海洋生化工程.doc

1. 海洋生物技术：按照生物技术的定义，可以将海洋生物技术定义为利用海洋生物或其组成部分，生产出有用的生物产品，以及定向改良海洋生物的某些遗传特性的综合性科学技术。2. 海洋生化工程是从实验室发现到产业化这一过程的关键环节。3. 海洋生物技术主要研究内容：（1）利用海洋生物技术从海洋生物中提取或者加工各种有用产品；（2）利用生物技术开发新的海洋动植物优良品种，探索有价值的海洋生物种群，用于水产养殖业；（3）从基因工程理论上阐明海洋生物的特殊功能，并在可能的范围内加以利用；（4）海洋环境保护及海洋生物可持续利用。4.同陆地好氧生物活性物质分离提取相比，海洋微藻生物活性物质分离提取具有以下特点： （1）海洋微生物(包括微藻)在培养液或天然水体中的细胞密度往往很低(如微藻培养密度一般为0.1g/L)，因此从水体中收获细胞难度大。（2）海洋生物活性物质大多为胞内产物，且胞内活性物质含量往往很低。3. 微藻是海洋生物资源的重要组成部分,它具有3个基本特性:种类多(约3万种)，生理学和生化特性范围很广，能产生很多功能独特的脂肪、多糖、蛋白、类胡萝卜素等活性物质；能低成本地将标记的同位素13C、15N和2H进入微藻各种代谢产物中，可用于呼吸系统疾病诊断及蛋白质结构测定；微藻包括了一个大而尚未开发的生物类群（仅有少数几个藻种产业化），因而提供了一个实质上尚未开发的资源宝库。 在医药、食品、水产养殖、生物能源、环保及航天等领域有着重要的开发价值。 3.海藻的开发价值：（1）在海藻中具有增强免疫力及抗癌活性的物质，属特殊多糖类、蛋白质、脂类、色素及低分子天然活性物质， 具有食疗作用和药用价值。（2）以海藻为原料制成的化工产品。1670年日本发现了用红藻生产琼胶的方法，并开始海藻胶的生产。20世纪50年代末中国进行了从海带提取褐藻胶、甘露醇和碘的综合利用研究。（3）吸附重金属离子，净化海水。 4.微藻大多为光能自养型。用于光能自养型海洋微藻培养的封闭式光生物反应器应具有如下特点：（1）必须要用光照。2）从混合角度来看，在藻类培养过程中的混合,除了具有促进气液传递、液固传递、防止细胞沉降作用外，还必须使藻细胞在与反应器表面垂直的方向上能充分混合，否则藻细胞受光就不均匀。（3）从气液传递角度来看，藻类培养必须供应大量的二氧化碳， 即要强化二氧化碳吸收过程；同时将微藻产生的氧气从培养液中排出，即要强化氧解析过程。而在好氧生物培养过程中，要强化氧吸收过程和二氧化碳解析过程。因此，微藻培养过程的气液传递方向与好氧生物培养过程的气液传递方向正好相反。（4）从培养液性质来看，好氧生物培养基大多用淡水配制，而海洋微藻的培养基多用海水配制。4. 将陆地好氧微生物培养同海洋微生物的培养相比，两者的异同点如下： （1）培养基成分相差较大，前者用淡水配制，后者用海水配制。海洋微生物大都具有嗜盐性，适宜的盐度范围为2.54.0，很多种类在淡水培养基中生长不良，甚至根本无法存活。（2）前者的培养温度一般为30左右，后者的培养温度一般较低，大多为1822。对于海洋中生活于极端环境下的嗜高温、嗜低温、嗜压、嗜碱微生物来说，它们对条件的要求又是极为苛刻和特殊的，这同陆地淡水微生物是不可同日而语的。 （3）前者培养的pH值多为中性或偏酸性，后者多为中性或偏碱性。5. 近年来，人们普遍认为微藻光自养生长过程合成的油脂是一种极有希望的制备生物柴油的大宗原料。6. 海洋微藻生物质能开发具有的特点:（1）生长速度快，光合效率高：微藻是光合效率最高的光合生物之一，可提供足以解决全球需求的非粮食可再生的生物质能。（2）适应能力强，不争地，不争水：一些微藻具有盐碱适应能力，可利用海水、地下卤水等在滩涂、盐碱地进行大规模培养；利用封闭式光生物反应器培养微藻，生产相同量的生物质，其耗水量仅为农作物的1。（3）大量积累脂质，因而可高效生产生物燃油：一些产油微藻的脂肪酸总量可达干重的50-90，有望成为最有前景的生物燃油来源。4）具有减排效应，可以直接处理工业废气：微藻可以通过光合作用利用废气(CO2、NO2)和废水，不仅能缓解温室气体的排放，而且可以通过利用废水废气降低生产成本，一些微藻还可以通过胞外CO2浓缩机制直接吸收CO2并转化为碳酸氢(盐)，具有显著减排效应，有望进行商业化减排。