微藻生物反应器的研究进展

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２００７年第２７卷第５期水利渔业（总第１５３期）－７・

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”ｏ。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，发现海洋徽藻具有大规模生产ＰｕＦＡ的潜力，并取得了不少成就”Ｊ。

利用海洋微藻生产多不饱和脂肪酸的研究始于２０世纪舳年代初期，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”１。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ｏ“。这峰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％一３００％，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”ｏ，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”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人的二氧化碳废气，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（ｐｈ０１０ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ）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Ｒｕｂｉｓ∞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：①造价低、易操作、实用性强，可在无人值守条件下长期运转；②占地面积小，光能利用效率和产量高；③结构简洁，可防止藻类附壁、缠绕和形成死角，有利于长期培养；④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；⑤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。

中国科学院工程研究所集多年研究反应器的丰富经验，研制了系列新型气体提升式光生物反应器。该反应器气液中混合充分、剪切力低、传质性能好；同时，该反应器结构简单、性能稳定、易于放大，面板式设计使操作更简便，可广泛应用于藻类及其它光台生物细胞的悬浮培养““。目前已经完成２Ｌ和２０Ｌ光照反应器，２Ｌ光生物反应器广泛应用于实验室的微藻、大藻和植物细胞的培养研究，便于摸索培养工艺、条件实验、考察多因子的影响规律。考虑研究工作的需要，该光生物反应器设计了光照定时控制和光强调节系统，可满足不同培养体系对光照条件的要求。培养过程中的温度、ｐＨ、溶氧可以实现在线控制，设置了多路供气系统。

２０Ｌ光生物反应器主要用于微藻、大藻和植物细胞

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微藻生物反应器的研究进展

作者：孟春晓， 高政权， MENG Chun-xiao， GAO Zheng-quan

作者单位：山东理工大学生命科学学院,山东,淄博,255049

刊名：

水利渔业

英文刊名：RESERVOIR FISHERIES

年，卷(期)：2007，27(5)

被引用次数：0次

参考文献(16条)

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16.孙勇如小球藻--新型的生物反应器 2004(10)

相似文献(10条)

1.学位论文马冬冬基于微藻的光-膜组合式生物反应器处理海水养殖业废水2005

近年来，海水养殖业的迅猛发展给我国近岸海域环境带来了严重的负面影响。由于海水养殖业废水排放标准尚未颁布，养殖废水大多未经处理而直接排入海中。海水养殖业废水具有排放量大、氮磷营养盐丰富的特点，直接排放极易造成海域富营养化。目前，尚没有成熟的处理技术能高效去除海水养殖业废水中氮磷营养盐。本研究在综述国内外海水养殖业废水处理技术现状的基础上，提出利用海洋微藻吸收营养盐以达到净化养殖业废水的目的。 在温度为25～28℃时，比较了亚心形扁藻(Platymonassubcordiformis)、青岛大扁藻

(PlatymonashelgolandicaVar.tsingtaoensisTsengetT.J.Chang)、盐藻(Dunaliellasp.)、微绿球藻(NannochloropsisOculata)、小球藻(ChlorellaMarine)、三角褐指藻(PhaeodactylumTricornutum)、新月菱形藻(NitzschiaClosterium)、牟氏角毛藻(ChaetocerosMuelleri)、中肋骨条藻(Skeletonemacostatum)、等鞭金藻3011(IsochrysisgalbanaParke)、湛江等鞭藻(Isochrysiszhanjiangnsis)、绿色巴夫藻(Pavlovaviridis)等12种常见微藻在人工配制的海水养殖业废水中的生长情况及其对4种营养盐的吸收能力。研究发现：除了新月菱形藻和三角褐指藻因对温度不适应而大量死亡外，其余10种微藻的细胞密度在6d培养期间都有不同程度的增长。对废水中PO43--P去除率最高的5种微藻依次为：亚心形扁藻、小球藻、牟氏角毛藻、绿色巴夫藻、湛江等鞭藻；对废水中NH4+-N去除率最高的5种微藻依次为：亚心形扁藻、青岛大扁藻、牟氏角毛藻、等鞭金藻、小球藻。由于海水养殖业废水中的营养盐以无机磷(PO43--P)和氨氮(NH4+-N)为主，为了能够同时有效地去除这两种污染物，设计基于微藻的废水处理工艺时，应选择亚心形扁藻、小球藻或牟氏角毛藻作为材料。同时发现，微藻对三种不同形态无机氮的吸收具有选择性，其中NH4+-N的吸收程度最大，这对于以去除氨氮为主要目标的养殖业废水净化十分有利。微藻生长过程中吸收CO2会引起水环境的pH值升高而抑制其自身生长。因此，将微藻实际应用于废水处理时应注意补充

CO2，控制pH值在最适范围，以保证废水净化效果的稳定。

将亚心形扁藻引入生物反应器处理工艺中，构建了一台光—膜组合式生物反应器，主要由反应器主体、循环系统、光照系统、控温装置、CO2供料系统、膜分离系统、pH值监测装置等单元组成。通过研究光在藻液中的衰减规律以及入射光强与平均光强的关系，确定反应器中适于微藻生长的最适入射光强为267μE·(M2·S)-1。通气量为80L·h-1时，可以保证反应器内液体混合均匀。在CO2的混合比为1％的情况下，可获得并保持高密度的微藻生物量(藻密度达到2.51×107cells·ml-1，单位体积细胞干重为5.25g·L-1)。反应器中的聚砜中空纤维超滤膜组件具有良好的分离性能。膜分离系统最佳运行参数：浓水流量50L·h-1，透水率降幅为8％时进行清洗。

在上述最佳工艺条件下，以南美白对虾(PenausVannamei)养殖废水(无机氮平均浓度1.24mg·L-1，无机磷平均浓度0.558mg·L-1)为处理对象，研究了光—膜组合式生物反应器对废水中氮磷营养盐的去除效果。对于间歇运行方式，废水处理2h后，无机氮和无机磷的去除率分别达到85.0％和

96.3％，出水的无机氮浓度为0.16mg·L-1，无机磷浓度为0.0218mg·L-1，分别达到《海水水质标准》Ⅰ类(0.15mg·L-1)和Ⅱ类(0.030mg·L-1)水质要