海洋微藻培养及光生物反应器的研究进展

2008, 18( 3) 伊廷强等 � 海洋微藻培养及光生物反应器的研究进展 � 海洋微藻培养及光生物反应器的研究进展 伊廷强* � 叶 � 静 � 何泽超 � 四川大学化学工程学院 � 成都 � 610065 摘要 � 概述微藻的特点及国内外应用现状, 重点讨论培养微藻的条件及不同类型光生物反应器的特 点。 关键词 � 微藻 � 培养 � 光生物反应器 � 进展 � � 藻类不仅富含蛋白质、脂肪和碳水化合物这 三大类人类所必需的物质, 而且还含有各种氨基 酸、维生素、抗生素、高不饱和脂肪酸以及其它 多种生物活性物质, 是人类向海洋索取食品、药 品、生化试剂、精细化工产品、燃料以及其它材 料的一种重要途径。 随着全球性资源短缺压力的日益增加, 开发 和利用海洋藻类将是长远解决人类食品资源和能 源的重要途径。随着人类对微藻认识的不断加 深, 开发和研制新型高效光生物反应器及其在微 藻的高密度培养方面的应用研究已成为微藻生物 技术的一个重要组成部分。本文综合国内外的最 新研究, 着重介绍微藻培养及最新的培养反应 器。 1� 微藻的特点 微藻是一类光能自养型单细胞生物, 能有效 地利用光能将 H 2O、CO 2和无机盐转化为有机资 源, 是地球有机资源的初级生产力。迄今已知的 藻类约有 3万余种, 其中微藻约占 70% [ 1]。从 1987年至今, 新发现的具有开发价值的药用海 洋天然产物已达 434种。微藻具备如下特点: ( 1) 具有叶绿体等光合器官, 能有效利用 太阳能将 H 2O、 CO2和无机盐转化为有机化合 物。 ( 2) 以简单的分裂方式进行繁殖, 细胞生 长周期较短, 易于大规模培养。 ( 3) 可以用海水、咸水或半咸水培养, 是 淡水紧缺、土地贫瘠地区获得有效生物资源的重 要途径。 ( 4) 富含各种物质, 是人类未来食品及油 料的重要来源。 ( 5) 因独特的生存环境使其能够合成许多 结构和生理功能独特的生物活性物质, 特别是经 过一定的诱导手段, 利用微藻可以高浓度合成这 些具有商业化价值的化合物。 2� 微藻的研究与应用 2�1� 历史沿革 微藻的研究与应用经历以下阶段: � 20世 纪 40年代, 德国人试验用硅藻生产可做燃料的 脂类; 50年代至 70年代, 许多国家开展小球 藻、栅藻、新月藻、螺旋藻等微藻的培养与开发 研究, 主要用作鱼、虾、贝、蟹育苗中的饵料和 生产单细胞蛋白 ( SCP); ! 80年代后微藻生物 技术迅速发展, 人们逐渐认识到微藻在进化上的 多源性、遗传的多样性, 藻细胞中有一些特殊的 次级代谢物, 而且可以利用其生长繁殖迅速、光 能转换率高、对环境适应性强、易于遗传改良的 特点进行大规模培养, 微藻在各领域的开发应用 价值成为人们关注的热点。 2�2� 现状及成果 当今人们对微藻的研究和开发进入了一个崭 新时期, 微藻的培养和产品开发成为新兴的生物 技术产业。应用现代高新生物技术, 微藻可以作 为很多高附加值生物制品的重要来源, 同时也是 开发转基因产品的优良材料。目前国外已经商业 化或正在开发的微藻产品有重要的用途。常见微 藻的分类及应用见 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 1。 11 * 伊廷强: 生物化工专业在读硕士研究生。联系电话: 15882476061, E - m ai:l yitingq2007@ yahoo� cn。 � � � � � CHEM ICAL ENGINEER ING DESIGN 化工 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 2008, 18(3) 表 1� 微藻种类及用途 门类 属名 用途 金藻门 等鞭金藻 饵料 菱形藻 饵料 褐指藻 饵料 绿藻门 杜氏藻 �-胡萝卜素、甘油 衣藻 分子遗传学材料 红衣藻 生产虾青素 小球藻 保健食品 蓝藻门 组囊藻 分子遗传学材料 螺旋藻 保健食品 鱼腥藻 生产肥料 硅藻门 角毛藻 饵料 红藻门 紫球藻 胞外多糖、脂类以及红色素 � � 微藻是海洋药物的重要来源, 其药用价值正 日益引起人们的注意。海洋微藻的磺酸化多糖具 有抗肿瘤、抗凝血、抗病毒、抗衰老等多种生物 活性, 在临床上显示出越来越广阔的应用前景: � 双鞭甲藻中 DHA (二十二碳六烯酸 ) 的含量 特别高, 其中有三个种隐甲藻、链状膝沟藻和聂 氏裸甲藻所含 DHA达到 30% 以上; 蒋霞敏 等 [ 2]比较分析了 14种微藻的总脂含量和脂肪酸 组成, 结果表明除小球藻、亚心形扁藻、极微小 环藻、微绿球藻外, 其他微藻的总脂含量均超过 其干重的 10%; ! 螺旋藻多糖对体外培养的胃 癌细胞、结肠及直肠癌细胞均有一定的抑制作 用, 且呈剂量依赖性; ∀于红等 [ 3]研究了螺旋藻 多糖对小鼠 S180肉瘤的抑制作用, 发现螺旋藻 多糖在 50~ 100�g /m l的剂量范围对肉瘤有抑制 作用, 具有明显升高小鼠外周血白细胞的功能, 促进荷瘤小鼠淋巴细胞转换作用, 促进荷瘤小鼠 脾 NK细胞对靶细胞的细胞毒作用。 