光語帶妳認識微藻第三篇——微藻培養簡介

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国产v亚洲v天堂a第三篇——微藻培養簡介

單位:上海光語生物科技有限公司

微信公眾號:Leadingtec

作者:俞建中(微信號:Scophy117

 

雖然是簡介,本篇的題目還是有些大了,不過題目大了,內容可以少點嘛!就簡單講講微藻的營養代謝種類、培養需要的因子和常見的養殖模式。

這篇的內容多少專業性強了壹點點,內行可以直接略過不看,誌在做內行的外行可以掃壹眼。

 

分割線

本篇參引資料文中部分有提及,多數涉及篇幅未有列出。

都是文字不合適,準備摻點無關的圖進去,如無特殊註明,圖片均引自網絡。

 

 

微藻的培養,首先需要了解微藻的生物學習性,尤其是它的營養方式和所需的營養和環境條件,進而根據所知的信息和所要求的目的,設計養殖設施與工藝、實施生產。

  1. 營養方式——自養、異養和兼養

微藻的營養方式主要有三種:(光合)自養、異養和兼養。

自養:微藻利用光進行光作用,將CO2(無機碳)和水,在光能的作用下合成有機物(葡萄糖),這種獲取能量的營養生活方式稱之為光合自養(Photoautotrophy),比如我們常見的綠色植物——花草樹木這些,絕大多數是以此營養方式為主。

異養:有些微藻種類能夠在不需要光的情況下,利用簡單的有機碳,比如葡萄糖、氨基酸等作為碳源和能源進行生長繁殖,此稱之為異養(Heterotrophy)。

兼養:而微藻有光存在的情況下,同時利用CO2和有機碳進行生長代謝的營養方式,稱之為兼養(Mixotrophy)。(兼養有人稱之為混養,不過壹般情況下,混養指的是兩種以上藻類混合培養,英文單詞叫co-culture或mixed culture,講的是培養的類型,而不是營養的方式)

圖1. 光合作用示意圖

圖1. 光合作用示意圖

光自養生物定義為只需要光和無機物就能生長,壹小部分藻類具有氧化無機化合物獲取能量的能力,被稱之為化學自養。絕大部分微藻種類都屬於光自養類別,但實際上藻類生長依然需要攝入極少量的有機物(如維生素類)。

異養生物需要通過利用其他生物生產的有機物獲取能量同化外界物質,實現生長繁殖,某些藻類能耐受高濃度的有機物濃度來進行生產代謝活動,如DHA發酵藻種寇氏隱甲藻(Mendes et al., 2009)。

圖2.微藻異養需要用到的發酵罐系統

圖2.微藻異養需要用到的發酵罐系統

同時存在壹種光異養(Photoheterotrophic)方式,生物體需要在利用光能來吸收利用有機物和/或其他營養物質。

兼養生長通常定義為光自養加異養,有機物和CO2能夠同時被利用。而實際上因藻類不同而存在不同情況,有報道索羅金小球藻(C.sorokiniana)在夜間(無光)進行異養,而在白天(有光)進行兼養;但三角褐指藻在有光的情況下能實現兼養,同時利用有機物和CO2,但在無光的情況下,有機物無法被利用,即三角褐指藻的兼養過程中有機物的利用依賴光的存在,是壹種光異養方式。

 

  1. 微藻生長的營養與環境因子需求

對於微藻養殖所需的最佳營養需求,幾乎從微藻養殖進入研究領域之後就開始了。最初的時候,就開始利用土壤浸出液作為藻類培養的基液,學者Vonshak總結了微藻養殖所需培養基的幾個基本要素:

  • 培養基的總鹽度:由所養藻類原始生活地的環境決定(即盡可能模擬其生活的“土著”環境);
  • 培養基的化學組成:由K+、Mg2+、Na+、?Ca2+、SO42-和Cl等離子組成;
  • 碳源:如硝酸鹽、氨、尿素等;
  • 碳源:如CO2、HCO3(異養則為葡萄糖、乙酸等有機碳源);
  • pH;
  • 微量元素與螯合劑;
  • 維生素。

此外還需要關註的是:

  • 所補充的碳源(尤其是有機碳),需要考慮產物合成所需的碳骨架的需求,以及其他壹些要求,如pH調節。
  • 考慮微藻培養的目的,藻種保存,或獲得生物量,還是脅迫富集高值產物,需要分別考慮培養基的營養組成。

針對光自養藻類,科學家認為有30個相對重要的因素需要考慮。但營養的供給只是微藻培養的壹方面,其他環境因子和培養液攪拌混勻的因素也必須考慮。無論是光自養藻類還是異養微藻,主要的營養因子有碳(C)、氮(N)、磷(P)、矽(Si,矽藻需要)、各類微量元素和維生素,而主要的環境因子有光、溫度、pH等。

圖3.猜猜這是什麽藻

圖3.猜猜這是什麽藻

 

