FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)

光養(yǎng)生物反應(yīng)器是指用于培養(yǎng)藻類、光養(yǎng)細(xì)菌等的技術(shù)系統(tǒng)，一般由培養(yǎng)系統(tǒng)（如光、培養(yǎng)容器、溫度控制等）和監(jiān)測系統(tǒng)（如PH值等）組成，可分為開放式和封閉式。廣泛應(yīng)用于生物工程領(lǐng)域如食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖、營養(yǎng)保健制劑、醫(yī)藥如抗體及抗腫瘤藥物等，生態(tài)環(huán)境工程領(lǐng)域如水體生態(tài)修復(fù)、CO2吸收、污水處理如重金屬吸收等，能源領(lǐng)域如微藻生物柴油等。同時(shí)，隨著碳排放的增加，海洋藻類對(duì)變化的響應(yīng)也逐漸成為光養(yǎng)生物反應(yīng)器應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)將生物反應(yīng)器與監(jiān)測儀器獨(dú)特地結(jié)合在一起，用于淡水、海水藻類和藍(lán)細(xì)菌（藍(lán)藻）等的模塊化精確光照培養(yǎng)與生理監(jiān)測。

FMT150可以通過控制單元（包括電腦與預(yù)裝軟件，軟件分為基本版與版）中用戶自定義程序動(dòng)態(tài)自動(dòng)改變培養(yǎng)條件并實(shí)時(shí)在線監(jiān)測培養(yǎng)條件與測量參數(shù)。光強(qiáng)、光質(zhì)、溫度和通入氣體的組分與流速都可以精確調(diào)控。加裝恒濁和恒化模塊后還可以調(diào)控培養(yǎng)基的pH值和濁度。FMT150可連接多達(dá)7個(gè)蠕動(dòng)泵進(jìn)行不同恒化與pH條件培養(yǎng)。培養(yǎng)條件可以根據(jù)用戶自定義方案動(dòng)態(tài)變化，既可以進(jìn)行恒定條件下的培養(yǎng)，也可以一定的周期自動(dòng)變化?？刂茊卧赏瑫r(shí)控制多臺(tái)FMT150進(jìn)行同步實(shí)驗(yàn)，保證不同處理實(shí)驗(yàn)間的一致性。

儀器內(nèi)置葉綠素?zé)晒鈨x和光密度計(jì)等。培養(yǎng)藻類的生長狀況由光密度計(jì)測定OD680和OD720實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可以通過OD值監(jiān)測相對(duì)葉綠素濃度。葉綠素?zé)晒鈨x實(shí)時(shí)監(jiān)測Ft并可測定F0、Fm、Fm′和QY來反映培養(yǎng)藻類的光合生理狀態(tài)。

應(yīng)用領(lǐng)域：

1.環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程——藻類的利用與有害控制

用于水體中水華和赤潮現(xiàn)象的模擬、預(yù)警FZ研究，水體污染治理與生態(tài)修復(fù)研究如利用藻類進(jìn)行水體重金屬污染及面源污染的消納研究等，大氣污染生態(tài)修復(fù)研究如利用藻類對(duì)污染排放進(jìn)行吸收的研究等，及利用藻類吸收大氣二氧化碳的研究等等。

2.生態(tài)學(xué)與生態(tài)工程

海洋初級(jí)生產(chǎn)力研究，海洋碳循環(huán)，浮游植物等光養(yǎng)生物生理生態(tài)研究，藻類對(duì)變化的響應(yīng)機(jī)制，生態(tài)毒理學(xué)研究，生物圈模擬研究，水體生態(tài)修復(fù)研究等。

3.藻類基因組學(xué)與分子生物學(xué)

為分子、基因?qū)嶒?yàn)提供可靠的預(yù)培養(yǎng)樣品，精確模擬培養(yǎng)條件，研究不同環(huán)境條件下藻類表型變化

4.生物工程與生物醫(yī)學(xué)工程

用于藻類保健營養(yǎng)品的開發(fā)研究，藻類轉(zhuǎn)基因抗腫瘤藥物的開發(fā)研究，水產(chǎn)養(yǎng)殖藻類培養(yǎng)等等。

5.生物能源開發(fā)——向藻類要能源

地球上的石油、煤炭等常規(guī)能源面臨資源枯竭及環(huán)境污染、溫室氣體排放等嚴(yán)重問題，用玉米等糧食進(jìn)行生物柴油的開發(fā)一度引起的糧食危機(jī)，目前國際上已將生物柴油的開發(fā)焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向藻類，藻類獨(dú)居植物產(chǎn)油率榜首。FMT150已成為歐美用于藻類生物能源培養(yǎng)研究的熱門設(shè)備。

