[发明专利]缓释补料光生物反应器及微藻培养方法

说明书

本发明公开了一种缓释补料光生物反应器及微藻培养方法，具体所述生物反应器为具有缓释补料装置和半透膜装置的漂浮式光生物反应器，通过外加缓释补料装置可以提供充足营养物支持微藻高效生长。为避免补充碳酸氢盐时带来的高盐度和高pH问题，该光生物反应器浸入水体部分具有半透膜装置，用于释放累积至高浓度的盐离子和氢氧根离子，以稳定反应器中盐浓度和pH。本发明解决了微藻培养过程中营养物质供应的成本问题和pH难以稳定的问题，在微藻大规模培养成本降低方面有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及微藻生物技术领域，具体涉及光生物反应器、通过半透膜或毛细管实现的缓释补料光生物反应器、以及微藻培养方法。

背景技术

微藻细胞富含蛋白质、多糖、脂类、色素以及多种无机元素(如Cu、Fe、Se、Mn、Zn等)等高价值的营养成分，可以用于生产食品、保健品、饲料、生物化学品、以及生物燃油。同时，可以用于处理废水和固定二氧化碳。

目前光生物反应器可以分为开放池系统和密闭式光生物反应器，与开放池相比，密闭式光生物反应器具有抗污染能力强、水分蒸发少、培养条件相对可控等优点，在微藻培养方面应用潜力巨大。微藻生长需要补充二氧化碳，开放池系统中培养液由于与空气直接接触，可以没有成本地从空气中获得二氧化碳，但封闭反应器系统却必须通过通气的方式完成这一过程，而这能耗很高，导致成本上升。这一问题可以通过添加高浓度碳酸氢盐的方式来解决，但一般微藻难以承受高浓度碳酸氢盐的添加带来的盐度升高和pH升高问题。与碳酸氢盐类似，其它营养成分的添加也会带来类似问题。

发明内容

为解决添加高浓度碳酸氢盐和其它营养物时带来的盐度升高和pH升高等问题，本发明公开了一种具有缓释补料装置的漂浮式光生物反应器，在此系统中，通过缓释补料结构单元给可以为光生物反应器中微藻提供充足碳酸氢盐和其它营养物质。同时，为避免补充碳酸氢盐时带来的高盐度和高pH问题，该光生物反应器浸入水体部分具有半透膜装置，用于释放累积至高浓度的盐离子和氢氧根离子，以稳定反应器中盐浓度和pH。

本发明所述的漂浮式光生物反应器，由反应器腔体、设置于反应器腔体底部的半透膜以及缓释补料结构单元组成，其中：

1)所述缓释补料结构单元，用于补充微藻培养过程中快速消耗的营养物质；具体为微藻生长缓释补充碳酸氢盐和其它营养物；例如：氮源、磷源，以及微藻生长所需的其它微量元素离子，例如：碳酸氢盐，磷酸盐，硝酸盐，铁、钙、镁、钾、锰、锌、硅、硼、钴、钼等。

2)所述光生物反应器浸入水体部分具有半透膜结构单元；用于释放反应器腔体内因缓释补料积累至高浓度的盐离子和氢氧根离子至外界水体中，以稳定光生物反应器内部水体的pH。

对于上文所述的漂浮式光生物反应器，优选的情况下，所述缓释补料结构单元为密闭容器，该密闭容器与所述光生物反应器腔体通过半透膜、毛细管或可调节流速的阀门贯通式连接。

对于上文所述的漂浮式光生物反应器，优选的情况下，所述半透膜材料选自CA(二醋酸纤维素)；CTA(三醋酸纤维素)；CN(硝化纤维素)；EC(乙基纤维素)；CN-CA(混合纤维素)、PA-6(尼龙6)或PA-66(尼龙)微孔膜等亲水微孔材料。

对于上文所述的漂浮式光生物反应器，优选的情况下，所述缓释补料结构单元的半透膜，是经式(I)计算得出最佳面积的半透膜，用以实现反应器中培养液与水体之间的物质交换，以保证微藻生长。另外，本发明给出的可替换方案中所述的毛细管或可调节流速的阀门，也可以控制缓释补料结构单元内部的营养物质的缓释速度，从而保证微藻生长。

对于上文所述的漂浮式光生物反应器，优选的情况下，所述缓释补料结构单元的半透膜的面积可以由以下公式进行估算(同样的，如何替换为毛细管或可调节流速的阀门，也可以借鉴下述算法进行估算从而确定正确的流速控制)，某种营养物质生长速率和膜面积之间的关系式可表示为：

对于某种营养物质通过半透膜，进入反应器的速率可表示为：