一种盐藻无损伤循环培养装置转让专利
申请号 : CN202110715799.2
文献号 : CN113150949B
文献日 : 2021-09-17
发明人 : 邱炜 , 王广策 , 邱琦 , 顾文辉 , 郭井瑶 , 王立军 , 崔会冲 , 关月
申请人 : 天津长芦汉沽盐场有限责任公司 , 中国科学院海洋研究所 , 天津汉盐科瑞生物科技有限责任公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种盐藻无损伤循环培养装置,包括气升式反应器、与气升式反应器上端与下端均相通的光生物反应器,其特征在于:气升式反应器包括交换柱、连接在交换柱下端的长度可调的竖直管路、竖直管路底部的离心泵、设置在竖直管路上的射流器、底部与射流器下端的所述竖直管路连通的氧气循环管路、连接在氧气循环管路顶部的空气压缩机;
所述气升式反应器上设置旁路循环管路,所述旁路循环管路顶端与交换柱连通,底端与射流器下端的所述竖直管路连通,旁路循环管路上安装液体流量计;
在所述交换柱上与所述旁路循环管路相对侧安装溶氧电极;
气升式反应器顶部远离光生物反应器的一侧连接负压管路,负压管路上连接负压抽气机和废液收集箱;
气升式反应器顶部与光生物反应器相连通的管路上设置补气口,所述补气口处连接二氧化碳钢瓶。
2.根据权利要求1所述的盐藻无损伤循环培养装置,其特征在于:所述交换柱为底部呈锥形、顶部呈圆柱形的中空容器,其顶部设置进料口,在交换柱内部循环管路上端负压管路下端位置处设置气泡排出口。
3.根据权利要求1所述的盐藻无损伤循环培养装置,其特征在于:负压管路末端连接三通,所述三通一端连接在位于其上方的负压抽气机上,另一端连接溢流管路,溢流管路末端连接位于下端的废液收集箱。
4.根据权利要求1所述的盐藻无损伤循环培养装置,其特征在于:氧气循环管路上安装第一气体流量计。
5.根据权利要求4所述的盐藻无损伤循环培养装置,其特征在于:二氧化碳钢瓶与补气口之间的管路上安装第二气体流量计。
6.根据权利要求1所述的盐藻无损伤循环培养装置,其特征在于:气升式反应器底部与光生物反应器相连通的管路上设置pH电极。
7.根据权利要求1所述的盐藻无损伤循环培养装置,其特征在于:在气升式反应器与光生物反应器相连通的管路上、旁路循环管路上、负压管路上均设置控制流量大小或启闭的阀门。
8.根据权利要求5所述的盐藻无损伤循环培养装置,其特征在于:依赖于该装置的盐藻循环培养方法为:
1)开启离心泵,对交换柱和光生物反应器分别进行消毒、曝气;
2)加入营养液和无菌盐藻藻种液;
3)开启LED光源,设置光、暗周期,开启空气压缩机,调节第一气体流量计,开启二氧化碳钢瓶,调节第二气体流量计,系统每连续运转4小时,读取溶氧电极值,及时调整气体流量值至氧气浓度降低至所需阈值,暗周期内关闭二氧化碳钢瓶;
4)启动负压抽气机,废液收集箱收集废液,根据排除液量补加新鲜无菌培养基。
说明书 :
一种盐藻无损伤循环培养装置
技术领域
背景技术
细胞结构特性也导致了盐藻细胞在产业化养殖过程中极易受外界机械剪切力的损伤而出
现生长衰退甚至细胞死亡。此外,盐藻细胞的损伤和死亡会释放大量有机物至培养体系中,
促进细菌、甚至敌害生物的繁殖;溶解在体系中的蛋白等有机物在补气装置的作用下会产
生大量气泡,进而引起更多盐藻气浮聚集而死亡。
获富含特定代谢产物的盐藻作为后续产品加工的原料。光合作用依赖盐藻中Rubisco酶,但
