（发酵工程专业论文）螺旋藻高细胞密度培养装置的设计及生产工艺优化.pdf

0 j ： f ，r l 。 摘要 本课题根据气升式反麻器的j ：作原理，设计一个敞口小型螺旋藻光生物反应器，并根 据螺旋藻培养的影响冈素对该生物反应器的操作参数进行了优化。同时探讨了在未灭菌的 情况 螺旋藻伍敞口光生物反席器中光合臼养培养和混合营养培养。 首先。设计了两个5 l 光生物反府器( 矩形光生物反应器雨i 圆柱形光生物反应器) 并 进行了初步的操作参数优化。通过对螺旋藻光合自养培养生长曲线的测定，研究光强在不 同光生物反应器中不同藻液浓度与深度卜| 的光衰减情况，并建立相应的光衰减模型，光生 物反应器培养的生物龋明显优丁摇床所培养螺旋藻生物量，而且矩形光生物反应器培养的 螺旋藻生物量高于圆柱形光生物反应器所培养的生物量。 然后，在5 l 光生物反应器的研究基础上，放大并设计了2 0 l 矩形气升式光生物反应 器，并对其设计做了相应改进。用上述的方法建立光强在2 0 l 光生物反应器中光衰减模硝， 并对影响螺旋藻培养的光强、循环速度和填料晕三个参数进行了优化得出螺旋藻培养的最 仕优化条什是5 0 0 0 x 光照强度，1 0 0 l h 循环速度，8 0 填料鼍。通过本课题的研究成功论 证了在补加有机碳源一葡萄塘卜螺旋藻的生物簟有所提高在其培养过稃中也不会染函。 关键词：光生物反戍器，钝坝螺旋藻光衰减臼养培养，混合营养培养，有机碳源 ， 一 ： i 一 l 一 a b s t r a c t an e wt y p eo f o p e nr e a c t o rw a sd e s i g n e d aa i r jj f ll o o pp h o t o b i o r e a c t o r a n db e c a u s eo f t h e f a c t o r sa f f e c t i n g t h e c e l l g r o w t h o f 勋i r m i n a p l a t e n i s ( p s p ) ，t h eo p e r a t i n g p a r a m e t e r s w e r e o p t i m i z e d a tt h e $ a r n et i m e , t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h e dt h a tt h e p s pc e l lg r o w t hi n a u t o p h o t o t r o p h i cc u l t i v a t i o na n dm i x o t r o p h i cc u l t u r e si nb i o r e a c t o rw i t hi nu n s t e r i l i z a t i o n f i r s t l y t w ob i o r e a c t o r sw e r ed e s i g n e d o n ei s5 lp l a t eb i o r e a c t o ra n dt h eo t h e ri s5 lc i r c l e c o l u m nb i o r e a c t o r , a n ds o m ep a r a m e t e r sw e r ep r e l i m i n a r i l yo p t i m i z e d t h ec h a n g e so fl i g h t i n t e n s i t yw i t hc e l ld e n s i t ya n do p t i c a ll e n g t hi nt h el i q u i dc u l t u r e so fp s pw e r ei n v e s t i g a t e da n d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t at h el i g h ta t t e n u a t i o ni nt h ec u l t u r ep r o c e s sw e r ed e s c r i b e di nt w o p h o t o b i o r e a c t o r t h ef i n a ld r yc e l ld e n s i t i e so fp s pw e r eg o ti nt h ed e s i g n e db i o r e a c t o rh i g h e r t h a ni nt h ec o c k i n gi n c u b a t o r , a n dt h ep l a t ep h o t o b i o r e o c t o rw a sb e t t e rt h a nc i r c l ec o l u m n o n e ，s oi ti si n d i c a t e dt h a ta i p l i f tl o o pp h o t o b i o r e a c t o r sw e r