本實用新型涉及光合微生物的培養和檢測技術領域，具體是涉及一種高通量微藻的生長測試裝置及方法。

背景技術：

微藻的培養測試是藻類學研究中必不可少的一環，在微藻生物能源，生態毒理學，水體富營養化，水體浮游生物群落結構等眾多領域的研究中，一般通過設置正常對照組與處理組(如添加重金屬等有毒有害成分；添加高含N、P量的污水；添加不同劑量營養鹽；添加不同藻種；添加不同浮游生物等)，比較兩組藻細胞的生長情況，測定藻生物量、油脂色素含量、光合效率、培養液成分等重要評價指標，為研究結論提供數據支撐。目前普遍通用的微藻培養方法是以錐形瓶做為培養容器，借助恒溫光照培養箱控制培養溫度和光密度，實現微藻培養。取樣時，需于無菌操作臺內操作，以降低感染細菌的可能性。

眾所周知的，在生物實驗中，往往需要對微生物或細胞生長特性、生態毒理反應進行測試，特別是針對突變株的篩選。在一般的微生物或細胞進行測試中，會用到孔板，孔板的規格有6、12、24、48、96孔，每個孔的容積依次是16.8ml、6.9ml、3.4ml、1.7ml、0.36ml。在一般的生物或細胞的生長特性測試、毒性反應測試實驗中，孔板具有標準容積、生長面積等規格一致，一次性可以做幾組到幾十組平行實驗，具有較高的測試通量；而且孔板的各孔培養體系小，不會浪費過多的培養基和生物材料以及耗費較多的培養時間等問題，因此適于標準化實驗操作，使對照性實驗數據也更加可靠、客觀。

然而，錐形瓶與孔板皿的培養體系卻有很多的不足：如無法供給二氧化碳等氣源，培養體系細胞分散不均勻，生長速度緩慢；培養空間易受限制，對于數十毫升體系，單位空間設置組別數量有限，即通量低；各組別受光密度易不均勻，平行性差；取樣繁瑣，易感染細菌，培養體系不夠穩定等等。不僅靈敏度不高，還消耗大量時間成本，遠遠無法滿足現在對于微藻細胞的科研需求。例如中國專利授權公告號CN 103074205 B，其雖然也揭示了一種“一種電動轉盤系統和微藻高通量篩選裝置以及微藻的高通量篩選方法”，但其實質上還是先將微藻接種到微孔板中，再將微孔板板狀卡槽3中，轉動轉盤，光照下培養，測量培養后微孔板中每孔的吸光度，將吸光度換算成對應的微藻細胞干重濃度，以此篩選微藻。該實用新型雖解決了光照和搖瓶問題，但是對于微藻細胞生長所需的CO₂，文中僅提到，在接種微藻到微孔板之前先封裝2-50％體積的CO₂在微孔板中；可是微藻細胞很難耐受如此高濃度的CO₂，也無法及時排出阻礙光合反應器的O₂，故而也無法滿足測試、篩選的要求。同時該公開的專利方案中，各個孔內培養量太小。只有0.1ml的藻液，不足以支撐例如干質量、光合作用效率、培養液TOC、TN有機物變化規律等很多重要參數的測量。其主要是基于96孔板的培養系統，單個孔為一個培養單元，和整個板是一體的，獨立性差。主要表現在以下三個方面，其一，單個孔內二氧化碳不能靈活控制，同一個板多孔之間難以設置梯度；其二、單個培養單元不能獨立完成邊培養邊檢測操作，一旦取樣，培養孔內二氧化碳就會發生改變，即使再封入二氧化碳，也已經和其他孔不平行了，不能再進行平行對照實驗。此外，該專利中培養單元形狀不可改變，不能用于研究反應器形狀對于光利用效率的影響。

除了上述傳統的培養方法，近年一些新型光生物反應器也被應用于微藻生物技術研究領域。這些新型的反應器偏向性各不相同，有的側重于培養條件的靈活控制，如靈活選擇光源，可輸入各種氣源及不同的曝氣方式，可控制環境溫度等；有的側重于光的高效利用，通過設置反光裝置，提高反應器的受光面積和受光強度；有的側重于反應器封閉性，以提供一個無菌的培養環境。有的則設計為更利于培養物的收獲，等等。這些新型的光催化、光生物反應器優勢明顯，對于研究微藻生長、反應很有幫助，也越來越多的被用于微藻生物的研究領域。