因此, 微藻不仅可以作为食物的来源, 还可 以从中得到很多有极高价值的药物, 螺旋藻多糖 在抑制肿瘤细胞的生长上有重要的作用。 3� 微藻的培养 3�1� 培养条件 培养条件中的营养盐浓度及配比对藻类的代 谢活动和生长速率有显著的影响, 因此针对不同 的藻类应对其施加不同的培养条件以达到最佳培 养效果。其他培养条件如培养温度、光照强度等 也同样影响着藻类的生长。培养一种底栖舟形藻 时, 当 PO3-4 的浓度为 1mg / ,l 铁盐中铁的浓度 为 0�5mg / l时, 该种藻的最适 NO-3 浓度为 5~ 20mg / l。培养小形舟形藻时, 确定其最适氮、磷 浓度及配比为 18�285#0�279 ( mg / ,l 原子浓 度 )。于贞等 [ 4] 对影响小球藻生长的 NaHCO3、 NaNO3、KH2 PO4、维生素等 4种主要营养因素 进行了优化, 获得以海水为基础的优化培养基配 方: NaHCO3 0�10g / ,l NaNO3 0�225g / ,l KH 2PO 4 0�005g / ,l pH 6�0。因此, 营养盐中的碳源、氮 源以及其它盐类是制约微藻生长的关键因素。 CO2、 pH也是影响藻生长的重要条件。 CO 2 主要以 HCO3 -形式被利用; pH是影响培养基中 HCO3 -在总溶解状态的 CO 2所占比例的主要因 素, 此外, pH值也会影响光合作用, 并影响培 养基中藻细胞对离子的吸收和利用, 以及代谢产 物的产生。 温度、光照强度、通气量等通过影响小球藻 光合作用强度而影响小球藻的生长。周洪琪等 [ 5] 研究得出亚心形扁藻的培养温度为 17�9 ~ 19�6∃ , 青岛大扁藻的培养温度为 18�0 ~ 27�0∃ , 两种扁藻的光照强度均为 6000 lux; 微 绿球藻的培养温度为 26 % 1∃ , 光照强度为 10000 lux; 三种微藻都为 24h连续光照。小球藻 的最适合通气量为 1�5L /m in。 3�2� 培养方式 在合适的培养条件下, 不同的培养方式对微 藻的生长也有不同影响。扰动强度和培养基更新 速率均有较大影响。 ( 1) 颜润润等 [ 6]研究了不同扰动强度对铜 锈微囊藻和斜生栅藻生长的影响, 得出在试验所 模拟的扰动强度范围内, 较小的扰动有利于藻类 的生长和聚集, 单独培养的微囊藻和栅藻均在扰 动强度为 90 r/m in时藻比增长率最大; 当转速大 于该值时, 随着扰动强度的加大, 藻比增长率呈 现下降趋势。 ( 2) 在半连续培养下, 不同更新率影响藻 的细胞密度, 从而影响采收量。存在一个最适的 更新率值, 使日平均细胞密度最大, 从而获得最 大的采收量。在光生物反应器中, 张登沥等 [ 7]研 究了小球藻最适更新率约为 33%, 日采收量达 12 2008, 18( 3) 伊廷强等 � 海洋微藻培养及光生物反应器的研究进展 � 6�8 & 107mL- 1。笔者所在的实验室在研究紫球藻 的生长动力学参数时发现, 更新率能明显的影响 藻类的生长和产物的产生。 4� 微藻培养光生物反应器 光生物反应器 ( pho to�b ioreactor) 是指能用 于光合微生物及具有光合能力的组织或细胞培养 的一类装置, 与一般的生物反应器有相似的结 构, 有光、温度、溶解氧、CO2、 pH 和营养物 质等培养条件的调节与控制系统。光生物反应器 有较高的光能利用效率, 在最佳状态下可达到 18%, 而植物和森林仅能利用入射光能的 0�2%, 并且可以进行全天候的连续或半连续培 养, 因此能实现光合生物的高密度培养并获得较 高的单位面积或体积生物量产量。 藻类尤其是单细胞微藻能有效地利用光能、 CO2和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合 物、油以及多种高附加值生物活性物质, 故目前 光生物反应器主要用于微藻的大量和高密度培 养。随着人类对微藻的认识不断加深, 用于微藻 高密度大量培养的光生物反应器受到国内外学者 和企业的高度重视, 开发和研制新型高效光生物 反应器及其在微藻高密度培养方面的应用研究已 成为藻类生物技术和微藻生物技术的一个重要组 成部分。 4�1� 开放式光生物反应器 开放式光生物反应器即开放池培养系统 ( open pond culture system ), 其最突出的优点是 构建简单、成本低廉及操作简便, 培养技术经过 广泛深入的试验, 已普遍应用于商业化微藻大规 模培养中。但开放式培养过程受光照、温度等自 然环境影响较大, 并且易被真菌、原生动物和其 他藻种污染, 同时水分蒸发严重, 二氧化碳供给 不足, 这些因素都将导致藻细胞培养密度偏低、 采收成本较高。能适应大池培养的微藻藻种必须 是在极端环境下能快速生长的藻种, 然而能满足 这些条件的藻种目前并不是太多, 有许多尝试改 进该系统, 但还是只能用于螺旋藻、小球藻及盐 藻等少数能耐受极端环境的微藻培养。 4�1�1� 结构特点 开放式光生物反应器结构简单, 容易放大, 成本低; 比表面积小 ( 1~ 10); 光能利用率低。 