專利名稱：多層光照生物反應(yīng)器及用其培養(yǎng)光合成微生物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多層光照生物反應(yīng)器及用其培養(yǎng)光合成微生物的方法。更具體的說，本發(fā)明涉及一種用兩種分別適于微生物營養(yǎng)生長和由微生物產(chǎn)生有用代謝物的不同環(huán)境來培養(yǎng)光合成微生物的多層光照生物反應(yīng)器，及一種用這種光照生物反應(yīng)器培養(yǎng)光合成微生物的方法。
背景介紹近來，藻類生物技術(shù)已引起全世界的日益關(guān)注，并成為生物技術(shù)領(lǐng)域的研究前沿。藻類生物技術(shù)是一個(gè)從幾種光合成微生物中發(fā)現(xiàn)并分離各種高價(jià)值有用代謝物的領(lǐng)域。獲得的有用代謝物可作為醫(yī)藥物質(zhì)和健康食品，例如高價(jià)值抗生素，維生素及生理活性物質(zhì)，染料，例如類胡蘿卜素及biloprotein，純化的化合物，例如微生物絮凝劑(bioflocculant)、多羥基化合物及碳水化合物，及備選燃料，例如油及碳水化合物。
在光合成微生物中，一些需要不同的環(huán)境進(jìn)行營養(yǎng)生長及產(chǎn)生有用代謝物。因此，典型地用兩相方法從具有多階段生活周期的光合成微生物中獲得有用代謝物。兩相方法包括維持光合成微生物營養(yǎng)生長的最適生長條件及維持適于被培養(yǎng)微生物在靜止期產(chǎn)生有用代謝物的脅迫條件(stressed condition)。由于上述獲得的有用代謝物是在細(xì)胞分裂已停止的靜止期產(chǎn)生的，因此被稱為次級(jí)代謝物或非生長相關(guān)的產(chǎn)物。
具有復(fù)雜生活周期的光合成微生物包括紅球藻(Haematococcus sp.)、杜氏藻(Dunaliella sp.)、綠球藻(Chlorococcum sp.)、小球藻(Chlorellasp.)、傘藻(Acetabularia sp.)、微囊藻(Microcystis sp.)、念珠藻(Nostocsp.)和顫藻(Oscillatoria sp)。特別是紅球藻物種產(chǎn)生作為抗氧化劑及具有其他生物活性功能的蝦青素。
例如，如美國專利5,882,849和6,022,701所述，通過兩階段培養(yǎng)方法用光合成微生物生產(chǎn)高價(jià)值的有用代謝物，該方法使用兩個(gè)具有適于營養(yǎng)生長及產(chǎn)生有用代謝物的不同環(huán)境條件的培養(yǎng)器。詳細(xì)地，在第一階段，通過在一個(gè)培養(yǎng)器中維持適于營養(yǎng)生長的最適生長條件而快速達(dá)到微生物的大規(guī)模培養(yǎng)。在第二階段，通過在另一個(gè)培養(yǎng)器中維持適于產(chǎn)生有用代謝物(次級(jí)代謝物)的最適環(huán)境條件而用第一階段獲得的生物量有效產(chǎn)生有用代謝物。
與通過漿輪在池系統(tǒng)或在水渠中進(jìn)行循環(huán)培養(yǎng)的戶外培養(yǎng)相比較，使用兩個(gè)分離的分別具有適于營養(yǎng)細(xì)胞生長和產(chǎn)生有用代謝物的不同環(huán)境的培養(yǎng)器進(jìn)行培養(yǎng)的傳統(tǒng)培養(yǎng)技術(shù)具有一定的經(jīng)濟(jì)利益，即利于相對(duì)高密度培養(yǎng)光合成微生物并抑制非所需微生物的污染。
然而，傳統(tǒng)培養(yǎng)技術(shù)存在許多問題有待解決，如下所述。由于進(jìn)行第一階段營養(yǎng)生長和第二階段產(chǎn)生有用代謝物的兩個(gè)培養(yǎng)器是單獨(dú)制備的，因此傳統(tǒng)技術(shù)需要較高的土地費(fèi)用或設(shè)備費(fèi)用及較高的操作費(fèi)用，而且需要可進(jìn)行復(fù)雜操作的熟練工程師。因此，傳統(tǒng)技術(shù)不適于用光合成微生物有效進(jìn)行高價(jià)值有用代謝物的工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明進(jìn)行的全面深入研究旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中遇到的問題，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用特定光合成微生物在一種內(nèi)部分割出營養(yǎng)生長區(qū)和有用代謝物產(chǎn)生區(qū)的光照生物反應(yīng)器生產(chǎn)高價(jià)值有用代謝物時(shí)，可有效降低營養(yǎng)生長及產(chǎn)生有用代謝物所需的勞動(dòng)力和能量，從而更經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)有用代謝物。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種多層光照生物反應(yīng)器，可通過在兩個(gè)階段同時(shí)使用同一種光源來節(jié)約培養(yǎng)光合成微生物的勞動(dòng)力，從而更經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)有用代謝物。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用該多層光照生物反應(yīng)器培養(yǎng)光合成微生物的方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種多層光照生物反應(yīng)器，包括至少一個(gè)含微生物及培養(yǎng)基以使微生物營養(yǎng)生長的第一培養(yǎng)區(qū)；至少一個(gè)與第一培養(yǎng)區(qū)側(cè)表面層鄰并含有培養(yǎng)基和微生物以生產(chǎn)有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)；及一個(gè)置于第一和第二培養(yǎng)區(qū)之間的透明分離區(qū)以彼此分開第一和第二培養(yǎng)區(qū)，在該處光照生物反應(yīng)器的內(nèi)部和外部分別提供第一和第二培養(yǎng)區(qū)，從而使照射用于培養(yǎng)的光照生物反應(yīng)器的陽光或人工光源次序通過第二培養(yǎng)區(qū)和透明分離區(qū)到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)。
另外，本發(fā)明提供一種多層光照生物反應(yīng)器，包括用于營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)，產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)，透明分離區(qū)及發(fā)射光到光照生物反應(yīng)器的光照射單元，其中第一培養(yǎng)區(qū)不與光照射單元接觸，而第二培養(yǎng)區(qū)與光照射單元接觸，這樣可使從光照射單元發(fā)出的光次序通過第二培養(yǎng)區(qū)和透明分離區(qū)到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)。
此外，本發(fā)明提供一種用多層光照生物反應(yīng)器培養(yǎng)光合成微生物的方法。
