一种用于微藻培养的活性氧光生物反应器的制作方法

本发明涉及微藻生物技术领域，特别提供了一种用于微藻培养的活性氧光生物反应器。

背景技术：

雨生红球藻是一种淡水单细胞绿藻，隶属绿藻门、绿藻纲、团藻目、红球藻科、红球藻属。雨生红球藻因能大量积累虾青素而使藻体呈现红色，故名红球藻或雨生红球藻。它被认为是自然界中产生虾青素的最佳生物平台，利用雨生红球藻生产的天然虾青素品质佳、抗氧化活性强。雨生红球藻通常在光照较弱、氮磷丰富的环境中藻的存在形态为绿色营养细胞，快速分裂生殖，细胞内虾青素含量较低；在胁迫条件如高光照射下，细胞内活性氧的合成与解毒作用之间的平衡被打破，雨生红球藻细胞内的活性氧淬灭系统启动，其中虾青素因合成过程中能够消耗活性氧而在细胞内大量合成并积累。因此，活性氧在藻细胞内的积累是促进虾青素合成的关键因素。

在雨生红球藻规模化养殖生产中，通常在室外利用太阳光进行虾青素的诱导。虽然高强度的太阳光可以诱导细胞生成活性氧，促进虾青素的合成，但在生产过程中受到日照、天气、季节等因素，活性氧的生成不稳定，导致虾青素产量不稳定。而人工添加活性氧诱生剂的方法作用时间短、毒性强、成本高，难以实现规模化应用。文章《活性氧对雨生红球藻生长及虾青素含量的影响》（生态科学2006，25（3），213-215）中探讨了通过添加活性氧诱生剂亚甲基蓝可以显著提高虾青素含量。然而，亚甲基蓝具有毒性，对环境、动物、人体都会造成危害，在规模化生产中难以应用。

因此，需要开发一种能够在雨生红球藻虾青素合成阶段能够持续生成活性氧的装置，以提高规模化养殖中虾青素的产量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于微藻培养的活性氧光生物反应器，通过应用光触媒材料在光催化条件下持续产生活性氧的特性，从而促进雨生红球藻虾青素的积累。采用的技术方案如下：

一种用于微藻培养的活性氧光生物反应器，包括光生物反应器主体、进气口、出气口、进液口、出液口、气体分布器和至少一个光触媒内筒装置；气体分布器置于光生物反应器主体的底部，并与所述进气口相连，通过鼓入含有二氧化碳的空气对藻液进行循环搅拌；进液口位于所述光生物反应器主体的侧方上部，用于接种和培养基的注入；培养结束后，藻液通过光生物反应器主体底部的出液口排出；排气口位于所述光生物反应器主体顶盖上，用于排出废气；光触媒内筒装置通过玻璃胶粘连或者法兰固定于光生物反应器主体顶盖下方。

优选的，光生物反应器主体为立柱式光生物反应器、平板式光生物反应器、管道式光生物反应器中的一种。

优选的，光生物反应器主体，其材料为玻璃、有机玻璃、不锈钢、聚乙烯塑料薄膜、聚氯乙烯塑料薄膜、聚丙烯塑料薄膜中的一种。

优选的，光触媒内筒装置由底部封闭、顶部开口的透明管和内置的光源组成。

优选的，光源通过玻璃胶固定在透明管侧壁上，并通过电源线连接至外部的光强控制器上，透明管外壁有透明疏水的光触媒涂层。

优选的，透明疏水的光触媒涂层含有但不局限于纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、稀释剂、分散剂、有机硅树脂。

优选的，透明管材料为玻璃、有机玻璃、带框架结构的塑料薄膜、石英玻璃中的一种。

优选的，光源为LED灯、荧光灯、紫外灯、白炽灯、卤素灯、钠灯中的一种或多种。

优选的，光源为含有紫外芯片的LED灯。

本发明提供的反应器装置，在培养微藻之前，先将培养基添加至光生物反应器中，通过控制器将光触媒内筒装置内的光照强度开至最大，激发光触媒产生活性氧，对培养基和反应器进行消毒杀菌。消毒结束后关闭光源，并静置一段时间待活性氧分解失效后，将目标藻种接种至反应器，在培养过程中，根据微藻在不同生长阶段对于活性氧耐受程度的不同，通过控制器调节光源的强度和照射时间，控制活性氧生成的速率，避免在诱导初期过多的活性氧导致藻细胞漂白死亡。

本发明公开了一种用于微藻培养的活性氧光生物反应器，该反应器含有活性氧生成的内筒装置，其内筒内侧布置有光源，外侧涂抹透明疏水的光触媒涂层。在内筒内侧光照条件下，内筒外侧的光触媒可以将藻液中的水和氧气催化生成活性氧，并释放到藻液中。通过调节光照的强度、波段、频率可以实现对活性氧的生成速率、浓度、持续时间的控制，从而促进藻细胞虾青素的合成，同时还能抑制其它入侵物种如细菌、壶菌、杂藻、原生动物的生长。另外，光触媒涂层作为催化剂，在培养过程中不会消耗，也不存在培养结束后藻体与光触媒分离的问题，同时其疏水特性可以有效地避免藻的贴壁生长，在培养前后还能通过活性氧对反应器、培养基进行消毒处理。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明的用于微藻培养的活性氧立柱式光生物反应器结构示意图；

