一种用于微藻光自养培养的光强和二氧化碳耦合方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于微藻光自养培养的光强和二氧化碳耦合方法，具体来说是在光照微藻反应器培养过程中，通过实时监测入射光强和透射光强变化，结合培养微藻的光合特征值，动态调节通入的CO2量，实现能量物质输入的有效耦合，进而提高微藻光照培养的效率。本技术实现了微藻光照生长过程中能量和物质输入的优化，在提高微藻生产效率的同时，也降低了不必要的CO2通入，降低不必要的CO2消耗。
【专利说明】一种用于微藻光自养培养的光强和二氧化碳耦合方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于一种微藻光生物反应器培养控制方法。
【背景技术】
[0002]微藻能够通过光合作用将光能转化为化学能，进而固定二氧化碳积累生物质。作为极具潜力的新一代生物基化学品和生物能源的来源生物，利用太阳光进行微藻规模培养得到了人们的关注，也是人们研究的热点。在以生物质为目标的培养过程中，微量营养元素通常处于过量状态，限制生物质积累以及生产成本控制的主要因素即是光和二氧化碳。
[0003]在规模培养中，太阳光是微藻生长的直接能量来源，但这种能量的供应是随时波动的，常规的恒定PH或恒定二氧化碳浓度的培养方法无能有效的根据能量输入变化进行调节，降低了光能和二氧化碳的利用效率，并最终影响微藻的生产成本。
[0004]根据植物和微藻光合作用的过程，处于正常生长的微藻(非胁迫状态)，输入能量与积累生物量中的总化学能成正比，其比例系数与生物质热值、生物质中碳含量、微藻光能利用效率有关。其中能激发光合作用的有效辐射可以通过PAR测定仪获得，生物质热值可以通过燃烧热分析获得，生物质中的碳含量可以通过元素分析获得，结合多次培养所获得的平均光能利用效率，可以计算出瞬时的二氧化碳需求量。
[0005]特定培养体系中二氧化碳输送能力，受气泡大小、气体停留时间、二氧化碳浓度差等影响差异很大，但是可以通过冷模实验对培养系统中二氧化碳的传递比例进行测定。在此基础上，获得为了满足瞬时二氧化碳需求的实际二氧化碳通入量，如在典型的气升板式反应器中，对通入气体的二氧化碳浓度进行调节。
[0006]基于上述分析，一种用于微藻光生物反应器培养的、尤其是自然光为光源的、光强与二氧化碳耦合培养技术是可行的，尤其适用于微藻正常培养阶段。这种培养有别于常规基于pH或二氧化碳浓度的调节，真正根据需求提供二氧化碳。该技术通过动态调节生长要素，一方面将促进微藻产量的提高，另一方面也将降低低光照时不必要的二氧化碳通入，降低生产成本。
【发明内容】
[0007]基于上述分析，可以通过测定入射和透射光强变化，结合微藻的光合作用和培养的特征值，包括微藻生物质的量与二氧化碳固定量之间的比例、平均PAR与能量转换关系等，能够快速有效预测微藻在特定光照条件下对二氧化碳的需求，用于实现基于光强的二氧化碳耦合调控。
[0008]具体步骤为
[0009](I)测定入射Iin和透射Itjut的光合有效辐射强度(PAR，单位μ mol/(m2.s));
[0010](2)通过入射光强与微藻自身光合特征值——饱和光强(陈根云等，光合作用对光和二氧化碳相应的观测方法探讨，《植物生理与分子生物学学报》，2006，32(6):691-696)，判断入射光是否达到饱和光强；
[0011](3)在⑴的基础上，根据微藻生物质热值(H，单位J/g，对于微藻取值范围在1.6?2.4xl04J/g)、微藻生物质与二氧化碳固定比例(B，取值范围1.6?2.0)、平均PAR能量转换关系(I U mol/(m2.s) = 0.217ff/m2,以550nm光子能量计)，光照面积(A,单位m2)和光能利用效率(K，通常微藻培养过程中取值在0.01?0.09)，计算单位时间系统二氧化碳需求量(M，单位g/s)，公式如下:
[0012]M = ΒΧ0.217XKX (Iin-1out) XA/H
[0013](4)在(2)的基础上，当光强大于最大饱和光强，取微藻的最大饱和光强的值为I in。
[0014]这一计算方式适用于常见的绿藻、金藻、螺旋藻等。
[0015]本发明具有如下优点:
[0016](I)测定方式简便，在确定相应系数后，实际生产上只通过测定进入系统中的光强变化即可获得所需要的二氧化碳量；
[0017](2)测定计算具有实时性，对于现在的自动化控制水平，本发明所涉及的计算和控制便于实现应用；
[0018](3)在提高生物量生产效率的同时，降低了无效二氧化碳通入所产生的能耗和二氧化碳排放。
[0019]发明原理
