專(zhuān)利名稱(chēng)：太陽(yáng)能集熱器在光合細(xì)菌培養(yǎng)中的應(yīng)用與控制技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)涉及太陽(yáng)能集熱器在光合細(xì)菌培養(yǎng)中的應(yīng)用與控制技術(shù)，屬生物技術(shù)領(lǐng)域。
光合細(xì)菌(Photosynthetic Bacteria)是一大類(lèi)能在厭氧光照條件下進(jìn)行不產(chǎn)氧光合作用的原核生物的總稱(chēng)，屬于革蘭陰性菌，分為紅螺菌科(Rhodospirillaceae)、著色菌科(Chromatiaceae)、綠菌科(Chlorobiaceae)和綠色絲狀菌科(Chloroflexaceae)4個(gè)科，菌細(xì)胞主要分為桿狀和球形2種不同形態(tài)，是地球生命起源的先鋒物種之一。其中紅假單胞菌(Rhodopseudomonas)和紫色無(wú)硫菌(Rhodospirillaceae)是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)較多的光合細(xì)菌種類(lèi)。光合細(xì)菌的蛋白質(zhì)含量高達(dá)60％以上，同時(shí)富含可以作為細(xì)胞代謝激活劑和天然抗氧化劑的輔酶Q10(泛醌)及具有抗癌作用的類(lèi)胡蘿卜素，具有重要的營(yíng)養(yǎng)和藥用價(jià)值。目前，光合細(xì)菌在作為畜禽飼料添加劑促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)、處理高濃度有機(jī)廢水、水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)的凈化和農(nóng)業(yè)高效活性菌肥等方面都發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀顯示，目前光合細(xì)菌主要有動(dòng)態(tài)和靜置2種培養(yǎng)方式，培養(yǎng)裝置有開(kāi)放和密閉2種類(lèi)型。國(guó)外有采用透光的密閉式光生物反應(yīng)器動(dòng)態(tài)連續(xù)培養(yǎng)光合細(xì)菌的報(bào)道，但在國(guó)內(nèi)多采用玻璃缸和塑料桶在光照下靜置密閉培養(yǎng)。
動(dòng)態(tài)密閉培養(yǎng)一般在透光的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，為了保持培養(yǎng)物能夠得到充分的光照，通過(guò)泵使光合細(xì)菌液體培養(yǎng)物流過(guò)螺旋的玻璃管，采用電加熱或燃料燃燒等方式提升并保持一定的培養(yǎng)溫度。雖然此種培養(yǎng)方法具有效率高和條件易于控制等優(yōu)點(diǎn)，但在比較寒冷的地區(qū)必須消耗大量的能源和電力來(lái)提高并保持光合細(xì)菌的培養(yǎng)溫度。
對(duì)于靜置封閉培養(yǎng)光合細(xì)菌的規(guī)模生產(chǎn)工藝一般分為四級(jí)培養(yǎng)，分別是一級(jí)試管種的轉(zhuǎn)接和純化；二級(jí)錐形瓶培養(yǎng)，培養(yǎng)體積1～5升；三級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)，培養(yǎng)體積25～50升；四級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)，培養(yǎng)體積為100～1500升。在擴(kuò)大培養(yǎng)過(guò)程中采用太陽(yáng)光或人工光源進(jìn)行光照，但一般不進(jìn)行加熱提升光合細(xì)菌培養(yǎng)物的溫度。盡管此種培養(yǎng)方法投資小，但是因?yàn)椴荒鼙３止夂霞?xì)菌生長(zhǎng)的最適溫度，因此在冬季不能保證光合細(xì)菌的高效穩(wěn)定生產(chǎn)。
