一種生物反應釜及促進雨生紅球藻增殖和催紅的方法與流程
2023-05-19 11:27:46
本發明涉及球藻生長培育技術領域，具體是一種生物反應釜及促進雨生紅球藻增殖和催紅的方法。
背景技術：
雨生紅球藻是一種單細胞綠藻，細胞呈橢圓形或卵形，大小從5微米到40-50微米左右，或有時甚至更大一些；有兩條鞭毛用於推動細胞自由遊動；細胞壁和原生質間具有空隙，其間充滿膠裝物質，細胞壁和原生質體間有細胞質相連，營養繁殖為細胞分裂，形成2，4，8，16，32甚至更多個子細胞，無性生殖在環境受到脅迫時形成膠群體或厚壁孢子。處於生長增殖階段的雨生紅球藻呈綠色細胞；當環境條件改變對其生長不利時，比如在缺氮，磷或在強光能射條件下，雨生紅球藻細胞的生長變得緩慢並失去運動鞭毛，形成膠群體或厚壁孢子，同時，促進細胞內蝦青素的大量累積，使雨生紅球藻的顏色迅速變成深紅色。影響雨生紅球藻的生理、生物量、產量和細胞內蝦青素含量，主要涉及藻種的優劣和良好的培育條件(如環境的淨化程度、溫度、溶解氧、藻液組成、光譜結構、光能強度、光能面積和光能時間等)。通過定製光普以及基因工程及遺傳工程改造現有藻種獲得優良菌株，提高藻種的體積、光飽和值、抗光抑制，以及抗逆、抗菌能力，可以獲得耐菌、增殖快和蝦青素累積能力強的藻種。我們研究表明，經過優化的led垂直光能生物反應釜及良好的培養條件，可以促使雨生紅球藻中蝦青素含量高達細胞乾重的4.5-8％，而採用傳統太陽光或螢光管等培養生成蝦青素含量最高不足細胞乾重的0.8％-3％。
目前，阻礙雨生紅球藻跑道式大規模生產主要因素是生物汙染和雨生紅球藻培養過程種群密度低使單位面積產量低所導致成本過高。由管道式光生物反應釜或小型系統組成的生物反應釜進行培養的雨生紅球藻，存在的缺陷是管道壁容易被藻細胞粘連導致培養期間透光性下降、溫度不穩定及清洗困難，因此只適合實驗室的小規模生產。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種生物反應釜及促進雨生紅球藻增殖和催紅的方法，以解決上述背景技術中提出的問題。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種生物反應釜，包括主體反應釜，主體反應釜呈上下封閉的管狀形缸體，主體反應釜採用支撐式主體底座，所述主體反應釜的底部設置有排水裝置，主體反應釜的頂部設置有一個可以打開的上蓋，主體反應釜的外側壁上還設置有一個ph感應頭接口，ph感應頭接口連接至ph控制器，ph控制器一端連接至工業二氧化碳瓶，ph控制器的另一端通過進氣調節閥連接至主體反應釜，工業二氧化碳鋼瓶出口位置設置有過濾器；所述主體反應釜內部安裝有多條可調光量子通量密度和可調波長的led燈管，所述led燈管連接至led驅動控制器，所述主體反應釜內側底壁上設置有氣爆石，所述氣爆石通過進氣調節閥連接至t級過濾器，t級過濾器連接至工業空壓機，所述led燈管還連接至水處理設備；所述led燈管通過進氣調節閥連接至水冷機一端，水冷機的另一端連接回led燈管。
作為本發明進一步的方案：所述主體反應釜的橫截面直徑圓的直徑變化範圍為15-120cm，主體反應釜的高度變化範圍在150-200cm，主體反應釜的外側壁上還設置有三個水位窺鏡。
作為本發明再進一步的方案：所述主體反應釜的外壁和上蓋選用不鏽鋼材料或亞克力材料，厚度為0.8-3.0mm，上蓋上設置有通孔。
作為本發明再進一步的方案：所述led燈管由一個或多個led晶片分開焊接在不同焊盤上的貼片或是集成形式的led封裝體或是晶片表貼在導熱鋁板上放入全密閉的透明管形成的一個防水的光能設施。
作為本發明再進一步的方案：所述led燈管包括第一led晶片、第二led晶片、第三led晶片和第四led晶片，所述第一led晶片的波長範圍為300-400nm，第二led晶片的波長範圍為400-500nm，第三led晶片的波長範圍為500-600nm，第四led晶片的波長範圍為600-780nm。
