一種用于微藻培養(yǎng)的新型板式光生物反應(yīng)器

張慶華，顏成虎，薛升長(zhǎng)，吳霞，王智慧，叢威

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一種用于微藻培養(yǎng)的新型板式光生物反應(yīng)器

張慶華，顏成虎，薛升長(zhǎng)，吳霞，王智慧，叢威

中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

張慶華, 顏成虎, 薛升長(zhǎng), 等. 一種用于微藻培養(yǎng)的新型板式光生物反應(yīng)器. 生物工程學(xué)報(bào), 2015, 31(2): 251–257.Zhang QH, Yan CH, Xue SZ, et al. A novel flat plate photobioreactor for microalgae cultivation. Chin J Biotech, 2015, 31(2): 251–257.

微藻的閃光效應(yīng)可以大幅提高微藻的光效率，提高微藻產(chǎn)量。通過(guò)在傳統(tǒng)的板式光生物反應(yīng)器中加入斜擋板以增強(qiáng)微藻的閃光效應(yīng)。以小球藻為模型藻種，考察了新型板式光生物反應(yīng)器內(nèi)不同光強(qiáng)和不同進(jìn)口流速對(duì)小球藻生長(zhǎng)速率和光效率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)口流速為0.16 m/s時(shí)，隨著光強(qiáng)的提高，小球藻的細(xì)胞濃度逐漸增加，光效率逐漸降低；在500 μmol/(m2?s)的光強(qiáng)條件下，小球藻細(xì)胞濃度和光效率均隨著進(jìn)口流速的提高而增加。新型板式光生物反應(yīng)器內(nèi)小球藻的細(xì)胞濃度比傳統(tǒng)板式光生物反應(yīng)器提高了39.23%，表明在傳統(tǒng)板式光生物反應(yīng)器內(nèi)加入斜擋板可有效增強(qiáng)微藻的閃光效應(yīng)。

微藻，板式光生物反應(yīng)器，光強(qiáng)，進(jìn)口流速，光效率

微藻細(xì)胞富含氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素、不飽和脂肪酸等多種高附加值的生物物質(zhì)，已經(jīng)成為人類食品、醫(yī)藥、染料、精細(xì)化工領(lǐng)域的重要材料來(lái)源。隨著石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，基于生物質(zhì)的生物煉制引起了人們的高度重視。微藻能夠提供大量的生物質(zhì) (油脂、淀粉、纖維素)，在生物煉制領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-5]，是一種重要的可再生能源。

光生物反應(yīng)器是微藻大規(guī)模培養(yǎng)的核心，目前主要有開放式培養(yǎng)和封閉式培養(yǎng)兩種方式。開放式培養(yǎng)是開發(fā)最早、應(yīng)用最為普遍的一種方式，目前世界各國(guó)、特別是中國(guó)仍然將其作為微藻工業(yè)化培養(yǎng)的主要方式。相比于開放式培養(yǎng)，封閉式培養(yǎng)條件穩(wěn)定，培養(yǎng)密度高，藻的生長(zhǎng)速度快，生產(chǎn)周期短，缺點(diǎn)是投資成本高[6]。為了克服封閉式培養(yǎng)成本高的缺陷，一方面需要降低培養(yǎng)所需的材料、能耗成本；另一方面需要大幅度提高產(chǎn)率。雖然封閉式培養(yǎng)的產(chǎn)率要高于開放式培養(yǎng)，但是微藻的光能利用率(光效率) 還很低。設(shè)法提高微藻細(xì)胞對(duì)光能的利用率是提高產(chǎn)率、降低成本的重要途徑。