附圖簡(jiǎn)述本發(fā)明上述及其他目的、特征及其他優(yōu)點(diǎn)將在以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中得到更詳細(xì)的了解

圖1a和1b是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中具有外部照射的雙層平板式光照生物反應(yīng)器的透視圖和橫切面視圖；圖2a和2b是依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中具有外部照射的雙層垂直圓柱式光照生物反應(yīng)器的透視圖和橫切面視圖；圖3a和3b是依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中利用陽光的管式光照生物反應(yīng)器的透視圖和橫切面視圖；圖4a和4b是依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中具有內(nèi)部照射的雙層平板式光照生物反應(yīng)器的透視圖和橫切面視圖；圖5a和5b是圖4a和4b中具有內(nèi)部照射的雙層平板式光照生物反應(yīng)器連續(xù)排列的透視圖和橫切面視圖；圖6a和6b是依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中具有內(nèi)部和外部照射的三層平板式光照生物反應(yīng)器的透視圖和橫切面視圖；圖7a和7b是圖6a和6b中具有內(nèi)部和外部照射的三層平板式光照生物反應(yīng)器連續(xù)排列的透視圖和橫切面視圖；圖8a和8b是依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中具有內(nèi)部照射的雙層垂直圓柱式光照生物反應(yīng)器的透視圖和橫切面視圖；
圖9a和9b是圖8a和8b中具有內(nèi)部照射的雙層垂直圓柱式光照生物反應(yīng)器連續(xù)排列的透視圖和橫切面視圖；圖10a和10b是依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中具有內(nèi)部和外部照射的三層圓柱式光照生物反應(yīng)器的透視圖和橫切面視圖；圖11a和11b是圖10a和10b中具有內(nèi)部和外部照射的三層垂直圓柱式光照生物反應(yīng)器連續(xù)排列的透視圖和橫切面視圖；圖12a和12b是具有外部光源的雙層垂直圓柱式氣升(air-lift)光照生物反應(yīng)器的透視圖和橫切面視圖，其中氣體通過其底部注入光照生物反應(yīng)器；圖12c所示的是使用圖12a的光照生物反應(yīng)器，依照實(shí)施例1的培養(yǎng)時(shí)間新鮮細(xì)胞重量的變化；圖12d所示的是使用圖12a的光照生物反應(yīng)器，依照實(shí)施例1的培養(yǎng)時(shí)間蝦青素水平的變化；圖13a和13b是具有外部光源的雙層垂直圓柱式氣升光照生物反應(yīng)器的透視圖和橫切面視圖，其中氣體通過其底部和上部注入光照生物反應(yīng)器；圖13c所示的是使用圖13a的光照生物反應(yīng)器，依照實(shí)施例2的培養(yǎng)時(shí)間新鮮細(xì)胞重量的變化；圖13d所示的是使用圖13a的光照生物反應(yīng)器，依照實(shí)施例2的培養(yǎng)時(shí)間蝦青素水平的變化；圖14a所示的是使用圖13a的光照生物反應(yīng)器，依照實(shí)施例3的培養(yǎng)時(shí)間新鮮細(xì)胞重量的變化；和圖14b所示的是使用圖13a的光照生物反應(yīng)器，依照實(shí)施例3的培養(yǎng)時(shí)間蝦青素水平的變化。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式本發(fā)明提供一種多層光照生物反應(yīng)器。
本發(fā)明的多層光照生物反應(yīng)器包括含有微生物和培養(yǎng)基以使微生物進(jìn)行營養(yǎng)生長的第一培養(yǎng)區(qū)，及與第一培養(yǎng)區(qū)側(cè)表面層鄰的含有培養(yǎng)基和微生物的產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)，其中這兩個(gè)培養(yǎng)區(qū)用一個(gè)透明分離區(qū)彼此隔離開。
由于本發(fā)明的多層光照生物反應(yīng)器的上述結(jié)構(gòu)，可對(duì)直接暴露在光照中的第二培養(yǎng)區(qū)提供過多的光能量以產(chǎn)生有用代謝物，從而誘導(dǎo)第二培養(yǎng)區(qū)的特定微生物利用高密度光能量并積累代謝物。在通過第二培養(yǎng)區(qū)的傳播過程中，光能量被培養(yǎng)基中的生物量的相互光柵效應(yīng)(mutual shadingeffect)消弱，從而對(duì)第二培養(yǎng)區(qū)的光照射表面的相對(duì)表面釋放較低的密度。然后向位于第二培養(yǎng)區(qū)側(cè)表面并位于多層光照生物反應(yīng)器內(nèi)部的第一培養(yǎng)區(qū)中的光合成微生物提供低密度的殘余光能量，在該處，微生物利用提供的光進(jìn)行光合作用而進(jìn)行營養(yǎng)生長。
如以下公式1所述，根據(jù)Beer-Lambert定律，光能量隨距光源的距離(如δ增加)及培養(yǎng)基中微生物的濃度(如p增加)而成指數(shù)衰減[公式1]I＝Ioexp(-σρδ)其中I是通過光吸收體系傳輸?shù)墓獾墓饷芏?，Io是光源的起始密度，σ是吸收系數(shù)，ρ是光吸收體系中微生物的濃度，δ是光吸收體系的厚度。
當(dāng)光通過用于產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)傳播時(shí)，光的衰減受起始密度(Io)，第二培養(yǎng)區(qū)中生物量的濃度(ρ)，微生物的體積及色素含量和光穿過的深度(δ)影響。另外，應(yīng)該向第一培養(yǎng)區(qū)提供適于營養(yǎng)細(xì)胞生長水平的光能量，從而進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長。當(dāng)提供的光能量很低時(shí)，則不能在第二培養(yǎng)區(qū)積累有用代謝物。相反，當(dāng)提供的光能量太高時(shí)，第一培養(yǎng)區(qū)的營養(yǎng)細(xì)胞生長則受到抑制，未用于光合作用的光能量轉(zhuǎn)化成熱能，從而增加培養(yǎng)基的溫度。
對(duì)本發(fā)明的多層光照生物反應(yīng)器進(jìn)行光照射的典型實(shí)例是陽光，為了使陽光穿過第二培養(yǎng)區(qū)以產(chǎn)生有用代謝物，并穿過透明分離區(qū)以到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長，將第二培養(yǎng)區(qū)置于光照生物反應(yīng)器的外側(cè)，而將第一培養(yǎng)區(qū)置于光照生物反應(yīng)器的內(nèi)側(cè)。
