新型生物反应器结构研究进展

藻类光生物反应器研究进展生物0902 于李 20093511 摘要：微藻在转化太阳能和生产各种代谢产物方面有着广泛的应用价值和潜力。

解决藻类大量培养的关键问题是研制和开发出光能利用率较高、成本相对低廉、可以大规模化生产的光生物反应器。

本文概述了光生物反应器的研究历史、现状和应用前景。

关键词：微藻大量培养光生物反应器光生物反应器( Photobioreactor, 以下简称PBR)一般指用于培养光合微小生物及具有光合能力的植物组织、细胞的设施或装置, 通常具有光、温、pH、营养盐、气体交换等培养条件的调节控制系统, 能进行半连续或连续培养并具有较高的光能利用率, 因而能获得较高的生物密度和单位面( 体) 积产量。

光生物反应器（photo bioreactor）是专门用于光合生物或具有光合能力的组织培养的一类装置，除具有普通生物反应器的基本结构外，还具有光照系统。

一般植物的光能利用率约为0.2%左右，而设计合理的光生物反应器的光能利用率可达到18.0%，较高的光能利用率有利于促进光合生物的生长，提高其培养产率，但光照过强时会导致光合生物生长停止，甚至死亡，造成培养损失[1,2]。

藻类是生长最快的光合生物[3]，培养时通常采用气升式光生物反应器，这种反应器用气流提供循环动力，能避免产生强大的剪切力而破坏光合生物细胞。

藻类进行光合作用会放出氧气，当培养液中溶解氧过饱和时，抑制藻类的光合作用，不利于藻体的生长。

因此，溶解氧的消除也是藻类培养时必须考虑的重要因素。

本研究从降低螺旋藻生产成本的角度出发，旨在设计一套不但适合于螺旋藻开放式培养，而且兼具价格低廉、结构简单、操作简便的气升式光生物反应器。

在此基础上，采用光合自养法培养螺旋藻对所设计的反应器进行实验验证，并利用响应面法对其培养条件最佳水平范围进行优化研究。

1 光生物反应器的研究历程PBR 的研究始于40 年代微藻的大量培养, 主要目的是生产单细胞蛋白。

到50 年代初已研制出开放池式, 水平管状、垂直管状、柔性袋状多种类型[ 7] 。

这些开创性的工作尽管受当时条件限制存在各种各样的缺陷, 却为后来PBR 的发展奠定了基础。

在经历了短暂的繁荣后, 从50 年代中期到70 年代末期, 从总体上看, PBR 的研究进入了一个相对缓慢的时期, 未能开发出效率较高、成本相宜, 可用于大规模生产的封闭式PBR[ 2, 8] 。

然而, 这一时期也有一项突出的成果, 就是发展了开放式的培养系统,特别是跑道池式PBR 的设计已达到完善化、标准化的程度[ 1, 9] 。

80 年代以来, 各种类型的封闭式PBR 的研制有了迅速发展, 并一直持续到90 年代。

这一方面是微藻产业发展的需要。

随着对多种医药及精细化工产品的需要, 开放池式培养系统的一些固有缺点已限制了它的应用范围和发展潜力, 这使人们把更大的注意力转向封闭式PBR 的理论和应用的研究[ 2, 10~ 15] 。

而另一方面, 各种高新工程技术的引入, 大大促进了PBR的发展, 导致一批全新型PBR 的诞生[ 16~ 19 ]2 光生物反应器的研究现状迄今已研制成种类繁多, 结构各异、功类多样的PBR。

如表1 所示, 早期开创的开放池式、水平管状、柔性袋状、垂直管状等类型的PBR 都有了不同程度发展。

其中最有代表性的有两类, 一类是跑道池式PBR, 它适合于可以开放培养的微藻, 是目前商业规模大量培养微藻所普遍采用的培养系统。

这种类型PBR 的结构和运转都比较简单, 生产规模已达5hm2 ~ 10hm2, 生产成本较低, 并能在大面积生产中维持一定的产量。

Weissman等[ 11] 对跑道池式培养系统的生产成本、动力消耗及运转成本等作了较为详细的研究。

Osw ald[ 20] 则对大规模开放池的工程设计作了全面论述。

对于不适合开放培养或经济价值较高的藻类可采用封闭型PBR, 水平回旋管型就是其中最具代表性的类型。

如表2 所示, 这种类型PBR 能防治污染、维持单种生产, 能严格控制运转过程, 有较高的光能利用率, 因而能获得较高的生物密度和产量。

Pirt 等[ 2] 曾提出一套构建该类型PBR 的较为完整的设计理论。

Gudin 等[ 13] 则将该类型PBR 发展到上百米2的规模。

此外, 一些新型PBR 则显示出广泛的应用潜力。

如Javanmardian ( 1991) 的光导纤维型和LeeG- C ( 1994) 的发光二极管型PBR可用于微藻的高密度小容量培养, 以生产高价值的精细化工产品或遗传工程产品。