em o r es u i t a b l ef o rt h ec u l t i v a t i o n o f m i c r o a g l a e “ t h e n u2 0 l - a i r l i f tl o o pp h o t o b i o r e a c t o rw a sd e v i s e da c c o r d i n gt ot h es t u d y i n go f5 l p h o t o b i o m a c t o ra n di t sp a r a m e t e r sw a sr e f o r m e d t h el i g h ta t t e n u a t i o ni nt h ec u l t u r ep r o c e s s w e r ed e s c r i b e di nt h e2 0 lp h o t o b i o r e a c t o rb yt h es a m em e t h o d i na d d i t i o nt o ，$ o m ep a r a m e t e r s l i k el i g h ti n t e n s i t y ，g a sc i r c u l a t i o nv e l o c i t ya n di n o c u l u mv o l u m ew e r eo p t i m i z e d ，s ot h ef i n a l r e s u l ti st h a tl i g h ti n t e n s i t yi s5 0 0 0 i x ，a n dg a sc i r c u l a t i o nv e l o c i t yi sl o o v ha n dt h ev o l u m eo f i n o c u l u mi s8 0 f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n tp r o v e ds a t i s f a c t o r i l yt h a tt h ep r o c e s s i n go f c u l t i v a t e d p s pi nt h e m i x o t r o p h i c c u l t i v a t i o nw a sn o tc o n t a m i n a t e di nt h e o p e n a i r - l i f t l o o p p h o t o b i o r e a c t o r , a n dp r e l i m i n a r i l yr e s e a r c h e dt h a tt h ei n f l u e n c e so fo r g a n i cc a r b o ns o u r c e q l u e o s e ) o nt h ec e l l u l a rg r o w t ho f p s e k e yw o r d s ：a i r l i f tp h o t o b i o r e a c t o r , 勋i r u l i n ap l a t e n i s ( p s p ) ，l i g h ta t t e n u a t i o n m ，a u t o p h o - t o t r o p h i cc u l t i v a t i o n ，m i x o t r o p h i cc u l t i v a t i o n ，o r g a n i cc a r b o n l i 一 螺旋藻岛细胞擀度培养装骨的设计及生产t 艺优化 第一章引言 i i 螺旋藻营养价值及应用特性 螺旋藻( s p i r u l i n a ) 起源于兰十多亿年前，是最原始最占老的多细胞原始海藻，具 有许多古代原始藻类的特点，是地球上最甲进行光合作 j 的生物之一，其结构简单具有 原核，个体成丝状，冈缠绕成螺旋状而得名。螺旋藻系蓝藻门( c y a n o p h y t a ) 段殖藻目 ( h o r m o g o n a l e s ) 、颤藻科( o s c i l a t o r i a c e a e ) 中的一个属。螺旋藻主要分布丁j 热带， 耶热带地区、淡水及盐碱性湖泊中。义称监细曲。螺旋藻属植物，共有3 0 多种，具有特 殊的营养价值”。 1 1 1 螺旋藻的营养价值 螺旋藻中蛋白质含颦高达6 0 一7 0 ，其氨基酸数目高达1 8 种，螺旋藻提供的蛋氨酸， 赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸等8 种氨基酸是必需氨墓酸，人 一天只需食用l o - 1 5 9 螺旋藻即可满足人体对蛋白质的营养需求( 见表卜1 ) 并且符合联 合国粮农组织( f a o ) 确定的蛋白质标准。