微藻生物反应器综述.doc

微藻及其生物反应器研究进展张林存 生技0911 0920212115摘要：生物反应器是微藻大量培养的一场革命，它使微藻高效、大规模化生产成为可能。本文对微藻的研究历史、应用现状，特别是微藻生物反应器以及作为新型可再生能源的微藻柴油作了简要综述。关键词：微藻、生物反应器、微藻柴油Microalgae and Its Research Progress in BioreactorZhang Lin-cun Biotech0911 0920212115Abstract: Bioreactor is a revolution in large scale culture of microalgae. It makes the efficient, large scale production of microalgae possible. This paper makes a brief summary about the study history and the current application of microalgae, especially the bioreactor of microalgae and a new renewable energymicroalgae biodiesel.Keywords: microalgae, bioreactor, microalgae biodiesel微藻是一类在陆地、海洋分布广泛，营养丰富、光合利用度高的自养单细胞生物，是地球上最早诞生的重要生命类群，不少种类有数万年甚至十亿年发展的演化。也是地球有机资源的初级生产力。迄今已知的藻类约有3万余种，其中微藻约占70。藻类不仅富含蛋白质、脂肪和碳水化合物这三大类人类所必需的物质，而且还含有各种氨基酸、维生素、抗生素、高不饱和脂肪酸以及其它多种生物活性物质，是人类向海洋索取食品、药品、生化试剂、精细化工产品、燃料以及其它材料的一种重要途径。1 研究历史微藻的研究与应用经历以下阶段：20世纪40年代，德国人试验用硅藻生产可做燃料的脂类；50年代至70年代，许多国家开展小球藻、栅藻、新月藻、螺旋藻等微藻的培养与开发研究，主要用作鱼、虾、贝、蟹育苗中的饵料和生产单细胞蛋白(SCP)；80年代后微藻生物技术迅速发展，人们逐渐认识到微藻在进化上的多源性、遗传的多样性，藻细胞中有一些特殊的次级代谢物，而且可以利用其生长繁殖迅速、光能转换率高、对环境适应性强、易于遗传改良的特点进行大规模培养，微藻在各领域的开发应用价值成为人们关注的热点。 2 特点从1987年至今，新发现的具有开发价值的药用海洋天然产物已达434种。微藻具备如下特点：(1)具有叶绿体等光合器官，能有效利用太阳能将 H20、CO2 和无机盐转化为有机化合物。(2)以简单的分裂方式进行繁殖，细胞生长周期较短，易于大规模培养。(3)可以用海水、咸水或半咸水培养，是淡水紧缺、土地贫瘠地区获得有效生物资源的重要途径。(4)富含各种物质，是人类未来食品及油料的重要来源。(5)因独特的生存环境使其能够合成许多结构和生理功能独特的生物活性物质，特别是经过一定的诱导手段，利用微藻可以高浓度合成这些具有商业化价值的化合物。 3 微藻生物反应器3.1 光生物反应器生物反应器是实现生物技术产品工业化的最重要环节，它是连接上游技术和产业化的桥梁。光生物反应器是指能用于光合微生物及具有光合能力的组织或细胞培养的一类装置，与一般的生物反应器有相似的结构，光生物反应器有较高的光能利用效率，在最佳状态下可达到18，而植物和森林仅能利用入射光能的0.2，并且可以进行全天候的连续或半连续培养，因此能实现光合生物的高密度培养并获得较高的单位面积或体积生物量产量。3.2 研究现状 微藻是光合效率最高的原始植物之一，与农作物相比，单位面积的产率可高出数十倍。藻类光合物反应器一般分两种类型：开放式和是封闭式。开放式光合生物反应器以开放式跑道水池为主。20世纪6070年代开始被美国、 以色列等发达国家应用于工业污水处理；8090年代起在中国、美国、日本等国应用于保健品的生产。封闭式光合生物反应器的种类很多，有管状、板状、筒状等。封闭式光合生物反应器的研究开发应用于大型海藻养殖产业，将为大型海藻的细胞工程育苗技术的研究和产业化提供必备的条件，还应用于微藻大规模培养、微藻生物活性物质的开发与生产、生物再生能源的研究与生产、单细胞生物的蛋白生产、海洋生物制药、生物天然食品色素的开发利用。两者比较如下：藻类光生物反应器具有很多优点：结构简单，微生物在其中繁殖快；光合自养，是光合基因研究的理想模式宿主；培养成本低廉；可保存优质的基因库；无毒，且营养丰富，有避免提纯、直接应用的潜力，是有开发前景的新型生物反应器。3.3 密闭式微藻光生物反应器 利用密闭式光生物反应器培养微藻， 能减少污染发生，可提高产量60-300， 同时还可以降低收获成本。