4�1�2� 培养特点 开放式光生物反应器生长参数难以控制, 培 养环境不稳定; 容易被污染, 很难实现无菌培 养; 产率较低 ( 10 ~ 20g / m2 ∋ d); CO2利用率 低。 4�1�3� 使用范围 开放式光生物反应器仅适用于少数能耐受极 端环境的微藻。 4�2� 密闭式光生物反应器 密闭式光生物反应器 ( c losed culture sys� tem ) 即通常所指的光生物反应器, 是用透明材 料组建的一类生物反应器, 除了它们能采集光能 外, 其它诸多方面与传统的微生物发酵用生物反 应器相似。密闭式光合生物反应器培养条件稳 定, 可无菌操作, 容易进行高密度培养, 已成为 今后的发展方向。 目前密闭式反应器有多种形式, 如发酵罐 式、管式和平板式、柱状气升式等光生物反应 器。M iyamo t等 [ 8]对水平设置的管道式光生物反 应器进行改进, 采用 -斜管或螺旋盘管式光生 物反应器, 并做了大量基础理论和应用研究。 1986年 Ramosde Ortega[ 9]等人首次开发平板式光 生物反应器; 许波和王长海 [ 10]首次在国内应用 平板式光生物反应器对一种高度合成高不饱和脂 肪酸 - 花生四烯酸的淡水微藻 Parietoch loris in� c ise进行了高密度培养研究。 机械搅拌式生物反应器是广泛应用于规模培 养微生物的生物反应器, 具有技术条件成熟, 易 于控制等优点, 因此可以利用现有发酵技术开展 微藻的研究开发工作, 国内外许多学者在这方面 都做了尝试研究 [ 11- 12]。对于浮式薄膜袋类, 最 初采用聚乙烯薄膜袋密闭式培养海洋微藻, 它有 受光面积大、保温性能好、污染机会小、成功率 高、成本低、操作简单的优点, 在提高藻种的密 度和纯度上取得了良好的效果, 该反应器在生产 性培养中得到应用, 但因无法解决薄膜袋的破损 漏水问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 , 没有得到很好推广。张小葵 [ 13]等人 对其进行了改进, 采用周长 200cm, 长度约 450cm的农用聚乙烯透明塑料薄膜袋, 两边分别 用绳封口, 同时各扎入长约 10cm, 直径 6cm的 聚乙烯硬管作为出气孔, 一端通入 3个充气石作 充气用, 将其漂浮在盛有水的原三级培养池中, 13 � � � � � CHEM ICAL ENGINEER ING DESIGN 化工设计 2008, 18(3) 两头出气孔用绳吊起, 以防袋口沉入水中。改进 之后具备很多优点: �膜袋内外压力均衡, 薄膜 几乎不受张力, 且薄膜袋在水中漂浮, 自由度相 对较大, 因而不仅大大方便了操作, 而且有效地 解决了塑料薄膜袋的破损漏水问题; 藻种分布 均匀; !具有良好的恒温性能; ∀能直接由密闭 培养的一级藻种向三级培养的塑料袋中接种, 避 免了多次接种操作造成的污染。 4�2�1� 结构特点 密闭式光生物反应器结构复杂, 放大较难, 成本较高; 比表面积大 ( 25 ~ 125) ; 光能利用 率高。 4�2�2� 培养特点 生长参数容易控制, 培养环境非常稳定; 容 易控制污染, 能够实现无菌培养; 产率较高 ( 15~ 30g / m 2 ∋ d) ; CO2利用率较高。 4�2�3� 使用范围 适用于各种微藻的培养。 5� 结语 ( 1) 海洋微藻资源丰富, 并且含有许多化 学结构新颖、具有特殊生理功能的生物活性物 质, 使微藻的养殖和产品开发成为新兴产业。现 代高新技术为海洋微藻的研究开发利用和产业化 提供更广阔的前景。 ( 2) 营养盐的配方是满足藻高密度培养的 基本条件。藻类培养方式如扰动的强度和营养盐 的更新速率也极大地影响藻的高密度生长。 ( 3) 光生物反应器已成为生产高附加值微 藻产品的技术平台。其中管式光生物反应器发展 最快, 其结构可调性强, 可适应多种微藻的培 养, 应用最广泛, 具有巨大的发展潜力。在反应 器设计方面将会不断探索各种微藻最佳的培养条 件和最低的成本消耗。 随着学科技术的发展, 基础理论研究的深 入, 加上各种新材料、新型高效光源的出现与使 用, 必将使密闭光生物反应器更为成熟, 生产成 本不断降低。微藻技术必将得到更多的应用和更 大的重视。 参 � 考 � 文 � 献 � � 1� 俞俊棠, 唐孝宣等 �生物工艺学 [M ] �北京: 化学工业 出版社, 2003: 312~ 315 2� 蒋霞敏, 郑亦周 � 14种微藻总脂含量和脂肪酸组成研究 [ J] �水生生物学报, 2003, 27 ( 3) : 243~ 247 3� 于 � 红, 张学成 �螺旋藻多糖对小鼠 S- 180肉瘤的免 疫抑制作用 [ J] �海洋科学, 2003, 27 ( 5) : 58~ 60 4� 于 � 贞, 王长海 �小球藻培养条件的研究 [ J] �烟台大 学学报, 2005, 18 ( 3) : 206~ 208 5� 周洪琪, 易翠平, 丁卓平等 �环境因子对青岛大扁藻、 亚心形扁藻、微绿球藻脂肪酸组成的影响 [ J] � 浙江 海洋学院学报, 2001, 20 ( z1) : 113~ 