（应用化学专业论文）微藻光自养培养中光传递及其生长动力学研究.pdf

中文摘要 微藻是人类获取食品、药物、精细化学品和能源的重要来源，微藻细胞的 离效培养是微藻资源开发利用的关键环节。嚣前微藻主要采震光自养的培养方 式，光强是影响微藻光合作用和培养效率的主要因素。在光自养培养中研究光 能的供应和传递对微藻生长的影响是实现微藻高效培养的重要课题。 以蓝藻和绿藻为研究对象，研究了聚球藻7 9 4 2 、集胞藻6 8 0 3 和普通小球藻培 养中的光衰减现象，推导出一个比较通用的藻细胞培养的光衰减系数指数模型， 即：么( x ) = k 具有很大的不同，即使同种藻类细胞，在不同的培养条件下也具有很大的变化。 但每种藻类的衅+ c ( 即筋口) 值却相对稳定，说明崤可能是藻细胞种类的特 征参数。同属于蓝藻门的聚球藻7 9 4 2 和集胞藻6 8 0 3 的总体a ( x ) 要大于属于绿藻门 的普通小球藻的a ) 。 建立了光生物反应器表面光强分布模型，结果表明随着外置环形灯管数目的 增加，光生物反应器表面光强分布越趋于均匀。当外置灯管达到8 根时，光生物 反应器表面光强保持在3 5m w t e m 2 左右，均匀度为9 5 ，在此范围内光生物反应 器表面可看成一个均匀的发光面。利用ege v e r s 的光分布模型描述了入射光强为 4 5 0 0l x 下集胞藻6 8 0 3 培养过程中光生物反应器的光分布特征，随着培养时间的增 加，细胞浓度越来越高，光生物反应器中光区体积越来越小，暗区体积越来越大； 培养6 也光生物反应器中“暗区”体积超过惑体积的8 0 ，此时细胞比生长速率仅 为0 0 0 4 5h 0 1 。 在集胞藻6 8 0 3 的光自养分批培养中，研究了入射光强在4 0 0 - - 6 5 0 0i x 范围内 藻细胞的生长特性。在光饱和点内，随着入射光强的增加，藻细胞的比生长速率 和线性生长速率不断增加。当入射光强为4 5 0 0i x 时，线性生长速率和对数生长期 比生长速率分别达到0 0 11 5 ( l h ) 和0 0 4 9 5h 一，继续增加光强藻细胞的生长速 率反而下降：利用p i r t 的消耗动力学模型计算了不同入射光强下的最大光能生长 得率y 玎猷，发现y 糯；随着入射光强的增加而减小，在4 0 0l x 下的光能生长得率系 数最大为0 0 5 1 7g i t j , 同时计算了入射光强在4 0 0 - - - 5 6 0 0l x 范围内的生物能量得 率，在4 0 0i x 下最离达到1 9 5 9 ，焉在5 6 0 0l x 仅为4 9 9 。 关键词：微藻；光自养培养；光分布；动力学模型 a b s t r a c t m i c r o a l g a e a r eo n e i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t r e s o u r c ef r o mw h i c hf o o d ， p h a r m a c e u t i c a l s ，f i n e c h e m i c a l sa n de n g e r yc a nb eo b t a i n e d 。e f f e c t i v ec u l t u r eo f m i c r o a l g a eh a sb e e no n eb o t t l e n e c kf o re x p l o i t a t i o no ft h i sr e s o u r c e l i g h ti n t e n s i t y w a st h em a i nf a c t o ra f f e c t e dt h ee f f i c i e n c yo ft h ep h o t o s y n t h e s i sa n dt h e a u t o p h o t o p h i cc u l t i v a t i o no ft h em i c r o a l g a e ，s os t u d yo nl i g h te n e r g yt r a n s f e ra n d s u p p l yi na u t o t r o p h i ec u l t i v a t i o ni s a l li m p o r t a n ta s p e c tf o rm a x i m i z i n gt h eg r o w t h e f f i c i e n c yo fm i c r o a l g a e s y n e c h o c o c c u ss p p c c7 9 4 2 ，s y n e c h o c y s t i ss p p c c 6 8 0 3 a n dc h l o r e l l a z u t g a n sw e r ec h o s e n 勰m o d e lm i c r o a l g a et oi n v e s t i g a t et h el i g h ta t t e n u a t i o ni n c u l t u r e ae x p o n e n t i a lm