专利名称：光生物反应器促进雨生红球藻生长增殖及调控虾青素合成和积累的方法
技术领域：
本发明涉及一种可调控的全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器培养和促进雨生红球藻生长增殖及提高种群密度和调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累的方法。
背景技术：
雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)是一种单细胞绿藻，细胞呈椭圆形或卵形，大小从5微米左右到20-30微米不等，有时甚至更大些；有两条等长鞭毛，鞭毛的摆动推动细胞自由游动；细胞壁和原生质间具空隙，其间充满胶状物质，细胞壁和原生质体间有细胞质连丝相连，营养繁殖为细胞分裂，形成2、4、8、16甚至更多个子细胞，无性生殖在环境不良时形成胶群体或厚壁孢子。处于生长增殖阶段的雨生红球藻呈绿色；当环境条件的改变对其生长不利时，如在缺乏氮、磷和双价离子镁或在强光照射条件下，雨生红球藻细胞的生长将趋于缓慢并使运动细胞失去鞭毛，形成胶群体或厚壁孢子，同时，促进细胞内次生代谢产物合成，主要是虾青素的大量积累，使雨生红球藻细胞的颜色迅速形成砖红色。影响雨生红球藻的生理、生物量、产量和细胞内次生代谢产物成分和生成量，主要涉及藻的品种和良好的培养条件(如环境的净化程度、温度、光照、溶解氧、营养液组成、流体切变力等)。通过物理或化学以至基因工程及遗传工程手段改造现有藻种获得优良工程菌株，提高藻种的光饱和值、抗光抑制，以及抗逆、抗污染能力，可以获得耐高温、细胞增殖快和虾青素积累能力强的藻种。有研究表明，经过优化的光生物反应器及良好的培养条件，可促使雨生红球藻中虾青素的含量高达细胞干重的4-5％，而采用细菌或酵母菌等培养生成虾青素的含量最高不足细胞干重的0.8％。
目前，阻碍雨生红球藻大规模生产的主要因素是生物污染和雨生红球藻培养过程种群密度低使单位面积产量低所导致的高成本。小规模由管道式光生物反应器或小型固定化系统组成的生物反应器或气升式生物反应器进行培养的雨生红球藻，存在的缺陷是管道壁易被藻细胞粘连遮蔽导致培养期间透光性下降及清洗困难，虽然已采用不同类型的桨叶轮搅拌混合，以尽量降低藻细胞之间的遮蔽作用及提高光照的利用，但只适应实验室的小规模试验。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调控的全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器培养和促进雨生红球藻细胞生长增殖及提高种群密度和调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累的方法。
本发明的方法包括建立可调控的全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器，在主体反应器底部及四周和封盖采用透光材料及外置可调控的光照设施，调速桨叶轮搅拌器及卷水轮，无菌空气鼓气设施及O2气体系统，咸淡水营养液调配和温度调控系统，清洗和消毒杀菌系统，通过环境条件的改变进行生理诱导调控雨生红球藻生长增殖及提高种群密度和调控雨生红球藻细胞内次生代谢产物虾青素的合成和积累、分离收获藻细胞及低温干燥等工序。
本发明的方法具体步骤如下一、建立全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器改造并优化通常工业培养微藻使用的浅水道光生物反应器成为封闭式光生物反应器，或设计光利用率高的全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器，其中包括支撑式主体底座，设置封闭式可调控排放系统的主体反应器(水槽)，设置可调控的光照设施，设置调速桨叶轮搅拌器及卷水轮，设置有进排气口的无菌空气设施及O2气体系统，设置有回流装置的咸淡水营养液调配和温度调控系统，清洗和消毒杀菌系统及分离收获藻细胞和低温干燥设施。主体反应器呈长方形，长宽为200-1500cm×100-300cm，通常为220-500cm×110-150cm；深度为450-700cm，通常为550-650cm。亦可将全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器包括咸淡水营养液调配、控光、控温、清洗、消毒、杀菌、搅拌、鼓气、分离收获藻细胞及干燥等工序由计算机控制实现长期半连续生产。
