一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器及應用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器及應用，包括透光培養(yǎng)罐，還包括設置在透光培養(yǎng)罐外部的光照控制裝置、設置在透光培養(yǎng)罐內(nèi)部的溫度控制裝置和設置在透光培養(yǎng)罐底部的氣體供應裝置，透光培養(yǎng)罐的頂部設置有接種加樣口和出氣口，出氣口上設置有第二過濾器，透光罐體底部設置有藻液收集口，藻液收集口上設置有閥門，本反應器采用高度和直徑比例較大的圓柱形罐體，且設置了光強和光質(zhì)可更換調(diào)節(jié)的光照裝置，解決微藻培養(yǎng)密度增高以后產(chǎn)生的藻細胞自我遮蔽現(xiàn)象以及特定藻種對不同光質(zhì)的需求情況，保證充足的光能供應，提高微藻的光合作用效率，易于實現(xiàn)高密度培養(yǎng)。
【專利說明】一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器及應用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體涉及一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器及應用，該反應器應用于針對性的微藻光合高密度自養(yǎng)培養(yǎng)。
【背景技術(shù)】
[0002]微藻是原核的或者真核的單細胞光合微生物，是非常高效的太陽能轉(zhuǎn)換器，分布于淡水或者咸水中，通過吸收水環(huán)境傳遞的光能，水和CO2積累生物量，可以將光能轉(zhuǎn)化為化學能，以油脂或淀粉的等有機物的形式儲存在細胞內(nèi)。作為最古老的低等光合生物，微藻可直接利用太陽光、CO2及N、P等簡單營養(yǎng)物質(zhì)快速生長并在胞內(nèi)合成油脂(主要是甘油三酯)、蛋白質(zhì)、多糖和類胡蘿卜素等多種高價值活性物質(zhì)。微藻生物量中C元素近占干重的50%，N元素含量也高達7~12%。因此，微藻的規(guī)模化培養(yǎng)需要大量的CO2和N03_作為碳源和氮源，據(jù)計算，每生成Ig的微藻生物量,需要1.83g的CO2和0.45g的NO3'而工業(yè)煙道氣中含有高濃度的CO2和NOx，因此利用工業(yè)煙道氣進行能源微藻培養(yǎng)，不僅可以大量固定煙道氣CO2和NOx，減少溫室氣體排放，降低環(huán)境污染，而且可以解決微藻培養(yǎng)所需的碳源和氮源供應問題，在生成生物量——微藻生物能源和其他高價值附加物的同時，達到CO2和NOx生物轉(zhuǎn)化的目的。微藻的這些特性使其在生物能源、環(huán)保、食品、醫(yī)藥和飼料等諸多方面具有廣泛的應用，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，使微藻培養(yǎng)和資源化研究得到國內(nèi)外越來越多的關(guān)注。
[0003]所有的微藻都能通過固定CO2進行光合作用，許多微藻是太陽能的高效轉(zhuǎn)換器，光強是影響植物光能利用率的重要因素之一。光強過低或過高都會影響植物的光合作用效率，當光照不足時，不僅會因同化力的短缺而限制光合碳同化，而且會由于光合作用關(guān)鍵酶沒有充分活化而限制光合作用的運轉(zhuǎn)，若光強過高，會發(fā)生光抑制現(xiàn)象，因此光照強度在光合自養(yǎng)型條件下對CO2固定、細胞生長和油脂積累及其重要。此外，微藻對硝酸鹽和亞硝酸鹽等無機氮吸收和同化途徑中，硝酸還原酶和亞硝酸還原酶是兩種關(guān)鍵酶，其中位于葉綠體中的亞硝酸還原酶的合成及活力依賴于no2_的供應，照光的葉綠體產(chǎn)生的還原鐵氧還蛋白(Fd)是N02_還原的電子供體，因此微藻無機氮的同化過程需要光能的供給，光照強度是決定微藻對無機氮同化和煙道氣處理效率的關(guān)鍵因素。光質(zhì)同樣在微藻對光能的利用過程中起到重要作用，微藻吸收的光譜在380nm~720nm范圍內(nèi)，其余波長的光不能直接利用。不同種類的微藻對光質(zhì)的需求也不盡相同，微藻葉綠體中含有豐富的葉綠素，大部分葉綠素起著捕獲光子并把能量轉(zhuǎn)移給光合作用的中心色素，這類色素被稱為天線色素，葉綠素的吸收光譜在430~440nm以及670~680nm兩段，較多研究均表明，大多數(shù)綠藻在橙、紅光下光合速率最高，藍紫光其次，綠光最低。而藍藻和紅藻主要的捕光天線系統(tǒng)是藻膽體，藻膽體的吸收光譜遍及470~650nm的光譜區(qū)域，恰好與葉綠素互補，使得在幾乎整個可見光區(qū)都有強吸收，如聚球藻及銅綠微囊藻在波長620nm左右存在一較為明顯的吸收峰。
