螺旋藻高细胞密度培养装置的设计及培养条件优化

摘要

综合比较了用于藻类培养的各种光生物反应器的主要类型并阐明其研究现状，根据其设计思想和设计原则设计了一套垂直板式气升式光生物反应器，容积为10.0L，长×宽×高为320mm×80mm×390mm。介绍了在微生物培养基及工艺条件中经常采用的优化方法，并首次选取响应曲面法(Response Surface Methodology，RSM)对螺旋藻的培养条件进行优化，以验证所设计的反应器是否适合螺旋藻的生长，能否提高螺旋藻的培养产率。 反应器的验证实验包括光合自养法和混合营养法培养螺旋藻。采用光合自养法时，利用响应曲面法对影响藻体生长的几个主要因子，即光照强度(A)、通气量(B)、培养时间(C)和装液量(D)进行最佳水平优化，并得到以藻体干重(DW)为响应值，光照强度、通气量、培养时间和装液量为自变量的二次多项式数学模型：DW=1.25+0.096A+4.792E-003B+0.039C-9.792 E-003D+3.125 E-004AB-0.018AC+1.688 E-003AD+6.250 E-005BC+5.625 E-004BD+4.375 E-004CD-0.1A<'2>-0.057B<'2>-0.024C<'2>-0.033D<'2>对该模型求导，当光照强度、通气量、培养时间和装液量取最佳水平时，藻体干重最大预测值为1.277g/L,模型验证实验证明该模型有很好的实际指导意义。 在光合自养法培养条件优化的基础上，进行螺旋藻混合营养培养实验研究。首先采用单因子实验，确定能促进藻体生长的营养物质是葡萄糖、醋酸钠、硝酸钠、硝酸铵、维生素B<,1>和维生素B<,12>；使用因子分析设计进一步筛选出对藻体干重影响显著的因子为葡萄糖、硝酸铵和维生素B<,1>：然后利用响应曲面法对葡萄糖(A)、硝酸铵(B)和维生素BM<,1>(C)进行最佳水平优化，得到以藻体干重为响应值，葡萄糖、硝酸铵和维生素B<,1>为自变量的二次多项式数学模型：DW=1.66-0.067A<'2>-0.04B<'2>-0.011C<'2>+8.250E<'2>-003AB-8.500E-003AC-1.750E-003BC-0.066A<'2>-0.042B<'2>-7.909E-003C<'2>对该模型求导，当葡萄糖、硝酸铵和维生素B<,1>为取最佳水平时，藻体干重最大预测值为1.688g/L，模型验证实验证明模型有很好的实际指导意义。最后对营养成分的补加周期进行了研究，实验结果表明以48h为补加周期时藻体干重达到1.822g/L。比光合自养法培养螺旋藻时藻体干重提高了42.68％，比室外开放式培养提高了3倍多。 验证实验结果表明，所设计的反应器非常适合螺旋藻的生长，且能明显提高其培养产率。同时，响应曲面法优化藻体培养条件过程新颖、科学，所得模型具有较好的实际指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

引言

1.1螺旋藻的研究现状

1.2藻类光生物反应器的发展状况及主要类型

1.2.1开放式光生物反应器

1.2.2封闭式光生物反应器

1.2.3半封闭式温室

1.3螺旋藻培养方法

1.3.1光合自养型

1.3.2营养缺陷型

1.3.3混合营养型

1.3.4异养型

1.4立题背景与研究内容

1.4.1立题背景、目的及意义

1.4.2研究内容

第二章气升式光生物反应器的设计思想及研制

引言

2.1藻类气升式光生物反应器的设计思想

2.1.1光源设计

2.1.2碳源供应

2.1.3防止溶解氧过饱和

2.1.4长期连续稳定运转

2.2气升式藻类光生物反应器的研制

2.2.1反应器的主体尺寸

2.2.2反应器的光照系统

2.2.3反应器的气体循环系统

2.2.4其它

2.3反应器的总体结构

2.4螺旋藻培养工艺流程

2.5本章小结

第三章实验设计及数据处理软件

引言

3.1实验设计

3.1.1单因子实验(Single-Factor Experiment)

3.1.2因子分析设计(Factional Factorial Design，FFD)

3.1.3正交设计(Orthogonal Array Design，OAD)

3.1.4均匀设计(Uniform Design)

3.1.5球面设计(Spherical Symmetric Design，SSD)

3.1.6响应曲面法(Response Surface Methodology，RSM)

3.1.7其它设计

3.2数据处理

3.2.1 SAS

3.2.2 JMP

3.2.3 Design Expert

3.2.4 SPSS

第四章材料与设备

4.1材料

4.1.1实验藻种

4.1.2培养基

4.1.3其它试剂

4.2主要仪器设备

4.3反应器验证实验方法

4.3.1采用光合自养法培养螺旋藻验证所设计的反应器

4.3.2采用混合营养法培养螺旋藻验证所设计的反应器

4.4分析测定

4.4.1生物量的测定

4.4.2葡萄糖残量测定

4.4.3其它数据的测定

第五章气升式光生物反应器的验证实验

引言

5.1采用光合自养法对反应器进行螺旋藻培养验证实验

5.1.1接种量优化实验

5.1.2培养条件优化实验

5.1.3模型验证实验

5.2光合自养法验证实验结果与讨论

5.2.1接种量对藻体平均比生长速率的影响

5.2.2藻体干重数学模型的建立及显著性检验

5.2.3用响应曲面法分析各因子对藻体生长的影响

5.2.4模型验证实验

5.2.5培养条件优化后藻体的生长曲线和培养液pH值变化曲线

5.3采用混合营养法对反应器进行螺旋藻培养验证实验

5.3.1单因子实验

5.3.2因子筛选实验

5.3.3营养成分配方优化实验

5.3.4模型验证实验

5.3.5光照强度的优化研究

5.3.6营养成分的不同补加周期优化研究

5.4混合营养法实验结果与讨论

5.4.1不同营养成分对藻体干重的影响

5.4.2因子筛选

5.4.3藻体干重数学模型的建立和显著性检验

5.4.4用响应曲面法分析各因子对藻体生长的影响

5.4.5模型验证实验

5.4.6不同光照强度对藻体干重的影响

5.4.7营养成分不同补加周期对藻体干重的影响

5.5本章小结

第六章结论与展望

前言

6.1结论

6.1.1反应器设计

6.1.2验证实验培养条件优化

6.2展望

参考文献

致谢

论文发表情况

附录