见表卜2 表l - i 螺旋藻生 j 质的氰皋阪组成 t a b 1 一la m n oa c i dc o m p o s i t i o no f 勋i r u h n ap r o t e i n j 、 螺旋藻廓细胞密度培养堤置的设计及生产工艺优化 表i - 2 螺旋藻必需氨摹酸组分与f a o 标准对照 单位； t a b i - 2c o m p a r i s o n sb e t w e e ni n d i s p e n s a b l ea m i n oa c i dc o n t e n to f s p i r u l i n ap r o t e i na n df a oc r i t e r i o n s u n i t ： 螺旋藻的脂肪酸脂类含晕虽然不高，但主要由一些具有降血脂、抗氧化和多不饱和 脂肪酸组成的，尤其是t 一亚油酸是迄今蔓jj f 所有生物体内含蕾最高的( 如表卜3 ) 。 表卜3 螺旋藻中磐脂肪酸的含量 t a b 1 - 3s o m ef a t t ya c i dc o n t e n to f 白i n d i n a 螺旋藻多糖( p s p ) 是目前研究较多的热门课题，最近日本从螺旋藻热水分馏物中获取 一种硫酸化p s p ，证明是由鼠李糖、岩藻糖、木糖，中乳糖、甘露糖、葡萄糖、葡萄塘醛 酸、核糖、果糖、半乳糖酉筝酸、硫酸醋及钙离子组成的一种多塘。目前的报道均证明，p s p 贝有抗病毒，抗癌作圳，可以作为一种重要的约源开发”。 螺旋藻禽有丰富的维生素，儿乎所有的维生紊都可以在螺旋藻中找剑。如维生素a ， b ，b 。，b 。e 。k 。p 一胡梦h 素、r 弧油酸( 维生紊f 的重要成分) ，被称为“抗癌之神” 的b 一胡萝h 素含量比萝h 高1 0 倍( 如表卜4 ) ，微鼍元素有s e ，z n ，c u ，m n f e 和c a 等 ( 如表卜5 ) 。每天食用4 - 8 9 螺旋藻干粉即可基本满足人体对维生素和微量元素的需要”。 2 表卜4 蝶旋凛中维生索的含置 t a b 1 4v i t a m i nc o n t e n to fs p i r u l i n a 维生素含量m g k g 。( 十重) 维生索含量m g k 9 1 ( 干重) b 一胡萝h 素 1 7 0 0 维生索p p 1 培 维生素b 。 1 6 维生索& 3 d 一泛酸钙 l l维生素 4 0 州陵05 维生素& 5 5 肌醉 3 5 0维生索e 1 9 0 钙 磷 铁 钠 氟 1 0 4 5 4 0 0 0 7 6 1 7 8 9 4 2 4 5 7 5 8 0 2 7 5 4 1 2 4 0 0 0 4 4 0 0 镁 锰 锌 钾 其它 1 4 1 0 1 9 1 5 1 8 2 5 2 7 3 9 1 3 3 0 5 1 5 4 0 0 3 6 0 0 0 5 7 0 0 0 螺旋藻富含生物色素，其所含的色素人致可分为二类，见表1 - 6 。 表卜6 螺旋澡中生物色素 t a b 1 6p i g m e n tc o n t e n to f 勋i r u l l n a 色素禽 置 叶绿素 类胡萝 素和叶黄索 藻蓝素和藻蓝蛋自 活细胞荤量的1 伟 占有机体蓐量的0 5 约占细胞内蛋白质的2 0 1 1 2 螺旋藻的营养类型 螺旋藻根据其营养和呼吸代谢特性，可分为四种类型： ( 1 ) 光合自养型( p h o t o - a u t o t r o p h y ) ：在光照条件下，c 0 2 作为唯一的碳源同化为细 胞结构。生长所需能管仅仅来自t 光照。 ( 2 ) 营养缺陷删( a r x o t r o p h y ) ：由丁发生代谢障碍，生长时至少需加入一种较低浓 度的有机物，但这一有机物不作为碳源利能源。 ( 3 ) 混合营养型( m i x o t r o p h y ) ：在光照和0 m 存在卜j 生长。还必须加入至少一种有机 底物。 ( 4 ) 异养璎( h e t e r o t r o p h y ) ：能利用一种或多种有机物作为碳源利能源，o m 可要可 3 螺旋藻高细胞密度培养装置的设计及生产t 艺优化 不要，能在黑暗中生k 。对于异养型还有一种特殊情况，光被用来同化底物，但所需强度 远低于光合白养型，这种类型即为光合异养璎( p h o t o h e t e r o t r o p h y ) 传统上认为，螺旋藻与人多数监藻一样，是一种专性光合臼养生物，进行光合作用， 以光作为能源还原0 m ，同化成碳水化合物。但最近的研究表明螺旋藻还具有一定的异养 生长能力，f ：可在葡钧搪存在时进行混合营养生跃。 1 1 3 螺旋藻的应用 1 1 3 1食疗与医药业 螺旋藻作为蛋白质、维生素和矿物质的一种资源，有益丁：人体健康并具有保健作用， 其重要性已在国际上获得共识。已有不少国家把它作为婴儿食品、老年保健食品及人体的 营养补品。随着研究工作的深入，已有大量的科学研究证明，螺旋藻具有多种生物活性物 质，可以作为治疗多种疾病的药物和辅助药物。 1 1 3 2 饲料与饵料业 螺旋藻营养丰富，含餐均衡，易丁采收和保存。可直接作为优质饲料或饲料添加剂 促进动物生k ，提高成活率，增强机体免疫力在肉鸡中也可起剑增色仃用，且繁殖快，- 易蝽养、无毒副作_ f ”。它作为水产动物饵料符合鱼、虾茧和贝类筲的食性，提高消化 率，特别地可提高海珍鼎育苗成活率，降低育茸成本，提高幼体的免瘦力利活力，其丰富 的生物色素还可使观赏鱼的体色鲜艳。