模拟微重力效应反应器的研制及对螺旋藻培养的研究

论文摘要

本研究根据螺旋藻的生长特性,结合各种比较成熟的回转器和光生物反应器类型,根据其设计思想和设计原则设计了一模拟微重力效应反应器,容积为400mL,高径比H/D=2,相应尺寸为H=12.8cm,D=6.4cm,玻璃材料厚度为5mm,培养容器绕着水平轴旋转。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—响应曲面法（RSM）,并选取此法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,即转速（A）、培养时间（B）和光照强度（C）进行最佳水平优化,并得到以藻体干重（DW）为响应值,转速、培养时间和光照强度为自变量的二次多项式数学模型:DW=-1.62+0.084A+0.18B+6.732E-004C+5.750E-003AB-7.500E-007AC+2.125E-005BC-6.164E-003A2-0.01582-1.256E-007C2对该模型求导,当转速、培养时间和光照强度取最佳水平时,即转速11rpm,培养时间10d和光照强度3500lx,藻体干重最大预测值为1.02g/L,模型验证实验证明该模型有很好的实际指导意义。在最优反应器操作参数下,对螺旋藻进行混合营养培养。实验选取了对螺旋藻有显著影响的2种成分进行培养研究,即抗氧化剂Na2S2O3和有机底物葡萄糖。得到当分别单独添加Na2S2O3和葡萄糖时,藻体干重最大时的Na2S2O3和葡萄糖最佳浓度分别为1.0g/L和2.0g/L。通过实验验证:当同时添加Na2S2O3和葡萄糖时,其最佳的浓度仍分别为1.0g/L和2.0g/L,培养9d时藻体干重可达1.39g/L,是大规模培养的2.78倍,可以看出很大程度上促进了藻体干重的提高。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。从而为探索螺旋藻在航天领域的应用,提供了一定理论数据和实验数据。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1 螺旋藻产业的发展现状
• 1.2 藻类光生物反应器的发展状况及主要类型
• 1.2.1 发酵罐式光生物反应器
• 1.2.1.1 轴心式光生物反应器
• 1.2.1.2 搅拌罐式光生物反应器
• 1.2.1.3 气旋式光生物反应器
• 1.2.2 管式光生物反应器
• 1.2.3 板式光生物反应器
• 1.2.4 其他类型的光生物反应器
• 1.2.4.1 溢流喷射光生物反应器
• 1.2.4.2 气升式循环磁处理光生物反应器
• 1.2.4.3 光纤光生物反应器
• 1.3 螺旋藻的营养类型
• 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 模拟微重力效应概述
• 1.4.2.1 空间飞行的微重力
• 1.4.2.2 地面微重力条件
• 1.4.2.3 低重力效应的模拟
• 1.4.2.4 微重力效应的模拟
• 1.4.3 本课题研究思路及内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 模拟微重力效应反应器的设计思想及研制
• 引言
• 2.1 模拟微重力效应反应器的研制思想
• 2.1.1 回转器的工作原理
• 2.1.2 回转器的转动构型
• 2.1.3 回转器的型式
• 2.1.4 回转器的工作条件
• 2.1.5 回转器的特点
• 2.1.6 回转器的应用
• 2.2 模拟微重力效应反应器的研制
• 2.2.1 反应器的主体设计
• 2.2.2 反应器的光照系统
• 2.3 模拟微重力效应反应器内的物理学环境
• 2.3.1 临界速度和剪切力
• 2.3.2 由于重力矢量径向和切向分量引起的科氏螺旋线
• 2.4 模拟微重力效应反应器的特点
• 2.4.1 微重力环境
• 2.4.2 三维的生长空间和高效的物质传递
• 2.4.3 零顶空间和低剪应力
• 2.5 模拟微重力效应反应器的总体结构
• 2.6 本章小结
• 第三章 材料与设备
• 3.1 材料
• 3.1.1 实验藻种
• 3.1.2 培养基
• 3.1.2.1 基础培养基
• 3.1.2.2 复合培养基
• 3.1.3 其它试剂
• 3.2 主要仪器设备
• 3.3 反应器验证实验方法
• 3.3.1 采用光合自养法培养螺旋藻验证所设计的反应器
• 3.3.2 采用混合营养法培养螺旋藻验证所设计的反应器
• 3.4 分析测试方法
• 3.4.1 生物量的测定
• 3.4.2 螺旋藻生长测定
• 3.4.3 螺旋藻干重-光密度曲线的绘制
• 3.4.4 pH值测定
• 3.4.5 光强度的测定
• 3.4.6 培养液污染检查
• 3.4.7 葡萄糖含量的测定
• 3.4.7.1 硫酸-苯酚法
• 3.4.7.2 3,5—二硝基水杨酸法（DNS法）
• 3.4.8 硫代硫酸钠含量的测定
• 3.5 本章小结
• 第四章 模拟微重力效应反应器的验证试验
• 引言
• 4.1 采用光合自养法对反应器进行螺旋藻培养验证实验
• 4.1.1 接种量优化实验
• 4.1.2 培养条件优化实验
• 4.1.3 模型验证实验
• 4.2 光合自养法验证实验结果与讨论
• 4.2.1 接种量对藻体平均比生长速率的影响
• 4.2.2 藻体干重数学模型的建立及显著性检验
• 4.2.3 用响应曲面法分析各因子对藻体生长的影响
• 4.2.4 模型验证实验
• 4.3 采用混合营养法对反应器进行螺旋藻培养验证实验
• 4.4 混合营养法实验结果与讨论
• 2S₂O₃最佳浓度的确定'>4.4.1 复合培养基中Na₂S₂O₃最佳浓度的确定
• 2S₂O₃对螺旋藻混合营养培养的影响'>4.4.2 Na₂S₂O₃对螺旋藻混合营养培养的影响
• 4.4.2.1 螺旋藻混合营养培养最佳葡萄糖浓度的确定
• 2S₂O₃浓度的确定'>4.4.2.2 螺旋藻混合营养培养最佳Na₂S₂O₃浓度的确定
• 4.4.2.3 螺旋藻混合营养培养的验证实验
• 4.5 不同类型培养装置的螺旋藻培养特性研究
• 4.5.1 螺旋藻生长趋势和生物量对比
• 4.5.2 藻体形态对比
• 4.6 本章小结
• 4.6.1 反应器操作参数的确定
• 4.6.2 混合营养培养螺旋藻
• 4.6.3 不同培养装置对螺旋藻培养的研究
• 第五章 结论与展望
• 引言
• 5.1 结论
• 5.1.1 反应器设计
• 5.1.2 验证实验培养条件优化
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 论文发表情况
• 附录
• 图版