强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤及制作方法技术

本发明专利技术公开了强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤及制作方法；一种强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤，包括光纤纤芯和包裹光纤纤芯的光纤包层；其特征在于：光纤纤芯为空气；光纤包层为石英；在光纤包层的外表面设置有涂覆层I，涂覆层I为Nd2O3透明介质薄膜；涂覆层I的外表面设置有涂覆层II，涂覆层II为Ag–SiO2复合介质薄膜；涂覆层II的外表面设置有涂覆层III，外层涂覆层III为GeO2–琼脂–微藻培养基杂化介质薄膜；本发明专利技术结构独特，制作方法简单，微型化；具有优良的发光发热特性，能增强光能、热能、底物及产物的传递，提高微藻细胞吸附能力、生物膜活性及生长速率，可广泛应用于生物、能源等领域。

【技术实现步骤摘要】
强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤及制作方法
本专利技术涉及空心光纤及制作方法，具体涉及强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤及制作方法。
技术介绍
光合微藻是集生物能源、生物固碳和氮磷废水处理等多种功能于一体，在国际上被认为是一种最具有潜力的碳减排方法和可再生能源。目前，微藻培养的主要方式有悬浮液培养与固定化细胞培养两种类型。用于悬浮液培养的生物反应器特征是藻细胞在培养液中呈悬浮态，细胞与培养液间的传质阻力较小，但是细胞具有较强的运动性，导致反应器内微藻持有量较低，采收成本高。细胞固定化培养技术是指利用物理或化学手段将具有催化活性的游离细胞限制或定位于一定的空间内，使其保持活性并可反复使用的一种生物强化技术。光合微藻的固定化培养可有效解决生物量产率低及采收成本高的问题，同时降低投资成本和水电消耗、减少污染机率。微藻固定化培养技术主要包括生物膜法、包埋细胞颗粒法及絮凝颗粒法等。其中将生物膜方法应用于光合微藻高密度培养中具有：固定藻量较多，微藻活性高；无包埋颗粒中存在的包埋剂化学毒性，也不存在絮凝颗粒反应器中悬浮固体容易堵塞反应器的问题；藻分离采收方便、无污染、纯度高。因此，将光生物膜技术应用于微藻固定化培养被认为是一种有效的高密度微藻培养方法。影响光合微藻生物膜生长特性的主要参数有培养基离子浓度、CO2浓度、光照条件、温度以及载体表面性质等。目前提高光合微藻生物量收益及其藻品质的方法主要是在微藻最优生长条件下通过改变光照、温度和载体表面性质来强化微藻吸附及生物膜生长。光是决定单位面积或单位体积微藻产量的重要因子。光强对藻细胞生长或细胞活性的影响较复杂，当细胞处于临界光强以下时，细胞生长受到限制，细胞密度下降；但在高光强条件下，光抑制又成为影响细胞生长的重要因素。因此，为有效提高藻细胞的产率，理论上应保持饱和光强均匀地分布在光生物反应器内。而在藻细胞培养体系中，由于细胞间相互遮挡和细胞色素对光的吸收，引起光在藻液内衰减，导致光在培养体系中不均匀分布，光能利用率低，且微藻生生过程受光限制。为改善反应器内光照条件，提高光能的传输效率与利用效率及生物膜量，申请号为CN201310191878.3专利技术专利名称为增强发光强度、均匀性及微生物吸附的空心发光光纤,公开了一种增强发光强度、均匀性及微生物吸附的空心发光光纤，将该光纤作为光合产氢细菌的生长载体，可直接将光能作用于微生物细胞，提高了光利用效率，同时由于光纤表面粗糙且含有光合产氢细菌培养基，增强了细菌的吸附能力、生物膜与光纤之间的紧密度以及生物膜活性，但是该光纤载体表面发热量低，即不能给微生物细胞直接提供热能，且不能实现光分频利用；因此，该光纤载体光能利用率及强化细胞吸附与生物膜生长的效率低。微藻吸附及生物膜生长过程除受光照条件影响外，还受反应器其它操作条件(如温度、碳源、pH、营养物成分与浓度等)和载体表面物理化学性质的影响。研究表明在中性环境和底物浓度充足的条件下，温度和载体表面物理化学性质是影响藻细胞吸附及生长的重要因素。光合细胞是在光合反应中心酶的参与下通过光生化反应将碳源降解并转化为脂肪、蛋白质或多糖，细胞内的酶对温度非常敏感，过高或过低的温度都将影响到酶的活性，进而影响生化反应速率和生长过程。