式连接，因此，反应器制作效率低，特别是随着反应器的容积增大，反应器成本非线性倍增。且由于粘连后的板式反应器，不便运输，只能在使用地点组装粘合，一旦粘合好后，不易移动，否则容易造成反应器粘合部分开裂。

现有常用的板式反应器为玻璃材质，较大的反应器不仅为运输带来了困难，而且随着反应器的增大，高度增加，水压逐渐增大，使侧壁所承受的压力也越来越大，对侧壁材料的承压能力也提出了较高的要求，要求反应器材料具有足够的刚性，这很大程度上限制了反应器的高度。

板式光生物反应器一般都存在棱角，棱角处存在处于静止状态的死角，导致清洗、消毒不完全，反应器局部培养液搅动不充分，营养分布不均匀，细胞在死角区贴壁、沉降严重甚至死亡，从而降低了培养效率，且随着高度的增加清洗会越来越困难。由于光合微生物，尤其是微藻培养过程中，减小反应器内径即降低培养过程的光程可以增加培养物的产量，但是随着板式生物光反应器内径的减少，特别是当高度在0.5米以上时，清洗越来越困难。