微藻培養(yǎng)與光生物反應器

1、 第七章第七章 海洋微藻培養(yǎng)技術與光生物反應器海洋微藻培養(yǎng)技術與光生物反應器（1）掌握海洋藻類的分類及微藻營養(yǎng)模式）掌握海洋藻類的分類及微藻營養(yǎng)模式（2）熟悉藻種的分離純化）熟悉藻種的分離純化（3）了解海洋微藻培養(yǎng)技術）了解海洋微藻培養(yǎng)技術（4）了解光生物反應器及其微藻培養(yǎng)系統(tǒng)）了解光生物反應器及其微藻培養(yǎng)系統(tǒng)第一部分第一部分 微藻及其應用微藻及其應用 1. 微藻定義及分類微藻定義及分類 藻類是能夠進行放氧光合作用的自養(yǎng)無胚植物藻類是能夠進行放氧光合作用的自養(yǎng)無胚植物 藻類藻類按細胞大小按細胞大小 大藻大藻 (如海帶、紫菜、裙帶等如海帶、紫菜、裙帶等) 微藻微藻 (如小球藻、螺旋藻、鹽藻、柵藻

2、、如小球藻、螺旋藻、鹽藻、柵藻、 紫球藻、雨生紅球藻、魚腥藻等紫球藻、雨生紅球藻、魚腥藻等)按生長的環(huán)境按生長的環(huán)境水生微藻水生微藻 陸生微藻陸生微藻 氣生微藻氣生微藻 按生活方式按生活方式 浮游微藻浮游微藻 底棲微藻底棲微藻 淡水生淡水生 海水生海水生 2. 微藻的應用價值微藻的應用價值 微藻具有三個基本特性微藻具有三個基本特性 1.種類很多，生理學和生化特性范圍很廣種類很多，生理學和生化特性范圍很廣,因此微藻能產(chǎn)生因此微藻能產(chǎn)生很多功能獨特的脂肪、多糖、蛋白、類胡蘿卜素等生物很多功能獨特的脂肪、多糖、蛋白、類胡蘿卜素等生物活性物質；活性物質；2.微藻能低成本地將用于標記的同位素微藻能低成本

3、地將用于標記的同位素13C、15N和和2H結合結合進入體內(nèi)進入體內(nèi),因而這類標記元素可進入微藻產(chǎn)生的各種代謝因而這類標記元素可進入微藻產(chǎn)生的各種代謝產(chǎn)物中；產(chǎn)物中； 3.微藻包括了一個大而尚未開發(fā)的生物類群，因而提供了微藻包括了一個大而尚未開發(fā)的生物類群，因而提供了一個實質上未開發(fā)的資源寶庫。一個實質上未開發(fā)的資源寶庫。 微藻的特性微藻的特性,決定了微藻在醫(yī)藥、食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖、決定了微藻在醫(yī)藥、食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖、化工、能源、環(huán)保、農(nóng)業(yè)及航天等領域有著重要的開發(fā)化工、能源、環(huán)保、農(nóng)業(yè)及航天等領域有著重要的開發(fā)價值價值 微藻的應用價值微藻的應用價值 n醫(yī)藥來源醫(yī)藥來源 微藻中的生物活性物質具有抗腫瘤

4、、抗病毒、抗真微藻中的生物活性物質具有抗腫瘤、抗病毒、抗真菌、防治心血管疾病、防治老年人癡呆癥等功能。菌、防治心血管疾病、防治老年人癡呆癥等功能。 螺旋藻螺旋藻對于糖尿病、高血壓、心臟病、胃病、貧血對于糖尿病、高血壓、心臟病、胃病、貧血病、肝病、腎臟病、風濕病、骨質疏松癥、肥胖癥、營病、肝病、腎臟病、風濕病、骨質疏松癥、肥胖癥、營養(yǎng)不良、癌癥、愛滋病等具有預防和輔助療效。養(yǎng)不良、癌癥、愛滋病等具有預防和輔助療效。 n保健食品保健食品 微藻中含有豐富的蛋白質、多不飽和脂肪酸、維生微藻中含有豐富的蛋白質、多不飽和脂肪酸、維生素、多糖、礦物質等素、多糖、礦物質等,是極好的天然保健食品。是極好的天然保

