微藻培养与光生物反应器分析解析

1、微藻培养与光生物反应器分析解析微藻培养与光生物反应器分析解析第1页第一个别 微藻及其应用 1. 微藻定义及分类 藻类是能够进行放氧光合作用自养无胚植物 藻类按细胞大小 大藻 (如海带、紫菜、裙带等) 微藻 (如小球藻、螺旋藻、盐藻、栅藻、 紫球藻、雨生红球藻、鱼腥藻等)按生长环境水生微藻 陆生微藻 气生微藻 按生活方式 浮游微藻 底栖微藻 淡水生 海水生 微藻培养与光生物反应器分析解析第2页2. 微藻应用价值 微藻含有三个基础特征 种类很多，生理学和生化特征范围很广,所以微藻能产生很多功效独特脂肪、多糖、蛋白、类胡萝卜素等生物活性物质；微藻能低成当地将用于标识同位素13C、15N和2H结合进入

2、体内,因而这类标识元素可进入微藻产生各种代谢产物中； 微藻包含了一个大而还未开发生物类群，因而提供了一个实质上未开发资源宝库。 微藻特征,决定了微藻在医药、食品、水产养殖、化工、能源、环境保护、农业及航天等领域有着主要开发价值 微藻培养与光生物反应器分析解析第3页微藻应用价值 医药起源 微藻中生物活性物质含有抗肿瘤、抗病毒、抗真菌、防治心血管疾病、防治老年人痴呆症等功效。 螺旋藻对于糖尿病、高血压、心脏病、胃病、贫血病、肝病、肾脏病、风湿病、骨质疏松症、肥胖症、营养不良、癌症、爱滋病等含有预防和辅助疗效。 保健食品 微藻中含有丰富蛋白质、多不饱和脂肪酸、维生素、多糖、矿物质等,是极好天然保健食

3、品。 另外，微藻中含有大量天然色素。 微藻培养与光生物反应器分析解析第4页微藻应用价值饵料 虾和蟹在长成过程中主要使用动物饵料(如轮虫、卤虫等)，而培养这些动物本身所用饵料全部是微藻。微藻中不饱和脂肪酸是水产动物不可缺乏营养，一些微藻产生虾青素等色素对人工养殖虾和鱼含有很好着色作用。 基因工程产品 如兔防御素（NP-1）、金属硫蛋白（MT）、人肿瘤坏死因子、人表皮生长因子、磷酸酯酶、超氧化物歧化酶（SOD）及杀幼蚊毒素等。 利用微藻作为表示系统生产基因工程产物含有两大优点: 无知识产权问题; 产物分离纯化较简单。其它应用 能源 航天 化工 环境保护 农业微藻培养与光生物反应器分析解析第5页3.

4、 微藻我国外应用现实状况及存在问题 微藻产业已初见倪端,但还未真正形成，其原因分析以下：微藻产品产业化包含五个步骤：取得优质藻种(即微藻上游生物技术)微藻大规模培养微藻大规模采收(即从培养液中分离出微藻细胞)微藻细胞内产物分离提取产品开发 当前我国在微藻生物上游技术方面含有很好工作基础(尤其是在微藻基因工程方面处于国际先进水平)，而在微藻大规模培养、采收和胞内产物分离提取方面基础微弱，它是制约我国微藻产业形成根本原因所在。 微藻培养与光生物反应器分析解析第6页第二个别 微藻营养模式 微藻原核微藻 (蓝藻 )真核微藻 (其它微藻 )主要营养方式是光自养 也存在着其它营养模式 微藻培养与光生物反应

