微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析

1、微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第1頁第一個別 微藻及其應(yīng)用 1. 微藻定義及分類 藻類是能夠進(jìn)行放氧光合作用自養(yǎng)無胚植物 藻類按細(xì)胞大小 大藻 (如海帶、紫菜、裙帶等) 微藻 (如小球藻、螺旋藻、鹽藻、柵藻、 紫球藻、雨生紅球藻、魚腥藻等)按生長環(huán)境水生微藻 陸生微藻 氣生微藻 按生活方式 浮游微藻 底棲微藻 淡水生 海水生 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第2頁2. 微藻應(yīng)用價值 微藻含有三個基礎(chǔ)特征 種類很多，生理學(xué)和生化特征范圍很廣,所以微藻能產(chǎn)生很多功效獨特脂肪、多糖、蛋白、類胡蘿卜素等生物活性物質(zhì)；微藻能低成當(dāng)?shù)貙⒂糜跇?biāo)識同位素13C、15N和2H結(jié)合進(jìn)入

2、體內(nèi),因而這類標(biāo)識元素可進(jìn)入微藻產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物中； 微藻包含了一個大而還未開發(fā)生物類群，因而提供了一個實質(zhì)上未開發(fā)資源寶庫。 微藻特征,決定了微藻在醫(yī)藥、食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖、化工、能源、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)及航天等領(lǐng)域有著主要開發(fā)價值 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第3頁微藻應(yīng)用價值 醫(yī)藥起源 微藻中生物活性物質(zhì)含有抗腫瘤、抗病毒、抗真菌、防治心血管疾病、防治老年人癡呆癥等功效。 螺旋藻對于糖尿病、高血壓、心臟病、胃病、貧血病、肝病、腎臟病、風(fēng)濕病、骨質(zhì)疏松癥、肥胖癥、營養(yǎng)不良、癌癥、愛滋病等含有預(yù)防和輔助療效。 保健食品 微藻中含有豐富蛋白質(zhì)、多不飽和脂肪酸、維生素、多糖、礦物質(zhì)等,是極好天然保健食

3、品。 另外，微藻中含有大量天然色素。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第4頁微藻應(yīng)用價值餌料 蝦和蟹在長成過程中主要使用動物餌料(如輪蟲、鹵蟲等)，而培養(yǎng)這些動物本身所用餌料全部是微藻。微藻中不飽和脂肪酸是水產(chǎn)動物不可缺乏營養(yǎng)，一些微藻產(chǎn)生蝦青素等色素對人工養(yǎng)殖蝦和魚含有很好著色作用。 基因工程產(chǎn)品 如兔防御素（NP-1）、金屬硫蛋白（MT）、人腫瘤壞死因子、人表皮生長因子、磷酸酯酶、超氧化物歧化酶（SOD）及殺幼蚊毒素等。 利用微藻作為表示系統(tǒng)生產(chǎn)基因工程產(chǎn)物含有兩大優(yōu)點: 無知識產(chǎn)權(quán)問題; 產(chǎn)物分離純化較簡單。其它應(yīng)用 能源 航天 化工 環(huán)境保護(hù) 農(nóng)業(yè)微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第5頁3.

4、 微藻我國外應(yīng)用現(xiàn)實狀況及存在問題 微藻產(chǎn)業(yè)已初見倪端,但還未真正形成，其原因分析以下：微藻產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化包含五個步驟：取得優(yōu)質(zhì)藻種(即微藻上游生物技術(shù))微藻大規(guī)模培養(yǎng)微藻大規(guī)模采收(即從培養(yǎng)液中分離出微藻細(xì)胞)微藻細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)物分離提取產(chǎn)品開發(fā) 當(dāng)前我國在微藻生物上游技術(shù)方面含有很好工作基礎(chǔ)(尤其是在微藻基因工程方面處于國際先進(jìn)水平)，而在微藻大規(guī)模培養(yǎng)、采收和胞內(nèi)產(chǎn)物分離提取方面基礎(chǔ)微弱，它是制約我國微藻產(chǎn)業(yè)形成根本原因所在。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第6頁第二個別 微藻營養(yǎng)模式 微藻原核微藻 (藍(lán)藻 )真核微藻 (其它微藻 )主要營養(yǎng)方式是光自養(yǎng) 也存在著其它營養(yǎng)模式 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)