5、健食品。 此外，微藻中含有大量的此外，微藻中含有大量的天然色素。天然色素。 微藻的應用價值微藻的應用價值n餌料餌料 蝦和蟹在長成過程中主要使用動物餌料蝦和蟹在長成過程中主要使用動物餌料(如輪蟲、鹵蟲等如輪蟲、鹵蟲等)，而培養(yǎng)這些動物本身所用的餌料全部是微藻。微藻中的不飽和而培養(yǎng)這些動物本身所用的餌料全部是微藻。微藻中的不飽和脂肪酸是水產(chǎn)動物不可缺少的營養(yǎng)，一些微藻產(chǎn)生的蝦青素等脂肪酸是水產(chǎn)動物不可缺少的營養(yǎng)，一些微藻產(chǎn)生的蝦青素等色素對人工養(yǎng)殖的蝦和魚具有很好的著色作用。色素對人工養(yǎng)殖的蝦和魚具有很好的著色作用。 n基因工程產(chǎn)品基因工程產(chǎn)品 如兔防御素（如兔防御素（NP-1）、金屬硫蛋白（）、

6、金屬硫蛋白（MT）、人腫瘤壞死因）、人腫瘤壞死因子、人表皮生長因子、磷酸酯酶、超氧化物歧化酶（子、人表皮生長因子、磷酸酯酶、超氧化物歧化酶（SOD）及）及殺幼蚊毒素等。殺幼蚊毒素等。 利用微藻作為表達系統(tǒng)生產(chǎn)基因工程產(chǎn)物具有兩大優(yōu)點利用微藻作為表達系統(tǒng)生產(chǎn)基因工程產(chǎn)物具有兩大優(yōu)點: 無知識產(chǎn)權問題無知識產(chǎn)權問題; 產(chǎn)物的分離純化較簡單。產(chǎn)物的分離純化較簡單。n其它應用其它應用 能源能源 航天航天 化工化工 環(huán)保環(huán)保 農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)3. 微藻的國內(nèi)外應用現(xiàn)狀及存在的問題微藻的國內(nèi)外應用現(xiàn)狀及存在的問題 微藻產(chǎn)業(yè)微藻產(chǎn)業(yè)已初見倪端已初見倪端,但尚未真正形成，其原因分析如下：但尚未真正形成，其原因分析如下

7、：微藻產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化包括五個環(huán)節(jié)：微藻產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化包括五個環(huán)節(jié)：1.獲得優(yōu)質藻種獲得優(yōu)質藻種(即微藻上游生物技術即微藻上游生物技術)2.微藻的大規(guī)模培養(yǎng)微藻的大規(guī)模培養(yǎng)3.微藻的大規(guī)模采收微藻的大規(guī)模采收(即從培養(yǎng)液中分離出微藻細胞即從培養(yǎng)液中分離出微藻細胞)4.微藻細胞內(nèi)產(chǎn)物的分離提取微藻細胞內(nèi)產(chǎn)物的分離提取5.產(chǎn)品開發(fā)產(chǎn)品開發(fā) 目前我國在微藻生物上游技術方面具有較好的工作基礎目前我國在微藻生物上游技術方面具有較好的工作基礎(尤其是在微藻基因工程方面處于國際先進水平尤其是在微藻基因工程方面處于國際先進水平)，而在，而在微藻的微藻的大規(guī)模培養(yǎng)大規(guī)模培養(yǎng)、采收和胞內(nèi)產(chǎn)物的分離提取采收和胞內(nèi)產(chǎn)物的分

