一種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式高效光生物反應(yīng)器及應(yīng)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(yīng)器及應(yīng)用，包括透光培養(yǎng)罐，還包括設(shè)置在透光培養(yǎng)罐外部的光照控制裝置、設(shè)置在透光培養(yǎng)罐內(nèi)部的溫度控制裝置和設(shè)置在透光培養(yǎng)罐底部的氣體供應(yīng)裝置，透光培養(yǎng)罐的頂部設(shè)置有接種加樣口和出氣口，出氣口上設(shè)置有第二過濾器，透光罐體底部設(shè)置有藻液收集口，藻液收集口上設(shè)置有閥門，本反應(yīng)器采用高度和直徑比例較大的圓柱形罐體，且設(shè)置了光強(qiáng)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(xì)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(yīng)，提高微藻的光合作用效率，易于實(shí)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(yīng)器及應(yīng)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(yīng)器及應(yīng)用，該反應(yīng)器應(yīng)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(xì)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(xué)能，以油脂或淀粉的等有機(jī)物的形式儲(chǔ)存在細(xì)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(jià)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(dá)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(jì)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(jìn)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(yīng)問題，在生成生物量——微藻生物能源和其他高價(jià)值附加物的同時(shí)，達(dá)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(yīng)用，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)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(jìn)行光合作用，許多微藻是太陽能的高效轉(zhuǎn)換器，光強(qiáng)是影響植物光能利用率的重要因素之一。光強(qiáng)過低或過高都會(huì)影響植物的光合作用效率，當(dāng)光照不足時(shí)，不僅會(huì)因同化力的短缺而限制光合碳同化，而且會(huì)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(yùn)轉(zhuǎn)，若光強(qiáng)過高，會(huì)發(fā)生光抑制現(xiàn)象，因此光照強(qiáng)度在光合自養(yǎng)型條件下對CO2固定、細(xì)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(jī)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(yīng)，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(jī)氮的同化過程需要光能的供給，光照強(qiáng)度是決定微藻對無機(jī)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(lán)紫光其次，綠光最低。而藍(lán)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(bǔ)，使得在幾乎整個(gè)可見光區(qū)都有強(qiáng)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(yīng)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(yīng)器培養(yǎng)相對簡單，但該方法占地面積大，存在嚴(yán)重的生物污染，營養(yǎng)鹽和能源消耗浪費(fèi)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(diǎn)的封閉式光生物反應(yīng)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(yīng)用的封閉式光生物反應(yīng)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(yīng)器，如瑞士 LABFORS — LUX光照發(fā)酵罐，上海保興光照植物細(xì)胞反應(yīng)器(專利號(hào)03229738.6)，專利申請?zhí)枮镃N201110197276.X和CN201310173871.9的光生物反應(yīng)裝置。但目前開發(fā)和應(yīng)用的封閉式反應(yīng)器可能還存在一些不足，如有的商業(yè)化反應(yīng)器技術(shù)操作復(fù)雜，投資成本高，有的商業(yè)化反應(yīng)器和自主開發(fā)的反應(yīng)器則可能忽視了微藻培養(yǎng)過程中對光照的需求，如藻細(xì)胞密度增大時(shí)的光照透射供應(yīng)問題，不能針對特定的微藻藻種調(diào)整適合的光強(qiáng)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(qiáng)和光質(zhì)可隨培養(yǎng)條件和藻種進(jìn)行調(diào)控的封閉式光生物反應(yīng)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(yīng)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(qiáng)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(xì)胞密度增高而顯著下降，及不能針對特定藻種設(shè)置光強(qiáng)和光質(zhì)的問題，提高光能利用效率和無機(jī)氮的同化效率，實(shí)現(xiàn)微藻的高密度自養(yǎng)培養(yǎng)。
