光生物反應器培養微藻研究進展

国产v亚洲v天堂a? ? ? ?隨著石油等不可再生能源的日益減少及低碳經濟的迫切要求,生物能源已成各國的研發重點,但目前大多數的生物質能源是由作物制備的,與農業爭地,與人類爭糧,發展受到極大限制。微藻是壹類具有葉綠素的單細胞生物,可自養、種類多、分布廣、生長快,由於微藻在繁殖過程中可利用CO2,也可利用工業廢水和生活汙水中的廢物,避免與農業爭地,有利於實現有機廢物處理與生物質生產的耦合。收獲的微藻含有豐富的蛋白質、油脂、色素等多種生物質,是生產能源生物質、食品、飼(餌)料或醫藥產業的良好原料,且有可能成為化石燃料以及作物生物質的良好替代物,是實現能源可持續發展的有效途徑。

国产v亚洲v天堂a? ? ? ? 為了達到上述目的,微藻生產的產業化是必然之路,但是由於尚缺乏切實可行、適宜投資的實施方案,作為微藻產業化鏈條中的關鍵環節,微藻的大規模培養成為微藻產業化中公認的難點和熱點。目前,大規模培養微藻時所用的培養基大多是沼液、啤酒生產廢水、養殖廢水等有機廢物,可以收獲微藻作為生產飼料、色素、能源生物質等的原料;亟待解決的關鍵問題集中在減少病蟲害汙染、提高土地利用率和降低運行成本3個方面。常用的培養容器是光生物反應器,分為開放式和封閉式兩大類,開放式光生物反應器構造簡單、操作方便、運行成本低,是目前產業化培養中最常使用的生物反應器;封閉式光生物反應器則主要應用於實驗室或小規模培養微藻,制造、運行及維護成本均高於前者,但能夠較好地控制培養條件,具有更好的研究價值。

? ? ? ? 利用微藻處理廢氣、廢水和生產有機生物質,光生物反應器是關鍵工序和重要的限制因素,研發低成本、高產量的微藻生物反應器勢在必行。鑒於目前有關反應器研發不足,仍然存在諸多探討空間,本文將就上述兩大類微藻光生物反應器的特性進行回顧,比較其優劣,以期為相關研究提供借鑒。

1封閉式光生物反應器

封閉式光生物反應器內部和外界有壹定的隔離措施,便於實現微藻的無菌培養,有平板式、柱狀和管道式3種類型。

1. 1平板式光生物反應器

? ? ? ? PBR是用透光性能較好的玻璃、樹脂等材質制作而成的,結構相對簡潔、易加工、易清潔、成本低、操作條件容易控制。比表面積是影響微藻光合作用的主要因素,因此制作過程中盡量增加反應器的比表面積,並根據需要設計不同的光徑,另外為了獲得最佳的入射光強度,戶外放置的PBR通常要傾斜壹定的角度。

? ? ? ? ?齊祥明和崔海龍在多節隔板PBR的基礎上增加了多級進氣,建立了多級進氣多級隔板式PBR(圖1),有效提高了反應器的混合與傳質性能,通過與普通反應器的液體平均速度、死區比、湍動能、湍動能耗散率、氣含率、液相傳質系數等參數的對比,發現多級進氣多級隔板PBR各項指標均有很大提高。在通氣率(每分鐘通入反應器的氣體體積與反應器實際裝液體積之比)0.4~0. 8內,該反應器傳質及混合性能表現優異。所以,他們提出以多級進氣提高多節隔板反應器性能,並通過對比氣含率、液體平均速度、湍動能、湍動能耗散率、死區、液相傳質系數等性能評價參數得出多級進氣多節隔板反應器通過特有的進氣結構給出了更為優越的流動、混合性能,同時這種流動混合方面的優越性也明顯提高了該新型反應器的傳質性能,無疑將更加有利於微藻的培養。Alexandra等為了評估微藻培養對水資源恢復的潛力,從養分去除率和生物量生產2個方面評價了3臺0. 55 m2; PBR(圖2)的性能。PBR在室外(自然環境溫度和光照強度)運行,使用來自ANMBR的富營養廢水作為生長介質,該廢水由預處理汙水供給。太陽輻射是影響NRR的決定性因素。在光照強度203 000 lux、溫度25. 5℃、培養時間8d條件產生最大生物量52. 3mg, NRR為5.84 mg NH4-N·L-1·d-1和0. 85mg PO43–P.L- 1.d-1。在上述條件下,當進水中的營養鹽含量在40~ 50 mg N .L-1和6~7 mg p.L-1範圍內時,可以達到出水營養鹽標準(歐洲標準91 /271 /CEE)。溫度和太陽輻射對PBR培養微藻有重要影響,太陽輻射強度是短期內影響NRR的關鍵因素。