二、在主体反应器底部及四周和封盖采用透光材料及外置可调控光照设施透光材料可选用高抗张力及抗压力的无色透明钢化玻璃或特种玻璃，厚度为0.8-3cm，通常为1.5-2cm；封盖部分透光材料可选用市售透明塑料薄膜或复合材料透明薄膜，厚度为0.01-0.6mm，通常为0.03-0.3mm；透明薄膜用作主体反应器封盖并用胶带纸封贴或胶粘剂封贴；封盖部分透光材料也可选用有机玻璃等透光材料；在主体反应器四周及上下安装多盏可调亮度的照明用的日光灯、白炽灯、太阳灯或节能射灯，每盏灯功率为40-2000w，通常为40-300w；可单独使用或组合使用；雨生红球藻生长增殖及提高种群密度调控阶段光照强度为800-1800勒克斯，通常为1000-1500勒克斯；调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累阶段光照强度为1900-3200勒克斯，通常为2000-2500勒克斯；光照强度和光照周期可根据自然日光光照强度及通过灯的数量和功率及光照时间进行调控。
三、调速桨叶轮搅拌器及卷水轮调速浆叶轮搅拌器可使主体反应器咸淡水营养液处于轻微流动状态并保持咸淡水营养液组成及溶解氧浓度和PH值的可调控性，使藻细胞的生长处于悬浮状态；雨生红球藻在合适的流体切变力作用下，如咸淡水营养液以0.01-0.08m/s流速循环，可有效减少藻细胞之间的遮蔽作用及提高光照的利用。采用工业上使用的可调速桨叶轮搅拌器，转速为10-400r/m，通常为20-60r/m；卷水轮为工业上使用的卷水轮，转速为10-300r/m，通常为20-80r/m；卷水轮装置于主体反应器的一测，调控咸淡水营养液循环流动的流速。
四、设置有进排气口的无菌空气设施及O2气体系统采用工业上使用的空压机并经常规的滤油滤水滤菌处理成为无菌空气；O2气体采用工业氧气瓶，并采用过滤法除菌。通过调节阀及分布于主体反应器底部管道式微孔导流孔鼓入无菌空气及氧气。雨生红球藻生长增殖阶段无菌空气鼓入量为0.02-2m3/m，通常为0.03-0.2m3/m；调控雨生红球藻细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累阶段无菌空气鼓气量为0.01-0.08m3/m，通常为0.02-0.05m3/m；O2气体按咸淡水营养液所需溶解氧的浓度进行调节。
五、设置有回流装置的咸淡水营养液调配和温度调控系统咸淡水营养液调配及温度调控系统由配置冷水循环制冷装置、加热装置、营养液循环泵、回流管道、测温控温设施及带搅拌器的工业上使用的夹层贮液罐组成。每组贮液罐为2至3只，贮液罐容量为100-10000L，通常为1000-6000L；搅拌器转速为20-300r/m，通常为60-80r/m。
处于细胞生长增殖阶段的雨生红球藻咸淡水营养液组成咸淡水配比为清水30-70％，通常为45-65％；海水25-75％，通常为35-55％；亦可采用人工调配海水；营养液配比为硝酸钾0.1-0.42g/L，通常为0.2-0.3g/L；醋酸钠0.3-0.65g/L，通常为0.45-0.55g/L；亦可以加入尿素、硫酸镁、磷酸二氢钾等营养盐，可以是一种或一种以上，加入量为0.01-1g/L；咸淡水营养液溶解氧浓度为40-55％饱和度；雨生红球藻生长增殖阶段最适pH值为中性；藻细胞生长增殖阶段最适温度为14-27℃，通常为20-24℃；藻细胞迅速生长增殖处于对数生长期的培养周期为48-96h，通常为60-72h。
通过环境条件的改变进行生理诱导调控促进雨生红球藻细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累阶段最适培养温度为21-32℃，通常为26-29℃，最适pH值为微碱性；培养周期为50-80h，通常为60-72h。
