微藻培养与光生物反应器分析解析

微藻光自养生长的影响因子
1) 2)
光照 溶解氧
3)
4) 5)
培养液pH
营养盐 温度
光照
光是微藻生长的重要限制因素。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的主要因素。
光不仅有光周期、光质和光强的不同，还有明显的时、 空（纬度、水体深度〕的变化。
光照

一般情况下，在一定光照度范围内，微藻的光合作用效 率会随光照度的增加而增加，但当光照度达到一定值时， 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。
光自养培养、异养培养、异养 -光自养串联培养、混合营养培养
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，而获得生物量。光合成反应 如下：
CO2 + NO3- + PO43- + H2O + 太阳能 [CH2ONP] + O2
目前国内外微藻的大规模培养均属光自养培养。

如果光照度超过光饱和点一定限度后，微藻的光合作用 效率将会下降，导致细胞生长减缓，甚至死亡，这就是通 常所说的光抑制现象。
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，溶解氧的积聚是
一个严重的问题，需要专门设计的脱气系统有效释放
光合作用放出的氧气。
培养液pH
微藻的应用价值



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的饵料全部是微藻。微藻中的不饱和 脂肪酸是水产动物不可缺少的营养，一些微藻产生的虾青素等 色素对人工养殖的虾和鱼具有很好的着色作用。 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。 利用微藻作为表达系统生产基因工程产物具有两大优点 :① 无知识产权问题;② 产物的分离纯化较简单。 其它应用 能源 航天 化工 环保 农业

微藻光自养培养过程的pH基本呈上升趋势

控制培养液pH的最好方法是利用CO2
营养盐

微藻生长所需要的营养元素有15～20种，C、N、P 是微藻生长 的主要营养。


对于微藻光自养生长而言，主要利用无机态的碳源。
微藻可直接利用空气中的 CO2 进行生长，但 CO2 必须先溶解于
水中，且主要以HCO3－的形式被利用。 HCO3－盐也可直接作为微藻生长的碳源，如螺旋藻大规模培养

常采用的是NaHCO3。
温度
一般在18～25℃，但因藻种的不同其最适温度有所差异， 具有不同的温度忍受限，如某些蓝藻可在93℃下正常生活， 而另外一些绿藻则可在冰雪中生长。
微藻的异养培养

微藻在无光照的条件下，利用外源有机物包括糖类、 蛋白水解物、有机酸等进行生长。

异养用培养基一般是在光能自养培养基的基础上添加 葡萄糖、乙酸盐、甘油等有机碳源，蛋白等有机氮源
第七章 海洋微藻培养技术与光生物反应器
（1）掌握海洋藻类的分类及微藻营养模式 （2）熟悉藻种的分离纯化 （3）了解海洋微藻培养技术 （4）了解光生物反应器及其微藻培养系统
第一部分
1. 微藻定义及分类
微藻及其应用
藻类是能够进行放氧光合作用的自养无胚植物
大藻 (如海带、紫菜、裙带等)
按细胞大小
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) 淡水生 水生微藻 海水生 陆生微藻 气生微藻
2)
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 养及稳定的生产。对于食品、高附加值精细化工产品以及一些属于医 药授权范围内的产品（包括藻类基因工程产品），其生产必须是封闭 式纯种培养。在封闭的生物反应器中进行微藻异养培养，不但可实现 纯种培养而且还可保证生产的重复性和连续性。
第二部分 微藻营养模式
微藻
原核微藻 (蓝藻 ) 真核微藻 (其它微藻 )
能 源 光照 光照 有机物
主要的营养方式是光自养 也存在着其他的营养模式
碳 源 CO2 有机碳 和 CO2 有机碳
营养模式 光能自养 Photoautotrophy 混合营养 Mixotrophy 异养 Heterotrophy
藻类
按生长的环境ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
按生活方式
浮游微藻 底栖微藻
2. 微藻的应用价值 微藻具有三个基本特性
1.
2.
3.
种类很多，生理学和生化特性范围很广,因此微藻能产生 很多功能独特的脂肪、多糖、蛋白、类胡萝卜素等生物 活性物质； 微藻能低成本地将用于标记的同位素13C、15N和2H结合 进入体内,因而这类标记元素可进入微藻产生的各种代谢 产物中； 微藻包括了一个大而尚未开发的生物类群，因而提供了 一个实质上未开发的资源宝库。 微藻的特性,决定了微藻在医药、食品、水产养殖、 化工、能源、环保、农业及航天等领域有着重要的开发 价值
3. 微藻的国内外应用现状及存在的问题
微藻产业已初见倪端,但尚未真正形成，其原因分析如下：
微藻产品的产业化包括五个环节：
1. 2. 3. 4. 5.
获得优质藻种(即微藻上游生物技术) 微藻的大规模培养 微藻的大规模采收(即从培养液中分离出微藻细胞) 微藻细胞内产物的分离提取 产品开发
目前我国在微藻生物上游技术方面具有较好的工作基础 (尤其是在微藻基因工程方面处于国际先进水平)，而在微藻的 大规模培养、采收和胞内产物的分离提取方面基础薄弱，它 是制约我国微藻产业形成的根本原因所在。
等。
微藻大规模异养培养的优缺点
与光合自养培养相比较，微藻大规模异养培养具有如下优点:
1)
微藻生长繁殖速度加快，藻生物量浓度大大提高。在异 养培养时，藻细胞浓度可达到或接近大肠杆菌及酵母的 浓度。如美国Market公司异养培养Nitzschia alba以生产 EPA时，64h藻体浓度达45－48g/L(Barclay et al, 1994)。 Running等人(Running et al,1994)异养培养Chlorella pyrenoidosa 以生产维生素C，藻浓度最高可达100g/L。
微藻的应用价值


医药来源 微藻中的生物活性物质具有抗肿瘤、抗病毒、抗真 菌、防治心血管疾病、防治老年人痴呆症等功能。 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、爱滋病等具有预防和辅助疗效。 保健食品 微藻中含有丰富的蛋白质、多不饱和脂肪酸、维生 素、多糖、矿物质等,是极好的天然保健食品。 此外，微藻中含有大量的天然色素。