專利名稱：光生物反應器促進雨生紅球藻生長增殖及調控蝦青素合成和積累的方法
技術領域：
本發明涉及一種可調控的全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器培養和促進雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度和調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累的方法。
背景技術：
雨生紅球藻(Haematococcus pluvialis)是一種單細胞綠藻，細胞呈橢圓形或卵形，大小從5微米左右到20-30微米不等，有時甚至更大些；有兩條等長鞭毛，鞭毛的擺動推動細胞自由游動；細胞壁和原生質間具空隙，其間充滿膠狀物質，細胞壁和原生質體間有細胞質連絲相連，營養繁殖為細胞分裂，形成2、4、8、16甚至更多個子細胞，無性生殖在環境不良時形成膠群體或厚壁孢子。處于生長增殖階段的雨生紅球藻呈綠色；當環境條件的改變對其生長不利時，如在缺乏氮、磷和雙價離子鎂或在強光照射條件下，雨生紅球藻細胞的生長將趨于緩慢并使運動細胞失去鞭毛，形成膠群體或厚壁孢子，同時，促進細胞內次生代謝產物合成，主要是蝦青素的大量積累，使雨生紅球藻細胞的顏色迅速形成磚紅色。影響雨生紅球藻的生理、生物量、產量和細胞內次生代謝產物成分和生成量，主要涉及藻的品種和良好的培養條件(如環境的凈化程度、溫度、光照、溶解氧、營養液組成、流體切變力等)。通過物理或化學以至基因工程及遺傳工程手段改造現有藻種獲得優良工程菌株，提高藻種的光飽和值、抗光抑制，以及抗逆、抗污染能力，可以獲得耐高溫、細胞增殖快和蝦青素積累能力強的藻種。有研究表明，經過優化的光生物反應器及良好的培養條件，可促使雨生紅球藻中蝦青素的含量高達細胞干重的4-5％，而采用細菌或酵母菌等培養生成蝦青素的含量最高不足細胞干重的0.8％。
目前，阻礙雨生紅球藻大規模生產的主要因素是生物污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的高成本。小規模由管道式光生物反應器或小型固定化系統組成的生物反應器或氣升式生物反應器進行培養的雨生紅球藻，存在的缺陷是管道壁易被藻細胞粘連遮蔽導致培養期間透光性下降及清洗困難，雖然已采用不同類型的槳葉輪攪拌混合，以盡量降低藻細胞之間的遮蔽作用及提高光照的利用，但只適應實驗室的小規模試驗。

發明內容
本發明的目的是提供一種可調控的全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器培養和促進雨生紅球藻細胞生長增殖及提高種群密度和調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累的方法。
本發明的方法包括建立可調控的全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器，在主體反應器底部及四周和封蓋采用透光材料及外置可調控的光照設施，調速槳葉輪攪拌器及卷水輪，無菌空氣鼓氣設施及O2氣體系統，咸淡水營養液調配和溫度調控系統，清洗和消毒殺菌系統，通過環境條件的改變進行生理誘導調控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、分離收獲藻細胞及低溫干燥等工序。
本發明的方法具體步驟如下一、建立全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器改造并優化通常工業培養微藻使用的淺水道光生物反應器成為封閉式光生物反應器，或設計光利用率高的全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器，其中包括支撐式主體底座，設置封閉式可調控排放系統的主體反應器(水槽)，設置可調控的光照設施，設置調速槳葉輪攪拌器及卷水輪，設置有進排氣口的無菌空氣設施及O2氣體系統，設置有回流裝置的咸淡水營養液調配和溫度調控系統，清洗和消毒殺菌系統及分離收獲藻細胞和低溫干燥設施。主體反應器呈長方形，長寬為200-1500cm×100-300cm，通常為220-500cm×110-150cm；深度為450-700cm，通常為550-650cm。亦可將全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器包括咸淡水營養液調配、控光、控溫、清洗、消毒、殺菌、攪拌、鼓氣、分離收獲藻細胞及干燥等工序由計算機控制實現長期半連續生產。