螺旋藻对鲤鱼、鳊鱼，鳗鲰，鲍鱼、对虾河蟹， 鳖，扇贝、珍珠贝等还均有照射的营养效果”1 。 在国际上，螺旋藻作为优质饵料已占很大的比重。日本d i c 公司在泰国兴建的螺旋藻 养殖场年产1 5 0 t ，其中作饵料或饲料的就有5 0 6 0 t ，墨曲哥t e x c o c o 公司年产藻粉3 0 0 t ， 其中有1 2 0 t 用于饲料或饵料”1 ；我国台湾每年生产3 0 0 t 藻粉，其中有1 2 0 t 用丁虾苗和 其它海珍品、观赏鱼类、鸟类的饲料。我国已是螺旋藻的养殖大国，又是水产养殖的大国。 故在这方面的麻朋存在十分人的潜力。 1 1 3 3 美容与化妆品业 螺旋藻是一种安全有效的食欲抑制剂，作为关容减肥产品，在欧美已成风潮，它既能 使人体的内分泌系统得以改善，又可以减轻皮肤茧褐斑、青春痘，名人斑，f 促进头发生 长。它的这种性能，令许多舞蹈家年保持身材健美的人士与运动员趋之若鹜。螺旋藻营养 丰富，不但有很好的润肤，护肤效果，而且由丁螺旋藻有清除和抑制自由基的能力，故能 起剑防皱、防晒、抗辐射，祛斑、抗衰老的作用。 根据北京医科大学药物所、昆明医学院、昆明市中医院、昆明医学院第一附属医院饽 皮肤科和医学美容中心等单位进行的2 3 6 例临床试用表明：螺旋藻营养液能提供皮肤所需 的氮基酸，藻多糖、s o d 等多种营养活性成分，有增加皮肤弹性、润肤保湿，除皱、祛斑 等功效；同时由于螺旋藻化妆品的透过性较好，能起到皮肤表面和深层营养及护理的作用， 4 螺旋i i l 岛细胞癣度堵养敏冒的设计发生产t 艺优化 而且使j j 十分安全，对皮肤没有刺激和致敏作h j 。 1 1 3 4 废水处理与环保业 把螺旋藻应用于废水处理也是当前螺旋藻应用的一犬发展趋势。因为丝状的螺旋藻生 长所需的营养成分简单，易丁：利用废水中的有机碳和无机碳，井能有效吸附废水中的重金 属离子和悬浮同体，且比较容易从培养液中分离出来，用于废水处理可以大大降低成本， 节约能耗。因此，用各种米源的、经过一定处理的污水培养螺旋藻，不但可以使污水得以 净化，减少环境污染。还可以将得到的微生物争用作饲料、肥料。甚至可用于生产有用的 化学物质。在这方面已做了许多研究工作”1 。例如，利用城市污水、糖蜜发酵废水、缫丝 废水、制药、酿造、制革等1 ：业有机废水、造纸废水、有机印染废水、味精厂废水等配制 成螭养基养殖螺旋藻，既简单经济、实h j 有效的处理了废水，义为降低螺旋藻的生产成本 开辟了一条新途行。 1 2 微藻培养的发展历史与现状 微藻( 包括螺旋藻、小球藻、绿藻等) 是一种微裂单细胞植物，太陬i 能利用率高，个 、体小，营养丰富，生长迅速，对环境适麻能力强，容易培养，因此日益受到人们的重视 微藻已被广。泛地应川丁食牖，饲料，医药、精细化工、污水处理，农业与水产等领域。白 1 8 9 0 年荷兰细胞学家b e i j e r r i n c k 用培养细曲的方法进行小球藻( c h o r e l l a ) 和其他单细胞 绿藻的分离培养以来，微藻的培养研究经历了一百多年的曲折历程。w a r b u r g l s l 曾报道过 高培养小球藻来研究植物的光和作用，并由此发现某些种类的微藻其生物昔每天可以增加 几倍，f 且粗蛋白的含晕可迭剑5 0 以上。德国首先进行了大规模的微藻培养，其目的是 通过培养群藻来生产脂类。 本领域的研究寅止开始丁_ 二十世纪五十年代，升得纠了稳定的发展。为了人域的微藻 j i 续培养技术由此产生。c o o k 及其合作者j 8 这一领域的研究中发扦了巨人的作用同时华 盛顿c a r r e g i e 研究所的d a v i s 和f r e n c h 在微藻的商业性培养发面也作了i 乍多重要【作。他 们的研究结果表明，小球藻的化学成分特别是脂类和粗蛋白的含量可以通过使用不同的培 养条件来进行有效的控制。当时，在华盛顿c a r r e g i e 研究所建立几个实验性的微藻培养1 = 厂并进行培养。日本的t a m i y a 及其合作者在东京t o k u g a w a 生物研究所进行了小球藻的室 外大规模培养，作为联合国藻类培养技术开发项目的一部分，还得到了c a m e g i a 研究所的 支持。日本是生产并销售小球藻的第一国家。 西德的g u m m e r t 及其合作者【8 l 对栅藻( s c e n e d e s m u s ) 的人规模培养进行了研究，其 目的是利用r h i n e 工业区排出的二氧化碳来培养小球藻和栅藻。此项目被引进剑 d o r t m u n d ，以s o e d e r 为首的研究小组发明了很多重要的培养方法，包括今天在人规模培 养中仍在使川的埔养环道、i 卜l 轮搅拌等。七十年代法国政府在这个领域给予了强有力的 支持使得i 乍多发展中国家包括泰国、印度，秘鲁都进行了j 。泛的研究。 5 螺旋藻南细胞桁度姹养裴冒的设计及生产丁艺优化 八十年代以后，微藻的培养和利用得到了迅猛的发展，已成为资源开发中的一个新领 域，得到了包括联合国粮农组织在内的国际组织和许多国家的重视和支持。目前微藻的商 业性培养主要以螺旋藻和小球藻为主。