o d e l 彳( 爿) = 霹x + c x e x p ( - , x ) w a sp r o p o s e d t o e s t i m a t et h el i g h ta t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ta ( x ) 强er e s u l ts h o w st h a tt h ev a l u eo f k 0 、ca n dsw e r ed i f f e r e n tb yt h ev a r i e t yo fm i c r o a l g a ea n ds h o w e do b v i o u s l y d i s t i n c t i o ni nd i f f e r e n tc u l t u r ec o n d i t i o n sa tt h es a m ek i n da l g a e ，b u tt h em a l i lo f 弱ma n dc ( k a d ) w a sc o n s t a n t ，i tm a yb ea ne i g e n v a l u eo ft h et y p em i e r o a l g a e s t u d y a l s of o u n dt h a tt h el i g h ta t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n to fc y a n o b a c t e r i ai sl a r g e rt h a nt h a to f c h l o r o p h y t a am a t h e m a t i c a lm o d e lt oe s t i m a t et h es u r f a c el i g h ti n t e n s i 移o fc y l i n d r i c a l p h o t o b i o r e a c t o rw a sa l s op r o p o s e di nt h i sp a p e r t h i s m o d e lw a su s e dt od e s c r i b et h e s u r f a c el i g h ti n t e n s i t yo fp h o t o b i o r e a c t o rf i x e do nd i f f e r e n tn u m e r a lc i r c u l a r r a d i a t o r s w i 氇t h er a d i a t o r si n c r e a s i n g , t h ep h o t o b i o r e a c t o rs u r f a c ea c h i e v e da r e l a t i v e l yu n i f o r ml i g h td e n s i t y w h e nt h en u m b e r so fr a d i a t o rw a se i g h t ，t h es u r f a c e l i g h ti n t e n s i t yo fp h o t o b i o r e a c t o rc o u l dc l o s et ob ee q u a l ，w h i c hu n i f o r m i t yh a d a c h i e v e da b o u t9 5 m o r e o v e r ，t h el i g h td i s t r i b u t i o no fs y n e c h o c y s t i sc u l t u r ei n l 。5 lb i o r e a c t o rw a sd e s c r i b e dw h e nt h ei n c i d e n tl i g h ti n t e n s i t yw a s4 5 0 0l x r e s u l t s h o w st h a tt h el i g h ti n t e n s i t yw a sd e c r e a s e db yt h eg r o w t ho fm i c r o a l g a lc e l la n dt h e l i g h tz o n ew a su n d e r2 0 o ft h ew h o l ep h o t o b i o r e a c t o rv o l u m ea f t e r6d a y s d u r i n g t h i sc o u r s e ，a l m o s ta l lt h el i g h te n e r g yw a sm a i n t a i n e dt h ec e l lg r o w t ht h a tr e s u l t e d i nt h es p e c i f i cg r o w t hr a t ew a so n l ya b o u t0 0 0 4 5h ， t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o a l g a eg r o w t hi nd i f f e r e n tl i g h ti n t e n s i t i e sr a n g e d f r o m4 0 0i xt o6 5 0 0l xw e r ee x p l o r e di nt h i sp a p e r i tw a si n d i c a t e dt h a tt h es p e c i f i c g r o w t hr a t ea n dl i n e a rg r o w t hr a t ew e r ei n c r e a s e dw i t ht h ee l e v a t i o no fi n c i d e n tl i g h t i n t e n s i t yu n d e rl i g h ts a t u r a t i o na n da c h i e v e dm a x i m u m o 0115 ( l h ) a n d0 0 4 9 5 h 1r e s p e c t i v e l yw h e nt h ei n c i d e n tl i g h ti n t e n s i t yw a s4 5 0 0i x b u tw h e nt h ei n c i d e n t l i g h ti n t e n s i t yw a si ne x c e s so f5 0 0 0 i x ，t h ec e l lg r o w t hw o u l db ei n h i b i t e da n dt h e y 懈b yp i r t sk i n e t i cm o d e lw a sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s m e n to f i n c i d e n tl i g h t i n t e n s i t y , w h i c ht h em a x i m u m 缸w a s0 0 517 a tt h ei n c i d e n tl i g h ti n t e n s i t yo f 4 0 0l x i np a r a l l e l ，t h em a x i m u my i e l db a s e do nl i g h te n e r g yw a s19 5 9 a t4 0 0i x a n d4 9 9 a t5 6 0 0l x ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：m i c r o a l g a e ；p h o t o a u t o t r o p h i cc u l t i v a t i o n ；l i g h td i s t r i b u t i o n ；k i n e t i c m o d e l u i 符号说明 a ( x ) 光衰减系数，m 1 a m 双曲模型中最大光衰减系数，m j i k 光饱和常数，l x 1 1 修正系数 1 0 光生物反应器表面入射光强，l x 、 m w e m 2 0 rg e ( m 2 - s ) i 光生物反应器内任意点光强 i 。点光源的发光强度 e 照度 d o 光通量 d o 物体面元 d f l 点光源某方向所张的立体角元 r 反应器半径，m e a b 光能比吸收速率，k j ( g h ) y 一基于光能的细胞最大得率系 数，g i o y 藻细胞吸收光能的生长得率，g 脚 m 基于光能的维持系数，k j ( g h ) x 生物量，g l e o i 体积光能吸收速，k j ( l h ) a 光生物反应器表面积，m 2 v 光生物反应器体积，l p 比生长速率，h 以 p m 最大比生长速率，h 。 o d 7 3 0 波长7 3 0 n m 处藻细胞光密度值 疋比消光系数，m 2 瓜g 心藻细胞为零的比消光系数，m 2 l 【g m 藻细胞浓度无穷大的比消光系数，m 2 k g s 光衰减系数指数模型中的比例系数 i 吖平均光强 a 光衰减系数线性模型中的参数，1 1 1 2 k g - 1 b 光衰减系数线性模型中的参数，g l - 1 q 6 藻细胞燃烧热，k j g b 双曲线模型中的参数，m d c 光衰减系数指数模型中的参数，m 2 - k g 一。 s 反应器内与表面距离，m 巾入射光角度 t 时间h 0 1 d a y t m 最大藻细胞浓度时间，ho r d a y i 光生物反应器上灯管的编号 k 光生物反应器上安装灯管总数 l 光程，m d 点光源到光生物反应器表面距离，m h 光生物反应器的高度，m h 光生物反应器表面点到底部距离，m a 光束的轴线方向与受照面法线间夹角 、i ，生物能量得率， 粕环形灯管的半径，m 初始藻细胞接种浓度，g l 藻细胞收获最终收获浓度，g l v i 独创性声明 本入声臻所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不趣含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含荛获得或其他教育枫构的学位或证书露使用过的材料。