作為本發明再進一步的方案：所述第一led晶片、第二led晶片、第三led晶片和第四led晶片貼在散熱器，散熱器包括一個由純鋁或純銅材料製造的導熱載體，所有的led晶片都是連接在導熱載體上，導熱載體內部設有散熱液管，散熱器由散熱液管頭尾連接，形成一個迴路，在迴路一端接到一個水冷機，形成一個完整的散熱系統。
一種促進雨生紅球藻增殖和催紅的方法，其主要步驟如下：
1)建立可調控的全密閉式led垂直光能生物反應釜：在主體反應釜頂部、底部、四周和封蓋採用不透光材料及內置、潛水、可調控光譜和光能的led光能設施；其中主體反應釜的直徑設置為15-120cm，高設置為150-200cm，溶液量為22-1200升，垂直缸體採用透明亞克力管，管底和上蓋分別用塑料堵頭封牢，缸體側面開有取樣口和探頭口、缸體底部開有排水口、缸體頂部開有進水口和進線口；
2)在主體反應釜裡安裝60-7000w可調各波長及光量子通量密度的led燈管，利用led燈管提供適合於光合作用的人造光，加速雨生紅球藻的增殖和催紅；
3)調控氣爆石氣體流量、無菌空氣鼓入量、總光量子通量密度、藻細胞生長的ph值、淡水藻液和藻細胞生長溫度等人為可控制的環境條件誘導雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度和調控雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素的合成和積累；其中氣爆石流量調節為0.7-3.5l/min；無菌空氣鼓入量為0.3-3.5l/min；淡水藻液按照以下原料和含量調配：水處理設備過濾清水100％，硝酸鈉0.40g/l，硝酸鉀0.15g/l，七水硫酸鎂0.15g/l，氮化鈣0.16g/l，檸檬酸鐵銨0.008g/l，磷酸二氫鉀0.18g/l；藻細胞生長溫度為25℃，總光量子通量密度為25000-500000μmol/m2·s；藻細胞生長的ph值為6.8，藻細胞迅速生長增殖培養周期為60-192小時；
4)經離心分離收穫藻細胞泥及乾燥，萃取等工序獲得蝦青素，蝦青素含量達到細胞乾重的3.5％，所獲取的雨生紅球藻生命力旺盛，密度達到預期的目標密度，無汙染。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
本發明有效解決了現有傳統微藻養殖方式受天氣、光線、汙染、環境溫度等不良影響問題，進一步解決了微藻在自然環境生長穩定性差、速度過慢的問題，可以大幅提高微藻生長的速度，大幅度減少微藻受自然環境因素的影響、重金屬汙染、真菌感染和其他藻類競爭等問題，並且大幅度的縮短微藻的生長周期。通過此發明可以給微藻提供針對性適合光合作用的光譜和良好、穩定的養殖環境，微藻的生長速度可以大幅提升；通過模組化、工業化、標準化、自動化，本發明也進一步解決大規模養殖微藻時出現批量感染壺菌交叉感染或大面積汙染導致大批微藻死亡的問題。
本發明利用全密閉led微藻光能生物反應釜培養生成蝦青素含量高達細胞乾重的2.5％-5.0％.和傳統太陽光或螢光管等培養生成蝦青素含量1.8％-2.0％對比，用本發明培養生成蝦青素含量提高至少1倍以上。
附圖說明
圖1為生物反應釜的結構示意圖。
圖2為生物反應釜中主體反應釜的外部結構示意圖。
圖3為生物反應釜的空氣和二氧化碳鼓入量控制原理圖。
圖中：1-主體反應釜，2-led燈管，3-工業空壓機，4-t級過濾器，5-工業二氧化碳鋼瓶，6-過濾器，7-氣爆石，8-水冷機，9-水處理設備，10-ph控制器，11-進氣調節閥，12-排水裝置，13-led驅動控制器，14-ph感應頭接口。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明的技術方案作進一步詳細地說明。
