用于微藻生长的光生物反应器及方法

本公开涉及微藻补光领域，尤其涉及一种用于微藻生长的光生物反应器及方法。

背景技术：

光照是微藻生长及其代谢产物积累的最重要的环境影响因子，通过调节光照的强度、光质、周期等参数来调节微藻的光合作用，使微藻的生长、繁殖、细胞形态、油脂积累和水解产氢等生理生化指标发生显著变化。根据上述过程得到的生理生化指标以及微藻自然进化的特异性，进而得出微藻生长的最佳光照条件。

综合国内外现有技术中，对影响微藻生长的光照条件的研究成果来看，当前技术主要集中在光照的强度、周期对微藻生长及代谢产物的影响。微藻生长光源多以荧光灯为主，由于荧光灯发光效率较低，多采用滤光片得到某一波段范围(或某一颜色)的光，易导致微藻生长过程中的光合利用率低、光照缺乏调控。现有技术中常将led光源作为某一种藻的生长光质，而对多种微藻的生长不具普适性。而对于通过调制光谱结构、改善光质、使用转录组差异基因表达来促进微藻生长、提高光合作用效率的研究及应用还很少。

此外，现有微藻生长研究装置通常以外加光源照射玻璃器皿表面为主，很少配备供气装置、搅拌装置和控温装置，且现有研究装置缺乏系统性。上述微藻生长研究装置仅按功能模块拼凑堆叠，存在集成度不高、设备分散、能耗大、操作复杂、各设备间接线复杂存在较大安全隐患等问题。因此，现有微藻生长研究装置的功能模块间不匹配、缺乏协调，常导致实验数据结果再现性较差，准确度不高，难以进行工业化推广应用。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提出了一种用于微藻生长的光生物反应器及方法，以至少解决上述现有技术中存在的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本公开提供了一种用于微藻生长的光生物反应器，包括：

至少一个培养系统，每个培养系统在一个培养周期内为一种微藻提供一个与微藻生长相适应的生长环境；其中，生长环境包括：生长温度、光照颜色和光照强度。培养系统包括：养殖装置，微藻在养殖装置内进行生长；调光装置，对生长环境中的光照强度进行调节；杀菌装置，对养殖装置进行杀菌；以及培养箱体，调光装置、杀菌装置和养殖装置分别设置于培养箱体内；培养箱体内的生长环境与养殖装置内的微藻相适应。

至少一个控温系统，分别与一个培养系统连接；控温系统对生长环境中的生长温度进行调节。

进气系统，通过管道与每个培养系统连接；进气系统为培养系统提供气源。

控制系统，分别控制调光装置、杀菌装置、控温系统和进气系统，使生长环境与微藻生长相适应。

可选地，调光装置包括：发光装置，发光装置的光照强度与生长环境中的光照强度相对应；发光装置的光照颜色与生长环境中的光照颜色相对应。

可选地，调光装置还包括：光源散热器，与发光装置相连，光源散热器对发光装置散发的热量进行散热，发光装置散发的热量在培养箱体内循环，使培养箱体内温度与生长环境中的生长温度相对应。

可选地，养殖装置包括：培养容器，放置在培养箱体内；微藻放置在培养容器内；磁力搅拌子，置于培养容器内部；搅拌驱动器，搅拌驱动器固定于培养箱体底面，培养容器放置于搅拌驱动器上，搅拌驱动器驱动磁力搅拌子运动。

可选地，培养容器为高透光石英玻璃、高硼硅玻璃或是亚克力材质中的一种或几种。

可选地，培养容器为底部有一平面，培养容器的形状为锥形、圆柱形或方形中的一种或多种。

可选地，控温系统包括：温度传感器，设置于培养箱体内，用于检测培养箱体内部的温度数据，并将温度数据发送至控制系统；加热组件，设置于培养箱体内，加热组件接收控制系统发出的加热信号，对培养系统升温；散热组件，设置于培养箱体内，散热组件接收控制系统发出的散热信号，对培养系统降温。