8、離提取方面基礎薄弱，它方面基礎薄弱，它是制約我國微藻產(chǎn)業(yè)形成的根本原因所在。是制約我國微藻產(chǎn)業(yè)形成的根本原因所在。 第二部分第二部分 微藻營養(yǎng)模式微藻營養(yǎng)模式 微藻微藻原核微藻原核微藻 (藍藻藍藻 )真核微藻真核微藻 (其它微藻其它微藻 )主要的營養(yǎng)方式是主要的營養(yǎng)方式是光自養(yǎng)光自養(yǎng) 也存在著也存在著其他其他的營養(yǎng)模式的營養(yǎng)模式 微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)微藻光自養(yǎng)培養(yǎng) 微藻大多數(shù)是專性光合自養(yǎng)生物，以光作為能量還原微藻大多數(shù)是專性光合自養(yǎng)生物，以光作為能量還原CO2同化為碳水化合物，而獲得生物量。光合成反應同化為碳水化合物，而獲得生物量。光合成反應如下：如下： CO2 + NO3- + PO43- +

9、H2O + 太陽能太陽能 CH2ONP + O2 目前國內(nèi)外微藻的目前國內(nèi)外微藻的大規(guī)模培養(yǎng)大規(guī)模培養(yǎng)均屬均屬光自養(yǎng)培養(yǎng)光自養(yǎng)培養(yǎng)。 微藻光自養(yǎng)生長的影響因子微藻光自養(yǎng)生長的影響因子1)光照光照 2)溶解氧溶解氧 3)培養(yǎng)液培養(yǎng)液pH 4)營養(yǎng)鹽營養(yǎng)鹽 5)溫度溫度光照光照 光是微藻生長的重要限制因素。當溫度和營養(yǎng)不限制光是微藻生長的重要限制因素。當溫度和營養(yǎng)不限制其生長時，其生長時，光就成為影響微藻光自養(yǎng)生長的主要因素光就成為影響微藻光自養(yǎng)生長的主要因素。 光不僅有光周期、光質和光強的不同，還有明顯的時、光不僅有光周期、光質和光強的不同，還有明顯的時、空（緯度、水體深度的變化?？眨ň暥取⑺w

10、深度的變化。光照光照n 一般情況下，在一定光照度范圍內(nèi)，微藻的光合作用效率一般情況下，在一定光照度范圍內(nèi)，微藻的光合作用效率會隨光照度的增加而增加，但當光照度達到一定值時，光會隨光照度的增加而增加，但當光照度達到一定值時，光合作用效率幾乎保持在一定水平，不再增加，這種現(xiàn)象稱合作用效率幾乎保持在一定水平，不再增加，這種現(xiàn)象稱為為光飽和效應光飽和效應。n 如果光照度超過光飽和點一定限度后，微藻的光合作用效如果光照度超過光飽和點一定限度后，微藻的光合作用效率將會下降，導致細胞生長減緩，甚至死亡，這就是通常率將會下降，導致細胞生長減緩，甚至死亡，這就是通常所說的所說的光抑制現(xiàn)象光抑制現(xiàn)象。溶解氧溶解氧

11、 微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程會產(chǎn)生大量氧氣，需從培微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程會產(chǎn)生大量氧氣，需從培養(yǎng)液中解析出去。養(yǎng)液中解析出去。 對于管道式光生物反應器系統(tǒng)，溶解氧的積聚是對于管道式光生物反應器系統(tǒng)，溶解氧的積聚是一個嚴重的問題，需要專門設計的一個嚴重的問題，需要專門設計的脫氣系統(tǒng)脫氣系統(tǒng)有效釋放有效釋放光合作用放出的氧氣。光合作用放出的氧氣。培養(yǎng)液培養(yǎng)液pH n 微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程的微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程的pH基本呈上升趨勢基本呈上升趨勢n 控制培養(yǎng)液控制培養(yǎng)液pH的最好方法是利用的最好方法是利用CO2 營養(yǎng)鹽營養(yǎng)鹽 n微藻生長所需要的營養(yǎng)元素有微藻生長所需要的營養(yǎng)元素有1520種，種，C、N、P 是微藻生長

