一种闪光照明式微藻生物膜反应器及微藻培养方法
阅读说明：本技术 一种闪光照明式微藻生物膜反应器及微藻培养方法 (Flash illumination type microalgae biofilm reactor and microalgae culture method ) 是由 何梅琳 刘瑞卿 王长海 李丹 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种闪光照明式微藻生物膜反应器,包括培养容器、吸附培养膜组件、闪光照明系统和气体供给系统；吸附培养膜组件悬挂在培养容器内部并浸入培养液中；闪光照明系统由LED灯板和闪光频率控制器组成,在吸附培养膜组件的两侧分别平行放置LED灯板,由闪光频率控制器控制LED灯板的闪光频率和光照强度；在培养容器底部设有气体分布器,气体分布器与气体供给系统连接。本发明公开了一种微藻培养方法,将处于对数期的微藻接种至闪光照明式微藻光生物膜反应器,调节闪光频率为1～100HZ,占空比为1:1,光照强度为2000～5000Lux。本发明闪光照明模式降低了照明成本,减轻了微藻的光抑制,提高微藻生物量和光合效率。(The invention discloses a flash illumination type microalgae biofilm reactor which comprises a culture container, an adsorption culture membrane assembly, a flash illumination system and a gas supply system, wherein the adsorption culture membrane assembly is arranged in the culture container; the adsorption culture membrane assembly is hung in the culture container and is immersed in the culture solution; the flash lighting system consists of an LED lamp panel and a flash frequency controller, the LED lamp panels are respectively arranged on two sides of the adsorption culture membrane assembly in parallel, and the flash frequency and the illumination intensity of the LED lamp panels are controlled by the flash frequency controller; the bottom of the culture container is provided with a gas distributor which is connected with a gas supply system. The invention discloses a microalgae culture method, which comprises the steps of inoculating microalgae in a logarithmic phase to a flash illumination type microalgae photobioreactor, adjusting the flash frequency to be 1-100 HZ, adjusting the duty ratio to be 1:1, and adjusting the illumination intensity to be 2000-5000 Lux. The flash illumination mode of the invention reduces the illumination cost, lightens the light inhibition of microalgae, and improves the biomass and photosynthetic efficiency of the microalgae.)
技术领域
本发明涉及一种微藻规模培养的光合生物反应器，具体涉及一种包含闪光照明系统和吸附培养系统的闪光照明式微藻光生物膜反应器，以及采用该闪光照明式微藻生物膜反应器的微藻培养方法。
背景技术
随着水产养殖业从注重产量到追求品质的逐步转型，人们对养殖动物品质的需求日益提高，而饵料是提升动物饲养品质的关键因素之一。微藻是水生生态系统的初级生产者，具有生长迅速、光合效率高等特点。近年来，微藻因其富含蛋白质、脂肪酸、多糖、维生素、抗氧化物质、色素及微量元素等，营养丰富且均衡，更符合健康养殖理念的升级和消费者的需求，可作为鱼、虾、贝类幼体或成体直接或间接的饵料，为缓解鱼粉、鱼油资源短缺问题提供了可行性，在新型水产饲料资源开发中备受关注。此外，微藻具有适应性强、培养过程对环境压力小、生产占地面积少等优点，使得微藻饵料极具发展应用潜力。
