CN101712929B - 利用发光颗粒进行微藻光生物培养的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用发光颗粒进行微藻光生物培养的方法，将具有不同光质转换功能的发光颗粒加入到培养液中，用于微藻细胞的培养。本发明的发光颗粒是用发光剂与透明树脂混合后制备成发光粒子，并将其加入到微藻培养光生物反应器中，通过搅拌实现颗粒的悬浮与流动。发光颗粒在流动到反应器受光面时，短波长的光(如200-400nm)将激发颗粒内的发光剂，发射出微藻光合作用需要的500-760nm波长的光，提高了光能的利用率。另一方面，在受光面受到激发后的发光颗粒又随流体流动进入光反应器离受光面较远、光照强度不够的区域，因余辉作用而继续发光，提高了这些光暗区域的光照强度，从而增加了微藻光生物反应器内的光合作用空间利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光生物反应培养技术，尤其是利用长余辉稀土磷光类发光剂制备的功能发光颗粒悬浮于光生物反应器中进行大规模培养微藻细胞的方法。
背景技术
微藻的生物反应器培养是避免染菌、提高细胞培养密度和代谢产物产量、便于操作控制的重要方式。但光照条件对微藻细胞的生长与代谢过程有至关重要的影响。光合细胞的光合作用过程主要是利用波长为400-760nm的光来进行的，短波长的高能紫外线辐射会使叶绿素受到高毒害而使细胞“漂白”致死。文献(1)张颂培，李建宇，陈娟，肖阳，孙玉娥：转光农膜的光谱特性研究。光谱学与光谱分析，2004，24(10)：1180-1184和文献(2)任白皋，曲丽娜，宋桂兰。转光剂的制备及在农膜中的应用。济南大学学报(自然科学版)，1007，21(2)：130-132均报道了利用稀土化合物作为转光剂制备成功能转光膜，将对植物细胞有毒害作用的紫外光转换成植物光合作用所需的红光(640～690nm)和蓝光(400～500nm)，从而增强植物的光合作用，促进植株生长发育和养分吸收，能明显提高植物的产量和质量。中国专利CN1249215C提出了一种装有含荧光物质的波长移动器的光生物反应器用于微藻培养。中国专利CN1317537提出了一种利用转光剂吹制成功能转光农膜，提高了光照强度。中国专利CN1982433A提出了一种利用含转光剂的树脂吹制的塑料膜贴于玻璃材质的光生物反应器外壁用于微藻培养，结果表明其微藻产率比没有使用功能转光膜的光生物反应器培养提高了10-20％.
上述文献或专利技术中利用功能转光膜来将光对植物细胞有毒害作用的紫外光转换成植物光合作用所需的红光(640～690nm)和蓝光(400～500nm)，从而在一定程度上提高了光合作用效率，中国专利CN1982433A制备的功能性转光膜只发射红光，发射光谱比较单一。但实际在光生物反应器培养过程中，在受光面一般光照强度都比较高，过高的光照强度反而会使细胞产生光抑制。相反在远离反应器受光面区域，由于光线在培养基水体中传播时的衰减以及细胞的遮光作用，光照强度不足，产生光限制，使得大直径反应器内光照分布而严重不均。因此传统的光生物反应器多采用细管式或薄板式，从而造成光生物反应器造价高、占地面积大、放大困难，光合细胞培养成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用功能发光颗粒进行微藻光生物培养的方法，以克服公知技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供的利用发光颗粒进行微藻光生物培养的方法，是将具有不同光质转换功能的发光颗粒加入到培养液中，用于微藻细胞的培养。
本发明的发光颗粒是用发光剂与透明树脂混合后制备成发光粒子，并将其加入到微藻培养光生物反应器中，利用机械搅拌或气体搅拌实现颗粒的悬浮与流动。发光颗粒在流动到反应器受光面时，微藻光合作用时一般不利用的短波长的光(如200-400nm)将激发颗粒内的发光剂，发射出微藻光合作用需要的500-760nm波长范围内的光，提高了光能的利用率。另一方面，在受光面受到激发后发光颗粒又随流体流动进入光反应器离受光面较远、光照强度不够的区域，因余辉作用继续发光，提高了这些光暗区域的光照强度，从而增加了微藻光生物反应器内的光合作用空间利用率。
具体实施方式
本发明采用市售的能发射不同波长范围光的长余辉磷光类稀土化合物为发光剂与透明树脂(如：聚乙烯、聚丙烯酸酯、聚酯、氟碳树脂等)为基料制备成发光树脂颗粒，其颗粒尺寸介于1-10mm，以一定比例(培养液体积的1-20％)加入到含有液体培养基的光生物反应器中，接入微藻细胞种子，通气或机械搅拌培养。反应器内的发光颗粒因搅拌作用实现悬浮与流动。培养结束后，停止通气搅拌后使发光颗粒沉降，收集液体获得细胞培养物。之后可再次加入培养基、接种进行下一批式培养。也可以在培养结束后，通过过滤，分离出发光颗粒后获得细胞培养物。分离出的发光颗粒可以循环使用。