[0004]微藻通常在自然光照或人工光源環(huán)境下培養(yǎng)，培養(yǎng)模式主要為開放式培養(yǎng)和封閉式光生物反應器培養(yǎng)。自然光照條件下，微藻在不同季節(jié)利用光能均有差異，早晨、傍晚、陰雨天及人工遮光都將對微藻的光合作用產(chǎn)生不同的影響，難以保證微藻培養(yǎng)的穩(wěn)定和高效。開放式光生物反應器培養(yǎng)相對簡單，但該方法占地面積大，存在嚴重的生物污染，營養(yǎng)鹽和能源消耗浪費多，且藻產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和穩(wěn)定生產(chǎn)易受到外界環(huán)境影響，限制藻類培養(yǎng)和資源開發(fā)。因此，具有光源可控，易于控制生物污染，產(chǎn)率相對較高等特點的封閉式光生物反應器的開發(fā)得到了越來越多科研人員的重視，目前開發(fā)和應用的封閉式光生物反應器主要為一些已商業(yè)化的添加光照裝置的生物發(fā)酵系統(tǒng)或科研人員自主研發(fā)的光生物反應器，如瑞士 LABFORS — LUX光照發(fā)酵罐，上海保興光照植物細胞反應器(專利號03229738.6)，專利申請?zhí)枮镃N201110197276.X和CN201310173871.9的光生物反應裝置。但目前開發(fā)和應用的封閉式反應器可能還存在一些不足，如有的商業(yè)化反應器技術(shù)操作復雜，投資成本高，有的商業(yè)化反應器和自主開發(fā)的反應器則可能忽視了微藻培養(yǎng)過程中對光照的需求，如藻細胞密度增大時的光照透射供應問題，不能針對特定的微藻藻種調(diào)整適合的光強及光質(zhì)等。 [0005]因此，開發(fā)簡易高效，光照透過性優(yōu)良，光強和光質(zhì)可隨培養(yǎng)條件和藻種進行調(diào)控的封閉式光生物反應裝置成為開發(fā)藻類資源的關(guān)鍵核心技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器，高度與直徑比值5~10的圓柱形結(jié)構(gòu)提高了光照透射效率，通過選擇性的更換作為光源的發(fā)光二極管組，能夠有效控制光強和光質(zhì)，解決微藻封閉式光合高密度自養(yǎng)培養(yǎng)過程中光照透射隨藻細胞密度增高而顯著下降，及不能針對特定藻種設置光強和光質(zhì)的問題，提高光能利用效率和無機氮的同化效率，實現(xiàn)微藻的高密度自養(yǎng)培養(yǎng)。
[0007]本發(fā)明還有一個目的在于提供了一種微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式光生物反應器在微藻高密度自養(yǎng)培養(yǎng)中的應用。
[0008]為了達到上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)措施:
[0009]—種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器，包括透光培養(yǎng)罐，其特征在于:還包括設置在透光培養(yǎng)罐外部的光照控制裝置、設置在透光培養(yǎng)罐內(nèi)部的溫度控制裝置和設置在透光培養(yǎng)罐底部的氣體供應裝置，透光培養(yǎng)罐的頂部設置有接種加樣口和出氣口，出氣口上設置有第二過濾器，透光罐體底部設置有藻液收集口，藻液收集口上設置有閥門，溫度控制裝置包括溫度探針，石英玻璃控溫棒，溫度控制器及夾套，夾套自透光培養(yǎng)罐的頂部延伸至透光培養(yǎng)罐內(nèi)部，夾套內(nèi)設置有溫度探針，石英玻璃控溫棒垂直設置于透光罐體的底面并位于透光罐體的軸線上，石英玻璃控溫棒通過導線與溫度控制器，溫度探針依次相連，溫度控制器位于透光罐體的外部，光照控制裝置包括外殼、光源和光照控制器，透光培養(yǎng)罐設置在外殼內(nèi)，外殼與透光培養(yǎng)罐為可拆卸連接，光源為垂直分布的可拆卸發(fā)光二極管組，每組2~3列10~30排,共6~8組均勻分布外殼的內(nèi)壁,各發(fā)光二極管組之間為并聯(lián)連接，光源通過導線與光照控制器相連，光照控制器中的每一個開關(guān)對應兩組發(fā)光二極管。
[0010]如上所述的透光培養(yǎng)罐為圓柱形，材質(zhì)為樹脂玻璃，直徑0.1~0.2米，高度
