小球藻大规模培养研究的进展

小球藻大规模培养研究的进展 () 植物学通报 1998 , 15 4:45,50 Chi nese B ulleti n of B ota ny ? 小球藻大规模培养研究的进展 李师翁 ( )庆阳师范高等专科学校生物系 甘肃西峰 745000 李虎乾张建军 ( ) 深圳益兴光合有限公司 深圳 518008 摘要 小球藻是被人类研究并开发利用的单细胞藻类之一 。本文就小球藻大规模培养中产量 、质量 、培养方式 、培养基与经济上的可行性之间的关系 ;气候因子 、二氧化碳补加 、搅拌 、分离 、收获与干燥等技术 条件及其研究的进展进行了综述 ,认为未来的发展趋势将是光合生物反应器培养 。文中也讨论了小球 藻大规模培养中生长量以及限制生长量的主要因素与太阳能转换率之间的关系 。 关键词 小球藻 ,大规模培养 ,生长量 PRO GRESS IN STUD IES O N L ARGE2SCAL E CUL TURE OF C HL O R ELLA L I Shi2Weng ( )Department of Biology , Qingyang Teacher’s College , XiFeng GanSu 745000 L I Hu2Qian ZHANG J ian2J un ( )S henzhen Yixing Photosynthesis Limited Company , Shenzhen 518008 Abstract Chlorella is one of the single2cell algae that was studied , cultured and used for human. The current reiew of the interrelationship of product ,quality , culture type ,and media type for eco2 nomically feasible system ; the technical condition on climatological factors , carbonating ,the need for mixing , seperating ,harvesting and drying ; and the progress of mass culture on Chlorella was sum2 marized in this paper . The future development trends of mass culture will be automatic photosynthe tic reactor culture . The relationship of productivity and the solar energy conversion efficiency which is one of the main limitations on productivity was discussed also . Chlorella , Large2scale culture , Productivity Key words ( ) 小球藻为绿藻门小球藻属 Chlorella 普生性单细胞绿藻, 以光合自养生长繁殖, 分布极广 ,尤以淡水水域种类多 ,生物量大 。对生长条件要求简单 ,环境耐受性强 ,繁殖速率 高 ,人工培养较易 ,单位光照面积的水域培养小球藻的生物量是高等植物的数倍 。人类对 小球藻的研究开发已有半个世纪的历史 。二战期间 ,由于粮食的缺乏 ,如何利用水生藻类 生物作为人类的食物资源开始成为研究课题 ,单细胞藻类的培养逐渐被重视起来 ,许多国 家先后进行了培养和营养价值的研究 。小球藻是最早被开发研究的对象之一 。该属种类 ( ) 较多 ,其中以蛋白核小球藻 Chlorella pyrenoidosa蛋白质含量高而受到重视。 现在知道 ,小球藻作为人类理想的营养源健康食品 ,在于它具有极其丰富均衡的营养 成分和优良的医疗保健作用 。蛋白质 50,67 % ,含有人体所需的 20 种氨基酸 、多种维生 素和微量元素 ,以及亚麻酸 、亚油酸 、胡萝卜素等成分 。