反應(yīng)器培養(yǎng)眼點(diǎn)擬微綠球藻時擺向、光程對產(chǎn)量的影響

耿金峰，張惠敏，石 蕾，馬欣欣，陳彥平，劉敏勝

( 新奧科技發(fā)展有限公司 煤基低碳能源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065001 )

反應(yīng)器培養(yǎng)眼點(diǎn)擬微綠球藻時擺向、光程對產(chǎn)量的影響

耿金峰，張惠敏，石 蕾，馬欣欣，陳彥平，劉敏勝

( 新奧科技發(fā)展有限公司 煤基低碳能源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065001 )

在內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗地區(qū)(N 40°，E 110°)戶外自然條件下利用板式反應(yīng)器培養(yǎng)眼點(diǎn)擬微綠球藻并進(jìn)行產(chǎn)量研究。通過對9、11、13、17 cm光程反應(yīng)器對比，確定13 cm光程反應(yīng)器養(yǎng)殖產(chǎn)量最高，并在存在反應(yīng)器間距的情況下，得到13 cm光程反應(yīng)器南北擺放時單位占地面積產(chǎn)量要高于反應(yīng)器東西擺放時單位占地面積產(chǎn)量，從6月到8月分別高16.3%、8.7%和3.0%。同時本研究給出可根據(jù)養(yǎng)殖當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢?，預(yù)測反應(yīng)器的擺放方向以及反應(yīng)器間距等參數(shù)設(shè)置的方法，以獲得養(yǎng)殖產(chǎn)量的最大值。

眼點(diǎn)擬微綠球藻；板式反應(yīng)器；產(chǎn)量

海洋微藻是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最主要的初級生產(chǎn)者，也是海洋生物資源的重要來源。許多海洋微藻富含對人體有重要生理作用與保健功能的長鏈多不飽和脂肪酸，同時藻類是地球上通過光合作用合成物質(zhì)量最多的生物，其合成的物質(zhì)量約占全部光合作用合成生物量的1/3。藻類的用途廣泛，主要用途有保健食品、水產(chǎn)品飼料和動物飼料[1-3]。

隨著人們對微藻的深入認(rèn)識，越來越多的大眾認(rèn)可富含多種營養(yǎng)成分的微藻產(chǎn)品，越來越多的人開始食用，微藻產(chǎn)品的市場需求越來越大。目前微藻的規(guī)?；a(chǎn)以開放式的跑道池形式為主，其養(yǎng)殖工藝產(chǎn)量較低，一般在5～10 g/(m2·d)。因此，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注并研究如何提升微藻的產(chǎn)量。其中板式反應(yīng)器由于具有良好的外分光和內(nèi)分光功能，對產(chǎn)量提高具有明顯的作用[4]，并在戶外較易實(shí)現(xiàn)而被諸多學(xué)者所研究。例如2001年Wu等[5]，在室內(nèi)人工15 000 lx光照度下，利用板式反應(yīng)器養(yǎng)殖微綠球藻(Nannochlorissp.)，其產(chǎn)量可達(dá)10～14 g/(m2·d)；胡強(qiáng)等[6]對1 mm光程反應(yīng)器養(yǎng)殖進(jìn)行研究，其產(chǎn)量可達(dá)23.1 g/(m2·d)(光面積產(chǎn)量)；2001年Zhang等[7]在日本的北方地區(qū)，夏季利用1.5 cm板式反應(yīng)器培養(yǎng)集胞藻(Synechocystissp.)，在試驗(yàn)條件下，控溫，占地面積產(chǎn)量可達(dá)39.0 g/(m2·d)；2003年，許波等[8]利用10 cm光程玻璃板式反應(yīng)器在戶外自然條件下養(yǎng)殖淡水微藻，在控溫的情況下其單位面積產(chǎn)量為34.7 g/(m2·d)。板式反應(yīng)器養(yǎng)殖微藻具有高產(chǎn)的潛力，但大部分的研究結(jié)果都是在室內(nèi)條件或室外控溫的情況下完成的，所得產(chǎn)量雖高，但在大規(guī)模生產(chǎn)中控溫還是較難實(shí)現(xiàn)。因此使用成本較低的絲網(wǎng)板式反應(yīng)器如何在戶外自然條件下，利用反應(yīng)器光程及擺向形式來實(shí)現(xiàn)微藻高產(chǎn)是本研究的重點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 藻種與培養(yǎng)

