表面生長式光合微生物培養單元、培養系統及培養方法

表面生長式光合微生物培養單元、培養系統及培養方法
【專利摘要】本發明涉及一種表面生長式光合微生物培養單元，該培養單元包括：至少一個多孔板，所述多孔板是由剛性的吸水滲水材料制成，其表面用于附著光合微生物；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液，所述培養液被所述的多孔板吸收并滲透至該多孔板的表面；至少一個培養液回收裝置。此外，本發明還涉及一種包含上述培養單元的表面生長式培養系統，包括由上述培養單元組成的陣列，為供液裝置源源不斷地提供培養液的培養液供給裝置，所述供給裝置包括培養液池和循環動力裝置。本發明解決了現有浸沒式光合微生物培養的光生物反應器系統制造和維護成本昂貴，空間利用率低、生產效率低、能耗高的問題。
【專利說明】表面生長式光合微生物培養單兀、培養系統及培養方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種表面生長式光合微生物培養單兀、培養系統，及其用于培養光合 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，通過微藻大規模培養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] 微藻培養已有幾十年歷史，目前的工業化微藻培養為液體浸沒式，以大量水作為 微藻生活的支撐介質。主要包括開放式培養池與密閉式光生物反應器（photobioreactor, PBR)兩種形式。開放式培養池的優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，培養液中溶解二氧化碳（C0 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 池培養的細胞生長速度與培養密度細胞均較低，另外其占地還大，容易受到污染。與其相 t匕，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，培養液溶解C0 2濃度較高，因而細胞生長速度與培養密度均較開放培養池高。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/m 2/d，遠遠低于理 論預測值100?200g/m2/d，達不到產業化的理論計算目標，光能利用率低，這項微藻大規模 培養實現產業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系統，并且已有文獻報道。但是，目前的半干式培 養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，容易受到環境影響而脫落；（3)不耐循環使用，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 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。因此目前此類培養系統 仍不適于大規模化生產。
[0005] 鑒于現有技術的上述缺點，本發明采用一種新型表面生長式光合微生物培養單 兀、培養系統及培養方法。


【發明內容】

[0006] 為克服上述缺點，本發明提供一種表面生長式光合微生物培養單兀，該培養單兀 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 培養液，所述培養液被所述的多孔板吸收并滲透至該多孔板的表面；
[0009] 至少一個培養液回收裝置，所述培養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人~ 2rim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鋁石，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，錯石為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 iim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，其包括規則或不規則圖案。
[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液。