除了陽光，本發(fā)明包括一個(gè)作為人工光源的光照射單元。為了使光照射單元發(fā)出的光傳送到第二培養(yǎng)區(qū)以產(chǎn)生有用代謝物，并穿過透明分離區(qū)而到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長，將光照射單元安裝在緊鄰第二培養(yǎng)區(qū)而不緊鄰第一培養(yǎng)區(qū)的位置。本發(fā)明可用的光源可以是一個(gè)或多個(gè)從熒光燈、鹵素?zé)?、光纖、氖管、發(fā)光二極管及其他光合有效輻射物(PARs)中選擇的光源。也就是說，光照生物反應(yīng)器可單獨(dú)利用陽光或與一個(gè)或多個(gè)人工光源聯(lián)合使用。對(duì)后者而言，當(dāng)陽光作為基本光能量源時(shí)，根據(jù)季節(jié)(特別是冬季)、時(shí)間(特別是晚上)及天氣(特別是多云天氣)因素和營養(yǎng)細(xì)胞生長及代謝物的積累情況，可對(duì)不足的光能量通過使用附加光源進(jìn)行補(bǔ)充。具體來說，如圖6、7和10所示，當(dāng)產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)在光照生物反應(yīng)器的最外表面和最內(nèi)表面形成時(shí)，陽光照射到光照生物反應(yīng)器最外表面的第二培養(yǎng)區(qū)，而光照射單元的人工光則照射在光照生物反應(yīng)器最內(nèi)表面的另一個(gè)第二培養(yǎng)區(qū)。
另外，為了避免整個(gè)光密度被嚴(yán)重破壞，例如短路，光照射單元包含多個(gè)獨(dú)立的由單獨(dú)動(dòng)力源操作的單元。
當(dāng)使用人工光源時(shí)，可對(duì)光的提供的數(shù)量、波長及照射時(shí)間和照射時(shí)段進(jìn)行控制，從而適于在多層光照生物反應(yīng)器的第二培養(yǎng)區(qū)中進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長，或在第一培養(yǎng)區(qū)中產(chǎn)生有用代謝物，但并不僅限于上述控制方式。
本發(fā)明的光照生物反應(yīng)器可設(shè)計(jì)成各種形狀。優(yōu)選地，光照生物反應(yīng)器可設(shè)計(jì)為從包括矩形平板狀、圓柱狀、管狀和其他三維幾何形狀的組中選擇的形狀。
另外，為了達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的大規(guī)模培養(yǎng)體積，光照生物反應(yīng)器可作為單元模塊進(jìn)行連續(xù)堆積。如果需要，平板狀光照生物反應(yīng)器和光源可排列為一維多層的三明治形式，而垂直圓柱式光照生物反應(yīng)器可排列為二維多層形式。另外，本發(fā)明的光照生物反應(yīng)器可排列為三維多層形式。優(yōu)選地，光照生物反應(yīng)器的體積由產(chǎn)生有用代謝物的生物加工的體積和廠址的面積所決定。而且可容易地通過從多層結(jié)構(gòu)中除去一些含有光照生物反應(yīng)器和光源的單元模塊或阻斷單元模塊的管線連接而使培養(yǎng)體積按比例縮小。
另一方面，為了向第一和第二培養(yǎng)區(qū)的底部注入氣體，從而使提供的CO2和培養(yǎng)基向上流動(dòng)，光照生物反應(yīng)器可設(shè)計(jì)為氣升形式，或附加機(jī)械攪動(dòng)工具(例如葉輪和磁力攪拌器)的攪拌池形式。
在夏季，培養(yǎng)基的溫度由于光源產(chǎn)生的熱、外部的高溫、培養(yǎng)微生物的代謝熱及微生物未吸收的光能轉(zhuǎn)化的熱能而增加。相反，在冬季或晚上，由于培養(yǎng)溫度降低到最適范圍以下，則營養(yǎng)細(xì)胞生長和有用代謝物的產(chǎn)生受到抑制。關(guān)于這一點(diǎn)，如果培養(yǎng)基溫度需要維持在適于光合作用微生物生長和產(chǎn)生有用代謝物的最適范圍，可用冷水或熱水通過熱交換器和噴霧器控制溫度或使用遮光單元。
參考附圖，如下描述本發(fā)明的光照生物反應(yīng)器的優(yōu)選實(shí)施方案。
在第一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種利用陽光的光照生物反應(yīng)器。
圖1a和1b舉例說明具有外部照射的雙層平板式光照生物反應(yīng)器。光源3照射平板式光照生物反應(yīng)器的相對(duì)表面。兩個(gè)產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)1形成于光照生物反應(yīng)器的相對(duì)側(cè)表面，其包括兩個(gè)發(fā)射光的表面。進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)2層鄰在兩個(gè)第二培養(yǎng)區(qū)1之間。光穿過第二培養(yǎng)區(qū)1到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)2。
圖2a和2b舉例說明具有外部照射的雙層垂直圓柱式光照生物反應(yīng)器。光源3照射垂直圓柱式光照生物反應(yīng)器的外表面。產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)1形成于光照生物反應(yīng)器的外部周圍，其包括發(fā)射光的表面，從而形成環(huán)狀橫截面，而進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)2緊接置于第二培養(yǎng)區(qū)1的內(nèi)部。光穿過第二培養(yǎng)區(qū)1到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)2。
圖3a和3b舉例說明在外部培養(yǎng)利用陽光的管狀光照生物反應(yīng)器。光3直接照射用于產(chǎn)生有用代謝物并置于被陽光3照射的光照生物反應(yīng)器一部分的第二培養(yǎng)區(qū)1的外表面。進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)2層鄰第二培養(yǎng)區(qū)1底層側(cè)表面。陽光穿過第二培養(yǎng)區(qū)1到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)2。
圖4a和4b舉例說明具有內(nèi)部照射的雙層平板式光照生物反應(yīng)器。對(duì)光照生物反應(yīng)器提供光3的光照射單元置于平板式光照生物反應(yīng)器的中心部分。兩個(gè)產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)1形成于光照射單元的相對(duì)側(cè)面的光照生物反應(yīng)器中，其包括光照射表面。兩個(gè)進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)2分別層鄰第二培養(yǎng)區(qū)1的外表面。光穿過第二培養(yǎng)區(qū)1到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)2。
圖5a和5b舉例說明圖4a和4b的具有內(nèi)部照射的雙層平板式多層光照生物反應(yīng)器的連續(xù)排列，其中每個(gè)光照生物反應(yīng)器用作一個(gè)單元模塊。單元模塊的排列和光照方向如圖5a和5b所示。