? ? ? ? ?PBR受到光照表面積大,藻液混合均勻,得到微藻生物量大;雖然其受制於制作材料的強度,放大困難,但可通過增加反應器單元實現;由於難以形成產業化規模化,限制了PBR的使用範圍,但在小規模的實驗室培養微藻中優勢顯著;操作簡單、易控制,不易被雜菌汙染、藻液收集方便,可以得到更高的生物量。

1. 2柱狀光生物反應器

? ? ? ? CBR由柱體、供氣裝置、控溫裝置、光源等組成。其中,柱體材料由透明玻璃或塑料制成;所供氣體由底部進入,頂部排出;光源設置在柱體內部或外部(可使用太陽光),內置光源雖然效率高但不易清洗,應用受到限制。按進氣模式分類有鼓泡式CBR(圖3)和氣升式CBR 2種,其中鼓泡式有同軸管式、分隔柱式、分離式和外循環式等類型[00;氣升式反應器內部分成上升區和下降區2個部分,氣體由上升區底部進入,因此底部培養液含氣率大、密度小,氣體就會自動上升到頂部,頂部的空間較大,氣體逸散後從排氣口排出,此時的培養液含氣率降低、密度變大,氣體就會從下降區流回至上升區底部而形成循環

? ? ? ? 郭禎等采用自制的鼓泡式CBR,通過批式及兩段法培養湛江等鞭金藻(Isochrysis zhanjian-R-ensis sp. nov,壹種產油模式藻種)。通過對微藻培養過程中pH、葉綠素熒光、微藻生物量及相關成分進行測定及分析,得到了此鼓泡柱式光生物反應器的培養條件範圍,並實現了對以上指標的可控和微藻油脂的積累。張芬芬等采用50 L內置光源氣升式反應器(圖4),使用響應曲面確定了最佳培養條件,內置光源為紅藍光、光照強度約9 000 lux、光暗周期17. s h :6. s h,收獲的小球藻的藻細胞密度為5. 48 x 107個·mL-‘,收獲小球藻幹重為1.21 g”L-‘,較優化前提高了157%。該柱式光生物反應器因體積較大,混合效果好,光源設置合理,且培養的藻密度較高,具有擴大培養規模的潛力,但考慮到試劑成本較高,需要進壹步研究。

? ? ? ? CBR具有傳質效率高、混合均勻、剪切力小、耗能低、操作簡單等優點,多用於實驗培養微藻。但CBR壹般容積小、造價高、放大困難,限制了其發展應用。本課題組采用內置光源氣升式進行藻種擴大,其實驗室培養條件易把控、光源充足、微藻生長快;但易染菌,需註意保持無菌環境或減少與外界接觸。

1. 3管道式光生物反應器

? ? ? ?PPBR也是采用透光材質制作,其光照表面積大、微藻生物量高、適合戶外培養,但存在管道內部光線不足、耗能高、占地面積大以及管道內培養液易出現pH, CO2濃度梯度差等缺點[17];同時,微藻易貼壁生長、氧解析困難,為此可以采取加大液體流速、減少管內裝置、采用較大的管道內徑及保持其光滑、加裝自動清洗裝置等方法降低貼壁現象。需要特別註意的是,大多數微藻最適生長溫度為20~30 ℃,而反應器內溫度會比周圍環境高10 30℃,應及時采取控溫措施。

? ? ? ?雷玉玲和吳晶對壹種新型帶螺旋肋的PPBR,用粒子追蹤模型模擬了微藻在反應器中的運動情況。發現調整螺旋肋的結構參數可以達到改變微藻所受光暗循環的情況。隨著螺旋助螺距P的增加,微藻細胞經歷的光暗循環率fav ,反應器光暗循環強化效率出現峰值。PPBR內部微藻細胞貼壁現象使管道內部的阻力增加,光透過率降低、氧解析困難、能耗增加等問題限制了該類反應器的發展及大規模應用。

2開放式光生物反應器

? ? ? ? ?PPBR可以通過在其中加入螺旋肋來增加藻液的流速,增加藻種與培養基的混合程度,大幅度的降低微藻貼壁生長的可能性,增加培養基中氧

開放式光生物反應器與外界環境相通,雖然降低了培養成本,但達不到無菌培養環境,藻種純度不能保障。開放式光生物反應器可分為跑道式和掛膜式等。

2. 1跑道式光生物反應器

? ? ? ? RPBR構造簡單、成本低廉、操作簡單,在過去的幾十年中已大量報道 RPBR以自然光為主要光源,但穿透性差,需保持淺水培養。RPBR(圖6)通過泵或漿輪驅動藻液流動,在反應器入水口處可流加新鮮培養基,經反應器循環後等速從出水口處排出。目前主要應用於各類汙水的處理中,在微藻商業化生產中應用最為廣泛。