实施例1
选用聚酯树脂为基料，添加了与基料重量比为5％发射波长为500-570nm的发光剂制备成平均尺寸为1×4mm的绿色光发光颗粒。在5升机械搅拌光生物反应器中装入f/2培养基4升，加入上述制备的发光粒子0.05升(表观堆体积)于反应器中，接种处于对数生长期的小球藻种，接种量为10％，培养液中初始细胞浓度为3×105cfu/ml。
以日光灯为光源连续照射，光照强度为40-50umol/m2/s，培养温度控制在25℃，空气通入量为0.2L/min，搅拌速度120rpm，培养周期10天。结果表明，添加了发光颗粒的培养的藻细胞生物量比没有添加发光颗粒的藻细胞生物量3％。
实施例2
选用聚酯树脂为基料，添加了与基料重量比为25％发射波长为500-570nm的发光剂制备成平均尺寸为2×6mm的绿色光发光颗粒。在5升机械搅拌光生物反应器中装入f/2培养基4升，加入上述制备的发光粒子0.1升(表观堆体积)于反应器中，接种处于对数生长期的小球藻种，接种量为10％，培养液中初始细胞浓度为3×105cfu/ml。其它条件同实施例1。结果表明，添加了发光颗粒的培养的藻细胞生物量比没有添加发光颗粒的藻细胞生物量6％。
实施例3
选用聚酯树脂为基料，添加了与基料重量比为50％发射波长为500-570nm的发光剂制备成平均尺寸为2×6mm的绿色光发光颗粒。在5升机械搅拌光生物反应器中装入f/2培养基3升，加入上述制备的发光粒子0.6升(表观堆体积)于反应器中，接种处于对数生长期的小球藻种，接种量为10％，培养液中初始细胞浓度为3×105cfu/ml。其它条件同实施例1。结果表明，添加了发光颗粒的培养的藻细胞生物量比没有添加发光颗粒的藻细胞生物量10％。
实施例4
选用氟碳树脂为基料，添加了与基料重量比为20％发射波长为570-600nm的发光剂制备成平均尺寸为3×8mm的黄色光发光颗粒。在5升机械搅拌光生物反应器中装入f/2培养基3.5升，加入上述制备的发光粒子0.5升(表观堆体积)于反应器中，接种处于对数生长期的小球藻种，接种量为10％，培养液中初始细胞浓度为3×105cfu/ml。其它条件同实施例1。结果表明，添加了发光颗粒的培养的藻细胞生物量比没有添加发光颗粒的藻细胞生物量11％。
实施例5
选用聚乙烯碳树脂为基料，添加了与基料重量比为30％发射波长为600-630nm的发光剂制备成平均尺寸为3×10mm的橙色光发光球形颗粒。在5升机械搅拌光生物反应器中装入f/2培养基3升，加入上述制备的发光球形颗粒0.4升(表观堆体积)于反应器中，接种处于对数生长期的小球藻种，接种量为10％，培养液中初始细胞浓度为3×105cfu/ml。其它条件同实施例1。结果表明，添加了发光颗粒的培养的藻细胞生物量比没有添加发光颗粒的藻细胞生物量13％。
实施例6
选用聚酯树脂为基料，加入基料重量比为50％发射波长为630-760nm的发光剂制备成平均尺寸为4×10mm的红色光发光颗粒。在5升机械搅拌光生物反应器中装入f/2培养基3升，加入上述制备的发光粒子0.25升(表观堆体积)于反应器中，接种处于对数生长期的小球藻种，接种量为10％，培养液中初始细胞浓度为3×105cfu/ml。其它条件同实施例1。结果表明，添加了发光颗粒的培养的藻细胞生物量比没有添加发光颗粒的藻细胞生物量12％。
实施例7
选用氟碳树脂为基料，加入基料重量比为40％发射波长为500-760nm的发光剂制备成平均尺寸为4×10mm的白色光发光颗粒。在8升气升式光生物反应器中装入f/2培养基5升，加入上述制备的发光粒子1.0升(表观堆体积)于反应器中，接种处于对数生长期的小球藻种，接种量为10％，培养液中初始细胞浓度为3.5×105cfu/ml。
以日光灯为光源连续照射，光照强度为50umol/m2/s，培养温度控制在25℃，空气通入量为0.45L/min，培养周期10天。结果表明，添加了发光颗粒的培养的藻细胞生物量比没有添加发光颗粒的藻细胞生物量15％。
实施例8
选用氟碳树脂为基料含25％发光剂的绿色光发光颗粒(尺寸为2×5mm)0.1升(表观堆体积)和以氟碳树脂为基料含20％发光剂的红色光发光颗粒(尺寸为2×5mm)0.15升(表观堆体积)，一起加入到5升机械搅拌光生物反应器中用于小球藻的培养。反应器装液量为f/2培养基3.5升。培养液采用f/2培养基，接种处于对数生长期的小球藻种，接种量为10％，培养液中初始细胞浓度为3.5×105cfu/ml。其它条件同实施例1。结果表明，添加了发光颗粒的培养的藻细胞生物量比没有添加发光颗粒的藻细胞生物量7％。