与我一 阿工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表汞谢意。 学位论文作者签名：；氏乞拭 签字瑟期：参童年参月加 学位论文版权使用授权书 本学位论交作者完全了解江西师范大学研究生院有关保留、使 用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复零件和磁盘，允许论文被查阕和借阗。本人授权江酉师范大学研 究生院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、编印或蠡描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密鲍学位论文在解密君适用本授权书) 导癖张拳雪 签字日期：盼年舌月二日 微藻光自养培养中光传递及其生长动力学研究 1 1 微藻的特点及应用 第一章前言 微藻，不是分类学上的名称，而是指那些个体微小、介予微生物和植物之 间、能进行藏氧光合作用的藻类类群f l 】。通过光合作用，微藻细胞能有效地利 用光能，将h 2 0 ，c 0 2 和无机盐类转化为有机物质，并释放出氧气，从而为其 它生物的生存创造条件，从这个意义上说，微藻是地球生命的重要源泉。此外， 微藻细胞由于富含蛋白质、氨基酸、碳水讫合物、维生素、抗生素、高不饱和 脂肪酸、多糖和色素等多种高附加值的生物物质，是人类食品、医药、燃料、 精细化工材料等的重要资源江翔。因此，在全球粮食、能源等危机依然严峻的今 天，开发与利用微藻生物资源无疑具有重要的社会价值与经济意义。目前己商 业化或正在开发的微藻产晶主要用途如下： ( 1 ) 保健食品由于微藻细胞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，使其成为极好的天然保健食品。这也是人们发现微 藻的利用价值后，对徽藻的最初利用。螺旋藻和小球藻在食品行业中的广泛应 用就是最好的例证。此外，微藻中还含有大量的天然色素，如螺旋藻中的藻蓝 蛋自，挫氏藻中的类稿萝卜素均是天然食晶色素的丰富来源 4 - 7 1 。 ( 2 ) 医药来源微藻是海洋药物的重要来源。微藻中的生物活性物质， 如：多不饱和脂肪黢e p a d h a 、盐藻胡萝卜素、藻胆蛋盘、螺旋藻多糖等 具有抗肿瘤、抗病毒、抗真菌、防治心血管疾病、增强免疫力、减少辐射损伤、 保护造血功能、防治老年入痴呆症的特殊功能t s , 9 , 1 0 l ，同时，e p a 和d h a 还是 人脑细胞的必需组成部分，对大脑发育和增强记忆有重要作用”。 ( 3 ) 基因工程产品随着藻类基因工程的快速发展，一些外源基因在蓝藻 中得到7 表达，这样就爵通过大量培养基因工程蓝藻生产一些离附加值产物，如： 金属硫蛋白、人肿瘸坏死因子、人表皮生长因子、磷酸酯酶、超氧化物歧化酶( s o d ) 及杀幼蚊毒素等。与微生物表达系统，如：大肠杆菌、酵母菌及昆虫表达系统相 比，利用微藻作为表达系统以生产基因工程产品产物分离纯化较简单等优点。目 前，产生金属硫蛋白、人肿瘤坏死因子、人表皮生长因子、兔防御素及杀幼蚊毒 素的基因工程蓝藻均己构建成列强。引。 ( 4 ) 饵料虾和蟹等在成长过程中主要使用动物饵料( 如轮虫、卤虫等) ， 丽培养这些动物所焉的饵料全部是微藻，霞此作为食物链的初级生产者，微藻是 水产经济动物育苗过程中不可缺少的重要饵料。微藻中的不饱和脂肪酸是水产动 硕上学位论文 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【1 7 l 引。 ( 5 ) 环境保护微藻能有效地进行光合作用，能将光能、水、二氧化碳 和无机盐转化为有机化合物，微藻的大规模培养可用于固定和吸收大气中的二氧 化碳，从而可用于减少地球的温室效应【旧】；同时许多微藻能代谢很多有毒物质， 因此可用于去除空气和废气中的c o _ 与s o 2 0 ，2 1 1 、废水处理【2 2 2 3 】以及其他方面的 环境修复。 ( 6 ) 能源开发用微藻获取能源主要有三条途径：一是产氢，部分蓝细 菌能够在氮受限制情况下释放出氢气【2 4 2 5 】；二是用藻细胞作为细菌发酵的底物 来生产气体燃料，主要是甲烷、乙醇和长链烃【2 6 】；三是用藻直接生产液体燃料， 通过大规模培养含脂量高的藻类，提取其脂类并转化为柴油或汽油【2 7 】。 ( 7 ) 其他应用除以上所列举外，微藻在工农业生产上尚有广泛的用途， 化学工业上，可利用微藻多糖如紫球藻多糖等生产豁合剂、增稠剂和乳化剂等化 工产品【3 0 】；农业上，由于微藻具有固氮作用，因而可作生物肥料使用，其产生的 一些分泌物也可作为植物生长的调节剂【3 1 l ；此外，微藻在航天方面也具有重要的 开发价值p 2 。 1 2 微藻培养 随着微藻应用价值不断被发掘，以及工业、医药、食品、环境等研究领域对 微藻需求的不断增加，微藻培养技术也得以迅速发展【3 3 】。 