5、器分析解析第7頁 微藻光自養(yǎng)培養(yǎng) 微藻大多數(shù)是專性光合自養(yǎng)生物，以光作為能量還原CO2同化為碳水化合物，而取得生物量。光合成反應(yīng)以下： CO2 + NO3- + PO43- + H2O + 太陽能 CH2ONP + O2 當(dāng)前我國外微藻大規(guī)模培養(yǎng)均屬光自養(yǎng)培養(yǎng)。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第8頁微藻光自養(yǎng)生長影響因子光照 溶解氧 培養(yǎng)液pH 營養(yǎng)鹽 溫度微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第9頁光照 光是微藻生長主要限制原因。當(dāng)溫度和營養(yǎng)不限制其生長時，光就成為影響微藻光自養(yǎng)生長主要原因。 光不但有光周期、光質(zhì)和光強(qiáng)不一樣，還有顯著時、空（緯度、水體深度改變。微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第10

6、頁光照 普通情況下，在一定光照度范圍內(nèi)，微藻光合作用效率會隨光照度增加而增加，但當(dāng)光照度到達(dá)一定值時，光合作用效率幾乎保持在一定水平，不再增加，這種現(xiàn)象稱為光飽和效應(yīng)。 假如光照度超出光飽和點一定程度后，微藻光合作用效率將會下降，造成細(xì)胞生長減緩，甚至死亡，這就是通常所說光抑制現(xiàn)象。微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第11頁溶解氧 微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程會產(chǎn)生大量氧氣，需從培養(yǎng)液中解析出去。 對于管道式光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，溶解氧積聚是一個嚴(yán)重問題，需要專門設(shè)計脫氣系統(tǒng)有效釋放光合作用放出氧氣。微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第12頁培養(yǎng)液pH 微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程pH基礎(chǔ)呈上升趨勢 控制培養(yǎng)液pH最好方法是

7、利用CO2 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第13頁營養(yǎng)鹽 微藻生長所需要營養(yǎng)元素有1520種，C、N、P 是微藻生長主要營養(yǎng)。 對于微藻光自養(yǎng)生長而言，主要利用無機(jī)態(tài)碳源。微藻可直接利用空氣中CO2進(jìn)行生長，但CO2必須先溶解于水中，且主要以HCO3形式被利用。 HCO3鹽也可直接作為微藻生長碳源，如螺旋藻大規(guī)模培養(yǎng)常采取是NaHCO3。微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第14頁溫度 普通在1825，但因藻種不一樣其最適溫度有所差異，含有不一樣溫度忍受限，如一些藍(lán)藻可在93下正常生活，而另外一些綠藻則可在冰雪中生長。微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第15頁微藻異養(yǎng)培養(yǎng)微藻在無光照條件下，利用外源有機(jī)

8、物包含糖類、蛋白水解物、有機(jī)酸等進(jìn)行生長。異養(yǎng)用培養(yǎng)基普通是在光能自養(yǎng)培養(yǎng)基基礎(chǔ)上添加葡萄糖、乙酸鹽、甘油等有機(jī)碳源，蛋白等有機(jī)氮源等。微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第16頁微藻大規(guī)模異養(yǎng)培養(yǎng)優(yōu)缺點 與光合自養(yǎng)培養(yǎng)相比較，微藻大規(guī)模異養(yǎng)培養(yǎng)含有以下優(yōu)點:微藻生長繁殖速度加緊，藻生物量濃度大大提升。在異養(yǎng)培養(yǎng)時，藻細(xì)胞濃度可到達(dá)或靠近大腸桿菌及酵母濃度。如美國Market企業(yè)異養(yǎng)培養(yǎng)Nitzschia alba以生產(chǎn)EPA時，64h藻體濃度達(dá)4548g/L(Barclay et al, 1994)。Running等人(Running et al,1994)異養(yǎng)培養(yǎng)Chlorella pyreno