試驗(yàn)所用眼點(diǎn)擬微綠球藻(N.oculata)，由ENN生物質(zhì)能源技術(shù)中心藻種質(zhì)庫提供。所有試驗(yàn)培養(yǎng)基均采用f/2海水培養(yǎng)基[9]，鹽度33±1。試驗(yàn)采用連續(xù)培養(yǎng)的方式進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 接種密度

各試驗(yàn)組的接種細(xì)胞為0.4～0.6 g/L，主要以各試驗(yàn)組單位占地面積具有相同的生物質(zhì)量為原則。

1.2.2 試驗(yàn)用反應(yīng)器規(guī)格

1.5 m×0.09 m×1 m；1.5 m×0.11 m×1 m；1.5 m×0.13 m×1 m；1.5 m×0.17 m×1 m；其中反應(yīng)器寬度即反應(yīng)器光程；反應(yīng)器形式為絲網(wǎng)反應(yīng)器框架，內(nèi)襯塑料袋式反應(yīng)器。

1.2.3 反應(yīng)器放置形式

(1)反應(yīng)器兩種擺向形式，試驗(yàn)組1為反應(yīng)器東西擺放(反應(yīng)器受光面朝向南北方向)；試驗(yàn)組2為反應(yīng)器南北擺放(反應(yīng)器受光面朝向東西方向)；每個試驗(yàn)組均為3個平行；

(2)反應(yīng)器之間的中心距離為0.8 m；

(3)試驗(yàn)組反應(yīng)器的四周同樣放置相同材質(zhì)的反應(yīng)器(光程為13 cm)，用于模擬規(guī)?；B(yǎng)殖情況時，其他反應(yīng)器在接受光能時相互之間的影響。

1.3 生物量的測定[10]

取一定體積(V)的藻液進(jìn)行抽濾，將藻細(xì)胞截留在濾膜(恒定質(zhì)量，m0)上，并用等體積蒸餾水懸浮藻細(xì)胞3次，最后將濾膜于105 ℃的烘箱烘干至恒定質(zhì)量，冷卻后稱量質(zhì)量(m1)。

細(xì)胞質(zhì)量濃度/g·L-1=(m1-m0)/V

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)理論分析依據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)所在地的緯度，通過對試驗(yàn)期間的太陽高度角及方位角，計算1 m高的反應(yīng)器東西擺放、受光面面朝南北時的南北方向影長，以及反應(yīng)器南北擺放、受光面面朝東西時的東西方向影長。根據(jù)反應(yīng)器影響的變化情況，推測反應(yīng)器之間受太陽光照射的區(qū)域面積，進(jìn)而推算出反應(yīng)器接受光能情況。

太陽高度角的計算：

sinh=sinδ×sinφ+cosδ×cosφ×cosH

太陽方位角的計算：

cosA= (sinh×sinφ-sinδ)/cosh×cosφ

試驗(yàn)地點(diǎn)南北方向單位長度的影長計算：

L=ctgh×cosA

試驗(yàn)地點(diǎn)東西方向單位長度的影長計算：

L=ctgh×sinA

式中，h為太陽高度角；H為太陽時角；δ為太陽赤緯；φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋怀嗑暒?23.45×sin(360×(284+n)/365)，其中n為第幾日，也稱積日數(shù)；太陽時角H= 15°×偏離正午小時數(shù)，由12:00至24:00為正。

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)器擺向不同對各試驗(yàn)組藻液溫度的影響

2.1.1 反應(yīng)器東西擺放(面朝南北)時不同光程對藻液溫度影響

試驗(yàn)全過程中，環(huán)境溫度最高為35 ℃，16:00時各反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到當(dāng)日最高值，9 cm光程反應(yīng)器內(nèi)液體溫度達(dá)到41 ℃，11 cm光程反應(yīng)器內(nèi)藻液溫度達(dá)到39 ℃，13 cm光程反應(yīng)器內(nèi)藻液溫度達(dá)到38 ℃，而17 cm光程反應(yīng)器也達(dá)到了37 ℃(圖1)。短光程反應(yīng)器內(nèi)藻液溫度高是由于其體積量小，水的熱容量小，導(dǎo)致短光程內(nèi)液體溫度高。

