大规模微藻光生物反应器的研究进展

微藻同时具备CO2固定和有机废水生物净化的双重效果,且微藻生物质在食品、饲(饵)料、生物能源开发等领域受到广泛关注,然而高效的微藻光生物反应器是微藻大规模养殖的重要瓶颈问题之一。本文中,笔者综述了封闭式微藻光生物反应器的类型、基本结构及其优缺点,对开放式微藻光合反应器陆续被改善、研发和试用进行了介绍,同时对开发复合型微藻光合反应器以及采用封闭型微藻光合反应器制种和开放式光合反应器快速生产的微藻养殖模式进行了简述,以期为微藻的大规模培养提供一定参考依据。     

微藻生物柴油研发态势分析

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。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。完整的微藻生物柴油成套技术链涵盖多个技术环节,是一个复杂的系统工程,包括微藻生物工程技术、微藻高效规模化养殖技术,以及微藻生物质采收、加工与转化技术等。其中,降低生产成本是当前微藻生物柴油研究面临的主要挑战,各国的研究机构为此开展了多方面的研究。     

pH对小球藻Chlorella sp. XQ-200419光合作用、生长和产油的影响

以一种生长快、油脂含量高的小球藻(Chlorella sp. XQ-200419)为实验材料, 利用测定净光合放氧速率的方法研究了pH对其光合作用的影响; 使用改良的BG-11培养基在微藻环形培养池模拟系统中进行分批培养, 培养周期为8d, 培养过程中使用 pH控制仪在线监测藻液的pH, 根据pH变化, 自动接通、关闭CO2通气管道, 将藻液pH分别控制在5.06.0, 7.08.0, 8.09.0, 9.010.0, 10.011.0内, 研究pH对生长速率、生物质面积产率、总脂含量和总脂面积产率的影响。主要结果如下: 藻液pH对小球藻Chlorella sp. XQ-200419光合放氧、生长速率、生物质产率、总脂含量和产率都有显著影响, 适宜的pH范围是7.09.0, 在此范围内, 光合放氧、生长速率、生物质产率、总脂含量和产率均保持较高水平, 且pH的影响不显著; pH低于7.0, 高于9.0, 其光合放氧、生长速率、生物质产率、总脂含量和产率都显著降低。这表明pH对小球藻Chlorella sp. XQ-200419光合作用的影响和对生长、产油的影响是一致的。pH 7.08.0, 小球藻的生物质平均面积产率和总脂平均面积产率都达到最大值, 分别是8.9 g/(m2d)和2269.5 mg/(m2d); 当藻液pH超过10.0, 生物质平均面积产率和总脂平均面积产率分别降低42.1%和60.0%。适合于小球藻生长的pH也有利于其积累油脂, 所以, pH对小球藻产油的影响是一种适宜模式, 而非胁迫模式。规模化培养小球藻Chlorella sp. XQ-200419, 通过补充CO2将藻液pH控制在7.09.0内, 可以获得高生物质产率和总脂产率。研究结果反映出pH对小球藻光合作用、生长和产油影响的规律, 也为规模化培养小球藻生产微藻油脂过程中合理控制藻液pH提供了依据。       

微藻光密度与细胞密度及生物质的关系

以四种常见微藻,小球藻(Chlorella sp.XQ-20044)、栅藻(Scenedesmus sp.SS-200716)、绿球藻(Chlorococcum sp.)和螺旋藻(Spirulina sp.CH-164)为实验材料,用梯度稀释法测定对数生长期不同浓度藻液的光密度(OD)、细胞密度和生物质干重(DW),在光自养分批培养模式下对4种微藻进行OD-波长(350—800 nm)扫描,同时测定细胞密度和生物质干重,分析藻液OD与细胞密度、生物质干重的关系。结果表明:在任何波长下,对数生长期的4种微藻细胞密度与OD值、生物质干重与OD值的变化都不成比例,波长不同其拟合曲线偏离直线的程度不同。但是,在435 nm处这种关系最接近直线,可以用直线方程近似描述(R20.98),其它波长处细胞密度-OD、干重-OD的关系都可以用二项式方程很好地描述(R20.99)。因此,光密度法适用于连续和半连续培养,可以用435 nm处测得的OD值计算细胞密度与干重。但是在分批培养模式下,4种微藻DW/OD比值随着培养时间均逐渐上升。小球藻DW/OD540为0.19—0.44 g/L,栅藻DW/OD540为0.36—0.53 g/L,绿球藻DW/OD540为0.48—0.75 g/L,螺旋藻DW/OD560为0.46—0.74 g/L,因此分批培养模式下采用测定藻液OD值反映细胞密度和生物质的方法不适用,只有直接测定细胞密度和生物质才是准确的。研究结果为正确使用分光光度法监测微藻生长提供依据。     