研究 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 小球藻细胞糖蛋白具有 ?甘肃省教委资助项目。 显著的抑瘤抗癌 、增强免疫和抗病毒感染的活性 。小球藻所含未知活性因子具有增强细胞代谢 、延缓细胞衰老的活性 。在工业上 ,小球藻是优良的饲料添加剂 ,近年来的研究证 明 ,当小球藻在异养条件下 ,细胞内油脂含量可达 60 %以上 ,是一种新型油脂资源 。当培 养在高盐条件下 ,脯氨酸含量达 12 % ,可用于工业制取脯氨酸 。其叶绿素含量约 4 % ,为 () 高等植物叶片的 20 多倍 ,是天然叶绿素的理想资源 李勤生和王业勤 ,1985。 日本 、美国 、前苏联等国家自 50 年代率先开发小球藻作为单细胞蛋白 ,70 年代日本 首先开发小球藻作为人类的健康食品 ,80 年代又开发出健康和美容系列产品 ,包括小球 藻食品 、小球藻饮料 、小球藻绿酒 、小球藻化妆品等 。我国曾在 60 年代初开展了小球藻的培养与生产试验研究 ,未能坚持 ,目前尚无工业化生产与研究机构 。本文就国内外小球藻 大规模培养的研究状况进行综述 。 1 小球藻大规模培养的基本方式 ( ) 目前的研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,小球藻大规模培养的方式与产品开发有关 。Oswald 1990 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了 当前国际上主要的培养方式 ,可以概括为 : 密闭无菌培养 :使用试剂级化学药品 、净化水 、加 EDTA 和维生素等营养成分 ,主要是 制取高级医药用品 ,精细化学药品和高级油脂等产品 。 开放半无菌培养 :使用分析纯化学药品 、净化水 ,主要生产藻粉 、健康食品 、色素和医 药制品 。 开放藻菌混养 :以蔬菜 、肉类加工 、发酵和工业蒸馏的洁净的有机液体废料为培养基 ,生产藻粉 、健康食品 、动物饲料和医药制品 。以动物 、家禽和鱼类等残余食物 、屠宰场的废 物等为培养基 ,生产家禽 、家畜 、鱼等饲料 、肥料等 。以家庭污水和降解的植物废物等为培 养基 ,生产氧气和肥料等 。 显然 ,小球藻大规模培养的方式主要是考虑产品的用途 ,高成本的培养方式和培养基 只有用于生产高附加值的医药用品 、精细化工用品等产品时 ,在经济上才是可行的 ,低成 本的培养方式 ,产品的市场价值也降低了 。 2 小球藻大规模培养中主要技术条件研究 211 气候条件 气候条件是不能人为控制的 ,所以在大规模培养中是最优先考虑的问题 。采用人工 (光照和加温措施可以控制气候条件 ,但由于成本太高 ,实际应用在经济上是不合算的 Be2 ) dell ,1986。热带地区有理想的温度 ,但过多的阴天限制了光照 ,且均衡的高温也增加了 小球藻在夜间的呼吸消耗 ,净物质积累相对减小 。亚热带沙漠地区气候温热 ,天气晴朗 ,光照充足 ,昼夜温差大 ,呼吸消耗较低 ,产量相对较高 ,是进行大规模培养的较理想气候条 件 。因此 ,在沙漠中建立小球藻生产工厂 ,已经被认为是“沙产业”中可以实施的产业之 一 ,对于利用非耕土地生产人类的食品具有重要意义 。 212 CO的补加2 ( ( ) 据研究小球藻通过光合作用积累 1 mg 干物质需要 1 mol 1 . 8 mgCOOswald , 2 ) () 1990,而水中溶解的可利用的 CO0 . 04 molΠL远不能满足小球藻生长的需要 ,因此大规 2 47 4 期李师翁等 : 小球藻大规模培养研究的进展 () 模培养中 CO的补加是提高产量的有效途径 。Miyachi 等 1983研究证明 ,不同种类和品2 - 种的小球藻利用无机碳的形式不同 ,有的利用 HCO ,而更多的则直接利用溶于水中的3 - CO。加入碳酸氢钠类盐 , 可以补充水中的 HCO浓度 , 但并不适合于所有的小球藻种2 3 类 ,且成本高 ,易使培养液 p H 升高 。CO的补加采用气流计将 CO以微泡的形式通入水 2 2 () 中 。