六、清洗和消毒杀菌系统投入生产之前应将光生物反应器彻底清洗消毒，每次清洗时均应清除封盖部分的透明薄膜并更换新的透明薄膜，咸淡水营养液调配过程应保持洁净无污染，咸淡水中清水及海水可采用工业上使用的臭氧发生器进行杀菌；营养液可采用加热法杀菌，加热温度为70-80℃，时间15-25分钟，或95-100℃，时间5-15分钟；亦可采用化学杀菌法进行杀菌。循环使用的咸淡水营养液可采用加热法杀菌后再投入使用。
七、收获雨生红球藻细胞及低温干燥离心是目前应用最广的收获藻细胞的方法，通常采用工业上连续式浆渣分离装置，转速为3000-30000r/m，通常为8000-15000r/m。亦可采用其他分离设备或过滤法收获藻细胞。将分离的雨生红球藻细胞采用工业上使用的低温干燥设施，如真空冷冻干燥、真空干燥、低温热风干燥、低温喷雾干燥等设备进行干燥，干燥温度为38-85℃，通常为43-48℃。要求干燥后产物含水份低于3％，通常为1％以下。
封闭式大规模运行系统中光生物反应器的设计对于提供可调控的环境条件促进雨生红球藻迅速生长增殖和提高种群密度及促进细胞内次生代谢产物虾青素的合成和积累至关重要。培养雨生红球藻由于非生物因素的变量太多，如生物污染、光照强度、溶解氧、温度和营养液组成等多种因子的影响和应变环境促进细胞内目标产物的合成和积累而变得非常复杂。光照是雨生红球藻生长的重要因素。最适于雨生红球藻生长增殖的光照度为中等强度光照1000-1600勒克斯；加大光照强度在1900-3200勒克斯，可促进雨生红球藻细胞内次生代谢生物虾青素合成和积累；大于3500勒克斯的光照强度将抑制雨生红球藻的生长，分裂的细胞也由营养生长转为休眠状态。昼夜连续光照有利于雨生红球藻的生长增殖并明显提高细胞体积产率。培养过程光照不足及藻细胞相互之间的遮蔽作用，将导致藻细胞生长受到抑制而增加了其他生物污染的机会。在室外人工培养微藻采用的桨叶轮搅拌的浅水道光生物反应器，构造上只接受正面光的光照，对光线的充分利用及光照的调控受到局限，特别是昼夜和阴晴天与正常日光光照强度差别大的影响成为大规模培养雨生红球藻及调控细胞内次生代谢产物虾青素的合成和积累的关键性技术难题。
通过改造并优化浅水道光生物反应器系统成为封闭式光生物反应器，在主体反应器的底部及四周和封盖采用透光材料提高光生物反应器内整体光照强度，改善整体的培养条件为可调控的高净化度的环境条件，利用日光光照并外置可调控的人工光源照射使藻细胞昼夜能均匀地接受到中等以上强度光照，对光能利用率较高，既可促进雨生红球藻细胞生长增殖，又能调控雨生红球藻细胞内次生代谢产物虾青素的合成和积累，雨生红球藻细胞体积产量高达4-6g/L以上，其中虾青素含量可高达细胞干重的4-5％以上，同时又能克服开放式大规模运行系统光生物反应器运转期间昼夜和阴晴天的影响及其他杂藻和生物沾污以及大气污染。由于主体反应器封盖部分透光材料更换方便，使主体反应器整体清洗更加便利快捷，有利于实现由计算机控制长期半连续化生产。因此，建立可调控的全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器比浅水道光生物反应器培养和促进雨生红球藻细胞生长增殖及提高种群密度和调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累更具优越性。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一建立全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器，主体反应器(水槽)长宽深为500×150×65cm，底部及四周采用2cm厚的无色透明钢化玻璃，封盖部分采用厚度为0.2mm的透明薄膜并用胶带纸封贴，主体反应器四周及上下安装可调亮度的功率为100W太阳灯20盏，40W节能射灯20盏；反应器内调速浆叶轮搅拌器转速为30r/m；卷水轮转速为50r/m，咸淡水营养液以0.04m/s流速循环；咸淡水营养液调配及温度调控系统配备3只容量4000L的贮液罐，搅拌器转速为80r/m。