CN101724547A

CN101724547A - 一种用led可调光进行微藻培养实验的方法和装置

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Publication number: CN101724547A
Application number: CN200910258258A
Authority: CN
Inventors: 苗洪利; 王晶; 周晓光; 刘逢学; 李跃鹏; 梅浩
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: CN101724547B

Abstract

本发明公开了一种用LED可调光进行微藻培养实验用的装置及其用该装置培养微藻的方法。在装置的箱体内部上半部装备有红、绿、蓝、黄、白LED组成的发光组件，在箱体内部的下半部装备有日光灯发光组件，上下两部分用通气隔光板隔离。五色LED分别与单片机控制电路连接并采取PWM(脉冲宽度可调)技术对LED发光进行控制。可分别选择连续光强手动控制和自动控制，可选择光谱和光照周期，还可选择模拟日光渐变的全天自动控制光照模式。通过与日光灯的对照培养，可确定针对不同微藻的最佳LED光照方案。为规模化微藻培养提供LED光照环境。该装置同样适用于高等植物的组织培养和育苗等科学实验工作。

Description

一种用LED可调光进行微藻培养实验的方法和装置

技术领域

本发明属于微藻培养生物技术领域，涉及一种用LED可调光进行微藻培养实验用的装置及其用该装置培养微藻的方法。

背景技术

微藻是生物圈中第一生产力的重要组成部分，一些微藻是水产养殖的重要饵料或饵料生物的饵料。一些微藻富含营养成分，是人类极好的营养品。微藻接近植物种类的50％，在种质、生态分布、遗传信息、生化组成等方面具有多样性、复杂性和特殊性。自然界并没有可以大量直接收集的微藻，都需要通过工程培养。目前规模化人工培养主要有开放池和封闭光生物反应器两种方式。无论何种方式，光照是微藻生长的重要因子，而封闭光生物反应器更需要人工光源。光照又由光强、光谱和光周期三个因素组成。由于微藻种类的繁多及色素种类多样性，对光照的需求远比高等植物复杂。因此如何在规模化生产中配置合理光照环境要因藻种的不同而异。目前，普通生物培养箱虽具有恒温和光照环境，但采用都是日光灯管，光谱不匹配，在实验室虽有使用单色光进行培养的案例，但其单色光均使用白光加滤光片形成，光效低，可选光谱有限。在光强调节方面，虽可组合灯管亮灭用以调整光强，但档位有限且不连续。耗电大、发热大、效率低。用该培养箱的光照并不能调整到微藻生长的最佳环境，因此，也就不具有为后期规模生产配置光源的实验功能。

发明内容

针对目前培养箱存在的不足，本发明的目的是提供一种用LED可调光进行微藻培养实验的装置，同时提供一种使用该装置进行微藻培养实验的方法。通过调节该装置中LED光源的光谱、光强和光照周期并与常规日光灯光源进行培养对照，为不同藻类规模化培养配置最佳的LED光照环境。

本发明提供一种用LED可调光进行微藻培养实验的装置，该装置包括箱体、光照控制系统和温度控制系统三部分。在箱体内部用通气隔光板分为上下两部分，目的在于上下温度的一致，而上下两部分光照彼此不受影响。在箱体内部上半部两侧装备LED发光组件和LED控制电路，在箱体内部下半部两侧装备日光灯发光组件和日光灯控制电路。温度控制系统技术为已知。

所述LED可调光培养微藻实验装置其技术特征为：在箱体内部上半部两侧面各安装一块由红、绿、蓝、黄、白五色LED组成的发光组件，发光组件上的LED分别连接起来分五路与LED控制电路连接。所述LED控制电路由单片机编程进行控制。对五路LED可分别选择连续光强手动控制，在分别控制光强的同时也在选择光谱。光照周期的控制可选择多时段对多路进行定时开关。还可选择模拟太阳光渐变的全天自动控制光照模式。

在箱体内部的下半部的两侧面各安装4只9W白光日光灯管组成日光灯发光组件，与日光灯控制电路连接，对光强不做调控，只是通过定时器控制其开关，达到控制光照周期的目的。在箱体内部上下两个培养区域的微藻培养台面上各放置一只光照度探头，分别与LED控制电路和日光灯控制电路连接。并将测得的光照度显示在前面板上。

所述LED发光组件其特征为：采用直径为5mm的高亮度红、绿、蓝、黄、白五色各100-150只焊接于PCB电路板上。峰值波长为：红色650nm、绿色520nm、蓝色440nm、黄色590nm、白色(450+540)nm，各色带宽均为30nm，LED发光组件发出各色光在箱体上部中心的总体照度值为：红色1000Lx-1500Lx；绿色4000lx-5000Lx；蓝色5000Lx-6000Lx；黄色3000Lx-4000Lx；白色8000Lx-10000Lx。所述日光灯的照度值为4000Lx-8000Lx。