基于管道式光生物反应器的藻粉生产过程技术经济分析

经济成本过高阻碍了微藻产品的产业化,而国内目前缺乏有关微藻产品技术经济分析的研究。为探究更符合我国国情的降低微藻产品成本的策略,本文采用结合地域气候和藻种特性的微藻生长模型,对基于管道式光生物反应器的藻粉(含水量为5%的微藻生物质)生产过程进行技术经济分析,讨论了价格和工艺两大类共12个参数以及生产规模对藻粉总成本的影响程度,并对影响经济成本的主要参数进行情景设计。结果显示,普通小球藻(Chlorella vulgaris)藻粉产量受地域和季节影响较大,对位于浙江省乐清市规模为0.1 hm²的生产基地,藻粉年产量约3.8 t,成本为185.7￥/kg。直接人工费、生长温度、光合效率和年运行时间是影响藻粉总成本的四个重要参数,最具成本吸引力的产业化规模约为10 hm²。考虑了降价空间和技术进步的某未来情景下藻粉成本可降至22.6￥/kg,该值与近年来文献给出的亚洲西南部和欧洲各地商业规模的微藻干物质成本较为接近。本文的研究可为我国微藻产品产业化的发展提供一定的理论和数据参考。     

产油微藻筛选和鉴定及其产油性能的研究

为了筛选具有产油能力的微藻,从自然界水体中分离出14株微藻,根据形态特点对它们进行了初步鉴定。对其中12株微藻在自养和异养条件下的生长特性和产油性能进行了比较。通过微藻的生长曲线,生物量和油脂含量等指标,从中筛选出高产藻株并对该藻株进行了分子生物学鉴定。结果表明:藻株Y06在12种微藻中的油脂产量和产率最高,经18S rDNA鉴定确定为栅藻(Scenedesmus abundans)。藻株Y06在自养条件下的油脂产率为9.40 mg/(L.d),在异养条件下的油脂产率为201.29 mg/(L.d)。     

光生物反应器培养微藻研究进展

微藻具有固定CO2和净化有机废水的能力,在环保、食品饲（饵）料、医药和生物能源开发等领域备受关注,但规模化培养及其产业化仍是研究的难点,亟待解决。就常用于大规模培养微藻的光生物反应器的特点和结构进行了综述。其中,封闭式微藻光生物反应器能够较好地调控藻种的培养条件、不易遭受污染,藻种的纯度容易控制,但培养规模小,生产成本较高;而开放式微藻光生物反应器无法精确控制藻种生长环境,但生产规模大、产量高、生产成本低,因此应用广泛。最佳的方法是综合两者优点,即首先利用封闭式微藻光生物反应器进行中试放大,大量繁殖藻种,然后投入开放式微藻光生物反应器内进行大规模商业生产,此方法有望成为微藻光生物反应器的发展方向,以期为微藻大规模培养提供参考借鉴。     

东北地区产油能源微藻的筛选和鉴定

微藻作为21世纪生物柴油的理想燃料已被人们广泛的关注,但是目前微藻种类很多,如何从诸多的微藻中筛选油脂含量高的微藻已成为人们函待解决的问题。从东北地区水样中分离纯化出93种藻种,采用尼罗红染色法对其中30株藻种进行了筛选获得了8种具有产油潜力的藻种,并利用自制的柱式反应器微藻评价装置对这8株藻株进行了产油能力的评价,获得了一株总脂产率达到133.9 mg/(L·d)的产油能源微藻。在此基础上,对该藻株进行了18S r RNA的鉴定,确定为Chlorella sp.。     

光生物反应器脱除空气中CO2的模型研究

微藻光生物反应器具有脱除空气中CO_2能力。从光生物反应器构型、进气流速、混合传质,及微藻光合/呼吸速率等方面,探讨气升式光生物反应器脱除空气中CO_2效果,提出了时间离散化和集中参数法两种分析方法。运用集中参数法建立了气升式柱型光生物反应器脱除CO_2的数学模型,模拟了藻液中溶氧浓度(DO)、pH随时间的变化情况,及进气CO_2浓度影响,预测并验证了光照条件下出气CO_2、O_2浓度的变化趋势。模拟结果和实验数据基本吻合,所提出的模型对光生物反应器的优化设计、微藻的高密度培养,及CO_2去除能力预测具有参考意义。     

