微藻生物反应器的研究进展

微藻生物反应器研究进展

摘要：本文介绍了用于微藻培养的各种密闭式光生物反应器, 包括发酵罐式、

管式和平板式生物反应器及光照系统。概述了微藻生物反应器的研究历史、现状, 对我国在微藻生物反应器研究方面取得的进展以及微藻生物反应器应用前景进行了综述。

关键词：微藻；生物反应器；综述

Abstract The hermetic photobioreactors used to cultivate microalgae

were introduced, including fermenter style, tubular and flat plate bioreactor. Illuminated system were also discussed.Overview of microalgae bioreactor history, current situation, reviewed the progress made by our country in microalgae bioreactor, as well as the prospects of microalgae bioreactor applications.

Key word：Microalgae；Bioreactor；Review

微藻是地球上最早诞生的重要生命类群, 是某些极端环境下的幸存者和适应者, 不少种类有数万年甚至十亿年发展的演化。环境的变化曾导致许多生物物种灭绝, 却没有消灭最原始的生命类群微藻; 相反, 微藻强大的生命力使其家族在地球上广泛分布, 包括终年被冰雪覆盖的南北两极, pH 极高或很低的湖泊水潭、盐碱沼泽甚至盐度饱和卤水, 在大洋深处、火山口、地热温泉、干旱沙漠等生命极端环境中都有微藻繁衍生息。我国藻类产量居世界首位。藻类除了作为食品外,还是生产药物、保健品、饲料、轻化工及生物工程产品的重要原料。进行鱼、虾、贝类的育苗和养殖需要大量的微型藻类作饵料, 藻类还与水处理和环境保护密切相关。微藻生物资源的开发对于减缓土地、环境、能源和人口危机, 弥补传统农作物的不足与局限, 以及促进传统农业向工业化生产过渡都具有重要的意义。经过30 多年微藻工业化生产以来, 人们逐渐意识到, 微藻工业发展的潜力取决于生物反应器技术的发展, 而这也是微藻生物技术产业化的关键技术之一。

1 微藻生物反应器的应用及进展

利用生物反应器培养微藻开发海洋生物活性物质,已成为世界上的一个研究热点。从广义上讲, 用开放的水池培养微藻也是一种生物反应器技术, 但其效率比较低。研究较多的是利用封闭的光生物反应器来培养微藻, 但这项技术目前还未达到大规模实用化的阶段。有些海洋异养微藻可以通过发酵进行培养, 这也是一种生物反应器技术。美国有公司利用发酵法培养异养微藻,生产EPA和DHA, 已经达到工业化生产的阶段。随着研究的继续深入, EPA和DHA新的生理功效及作用机理将不断被发现和揭示; 然而, 短缺的PUFA生物资源却始终制约着EPA 和DHA 的广泛应用, 积极寻找廉价的DHA和EPA生物资源已成为一种迫切要求。国外较早

开展了PUFA生物资源开发和利用的研究工作, 发现海洋微藻具有大规模生产PUFA的潜力, 并取得了不少成就。

利用海洋微藻生产多不饱和脂肪酸的研究始于20世纪80年代初期, 并且多以自养微藻生产DHA 和EPA为主, 其中的三角褐紫藻、紫球藻、盐生微小绿藻、球等鞭金藻、硅藻等当时被认为最有可能实现微藻产业化, 但其结果并不尽人意。开放大池培养微藻存在极低的产量和难以对一些高纯度、高价值的产品进行纯种培养的缺陷, 使其在推广微藻大规模培养上受到诸多因素的限制。培养过程受光照、温度等自然环境影响较大, 并且易被真菌、原生动物和其它杂藻污染, 同时水分蒸发严重, 二氧化碳供给不足。这些因素最终都将导致细胞培养密度偏低, PUFA 含量不高, 使得采收成本过高。因此, 人们又设计出密闭光生物反应器, 基本上可以解决上述问题, 并通过控制培养液浓度实现了连续培养。现在的光生物反应器已经发展为柱式光照发酵罐、管式及板式恒化反应器以及可实现培养条件计算机在线控制的光纤式光生物反应器等多种类型。

利用密闭式光生物反应器培养微藻, 能减少污染发生, 可提高产量60% ~ 300%, 同时还可以降低收获成本。然而, 密闭式利用光生物反应器依然存在着许多不足,例如培养后期由于细胞浓度的升高, 限制光的穿透, 降低了光照效率; 在培养过程中由于水压增加, 使细胞受到损伤; 利用海洋微藻生产多不饱和脂肪酸反应器内容易累积氧气, 降低脂肪酸的去饱和程度; 反应器和生物传感器上易发生附着, 这种培养技术成本也较高。因此制约微藻工业化生产的发展。

