光生物反應(yīng)器內(nèi)設(shè)LED光源的特性研究

1、光生物反應(yīng)器內(nèi)設(shè)led光源的特性研究3徐明芳(暨南大學(xué)生物工程系，廣州,510632)摘 要 從led集成光電板的光電特性光熱效應(yīng)光衰減性光輻射特征與植物和藻類光 吸收特征的相匹配性及l(fā)ed輻射單色光對螺旋藻的光合色素含昴的影響等幾方面，分析莎 究了 led集成光電板作為光生物反應(yīng)器內(nèi)部光源的特性及可行性，研究結(jié)果表明,led集成 光電板作為光生物反應(yīng)器的內(nèi)部光源，它所發(fā)射的單色光譜紅光(66()68() nm藍(lán)光(430 450 nm)，不僅能覆蓋植物和藻類光合作用所需要吸收的光譜能帶，促進(jìn)葉綠素a對光能的吸 收和螺旋藻的生長，增強光合作用，使細(xì)胞生物昴與光合色素含昴顯著提高；而且不被吸收笊

2、 光譜減少,節(jié)能達(dá)38175 %，無疑它將是光生物反應(yīng)器潛在最有效的光源。矢鍵詞led集成光電板光生物反應(yīng)器特性光生物反應(yīng)器主要指用于高細(xì)胞密度培 養(yǎng)光合生物的一種封閉式反應(yīng)體系。從國內(nèi) 外硏究資料分析表明i ,封閉式光生物反應(yīng) 器按其接受光的形式分為兩類，一是采用外 部光源例如全光譜太陽光泠白熒光燈高壓 汞燈等的反應(yīng)器，細(xì)胞對光能的吸收和轉(zhuǎn)化 受反應(yīng)器采光表面積液層厚度細(xì)胞濃度、 混合多因素影響，尤其是在自然光照條件下， 溫度和光照強度隨地域季度晝夜變化，嚴(yán) 重影響細(xì)胞對光能吸收和生物重的生長，如 何控制光強和溫度是室外光生物反應(yīng)器大規(guī) 模培養(yǎng)微藻的矢鍵之一。另一類是采用外用 鹵素光源，通過

3、光纖傳輸及光分散系統(tǒng)作艾 內(nèi)部光源的反應(yīng)器，但在反應(yīng)器內(nèi)外部各匝 加一套復(fù)雜光照系統(tǒng)，使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜尼 而生產(chǎn)成本高。目前阻礙封閉式光生物反應(yīng) 器對光合自養(yǎng)藻類和植物細(xì)胞及光合微生牧 培養(yǎng)的主要問題是能耗大成本高，因此大煩 模培養(yǎng)光合微生物和植物細(xì)胞面臨一個中尤 問題是如何利用最有效的光能促進(jìn)生長的培 養(yǎng)方式，而有效光源的選擇和研制則是多種 類型光生物反應(yīng)器研制成功的矢鍵所在2 o 本研究以led發(fā)光二級管集成光電板為基 礎(chǔ)，研究其特性及應(yīng)用可行性，為光生物反應(yīng) 器的研制奠定基礎(chǔ)。1實驗材料與研究方法111實驗材料11111藻種鈍頂螺旋藻(spirulina platensis)由深 圳農(nóng)科

4、中心螺旋藻養(yǎng)殖基地提供。11112合成培養(yǎng)液本研究對zcirrouk3標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)液配方進(jìn) 行調(diào)整，修正的培養(yǎng)液由ndhcxwnazcos 緩沖液，取代標(biāo)準(zhǔn)配方中唯一碳源na hco3 使螺旋藻最適生長的ph值控制在91091f 之間。11113螺旋藻接種物的一級培養(yǎng)取3 l容量的玻璃瓶若干個，以1 %的接 種物在2l修正zarn)uk培養(yǎng)液中，溫度 30 °c,光輻射強度40 w/ m2，連續(xù)光照培養(yǎng) 10 d后，制成濃藻液以便進(jìn)行光生物反應(yīng)器 擴大培養(yǎng)。112實驗設(shè)施11211光輻射板式生物反應(yīng)器的研制內(nèi)設(shè)l ed集成光輻射板光輻射板式生 物反應(yīng)器，是由多塊l ed集成光電板固定在