12、是微藻生長的主要營養(yǎng)。的主要營養(yǎng)。 n對于微藻光自養(yǎng)生長而言，主要利用對于微藻光自養(yǎng)生長而言，主要利用無機態(tài)的無機態(tài)的碳碳源源。n微藻可直接利用空氣中的微藻可直接利用空氣中的CO2進行生長，但進行生長，但CO2必須先溶解于必須先溶解于水中，且主要以水中，且主要以HCO3的形式被利用。的形式被利用。n HCO3鹽鹽也可直接作為微藻生長的碳源，如螺旋藻大規(guī)模培養(yǎng)也可直接作為微藻生長的碳源，如螺旋藻大規(guī)模培養(yǎng)常采用的是常采用的是NaHCO3。溫度溫度 一般在一般在1825，但因藻種的不同其最適溫度有所差異，但因藻種的不同其最適溫度有所差異，具有不同的溫度忍受限，如某些藍藻可在具有不同的溫度忍受限，如

13、某些藍藻可在93下正常生活，下正常生活，而另外一些綠藻則可在冰雪中生長。而另外一些綠藻則可在冰雪中生長。微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)n微藻在無光照的條件下，利用外源有機物包括糖類、微藻在無光照的條件下，利用外源有機物包括糖類、蛋白水解物、有機酸等進行生長。蛋白水解物、有機酸等進行生長。n異養(yǎng)用培養(yǎng)基一般是在光能自養(yǎng)培養(yǎng)基的基礎上添加異養(yǎng)用培養(yǎng)基一般是在光能自養(yǎng)培養(yǎng)基的基礎上添加葡萄糖、乙酸鹽、甘油等有機碳源，蛋白等有機氮源葡萄糖、乙酸鹽、甘油等有機碳源，蛋白等有機氮源等。等。 與光合自養(yǎng)培養(yǎng)相比較，微藻大規(guī)模異養(yǎng)培養(yǎng)具有如下與光合自養(yǎng)培養(yǎng)相比較，微藻大規(guī)模異養(yǎng)培養(yǎng)具有如下優(yōu)點優(yōu)點:1)微藻生長

14、繁殖速度加快微藻生長繁殖速度加快，藻生物量濃度大大提高。在異，藻生物量濃度大大提高。在異養(yǎng)培養(yǎng)時，藻細胞濃度可達到或接近大腸桿菌及酵母的養(yǎng)培養(yǎng)時，藻細胞濃度可達到或接近大腸桿菌及酵母的濃度。如美國濃度。如美國Market公司異養(yǎng)培養(yǎng)公司異養(yǎng)培養(yǎng)Nitzschia alba以生產(chǎn)以生產(chǎn)EPA時，時，64h藻體濃度達藻體濃度達4548g/L(Barclay et al, 1994)。Running等人等人(Running et al,1994)異養(yǎng)培養(yǎng)異養(yǎng)培養(yǎng)Chlorella pyrenoidosa 以生產(chǎn)維生素以生產(chǎn)維生素C，藻濃度最高可達，藻濃度最高可達100g/L。 2)從工業(yè)化角度分析，

15、異養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)更便于生產(chǎn)過程控制以實現(xiàn)從工業(yè)化角度分析，異養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)更便于生產(chǎn)過程控制以實現(xiàn)純種培純種培養(yǎng)及穩(wěn)定的生產(chǎn)養(yǎng)及穩(wěn)定的生產(chǎn)。對于食品、高附加值精細化工產(chǎn)品以及一些屬于醫(yī)。對于食品、高附加值精細化工產(chǎn)品以及一些屬于醫(yī)藥授權范圍內(nèi)的產(chǎn)品（包括藻類基因工程產(chǎn)品），其生產(chǎn)必須是封閉藥授權范圍內(nèi)的產(chǎn)品（包括藻類基因工程產(chǎn)品），其生產(chǎn)必須是封閉式純種培養(yǎng)。在封閉的生物反應器中進行微藻異養(yǎng)培養(yǎng)，不但可實現(xiàn)式純種培養(yǎng)。在封閉的生物反應器中進行微藻異養(yǎng)培養(yǎng)，不但可實現(xiàn)純種培養(yǎng)而且還可保證生產(chǎn)的重復性和連續(xù)性。純種培養(yǎng)而且還可保證生產(chǎn)的重復性和連續(xù)性。 3)使用異養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)可使用異養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)可降低微藻生產(chǎn)

