[发明专利]一种连续式微藻培养反应器及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物工程技术领域，具体地，本发明涉及一种新型的连续式微藻培养反应器及其使用方法。

背景技术

微藻是一类光驱动的“细胞工厂”，它可以通过光合作用将二氧化碳和水转化成多种化学物质，它可以积累大量的油脂以及烃类物质，是一种优良的能源生物，另外，它还可以积累大量的蛋白质、脂肪酸、维生素、矿物质、抗氧化物质等，一些藻类还含有一些其他的活性物质，如富含胡萝卜素的螺旋藻，富含虾青素的雨生红球藻等，因此，微藻可以应用于动物饵料、食品、药品以及食品添加剂等的生产。微藻的生长和代谢需要维持特定的营养条件和环境条件，但是，通常情况下，目标产物通常需要在一定的胁迫条件下才能大量积累。如在多种藻中，油脂的积累通常在氮缺乏的条件下大量积累(BrennanL,OwendeP.Biofuelsfrommicroalgae—Areviewoftechnologiesforproduction,processing,andextractionsofbiofuelsandco-products.RenewableandSustainableEnergyReviews,2010,14:557–577)，但是这一条件下不利于细胞生物量的积累，从而不能有效地提高油脂的产率；另外，在利用雨生红球藻(Haematococcuspluvialis)生产虾青素的过程中，培养过程中可分为明显的两个阶段，第一阶段需要在适宜雨生红球藻生长的条件下积累生物量，而后需要在一定的胁迫条件下，如高光强、氮缺乏等的条件下积累虾青素(ParkJ.C.,ChoiS.P.,HongM.E.,SimS.J.Enhancedastaxanthinproductionfrommicroalga,Haematococcuspluvialisbytwo-stageperfusionculturewithstepwiselightirradiation.BioprocessBiosystemEngineering,2014,37:2039–2047)。

基于微藻生长与代谢需求有所差异的特性，常规的培养方法不能得到较高的目标产物产率。传统的分批式培养可以通过培养后期调节培养条件促进产物的积累，但是分批式培养中生物量产率较低，从而不能得到较高的目标产物产率；而传统的连续式培养通常只是针对生物量的生长，不利于目标产物的积累。

发明内容

针对微藻生长及产物积累的生理特性，本发明的目的在于提供一种新型的连续式微藻培养反应器及其使用方法，通过控制培养液流速，使微藻处在一定的基质梯度的营养条件下，同时，通过控制环境条件，使得微藻细胞的生长与目标产物的积累均处于较适宜的条件下进行。该发明有利于提高微藻培养过程中目标产物的产率，有效地降低其生产成本。

为实现上述目的，本发明所述的一种新型的连续式微藻培养反应器包括接种池1，流量控制装置，管式反应器3，气体分布器，采收池5、循环管6、泵7以及光照系统8。管式反应器阵列式均匀排布于接种池与采收池之间，并与两池连通，流量控制装置设置在接种池与管式反应器的连接处，气体分布器均匀布置在管式反应器底部，循环管外接将采收池与接种池连通，光照系统设置于管式反应器的上方。

优选地，管式反应器以平行阵列式排布，反应器数目为5～20；管式反应器的长度为100～500m；直径优选0.2～1m。

通过流量控制装置，维持管式反应器内培养液的流速在1～3m/h，同时，需保证流体的雷诺数小于2000，使流体处于层流状态，以维持管道中的基质浓度梯度。

结合管式反应器的长度以及管内流体的流速，维持培养过程的循环周期在5～20天，使之与微藻的培养周期一致。

光照系统8选用LED灯条9，每根灯条均可移动，通过控制灯条的密度控制局部光强，以维持适宜微藻生长与代谢的光照条件。优选地，单根灯条的亮度在50～1000μmol/m²/s。

优选地，本发明所述新型的连续式微藻培养反应器，其使用方法如下：

(1)将微藻以合适的初始生物量接入到接种池1中，通过流量控制装置2控制培养液的流速，结合管式反应器3的尺寸，使得培养过程的循环周期与培养周期保持一致；

(2)针对微藻的生长特性，光照系统8设置合适的光照梯度，以促进细胞的前一阶段的生长以及后一阶段的产物积累；(不同的微藻所需的光强及光照梯度有所差异，因此没有一个统一的标准，但本领域技术人员通过相关文献可以获取这些参数)