圖6a和6b舉例說明具有內(nèi)部和外部照射的三層平板式多層光照生物反應(yīng)器，它是圖1和4的光照生物反應(yīng)器的復(fù)合形式。光線3照射平板式多層光照生物反應(yīng)器的相對(duì)側(cè)表面和中心部分。用于產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)1形成于包括光照生物反應(yīng)器的發(fā)射光表面的區(qū)域，而進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)2層鄰第二培養(yǎng)區(qū)1之間。光穿過第二培養(yǎng)區(qū)1到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)2。
圖7a和7b舉例說明圖6a和6b的具有內(nèi)部和外部照射的三層平板式多層光照生物反應(yīng)器的連續(xù)排列，其中每個(gè)光照生物反應(yīng)器用作一個(gè)單元模塊。單元模塊的排列和光照射方向如圖7a和7b所示。
圖8a和8b舉例說明具有內(nèi)部照射的雙層垂直圓柱式多層光照生物反應(yīng)器。向光照生物反應(yīng)器提供光源3的光照射單元位于垂直圓柱狀多層光照生物反應(yīng)器的中心部分。用于產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)1形成于圍繞光照射單元的內(nèi)部區(qū)域并包括光照生物反應(yīng)器的發(fā)射光表面。進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)2層鄰第二培養(yǎng)區(qū)1的外表面。光穿過第二培養(yǎng)區(qū)1到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)2。
圖9a和9b舉例說明具有內(nèi)部照射的雙層垂直圓柱式光照生物反應(yīng)器的連續(xù)排列，其中每個(gè)光照生物反應(yīng)器用作一個(gè)單元模塊。單元模塊的排列和光照射方向如圖9a和9b所示。
圖10a和10b舉例說明具有內(nèi)部和外部照射的三層垂直圓柱式光照生物反應(yīng)器。兩個(gè)向光照生物反應(yīng)器提供光源3的光照射單元位于垂直圓柱式多層光照生物反應(yīng)器的外部和中心部分。一個(gè)用于產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)1形成于包括光照生物反應(yīng)器的發(fā)射光表面的外部。另一個(gè)第二培養(yǎng)區(qū)1形成于圍繞著在光照生物反應(yīng)器中心的光照射單元的內(nèi)部區(qū)域，并在其中包括光照生物反應(yīng)器的發(fā)射光表面。進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)2層鄰第二培養(yǎng)區(qū)1之間。光穿過第二培養(yǎng)區(qū)1到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)2。
圖11a和11b舉例說明三層垂直圓柱式光照生物反應(yīng)器的連續(xù)排列，其中每個(gè)光照生物反應(yīng)器用作一個(gè)單元模塊。單元模塊的排列和光照射方向如圖11a和11b所示。
另外，本發(fā)明提供一種用多層光照生物反應(yīng)器培養(yǎng)光合成微生物的方法。具體來說，本方法基于分批式、連續(xù)式和補(bǔ)料分批式培養(yǎng)。但這些培養(yǎng)技術(shù)僅用于舉例說明本發(fā)明，本發(fā)明不受這些培養(yǎng)技術(shù)的限定。
更具體來說，在用本發(fā)明的多層光照生物反應(yīng)器進(jìn)行分批式培養(yǎng)時(shí)，本發(fā)明提供一種培養(yǎng)光合成微生物的方法，包括將光合成微生物接種到進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)及產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)(步驟1)；對(duì)第二培養(yǎng)區(qū)進(jìn)行照射以使光合成微生物擴(kuò)增并最大程度積累有用代謝物(步驟2)及從第一和第二培養(yǎng)區(qū)收獲培養(yǎng)的光合成微生物(步驟3)。
在分批式培養(yǎng)的步驟1中，將光合成微生物接種到本發(fā)明的光照生物反應(yīng)器的每個(gè)培養(yǎng)區(qū)中。此處，根據(jù)需要向第一和第二培養(yǎng)區(qū)接種相同或不同濃度的微生物。而且，也可以在調(diào)整至每個(gè)培養(yǎng)區(qū)的光密度后使用微生物。接種到兩個(gè)培養(yǎng)區(qū)的微生物主要進(jìn)行營養(yǎng)生長。應(yīng)在不產(chǎn)生造成光密度嚴(yán)重下降的相互光柵效應(yīng)的密度下接種。因此，接種濃度可根據(jù)細(xì)胞體積而改變。例如，小球藻物種接種密度為103到108細(xì)胞/ml，而紅球藻物種接種密度為103到107細(xì)胞/ml。培養(yǎng)基根據(jù)光合成微生物而確定。
在分批式培養(yǎng)的步驟2中，為了誘導(dǎo)營養(yǎng)細(xì)胞生長及產(chǎn)生有用代謝物，用光線照射用于產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)。在此，以最適于光合成微生物的營養(yǎng)生長的強(qiáng)度提供初始光，從而使接種的光合成微生物進(jìn)行營養(yǎng)生長。例如，對(duì)紅球藻而言，以40到200μmol/m2/s的強(qiáng)度將光提供在第二培養(yǎng)區(qū)的發(fā)射光表面以產(chǎn)生有用代謝物。當(dāng)光通過第二培養(yǎng)區(qū)到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)時(shí)衰減到10到50μmol/m2/s以進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長。另外，pH、溫度和氣體的注入量均可根據(jù)光合成微生物而確定。例如，紅球藻物種在25℃，pH7.0及5％CO2的條件下生長，CO2注入速率為10ml/min，伴隨95％的空氣。
當(dāng)上述強(qiáng)度的光以預(yù)定時(shí)段照射到光照生物反應(yīng)器時(shí)，第二培養(yǎng)區(qū)的光合成微生物進(jìn)入營養(yǎng)細(xì)胞生長停止的靜止期。在靜止期，微生物積累次級(jí)代謝物。靜止期根據(jù)初始光強(qiáng)度，接種光合成微生物的種類及接種濃度而改變。在以下描述的一個(gè)實(shí)施例中的條件下，發(fā)現(xiàn)靜止期維持10天，蝦青素積累增加到20-360mg/L(見圖13c和13d)。
相比較營養(yǎng)細(xì)胞生長的照射光而言，在靜止期后，為了形成最適于產(chǎn)生有用代謝物的環(huán)境(脅迫環(huán)境)，用相對(duì)高強(qiáng)度的光照射光照生物反應(yīng)器。最適于產(chǎn)生有用代謝物的光強(qiáng)度可根據(jù)光合成微生物而改變。例如，對(duì)紅球藻而言，最適于產(chǎn)生蝦青素的光強(qiáng)度為200到2,000μmol/m2/s。在使用高強(qiáng)度光后，第一和第二培養(yǎng)區(qū)的光合成微生物表現(xiàn)出不同的生長特性。具體來說，用高強(qiáng)度光照射的第二培養(yǎng)區(qū)的光合成微生物積累高濃度的有用代謝物，而第一培養(yǎng)區(qū)的微生物用衰減到適于營養(yǎng)細(xì)胞生長的強(qiáng)度的光進(jìn)行照射。例如，對(duì)紅球藻細(xì)胞而言，表面光強(qiáng)度衰減到10-100μmol/m2/s，這樣細(xì)胞可進(jìn)行營養(yǎng)生長。這些結(jié)果如圖14a和14b所示。如上所述，以適合于初步誘導(dǎo)光合成微生物產(chǎn)生和積累有用代謝物的高強(qiáng)度將光照射到光照生物反應(yīng)器。當(dāng)光穿過區(qū)域以產(chǎn)生有用代謝物后，其被用于進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長。該方法將最大效率地利用提供給光照生物反應(yīng)器的光源。
