[发明专利]兼养-自养连续培养光合微生物的方法及其培养系统和应用

说明书

本发明涉及微藻培养领域，具体涉及兼养‑自养连续培养光合微生物的方法及其培养系统和应用。该方法包括：在第一光照和第一通气下，将光合微生物送至第一养殖单元中进行兼养培养，得到第一培养液；同时，在第二光照和第二通气下，将光合微生物送至第二养殖单元中进行自养培养，得到第二培养液；该方法中，将所述第一养殖单元排放的气体作为部分或全部的所述第二通气的气源，并将所述第二养殖单元排放的气体作为部分或全部的第一通气的气源；两培养阶段的光合微生物相同或不同。本发明提供的方法能够同时强化兼养培养和自养培养两个过程。

技术领域

本发明涉及微藻培养领域，具体涉及兼养-自养连续培养光合微生物的方法及其培养系统和应用。

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CO₂，将光能转化为脂肪或淀粉等碳水化合物的化学能，并放出O₂。利用微藻生产生物能源与化学品有望同时达到替代化石能源、减少CO₂排放等目的。由于微藻具有极高的生产效率，所以近年来得到人们的广泛关注。除此之外，部分微藻可以像细菌那样利用有机碳源进行异养生长，生长速率可以提高十几倍甚至几十倍，主要在发酵罐中进行养殖。除了上述两种营养方式外，部分微藻还可以进行光能兼养生长，即同时利用光能和有机碳源中的化学能进行生长，同时利用CO₂和有机碳源进行生长，生长速率高于自养和异养。微藻光能兼养也称为混合营养培养，能促进许多微藻的生长及其蛋白质的合成，同时因其具有缩短培养周期、实现细胞高密度培养的优点，已成为微藻培养的新技术，在生产和经济上具有重要意义。

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。

发明内容

采用兼养的方式养殖微藻，虽然具有很多优势，但也存在诸多问题。藻细胞在利用有机碳源时，会因呼吸作用产生大量CO₂。尽管兼养对有机碳源的综合利用率更高，但仍会释放出相当多的CO₂，导致增大碳排放量的问题。另一方面，微藻在兼养生长过程中需要消耗大量O₂，如果不能及时进行气体交换，会严重影响微藻的生长甚至导致养殖失败。微藻在兼养养殖过程中，尽管藻细胞自养释放的氧气可以缓解供氧压力，但仍需消耗大量的O₂。尽管兼养时也提供光照条件，但与自养养殖的微藻相比，蛋白质和色素含量仍明显降低，仅依靠补光对改善微藻生物质品质的效果有限。

本发明的目的之一是同时进行光合微生物的兼养过程和自养过程，并且使两个培养过程都得到强化。本发明的目的之二是为了克服现有技术存在的兼养条件下微藻生物质品质低和CO₂减排的问题。为此，提供一种兼养-自养连续培养光合微生物的方法及其培养系统和应用。