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天然虾青素具备卓越的抗氧化能力,能对人体组织细胞和DNA等形成有效的保护,具有显著的抗肿瘤、增强免疫力、抗衰老、预防心脑血管疾病等功效,受到医药、保健品、化妆品、食品、饲料添加剂等行业的重视。雨生红球藻(虾青素含量可达藻体干重4%)是目前已知的天然虾青素的最佳来源,其产生的天然虾青素更容易被动物体吸收,因此雨生红球藻的工业化生产备受。然而,全球仅10余家企业实现了雨生红球藻工业化生产,主要原因在于雨生红球藻对环境非常敏感,容易受到细菌、原生动物等感染:规模化培养对环境条件要求较高,建立稳定、高效生产体系的难度较大。在雨生红球藻中试时,不仅要选择最佳的培养基与培养条件,还需要搭建适合工业化生产的培养与控制工艺流程。为了推进小试成果向中试的转化,为中试提供更多的技术支持,本研究采用厦门大学蔡明刚课题组保存的雨生红球藻藻种,开展了以下五个方面的研究:(1)不同培养体积下雨生红球藻培养中3N-BBM、BG11培养基比选:随着培养体积的增大,雨生红球藻在3N-BBM和BG11培养基中的最终干重不断增加。250 mL锥形瓶中培养时3N-BBM和BG11中雨生红球藻最终干重近似相等,分别为251 mg/L、255 mg/L;相比培养初始干重,3N-BBM培养基中增加约1.45倍,BG11培养基中增加约1.86倍。3 L锥形瓶中培养时3N-BBM和BG11中雨生红球藻最终干重相差不大,分别为315 mg/L、357 mg/L;相比培养初始干重,3N-BBM培养基中增加约2.36倍,BG11培养基中增加约2.02倍。10L平板光生物反应器中培养时3N-BBM和BG11中雨生红球藻最终干重有一定差距,分别为540mg/L、400mg/L;相比培养初始干重,3N-BBM培养基中增加约4.91倍,BG11培养基中增加约5.00倍。扩大培养体积有利于提高雨生红球藻干重,且3N-BBM培养基pH缓冲能力更好,有利于产业化大规模生产的需求。(2)发光二极管(LED)与荧光光源对雨生红球藻生长影响研究:雨生红球藻密度随着光强的增加而增加。荧光光源1200 lux光照强度下第10天雨生红球藻细胞密度达到最大值,为32.5×104cell/mL,相比同时段1000lux和800lux光照强度下,分别高出约38.3%和66.7%。LED光源在1200 lux、1000 lux和800 lux三个光照强度下,雨生红球藻第10天最大值基本相似。LED光源与荧光光源相比,LED光源下雨生红球藻细胞密度高于荧光光源,细胞密度同比高出10%左右;LED光源不同光强下生长速率较稳定,约为0.2 d-1左右。因此,LED光源可以更好的满足产业化生产的需求。(3)缺氮对雨生红球藻生长与胁迫研究:缺氮不利于雨生红球藻的生长,随着氮浓度的增加,雨生红球藻密度增加,0.25 g/L氮浓度组最高藻密度为117.9×104cell/mL;高光对照组的最高生长速率为1.157d-1；高光胁迫相比缺氮胁迫更容易产生雨生红球藻孢子,氮浓度0.00 g/L时最终孢子率仅为高光条件下孢子率的50%;缺氮有利于虾青素的累积,氮浓度越低虾青素含量越高,氮浓度0.00 g/L时雨生红球藻细胞产生虾青素最高含量与高光组近似,为20.57 pg/cell。(4)三级培养体系及其设备的研发与应用研究:含雨生红球藻三级培养设备的研发与测试;微藻功能实验室的构建;LED微藻自动化培养控制系统研发;自动化微藻培养设备研发与设计四个部分。第一,雨生红球藻三级培养设备的研发与应用测试:改进3L锥形瓶形成一级培养设备;改进透明桶和小型平板光生物反应器,辅以管路与混合罐相连形成二级培养设备;使用透明亚克力板设计与定制百升级光生物反应器,与混合桶相连形成三级培养设备。在测试中一至三级培养设备均能满足雨生红球藻的培养需要。同时,相比透明桶反应器,平板反应器培养雨生红球藻效率更高。第二,微藻功能实验室的构建与控制系统设计与应用:根据不同的功能需求将实验室空间划分为清洁区、藻种保存区、微藻培养区和CO2钢瓶区,使用探头完成各个实验区的监控与控制,实现LED光源控制、温度控制、CO2报警、臭氧报警和通风控制的功能。功能区的规划与条件控制可以避免功能使用混乱,降低藻体污染风险,提高培养效率和实验安全性。第三,LED微藻自动化培养控制系统:该系统使用LED特制光源和电子电路技术,即可以整体控制微藻培养光源条件,也可实现不同培养区的光源条件的单独控制,可实现温度、光照、湿度、C02等参数的控制。其中温度控制范围:5～50℃;光照可实现可见光范围内全波段波长选择,可根据需求自主调节光谱;光照输出频率:0～100%;具备编程功能,根据需要可设定0～24h循环条件。匹配的光生物培养架可以自主调节空间高度,满足百升级三级培养设备的培养需求。第四,自动化微藻培养设备研发与应用:将LED微藻自动化培养控制系统、LED光生物培养架、光生物反应器以及气泵、气源等相关设备进行整合,研发与设计了可单独使用的自动化微藻培养设备。(5)基于一阶导紫外分光光度法的净光值法快速检测雨生红球藻叶绿素和虾青素的探讨:当叶绿素a和叶绿素β比例不变时,净光值快速检测法是可行的,但是否适用于中试和产业化生产中还需更进一步验证。