并通過對試驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)的分析，對不同光程內(nèi)藻液溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行直線回歸擬合，得到反應(yīng)器東西擺放面朝南北時，不同光程反應(yīng)器內(nèi)藻液溫度與環(huán)境溫度關(guān)系式見圖2。9 cm光程為y=1.4637x-13.1310；11 cm光程為y=1.2992x-9.4430；13 cm光程為y=1.1065x-4.4965；17 cm光程為y=1.0382x-2.5424；經(jīng)推測當(dāng)環(huán)境溫度為35 ℃時，9 cm和11 cm光程反應(yīng)器內(nèi)藻液溫度超過35 ℃，而13 cm和17 cm光程反應(yīng)器內(nèi)藻液溫度預(yù)計為34 ℃，雖然公式得到的不同光程反應(yīng)器內(nèi)的藻液溫度與實(shí)際測定藻液溫度存在略微的誤差，但該公式可作為當(dāng)?shù)貧夂驐l件下利用反應(yīng)器養(yǎng)殖藻液過程藻液溫度的預(yù)測，尤其是對最高溫度的預(yù)測，有利于根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境選擇適宜的藻種及反應(yīng)器光程，使微藻養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)到最大值。

圖1 反應(yīng)器東西擺放時各組藻液溫度變化情況

圖2 反應(yīng)器東西擺放時藻液溫度與環(huán)境溫度關(guān)系

2.1.2 反應(yīng)器南北擺放(面朝東西)時不同光程對藻液溫度影響

試驗(yàn)全過程中，當(dāng)環(huán)境溫度最高為35 ℃，17:00時各反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到當(dāng)日最高值，其中9 cm光程反應(yīng)器內(nèi)液體溫度達(dá)到41 ℃，11 cm光程反應(yīng)器內(nèi)藻液溫度達(dá)到39 ℃，13 cm光程反應(yīng)器內(nèi)藻液溫度達(dá)到38 ℃，而17 cm光程反應(yīng)器也達(dá)到了37 ℃(圖3)。

通過對本次試驗(yàn)內(nèi)最高溫度時段數(shù)據(jù)分析，對不同光程試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直線回歸擬合，不同光程反應(yīng)器內(nèi)藻液溫度與環(huán)境溫度關(guān)系式見圖4。9 cm光程為y=1.5193x-12.3880；11 cm光程為y=1.5272x-13.8050；13 cm光程為y=1.3916x-10.7670；17 cm光程為y=1.2090x-5.3820；經(jīng)推測當(dāng)環(huán)境溫度為35 ℃時，9、11、13、17 cm光程反應(yīng)器內(nèi)藻液溫度將超過35 ℃，甚至9 cm光程反應(yīng)器內(nèi)藻液溫度將達(dá)到或超過40 ℃。推測數(shù)據(jù)與試驗(yàn)實(shí)際測量數(shù)據(jù)基本一致，該公式可作為反應(yīng)器養(yǎng)殖藻液過程藻液溫度的預(yù)測，尤其是對最高溫度的預(yù)測，有利于根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境選擇適宜的藻種及反應(yīng)器光程。

圖3 反應(yīng)器南北擺放時各組藻液溫度變化情況

圖4 反應(yīng)器南北擺放時藻液溫度與環(huán)境溫度關(guān)系

2.1.3 反應(yīng)器不同擺向方向?qū)υ逡簻囟扔绊憣Ρ?/p>

試驗(yàn)過程中，環(huán)境溫度最高達(dá)到35 ℃，最高溫度出現(xiàn)在16:00—18:00。在高光照、高溫條件下，反應(yīng)器不論是南北擺放(面朝東西)還是東西擺放(面朝南北)，藻液最高溫度均能達(dá)到較高水平，而其擺放方向?qū)υ逡哼_(dá)到最高溫度幾乎無影響(表1)，9 cm光程內(nèi)藻液溫度均能達(dá)到40 ℃的高溫，其他光程同樣也是，但東西擺放時藻液溫度達(dá)到最高值以及維持的時間要比南北擺放時所維持的時間短，本試驗(yàn)中17 cm光程反應(yīng)器內(nèi)藻液溫度最低，不論擺放方向如何，藻液溫度最高達(dá)到37 ℃。

表1 不同季節(jié)不同光程反應(yīng)器內(nèi)藻液最高溫度情況 ℃

2.2 反應(yīng)器不同擺向?qū)ρ埸c(diǎn)擬微綠球藻生長的影響

2.2.1 反應(yīng)器東西擺放時不同光程對眼點(diǎn)擬微綠球藻生長的影響

在培養(yǎng)周期內(nèi)，隨著反應(yīng)器光程的增加，其反應(yīng)器內(nèi)的藻細(xì)胞生長速度逐漸降低；由于反應(yīng)器光程改變，藻液體積同時改變，最終單位占地面積產(chǎn)量由9 cm光程至17 cm光程逐漸升高；在6月份自然條件下，試驗(yàn)中4種反應(yīng)器光程養(yǎng)殖微藻的產(chǎn)能隨著反應(yīng)器光程的增加產(chǎn)能也逐漸提高，9 cm光程反應(yīng)器產(chǎn)量為13.0 g/(m2·d)；11 cm光程反應(yīng)器的產(chǎn)量為14.7 g/(m2·d)；13 cm光程反應(yīng)器的產(chǎn)量為15.8 /(m2·d)；17 cm光程反應(yīng)器的產(chǎn)量為15.8 g/(m2·d)(圖5)。

