微藻培养中光生物反应器的研究进展

1、微藻培养中光生物反应器的研究进展刘娟妮,胡萍*,姚领,王雪青(天津市食品生物技术重点实验室,天津商学院生物技术与食品科学学院,天津300134摘要:研制和应用光生物反应器是实现微藻的高密度和规模化培养的重要技术。本文综述了近年来微藻培养中光生物反应器的类型、基本构造以及实际应用状况,并对反应器的控制操作系统及检测技术做了简单的介绍,为微藻的高密度培养提供一些参考。关键词:光生物反应器;微藻Advanceo fP hotobioreactoro nM icroalgalC ultivationLIUJuan-ni,HUPing*,YAOLing,WANGXue-qing(TianjinKeyla

2、boratoryofFoodBiotechnology,CollegeofBiotechnologyandFoodScience,TianjinUniversityofCommerce,Tianjin300134,ChinaAbstract :Microalgalp hoto-bioreactorsi st hek eyt echnologyf orr ealizingh igh-densityc ulturea ndm assc ultureo fm icroalgae.Thisarticlereviewedthemajortypes,technicalparametersandcharac

3、tersofphotobioreactorappliedinmicroalgalculture recently.Thedetectiontechniqueofphotobioreactorwerealsobrieflysummarizedinthisarticle.K e y w o r d s :photobioreactor ;microalgae中图分类号:Q93.335文献标识码:A文章编号:1002-6630(200612-0772-06收稿日期:2006-09-02基金项目:天津市高校科技发展基金项目(20040601;天津市科委自然科学基金项目(043607411;天津市科委重

4、点基金项目(043804211;天津市食品与生物重点实验资助项目作者简介:刘娟妮(1982-,女,硕士研究生,研究方向为海洋微藻的培养。微藻能有效利用光能、C O 2和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质,可以通过微藻培养来生产保健食品、食品添加剂、饲料、生物肥料、化妆品及其他天然产品。另外,近年来利用藻类为宿主的基因产物的生产也日益受到关注。随着人类对微藻的认识不断加深,开发和研制新型高效光生物反应器及其在微藻的高密度培养方面的应用研究已成为微藻生物技术的一个重要组成部分。目前,微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。开放式光生物反应器构建简单、成本低廉及操

5、作简便,但存在易受污染、培养条件不稳定等缺点。封闭式反应器培养条件稳定,可无菌操作,易进行高密度培养,已成为今后的发展方向。一般封闭式光生物反应器有:管道式、平板式、柱状气升式、搅拌式发酵罐、浮式薄膜袋等。近年来光生物反应器发展迅速,表现在对原有的反应器的改造,各种新型反应器的设计,操作系统及检测技术的完善。本文对这方面的内容作了较全面的总结,为微藻的光生物反应器的培养提供参考。1开放式光生物反应器所谓开放式光生物反应器就是指开放池培养系统(openpondculturesystem。其培养技术经过了广泛深入的试验,已普遍应用于商业化微藻大规模培养中13它具有投资少、成本低、技术要求简单等优点

6、。主要有四种类型:浅水池、循环池、跑道池式、池塘。其中最典型、最常用的开放池培养系统是Oswald 设计的跑道池反应器(race-wayphotobioreaccor。该类培养系统实际上就是占地面积为10005000m 2,培养液深度为15c m 的环形浅池。以自然光为光源和热源,靠叶轮转动的方式使培养液于池内混合、循环,防止藻体沉淀并提高藻体细胞的光能利用率;可通入空气或CO 2气体进行鼓泡或气升式搅拌。为防止污染,减少水分蒸发,生产中常在池体上方覆盖一些透光薄膜类的材料,使之成为封闭池。目前国际上较著名的大规模生产微藻的公司(如:Cyanotech,EarthriseFarms等均采用这种