光合細(xì)菌具有喜好高溫的特點(diǎn)，其最適生長(zhǎng)溫度為25～35℃，低于10℃時(shí)塵長(zhǎng)非常緩慢，但在接近40℃時(shí)卻仍能夠保持快速生長(zhǎng)。因此造成了目前我國(guó)光合細(xì)菌的生產(chǎn)主要集中在海南、廣東和福建等常年溫度高的南方地區(qū)，而在北方地區(qū)由于常年溫度較低而限制了光合細(xì)菌的生產(chǎn)。雖然采用管道式培養(yǎng)在一定程度上能夠?qū)夂霞?xì)菌的培養(yǎng)進(jìn)行溫度控制，但在我國(guó)北方冬季要想大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中保持光合細(xì)菌生長(zhǎng)的最適溫度必然要消耗大量的電力或燃料等能源，這樣就提高了光合細(xì)菌的生產(chǎn)成本。因此如何高效提升光合細(xì)菌培養(yǎng)物的溫度，使我國(guó)北方地區(qū)在冬季仍然能夠進(jìn)行光合細(xì)菌的生產(chǎn)是一個(gè)急待解決的難題。相對(duì)于我國(guó)南方地區(qū)來(lái)說(shuō)，我國(guó)北方地區(qū)常年晴天的日數(shù)明顯偏多，陽(yáng)光充足，具有更好的外部太陽(yáng)光光源條件，這是我國(guó)北方地區(qū)光合細(xì)菌生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。但在光線充足的條件下，低溫已成為高效培養(yǎng)光合細(xì)菌的嚴(yán)重限制因素。
隨著科技的進(jìn)步，以太陽(yáng)能集熱管為主的太陽(yáng)能集熱器已經(jīng)問(wèn)世，并在我國(guó)冬季解決人類(lèi)洗澡和飲用熱水方面發(fā)揮了重要的作用。以太陽(yáng)能集熱管為例，它由內(nèi)外兩個(gè)玻璃管組成，在內(nèi)管外層有鋁-氮或鋁選擇性涂層，在內(nèi)外兩層管中保持真空狀態(tài)。太陽(yáng)能集熱管的突出優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)涂層將太陽(yáng)光能高效地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｒ蕴?yáng)能集熱管生產(chǎn)龍頭企業(yè)清華陽(yáng)光公司生產(chǎn)的曬樂(lè)牌全玻璃太陽(yáng)能真空集熱管的為例，在環(huán)境溫度為9.9℃時(shí)，可以將11℃的水在1天內(nèi)提升到41℃，日提高水溫30℃。此外太陽(yáng)能集熱管還具備非常好的保溫性能，在環(huán)境溫度為0℃下，初始55℃的水經(jīng)36小時(shí)后仍可保持40℃。目前清華陽(yáng)光公司已具備了年生產(chǎn)700萬(wàn)支集熱管的能力，為節(jié)約化石燃料能源和防止污染方面做出了重要貢獻(xiàn)，同時(shí)也為在我國(guó)北方地區(qū)冬季解決光合細(xì)菌培養(yǎng)的溫度限制問(wèn)題提供了一條新的解決思路。
我國(guó)北方地區(qū)冬季雖然陽(yáng)光充足，但溫度低。如果在管道式培養(yǎng)光合細(xì)菌的基礎(chǔ)上，在管道中串聯(lián)連接一定比例的太陽(yáng)能集熱管完全可以高效提升管道內(nèi)光合細(xì)菌培養(yǎng)物的溫度，這無(wú)疑是解決低溫限制問(wèn)題的一條有效途徑。在強(qiáng)光條件下，光合細(xì)菌需要有相對(duì)較高的溫度才能充分進(jìn)行光合作用維持快速生長(zhǎng)。而在太陽(yáng)光充足的情況下，太陽(yáng)能集熱器能夠更有效地提升光合細(xì)菌培養(yǎng)物的溫度，這正好適合了光合細(xì)菌本身的生理生態(tài)特點(diǎn)。另外，利用太陽(yáng)能集熱器提高光合細(xì)菌培養(yǎng)物的溫度，不僅可以節(jié)約化石燃料能源并防止大氣污染，而且因?yàn)樘?yáng)能集熱管的使用壽命長(zhǎng)達(dá)15年以上，可以大大降低光合細(xì)菌的生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的目的是提供一種利用太陽(yáng)能集熱器來(lái)直接加熱光合細(xì)菌培養(yǎng)物或液體培養(yǎng)基的方法和技術(shù)。
本發(fā)明的光合細(xì)菌培養(yǎng)方法是在封閉式培養(yǎng)光合細(xì)菌過(guò)程中，與培養(yǎng)池、培養(yǎng)罐或培養(yǎng)管道串聯(lián)或并聯(lián)連接一定數(shù)量的太陽(yáng)能集熱器，通過(guò)采用泵或其它方法使光合細(xì)菌培養(yǎng)物從太陽(yáng)能集熱器中流過(guò)，這樣可以對(duì)光合細(xì)菌培養(yǎng)物或液體培養(yǎng)基進(jìn)行加熱并提升溫度的方法和技術(shù)。