二、在主體反應器底部及四周和封蓋采用透光材料及外置可調控光照設施透光材料可選用高抗張力及抗壓力的無色透明鋼化玻璃或特種玻璃，厚度為0.8-3cm，通常為1.5-2cm；封蓋部分透光材料可選用市售透明塑料薄膜或復合材料透明薄膜，厚度為0.01-0.6mm，通常為0.03-0.3mm；透明薄膜用作主體反應器封蓋并用膠帶紙封貼或膠粘劑封貼；封蓋部分透光材料也可選用有機玻璃等透光材料；在主體反應器四周及上下安裝多盞可調亮度的照明用的日光燈、白熾燈、太陽燈或節能射燈，每盞燈功率為40-2000w，通常為40-300w；可單獨使用或組合使用；雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度調控階段光照強度為800-1800勒克斯，通常為1000-1500勒克斯；調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累階段光照強度為1900-3200勒克斯，通常為2000-2500勒克斯；光照強度和光照周期可根據自然日光光照強度及通過燈的數量和功率及光照時間進行調控。
三、調速槳葉輪攪拌器及卷水輪調速漿葉輪攪拌器可使主體反應器咸淡水營養液處于輕微流動狀態并保持咸淡水營養液組成及溶解氧濃度和PH值的可調控性，使藻細胞的生長處于懸浮狀態；雨生紅球藻在合適的流體切變力作用下，如咸淡水營養液以0.01-0.08m/s流速循環，可有效減少藻細胞之間的遮蔽作用及提高光照的利用。采用工業上使用的可調速槳葉輪攪拌器，轉速為10-400r/m，通常為20-60r/m；卷水輪為工業上使用的卷水輪，轉速為10-300r/m，通常為20-80r/m；卷水輪裝置于主體反應器的一測，調控咸淡水營養液循環流動的流速。
四、設置有進排氣口的無菌空氣設施及O2氣體系統采用工業上使用的空壓機并經常規的濾油濾水濾菌處理成為無菌空氣；O2氣體采用工業氧氣瓶，并采用過濾法除菌。通過調節閥及分布于主體反應器底部管道式微孔導流孔鼓入無菌空氣及氧氣。雨生紅球藻生長增殖階段無菌空氣鼓入量為0.02-2m3/m，通常為0.03-0.2m3/m；調控雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累階段無菌空氣鼓氣量為0.01-0.08m3/m，通常為0.02-0.05m3/m；O2氣體按咸淡水營養液所需溶解氧的濃度進行調節。
五、設置有回流裝置的咸淡水營養液調配和溫度調控系統咸淡水營養液調配及溫度調控系統由配置冷水循環制冷裝置、加熱裝置、營養液循環泵、回流管道、測溫控溫設施及帶攪拌器的工業上使用的夾層貯液罐組成。每組貯液罐為2至3只，貯液罐容量為100-10000L，通常為1000-6000L；攪拌器轉速為20-300r/m，通常為60-80r/m。
處于細胞生長增殖階段的雨生紅球藻咸淡水營養液組成咸淡水配比為清水30-70％，通常為45-65％；海水25-75％，通常為35-55％；亦可采用人工調配海水；營養液配比為硝酸鉀0.1-0.42g/L，通常為0.2-0.3g/L；醋酸鈉0.3-0.65g/L，通常為0.45-0.55g/L；亦可以加入尿素、硫酸鎂、磷酸二氫鉀等營養鹽，可以是一種或一種以上，加入量為0.01-1g/L；咸淡水營養液溶解氧濃度為40-55％飽和度；雨生紅球藻生長增殖階段最適pH值為中性；藻細胞生長增殖階段最適溫度為14-27℃，通常為20-24℃；藻細胞迅速生長增殖處于對數生長期的培養周期為48-96h，通常為60-72h。
通過環境條件的改變進行生理誘導調控促進雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累階段最適培養溫度為21-32℃，通常為26-29℃，最適pH值為微堿性；培養周期為50-80h，通常為60-72h。
六、清洗和消毒殺菌系統投入生產之前應將光生物反應器徹底清洗消毒，每次清洗時均應清除封蓋部分的透明薄膜并更換新的透明薄膜，咸淡水營養液調配過程應保持潔凈無污染，咸淡水中清水及海水可采用工業上使用的臭氧發生器進行殺菌；營養液可采用加熱法殺菌，加熱溫度為70-80℃，時間15-25分鐘，或95-100℃，時間5-15分鐘；亦可采用化學殺菌法進行殺菌。循環使用的咸淡水營養液可采用加熱法殺菌后再投入使用。