Wang( 1991) 研制的中空纤维和固定化PBR 适用于培养以胞外分泌物为产品的微藻。

3 光生物反应器的应用前景目前藻类PBR 的研制和开发正受到越来越受到人们的重视。

这首先是由于微藻作为精细化工产品的原料已开始得到利用显示出巨大的潜力。

此外, 微藻在废水处理、水产养殖中的作用与日俱增, 在用于生产食品、燃料、肥料及用于支持生命系统等方面都具有广阔的应用前景。

如能研制开发出光合效率较高、成本相对低廉的PBR, 大量培养藻类用于生产人们所需要的食物、医药、化工原料或用于水污染治理等,其前景将是十分诱人的。

参考文献1 Goldman, J. C. Outdoor algal mass cultures- I. appl-icat ions. Water Research, 1979, 13: 1~ 192 Pirt , S. J. etal, A tubular bioreact or f or photosynthetic Product ion of biomass from carbon dioxide: design andperf ormance. J. Chem. T ech. Biot echnol. 1983, 33B: 35~583 Benemann, J. R. , T he future of microalgal biot echnology.In: Algal and cyanobact erial Biot echnology, ed. by R.C. Cressw ell et al. , Longman Scient ific & T echnical Press ( New York) , 1989, 317~ 3374 Borow it zka, M. A. Algal biot echnology product s and processes, mat ching science and economics, J. Appl. phycol. ,1992, 4: 267~ 2795 Tredici, M. R. , et al. , From open ponds t o vertical alveolar panels: the It alian experience in the deuelopm ent of reactorsf or the mass cult ivat ion of photot rophic microorgan isms. J.Appl. Phycol. 19926 Chaumont, D. , Biotechnology of algal biomass production:a review of syst ems for outdoor mass culture, J. Appl.phycol. 1993, 5: 593~ 6047 Burlew, J. S . ed. , algal Culture f rom Laborat ory topilot plant , Carn egie Inst itut ion of Washington ( Washington D.C. ) 1953, 3578 Lee, Y. - K. , Enclosed bioreact ors for the mass cu-l t ivation of phot osynthet ic organisms: the future t rend, T rends in Biotechnol. 1986, 4: 186~ 1899 Osw ald, W. J. , Current st atus of microalgae f rom w ast es, Chem. Eng. Prog. symp. ser. , 1969, 65: 87~ 9210 T rot ta, P. , A simple and inexpensive syst em for continuous monoxenic mass culture of marine microalgae, Aquacu-l ture, 1981, 22: 383~ 38711 Weissman, J. C. , et al. Phot obioreact or design:m ixing, carbon ut ilizat ion, and oxygen accumulat ion, Bitechnol.Bioeng. , 1988, 31: 336~ 34412 James, C. M . , et al. , An int ensive cont inuous cu-l ture syst ems using tubular photobioreact ors for producing microa-lgae, Aquaculture, 1990, 87: 381~ 39313 Gudin , C. , etal. , Cell fragilit y- the key problem of m icroalgae mass product ion in closed phot obioreactors, Bioresource Technol. , 1991, 38: 145~ 15114 Tredici, M . R. , et al. , A vertical alveolar panel( VAP) for outdoor mass cult ivat ion of microalgae and cyanobacteria,Bioresource T echnol. , 1991, 38: 153~ 15915 Rat chf ord, I. A. J. , Perf orman ce of a f lat plate,air- lift react orf or the growth of high biomass algal cultures, J.Appl. Phycol. , 1992, 4: 1~ 916 Frohlich, B. T. etal. , Phot obioreact ors: Models for interact ion of light int ensity, reactor design and algal physiology,Biot echnol. Bioeng. symp. , 1983, 13: 331~ 35017 Javanmardian, M. et al. , H igh - densit y phot oautot rophic algal cultures: design, construct ion, and operation of a novel photobioreactor syst em, Biot echnol. Bioeng. , 1991, 38:1182~ 118918 Wang. S. C. etal. Immobilizat ion of Anabaena azo-l lae in hollow f ibre phot obioreact ors f or ammonia product ion,Bioresource Technol. , 1991, 38: 85~ 9019 Lee, C. - G. et al. , High - densit y algal phot obioreact ors using l ight - emitt ing diodes, Biot echnol. Bioeng.1994, 44: 1161~ 116720 Osw ald, W. J . , Large- scale algal culture systems( engineering aspect s) . In: M icro- algal Biot echnology, ed. By M. A. Borowit zka. et al, . , Cambridge univ. press ( Cambridge), 1988, 357~ 394The Progresses In Studies ofAlgae Photobioreactors Abstract Microalgae have w ide applicat ions and potent ials in converting solar energy and producing a great variety of metabolites. How ever, the Key problem of mass culture of microalgae is the development of photobioreactors, with hig her eff iciency of light utilization, cheaper cost and easily being scaled up. This review surveys the history, present and prospect of photobioreactors brief ly.Key words Microalgae Mass culture Photobioreactor ( s) .。