藻细胞生长增殖及提高种群密度调控阶段的培养条件为，咸淡水营养液组成清水65％，海水35％，硝酸钾0.21g/L，醋酸钠0.52g/L，硫酸镁0.04g/L，磷酸二氢钾0.04g/L，尿素0.9g/L；清水及海水可经臭氧发生器杀菌；营养液采用经100℃加热杀菌5分钟；藻细胞生长增殖温度为20℃；光照强度为1300-1700勒克斯；无菌空气鼓入量为0.3m3/m；咸淡水营养液溶解氧浓度为43％饱和度；最适藻细胞生长增殖pH值为6.8，培养周期为60h，藻细胞生长增殖处于对数生长期，藻细胞呈绿色。通过环境条件的改变进行生理诱导调控促进雨生红球藻细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累，此阶段培养条件培养温度为28℃；光照强度为2300-2800勒克斯；无菌空气鼓入量为0.1m3/m；最适pH值为8.2；培养周期为72h，藻细胞呈砖红色。经连续式浆渣分离装置收获雨生红球藻细胞，转速为10000r/m，然后再经45℃真空干燥处理，使藻细胞水份含量低于1％。经分析，藻细胞虾青素含量高达细胞干重的3.9％。
实施例二建立全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器，主体反应器(水槽)长宽深为220×110×55cm，底部及四周采用1.5cm厚的无色透明特种玻璃，封盖部分采用厚度为0.1mm的透明薄膜并用胶带纸封贴，主体反应器四周及上下安装可调亮度的功率为40W日光灯20盏；反应器内调速浆叶轮搅拌器转速为20r/m；卷水轮转速为30r/m，咸淡水营养液以0.02m/s的流速循环；咸淡水营养液调配及温度调控系统配备2只容量1200L的贮液罐，搅拌器转速为60r/m。藻细胞生长增殖及提高种群密度调控阶段的培养条件为，咸淡水营养液组成清水40％，海水60％，硝酸钾0.2g/L，醋酸钠0.6g/L，磷酸二氢钾0.4g/L，硫酸镁0.2g/L，尿素1g/L；清水及海水可经臭氧发生器杀菌；营养液采用经95℃加热杀菌10分钟；藻细胞生长增殖温度为23℃；光照强度为1100-1500勒克斯；无菌空气鼓入量为0.3m3/m；咸淡水营养液溶解氧浓度为53％饱和度；最适藻细胞生长增殖pH值为中性，培养周期为48h，藻细胞呈绿色。通过环境条件的改变进行生理诱导调控促进雨生红球藻细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累，此阶段培养条件培养温度为28.5℃；光照强度为2400-2700勒克斯；无菌空气鼓入量为0.1m3/m；最适pH值为8；培养周期为72h，藻细胞呈砖红色。经过滤装置收获雨生红球藻细胞，然后再经45℃真空干燥处理，使藻细胞水份含量低于1％。经分析，藻细胞虾青素含量高达细胞干重的4.1％。
实施例三建立全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器，主体反应器(水槽)长宽深为200×100×65cm，底部及四周采用1cm厚的无色透明钢化玻璃，封盖部分采用厚度为0.2mm的透明薄膜并用胶粘剂封贴，主体反应器四周及上下安装可调亮度的功率为40W日光灯7盏，100W太阳灯5盏；反应器内调速浆叶轮搅拌器转速为10r/m；卷水轮转速为10r/m，咸淡水营养液以0.03m/s流速循环；咸淡水营养液调配及温度调控系统配备2只容量800L的贮液罐，搅拌器转速为20r/m。藻细胞生长增殖及提高种群密度调控阶段的培养条件为，咸淡水营养液组成清水68％，海水32％，硝酸钾0.4g/L，醋酸钠0.4g/L，尿素0.3g/L，硫酸镁0.04g/L；清水及海水可经臭氧发生器杀菌；营养液采用经98℃加热杀菌8分钟；藻细胞生长增殖温度为24℃；光照强度为800-1600勒克斯；无菌空气鼓入量为0.05m3/m；咸淡水营养液溶解氧浓度为51％饱和度；最适藻细胞生长增殖的pH值为6.6，培养周期为60h，藻细胞生长增殖处于对数生长期，藻细胞呈绿色。通过环境条件的改变进行生理诱导调控促进雨生红球藻细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累，此阶段培养条件培养温度为28℃；光照强度为2400-2900勒克斯；无菌空气鼓入量为0.08m3/m；最适pH值为8.3；培养周期为68h，藻细胞呈砖红色。经连续式浆渣分离装置收获雨生红球藻细胞，转速为12000r/m，然后再经42℃真空干燥处理，使藻细胞水份含量低于1.5％。经分析，藻细胞虾青素含量高达细胞干重的4.3％。