虽然世界上许多国家特别是发达国家在微藻的开发 利用方面进行了卓有成效的研究，但微藻的产颦主要集中在弧太地区。亚太地区共有微藻 的商业性生产厂家一百多个。其年产量一般在3 - 5 0 0 t 之间，培养的种类主要集中在以下鼎 种：c h l o r e l l a s p i r u l i a n a , n a m m o c h l o r i s ，n i t z s c h i a 、c r y p t h e c o d i n i u m 、s o h i z o c h y t r i u m t c t r a s e l m i s ，s k e w 【o n e m a , l s o c h r y s i s 、c h a e t c e r 管i ”。自1 9 6 8 年法国与墨两哥合作建成世 界上第一个螺旋藻生产厂家以来到目前为止全世界螺旋藻的年产鼙己达1 , 5 0 0 - 2 ，0 0 0 t 以 上。 我国微藻的培养和利_ j 的起步较晚，但发展较快。1 9 8 6 年我国螺旋藻人j 二养殖被国 家科委列为“七五”攻关项目、国家科委“八五”重点推广项目。1 9 8 9 年国家科委在 云南永胜县程海湖区建立3 , 0 0 0 m 2 ( 年产藻粉5 0 的螺旋藻中试生产基地。为我国螺旋藻工 厂化生产奠定了基础，其后，螺旋藻的生产得到了迅猛的发展。据不完全统计，1 9 9 6 年 我国已有螺旋藻生产厂家1 0 0 多个。池养面积超过1 , 0 0 0 ，0 0 0 m 2 ，年产能力超过1 , 0 0 0 t ，约 世界总产母的4 0 以上i 1 ，但是由丁生产发展太快，1 ：厂化生产技术总体上与国外还有 一定的芳距，产品静遍存在质茸不稳定、生产成本高等问题。使国内螺旋藻的销售并不乐 观，相信随着我过经济的发展，人民生活水平的提高，保健意识的增强，我过螺旋藻产业 将会迎米稳定发展的新局面。伴随着水产养殖业的发展微藻作为水产动物饵料的需求餐 越来越人。国外己开发出四十余种微藻戍瑚丁- 鱼，虾、贝类的育茸生产中。我国海洋微藻 生物饵料的培养1 作开始于五十年代后期。目前国内进行培养的浮游性微藻己达2 0 余种 左右，主要有以f 种类：二角褐指藻，小新爿菱形藻、牟氏角毛藻、中肋骨条藻，扁藻、 盐藻、小球藻，微绿球藻、湛江义鞭金藻、等鞭金藻3 0 1l 、等鞭金藻8 7 0 1 、绿色巴丈藻 3 0 1 2 、异胶藻、钝项螺旋藻等。生产性培养的底栖硅藻主要有阔舟形藻、舟形藻，东方弯 杆藻、卵形藻等。我国的微藻生产除了螺旋藻之外主要作为活饵料投喂，所以没有计入生 产晕的总产鼋。 1 3 微藻光生物反应器的研究进展 光生物反麻器的研究始于2 0 世纪4 0 年代，当时土要目标是进行微藻的扩人培养， 其土要目的是探讨微藻作为人类未来食用蛋白和燃料资源的可彳了性j 。口5 0 年代以米， 人们已经研制出水平管状，圣直管状和柔性袋状等多种密闭式光生物反麻器，但这些开刨 性1 ：作在很g ：- 段时问内仅被作为一种理论而朱实现商业化i t 2 | 。与之相对应的开放池式培 养系统冈具有技术简单、投资低廉、建设容易和操作简便笥优点，得到良好的发展并一直 沿_ i l 】至今，井成功地用丁螺旋藻、小球藻和盐藻等多种微藻的人规模培养并取得了良女，的 效果【”1 。但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、培 养液的大量蒸发或降雨对培养液的稀释导致培养环境的相对不稳定等不可克服的缺点，因 6 螺旋藻高细胞密度培养装置的设计及生产t 艺优化 此其培养效率和所获产品的附加值均较低。 白8 0 年代起，随着微藻生物技术的发展有艾学者已经注意剑了微藻能合成竹多重要 的高附加值产物，有很人的开发满力；但有些微藻很舡适应高盐或高p h 譬极端生长环境而 且生长速度较慢，再加上开放式培养系统容易受到生物和化学物质的污染使产物很雉朋于 保健食品及医药制品，冈此开放式培养系统已很难适廊微藻生物技术的发展需要，从而使 人们又重新将目光转向密闭式光生物反应器的研制与开发。1 9 8 3 年p i t t 等人的开创性研究 工作为光生物反麻器的设计、运转原理及生物1 二程原理奠定了基础，继其之后的一些学者 进一步对相芙内容进行了深入探讨1 1 4 - 1 7 1 ，从而推动了该领域的研究进程，使光生物反应器 的研究取得了迅速发展并开发出一系列新型光生物反应器i i s - z 4 1 。 虽然5 0 年代以来( 9 0 年代) 光生物反应器的研究进展较快，但与陆地微生物反应器 及发酵t 业相比较仍然处于起步阶段，尤其是其戍用研究涉及面较窄，仅局限于少数几种 微藻。国内在该研究领域起步较晚，到目前为止仅有少数几个研究单位从事相关的研究。 1 3 1 微藻光生物反应器的种类与特点 1 3 1 1 密闭光生物反应器 密闭式培养系统，大多数是用透明材料建造的生物反应器。这种微生物反应器除了 采集光能外其它方面与传统的微生物发酵生物反应器相似。自c o o k ( 1 9 5 0 ) 研制出第一 台每直管状光生物反应器以来，各种类酗的光生物反应器相继问世，主要有管式光生物反 应器，水平板式光生物反庸器【2 i f2 3 3 5 4 7 】乖i 传统罐式反应器1 3 2 1 等= 种类型。