（5）可高值化综合利用：微藻含有丰富的生物活性物质，在制备生物燃油的同时可进行高值化综合利用，相对降低微藻产油的成本。可开发的高值产品包括虾青素、活性蛋白、活性多糖、不饱和脂肪酸、天然色素、生物肥料和饵料等。8.微藻光自养生长过程可合成大量油脂，与其他生物质相比，具有5大优点： 光合作用效率高、含油量高、微藻生物柴油的面积产率非常高。可固定大量的CO2，这不仅对于CO2减排问题的解决具有重要的潜在价值，且可使微藻生长所需碳源成本（1万元/吨螺旋藻）几乎降为0。可利用废水中的N、P等营养，不仅可降低水体富营养化，且可使微藻生长所需N源成本（0.30.4万元/吨螺旋藻）、P源成本（0.3万元/吨螺旋藻）几乎降为0。不与农作物争地(可用滩涂、盐碱地、荒漠、海面等) 、争水(可用海水、盐碱水和荒漠地区地下水等 )：如利用封闭式光生物反应器培养微藻，生产相同量的生物质，其耗水量仅为农作物的。微藻个体小、木质素含量很低，易粉碎、干燥，用微藻来生产液体燃料所需的后处理条件相对较低9.异养培养微藻生产生物柴油存在二大不足：一是成本高且难以和产油微生物竞争，二是失去了光自养培养微藻生产生物柴油的优点（如不仅不能固定CO2反而会排放出CO2）。1.对于以获得生物柴油为目标的微藻培养而言，光自养培养积累的脂肪比异养培养要多。2.微藻生物柴油产业的发展亟需一种高效率、低成本、易放大的微藻培养系统-光生物反应器。3.微藻藻粉的生产流程： 控制培养条件藻种培养液 逐级放大 培养系统 采收 干燥 成品 大规模生产中一般采用半连续流加培养，定期向培养液中补加消耗较大的营养盐，收获后培养液再循环使用 4. 微藻光自养生长的影响因子:光照 溶解氧 温度培养液pH营养盐 5. 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。6. 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。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。7. 目前国内外微藻的大规模培养大多属光自养培养。除此还有异养，异养-光自养串联培养，混合营养培养。8. 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 9. 一般在1825，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。10. 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:微藻生长繁殖速度加快，藻生物量浓度大大提高。 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。 使用异养培养系统可降低微藻生产成本。 微藻异养培养技术同异养微生物培养技术极为相似，因而可借鉴微生物培养中的成熟技术及设备，来实现微藻大规模异养培养，这将大大加快微藻及其产品的产业化进程。 11. 微藻异养培养在具有上述优点的同时也具有几个缺点 :已知可异养培养的微藻种类较少； 易被细菌污染 ； 低浓度水溶性有机物对微藻生长产生抑制作用； 不能生产光诱导物（如色素等） 可通过广泛的藻种筛选克服第一个缺点；用混合营养培养（即异养培养时加光照）和异养-光自养串联培养可部分克服第四个缺点。混合营养（兼养）培养：微藻在有光照的条件下，既利用CO2进行光合作用又利用外源有机物生长。异养-光自养串联培养：微藻先进行异养培养，然后进行光自养培养以提高藻细胞品质。12.微藻光自养培养有开放式、半封闭式与封闭式等几种方式，培养系统包括天然湖泊、敞开式跑道池、管道式或平板式等形式的光生物反应器。一般采用机械、鼓泡或气升循环等搅拌方式。 敞开式跑道池培养系统 封闭式光生物反应器生产系统 13. 光生物反应器有两大类：一类是敞开式光生物反应器，另一类是封闭式光生物反应器。 敞开式反应器缺点非常明显，已严重地制约了微藻生物技术产业的发展。 