一種表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元及培養(yǎng)系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元、培養(yǎng)系統，及其用于培養(yǎng) 光合微生物的方法。
【背景技術】
[0002] 光合微生物是一類以光為唯一的或主要能量來源而生長繁殖的微生物，包括微 藻、藍細菌等含有葉綠素可進行光合作用的微生物，微生物有著重要生物利用價值。據目前 文獻報道，藻類富含蛋白質，可以作為水產餌料或畜禽飼料（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，這些物質往往具 有極高經濟價值的生物活性物質，可以被用在功能食品、食品添加劑、制藥、生物能源等領 域。特別是，通過微藻大規(guī)模培養(yǎng)以從中提取微藻油脂，進而轉化成生物柴油被認為是解決 能源短缺與固碳減排的最重要途徑之一。
[0003] 微藻培養(yǎng)已有幾十年歷史，目前的工業(yè)化微藻培養(yǎng)為液體浸沒式，以大量水作為 微藻生活的支撐介質。主要包括開放式培養(yǎng)池與密閉式光生物反應器（photobioreactor， PBR)兩種形式。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；其次，開放池培養(yǎng)運行水深較淺，一般只有10-30厘米， 使得通氣補碳時氣液接觸時間短，補碳效率低，培養(yǎng)液中溶解二氧化碳（CO 2)的不足使光合 作用受到限制；再一個是開放式升溫慢，不能在短時間內升到酶活性最好的溫度25°C，經 常錯失光利用的最佳時機；而在夜間開放式池內溫度自然下降太慢，使藻細胞仍然保持旺 盛的呼吸作用，將白天存儲的能量消耗掉，故使藻細胞內有用的代謝物含量太低。因此開放 池培養(yǎng)的細胞生長速度與培養(yǎng)密度細胞均較低，另外其占地還大，容易受到污染。與其相 比，PBR-般是采用透光材料（如玻璃、有機玻璃、塑料薄膜等）制成的細薄結構，由于光徑 小、培養(yǎng)體系光照面積/體積比較大，所以細胞光照較充分。同時，補碳氣體與液體接觸時 間長，培養(yǎng)液溶解〇) 2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。但該類 PBR通常造價昂貴、運行成本高、維護困難、難于大型化，產率為5?30g/m2/d，遠遠低于理 論預測值100?200g/m 2/d，達不到產業(yè)化的理論計算目標，光能利用率低，這項微藻大規(guī)模 培養(yǎng)實現產業(yè)化最重要的直接制約因素仍有待提高。
[0004] 近年來，出現了一種半干式培養(yǎng)系統，并且已有文獻報道。但是，目前的半干式培 養(yǎng)系統一般是采用濾紙、濾布、海綿、塑料泡沫、纖維織物（例如帆布）中的一種或幾種作為 基質材料。然而，該類軟質材料具備如下缺點：（1)機械強度低，需要復雜的支撐和固定等 配套裝置，不合適大尺寸和空間高度上的放大，只能制成低矮細薄結構；（2)表面濕度不均 勻，微藻生長不牢固，容易受到環(huán)境影響而脫落；（3)不耐循環(huán)使用，需要經常更換，增加成 本；(4)容易掉落纖維等雜質，使收獲的微藻受到污染；（5)吸水和保水性能差，不利于微藻 生長繁殖逐漸增加的培養(yǎng)液消耗要求并且能源成本增加，和（6)這些柔性材料在作為培養(yǎng) 載體時，其生物兼容性和耐化學腐蝕性等方面都具有一定局限性。因此目前此類培養(yǎng)系統 仍不適于大規(guī)?；a。
[0005] 鑒于現有技術的上述缺點，本實用新型采用一種新型表面生長式光合微生物培養(yǎng) 單元、培養(yǎng)系統及培養(yǎng)方法。 【實用新型內容】
[0006] 為克服上述缺點，本實用新型提供一種表面生長式光合微生物培養(yǎng)單元，該培養(yǎng) 單元包括：
[0007] 至少一個多孔板，所述多孔板由剛性的吸水滲水材料制成，其表面用于附著光合 微生物；
[0008] 至少一個供液裝置，所述供液裝置用于向所述多孔板提供光合微生物生長所需的 培養(yǎng)液，所述培養(yǎng)液被所述的多孔板吸收并滲透至該多孔板的表面；