[0007]本發(fā)明還有一個(gè)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(yīng)器在微藻高密度自養(yǎng)培養(yǎng)中的應(yīng)用。
[0008]為了達(dá)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(yīng)器，包括透光培養(yǎng)罐，其特征在于:還包括設(shè)置在透光培養(yǎng)罐外部的光照控制裝置、設(shè)置在透光培養(yǎng)罐內(nèi)部的溫度控制裝置和設(shè)置在透光培養(yǎng)罐底部的氣體供應(yīng)裝置，透光培養(yǎng)罐的頂部設(shè)置有接種加樣口和出氣口，出氣口上設(shè)置有第二過濾器，透光罐體底部設(shè)置有藻液收集口，藻液收集口上設(shè)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(shè)置有溫度探針，石英玻璃控溫棒垂直設(shè)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)線與光照控制器相連，光照控制器中的每一個(gè)開關(guān)對應(yīng)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(shè)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(yīng)裝置包括氣石、氣體供應(yīng)口、第一過濾器、第一流量計(jì)、第二流量計(jì)、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(yīng)口和第一過濾器通過導(dǎo)管依次串聯(lián)連接，空氣泵通過導(dǎo)管與第一流量計(jì)相連，氣體鋼瓶通過導(dǎo)管與第二流量計(jì)相連，第一流量計(jì)與第二流量計(jì)并聯(lián)后與第一過濾器通過導(dǎo)管相連，導(dǎo)管通過支架固定在透光培養(yǎng)罐上，導(dǎo)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(shí)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(yīng)器在微藻高密度自養(yǎng)培養(yǎng)中的應(yīng)用，其應(yīng)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(shí)將溫度探針從夾套中取出。
[0023]2.圓柱形氣升式光生物反應(yīng)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(shè)置和接種。啟動(dòng)圓柱形氣升式光生物反應(yīng)器，設(shè)置初始光強(qiáng)、溫度、供氣類型和通氣量。待圓柱形氣升式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)溫度穩(wěn)定后，將微藻細(xì)胞通過接種加樣口接種于透光培養(yǎng)罐中，設(shè)定微藻培養(yǎng)光/暗周期，開始進(jìn)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(qiáng)度和通氣量，以保證充足的光能供應(yīng)，實(shí)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(yīng)器在微藻高密度自養(yǎng)培養(yǎng)中的應(yīng)用可應(yīng)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(lán)藻和綠藻。
[0028]如上所述的應(yīng)用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇并配制自養(yǎng)
培養(yǎng)基。
[0029]如上所述的應(yīng)用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌惭b不同光強(qiáng)與光質(zhì)的發(fā)管二極管組。
[0030]如上所述的應(yīng)用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)定微藻自養(yǎng)培養(yǎng)的初始光強(qiáng)、溫度、供氣類型、通氣量和光/暗周期。
[0031]如上所述的應(yīng)用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)定微藻細(xì)胞接種量。
[0032]如上所述的應(yīng)用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)定微藻藻液取樣時(shí)間頻次。
[0033]如上所述的應(yīng)用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)定培養(yǎng)過程中光強(qiáng)和通氣量的增加程度和頻次。
[0034]如上所述的應(yīng)用過程中根據(jù)所選擇藻種的培養(yǎng)條件和實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇_定培養(yǎng)過程結(jié)束時(shí)期。
[0035]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0036]1.本反應(yīng)器采用高度和直徑比例較大的圓柱形罐體，且設(shè)置了光強(qiáng)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(xì)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(yīng)，提高微藻的光合作用效率，易于實(shí)現(xiàn)高密度培養(yǎng)。