图2为本发明的用于微藻培养的活性氧平板式光生物反应器结构示意图；

图3为本发明的用于微藻培养的活性氧管道式光生物反应器结构示意图。

其中：1、光生物反应器主体，2、光触媒内筒装置，3、进气口，4、出气口，5、进液口，6、出液口，7、气体分布器，8、光源，9、光触媒涂层，10、光生物反应器主体顶盖，11、电源线，12、光强控制器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、结合、简化，均为等效形式，同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如附图1所示，本发明提供的一种用于微藻培养的活性氧立柱式光生物反应器，包括立柱式光生物反应器1、光触媒内筒装置2、进气口3、出气口4、进液口5、出液口6、气体分布器7、光源8、光触媒涂层9、反应器顶盖10、电源线11、光强控制器12。

立柱式光生物反应器1为圆柱形结构，由有机玻璃制成，高度150 cm、内径30 cm，底部安装气体分布器7，气体分布器7与进气口3相连，出液口6位于反应器最底端。光触媒内筒装置2由底部封闭、顶部开口的透明石英玻璃管制成，长度100 cm、内径10 cm，含有紫外芯片的LED灯光源8通过玻璃胶固定在石英玻璃管内侧，并通过电源线11与光强控制器12相连，石英玻璃管外侧均匀涂抹含有纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、稀释剂、分散剂、有机硅树脂的透明光触媒涂层9。石英管通过玻璃胶粘连于光生物反应器玻璃顶盖10下方。

将BG-11缺氮培养基通过进液口5添加至光生物反应器1，通过光强控制器12将光照强度开至最大，激发光触媒涂层9产生活性氧，对培养基和反应器1进行杀菌消毒。消毒3~6 h，可彻底杀灭反应器1及培养基中的细菌、杂藻、原生动物等。消毒结束后关闭LED光源5，并静置1~2 h，待活性氧分解失效，将雨生红球藻接种至反应器1中，接种浓度为0.31 g/L，培养温度25~30℃、内置光源5由光强控制器12控制光照强度在100~300 µmol photon∙m^-2∙s^-1，由进气口3通过气体分布器7鼓入含有2%（v/v）二氧化碳的空气对藻液进行循环搅拌。在室内培养10天后，藻细胞虾青素含量（w/w）达到3.63%，细胞生物量达到1.26 g/L，相比于无光触媒内筒装置设计的对照组光生物反应器，虾青素产量提高了42.3%。

实施例2

如附图2所示，本发明提供的一种用于微藻培养的活性氧平板式光生物反应器，总体结构设计如实施例1，区别在于反应器1由透明玻璃制成，长、宽、高分别为150 cm、20 cm、120 cm，3组长70 cm、内径10 cm的光触媒内筒装置2用玻璃胶粘连于光生物反应器玻璃顶盖10下方。

雨生红球藻接种操作同实施例1，接种浓度为0.22 g/L，内置光源5由光强控制器12控制光照强度在50~100 µmol photon∙m-2∙s-1。将反应器1置于室外培养10天后，藻细胞虾青素含量（w/w）达到3.02.%，细胞生物量达到0.86 g/L，相比于无光触媒内筒装置设计的对照组光生物反应器，虾青素产量提高了22.7%。

实施例3

如附图3所示，本发明提供的一种用于微藻培养的活性氧管道式光生物反应器，总体结构设计如实施例1，区别在于反应器1由不锈钢制成，高度100 cm、内径40 cm，2组长50 cm、内径10 cm的光触媒内筒装置2用法兰固定于光生物反应器不锈钢顶盖10下方。反应器1连接内径为5 cm的玻璃管道，采用隔膜泵进行藻液循环培养。

雨生红球藻接种操作同实施例1，接种浓度为0.56 g/L，内置光源5由光强控制器12控制光照强度在80~200 µmol photon∙m^-2∙s^-1。将反应器1置于室外培养10天后，藻细胞虾青素含量（w/w）达到4.68.%，细胞生物量达到2.35 g/L，相比于无光触媒内筒装置设计的对照组光生物反应器，虾青素产量提高了30.6%。

在上述实施例培养过程中，通过显微镜观察藻液生长状况未发现细菌、真菌、速生性杂藻和原生动物的污染，内筒玻璃石英管外壁未出现贴壁生长的现象，而对照组无疏水光触媒涂层的内筒石英管外侧贴壁生长严重，影响了透光度。本发明提供的活性氧光生物反应器明显优于传统的光生物反应器。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。