本發明涉及微藻生物技術領域，特別提供了一種用于微藻培養的活性氧光生物反應器。

背景技術：

雨生紅球藻是一種淡水單細胞綠藻，隸屬綠藻門、綠藻綱、團藻目、紅球藻科、紅球藻屬。雨生紅球藻因能大量積累蝦青素而使藻體呈現紅色，故名紅球藻或雨生紅球藻。它被認為是自然界中產生蝦青素的最佳生物平臺，利用雨生紅球藻生產的天然蝦青素品質佳、抗氧化活性強。雨生紅球藻通常在光照較弱、氮磷豐富的環境中藻的存在形態為綠色營養細胞，快速分裂生殖，細胞內蝦青素含量較低；在脅迫條件如高光照射下，細胞內活性氧的合成與解毒作用之間的平衡被打破，雨生紅球藻細胞內的活性氧淬滅系統啟動，其中蝦青素因合成過程中能夠消耗活性氧而在細胞內大量合成并積累。因此，活性氧在藻細胞內的積累是促進蝦青素合成的關鍵因素。

在雨生紅球藻規模化養殖生產中，通常在室外利用太陽光進行蝦青素的誘導。雖然高強度的太陽光可以誘導細胞生成活性氧，促進蝦青素的合成，但在生產過程中受到日照、天氣、季節等因素，活性氧的生成不穩定，導致蝦青素產量不穩定。而人工添加活性氧誘生劑的方法作用時間短、毒性強、成本高，難以實現規模化應用。文章《活性氧對雨生紅球藻生長及蝦青素含量的影響》（生態科學2006，25（3），213-215）中探討了通過添加活性氧誘生劑亞甲基藍可以顯著提高蝦青素含量。然而，亞甲基藍具有毒性，對環境、動物、人體都會造成危害，在規模化生產中難以應用。

因此，需要開發一種能夠在雨生紅球藻蝦青素合成階段能夠持續生成活性氧的裝置，以提高規模化養殖中蝦青素的產量。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種用于微藻培養的活性氧光生物反應器，通過應用光觸媒材料在光催化條件下持續產生活性氧的特性，從而促進雨生紅球藻蝦青素的積累。采用的技術方案如下：

一種用于微藻培養的活性氧光生物反應器，包括光生物反應器主體、進氣口、出氣口、進液口、出液口、氣體分布器和至少一個光觸媒內筒裝置；氣體分布器置于光生物反應器主體的底部，并與所述進氣口相連，通過鼓入含有二氧化碳的空氣對藻液進行循環攪拌；進液口位于所述光生物反應器主體的側方上部，用于接種和培養基的注入；培養結束后，藻液通過光生物反應器主體底部的出液口排出；排氣口位于所述光生物反應器主體頂蓋上，用于排出廢氣；光觸媒內筒裝置通過玻璃膠粘連或者法蘭固定于光生物反應器主體頂蓋下方。

優選的，光生物反應器主體為立柱式光生物反應器、平板式光生物反應器、管道式光生物反應器中的一種。

優選的，光生物反應器主體，其材料為玻璃、有機玻璃、不銹鋼、聚乙烯塑料薄膜、聚氯乙烯塑料薄膜、聚丙烯塑料薄膜中的一種。

優選的，光觸媒內筒裝置由底部封閉、頂部開口的透明管和內置的光源組成。

優選的，光源通過玻璃膠固定在透明管側壁上，并通過電源線連接至外部的光強控制器上，透明管外壁有透明疏水的光觸媒涂層。

優選的，透明疏水的光觸媒涂層含有但不局限于納米二氧化鈦、納米二氧化硅、稀釋劑、分散劑、有機硅樹脂。

優選的，透明管材料為玻璃、有機玻璃、帶框架結構的塑料薄膜、石英玻璃中的一種。

優選的，光源為LED燈、熒光燈、紫外燈、白熾燈、鹵素燈、鈉燈中的一種或多種。

優選的，光源為含有紫外芯片的LED燈。

本發明提供的反應器裝置，在培養微藻之前，先將培養基添加至光生物反應器中，通過控制器將光觸媒內筒裝置內的光照強度開至最大，激發光觸媒產生活性氧，對培養基和反應器進行消毒殺菌。消毒結束后關閉光源，并靜置一段時間待活性氧分解失效后，將目標藻種接種至反應器，在培養過程中，根據微藻在不同生長階段對于活性氧耐受程度的不同，通過控制器調節光源的強度和照射時間，控制活性氧生成的速率，避免在誘導初期過多的活性氧導致藻細胞漂白死亡。

本發明公開了一種用于微藻培養的活性氧光生物反應器，該反應器含有活性氧生成的內筒裝置，其內筒內側布置有光源，外側涂抹透明疏水的光觸媒涂層。在內筒內側光照條件下，內筒外側的光觸媒可以將藻液中的水和氧氣催化生成活性氧，并釋放到藻液中。通過調節光照的強度、波段、頻率可以實現對活性氧的生成速率、濃度、持續時間的控制，從而促進藻細胞蝦青素的合成，同時還能抑制其它入侵物種如細菌、壺菌、雜藻、原生動物的生長。另外，光觸媒涂層作為催化劑，在培養過程中不會消耗，也不存在培養結束后藻體與光觸媒分離的問題，同時其疏水特性可以有效地避免藻的貼壁生長，在培養前后還能通過活性氧對反應器、培養基進行消毒處理。