七、收獲雨生紅球藻細胞及低溫干燥離心是目前應用最廣的收獲藻細胞的方法，通常采用工業上連續式漿渣分離裝置，轉速為3000-30000r/m，通常為8000-15000r/m。亦可采用其他分離設備或過濾法收獲藻細胞。將分離的雨生紅球藻細胞采用工業上使用的低溫干燥設施，如真空冷凍干燥、真空干燥、低溫熱風干燥、低溫噴霧干燥等設備進行干燥，干燥溫度為38-85℃，通常為43-48℃。要求干燥后產物含水份低于3％，通常為1％以下。
封閉式大規模運行系統中光生物反應器的設計對于提供可調控的環境條件促進雨生紅球藻迅速生長增殖和提高種群密度及促進細胞內次生代謝產物蝦青素的合成和積累至關重要。培養雨生紅球藻由于非生物因素的變量太多，如生物污染、光照強度、溶解氧、溫度和營養液組成等多種因子的影響和應變環境促進細胞內目標產物的合成和積累而變得非常復雜。光照是雨生紅球藻生長的重要因素。最適于雨生紅球藻生長增殖的光照度為中等強度光照1000-1600勒克斯；加大光照強度在1900-3200勒克斯，可促進雨生紅球藻細胞內次生代謝生物蝦青素合成和積累；大于3500勒克斯的光照強度將抑制雨生紅球藻的生長，分裂的細胞也由營養生長轉為休眠狀態。晝夜連續光照有利于雨生紅球藻的生長增殖并明顯提高細胞體積產率。培養過程光照不足及藻細胞相互之間的遮蔽作用，將導致藻細胞生長受到抑制而增加了其他生物污染的機會。在室外人工培養微藻采用的槳葉輪攪拌的淺水道光生物反應器，構造上只接受正面光的光照，對光線的充分利用及光照的調控受到局限，特別是晝夜和陰晴天與正常日光光照強度差別大的影響成為大規模培養雨生紅球藻及調控細胞內次生代謝產物蝦青素的合成和積累的關鍵性技術難題。
通過改造并優化淺水道光生物反應器系統成為封閉式光生物反應器，在主體反應器的底部及四周和封蓋采用透光材料提高光生物反應器內整體光照強度，改善整體的培養條件為可調控的高凈化度的環境條件，利用日光光照并外置可調控的人工光源照射使藻細胞晝夜能均勻地接受到中等以上強度光照，對光能利用率較高，既可促進雨生紅球藻細胞生長增殖，又能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，雨生紅球藻細胞體積產量高達4-6g/L以上，其中蝦青素含量可高達細胞干重的4-5％以上，同時又能克服開放式大規模運行系統光生物反應器運轉期間晝夜和陰晴天的影響及其他雜藻和生物沾污以及大氣污染。由于主體反應器封蓋部分透光材料更換方便，使主體反應器整體清洗更加便利快捷，有利于實現由計算機控制長期半連續化生產。因此，建立可調控的全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器比淺水道光生物反應器培養和促進雨生紅球藻細胞生長增殖及提高種群密度和調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累更具優越性。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步詳細說明。
實施例一建立全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器，主體反應器(水槽)長寬深為500×150×65cm，底部及四周采用2cm厚的無色透明鋼化玻璃，封蓋部分采用厚度為0.2mm的透明薄膜并用膠帶紙封貼，主體反應器四周及上下安裝可調亮度的功率為100W太陽燈20盞，40W節能射燈20盞；反應器內調速漿葉輪攪拌器轉速為30r/m；卷水輪轉速為50r/m，咸淡水營養液以0.04m/s流速循環；咸淡水營養液調配及溫度調控系統配備3只容量4000L的貯液罐，攪拌器轉速為80r/m。藻細胞生長增殖及提高種群密度調控階段的培養條件為，咸淡水營養液組成清水65％，海水35％，硝酸鉀0.21g/L，醋酸鈉0.52g/L，硫酸鎂0.04g/L，磷酸二氫鉀0.04g/L，尿素0.9g/L；清水及海水可經臭氧發生器殺菌；營養液采用經100℃加熱殺菌5分鐘；藻細胞生長增殖溫度為20℃；光照強度為1300-1700勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.3m3/m；咸淡水營養液溶解氧濃度為43％飽和度；最適藻細胞生長增殖pH值為6.8，培養周期為60h，藻細胞生長增殖處于對數生長期，藻細胞呈綠色。通過環境條件的改變進行生理誘導調控促進雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累，此階段培養條件培養溫度為28℃；光照強度為2300-2800勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.1m3/m；最適pH值為8.2；培養周期為72h，藻細胞呈磚紅色。經連續式漿渣分離裝置收獲雨生紅球藻細胞，轉速為10000r/m，然后再經45℃真空干燥處理，使藻細胞水份含量低于1％。經分析，藻細胞蝦青素含量高達細胞干重的3.9％。