Laws 1984报道采用该 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 可使 CO的利用率达 70 % 。 2 213 搅拌 在大规模培养中 ,藻细胞由于受多种因素的影响往往易发生沉淀和集聚 ,从而严重影 响繁殖与生长速率 。因此搅拌在大规模培养中是必须的设计 。在开放池培养中 , Oswald () 1990设计一种水道式流动搅拌器 ,使水流速度在 5,15 cmΠs ,可保持藻细胞浓度达 300 mgΠL ,在密闭反应器培养系统中 ,如管道反应器 ,采用循环措施进行搅拌 ,可使藻细胞密度 () 达 3 g dry. wtΠL 李师翁和李虎乾 ,1997。 214 藻细胞的分离与收获 大规模培养中 ,收获藻细胞是唯一的目的 ,但对于大量水体中 200,500 mgΠL 的藻细 () 胞的分离是困难的 。可供选择的方法 : 1沉淀法 ,采用石灰水 、明矾等使藻细胞凝集沉 () 淀 ,但该法严重影响产品的质量及食用价值 ; 2过滤法 ,由于小球藻细胞仅 1,5 微米 ,过 () 滤法不适用 ; 3离心法 ,适用于小球藻的分离 ,产品质量好 ,但成本较高 。 215 藻细胞的干燥 干藻粉是小球藻大规模培养的初产品 ,但小球藻细胞蛋白质含量高 ,粘性大 ,细胞内 () 水分不易散发 ,干燥时间过长会因叶绿素损失而影响产品质量 。可采用的方法 : 1日光 - 2 - 1 () 干燥 ,该法简易 ,产品质量好 ,但干燥量仅为 100 g?m ?d 干藻粉 ,且易受天气影响 ; 2 () 转鼓干燥 ,由于小球藻粘壁严重 ,不很适用 ; 3喷雾干燥 ,产量大 ,藻粉消化率高 ,质量好 ; () 4冷冻干燥 ,适用于生产医疗用品和生物活性制剂 。 3 小球藻大规模培养研究的状况 小球藻大规模培养研究可以分为两个阶段 ,50 年代至 70 年代末 ,主要进行开放池培 养的研究 ,80 年代以后开始密闭和半密闭反应器的研究 。 311 开放池大规模培养 2 国际上小球藻大规模开放池培养研究 ,设计 1000,5000 m,深 15,30 cm 的圆形浅水 - 2 - 1 ( ) 池 ,采用螺旋浆搅拌 ,平均生长量 16,22 g?m ?d Richmond ,1993,基本状况如表 1 。 312 半密闭和密闭式大规模培养 开放池培养具有设施简易 ,投资低 ,成本小等特点 ,但产量低 ,一般藻细胞密度 200, - 1 500 mgL ,培养面积大 , 生长因子难控制 , CO 补加困难 , 收获成本高 , 易被其它生物污2 ( ) 染 ,产品质量低等因素 ,限制了开放池培养的发展 Richmond ,1993。因此 ,采用透明容器或玻璃管道设计的半密闭和密闭光合生物反应器培养系统的研究受到重视 。 光合反应 器大规模培养小球藻的研究始于 60 年代 ,乌兹别克地区设计的 K206 型光 - 2 - 1 - 1 合反应器 ,试验产量 19,30 g?m ?d ,培养藻液的密度为 250,1500 mg?dry?wtL ,土库- 2 - 1 曼科学院设计的玻璃管道全密闭全天候光合反应器 ,平均产量 20 g?m ?d 。80 年代 表 1开放式培养的研究状况 - 2 - 1 国家或地区培养装置() 试验产量g?m ?d 乌兹别克浅水池14 - 25 喷泉式装置 莫 斯 科 莫 7 - 11 浅水池 浅斯 科 加利20 水池 浅水福尼亚 20 池 浅水池 日本9 - 1815 浅水池 以 色 列20 - 40 直径 115 m 水盆 中国台湾 18 中国武汉 16 2 () 后 ,玻璃管道光合反应器的研究和应用受到重视 ,Pirt 等 1983首次设计了 100 m的管道 () ( ) 反应器 ,Torzillo 等 1986用管道反应器在户外培养螺旋藻 , Richmond 等 1993设计了 10L 管道反应器在户外进行了螺旋藻和鱼腥藻的培养 ,生长量随管道直径大小而变化 ,管道直 - 1 - 1 径为 5 cm 时 生 长 量 为 310 mg ?L ?d , 当 管 道 直 径 为 2 . 