2.營養因子

(1)碳源

微藻中,碳元素的含量壹般能占到50%(除灰分外)左右。對光自養微藻而言,要保持高速生長,碳源(尤其是CO2)的供應異常重要。葡萄糖是異養中最常用的有機碳源,另外氨基酸、乙酸和甘油也被用於壹些藻類的異養。

(2)氮源

氮源是微藻生長的最重要因子,在微藻細胞中,因微藻種類不同,氮元素的含量在1~10%左右,並因氮源的供給量和可利用度而異,通常情況下,氮源的缺乏導致細胞顏色褪化,葉綠素含量減少。硝酸鹽、氨和尿素是最常用的三種氮源,氮源對微藻生長造成的影響因種而異,偏好不壹。

(3)磷源

磷是跟微藻細胞生長和代謝密切相關的另壹個的元素,盡管它在藻類細胞中所占的比例不超過1%,但它是核酸物質(DNA/ RNA)、ATP、細胞膜的基礎組成元素,磷的缺乏會嚴重影響微藻細胞的生命活動。

(4)矽

矽元素,對矽藻而言是壹種重要的元素,它構成矽藻的細胞外殼,是矽藻生長的限制因子之壹。在培養中,矽壹般以五水偏矽酸鈉(Na2SiO3·5H2O)和九水偏矽酸鈉(Na2SiO3·9H2O)的形式添加,在水中形成矽酸(Si(OH)4),被細胞吸收後轉化為水合氧化矽(SiO2·nH2O)。

(5)其他(微量)元素與維生素

硫(S)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鉀(K)等其他壹些(微量)元素也是微藻生長所必須的物質。微藻必需的微量元素還有鉬(Mo)、銅(Cu)、釩(V)、鈷(Co)、錳(Mn)、鋅(Zn)、硼(B)、鐵(Fe)等。微藻培養中所需的維生素有B12、B1、生物素等種類,通常自然水體中就有壹定含量,具有提升微藻生長的速度的功能。

圖4. 在適宜營養及環境因子具備的情況下,自然水域經常見到各色藻華。(澳大利亞Clovelly Beach,由夜光蟲形成的藻華)

圖4. 在適宜營養及環境因子具備的情況下,自然水域經常見到各色藻華。(澳大利亞Clovelly Beach,由夜光蟲形成的藻華)

 

3.環境因子

(1)光照

對於光自養藻類而言,光是不可或缺的,微藻細胞對光的利用與光強度、細胞密度、光徑長度/培養液層厚度和攪拌的劇烈程度都有關系。

(2)溫度

溫度能影響微藻對營養的需求、新陳代謝的速錄和細胞內的組分,因此在微藻培養中需要對其進行控制。如果低於該藻的最適溫度,會影響微藻的生長速率,而高於最適問題,則會增加其呼吸作用強度,甚至致死。

(3)pH

微藻的胞內pH依賴壹個耗能系統來維持,在非最優pH環境下生長的細胞會加大能量消耗,從而減少了用於生長的能量,降低產率。而水體中CO2, HCO3和CO3的含量和比例是維持pH平衡的主要因素。pH會影響微藻對營養物質的吸收和同化。

圖5.夜光蟲形成的藻華在夜間如夢如幻(2015年5月8日,日本福井縣)

圖5.夜光蟲形成的藻華在夜間如夢如幻(2015年5月8日,日本福井縣)

4.微藻培養系統

微藻的商業化養殖,要求該藻種易於培養,並能夠達到壹個合理的養殖規模,因此微藻培養系統的建立不僅需要考慮養殖品種的生物學特性,還要考慮養殖的目的。

微藻培養系統通常分為開放系統和密閉系統,其中密閉系統包括光生物反應器(photobioreactor,PBR)和發酵罐。培養系統的選擇,取決於幾個因素,包括微藻種類、生長模式、產品形式、產品經濟價值和預期用途。培養系統的選擇還要考慮微藻的三種營養方式(光自養、異養和兼養),如開放式系統通常只用於光自養藻類,密閉式系統可用於光自養和兼養藻類,而發酵罐系統用來培養可異養的藻類。如表1,對三種培養系統的各自特點進行了羅列。

表1..不同微藻生產系統的比較

表1. 不同微藻生產系統的比較

 

1)開放式系統

開放系統(如圓池、跑道池池、敞口水箱、湖等)是最粗放的培養系統,依靠陽光作為唯壹光源。開放系統最大的優勢是造價低廉且運行簡單。但是只有有限幾種微藻可以在開發式培養系統中養殖生產,比如螺旋藻和小球藻,這些微藻通常具有克制其他微藻繁殖的特征。

圖6. 福清新大澤公司位於海南儋州的螺旋藻養殖基地(跑道池)

圖6. 福清新大澤公司位於海南儋州的螺旋藻養殖基地(跑道池)

圖7. 東莞綠安奇公司位於廣東河源的小球藻養殖基地(圓池)

圖7. 東莞綠安奇公司位於廣東河源的小球藻養殖基地(圓池)

 