并且决定了这类反应器只能用于生长条件比较苛刻（如盐度、pH很高），且附加值较低的微藻产品的生产，而大多数微藻的生长条件较温和，因而培养微藻品种极为有限。因此目前的敞开式反应器技术已无法满足微藻生物技术蓬勃发展的需要，因而人们将希望寄托于新型的藻类培养反应器封闭式光生物反应器。 敞开式反应器的主要缺点如下:培养效率低。培养液中藻体浓度很低（一般约为0.1g/L），反应器的占地面积大 培养条件无法控制 易污染。污染源于杂藻、水生动物、空气中的飘浮物等 雨水会使培养基稀释，甚至造成培养基溢出反应器，造成培养基浪费，导致环境污染 反应器中水分蒸发量大 生产期短 封闭式光生物反应器的优点：培养密度高。微藻细胞浓度每升可达几克（比敞开式跑道池中的细胞浓度高出12个数量级）。 培养条件易于控制 。无污染，可实现纯种培养 。生产期可延长，甚至可终年生产 。适合于所有微藻的光自养培养 。1.鲎试剂是从栖生于海洋的节肢动物“鲎”的兰色血液中提取变形细胞溶解物，经低温冷冻干燥而成的生物试剂，专用于细菌内毒素检测。鲎试验法是国际上至今为止检测内毒素最好的方法，它简单快速灵敏准确，因而被欧美药典及我国药典定为法定内毒素检查法，并已被世界各国所采用。12. 微藻分类：按细胞大小：大藻（海带，紫菜，裙带等），微藻（小球藻，螺旋藻，盐藻，杉藻，紫球藻，雨生红球藻，鱼腥藻）；按生长环境：水生微藻（海水生，淡水生），陆生微藻；按生活方式：浮游微藻，底栖微藻13.微藻应用：油脂、多糖、纤维素、生物活性物质等产物丰富且可人工调控。光能转化效率高、繁殖快，生物量的倍增时间一般是24h、甚至更短，据估计，微藻生物质产量可达到陆地植物的300倍。 可在盐碱地、粘土地、滩涂、甚至海上养殖，可不消耗淡水，不与粮争地，不与人争粮。可用于工厂废气中CO2吸收、污水处理、环境保护等。13. 念珠藻是一种可以食用的微藻，它能产生许多稀有的天然活性物质，它们在医药、食品、水产养殖、农业和环保等领域具有重要的开发价值。11.微藻产品的产业化包括五个环节：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。1. 目前世界上已实现工业化生产的微藻主要有螺旋藻、小球藻、杜氏藻、雨生红球藻和寇氏隐甲藻（异养生产DHA）等五种（饵料微藻未商品化）。微藻生物技术产品主要包括：微藻藻粉、-胡萝卜素、虾青素、DHA、类胡萝卜素等。2. 能源微藻藻种：椭圆小球藻（Chlorella ellipoidea）:绿藻门，绿藻纲，与蛋白核小球藻及普通小球藻同属小球藻属（Chlorella）。不仅在水产养殖上有广泛的应用，而且是潜在的能源微藻之一；海水小球藻:绿藻门，大眼藻纲，拟微绿球藻属。不仅是海水养殖中常用的饵料微藻，而且是潜在的能源微藻之一；寇氏隐甲藻:甲藻门，隐甲藻属。从海洋中筛选出来的一种高产DHA的微藻，是潜在的能源微藻之一。微拟球藻，工程小环藻（硅藻）3. 微藻生物能源存在的主要问题与发展思路：国内外迄今尚未有通过微藻光自养培养生产生物柴油的完整的中试数据 光自养培养微藻生产生物柴油的真实成本目前尚无试验数据微藻光自养培养成本高：最易培养的螺旋藻的成本不低于2万元/吨（小球藻约5万元/吨）采收、干燥成本高（约.5万元/吨）微藻生物柴油产业化过程是典型的生物与化工相结合的产品工程问题，涉及多个学科，尤其是与化工相关的工程类学科微藻生物柴油产业化技术开发的主要目标是降低整个生产过程中包括微藻生物柴油在内的多个产品（如蛋白质、色素、多不饱和脂肪酸等微藻源系列产品）的综合成本（包括CO2减排、废水处理等产生的收益）任何单一学科均无法解决微藻生物柴油的高成本问题4. 微藻生物柴油存在的主要技术瓶颈：可规模化户外光自养培养的能源微藻优良种 (株) 的选育高效低成本的光生物反应器优化方法以及其放大能源微藻规模化培养工艺优化与放大经济上可行的能源微藻细胞采收、油脂提取及生物柴油转化藻渣高値化及能源化综合利用系统集成与优化-经济效益和环境效益的评价5. 微藻生物柴油产业化技术开发方面的研究思路：（1）以抗敌害生物污染能力强、生长快、胞内油含量高为评价指标，进一步开展能源微藻藻种的选育（包括诱变育种和分子生物学改造等），确定适合于不同气温条件下培养的能源微藻藻种（尤其是低温