9、idosa 以生產(chǎn)維生素C，藻濃度最高可達(dá)100g/L。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第17頁從工業(yè)化角度分析，異養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)更便于生產(chǎn)過程控制以實現(xiàn)純種培養(yǎng)及穩(wěn)定生產(chǎn)。對于食品、高附加值精細(xì)化工產(chǎn)品以及一些屬于醫(yī)藥授權(quán)范圍內(nèi)產(chǎn)品（包含藻類基因工程產(chǎn)品），其生產(chǎn)必須是封閉式純種培養(yǎng)。在封閉生物反應(yīng)器中進(jìn)行微藻異養(yǎng)培養(yǎng)，不但可實現(xiàn)純種培養(yǎng)而且還可確保生產(chǎn)重復(fù)性和連續(xù)性。 使用異養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)可降低微藻生產(chǎn)成本。采收成本占現(xiàn)在微藻生產(chǎn)總成本百分比高達(dá)33%。高微藻濃度可降低采收困難、降低所需處理藻液體積，從而有效地降低采收成本及微藻生產(chǎn)總成本。 微藻異養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù)同異養(yǎng)微生物培養(yǎng)技術(shù)極為相同，因而可借鑒

10、微生物培養(yǎng)中成熟技術(shù)及設(shè)備，來實現(xiàn)微藻大規(guī)模異養(yǎng)培養(yǎng)，這將大大加緊微藻及其產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第18頁微藻異養(yǎng)培養(yǎng)在含有上述優(yōu)點同時也含有幾個缺點 :已知可異養(yǎng)培養(yǎng)微藻種類較少； 易被細(xì)菌污染 ； 低濃度水溶性有機(jī)物對微藻生長產(chǎn)生抑制作用； 不能生產(chǎn)光誘導(dǎo)物（如色素等） 可經(jīng)過廣泛藻種篩選克服第一個缺點；用混合營養(yǎng)培養(yǎng)（即異養(yǎng)培養(yǎng)時加光照）和異養(yǎng)-光自養(yǎng)串聯(lián)培養(yǎng)可個別克服第四個缺點。 由上可見微藻異養(yǎng)含有顯著優(yōu)勢，其大規(guī)模培養(yǎng)中存在問題，可借用生化工程領(lǐng)域中較為成熟微生物培養(yǎng)技術(shù)來處理。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第19頁混合營養(yǎng)（兼養(yǎng)）培養(yǎng)：微藻在有光照條件下

11、，既利用CO2進(jìn)行光合作用又利用外源有機(jī)物生長。 異養(yǎng)-光自養(yǎng)串聯(lián)培養(yǎng)：微藻先進(jìn)行異養(yǎng)培養(yǎng)，然后進(jìn)行光自養(yǎng)培養(yǎng)以提升藻細(xì)胞品質(zhì)。微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第20頁微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng) 微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)有開放式、半封閉式與封閉式等幾個方式，培養(yǎng)系統(tǒng)包含天然湖泊、敞開式跑道池、管道式或平板式等形式光生物反應(yīng)器。普通采取機(jī)械、鼓泡或氣升循環(huán)等攪拌方式。 敞開式跑道池培養(yǎng)系統(tǒng) 封閉式光生物反應(yīng)器生產(chǎn)系統(tǒng) 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第21頁藻種分離純化1. 微藻藻種分離 從天然水域利用一定方法，將微藻篩選分離出來，取得單種培養(yǎng)。1.1 藻種采樣（1）采集所需要分離藻種水樣，個體較大浮游藻類，利用浮游