在分批式培養(yǎng)的步驟3中，當(dāng)有用代謝物積累到最大水平時(shí)，從產(chǎn)生有用代謝物的第一培養(yǎng)區(qū)收獲生物量。然后，將有用代謝物與生物量分離，并進(jìn)行純化和濃縮。進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)的生物量可用作下一次分批式培養(yǎng)的接種物。
在用多層光照生物反應(yīng)器對(duì)光合成微生物進(jìn)行分批式培養(yǎng)時(shí)，可臨時(shí)或連續(xù)提供營養(yǎng)物質(zhì)。
在用本發(fā)明的多層光照生物反應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)式培養(yǎng)時(shí)，本發(fā)明提供一種培養(yǎng)光合成微生物的方法，包括將分批式培養(yǎng)中進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)中的光合成微生物轉(zhuǎn)移到用于產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)，并向第一培養(yǎng)區(qū)重新接種傳代培養(yǎng)的光合成微生物的細(xì)胞(步驟1)；對(duì)第二培養(yǎng)區(qū)進(jìn)行照射以使光合成微生物增殖并積累有用代謝物(步驟2)；及從第二培養(yǎng)區(qū)收獲光合成微生物并重復(fù)步驟2和3(步驟3)。
在連續(xù)式培養(yǎng)的步驟1中，與分批式培養(yǎng)的步驟1一樣，將光合成微生物接種到光照生物反應(yīng)器的每個(gè)培養(yǎng)區(qū)中。具體來說，在分批式培養(yǎng)后，其中已積累有用代謝物的光合成微生物從第二培養(yǎng)區(qū)收獲，將第一培養(yǎng)區(qū)的光合成微生物轉(zhuǎn)移到第二培養(yǎng)區(qū)。對(duì)于營養(yǎng)生長而言，光合成微生物新進(jìn)行傳代培養(yǎng)、收獲并與培養(yǎng)基一起接種到第一培養(yǎng)區(qū)中。選擇性地，將生長在第一培養(yǎng)區(qū)的部分光合成微生物轉(zhuǎn)移到第二培養(yǎng)區(qū)，而留在第一培養(yǎng)區(qū)的微生物用新鮮培養(yǎng)基重新進(jìn)行培養(yǎng)以進(jìn)行新的培養(yǎng)。
此處，光合成微生物通過蠕動(dòng)泵(peristaltic pump)或大氣壓力進(jìn)行傳送。蠕動(dòng)泵推動(dòng)包括第一培養(yǎng)區(qū)中高密度生物量的培養(yǎng)液通過可收縮管道進(jìn)入第二培養(yǎng)區(qū)。對(duì)使用大氣壓力而言，包括細(xì)胞的培養(yǎng)液從第一培養(yǎng)區(qū)進(jìn)行收集，然后通過大氣壓力的推動(dòng)轉(zhuǎn)移到第二培養(yǎng)區(qū)。使用上述方法，將新傳達(dá)培養(yǎng)的細(xì)胞接種到第一培養(yǎng)區(qū)。這些方法可對(duì)光合成微生物進(jìn)行連續(xù)式培養(yǎng)。
在連續(xù)式培養(yǎng)的步驟2中，光照射第二培養(yǎng)區(qū)以產(chǎn)生有用代謝物。與分批式培養(yǎng)的步驟2一樣，以高強(qiáng)度提供光，從而形成最適于產(chǎn)生有用代謝物的環(huán)境(脅迫環(huán)境)，優(yōu)選地，以與分批式培養(yǎng)步驟2的最后階段相同的強(qiáng)度提供。在這種情況下，可達(dá)到相同的效率。
連續(xù)式培養(yǎng)的步驟3是連續(xù)或大量生產(chǎn)光合成微生物的中間步驟，在該步驟重復(fù)連續(xù)式培養(yǎng)的步驟1和2。具體來說，在連續(xù)式培養(yǎng)的步驟3中，重復(fù)連續(xù)式培養(yǎng)的步驟1和連續(xù)式培養(yǎng)的步驟2，在步驟1中將第一培養(yǎng)區(qū)中生長的光合成微生物轉(zhuǎn)移到第二培養(yǎng)區(qū)，之后將新傳代培養(yǎng)的微生物細(xì)胞接種到第一培養(yǎng)區(qū)中，在步驟2中，將高強(qiáng)度的光照射到光照生物反應(yīng)器以與營養(yǎng)細(xì)胞生長同步進(jìn)行有用代謝物積累。因此，連續(xù)式培養(yǎng)的步驟3可進(jìn)行積累有用代謝物的光合成微生物的連續(xù)和大規(guī)模培養(yǎng)。
在用本發(fā)明的多層光照生物反應(yīng)器進(jìn)行補(bǔ)料分批式培養(yǎng)中，當(dāng)隨著分批式和連續(xù)式培養(yǎng)物的進(jìn)程而耗盡營養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，需要向光照生物反應(yīng)器中額外補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)以維持適于光合成微生物營養(yǎng)生長及由該微生物產(chǎn)生有用代謝物的濃度。例如，維持最初水平的氮濃度有利于紅球藻的營養(yǎng)生長(Enzyme Microbial Technol.，2003，33403-409)。因此，紅球藻的補(bǔ)料分批式培養(yǎng)優(yōu)選地向第一培養(yǎng)區(qū)添加氮源以進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長。
適于依照本發(fā)明的多層光照生物反應(yīng)器及用該光照生物反應(yīng)器的培養(yǎng)方法的光合成微生物包括所有在最適于營養(yǎng)細(xì)胞生長及產(chǎn)生有用代謝物的環(huán)境中表現(xiàn)出差異的光合成微生物，由紅球藻物種、杜氏藻物種、綠球藻物種、小球藻物種、傘藻物種、微囊藻物種、念珠藻物種和顫藻物種例證。
本發(fā)明將參考以下實(shí)施例及附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，以下實(shí)施例僅用于舉例說明本發(fā)明，本發(fā)明不受這些實(shí)施例限制。
實(shí)施例1光合成微生物的培養(yǎng)在本實(shí)驗(yàn)中，使用的是如圖12a和12b所示的雙層垂直圓柱式氣升光照生物反應(yīng)器，通過其底部注入氣體。從裝置在垂直圓柱外部的光源8發(fā)出的光照向光照生物反應(yīng)器。用于產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)1形成于直接暴露在光下外套區(qū)。進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)2位于第二培養(yǎng)區(qū)的內(nèi)部核心區(qū)域。氣升光照生物反應(yīng)器由容積700ml的外套及容積700ml的內(nèi)部核心組成。
