一種多層半干貼壁培養(yǎng)裝置及培養(yǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微藻培養(yǎng)領(lǐng)域，具體地說是一種設(shè)置有多層貼壁培養(yǎng)單元的多層半干貼壁培養(yǎng)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]微藻是指能夠進行光合作用的水生浮游藻類。某些微藻本身富含蛋白質(zhì)，可以作為水產(chǎn)餌料或畜禽飼料(如螺旋藻)。更重要的，某些微藻在特定條件下能夠大量合成次生代謝物，如油脂、類胡蘿卜素、多糖等，這些物質(zhì)往往是具有極高經(jīng)濟價值的生物活性物質(zhì)，可以被用在功能食品、食品添加劑、制藥、生物能源等領(lǐng)域。特別是通過微藻大規(guī)模培養(yǎng)提取微藻油脂，進而轉(zhuǎn)化生產(chǎn)生物柴油被認為是解決生物能源生產(chǎn)與固碳減排的最重要途徑之一。目前，在全球范圍內(nèi)，微藻生物技術(shù)已經(jīng)迅速形成了一條規(guī)模巨大的完整產(chǎn)業(yè)鏈，其中規(guī)模培養(yǎng)是重要環(huán)節(jié)。
[0003]與陸生植物相比，微藻光合效率高、生長速度快，這是微藻作為最有潛力的新型生物質(zhì)資源之一的重要優(yōu)勢，也是發(fā)展微藻產(chǎn)業(yè)(食品、飼料、化學(xué)品、生物能源等)的基礎(chǔ)。然而，盡管理論上微藻的光合效率是陸生高等植物的10倍左右，但迄今為止即使是利用最高效的光反應(yīng)器(Photob1reacter, PBR),在自然光照且不外加光源的情況下最高生物量濃度也僅能達到10g.L 1左右，如果考慮占地面積與實際情況，最高生物量年產(chǎn)量一般不到200噸/公頃，與高等植物接近。同植物一樣，微藻細胞的光合過程作用一般分為光反應(yīng)和暗合成兩個階段。在光反應(yīng)階段藻細胞吸收光子進行水的分解獲得還原態(tài)H，產(chǎn)生ATP，在暗合成階段利用光反應(yīng)階段得到的還原態(tài)H和ATP進行生物質(zhì)的合成，兩個階段交替進行。在暗合成階段即使有光照藻細胞也不利用這些光能。一般地，光反應(yīng)階段為毫秒到秒級，而暗合成階段一般為秒至分鐘級。可以預(yù)見，如果采用傳統(tǒng)持續(xù)光照，至少在暗合成階段時間內(nèi)的光能不能為藻細胞所利用。因此理論上來說，如果可以讓微藻細胞在很短的時間內(nèi)吸收足夠的光源，然后轉(zhuǎn)移到黑暗環(huán)境中固定能量，待暗反應(yīng)完成后再回到照光區(qū)吸收光能，實現(xiàn)藻細胞光照-暗合成-再光照周而復(fù)始的循環(huán)，這種情況下光能的利用效率最高，而損失最小。據(jù)測算過當光能完全被利用時，光合作用的最大生物量產(chǎn)量能夠達到150g.m2.d1。
[0004]無論是作為食品、飼料還是生物能源，微藻產(chǎn)業(yè)的核心在于微藻生物量的獲得，其關(guān)鍵在于微藻的規(guī)模培養(yǎng)。目前的微藻培養(yǎng)主要包括開放式培養(yǎng)池與光生物反應(yīng)器兩種形式培養(yǎng)。開放式培養(yǎng)池的優(yōu)點在于建造和運行的成本較低。但由于開放池的光照面積/體積比較小，液體表面與下部混合較差，只有表層藻細胞能夠接受較充足的光照，池底細胞往往難以接受到充分光照，因此微藻光能利用率低，生長速度慢、培養(yǎng)液濃度低。另外一種光生物反應(yīng)器(PBR)培養(yǎng)，主要是采用透光材料(如玻璃、有機玻璃、塑料薄膜等)制成的細薄結(jié)構(gòu)，包括各式平板式反應(yīng)器、氣泡柱式反應(yīng)器、螺旋管式反應(yīng)器、不平管道式反應(yīng)器等，由于光徑小、培養(yǎng)體系光照面積/體積比較大，細胞光照較充分，補碳氣體與液體接觸時間長，培養(yǎng)液溶解CO2濃度較高，因而細胞生長速度與培養(yǎng)密度均較開放培養(yǎng)池高。但PBR通常造價昂貴、運行成本高、維護困難、難于大型化。但迄今無論是采用開放池培養(yǎng)，還是光生物反應(yīng)器培養(yǎng)，其微藻面積產(chǎn)率都不高，只有5?30g.m2.d \遠低于100?200g.m 2.d 1的理論面積產(chǎn)量，遠未能發(fā)揮出微藻的高產(chǎn)的優(yōu)勢。
