2种光生物反应器在微藻培养中的性能比较

第23卷第1期

烟台大学学报(自然科学与工程版)

Vol .23No .12010年1月

Journal of Yantai University (Natural Science and Engineering Editi on )

Jan .2010

文章编号:1004-8820(2010)01-0032-06

收稿日期:2008-03-21

基金项目:国家十五重点科技攻关项目(2001BA707B03);农业部辽宁省海水增养殖与生物技术重点实验室开放课

题项目(K2006-03);烟台市科技攻关计划项目(2009219).

作者简介:孙利芹(1973-),女,山东烟台人,博士,副教授,主要从事生物化工领域的教学和科研工作;通讯联系人:

王长海(ch wang2001@sina .com ),教授,博士生导师.

2种光生物反应器在微藻培养中的性能比较

孙利芹

1,2

,王长海2,史　磊

1

(1.烟台大学海洋学院,山东烟台264005;2.大连理工大学生物科学与工程系,辽宁大连116024)

摘　要:对自主研发的平板式光生物反应器和柱状气升式内环流光生物反应器的主要性

能参数进行了测定,以纤细角毛藻为培养对象对两者性能进行了综合评价.结果表明:平板式光生物反应器具有高的液体循环速度和相对较小的光衰减程度,更有利于藻体细胞

对光的吸收,纤细角毛藻的培养密度和生长速率分别达到6.98×108

/mL 和1.42/d,并且操作简单、容易放大,适合于微藻的规模化高密度培养;柱状气升式内环流光生物反应器培养效率相对较低,纤细角毛藻的培养密度和生长速率仅为1.52×108

/mL 和0.935/d,但其培养环境稳定、主要培养参数容易控制,可实现无菌化纯培养,在探索微藻生长动力学、优化微藻培养条件和转基因微藻的培养等方面具有优势.因此在微藻培养时应根据实际的应用目的不同选择适合的光生物反应器.

关键词:光生物反应器;微藻;性能参数;应用比较中图分类号:Q949 文献标识码:A

海洋微藻为光合自养生物,在其生长过程中如何提高微藻细胞对光能和营养物质的利用效率是微藻高密度培养的关键问题.微藻细胞对光的利用效率受到入射光强度、光照时间、光生物反应器形状、材质等因素的影响,其中光生物反应器因其几何形状的不同,决定了光暗循环时间、光衰减程度等性能参数的不同,从而影响了细胞对光的利用效率.

传统的海洋微藻培养多采用开放式培养系统,存在培养条件难以控制、生产周期受季节限制、易受污染等不可克服的缺点,其培养效率和所获产品的附加值均较低.自20世纪50年代以来人们将开发的重点转向密闭式光生物反应器的研制,尤其是1983年Pirt 等人的开创性研究工作为光生物反应器的设计、运转原理及生物工程原理奠定了基础,继其之后各种新型的密闭式光生物

反应器如搅拌罐式、板式、管式等反应器相继问

世,呈现出良好的发展势头,并成功用于盐藻、紫

球藻、雪藻等的培养[1-6]

.但与传统生物反应器及发酵工业相比,光生物反应器的研制开发尚处于初级研究阶段,尤其是其应用研究涉及面较窄,仅局限于少数几种微藻,并且在微藻高密度培养技

术方面缺少完整、系统的研究[7]

.

本研究在自行研制的柱状气升式内环流光生物反应器基础上,又开发出平板式光生物反应器,并将其用于海洋微藻的培养.本文旨在对2种光生物反应器的主要性能进行比较,并对其用于微藻培养的特点进行评价,为2种光生物反应器能更好地用于海洋微藻的培养和工业化生产提供理论依据.

1　材料与方法

　第1期孙利芹,等:2种光生物反应器在微藻培养中的性能比较1.1　藻种

纤细角毛藻(Chaetoceros gracilis ),原种购于中国海洋大学微藻种质库,经本实验室活化后用于实验藻种.1.2　培养基

采用本实验室优化的培养基配方:Na 2Si O 3・9H 2O 012g /L;Na NO 3110g/L;NaHCO 30115g/L;KH 2P O 40.02g/L;V B1217mg/L;V B12115μg/L;f/2微量元素1mL,无菌海水配制.1.3　微藻生物量的测定

藻体细胞计数:培养液经适当稀释后以血球计数板计数,每个样品计6次后取平均值.比生长速率的测定[1]

:比生长速率计算公式:K =21303(lg N -lg N 0)/t .1.4　反应器主要性能参数的测定1.4.1　液体循环时间的测量　液体循环时间的测定采用双pH 电极,脉冲注入适量的20%H 2S O 4或30%Na OH,根据pH 电极的响应曲线,重复6次,计算液体的平均循环时间(t c ).1.4.2　液体循环速度的测量　液体循环速度根

据通气率和测得的液体平均循环时间计算得到.1.4.3　光衰减的测量　采用水下照度计(Z DS -10型),将照度计水下探头放到培养液内部与入射光垂直的截面上的不同水平点测量3次,取光照强度的平均值.1.5　反应器的主要结构特点及装置简图

42L 柱状内环流气升式光生物反应器(AL 2CBR )的结构特点为:①整体为玻璃-不锈钢结构,耐酸和碱的腐蚀、可全方位接受光照,具有pH 、温度和溶解氧自动调节、监控和记录的功能;②可进行完全灭菌,实现藻体的纯培养.反应装置简图见图1.

图1　42L 柱状光生物反应器

Fig .1　42L colu mnar phot obi oreact or

30L 平板式光生物反应器(FPP BR )的结构

特点为:①反应器材质为有机玻璃,透光性能良好、可全方位接受光照,具有pH 、温度和CO 2自

动调节、监控和记录的功能,光源外置,光辐照可在任意范围内进行调节;②反应器灭菌采用稀盐酸处理;③反应器整体结构简洁、呈扁平垂直立体式,装拆方便,便于清洗.装置流程图见图2

.

图2　30L 平板式光生物反应器

Fig .2　30L flat 2p late phot obi oreact or

2　结果分析

2.1　通气速率与液体循环时间、循环速度的关系

以海水为介质,在不同的通气条件下,对柱状气升式内环流光生物反应器的液体循环时间和循环速度进行测定,结果见图3

.

图3　内环流反应器中通气速率,液体循环时间和循环速

度的关系

Fig .3　Relati onshi p bet w een aerati on rate,circulati on ti m e

and liquid fl o w vel ocity in internal l oop phot obi oreact or

因该类型反应器的结构限制,其通气量可选择的范围较窄.实验中通气量可维持在1～12L /m in 范围内.由图3可见,随着通气量的增加液体的循环时间逐渐减小,并且,当通气量增加到5L /m in 时,液体循环速度和循环时间变化趋势则明显趋于平稳,即通气量的增加对液体循环时间

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