圖5 反應(yīng)器東西9擺放時不同光程對產(chǎn)量的影響

2.2.2 反應(yīng)器南北擺放時不同光程對眼點(diǎn)擬微綠球藻生長的影響

在培養(yǎng)周期內(nèi)，同樣隨著反應(yīng)器光程的增加，其反應(yīng)器內(nèi)的藻細(xì)胞生長速度逐漸降低；由于反應(yīng)器光程改變，藻液體積同時改變，最終單位面積產(chǎn)量隨著光程的增加而逐漸升高，但當(dāng)反應(yīng)器達(dá)到13 cm光程時，反應(yīng)器產(chǎn)量達(dá)到最大值。在6月份自然條件下，9 cm光程反應(yīng)器的產(chǎn)量為13.8 g/(m2·d)；11 cm光程反應(yīng)器的產(chǎn)量為15.9 g/(m2·d)；13 cm光程反應(yīng)器的產(chǎn)量為18.3 g/(m2·d)；17 cm光程反應(yīng)器的產(chǎn)量為16.7 g/(m2·d)(圖6)。

圖6 反應(yīng)器南北擺放時不同光程對產(chǎn)量的影響

2.2.3 反應(yīng)器擺向?qū)ρ埸c(diǎn)擬微綠球藻產(chǎn)量的影響

本研究在當(dāng)?shù)?月到8月進(jìn)行，期間的月平均接收光能情況見圖7。南北擺放時，反應(yīng)器的東西受光面日均接收的光能比東西擺放時反應(yīng)器南北受光面日均接收的光能高15%～40%，導(dǎo)致反應(yīng)器南北擺放時藻細(xì)胞生長快于反應(yīng)器東西擺放時，6月到8月分別高16.3%、8.7%和3.0%(圖8)(以13 cm光程反應(yīng)器為例，其產(chǎn)量最高)。

在6月份光照條件下，反應(yīng)器南北擺放時日均產(chǎn)量為18.3 g/(m2·d)；反應(yīng)器東西擺放時日均產(chǎn)量為15.8 g/(m2·d)。7月份光照條件下，反應(yīng)器南北擺放時日均產(chǎn)量為18.7 g/(m2·d)；反應(yīng)器東西擺放時日均產(chǎn)量為17.2 g/(m2·d)。8月份光照條件下，反應(yīng)器南北擺放時日均產(chǎn)量為18.3 g/(m2·d)；反應(yīng)器東西擺放時日均產(chǎn)量為17.8 g/(m2·d)。

圖7 反應(yīng)器擺放方向不同接收光能情況

圖8 反應(yīng)器擺放方向不同對產(chǎn)量的影響

3 討 論

3.1 理論分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對

反應(yīng)器擺放時有間距，每日間距之間漏掉的光能量總量是可以通過理論分析計算出來的，這可間接推測出反應(yīng)器接收的光能情況。因此反應(yīng)器不論是南北擺放還是東西擺放，其接受能量可以通過理論計算估算出，可為不同月份反應(yīng)器的放置方式提供參照指導(dǎo)。

通過對反應(yīng)器單位占地面積下接受能量總量的推測分析(按反應(yīng)器13 cm光程推算)，反應(yīng)器東西擺放時，由于反應(yīng)器的受光面為面向南北，其反應(yīng)器之間的南北方向的影長對反應(yīng)器受光面的遮擋為考慮的對象，根據(jù)反應(yīng)器南北方向的影長變化情況，推測反應(yīng)器之間的漏光情況，間接的可表示出反應(yīng)器接收能量情況(圖9)。北半球的6月22日為夏至，此時太陽高度角最大，南北方向的影長最小，因此當(dāng)反應(yīng)器間距定值時，6月季節(jié)反應(yīng)器間距之間漏掉的光能最大，6月之前或之后月份，隨著南北方向的影長逐漸變長，反應(yīng)器間距之間漏掉的光能逐漸減少，反應(yīng)器接收光能比例逐漸增加。6月反應(yīng)器接收能量總量比例最低，約為51%；7月反應(yīng)器接收能量總量比例約為61%；8月反應(yīng)器接收能量總量比例約為94%。