16、成本降低微藻生產(chǎn)成本。采收成本占現(xiàn)在微藻生產(chǎn)總。采收成本占現(xiàn)在微藻生產(chǎn)總成本的比例高達成本的比例高達33%。高的微藻濃度可降低采收困難、減少所需處理。高的微藻濃度可降低采收困難、減少所需處理的藻液體積，從而有效地降低采收成本及微藻生產(chǎn)的總成本。的藻液體積，從而有效地降低采收成本及微藻生產(chǎn)的總成本。 4)微藻異養(yǎng)培養(yǎng)技術同異養(yǎng)微生物培養(yǎng)技術極為相似，因而可借鑒微生微藻異養(yǎng)培養(yǎng)技術同異養(yǎng)微生物培養(yǎng)技術極為相似，因而可借鑒微生物培養(yǎng)中的成熟技術及設備，來實現(xiàn)微藻大規(guī)模異養(yǎng)培養(yǎng)，這將大大物培養(yǎng)中的成熟技術及設備，來實現(xiàn)微藻大規(guī)模異養(yǎng)培養(yǎng)，這將大大加快微藻及其產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進程。加快微藻及其產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進

17、程。 微藻異養(yǎng)培養(yǎng)在具有上述優(yōu)點的同時也具有幾個微藻異養(yǎng)培養(yǎng)在具有上述優(yōu)點的同時也具有幾個缺點缺點 :1)已知可異養(yǎng)培養(yǎng)的微藻種類較少；已知可異養(yǎng)培養(yǎng)的微藻種類較少； 2)易被細菌污染易被細菌污染 ； 3)低濃度水溶性有機物對微藻生長產(chǎn)生抑制作用；低濃度水溶性有機物對微藻生長產(chǎn)生抑制作用； 4)不能生產(chǎn)光誘導物（如色素等）不能生產(chǎn)光誘導物（如色素等） 可通過廣泛的藻種篩選克服第一個缺點；用可通過廣泛的藻種篩選克服第一個缺點；用混合營養(yǎng)培養(yǎng)混合營養(yǎng)培養(yǎng)（即異養(yǎng)培養(yǎng)時加光照）和（即異養(yǎng)培養(yǎng)時加光照）和異養(yǎng)異養(yǎng)-光自養(yǎng)串聯(lián)培養(yǎng)光自養(yǎng)串聯(lián)培養(yǎng)可部分克服第可部分克服第四個缺點。四個缺點。 由上可見微藻異

18、養(yǎng)具有明顯的優(yōu)勢，其大規(guī)模培養(yǎng)中存在由上可見微藻異養(yǎng)具有明顯的優(yōu)勢，其大規(guī)模培養(yǎng)中存在的問題，可借用生化工程領域中較為成熟的微生物培養(yǎng)技術來的問題，可借用生化工程領域中較為成熟的微生物培養(yǎng)技術來解決。解決。 混合營養(yǎng)（兼養(yǎng)）培養(yǎng)：混合營養(yǎng)（兼養(yǎng)）培養(yǎng)：微藻在有光照的條件下，微藻在有光照的條件下，既利用既利用COCO2 2進行光合作用又利用外源有機物生長。進行光合作用又利用外源有機物生長。 異養(yǎng)異養(yǎng)- -光自養(yǎng)串聯(lián)培養(yǎng)：光自養(yǎng)串聯(lián)培養(yǎng)：微藻先進行異養(yǎng)培養(yǎng)，然微藻先進行異養(yǎng)培養(yǎng)，然后進行光自養(yǎng)培養(yǎng)以提高藻細胞品質。后進行光自養(yǎng)培養(yǎng)以提高藻細胞品質。微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng) 微藻光自養(yǎng)培