[0023] 在一個實施方案中，所述培養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，本發明還提供了一種包含上述培養單元的表面生長式培養系統，該培養系 統包括：
[0025] -個由上述任一實施方案中的培養單元所組成的陣列，所述各培養單元的多孔板 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單元的供液裝置提供培養液的培養液供給裝置；
[0027] 其中，所述培養液供給裝置包括培養液池、循環動力裝置，該循環動力裝置與各該 供液裝置連接，以將該培養液池內的培養液輸送至各該供液裝置。
[0028] 本發明系統的一個實施方式中，所述循環動力裝置為泵。
[0029] 本發明系統的一個實施方式中，所述培養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液培養池中。
[0030] 依據上述構思，本發明還可以采用壓力將培養液輸送至供液裝置，所述循環動力 裝置包括壓力罐和空氣壓縮氣源，所述培養液池以管路連接至該壓力罐的進液口，所述培 養液池能夠將一定量的培養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液輸送至各該供液裝置。
[0031] 本發明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] 本發明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] 本發明系統的一個實施方式中，所述培養液回收裝置將該多孔板下端滲出或未被 多孔板吸收的培養液收集并通過管路返回至培養液池。
[0034] 本發明系統的一個實施方式中，所述多孔板與培養液回收裝置中的培養液接觸。
[0035] 本發明系統的一個實施方式中，所述培養單元為至少兩個，相鄰培養單元之間設 置有光源裝置，該光源裝置與所述培養單元平行地設置；或者，所述各培養單元平行放置形 成陣列，而將一光源裝置設于該陣列的一側，與各該培養單兀垂直。
[0036] 本發明系統的一個實施方式中，所述光源為自然光或人工光源，所述人工光源為 雙面光源或單面光源。
[0037] 基于上述構思，本發明運用前述表面生長式培養系統培養光合微生物的方法，包 括以下步驟：
[0038] a)將培養液池中的培養液通過泵或空氣壓縮氣源及壓力罐輸送至各供液裝置，供 液裝置以噴淋、滴漏或滲漏的方式給多孔板提供培養液，從而使培養液浸潤多孔板；
[0039] b)在所述多孔板上接種光合微生物；
[0040] c)設置環境濕度和溫度，在適合光合微生物生長的光強下使得光合微生物進行光 合作用、生長繁殖。
[0041] 其中，在步驟a)中，還包括將所述多孔板上滲出或未被多孔板吸收的培養液回收 至培養液池中的步驟，且同時監測培養液池中的培養液成分，以便及時向培養液池補充營 養成分。
[0042] 在一個實施方案中，所述光合微生物包括小球藻、螺旋藻、綠藻、等鞭金藻、微擬球 藻、柵藻或血球藻。
[0043] 為了進行光合微生物的表面生長式培養，本發明采用新型表面生長式光合微生物 培養單元和培養系統，其中所使用的剛性多孔板可應用于本發明的培養系統和培養方法。 這種多孔材料板具有很好的吸水/滲水性能，因此其吸收的培養液可儲備起來而為培養系 統表面提供供給，其內部孔徑允許水分子在材料的內部網絡充分循環流動，且由于水分流 動的帶動作用，培養所需的營養小分子物質均可通過擴散到達多孔板的表面實現均勻分 布，而粒徑比水和無機鹽大的微藻藻種，不容易反向滲入至多孔板的內部，又由于上述多孔 材料的親水性，其電荷允許大量的微藻藻種附著（類似苔蘚等生長在水中的石壁上）。另 夕卜，這種多孔材料板的骨架密度比較低、強度和剛性較高，相對于現有的濾布、濾紙或帆布 等具有如下效果：（1)多孔板自身為剛性，可以簡單的方式實現自支撐（只需簡單地對其底 部固定就可以直立），在空間高度和尺寸上更容易實現，無需如帆布等必須依賴復雜的支撐 框架，可以節省系統所占空間和成本；（2)表面濕度均勻，微藻生長牢固，不容易受到環境 影響而脫落；（3)可耐環境因素影響，耐腐性好，重復利用率高，降低成本；(4)不會有纖維 等雜質混入收獲的藻產物中；（5)吸水和保水性能好，有利于微藻生長繁殖逐漸增加的對 培養液消耗的要求。