虽然不同的藻种对温度有选择性，但优化获取藻细胞生长所需的最适温度，特别是当环境温度低于微藻最适温度范围时将其调控到最适值，对强化藻细胞生长和提高藻品质具有重要的工程意义。目前，人们在实验中主要是采用循环水浴控制温度的设计方式，然而，高能耗的缺点限制了这一技术的工业化应用。有的则利用安装在反应器进液口处的加热棒和反应器内布置的T型热电偶来控制进入反应器内的溶液温度；这种方法可以有效避免热损失，但这种加热方式对于生物膜式反应器而言，存在培养基、微藻生物膜及载体传热过程，限制了热量对藻细胞作用的效率。同时，目前在对生化转化过程温度调控时，并未考虑细胞代谢热和光辐射热以及由昼夜或季节环境温差变化对载体界面及其邻近区域温度变化的影响。因此，现有生物膜光生化转化过程关于温度调控的手段非常落后，且调控过程耗能、不经济、热利用效率低，严重制约了生物膜技术的工业化运用。因此，专利技术一种通过控制载体表面温度用于强化热能在生物膜内的传递和转换，对提高热能利用效率与转换效率，强化藻细胞吸附与生物膜生长都具有重要的科学意义和实用价值。
技术实现思路
针对上述已有技术存在的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题在于提供强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤及制作方法。为了解决上述技术问题，根据本专利技术的第一个技术方案，一种强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤，包括光纤纤芯和包裹光纤纤芯的光纤包层；其特征在于：光纤纤芯为空气；光纤包层为石英；在光纤包层的外表面设置有涂覆层I，涂覆层I为Nd2O3透明介质薄膜；涂覆层I的外表面设置有涂覆层II，涂覆层II为Ag–SiO2复合介质薄膜；涂覆层II的外表面设置有涂覆层III，外层涂覆层III为GeO2–琼脂–微藻培养基杂化介质薄膜。光纤纤芯及包层起光传输作用。涂覆层I为可见光透明薄膜，可见光透射比等于1，主要用于增强Ag–SiO2复合介质薄膜与在光纤表面的附着强度，同时将光纤包层中传输的光束耦合进入涂覆层I。涂覆层II的主要是用于产生热辐射和光辐射；其中，Ag粒子主要是用于产生表面等离子激元共振吸收，而产生热辐射；SiO2纳米颗粒主要是用于调节涂覆层II产热效率及升温速率。涂覆层III中GeO2纳米颗粒主要是用于增强光纤表面发光强度及涂覆层III的机械性能及粗糙度；琼脂主要是增强微藻生物膜底物及产物传输速率；微藻培养基主要是为微藻细胞提供部分营养底物。本专利技术由于涂覆层II中含有Ag粒子，当光束传输到Ag粒子表面时会产生表面等离子激元共振吸收，而产生热辐射，从而为微藻细胞生长及代谢提供热能，促进微藻细胞吸附及生物膜生长。同时，由于Ag粒子联合涂覆层I中的Nd2O3薄膜只吸收480–640nm的光束，而剩余的400-480nm及640-700nm的光束可传输到光纤表面，且400–480nm及640–700nm的光束恰好为微藻细胞产生光合作用的光谱吸收区，因此，该光纤实现了400–700nm光谱范围内的光分频利用，提高了光利用效率。此外，该光纤表面的发热强度及升温速率可通过调节涂覆层II中Ag纳米粒子与SiO2纳米粒子之间的比例来进行调控；该光纤表面的发光强度可通过调节涂覆层II中Ag纳米粒子与SiO2纳米粒子之间的比例，以及涂覆层III中GeO2纳米粒子的含量来进行调控；该光2纳米粒子及琼脂糖的含量来进行调控。由于本专利技术光纤由于具有优良的发光发热特性，同时光纤表面粗糙且含有培养基及琼脂，这些优点能增强光能、热能、底物及产物的传递，提高微藻细胞吸附能力、生物膜活性及生长速率。本专利技术可广泛运地用于细胞固定化培养、生物技术及光热生物化学反应等领域。根据本专利技术所述的强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤的优选方案，空心光纤尾端为半球状。用于增强光纤表面的发光发热强度。根据本专利技术所述的强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤的优选方案，涂覆层II为Ag–SiO2复合介质薄膜，Ag纳米粒子的尺寸为20–50nm，SiO2纳米粒子的尺寸为5–10nm。