請參閱圖1-3，一種生物反應釜，包括主體反應釜1，主體反應釜1呈上下封閉的管狀形缸體，主體反應釜1採用支撐式主體底座，主體反應釜1的橫截面直徑圓的直徑變化範圍為15-120cm，主體反應釜1的高度變化範圍在150-200cm，主體反應釜1的外側壁上設置有三個水位窺鏡和一個ph感應頭接口14，ph感應頭接口14連接至ph控制器10，ph控制器10一端連接至工業二氧化碳瓶5，ph控制器10的另一端通過進氣調節閥11連接至主體反應釜1，主體反應釜1的底部設置有排水裝置12，主體反應釜1的頂部設置有一個可打開的上蓋，上蓋上設置有若干通孔；所述主體反應釜1的外壁和上蓋選用不鏽鋼材料或亞克力材料，厚度為0.8-3.0mm，上蓋可以打開；在主體反應釜1內部安裝有多條可調光量子通量密度和可調波長的led燈管2，每條led燈管2的功率為60w-600w；led燈管2單獨使用或全部使用；led燈管2連接至led驅動控制器13，通過led驅動控制器13可調控led燈管2發出的的波長範圍在300-700nm之間；可調控總光量子通量密度為25000-250000μmol/m2·s；所述led燈管2包括第一led晶片、第二led晶片、第三led晶片和第四led晶片，所述第一led晶片的波長範圍為300-400nm，第二led晶片的波長範圍為400-500nm，第三led晶片的波長範圍為500-600nm，第四led晶片的波長範圍為600-780nm；每個led晶片可獨立使用或組合使用；所述led燈管2由一個或多個led晶片分開焊接在不同焊盤上的貼片或是集成形式的led封裝體或是晶片表貼在導熱鋁板上放入全密閉的透明管形成的一個防水的光能設施；
雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度調控階段的光譜為第二led晶片的波長為400-500nm及第四led晶片的波長為600-780nm；光量子通量密度為25000-250000μmol/m2·s；調控細胞蝦青素合成和積累階段光譜為第一led晶片的波長300-400nm，第二led晶片的波長400-500nm，第三led晶片的波長500-600nm，第四led晶片的波長600-780nm；總光量子通量密度為25000-250000μmol/m2·s；光量子通量密度和光照周期可根據led燈管的光強及燈數量和功率及光能時間進行調控；所述第一led晶片、第二led晶片、第三led晶片和第四led晶片貼在散熱器，散熱器包括一個由純鋁或純銅材料製造的導熱載體，所有的led晶片都是連接在導熱載體上，導熱載體內部設有散熱液管，散熱器由散熱液管頭尾連接，形成一個迴路，在迴路一端接到一個水冷機8，形成一個完整的散熱系統，保證led燈管2在工作時所發出來的熱能能通此系統降溫進一步確保缸內溫度不會超過雨生紅球藻增殖或催紅的所需要的藻液溫度；
所述主體反應釜1內側底壁上設置有氣爆石7，所述氣爆石7通過進氣調節閥11連接至t級過濾器4，t級過濾器4連接至工業空壓機3，t級過濾器4通過進氣調節閥11連接至氣爆石7，採用工業空壓機3並經過t級過濾器4的濾油濾水濾菌處理成無菌空氣，通過進氣調節閥11和空氣混合將無菌空氣和無菌二氧化碳送入到主體反應釜1內，所述無菌空氣鼓入量為0.7-3.5l/min；
所述工業二氧化碳鋼瓶5通過ph控制器10和進氣調節閥11連接至主體反應釜1；工業二氧化碳鋼瓶5出口位置設置有過濾器6，過濾器6用於除菌；二氧化碳氣體採用工業二氧化碳鋼瓶5，並採用過濾器6除菌；鼓入無菌二氧化碳和無菌空氣混合的量根據ph感應頭接口14檢測到的藻液的ph濃度，ph感應頭接口14將檢測結構反饋給ph控制器10，並通過ph控制器10進行調節；所述主體反應釜1與水處理設備9連接，主體反應釜1與工業空壓機3連接；
工業空壓機3和氣爆石7把無菌二氧化碳和無菌空氣混合送鼓到藻液裡促進藻液的流動，調控無菌進氣調節閥11和氣爆石7鼓氣器使主體反應釜淡水藻液處於流動狀態並保持淡水營養組成及溶解氧濃度和ph值的調控性，隨著氣泡的上升使雨生紅球藻在反應釜裡滾動，從而使藻細胞的生長處於懸浮狀態，無菌空氣的流量為0.7-3.5l/min；可有效提高藻細胞在藻液裡滾動並減少藻細胞之間的遮蔽作用及提高藻細胞光能面積的利用。採用工業上使用的空壓機，把無菌空氣輸入到反應釜裡並通過氣爆石把空氣從反應釜底下往上冒氣泡。