8 cm 时 生 长 量 为 - 1 - 1 () 550 mg?L ?d ,Lee 和 Low 1991 ;1992利用玻璃管道反应器户外培养蛋白核小球藻 ,生 - 2 - 1 () 长量为 26,30 g?m ?d 。作者 1997设计容积 1000L 玻璃管道反应器培养小球藻 ,生长 - 1 - 1 量为 375 mg?L ?d 。与开放池培养比较 ,密闭和半密闭光合反应器大规模培养 ,藻细胞 的密度提高了 6,12 倍 ,总体积相对减少 ,分离成本大大降低 ,各种生长因子及工艺可以 采用自动化 ,集约化管理 ,提高了生产效率和产品质量 ,避免受其他生物和非生物物质的 - 2 - 1 ( ) 污染 ,单位光照面积的生长量保持在 15,30 g?m ?d Richmond ,1993。由于玻璃管道 光合反应器一次性投资大 ,许多技术问题尚未完全解决 ,目前尚无工业化应用的报道 ,但 这是未来发展的趋势 。 4 小球藻大规模培养的生长量及限制生长量的因素 411 生长量 () 小球藻大规模培养的生长量变动很大 ,根据 Richmond 1993的研究 ,大规模培养的生 长量与培养方式无关 ,而决定于光照面积和地球表面的太阳辐射的大小 。在完全自养条 () 件下 ,小球藻转换为细胞物质的光能利用率 2 . 6,7 . 1 % Myers ,1980。由于地球表面太- 2 - 1 阳辐射变化很大 ,小球藻大规模培养的生长量变动在 15,30 g?dry?wt ?m ?d 。在混养 和异养条件下 ,生长量大于完全自养 ,日本和我国台湾的资料表明 ,采用自养和异养相结 合的混养培养方式 ,即在培养液中加入葡萄糖和乙酸盐等有机碳源 ,年生长量变动在 8, - 2 - 1 () 22 g?m ?d 。在完全异养条件下 ,可得到较高的生长量 , Endo 等 1974报道在异养培养 - 1 - 1 () 中得到 8 . 6 g?L ?d 的高生长量 , Endo 等 1977采用 18L 反应器进行异养培养获得 3 . 7 - 1 kg?d 的生长量 ,并认为采用自养和异养相结合的培养方式其生长量为自养和异养培养 生长量的总和 。 412 限制生长量的因素 49 4 期李师翁等 : 小球藻大规模培养研究的进展 大规模培养进行工业化生产的可行性取决于产量和成本 ,如何提高产量是大规模培养研究中的关键问题 。对于温度 ,CO浓度 ,光照强度 ,营养液和 p H 值 ,搅拌等影响产量 2 的因子的最佳量已经有了很好的了解 ,可以通过多种方式达到最佳的培养条件 。就光合 自养生物而言 ,限制其生长量的最终的因素是光能转换率 ,即光能转换率限制最大生长 - 2 - 1 量 。小球藻转换为细胞物质的光能转换率为 2 . 6,7 . 1 % ,相当于 1 . 9,4 . 9 g?m ?d 细 () 胞干物质生物量 Myers ,1980。在大规模培养中光照强度又与培养物密度有关 ,培养物 密度增高了光强度随之降低 ,生长量也随之下降 。 () Oswald 1990根据能量守恒定律确定藻细胞的能量转换的关系式为 : θhCc = FSA - 1 ( ) h :藻细胞燃烧热值 ,Cc : 培养系统藻细胞密度 mg?L 干重, F 为转换太阳能为化学 - 2 - 1 ( ) ( ) θ能的效率 %,S 为太阳辐射 Cal cm?d , 为藻细胞平均受光时间 ,A 为每 1L 培养物 2 () 所占面积 cm。 - 1 藻细胞干物质燃烧热值约为 5 . 5 Kcal?g ,光合作用效率即光能转换率约为太阳辐射的 215 % ,上述关系式表明 ,小球藻生物量的积累决定于太阳辐射 ,因此大规模培养中生 长量与不同地域及不同季节有关 , 自然光照下全年的生长量变动很大 。 Oswald 根据上述关系式推导出一个在开放池培养中计算生长量的公式 : θPr = kdCcΠ θ Pr 为生长量 ,k 为常数 = 0 . 01 ,Cc 为藻细胞密度 , 为藻细胞平均生长时间 ,d 为培养 池的深度 。- 1 - 2 - 1 θ一般情况 ,d = 30 cm ,Cc = 300 mg?L , = 4d ,则 Pr = 22 . 