[0044] 本發明的多孔板較佳是以分子篩為基質，分子篩通常是由T04(T=Si，P，Al，Ge 等）四面體構成的具有微孔結構的晶態無機固體，具有不同的籠或孔狀結構（孔徑通常小 于2nm)。由于分子篩能將比其孔徑小的分子吸附到空穴內部，而把比孔徑大的分子排斥在 其空穴外，起到篩分分子的作用，故得名分子篩。沸石分子篩的實際用途是非常廣泛的，t匕 如它可以用作吸附劑、離子交換劑，尤其是可以用作石油裂解催化劑，這是人們開發具有良 好催化活性和選擇性沸石分子篩的動力。當然，隨著人們對分子篩研究的不斷深入，其應用 范圍也得到進一步的拓展，比如可以用作電池材料、藥物載體等等。沸石分子篩的這些特性 主要依賴于其機構和組成方面的特征，例如孔道的多維性、孔的尺寸、孔容、陽離子的數目 和位點、Si/Al比例等，可以說分子篩的性能是這幾種因素的綜合作用的體現。與一般常用 的固體吸附劑如硅膠、活性炭、活性氧化鋁等相比，分子篩在吸附性能方面有兩個顯著的特 點，一個是選擇性吸附，另一個是高效率吸附。
[0045] 由于組成元素主要是親水性元素以及多維的孔道結構，分子篩具有良好的水吸附 性能。其吸附方式主要為物理吸附，而且被吸附的水分子主要儲藏于分子篩的孔道中，因此 在吸水前后分子篩材料體積并沒有明顯變化。同時，分子篩在水分子連續輸送方面也具有 很好性能，這是分子篩能夠在較長時間內使內部和表面保持均一濕度的原因。此外，分子篩 還有一項重要的特性是能夠在水分子的協助下，對金屬離子表現出良好的傳輸性能，使材 料內部的離子能夠源源不斷地向表面進行輸送。這些特點決定了分子篩在半干法微藻培養 方面具有產業化應用的潛力。
[0046] 本發明提供的表面生長式培養系統耗水量比較低、微藻細胞生長較快、收獲便利 及總體能耗低，具體優勢如下：
[0047] 1、本發明米用的是表面生長式光合微生物培養系統。我們能夠將微藻接種于多孔 板的表面后，利用供液系統向多孔板材源源不斷地注入培養液，培養液經過多孔板內部達 到表面，供藻細胞生長。這樣就避免了傳統光生物反應器中水的大量使用，減少了動力系統 的能耗；減少了管道設計；減少了單位生物質產量的占地面積；同時，通過使微藻生長濃度 極大地提高，也簡化了傳統微藻后期收獲中濃縮、離心、過濾等工藝，提高了生產效率、降低 運營成本；
[0048] 2、本發明中所使用光源直接照射到微藻細胞，而不需要通過水體，因此光能量衰 減較少，相對傳統光生物反應器，大幅度提高了光能利用率，同時大幅度提高了微藻生長速 率和品質，這是微藻生物能源產業化的關鍵一步；
[0049] 3、傳統管式光生物反應器需要對水、藻混合物進行攪拌，以保證微藻在充足的光 照條件下充分生長，能耗和成本較高。而本發明所涉及的培養系統不需通過攪拌來避免藻 細胞沉降、實現藻細胞充分生長，從而減少了能耗，節約了成本；
[0050] 4、相對于其他光生物反應器，半干法光生物反應器可以便捷地改變微藻生長環 境。微藻的生長（生物量積累）和代謝物的產生（如油脂）一般是兩個分開的過程，因為 它們對環境要求不相同，細胞生長需要高氮環境，而油脂積累過程則需要低氮等脅迫環境。 目前常用的方法是等到培養基體系內原有氮源消耗完畢時才逐步轉化為缺氮誘導環境，往 往需要10天以上；若生長已近平臺期，想快速進入油脂累積階段，目前只能是先采集藻細 胞后再轉入低氮或無氮培養基中進行油脂代謝，這個工作量很大，而且能耗高。而通過本發 明的培養系統及培養方法，我們可以根據微藻生長情況隨時改變生長環境，以實現微藻生 物量的積累或油脂累積。
[0051] 5、使用本發明的表面生長式培養系統及培養方法，與現有的表面生長式培養系統 及方法相比，具有明顯的優勢：
[0052] 5a)本發明多孔板具有強的吸水性、透水性，從而可以為微藻的培養、生長源源不 斷地提供水分和其他培養所需的營養成分。本發明中的多孔板具有內部連通的數個微孔管 道，加上擴散性能良好，所述多孔培養板可迅速吸收培養液，達到飽和狀態，為在表面培養 微藻做好儲備。在水分蒸發時，由于培養系統表面孔穴內液體表面的表面張力作用，可在孔 道內產生汲取作用。在汲取作用下，培養液可在多孔板的管道/網絡/空穴內流動，可使培 養液快速補給到培養板表面，使培養板表面的濕度均一飽和。借助水分的運動，溶培養液中 的營養物質小分子也會隨同水流動到達任何地方，培養液實現從培養板內部向培養板表面 運輸。在上述自然機理作用下，由于是一個自然現象，因而相對于現有技術可降低供液能 耗。本發明的多孔板較佳選擇以分子篩為基質，由于分子篩的規格均一，可實現液體的流動 快速而且均勻；