目前，微藻培养所用的光生物反应器主要分为开放式光生物反应器和封闭式光生物反应器。封闭式光生物反应器可以避免污染、水分蒸发等问题，并提供稳定可控的条件，在整个培养过程中将光照、营养浓度等维持在最适培养条件，从而获得更高的生物量。目前商业化使用的封闭式光生物反应器有三种类型：平板光生物反应器、管状光生物反应器和柱式光生物反应器。其中平板式光生物反应器结构相对简洁、易加工、易清洁、成本低、操作条件容易控制，搭建成本较低，在微藻高密度培养中得到广泛应用。但是，微藻在悬浮培养过程中密度较低，采收时需要去除大量液体，极大的增加了成本。适宜的光照条件可极大的提高微藻的生长速率，但微藻持续光照可能产生光抑制。
发明内容
本发明目的在于：针对微藻光生物反应器采收成本过高，微藻持续光照产生光抑制等难题，提供一种闪光照明式微藻光生物膜反应器，使微藻在膜材料上附着生长，通过调节频闪光源，利用微藻闪光效应，提高微藻生物量产率，降低工业照明成本。同时，利用膜材料吸附微藻细胞降低了采收成本，更有利于实际生产应用。
本发明的技术方案：
一种闪光照明式微藻光生物膜反应器，包括培养容器1、吸附培养膜组件、闪光照明系统和气体供给系统；所述的吸附培养膜组件悬挂在培养容器1内部并浸入培养液中，供微藻细胞附着生长；所述的闪光照明系统由LED灯板9和闪光频率控制器8组成，闪光照明系统位于培养容器1外部，在吸附培养膜组件2的两侧分别平行放置所述的LED灯板9，由闪光频率控制器8控制LED灯板8的闪光频率和光照强度，使吸附培养膜组件接受均一的光照；在培养容器1底部设置有气体分布器6，气体分布器6与气体供给系统连接，向培养容器供应CO2浓度为0～10％的气体促进微藻光合作用。
所述的培养容器1呈方形。所述的培养容器1为封闭或半封闭箱体。当培养容器1为半封闭箱体时，在培养容器顶部设有出气孔；所述的出气孔为直径1cm的圆形出气孔。
所述的吸附培养膜组件包括悬挂杆7、由悬挂杆7悬挂的膜组件2，所述的膜组件2由膜材料和固定膜材料的支撑框架组成，膜组件悬挂在悬挂杆上，可根据膜组件尺寸调节悬挂位置。微藻附着在膜组件上生长，根据微藻种类及培养条件，所述的膜材料选自尼龙、棉布、聚氯乙烯薄膜、聚乙烯膜等。
所述的膜材料的四边由支撑框架固定；所述的支撑框架的材质为塑料，可根据膜材料的尺寸更改支撑框架的大小。
所述的LED灯板9设置有多条平行的LED灯带10。
所述的闪光频率控制器8由数码控制面板、可编程电路和电流接触吸合器组成，数码控制面板连接编程电路，通过编程电路控制电流接触器吸合使得输出电流频率改变，调节出可控频率电流。输出电流通入LED灯板，使LED灯光发出脉冲光。技术人员基于本领域技术常识可以实现由所述的闪光频率控制器8控制LED灯板9的闪光频率和光照强度。闪光频率控制器8通过集成电路控制电流断开，通过调节LED灯板9与吸附培养膜组件之间的距离或增减LED灯板9上LED灯带10的数量，控制光照强度。根据微藻细胞生长需求，通过闪光频率控制器8调节电流，设置不同的光暗周期和占空比，从而调节LED阵列闪光频率。
所述的气体分布器6设置在吸附培养膜组件2正下方。
所述的气体分布器6为多孔气石；进一步的，所述的气体分布器6为由石英砂或者塑料制成的多孔气石。
所述的气体供给系统包括气体混合室5，设于气体混合室5内的CO2浓度传感器，气体混合室5与二氧化碳进气管路、空气进气管路连通，经CO2浓度传感器分别控制二氧化碳、空气的流量，将二氧化碳和空气配制成二氧化碳浓度0～10％的混合气体；气体混合室5通过供气管路与培养容器1底部的气体分布器6连接，实现均匀布气，提供微藻适宜的二氧化碳浓度，促进光合作用。
气体混合室5的形状大小可根据实际需求调节，提供混合气体功能。
在所述的二氧化碳进气管路、空气进气管路上分别设置有气阀4。
在所述的供气管路上设置有流量控制计3。
本发明的另一个目的是提供一种微藻培养方法，包括：将处于对数期的微藻接种至闪光照明式微藻光生物膜反应器的培养容器内，调节培养温度为20～26℃，闪光频率为1～100HZ，占空比为1:1，光照强度为2000～5000Lux，由气体供给系统往培养容器内通入CO2浓度为0～10％的气体，通气量为0.5～3L/min。
根据微藻类型选取培养液：小球藻使用BG11培养液，底栖硅藻如菱形藻使用f/2培养液等。
本发明的有益效果：
本发明闪光照明式微藻光生物膜反应器提供了微藻新型的培养模式，使微藻在膜材料上进行附着生长，提高了微藻的生长速率以及生物量，同时简化了微藻采收方式，极大的降低了微藻采收成本，降低了水消耗；闪光照明模式不仅降低了照明成本，同时减轻了微藻的光抑制，提高微藻生物量和光合效率。
附图说明
图1为本发明闪光照明式微藻光生物膜反应器的结构示意图。
图2为本发明闪光照明式微藻光生物膜反应器的闪光照明系统的结构示意图。
图3为本发明闪光照明式微藻光生物膜反应器的侧视图。
图1-图3中：1-培养容器，2-膜组件，3-流量控制计，4-气阀，5-气体混合室，6-气体分布器，7-悬挂杆，8-闪光频率控制器，9-LED灯板，10-LED灯带。
图4为利用本发明闪光照明式微藻光生物膜反应器培养菱形藻的光合效率图；左图为最大光合速率(Fv/Fm)，右图为实际光合速率