主要特點(diǎn)：

·國際將藻類光生物反應(yīng)器技術(shù)與藻類生理監(jiān)測技術(shù)（葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)、光密度測量）結(jié)合起來的系統(tǒng)，集成了目前幾乎所有主要的藻類在線培養(yǎng)與生理監(jiān)測技術(shù)

·內(nèi)置雙調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x，實(shí)時(shí)監(jiān)測培養(yǎng)藻類的生理狀況，測量記錄熒光參數(shù)Ft，F(xiàn)m，QY等

·內(nèi)置光密度計(jì)，測量OD680和OD720，經(jīng)過校準(zhǔn)可計(jì)算生物量（藻類細(xì)胞數(shù)量）、葉綠素濃度

·配備氣泡阻斷閥和氣泡加濕器，使熒光和OD值的測定更加精確

·可同時(shí)測量監(jiān)測溫度、pH值、溶解氧等多種參數(shù)

·精確控制溫度、光質(zhì)、光強(qiáng)、培養(yǎng)周期等，并可進(jìn)行恒化或恒濁培養(yǎng)

·培養(yǎng)容器使用高強(qiáng)度耐熱耐腐蝕材料，可進(jìn)行高溫滅菌

·光化學(xué)光強(qiáng)度ZG達(dá)3000 umol photons m-2 s-1（藍(lán)綠藻培養(yǎng)正常光強(qiáng)為90 umol photons m-2 s-1），可升級(jí)達(dá)3000 umol photons m-2 s-1，光質(zhì)可根據(jù)用戶需求在紅光、藍(lán)光、白光中選擇單色光或雙色光，擴(kuò)展光源中還可以加入紅外光

·氣流速率、CO2及O2濃度可精確控制

·可通過專用的電腦軟件實(shí)現(xiàn)外部控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測和保存，操作簡單

技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

1.測量參數(shù)：

1）葉綠素?zé)晒鈪?shù)：暗適應(yīng)條件下F0, Fm, Fv(Fm-F0), QY(Fv/Fm)，光適應(yīng)條件下Ft, Fm‘, Fv‘(Fm‘-Ft), QY(ΦPSII即量子產(chǎn)額)

2）光密度：OD680、OD720

3）環(huán)境參數(shù)：溫度、光照強(qiáng)度、pH、溶解氧（選配）、溶解CO2（選配）

2.調(diào)控環(huán)境參數(shù)：溫度、光強(qiáng)、通氣速度、通入氣體組分與含量（需選配GMS高精度氣體混合系統(tǒng)）、恒化（恒定pH）培養(yǎng)與恒濁（恒定OD）培養(yǎng)（需選配相應(yīng)模塊），所有參數(shù)都可以單獨(dú)同步控制。

3.容積：400 ml/1000 ml/3000ml可選

4.溫度精確控制范圍：400 ml/1000 ml標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)容器18 - 55℃，3000ml標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)容器18 - 55℃， 400 ml增強(qiáng)培養(yǎng)容器5 - 75℃，1000 ml/3000 ml增強(qiáng)培養(yǎng)容器10 - 75℃（實(shí)際控溫效果與環(huán)境溫度有關(guān)）

5.控溫系統(tǒng)：2個(gè)珀耳帖元件（200W，400W）

6.雙顯示：主機(jī)控制顯示和外部控制單元實(shí)時(shí)顯示

7.LED光源：

標(biāo)準(zhǔn)配制：紅光、藍(lán)光或白光、紅光雙色光源，可選白光、藍(lán)光雙色光源或白、藍(lán)、紅單色光源

光強(qiáng)：1500 umol (photons).m-2.s-1 PAR（藍(lán)光750/紅光750；白光750/紅光750；可選白光1500，藍(lán)光1500，紅光1500，白光750/藍(lán)光750）

可升級(jí)3000 umol (photons).m-2.s-1 PAR（藍(lán)光1500/紅光1500；白光1500/紅光1500；白光或藍(lán)光單色3000）