可选地，进气系统包括通过气体管道顺次相连的空气泵、油水分离器、空气过滤器和气体流量计。

本公开还提供了一种用于微藻生长的光生物反应器进行微藻生长的方法，其中，包括操作：

s1：接收控制系统的杀菌信号，启动杀菌装置，杀菌装置开始对培养系统进行杀菌，得到无菌培养系统；

s2：在无菌培养系统的养殖装置内放入微藻；

s3：接收控制系统的调光信号、控温信号和/或进气信号，分别启动调光装置、控温系统和进气系统，对光照颜色、光照强度、生长温度和/或进气量进行调整，使每个培养系统在一个培养周期内为一种微藻提供一个与微藻生长相适应的生长环境；

s4：完成微藻的一个培养周期，关闭控制系统，得到生长完成的微藻。

可选地，操作s4后还包括：对生长完成的微藻进行生物量和代谢产物测定。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开的有益效果是：

(1)本公开中各培养系统独立控制，且调光装置可对微藻生长环境中的光照强度进行调节，具有光效高、无辐射和能耗低等优势。

(2)本公开中调光装置为微藻生长提供多种不同的光照强及光照颜色，以为微藻生长提供适合的生长环境。

(3)本公开中模块化设计，可根据实验对生长温度、光照颜色、光照强度和光照均匀性分别单独考察、组合考察或交互考察，系统集成度高，可同时开展多种不同藻种最适生长环境研究，也可同时开展多组平行实验，实验效率高，实验周期短。

(4)本公开设置光源散热器一方面可为发光装置散热延长其使用寿命，另一方面使发光装置的热量在培养箱体内循环，可为反应器的使用节约能源、降低能耗。

(5)本公开在养殖装置中设置搅拌功能，可使微藻培养过程中接受充分均匀光照。

(6)本公开通过温度传感器、加热组件、散热组件的配合控制，为微藻生长提供恒定可控的温度环境。

附图说明

图1是本公开实施例中的用于微藻生长的光生物反应器三维模型的主视图；

图2是图1中光生物反应器三维模型的左视图；

图3是图1光生物反应器三维模型的右视图；

图4是图1光生物反应器三维模型的轴测图；

图5是本公开实施例利用用于微藻生长的光生物反应器进行微藻生长方法的流程图；

图6是实施例二提供的光生物反应器逻辑控制流程图。

【符号说明】

100：培养系统；

101：养殖装置；

1011：培养容器；

1012：磁力搅拌子；

1013：搅拌驱动器；

102：调光装置；

1021：发光装置；

1022：光源散热器；

103：杀菌装置；

1031：杀菌装置开关；

104：培养箱体；

200：控温系统；

201：加热组件；

2011：ptc陶瓷加热器；

202：散热组件；

2021：制冷机风扇；

2022：制冷机散热翘片；

2023：制冷压缩机；

2024：循环水箱；

2025：水泵；

2026：散热水排；

2027：电磁阀；

300：进气系统；

301：空气泵；

302：油水分离器；

303：空气过滤器；

304：气体流量计；

400：控制系统；

401：led调光器；

402：温控仪；

403：时间控制器。

具体实施方式

本公开提供了一种用于微藻生长的光生物反应器，包括：至少一个培养系统，每个培养系统均包括：养殖装置，调光装置，杀菌装置，培养箱体；该用于微藻生长的光生物反应器还包括至少一个控温系统、进气系统和控制系统。本公开中各培养系统独立控制，且调光装置可对微藻生长环境中的光照强度进行调节，具有光效高、无辐射和能耗低等优势，调光装置还可为微藻生长提供多种不同的光照强及光照颜色，以为微藻生长提供适合的生长环境，该光生物反应器系统集成度高，可同时开展多种不同藻种最适生长环境研究，也可同时开展多组平行实验，实验效率高，实验周期短。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本公开能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本公开的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。