開放式培養系統的劣勢也非常明顯,如養殖過程和周邊環境的可控性差,因此容易受到汙染,生物量難以達到高密度等,產率低且不穩定,成本高。

2)封閉式光生物反應器

封閉式培養系統能夠降低養殖中汙染的風險而提高生產的成功率,另外,養殖過程能夠得到嚴密的檢測和控制。目前得到應用的密閉式反應器有管道、平板式反應器和氣升系統。

使用密閉式系統,能提高光利用效率和細胞密度,從而提高產率。但通常具有單位體積小,建設成本高,運行能耗高等問題。

就目前的技術而言,投資成本和運行成本過大限制了該系統的廣泛應用,僅生產高值產物的藻類得以利用此類系統並得到推廣,如利用管道式反應器生產含蝦青素的雨生紅球藻(雲南愛生行等)。

圖8. 雲南石林愛生行公司雨生紅球藻養殖基地(管道式)

圖8. 雲南石林愛生行公司雨生紅球藻養殖基地(管道式)

 

(3)發酵系統與可異養微藻

發酵系統應用於可異養培養的微藻生產。此系統最初開發應用於細菌和酵母等微生物的生產,多年的發展已經使得此系統非常的完善,在世界範圍內的應用非常廣泛,規模巨大。異養系統的優勢在於制造和運行技術成熟,可推廣應用至所有可異養的種類,不需要光,系統集成度高,無地域限制,土地需求小。但發酵系統在微藻中的應用也存在壹些劣勢,如僅有少部分微藻種類(如小球藻、寇氏隱甲藻)能夠進行異養,運行中依然存在染菌問題,微藻對有機物的耐受濃度低,容易受到抑制,異養條件下,藻類的細胞組分發生變化,尤其是壹些需要有光存在的條件下才能富集的物質含量減少(如異養培養的小球藻蛋白含量偏低,且無光導致葉綠素含量明顯減少)。

圖9. 壹張小球藻產品的宣傳圖片,藻粉顏色綠中帶黃,明顯為異養發酵生產的小球藻,純光養的小球藻為墨綠色。

圖9. 壹張小球藻產品的宣傳圖片,藻粉顏色綠中帶黃,明顯為異養發酵生產的小球藻,純光養的小球藻為墨綠色。

 

圖10. 光語公司研發的實驗用管道式微藻光生物反應器

圖10. 光語公司研發的實驗用管道式微藻光生物反應器

 

微藻異養技術已經在多種微藻中實現(如表2所列多種可異養微藻種類),甚至已經應用於部分種類的規模化生產。雖然發酵系統壹向被認為建設投入大、運行成本高,但在規模達到壹定程度後,依然可以將生產成本降低到可接受,甚至會低於光自養的生產成本。

表2. 可異養微藻種類及應用

表2. 可異養微藻種類及應用

 

 

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說到養殖系統的事,關心的人很多,總在比較這個好還是那個好,未來用什麽模式合適之類的。在老俞看來,沒這個好那個好的問題,就是個合適不合適的問題。往大了說,涉及到資源和目標關系,站國家角度可能更看中資源的利用效率,站個人和企業的角度就要考慮成本和收益,個體戶、小企業和大企業各自的立足點也不同,所以采用哪種模式,真的沒法壹言而定。如澳大利亞養殖鹽藻,有大片的天然鹽湖可以利用,產率低含量低都不算個事;而以色列的鹽藻養殖就得去修跑道池;以色列和雲南的紅球藻利用管道養殖,而日本富士甚至有采用室內人工光源的反應器;如管道培養的小球藻相對質量穩定,即使成本高,卻有充足的理由喊高價。

所以在說哪種系統好,或者合適之前,先回答以下壹些問題:要開發哪個藻種?該藻種有什麽生物學特性?產品準備用於開發什麽產品,賣給哪個客戶人群?總市場容量有多少?打算占有多少市場容量?技術門檻和資金門檻準備提到多高?準備在行業內做最大還是最強?手頭錢多地少,還是有現成的大片土地?水電資源及原料是否豐富?有沒有可靠的技術團隊作為支撐等等。

俞建中

2017年01月22日

俞建中博士系列藻類科普文章鏈接:

光語帶妳認識微藻 第壹篇——什麽是微藻

光語帶妳認識微藻 第二篇——微藻的商業化開發和應用

光語帶妳認識微藻 第三篇——微藻培養簡介

光語帶妳認識微藻 第四篇——紫球藻

光語帶妳認識微藻 第五篇——雨生紅球藻

光語帶妳認識微藻 第六篇——蝦青素與其功效

光語帶妳認識微藻 第七篇——鹽藻與β-胡蘿蔔素

光語帶妳認識微藻 第八篇——地木耳、發菜和葛仙米

光語帶妳認識微藻 第九篇——微藻與不飽和脂肪酸

光語帶妳認識微藻 第十篇——裸藻(Euglena)

光語帶妳認識微藻 第十壹篇——螺旋藻(壹)

光語帶妳認識微藻 第十二篇—— 小球藻

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