微藻的光合作用過(guò)程可分為兩個(gè)階段，稱為光反應(yīng)和暗反應(yīng)。在光反應(yīng)階段，藻細(xì)胞接受光量子并轉(zhuǎn)換為化學(xué)能；在暗反應(yīng)階段，藻細(xì)胞利用化學(xué)能合成細(xì)胞組分。在暗反應(yīng)階段，藻細(xì)胞不需要光照甚至光照反而有害。因此，對(duì)單個(gè)藻細(xì)胞而言，持續(xù)的光照意味著光量子的浪費(fèi)。在規(guī)模培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器內(nèi)以及通常的細(xì)胞密度下，光線在培養(yǎng)液內(nèi)傳播時(shí)會(huì)迅速衰減，光的穿透距離為幾毫米，在高細(xì)胞密度下只有1 mm左右。因此，光生物反應(yīng)器內(nèi)事實(shí)上可分為靠近光照面內(nèi)壁面的光區(qū)與之外的暗區(qū)兩部分。如果藻細(xì)胞以特定頻率在光生物反應(yīng)器的光區(qū)與暗區(qū)頻繁置換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“閃光效應(yīng)”，光能的利用率會(huì)得到很大提高[7-13]。文獻(xiàn)中針對(duì)封閉式光生物反應(yīng)器內(nèi)微藻閃光效應(yīng)的報(bào)道多為管式[14-15]和氣升板式[16-17]兩種，對(duì)于泵驅(qū)動(dòng)水平放置板式光生物反應(yīng)器的閃光效應(yīng)鮮有報(bào)道。本文通過(guò)在傳統(tǒng)的泵驅(qū)動(dòng)水平放置板式光生物反應(yīng)器中加入斜擋板，使流體在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)時(shí)形成螺旋運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)微藻的閃光效應(yīng)。以小球藻為模型藻種，考察了新型板式光生物反應(yīng)器內(nèi)不同光強(qiáng)和進(jìn)口流速對(duì)小球藻生物產(chǎn)量的影響。

1 材料與方法

1.1 新型光生物反應(yīng)器單流道結(jié)構(gòu)

新型光生物反應(yīng)器單流道的結(jié)構(gòu)如圖1所示。擋板在光照面和無(wú)光面上交錯(cuò)設(shè)置，當(dāng)培養(yǎng)液在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)時(shí)，會(huì)形成近似的螺旋運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)微藻的閃光效應(yīng)。

圖1 新型板式光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

1.2 藻種和培養(yǎng)基

實(shí)驗(yàn)藻種為中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所提供的淡水小球藻。使用BG11培養(yǎng)基，組成為：NaNO31.5 g/L, K2HPO40.04 g/L, MgSO4·7H2O 0.075 g/L，檸檬酸0.006 g/L，檸檬酸鐵銨0.006 g/L, Na2EDTA 0.001 g/L，CaCl20.027 2 g/L，Na2CO30.02 g/L，H3BO30.002 86 g/L，MnCl2·4H2O 0.001 81 g/L，ZnSO4·7H2O 0.000 22 g/L，Na2MoO4·2H2O0.000 39 g/L, CuSO4·5H2O 0.000 08 g/L, CoCl2·6H2O 0.000 04 g/L。

1.3 方法

實(shí)驗(yàn)用的新型光生物反應(yīng)器由圖1所示的10個(gè)流道串聯(lián)組成，整個(gè)反應(yīng)器的長(zhǎng)、寬、高分別為1.0 m，0.55 m和0.025 m。斜擋板長(zhǎng)為0.064 m，高為0.005 m，厚為0.002 m，與流體流動(dòng)方向成45°角。光源由一特制LED光源板提供，光強(qiáng)可調(diào)，培養(yǎng)過(guò)程中持續(xù)光照。培養(yǎng)液由蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出口處流出的培養(yǎng)液經(jīng)料液桶后再次循環(huán)到反應(yīng)器入口，培養(yǎng)液總體積18 L。溫度由恒溫水浴進(jìn)行控制((26±0.5) ℃)，通過(guò)pH控制儀控制二氧化碳?xì)怏w的通入，以維持培養(yǎng)液pH值恒定。用于對(duì)照的傳統(tǒng)板式光生物反應(yīng)器尺寸與新型光生物反應(yīng)器相同，反應(yīng)器內(nèi)無(wú)斜擋板。

1.4 分析方法

1.4.1 光強(qiáng)測(cè)定

光強(qiáng)通過(guò)光合有效輻射光量子計(jì) (波長(zhǎng)范圍400?700 nm，英國(guó)Hansatech儀器公司) 測(cè)定。