[0009] 至少一個培養(yǎng)液回收裝置，所述培養(yǎng)液回收裝置設于所述多孔板下端，以將各多 孔板下端滲出或未被多孔板吸收的培養(yǎng)液收集。
[0010] 在一個實施方案中，所述多孔板為透水陶瓷板、水泥板、青磚板、紅磚板、陶土制成 板或瓦板。
[0011] 在一個實施方案中，所述多孔板是由基質材料和添加劑制成的硬質多孔板，其中， 所述添加劑包括粘結劑，所述基質材料為分子篩、玻璃粉、玻璃砂或者青石。
[0012] 在一個實施方案中，所述粘結劑包含鋁石。
[0013] 在一個實施方案中，所述粘結劑還包含田菁粉和硝酸。
[0014] 在一個實施方案中，所述基質材料為分子篩，所述分子篩具有5 A ~ 2nm的第一 孔徑。
[0015] 在一個實施方案中，所述分子篩具有6 ~ 8人的第一孔徑。
[0016] 在一個實施方案中，所述多孔板包含分子篩和錯石，其中所述分子篩為50-90質 量份，錯石為5-45質量份。
[0017] 在一個實施方案中，所述多孔板包含分子篩、鋁石、田菁粉和硝酸，其中所述分子 篩為60-80質量份，鋁石為15-35質量份，田菁粉為1-4質量份，硝酸為1-4質量份。
[0018] 在一個實施方案中，所述多孔板具有3?40 μ m的第二孔徑。
[0019] 在一個實施方案中，所述多孔板的表面呈凹凸不平狀，其包括規(guī)則或不規(guī)則圖案。 [0020] 在一個實施方案中，所述多孔板的表面呈紋理狀。
[0021] 在一個實施方案中，所述供液裝置系罩設于所述多孔板的上頂端側緣。
[0022] 在一個實施方案中，所述供液裝置以間隔方式設于該多孔板的頂端上方，所述供 液裝置以噴淋、滴漏或滲漏的方式給多孔板提供培養(yǎng)液。
[0023] 在一個實施方案中，所述培養(yǎng)單元還包括至少一個固定裝置，該固定裝置用于將 所述多孔板以直立的方式固定于一個預定位置。
[0024] 此外，本實用新型還提供了一種包含上述培養(yǎng)單元的表面生長式培養(yǎng)系統，該培 養(yǎng)系統包括：
[0025] -個由上述任一實施方案中的培養(yǎng)單元所組成的陣列，所述各培養(yǎng)單元的多孔板 表面供光合微生物附著生長；和
[0026] 用于向所述陣列中的培養(yǎng)單元的供液裝置提供培養(yǎng)液的培養(yǎng)液供給裝置；
[0027] 其中，所述培養(yǎng)液供給裝置包括培養(yǎng)液池、循環(huán)動力裝置，該循環(huán)動力裝置與各該 供液裝置連接，以將該培養(yǎng)液池內的培養(yǎng)液輸送至各該供液裝置。
[0028] 本實用新型系統的一個實施方式中，所述循環(huán)動力裝置為泵。
[0029] 本實用新型系統的一個實施方式中，所述培養(yǎng)液供給裝置還包括一個二氧化碳的 混入裝置，所述混入裝置將二氧化碳混入至所述的培養(yǎng)液培養(yǎng)池中。
[0030] 依據上述構思，本實用新型還可以采用壓力將培養(yǎng)液輸送至供液裝置，所述循環(huán) 動力裝置包括壓力罐和空氣壓縮氣源，所述培養(yǎng)液池以管路連接至該壓力罐的進液口，所 述培養(yǎng)液池能夠將一定量的培養(yǎng)液輸入該壓力罐內暫存，所述壓力罐的出液口通過管路與 各該供液裝置連接，該空氣壓縮氣源連接該壓力罐的進氣口，通過啟動該空氣壓縮氣源工 作向該壓力罐內增壓，以該壓力罐內暫存的培養(yǎng)液輸送至各該供液裝置。
[0031] 本實用新型系統的一個實施方式中，所述壓力罐的一側設有一個通向外界的排氣 閥，該培養(yǎng)液池連接至該壓力罐之間的管路上設有第一截止閥，該空氣壓縮氣源連接至該 壓力罐之間的管路上設有第二截止閥和一個減壓閥。
[0032] 本實用新型系統的一個實施方式中，該壓力罐底部還設有一個液位檢測計，該壓 力罐連接至各該供液裝置的管路上設有一個壓力表。
[0033] 本實用新型系統的一個實施方式中，所述培養(yǎng)液回收裝置將該多孔板下端滲出或 未被多孔板吸收的培養(yǎng)液收集并通過管路返回至培養(yǎng)液池。
[0034] 本實用新型系統的一個實施方式中，所述多孔板與培養(yǎng)液回收裝置中的培養(yǎng)液接 觸。
[0035] 本實用新型系統的一個實施方式中，所述培養(yǎng)單元為至少兩個，相鄰培養(yǎng)單元之 間設置有光源裝置，該光源裝置與所述培養(yǎng)單元平行地設置；或者，所述各培養(yǎng)單元平行放 置形成陣列，而將一光源裝置設于該陣列