5 g?m ?d 。Oswald 认为这 是一个在适宜地区合理设计的浅池培养系统可以达到的生长量 。显然 ,当太阳辐射确定 后 ,影响生长量的因素为池深 d 和藻细胞停留时间 ,理论上 d 越大 ,则 Pr 越大 ,但实际上 加大 d 随之降低了进入水中的太阳辐射强度 ,因此池深和藻细胞密度间存在相关关系 ,池 深加大则藻细胞密度降低 ,生长量并不增加 。同样藻细胞停留时间越小生长量越大 ,研究 证明总有一个最佳值 ,在浅池培养中为 3 天 ,过大或过小都因影响密度而影响生长量 。因 此 ,大规模培养中理论生长量是有限的 ,人们只有通过调控各种生长因子使之保持最佳条 件 ,从而尽可能达到并保持最大生长量 。 ) ( ) ( ) ( (Oswald 在 Napa 加利福尼亚,Manila 菲律宾, Richmond 加利福尼亚, Haifa 以色 ) 列四个不同地区进行的定点试验 ,是太阳辐射与生长量之间关系的典型例证 。Oswald 将 测定的生长量对太阳辐射作图 ,结果得出产量关系式 : ( )Pr = kp S - S0 - 2 - 1 - 2 - 1 Pr 为生长量 g?m ?d ,S 为总太阳能输入 Cal?m ?d ,S0 为直线截矩 ,即生长量为 0 时的太阳能 ,kp 为生长量系数 ,为线型生长量直线的斜率 ,其关系数据如马尼拉在北纬 1515 度 ,平均水温 2816 ?和 Richmond 在北纬 37 度 ,平均水温 1516 ?,两地区生长量不同 () 表 2。 上表表明 ,大规模培养中太阳辐射与产量之间存在正相关 ,同时又决定于维持生长量 为 0 时的太阳辐射的大小 。马尼拉地区具有理想的气候条件 ,但生长量却低于 Richmond 地区 ,因为其生长量为 0 时的太阳辐射比 Richmond 高 ,即在相同条件下需要更高的太阳 () ) ( 辐射来维持 0 生长量 。马尼拉平均水温 28 . 6 ?高于 Richmond 15 . 6 ?,因此 ,藻细胞呼吸强度大大增加了 ,干物质积累随之减少 。对于大规模培养而言 ,一定的昼夜温差是维 持高产所必须的因素之一 。 表 2 太阳辐射与生长量间的关系 - 2 - 1S So 地区 生长量 g?m 1d 225 225 0 300 225 6175 Manila 1315 375 225 ( )2225 Pr = 0 . 09 S450 225 20125 525 225 2710 125 125 0 200 125 8 . 1 Richmond 275 125 16 . 2 ( )350 125 24 . 3 Pr = 0. 108 S2125 425 125 32 . 4 475 125 37 . 8 5 展望 随着世界范围人口的不断增加 ,耕地面积日益减少 ,环境污染加重 ,土壤荒漠化加快 。 人类赖以生存的粮食等农产品可能面临着不再能满足人类需求的潜在危机 。过去近一个 ( 世纪的研究表明 ,地球表面广泛存在的原始绿色生命 ———藻类生物 小球藻 ,盐藻 ,栅藻 , ) ( ) 螺旋藻等,含有丰富的营养成分 ,且具有优良的医疗保健作用 ,被联合国粮农组织 FAO确定为二十一世纪绿色健康食品 。它繁殖速率快 ,光能转化率高 ,易培养 ,单位光照面积 蛋白质产量是高等植物的数十倍 。藻类大规模培养的研究已经给我们展示了一幅诱人的 前景 ,工厂化生产人类的优质天然绿色食品即将成为现实 ,人类可以将这类工厂建在沙 漠 、盐碱地等非耕土地上 ,那么陆地上可以利用的土地面积将不再象现在这样拥挤 。 参 考 文 献 李勤生 ,王业勤 ,1985 . 微生物通报 ,6 :275,277 () 李师翁 ,李虎乾 ,1997 . 生物工程学报 ,13 1:91,97 黎尚豪等 ,1959 . 水生生物学集刊 ,4 :462,472 华汝成等 ,1980 . 单细胞藻类的培养与利用. 北京 :农业出版社 加也夫斯卡斯 H?C ,王乾麟译 ,1958 . 生物学通报 ,5 :27,31 Bedell G ,1986 . 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