但是這些光生物反應器并沒有體現出通量的重要性，普遍只能設置幾組、十幾組反應單元，且培養體系較大。隨著微藻生物技術的快速發展，微藻培養測試在生態毒理學，水體富營養化，微藻生物能源等多個領域的應用更加廣泛，低通量的反應器會大大增加研究的時間成本，阻礙了微藻生物技術的快速發展。并且目前的光反應器在平行性方面做了很多工作，卻忽略了單個反應器單元的靈活調控，不足以支持更加復雜多變的實驗研究。

技術實現要素：

本實用新型的技術目的是提供一種適于微藻的高通量生長和測試裝置。其不僅保留了體系小，平行性高，應用范圍廣等諸多優點，還在高通量、靈活性、穩定性方面再做突破，實現1個立方米最多可進行1200組反應培養瓶的高通量設置，大大節約研究時間。可實現對單個反應培養瓶進行光照和供氣的精確控制，幫助進行更為復雜多變的實驗研究；通過注射器原位取樣既能精確取樣又能減少污染的風險，實現培養全過程反應體系恒定，提升結果的準確性。本實用新型可促進微藻生物技術快速發展，使其應用于更多科學領域。

為達到以上技術目的，本實用新型的技術方案是：

一種高通量微藻生長測試裝置，包括培養架體、光源、CO₂或空氣氣源、數字型氣體流量計、毫升級培養瓶、氣體多閥分流調節器、以及氣體過濾器；所述培養架體設有若干個用于容納所述毫升級培養瓶的定位結構。

其中，所述毫升級培養瓶具有多孔瓶塞或多孔螺紋蓋，在孔內塞有毫米級中空玻璃導氣管和/或硅膠管。所述光源優選為LED燈、熒光燈、汞燈、白熾燈、節能燈。

其中，還可以包括一個光源和供氣調節箱，所述光源和供氣調節箱的兩側具有開口側；在中間部位設置可向兩開口側發出光線的光源，在開口側的左右內壁設置固定培養架體的支撐結構；光源和供氣調節箱與CO₂或空氣氣源連接，設有氣源調節閥，光源和供氣調節箱設有光源光強調節鈕。

其中，所述培養架體包括單排多孔架體或雙排交錯孔培養架體，每個孔內可放置小于100ml的培養瓶。

其中，所述培養架體(構成一個培養單元)包括單排多孔架體或雙排交錯孔培養架體，由兩側板和上、下板組成(亞力克材質，4個部分)，前后兩側開口；長50cm，寬8cm；上板大孔直徑：3.7cm，共10孔，從左往右孔間間隔1cm(反應單元間隔1cm以降低彼此間對光的遮擋)，下板小孔徑1cm。每個孔內可放置小于100ml(如50ml，30ml，10ml)的培養瓶；所述培養瓶底部呈錐形底部，其錐形底部的尖端對位于所述下板的小孔。單排多孔架體的規格是長*寬*高：0.5*0.2*0.5米。適配50ml、3.5cm光徑培養瓶，光徑很小，透光率高，微藻生長速度快，縮短研究時間。3.5cm光徑培養瓶前后排交錯可避免光源被前一排培養瓶擋住光照。

其中，所述毫升級培養瓶的多孔瓶塞或多孔螺紋蓋包括至少3個孔，其中一個孔內密封套有微米級孔徑硅膠管或帶有一段可自閉合軟管的硅膠管，硅膠管外端套設取樣端口，優選的，取樣端口是取樣注射器的針頭，無需打開培養瓶就可以輕松取樣，可降低培養瓶內部環境受到污染的風險；另一個孔內塞有毫米級中空玻璃導氣管，連接氣體多閥分流調節器；第三個孔是以納米級孔徑細菌過濾膜封口，保證培養瓶內外氣壓平衡的同時阻止細菌等異源生物的污染。

其中，所述氣體多閥分流調節器的主管一端通過軟管連接CO₂或空氣氣源，主管外側輻射狀分布設置若干個帶有獨立閥門的分流管，這些分流管與一個橡皮管套接，這個橡皮管又與毫升級培養瓶上的毫米級中空玻璃導氣管連接。氣體多閥分流調節器可保證各個毫升級培養瓶的CO₂供應的均勻性，提高平行性實驗的可靠度，和每個單獨的培養瓶的可控性。

其中，所述氣體過濾器設置在CO₂或空氣氣源和氣體多閥分流調節器之間。氣體過濾器的設置優選為：在供氣的橡皮管上設置圓形的盒體，盒體內裝有氣體過濾器：橡皮管一端連接氣源，一端連接到培養瓶上的毫米級中空玻璃供氣管。該盒體可以分為兩個可以拆分的蓋體，在兩個蓋體之間安裝一個微孔濾紙。