實施例二建立全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器，主體反應器(水槽)長寬深為220×110×55cm，底部及四周采用1.5cm厚的無色透明特種玻璃，封蓋部分采用厚度為0.1mm的透明薄膜并用膠帶紙封貼，主體反應器四周及上下安裝可調亮度的功率為40W日光燈20盞；反應器內調速漿葉輪攪拌器轉速為20r/m；卷水輪轉速為30r/m，咸淡水營養液以0.02m/s的流速循環；咸淡水營養液調配及溫度調控系統配備2只容量1200L的貯液罐，攪拌器轉速為60r/m。藻細胞生長增殖及提高種群密度調控階段的培養條件為，咸淡水營養液組成清水40％，海水60％，硝酸鉀0.2g/L，醋酸鈉0.6g/L，磷酸二氫鉀0.4g/L，硫酸鎂0.2g/L，尿素1g/L；清水及海水可經臭氧發生器殺菌；營養液采用經95℃加熱殺菌10分鐘；藻細胞生長增殖溫度為23℃；光照強度為1100-1500勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.3m3/m；咸淡水營養液溶解氧濃度為53％飽和度；最適藻細胞生長增殖pH值為中性，培養周期為48h，藻細胞呈綠色。通過環境條件的改變進行生理誘導調控促進雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累，此階段培養條件培養溫度為28.5℃；光照強度為2400-2700勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.1m3/m；最適pH值為8；培養周期為72h，藻細胞呈磚紅色。經過濾裝置收獲雨生紅球藻細胞，然后再經45℃真空干燥處理，使藻細胞水份含量低于1％。經分析，藻細胞蝦青素含量高達細胞干重的4.1％。
實施例三建立全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器，主體反應器(水槽)長寬深為200×100×65cm，底部及四周采用1cm厚的無色透明鋼化玻璃，封蓋部分采用厚度為0.2mm的透明薄膜并用膠粘劑封貼，主體反應器四周及上下安裝可調亮度的功率為40W日光燈7盞，100W太陽燈5盞；反應器內調速漿葉輪攪拌器轉速為10r/m；卷水輪轉速為10r/m，咸淡水營養液以0.03m/s流速循環；咸淡水營養液調配及溫度調控系統配備2只容量800L的貯液罐，攪拌器轉速為20r/m。藻細胞生長增殖及提高種群密度調控階段的培養條件為，咸淡水營養液組成清水68％，海水32％，硝酸鉀0.4g/L，醋酸鈉0.4g/L，尿素0.3g/L，硫酸鎂0.04g/L；清水及海水可經臭氧發生器殺菌；營養液采用經98℃加熱殺菌8分鐘；藻細胞生長增殖溫度為24℃；光照強度為800-1600勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.05m3/m；咸淡水營養液溶解氧濃度為51％飽和度；最適藻細胞生長增殖的pH值為6.6，培養周期為60h，藻細胞生長增殖處于對數生長期，藻細胞呈綠色。通過環境條件的改變進行生理誘導調控促進雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累，此階段培養條件培養溫度為28℃；光照強度為2400-2900勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.08m3/m；最適pH值為8.3；培養周期為68h，藻細胞呈磚紅色。經連續式漿渣分離裝置收獲雨生紅球藻細胞，轉速為12000r/m，然后再經42℃真空干燥處理，使藻細胞水份含量低于1.5％。經分析，藻細胞蝦青素含量高達細胞干重的4.3％。