实施例四建立全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器，主体反应器(水槽)长宽深为500×150×65cm，底部及四周采用2cm厚的无色透明钢化玻璃，封盖部分采用厚度为0.18mm的复合材料透明薄膜并用胶带纸封贴，主体反应器四周及上下安装可调亮度的功率为100W太阳灯27盏；反应器内调速浆叶轮搅拌器转速为30r/m；卷水轮转速为50r/m，咸淡水营养液以0.04m/s流速循环；咸淡水营养液调配及温度调控系统配备3只容量4000L的贮液罐，搅拌器转速为80r/m。藻细胞生长增殖及提高种群密度调控阶段的培养条件为，咸淡水营养液组成清水65％，海水35％，硝酸钾0.21g/L，醋酸钠0.5g/L，尿素0.4g/L，磷酸二氢钾0.01g/L；清水及海水可经臭氧发生器杀菌；营养液采用经70℃加热杀菌25分钟；藻细胞生长增殖温度为17℃；光照强度为1600-1750勒克斯；无菌空气鼓入量为0.3m3/m；咸淡水营养液溶解氧浓度为55％饱和度；最适藻细胞生长增殖的pH值为6.9，培养周期为96h，藻细胞生长增殖处于对数生长期，藻细胞呈绿色。通过环境条件的改变进行生理诱导调控促进雨生红球藻细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累，此阶段培养条件培养温度为28℃；光照强度为2300-2500勒克斯；无菌空气鼓入量为0.1m3/m；最适pH值为8；培养周期为72h，藻细胞呈砖红色。经连续式浆渣分离装置收获雨生红球藻细胞，转速为8000r/m，然后再经80℃低温喷雾干燥处理，使藻细胞水份含量低于1％。以上光生物反应器配置的营养液调配、控光、控温、清洗、消毒、杀菌、搅拌、鼓气、分离、干燥等装置由计算机控制实现半连续生产。经分析，藻细胞虾青素含量高达细胞干重的4.2％。
实施例五建立全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器，主体反应器(水槽)长宽深为1500×300×70cm，底部及四周采用3cm厚的无色透明钢化玻璃，封盖部分采用厚度为0.6mm的透明薄膜并用胶粘剂封贴，主体反应器四周及上下安装可调亮度的功率为300W白炽灯20盏，30W节能射灯50盏；反应器内调速浆叶轮搅拌器转速为80r/m；卷水轮转速为100r/m，咸淡水营养液以0.06m/s流速循环；咸淡水营养液调配及温度调控系统配备3只容量10000L贮液罐，搅拌器转速为60r/m。藻细胞生长增殖及提高种群密度调控阶段的培养条件为，咸淡水营养液组成清水70％，海水30％，硝酸钾0.33g/L，醋酸钠0.55g/L，硫酸镁0.03g/L，磷酸二氢钾0.08g/L，尿素0.8g/L；清水及海水可经臭氧发生器杀菌；营养液采用经95℃加热杀菌10分钟；藻细胞生长增殖温度为20℃；光照强度为1100-1600勒克斯；无菌空气鼓入量为1m3/m；咸淡水营养液溶解氧浓度为54％饱和度；最适藻细胞生长增殖的pH值为6.9，培养周期为60h，藻细胞生长增殖处于对数生长期，藻细胞呈绿色。通过环境条件的改变进行生理诱导调控促进雨生红球藻细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累，此阶段培养条件培养温度为29℃；光照强度为2300-2500勒克斯；无菌空气鼓入量为0.16m3/m；最适pH值为8.1；培养周期为72h，藻细胞呈砖红色。经连续式浆渣分离装置收获雨生红球藻细胞，转速为20000r/m，然后再经43℃真空干燥处理，使藻细胞水份含量低于1％。经分析，藻细胞虾青素含量高达细胞干重的4.4％。