19、養(yǎng)有微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)有開放式開放式、半封閉式半封閉式與與封閉式封閉式等幾種等幾種方式，方式，培養(yǎng)系統(tǒng)培養(yǎng)系統(tǒng)包括天然湖泊、敞開式跑道池、管道式包括天然湖泊、敞開式跑道池、管道式或平板式等形式的光生物反應器。一般采用或平板式等形式的光生物反應器。一般采用機械機械、鼓泡鼓泡或或氣升循環(huán)氣升循環(huán)等攪拌方式。等攪拌方式。 1.敞開式跑道池培養(yǎng)系統(tǒng)敞開式跑道池培養(yǎng)系統(tǒng) 2.封閉式光生物反應器生產(chǎn)系統(tǒng)封閉式光生物反應器生產(chǎn)系統(tǒng) 藻種的分離純化1. 微藻藻種的分離微藻藻種的分離 從天然水域運用一定的方法，將微藻篩選分離出來，獲得單種從天然水域運用一定的方法，將微藻篩選分離出來，獲得單種培養(yǎng)。培養(yǎng)。1.1 藻種

20、的采樣藻種的采樣（1）采集所需要分離的藻種水樣，個體較大的浮游藻類，利用浮）采集所需要分離的藻種水樣，個體較大的浮游藻類，利用浮游生物網(wǎng)在水中撈?。挥紊锞W(wǎng)在水中撈??；（2）個體較小的種類，通過超濾、離心等方法處理；）個體較小的種類，通過超濾、離心等方法處理；（3）應注意采集海岸上留存下來的小水洼；）應注意采集海岸上留存下來的小水洼；（4）分離底棲硅藻，可刮取潮間帶的）分離底棲硅藻，可刮取潮間帶的“油泥油泥”，加海水攪拌后，加海水攪拌后，棄去泥沙后用篩絹濾去大型藻類和雜質。棄去泥沙后用篩絹濾去大型藻類和雜質。1.2 預備培養(yǎng)預備培養(yǎng)（1）培養(yǎng)液：根據(jù)所需分離的藻類，配制不同的培養(yǎng)液。）培養(yǎng)液：

21、根據(jù)所需分離的藻類，配制不同的培養(yǎng)液。預培養(yǎng)的營養(yǎng)鹽濃度要低些。對于一些難以培養(yǎng)的預培養(yǎng)的營養(yǎng)鹽濃度要低些。對于一些難以培養(yǎng)的種類，最好加入土壤浸出液。如藻種類較多，應使種類，最好加入土壤浸出液。如藻種類較多，應使用幾種不同的培養(yǎng)液；用幾種不同的培養(yǎng)液；（2）預培養(yǎng)容器：）預培養(yǎng)容器：250ml三角瓶三角瓶1.3 分離方法分離方法（1）離心法）離心法（2）趨向運動法）趨向運動法（3）稀釋法）稀釋法（4）平板分離法）平板分離法（5）毛細吸管法）毛細吸管法2. 微藻藻種的無菌純化微藻藻種的無菌純化 通過抗生素抑菌和平板法相結合進行無菌純通過抗生素抑菌和平板法相結合進行無菌純化?；?在弱光下進行培

22、養(yǎng)。在弱光下進行培養(yǎng)。第三部分第三部分 光生物反應器光生物反應器 微藻大多為光能自養(yǎng)型生物，與我國生化工程領域過微藻大多為光能自養(yǎng)型生物，與我國生化工程領域過去所研究的異養(yǎng)型（一般為好氧）生物大規(guī)模培養(yǎng)相比，去所研究的異養(yǎng)型（一般為好氧）生物大規(guī)模培養(yǎng)相比，微藻大規(guī)模自養(yǎng)培養(yǎng)具有一些新的特點。微藻大規(guī)模自養(yǎng)培養(yǎng)具有一些新的特點。 微藻培養(yǎng)用光生物反應器，必須微藻培養(yǎng)用光生物反應器，必須要用光照要用光照。對于外部。對于外部光源的反應器，就要求反應器的光源的反應器，就要求反應器的比表面積很大比表面積很大，培養(yǎng)液的，培養(yǎng)液的深度必須盡可能的小，否則藻體就得不到充足的光照；此深度必須盡可能的小，否則藻