12、生物網(wǎng)在水中撈?。唬?）個體較小種類，經(jīng)過超濾、離心等方法處理；（3）應(yīng)注意采集海岸上留存下來小水洼；（4）分離底棲硅藻，可刮取潮間帶“油泥”，加海水?dāng)嚢韬?，棄去泥沙后用篩絹濾去大型藻類和雜質(zhì)。微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第22頁1.2 預(yù)備培養(yǎng)（1）培養(yǎng)液：依據(jù)所需分離藻類，配制不一樣培養(yǎng)液。預(yù)培養(yǎng)營養(yǎng)鹽濃度要低些。對于一些難以培養(yǎng)種類，最好加入土壤浸出液。如藻種類較多，應(yīng)使用幾個不一樣培養(yǎng)液；（2）預(yù)培養(yǎng)容器：250ml三角瓶1.3 分離方法（1）離心法（2）趨向運動法（3）稀釋法（4）平板分離法（5）毛細(xì)吸管法微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第23頁2. 微藻藻種無菌純化 經(jīng)過抗生素抑菌

13、和平板法相結(jié)合進(jìn)行無菌純化。 在弱光下進(jìn)行培養(yǎng)。微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第24頁第三個別 光生物反應(yīng)器微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第25頁一、微藻大規(guī)模光自養(yǎng)培養(yǎng)特點分析 微藻大多為光能自養(yǎng)型生物，與我國生化工程領(lǐng)域過去所研究異養(yǎng)型（普通為好氧）生物大規(guī)模培養(yǎng)相比，微藻大規(guī)模自養(yǎng)培養(yǎng)含有一些新特點。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第26頁 微藻培養(yǎng)用光生物反應(yīng)器，必須要用光照。對于外部光源反應(yīng)器，就要求反應(yīng)器比表面積很大，培養(yǎng)液深度必須盡可能小，不然藻體就得不到充分光照；另外，為了充分利用自然光，反應(yīng)器必須放在戶外，而戶外光照條件隨地域及天氣而改變，因而培養(yǎng)條件基礎(chǔ)上無法控制。對于采取

14、內(nèi)部光源反應(yīng)器，則需要在反應(yīng)器內(nèi)部加上一個復(fù)雜光照系統(tǒng)，藻體易附著在光源上且光源產(chǎn)熱會給溫度控制帶來困難。全部這些問題在常規(guī)生物反應(yīng)器中均不存在。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第27頁從混合角度來看，在微藻培養(yǎng)過程中混合除了含有促進(jìn)氣液傳質(zhì)、液固傳遞、溫度與營養(yǎng)均勻分布、預(yù)防藻細(xì)胞沉降等作用外，還必須使藻細(xì)胞在與光反應(yīng)器表面垂直這個方向上要能充分混合，不然因為在藻液中存在著嚴(yán)重光衰減現(xiàn)象，培養(yǎng)液中藻細(xì)胞受光就不均勻。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第28頁從氣液傳質(zhì)角度來看，在微藻自養(yǎng)培養(yǎng)過程中，必須供給大量二氧化碳，即要強(qiáng)化二氧化碳吸收過程；同時又要將藻細(xì)胞產(chǎn)生大量氧氣從培養(yǎng)液中排出來，即

15、要強(qiáng)化氧解析過程。而在好氧生物培養(yǎng)過程中，要向培養(yǎng)液中供給大量氧氣，即要強(qiáng)化氧吸收過程；同時要將好氧生物產(chǎn)生二氧化碳從培養(yǎng)液中排出，即要強(qiáng)化二氧化碳解析過程。由此可見，微藻培養(yǎng)過程中氧和二氧化碳傳遞方向與常規(guī)好氧生物培養(yǎng)過程恰好相反。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第29頁從培養(yǎng)液性質(zhì)來看，好氧生物培養(yǎng)基大多用淡水配制，而微藻（淡水藻例外）培養(yǎng)基多用海水配制。因為二氧化碳和氧在海水及淡水中溶解度差異很大，且培養(yǎng)液中藻細(xì)胞較低，因而微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中氣液傳質(zhì)過程將出現(xiàn)許多新問題；另外，海水對普通材料含有腐蝕性，因而所用設(shè)備在材料選擇上又會碰到新問題。微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第30頁 盡管微藻自