实施例六建立全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器，主体反应器(水槽)长宽深为1000×200×68cm，底部及四周采用2.5cm厚的无色透明钢化玻璃，封盖部分采用厚度为0.65mm的透明薄膜并用胶带纸封贴，主体反应器四周及上下安装可调亮度的功率为150W太阳灯18盏，40W日光灯12盏；反应器内调速浆叶轮搅拌器转速为30r/m；卷水轮转速为60r/m，咸淡水营养液以0.04m/s流速循环；咸淡水营养液调配及温度调控系统配备3只容量7000L的贮液罐，搅拌器转速为100r/m。藻细胞生长增殖及提高种群密度调控阶段的培养条件为，咸淡水营养液组成清水56％，海水44％，硝酸钾0.38g/L，硫酸镁0.6g/L，醋酸钠0.38g/L，尿素0.9g/L；清水及海水可经臭氧发生器杀菌；营养液采用经98℃加热杀菌6分钟；藻细胞生长增殖温度为21℃；光照强度为1200-1600勒克斯；无菌空气鼓入量为0.9m3/m；咸淡水营养液溶解氧浓度为49％饱和度；最适藻细胞生长增殖的pH值为7.2，培养周期为54h，藻细胞生长增殖处于对数生长期，藻细胞呈绿色。通过环境条件的改变进行生理诱导调控促进雨生红球藻细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累，此阶段培养条件培养温度为28℃；光照强度为2400-2500勒克斯；无菌空气鼓入量为0.13m3/m；最适pH值为8.2；培养周期为72h，藻细胞呈砖红色。经连续式浆渣分离装置收获雨生红球藻细胞，转速为11000r/m，然后再经45℃真空干燥处理，使藻细胞水份含量低于1％。经分析，藻细胞虾青素含量高达细胞干重的4.5％。
实施例七建立全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器，主体反应器(水槽)长宽深为800×150×65cm，底部及四周采用2cm厚的无色透明钢化玻璃，封盖部分采用厚度为0.45mm的透明薄膜并用胶带纸封贴，主体反应器四周及上下安装可调亮度的功率为300W太阳灯8盏，40W日光灯13盏；反应器内调速浆叶轮搅拌器转速为60r/m；卷水轮转速为30r/m，咸淡水营养液以0.06m/s流速循环；咸淡水营养液调配及温度调控系统配备3只容量6000L的贮液罐，搅拌器转速为200r/m。藻细胞生长增殖及提高种群密度调控阶段的培养条件为，咸淡水营养液组成清水70％，海水30％，硝酸钾0.33g/L，醋酸钠0.45g/L，尿素0.7g/L；清水及海水可经臭氧发生器杀菌；营养液采用经96℃加热杀菌10分钟；藻细胞生长增殖温度为23℃；光照强度为1300-1600勒克斯；无菌空气鼓入量为0.7m3/m；咸淡水营养液溶解氧浓度为52％饱和度；最适藻细胞生长增殖的pH值为7.1，诱导调控促进细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累的培养周期为80h，藻细胞生长增殖处于对数生长期，藻细胞呈绿色。通过环境条件的改变进行生理诱导调控促进雨生红球藻细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累，此阶段培养条件培养温度为28.5℃；光照强度为2400-2600勒克斯；无菌空气鼓入量为0.18m3/m；最适pH值为8.4；培养周期为72h，藻细胞呈砖红色。经连续式浆渣分离装置收获雨生红球藻细胞，转速为15000r/m，然后再经40℃真空冷冻干燥处理，使藻细胞水份含量低于1％。经分析，藻细胞虾青素含量高达细胞干重的4.5％。
实施例八建立全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器，主体反应器(水槽)长宽深为900×160×65cm，底部及四周采用2.5cm厚的无色透明钢化玻璃，封盖部分采用厚度为0.5mm的透明薄膜并用胶带纸封贴，主体反应器四周及上下安装可调亮度的功率为200W太阳灯10盏，30W节能灯20盏；反应器内调速浆叶轮搅拌器转速为50r/m；卷水轮转速为30r/m，咸淡水营养液以0.05m/s流速循环；咸淡水营养液调配及温度调控系统配备3只容量8000L的贮液罐，搅拌器转速为200r/m。藻细胞生长增殖及提高种群密度调控阶段的培养条件为，咸淡水营养液组成清水68％，海水32％，硝酸钾0.27g/L，硫酸镁0.01g/L，醋酸钠0.33g/L，尿素0.85g/L；清水及海水可经臭氧发生器杀菌；营养液采用经96℃加热杀菌4分钟；藻细胞生长增殖温度为23℃；光照强度为1400-1600勒克斯；无菌空气鼓入量为0.8m3/m；咸淡水营养液溶解氧浓度为54％饱和度；最适藻细胞生长增殖的pH值为6.8，培养周期为60h，藻细胞生长增殖处于对数生长期，藻细胞呈绿色。