然而，密闭式利用光生物反应器依然存在着许多不足，例如培养后期由于细胞浓度的升高，限制光的穿透，降低了光照效率；在培养过程中由于水压增加，使细胞受到损伤；利用海洋微藻生产多不饱和脂肪酸反应器内容易累积氧气，降低脂肪酸的去饱和程度；反应器和生物传感器上易发生附着，这种培养技术成本也较高。因此制约微藻工业化生产的发展。为了解决高效廉价这个困扰微藻产业多年的封闭式光生物反应器的设备难题，一种新型结构的封闭式光生物反应器“膜式气袋内光源太阳能光生物反应器”应运而生，它具有结构简单、造价低廉、运行可靠、适应性强、单位体积培养液受光面积大、微藻产量高且质量好等优点；并且可以调整光质，从而达到微藻产品成份的定向培养。所以非常适合于微藻生物资源的大规模开发应用，有极大的开发潜力。4 应用 4.1 范围 微藻在医药工业、食品工业、环境检测及净化等方面有着广泛的应用。微藻富含天然-胡萝卜素具有抑制肿瘤、抗辐射等作用，尤其对萎缩性胃炎、口腔溃疡、皮肤疾病和放化疗患者有着明显的辅助治疗效果。微藻是海洋药物的重要来源，其药用价值正日益引起人们的注意。微藻的蛋白质含量很高，是单细胞蛋白(SCP)的一个重要来源。微藻所含的维生素A、维生素E、硫氨素、核黄素、吡多醇、维生素B12、维生素C、生物素、肌醇、叶酸、泛酸钙和烟酸等增加了其作为SCP的价值。微藻的生长状况能直接反映水质情况，判断空气中的毒性气体。微藻生长脱氮除磷、难降解有机物、及Co、Mn、Hg等重金属离子。微藻还能吸收一定浓度NOx, SOx, H2S，在挪威、日本早已开始研究培养微藻进行环境保护。4.2 新型可再生能源微藻柴油 4.2.1 优势 能源危机和环境污染是当今世界的两大问题。为了实现经济和环境的和谐发展，寻找低污染的可再生能源已成为迫切的需要。作为优质的化石燃料的代用品，生物柴油是一种理想的可再生能源。微藻的含油量比油菜籽、花生高78倍，比玉米高十几倍。海洋微藻制取生物柴油是目前国际新能源领域的新方向。与传统的植物油原料相比，产油微藻具有不与粮食作物竞争土地、肥料和新鲜水的优点，这对.(查看更多)环境的保护，资源的合理配置和经济的可持续发展具有重要的意义。4.2.2 工艺 微藻生物柴油技术首先包括微藻的筛选和培育，获得性状优良的高含油量藻种，然后在光生物反应器中吸收阳光、CO2等，生成微藻生物质，最后经过采收、加工，转化为微藻生物柴油。4.2.3 瓶颈 尽管微藻生物柴油具有巨大的优势，目前利用微藻生产生物柴油还处于初级阶段，其主要瓶颈就在于高昂的生产成本。而其中前期的培养成本就占到了70%。因此研制出一个低成本高效率的微藻培养系统是实现利用微藻生产生物柴油的一个关键性步骤。前面提到的一种新型结构的封闭式光生物反应器“膜式气袋内光源太阳能光生物反应器”正迎合了微藻生物资源大规模开发应用的需要，具有很大的开发潜力，相信随着技术的不断进步，困扰微藻规模化生产应用的问题一定会得到解决。 4.2.4 前景展望 微藻资源丰富，不会因收获而破坏生态系统，可大量培养而不占用耕地。另外，它的光合作用效率高，生长周期短，单位面积年产量是粮食的几十倍乃至上百倍。而且微藻脂类含量在20%至70%，是陆地植物远远达不到的，不仅可生产生物柴油或乙醇，还有望成为生产氢气的新原料。我国盐碱地面积达1.5亿亩。如果用14%的盐碱地培养微藻，在技术成熟的条件下，生产的柴油量就可满足全国50%的用油需求。 5 结语微藻生物反应器的研制不仅对现有微藻产业的改造和发展起着关键作用，而且可以用于进行高附加值化合物、药物等的生产。微藻生物反应器在微藻研究工作中更是一个必不可少的重要工具和手段。光生物反应器已成为生产高附加值微藻产品的技术平台。其中管式光生物反应器发展最快，其结构可调性强，可适应多种微藻的培养，应用最广泛，具有巨大的发展潜力。随着学科技术的发展，基础理论研究的深入，加上各种新材料、新型高效光源的出现与使用，必将使密闭光生物反应器更为成熟，生产成本不断降低。微藻技术必将得到更多的应用和更大的重视。参考文献1 俞俊棠，唐孝宣等生物工艺学M北京：化学工业出版社，2003：312315 2 张建民，刘新宁可利用微藻的种类及其应用前景J资源开发与市场，2005，21(1)：65663 刘晶磷，张嗣良.封闭式光生物反应器研究进展J生物工程学报，2000，16(2)：119123 4 蒋霞敏，郑亦周14种微藻总脂含量和脂肪酸组成研究J水生生物学报，2003，27(3)：243247 5 王长海，鞠宝，董言梓，等光生物反应器及其研究进展J海洋通报，1998，17(6)：7986 6 古绍彬，虞龙，向砥，等利用海洋微藻生产DHA和EPA的研究现状及前景J中国水产科学，2001，8(3)：90937 Miyamoto KWable 0.Benemann J R. Vertical tubular reactor for