1 2 1 微藻培养系统 微藻培养系统可大致分为开放式培养系统和封闭式光生物反应器培养系统 两大类【3 4 , 3 5 1 ( 1 ) 开放式培养系统 开放式培养系统主要是指开放式跑道池反应裂珀j ，它是国# b 6 0 年代设计的， 现已普遍应用于微藻的商业化大规模培养中【3 7 1 。其优点是：成本低廉，建造容易、 操作简便，但缺点也非常明显，主要表现在 3 8 , 3 9 1 ：培养效率低；培养条件 无法控制；培养过程易受杂藻和水生原生动物等的侵扰，导致培养过程不稳 定，产品难以符合卫生和质量标准；生产受地域、季节和气候等自然条件的 制约，生产期短。 上述缺点决定了开放式反应器只适合于那些能够耐受苛刻环境条件( 如高盐 度、高p h 值) 的藻种，或附加值较低的微藻产品的生产( 单细胞蛋白饵料、饲料等) ， 难以适应现代微藻生物技术的发展【柏l 。因此，研制开发封闭型光生物反应器，结 2 微藻光自养培养中光传递及其擞长动力学研究 合现代诗算机技术，实现微藻的大规模高密度培养，已成为微藻工韭化生产所需 解决的迫切任务之一1 4 。 犯) 封闭式光生物反应器培养系统 与开放式培养系统相比，封闭式光生物反应器培养系统有以下优点【4 2 4 3 】： 具有较高的比表面积和良好的气液、气固传质效果，利于提高藻细胞光能的利用 率，减少溶氧蓄积和剪切力对藻细胞的伤害；可实现对微藻培养的物理、化 学和生物学环境的全面调控；能够最大限度地控制养殖环境，减少污染发生 的可能性，实现纯种培养；适宜予凡孚所有微藻的培养，尤其适合予基因工 程藻及含高附加值代谢产物( 如藻胆蛋白和限制性酶、同位素标记化合物) 的藻细 胞的生产；培养效率高。反应器光合效率最高可达1 6 6 ，微藻细胞浓度可达 每升几十克( 是开放式跑道池的1 0 0 倍) ，这给藻体采收带来极大方便。 但密闭式光生物反应器培养系统也存在一些缺点，如造价和培养成本偏高； 微藻细胞密度较高时，培养体系的光通量难以得到满足；存在反应器和传感器表 面的生物附着问题【惝】。所以，目前密闭型光生物反应器主要用于某些高附加值 微藻产晶( 如藻胆蛋皇，同位素标记佬合物) 的生产。 l 。2 - 2 微藻培养方式 微藻大多是营光自养生长的，它们通过光合作用利用光、c 0 2 及其它无机物 来生长；健在自然界中也发现了许多兼性和专牲异养的微藻，它们可在黑暗或一 定的光照条件下利用糖类、蛋白质水解物、有机酸和其它形式的有机化合物进行 生长。由予微藻的舜养或混养培养过程中有机物代替或部分代替光和c 锄作为结 构物质和能量，因此减少了培养过程中微藻对光的需求。这种培养方式可大大加 快藻细胞生长，提高藻细胞的培养密度，降低成本，同时可借鉴异养微生物培养 的成熟技术和设备来实现微藻的大规模培养，这必将大大加快物质及其产品的产 业化过程。异养培养在国肠朋砌【4 7 ，4 8 l 和c h l a m y d o m o n a s 4 9 ，5 0 】生物量生产，分批补 料异养培养e u g l e n a 鬈愆c f 融生产生育酚剐，n i t z s c h i al a e v i s 等异养培养生产d h a 、 e p a 等不饱和脂肪酸等方面【5 2 】都得到了较好的证明。 但微藻异养培养也存在许多闯题：f l ，能进行混养异养培养的物种少；( 2 ) 易 发生细菌污染；( 3 ) 低浓度可溶性有机底物就可能对藻细胞生长产生抑制；( 4 ) 光 诱导产物( 如色素) 在异养培养中的生产能力较差。 1 2 3 微藻培养特点 微藻大部分采用光合自养培养，在培养过程中，必需利用光能，否则微藻 3 硕十学位论文 不能正常的生长，光照就成了自养培养微藻的最大限制性嚣予。这就要求在培 养微藻的过程中，尽可能的增加培养设备的比表面积，培养液的深度也尽可能 地小，以利于微藻得到充足的光照；随着壤养过程巾微藻细胞密度的加大，由 于其它藻细胞对光的吸收而产生的光衰减现象的加大，单位微藻细胞得到的光 能会相应减少，大大制约着微藻细胞的生长。为了增加光照，如采用内光源的 反应器，则需要在反应器中加一个复杂的光照系统，僵通常微藻细胞会附着在 光源上，并且光源产热会带来温控上的问题【5 3 1 。而传统的异养型微生物不需光 照，在壤养过程巾不会存在这些闯题。 从混合角度上看，在培养微藻的过程中的混合除了促进气液传质、温度与 营养均匀分布、防止藻细胞沉降等作用钋，还必需考虑到藻细胞的光合作用， 培养过程中的搅拌混合要尽可能延长藻细胞的受光时间，但还必需考虑过度混 合对藻细胞的剪切作用、而传统的异养型微生物就不必考虑混合过程中对光能 的需要l 辩，5 舅。 1 3 微藻细胞培养中光的衰减和传递 微藻作为光自养微生物，以吸收可见光光范围内的光子作为能源，c 0 2 作为 碳源进行光合作用。所以光是微藻生长的重要限制因素。在光生物反应器中，光 能的供应是通过生物反应器的表面而传到藻液的，光通过藻液时，由予微藻自身 的相互遮挡和藻细胞色素对光的吸收效应，入射光穿过藻液时存在着不断衰减的 现象，随着培养密度和光透距离的增加光衰减现象越严重。由于光的衰减导致光 在培养体系中分布不均，距离反应器表面越远，光强越弱。在光自养微藻培养中， 研究光在藻液中的衰减和传递是提高微藻培养密度和合理设计光生物反应器的 重要依据。 