Rubisco酶既可以与CO2发生反应通过光合作用过程合成有机物供细胞生长;又可以与O2发
生反应进行光呼吸作用分解有机物,消耗细胞的物质与能量,进而降低盐藻的产量,因此,
在盐藻培养过程中需要尽量降低培养体系中dO2(溶解性氧气)同时提高dCO2(溶解性二氧化
碳)的值,以促进盐藻细胞进行光合作用而抑制其光呼吸作用。
至无剪切力的循环模块是盐藻产业化化养殖工艺设计的核心与关键。蔡志武的“一种产业
化培养微藻的生产装置”(中国专利,CN201245640Y)公开了一种气推运行的封闭光生物反
应器模型,但是该发明仅适用于水平流动的液体。罗光宏等人的“一种盐藻培养装置”(中国
专利,CN209722114U)采用电机驱动搅拌轴和搅拌翅对盐藻培养液进行搅拌以避免细胞贴
壁,但是其机械转动依然会引入外源机械剪切力,可能对细胞造成损伤;此外,搅拌也会提
高设备的能耗。何雅玲等人的“一种自吸氧式管式光生物反应器”(中国专利,
CN107043693B)通过引入燃料电池组吸收反应器中的高浓度溶解氧,但仍需要借助于循环
水泵实现藻液的循环。
发明内容
离,实现降低溶解性氧气,提高溶解性二氧化碳,进而促进盐藻细胞进行光合固碳,同时抑
制其光呼吸过程。
柱、连接在交换柱下端的长度可调的竖直管路、竖直管路底部的离心泵、设置在竖直管路上
的射流器、底部与射流器下端的所述竖直管路连通的氧气循环管路、连接在氧气循环管路
顶部的空气压缩机。
路末端连接位于其下端的废液收集箱。
计。
流量值至氧气浓度降低至所需阈值,暗周期内关闭二氧化碳钢瓶;
在交换柱中循环,使其从低位H0循环至高位H1,气体和盐藻液在上升过程中,发生气体交
换。并随气泡的上升而混匀最终到达H3高度。在补气口通入二氧化碳,随盐藻混合液进入光
生物反应器进行光合作用,由于盐藻细胞经光合固碳,在光生物反应器中盐藻细胞吸收无
机碳,导致溶解性二氧化碳降低;通入气体的二氧化碳浓度大于H0处二氧化碳浓度,在藻液
从H0处上升至H1过程中,气相中CO2向盐藻液扩散,使得盐藻液中溶解性二氧化碳升高。类
似的,由于盐藻细胞经光合放氧,在光生物反应器积累大量氧气,导致溶解性氧气升高;通
入消毒压缩气体的氧气浓度小于H0处氧气浓度,在藻液从H0处上升至H1过程中,盐藻液中O2
自液相向气相扩散,使得盐藻液中溶解性氧气降低。通过读取溶氧电极,调节液体流量计,
直至溶解性氧气降低至所需阈值。至此实现溶氧解析与二氧化碳补充的物理隔离。离心泵
仅在清洗管路或者平衡不含盐藻细胞的营养液使用。接入盐藻细胞后,离心泵将一直处于
关闭状态,因此对盐藻细胞不存在任何机械损伤。
盐藻液上升实现无损伤循环,离心泵仅在清洗管路或者平衡不含盐藻细胞的营养液时使
用,接入盐藻细胞后,离心泵将一直处于关闭状态,对盐藻细胞不存在任何机械损伤。
盐藻的人工可控性。
大于H,通过延长本装置的竖直管路,以满足本装置高度达到高度H;当光生物反应器的高度
低于H,可缩短竖直管路的高度,以适应不同高度尺寸的平板式、管道式、跑道池式光生物反
应器。
附图说明
气压缩机;14.第一气体流量计;15.pH电极;16.二氧化碳钢瓶;17.第二气体流量计;18.补
气口;19.上法兰接口;20.下法兰接口;21.光生物反应器;22.光照区域;23.第五阀门;24.
第四阀门;25.第二阀门;26.第三阀门;27.第一阀门;28.第十三阀门;29.第十二阀门;30.