[0037]2.本反應(yīng)器采用均勻分布的氣石進(jìn)行通氣，氣升式模式既保證了培養(yǎng)液的充分?jǐn)噭?dòng)又對細(xì)胞傷害較小，氣石充氣帶動(dòng)培養(yǎng)液的翻轉(zhuǎn)攪動(dòng)，保證了培養(yǎng)條件的均一性，使微藻細(xì)胞與培養(yǎng)液和光照的充分`接觸，促進(jìn)了微藻細(xì)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(yīng)過程添加過濾裝置，有效阻止了空氣中雜質(zhì)和細(xì)菌的進(jìn)入，密封式罐體有效防止生物污染。
[0038]3.本反應(yīng)器設(shè)計(jì)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(gè)開關(guān)對應(yīng)兩組發(fā)光二極管，可根據(jù)微藻培養(yǎng)階段的實(shí)際需要開啟不同的光源組合，不會(huì)因?yàn)樵寮?xì)胞密度的增加而出現(xiàn)光能供給不足，保證微藻細(xì)胞高密度生長階段都能得到適和的光強(qiáng)。當(dāng)透光培養(yǎng)罐內(nèi)細(xì)胞密度有顯著增加時(shí)，逐漸加大光照強(qiáng)度，時(shí)間控制器調(diào)控微藻培養(yǎng)時(shí)的光/暗周期；外殼均勻鋪設(shè)反光性能好的反光層，用于增加透光培養(yǎng)罐內(nèi)的光強(qiáng)。
[0040]5.可更換不同光強(qiáng)和光質(zhì)規(guī)格的發(fā)光二極管組，提供廣泛光強(qiáng)范圍，光質(zhì)為白光、紅光和藍(lán)光等的光能供不同藻細(xì)胞光合作用需要
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1為實(shí)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(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖2為實(shí)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(shí)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(yīng)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(yīng)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(jì)；18-2第二流量計(jì)；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(shí)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(shí)施例2中集胞藻Synechocystis sp.PCC6803在光生物反應(yīng)器培養(yǎng)和三角燒瓶培養(yǎng)時(shí)生物量積累隨時(shí)間變化曲線圖。
[0046]圖5為實(shí)施例3中小球藻Chlorella vulgaris在光生物反應(yīng)器培養(yǎng)和三角燒瓶培養(yǎng)時(shí)生物量積累隨時(shí)間變化曲線圖。
【具體實(shí)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(yīng)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(yīng)器的具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳述，但不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
[0048]實(shí)施例1:
[0049]—種用于微藻培養(yǎng)的圓柱形氣升式光生物反應(yīng)器，包括透光培養(yǎng)罐1，其特征在于:還包括設(shè)置在透光培養(yǎng)罐I外部的光照控制裝置2、設(shè)置在透光培養(yǎng)罐I內(nèi)部的溫度控制裝置3和設(shè)置在透光培養(yǎng)罐I底部的氣體供應(yīng)裝置4，透光培養(yǎng)罐I的頂部設(shè)置有接種加樣口 6和出氣口 7，出氣口上設(shè)置有第二過濾器26，透光罐體I底部設(shè)置有藻液收集口 11，藻液收集口 11上設(shè)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(shè)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(shè)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(dǎo)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(shè)置在外殼5內(nèi)，外殼5以合頁和卡扣相連的兩個(gè)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(yīng)器的運(yùn)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(dǎo)線與光照控制器14相連，光照控制器中的每一個(gè)開關(guān)對應(yīng)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(shè)置有錫箔紙反光層28 ；
[0052]氣體供應(yīng)裝置4包括氣石16、氣體供應(yīng)口 10、第一過濾器17、第一流量計(jì)18_1、第二流量計(jì)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(yīng)口 10和第一過濾器17通過導(dǎo)管依次串聯(lián)連接，空氣泵19通過導(dǎo)管與第一流量計(jì)18-1相連，氣體鋼瓶20通過導(dǎo)管與第二流量計(jì)18-2相連，第一流量計(jì)18-1與第二流量計(jì)18-2并聯(lián)后與第一過濾器17通過導(dǎo)管相連，導(dǎo)管通過支架25固定在透光培養(yǎng)罐I上，導(dǎo)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(shí)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(shí)施例2:
[0061]利用實(shí)施例1中所述圓柱形氣升式光生物反應(yīng)器應(yīng)用于微藻的光合高密度自養(yǎng)培養(yǎng)，以模式藍(lán)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(shí)將溫度探針從夾套中取出。
[0063]2.圓柱形氣升式光生物反應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)范圍為30-120 μ mol photons IrTiV1的4檔光照強(qiáng)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(shè)置和接種。啟動(dòng)圓柱形氣升式光生物反應(yīng)器，設(shè)置初始光強(qiáng)30 μ mol photons IrTiV1,溫度30°C,空氣泵提供壓縮空氣(0.08MPa)進(jìn)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(yīng)器培養(yǎng)溫度穩(wěn)定后，將微藻細(xì)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(jìn)行自養(yǎng)培養(yǎng)。
[0065]4.培養(yǎng)過程中條件的控制。本實(shí)施例中，以730nm為掃描波長，建立了 OD73tl值與生物量之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過對藻液OD73tl值測量，從而計(jì)算培養(yǎng)液中生物量的濃度，在實(shí)際培養(yǎng)過程中可以利用分光光度計(jì)實(shí)時(shí)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(shí)取樣檢測微藻培養(yǎng)的生物量,此后每24小時(shí)取樣檢測微藻培養(yǎng)的生物量，當(dāng)生物量達(dá)到11 X IO7ceIlsAiL時(shí)，將光強(qiáng)提高到60 μ mol photons ηι?通氣量提高到每L培養(yǎng)基1.0L/min ;當(dāng)生物量達(dá)到27X IO7Cells/mL時(shí),將光強(qiáng)提高到90 μ mol photons IrTiV1,通氣量提高到每L培養(yǎng)基1.2L/min ;當(dāng)生物量達(dá)到40X 107cells/mL時(shí)，將光強(qiáng)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(dāng)生物量增長達(dá)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(yīng)用于模式藍(lán)藻集胞藻Synechocystis sp.PCC6803光合高密度自養(yǎng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:按照實(shí)施步驟1-5的應(yīng)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(shí))后細(xì)胞即進(jìn)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(jìn)行光強(qiáng)和通氣量的提高，以保證充足的光能供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)微藻高密度培養(yǎng)，10天(240小時(shí))時(shí)生物量最高達(dá)到47 X IO7Cells/mL,細(xì)胞生長進(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(shí))與本發(fā)明中光生物反應(yīng)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(xì)胞自我遮蔽現(xiàn)象對微藻細(xì)胞的生長造成抑制，細(xì)胞生長速度顯著變慢，并在第8天(192小時(shí))細(xì)胞生長進(jìn)入穩(wěn)定期，培養(yǎng)過程中生物量最高達(dá)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(yīng)器通過調(diào)控培養(yǎng)過程中的光強(qiáng)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(yīng)，延長對數(shù)生長期，提高細(xì)胞生物量積累，適于應(yīng)用于微藻的光合高密度自養(yǎng)培養(yǎng)。
[0069]實(shí)施例3:
[0070]利用實(shí)施例1中所述圓柱形氣升式光生物反應(yīng)器應(yīng)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(xué)院淡水藻種庫，編號(hào)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(shí)將溫度探針從夾套中取出。
[0072]2.圓柱形氣 升式光生物反應(yīng)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(qiáng)均為40 μ mol photons IrT2iT1，通過發(fā)光二極管組的組合可提供光強(qiáng)范圍為80-240 μ mol photons JiT2iT1的3檔光照強(qiáng)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(shè)置和接種。啟動(dòng)圓柱形氣升式光生物反應(yīng)器，設(shè)置初始光強(qiáng)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(jìn)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(yīng)器培養(yǎng)溫度穩(wěn)定后，將微藻細(xì)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(jìn)行自養(yǎng)培養(yǎng)。