所述LED控制电路采用单片机编程PWM(脉冲宽度可调)控制技术。该技术调节光强具有效率高、安全可靠、连续无级的特点。所述光照度探头采用硅光电池。

本发明提供一种用上述LED可调光培养微藻实验的方法，其特征在于：通过LED控制电路选择LED的光谱或调节LED光照强度或改变光照周期用以培养在该光照环境下的微藻。与此同时，在相同温度的环境下，选择同一藻种及使用同样的培养液、同样的培养天数并将之置于同一装置下的日光灯的光照环境对比培养。在光谱、光强和光照周期三个因素中，先固定两种因素而比较第三个因素引起微藻生长的差异。采用血球计数法，在显微镜下通过计数对每天在两种光源下同一种微藻生长的细胞密度进行比较，以确定针对该微藻的最佳光照环境。

采取模仿太阳光的照射方案，选取红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)的光强比为5∶3∶1。由此配光构成白光的色温在6500K，接近太阳光色温。光照周期为12小时亮，12小时灭，在亮灯期间采取由暗变亮再由亮变暗的渐变过程，最亮时达8000Lx。

本发明的优点在于：

1、LED光源具有丰富的光谱且可独立控制，节能环保、发热少、光效高且稳定长寿。

2、针对不同种类的微藻，可提供多种光照方案选择，包括光谱组成、光照强度和光照周期。在同温、同湿环境下与同光照周期或同光照强度或不同光照强度的常规日光灯进行对照实验研究，最终确定最佳LED光源使用方案。

3、光照控制自动化程度高、可选择模式多样。可手工控制，也可设定程序进行自动化全天模拟日光变化。

4、该实验培养装置同样适用于高等植物的组织培养和育苗等科学实验工作。

附图说明

图1微藻实验培养装置立体结构示意图

图2LED调光控制电路组件连接图

图3蓝绿(BG)LED光源和荧光灯光源的生长细胞密度曲线

图4蓝红(BR)LED光源和荧光灯光源生长细胞密度曲线

图5模拟太阳光LED光源和荧光灯光源生长细胞密度曲线

附图标号说明：1-箱体；2-通气隔光板；3-LED发光组件；4-LED控制电路；5-日光灯发光组件；6-日光灯控制电路；7，9-照度计探头；8-样品托盘；10-透明玻璃；11-温度探头；12-温度控制电路；13-电源开关；14-直流电源；15-单片机；16-控制按键；17-显示电路；18-驱动电路；19-红色LED；20-绿色LED；21-蓝色LED；22-黄色LED；23-白色LED。

具体实施方式

实施例1

一种用LED可调光进行微藻培养实验的装置。

在图1中，该装置由箱体1、通气隔光板2、LED控制电路4、日光灯控制电路6、箱内温度控制电路12、LED发光组件3和日光灯发光组件5组成。在所述箱体1中，用通气隔光板2将整个箱体内部分为上下两部分。所述通气隔光板2由百叶金属片结构组成。箱体1的上半部分用于LED光照培养，箱体1的下半部分用于日光灯管对照培养。上半部两侧各安装一块由红、绿、蓝、黄、白五色各100只直径为5mm高亮度LED组成的发光组件3，峰值波长各为：红色650nm、绿色520nm、蓝色440nm、黄色590nm、白色(450+540)nm，带宽为30nm。由LED发光组件3发出各色光在箱体上半部中心的总体照度最大值为：红色1500Lx；绿色4000lx；蓝色5000lx；黄色3000lx；白色8000lx。五路LED分别与LED控制电路4连接。其照度值由放置在兼做样品放置台的通气隔光板2之上的照度计探头7测得，并在LED控制电路4的前面板上实时显示。在箱体1下半部的两侧面各安装由四只9W日光灯管组成的日光灯发光组件5，八只灯管并接与日光灯控制电路6连接，对其进行定时控制。日光灯发光组件5在箱体1下半部中心的照度值由放置在样品托盘8之上的照度计探头9测得，并实时显示在日光灯控制电路6的前面板上。八只灯管固定照度值为4000lx。通过透明玻璃10将LED发光组件3和日光灯发光组件5与箱体1内部空间隔离，目的是避免由于光源发热而影响箱内恒温。箱体1内空气温度由探头11测得并显示在温度控制电路12的前面板上。实验培养箱供电通过开关13接入市电。日光灯控制电路6和温度控制电路12均为已知。下面结合图2对LED控制电路4做一说明。

在图2中，所述LED控制部分由红色19、绿色20、蓝色21、黄色22和白色23各100只直径为5mm高亮度LED组成的发光组件板3和LED控制电路4组成，并由外部设置的照度计探头7测得照度值通过LED控制电路4中的单片机15送实时照度值在显示电路17之上显示。五色LED分别与LED控制电路4中的驱动电路18连接，并由单片机15编程通过PWM方式对输出各路进行功率调节。通过控制按键16与单片机15连接对各色光强、光谱选择模式、光照周期模式进行设定。由12V直流开关电源14通过开关13接入市电并与单片机15和驱动电路18连接供电。显示电路17和驱动电路18均为已知电路。

