一种基于光能梯级利用的流动式微藻光生物反应器的制作方法

[0001]
本发明涉及一种适用于雨生红球藻培养的光生物反应器，尤其涉及一种基于光能梯级利用的流动式微藻光生物反应器。


背景技术：

[0002]
随着经济的发展，人们的生活水平不断提高，食品保健领域已成为当前国内外的研究热点。天然虾青素因具有极强的抗氧化能力，可用于清除体内自由基、抑制肿瘤、提高人体免疫力、预防心脑血管疾病等，具有广阔的市场应用前景，而天然虾青素的大量合成至关重要。
[0003]
雨生红球藻因可在环境胁迫条件下其藻细胞内大量合成虾青素(含量可达藻细胞干重的5％)而被誉为“天然虾青素的浓缩品”，是目前公认的最具商业价值的天然虾青素来源。雨生红球藻是一种淡水单细胞绿藻，隶属于绿藻门，红球藻科。在强光、缺氮等环境胁迫条件下雨生红球藻细胞内可以积累类胡萝卜素，其中约80％以上为虾青素和虾青素酯。雨生红球藻的培养及胞内虾青素的合成是在光生物反应器中进行的，光生物反应器为雨生红球藻细胞的生长提供适宜的光照、温度、ph等条件。
[0004]
值得注意的是，雨生红球藻具有独特的生长特性，随着培养过程中环境条件的改变，雨生红球藻在其生长期内会出现不同的细胞形态和胞内物质组成。目前，国际上常用的观点是将雨生红球藻的整个生长期划分为绿色营养阶段和红色厚壁孢子阶段。具体来说，当雨生红球藻细胞处于低光强(20～90μmol m-2
s-1
)、温度适宜、氮磷等无机营养盐充足等条件时，雨生红球藻细胞以绿色游动细胞的形态迅速分裂增殖，细胞数量增加，生物质浓度提高；然而当雨生红球藻细胞处于高光强(100～480μmol m-2
s-1
)、高盐度、氮磷等无机营养盐缺乏等环境胁迫条件时，雨生红球藻绿色游动细胞将逐步转变为绿色不动细胞、黄色不动细胞，并最终转变为红色孢囊体，在该转变过程中，细胞体积增大，细胞内虾青素含量上升，细胞颜色由绿色变为红色。由此可知，雨生红球藻绿色营养阶段和红色厚壁孢子阶段所需的环境条件存在明显的区别，因此现阶段的雨生红球藻培养工艺大都采用两步法，即将绿色营养阶段和红色厚壁孢子阶段的雨生红球藻细胞分别置于不同的光生物反应器中并施加不同的环境条件，然而该工艺具有操作复杂、需要多个反应器、占地面积大等缺点。