实施例9
选用聚酯树脂为基料含30％发光剂的橙色光发光颗粒(尺寸为2×5mm)0.2升(表观堆体积)和以聚酯树脂为基料含30％发光剂的红色光发光颗粒(尺寸为1.5×4mm)0.2升(表观堆体积)，一起加入到5升机械搅拌光生物反应器中用于小球藻的培养。反应器装液量为f/2培养基3升。培养液采用f/2培养基，接种处于对数生长期的小球藻种，接种量为10％，培养液中初始细胞浓度为3.2×105cfu/ml。其它条件同实施例1。结果表明，添加了发光颗粒的培养的藻细胞生物量比没有添加发光颗粒的藻细胞生物量12.5％。
实施例10
选用氟碳树脂为基料含15％发光剂的绿色光发光颗粒(尺寸为2×3mm)0.1升(表观堆体积)、聚酯树脂为基料含25％发光剂的橙色光发光颗粒(尺寸为2×5mm)0.1升(表观堆体积)和以聚酯树脂为基料含20％发光剂的红色光发光颗粒(尺寸为2×4mm)0.1升(表观堆体积)，一起加入到5升机械搅拌光生物反应器中用于小球藻的培养。反应器装液量为f/2培养基3升。培养液采用f/2培养基，接种处于对数生长期的小球藻种，接种量为10％，培养液中初始细胞浓度为3.2×105cfu/ml。其它条件同实施例1。结果表明，添加了发光颗粒的培养的藻细胞生物量比没有添加发光颗粒的藻细胞生物量15％。
实施例11
选用氟碳树脂为基料含35％发光剂的绿色光发光颗粒(尺寸为2×6mm)0.2升(表观堆体积)、聚酯树脂为基料含25％发光剂的黄色光发光颗粒(尺寸为2×3mm)0.15升(表观堆体积)、氟碳树脂为基料含25％发光剂的橙色光发光颗粒(尺寸为2×5mm)0.15升(表观堆体积)和以聚酯树脂为基料含50％发光剂的红色光发光颗粒(尺寸为2×4mm)0.2升(表观堆体积)，一起加入到8升气升式光生物反应器中用于小球藻的培养。反应器装液量为f/2培养基5升。培养液采用f/2培养基，接种处于对数生长期的小球藻种，接种量为10％，培养液中初始细胞浓度为4.0×105cfu/ml。其它条件同实施例7。结果表明，添加了发光颗粒的培养的藻细胞生物量比没有添加发光颗粒的藻细胞生物量20％。
实施例12
选用氟碳树脂为基料含30％发光剂的绿色光发光颗粒(尺寸为2×3mm)0.1升(表观堆体积)、聚酯树脂为基料含25％发光剂的黄色光发光颗粒(尺寸为2×3mm)0.1升(表观堆体积)、氟碳树脂为基料含45％发光剂的橙色光发光颗粒(尺寸为2×5mm)0.1升(表观堆体积)和以聚酯树脂为基料含30％发光剂的红色光发光颗粒(尺寸为2×4mm)0.1升(表观堆体积)、以聚乙烯酸碳树脂为基料含20％发光剂的白色光发光颗粒(尺寸为2-4mm)0.2升(表观堆体积)、一起加入到5升机械搅拌光生物反应器中用于小球藻的培养。反应器装液量为f/2培养基3.0升。培养液采用f/2培养基，接种处于对数生长期的小球藻种，接种量为10％，培养液中初始细胞浓度为3.5×105cfu/ml。其它条件同实施例1。结果表明，添加了发光颗粒的培养的藻细胞生物量比没有添加发光颗粒的藻细胞生物量17.5％。
Claims (6)
1.一种利用发光颗粒进行微藻光生物培养的方法，其特征在于：将发光颗粒加入到培养液中，用于微藻细胞的培养；其中，发光颗粒的发射光谱波长为500-760nm。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：发光颗粒是将发光剂与透明塑料树脂基料混合制备的尺寸为1-10mm的树脂颗粒。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：发光剂是激发波长在200-400nm的长余辉稀土无机化合物。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：发光颗粒为发射光谱波长500-570nm、570-600nm、600-630nm或630-760nm其中一种或两种以上任意比例的混合发光颗粒。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：发光颗粒中发光剂占颗粒树脂基料的重量的5-50％。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：发光颗粒的加入量为培养液体积的1-20％。
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