通过环境条件的改变进行生理诱导调控促进雨生红球藻细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累，此阶段培养条件培养温度为28.5℃；光照强度为2500-2600勒克斯；无菌空气鼓入量为0.1m3/m；最适pH值为8；培养周期为65h。经连续式浆渣分离装置收获雨生红球藻细胞，转速为13000r/m，然后再经55℃热风干燥处理，使藻细胞水份含量低于1.2％。经分析，藻细胞虾青素含量高达细胞干重的4.2％。
权利要求
1.一种可调控的全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器培养和促进雨生红球藻生长增殖及提高种群密度和调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累的方法，其特征是该方法包括在主体反应器底部及四周和封盖采用透光材料及外置可调控的光照设施，调速桨叶轮搅拌器及卷水轮，无菌空气鼓气设施及O2气体系统，咸淡水营养液调配和温度调控系统，清洗和消毒杀菌系统等人工可调控的环境条件诱导调控雨生红球藻生长增殖及提高种群密度和调控雨生红球藻细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累、分离收获藻细胞及低温干燥等工序。
2.一种如权利要求1所述的促进雨生红球藻生长增殖及提高种群密度和调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累的方法，其特征是该方法的具体步骤如下(1)、改造并优化通常工业培养微藻使用的浅水道光生物反应器成为封闭式光生物反应器，或设计光利用率高的全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器，其中包括支撑式主体底座，设置封闭式可调控排放系统的主体反应器(水槽)，设置可调控的光照设施，设置调速桨叶轮搅拌器及卷水轮、设置有进排气口的无菌空气设施及O2气体系统，设置有回流装置的咸淡水营养液调配和温度调控系统，清洗和消毒杀菌系统及设置分离收获藻细胞和干燥系统等设施；亦可将全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器包括咸淡水营养液调配、控光、控温、清洗、消毒、杀菌、搅拌、鼓气、分离收获藻细胞及干燥等工序由计算机控制实现长期半连续生产；(2)、主体反应器呈长方形，长宽为200-1500cm×100-300cm，深度为450-700cm；(3)、透光材料可选用高抗张力及抗压力的无色透明钢化玻璃或特种玻璃，厚度为0.8-3cm，封盖部分透光材料可选用市售透明塑料薄膜或复合材料透明薄膜，厚度为0.01-0.6mm；在主体反应器四周及上下安装多盏可调亮度的照明用的日光灯、白炽灯、太阳灯或节能射灯，每盏灯功率为40-2000w；可单独使用或组合使用；促进雨生红球藻生长增殖及提高种群密度调控阶段光照强度为800-1800勒克斯；调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累阶段光照强度为1900-3200勒克斯；(4)、采用工业上使用的可调速桨叶轮搅拌器，转速为10-400r/m，卷水轮为工业上使用的卷水轮，转速为10-300r/m，卷水轮装置于主体反应器的一侧，调控咸淡水营养液循环流动的流速；(5)、采用工业上使用的空压机并经常规的滤油滤水滤菌处理成为无菌空气；O2气体采用工业氧气瓶，并采用过滤法除菌。通过调节阀及分布于主体反应器底部管道式微孔导流孔鼓入无菌空气及氧气；雨生红球藻生长增殖阶段无菌空气鼓入量为0.02-2m3/m；调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累阶段无菌空气鼓气量为0.01-0.08m3/m；O2气体按咸淡水营养液所需溶解氧的浓度进行调节；(6)、咸淡水营养液调配及温度调控系统由配置有冷水循环制冷装置、加热装置、营养液循环泵、回流管道、测温控温设施及带搅拌器的工业上使用的夹层贮液罐组成。