本實用新型的高通量微藻生長測試裝置，還可以包括低通光學濾光片，所述低通光學濾光片罩設在毫升級培養瓶外。優選的，低通光學濾光片做成圓筒狀，包圍在毫升級培養瓶外側。

本實用新型所取得的技術效果和技術優勢是：

(1)高通量性：現有其他的常見微藻高通量微藻生長測試裝置中，每個培養單元(當培養架體上裝滿培養瓶時組成一個培養單元)的培養體系達到升級，反應單元普遍僅有數個(5-6個)。本實用新型中大大縮小每個培養反應體系至毫升級，通過培養架體，重新設置反應單元空間排序為豎直三排或水平雙排等，設定單個反應單元間距≥1厘米，可實現高通量培養測試。

例如，若反應器整體規格長*寬*高：0.5*0.2*0.5米，占用0.05立方米，對于50ml的培養體系，可設置60組平行樣，基本滿足99％以上的實驗需求。若以LED點狀燈為光源，1立方米至多可搭建20組反應器單元，最多可同時設置1200組平行樣。對于小于50ml如30ml，10ml的培養體系，還可設置更多組，每個樣品皆可通過氣體多閥分流調節器單獨控制通氣量，并且可通過低通光學濾光片調節受光量子密度，具有很強的靈活性。通量方面相比于目前的微藻培養裝置，提升了幾個量級。應用范圍廣，可以應用于微藻生物能源，生態毒理學，水體富營養化，水體浮游生物群落結構等眾多領域。

(2)研究時間縮短：將反應體系縮小到幾至幾十個毫升，節約樣品用量；且較小的光徑，會大大提升藻細胞生長速度，研究時間也會縮短。

(3)靈活調控性：現有多通量光反應器對于單個反應器單元并未有調控手段，本實用新型毫升級培養瓶規格多種可選，形狀如圓柱、方形多種可選；通過氣體多閥分流調節器對每個培養瓶都可獨立控制通氣量；光源可任意選擇，如LED燈帶或日光燈管都很匹配；通過濾光片可單獨控制每個培養瓶的實際受光量子密度。

(4)平行性可靠度高：培養瓶位置按對稱性原則設置，每個培養架體的各培養瓶光與氣可控制的基本一致。

(5)培養環境穩定性：現有光反應器取樣方式為開蓋式與底漏式，本實用新型采用特制多孔螺旋塞結合注射器實現原位取樣，增加體系無菌性能，保證反應體系穩定。滅菌培養瓶用于培養后，采用多孔螺旋塞加空氣過濾器保證無菌環境，一個孔以毫米級中空玻璃管作為導氣管，給培養液提供氣源，另一孔插入微米級孔徑硅膠管或帶有一段可自閉合軟管的硅膠管，硅膠管的端頭可供銜接一個取樣注射器或負壓袋，取樣時利用注射器或負壓袋取樣，不僅取樣方便，還能減少開蓋式取樣帶來的污染，從而保證整個培養時期培養環境穩定。其中第三個孔以納米級孔徑細菌過濾膜封口，保證培養瓶內正常大氣壓的同時阻止細菌等異源生物的污染，十分有利于無菌要求嚴格的實驗研究。

(6)相對于專利CN 103074205 B而言，在相同培養基、光照強度、初始接種濃度下，由于可持續通入二氧化碳，而不是在反應前封裝CO2進去，故可提供碳源及攪拌作用，最大生物量可達到4.2和4.8g/l，提高400％以上，相同光徑條件下，還可更高。本裝置在保留了高通量優點的同時，具有更大的培養體系(1ml-100ml)，能提供更多的測試樣品同時用于生物量，光合作用效率，培養液TOC、TN有機物變化規律，陰陽離子、金屬離子吸收效率，循環培養基作用效果等多種指標的測定等，不局限于藻種篩選，還可以應用于微藻生物能源，生態毒理學，水體富營養化，水體浮游生物群落結構等眾多領域。本裝置中還通過氣體多閥分流調節器對每個培養瓶都可獨立控制通氣量，且每一個培養瓶都是完全獨立的，培養瓶采用特制多孔螺旋塞，一孔以毫米級中空玻璃管作為導氣管，給培養液提供氣源，另一孔插入微米級孔徑硅膠管，管頭銜接注射器，利用注射器取樣，培養過程中任何時間都可以取樣，不會對培養環境有任何的干擾。本裝置培養瓶可以是圓形也可以是方形和其他形狀，可以用于研究反應器形狀對于光的利用效率。