5、光生物反應(yīng)器內(nèi)側(cè)，作為內(nèi)部光源發(fā)射中心 使均勻的光能極大透過發(fā)光表面直接照射在 淺層藻液上。采光表面積與體積比64 nv 1 , 總體積8 l，有效裝液體積6 l。11212 led集成光電板的研制經(jīng)多次匹配和優(yōu)選的優(yōu)質(zhì)led管和特制的電路板與電源偶合后，研制led集成光 電板，發(fā)射光譜為660680 nm紅光，及430 450 nm藍(lán)光,在一定的電壓范圍內(nèi)，光輻 射強度(i)在2080 w/ m2調(diào)節(jié)。113測試與分析計算方法11311藻的比生長速率“測定接種后的藻液，每隔24 h，在560 nm f測定藻懸浮均質(zhì)液的光密度值，以培養(yǎng)液作 空白對照，由藻的光密度值與藻生物暈的換 算矢系

6、76;，按vonshak5方法,計算藻的比生 長速率“。11312螺旋藻葉綠素a和光合色素含量的 測定螺旋藻葉綠素a含量可根據(jù)myers and kratz6方法，采用(beckman du27)掃描分 光光度計，在663 nm測定其光吸收值，以純 葉綠素 a (sigma chemical co mpany)做標(biāo)淮 曲線對照。藻膽素和胡蘿卜素色素含量及定 性檢測可根據(jù)braumann and grim me7戈 法，采用(perkin elmer series 4 ,r2sil ci8 coll umn)高壓液相色譜儀hplc,及uv - vis 分光光度計衽445 nm處測定，并以sigm

7、a標(biāo) 樣作對照。11313藻膽蛋白質(zhì)含量測定根據(jù)gazer8等的方法，用島津160a型 紫外2可見分光光度計，在波長620 58() nm 下測定光密度值并計算藻膽蛋白的含量。 11314其它參數(shù)測定led集成光電板輻射光譜特征測定：采用付里葉變換光譜儀(ftir) (170sx 美國nicolet)測定。光輻射強度的測定:采用tq8210型帶 傳感器的光輻射強度測定儀(日本advantest 株式會社)測定。細(xì)胞干重測定：取15 ml培養(yǎng)樣品纟 稱重的濾紙(0145“ , millipom)過濾，在70 °c 真空干燥過夜電路(na pco sci, cbl tuala： tion

8、 , oregon ,usa)，冷卻至室溫稱重。藻的吸收光譜測定：采用360型雙波長 雙光束分光光度計(hi tach i)測定液氮低 溫下藻的吸收光譜。2結(jié)果和討論211 led集成光電板的光電特性能將電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)光二級管 (light emitting diode 簡稱 led)是一種能在 可見光，紅外范圍內(nèi)，通過p2n結(jié)或異質(zhì)結(jié) 注入，由自發(fā)輻射非相干光的固體發(fā)光器占 其它發(fā)光器相比，它具有體積小，功耗低，響 應(yīng)速度快,發(fā)光單色性好，可靠性高，機械怙 能好，易集成,壽命長等特性。為充分利托 l ed的特性，并拓寬其在生物工程領(lǐng)域的應(yīng) 用范圍，本研究采用led集成光電板作為光 生物反

9、應(yīng)器的內(nèi)部光源。對于具有相同數(shù)目led管數(shù)，集成在不 同設(shè)計的電路板上，其電壓與發(fā)光輻射強艮 具有明顯的差異性，結(jié)果如圖1所示。從圖 1可知，當(dāng)電壓在1030 v范圍內(nèi)，由于電 路板的設(shè)計不同，在相同的電壓和led管數(shù) 時，利用a b 2種電路設(shè)計的光電板，其吮 輻射強度隨電壓不同而變化，當(dāng)電壓不斷增 加時，盡管兩者光輻射強度都有增大趨勢，佢 在相同電壓下，光輻射強度有顯著差異性；此 外，圖1結(jié)果還說明，led集成光電板的1e 向起動電壓不低于16v ,否則led光電板能 光輻射強度兒乎為零，在本設(shè)計中，當(dāng)電壓逐 漸達(dá)到24v后，光輻射強度隨電壓的加強 其增強幅度增大，當(dāng)電壓超過30 v以上，