16、養(yǎng)培養(yǎng)過程會出現(xiàn)上述新特點，但其中所包括到基礎(chǔ)問題仍同好氧生物培養(yǎng)過程相同，如傳遞問題、流體力學(xué)問題、在線檢測與自動控制問題、培養(yǎng)動力學(xué)問題、過程優(yōu)化放大問題等。 由上可見，借鑒我國生化工程已經(jīng)有知識和方法，來處理微藻大規(guī)模自養(yǎng)培養(yǎng)問題將是一條捷徑。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第31頁二、敞開式和封閉式光生物反應(yīng)器 微藻主要是光能自養(yǎng)生物，它是經(jīng)過光合作用來生長。微藻培養(yǎng)必須在光生物反應(yīng)器中進(jìn)行，該反應(yīng)器要能提供以下條件：（1）適當(dāng)光照強(qiáng)度；（2）適當(dāng)溫度；（3）適當(dāng)無機(jī)碳源及其它營養(yǎng)物質(zhì)；（4）適當(dāng)pH值；（5）適當(dāng)混合；（6）適當(dāng)氧解析；（7）防止污染。 微藻自養(yǎng)培養(yǎng)用反應(yīng)器有兩大類：

17、一類是敞開式反應(yīng)器，另一類是封閉式光生物反應(yīng)器。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第32頁1. 敞開式反應(yīng)器 在敞開式反應(yīng)器中，經(jīng)典且最常見是敞開式跑道池，它是最古老藻類培養(yǎng)反應(yīng)器，且一直沿用至今。當(dāng)前微藻大規(guī)模培養(yǎng)主要使用這種反應(yīng)器，這類反應(yīng)器每個可大到幾千平方米。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第33頁敞開式反應(yīng)器優(yōu)點 敞開式跑道池反應(yīng)器是國外于60年代設(shè)計出來，至今改變較小。改變之處主要有兩點：對其混合系統(tǒng)進(jìn)行過一些改進(jìn)(Laws et al, 1986)；利用傳感器和計算機(jī)實現(xiàn)過程參數(shù)在線檢測和工藝優(yōu)化。這類反應(yīng)器優(yōu)點是成本低、建造輕易、操作方便。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第34頁

18、敞開式反應(yīng)器缺點 培養(yǎng)效率低。培養(yǎng)液中藻體濃度很低（普通約為0.1g/L），使得培養(yǎng)液體積尤其龐大，這不但使培養(yǎng)基成本及操作費用增大，而且會給藻體采收帶來很大困難；另外，因藻液深度約為2030cm，因而反應(yīng)器占地面積大。培養(yǎng)條件無法控制。這是造成培養(yǎng)效率低主要原因之一；另外，因為培養(yǎng)條件無法控制，使微藻代謝產(chǎn)物無法大量積累，因代謝產(chǎn)物往往要靠外界條件誘導(dǎo)才可大量積累。易污染。污染源于雜藻、水生動物、空氣中飄浮物等。這種污染不但使得培養(yǎng)過程不穩(wěn)定（甚至徹底失?。?，而且致使用這種反應(yīng)器生產(chǎn)出來產(chǎn)品也難以符合衛(wèi)生和安全要求，因而不易被消費者接收。微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第35頁敞開式反應(yīng)器缺點雨水會使培養(yǎng)基稀釋，甚至造成培養(yǎng)基溢出反應(yīng)器，造成浪費，造成環(huán)境污染。反應(yīng)器中水分蒸發(fā)量大，使培養(yǎng)基濃度逐步增大，致使培養(yǎng)過程不穩(wěn)定。生產(chǎn)期短，生產(chǎn)受地域及季節(jié)等自然條件限制（如北方冬天不能生產(chǎn)）。 微藻培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器分析解析第36頁 敞開式反應(yīng)器缺點非常顯著，已嚴(yán)重地制約了微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 而且決定了這類反應(yīng)器只能用于生長條件比較苛刻（如鹽度、pH很高），且附加值較低微藻產(chǎn)品生產(chǎn)，而大多數(shù)微藻生長條件較溫和，因而培養(yǎng)微藻品種極為有限。所以當(dāng)前敞開式反應(yīng)器技術(shù)已無法滿足微藻生物技術(shù)蓬勃發(fā)展需要，因而大家將希望寄托于新型藻類培養(yǎng)反應(yīng)器封閉式光生物反應(yīng)器。 微藻培養(yǎng)與光