7、反应器,在螺旋藻、小球藻和盐藻的大规模培养中取得良好的效果。虽然开放式光生物反应器在微藻培养中取得了一定的效果。但是,开放式光生物反应器仍存在下列不足:(1易受外界环境影响,难以保持较适宜的温度与光照;(2会受到灰尘、昆虫及杂菌的污染,不易保持高质量的单藻培养;(3光能及CO2利用率不高,无法实现高密度培养;这些因素都将导致细胞培养密度偏低,使得采收成本较高,能适应大池培养的微藻藻种必须是在极端环境下能快速生长的藻种,只能用于螺旋藻、小球藻及盐藻等少数能耐受极端环境的微藻培养。对于要求温和培养条件和种群竞争能力较弱的微藻,则只能采用封闭式光生物反应器培养。另外,对于高卫生要求的微藻产品生产,以

8、及将来的基因工程微藻,研制高效、易于控制培养条件的新型光生物反应系统,以实现高密度纯种培养,已经成为微藻培养技术的发展趋势。2封闭式光生物反应器封闭式光生物反应器开发虽已有近50年的历史,但最快的进展还是近10年的事。20世纪90年代以来,涌现出了大量有关专利。与开放式光生物反应器相比,封闭式光生物反应器具有以下优点:(1无污染,能实现单种、纯种培养。(2培养条件易于控制;(3培养密度高,易收获;(4适合于所有微藻的光自养培养,尤其适合于微藻代谢产物的生产。(5有较高的光照面积与培养体积之比,光能和C O2利用率较高等突出优点。因此近年来在国外研制和开发利用较快,已实现了高密度商业化培养。目前

9、,一般封闭式光生物反应器有:管道式、平板式、柱状气升式、搅拌式发酵罐、浮式薄膜袋等。2.1管道式光生物反应器管道式光生物反应器一般采用透明的直径较小的硬质塑料或玻璃、有机玻璃管,弯曲成不同形状,利用透明的管道,借助外部光源条件下进行工厂化繁殖生产藻类的方式。由于密封的管道系统容易与其它加工设备配套,可用泵把管道内生长到一定生物量的藻体传递到下道工序,因而整个过程可以实现自动化的生产过程。这种反应器最早出现在上世纪50年代(D a v i s, Tamiya,1953,Pirt4等已建立了细管(管径1cm光生物反应器的设计和操作理论及计算机控制装置,在这个基础上,Torzillo等5设计和建造了

10、双层管道式光生物反应器用于螺旋藻的室外培养。为了提高光能利用率,L e e LeeY.K等6和Miyamot等7都对水平设置的管道进行改进,采用-斜管或螺旋盘管式光生物反应器,并作了大量的基础理论和应用研究。在诸多的封闭式光生物反应器中,管状光生物反应器发展最快,其可靠性,有效性和低成本日益引起人们的重视。现介绍几种近年来设计的典型的管式光生物反应器及其应用。F.G.AcienFernandez8等在西班牙设计了一种气升式管状光生物反应器(如图1所示,容积为0.20m3,该反应器由气升系统和集光管两部分组成。集光管两末端分别与气升系统的进气管和出气管相连。管径为6c m,长80m的管道盘绕成双

11、层水平放置于地面。占地面积为12m2,相连的水平管之间的距离为0.09m,双层垂直管的距离为0.03m。位于气升系统顶部的气液分离器能阻止循环产生的气泡再次进入集光管。在这种反应器中研究了三角褐指藻的连续培养,当稀释率为0.050/h时,产率达1.20g/Ld。研究发现增加流体速率可减少溶氧积累,增加生物量产率。G.AcienFernandez9等在西班牙Almeria采用这种反应器对微藻P.tricornutum建立了室外连续式培养体系。反应器如图2所示:直径30cm,长106m的塑料管安放在支架上呈螺旋状排列,螺旋直径1.2m,高0.8m。反图1水平放置的气升式管状光生物反应器Fig.1

12、The outdoor culture system with details of the solar loop(a and photobioreactor the degasser zone (bGasexhaustMediumHarvestAirliftS ystemC O2SolarReceiverA i rSamples(a(bCulture图2螺旋盘绕管式光生物反应器Fig.2 Schematic drawing of the helicalGasesout/overflowHarvestFlowMediumsupplyFlowA i r l i f tsystemCoolings