一株产油微藻的筛选及分子鉴定

利用通气培养系统, 对10株经过初步生长筛选的微藻进行培养, 以总脂单位体积产率为主要指标, 筛选具有产油潜力的优良藻种。结果表明, 10株微藻的生物质干重、总脂含量分别为0.81.6 g/L、14.8%39.7%, 总脂单位体积产率大于30 mg/(Ld)的有6株, 其中藻株HY-6总脂单位体积产率达到最高的50.8 mg/(Ld), 是一株具有潜力的产油微藻。运用形态学特征和18S rDNA及ITS系统学分析相结合的方法对藻种HY-6进行分类鉴定。依据形态学特征, HY-6为球状单细胞, 具有1个明显的蛋白核, 杯状色素体周生, 从而初步判断该藻株可能属于小球藻属(Chlorella)或拟小球藻属(Parachlorella); 18S rDNA及ITS系统学分析表明HY-6与小球藻属分为两个不同的进化支, 但与凯氏拟小球藻(Parachlorella kessleri)的亲缘关系较近, 且具有较高的自展支持率, 因此将其鉴定为凯氏拟小球藻(P. kessleri)。研究结果将为产油微藻资源的收集、筛选及后续研究提供基础。       

用管式光生物反应器培养螺旋藻的研究

微藻大规模培养主要有敞开式大池培养和封闭式光生物反应器培养两种主要方式。管式光生物反应器是封闭式光生物反应器的主要类型之一。与其它类型相比,管式光生物反应器放大较易,成本较低。国外关于管式光生物反应器已有不少研究［１～３］但关于管式光生物反应器产率与光强和光暗比的关系等方面的研究尚未得出明确的结论。国内管式光生物反应器的研究较少［４］,尚未见有关管式光生物反应器中微藻悬浮液流变特性基础参数和产率影响因素的报道。螺旋藻是丝状体蓝藻,螺旋藻蛋白质含量高,其蛋白质所含必需氨基酸丰富,是国内外大规模商业…     

一株耐盐真眼点藻（Eustigmatos sp.）的户外培养及油脂提取工艺研究

真眼点藻(Eustigmatos)具有生长速率快、可以积累高含量油脂等特性,受到藻类学家的关注,评价它的户外生产性能和探索油脂提取工艺是实现其产业化的关键。利用自制的平板光生物反应器,通过测定生长、脂类积累及脂肪酸组成,评价一株分离自宁夏地区的耐盐真眼点藻(Eustigmatos sp. SCSIO-45821)的户外生长特性及乙醇提油可行性。结果显示,真眼点藻SCSIO-45821可以利用户外平板光生物反应器进行培养,6 cm光径反应器有利于生物质和二十碳五烯酸积累,平均生物质和二十碳五烯酸产率分别为93.5 mg/L·d和0.6 mg/L·d,而在促进油脂积累方面,4 cm光径反应器更加具有优势,平均油脂产率达到22.0 mg/L·d。利用100%乙醇、常温下提取真眼点藻油脂可以获得94.3%的提取率,所提油脂含有超过70%的中性脂与4.0%的EPA,但藻油需要进行精炼和脱色处理。户外平板光生物反应器是一种较理想的真眼点藻培养装置,但需要根据目标产物选择合适的光径,乙醇可以作为真眼点藻的油脂提取溶剂。     

叶片结构对跑道池式光生物反应器功耗及混合性能影响的数值模拟

跑道池式光生物反应器中的叶轮叶片形状对于藻液的混合效果和反应器的功耗有很大的影响,利用计算流体力学方法对某后折型叶片的结构参数进行了优化,首先通过流动模拟的结果和已有的实验数据的对比,验证了模拟方法及模型的可靠性,随后运用响应面分析方法综合分析了两个叶片结构参数(叶片弯折比L_1/L_2和叶片弯折角α)对该反应器单位功耗光梯度方向上混合性能的影响。结果表明,当L_1/L_2等于1,且α等于90°时,反应器单位功耗混合性能参数η呈最大值,即在此叶片结构参数下,当叶轮输入功率一定时,该反应器内部藻液光梯度方向上的混合性能最好,对比未改变叶片结构参数情况下的跑道池式光生物反应器,其η值增大到2.64倍。     