0.5~1.0米，高度與直徑的比值為5~10，厚度為0.5~1.0厘米。[0011]如上所述的外殼與光源之間設置有反光層；
[0012]如上所述的光源(15)通過真空吸盤或螺栓可拆卸式固定在外殼(5)的內(nèi)壁上。
[0013]如上所述的氣體供應裝置包括氣石、氣體供應口、第一過濾器、第一流量計、第二流量計、空氣泵和氣體鋼瓶，氣石均勻分布在透光培養(yǎng)罐內(nèi)部的底面，氣石、氣體供應口和第一過濾器通過導管依次串聯(lián)連接，空氣泵通過導管與第一流量計相連，氣體鋼瓶通過導管與第二流量計相連，第一流量計與第二流量計并聯(lián)后與第一過濾器通過導管相連，導管通過支架固定在透光培養(yǎng)罐上，導管為硅膠管；
[0014]如上所述的溫度控制器包括數(shù)字顯示屏和溫度調(diào)節(jié)器；
[0015]如上所述的光照控制器包括光照控制開關(guān)和光照時間控制器；
[0016]如上所述的第一過濾器為35~50毫米針頭式過濾器，內(nèi)部為孔徑0.20~0.65微米的混合纖維酯微孔濾膜；
[0017]如上所述的第二過濾器為35~50毫米針頭式過濾器，內(nèi)部為孔徑0.20~0.65微米的混合纖維酯微孔濾膜；
[0018]如上所述的出氣口為直徑10~20毫米、高20~40毫米的圓柱形；
[0019]如上所述的接種加樣口為直徑30~60毫米、高15~30毫米的圓柱形的外螺紋開口，安裝帶有密封膠墊的旋帽。
[0020]如上所述的夾套延伸至透光培養(yǎng)罐內(nèi)部的一端，與培養(yǎng)罐底面的距離為罐體高度的1/3-1/2，溫度探針深入夾套并緊密貼合，石英玻璃控溫棒頂部與溫度探針底部的垂直距離≥10厘米。
[0021]—種微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式光生物反應器在微藻高密度自養(yǎng)培養(yǎng)中的應用，其應用過程如下:
[0022]1.培養(yǎng)基和透光培養(yǎng)罐的滅菌。配制自養(yǎng)培養(yǎng)基并加入透光培養(yǎng)罐中，培養(yǎng)基高度為罐高的70%-90%，連同透光培養(yǎng)罐一起高壓蒸汽滅菌，滅菌時將溫度探針從夾套中取出。
[0023]2.圓柱形氣升式光生物反應器的安裝。在光照控制裝置的外殼內(nèi)壁安裝發(fā)光二極管組；待透光培養(yǎng)罐中培養(yǎng)基溫度降至室溫，安裝和連接光照控制裝置、溫度控制裝置和氣體控制裝置。
[0024]3.微藻培養(yǎng)初始條件的設置和接種。啟動圓柱形氣升式光生物反應器，設置初始光強、溫度、供氣類型和通氣量。待圓柱形氣升式光生物反應器培養(yǎng)溫度穩(wěn)定后，將微藻細胞通過接種加樣口接種于透光培養(yǎng)罐中，設定微藻培養(yǎng)光/暗周期，開始進行自養(yǎng)培養(yǎng)。
[0025]4.培養(yǎng)過程中條件的控制。取樣檢測微藻培養(yǎng)的生物量，并隨著培養(yǎng)過程中微藻培養(yǎng)密度增高，增加光照強度和通氣量，以保證充足的光能供應，實現(xiàn)微藻高密度培養(yǎng)。
[0026]5.培養(yǎng)過程結(jié)束。微藻高密度自養(yǎng)培養(yǎng)結(jié)束后，從藻液收集口收集藻液；拆除光照控制裝置、溫度控制裝置和氣體控制裝置，清潔干燥透光培養(yǎng)罐。
[0027]如上所述的圓柱形氣升式光生物反應器在微藻高密度自養(yǎng)培養(yǎng)中的應用可應用于利用光能自養(yǎng)生長微藻的自養(yǎng)培養(yǎng)過程，優(yōu)選藍藻和綠藻。
[0028]如上所述的應用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實驗目的選擇并配制自養(yǎng)
培養(yǎng)基。
[0029]如上所述的應用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實驗目的安裝不同光強與光質(zhì)的發(fā)管二極管組。
[0030]如上所述的應用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實驗目的設定微藻自養(yǎng)培養(yǎng)的初始光強、溫度、供氣類型、通氣量和光/暗周期。
[0031]如上所述的應用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實驗目的設定微藻細胞接種量。