實施例四建立全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器，主體反應器(水槽)長寬深為500×150×65cm，底部及四周采用2cm厚的無色透明鋼化玻璃，封蓋部分采用厚度為0.18mm的復合材料透明薄膜并用膠帶紙封貼，主體反應器四周及上下安裝可調亮度的功率為100W太陽燈27盞；反應器內調速漿葉輪攪拌器轉速為30r/m；卷水輪轉速為50r/m，咸淡水營養液以0.04m/s流速循環；咸淡水營養液調配及溫度調控系統配備3只容量4000L的貯液罐，攪拌器轉速為80r/m。藻細胞生長增殖及提高種群密度調控階段的培養條件為，咸淡水營養液組成清水65％，海水35％，硝酸鉀0.21g/L，醋酸鈉0.5g/L，尿素0.4g/L，磷酸二氫鉀0.01g/L；清水及海水可經臭氧發生器殺菌；營養液采用經70℃加熱殺菌25分鐘；藻細胞生長增殖溫度為17℃；光照強度為1600-1750勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.3m3/m；咸淡水營養液溶解氧濃度為55％飽和度；最適藻細胞生長增殖的pH值為6.9，培養周期為96h，藻細胞生長增殖處于對數生長期，藻細胞呈綠色。通過環境條件的改變進行生理誘導調控促進雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累，此階段培養條件培養溫度為28℃；光照強度為2300-2500勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.1m3/m；最適pH值為8；培養周期為72h，藻細胞呈磚紅色。經連續式漿渣分離裝置收獲雨生紅球藻細胞，轉速為8000r/m，然后再經80℃低溫噴霧干燥處理，使藻細胞水份含量低于1％。以上光生物反應器配置的營養液調配、控光、控溫、清洗、消毒、殺菌、攪拌、鼓氣、分離、干燥等裝置由計算機控制實現半連續生產。經分析，藻細胞蝦青素含量高達細胞干重的4.2％。
實施例五建立全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器，主體反應器(水槽)長寬深為1500×300×70cm，底部及四周采用3cm厚的無色透明鋼化玻璃，封蓋部分采用厚度為0.6mm的透明薄膜并用膠粘劑封貼，主體反應器四周及上下安裝可調亮度的功率為300W白熾燈20盞，30W節能射燈50盞；反應器內調速漿葉輪攪拌器轉速為80r/m；卷水輪轉速為100r/m，咸淡水營養液以0.06m/s流速循環；咸淡水營養液調配及溫度調控系統配備3只容量10000L貯液罐，攪拌器轉速為60r/m。藻細胞生長增殖及提高種群密度調控階段的培養條件為，咸淡水營養液組成清水70％，海水30％，硝酸鉀0.33g/L，醋酸鈉0.55g/L，硫酸鎂0.03g/L，磷酸二氫鉀0.08g/L，尿素0.8g/L；清水及海水可經臭氧發生器殺菌；營養液采用經95℃加熱殺菌10分鐘；藻細胞生長增殖溫度為20℃；光照強度為1100-1600勒克斯；無菌空氣鼓入量為1m3/m；咸淡水營養液溶解氧濃度為54％飽和度；最適藻細胞生長增殖的pH值為6.9，培養周期為60h，藻細胞生長增殖處于對數生長期，藻細胞呈綠色。通過環境條件的改變進行生理誘導調控促進雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累，此階段培養條件培養溫度為29℃；光照強度為2300-2500勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.16m3/m；最適pH值為8.1；培養周期為72h，藻細胞呈磚紅色。經連續式漿渣分離裝置收獲雨生紅球藻細胞，轉速為20000r/m，然后再經43℃真空干燥處理，使藻細胞水份含量低于1％。經分析，藻細胞蝦青素含量高達細胞干重的4.4％。
實施例六建立全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器，主體反應器(水槽)長寬深為1000×200×68cm，底部及四周采用2.5cm厚的無色透明鋼化玻璃，封蓋部分采用厚度為0.65mm的透明薄膜并用膠帶紙封貼，主體反應器四周及上下安裝可調亮度的功率為150W太陽燈18盞，40W日光燈12盞；反應器內調速漿葉輪攪拌器轉速為30r/m；卷水輪轉速為60r/m，咸淡水營養液以0.04m/s流速循環；咸淡水營養液調配及溫度調控系統配備3只容量7000L的貯液罐，攪拌器轉速為100r/m。