第十一阀门;31.第八阀门;32.第九阀门;33.第十阀门;34.第六阀门;35.第七阀门。
具体实施方式
路末端设置上法兰接口19,气升式反应器下端与光生物反应器21之间连接的管路末端设置
下法兰接口20,气升式反应器包括交换柱11、连接在交换柱11下端的长度可调的竖直管路
8、竖直管路8底部的离心泵9、设置在竖直管路8上的射流器12、底部与射流器12下端的所述
竖直管路8连通的氧气循环管路、连接在氧气循环管路顶部的空气压缩机13,氧气循环管路
上安装第一气体流量计14。
出口7。
循环管路顶端靠近交换柱11处设置第二阀门25,在旁路循环管路底端靠近竖直管路8处设
置第三阀门26。
路2末端连接在位于下端的废液收集箱3上,水平负压管路4上设置第四阀门24,废液收集箱
3的出口处设置第五阀门23。
补气口18处,二氧化碳钢瓶16与补气口18之间的管路上安装第二气体流量计17;在气升式
反应器与二氧化碳钢瓶16之间连接的管路上安装第六阀门34,二氧化碳钢瓶16与所述光反
应器之间的管路上安装第七阀门35。
液口,所述排液口处安装第九阀门32,在pH电极15安装处与光生物反应器21之间的管路上
安装第十阀门33,在pH电极15安装处与离心泵9之间的管路上安装第十一阀门30,气升式反
应器底部与光生物反应器21相连通的管路与竖直管路8之间设置分流支管,所述分流支管
上安装第十二阀门29,分流支管与离心泵9之间的管路上安装第十三阀门28。
阀门34、第七阀门35。接种量按照盐藻液体积与光生物反应器模块和本培养装置的总容积
之比为1:10~1:50的比例范围接种,开启空气压缩机13,读取第一气体流量计14值,调节流
量至0.1*V/min,V为上述的盐藻液体积,压力设定为ρ*g*(H4‑H1),其中ρ为所用培养液密
度,g为重力常数;开启二氧化碳钢瓶16,读取第二气体流量计17,调节二氧化碳气体流速为
0.001*V/min。至此盐藻混合液开始经由上法兰接口19流向反应器,经过光照区域22完成光
合作用后,经由下法兰接口20返回H0。读取pH电极15的值,若pH>8.5,增加二氧化碳流速至
0.01*V/min。读取pH电极15的值,7.5<pH<8.5,调节二氧化碳钢瓶16阀门出口气量至
0.001*V/min。若pH<7.5,关闭二氧化碳钢瓶16。细胞密度生长过程中,或其达到指数期后,
部分正常死亡细胞及细胞分泌的代谢物会导致交换柱11的液面顶部有气泡形成;此时需打
开第四阀门24,启动负压抽气机1,交换柱11中液面上升,带动气泡经由溢流管路2流向废液
收集箱3。排气泡结束后,关闭第四阀门24,关闭负压抽气机1。交换柱11液面下降,并根据排
除液量补加新鲜无菌培养基。打开第五阀门23,用显微镜检查所排出的废液和气泡中细胞
破碎情况,排净废液收集箱3中的废液。
离心泵9,充分消毒5小时后排净;使用井水冲洗1遍,开启空气压缩压机13,流量计5调整为
10L/min。充分曝气5小时后排净。使用潜水泵抽取900L盐度为30‰的天然海水,加入54Kg重
量的NaCl,充分混匀,测量其盐度为90‰,添加KNO3450g,27g KH2PO4,1080gMgSO4,360g
NaHCO3,加入约18mL浓盐酸溶液调节pH至8.10。将上述营养液充分混合,经过0.22μm孔径滤
膜过滤后。关闭负压抽气机1,第二阀门25、第十三阀门28、第九阀门32。从进料口6一次性加
入100L无菌盐藻藻种液(藻种细胞浓度约为10万细胞/mL),加入后液面高度为2米。开启光
生物反应器21的LED光源,光强调至300μE,设置光、暗周期为16小时光照,8小时黑暗。开启
空气压缩机13,调节第一气体流量计14总流量为10L/min。开启二氧化碳钢瓶16,调节第二
气体流量计17流量为100mL/min。光周期16小时内,系统每连续运转4小时,读取溶氧电极
10,超过25mg/L。开启第五阀门25,增加气体流量至20L/min。监测溶氧电极10探头降低至
20mg/L后,关闭第二阀门25。暗周期内,关闭二氧化碳钢瓶16。按照上述操作,10天后测定细
胞密度,达到270万细胞/mL后完1个培养周期。
159.76x,测算细胞密度(万个细胞/mL)。
量。分别测定三种模式在不同运行时间细胞密度,经过5天运行,初始密度OD680均为0.2,连
续监测数据表明本发明所述的旁路气升模式较已有技术具有25%‑34%效率的提升,如图2
所示,从中可发现通过旁路气升模式下培养可促进盐藻细胞光合作用而提高生物产量,对
卤水养殖盐藻具有了一定的可控性。
等,均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。