[0032]如上所述的應用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實驗目的設定微藻藻液取樣時間頻次。
[0033]如上所述的應用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實驗目的設定培養(yǎng)過程中光強和通氣量的增加程度和頻次。
[0034]如上所述的應用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實驗目的確定培養(yǎng)過程結(jié)束時期。
[0035]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0036]1.本反應器采用高度和直徑比例較大的圓柱形罐體，且設置了光強和光質(zhì)可更換調(diào)節(jié)的光照裝置，解決微藻培養(yǎng)密度增高以后產(chǎn)生的藻細胞自我遮蔽現(xiàn)象以及特定藻種對不同光質(zhì)的需求情況，保證充足的光能供應，提高微藻的光合作用效率，易于實現(xiàn)高密度培養(yǎng)。
[0037]2.本反應器采用均勻分布的氣石進行通氣，氣升式模式既保證了培養(yǎng)液的充分攪動又對細胞傷害較小，氣石充氣帶動培養(yǎng)液的翻轉(zhuǎn)攪動，保證了培養(yǎng)條件的均一性，使微藻細胞與培養(yǎng)液和光照的充分`接觸，促進了微藻細胞對營養(yǎng)物質(zhì)和光能的利用，提高了傳質(zhì)效率，在氣體供應過程添加過濾裝置，有效阻止了空氣中雜質(zhì)和細菌的進入，密封式罐體有效防止生物污染。
[0038]3.本反應器設計簡潔，安裝操作簡單易行，占地較小，成本低。
[0039]4.光照控制器中的每一個開關(guān)對應兩組發(fā)光二極管，可根據(jù)微藻培養(yǎng)階段的實際需要開啟不同的光源組合，不會因為藻細胞密度的增加而出現(xiàn)光能供給不足，保證微藻細胞高密度生長階段都能得到適和的光強。當透光培養(yǎng)罐內(nèi)細胞密度有顯著增加時，逐漸加大光照強度，時間控制器調(diào)控微藻培養(yǎng)時的光/暗周期；外殼均勻鋪設反光性能好的反光層，用于增加透光培養(yǎng)罐內(nèi)的光強。
[0040]5.可更換不同光強和光質(zhì)規(guī)格的發(fā)光二極管組，提供廣泛光強范圍，光質(zhì)為白光、紅光和藍光等的光能供不同藻細胞光合作用需要
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1為實施例1中的一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖2為實施例1中的光照裝置與透光培養(yǎng)罐相對位置關(guān)系的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043]圖3為實施例1中的夾套和溫度探針的位置關(guān)系示意圖。
[0044]其中:1-透光培養(yǎng)罐；2_光照控制裝置；3_溫度控制裝置；4_氣體供應裝置；5-外殼；6_加樣口 ；7-出氣口 ；8_溫度探針；9-夾套；10_氣體供應口 ；11_藻液收集口 ；12-石英玻璃控溫棒；13-溫度控制器(TE-T48CB) ; 14-光照控制器；15_光源；16_氣石；17-第一過濾器；18-1第一流量計；18-2第二流量計；19_空氣泵；20_氣體鋼瓶；21_數(shù)字顯示屏；22-溫度調(diào)節(jié)器；23-光照控制開關(guān)；24-光照時間控制器(GK-2201) ;25_支架；26-第二過濾器；27_閥門；28_反光層。
[0045]圖4為實施例2中集胞藻Synechocystis sp.PCC6803在光生物反應器培養(yǎng)和三角燒瓶培養(yǎng)時生物量積累隨時間變化曲線圖。
[0046]圖5為實施例3中小球藻Chlorella vulgaris在光生物反應器培養(yǎng)和三角燒瓶培養(yǎng)時生物量積累隨時間變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0047]本發(fā)明中一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式光生物反應器適用于微藻的光合高密度自養(yǎng)培養(yǎng)，下面對這種光反應器的具體實施例作進一步詳述，但不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
[0048]實施例1:
[0049]—種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式光生物反應器，包括透光培養(yǎng)罐1，其特征在于:還包括設置在透光培養(yǎng)罐I外部的光照控制裝置2、設置在透光培養(yǎng)罐I內(nèi)部的溫度控制裝置3和設置在透光培養(yǎng)罐I底部的氣體供應裝置4，透光培養(yǎng)罐I的頂部設置有接種加樣口 6和出氣口 7，出氣口上設置有第二過濾器26，透光罐體I底部設置有藻液收集口 11，藻液收集口 11上設置有閥門27，溫度控制裝置3包括溫度探針8，石英玻璃控溫棒12，溫度控制器13及夾套9，夾套9自透光培養(yǎng)罐I的頂部延伸至透光培養(yǎng)罐I內(nèi)部，夾套9內(nèi)設置有溫度探針8，溫度探針8在夾套內(nèi)的長度為45厘米；石英玻璃控溫棒12長25厘米，垂直設置于透光罐體I的底面并位于透光罐體I的軸線上，石英玻璃控溫棒12通過導線與溫度控制器13，溫度探針8依次相連，溫度控制器13位于透光罐體I的外部。光照控制裝置2包括外殼5、光源15和光照控制器14,透光培養(yǎng)罐I設置在外殼5內(nèi)，外殼5以合頁和卡扣相連的兩個半環(huán)形結(jié)構(gòu)與透光培養(yǎng)罐可拆卸連接，卡扣之間留2厘米空間用于觀察培養(yǎng)過程中反應器的運轉(zhuǎn)情況，光源15為垂直分布的可拆卸發(fā)光二極管組，每組2列10排，共6組均勻分布外殼5的內(nèi)壁，通過真空吸`盤可拆卸式安裝在外殼5內(nèi)壁，各發(fā)光二極管組之間為并聯(lián)連接，光源15通過導線與光照控制器14相連，光照控制器中的每一個開關(guān)對應兩組發(fā)光二極管。
[0050]透光培養(yǎng)罐I為圓柱形，材質(zhì)為樹脂玻璃，直徑0.15米，高度0.9米，高度與直徑的比值為6，厚度為0.5厘米。
[0051]外殼5與光源15之間設置有錫箔紙反光層28 ；
[0052]氣體供應裝置4包括氣石16、氣體供應口 10、第一過濾器17、第一流量計18_1、第二流量計18-2、空氣泵19和氣體鋼瓶20，氣石16均勻分布在透光培養(yǎng)罐I內(nèi)部的底面，氣石16、氣體供應口 10和第一過濾器17通過導管依次串聯(lián)連接，空氣泵19通過導管與第一流量計18-1相連，氣體鋼瓶20通過導管與第二流量計18-2相連，第一流量計18-1與第二流量計18-2并聯(lián)后與第一過濾器17通過導管相連，導管通過支架25固定在透光培養(yǎng)罐I上，導管為硅膠管；
[0053]溫度控制器13包括數(shù)字顯示屏21和溫度調(diào)節(jié)器22 ；
[0054]光照控制器14包括光照控制開關(guān)23和光照時間控制器24 ；
[0055]第一過濾器17為50毫米針頭式過濾器，內(nèi)部為孔徑0.20微米的混合纖維酯微孔濾膜；
[0056]第二過濾器27為35毫米針頭式過濾器，內(nèi)部為孔徑0.20微米的混合纖維酯微孔濾膜；
[0057]出氣口 7為直徑15毫米、高30毫米的圓柱形；
[0058]接種加樣口 6為直徑50毫米、高20毫米的圓柱形的外螺紋開口，帶有密封膠墊的旋帽。
[0059]如上所述的夾套從透光培養(yǎng)罐頂部延伸至內(nèi)部的一端，與培養(yǎng)罐底面的距離為45厘米，溫度探針深入夾套并緊密貼合，石英玻璃控溫棒頂部與溫度探針底部的垂直距離為20厘米。
[0060]實施例2:
[0061]利用實施例1中所述圓柱形氣升式光生物反應器應用于微藻的光合高密度自養(yǎng)培養(yǎng)，以模式藍藻集胞藻Synechocystis sp.PCC6803為例,具體如下:
[0062]1.培養(yǎng)基和透光培養(yǎng)罐的滅菌。自養(yǎng)培養(yǎng)基采用常規(guī)BGll培養(yǎng)基，將BGll培養(yǎng)基加入透光培養(yǎng)罐中，培養(yǎng)基高度為罐高的80%，連同透光培養(yǎng)罐一起高壓蒸汽滅菌，滅菌時將溫度探針從夾套中取出。
[0063]2.圓柱形氣升式光生物反應器的安裝。在光照控制裝置的外殼內(nèi)壁安裝發(fā)光二極管組，光質(zhì)為白光，6組發(fā)光二極管組光強分別為15、15、15、15、30和30 μ mol photonsnT2s4,通過發(fā)光二極管組的組合可提供光強范圍為30-120 μ mol photons IrTiV1的4檔光照強度，每檔依次提高30 μ mol photons IrTiV1 ;待透光培養(yǎng)罐中培養(yǎng)基溫度降至室溫,安裝和連接光照控制裝置、溫度控制裝置和氣體控制裝置。