为了解决高效廉价这个困扰微藻产业多年的封闭式光生物反应器的设备难题, 一种新型结构的封闭式光生物反应器,膜式气袋内光源太阳能光生物反应器0应运而生, 它具有结构简单、造价低廉、运行可靠、适应性强、单位体积培养液受光面积大、微藻产量高且质量好等优点; 并且可以调整光质, 从而达到微藻产品成份的定向培养。所以非常适合于微藻生物资源的大规模开发应用, 有极大的开发潜力。

利用膜式气袋内光源太阳能光生物反应器设备及配套技术, 处理有机废水及工厂排入的二氧化碳废气, 可以在治理环境污染的同时, 生产出具有很高经济价值的微藻及深加工附加值高的新型生物医学产品、功能性食品、动物免疫抗病饲料添加剂、高生物效价的人类及动物食品蛋白源等。同时, 还可以利用工厂排放的二氧化碳废气为原料, 廉价地通过光合作用对二氧化碳进行再生, 开发燃料油、燃料气等微藻绿色再生能源产品, 获取新能源。同时, 膜式气袋内光源太阳能光生物反应器相配套的微藻养殖技术及微藻干燥技术也正在研究中。这项新型的干燥技术可解决因微藻产品干燥成本过高而制约微藻产品普及应用的瓶颈。可以大幅度降低微藻的生产成本, 并且由于采用了低能耗的低温干燥技术, 还可以最大限度地保护微藻所含的生命活性物质, 提高产品质量和产品价值。

气升式光生物反应器是另一种封闭式高效光生物反应器。与高等植物一样, 藻类靠太阳光能进行光合作用,利用水和二氧化碳合成有机物, 同时放出氧气。它的代谢类型与微生物发酵有重要区别。作为一类光生物反应器的藻类生物反应器, 光能利用和无机碳源供应是设计中应重点考虑的问题。在发酵罐设计中, 要充分保证氧气的供应和有效传递, 以满足微生物代谢和生长的需要。相反, 藻类生物反应器要防止溶解氧过饱和, 因为氧气过多会抑制Rubisco的活性, 使光合作用的效率降低。气升式生物反应器是根据藻类的生物学特性, 以实用化和无人值守下长期运转为目标进行选型和设计的。这是一种新型的外照光、内循环、正向导流、通气管下行式的光生物反应器。由反应器主体、光照系统、三参数(温

度、pH、溶解氧) 或单参数检测系统组成,也可根据需要灵活组合。二氧化碳配气装置可配制不同浓度的二氧化碳, 以便为反应器中的藻类提供无机碳, 以满足其光合作用的需要。该类型藻类生物反应器已用于螺旋藻生产厂藻种、水产育苗的饵料微藻的大量培养、藻类高值化产品生产和大型海藻细胞工程育苗等方面, 均已获预期的良好效果。

根据实际应用结果, 并与其它各类光生物反应器比较, 这种气升式反应器的优点是:造价低、易操作,实用性强,可在无人值守条件下长期运转;占地面积小, 光能利用效率和产量高;结构简洁,可防止藻类附壁、绕和形成死角, 有利于长期培养; ?搅拌装置湍动温和均匀, 剪切力小,不损伤藻类, 循环速度高并形成湍流,提高光能利用效率,可实现高密度培养;培养液无氧饱和,温度不会异常升高,不需要附加脱氧装置,不需要采用附加的降温装置和措施。

2 微藻密闭式光生物反应器

2.1 发酵罐式光反应器

发酵罐式光反应器是在传统微生物发酵罐的基础上增加光照用于微藻培养。小型反应器可用透光物质如玻璃等为材料, 采用外部光源。混合方式也同样有机械搅拌式、气升式和鼓泡式等。其特点是在有限的占地面积内有较高的培养体积, 对于利用现有发酵技术进行微藻培养具有重要意义。对于发酵罐式光反应器, 一般光照面积与体积比较小, 如何增大光照面积与体积比, 而不影响其他性能, 是需要解决的主要问题。

目前MOni等人发明的反应器将多个透明圆柱体平行安装在反应器罐内, 光源放置在透明圆柱体中, 供给CO2 的气体交换器在罐内两个圆柱之间。Ogbonna等人研制一种用于大规模培养光合细胞的新型内部光照搅拌式光生物反应器, 它由多个单元组成, 每个单元包含光源和周围环境, 大的光生物反应器通过增大单元数目得到, 每个单元中心固定一个玻璃管, 光源插入其中, 混合由搅拌桨实现, 该搅拌桨设计成旋转时不接触玻璃管, 玻璃管同时作为挡板, 该反应器在低转速下仍有较混合程度, 而且剪切力较小。由于发光体并非机械固定在反应器上, 且通过玻璃管与发酵液分离, 因此反应器可高压灭菌, 而发光体在冷却后插入玻璃管。