10、光 輻射強度顯著增強并趨向最大，達(dá)到36 v機 限以后，再繼續(xù)增加電壓,led光電板的吮 輻射強度將迅速降為零(圖1未示出)，表明led管被咼壓擊穿而燒毀。由此可知,led 光電板的光輻射強度，由于電路板的設(shè)計不 同，在一定條件下，受光源電壓的控制，因此 通過電壓的有效調(diào)節(jié)作用，可很方便地將光 輻射強度控制在一定范圍內(nèi)。圖1 led集成光電板輻射光強度 與電壓的矢系90807060504030202 0電澹電壓/v2.2 led集成光電板的發(fā)射光譜特征與植 物和微藻光合吸收光譜的相匹配性2.2.1螺旋藻微藻光合吸收光譜特征在日光燈(fl)全光譜(400700 nm)和led光電板輻射的紅(66

11、0 nm)藍(lán)(430 nm) 雙光下，螺旋藻的液氮低溫吸收光譜如圖2 所示。生長在日光燈光和led紅藍(lán)雙光下， 螺旋藻中光合色素葉綠素a (436 -667 nm)、 類胡蘿卜素(435 nm)及藻膽素(6106301.0 -0.9 葉規(guī)素8和売胡蓼卜貴7 6 5 4 3 o.o.o.o.o.0.8 - a橐430600660波長/nm圖2螺旋藻色素的吸收光譜圖nm)有相同的吸收峰,但藻絲生長在led紅 藍(lán)雙光下,類胡蘿卜素 葉綠素a及藻膽素的 的光合成有效光量子數(shù)明顯高于日光燈(見 表1)，它能極大地促進(jìn)藻細(xì)胞對紅藍(lán)雙光笊 有效吸收和傳遞。從光合色素的吸收光譜特 征可知，葉綠素的吸收光譜特征

12、主峰位于叵 見光的藍(lán)區(qū)和紅區(qū)，并以66()68() nm紅光 效率最高° 。光源消耗 電力 w/m2光輻射強度 (35v) w/ m 2光照度lx光合成有效 光呈子 “mol/ m2s白色日光燈組(fl)紅光led管1601513418083112集成光電板9859163510323181紅藍(lán)雙光l ed集成光電板11668193679374133表1 led集成光電板與全光譜冷白日光燈 (fl)等光源特性比較2.2.2 led集成光電板輻射光質(zhì)對螺旋藻 光合色素的影響l ed光輻射強度及光質(zhì)對光合色素供 影響如表2所示。采用單色紅光及紅藍(lán)雙光 l ed集成光輻射板與白色日光燈光組相

13、比， 在相同的光輻射強度下(50 w/n?)，藻膽螢 白、藻細(xì)胞干重及葉綠素a分別增加 43138% 98140% 47183%,而采用紅藍(lán)光 l ed集成光輻射板，各項光合色素含量顯筆 增加。光不僅促進(jìn)光合作用的需能反應(yīng)，同旳 通過光質(zhì)調(diào)節(jié)和影響葉綠體的代謝和葉綠素 的能量狀態(tài)。在大多數(shù)植物體合成過程中， 能通過改變光質(zhì)進(jìn)行代謝過程調(diào)控，光質(zhì)呈 光合產(chǎn)物有密切的矢系19 。由表2可知，三 白色日光燈組相比丄ed集成光電板輻射紅 光及紅，藍(lán)組合雙波長光非常適合藻的生長 并促進(jìn)細(xì)胞干重 葉綠素 藻膽蛋白的增加 實驗結(jié)果說明，紅光是植物進(jìn)行光合作用最 有效的光，因此在紅光下生長的螺旋藻光臺 效率高

14、，能產(chǎn)出更多的光合產(chǎn)物，細(xì)胞生長 快.干物睛稅參 .才苴鳧加強眩并作甲.中光源紅光led集成光輻射板白色【光燈光組紅藍(lán)光l ed集成光輻射板光輻射強度/ wm2255025502550葉綠素a干重/ mgg * 1161821419611156101121813417116藻膽蛋白干fi/ mgg - 1186156236.82136124165116265187294189湖蘿卜干細(xì)胞干重/gl1115116911281178114111921.562.480.951.251.892.8921213 led集成光電板輻射光譜特征采用紅 藍(lán)led管集成光電板作為內(nèi)卻 光源，與冷白色日光燈發(fā)射的