圖9 反應(yīng)器東西擺放時接收能量理論計算

圖10 反應(yīng)器南北擺放時接收能量理論計算

反應(yīng)器南北擺放時，由于反應(yīng)器的受光面為面向東西，其反應(yīng)器之間的東西方向影長對反應(yīng)器受光面的遮擋為考慮的對象。根據(jù)反應(yīng)器東西方向的影長變化情況，推測反應(yīng)器之間的漏光情況，間接的可表示出反應(yīng)器接收能量情況(圖10)。在北半球，6月至9月期間，太陽高度角會根據(jù)太陽直射緯度的變化發(fā)生改變，但對東西方向的影長影響很小，因此對反應(yīng)器接收能量的比例影響很小。6月反應(yīng)器接收能量總量比例約為71%；7月反應(yīng)器接收能量總量比例約為73%；8月反應(yīng)器接收能量總量比例約為75%。

這種理論分析規(guī)律及比例數(shù)值與試驗(yàn)過程中實(shí)際測定數(shù)據(jù)基本一致?？筛鶕?jù)每天的地面接收能量情況推測單位占地面積下反應(yīng)器接收能量情況，為反應(yīng)器不同的擺放形式下的能量推測具有極高的使用價值，可快速核算反應(yīng)器能量接收情況，并根據(jù)藻的光轉(zhuǎn)化效率情況，可快速預(yù)測某種藻在某地的某月份產(chǎn)量。為戶外養(yǎng)殖微藻提高產(chǎn)量提供理論指導(dǎo)。

3.2 提高眼點(diǎn)擬微綠球藻產(chǎn)量討論

通過反應(yīng)器養(yǎng)殖微藻可以獲得較高的產(chǎn)量，其中反應(yīng)器養(yǎng)殖過程能量接收總量是關(guān)鍵因素之一，但作為微藻生長必須的生長環(huán)境因素之一的溫度也是必須重點(diǎn)考慮的。由于反應(yīng)器光程增加，養(yǎng)殖總體積量增大，水體的熱容量增大，對藻液的溫度提升會起到一定的限制作用，因此在室外養(yǎng)殖過程，反應(yīng)器在考慮擺放形式以提高接收光能總量的同時還要考慮反應(yīng)器的光程。當(dāng)反應(yīng)器光程選擇過小，反應(yīng)器內(nèi)部藻液溫度會出現(xiàn)高溫情況；當(dāng)反應(yīng)器光程選擇過大，藻細(xì)胞在反應(yīng)器內(nèi)的明暗循環(huán)強(qiáng)度將降低，降低了細(xì)胞的光利用效率，對產(chǎn)量起到負(fù)影響。

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EffectsofReactorOrientationandDifferentLightPathonBiomassProductivityofMicroalgaNannochloropsisoculatainOutdoorMassculture

GENG Jinfeng, ZHANG Huimin, SHI Lei, MA Xinxin, CHEN Yanping, LIU Minsheng

( State Key Laboratory of Coal-based Low Carbon Energy, ENN Science & Development Co., Ltd.,Langfang 065001, China )

Outdoor culture of microalgaNannochloropsisoculatawas studied(Dalad Banner, Nei Mongol Automous Region, 40° N,110° E) by a vertical flat-plate photobioreactor. Comparison of the productivity of the photobioreactors with difference light path (9,10,13 cm and 17 cm), the maximal productivity of the reactor was observed under light-path length of 13 cm. The effect of direction of the bioreactor installation on the areal productivity was studied in the photobioreactor with light-path length of 13 cm during the summer. The period average productivity of the reactor surface facing to the east or west was 3%—14% higher than that facing the south or north. A simulation calculation method was also established to optimize the installation factors (the facing direction and distance between the reactors) according to the region condition, aiming to obtain high productivity.

Nannochloropsisoculata; flat panel reactor; production

10.16378/j.cnki.1003-1111.2016.05.014

S963.213

A

1003-1111(2016)05-0541-06

2015-12-02；

2016-03-24.

國家“973”計劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2012CB723606).

耿金峰(1982—)，男，工程師，碩士；研究方向：微藻生長機(jī)理與規(guī)模化養(yǎng)殖工藝.E-mail：gengjinfeng@enn.cn.通訊作者：劉敏勝(1978—)，男，副研究員，博士；研究方向：微藻生物能源技術(shù). E-mail: liuminsheng@enn.cn.