[0064]3.微藻培養(yǎng)初始條件的設置和接種。啟動圓柱形氣升式光生物反應器，設置初始光強30 μ mol photons IrTiV1,溫度30°C,空氣泵提供壓縮空氣(0.08MPa)進行通氣，通氣量為每L培養(yǎng)基0.5L/min。待圓柱形氣升式光生物反應器培養(yǎng)溫度穩(wěn)定后，將微藻細胞通過接種加樣口接種于透光培養(yǎng)罐中，接種密度為0.4X107cells/mL,持續(xù)光照，進行自養(yǎng)培養(yǎng)。
[0065]4.培養(yǎng)過程中條件的控制。本實施例中，以730nm為掃描波長，建立了 OD73tl值與生物量之間的標準曲線，通過對藻液OD73tl值測量，從而計算培養(yǎng)液中生物量的濃度，在實際培養(yǎng)過程中可以利用分光光度計實時測量培養(yǎng)液的OD73tl值，確定微藻生物量的積累情況。培養(yǎng)過程中，分別在培養(yǎng)開始后第3、6、12和24小時取樣檢測微藻培養(yǎng)的生物量,此后每24小時取樣檢測微藻培養(yǎng)的生物量，當生物量達到11 X IO7ceIlsAiL時，將光強提高到60 μ mol photons ηι?通氣量提高到每L培養(yǎng)基1.0L/min ;當生物量達到27X IO7Cells/mL時,將光強提高到90 μ mol photons IrTiV1,通氣量提高到每L培養(yǎng)基1.2L/min ;當生物量達到40X 107cells/mL時，將光強提高到120 μ mol photons πι?通氣量提高到每L培養(yǎng)基 1.5L/min。
[0066]5.培養(yǎng)過程結(jié)束。當生物量增長達到穩(wěn)定期(47X 107cellS/mL)后停止培養(yǎng)，從藻液收集口收集藻液；拆除光照控制裝置、溫度控制裝置和氣體控制裝置，清潔干燥透光培養(yǎng)罐。[0067]6.應用于模式藍藻集胞藻Synechocystis sp.PCC6803光合高密度自養(yǎng)培養(yǎng)實驗結(jié)果:按照實施步驟1-5的應用過程，培養(yǎng)過程中生物量的積累情況見圖4，培養(yǎng)開始I天(24小時)后細胞即進入對數(shù)生長期，生物量快速積累，培養(yǎng)過程中隨生物量的增高進行光強和通氣量的提高，以保證充足的光能供應，實現(xiàn)微藻高密度培養(yǎng)，10天(240小時)時生物量最高達到47 X IO7Cells/mL,細胞生長進入穩(wěn)定期。
[0068]7.作為對照，使用3L玻璃三角燒瓶培養(yǎng)Synechocystis sp.PCC6803,培養(yǎng)體積為2L，培養(yǎng)條件為光強30 μ mol photons IrT2iT1白光持續(xù)光照，溫度30°C，空氣泵提供壓縮空氣(0.0SMPa)進行通氣，通氣量為每L培養(yǎng)基0.5L/min，其生物量的積累情況見圖4，結(jié)果顯示使用三角燒瓶培養(yǎng)前3天(72小時)與本發(fā)明中光生物反應器培養(yǎng)生物量差別不大，但隨后不斷增長的生物量產(chǎn)生的藻細胞自我遮蔽現(xiàn)象對微藻細胞的生長造成抑制，細胞生長速度顯著變慢，并在第8天(192小時)細胞生長進入穩(wěn)定期，培養(yǎng)過程中生物量最高達到30X 107cells/mL。經(jīng)過對比可以看出本發(fā)明中圓柱形氣升式光生物反應器通過調(diào)控培養(yǎng)過程中的光強和通氣量，有利于微藻自養(yǎng)培養(yǎng)過程中充分的光能供應，延長對數(shù)生長期，提高細胞生物量積累，適于應用于微藻的光合高密度自養(yǎng)培養(yǎng)。
[0069]實施例3:
[0070]利用實施例1中所述圓柱形氣升式光生物反應器應用于微藻的光合高密度自養(yǎng)培養(yǎng)，以小球藻Chlorella vulgaris (來源于中國科學院淡水藻種庫，編號FACHB-1068)為例，具體如下:
[0071]1.培養(yǎng)基和透光培養(yǎng)罐的滅菌。自養(yǎng)培養(yǎng)基采用常規(guī)BGll培養(yǎng)基，將BGll培養(yǎng)基加入透光培養(yǎng)罐中，培養(yǎng)基高度為罐高的70%，連同透光培養(yǎng)罐一起高壓蒸汽滅菌，滅菌時將溫度探針從夾套中取出。