通風(fēng)裝置安裝在每個(gè)培養(yǎng)區(qū)的底部。氣體供給裝置5和6分別對(duì)第二和第一培養(yǎng)區(qū)向上提供氣體，從而使培養(yǎng)基向上流動(dòng)。線性熒光燈8作為光源提供光。而且，光照生物反應(yīng)器也安裝了穩(wěn)定器和開關(guān)。
雨生紅球藻(Haematococcus pluvialis)UTEX16用作光合成微生物，其產(chǎn)生高價(jià)值代謝物——蝦青素。株生長在MBBM(Modified Bold’s BasalMedium)中。
分批式培養(yǎng)的步驟1光合成微生物的接種雨生紅球藻株UTEX16以密度1.2×104細(xì)胞/ml的密度接種到光照生物反應(yīng)器的外套(產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū))及內(nèi)核(進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū))。
分批式培養(yǎng)的步驟2光合成微生物的培養(yǎng)從線性熒光燈8發(fā)出的光以80μmol/m2/s的強(qiáng)度對(duì)光照生物反應(yīng)器照射10天。然后，將光強(qiáng)度增加到770μmol/m2/s并維持該水平到下一個(gè)步驟。
為了使培養(yǎng)液向上流動(dòng)，混合培養(yǎng)基并提供碳源，將含有5％CO2的氣體以通風(fēng)速度100ml/min注入到外套和內(nèi)核。
連續(xù)式培養(yǎng)的步驟1光合成微生物的轉(zhuǎn)移和再接種在培養(yǎng)開始的24天后，用蠕動(dòng)泵，從第一和第二培養(yǎng)區(qū)收集光合成微生物并轉(zhuǎn)移到用于產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)中。然后，將新傳代培養(yǎng)的微生物細(xì)胞接種到進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)中。
連續(xù)式培養(yǎng)的步驟2光合成微生物的培養(yǎng)光以770μmol/m2/s的表面強(qiáng)度照射光照生物反應(yīng)器以在外套中誘導(dǎo)由雨生紅球藻株UTEX16積累蝦青素，而且同時(shí)誘導(dǎo)雨生紅球藻株在內(nèi)核(第一培養(yǎng)區(qū))進(jìn)行連續(xù)生長。此處，初始光在穿過外套(第二培養(yǎng)區(qū))時(shí)衰減到適于營養(yǎng)細(xì)胞生長的強(qiáng)度。其他培養(yǎng)條件與分批式培養(yǎng)步驟2的第二段中所述相同。
實(shí)驗(yàn)實(shí)施例1當(dāng)根據(jù)本發(fā)明分批式培養(yǎng)的步驟1和2培養(yǎng)光合成微生物時(shí)，對(duì)新鮮細(xì)胞重量和蝦青素水平進(jìn)行測(cè)定。
在該實(shí)驗(yàn)中，使用實(shí)施例1的雙層垂直圓柱式氣升光照生物反應(yīng)器，其中從光照生物反應(yīng)器底部注入氣體(參見圖12a和12b)。
將雨生紅球藻UTEX16用作光合成微生物，其產(chǎn)生高價(jià)值代謝物——蝦青素((3S，3′S)-3，3′-二羥基-胡蘿卜素-4，4′-二酮)。雨生紅球藻株生長在MBBM(Modified Bold’s Basal Medium)中。
光照生物反應(yīng)器外套區(qū)域的表面強(qiáng)度維持在80μmol/m2/s。雨生紅球藻株UTEX16以密度1.2×104細(xì)胞/ml接種到外套和內(nèi)核區(qū)域中。
為了使培養(yǎng)液向上流動(dòng)，混合培養(yǎng)基并提供碳源，將含有5％CO2的氣體以通風(fēng)速度100ml/min注入到外套和內(nèi)核。
在上述條件下將雨生紅球藻株培養(yǎng)24天。兩天后，以兩天的間隔測(cè)定新鮮細(xì)胞重量和蝦青素水平。結(jié)果如圖12c和12d所示，其中箭頭表示低強(qiáng)度光到高強(qiáng)度光的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
如圖12c和12d所示，雨生紅球藻株UTEX16在外套與內(nèi)核間的密度相同時(shí)開始生長。但發(fā)現(xiàn)從第六天起，雨生紅球藻株UTEX16在外套的生長速度比內(nèi)核快。這是由于外套中高密度生物量的光柵效應(yīng)的增加所致，其導(dǎo)致對(duì)于內(nèi)核的營養(yǎng)細(xì)胞生長不足的光強(qiáng)度。
從第十天起，光強(qiáng)度增加到770μmol/m2/s的表面強(qiáng)度，以誘導(dǎo)雨生紅球藻株UTEX16在外套積累蝦青素，而且同時(shí)在內(nèi)核誘導(dǎo)雨生紅球藻株的連續(xù)生長。此處，初始光在穿過外套時(shí)衰減到適于營養(yǎng)細(xì)胞生長的強(qiáng)度。將高濃度營養(yǎng)物質(zhì)周期性添加到內(nèi)核以適于雨生紅球藻株的最適生長，而外套維持營養(yǎng)物質(zhì)饑餓的條件。如圖12c和12d所示，在外套和內(nèi)核，雨生紅球藻株UTEX16表現(xiàn)出不同的生長速率和蝦青素產(chǎn)生水平。培養(yǎng)完成后，發(fā)現(xiàn)外套區(qū)的雨生紅球藻株UTEX16以332mg/L的高濃度有效產(chǎn)生蝦青素，平均體積擴(kuò)大為36.27μm，最終細(xì)胞密度為5.8×105細(xì)胞/ml，新鮮重量為9.94g/L。在內(nèi)核區(qū)，雨生紅球藻株UTEX16穩(wěn)定生長，最終細(xì)胞密度為3.2×105細(xì)胞/ml，最終新鮮細(xì)重量為6.1g/L，而蝦青素的產(chǎn)生量維持在31mg/L，表明光合成微生物可在抑制有用代謝物產(chǎn)生的條件下進(jìn)行連續(xù)生長。
實(shí)驗(yàn)實(shí)施例2當(dāng)用本發(fā)明中不同類型的光照生物反應(yīng)器培養(yǎng)光合成微生物時(shí)，對(duì)細(xì)胞濃度和蝦青素水平進(jìn)行測(cè)定。
在本實(shí)驗(yàn)中，使用如圖13a和13d所示的雙層垂直圓柱式氣升光照生物反應(yīng)器。通過光照生物反應(yīng)器的底部和上部注入氣體。如本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中的光照生物反應(yīng)器所示，光照生物反應(yīng)器是一種具有外部照射的雙層垂直圓柱式反應(yīng)器。與圖12a和12b的光照生物反應(yīng)器的方式相同，本實(shí)驗(yàn)中所用的光照生物反應(yīng)器具有由垂直圓柱式外套和內(nèi)核組成的內(nèi)部區(qū)域，所述垂直圓柱式外套相當(dāng)于產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)1，所述內(nèi)核相當(dāng)于進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)2。光能量由安裝在垂直圓柱外部的線性熒光燈8提供。氣體供給裝置5安裝在圓柱底部以向第二培養(yǎng)區(qū)1注入氣體和通過氣體供給密度的差異循環(huán)培養(yǎng)基中的生物量。不同于圖12a和12b中氣體注入單元6安裝在底部的光照生物反應(yīng)器，本實(shí)驗(yàn)所用的光照生物反應(yīng)器通過安裝在圓柱上部的垂直不銹管在內(nèi)核底部產(chǎn)生氣體。