2.2 管式光反应器

管式光反应器是利用透明的管道, 借助外部光照条件进行工厂化藻类培养。管式光反应器的设计和操作理论最早由Prit 等人提出, 后来有许多人研究与应用, 发展为垂直管式、倾斜可调管式、水平管式等多种形式。水平管式采用泵循环、气升循环等方式混合, 多数采用自然光, 有的采用人工光源。Torzillo 等设计了双层管式光反应器, 将反应管道分两排水平交错放置, 采用气升循环, 并由计算机自动监控培养过程的参数, 获得了315 g/ L 的室外螺旋藻养殖的较高生物量。

垂直管式采用机械搅拌、鼓泡、气升混合, 可分为螺旋管式和鼓泡柱式等。培养液溶氧蓄积与闭路管道中内温过高, 藻细胞在窄管系统循环不畅, 受光不均等问题在一定程度上限制了该系统大规模应用。另外, 透明的聚乙烯管比较脆弱, 玻璃钢管的成本较高也是一个限制因素。

2.3 板式光反应器

板式光生物反应器主要是由透明的玻璃或有机玻璃板制成, 可以根据太阳光强度及入射方向的变化, 调节最适的采光方向, 增大透光率, 通过调节不同的反应器厚度维持短的光通路, 保证有效液层充分受光, 混合强度也可调节, 易实现高密度培养。反应器主要由光源、循环装置、板式反应器、控温系统、培养介质与CO2 供给系统组成。反应器采用太阳光或卤素灯, 光强通过调节光源与反应器的距离或光辐射入射方向加以控制, 反应器内混合系统有气升式混合、底部鼓泡混合或机械搅拌 。

3.前景

微藻生物反应器的研制不仅对现有微藻产业的改造和发展起着关键作用, 而且可以用于进行高附加值化合物、药物等的生产。微藻生物反应器在微藻研究工作中更是一个必不可少的重要工具和手段, 进行微藻的几乎所有研究工作, 如用藻类生物反映器取代现有的简陋而不完备的设备、设施, 均可使研究工作变得更简单, 得到更准确、可靠的结果。人类正面临人口膨胀、陆地资源减少和环境恶化这3大全球性问题。单一的陆地资源已经很难适应经济快速发长的需要, 开发利用海洋资源是解决这些问题的主途径之一。一场以开发海洋生物资源为标志的蓝色革命正在世界范围内蓬勃兴起。

其中密闭式光生物反应器与敞开式相比具有独特的优点, 在微藻培养中商业化规模的成功取决于其生产成本。现代技术日新月异, 各种新材料、新型高效光源的出现与使用, 加上基础理论研究的深入, 必将使密闭光生物反应器更为成熟, 生产成本不断降低,从而真正应用到工业化生产中。

参考文献

1、吴忠兴, 庄惠如, 陈坚, 等. 利用微藻培养生产DHA的研究进[J] . 江西农业大学学报(自然科学版), 2002, 24( 5): 737~ 740.

2、温少红. 海洋微生物DHA研究概况[J] .中国海洋药物, 2002, (1): 49~ 52. 3、胡爱军, 丘泰球, 梁汉华. 利用海藻生产EPA 和DHA [J]. 中国油脂, 2001, 26( 4) : 66~ 69.

4、康瑞娟, 蔡昭铃. 施定基. 用于微藻培养的气升式光生物反应器[J]. 化学反应工程与工艺,2001, 17(1): 44~ 49. 5、Pirt S J, Lee Y K, WalachM, et al. A tubu la r b ioreactorfor photosynthe tic production o f biomass from carbon diox ide: Design and perform ance [ J ]. J.Chem Tech Biotechno,l 1983, 33B: 35~ 58. 6、Mori Kei ,Kaminoge Setagaya Ku. Bioreactor Having a Gas Exchanger,USP, 4970116. 1990 7、James C O,Hitodazu Y, Hiroyuki M, et al .A Novel Internally Illuminated Stirred Tank Photobioreactor for Large-scale Cult ivation of Photosynthetic Cells. J Ferment Bioeng, 1996, 82(1) : 61~ 67 8、Kenji Y, Fumikazu S, Eiji K. Development of Photobioreactor for CO2Fixat

ion. Sumitomo Jukikai Giho, 1996, 44( 131) : 13~ 16

9、刘传琳, 徐春野, 徐庆勇等利用生物反应器培养钝顶螺旋藻的研究. 烟台大学学报, 1999, 12(2) : 127~ 132

10、王长海, 欧阳藩. 紫球藻的光生物反应器培养. 化工冶金, 2000,21( 1) : 47~ 51

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