5、器分析解析第7页 微藻光自养培养 微藻大多数是专性光合自养生物，以光作为能量还原CO2同化为碳水化合物，而取得生物量。光合成反应以下： CO2 + NO3- + PO43- + H2O + 太阳能 CH2ONP + O2 当前我国外微藻大规模培养均属光自养培养。 微藻培养与光生物反应器分析解析第8页微藻光自养生长影响因子光照 溶解氧 培养液pH 营养盐 温度微藻培养与光生物反应器分析解析第9页光照 光是微藻生长主要限制原因。当温度和营养不限制其生长时，光就成为影响微藻光自养生长主要原因。 光不但有光周期、光质和光强不一样，还有显著时、空（纬度、水体深度改变。微藻培养与光生物反应器分析解析第10

6、页光照 普通情况下，在一定光照度范围内，微藻光合作用效率会随光照度增加而增加，但当光照度到达一定值时，光合作用效率几乎保持在一定水平，不再增加，这种现象称为光饱和效应。 假如光照度超出光饱和点一定程度后，微藻光合作用效率将会下降，造成细胞生长减缓，甚至死亡，这就是通常所说光抑制现象。微藻培养与光生物反应器分析解析第11页溶解氧 微藻光自养培养过程会产生大量氧气，需从培养液中解析出去。 对于管道式光生物反应器系统，溶解氧积聚是一个严重问题，需要专门设计脱气系统有效释放光合作用放出氧气。微藻培养与光生物反应器分析解析第12页培养液pH 微藻光自养培养过程pH基础呈上升趋势 控制培养液pH最好方法是

7、利用CO2 微藻培养与光生物反应器分析解析第13页营养盐 微藻生长所需要营养元素有1520种，C、N、P 是微藻生长主要营养。 对于微藻光自养生长而言，主要利用无机态碳源。微藻可直接利用空气中CO2进行生长，但CO2必须先溶解于水中，且主要以HCO3形式被利用。 HCO3盐也可直接作为微藻生长碳源，如螺旋藻大规模培养常采取是NaHCO3。微藻培养与光生物反应器分析解析第14页温度 普通在1825，但因藻种不一样其最适温度有所差异，含有不一样温度忍受限，如一些蓝藻可在93下正常生活，而另外一些绿藻则可在冰雪中生长。微藻培养与光生物反应器分析解析第15页微藻异养培养微藻在无光照条件下，利用外源有机

8、物包含糖类、蛋白水解物、有机酸等进行生长。异养用培养基普通是在光能自养培养基基础上添加葡萄糖、乙酸盐、甘油等有机碳源，蛋白等有机氮源等。微藻培养与光生物反应器分析解析第16页微藻大规模异养培养优缺点 与光合自养培养相比较，微藻大规模异养培养含有以下优点:微藻生长繁殖速度加紧，藻生物量浓度大大提升。在异养培养时，藻细胞浓度可到达或靠近大肠杆菌及酵母浓度。如美国Market企业异养培养Nitzschia alba以生产EPA时，64h藻体浓度达4548g/L(Barclay et al, 1994)。Running等人(Running et al,1994)异养培养Chlorella pyreno

9、idosa 以生产维生素C，藻浓度最高可达100g/L。 微藻培养与光生物反应器分析解析第17页从工业化角度分析，异养培养系统更便于生产过程控制以实现纯种培养及稳定生产。对于食品、高附加值精细化工产品以及一些属于医药授权范围内产品（包含藻类基因工程产品），其生产必须是封闭式纯种培养。在封闭生物反应器中进行微藻异养培养，不但可实现纯种培养而且还可确保生产重复性和连续性。 使用异养培养系统可降低微藻生产成本。采收成本占现在微藻生产总成本百分比高达33%。高微藻浓度可降低采收困难、降低所需处理藻液体积，从而有效地降低采收成本及微藻生产总成本。 微藻异养培养技术同异养微生物培养技术极为相同，因而可借鉴