实施例2

一种用实施例1所述装置进行微藻培养实验的方法。

(1)藻种：选取纤细角毛藻(Chaetoceros gracilis)微藻作为实验对象，藻种取自中国海洋大学水产学院藻种库。

(2)光照方案选取：取蓝光LED(B)+绿光LED(G)光谱组合，对照光源为荧光灯。两种光源光照周期均为18小时亮，6小时灭。光强均控制在4000Lx。

(3)培养方法：海水过滤后煮沸消毒，冷却后配置营养液，培养液使用F/2营养盐配方。盐度为25‰，PH7.5，温度25.5±0.5℃，每日摇瓶三次，每个实验组设置三个重复样品，测量结果取平均。

(4)测量方法：在两种光源培养的8天时间里，每天测量在两种光源下同一种微藻的细胞密度，采用血球计数法，将藻液加在血球计数板上，在显微镜下计数，每个样品重复计数两次，取平均。再由细胞密度计算出生长速率为

μ＝(lnN₂-lnN₁)/(t₂-t₁)

其中N₁、N₂分别为起止时间t₂、t₁的细胞密度。

(5)测量结果：蓝绿(BG)LED光源和荧光灯光源的生长细胞密度曲线见附图3。BG光源下的生长速率为0.436；而荧光灯光源下的生长速率为0.266。由此说明，对于纤细角毛藻在同样光照强度和光照周期，与荧光灯相比蓝光和绿光组合的LED光谱更有利于该种微藻的快速生长。

实施例3

一种用实施例1所述装置进行微藻培养实验的方法。

藻种选取亚心形扁藻(Platymonas subcordiformis)微藻，取自中国海洋大学水产学院藻种库。光照方案选取：蓝光LED(B)+红光LED(R)光谱组合，对照光源为荧光灯。两种光源光周期均为18小时亮，6小时灭，光强均控制在4000Lx。培养方法与测量方法同实施例2。

测量结果：蓝红(BR)LED光源和荧光灯光生长细胞密度曲线见附图4。BR光源下的生长速率为0.418；而荧光灯光源下的生长速率为0.363。由此说明，对于亚心形扁藻在同样光照强度和光照周期，与荧光灯相比蓝光和红光组合的LED光谱更有利于该种微藻的快速生长。

实施例4

一种用实施例1所述装置进行微藻培养实验的方法。

藻种选取等鞭金藻，取自中国海洋大学水产学院藻种库。

光照方案选取红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)的光强比为5∶3∶1。由此配光构成白光的色温在6500K，接近太阳光色温。光照周期为12小时亮，12小时灭，在亮灯期间采取由暗变亮再由亮变暗的渐变过程，模拟太阳光照。最亮时达8000Lx。而对照培养的荧光灯光照为4000Lx，同样光照周期为12小时亮，12小时灭。但在照亮期间光照强度始终不变。

培养方法与测量方法同实施例2。

测量结果：模拟太阳光LED光源和荧光灯光源生长细胞密度曲线见附图5。模拟太阳光下的生长速率为0.456；而荧光灯光源下的生长速率为0.268。由此说明，对于等鞭金藻采用模拟太阳光照更有利于该种微藻的快速生长。

Claims

1.一种用LED可调光进行微藻培养实验用的装置，其特征在于该装置由箱体、光照控制系统和温度控制系统组成，在装置的箱体中，用通气隔光板将整个箱体内部分为上下两部分，在箱体内部上半部两侧装备LED发光组件和LED控制电路，在箱体内部下半部两侧装备日光灯发光组件和日光灯控制电路。

2.如权利要求1所述的微藻培养实验装置，其特征在于所述箱体上部两侧各安装一块由红、绿、蓝、黄、白五色各100-150只直径为5mm高亮度LED组成的发光组件，峰值波长各为：红色650nm、绿色520nm、蓝色440nm、黄色590nm、白色(450+540)nm，各色带宽均为30nm，并分别与LED控制电路连接。

3.如权利要求1、2所述的微藻培养实验装置，其特征在于所述LED控制电路采用单片机编程PWM(脉冲宽度可调)控制技术。

4.一种用权利要求1、2、3所述的微藻培养实验装置培养微藻的方法，其特征为：通过LED控制电路选择LED的光谱或调节LED光照强度或改变光照周期，在相同温度、相同的培养液条件下与同一装置日光灯下的同一种微藻进行对比培养。

5.如权利要求4所述的培养微藻的方法，其特征在于光照方案可选取红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)的光强比为5∶3∶1构成色温为6500K的白光，采取亮12小时、灭12小时的光照周期，在亮灯期间采取由暗变亮再由亮变暗的自动渐变过程。