8.外部擴(kuò)展光源（備選，用于不同有機(jī)體培養(yǎng)或者高光強(qiáng)脅迫）：單色光、單色光+紅外光、雙色光

9.光密度測量：通過兩個(gè)LED (720nm，680 nm)實(shí)時(shí)測量OD

10.檢測器：PIN光敏二極管、665 nm-750nm濾波器

11.傳感器：pH/溫度傳感器、溶解氧傳感器（備選）、溶解CO2傳感器（備選）

12.GMS高精度氣體混合系統(tǒng)（備選）：可控制氣體流速和成分，標(biāo)配為控制氮?dú)?空氣和二氧化碳，氣源需用戶自備

13.選配Oxzala 差分式O2/CO2通量監(jiān)測系統(tǒng)，在線雙通道監(jiān)測進(jìn)氣口和出氣口O2和CO2：

a)高精度差分式氧氣分析儀，雙燃料電池技術(shù)，雙通道差分測量，測量范圍0-100%，精確度0.1%，分辨率0.0001%；溫度補(bǔ)償、氣壓補(bǔ)償，氣壓分辨率0.0001kPa，顯示屏同時(shí)顯示通道1O2濃度、通道2O2濃度、通道3ΔO2、通道4氣壓

b)雙通道CO2分析儀，單光束雙波長紅外技術(shù)，測量范圍0-1000ppm，可選配0-2000ppm，精確度優(yōu)于1.5%，差分測量可達(dá)0.3-0.5ppm，自動(dòng)溫度補(bǔ)償、自定義壓力及相對(duì)濕度補(bǔ)償，分辨率1ppm，雙通道數(shù)據(jù)采集顯示器，LCD背光顯示屏，可顯示雙通道CO2濃度及變化曲線

14.恒濁培養(yǎng)模塊（可選）：包含一個(gè)蠕動(dòng)泵pp600和內(nèi)置支持控制軟件，通過檢測光密度（OD680或OD720），蠕動(dòng)泵自動(dòng)補(bǔ)充培養(yǎng)基實(shí)現(xiàn)恒濁培養(yǎng)

15.恒化培養(yǎng)模塊（可選）：包含2個(gè)蠕動(dòng)泵pp600和內(nèi)置支持控制軟件，通過檢測pH，2個(gè)蠕動(dòng)泵分別自動(dòng)補(bǔ)充酸液或堿液實(shí)現(xiàn)恒化培養(yǎng)

16.pH穩(wěn)定/恒濁模塊（可選）：包含1個(gè)帶氣體閥的蠕動(dòng)泵pp600和內(nèi)置支持控制軟件，可以進(jìn)行恒濁培養(yǎng)，也可以通過調(diào)節(jié)通入培養(yǎng)基的CO2氣流流速來實(shí)現(xiàn)pH穩(wěn)定調(diào)控（兩個(gè)功能不可同時(shí)實(shí)現(xiàn)）。CO2氣源需用戶自備

17.額外蠕動(dòng)泵（可選）：多可同時(shí)控制8個(gè)蠕動(dòng)泵

18.其他備選部件：磁力攪拌器（用于無氧狀態(tài)培養(yǎng)）、氣體分析系統(tǒng)（測定CO2）、PWM泵（用于控制氣體或液體流速，可以為培養(yǎng)液通氣，也可用于無氧狀態(tài)下代替磁力攪拌混勻藻液）

19.控制單元：包括專用電腦、軟件及硬件綁定的許可證，對(duì)一到多臺(tái)反應(yīng)器進(jìn)行同步控制和數(shù)據(jù)采集，所有測量數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)圖形化顯示

20.軟件功能：

21.控光模式：光質(zhì)和光強(qiáng)均可通過軟件按用戶編制的程序自行動(dòng)態(tài)變化，可模擬自然日照周期、云遮擋造成的光強(qiáng)光質(zhì)變化等光節(jié)律變化

22.控溫模式：溫度可通過軟件按用戶編制的程序自行動(dòng)態(tài)變化，可模擬自然溫度日變化、溫度周期性驟升或驟降等

23.Bios：可升級(jí)固件

24.數(shù)據(jù)傳輸：RS-232串口接口或USB接口

25.遠(yuǎn)程控制：可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)下載（需配備固定IP）

26.材料：防火耐熱玻璃、飛機(jī)專用杜拉鋁合金、不銹鋼、硅化墊圈

27.尺寸：400ml，42 cm（H）×35 cm（W）×31 cm（D），重量：15.5kg；1000ml，42 cm（H）×35 cm（W）×31 cm（D），重量：17.5kg；3000ml，50 cm（H）×35 cm（W）×31 cm（D），重量：28kg

28.供電電壓：90-240V

29.可根據(jù)用戶需求定制25升等各種大型光養(yǎng)生物反應(yīng)器

應(yīng)用案例：

沙漠綠藻多組學(xué)解析的精確培養(yǎng)條件模擬及實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(Treves, 2020, Nature Plants)

產(chǎn)地：歐洲

參考文獻(xiàn)：

1. Adriana R, et al. 2023. Microalgae adaptation as a strategy to recycle the aqueous phase from hydrothermal liquefaction. Bioresource Technology 371: 128631.

2. Masuda T, et al. 2023. The balance between photosynthesis and respiration explains the niche differentiation between Crocosphaera and Cyanothece. Computational and Structural Biotechnology Journal 21: 58-65.