[0072]2.圓柱形氣 升式光生物反應器的安裝。在光照控制裝置的外殼內(nèi)壁安裝發(fā)光二極管組，光質(zhì)為紅光，6組發(fā)光二極管組光強均為40 μ mol photons IrT2iT1，通過發(fā)光二極管組的組合可提供光強范圍為80-240 μ mol photons JiT2iT1的3檔光照強度，每檔依次提高80 μ mol photons IrTiV1 ;待透光培養(yǎng)罐中培養(yǎng)基溫度降至室溫,安裝和連接光照控制裝置、溫度控制裝置和氣體控制裝置。
[0073]3.微藻培養(yǎng)初始條件的設置和接種。啟動圓柱形氣升式光生物反應器，設置初始光強80 μ mol photons πιΛ—1，溫度25°C，空氣泵提供壓縮空氣(0.08MPa)和氣體鋼瓶提供CO2進行混合通氣(CO2體積比例為2%)，通氣量為每L培養(yǎng)基0.5L/min。待圓柱形氣升式光生物反應器培養(yǎng)溫度穩(wěn)定后，將微藻細胞通過接種加樣口接種于透光培養(yǎng)罐中，接種密度為0.3X107cells/mL，光/暗周期為16h/8h，進行自養(yǎng)培養(yǎng)。
[0074]4.培養(yǎng)過程中條件的控制。本實施例中，以700nm為掃描波長，建立了 OD7tltl值與生物量之間的標準曲線，通過對藻液OD7tltl值測量，從而計算培養(yǎng)液中生物量的濃度，在實際培養(yǎng)過程中可以利用分光光度計實時測量培養(yǎng)液的OD7tltl值，確定微藻生物量的積累情況。培養(yǎng)過程中，分別在培養(yǎng)開始后第3、6、12和24小時取樣檢測微藻培養(yǎng)的生物量，此后每24小時取樣檢測微藻培養(yǎng)的生物量，當生物量達到6.8X IO7ceIlsAiL時，將光強提高到160ymol photons IrT2S4,通氣量提高到每L培養(yǎng)基1.0L/min ;當生物量達至Ij12X107cells/mL時，將光強提高到240ymol photons m_2s4，通氣量提高到每L培養(yǎng)基1.5L/min。
[0075]5.培養(yǎng)過程結(jié)束。當生物量增長達到穩(wěn)定期(12.9X107cellS/mL)后停止培養(yǎng)，從藻液收集口收集藻液；拆除光照控制裝置、溫度控制裝置和氣體控制裝置，清潔干燥透光培養(yǎng)罐。
[0076]6.應用于小球藻Chlorella vulgaris (FACHB-1068)光合高密度自養(yǎng)培養(yǎng)實驗結(jié)果:按照實施步驟1-5的應用過程，培養(yǎng)過程中生物量的積累情況見圖5，培養(yǎng)開始I天(24小時)后細胞即進入對數(shù)生長期，生物量快速積累，培養(yǎng)過程中隨生物量的增高進行光強和通氣量的提高，以保證充足的光能供應，實現(xiàn)微藻高密度培養(yǎng)，13天(312小時)時生物量最高達到12.9X107cells/mL，細胞生長進入穩(wěn)定期。
[0077]7.作為對照，使用3L玻璃三角燒瓶培養(yǎng)Chlorella vulgaris (FACHB-1068)，培養(yǎng)體積為2L,培養(yǎng)條件為光強80 μ mol photons IrTiV1的白光,光/暗周期為16h/8h,溫度250C，空氣泵提供壓縮空氣(0.08MPa)和氣體鋼瓶提供CO2進行混合通氣(CO2體積比例為2%)，通氣量為每L培養(yǎng)基0.5L/min,其生物量的積累情況見圖5，結(jié)果顯示使用三角燒瓶培養(yǎng)前I天(24小時)與本發(fā)明中光生物反應器培養(yǎng)生物量差別不大，但兩天(48小時)后才進入細胞快速增殖階段，5天(120小時)后不斷增長的生物量產(chǎn)生的藻細胞自我遮蔽現(xiàn)象對微藻細胞的生長造成抑制，細胞生長速度顯著變慢，并在第10天(240小時)細胞生長進入穩(wěn)定期，培養(yǎng)過程中生物量最高達到10.2X107cells/mLo經(jīng)過對比可以看出本發(fā)明中圓柱形氣升式光生物反應器通過選擇特定光質(zhì)的光源和調(diào)控培養(yǎng)過程中的光強和通氣量，有利于微藻自養(yǎng)培養(yǎng)過程中充分的光能供應，延長對數(shù)生長期，提高細胞生物量積累，適于應用于微藻的光合高密度自養(yǎng)培`養(yǎng)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器，包括透光培養(yǎng)罐(1)，其特征在于:還包括設置在透光培養(yǎng)罐(1)外部的光照控制裝置(2)、設置在透光培養(yǎng)罐(1)內(nèi)部的溫度控制裝置(3 )和設置在透光培養(yǎng)罐(1)底部的氣體供應裝置(4 )，透光培養(yǎng)罐(1)的頂部設置有接種加樣口(6)和出氣口(7)，出氣口上設置有第二過濾器(26)，透光罐體(1)底部設置有藻液收集口( 11)，藻液收集口( 11)上設置有閥門(27 )，溫度控制裝置(3 )包括溫度探針(8 )，石英玻璃控溫棒(12 )，溫度控制器(13 )及夾套(9 )，夾套(9 )自透光培養(yǎng)罐Cl)的頂部延伸至透光培養(yǎng)罐(1)內(nèi)部，夾套(9)內(nèi)設置有溫度探針(8)，石英玻璃控溫棒(12)垂直設置于透光罐體(1)的底面并位于透光罐體(1)的軸線上，石英玻璃控溫棒(12)通過導線與溫度控制器(13)，溫度探針(8)依次相連，溫度控制器(13)位于透光罐體(1)的外部，光照控制裝置(2)包括外殼(5)、光源(15)和光照控制器(14)，透光培養(yǎng)罐(1)設置在外殼(5)內(nèi)，外殼(5)與透光培養(yǎng)罐(1)為可拆卸連接，光源(15)為垂直分布的可拆卸發(fā)光二極管組，每組2~3列10~30排,共6~8組均勻分布外殼(5)的內(nèi)壁,各發(fā)光二極管組之間為并聯(lián)連接，光源(15)通過導線與光照控制器(14)相連，光照控制器中的每一個開關(guān)對應兩組發(fā)光二極管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器，其特征在于透光培養(yǎng)罐(1)為圓柱形，材質(zhì)為樹脂玻璃，直徑0.1~0.2米，高度0.5~1.0米，高度與直徑的比值為5~10，厚度為0.5~1.0厘米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器，其特征在于:所述的外殼(5)與光源(15)之間設置有反光層(28)。
4.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器，其特征在于:所述的光源(15)通過真空吸盤或螺栓可拆卸式固定在外殼(5)的內(nèi)壁上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器，其特征在于:所述的氣體供應裝置(4)由氣石(16)、氣體供應口(10)、第一過濾器(17)、第一流量計(18-1 )、第二流量計(18-2)、空氣泵(19)和氣體鋼瓶(20)組成，氣石(16)均勻分布在在透光培養(yǎng)罐(1)內(nèi)部的底面，氣石(16)、氣體供應口(10)和第一過濾器(17)通過導管依次串聯(lián)連接，空氣泵(19)通過導管與第一流量計(18-1)相連，氣體鋼瓶(20)通過導管與第二流量計(18-2)相連，第一流量計(18-1)與第二流量計(18-2)并聯(lián)后與第一過濾器(17)通過導管相連，導管通過支架(25)固定在透光培養(yǎng)罐(1)上，所述的導管為硅膠管，第一過濾器(17)為35~50毫米針頭式過濾器，內(nèi)部為孔徑0.20~0.65微米的混合纖維酯微孔濾膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器，其特征在于:溫度控制器(13 )包括數(shù)字顯示屏(21)和溫度調(diào)節(jié)器(22 )。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器，其特征在于:光照控制器(14)包括光照控制開關(guān)(23)和光照時間控制器(24)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器，其特征在于:所述的第二過濾器(26)為35~50毫米針頭式過濾器，內(nèi)部為孔徑0.20~0.65微米的混合纖維酯微孔濾膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器，其特征在于:所述的夾套(9)延伸至透光培養(yǎng)罐(1)內(nèi)部的一端，與培養(yǎng)罐底面的距離為罐體高度的1/3-1/2，溫度探針(8)深入夾套并緊密貼合，石英玻璃控溫棒(12)頂部與溫度探針底部的垂直距離≥10厘米。
10.權(quán)利要求1所述的一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應器在微藻高密度自養(yǎng)培養(yǎng)中的應`用。
【文檔編號】C12M1/36GK103773673SQ201410063589
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】王強, 陳輝, 何晨柳 申請人:中國科學院水生生物研究所