1 3 1 微藻细胞培养体系中的光衰减模型 微藻培养中，光辐射通过培养液时，随着光子的被吸收和散射而造成的光密 度的减少现象称为光衰减。影响光衰减的主要因素包括细胞的浓度、培养液厚度、 细胞的大小、细胞所含色索的多少等。朗伯提出这样的假设：光在同一吸收物质 内通过网一距离时，到达该处的光能量中将有同样酉分比的能量被该层物质吸 收，可定期闭为光衰减系数： _ d i ：一a ( x ) d t ( 1 一1 ) 一= 一 il ij j 将式( 1 一1 ) 积分，即可求出在通过厚度l 的吸收层的光强： i = 五e x p “x 王 ( 1 - - 2 ) 4 微藻光自养培养中光传递及其嫩长动力学研究 实验证明这个定律在光强翮物质浓度穰大范豳内都是歪确的。 在稀溶液中，溶液的衰减系麴仞正比于溶液的浓度，即 a ( x ) = 鼍x ( 1 - 3 ) i = 厶e x p 一也肥。 ( 1 - 4 ) 式( 1 - 4 ) 为l a m b e r t - b e e r 定律的数学表达式。 在混合均一的微藻培养体系中，由细胞浓度导致的光衰减可以l a m b e r - b e e r 定律来描述，但l a m b e r - b e e r 定律基予以下假设下才成立： ( 1 ) 入射光源是单一和垂直的光源； ( 2 ) 吸收光的介质是均匀透明的溶液； ( 3 ) 由固体颗粒产生的散射与吸收相比是可以忽略的。 根据b e e r 定律，微藻溶液的衰减系数与细胞浓度存在一定的关系。许多文献 利用不同的表达式来描述微藻细胞浓度与衰减系数的关系，现将光衰减系数的模 型给予综含介绍。 1 3 重董光衰减系数的线性模型 康瑞娟【5 6 5 7 】在研究蓝藻的光衰减时，不仅考虑细胞密度和培养液浓度还考虑 纲胞大小对光强衰减的影响，研究了丝状体的鱼腥藻7 1 2 0 和单细胞的聚球藻7 0 0 2 培养体系中光强的衰减，在l a m b e r - b e e r 定律的基础上，用藻细胞和光衰减系数 的线性关系得出了藻细胞的光衰减模型： 鱼腥藻7 12 0 ： 1 = 厶c x p 卜( 0 0 2 3 9 + 0 0 7 7 7 0 d 7 3 0 ) l 】 聚球藻7 0 0 2 ： 王= i oe x p - ( o 0 1 3 1 + 0 。9 8 7 蛆5 0 ) 引 陈烨等【5 8 1 在研究角毛藻藻液光衰减特性时，发现总光衰减系数与藻细胞密度 之闻的线性关系拟合较好，说嗳在一些藻液中光衰减系数可以溺直线模型来初步 描述。 1 3 。l 。2 光衰减的多项式模型 描述光吸收现象的一个基本定律是l a m b e r t b e e r 定律，温少红【5 9 , 6 0 在研究螺 旋藻和紫球藻的光衰减特性时发现存在一些非线性的关系，可能是由于螺旋藻和 紫球藻培养液是一种很不稳定不规则的溶液体系，它不仅有较强的光吸收能力， 而且对光还有反射、折射和散射作用，这两个因素使螺旋藻藻培养液的光衰减规 律远远偏离l a m b e r - b e e r 定臻。她针对螺旋藻和紫球藻培养液的特征建立了可描 述两种微藻的光衰减规律的数学模型： 螺旋藻： ，一 m ( 了j o ) = ( o 0 0 8 0 0 0 2 2 8 0 d 5 e o ) + ( o 0 0 7 4 + 0 1 1 2 5 0 d s f , 0 ) 工+ ( o 0 0 7 1 4 2 0 0 0 7 2 8 5 0 ) 5 6 0 + 0 0 0 0 9 9 9 0 d 5 6 0 ) - r 5 硕士学位论文 紫球藻： i n ( 争) = ( o - 0 0 5 9 _ o 0 1 5 2 0 d 删) + ( o 0 2 0 3 + o 0 6 3 7 0 d 科) “( o o o l 5 吨0 0 5 l o d e 4 + o 0 0 1 7 0 d 2 + o + ) - 她通过实验数据证明该模型能较好地攒述螺旋藻和紫球藻浓度、光穿透距离 和透过光强之间的相互定量关系，经检验此模型的总体平均误差为5 7 。 1 3 1 。3 光衰减系数豹双麴模型 fga c i 6 nf e r n a n d e z 叭l 等在研究朋a e o d a c t y l u mt r i c o r n u t u mu t e x6 4 0 细胞培 养过程中，利用l a m b e r - b e e r 定律描述藻液巾的光衰减现象，发现在细胞浓度较 低情况下藻细胞的衰减系数和细胞浓度符合线性关系，当细胞浓度超过1 3 9 l 时，细胞的光衰减与细胞浓度相悖于线性关系。根据衰减趋势，提出双曲模型来 描述细胞培养中光衰减系数的变化。在低浓度下衰减系数与细胞浓度呈线性关 。系；在离浓度下衰减系数存在朝最大值慢慢趋近的趋势。此模型表达式为： 娴= 筹 沪5 ) 其中a ( x ) 为光衰减系数，彳埘最大光衰减系数，b 为常数，肋细胞浓度。 虽然该模型没有实际的生物学意义，僚却能很好的描述微藻藻液中光衰减系 数随浓度的变化趋势，可以当作经验式来描述微藻细胞中的光衰减。l e ea n d s u b 蚓和y sy u n 6 3 1 等利用双盏模型计算衰减系数荠描述了藻细胞的光衰减，证 明此模型在很大细胞浓度范围内能很好的描述光衰减系数的变化。