3. Mattoon EM, et al. 2023. High‐throughput identification of novel heat tolerance genes via genome‐wide pooled mutant screens in the model green alga Chlamydomonas reinhardtii. Plant, Cell & Environment 46(3): 865-888.

4. Treves H, et al. 2022. Carbon flux through photosynthesis and central carbon metabolism show distinct patterns between algae, C3 and C4 plants. Nature Plants 8: 78–91.

5. Ozawa SI, et al. 2022. Algal PETC-Pro171-Leu suppresses electron transfer in cytochrome b₆f under acidic lumenal conditions. Plant Physiology. Doi: 10.1093/plphys/kiac575.

6. Trivedi J, et al. 2022. Enhanced lipid production in Scenedesmus obliquus via nitrogen starvation in a two-stage cultivation process andevaluation for biodiesel production. Fuel 316: 123418.

7. Park H, et al. 2022. Co-production of biofuel, bioplastics and biochemicals during extended fermentation of Halomonas bluephagenesis. Microbial biotechnology 16(2): 307-321.

8. Zhang N, et al. 2022. Systems-wide analysis revealed shared and unique responses to moderate and acute high temperatures in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. Commun Biol 5: 460.

9. Zhang HR, et al. 2022. The DIC carbon isotope evolutions during CO₂ bubbling: implications for ocean acidification laboratory culture. Frontiers in Marine Science 9: 2603.

10. Zaki A, et al. 2022. Synthesis, purification and characterization of Plectonema derived AgNPs with elucidation of the role of protein in nanoparticle stabilization. RSC Advances 12(4): 2497-2510.

11. Harth FM, et al. 2022. Ru/C‐Catalyzed Hydrogenation of Aqueous Glycolic Acid from Microalgae–Influence of pH and Biologically Relevant Additives. ChemistryOpen 11(7): e202200050.

12. MATTILA H, et al. 2022. Differences in susceptibility to photoinhibition do not determine growth rate under moderate light in batch or turbidostat – a study with five green algae. PHOTOSYNTHETICA 60 (1): 10-20.

13. Vasile NS, et al. 2021. Computational analysis of dynamic light exposure of unicellular algal cells in a flat-panel photobioreactor to support light-induced CO₂ bioprocess development. Frontiers in microbiology 12: 639482.

14. Rabouille S, et al. 2021. Electron & Biomass Dynamics of Cyanothece Under Interacting Nitrogen & Carbon Limitations. Frontiers in Microbiology 12: 620.

15. Polerecky L, et al. 2021. Temporal Patterns and Intra-and Inter-Cellular Variability in Carbon and Nitrogen Assimilation by the Unicellular Cyanobacterium Cyanothece sp. ATCC 51142. Frontiers in Microbiology 12: 620915.

16. Lang I, et al. 2021. Plasticity of the Red Alga Dixoniella grisea for the Production of Additives for Lubricants. Plants 10(9): 1836.

17. Kedem I, et al. 2021. Juggling Lightning: How Chlorella ohadii handles extreme energy inputs without damage. Photosynthesis Research 6: 1-16.

18. Norsker NH, et al. 2021. Developing microalgal oil production for an outdoor photobioreactor. Journal of Applied Phycology. doi: 10.1007/S10811-021-02374-7.

19. Klein BC, et al. 2021. Effect of light, CO₂ and nitrate concentration on Chlorella vulgaris growth and composition in a flat-plate photobioreactor. Brazilian Journal of Chemical Engineering 38(2): 251–263.

20. Amer M, et al. 2020. Low Carbon Strategies for Sustainable Bio-alkane Gas Production and Renewable Energy. Energy & Environmental Science 13(6): 1818-1831.

21. Kanygin A, et al. 2020. Rewiring photosynthesis: a photosystem I-hydrogenase chimera that makes H₂ in vivo. Energy & Environmental Science 13: 2903-2914.

22. Treves H, et al. 2020. Multi-omics reveals mechanisms of total resistance to extreme illumination of a desert alga. Nature Plants 6(8): 1031-1043..

23. Klassen V, et al. 2020. Wastewater-borne microalga Chlamydomonas sp.: A robust chassis for efficient biomass and biomethane production applying low-N cultivation strategy. Bioresource Technology 315: 123825.

24. Canonico M, et al. 2020. Plasticity of Cyanobacterial Thylakoid Microdomains Under Variable Light Conditions. Frontiers in Plant Science 11:586543.

25. Baránková B, et al. 2020. Light absorption and scattering by high light-tolerant, fast-growing Chlorella vulgaris IPPAS C-1 cells. Algal Research 49: 2211-9264.