如图1～图4所示，本公开提出了一种用于微藻生长的光生物反应器，包括多个培养系统100、至少一个控温系统200、进气系统300和控制系统400。每个培养系统100内分别配置一个控温系统200，对微藻的生长温度进行调节；进气系统300通过管道与每个培养系统100连接，为培养系统100提供气源；控制系统400分别控制调光装置102、杀菌装置103、控温系统200和进气系统300，为微藻提供适宜的生长环境。

以下分别对控温系统200和进气系统300进行具体介绍。

控温系统200还包括设置于培养箱体104内的温度传感器、加热组件201和散热组件202；温度传感器用于检测培养箱体104内部温度，并将温度数据传递至控制系统400；加热组件201接收到来自控制系统400的加热信号后为培养系统100加热升温；散热组件202接收到来自控制系统400的散热信号后为培养系统100降温。

进气系统300包括：空气泵301、油水分离器302、空气过滤器303和气体流量计304，上述各元件通过气体管道顺次相连。

以其中一个培养系统100为例，每个培养系统100在一种微藻的培养周期内提供与微藻生长相适应的生长温度、光照颜色和光照强度等生长环境。培养系统100包括：养殖装置101、调光装置102、杀菌装置103和培养箱体104，上述养殖装置101、调光装置102和杀菌装置103均设置于培养箱体104内，分别为微藻生长提供适宜的光照条件、灭菌环境和生长空间。

以下分别对养殖装置101和调光装置102进行具体介绍。

调光装置102包括发光装置1021、光源散热器1022，根据微藻生长条件而设定发光装置1021的光照强度及光照颜色，光源散热器1022为发光装置1021散热并将热量散发至培养箱体104内。

养殖装置101包括培养容器1011、磁力搅拌子1012和搅拌驱动器1013，将磁力搅拌子1012放置在底面为平面的培养容器1011内，启动搅拌驱动器1013以搅拌培养容器1011内的微藻，使微藻生长且能接受均匀温度和光照。

实施例一：

本公开提供了一种用于微藻生长的光生物反应器，光生物反应器框架的材料为铝型材，该反应器包括四个培养系统100、四个控温系统200、一个进气系统300和一个控制系统400，其中进气系统300通过管道与各培养系统100分别相连，培养箱体104的墙体材料为铝塑板，光生物反应器框架和墙体通过卡槽和紧固件进行连接，各培养箱体104为微藻提供相互独立的生长环境，本实施例中以含油量高的二形栅藻作为研究对象。

在本公开实施例中，培养箱体104的左边框处旋转连接一培养箱体门，培养箱体门右侧固定一门把手，培养箱体104的右边框处与门把手相配合处固定连接一磁力门扣，本实施例中提供的门把手和磁力门扣的设置位置均可以进行适应性调整，能够实现培养箱体门紧密闭合的效果的其他连接方式均可适应。

该培养箱体104内安装有：培养容器1011、磁力搅拌子1012和搅拌驱动器1013。

该培养容器1011由透明亚克力材料制成，其内盛有已灭菌的500ml培养基及100ml二形栅藻种子液，二形栅藻的od680值为6.88。磁力搅拌子1012放置于培养容器1011内，培养容器1011放置在搅拌驱动器1013上，搅拌驱动器1013固定放置于培养箱体104底部。磁力搅拌子1012和搅拌驱动器1013对培养容器内的微藻进行搅拌，使微藻培养过程中接受充分均匀光照。

进气系统300通过管道与培养系统100相连，具体为，进气系统300的进气孔道和出气孔道与培养容器1011上端相连，且各孔道端口处配置有空气过滤器头，以防止带菌空气进入培养基内而导致微藻染菌。