1.4.2 干重曲線

取某一濃度的小球藻溶液，稀釋成5種不同濃度，然后經(jīng)過(guò)離心、洗滌、干燥、稱重，獲得藻細(xì)胞濃度與吸光度之間的關(guān)系。

= 0.29680+ 0.005,2=0.999 (1)

其中，為藻細(xì)胞濃度 (g/L)，680為 680 nm波長(zhǎng)下的吸光度。

1.4.3 光效率

培養(yǎng)過(guò)程中的光效率 (Light efficiency,) 的計(jì)算公式如下：

其中，1、2分別為1、2(s) 時(shí)刻的藻細(xì)胞濃度 (g/L)；G為生物質(zhì)熱焓 (kJ/g)，小球藻的G為23.587 kJ/g；in為培養(yǎng)過(guò)程單位體積光能輸入 (W/m3)。本文的數(shù)值為整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 新型板式光生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)板式比較

小球藻在新型板式光生物反應(yīng)器和傳統(tǒng)板式光生物反應(yīng)器內(nèi)的對(duì)照培養(yǎng)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，小球藻在新型板式光生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)7 d的細(xì)胞濃度可達(dá)到2.91 g/L，而傳統(tǒng)板式光生物反應(yīng)器內(nèi)小球藻的細(xì)胞濃度只有2.09 g/L，新型板式光生物反應(yīng)器內(nèi)小球藻的細(xì)胞濃度比傳統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)的提高了39.23%。分析原因主要有兩個(gè)方面：一方面，斜擋板的加入使板式反應(yīng)器內(nèi)的湍流強(qiáng)度增加，促進(jìn)了培養(yǎng)液中的氣液交換；另一方面，通過(guò)進(jìn)行新型和傳統(tǒng)板式光生物反應(yīng)器內(nèi)光效率計(jì)算發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)光生物反應(yīng)器內(nèi)的平均光效率為2.29%，而新型板式光生物反應(yīng)器內(nèi)的光效率為3.38%，光效率比傳統(tǒng)反應(yīng)器提高了47.6%，這可能是導(dǎo)致小球藻細(xì)胞濃度大幅提高的主要原因。

圖2 加入斜擋板前后小球藻細(xì)胞濃度對(duì)比

2.2 光強(qiáng)對(duì)小球藻細(xì)胞濃度和光效率的影響

光強(qiáng)是影響微藻生長(zhǎng)快慢的重要因素之一。在流速為0.16 m/s的狀況下，考察了3個(gè)不同光照強(qiáng)度 (200 μmol/(m2?s)，500 μmol/(m2?s)， 1 000 μmol/(m2?s)) 下小球藻的生長(zhǎng)狀況，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在實(shí)驗(yàn)考察范圍內(nèi)，隨著光強(qiáng)的增加，小球藻的生物量逐漸增加。歐陽(yáng)崢嶸等[18]利用測(cè)定凈光合放氧速率的方法研究了光照強(qiáng)度對(duì)小球藻光合作用的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在100?1 400 μmol/(m2?s)光強(qiáng)范圍內(nèi)，小球藻的凈光合放氧速率隨光強(qiáng)的增加而增加，即光強(qiáng)越高，小球藻生長(zhǎng)越快，這與本文的結(jié)果相一致。圖4考察了光強(qiáng)對(duì)小球藻光效率的影響，從圖中可以看出，光效率隨著光強(qiáng)的提高逐漸降低。