藻細胞生長增殖及提高種群密度調控階段的培養條件為，咸淡水營養液組成清水56％，海水44％，硝酸鉀0.38g/L，硫酸鎂0.6g/L，醋酸鈉0.38g/L，尿素0.9g/L；清水及海水可經臭氧發生器殺菌；營養液采用經98℃加熱殺菌6分鐘；藻細胞生長增殖溫度為21℃；光照強度為1200-1600勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.9m3/m；咸淡水營養液溶解氧濃度為49％飽和度；最適藻細胞生長增殖的pH值為7.2，培養周期為54h，藻細胞生長增殖處于對數生長期，藻細胞呈綠色。通過環境條件的改變進行生理誘導調控促進雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累，此階段培養條件培養溫度為28℃；光照強度為2400-2500勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.13m3/m；最適pH值為8.2；培養周期為72h，藻細胞呈磚紅色。經連續式漿渣分離裝置收獲雨生紅球藻細胞，轉速為11000r/m，然后再經45℃真空干燥處理，使藻細胞水份含量低于1％。經分析，藻細胞蝦青素含量高達細胞干重的4.5％。
實施例七建立全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器，主體反應器(水槽)長寬深為800×150×65cm，底部及四周采用2cm厚的無色透明鋼化玻璃，封蓋部分采用厚度為0.45mm的透明薄膜并用膠帶紙封貼，主體反應器四周及上下安裝可調亮度的功率為300W太陽燈8盞，40W日光燈13盞；反應器內調速漿葉輪攪拌器轉速為60r/m；卷水輪轉速為30r/m，咸淡水營養液以0.06m/s流速循環；咸淡水營養液調配及溫度調控系統配備3只容量6000L的貯液罐，攪拌器轉速為200r/m。藻細胞生長增殖及提高種群密度調控階段的培養條件為，咸淡水營養液組成清水70％，海水30％，硝酸鉀0.33g/L，醋酸鈉0.45g/L，尿素0.7g/L；清水及海水可經臭氧發生器殺菌；營養液采用經96℃加熱殺菌10分鐘；藻細胞生長增殖溫度為23℃；光照強度為1300-1600勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.7m3/m；咸淡水營養液溶解氧濃度為52％飽和度；最適藻細胞生長增殖的pH值為7.1，誘導調控促進細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累的培養周期為80h，藻細胞生長增殖處于對數生長期，藻細胞呈綠色。通過環境條件的改變進行生理誘導調控促進雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累，此階段培養條件培養溫度為28.5℃；光照強度為2400-2600勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.18m3/m；最適pH值為8.4；培養周期為72h，藻細胞呈磚紅色。經連續式漿渣分離裝置收獲雨生紅球藻細胞，轉速為15000r/m，然后再經40℃真空冷凍干燥處理，使藻細胞水份含量低于1％。經分析，藻細胞蝦青素含量高達細胞干重的4.5％。
實施例八建立全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器，主體反應器(水槽)長寬深為900×160×65cm，底部及四周采用2.5cm厚的無色透明鋼化玻璃，封蓋部分采用厚度為0.5mm的透明薄膜并用膠帶紙封貼，主體反應器四周及上下安裝可調亮度的功率為200W太陽燈10盞，30W節能燈20盞；反應器內調速漿葉輪攪拌器轉速為50r/m；卷水輪轉速為30r/m，咸淡水營養液以0.05m/s流速循環；咸淡水營養液調配及溫度調控系統配備3只容量8000L的貯液罐，攪拌器轉速為200r/m。藻細胞生長增殖及提高種群密度調控階段的培養條件為，咸淡水營養液組成清水68％，海水32％，硝酸鉀0.27g/L，硫酸鎂0.01g/L，醋酸鈉0.33g/L，尿素0.85g/L；清水及海水可經臭氧發生器殺菌；營養液采用經96℃加熱殺菌4分鐘；藻細胞生長增殖溫度為23℃；光照強度為1400-1600勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.8m3/m；咸淡水營養液溶解氧濃度為54％飽和度；最適藻細胞生長增殖的pH值為6.8，培養周期為60h，藻細胞生長增殖處于對數生長期，藻細胞呈綠色。通過環境條件的改變進行生理誘導調控促進雨生紅球藻細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累，此階段培養條件培養溫度為28.5℃；光照強度為2500-2600勒克斯；無菌空氣鼓入量為0.1m3/m；最適pH值為8；培養周期為65h。經連續式漿渣分離裝置收獲雨生紅球藻細胞，轉速為13000r/m，然后再經55℃熱風干燥處理，使藻細胞水份含量低于1.2％。經分析，藻細胞蝦青素含量高達細胞干重的4.2％。