15、光譜相比，其發(fā) 射光譜特征如圖3所示。由圖3可知，白色 日光燈發(fā)射的光譜出現(xiàn)在45（）580 nm之披長冷圖3 led集成光電板與白色日光燈光輻射光譜間，發(fā)射的高峰區(qū)在藍(lán)光區(qū)（430450 nm）及 綠光區(qū)（57（）60（） nm）中，而對光合作用起尖 鍵作用的紅光區(qū)（610710 nm）輻射卻很低; l ed發(fā)射的窄單色紅光光譜（660680 nm） 及藍(lán)光（430450 nm），峰寬約2030 nm左 右，發(fā)射的光波長恰好與光合色素，尤其是葉 綠索a的吸收波長相匹配，這不僅能覆蓋植 物，藻類光合作用所需的光譜能帶，促進(jìn)光合 作用，而且不被吸收光譜產(chǎn)生的光熱效應(yīng)將 大大地減少,顯著降低能耗（

16、如表1所示）。 led集成單光或雙光光輻射板光源與全光 譜冷白日光燈特性相比，結(jié)果如表1所示。 l ed光輻射板所發(fā)射的光合成有效光暈子 等其它各項性能顯著優(yōu)于曰光燈組，尤其是 其消耗的電能不到普通光源的2/3 ,顯著節(jié) 能達(dá)38175 %（紅光）及27150 %（紅藍(lán)雙光）， 該實驗結(jié)果表明led集成光電板作為光生 物反應(yīng)器內(nèi)部光源具有顯著的優(yōu)越性。2.3 led集成光電板的光熱效應(yīng)在螺旋藻（最適溫度2535 q的培養(yǎng) 過程中，溫度是保證生物體酶活性的重要條 件,而當(dāng)環(huán)境溫度一定時，通氣帶入的熱量及 藻對基質(zhì)的利用產(chǎn)熱是有限的，因此，在光生 物反應(yīng)器中，led集成光電板作為內(nèi)部光 源，其所釋

17、放的光能部分用來合成atp、 nadp高能化合物，滿足螺旋藻生長代謝及 產(chǎn)物合成的需要，其余部分則以熱的形式敬 發(fā)在培養(yǎng)液中，形成光輻射熱，這將是影響洸 生物反應(yīng)器中溫度的主要因素。在實驗中，以水為介質(zhì)，室溫下,當(dāng)通氣 速率維持在01438 m3/ h，平均雷諾數(shù)re為2 000時，反應(yīng)器中心點的平均溫度（t）與吮 輻射強度（u及環(huán)境溫度（ta）之間的罷系 如圖4所示。從圖4中看出，這是一組具走 相同斜率，不同截距的平行線性組,由實驗數(shù)0102030405()607()80圖4溶液溫度在穩(wěn)態(tài)時與光輻射強度的矢系據(jù)經(jīng)線性回歸分析，得到經(jīng)驗矢聯(lián)式為:t =ta + 01286/c= 019998）

18、,在穩(wěn)定狀態(tài)下，反應(yīng)器中心點平均溫度（門與光輻射強度(hj線性相尖,當(dāng)光輻射強度一定時，反應(yīng) 器溫度則主要受環(huán)境溫度的影響，這個結(jié)論 對反應(yīng)器的溫度控制具有重要的現(xiàn)實意義。2.4 led集成光電板輻射光的衰減性在一定條件下，光衰減與細(xì)胞濃度及光 傳播的距離間的尖系，由/(a) = /«(a) exp (_ ka (a) pc) lambert - beer* s 定律表 達(dá)，經(jīng)變換為 at = l n io (a)/ i (a) = ka (入) pc,式中p是光傳播的距離，心(入)為特 定波長時衰減系數(shù),c為細(xì)胞濃度，光衰減性(aj與細(xì)胞濃度(c丿及光照表面垂直方向上傳播距離(戸之

19、間的矢系如圖5圖6所示。由圖5結(jié)果表明，在l ed單光波長(660 nm)0 1111111111u012345豪生豹童恢度/r/圖5光衰減(兒:ln( / /«)與藻生物量(c丿的矢系光傳抵距高圖6光衰減(at:ln(/o)與 光傳播距離(p丿的矢系 下，光輻射強度在光照表面垂直方向上的傳 播，隨著濃度及光傳播距離的增加而顯著陰 低，距離光照表面越遠(yuǎn)，藻細(xì)抱濃度越大，光 的衰減越厲害，這表明在光照表面垂直方向 上和培養(yǎng)液中，存在光分布不均勻現(xiàn)象，從而 導(dǎo)致藻體受光不均。在光傳播路徑一定時 光衰減性(a i)隨不同的濃度而變化，當(dāng)藻生 物暈濃度低于115 g/l時，光衰減與藻生物 量