附圖說明

圖1為本實用新型較佳實施例的高通量微藻生長測試裝置(不含供氣調節箱)的結構示意圖；

圖2為圖1所示實施例的帶有光源的供氣調節箱的結構示意圖；

圖3-圖5為本實用新型的培養架體實施為單層單排、單層雙排、多層單排的結構示意圖；

圖6為本實用新型圖1所示實施例的毫升級培養瓶的結構示意圖；

圖7為本實用新型圖1所示實施例的毫升級培養瓶上結合的帶孔橡膠塞的結構示意圖；

圖8為本實用新型圖1所示實施例的氣體多閥分流調節器結構示意圖；

圖9為本實用新型圖1所示實施例的位于進氣管與氣體多閥分流調節器之間的空氣過濾器的結構示意圖；

圖10為本實用新型圖1所示實施例與取樣硅膠管的取樣端口連接的注射器結構示意圖；

圖中：

11-氣源；12-硅膠導管；13-空氣過濾器；14-數字型氣體流量計；15-氣體多閥分流調節器；16-多孔橡膠塞：17-中空玻璃導氣管；18-玻璃毫升級培養瓶；19-培養架體；191-上板的大孔；192-下板的小孔；20-取樣注射器；21-管式光源；

22-供氣調節箱；221-培養架體支撐結構；A-培養架體上板，B-培養架體下板；151-進氣口；152-導氣主管道；153-分流管；154-分流閥；131-空氣過濾器接管；132-過濾片；201-可替換的取樣針頭。

具體實施方式

以下實施例進一步說明本實用新型的內容，但不應理解為對本實用新型的限制。在不背離本實用新型精神和實質的情況下，對本實用新型方法、步驟或條件所作的修改或替換，均屬于本實用新型的范圍。

若未特別指明，實施例中所用的技術手段為本領域技術人員所熟知的常規手段。

結合圖1-2所示，一種高通量微藻生長測試裝置，包括光照和供氣調節箱22，箱內設置有培養架體12、光源21、毫升級培養瓶18、氣體多閥分流調節器15、CO₂或空氣氣源11以及氣體過濾器13，所述氣體過濾器13還連接數字型氣體流量計14，以監測進入到氣體多閥分流調節器15的氣體流量。具體說明如下：

1)光源和供氣調節箱22(如圖2所示)：其兩側具有開口側；在中間部位設置可向兩開口側發出光線的LED燈等管式光源21，在開口側的左右內壁可設置固定培養架體的支撐結構221；光源和供氣調節箱22與CO₂或空氣氣源11連接，設有氣源調節閥和氣體流量計14(如圖1)，光源和供氣調節箱22設有LED燈管光強調節鈕(未示)。其中光源和供氣調節箱22的主要作用是為了固定光源和供氣裝置，以及裝設光源和供氣裝置的調節鈕等。因此，光源和供氣調節箱不是必須結構。

2)培養架體如圖3-5所示(培養架體與內部固定的培養瓶構成一個培養單元):單層單排或單層雙排多孔架體(如圖3，4所示)或多層單排培養架體(如圖5所示)，是由兩側板和至少一組上、下板A、B組成(亞力克材質，4個部分)，前后兩側開口；長50cm，寬8cm；上板A大孔191直徑：3.7cm，共10孔，從左往右孔間間隔1cm(反應單元間隔1cm以降低彼此間對光的遮擋)，下板B小孔192徑1cm。每組上下孔中心對齊的大孔191與小孔192內可放置一個小于50ml(如30ml，10ml)的玻璃毫升級培養瓶18。3.5cm光徑培養瓶，通過雙排多孔架體19的后一排的大孔191與前一排的大孔191的前后排交錯/錯位，可避免光源被前一排玻璃毫升級培養瓶18擋住光照。

對于圖3所示的，單排單層的多孔架體19的規格是長*寬*高：0.5*0.2*0.5米。適配50ml、3.5cm光徑培養瓶，光徑很小，光透過率高，微藻生長速度快，可縮短研究時間。

3)玻璃毫升級培養瓶18(如圖6、7所示)：玻璃毫升級培養瓶18，瓶口上設有的多孔橡膠塞或螺紋蓋16，其包括至少3個孔，如圖7所示的多孔橡膠塞16，其中一個孔內密封套有一個微米級孔徑硅膠管162或具有一段能自閉合的軟管的硅膠管162，硅膠管162的外端可供套設一個取樣注射器20的針頭201，該針頭201與硅膠管162始終連接，或者僅在取樣時臨時連接，針頭201可供取樣注射器20連接；取樣時，拉注射器20形成負壓，無需打開培養瓶18就可以輕松取樣(如圖1和圖10所示)，可控制培養瓶18的內部環境不易受到污染；另一個孔塞有毫米級中空玻璃導氣管161，可供連接氣體多閥分流調節器15的一個分流管153；多孔橡膠塞16的第三個孔(示意圖見圖7)，是以納米級孔徑細菌過濾膜封口，平衡培養瓶內正常大氣壓的同時阻止細菌等異源生物的污染。