10、微生物培养中成熟技术及设备，来实现微藻大规模异养培养，这将大大加紧微藻及其产品产业化进程。 微藻培养与光生物反应器分析解析第18页微藻异养培养在含有上述优点同时也含有几个缺点 :已知可异养培养微藻种类较少； 易被细菌污染 ； 低浓度水溶性有机物对微藻生长产生抑制作用； 不能生产光诱导物（如色素等） 可经过广泛藻种筛选克服第一个缺点；用混合营养培养（即异养培养时加光照）和异养-光自养串联培养可个别克服第四个缺点。 由上可见微藻异养含有显著优势，其大规模培养中存在问题，可借用生化工程领域中较为成熟微生物培养技术来处理。 微藻培养与光生物反应器分析解析第19页混合营养（兼养）培养：微藻在有光照条件下

11、，既利用CO2进行光合作用又利用外源有机物生长。 异养-光自养串联培养：微藻先进行异养培养，然后进行光自养培养以提升藻细胞品质。微藻培养与光生物反应器分析解析第20页微藻光自养培养系统 微藻光自养培养有开放式、半封闭式与封闭式等几个方式，培养系统包含天然湖泊、敞开式跑道池、管道式或平板式等形式光生物反应器。普通采取机械、鼓泡或气升循环等搅拌方式。 敞开式跑道池培养系统 封闭式光生物反应器生产系统 微藻培养与光生物反应器分析解析第21页藻种分离纯化1. 微藻藻种分离 从天然水域利用一定方法，将微藻筛选分离出来，取得单种培养。1.1 藻种采样（1）采集所需要分离藻种水样，个体较大浮游藻类，利用浮游

12、生物网在水中捞取；（2）个体较小种类，经过超滤、离心等方法处理；（3）应注意采集海岸上留存下来小水洼；（4）分离底栖硅藻，可刮取潮间带“油泥”，加海水搅拌后，弃去泥沙后用筛绢滤去大型藻类和杂质。微藻培养与光生物反应器分析解析第22页1.2 预备培养（1）培养液：依据所需分离藻类，配制不一样培养液。预培养营养盐浓度要低些。对于一些难以培养种类，最好加入土壤浸出液。如藻种类较多，应使用几个不一样培养液；（2）预培养容器：250ml三角瓶1.3 分离方法（1）离心法（2）趋向运动法（3）稀释法（4）平板分离法（5）毛细吸管法微藻培养与光生物反应器分析解析第23页2. 微藻藻种无菌纯化 经过抗生素抑菌

13、和平板法相结合进行无菌纯化。 在弱光下进行培养。微藻培养与光生物反应器分析解析第24页第三个别 光生物反应器微藻培养与光生物反应器分析解析第25页一、微藻大规模光自养培养特点分析 微藻大多为光能自养型生物，与我国生化工程领域过去所研究异养型（普通为好氧）生物大规模培养相比，微藻大规模自养培养含有一些新特点。 微藻培养与光生物反应器分析解析第26页 微藻培养用光生物反应器，必须要用光照。对于外部光源反应器，就要求反应器比表面积很大，培养液深度必须尽可能小，不然藻体就得不到充分光照；另外，为了充分利用自然光，反应器必须放在户外，而户外光照条件随地域及天气而改变，因而培养条件基础上无法控制。对于采取

14、内部光源反应器，则需要在反应器内部加上一个复杂光照系统，藻体易附着在光源上且光源产热会给温度控制带来困难。全部这些问题在常规生物反应器中均不存在。 微藻培养与光生物反应器分析解析第27页从混合角度来看，在微藻培养过程中混合除了含有促进气液传质、液固传递、温度与营养均匀分布、预防藻细胞沉降等作用外，还必须使藻细胞在与光反应器表面垂直这个方向上要能充分混合，不然因为在藻液中存在着严重光衰减现象，培养液中藻细胞受光就不均匀。 微藻培养与光生物反应器分析解析第28页从气液传质角度来看，在微藻自养培养过程中，必须供给大量二氧化碳，即要强化二氧化碳吸收过程；同时又要将藻细胞产生大量氧气从培养液中排出来，即