在本公开的实施例中，培养容器1011底部可以安装有升降支架，借助该升降支架来控制发光装置1021的照射距离及光照深度。

培养箱体104内壁，例如左侧壁、右侧壁或后壁，且高于培养容器10111处固定一杀菌装置103，本实施例的杀菌装置103选择紫外灯。培养箱体104顶部由紧固螺栓固定一发光装置，该发光装置选择一波长为450-750nm、功率为100w、色温为6563k的白光led灯及与其相配合的光源散热器1022，该led灯可更换为同功率且不同颜色的灯具，以满足不同藻类对不同光源的需要。培养箱体104内壁，例如左侧壁右侧壁或后壁，分别固定加热组件201、散热水排2026、温度传感器、冷却风扇，本实施例的加热组件201可以选择ptc陶瓷加热器2011，其他能够实现相同效果的加热装置均可选择，这里不做具体限定，该ptc陶瓷加热器2011、散热水排2026、温度传感器、冷却风扇配合使用，以保证培养箱体104内的温度维持在二形栅藻所需温度范围。

如图2所示，该光生物反应器左侧面的下部配置制冷机风扇2021、制冷机散热翘片2022和制冷压缩机2023，该光生物反应器左侧面的中部配置循环水箱2024，该光生物反应揣左侧面的上部安装有电磁阀2027和水泵2025，制冷压缩机2023将循环水箱2024内的水冷却，由水泵2025将冷却水经不锈钢管路输送至散热水排2026，为培养箱体104降温。

如图3所示，该光生物反应器的右侧面安装有紫外灯开关、空气泵开关、光生物反应器总开关、搅拌驱动器开关和led调光器401。上述各led调光器401用来调节其对应培养箱体104内led灯的光照强度，以满足二形栅藻生长过程中对光照条件的需求。

如图4所示，该光生物反应器还包括固定于四个培养箱体104右侧的控制箱，该控制箱用来固定安装控制系统400，控制系统400包括温控仪402、时间控制器403、杀菌装置开关1031、温控仪开关、以及时间控制器开关。其中，时间控制器开关可对整个控制系统400进行通断电及其工作时长进行控制，如，控制紫外灯的杀菌时间和周期，控制led灯的通断，进行二形栅藻培养光照周期调控等。整个培养过程中生长温度、光照颜色、光照强度和光照均匀性等通过控制温控仪402、更换led灯、调节升降支架以及配合led调光器401共同实现。

当培养箱体104的温度低于设定温度范围时，通过温控仪402控制ptc陶瓷加热器2011开启为培养箱体104加热升温；当培养箱体104的温度高于设定温度范围时，通过时间控制器403控制水泵2025和冷却风扇开启为培养箱体104冷却降温。

该光生物反应器还包括四个气体流量计304，如图1所示，该气体流量计304分别固定于靠近各培养箱体门旋转合页处，结合图3和图4可以看出，控制箱下方安装有两台空气泵301、空气过滤器303、油水分离器302。通过气体管路穿过培养箱体门将气体流量计304、空气泵301、空气过滤器303和油水分离器302顺次相连构成进气系统300，该进气系统300可提供不超过0.3mp第一空气压力，空气经过油水分离器302和空气过滤器303后经不锈钢管道输送到各培养箱体。各培养箱体内部供气量由阀门和气体流量计304控制，可实现0-30l/min连续调节，保证不同藻种生长需要。同时，在进气管路上预留有气体接口，可根据实验需要在不同气源之间进行任意切换，赋予装置同时开展异养、自养、兼养以及混养等实验的能力。空气过滤器303由囊式空气过滤滤芯和不锈钢壳体构成，可使各培养箱体在121℃高温条件下灭菌。

该光生物反应器框架由铝型材组装而成，且光生物反应器底部安装有四个脚轮，以使光生物反应器移动方便。

实施例二：

本公开还提出了一种光生物反应器的使用方法，如图5所示，包括操作s1～操作s4。

操作s1：接收控制系统400的杀菌信号，启动杀菌装置103，杀菌装置103开始对培养系统100进行杀菌，为培养系统100营造无菌环境；

操作s2：在无菌培养系统100的养殖装置101内放入二形栅藻；

操作s3：接收控制系统400的调光信号、控温信号和/或进气信号，分别启动调光装置102、控温系统200和进气系统300，对光照颜色、光照强度、生长温度和/或进气量进行调整，使每个所述培养系统在一个培养周期内为二形栅藻提供一个与其生长相适应的生长环境；