氣升光照生物反應(yīng)器由容積500ml的外套及容積500ml的內(nèi)核組成。
通過氣升光照生物反應(yīng)器底部向第二培養(yǎng)區(qū)1，外套，注入混合氣體(5％CO2)。同樣，第一培養(yǎng)區(qū)2，內(nèi)核，通過安裝在圓柱上部并與內(nèi)核底部連接的垂直不銹鋼管注入混合氣體。
使用如實(shí)施例1中相同的雨生紅球藻株和MBBM。
在每個(gè)外套和內(nèi)核以通風(fēng)速率100ml/min進(jìn)行補(bǔ)料分批式培養(yǎng)。
線性熒光燈用作外部光源提供光。照射在外套的初始光的表面強(qiáng)度為80μmol/m2/s。從第十天起，光強(qiáng)度增加到770μmol/m2/s以在外套誘導(dǎo)蝦青素的積累，同時(shí)在內(nèi)核誘導(dǎo)雨生紅球藻進(jìn)行連續(xù)營養(yǎng)生長。
在上述條件下，將雨生紅球藻株培養(yǎng)24天。兩天后，以兩天間隔測(cè)定新鮮細(xì)胞重量和蝦青素水平。結(jié)果如圖13c和13d所示，其中箭頭表示低強(qiáng)度光到高強(qiáng)度光的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
如圖13c和13d所示，培養(yǎng)完成后，在外套區(qū)，雨生紅球藻株UTEX16以356mg/L的高濃度有效產(chǎn)生蝦青素。在外套區(qū)的最終蝦青素水平比內(nèi)核區(qū)約高10倍。這些結(jié)果表明雙層光照生物反應(yīng)器可用于培養(yǎng)光合成微生物，所述光照生物反應(yīng)器包括產(chǎn)生蝦青素的外套區(qū)和進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的內(nèi)核區(qū)。
實(shí)驗(yàn)實(shí)施例3用本發(fā)明的光照生物反應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)式培養(yǎng)，其中將不同密度的光合成微生物接種到光照生物反應(yīng)器的外套和內(nèi)核。
在該實(shí)驗(yàn)中，使用的是如圖13a和13d所示的雙層垂直圓柱式氣升光照生物反應(yīng)器。通過光照生物反應(yīng)器的底部和上部注入氣體。光源安裝在光照生物反應(yīng)器的外部。氣升光照生物反應(yīng)器由容積500ml的外套和容積500ml的內(nèi)核組成。
通過氣升光照生物反應(yīng)器的底部向第二培養(yǎng)區(qū)1，外套，注入混合氣體(5％CO2)。同樣，第一培養(yǎng)區(qū)2，內(nèi)核，通過安裝在圓柱上部并與內(nèi)核底部連接的垂直不銹鋼管注入混合氣體。
使用與實(shí)施例l相同的雨生紅球藻株和MBBM。用實(shí)驗(yàn)實(shí)施例1和2內(nèi)核收獲的生物量以2.5×105細(xì)胞/ml接種外套，而內(nèi)核用新傳代培養(yǎng)的雨生紅球藻UTEX16以1.0×105細(xì)胞/ml進(jìn)行接種。
在每個(gè)外套和內(nèi)核以通風(fēng)速率100ml/min進(jìn)行補(bǔ)料分批式培養(yǎng)。
線性熒光燈用作外部光源提供光。以表面強(qiáng)度200μmol/m2/s的初始光照射外套。由于初始光穿過含生物量的外套，因此內(nèi)核表面的光強(qiáng)度維持在40μmol/m2/s。
在上述條件下，將雨生紅球藻株培養(yǎng)16天。1天后，每天測(cè)定新鮮細(xì)胞重量和蝦青素水平。結(jié)果如圖14a和14b所示。
圖14a所示的是光照生物反應(yīng)器的第一培養(yǎng)區(qū)2和第二培養(yǎng)區(qū)1中新鮮細(xì)胞重量隨時(shí)間的變化，而圖14b所示的是在每個(gè)培養(yǎng)區(qū)中蝦青素水平隨時(shí)間的變化。培養(yǎng)完成后，在外套區(qū)，雨生紅球藻株UTEX16以356mg/L的高濃度有效產(chǎn)生蝦青素。外套層區(qū)的最終蝦青素水平比內(nèi)核區(qū)的約高24.5倍。在內(nèi)核區(qū)，雨生紅球藻株UTEX16最終細(xì)胞密度穩(wěn)定在3.5×105細(xì)胞/ml，最終新鮮重量為3.01g/I，而蝦青素產(chǎn)生維持在15mg/L，這表明光合成微生物可在抑制有用代謝物產(chǎn)生的條件下進(jìn)行連續(xù)生長。
在以上培養(yǎng)過程中，外套中的生物量將進(jìn)行下游過程，分離所產(chǎn)生的有用代謝物，而進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的內(nèi)核的生物量則在下一輪培養(yǎng)中用作外套的接種物。因此，內(nèi)核用新傳代的光合成微生物細(xì)胞進(jìn)行接種，而外套用前次培養(yǎng)物的內(nèi)核中生長的生物量進(jìn)行接種。因此，本光照生物反應(yīng)器和方法可以在單個(gè)生物反應(yīng)器中進(jìn)行傳統(tǒng)的兩階段培養(yǎng)過程。
工業(yè)適用性如前所述，本發(fā)明的多層光照生物反應(yīng)器和用其培養(yǎng)光合成微生物的方法可在單個(gè)生物反應(yīng)器中進(jìn)行傳統(tǒng)的兩階段培養(yǎng)過程。也就是說，具有兩個(gè)在光照生物反應(yīng)器內(nèi)部形成的分別進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長和產(chǎn)生有用代謝物的培養(yǎng)區(qū)的特征結(jié)構(gòu)的多層光照生物反應(yīng)器可通過分別進(jìn)行快速培養(yǎng)光合成微生物至高密度和產(chǎn)生有用代謝物而簡(jiǎn)化兩階段生物過程。因此，用單個(gè)光源發(fā)出的光可在光照生物反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長及產(chǎn)生有用代謝物。另外，由于不需要許多工作人員進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長及誘導(dǎo)有用代謝物的操作，因此該光照生物反應(yīng)器具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值并可減少土地成本，安裝成本，操作成本和電力成本。
權(quán)利要求
1.一種多層光照生物反應(yīng)器，其包含至少一個(gè)其中含微生物和培養(yǎng)基以進(jìn)行微生物的營養(yǎng)生長的第一培養(yǎng)區(qū)；至少一個(gè)層鄰第一培養(yǎng)區(qū)側(cè)表面且其中含有培養(yǎng)基和微生物以產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)；和一個(gè)位于第一和第二培養(yǎng)區(qū)之間以使第一和第二培養(yǎng)區(qū)彼此分離的透明分離區(qū)，其中所述第一培養(yǎng)區(qū)和第二培養(yǎng)區(qū)分別安裝在光照生物反應(yīng)器的內(nèi)部和外部，從而使照射到用于培養(yǎng)的光照生物反應(yīng)器的陽光或人工光次序穿過第二培養(yǎng)區(qū)和透明分離區(qū)而到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)；和多個(gè)作為單元模塊的光照生物反應(yīng)器進(jìn)行空間排列而得到另一個(gè)光照生物反應(yīng)器。