[0053] 由分子篩制造的多孔板具有雙重多孔性，所述雙重多孔性為①分子篩多孔性，即， 分子篩本身所具有孔徑，從而具有強吸水性和保水性；②板多孔性（由分子篩顆粒壓制形 成時產生的孔徑），即，制成的分子篩多孔板還具有除了分子篩本身孔徑以外的孔徑，這種 孔徑大于分子篩本身孔徑，增加水生生物在多孔板表面與水的接觸面積，并且增加在多孔 板表面水的流動性，從而有利于將富含營養成分的培養液向水生生物輸送。這種分子篩的 多孔性和板多孔性的配合極大地增加了多孔板的吸水性和保水性，并增加了將培養液遞送 至水生生物的能力，有利于水生生物生長；
[0054] 5b)本發明的多孔板為剛性，其機械強度高，可在堅直方向自支撐，只需簡易地對 其底部支撐固定即可，便于實現尺寸上的延展；
[0055] 5c)本發明的多孔板抗腐蝕性好，從而在收獲后或污染后，可耐受消毒劑，從而保 證其循環使用性好；以及
[0056] 5d)本發明的多孔板成本低，分子篩材料加工制造工藝目前相對成熟，而且可以選 用的原材料可來自本欲填埋處理的廢渣。
[0057] 由上述優點可見，這在很大程度上克服了微藻培養規模化所遇到的技術瓶頸-- 裝備大型化和提高空間利用率障礙，使微藻生物能源產業化具有可能性。
[0058] 另外一個額外的好處在于，不僅可降低做催化劑用的分子篩廢料處理成本，起到 環境保護作用，而且還低成本地進行了環境治理。
[0059] 綜上所述，本發明解決了現有的浸沒式微藻培養的光生物反應器系統制造和維護 成本昂貴，空間利用率低、生產效率低、能耗高的問題。本發明中，不僅培養系統經濟廉價， 而且微藻對光能、碳源及營養的利用效率高，次生代謝物的生成速度快，大幅提高了單位占 地面積生物量產率和次生代謝物產率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0060] 圖1為培養單元的示意圖。
[0061] 圖2為表面生長式培養系統1000a的不意圖。
[0062] 圖3為表面生長式培養系統1000b的不意圖。

【具體實施方式】
[0063] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。
[0064] 需要說明的是本發明中"剛性"所指代的含義是指相對于帆布、纖維布或海綿具有 更大硬度的材質，包括但不限于"透水陶瓷板、水泥板、陶土燒制板、青磚板、紅磚板及瓦材 板"等這些建筑施工用的剛性材質，這些材質的特點是皆可在堅直方向無特殊支撐架的狀 態下實現自支撐、且耐腐蝕性強。
[0065] 表面牛.長式光合微牛.物培養單7H及系統
[0066] 〈培養單兀〉
[0067] 圖1示出了本發明的培養單元101，培養單元101包括多孔板1、固定裝置2、培養 液回收裝置3、供液裝置4。所述固定裝置2可包括相對的固定組件21和22,固定組件21 和22之間形成可固定多孔板1的孔隙23,該多孔板1可從上至下插設于孔隙23中。培養 單元100可包括多個多孔板1的陣列，其形成較大的平面培養板組件。供液裝置4設置在 多孔板1的上方，供液裝置4可具有孔、縫隙等出口，從而培養液以滴漏、滲漏等形式進入多 孔板1。多孔板1的頂端側緣可密封在供液裝置4中。作為替換，供液裝置4可沿堅直方向 與多孔板1間隔開，以使得培養液從供液裝置4滴落至多孔板1。多孔板1的下端側面可密 封在培養液回收裝置3中，與培養液回收裝置3中的培養液接觸。
[0068] 其中，多孔板1是由剛性的吸水滲水材料制成，其表面用于附著微藻藻種；多孔板 1的材質可為水泥板、青磚板、紅磚板、陶土制成板或瓦板等等，可以吸水滲水的剛性板材。 但，在本發明的一個較佳是實施例中，多孔板1是由基質材料和添加劑制成的硬質多孔板， 其中，添加劑包括粘結劑，而基質材料為分子篩、玻璃粉、玻璃砂或者青石。多孔板1的表面 加工呈凹凸不平狀（如波浪形紋理），可增加表面積，增加藻的附著量。
[0069] 多孔板1可通過以下方法制造：將具有6 ~ 8A的孔徑的物質A(如分子篩類多孔 材料）和粘合物質B(如鋁石類輔助劑）以質量份數比約70份：25份混合，在室溫和常壓 用本領域公知技術處理，形成粒度約為50nm的微球，在80-100°C和常壓下使混合物壓制形 成多孔板。