114 6� 颜润润, 逄 � 勇, 王 � 柯 �不同培养条件下扰动对两种 淡水藻生长的影响 [ J ] � 环境科学与技术, 2007, 30 ( 3) : 10~ 11 7� 张登沥, 何培民, 周洪琪 � 不同方法培养小球藻的试验 [ J] �上海水产大学学报, 1999, 8 ( 1) : 1~ 5 8� M iyam oto K, Wab le O, B enem ann J R� Vertical tubu lar re� actor form icroalgae cu lt ivat ion [ J] � B iotechno lLet t, 1988, ( 10) : 702~ 708 9� R amosde Ortega Roux JC� Product ion of ch lorella b iom ass in d ifferent types of flat b ioreactors in tem perate [ J ] � B io� m ass, 1986, ( 10 ): 14~ 156 10� 许 � 波, 王长海 �光生物反应器高密度培养 [ J ] �食 品与发酵工业, 2003, 29 ( 1) : 36~ 40 11� H uang Y M, Rorrer G L� C u lt ivat ion ofm icrop lant lets de� r ived from the m arine red alga Agatdh iella subu lata in a s tirred tank photob ioeractor [ J] � B iotechnol Prog, 2003: 1992: 418~ 427 12� SuW W, L iXuN S� S tate and param eter est im ation ofm i� croalgal photob ioreactor cultures based on local irrad iance m easu rem en t [ J ] � J B iotechno,l 2003, 105 ( 1 - 2 ) : 165~ 178 13� 张小葵等 �浮式塑料薄膜袋培养海洋微藻的研究 [ J] �海洋科学, 2004, 28 ( 12 ): 8~ 10 (修改回稿 2008- 05- 23) 湖北赤壁建设年产 20万吨甲醇项目 湖北省赤壁市政府与湖北银海实业投资有限公司日前在赤壁经济开发区举行年产 20万吨甲醇项目及房地产开发 项目签约仪式, 标志着总投资 6亿元年产量 20万吨的甲醇项目正式落户赤壁市。该项目在开发区征地 600亩, 主要以 北方优质煤为原料, 生产市场紧俏的甲醇及副产品。项目建成后, 年产值将可达到 10亿元, 可为国家上缴税金 8000 万元, 将成为赤壁市又一新的经济增长点。 (汪家铭 ) 14 2008, 18( 3) � � � � � � � � � � � � � � CHEM ICAL ENG INEERING DESIGN ABSTRACTS Im proveM anagem ent level forW ater Resource and Scientifica lly Consum eWa ter w ith Experience from Abroad Xue Zuyuan ( T ianch en Chem ica l Engineering Corpora tion of China, T ianjin 300400 ) � Introdu ce thatw ith experien ces of consum ing w ater andm anagem en t ofw ater resource from ab road su ch as th at w ater can be m u lt i- u sed, reused after w aste w ater treated and sea w ater desalted as w ell as rain w ater used for agriculture irrigat ion to im p rove m an agem en t level of w ater resources; pu t forw ard sugges tions for imp rov ing m anagem en t level of w ater resources in Ch in a. � Key words � h igh organ ic film � chem ically enh anced prim ary treatm en t� sea w ater desalinat ion� reverse osmos is� mu lt istage flash� ing and d istillation Research Prog ress of Cultiva tion of M arineM icroalga e and Photo- bioreactor