13、ysstemExternalloop(s o l a r r e c e i v e rAirC O2Tempp HProbes:DO2应器总容积75L。螺旋管前方的蛇型管热交换器用来控制温度。采用气升循环混合方式。底部注入C O 2可控制培养基p H 。管末端配有溶氧、p H 、温度检测器。检测器与数据记录仪和计算机相连实现了在线检测和控制。生物量达到1.5g/L ,光合作用效率达到14%,溶氧率不少于400%。其中传质能力是影响反应器的最主要的因素。减少由于高溶氧浓度造成的压力才可提高传质效率。另外,液体的流速必须达到0.5m /s ,这需要考虑提供两个气升系统,或是要考虑使用不同的泵来达

14、到这一要求。该反应器的优点是:(1比表面积大,故光利用效率高,减少了反应器内藻体的自我遮挡效应。(2温度和污染易于控制。(3CO 2吸收路径多,故输入的C O 2较充分。环形管式光生物反应器通气式串联平板式光生物反应器GasoutletO 2c ollectorAiri njectionL i g h t c h a m b e r s l t o 8C O 2i n j e c t i o n图3环形管式光生物反应器Fig.3 Reaction loop of the photobioreactor used forthe experimentsArnaudMuller-Feuga 11等人

15、报道了一种环形管式光生物反应器,如图3所示:它由8根平行排列水平放置于地面平行管组成,称为八个反应室,其每根管内径4cm,外径10c m,每只长150cm,受光面积为1.5m 2,容积为10L 。采取气升循环方式,空气和CO 2由中心通入,在管道中形成环形气流。在气体出口处设有O 2收集器。ArnaudMuller-Feuga 12等人研究了该生物反应器培养微藻Porphyridiumcruentum 的最优操作条件。2.2平板式光生物反应器1986年RamosdeOrtega 13等人首次开发平板式光生物反应器。由于该类型的反应器具有光利用率高,易放大培养,易清洗,其内部的贴壁生长和外部的盐

16、沉淀容易处理。结构相对简洁,可以随意调节放置角度以便使其获得最佳的取光效果。阳光有一部分直射到反应器板面,大部分是通过反射或散射进入反应器,这种反图410cm 平板式光生物反应器Fig.4 A schematic drawing of one sub-unit flat platepho tobio reactor通气管冷却水管喷水头许波和王长海14首次在国内应用平板式光生物反应器对一种高度合成高不饱和脂肪酸花生四烯酸的淡水微藻Parietochlorisincise 进行了高密度培养研究。该反应器由6个串联放置、结构完全一致的平板式玻璃光生物反应器组成(如图4所示。其中,温度由循环冷却水在反

17、应器的两面喷淋控制,培养液在反应器内进行循环的推动动力是由输入的气体提供的。在通气率为1900ml/L 、采收率为20%的条件下,微藻细胞的培养密度达到了5.15g/L;其单位体积和面积的细胞生物量产率分别提高到了0.73g/Ld 和70.1g/m 2d。鼓泡式平板光生物反应器ZhangCheng-Wu 16等报道了一种平板式光生物反应器,该反应器由100个板式反应器单元串联组成,单板的体积为20L ,其示意图如图5所示,单板长200c m ,宽10cm,高100cm,光径为10cm。前后两垂直放置的玻璃板之间的支撑板能防止玻璃破裂。采取通气鼓泡混合。由于循环的气体可带走体系的氧气,故可解决反

18、应器中溶氧过高而造成的对藻细胞的伤害。最终实现了对微藻Nannochloropsis sp.的高密度规模化连续培养,细胞密度达到6108个/ml,细胞干重为12g/m 2d 最大面积产率为12g/m 2d。EPA 的产量为650g/m 2d。该反应器操作简单,表面积与体积比为50L /m 2,占地面积小。投资费用$4/L ,是目前用于大规模封闭式光生物反应器培养微藻投资最少的反应器。L -型平板光生物反应器S.R.Chae 17等人设计了一种造型新颖独特的可自动调节光暗周期的L -型光生物反应器,反应器构造如图6所示:反应器分为两部分,上部为(500L1.8ml 0.2m W 1.4m H 受