[0020]微藻光自养生物质的积累实际上是以光能为能量来源，借助光合系统转化为化学能的过程，同时伴随着二氧化碳的固定，表现为生物质的增加。整个过程的唯一能量来源即光能。在实际培养过程中，用于生物质固定的光能仅为光能损失的一部分，另一部分将会以热耗散等其它形式损失掉，因此，实际光能利用率低于光能的输入量。
[0021]在光自养微藻培养过程中，尤其是利用自然光培养过程中，光能的输入时刻在变，会对微藻生物质生产控制带来负面作用。通常人们会通过测定培养系统中溶解二氧化碳浓度，如直接使用二氧化碳传感器或使用PH换算，来进行体系中二氧化碳补给的控制，但是由于输入能量的波动，会导致二氧化碳的通入往往与微藻细胞的需求不一致，且属于滞后调控。
[0022]通过文献调研和实际测试， 申请人:发现在微藻稳定生长阶段，可以近似认为培养系统中的微藻处于稳态，因此可以通过测定一些与光能固定有关的参数获得用于光合作用的能量的估计值，进而可以估算出系统对二氧化碳的需求量，使得系统中光-二氧化碳耦合匹配成为可能。
【具体实施方式】
[0023]实施例1、
[0024]利用燃烧热测定仪对几种典型微藻，包括湛江等鞭金藻(金藻)、四月藻(海洋绿藻)、小球藻(淡水绿藻)和螺旋藻(蓝藻)的燃烧热值进行测定，分别为:2.2±0.08、1.7±0.02,2.0±0.03 和 2.1±0.01，单位 xl04J/g。
[0025]实施例2、
[0026]以湛江等鞭金藻为例，测定不同培养系统中，包括日光灯光源下(光强为50-250 μ mol/(m2 *s))0.5L管式气升反应器、IL板式反应器、1.5L板式反应器、3L摇瓶、30L板式反应器、10L板式反应器以及自然光下(光强为50-2000 μ mol/(m2.s)) 100L板式反应器，以收获时生物质增量对总输入光能计算的光能利用率分别为:9.3%,6.0%,6.4%,3.9%,3.2%,3.5%和1.2%。按照前文文献所述饱和光强测定方法，测定金藻的饱和光强约为 800 μ mol/ (m2.s)。
[0027]再次基础上对500mL气升管式培养反应器所需二氧化碳通入量进行计算，取入射光190 μ mol/(m2.s),透射光6.3 μ mol/(m2.s),利用本专利公式计算和实施例1、2中的数据，系统二氧化碳通入速率为1.7?2.2xl0_7mol/s。
[0028]而实际中经过优化的二氧化碳通气浓度为2%，气泡总面积约10_3m2，培养基pH约6.7 (对应二氧化碳浓度6.3x 10_4mol/L)，查表获得25 °C时二氧化碳的亨利系数E =1.64xl0_3atm，二氧化碳的以浓度差为推动力的液相传质系数Kl = 0.0045m/s，利用亨利公式以及经典传质速率计算公式计算此时系统的二氧化碳传输速率约为2.25xl0-7mol/so这一结果表明，本专利计算方法与实验实际获得的最优结果相接近。
【权利要求】
1.一种用于微藻光自养培养的光强和二氧化碳稱合方法，其特征在于:米用侧壁面为透明材料的容器进行微藻培养，通过实时监测微藻培养体系中入射光强和透射光强变化，结合微藻光合作用和培养的特征值，确定瞬时CO2需求量，以实现能量物质输入的有效耦入口 O
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于: 其实现包括: (1)测定入射光Iin和透射光U的光合有效辐射强度(PAR，单位ymol/Oii2.s)); (2)通过入射光强与微藻自身光合特征值——饱和光强，判断入射光是否达到饱和光强；当光强大于饱和光强，取微藻的饱和光强的值为Iin ; (3)在步骤(I)的基础上，根据微藻生物质热值(H，单位J/g，对于微藻取值范围在1.6?2.4xl04J/g)、微藻生物质的量与二氧化碳固定量的质量比例(B取值范围1.6?2.0)、平均PAR能量转换关系(I μ mol/(m2.s) = 0.217ff/m2,以550nm光子能量计)，光照面积(A，单位m2)和光能利用效率(K，通常微藻培养过程中取值在0.01?0.09)，计算单位时间二氧化碳需求量(M，单位g/s)，公式如下:
M = ΒΧ0.217XKX (Iin-1out) XA/H。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于:适用于光自养微藻，包括绿藻、金藻、螺旋藻等的培养。
【文档编号】C12N1/12GK104388314SQ201410606404
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】薛松, 曹旭鹏, 褚亚东, 陆洪斌 申请人:中国科学院大连化学物理研究所