? ? ? ? 跑道池式光生物反應器構件簡單、建造成本低、操作簡便並且可以利用空氣中的CO2,從而大大節省了生產過程所需費用。但是跑道式光生物反應器混合性能不佳、功耗較大,培養液若不能和微藻進行有效混合會降低微藻生長過程中的光利用率,影響微藻細胞與培養液間的物質交換、阻礙O2排出、致使藻細胞絮沈。宋培欽等利用戶外RPBR培養三角褐指藻,並探索了其優化條件。研究表明:鹽度為20的條件下,三角褐指藻獲得最大細胞

2. 2膜式光生物反應器

? ? ? ? MPBR利用了微藻吸附在固體培養基中形成生物膜的特點,因此其主要應用於大規模CO2固定及汙水處理. MPBR耗水少、微藻收獲成本低,但限制其應用的主要原因是膜汙染,膜汙染會導致過膜壓力升高、膜通量下降,進而使裝置耗能增加。膜汙染的形成原因是微生物及其殘骸、溶解性物質或膠體物質被吸附在膜的表面或內部並形成累積。

膜汙染不僅會降低膜的使用時間還會增加運行成本,因此對膜汙染的成因及控制措施的研究極為重要。目前,學者們主要通過對膜材料、混合液和操作參數進行研究。Prashant等研究了利用MPBR(圖7)處理三級廢水時汙泥停留時間對汙水中微藻生物量累積的影響。分析得出,SRT並不能很好的控制生物量去除率,但它可以有效地緩解光限制,提高MPBR的微藻生物量產量。Gera等采用3種不同的微藻培養基,結合MPBR對汙水進行處理。微藻與膜生物反應器系統聯合應用,可獲得高效的生物量和優質的滲透水生產的雙重受益。更換膜材料雖能大幅度減少膜汙染,但造成膜汙染的成因非常復雜,微生物分泌的溶解性產物和胞外分泌物必然存在,兩者是造成膜表面凝膠層形成的主要原因。因此膜汙染目前還不能完全消除,只能通過優化設計方案得到減緩。MPBR雖然只限於有吸附能力的微藻培養使用,但其具有對水資源消耗少、便於微藻采收等優點。目前對其報道較少,仍需進壹步試驗與研究。

 

3展望

? ? ? ? 封閉式光生物反應器雖然能夠有效控制微藻培養條件、減少汙染,適用於更多的藻種,其中平板式和管道式因水分蒸發少、條件易控制、光照面積大、獲得藻生物量大的特點被認為最具有商業化潛力,但較高的造價及維護成本仍是主要瓶頸。開放式光生物反應器能夠大規模培養微藻,降低培養成本,但藻種易受到汙染、培養條件不受控制,只適用於生存能力強、不易發生基因突變的藻種。其中跑道式光生物反應器結構簡單、建造容易、操作易實施故而應用較為廣泛(表1)

綜合上述反應器的現狀,可以預測以下3個方面有望成為發展趨勢。

①博采眾長,采用封閉式光生物反應器與開放式光生物反應器相結合的混合式微藻培養有望成為研究熱點。先采用封閉式光生物反應器培養得到大量純藻種,保證了後續生產所需純藻種的供給;再經過開放式光生物反應器進行大規模產業化生產,可以獲得更高產量,為生產具有附加值的生物質產品奠定基礎。

②減少耕地占用,將微藻培養光生物反應器盡量置於利用天然湖泊或近海的豐富水資源區域,可以大幅度降低微藻生產成本。可將藻種置於薄透膜袋中於湖泊或海水中培養,充分利用湖泊或海水中的營養物質生產得到微藻生物質。③研發新型高效的光生物反應器用於微藻培養,研發過程中應充分考慮微藻的生長特性、反應器的結構、光分布、培養基的傳質、藻液的混合等因素。

? ? ? ? 總之,微藻生物反應器各有利弊,為了取長補短、相互彌補,許多學者傾向於研發不同構造結合的混合型光生物反應器,成為近幾年的熱點,相關研究也陸續出現在文獻中,但大多僅限於實驗室規模,距離規模化應用還很遙遠。鑒於大部分研發涉及多學科領域知識的融合,尤其是材料學、光學、流體動力學等對生物學家比較陌生,呼籲更多不同專業領域的學者行動起來,互通有無、克服困難、聯合攻關,使微藻的大規模商業化養殖早日成為新的經濟增長點。

作者:李磊,張紅兵,李文濤,李會宣

轉自《生物技術進展》2020年第10卷第2期

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