權利要求
1.一種可調控的全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器培養和促進雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度和調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累的方法，其特征是該方法包括在主體反應器底部及四周和封蓋采用透光材料及外置可調控的光照設施，調速槳葉輪攪拌器及卷水輪，無菌空氣鼓氣設施及O2氣體系統，咸淡水營養液調配和溫度調控系統，清洗和消毒殺菌系統等人工可調控的環境條件誘導調控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合成和積累、分離收獲藻細胞及低溫干燥等工序。
2.一種如權利要求1所述的促進雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度和調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累的方法，其特征是該方法的具體步驟如下(1)、改造并優化通常工業培養微藻使用的淺水道光生物反應器成為封閉式光生物反應器，或設計光利用率高的全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器，其中包括支撐式主體底座，設置封閉式可調控排放系統的主體反應器(水槽)，設置可調控的光照設施，設置調速槳葉輪攪拌器及卷水輪、設置有進排氣口的無菌空氣設施及O2氣體系統，設置有回流裝置的咸淡水營養液調配和溫度調控系統，清洗和消毒殺菌系統及設置分離收獲藻細胞和干燥系統等設施；亦可將全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器包括咸淡水營養液調配、控光、控溫、清洗、消毒、殺菌、攪拌、鼓氣、分離收獲藻細胞及干燥等工序由計算機控制實現長期半連續生產；(2)、主體反應器呈長方形，長寬為200-1500cm×100-300cm，深度為450-700cm；(3)、透光材料可選用高抗張力及抗壓力的無色透明鋼化玻璃或特種玻璃，厚度為0.8-3cm，封蓋部分透光材料可選用市售透明塑料薄膜或復合材料透明薄膜，厚度為0.01-0.6mm；在主體反應器四周及上下安裝多盞可調亮度的照明用的日光燈、白熾燈、太陽燈或節能射燈，每盞燈功率為40-2000w；可單獨使用或組合使用；促進雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度調控階段光照強度為800-1800勒克斯；調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累階段光照強度為1900-3200勒克斯；(4)、采用工業上使用的可調速槳葉輪攪拌器，轉速為10-400r/m，卷水輪為工業上使用的卷水輪，轉速為10-300r/m，卷水輪裝置于主體反應器的一側，調控咸淡水營養液循環流動的流速；(5)、采用工業上使用的空壓機并經常規的濾油濾水濾菌處理成為無菌空氣；O2氣體采用工業氧氣瓶，并采用過濾法除菌。通過調節閥及分布于主體反應器底部管道式微孔導流孔鼓入無菌空氣及氧氣；雨生紅球藻生長增殖階段無菌空氣鼓入量為0.02-2m3/m；調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累階段無菌空氣鼓氣量為0.01-0.08m3/m；O2氣體按咸淡水營養液所需溶解氧的濃度進行調節；(6)、咸淡水營養液調配及溫度調控系統由配置有冷水循環制冷裝置、加熱裝置、營養液循環泵、回流管道、測溫控溫設施及帶攪拌器的工業上使用的夾層貯液罐組成。