Y iT ingq iang, et al ( Ch em ical E ng ineering C olleg e of S ichuan Universi ty, Ch engdu 610065 ) � Brief ly introdu ce featu re and appl icat ion status at p resen t at hom e and ab road; focus on condit ion s for cu ltu re of the m icroa lgae and fea� tures for d ifferen t photo- b ioreactors. � Key words� m icroa lgae� cu lt ivat ion� photo- b ioreator� progress Optim iza tion of Hydrogen R esource fo r P rocess Flow of Hydrogena ted R efinery RenH ong l,i et al ( Ea stC hinaDesign In sti tu te, ChinaP etroleum C onstruction Company, Qingdao 266071 ) � Introdu ce that reasonab ly ut ilizing hyd rogen resou rce is crit ical issue for selecting overall process flow of fu lly hyd rogenated ref inery and tak� ing efficien t m easures for reducing hyd rogen resou rce can save re� sou rces and reduce cos t; describes op tim izat ion and classificat ion of hyd rogen ut ilization in details. � Keywords� hyd rogen sou rce� op tim ization� eng ineering des ign� d is tribut ion of energy level CAD System Optim ization and Integration Ba sed on M atlab H eat Exchanger Dong Q iwu, et al (H ea t E nergy R esearch Cen ter of Zhengzhou Universi ty, Zh engzh ou 450002 ) � Norm ally com pu ter aid des ign is adopted for design of heat exchange equ ipm en t, but the op tim izat ion case can not ach ieved based on trad i� tional design id eology. Propose Mat lab opt im izat ion fun ct ion ofw h ich is comb ined w ith Ob jectARX programm ing und er MSVC environm en t by us ing technology of component ob jectm ode,l so as to ach ieve com� prehens ive integrat ion of CAD technology and op tim ization design for heat exchange equ ipm ent. � Key words� MATLAB� h eat exchange equ ipm en t� CAD � op ti� m ized des ign Recircula tion D esign for ProcessW ater of P ota to Starch P roduction D ing W enj ie, et al (M echanical Eng in eering Colleg e of N ingx ia Un iversity, Yinchuan 750021) � Analyze dem and for w aste w ater resou rce in starch p roduction in southm oun tain area ofN ingxia based on requ irem en t of large quan tity and h igh qu ality of w ater, and low tem peratu re environm en t etc. ; se� lect four- ef fect pressu re reduction evaporation