[0070] 此外，多孔板1還可通過以下方法制造：將具有6 ~ 8人的孔徑的物質A(如分子篩 類多孔材料）和粘合物質B(如鋁石類輔助劑）以質量份數比約70份：25份混合，向上述 混合物加入添加劑C(如田菁粉類添加劑）進行粘接，在80-10(TC和常壓，使粘接混合物壓 制形成具有3?40 y m的第二孔徑的多孔板，以組分A、B和C的質量份數總和為100計，所 述添加劑C的質量份數不超過5份。壓制成的多孔板所具有的第二孔徑大小范圍，可主要 通過改變分子篩A的粒徑，其次是粘合物質B的量、壓制的方式、壓力等來實現第二孔徑大 小的調節；一般來說，分子篩的平均粒徑越大、粘合物質B的量越少，壓力越小，得到的壓制 成型多孔板第二孔徑越大。
[0071] 所述多孔板選用的基質材料除了采用上述的分子篩，還可以為玻璃粉、玻璃砂或 青石，所使用的粘合劑為鋁石、或由鋁石、田菁粉及硝酸組成的混合物。所選的分子篩具有 5A~2nm的第一孔徑，較佳為6 ~8A。
[0072] 當所述多孔板由分子篩和鋁石組成時，其中所述分子篩為50-90質量份，鋁石為 5-45質量份。當所述多孔板由分子篩和鋁石、田菁粉及硝酸組成時，
[0073] 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。
[0074]〈培養系統實施例1>
[0075] 結合圖1和圖2進行說明，圖2示出了本發明的表面生長式培養系統1000a的，表 面生長式培養系統l〇〇〇a可包括多個如圖1所示的培養單元101和設置在培養單元101之 間的光源裝置8,以及為培養單元101提供培養液的培養液供給裝置9。
[0076] 如圖1和2所述，所述固定裝置2包括相對的固定組件21和22,固定組件21和 22之間形成可固定多孔板1的孔隙23,多孔板1還可以向上移動自孔隙23中取出。
[0077] 圖2中的多個培養單元101設置為相互平行且間隔開一距離。每兩個培養單元 101之間設置至少一光源裝置8。光源裝置可為雙面光源，對兩側的培養單元進行照射。光 源裝置8也可根據需要為單面光源。
[0078] 圖2的表面生長式培養系統1000a包括培養液供給裝置9,該培養液供給裝置9包 括培養液池6、循環泵7。
[0079] 培養液回收裝置3用于將從多孔板1下端滲出或未被多孔板1吸收的培養液收集 并通過管道返回至培養液池6。當培養系統1000a工作時，循環泵7啟動，將培養液池6中 的培養液通過管道輸送至供液裝置4,供液裝置4將培養液供給多孔板1，多孔板1吸收培 養液并通過其內部的細小孔徑運輸至多孔板1的表面，提供為微藻生長所需的營養，而多 孔板1端部同時與培養液回收裝置3內的培養液相接觸，培養液通過毛細作用浸潤多孔板 1下端的部分區域，使得多孔板1處于半干狀態。
[0080] 培養液供給裝置9還可包括二氧化碳混入裝置（圖中未示），用于將二氧化碳混入 到培養液中。
[0081]〈培養系統實施例2>
[0082] 結合圖1和圖3說明本發明的另一培養系統1000b。圖3不出了本發明的表面生 長式培養系統l〇〇〇b。與圖2所示的實施例類似，培養系統1000b也可包括一個或多個圖1 的培養單元101。具體地，培養系統l〇〇〇b可包括多孔板1、固定裝置2、培養液回收裝置3、 供液裝置4、培養液池6、壓力罐11、空氣壓縮氣源12、液位計13、截止閥14、截止閥15、減壓 閥16、排氣閥17、和壓力表18。
[0083] 圖3的表面生長式培養系統1000b包括培養液循環裝置％，所述培養液循環裝置 9b中可選采用空氣壓縮方式。該空氣壓縮方式所用裝置為本領域可選的其他壓力泵替代 裝置，可選但不限于包括壓力罐11、空氣壓縮氣源12、液位計13以及配套閥門，優選截止閥 14、15,減壓閥16等。通過將在壓力罐11內儲備足量培養液的條件下，將循環裝置9b中其 上游截閥15關閉，將截止閥14開啟，通過空氣壓縮氣源12使壓力罐11內培養液在循環裝 置9b中輸送至供液裝置4,可選用壓力表18監測，供液裝置4以噴淋、滴漏或滲漏的方式給 多孔板1提供培養液，從而使含培養所需營養物質的培養液浸潤整個多孔板1，培養液回收 裝置3位于多孔板1的下方，未被多孔板1吸收的培養液流至培養液回收裝置3,培養液回 收裝置3中的培養液通過管道回流至培養液池6。
[0084] 微藻表面牛長式培養系統的橾作
[0085] 本發明實施例1的表面生長式培養系統1000a可如下操作：
[0086] _通過培養液供給裝置9使得供液裝置4具有包含C02微泡的培養液，供液裝置4 以噴淋、滴漏或滲漏的方式給多孔板1提供培養液；
[0087]-使多孔板1與培養液回收裝置3中的培養液保持接觸，從而使含C02微泡的培養 液浸潤多孔板1 ;
[0088]-在多孔板1的表面接種微藻；