15、要强化氧解析过程。而在好氧生物培养过程中，要向培养液中供给大量氧气，即要强化氧吸收过程；同时要将好氧生物产生二氧化碳从培养液中排出，即要强化二氧化碳解析过程。由此可见，微藻培养过程中氧和二氧化碳传递方向与常规好氧生物培养过程恰好相反。 微藻培养与光生物反应器分析解析第29页从培养液性质来看，好氧生物培养基大多用淡水配制，而微藻（淡水藻例外）培养基多用海水配制。因为二氧化碳和氧在海水及淡水中溶解度差异很大，且培养液中藻细胞较低，因而微藻培养系统中气液传质过程将出现许多新问题；另外，海水对普通材料含有腐蚀性，因而所用设备在材料选择上又会碰到新问题。微藻培养与光生物反应器分析解析第30页 尽管微藻自

16、养培养过程会出现上述新特点，但其中所包括到基础问题仍同好氧生物培养过程相同，如传递问题、流体力学问题、在线检测与自动控制问题、培养动力学问题、过程优化放大问题等。 由上可见，借鉴我国生化工程已经有知识和方法，来处理微藻大规模自养培养问题将是一条捷径。 微藻培养与光生物反应器分析解析第31页二、敞开式和封闭式光生物反应器 微藻主要是光能自养生物，它是经过光合作用来生长。微藻培养必须在光生物反应器中进行，该反应器要能提供以下条件：（1）适当光照强度；（2）适当温度；（3）适当无机碳源及其它营养物质；（4）适当pH值；（5）适当混合；（6）适当氧解析；（7）防止污染。 微藻自养培养用反应器有两大类：

17、一类是敞开式反应器，另一类是封闭式光生物反应器。 微藻培养与光生物反应器分析解析第32页1. 敞开式反应器 在敞开式反应器中，经典且最常见是敞开式跑道池，它是最古老藻类培养反应器，且一直沿用至今。当前微藻大规模培养主要使用这种反应器，这类反应器每个可大到几千平方米。 微藻培养与光生物反应器分析解析第33页敞开式反应器优点 敞开式跑道池反应器是国外于60年代设计出来，至今改变较小。改变之处主要有两点：对其混合系统进行过一些改进(Laws et al, 1986)；利用传感器和计算机实现过程参数在线检测和工艺优化。这类反应器优点是成本低、建造轻易、操作方便。 微藻培养与光生物反应器分析解析第34页

18、敞开式反应器缺点 培养效率低。培养液中藻体浓度很低（普通约为0.1g/L），使得培养液体积尤其庞大，这不但使培养基成本及操作费用增大，而且会给藻体采收带来很大困难；另外，因藻液深度约为2030cm，因而反应器占地面积大。培养条件无法控制。这是造成培养效率低主要原因之一；另外，因为培养条件无法控制，使微藻代谢产物无法大量积累，因代谢产物往往要靠外界条件诱导才可大量积累。易污染。污染源于杂藻、水生动物、空气中飘浮物等。这种污染不但使得培养过程不稳定（甚至彻底失败），而且致使用这种反应器生产出来产品也难以符合卫生和安全要求，因而不易被消费者接收。微藻培养与光生物反应器分析解析第35页敞开式反应器缺点雨水会使培养基稀释，甚至造成培养基溢出反应器，造成浪费，造成环境污染。反应器中水分蒸发量大，使培养基浓度逐步增大，致使培养过程不稳定。生产期短，生产受地域及季节等自然条件限制（如北方冬天不能生产）。 微藻培养与光生物反应器分析解析第36页 敞开式反应器缺点非常显著，已严重地制约了微藻生物技术产业发展。 而且决定了这类反应器只能用于生长条件比较苛刻（如盐度、pH很高），且附加值较低微藻产品生产，而大多数微藻生长条件较温和，因而培养微藻品种极为有限。所以当前敞开式反应器技术已无法满足微藻生物技术蓬勃发展需要，因而大家将希望寄托于新型藻类培养反应器封闭式光生物反应器。 微藻培养与光