實施例1
採用上述生物反應釜促進雨生紅球藻增殖和催紅的方法，其主要步驟如下：
1)建立可調控的全密閉式led垂直光能生物反應釜，在主體反應釜頂部、底部、四周和封蓋採用不透光材料及內置、潛水、可調控光譜和光能的led光能設施；其中主體反應釜1的直徑設置為16cm，高設置為160cm，溶液量為22升，垂直缸體採用透明亞克力管，管底和上蓋分別用塑料堵頭封牢，缸體側面開有取樣口和探頭口、缸體底部開有排水口、缸體頂部開有進水口和進線口；
2)主體反應釜1裡安裝60w可調各波長及光量子通量密度的led燈管2，利用led燈管2提供適合於光合作用的人造光，加速雨生紅球藻的增殖和催紅；
3)調控氣爆石氣體流量、無菌空氣鼓入量、總光量子通量密度、藻細胞生長的ph值、淡水藻液和藻細胞生長溫度等人為可控制的環境條件誘導雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度和調控雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素的合成和積累；其中氣爆石7流量調節為0.7l/min；無菌空氣鼓入量為0.7l/min；淡水藻液按照以下原料和含量調配：水處理設備過濾清水100％，硝酸鈉0.40g/l，硝酸鉀0.15g/l，七水硫酸鎂0.15g/l，氮化鈣0.16g/l，檸檬酸鐵銨0.008g/l，磷酸二氫鉀0.18g/l；藻細胞生長溫度為25℃，總光量子通量密度為25000-28000μmol/m2·s；藻細胞生長的ph值為6.8，藻細胞迅速生長增殖培養周期為60小時；
4)經離心分離收穫藻細胞泥及乾燥，萃取等工序獲得蝦青素，蝦青素含量達到細胞乾重的2.5％，所獲取的雨生紅球藻生命力旺盛，密度達到預期的目標密度，無汙染。
實施例2
採用上述生物反應釜促進雨生紅球藻增殖和催紅的方法，其主要步驟如下：
1)建立可調控的全密閉式led垂直光能生物反應釜，在主體反應釜頂部、底部、四周和封蓋採用不透光材料及內置、潛水、可調控光譜和光能的led光能設施；其中主體反應釜的直徑設置為16cm，高設置為160cm，溶液量為22升，垂直缸體採用透明亞克力管，管底和上蓋分別用塑料堵頭封牢，缸體側面開有取樣口和探頭口、缸體底部開有排水口、缸體頂部開有進水口和進線口；
2)主體反應釜裡安裝100w可調各波長及光量子通量密度的led燈管，利用led燈管提供適合於光合作用的人造光，加速雨生紅球藻的增殖和催紅；
3)調控氣爆石氣體流量、無菌空氣鼓入量、總光量子通量密度、藻細胞生長的ph值、淡水藻液和藻細胞生長溫度等人為可控制的環境條件誘導雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度和調控雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素的合成和積累；其中氣爆石流量調節為0.7l/min；無菌空氣鼓入量為0.7l/min；淡水藻液按照以下原料和含量調配：水處理設備過濾清水100％，硝酸鈉0.40g/l，硝酸鉀0.15g/l，七水硫酸鎂0.15g/l，氮化鈣0.16g/l，檸檬酸鐵銨0.008g/l，磷酸二氫鉀0.18g/l；藻細胞生長溫度為25℃，總光量子通量密度為36000-50000μmol/m2·s；藻細胞生長的ph值為6.8，藻細胞迅速生長增殖培養周期為60小時；
4)經離心分離收穫藻細胞泥及乾燥，萃取等工序獲得蝦青素，蝦青素含量達到細胞乾重的4.5％，所獲取的雨生紅球藻生命力旺盛，密度達到預期的目標密度，無汙染。
實施例3
採用上述生物反應釜促進雨生紅球藻增殖和催紅的方法，其主要步驟如下：