管式光生趣 反应器义包括水平放置地面的蛇形管式光生物反应器【2 52 6 1 、浸没在水池中冷却的蛇形管 式光生物反应器【2 7 - 2 9 、双层排列管式光生物反应器p 哪( 如图1 1 ) 、多支路并行流管式光生 物反应器1 3 l l ，a 一犁管式光生物反鹿器1 3 2 1 、圆形螺旋盘绕管式光生物反应器刚和户外玻 璃管式光生物反麻器口4 1 笥七种，其主要类犁和i 特点见表l - 7 。 图l - l 双层管式光生物反应器示意图 f i g id i a g r a m i a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h et w o - p l a n ep h o t o b i o r e a c t o r a 土视图；i 般层排列有机玻璃管；2 乐缩空气进口i 列；3 脱气罐 7 螺旋凛南细胞惭瞳培养效冒的i 5 1 汁发生产t 岂优化 表l - 7 密仞j 式光生物反应器的主要类犁及特点 类型结构尺寸管材质体积( l ) 光照方式循环方式 管式管径5 , - 1 4 c m ，形状有蛇聚乙烯塑料、 4 8 0 0 0 l 大部分采泵循环 光生 形、双层排列多支路并 有机玻璃、氯不等用自然光气升式循 物反 行流管式a 一酗管式、 乙烯塑料、聚源，少部分环( 基本上 应器圆形螺旋 j 绕管式、户碳酸酯，聚碳 采用人f都采用气 外玻璃管式，长度酸酯馋 光源 升式外循 1 2 2 一1 5 0 0 m 环方式】 扳式板j 宁度 p v c 或玻璃2 叫s o o o l外或内照机械搅拌、 光生1 2 5 - 2 5 c m材料不等光源还鼓泡或气 物反有发光_ 二升式循环 应器极管和光 导纤维等 罐式罐径及罐压的大小决定p v c 、不锈钢1 2 5 0 0 0 l大多数采机械搅拌， 光生罐肇厚大小。用有关计 等 不等用内照光气升式等 物反算式计算出有关尺寸 源 应器 1 3 1 2 敞口式光生物反应器 敞口式光生物反席器包招室外光生物反应器和室内光生物反麻器两种( 见表1 8 ) 。室 外光生物反应器主要是开放池式培养1 4 1 - 5 2 1 ，室内光生物反意器包括水平式光生物反麻器和 倾斜式光生物反戍器哪i ( 如图i - 2 ) 两种。 表1 8 敞开式光生物反应器的类型和特点 类氆结构尺寸光照方式循环方式 室外开大池，占地面积1 0 0 0 - - 5 0 0 0 m 2 ，培采用自然光源叶轮转动循环，气 放式光跑道池养深度1 5 c m升，液体喷射、螺旋 生物反反应器桨搅拌泵循环，靠 应器重力筹流动循环 室内光水平式体积从儿升剑儿白升不采h 1 人工光源( 一气升式循环，( 一般 生物反 光生物等，藻液厚度1 0 2 5 c m般采用荧光灯) ，是气升式外循环) ， 应器反应器发光二极管，光导泵循环、磁力搅拌和 i 纤维等搅拌循环 倾斜式扳欧9 0 ，高7 0 ，内宽( 或泵循环，气升式循环 光生物厚) 2 6 ，板式反麻器与水 反廊器 平方向成3 0 0 8 螺旋藻高细胞密度培养装置的设计及生产工艺优化 图j - 2 斜板式光生物反席器示意图 f i n 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ef i a ti n c l i n e dm o d u l a rp h o t o b i o r e a c t o r ( f i m p l 1 i f i l 多级串联平板；2 压缩空气鼓泡管；3 温度传感器；4 冷却水及喷头：5 温度传 感器：6 电磁伐；7 培养液贮槽；8 泵；9 气升管；1 0 循环管：11 采收液贮槽1 3 控乐机； 1 4 喊2 c 0 2 压缩空气；1 5 压缩空气进口；1 6 采样口 。 1 3 1 3 两类光生物反应器的比较 目前密闭式光生物反席器的设计迅猛发展，然而即使由丁i 技术方面的限制，商业化 大规模微藻培养仍普遍采用开放式培养系统。两者主要的优缺点见下表1 9 ： 表i - 9 两类光生物反应器的主要优缺点比较 开放式光生物反应器封闭式光生物反应器 结结构简单，容易放人、成本较低，结构复杂，放人相对较难，成本较高，面积，体 构面积体积比较小( i 一1 0 ) 积比较小( 2 5 1 2 5 ) 特光能利用效率低 光能利州效率较高 点 培已人规模投产。操作简单操作简单。操t r 简单。培养条仆、生产参数苜 养培养条f ，j ，生k 参数筲_ 啦控制，培易控制，端养环境稳定，全年生产周期k ，可 特养环境不稳定，藻液易彼污染，实现无曲培养，c 0 2 利用效率较高产率较高 点c 0 2 利用效率低，产率较低( 约( 约2 - 1 0 9 l ) 0 5 9 l ) 产 生产成本较低，产品质鼍也较低生产成本较高。产品质艟高 品 特 点 适仅适用于少数能耐受极端环境的适用于各种微藻的培养 用微藻( 如螺旋藻、盐藻和绿藻等) 9 螺旋藻商细胞街度培养装冒的设计及生产t 艺优化 范 丽 发己人规模投产使用。技术含鼙低，尚未进入实际商业化生产阶段。