微藻产油技术进展

发展微藻生物能源是解决能源危机和环境问题的有效途径之一。目前微藻生物能源的藻种筛选、室外养殖、采收、油脂提取、能源制备等各工艺环节均已经打通,但成本高制约了微藻生物能源的产业化发展。本文分析了微藻生物能源的制备工艺(包括藻种特性、培养技术、油脂诱导技术、油脂转化技术等)及应用研究进展(包括反应器),并结合多年在藻种选育、室外规模化培养、低成本采收和藻油多组分分离方面的研究结果与经验,从多角度为微藻生物能源发展给出建议。指出微藻的全价开发将是微藻生物能源发展的有效模式,其中筛选采收成本低、耐污染、油脂含量较高、富含高值副产物的藻种非常重要,丝状藻是一个非常有潜力的方向,并考虑将物理法和水热液化法结合,实现微藻的多成分提取与分离,提高微藻价值的全价开发。     

高、低氮浓度对2株真眼点藻的生长和油脂积累的影响

【目的】研究氮浓度对真眼点藻纲(Eustigmatophyceae)的2株高产油微藻大真眼点藻(Eustigmatos magnus,EM)和波氏真眼点藻(Eustigmatos polyphem,EP)的细胞形态、生长、总脂含量、脂质组成和脂肪酸组成与含量的时序变化规律。【方法】利用高氮(18.0 mmol/L NO3?-N)和低氮(3.6 mmol/L NO3?-N)浓度培养微藻。【结果】形态观察结果表明,大真眼点藻(E. magnus)和波氏真眼点藻(E. polyphem)营养细胞具有1个周生的裂叶状叶绿体,细胞质中有液泡,内含能够振动的颗粒物,以及一个较为明显的红色色素体;生殖方式通过形成2个D形或4个四角形的似亲孢子;随着培养周期的延伸和营养盐的消耗,细胞中油体逐步形成,其数量不断增加,体积不断增大。实验结果表明,初始氮浓度对2种微藻的总脂积累及生长均有显著影响(P<0.05),低氮浓度下2种微藻的生物质浓度分别为9.0 g/L和8.5 g/L,均低于高氮浓度下的生物质浓度。而低氮浓度下2种微藻的总脂、中性脂和总脂肪酸的含量以及总脂、中性脂与总脂肪酸的单位体积产率均明显高于高氮浓度组,其最高值分别为：59.10%、51.90%、46.95%和0.28、0.24、0.22 g/(L·d) (EM);64.20%、56.80%、50.01%和0.32、0.28、0.25 g/(L·d) (EP)。脂肪酸分析结果表明,两种微藻的脂肪酸主要成分均为棕榈酸(C16:0)、棕榈油酸(C16:1)、油酸(C18:1)和二十碳五烯酸(C20:5,EPA),四者的总含量(占总脂肪酸)分别达到85.83%和85.48%,其中棕榈油酸的含量最高。【结论】低氮浓度胁迫有利于大真眼点藻和波氏真眼点藻细胞内油脂的积累,两种微藻均为适合于生产生物柴油的油脂生产藻株。     

利用乙醇发酵副产CO2培养富含淀粉亚心型四爿藻作为其补充原料

建立了乙醇发酵耦联微藻培养系统,研究了利用酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae乙醇发酵副产CO2为碳源,培养富含淀粉的亚心形四爿藻Tetraselmis subcordiformis,作为乙醇发酵补充原料的可行性。在连续光照培养条件下,间歇式培养7 d,反应器中藻细胞密度达到2.0 g/L左右,胞内淀粉含量约45％。微藻细胞收集后,经超声处理和酶法水解,葡萄糖释放量为胞内淀粉总量的71.1％。S. cerevisiae发酵微藻生物质水解液生产乙醇,其得率达到理论值的87.6％。表明乙醇发酵耦联微藻培养可行,既减少了CO2向环境的排放,又收获了富含淀粉的微藻生物质作为乙醇发酵的补充原料,节省粮食类淀粉质原料的消耗。     

钛酸盐纳米材料介导下微藻净化生活污水的效应

为研究钛酸盐纳米材料(TNTs)介导下微藻对生活污水的处理效应,设置不同的TNTs添加方式与5种微藻协同处理生活污水,比较不同藻种和处理方式下叶绿素的光化学效率和光合色素含量,筛选优势藻种和高效处理方式。结果表明, TNTs能够显著加强微藻对生活污水的处理效果。在添加TNTs后, 5种微藻细胞均出现团聚现象,叶绿素a和类胡萝卜素的含量均有所上升。微藻对生活污水的处理效果均在TNTs介导2d后最好,斜生四链藻(Tetradesmus obliquus)对COD和NH₃-N的去除率最高,达到95.00%和88.62%;普通小球藻(Chlorella vulgaris)对TN的去除率最高,达到95.00%;四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)对TP的去除率最高,达到79.43%。与微藻单独处理相比, TNTs添加显著提升了污染物的降解率(>10%)和微藻除污率(>5%)。TNTs介导在微藻深度处理生活污水中具有一定的应用前景。     