2.一種多層光照生物反應(yīng)器，其包含至少一個(gè)其中含微生物和培養(yǎng)基以使微生物進(jìn)行營養(yǎng)生長的第一培養(yǎng)區(qū)；至少一個(gè)層鄰第一培養(yǎng)區(qū)側(cè)表面且其中含有培養(yǎng)基和微生物以產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)；一個(gè)位于第一和第二培養(yǎng)區(qū)之間以使第一和第二培養(yǎng)區(qū)彼此分離的透明分離區(qū)；和一個(gè)光照射單元以對(duì)光照生物反應(yīng)器中的微生物提供光能量；其中第一培養(yǎng)區(qū)不與光照射單元接觸，而第二培養(yǎng)區(qū)與光照射單元接觸，由此使從光照射單元發(fā)出的光次序穿過第二培養(yǎng)區(qū)和透明分離區(qū)而到達(dá)第一培養(yǎng)區(qū)；及多個(gè)作為單元模塊的光照生物反應(yīng)器進(jìn)行空間排列而得到另一個(gè)光照生物反應(yīng)器。
3.權(quán)利要求2中的光照生物反應(yīng)器，其中所述產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)形成于光照生物反應(yīng)器的最外表面，因此陽光照射到光照生物反應(yīng)器最外表面的第二培養(yǎng)區(qū)。
4.權(quán)利要求2或3中的光照生物反應(yīng)器，其中所述光照射單元是選自由熒光燈，鹵素?zé)?，光纖，氖管和發(fā)光二極管組成的組的一個(gè)或多個(gè)。
5.權(quán)利要求2或3中的光照生物反應(yīng)器，其中所述光照射單元包含多個(gè)單獨(dú)操作的獨(dú)立單元。
6.權(quán)利要求1或2中的光照生物反應(yīng)器，其中所述光照生物反應(yīng)器具有一種形狀，其選自由矩形平板形，圓柱形，管形和其他三維形狀組成的組。
7.權(quán)利要求1或2中的光照生物反應(yīng)器，其另外包含氣體注入單元以將氣體注入第一和第二培養(yǎng)區(qū)。
8.權(quán)利要求1或2中的光照生物反應(yīng)器，其中將用于機(jī)械攪拌的轉(zhuǎn)子或磁力攪拌器置于第一和第二培養(yǎng)區(qū)。
9.權(quán)利要求1，2和6中任一項(xiàng)的光照生物反應(yīng)器，其中所述光照生物反應(yīng)器以一維，二維或三維連續(xù)排列的方式排列。
10.權(quán)利要求1或2中的光照生物反應(yīng)器，其中所述光照生物反應(yīng)器以分批式培養(yǎng)，連續(xù)式培養(yǎng)或補(bǔ)料分批式培養(yǎng)的方式操作。
11.權(quán)利要求1或2中的光照生物反應(yīng)器，其中所述光照生物反應(yīng)器安裝溫度控制單元和遮光單元。
12.權(quán)利要求11中的光照生物反應(yīng)器，其中所述溫度控制單元是熱交換器，溫度調(diào)節(jié)循環(huán)器或噴霧器。
13.一種培養(yǎng)光合成微生物的方法，包含向第一培養(yǎng)區(qū)接種光合成微生物以進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長，向第二培養(yǎng)區(qū)接種光合成微生物以產(chǎn)生有用代謝物，其中所述第一和第二培養(yǎng)區(qū)安裝在權(quán)利要求1或2的光照生物反應(yīng)器中(步驟1)；對(duì)所述第二培養(yǎng)區(qū)照射光以增殖光合成微生物(步驟2)；和從所述第一和第二培養(yǎng)區(qū)中收獲培養(yǎng)的光合成微生物(步驟3)。
14.一種培養(yǎng)光合成微生物的方法，包含將通過分批式培養(yǎng)在進(jìn)行營養(yǎng)細(xì)胞生長的第一培養(yǎng)區(qū)中生長的光合成微生物轉(zhuǎn)移到第二培養(yǎng)區(qū)以產(chǎn)生有用代謝物，其中所述第一和第二培養(yǎng)區(qū)安裝在權(quán)利要求1或2的光照生物反應(yīng)器中，和將新傳代培養(yǎng)的光合成微生物細(xì)胞注入到第一培養(yǎng)區(qū)(步驟1)；對(duì)所述第二培養(yǎng)區(qū)照射光以增殖光合成微生物并積累有用代謝物(步驟2)；和從所述第二培養(yǎng)區(qū)收獲光合成微生物并通過將所有或部分生長在第一培養(yǎng)區(qū)的光合成微生物轉(zhuǎn)移到第二培養(yǎng)區(qū)而重復(fù)步驟2和3(步驟3)。
15.一種用權(quán)利要求1或2的光照生物反應(yīng)器培養(yǎng)光合成微生物的方法，包含選擇性地向光照生物反應(yīng)器的第一或第二培養(yǎng)區(qū)供給已在用光照生物反應(yīng)器培養(yǎng)時(shí)隨時(shí)間而耗盡的營養(yǎng)物質(zhì)。
16.權(quán)利要求13或14的方法，其中，在步驟2中，最初以能夠形成光合成微生物營養(yǎng)生長最佳條件的強(qiáng)度提供光直至光合成微生物達(dá)到靜止期，然后以能夠形成適于產(chǎn)生有用代謝物的脅迫條件的強(qiáng)度提供光。
17.權(quán)利要求14的方法，其中，在步驟3中，光合成微生物通過蠕動(dòng)泵或大氣壓力傳送。
18.權(quán)利要求14的方法，其中，在步驟4中，將光控制在能夠形成適于產(chǎn)生有用代謝物的脅迫條件的強(qiáng)度。
19.權(quán)利要求13的方法，其中光合成微生物選自由紅球藻、杜氏藻、綠球藻、小球藻、傘藻、微囊藻、念珠藻和顫藻組成的組。
全文摘要
公開一種能夠產(chǎn)生有用代謝物同時(shí)伴隨光合成微生物營養(yǎng)生長的多層光照生物反應(yīng)器，其包括含微生物及培養(yǎng)基以使微生物進(jìn)行營養(yǎng)生長的第一培養(yǎng)區(qū)(2)，及層鄰第一培養(yǎng)區(qū)側(cè)表面并含有培養(yǎng)基和微生物以產(chǎn)生有用代謝物的第二培養(yǎng)區(qū)(1)。這兩個(gè)培養(yǎng)區(qū)用一個(gè)透明的分離區(qū)彼此分離，使對(duì)于誘導(dǎo)有用代謝物產(chǎn)生的足夠強(qiáng)的光照射第一培養(yǎng)區(qū)，當(dāng)光通過第一培養(yǎng)區(qū)到達(dá)第二培養(yǎng)區(qū)時(shí)，光強(qiáng)度衰減到適于微生物生長的水平。而且，本發(fā)明公開了一種用該光照生物反應(yīng)器培養(yǎng)光合成微生物的方法。
文檔編號(hào)C12M1/14GK1697875SQ200480000700
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2004年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月16日
發(fā)明者李哲均, 徐印秀, 朱賢娜 申請(qǐng)人:仁菏大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)