发展潜力人， 展开发潜力小有很好的开发前景 前 途 表管式光生物反应器与板式光生物反应器的比较( 表i - 1 0 ) 类犁管式光生物反麻器板式光生物反应器 土要优点1 光照面积与体积比高、体积产率高1 光能利_ h j 率高 2 光能利用率高2 结构简单，每个单元体积较 大 存在缺陷1 流体混合较莘。易造成藻细胞的沉淀和1 光路k 度太短，限制反应器的 堆积放人能力 2 交换难，易造成氧的积累，使细胞生2 湍流和混合较差。易造成藻细 长受剑抑制胞的沉淀和堆积 3 的面积大，十地利坩率低3 培养温度控制较凼难 4 设备操作、清洗、放大较凼难4 放人困难 发展趋势1 管径减小并趋丁二稳定在2 5 5 0 c m 范围内1 反应器扳面趋向于空间立体放 2 集光管的排列向空间发展，提高了单位面置，以提高反应器的照光面积 积内的光利用率，节约了土地2 反应器放置角度对培养效果有 3 采用集光管并联等手段，降低光路阻力，较 提高了藻液的流速和湍流强度大影响 4 采h j 气升式循环方式，有利1 二系统内3 采川多级串连装置培养 氧气的排除，并减小剪切力。 1 3 2 影响光生物反应器性能的几个关键因素 1 3 2 1 受光表面积，体积比( s v ) 微藻的培养是通过光合作_ ；i 进行的，光照条什直接影响着反应器中藻的生艮速度和生 长密度，是藻在反麻器中培养成功与否的犬键。大规模、高密度培养微藻虑使每个微藻细 胞受到适宜的光照。由于细胞之间的遮盖效应，会使得光照强度在培养液中迅速衰减。 j a v a n m a r d i a nm l “l 给出了光的穿透距离与微藻生物餐之间关系的经验公式： 其中：d 表示光的穿透距离( c m ) c c 表示微藻的生物龌( m g ) 。由上式计锋可知， 肖生物茸达剑3 9 l - 时。光可透过2 c m ：如果生物颦达到3 0 9 l 一，则光只能透过2 m m 。所以， 提高受光面积，体积比( s n ) 是研制光生物反应器首先要考虑的问题。同时，也是衡鼙光 生物反应器性能的重要指标。通常情况f ，开放池为3 - 1 0 m 一，光反应器为5 1 2 5m j l ( 平 1 0 螺旋凛高细胞密度培养姨冒的世计及生产t 艺优化 管或螺旋管式) ，研制的光导纤维状反应器已达6 9 2m 。实验表明，随着表面积，体积比 ( s ，v ) 的提高。其单位产量也得到显著提高。在管状反应器中。管径越小，其单t 奇体积 产晕越高悯。但对不同品种的适宜管释仍需做进一步的研究。 就光源来说。主要为太阳光( 自然光源) 丰人工光源二种。利婀太阳光具有节省能源、 阡低生产成本的优点，但受天气条f f i 影响大，而且光强不易控制。微藻的人规模培养一般 采h j 白然光源；人r 光源不受天气条中 限制，光强、光质、光周期都可根据需要设置。但 能耗较人，增加了培养成本，一股用于实验室研究戏微藻的小规模生产等，也可在人规模 生产中弥补自然光的不足。 光进入反应器后，由于藻体对光的吸收和散射作用而迅速衰减，造成光在反应器内 分布不均，靠近反应器表面的藻体处于高光强区，而反应器深处则存在黑暗区。光衰减 速度和藻体的种类、大小、藻液浓度有关1 5 6 r ”。光衰减现象在光生物反应器中普遍存 在，成为反应器光能利用的限制因子。因此。减小光衰减，提高反应器中光能利用效率 是衡颦光生物反应器性能的一个重要指标。 1 3 2 2 光反应器产氧( p 0 2 ) 抑制 在微藻的大规模、高密度培养过程中生物鼍的产龋与藻液的混合方式有着密切关 系。通过一定的动力方式，使藻液处丁- 湍流状态，可以使培养液中的物质较盘地传输， ，f 且使微藻细胞受到良好的光照。微藻是通过光合作削进行生k 的，而光合作用是一个 放氧过拌。无论室内、外培养，进行搅拌或通气除了使藻体能更均匀、充分的接受光能 外，另一个作朋就是促使溶解在培养液中的氧尽快释放。高浓度的溶氧会抑制光合仵h j 和生长，严重时还会造成培养失败。m a r q u e z 等f 5 8 l 和s i n g h 筲眇 研究了螺旋早培养中高 氧张力的不利影响，他f j 通过在实验室的研究证明，高的氧张力降低生长率同时使色素 白化。 ： 1 3 2 3 无机碳源供应 藻类的光合作用需要_ 二氧化碳，因此无机碳源的供麻问题将成为藻类高密度培养的一 个限制性囚素。与陆地上高等植物不同藻类利用的是溶解丁水中的无机碳。溶丁j 水中的 无机碳有四种存在形式：c 0 2 ，h 2 c 0 3 ，h c o 和c 0 3 。它们存在着如卜i 的化学平衡， c 0 2 + h 2 0 h 2 c q 甘h c o j + h + 铮c 锄2 + + 2 h + 空气中的c 0 2 含鼙为o 3 ，而c 0 2 溶丁水的含带更少影响了微藻对c 0 2 的吸收利 用。在光照充足的情况卜，碳源成为藻类生k 的限制网子。特别是对高密度培养，碳源的 及时供应尤为重要。 藻类培养中的碳源供应可有二种方式：一种是通空气或c 0 2 混合气体，另一种方式是 补加无机碳源( 如碳酸氢盐) 或有机碳源( 如葡萄糖) 。二种* h j n 方式可根据所培养藻的 i l 螺旋藻岛细胞密度培养装冒的设计及生产t 岂优化 特性进行选择。