[0089]-利用所述光源裝置8照射所述多孔板1，并設置培養系統1000a周圍的環境濕度 和溫度，溫度通常為20-35°C，濕度在50-80%的范圍，使得微藻生長。
[0090] 本發明實施例2的表面生長式培養系統1000b可如下操作：
[0091] 1.排氣閥17打開，截止閥14和截止閥15關閉，減壓閥16壓力調至OMPa，減壓閥 16要求在0-1. OMPa范圍內可調；
[0092] 2.在培養液池6中添加一定體積量的培養液；
[0093] 3.打開截止閥15,培養液從培養液池6流入壓力罐11，液面在截止閥14相連的管 路入口以下；
[0094] 4?關閉截止閥15和排氣閥17,打開截止閥14,調整減壓閥16的壓力，壓力罐11 內的培養液會逐漸流入供液裝置4,為多孔板1提供微藻所生長所需要的培養液。其中，根 據多孔板1承載的微藻生長情況和壓力表18顯示的壓力，將減壓閥16的壓力調整到適當 的值；
[0095] 5.流經培養液回收裝置3的培養液返回到培養液池6中，同時對培養液池6中的 成分進行實時監測，如果成分達不到培養要求，及時補充相應的培養液成分；
[0096] 6.壓力罐11中安裝有低液位檢測的液位計13,當液位低于設定的液位后，將排氣 閥17打開，截止閥15打開，截止閥14關閉，培養液從培養液池6流入壓力罐11。重復步驟 3至步驟5的過程，實現對多孔板1上微藻不間斷供給培養液；
[0097] 7.在培養液浸潤整個多孔板1后，在多孔板1的表面上接種微藻；
[0098] 8.利用光源裝置8照射多孔板1，并設置培養系統100周圍的環境濕度和溫度，溫 度通常為20-35°C，濕度在50-80%的范圍，使得水生生物生長。
[0099]本發明實施例2的系統借助壓力表18、減壓閥16以及液位計13,可以根據微藻生 長狀況較為精確地控制培養液的供給量和速度，實現精準控制的目的。
[0100] 以下是將本發明的培養單元與現有技術進行比較，以進一步使本本發明的技術效 果得到體現：
[0101] 微藻表面牛長式培養系統的培養效果
[0102] 實施例1:本發明多孔板及對照的制備
[0103] 首先，混合物質A和物質B，所述物質A為beta分子篩，具有約5人的第一孔徑，物 質B包括鋁石、田菁粉和硝酸，以總質量份數100份計算，物質A為70份，物質B為30份， 且鋁石：田菁粉：硝酸=25 :4 :1，在80至100°C的溫度范圍和常壓處理所述混合物，冷卻成 型為一板狀后，所得的多孔板具有約10-20 U m的第二孔徑，測定方法采用電子顯微鏡圖像 分析法（Optimas 6. 5，US)。前述方法得到的多孔板1尺寸為1米*2米*3厘米。另外，作 為上述物質A，也可以使用約7A孔徑的ZSM-5分子篩。
[0104] 設置對照樣本，其為32支帆布，尺寸與所述多孔板相當。
[0105] 實施例2:吸水率比較
[0106] 表1.吸水率比較
[0107]

【權利要求】
1. 一種表面生長式光合微生物培養單元，其特征是，該培養單元包括： 至少一個多孔板，所述多孔板是由剛性的吸水滲水材料制成，其表面用于附著光合微 生物； 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 液，所述培養液被所述的多孔板吸收并滲透至該多孔板的表面； 至少一個培養液回收裝置，所述培養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液收集。
2. 根據權利要求1所述的表面生長式光合微生物培養單元，其特征是，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。
3. 根據權利要求1所述的表面生長式光合微生物培養單元，其特征是，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、玻璃砂或青石。
4. 根據權利要求3所述的表面生長式光合微生物培養單元，其特征是，所述粘結劑包 含錯石。
5. 根據權利要求4所述的表面生長式光合微生物培養單元，其特征是，所述粘結劑還 包含田菁粉和硝酸。
6. 根據權利要求3或4所述的表面生長式光合微生物培養單元，其特征是，所述分子篩 具有5 A?2nm的第一孔徑。
7. 根據權利要求3所述的表面生長式光合微生物培養單元，其特征是，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。