19、光区域,考虑到光抑制效应,有效高度为20cm。下部为暗区域(500L1.8ml 1.0mW 0.4mH。两部分中间安置一刮刀片完成培养基光暗区域的内循环。这种反应器有效的减少了微藻细胞间的自我遮挡作用。在该反应器中以太阳光为光源,石油的燃烧气体为碳源对微藻E.gracilis 的培养达到了中试规模,收获的生物量含有粗蛋白高达47%,在生产动物高蛋白饲料方面很有发展潜力。2.3柱状气升式光生物反应器内导流气升式反应器张栩20等人研制了100L 外照光源、内导流气升式藻类光生物反应器以及二氧化碳配气装置。其主体是圆筒状,材料为有机玻璃,高1.5m,占地面积0.0726m 2,有效容积100L ,由

20、主筒、导流筒和通气管组成。由通气管通入一定流量的压缩空气,利用气泡的浮力带升导流筒内的培养液,在主筒底部形成负压,使主筒与导流筒之间的培养液下降,经回流口进入导流筒,随气泡上升至溢流孔溢出,进入下降区,下降至回流口,而形成培养液的环流。培养液在上升区与气体充分混合,通过气液传递的通气过程进行碳的补充,另一方面脱去培养液中过分积累的氧;在下降区培养液均匀下降接受光照,提高光照效率。该反应器采用人工光源,由12支40W 荧光灯提供光照,光照面积1.337m 2。用该光生物反应器培养小球藻(Chlorella sp.,平均生长速率为100cell/mlh,最终藻液密度为62107cell/ml。平均

21、日生长量0.2134g/Ld。潘双叶21等人报道了一种由中科院海洋所研制的外照光源、内导流气升立式光生物反应器。其主体呈圆筒状,内有一套筒,材料为有机玻璃,高74.5c m ,筒直径为37.5cm,内筒高50c m,直径为12c m,占地面积0.14m 2。内筒内放有1个散气石,通气管连接反应器外的充气泵,通入一定流量的压缩空气,利用气泡带动内筒培养液,形成在内筒与外筒间的循环,从而使藻液受光均匀,提高光照效率。补料分批培养等鞭藻(Isochrysisgalbana 12d,藻密度由1.810/ml上升到6.0510/ml。康瑞娟22等人研究构建了一种内外光源结合的气升式内环流光生物反应器,并

22、在其中进行了两种蓝藻的光自养培养。反应器由罐体、气体提升管、内光源密封管、热交换装置、气体分布器、内外光源等部分组成。以日光灯管作为内外光源。罐体直径182m m ,高1000mm,提升管直径131mm,高600mm。内光源管直径45m m 。总体积为15L ,工作体积13L 。提升管底部设有圆形气体分布器,空气和CO 2定量混合后由此进入反应器中,形成均匀、细小的气泡,具有较高的气液传质面积。罐体内设有热交换装置,以维持培养温度。1.10mm 厚的玻璃平板;2.玻璃盖;3a.集水槽(侧视图;3b.集水槽;4.支撑板;5.喷水管;6.喷口;7.通气管;8.气体分布器;9.气泡;10.藻体。图5

23、平板式光生物反应器Fig.5 A schematic drawing of one sub-unit in the large-scale flatplate glass photobioreactor100c m 85c m5c m5c m5c m10cm 10c m95c m 25cm3a3b200cm 图6L-型平板光生物反应器Fig.6 Schematic diagram (a and cross-sectional photograph(b of an innovative pilot-scale photo-bioreactorScraperLightregion20cm1.4m