本發(fā)明的光合細(xì)菌培養(yǎng)過(guò)程如下首先將太陽(yáng)能集熱器與封閉式培養(yǎng)罐和培養(yǎng)管道進(jìn)行串聯(lián)連接，組建使光合細(xì)菌培養(yǎng)物可以在培養(yǎng)罐-太陽(yáng)能集熱器-培養(yǎng)管道進(jìn)行閉合流動(dòng)循環(huán)的封閉式光合細(xì)菌培養(yǎng)系統(tǒng)。在培養(yǎng)罐中加入以乙酸鈉和碳酸氫鈉作為碳源、氯化銨作為氮源，磷酸二氫鉀作為磷源及包含多種微量元素組成的液體培養(yǎng)基，用泵將培養(yǎng)液從培養(yǎng)罐中抽入到太陽(yáng)能集熱管和培養(yǎng)管道中進(jìn)行閉合流動(dòng)循環(huán)。接種一定數(shù)量的光合細(xì)菌后，在一定初始溫度和pH的條件下進(jìn)行光合細(xì)菌的培養(yǎng)。
在培養(yǎng)過(guò)程中，溫度的控制非常重要，在室外溫度低于10℃時(shí)，可以串聯(lián)連接較多數(shù)量的太陽(yáng)能集熱器，以便在太陽(yáng)光照下較快地提升光合細(xì)菌培養(yǎng)物的溫度。在室外溫度在20到30℃時(shí)，可以減少使用太陽(yáng)能集熱器的用量。因?yàn)楣夂霞?xì)菌的培養(yǎng)周期為5天左右，在此期間室外氣溫的變化并不是非常劇烈，因此與管道串聯(lián)一定比例的太陽(yáng)能集熱器可以較好地提高并保持光合細(xì)菌培養(yǎng)物生長(zhǎng)的適宜溫度。另外通過(guò)調(diào)整流入太陽(yáng)能集熱器的培養(yǎng)物的流量也可以調(diào)節(jié)培養(yǎng)物的溫度。在室外氣溫高達(dá)30℃以上時(shí)，可以省去太陽(yáng)能集熱器，使培養(yǎng)罐直接與培養(yǎng)管道相連接進(jìn)行閉合流動(dòng)循環(huán)培養(yǎng)。在室外溫度低于0℃時(shí)，除加大太陽(yáng)能集熱器的使用量外，還可以在培養(yǎng)罐中采用電或燃料燃燒加熱的方法對(duì)培養(yǎng)物進(jìn)行溫度的提升。
本發(fā)明的工作原理是在太陽(yáng)光照射下，太陽(yáng)能集熱器通過(guò)吸附選擇涂層可以高效地將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿鲗?dǎo)給流過(guò)的光合細(xì)菌培養(yǎng)物使其升溫，這樣就有利于光合細(xì)菌在由透明材料組成的管道中進(jìn)行更充分的光合作用，從而提高光合細(xì)菌的生長(zhǎng)速度，同時(shí)還可以節(jié)省化石燃料，降低光合細(xì)菌的生產(chǎn)成本。
圖1是本發(fā)明將太陽(yáng)能集熱器應(yīng)用于光合細(xì)菌培養(yǎng)罐和培養(yǎng)管道閉合循環(huán)系統(tǒng)的工作狀態(tài)示意圖。
結(jié)合


本發(fā)明的光合細(xì)菌培養(yǎng)過(guò)程如下圖1中1為培養(yǎng)罐。2為光合細(xì)菌培養(yǎng)物。3為溫度計(jì)。4為光合細(xì)菌培養(yǎng)罐流出口。5為光合細(xì)菌培養(yǎng)罐流入口。6為蠕動(dòng)泵。7為太陽(yáng)能集熱管。8為由透明材料制成的培養(yǎng)管道。
圖1中培養(yǎng)罐(1)放在室內(nèi)，而太陽(yáng)能集熱管(7)和培養(yǎng)管道(8)放在室外太陽(yáng)光能夠照射到的地方。
首先在培養(yǎng)罐中加入一定體積的液體培養(yǎng)基和接種一定數(shù)量的光合細(xì)菌。通過(guò)泵(6)將光合細(xì)菌培養(yǎng)物從培養(yǎng)罐流出口(4)中抽出并使其流過(guò)太陽(yáng)能集熱器(7)進(jìn)行提升溫度，然后流入培養(yǎng)管道(8)，最后經(jīng)培養(yǎng)罐流入口(5)返回到培養(yǎng)罐(1)中。
本發(fā)明實(shí)施例如下首先將一個(gè)放置在室內(nèi)的5升玻璃培養(yǎng)罐、與放置室外的一支1.29升容積的太陽(yáng)能集熱管(規(guī)格長(zhǎng)1200mm，管壁內(nèi)徑37mm)和5支與太陽(yáng)能集熱管同樣規(guī)格的玻璃管用橡膠管串聯(lián)連接在一起并組成一個(gè)閉合循環(huán)系統(tǒng)。在培養(yǎng)罐中配制加入光合細(xì)菌液體培養(yǎng)基，培養(yǎng)基組成是每升去離子水包含碳酸氫鈉3.0g、碳酸氫鈉2.0g、氯化銨2.5g、磷酸二氫鉀1.0g、氯化鈉1.0g、硫酸鎂0.2g、硫酸亞鐵0.01g、氯化鈣0.02g、酵母粉0.5g。此培養(yǎng)基初始pH為7.0左右，培養(yǎng)物初始溫度為18℃，室內(nèi)平均溫度為21℃，室外環(huán)境平均溫度為15℃左右時(shí)。