8. 根據權利要求3所述的表面生長式光合微生物培養單元，其特征是，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。
9. 根據權利要求3或4所述的表面生長式光合微生物培養單元，其特征是，所述多孔板 具有3?40 iim的第二孔徑。
10. 根據權利要求1所述的表面生長式光合微生物培養單元，其特征是，所述多孔板的 表面呈凹凸不平狀，其包括規則或不規則圖案。
11. 根據權利要求1所述的表面生長式光合微生物培養單元，其特征是，所述供液裝置 系罩設于所述多孔板的頂端側緣。
12. 根據權利要求1所述的表面生長式光合微生物培養單元，其特征是，所述供液裝置 以間隔方式設于該多孔板的頂端上方位置，所述供液裝置以噴淋、滴漏或滲漏的方式給該 多孔板提供培養液。
13. 根據權利要求1所述的表面生長式光合微生物培養單元，其特征是，所述培養單元 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。
14. 一種表面生長式培養系統，該培養系統包括： 一個由權利要求1-13任一項所述的培養單元所組成的陣列，以及 用于向所述陣列中的培養單元的供液裝置提供培養液的培養液供給裝置； 其中，所述培養液供給裝置包括培養液池、循環動力裝置，該循環動力裝置與各該供液 裝置連接，以將該培養液池內的培養液輸送至各該供液裝置。
15. 根據權利要求14所述的表面生長式培養系統，其特征是，所述循環動力裝置為泵。
16. 根據權利要求14所述的表面生長式培養系統，其特征是，所述培養液供給裝置還 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液培養池中。
17. 根據權利要求14所述的表面生長式培養系統，其特征是，所述循環動力裝置包括 壓力罐和空氣壓縮氣源，所述培養液池以管路連接至該壓力罐的進液口，所述培養液池能 夠將一定量的培養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液輸送至各該供液裝置。
18. 根據權利要求17所述的表面生長式培養系統，其特征是，所述壓力罐的一側設有 一個通向外界的排氣閥，該培養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。
19. 根據權利要求17所述的表面生長式培養系統，其特征是，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。
20. 根據權利要求15或17所述的表面生長式培養系統，其特征是，所述培養液回收裝 置將該多孔板下端滲出或未被多孔板吸收的培養液收集并通過管路返回至培養液池。
21. 根據權利要求15或17所述的表面生長式培養系統，其特征是，所述多孔板與培養 液回收裝置中的培養液接觸。
22. 根據權利要求15或17所述的表面生長式培養系統，其特征是，所述培養單元為 至少兩個，相鄰培養單元之間設置有光源裝置，該光源裝置與所述培養單元平行地設置；或 者，所述各培養單元平行放置形成陣列，而將一光源裝置設于該陣列的一側，與各該培養單 元垂直。
23. 根據權利要求22所述的表面生長式培養系統，其特征是，所述光源為自然光或人 工光源，所述人工光源為雙面光源或單面光源。
24. -種運用權利要求14-23任一項所述的表面生長式培養系統培養光合微生物的方 法，包括以下步驟： a) 將培養液池中的培養液通過泵或空氣壓縮氣源及壓力罐輸送至各供液裝置，供液裝 置以噴淋、滴漏或滲漏的方式給多孔板提供培養液，使培養液浸潤整個多孔板； b) 在所述多孔板上接種光合微生物； c) 設置環境濕度和溫度，在適合光合微生物生長的光強下使得光合微生物進行光合作 用、生長繁殖。
25. 根據權利要求24所述的培養光合微生物的方法，其特征是，在步驟a)中，還包括將 所述多孔板上滲出或未被多孔板吸收的培養液回收至培養液池中的步驟，同時監測培養液 池中的培養液成分，及時向培養液池補充營養成分。
26. 根據權利要求24所述的培養光合微生物的方法，其特征是，所述光合微生物包括 小球藻、螺旋藻、綠藻、柵藻、等鞭金藻、微擬球藻或血球藻。
【文檔編號】C12M1/00GK104328032SQ201410602029
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月30日 優先權日:2014年10月30日
【發明者】胡強 申請人:國家開發投資公司, 中國電子工程設計院