朱笃 6 4 1 在研究 聚球藻7 9 4 2 的光衰减现象时也证明双曲模型能很好的描述细胞浓度和光衰减系 数的关系。 1 。3 1 4 光衰减系数的吸收和散射模型 光在均匀的介质中传递，光的衰减主要由吸收孳| 起的。当光束通过光学性质 不均匀的物质时，散射会使光在传播方向上造成衰减。引起光衰减的主要因素包 括光的吸收和散射。微藻细胞培养体系中细胞浓度偏高时是一种不均匀的介质， 在光传递过程中的光衰减是由细胞对光的吸收和散射造成的。当藻液中细胞浓度 高时，由细胞颗粒导致的光散射对光的衰减占主要部分1 6 5 】。在l a m b e r - b e e r 模型 中，用仅考虑光吸收的光衰减系数来描述培养体系巾光衰减存在很大的偏差，因 此，c o m e t jf 【6 “8 】等在s c h u s t e r - - 维光传播模型的基础上推导了一个包括光吸收 和光敖射参数的藻液光衰减模型。其表达式如下： 刖x ) ：一1i n 。尘刍，( 1 6 ) 、 三 f 1 + 强) 2 。e a z f l 一强) 2 。e - 啦 其中 喁= 嘞= ( 色+ e ) 强x l 6 微藻光自养培养中光传递及其生长动力擎研究 e 为光吸收系数，e s 为光散射系数。 此模型基于以下假设：( 1 ) 光的吸收和散射用e 。和e 。两个系数表示； 。( 2 ) 光的传播方向在培养液中不发生变化。 jfc o m e t 6 9 】等在不同的生物反应器中用该模型描述了螺旋藻的光衰减特 性，得到散射系数和吸收系数的值分别为2 0 0 m 2 - k g - 1 , n 1 5 0m 2 - k g 1 ，证明散射系数 与吸收系数相比不能被忽略。在用l a m b e r b e e r 模型描述光的衰减时，考虑由敖 射系数和吸收系数作为总光衰减系数能更精确反映培养体系中光能的传递。 1 3 2 微藻细胞培养体系中光的分布 光能在细胞生长中扮演重要的角色，但光能在光生物反应器中的分布和利用 特性没有很好的描述。光生物反应器中光只能被吸收而不能储存，没有被吸收或 被光合作用利爰酶光麓以热能的形式耗教f 粥】。因此，光能必须以合适的水平连续 的提供以保证光能的最高效率的利用。在培养体系中计算光能的先决条件是利用 模型分析光能的传递。许多文献1 7 吖2 揍l 用单位体积入射光强或辐射面积来表明光 的传递效率，这些计算式只在低细胞浓度和光程短的情况下能描述光能的利用效 率，而不能确切描述光生物反应器中某点光的分布情况和整个光生物反应器内的 平均光强。r a b e 等引入平均光强和光学理论来描述培养体系中光的传递并建立 相应的数学模型来描述光的分布 7 3 - 7 5 j 。 以前数学模型主要集中在瑷太阳麓为光能的系统，大多数应用予开放涟系统 7 6 , 7 7 ，平板式光生物反应器和管状光生物反应器 7 8 , 7 9 1 。以人造光源为光能的外 置辐射光的矩形、圆柱形、球形光生物反应器光分布模型在九十年代也内c o m e t 等【6 9 】建立了。为了减少外置光生物反应器光能的损失，几种内鬣光源的光生物反 应器已经构建，同时利用光导纤维1 8 0 , 8 t 】，荧光灯【8 2 ，8 3 1 ，光发射板或发光二极管 l 辨善5 】为光源的光分布模型也已构建。光在光生物反应器中分布跟其几何形状密切 相关，不同形状的光生物反应器中光的分布是各不相同的。国外许多学者研究了 不圈光生物反应器中光的分布，并建立7 摇关的光分布数学模型。现就以久造光 源和太阳能为光能的圆柱形光生物反应器中光的分布模型做一综述。 1 3 2 。l 太阳能为光源的光生物反应器光分布模型 ， 在微藻培养中，以太阳光作为光能户外培养微藻是目前工业化生产微藻产品 的主要形式，由于光强随着时间和季节的变化而导致用来描述反应器中的光强的 模型菲常复杂。基于d u f f l eja 和b e c k m a nwa t 跖j 的太阳能利用理论，fg a r c i a c a m a c h o 8 7 】等在户外管式光生物反应器中培养p h a e o d a c t y l u mt r i c o r n u t u mu t e x 6 4 0 时，考虑太阳光线射入光生物反应器中的直射和散射现象，利用l a m b e r - b e e r 定律描述光传递中的光衰减得出计算反应器中平均光强的计算式： 7 硕士学佼论文 小寿 ( j l k ( ，； c p ) r d r d 缈) + 亡j cf k 以，r p ) r d r d c p d 拼( 1 - 7 ) 其中：乞柳( i ，妨= 毛懈( y ，c o ) e x p - a ( x ) 乞酗】 气嬲。( 鬈，力= 一( 7 ，c o ) e x p 一a ( x ) 幺剃】 乞矧端r - s i nc - r - s i n c o s6 ， = ( - s i n c a r s i n 6 ) 2 + ( c o s ( p r c o s e ) 2 1 3 2 2 外置光源光生物反应器光分布模型 人造光源具有根据培养要求改变光强的大小、不受自然条件的干扰等优点， 在培养高附加值的微藻产品和对光敏感的藻类具有广泛的应用前景，现就目前应 用广泛的光分布模型做一简单介绍。 ( 1 ) ege v e r s 的二维模型7 8 l ege v e r s 提出了在反应器中由于细胞的相互遮挡导致光分毒不均的模型，该 模型能很好的阐明在光限制恒化培养下不同光照下培养体系中光分布的真实状 况。光生物反戚器中任意点处光强表达式： 邵m = 。f e x p n 一心x 卜s ) c o s 妒+ n 髀s ) 2 s i n 2r p 州扣( 1 - 8 ) 光生物反应器中乎均光强表达式： 嚣嘉rj c r e x p _ k o x ( r - s ) c o s 痧+ n ( r 二s ) zs i n 2 妒州扣( 1 - 9 ) m o l i n a g r i m a e 等 8 8 , 8 9 利用式( 1 - - 8 ) 计算生物反应器中的光强，并利用 测光仪器验证实验模型的准确度，发现该模型能比较准确描述不同浓度下光生物 反应器中光强的变化。随着细胞浓度的增加，光生物反应器中离反应器表面的距 离越远，光强越小。 ( 2 ) m o l i n ag r i m ae 的三维模型【8 9 】 m o l i n ag r i m ae 在研究光强对徽藻细胞生长的影响时提滋光生物反应器中任 意点和平均光强的计算模型，光生物反应器中任意点光强表达式： i e ( r o ，z o ) = fp 蝴别+ f 啕r e _ k , x p ( r o a , # ) 识( 乙 ( 1 二l o ) 其中：戤2 而石i o f r d 面玉丽 尹( 龟，z ，) = 瓜i 了万面：否面 光生物反应器中的平均光强表达式为： 8 微藻光自养培养中光传递及其生长动力学研究 ，：笠：垒坠：! 堕丝垒苎：三三生坠：垒堡垒垒 ( ，一，) l 。i i 坛识瓴 y r m o l i n ag r i m ae 的三维模型在描述不同高度下光生物反应器中的平均光强时 比ege v e r s 的二维模型能更精确描述实验数据与模型计算值的关系。y o k o t at 等 p o 】研究表明只考虑光的吸收会过高评估光的衰减，此模型的衰减系数同时考虑 到了光的吸收和散射作用，因而具有较高的精确度。 1 3 2 3 内置光源圆柱形光生物反应器光分布模型 利用外置光源作为光能，光能由于四处辐射而存在光能以热能的形式耗散现 象。为了减少外置光生物反应器光能的损失，利用光导纤维，荧光灯，光发射板 或发光二极管作为内置光源的光生物反应器已经构建。然而没有深入的模型解释 内置光生物反应器的光源的辐射状态的报道。i ns o os u h 和s u nb o kl e e 【9 l 】在圆 柱形生物反应器中以荧光灯管为内置光源研究了不同灯管数下光分布情况，得出 任意点和平均光强的数学表达式，光生物反应器中任意点光强表达式： ，。( 厂，臼，x ) = 童心r m o ，i 。oe x p 石- i k o 了x 两而( r i k , 丽- r o ) 】 ( i 1 2 ) 其中：r k n = 扩习五i 面而 光生物反应器中平均光强表达式： i ，m = 耩- 鬟r 1 膊 州e + 域毫髅 回d r a 9 + 0 r 1 麒，r ，州吼 ，( 1 1 3 ) 其中：a 。= 万( 碍一刀舌) ，口= r rc o s o 一哥一彳s i n 2 口 = r tc o s 0 + 芬一彳s i n 2 日 在圆柱形光生物反应器中培养s y n e c h o c o c c u ss p p c c6 8 0 1 时，利用式“一 1 2 ) 和( 1 1 3 ) 验证不同的培养密度下光强的变化，发现该模型的计算值和实 验值能很好的吻合。该模型也能很好的应用于描述不同几何形状光生物反应器中 光分布状况。 1 4 微藻细胞的生长动力学 对于光能自养型的微藻，光能是细胞生长最重要的环境因子。适宜的光能供 给是成功培养微藻的关键。探讨和阐述细胞生长和光能之间的定量关系并建立模 型是微藻生长动力学研究的主要内容。 9 硕士学位论文 1 4 1 细胞生长动力学模型 在微藻细胞培养中，用来描述细胞生长与自身浓度之间的模型主要有l o g i s i c 模型，l o 垂s t i c 方程是一类应用广泛的描述细胞或群体数量动态变化的动力学形 - d 讲x p x ( 1 _ k x ) ( 1 - - 1 4 ) 邱户礓x o 厣 e p t ( 1 - - 1 5 ) 王长海【9 2 1 等在研究螺旋藻的生长时，根据藻细胞生物量变化曲线，利用 l o g i s i c 方程( 式l - - 1 5 ) 描述处于指数生长期和稳定期的生长动力学，发现模型 的拟合计算值能很好的与实验数据相吻合。曾文炉等9 3 1 用r i c h a r d sm o d e l 描述螺 旋藻分批培养下细胞浓度和培养时间的关系，发现实验值与模型拟合值吻合得很 1 4 2 基于光能的生长动力学模型 微藻生长与光能利用密切相关。光能的供应直接影响细胞的最终生物量。现 将微藻培养中最常用的光能利用模型列于下表1 1 中。 由于不考虑细胞的相互遮挡所有的细胞都暴露在相同的光辐射下，表1 1 中 模型在浅层分批和恒浊培养中能很好描述光强和比生长速率的关系。当在恒化培 养下，由于细胞密度和培养体系中的光强不断变化，上述模型拟合光强与比生长 速率的关系时与实验值存在很大误差。m