菌藻共生提高小球藻生物量和产油率

微藻规模化养殖常伴随着细菌的影响,存在于微藻藻际的细菌对微藻生长的影响及藻菌共生的机理尚缺乏深入研究。为建立有益的菌藻共生体系和提高微藻生物质产量,以埃氏小球藻(Chlorella emersonii)为试材,分离藻际微环境的菌群,并运用16S rDNA测序进行鉴定。通过藻菌(1∶1)共培养筛选优势促生菌。人工构建不同比例的菌藻共培养体系,分析优势促生菌对微藻生长和生物质产量的影响。结果显示,从埃氏小球藻藻株SXND-25藻际分离到6个菌种,属于菠萝泛菌属(Pantoea)、假单胞菌属(Pseudomonas)、鹑鸡肠球菌属(Enterococcus gallinarum)和大肠杆菌属(Escherichia coli)四个菌属。其中假单胞菌(Pseudomonas)和菠萝泛菌(Pantoea)为优势促生菌。与其他不同比例菌藻共培养相比,埃氏小球藻与菠萝泛菌1∶5共培养的促生效果突出,埃氏小球藻在第8天生物量达5.86 g/L,藻细胞含油量为26.88%,总油脂产量为1.575 g/L且单不饱和脂肪酸(MUFA)高达554-564mg/L。另一优异组合为埃氏小球藻与假单胞菌1∶1共培养,埃氏小球藻第8天生物量为4.12 g/L,藻细胞含油量达29.50%,总油脂产量提高到1.215 g/L,但MUFA含量低(168-175 mg/L)。研究表明在埃氏小球藻培养过程中,适量添加促生菌,可同时提高埃氏小球藻生物质和油脂产量,这为探究藻菌互作效应以及有益藻菌共生体系应用于微藻规模化生产提供参考依据。     

缘管浒苔对赤潮异弯藻的克生效应

利用共存培养系统研究了缘管浒苔(E nterom orpha linza)新鲜组织和干粉末对赤潮异弯藻(H eterosigm a akash iw o)生长的克生效应。共存实验结果表明,缘管浒苔新鲜组织和干粉末对赤潮异弯藻生长均有强烈的克生效应。同时,研究了缘管浒苔培养水过滤液对赤潮异弯藻的克生作用。赤潮异弯藻在缘管浒苔培养水过滤液的半连续添加方式下生长受到明显的克制作用,但在一次性培养方式下生长未受到明显的抑制作用,说明克生物质的连续分泌是有效克制赤潮异弯藻生长的关键;煮沸的大藻培养水过滤液对微藻的生长无抑制作用,表明克生物质在高温下不稳定和易分解。     

产油嗜碱绿球藻MC-1的烟气适应性

为了降低微藻产油成本和减少温室气体的排放,利用煤炭烟气培养一株具有pH快速漂移和高碱适应特性的产油微藻Chlorococcum alkaliphilus MC-1.首先于15L光生物反应器中分三组(空白组、CO2组和烟气组)进行小体积培养实验,然后在24 m2开放式跑道池中进行放大培养,研究了微藻MC-1对烟气培养的适应性.结果表明,在光生物反应器培养实验中,烟气组的最高生物量浓度、生长速率、藻体总脂含量和CO2固定速率分别为:(1.02±0.07) g/L、(0.12±0.02) g/(L·d)、(37.84±0.58)％和(0.20±0.02) g/(L·d),比CO2组分别提高了36％、33.33％、15.34％和33.33％.在开放式跑道池培养实验中,烟气与纯CO2的培养效果相似,烟气培养下的最高生物量浓度、生长速率、藻体总脂含量和CO2固定速率分别为:147.40 g/m2、14.73 g/(m2·d)、35.72％和24.01 g/(m2·d);烟气培养产出的藻粉中有毒重金属Pb、As、Cd和Cr的含量均低于国家限量标准.实验同时测定了烟气培养下藻液对烟气中CO2、NO和SO2的吸收效果,结果显示,在光生物反应器和开放式跑道池培养中此三种气体的平均吸收率均高于以往研究结果.上述结果说明,该藻能适应烟气培养条件,耦合微藻MC-1产油与烟气减排的室外放大培养是可行的.