每组贮液罐为2至3只，贮液罐容量为100-10000L；搅拌器转速为20-300r/m；(7)、咸淡水营养液组成咸淡水配比为清水30-70％，海水25-75％；亦可采用人工调配海水；营养液配比为硝酸钾0.1-0.42g/L，醋酸钠0.3-0.65g/L，亦可以加入尿素、硫酸镁、磷酸二氢钾等营养盐，可以是一种或一种以上，加入量为0.01-1g/L；雨生红球藻生长增殖及提高种群密度调控阶段咸淡水营养液溶解氧浓度为40-55％饱和度；最适pH值为中性；最适温度为14-27℃，藻细胞迅速生长增殖处于对数生长期的培养周期为48-96h；(8)、咸淡水中清水及海水可采用工业上使用的臭氧发生器进行杀菌；营养液可采用加热法杀菌，加热温度为70-80℃，时间15-25分钟，或95-100℃，时间5-15分钟；亦可采用化学杀菌法进行杀菌。循环使用的咸淡水营养液可采用加热法杀菌后再投入使用；(9)、收获雨生红球藻细胞采用工业上连续式浆渣分离装置，转速为3000-30000r/m；将分离的雨生红球藻细胞采用工业上使用的低温干燥设施，如真空冷冻干燥、真空干燥、低温热风干燥、低温喷雾干燥等设备，干燥温度为38-85℃；干燥后产物含水份低于3％。
3.一种如权利要求2所述的促进雨生红球藻生长增殖及提高种群密度和调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累的方法，其特征是主体反应器呈长方形，长宽为220-500cm×110-150cm；深度为350-450cm；封盖部分透光材料可选用市售透明塑料薄膜或复合材料透明薄膜，厚度为0.03-0.3mm；在主体反应器四周及上下安装多盏可调亮度的照明用的日光灯、白炽灯、太阳灯或节能射灯，每盏灯功率为40-300w；采用工业上使用的可调速桨叶轮搅拌器，转速为20-60r/m；卷水轮为工业上使用的卷水轮，转速为20-80r/m；每组贮液罐为2至3只，贮液罐容量为1000-6000L；搅拌器转速为60-80r/m；咸淡水营养液组成清水为45-65％；海水为35-55％；硝酸钾为0.2-0.3g/L；醋酸钠为0.45-0.55g/L。
4.一种如权利要求2所述的促进雨生红球藻生长增殖及提高种群密度和调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累的方法，其特征是雨生红球藻生长增殖及提高种群密度调控阶段光照强度为1000-1500勒克斯；最适培养温度为20-24℃；无菌空气鼓入量为0.03-0.2m3/m；藻细胞迅速生长增殖处于对数生长期的培养周期为60-72h。
5.一种如权利要求2所述的促进雨生红球藻生长增殖及提高种群密度和调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累的方法，其特征是调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累阶段光照强度为1000-1500勒克斯；光照强度为2000-2500勒克斯；最适培养温度为26-29℃；无菌空气鼓入量为0.02-0.05m3/m；最适pH值为微碱性；调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累培养周期为60-72h；收获藻细胞分离装置转速为8000-15000r/m；藻细胞干燥温度为43-48℃；干燥后产物含水份低于1％以下。
全文摘要
本发明涉及一种可调控的全天候封闭式大规模运行系统光生物反应器培养和促进雨生红球藻生长增殖及提高种群密度和调控细胞内次生代谢产物虾青素合成和积累的方法，包括在主体反应器底部及四周和封盖采用透光材料及外置可调控的光照设施，调速桨叶轮搅拌器及卷水轮，无菌空气鼓气设施及O
文档编号C12P23/00GK1392251SQ0213438
公开日2003年1月22日 申请日期2002年7月18日 优先权日2002年7月18日
发明者刘昕, 王江海, 袁建平, 黄晓霓 申请人:中山大学