本专利技术中Ag纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤，包括光纤纤芯(1)和包裹光纤纤芯(1)的光纤包层(2)；其特征在于：光纤纤芯(1)为空气；光纤包层(2)为石英；在光纤包层(2)的外表面设置有涂覆层I(3)，涂覆层I(3)为Nd2O3透明介质薄膜；涂覆层I(3)的外表面设置有涂覆层II(4)，涂覆层II(4)为Ag–SiO2复合介质薄膜；涂覆层II的外表面设置有涂覆层III(5)，外层涂覆层III(5)为GeO2–琼脂–微藻培养基杂化介质薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤，包括光纤纤芯(1)和包裹光纤纤芯(1)的光纤包层(2)；其特征在于：光纤纤芯(1)为空气；光纤包层(2)为石英；在光纤包层(2)的外表面设置有涂覆层I(3)，涂覆层I(3)为Nd2O3透明介质薄膜；涂覆层I(3)的外表面设置有涂覆层II(4)，涂覆层II(4)为Ag–SiO2复合介质薄膜；涂覆层II的外表面设置有涂覆层III(5)，外层涂覆层III(5)为GeO2–琼脂–微藻培养基杂化介质薄膜。2.根据权利要求1所述的强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤，其特征在于：空心光纤尾端(7)为半球状。3.根据权利要求1或2所述的强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤，其特征在于：涂覆层II(4)为Ag–SiO2复合介质薄膜，Ag纳米粒子的尺寸为20–50nm，SiO2纳米粒子的尺寸为5–10nm。4.根据权利要求1或2所述的强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤，其特征在于：外层涂覆层III(5)为GeO2–琼脂–微藻培养基杂化介质薄膜，GeO2纳米粒子的尺寸为50–80nm。5.一种强化微藻细胞吸附及生物膜生长的空心光纤的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：A、选取空心石英管作为空心光纤的基材，该空心石英管的后端密封；B、涂覆层I(3)的制作B1、在真空环境下,通过蒸发沉积方法在空心石英管表面上沉积稀土Nd薄膜；B2、对沉积的稀土Nd薄膜进行加热氧化，稀土Nd薄膜完全氧化后成为Nd2O3薄膜；C、涂覆层II(4)的制作步骤如下：C1、无氰镀银液的制备：将硝酸银、硫代硫酸钠、焦亚硫酸钾、乙酸胺、硫代氨基脲、阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂以及苯亚磺酸钠在超声波搅拌下溶于去离子水中，并采用NaOH或者HCl将混合溶液的pH值调节至5–6，取其上清液，该上清液即为无氰镀银液；C2、纳米SiO2分散液的制备：将直径为5–10nm的纳米SiO2粒子先用重蒸纯化的无水乙醇清洗，再真空干燥，然后用去离子水润湿干燥后的纳米SiO2粒子；再用超声波分散润湿后的纳米SiO2粒子，并向润湿后的纳米SiO2粒子中加入阳离子表面活性剂，继续超声分散，该完全分散后的溶液即为纳米SiO2分散液；C3、含Ag离子和纳米SiO2粒子混合镀液的制备：将制备好的纳米SiO2分散液加入到无氰镀银液中，然后向已加入纳米SiO2分散液的无氰镀银液中加入阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂；再将混合溶液的pH值调整至5–6，并在超声波条件下继续超声分散，得到含Ag离子和纳米SiO2粒子的Ag-SiO2混合镀液；C4、Ag-SiO2复合介质薄膜的制备方法：利用步骤C3得到的Ag-SiO2混合镀液，采用电沉积方法对已具有涂覆层I(3)的空心石英管表面制备Ag-SiO2复合介质...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟年丙，赵明富，钟登杰，徐云兰，贺媛媛，汤斌，陈明，汪正坤，辛鑫，李冰鑫，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50