[0005]針對微藻規(guī)模培養(yǎng)效率低的問題，人們對傳統(tǒng)培養(yǎng)方式作了許多改進。例如開放池的淺池運行、拆流檔板強化混合、補碳強化(如2007年6月20日公開、公開號1982432、專利號200510126465.6的中國發(fā)明專利“用于大規(guī)模培養(yǎng)微藻的補碳裝置及其使用方法”，以及2006年9月27日公開、公開號1837350、專利號200610018771.9的中國發(fā)明專利“微藻養(yǎng)殖池補充二氧化碳的裝置”)，螺旋管式、管道式、氣升式等各種密閉式光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)改進，以及開放式跑道池與密閉式光生物反應(yīng)器的耦聯(lián)組合(如2011年10月5日公開、公開號102206570A、專利號201010136300.4的中國發(fā)明專利“一種用于微藻規(guī)模培養(yǎng)的裝置和培養(yǎng)方法”)等，在一定程度上改善了培養(yǎng)效率，但都未能在大幅度提高微藻光合利用效率、單位面積產(chǎn)率和降低成本上獲得根本性突破?？梢姡瑐鹘y(tǒng)液體浸沒式培養(yǎng)方法不能最大程度的利用太陽光能，已經(jīng)難于支撐工業(yè)化大規(guī)模微藻生物質(zhì)資源的低成本供給。革新培養(yǎng)技術(shù)，在提高光能、CO2、營養(yǎng)物質(zhì)的利用效率的基礎(chǔ)上實現(xiàn)微藻細胞的高密度培養(yǎng)，同時降低建造、運行成本，減少物耗能耗，減少占地，提高空間利用率是推進微藻產(chǎn)業(yè)化深入發(fā)展的迫切要求?？梢哉f迄今微藻的所用培養(yǎng)方式都未能發(fā)揮出微藻高光效高生物質(zhì)產(chǎn)率的優(yōu)勢，生產(chǎn)成本比較高。針對微藻規(guī)模培養(yǎng)效率低的問題，人們對從裝備結(jié)構(gòu)、補碳方法、操作模式等方面進行了許多改進，但都未能在大幅度提高微藻光合利用效率、單位面積產(chǎn)率和降低成本上獲得根本性突破。
[0006]目前微藻培養(yǎng),無論開放池或者生物反應(yīng)器，都是大量藻細胞在液體培養(yǎng)基中的懸浮培養(yǎng)，其特征在于藻細胞分散于大量培養(yǎng)基水體中。水在微藻培養(yǎng)中的作用主要表現(xiàn)為:1)作為各種營養(yǎng)物質(zhì)(包括CO2、無機鹽)的溶劑和傳遞介質(zhì)，促進微藻細胞和營養(yǎng)物質(zhì)的有效接觸；2)作為調(diào)控環(huán)境的緩沖體系，穩(wěn)定培養(yǎng)液pH、溫度、滲透壓等環(huán)境參數(shù)；3)作為微藻細胞的支撐體系，擴展微藻細胞的生存空間，以利細胞更充分接受光照。原則上，完成前兩種功能所需水量很少，只要水層能保持藻細胞潤濕即可。而作為支撐介質(zhì)，水由于自身性質(zhì)的限制表現(xiàn)出弊大于利的特征，主要為:由于大水體，對微藻培養(yǎng)效率的提高、成本的降低和系統(tǒng)放大造成巨大困難:1)藻細胞的對光的反射與遮擋，光在大水體中的衰減嚴重，藻細胞不能最大程度的利用太陽光；2)大水體為維持培養(yǎng)體系溫度消耗的能源巨大；3)大水體的攪拌混合能耗高；4)大水體過大導(dǎo)致營養(yǎng)鹽和CO2消耗量大；5)大水體中細胞濃度低、藻細胞收獲困難；6)大水體帶來的大體積、大重量、大壓強是在目前技術(shù)條件下實現(xiàn)傳統(tǒng)培養(yǎng)裝備大型化和提高空間利用率難于克服的障礙。例如傳統(tǒng)光生物反應(yīng)器采用的玻璃、有機玻璃、塑料薄膜等透明材質(zhì)，因其機械強度低，不適合大尺寸和空間高度上的放大，只能是低矮細薄結(jié)構(gòu)，占地大，光能利用率低，而這是微藻大規(guī)模培養(yǎng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化最重要的直接制約因素。工業(yè)生產(chǎn)中，為了得到大量生物量，通常做法是加大培養(yǎng)體積，但在不增加占地面積的情況下(例如僅僅增加開放池的深度或PBR的光徑)，增大培養(yǎng)液體積勢必造成單個藻細胞吸收光能總量的降低，從而使單位體積培養(yǎng)效率大大下降；反過來，如果要保證單位體積培養(yǎng)效率不降低，則必須成比例增加占地面積，這會加大固定投資。另外，增大培養(yǎng)液體積會導(dǎo)致控溫、攪拌、通氣、采收、營養(yǎng)鹽、廢水處理等投入增加。
[0007]基于上述原理，2012年3月14日公開、公開號102373156A、申請?zhí)枮?01010250866.X的中國發(fā)明專利“一種用于微藻工業(yè)化生產(chǎn)的半干固態(tài)培養(yǎng)方法”中提出了一種半干固態(tài)培養(yǎng)方法，其核心就是微藻細胞在固體支撐材料表面的貼壁培養(yǎng)，將微藻細胞接種于固態(tài)材料表面，并通過補充液體使細胞群體保持濕潤，在光照條件下，向細胞群添加無機碳源，通過控制潤濕液組分、光照強度、