打開(kāi)蠕動(dòng)泵以35毫升/秒的流量使培養(yǎng)基在培養(yǎng)罐—太陽(yáng)能集熱管—培養(yǎng)管道中進(jìn)行閉合流動(dòng)循環(huán)，待系統(tǒng)流動(dòng)穩(wěn)定后向培養(yǎng)罐中加入1.0升光合細(xì)菌液開(kāi)始進(jìn)行培養(yǎng)。在白天陽(yáng)光充足的情況下，太陽(yáng)能集熱管會(huì)迅速將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軐?duì)光合細(xì)菌培養(yǎng)物進(jìn)行加熱，僅在白天1天時(shí)間光合細(xì)菌培養(yǎng)物的最高溫度可上升到30℃。因?yàn)榇朔忾]培養(yǎng)系統(tǒng)具有一定的保溫性能，在夜晚無(wú)太陽(yáng)光照下，光合細(xì)菌培養(yǎng)物的溫度也能保持在22℃以上。用此培養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行培養(yǎng)，光合細(xì)菌培養(yǎng)物的溫度可以始終保持在20到35℃之間，在4天時(shí)間光合細(xì)菌就能夠生長(zhǎng)到2克干重/升以上，可以進(jìn)行收獲。
綜上所述，本發(fā)明是一項(xiàng)將太陽(yáng)能集熱器應(yīng)用于光合細(xì)菌培養(yǎng)的技術(shù)，通過(guò)太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軐?duì)光合細(xì)菌培養(yǎng)物進(jìn)行加熱，可有效提高光合細(xì)菌培養(yǎng)物的溫度，使光合細(xì)菌能夠快速生長(zhǎng)。不僅充分利用了太陽(yáng)光轉(zhuǎn)變成的熱能，而且節(jié)約了用于對(duì)光合細(xì)菌培養(yǎng)物加熱的電能和其它化石燃料，具有非常重要和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種提升光合細(xì)菌培養(yǎng)溫度的方法，其特征是在封閉或敞開(kāi)式培養(yǎng)光合細(xì)菌過(guò)程中，與光合細(xì)菌培養(yǎng)罐或管道串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)連接一定數(shù)量的太陽(yáng)能集熱器，在太陽(yáng)光或人工照明燈下，通過(guò)泵或其它方法使光合細(xì)菌培養(yǎng)物從太陽(yáng)能集熱器中流過(guò)進(jìn)行升溫的方法。
2.在權(quán)利要求第1項(xiàng)記載的方法中，太陽(yáng)能集熱器包括用鋁-氮、鋁或其它選擇性吸收涂層的太陽(yáng)能集熱管、集熱板或集熱箱。
3.在權(quán)利要求第1項(xiàng)記載的方法中，通過(guò)加大太陽(yáng)能集熱器的使用比例或者全部使用太陽(yáng)能集熱器對(duì)光合細(xì)菌培養(yǎng)基進(jìn)行加熱或進(jìn)行高溫滅菌的方法。
4.通過(guò)太陽(yáng)能集熱器加熱水體或其它任何液體后再通過(guò)熱交換對(duì)光合細(xì)菌培養(yǎng)物進(jìn)行加熱并提升溫度的方法。
全文摘要
在封閉式或敞開(kāi)式培養(yǎng)光合細(xì)菌過(guò)程中，與培養(yǎng)罐或培養(yǎng)管道串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)連接一定數(shù)量的太陽(yáng)能集熱器，用泵或其它方法使光合細(xì)菌培養(yǎng)物在太陽(yáng)能集熱器中進(jìn)行流動(dòng)，在太陽(yáng)光或人工照明燈的照射下由太陽(yáng)能集熱器通過(guò)吸附選擇涂層將光能高效轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿鲗?dǎo)給光合細(xì)菌培養(yǎng)物后，不僅可以高效提升光合細(xì)菌培養(yǎng)物的溫度，而且可以降低在寒冷地區(qū)光合細(xì)菌的培養(yǎng)成本，具有非常重要和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)F24J2/04GK1528879SQ20031010043
公開(kāi)日2004年9月15日 申請(qǐng)日期2003年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月16日
發(fā)明者閻海, 海 閻 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心