附圖說明

下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明：

圖1為本發明的用于微藻培養的活性氧立柱式光生物反應器結構示意圖；

圖2為本發明的用于微藻培養的活性氧平板式光生物反應器結構示意圖；

圖3為本發明的用于微藻培養的活性氧管道式光生物反應器結構示意圖。

其中：1、光生物反應器主體，2、光觸媒內筒裝置，3、進氣口，4、出氣口，5、進液口，6、出液口，7、氣體分布器，8、光源，9、光觸媒涂層，10、光生物反應器主體頂蓋，11、電源線，12、光強控制器。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明做進一步詳細的描述，但僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。其他任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、結合、簡化，均為等效形式，同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

實施例1

如附圖1所示，本發明提供的一種用于微藻培養的活性氧立柱式光生物反應器，包括立柱式光生物反應器1、光觸媒內筒裝置2、進氣口3、出氣口4、進液口5、出液口6、氣體分布器7、光源8、光觸媒涂層9、反應器頂蓋10、電源線11、光強控制器12。

立柱式光生物反應器1為圓柱形結構，由有機玻璃制成，高度150 cm、內徑30 cm，底部安裝氣體分布器7，氣體分布器7與進氣口3相連，出液口6位于反應器最底端。光觸媒內筒裝置2由底部封閉、頂部開口的透明石英玻璃管制成，長度100 cm、內徑10 cm，含有紫外芯片的LED燈光源8通過玻璃膠固定在石英玻璃管內側，并通過電源線11與光強控制器12相連，石英玻璃管外側均勻涂抹含有納米二氧化鈦、納米二氧化硅、稀釋劑、分散劑、有機硅樹脂的透明光觸媒涂層9。石英管通過玻璃膠粘連于光生物反應器玻璃頂蓋10下方。

將BG-11缺氮培養基通過進液口5添加至光生物反應器1，通過光強控制器12將光照強度開至最大，激發光觸媒涂層9產生活性氧，對培養基和反應器1進行殺菌消毒。消毒3~6 h，可徹底殺滅反應器1及培養基中的細菌、雜藻、原生動物等。消毒結束后關閉LED光源5，并靜置1~2 h，待活性氧分解失效，將雨生紅球藻接種至反應器1中，接種濃度為0.31 g/L，培養溫度25~30℃、內置光源5由光強控制器12控制光照強度在100~300 μmol photon?m^-2?s^-1，由進氣口3通過氣體分布器7鼓入含有2%（v/v）二氧化碳的空氣對藻液進行循環攪拌。在室內培養10天后，藻細胞蝦青素含量（w/w）達到3.63%，細胞生物量達到1.26 g/L，相比于無光觸媒內筒裝置設計的對照組光生物反應器，蝦青素產量提高了42.3%。

實施例2

如附圖2所示，本發明提供的一種用于微藻培養的活性氧平板式光生物反應器，總體結構設計如實施例1，區別在于反應器1由透明玻璃制成，長、寬、高分別為150 cm、20 cm、120 cm，3組長70 cm、內徑10 cm的光觸媒內筒裝置2用玻璃膠粘連于光生物反應器玻璃頂蓋10下方。

雨生紅球藻接種操作同實施例1，接種濃度為0.22 g/L，內置光源5由光強控制器12控制光照強度在50~100 μmol photon?m-2?s-1。將反應器1置于室外培養10天后，藻細胞蝦青素含量（w/w）達到3.02.%，細胞生物量達到0.86 g/L，相比于無光觸媒內筒裝置設計的對照組光生物反應器，蝦青素產量提高了22.7%。

實施例3

如附圖3所示，本發明提供的一種用于微藻培養的活性氧管道式光生物反應器，總體結構設計如實施例1，區別在于反應器1由不銹鋼制成，高度100 cm、內徑40 cm，2組長50 cm、內徑10 cm的光觸媒內筒裝置2用法蘭固定于光生物反應器不銹鋼頂蓋10下方。反應器1連接內徑為5 cm的玻璃管道，采用隔膜泵進行藻液循環培養。

雨生紅球藻接種操作同實施例1，接種濃度為0.56 g/L，內置光源5由光強控制器12控制光照強度在80~200 μmol photon?m^-2?s^-1。將反應器1置于室外培養10天后，藻細胞蝦青素含量（w/w）達到4.68.%，細胞生物量達到2.35 g/L，相比于無光觸媒內筒裝置設計的對照組光生物反應器，蝦青素產量提高了30.6%。

在上述實施例培養過程中，通過顯微鏡觀察藻液生長狀況未發現細菌、真菌、速生性雜藻和原生動物的污染，內筒玻璃石英管外壁未出現貼壁生長的現象，而對照組無疏水光觸媒涂層的內筒石英管外側貼壁生長嚴重，影響了透光度。本發明提供的活性氧光生物反應器明顯優于傳統的光生物反應器。

此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其各部分名稱等可以不同，凡依本發明專利構思所述的構造、特征及原理所做的等效或簡單變化，均包括于本發明專利的保護范圍內。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發明的結構或者超越本權利要求書所定義的范圍，均應屬于本發明的保護范圍。