第一种方式酱遍适h j ，但需要进行配气，第一种方式简便易行，适丁t 人规 模的微藻培养，但易增加培养液盐度p h 调坩效果也没有第一种好。 碳源供应方式的选抒也影响着光生物反戍器形式的选择。如采h j 通c 0 2 混合气方式 就需要考虑反应器内部的通气装置，尽管增加气体住反席器中的停留时间，增加藻液中的 气液传质效率。为此采用的措施有：安装气体分布头，减小气泡直径增加气液接触表面 以提高传质效率；采动力措施如增加机械搅拌等以将气泡打碎，加强液体端动，增加传 质速率：住反鹿器内部没置挡板，延长气泡在液体中的停留时间等。若以碳酸氢盐为碳源 供应方式，则可大大减少这些内部装置。 1 3 2 4 微藻光生物反应器的发展趋势 目前随着人口迅速增加，资游不断减少和环境逐渐恶化筲问题越来越严重，使得人类 对开发新资游的需求也越米越迫切。微藻在保健，医疗，食品、饲料、精细化1 ：和环境俘 领域开始得到利，井显示出巨人的市场满力和很好的麻h i 前景。而光生物反应器作为培 养藻类的装置是研究和开发的士要热fj 话题，从某种意义上讲，微藻生物技术的发展在很 大稃度上依赖实用化的高效光生物反应器的研发。 由于封闭式光生物反应器莆i 开放式光生物反应器备有优缺点，有艾这两类光生物反应 器研究的相关报道都很多。现在义研发出了一种新的光生物反应器，它涵概了上述两类光 生物反j 茸器的优点，并且可以在室内开放式培养，采_ 【l j 人j ：光源 6 0 - 6 ”。因此，这种光生 物反应器在今后的研发中还会得剑进一步的改善和提高1 1 4 立题背景及研究内容 多年米有芙螺旋藻培养的研究都是限r 光合白养生长。螺旋藻的r 业化规模培养都是 以池养为主，其缺点是环境条什难控制，对大气的依赖性强( 尤其是光强度和温度) ，从 而使螺旋藻的产率较低。但当今国内外螺旋藻生物技术产业化的进一步发展受剑生产成本 过高的限制。各国螺旋藻i ：厂的生产成本各不一样，有商有低但产率都很低目前仍以营 养保健品为主，无法进入人众化消费。而且生产螺旋藻的f ：厂为了减少成本一般住适官螺 旋藻生k 的天然湖泊或河流旁，利用倪l 光光照培养螺旋藻，这就使螺旋藻的培养受剑一定 的地域限制，而且野外人池培养螺旋藻，易受剑杂藻的污染，从而影响了螺旋藻的纯度和 品质。 为了克服野外大池养藻的上述缺点，近年来，国内外研究开发了很多种培养螺旋藻的 培养装置( 或反应器) 。效果可喜，大致可分为磁力搅拌光生物反应器，鼓泡式光生物反 应器，还有管式光生物反应器，气升式光生物反应器等，但他们有备自的优缺点，如磁力 搅拌光生物反应器培养螺旋藻混合程度较好，也可获得较高的细胞浓度，但冈剪切力过人 易造成藻体人封破碎造成最后收获凼难，另外动力消耗较人：鼓泡式及气升式外循环光生 物反应器以气流带动藻液循环，混合更加均匀，藻体息浮丁培养基中与营养成分接触更加 1 2 堡壁堡垒墅坐堂窒堕鲞塾堡竺丝生丝兰耋：兰垡些 充分。同时，光能的吸收大大提高，从而在很大稃度上提高了产量，但鼓泡式光生物反应器 是由下向上鼓气，气泡较大必须加消泡装置这无疑又增加了生产成本并且一般的光生物 反府器成本较高，操作复杂，简单实用。造价低廉并且达到高密度培养的发酵罐是目前研 究的热点。 1 4 1 设计的内容 根据气升式发酵罐的工作原理，设计一个矩形小犁培养装置( 敞口) ，为产业化高密 度培养螺旋藻提供可靠的理论依据。 1 、设计一个5 升小刑发酵培养装置。 。 2 ，确定螺旋藻培养的技术参数。 3 、比拟放人到2 0 l 小喇发酵培养装聱。 目前在微生物发酵过群中受剑控制的参数和冈紊，一般是菌种接入的方式、种龄、数 量，培养基成分，添加方式，p h 值，操作温度，罐压，溶氧速率，搅拌混合强度等等。 由于设计的是2 0 升敞口小璎发酵罐，培养的螺旋藻是光合白养生物，影响它生长的主要 冈素是光照强度，温度和循环气速，其中光照强度是晟主要因素，所以培养装置的放人主 要基于光照强度。 1 4 2 本实验采取的方案和技术路线 1 4 2 1 光照强度的控制 一 光照强度是影响螺旋藻培养的土要闪素，住此设计中，以白色日光灯为光源，以日 光蜘管的数馘来控制螺旋藻生k 过稃当中对光强的需要。 1 4 2 2 循环气体( 空气) 的流量测定 循环装置的目的是减少细胞间相互遮光作用及在生长过稃中营养物和气体浓度在 藻体周围形成的密度梯度，有效排除光合作用中溶氧蓄积，防止藻体f 沉及厌氧分解， 提高光合作用效率，促进气液传质，加速藻的生k ，是实现高密度培养，提高生物昔 产率的有效方法。 1 4 2 3 温度控制 螺旋藻最佳生k 温度是3 0 3 3 c ，本实验温控在3 0 c ，由丁所霞计的螺旋藻培养装 置不太大( 小于等于2 0 升) 可以州简易的温控系统进行控制。 1 4 2 4 p h 值 由丁培养螺旋藻的环境为碱性环境，在培养螺旋藻的过群中碱性环境会有所变化t 当p h 值偏高时，会造成螺旋藻的死亡，这时可以通c 0 2 米降低p h 值。 1 3 堡塞苎壹塑堕童鏖堕茭茎曼塑垦生墨生主三苎垡些一 1 4 2 5 营养物质的流加 在螺旋藻的培养过程中，螺旋藻生物晕的增加使它对营养物质的需求增加t 所以要 流加营养物质( 如葡萄糖) ，流加要定颦和定时，每次流加过多不仅造成营养物质的浪 费，而且藻体会受剑底物抑制，造成螺旋藻的