24、Dark reglonMedium1.0m BypassOilb oilerFluegasValue 40cmBiomass samplingportFlow meterCompressor D i f f u s e rValveP u m p(a (b 磁悬浮气升式光生物反应器缪国荣28首次采用聚乙烯薄膜袋封闭式培养海洋微藻,它有受光面积大、保温性能好、污染机会小、成功率高、成本低、操作简单的优点,在提高藻种的密度和纯度上取得了良好的效果。该反应器在生产性培养中得到应用,但因无法解决薄膜袋的破损漏水问题,没有得到很好推广。张小葵29等人对其进行了改进,采用周长200cm,长度约450cm

25、的农用聚乙烯透明塑料薄膜袋,两边分别用绳封口,同时各扎入长约10c m ,直径6cm 的聚乙烯硬管作出气孔,一端通入3个充气石作充气用,将其漂浮在盛有水的原三级培养池(长宽高=600cm 400cm 900cm中,两头出气孔用绳吊起,以防袋口沉入水中。聚乙烯薄膜袋浮式培养法在三级培养中除了具有塑料薄膜袋培养的所有特点外,还具有以下优点:(1膜袋内外压力均衡,薄膜几乎不受张力,且薄膜袋在水中漂浮,自由度相对较大,因而不仅大大方便了操作,而且有效地解决了塑料薄膜袋的破损漏水问题;(2藻种分布均匀;(3具有良好的恒温性能;(4能直接由封闭培养的一级藻种向三级培养的塑料袋中接种,避免了多次接种操作造成

26、的污染。3光生物反应器中的检测技术光生物反应器比一般的反应器要求严格,需对微藻的生长状态、体外代谢产物、p H 、温度、溶氧等作出在线检测,才能更好的调节优化微藻的培养条件。而目前对其单个的指标的检测不仅复杂而且成本高,故需要设计新型的适用于光生物反应器的检测系统。JianLi 30等人提出了搅拌式光生物反应器的有效在线跟踪检测模型。通过溶氧的在线检测确立细胞的生长动力学模型。包括生长模型和光传送模型。其中,生长模型反应了光抑制、氧抑制,和平均光强度等因素。光传送模型以光线模型为基础检测平均光照强度。它内部的辅助装置扩展Kalman 滤波EKF(extendedKalman filter可精确

27、的跟踪检测入射光的变化率。该检测系统可同时平行检测生物量,比生长率,溶氧浓度,光合作用效率,平均光强度等多个关键因素。其最大的优点是简单,实用,成本低。Hu-PingLuo 31等人把放射颗粒跟踪技术(computer-automatedradioactiveparticletracking(CARPTtechnique应用于光生物反应器中。该技术在测定流体速率,反映细胞的运动状态以及建立光的辐射模型方面有很大的优势,是一项很有前景的分析光生物反应器性能的技术。J.M.Sandnes 32等人报道了近红外光传感器(nearin-frared(NIRlighttransmittancesenso

28、rs在螺旋管光生物反应器中的应用。它可快速,自动的检测细胞浓度的光密度。它不仅可用在对正在生长的藻的生物量的在线检图7带有外环的磁悬浮气升式光生物反应器Fig.7 Schematic diagram of 3.5L magnetic air-liftphotobioreactor with external-loop576321(1(2(4(34481-Air-liftp hotot-biorea ctorb ody李志勇教授23报道了一种带有外环的磁悬浮气升式光生物反应器(如图7所示,反应器体积为3.5L,藻液中的p H 值、温度和溶氧可通过插入脱气装置中的电极在线测定。该反应器有效地提高了

29、微藻S p i r u l i n a platensis 的生长速度,细胞干重较正常培养条件下提高了22%,而且微藻中的营养成分如氨基酸等也得到了一定的改善。2.4搅拌式光生物反应器机械搅拌式生物反应器是广泛用于规模培养微生物的生物反应器,具有技术条件成熟,易于控制等优点,只要配套光源,就可成为培养微藻的光生物反应器,因此可利用现有发酵工程技术开展微藻的研究开发工作,国内外许多学者在这方面都做了尝试2426。陈必链27等人对搅拌式光生物反应器培养饨顶螺旋藻(SpirulinaplatensisGeitl 的培养条件,即搅拌速度、通气量和光照强度进行优化,使生物量达到1.922g/L。2.5浮式薄膜袋