图5为利用本发明闪光照明式微藻光生物膜反应器培养菱形藻的生物量及油脂产率图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明的保护范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1-图3所示，一种闪光照明式微藻光生物膜反应器，包括方形培养容器1、吸附培养膜组件、闪光照明系统和气体供给系统；所述的吸附培养膜组件包括悬挂杆7和膜组件2，膜组件2包括膜材料，膜材料的四边由支撑框架固定，膜组件2悬挂在培养容器1内部的悬挂杆7上并浸入培养液中，供微藻细胞附着生长；所述的闪光照明系统置于培养容器1外部，闪光照明系统由LED灯板9和闪光频率控制器8组成，在吸附培养膜组件2的两侧分别平行放置所述的LED灯板9，LED灯板9设置有多条平行的LED灯带10，由闪光频率控制器8控制LED灯板8的闪光频率和光照强度，使吸附培养膜组件接受均一的光照；在培养容器1底部、位于吸附培养膜组件2正下方设置有气体分布器6，气体分布器6与气体供给系统连接，由气体分布器均匀布气，促进微藻光合作用。
所述的培养容器1为半封闭箱体，在培养容器顶部设有直径1cm的圆形出气孔。
所述的膜材料为20×20cm标准棉布，标准棉布悬挂至培养容器中部。所述的支撑框架的材质为塑料。
所述的闪光频率控制器8由数码控制面板、可编程电路和电流接触吸合器组成，数码控制面板连接编程电路，通过编程电路控制电流接触器吸合使得输出电流频率改变，调节出可控频率电流。输出电流通入LED灯板，使LED灯光发出脉冲光。技术人员基于本领域技术常识可以实现由所述的闪光频率控制器8控制LED灯板9的闪光频率和光照强度。闪光频率控制器8通过集成电路控制电流断开，通过调节LED灯板9与吸附培养膜组件之间的距离或增减LED灯板9上LED灯带10的数量，控制光照强度。根据微藻细胞生长需求，通过闪光频率控制器8调节电流，设置不同的光暗周期和占空比，从而调节LED阵列闪光频率。
所述的气体分布器6为多孔气石。
所述的气体供给系统包括气体混合室5，设于气体混合室5内的CO2浓度传感器，气体混合室5与二氧化碳进气管路、空气进气管路连通，在所述的二氧化碳进气管路、空气进气管路上分别设置有气阀4，经CO2浓度传感器分别控制二氧化碳、空气的流量，将二氧化碳和空气配制成二氧化碳浓度为0～10％的气体；气体混合室5通过供气管路与培养容器1底部的气体分布器6连接，在供气管路上设置有流量控制计3控制通气量。
实验组：采用本实施例闪光照明式微藻生物膜反应器培养菱形藻，包括如下步骤：在培养容器中加入f/2培养液，使培养液浸没过膜材料，接种预培养至对数期的菱形藻，接种体积比为1:10；光照强度为2000lux，温度为25℃，光暗比为14h/10h，设置闪光频率为1HZ，占空比1:1，通入空气，通气量1L/min。
对照组(不设置膜材料)：在锥形瓶(250mL)内加入f/2培养液，接种预培养至对数期的菱形藻，接种体积比为1:10；采用普通LED灯，进行连续光照培养菱形藻，光照强度为2000lux，温度为25℃，光暗比为14h/10h，通入空气，通气量1L/min。发明人通过研究发现：在不同的培养容器内微藻细胞生长的趋势基本一致，因此对照组可以排除容器对微藻生长的影响，对照组具有可比性。
分别在24h、48h、72h、96h、120h和168h时取样，使用德国Walz PAM-2500型便携式浮游植物荧光仪进行叶绿素荧光参数测定，测定最大光合速率、实际光合速率。培养7天后收集菱形藻，用去离子水多次洗涤菱形藻细胞，过滤、烘干至恒重，计算生物产量、油脂产率。
具体方法如下：
生物量测定：采用镊子取下微藻光生物反应器中的膜组件，用去离子水冲洗藻膜去除表面盐分，在105℃烘箱内烘干至恒重，利用分析天平称量出培养前后膜材料质量差，重量差即为生物量干重。
油脂含量测定：称取50mg藻粉于50mL离心管，加入10mL氯仿-甲醇混合溶液(v:v＝2:1)，摇匀，冰浴超声破碎10min(破碎条件：600W，超声10s，间隔15s，破碎24次)，然后8000rpm离心10min，收集上层有机相，重复三次上述操作。将三次有机相合并至三角瓶中烘干，称重，所得三角瓶前后质量差，即为微藻样品的脂含量。
实际光合速率测定：利用德国Walz PAM-2500型便携式浮游植物荧光仪进行叶绿素荧光参数测定。测量前将微藻样品暗适应10min，准确吸取1mL藻液至2mL样品杯中，将样品杯放PHYTO-ED检测器中，打开PHYTO软件，点击gain，自适应信号强度；设置阻尼为2后对样品进行测定。读取相应参数：最大光合速率(Fv/Fm)、实际光合速率
菱形藻光合效率如图4所示，菱形藻最大光合速率和实际光合速率随光照时间下降，闪光照明式微藻光生物膜反应器中菱形藻最大光合速率、实际光合速率显著优于同时期普通连续光照培养。
菱形藻生长速率如图5所示，对照组在锥形瓶(250mL)中培养生长速率为128±3.28mg/d，在闪光照明式微藻光生物膜反应器中生长速率为244±6.73mg/d，生长速率提高89.66％；菱形藻在闪光照明式微藻光生物膜反应器中培养7天后，生物量达到43.5±0.68g/m2，油脂产率达到118.85±7.32mg/m2/d。
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