2.3 進(jìn)口速度對(duì)小球藻細(xì)胞濃度和光效率的影響

反應(yīng)器的進(jìn)口速度也是影響微藻生長(zhǎng)狀態(tài)的因素之一。Muller-Feuga等[19]研究了入口流速對(duì)紫球藻面積產(chǎn)率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)入口流速?gòu)?.1 m/s增加到0.2 m/s時(shí)，紫球藻的面積產(chǎn)率提高了7%。但是，當(dāng)流速達(dá)到0.45 m/s時(shí)，紫球藻的面積產(chǎn)率反而降低了9%。這主要是因?yàn)檫^(guò)高的流速帶來(lái)的高剪切會(huì)破壞藻細(xì)胞。Carvalho 等[20]通過(guò)研究也發(fā)現(xiàn)過(guò)高的混合速率引起的剪切會(huì)損害藻細(xì)胞的活性，影響藻細(xì)胞的正常生長(zhǎng)。因此，在進(jìn)行微藻培養(yǎng)過(guò)程中應(yīng)選用適宜的進(jìn)口流速。本文考察了光強(qiáng)為500 μmol/(m2?s)時(shí)3個(gè)不同進(jìn)口速度 (0.13、0.16、0.21 m/s) 對(duì)小球藻生長(zhǎng)和光效率的影響，結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖中可以看出，隨著進(jìn)口流速的增加，小球藻的細(xì)胞濃度和光效率逐漸增加。小球藻在反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)7 d時(shí)，進(jìn)口流速為0.21 m/s的小球藻細(xì)胞濃度比進(jìn)口流速為0.13 m/s時(shí)小球藻的細(xì)胞濃度高34.98%。這主要是因?yàn)楫?dāng)光強(qiáng)相同時(shí)，影響微藻生長(zhǎng)快慢的主要因素是光暗頻率的高低，光暗頻率越高，微藻的生長(zhǎng)速度越快[7,21]。

圖3 光強(qiáng)對(duì)小球藻細(xì)胞濃度的影響

圖4 光強(qiáng)對(duì)光效率的影響

圖5 進(jìn)口流速對(duì)小球藻細(xì)胞濃度的影響

圖6 進(jìn)口流速對(duì)光效率的影響

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)微藻閃光效應(yīng)的板式光生物反應(yīng)器，并以小球藻為模型藻種，考察了不同光強(qiáng)和進(jìn)口速度對(duì)小球藻細(xì)胞濃度和光效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，新型板式光生物反應(yīng)器內(nèi)小球藻的細(xì)胞濃度比傳統(tǒng)板式光生物反應(yīng)器提高了39.23%。在實(shí)驗(yàn)考察范圍內(nèi)，隨著光強(qiáng)和進(jìn)口流速的提高，小球藻的細(xì)胞濃度均增加。光效率隨光強(qiáng)的提高而降低，隨進(jìn)口流速的提高而增加。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，沙漠和海洋是我國(guó)發(fā)展微藻產(chǎn)業(yè)的理想地點(diǎn)。與管式、氣升板式和傳統(tǒng)泵驅(qū)動(dòng)板式光生物反應(yīng)器相比，新型板式光生物反應(yīng)器能充分利用微藻的閃光效應(yīng)，提高微藻產(chǎn)量，且易于放大。因此，新型板式光生物反應(yīng)器具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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(本文責(zé)編 陳宏宇)

A novel flat plate photobioreactor for microalgae cultivation

Qinghua Zhang, Chenghu Yan, Shengzhang Xue, Xia Wu, Zhihui Wang, and Wei Cong

,,,100190,

Flashing light effect on microalgae could significantly improve the light efficiency and biomass productivity of microalgae. In this paper, the baffles were introduced into the traditional flat plate photobioreactor so as to enhance the flashing light effect of microalgae. Makingsp. as the model microalgae, the effect of light intensity and inlet velocity on the biomass concentration ofsp. and light efficiency were evaluated. The results showed that, when the inlet velocity was 0.16 m/s, with the increase of light intensity, the cell dry weight ofsp. increased and light efficiency decreased. With increasing the inlet velocity, the cell dry weight ofsp. and light efficiency both increased under the condition of 500 μmol/(m2?s) light intensity. The cell dry weight ofsp. cultivated in the novel flat plate photobioreactor was 39.23% higher than that of the traditional one, which showed that the flashing light effect of microalgae could be improved in the flat plate photobioreactor with inclined baffles built-in.

microalgae, flat plate photobioreactor, light intensity, inlet velocity, light efficiency

April 23, 2014; Accepted: June 9, 2014

Qinghua Zhang. Tel: +86-10-82627074; Fax: +86-10-82627066; E-mail: qhzhang@.ipe.ac.cn

Supported by: Key Projects in the National Science and Technology Pillar Program during the Twelfth Five-Year Plan Period (No. 2011BAD14B02), National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No. 2013AA065801).

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃 (No. 2011BAD14B02)，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃) (No. 2013AA065801) 資助。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-07-10

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13345/j.cjb.140233.html