[发明专利]采用低照度培养高浓度光合细菌的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于微生物领域，特别涉及采用低照度培养高浓度光合细菌的装置和利用该装置培养高浓度光合细菌的方法。

背景技术

光合细菌（简称PSB）是地球上出现最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成体系的原核生物，光合细菌在生长繁殖过程中能分解有机物和吸收水体中的氨态氮、硫化氢、亚硝酸盐等有害物质，它的细胞干物质中蛋白质含量高达到60%以上，其蛋白质氨基酸组成比较齐全，细胞中还含有多种维生素，尤其是B族维生素极为丰富，Vb2、叶酸、泛酸、生物素的含量也较高，同时还含有大量的类胡萝卜素、辅酶Q等生理活性物质。因此，光合细菌可广泛应用于种植业、畜牧业、水产养殖业和环境保护等领域，有着巨大的利用价值和开发潜力。

光合细菌具有多种营养代谢方式，可在光照好氧、光照厌氧、黑暗好氧、黑暗厌氧及兼氧等条件下生长。在实际的光合细菌生产中，多采用光照厌氧或光照兼氧的方式进行培养，因为采用暗发酵培养光合细菌时硫酸盐还原菌或产甲烷菌可能形成优势生长，导致培养失败；而采用光发酵培养时光照能够定向强化光合细菌的生长，同时，在一定程度上光抑制产甲烷菌或硫酸盐还原菌等杂菌的生长，使系统中的光合细菌更容易形成优势生长。但是，光合细菌对光照强度要求高，要顺利地实现光合细菌的光发酵培养，通常需要2000～5000lux的光照度，这对培养装置的设计和制造提出了较高的要求：采用外置光源的光生物反应器进行生产，受反应器壁材料及培养液透光性的限制，光源的光利用率低、反应液光照不均匀，照度难以达到光合细菌生长的要求；采用内置光源时，由于光合细菌具有趋光性，很容易使光合细菌集中到光源表面形成生物膜，造成反应器内局部温度过高，同时阻碍光线的进一步传递。由于在光照形式上受到种种因素的制约，反应器内部的光合细菌很难得到充分的光照，这限制了光合细菌的规模化生产及应用。

公开号为CN101407774A和公开号为CN102326673A的专利公开了暗发酵（无光照）培养光合细菌的方法。虽然实现了暗发酵培养光合细菌的方法，但培养过程需不断向发酵罐通入无菌空气，并且严格控制溶解氧浓度在1～2mg/L之间，这增加了曝气能耗，同时增加了设备的复杂性和操作管理的难度。公开号为CN103086520A的专利公开了一种处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置及技术，虽然该技术能在阳极室培养出光合细菌，但需要提供较高的光照度（2000～10000lux），且培养周期长达13d。公开号为CN101409355B的专利公开了一种光合微生物燃料电池，该技术能够高效处理废水并生产出电能，但所得的光合细菌浓度偏低，仅为2.8亿个/mL，并且阴阳极缓冲液需要高温灭菌，限制了其规模化的生产和应用。

因此，急需建立一种低照度、低接种量培养高浓度光合细菌的方法及培养装置，利用该方法能在低光照度下培养高浓度的光合细菌，同时生产出电能，具有十分重要的理论和现实意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供采用低光照度培养高浓度光合细菌的装置，其结果简单；本发明的目的之二在于提供利用上述装置培养高浓度光合细菌的方法。

为实现上述发明目的，提供如下技术方案：

1.采用低光照度培养高浓度光合细菌的装置，包括阳极室和阴极室，所述阳极室使用透明材料，所述阳极室和阴极室之间用离子交换膜隔开，所述阳极室和阴极室分别设置有阳极和阴极，所述阳极和阴极通过外电阻相连，所述阳极的表面积与阳极室有效容积之比大于0.06/cm，所述外电阻的阻值与阳极室有效容积之比为4～40Ω/cm³。阳极的表面积与阳极室有效容积之比最佳为0.27，外电阻的阻值与阳极室有效容积之比为4.17～8.3Ω效果更好，最佳为4.17Ω或8.3Ω。

本发明中通过控制外电阻的阻值与阳极室有效容积之比调节外电阻导出阳极室微生物产生的过剩电子，以此将阳极室的氧化还原电位控制在兼氧水平，使之适于兼性厌氧光合细菌生长而抑制严格厌氧的产甲烷菌和硫酸盐还原菌等杂菌生长。

优选的，所述透明材料为有机玻璃、钢化玻璃、聚氯乙烯或亚克力。

优选的，所述阳极由碳基材料、铂基材料或不锈钢材料制成。

优选的，所述阴极室为空气阴极、生物阴极或电解液阴极。

优选的，所述离子交换膜为阴离子交换膜或阳离子交换膜。

2.利用所述装置培养光合细菌的方法，包括如下步骤：