1)建立可調控的全密閉式led垂直光能生物反應釜，在主體反應釜頂部、底部、四周和封蓋採用不透光材料及內置、潛水、可調控光譜和光能的led光能設施；其中主體反應釜的直徑設置為35cm，高設置為160cm，溶液量為100升，垂直缸體採用透明亞克力管，管底和上蓋分別用塑料堵頭封牢，缸體側面開有取樣口和探頭口、缸體底部開有排水口、缸體頂部開有進水口和進線口；
2)主體反應釜裡安裝500w可調各波長及光量子通量密度的led燈管，利用led燈管提供適合於光合作用的人造光，加速雨生紅球藻的增殖和催紅；
3)調控氣爆石氣體流量、無菌空氣鼓入量、總光量子通量密度、藻細胞生長的ph值、淡水藻液和藻細胞生長溫度等人為可控制的環境條件誘導雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度和調控雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素的合成和積累；其中氣爆石流量調節為3.5l/min；無菌空氣鼓入量為0.3l/min；淡水藻液按照以下原料和含量調配：水處理設備過濾清水100％，硝酸鈉0.40g/l，硝酸鉀0.15g/l，七水硫酸鎂0.15g/l，氮化鈣0.16g/l，檸檬酸鐵銨0.008g/l，磷酸二氫鉀0.18g/l；藻細胞生長溫度為25℃，總光量子通量密度為180000-250000μmol/m2·s；藻細胞生長的ph值為6.8，藻細胞迅速生長增殖培養周期為192小時；
4)經離心分離收穫藻細胞泥及乾燥，萃取等工序獲得蝦青素，蝦青素含量達到細胞乾重的3.5％，所獲取的雨生紅球藻生命力旺盛，密度達到預期的目標密度，無汙染。
實施例4
採用上述生物反應釜促進雨生紅球藻增殖和催紅的方法，其主要步驟如下：
1)建立可調控的全密閉式led垂直光能生物反應釜，在主體反應釜頂部、底部、四周和封蓋採用不透光材料及內置、潛水、可調控光譜和光能的led光能設施；其中主體反應釜的直徑設置為80cm，高設置為160cm，溶液量為600升，垂直缸體採用透明亞克力管，管底和上蓋分別用塑料堵頭封牢，缸體側面開有取樣口和探頭口、缸體底部開有排水口、缸體頂部開有進水口和進線口；
2)主體反應釜裡安裝1250w可調各波長及光量子通量密度的led燈管，利用led燈管提供適合於光合作用的人造光，加速雨生紅球藻的增殖和催紅；
3)調控氣爆石氣體流量、無菌空氣鼓入量、總光量子通量密度、藻細胞生長的ph值、淡水藻液和藻細胞生長溫度等人為可控制的環境條件誘導雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度和調控雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素的合成和積累；其中氣爆石流量調節為3.5l/min；無菌空氣鼓入量為0.3l/min；淡水藻液按照以下原料和含量調配：水處理設備過濾清水100％，硝酸鈉0.40g/l，硝酸鉀0.15g/l，七水硫酸鎂0.15g/l，氮化鈣0.16g/l，檸檬酸鐵銨0.008g/l，磷酸二氫鉀0.18g/l；藻細胞生長溫度為25℃，總光量子通量密度為360000-500000μmol/m2·s；藻細胞生長的ph值為6.8，藻細胞迅速生長增殖培養周期為192小時；
4)經離心分離收穫藻細胞泥及乾燥，萃取等工序獲得蝦青素，蝦青素含量達到細胞乾重的3.5％，所獲取的雨生紅球藻生命力旺盛，密度達到預期的目標密度，無汙染。
本發明利用全密閉led微藻光能生物反應釜培養生成蝦青素含量高達細胞乾重的2.5％-5.0％.和傳統太陽光或螢光管等培養生成蝦青素含量1.8％-2.0％對比，用本發明培養生成蝦青素含量提高至少1倍以上。
上面對本發明的較佳實施方式作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。