20、濃度呈線性相矢，符合lambert - beer' s 定律；而當(dāng)藻生物暈濃度高于115g/l時，貝 偏離lambert - beer's定律,呈現(xiàn)出非線性 相矢。這是因為在高密度藻的培養(yǎng)過程中 不可避免存在著藻體間的相互遮光效應(yīng)憑 絲體的選擇性吸收和光散射現(xiàn)象，因而導(dǎo)致 光在藻液中的光衰減性與藻生物量濃度的非 線性相矢性"。由于l ed制造工藝決定具 光散射角很小，光輻射傳播方向是垂直法向 發(fā)光，光聚集度高穿透性強，當(dāng)藻細(xì)胞的濃茂 控制在一定范圍內(nèi)，就能減少藻體間的相互 遮光效應(yīng)及散射現(xiàn)象，從而能有效地控制光 衰減對高細(xì)胞密度培養(yǎng)的影響。參考文獻(xiàn)1徐明芳，郭寶江水產(chǎn)

21、學(xué)報,1998, 22(2): 1801702徐明芳，郭寶江.食品與發(fā)酵工業(yè)，1998 , 24 (2) : 72793 ziirrouk c , giizer a n ph. d thesis , uni2 versily de paris. 19664 leduy a , therien n biotech, and bioeng., 1979, 19: 1 21812245 vanshak a , boussiba s, abellovich a et al. biotech, and bioeng，1983,25 :341 3496 myers j , kratz w a j. gen

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23、symp. ,1983.13: 331 350the studies on characteristics of led integrated photo2panelas interior hluminant of photobioreactorxu mingfang(department of bioengineering jinan university , guangzhou , 510632)abstract this thesis analyze and investigate the property and feasibility of led integratec photop

24、anel as interior illuminant of p ho to bio reacto r based on photoelect ricity , light attenuation light2heat effect to l ed integrated photo board , matching property between radiatio n of l ed anc absorption band of plant or algae , the effect of the led emiting monochromic light on photosym theti

25、c pigment content of spirulina platensis the research results indicate that led integrated photopanel as interior illuminant ,which emit monochromic light such as red light (660680 nm) and blue light ( 430450 nm) ,not only cover with spectrums absorbed by the plant or algae foi photosynthesis, enhan

26、ce the light energy absorbed by chlorophyll a and the growth of spirulina platensis , increase greatly microalgal bio mass and the its content of p hoto syn thetic pigments ; but also decrease eno r mo usly the absorption spect rums not need for photo synthesis , save en ergy al more than 38. 75 % .

27、 therefore , led integrated photopanel will be the best light source for the development of novel pho to bio reactor key words led integrated photopanel , pho to bio reactor property 、 spirulina platensis本期封面介紹金威啤酒公司簡介位于深圳市羅湖區(qū)布心東昌路的深圳金威啤酒 有限公司（生產(chǎn)一廠）和位于寶安區(qū)創(chuàng)業(yè)一路的金團(tuán) 啤酒釀造有限公司（生產(chǎn)二廠）主要生產(chǎn)和銷售'金 威"牌系列啤酒。2廠合計年產(chǎn)啤酒40萬i。金威啤 酒是中德釀造技術(shù)的結(jié)晶，采用世界上優(yōu)良的德國產(chǎn) 種澳洲優(yōu)質(zhì)麥芽土等大米和優(yōu)質(zhì)酒花釀制而成，具 有國際淡爽型風(fēng)味,產(chǎn)品暢銷國內(nèi)20多個省市和港 澳地區(qū)及東南亞等地。目前生產(chǎn)的金威系列產(chǎn)品有： 特醇庁普通12淸爽11°金香1嘛裝及易拉罐 裝；瓶裝純生啤及桶裝生啤等。金威啤酒還被指定艾 人民大會堂國宴特供酒。生產(chǎn)一廠于1999年投產(chǎn)，占地10萬m