[0074]4.培養(yǎng)過程中條件的控制。本實(shí)施例中，以700nm為掃描波長，建立了 OD7tltl值與生物量之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過對藻液OD7tltl值測量，從而計(jì)算培養(yǎng)液中生物量的濃度，在實(shí)際培養(yǎng)過程中可以利用分光光度計(jì)實(shí)時(shí)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(shí)取樣檢測微藻培養(yǎng)的生物量，此后每24小時(shí)取樣檢測微藻培養(yǎng)的生物量，當(dāng)生物量達(dá)到6.8X IO7ceIlsAiL時(shí)，將光強(qiáng)提高到160ymol photons IrT2S4,通氣量提高到每L培養(yǎng)基1.0L/min ;當(dāng)生物量達(dá)至Ij12X107cells/mL時(shí)，將光強(qiáng)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(dāng)生物量增長達(dá)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(yīng)用于小球藻Chlorella vulgaris (FACHB-1068)光合高密度自養(yǎng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:按照實(shí)施步驟1-5的應(yīng)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(shí))后細(xì)胞即進(jìn)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(jìn)行光強(qiáng)和通氣量的提高，以保證充足的光能供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)微藻高密度培養(yǎng)，13天(312小時(shí))時(shí)生物量最高達(dá)到12.9X107cells/mL，細(xì)胞生長進(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(shí))與本發(fā)明中光生物反應(yīng)器培養(yǎng)生物量差別不大，但兩天(48小時(shí))后才進(jìn)入細(xì)胞快速增殖階段，5天(120小時(shí))后不斷增長的生物量產(chǎn)生的藻細(xì)胞自我遮蔽現(xiàn)象對微藻細(xì)胞的生長造成抑制，細(xì)胞生長速度顯著變慢，并在第10天(240小時(shí))細(xì)胞生長進(jìn)入穩(wěn)定期，培養(yǎng)過程中生物量最高達(dá)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(yīng)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(qiáng)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(yīng)，延長對數(shù)生長期，提高細(xì)胞生物量積累，適于應(yīng)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(yīng)器，包括透光培養(yǎng)罐(1)，其特征在于:還包括設(shè)置在透光培養(yǎng)罐(1)外部的光照控制裝置(2)、設(shè)置在透光培養(yǎng)罐(1)內(nèi)部的溫度控制裝置(3 )和設(shè)置在透光培養(yǎng)罐(1)底部的氣體供應(yīng)裝置(4 )，透光培養(yǎng)罐(1)的頂部設(shè)置有接種加樣口(6)和出氣口(7)，出氣口上設(shè)置有第二過濾器(26)，透光罐體(1)底部設(shè)置有藻液收集口( 11)，藻液收集口( 11)上設(shè)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(shè)置有溫度探針(8)，石英玻璃控溫棒(12)垂直設(shè)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)線與光照控制器(14)相連，光照控制器中的每一個(gè)開關(guān)對應(yīng)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(yīng)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(yīng)器，其特征在于:所述的外殼(5)與光源(15)之間設(shè)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(yīng)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(yīng)器，其特征在于:所述的氣體供應(yīng)裝置(4)由氣石(16)、氣體供應(yīng)口(10)、第一過濾器(17)、第一流量計(jì)(18-1 )、第二流量計(jì)(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(yīng)口(10)和第一過濾器(17)通過導(dǎo)管依次串聯(lián)連接，空氣泵(19)通過導(dǎo)管與第一流量計(jì)(18-1)相連，氣體鋼瓶(20)通過導(dǎo)管與第二流量計(jì)(18-2)相連，第一流量計(jì)(18-1)與第二流量計(jì)(18-2)并聯(lián)后與第一過濾器(17)通過導(dǎo)管相連，導(dǎo)管通過支架(25)固定在透光培養(yǎng)罐(1)上，所述的導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(shí)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(yīng)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(yīng)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(yīng)器在微藻高密度自養(yǎng)培養(yǎng)中的應(yīng)`用。
【文檔編號(hào)】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(qiáng), 陳輝, 何晨柳 申請人:中國科學(xué)院水生生物研究所