as core technology for waste w ater recircu lation p rocess; ach ieve h igher econom ic target for steam con sum pt ion by us ing extended and reused com pu ter aid design m eans so as to provide techn ical reference for solv ing issues of lack ing water, and po llut ion in the starch p roduction. � Key words� potato starch � w aste water po llut ion � recircu lation p rocess� p late evaporator� m u lti- ef fect evaporation P iping Design for Product D ischarging Sys tem o f Gas Phase Polyethy lene P lant X ie Shufang ( Lanzhou Subsid iary, N ing bo E ng ineering Company, SINOPEC, L anzhou 730060) � In troduce p rocess f low and features of p roduct d ischarging system of gas phase polyethylene plan t, and opt im ized p ip ing design b ased on d etailed com parison and analysis ofm a in p ip ing arrangem ent and es� tab lishm ent and select ion of its supports. � Key words� po lyethylen e p lant� produ ct d ischarg ing system� p ip� ing des ign Effect of Unstable F low in P iping System and E lim ina tingM ea sures Liu Cunyu (Chem ical Eng ineering D epa rtm en t of Z ibo P rofessiona l Colleg e, Z ibo 255013) � Introduce d ifferent undes irab le effects to p ip ing system, caused by un stable flow of flu id, andm easures taken to el im inate such effect. � Key words� un stab le flow� effect� p ip ing system� elim inat ion Rea son of Less Streng th andM ore Dust of U rea Pril,l and Contro lM easures Taken Tong X iying (Zhongyuan Larg e S ize Chem ica l Group Co. , L td. , H enan P rovin ce, Puyang 457004) � Analyze reason of less strength and m ore du st of urea pril,l and put forward controlm easures taken. Key words� urea prill� strength� reason analys is� con trol Applica tion of R egu lar Loading Truck Contro l System in Eng ineering P ro ject Li P ing (H uan qiu GuangyeE ng ineering C o. , L td. , G uang zhou 510130) � Introduce p rocess and fun ct ion etc. of regu lar load ing truck contro l system for oils, and down load ing system w ith safety, clean, and eco� nom ic featu res, w h ich is gradually app lied and p rom oted in C h ina. � Key words� regu lar load ing truck con trol sys tem � o ils load ing� dow load ing sytem 1