技术实现要素：

[0005]
为解决上述问题,基于光能在雨生红球藻细胞悬浮液中传输时光强呈指数规律衰减的特性，本发明提出一种基于光能梯级利用的流动式微藻光生物反应器，在相同的占地面积下，将不同光强的光能用于不同生长期雨生红球藻细胞的培养，实现光能的梯级利用。
[0006]
为实现以上目的，本发明采用技术方案如下：一种基于光能梯级利用的流动式微藻光生物反应器，所述反应器由透明材质构成，反应器沿高度方向由多个平行且串联的流道组成，低浓度的雨生红球藻绿色游动细胞悬浮液由反应器最底层流道进入反应器内部，并沿反应器内流道向上缓慢流动，最终高浓度的雨生红球藻红色厚壁孢子悬浮液从反应器
最顶层的流道流出。
[0007]
进一步的，光源位于反应器顶端壁面上部，反应器内部沿高度方向自上而下被分为光强大小不同的区域，自上而下依次为高光强区域、中等光强区域以及低光强区域。
[0008]
进一步的，所述高光强区域用于雨生红球藻红色厚壁孢子的生长，中等光强区域用于诱导雨生红球藻绿色游动细胞向红色厚壁孢子的转变，低光强区域用于雨生红球藻绿色游动细胞的培养。
[0009]
进一步的，透明材质为玻璃、有机玻璃或石英。
[0010]
一种基于光能梯级利用的流动式微藻光生物反应器，三维结构示意图如图1所示，在相同的占地面积下，沿高度方向，该反应器由多个平行且串联的流道组成，反应器壁面结构采用玻璃、石英、有机玻璃等透明材质。
[0011]
进一步地，太阳光或led等人工光源发出的光经由反应器顶面入射至反应器内，由于反应器内雨生红球藻细胞对光能的吸收及散射作用，在反应器内部自上而下，光强呈指数规律衰减，将反应器沿高度方向分成光强大小不同的区域，自上而下依次为高光强区域、中等光强区域以及低光强区域。高光强区域用于雨生红球藻红色厚壁孢子的生长，中等光强区域用于诱导雨生红球藻绿色游动细胞向红色厚壁孢子的转变，低光强区域用于雨生红球藻绿色游动细胞的培养。
[0012]
图2为基于光能梯级利用的流动式微藻光生物反应器工作原理示意图，低细胞浓度且富含氮磷等无机营养盐的雨生红球藻绿色游动细胞悬浮液由反应器最底层流道进入反应器内部，在蠕动泵的驱动下，雨生红球藻细胞悬浮液沿反应器内流道向上缓慢流动逐层上升，最终高浓度的雨生红球藻红色厚壁孢子悬浮液从反应器最顶层流道流出。对于雨生红球藻细胞悬浮液在反应器内流道内流动的过程中，当雨生红球藻细胞悬浮液处于底部光强较弱的区域时，藻细胞在低光强、氮磷等无机营养盐充足的条件下，雨生红球藻绿色游动细胞大量增殖，雨生红球藻细胞生物质浓度增加，同时沿着藻细胞悬浮液流动方向，藻细胞悬浮液内氮磷等无机营养盐浓度降低。随后，随着藻细胞悬浮液的流动，藻细胞悬浮液进入反应器内光强较高的流道，在该流道内，光强较高，同时藻细胞悬浮液中氮磷等无机营养盐浓度较低，藻细胞处于不利于其生长的胁迫条件下，雨生红球藻绿色游动细胞逐渐丧失鞭毛，并经由绿色不同细胞、黄色不动细胞向红色厚壁孢子转变，因此可将反应器内的改转化过程对应的区域成为诱导转变过渡区。
[0013]
随后，随着雨生红球藻细胞悬浮液在反应器内管道中的流动，藻细胞悬浮液具有反应器光入射表面的距离进一步缩短，藻细胞接受到的光强进一步增加，同时，藻细胞悬浮液中的氮磷等无机营养盐进一步降低至耗尽状态，此时在高光强、氮磷等无机营养盐缺乏的协同胁迫作用下，雨生红球藻红色厚壁孢子内的虾青素含量进一步增加，最终从反应器顶层流道流出高生物质浓度、高虾青素含量的雨生红球藻细胞悬浮液。
[0014]
本发明的有益效果：通过平行串联的流道，利用反应器内部自上而下，光强呈指数规律衰减的特点，实现了相同占地面积下雨生红球藻不同生长阶段的同步进行。
附图说明
[0015]
图1为本发明所涉及的基于光能梯级利用的流动式微藻光生物反应器三维结构示意图；
[0016]
图2为本发明所涉及的基于光能梯级利用的流动式微藻光生物反应器工作原理示意图；
[0017]
其中，附图中：1—入射光；2—透明材质的反应器壁面；3—反应器入口处雨生红球藻绿色游动细胞悬浮液流动方向；4—雨生红球藻细胞悬浮液；5—反应器出口处雨生红球藻红色厚壁孢子悬浮液流动方向；i—高光强区域(红色厚壁孢子区域)；ii—中等光强区域(诱导转变过渡区域)；iii—低光强区域(绿色游动细胞区域)。
具体实施方式
[0018]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0019]
参见图1和图2，一种基于光能梯级利用的流动式微藻光生物反应器，其反应器主体结构由透明材质的反应器壁面2组成，沿高度方向反应器被透明材质的壁面结构分隔成多个相互平行和串联的流道，雨生红球藻细胞悬浮液4在该反应器内的流道中流动，低生物质浓度的雨生红球藻绿色游动细胞悬浮液3从反应器最底层流道进入反应器，最终高生物质浓度、高虾青素含量的雨生红球藻红色厚壁孢子悬浮液5从反应器顶层流道流出。入射光1从反应器顶部上方区域入射至光生物反应器内部，由于雨生红球藻细胞悬浮液4对光能的吸收及散射作用，反应器内沿高度方向自上而下光强逐渐降低，将反应器沿高度方向分为三个区域，即高光强区域i，中等光强区域ii以及低光强区域iii。相应的，低光强区域iii内的雨生红球藻细胞处于绿色游动细胞形态，因此低光强区域iii也称为绿色游动细胞区域。中等光强区域ii内的雨生红球藻细胞处于由绿色阶段向红色阶段的诱导转变过程，因此中等光强区域ii也称为诱导转变过渡区域。高光强区域i内的雨生红球藻细胞处于红色厚壁孢子形态，因此高光强区域i也称为红色厚壁孢子区域。
[0020]
在本具体实施例中，入射光1由白光led矩形灯板提供，通过调整led灯板的功率以及灯板与反应器顶面板的距离实现反应器入射光强的调节，反应器顶部光入射面的光强为450μmol m-2
s-1
，透明材质的反应器壁面2选用3mm厚的透明有机玻璃板。
[0021]
在本具体实施例中，生物质浓度为0.1g l-1
的雨生红球藻绿色游动细胞悬浮液3在蠕动泵的驱动下，以0.2m h-1
的流速进入反应器最底层流道并在反应器管道内缓慢向前流动。白光led矩形灯板发出的光为反应器内雨生红球藻的光合作用提供入射光1，入射光1进入反应器内后，由于光衰减的存在，沿反应器高度方向自上而下，光强逐渐降低。在低光强区域iii内，雨生红球藻绿色游动细胞在低光照、氮磷等营养盐充足的条件下，迅速分裂增殖，细胞数量增加，雨生红球藻生物质浓度上升；随后，高生物质浓度的雨生红球藻细胞悬浮液进入中等光强区域ii，在该区域内，藻细胞接受到的光强增加，培养体系内氮磷等无机营养盐的浓度较低，藻细胞处于环境胁迫条件下，雨生红球藻绿色游动细胞逐渐向红色厚壁孢子转变；接着，雨生红球藻细胞悬浮液进入反应器内的高光强区域i，在该区域内，藻细胞接受到的光强进一步增加，培养体系内氮磷等无机营养盐的浓度进一步降低或者完全耗尽，在高光强和营养盐缺乏的协同胁迫作用下，雨生红球藻红色厚壁孢子内的虾青素含量进一步上升；最后，高生物质浓度、高虾青素含量的雨生红球藻红色厚壁孢子悬浮液5从反应器顶层流道流出。反应器高度尺寸、流道尺寸应根据具体的雨生红球藻藻种进行确定。通过本发明的反应器，可以在相同的占地面积下，实现雨生红球藻不同生长阶段的同步进行，反应器结构简单，实现了光能的梯级利用。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除