每組貯液罐為2至3只，貯液罐容量為100-10000L；攪拌器轉速為20-300r/m；(7)、咸淡水營養液組成咸淡水配比為清水30-70％，海水25-75％；亦可采用人工調配海水；營養液配比為硝酸鉀0.1-0.42g/L，醋酸鈉0.3-0.65g/L，亦可以加入尿素、硫酸鎂、磷酸二氫鉀等營養鹽，可以是一種或一種以上，加入量為0.01-1g/L；雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度調控階段咸淡水營養液溶解氧濃度為40-55％飽和度；最適pH值為中性；最適溫度為14-27℃，藻細胞迅速生長增殖處于對數生長期的培養周期為48-96h；(8)、咸淡水中清水及海水可采用工業上使用的臭氧發生器進行殺菌；營養液可采用加熱法殺菌，加熱溫度為70-80℃，時間15-25分鐘，或95-100℃，時間5-15分鐘；亦可采用化學殺菌法進行殺菌。循環使用的咸淡水營養液可采用加熱法殺菌后再投入使用；(9)、收獲雨生紅球藻細胞采用工業上連續式漿渣分離裝置，轉速為3000-30000r/m；將分離的雨生紅球藻細胞采用工業上使用的低溫干燥設施，如真空冷凍干燥、真空干燥、低溫熱風干燥、低溫噴霧干燥等設備，干燥溫度為38-85℃；干燥后產物含水份低于3％。
3.一種如權利要求2所述的促進雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度和調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累的方法，其特征是主體反應器呈長方形，長寬為220-500cm×110-150cm；深度為350-450cm；封蓋部分透光材料可選用市售透明塑料薄膜或復合材料透明薄膜，厚度為0.03-0.3mm；在主體反應器四周及上下安裝多盞可調亮度的照明用的日光燈、白熾燈、太陽燈或節能射燈，每盞燈功率為40-300w；采用工業上使用的可調速槳葉輪攪拌器，轉速為20-60r/m；卷水輪為工業上使用的卷水輪，轉速為20-80r/m；每組貯液罐為2至3只，貯液罐容量為1000-6000L；攪拌器轉速為60-80r/m；咸淡水營養液組成清水為45-65％；海水為35-55％；硝酸鉀為0.2-0.3g/L；醋酸鈉為0.45-0.55g/L。
4.一種如權利要求2所述的促進雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度和調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累的方法，其特征是雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度調控階段光照強度為1000-1500勒克斯；最適培養溫度為20-24℃；無菌空氣鼓入量為0.03-0.2m3/m；藻細胞迅速生長增殖處于對數生長期的培養周期為60-72h。
5.一種如權利要求2所述的促進雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度和調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累的方法，其特征是調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累階段光照強度為1000-1500勒克斯；光照強度為2000-2500勒克斯；最適培養溫度為26-29℃；無菌空氣鼓入量為0.02-0.05m3/m；最適pH值為微堿性；調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累培養周期為60-72h；收獲藻細胞分離裝置轉速為8000-15000r/m；藻細胞干燥溫度為43-48℃；干燥后產物含水份低于1％以下。
全文摘要
本發明涉及一種可調控的全天候封閉式大規模運行系統光生物反應器培養和促進雨生紅球藻生長增殖及提高種群密度和調控細胞內次生代謝產物蝦青素合成和積累的方法，包括在主體反應器底部及四周和封蓋采用透光材料及外置可調控的光照設施，調速槳葉輪攪拌器及卷水輪，無菌空氣鼓氣設施及O
文檔編號C12P23/00GK1392251SQ0213438
公開日2003年1月22日 申請日期2002年7月18日 優先權日2002年7月18日
發明者劉昕, 王江海, 袁建平, 黃曉霓 申請人:中山大學