在另一些實施方式中，所述微米級孔徑硅膠管可替換為具有一段可自閉合軟管的硅膠管162，硅膠管162底部插入培養瓶18中；在取樣時，使用其他負壓袋或者類似的負壓裝置與硅膠管162密閉對接，釋放負壓袋等負壓裝置，可實現自動取樣，取樣結束后直接拔掉負壓袋，硅膠管的自閉合軟管部分將自動閉合封口，實現無菌操作。

此外，培養瓶18自身可采用可擠壓變形的透明材質制作成，如PC\PVC等，既可以滿足光自養微生物的需求，又可以取樣的時候，直接手握住培養瓶擠壓，使樣液沖開微米級孔徑的硅膠管162，溢出樣液。當松開擠壓后，樣液回流，微米級孔徑的硅膠管162管壁自動黏合封閉，也可以實現無菌操作。

4)氣體多閥分流調節器(如圖8所示)(用氣體多閥分流調節器提供CO2氣體給微藻)的導氣主管道152一端的進氣口151通過軟管連接CO2或空氣氣源(見圖1左上)，導氣主管道152的外側沿軸向兩側均勻輻射狀分布若干個設有獨立閥門154的分流管153，這些分流管與一個橡皮管套接，這個橡皮管又與毫升級培養瓶18上的毫米級中空玻璃導氣管161連接。氣體多閥分流調節器15可保證各個毫升級培養瓶18的CO2供應的均勻性，提高平行性實驗的可靠度，和每個單獨的培養瓶18的可控性。

5)如圖9所示，在供氣的橡皮管道上設置空氣過濾器13，其包括兩個互相面對面相扣的漏洞形空氣過濾器接管131，以及夾設再兩個空氣過濾器接管131之間的過濾片132，所述過濾片132包含至少一層微孔濾紙。

6)低通光學濾光片：

做成圓筒狀，可包圍在毫升級培養瓶18的外側。

本實用新型的高通量微藻生長測試裝置，是專門針對微藻的培養及測試而設計。若單個反應器單元(培養架體19和當每個孔內均固定一個毫升級培養瓶18組成一個反應器單元)整體規格長*寬*高：0.5*0.2*0.5米，占用空間0.05立方米。采用豎直三排，每排10個孔、水平雙排平行排列方式，對于50ml的培養體系，可設置60組平行樣。反應器以LED燈為光源，1立方米至多可搭建20組反應器單元，最多可同時設置1200組平行樣。而對于小于50ml如30ml，10ml的培養體系，還可更多；每個樣品皆可通過氣體多閥分流調節器15單獨控制通氣量，并且可通過低通光學濾光片調節受光量子密度，具有很強的靈活性。

利用本實用新型的高通量微藻生長測試裝置，可在同一批次實驗中，設置不同藻細胞初始濃度、不同通氣量、不同光密度梯度、不同營養因子濃度、理化因子測試等多種實驗研究，大大縮短研究時間。高通量微藻生長測試裝置還可以做到無菌培養，其中特制的三孔式橡膠塞16或螺旋塞(瓶蓋)封住毫升級培養瓶18，一孔插入中空玻璃導氣管161連接空氣過濾器，另一孔以微米級孔徑硅膠管162銜接注射器的針頭201，以此方式取樣避免開蓋式取樣帶來的污染，保證培養體系的無菌性，對于毫升級培養體系而言，嚴密的無菌要求更顯得至關重要；本實用新型的高通量培養測試裝置同時也支持接入二氧化碳、氧氣等各種氣源。

上述高通量微藻生長測試裝置的技術效果為：

(1)可根據氣體流量計按需求設定CO2的供應量，可排出反應器中產生的O2，平衡內外氣壓，培養體系細胞分散更均勻；

(2)單個培養瓶的培養體系小，體系內微藻生長速度快，測試效率高，靈敏度較好，可節省大量的實驗時間；

(3)提供平均光密度的光照條件和可控的供氣條件，實驗的平行性較好；

(4)自帶取樣口，方便取樣，不易感染細菌，培養體系穩定；

(5)單位空間設置多組，具有高通量性；

(6)每個培養瓶(各個培養瓶)，可靈活調控。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。