操作s4：完成二形栅藻的一个培养周期，关闭控制系统400，得到生长完成的微藻。

在本公开的一些实施例中，操作s4后还包括：对生长完成的二形栅藻进行生物量和代谢产物测定。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

如图6所示，在本公开的一个实施例中，控制系统400的控制方法包括：

开启光反应器总开关，设定时间控制器403的杀菌时间为30分钟，打开紫外灯开关开启紫外灯对培养箱体104杀菌30分钟，杀菌时间达到30分钟后系统自动紫外灯开关。

将装有灭菌微藻及磁力搅拌子1012的培养容器1011放在搅拌驱动器1013上。

打开空气泵开关，设定气体流量计6的进气量为1ml/s，连通油水分离器302和空气过滤器303，将定量的气体输送至培养容器1011内。

打开搅拌驱动器开关并设定磁力搅拌驱动揣转速为200rpm/min，对培养容器1011内的二形栅藻进行搅拌。

设定温控仪的制冷温度为10℃，设定温控仪的加热温度为28℃。

当培养箱体104内部的温度低于二形栅藻生长适宜温度28℃时，控制系统使ptc陶瓷加热器2011自动处于开启状态，使制冷机风扇2021、制冷机散热翘片2022、制冷压缩机2023、电磁阀和水泵2025自动处于关闭状态，提高培养箱体104内部温度至预设温度28℃。

当培养箱体104内部的温度高于二形栅藻生长适宜温度28℃时，控制系统100使ptc陶瓷加热器2011自动处于关闭状态，使制冷机风扇2021、制冷机散热翘片2022、制冷压缩机2023、电磁阀2027和水泵2025自动处于开启状态，降低培养箱体104内部温度至预设温度28℃。

设定时间控制器403的光照总时间为120小时，光暗周期比为1∶1，设定led调光器401的光照强度为10/umol*m-2*s-1，为微藻提供相应的光照生长环境，光照时长达到12小时后，控制系统自动关闭led调光器401及led灯。

依次关闭制冷机开关、空气泵开关、温控仪、搅拌驱动器开关、光生物反应器总开关以结束培养，取出微藻以备进行生物量和代谢产物测定。

将培养箱体104标为“1号”，2号培养箱体(位于1号培养箱右侧)的顶部固定波长为660nm、功率为100w、色温为6000k的纯红光led灯及其光源散热器1022；3号培养箱体(位于1号培养箱下方)的顶部固定波长为450nm、功率为100w、色温为648k的纯蓝光led灯及其光源散热器1022；4号培养箱体(位于2号培养箱下方及3号培养箱右侧)的顶部固定一波长为525nm、功率为100w、色温为6560k的纯绿光led灯及其光源散热器1022，上述各培养箱内的其他部件及其布置方式与实施例一中培养箱体104相同，以下不再赘述。

分别设定2号培养箱体1、3号培养箱体和4号培养箱体的光照强度为5/umol*m^-2*s^-1、4/umol*m^-2*s^-1和7/umol*m^-2*s^-1，分别设定2号培养箱体、3号培养箱体和4号培养箱体的od680值为7.23，498，6.16，其余条件与实施例一中培养箱体104不变，得出如表1所示led光波长实验数据。

表1led光波长实验数据

改变表1中各培养箱体的光照强度和od680值，其余条件不变，得出如表2所示led光波长实验数据。

表2led光波长实验数据

改变表2中各培养箱体的光照强度，其余条件不变，得出如表3所示led光波长实验数据。

表3led光波长实验数据

综上所述，本公开的用于微藻生长的光生物反应器的培养系统独立控制，且其调光装置可对微藻生长环境中的光照强度进行调节，具有光效高、无辐射和能耗低，该光生物反应器采用模块化设计，系统集成度高，可同时开展多种不同藻种最适生长环境研究，实验效率高、周期短等优势。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。