23、體就得不到充足的光照；此外，為了充分利用自然光，反應器必須放在戶外，而戶外外，為了充分利用自然光，反應器必須放在戶外，而戶外的光照條件隨地域及天氣而變化，因而培養(yǎng)條件基本上無的光照條件隨地域及天氣而變化，因而培養(yǎng)條件基本上無法控制。對于采用內(nèi)部光源的反應器，則需要在反應器的法控制。對于采用內(nèi)部光源的反應器，則需要在反應器的內(nèi)部加上一個復雜的光照系統(tǒng)，藻體易附著在光源上且光內(nèi)部加上一個復雜的光照系統(tǒng)，藻體易附著在光源上且光源產(chǎn)熱會給溫度控制帶來困難。所有這些問題在常規(guī)生物源產(chǎn)熱會給溫度控制帶來困難。所有這些問題在常規(guī)生物反應器中均不存在。反應器中均不存在。 n從混合角度來看從混合角度來看，在微藻

24、培養(yǎng)過程中的混合除了具有促進，在微藻培養(yǎng)過程中的混合除了具有促進氣液傳質、液固傳遞、溫度與營養(yǎng)均勻分布、防止藻細胞氣液傳質、液固傳遞、溫度與營養(yǎng)均勻分布、防止藻細胞沉降等作用外，還必須使沉降等作用外，還必須使藻細胞在與光反應器表面垂直的藻細胞在與光反應器表面垂直的這個方向上要能充分混合這個方向上要能充分混合，否則由于在藻液中存在著嚴重，否則由于在藻液中存在著嚴重的光衰減現(xiàn)象，培養(yǎng)液中的藻細胞受光就不均勻。的光衰減現(xiàn)象，培養(yǎng)液中的藻細胞受光就不均勻。 n從氣液傳質角度來看從氣液傳質角度來看，在微藻自養(yǎng)培養(yǎng)過程中，必須供應，在微藻自養(yǎng)培養(yǎng)過程中，必須供應大量的二氧化碳，即要強化二氧化碳吸收過程；同

25、時又要大量的二氧化碳，即要強化二氧化碳吸收過程；同時又要將藻細胞產(chǎn)生的大量氧氣從培養(yǎng)液中排出來，即要強化氧將藻細胞產(chǎn)生的大量氧氣從培養(yǎng)液中排出來，即要強化氧解析過程。而在好氧生物培養(yǎng)過程中，要向培養(yǎng)液中供應解析過程。而在好氧生物培養(yǎng)過程中，要向培養(yǎng)液中供應大量氧氣，即要強化氧吸收過程；同時要將好氧生物產(chǎn)生大量氧氣，即要強化氧吸收過程；同時要將好氧生物產(chǎn)生的二氧化碳從培養(yǎng)液中排出，即要強化二氧化碳解析過程。的二氧化碳從培養(yǎng)液中排出，即要強化二氧化碳解析過程。由此可見，由此可見，微藻培養(yǎng)過程中氧和二氧化碳的傳遞方向與常微藻培養(yǎng)過程中氧和二氧化碳的傳遞方向與常規(guī)的好氧生物培養(yǎng)過程正好相反規(guī)的好氧生物

26、培養(yǎng)過程正好相反。 n從培養(yǎng)液性質來看從培養(yǎng)液性質來看，好氧生物培養(yǎng)基大多用淡水配制，而，好氧生物培養(yǎng)基大多用淡水配制，而微藻（淡水藻例外）的培養(yǎng)基多用微藻（淡水藻例外）的培養(yǎng)基多用海水配制海水配制。由于二氧化。由于二氧化碳和氧在海水及淡水中的溶解度差別很大，且培養(yǎng)液中的碳和氧在海水及淡水中的溶解度差別很大，且培養(yǎng)液中的藻細胞較低，因而微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中的氣液傳質過程將出現(xiàn)藻細胞較低，因而微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中的氣液傳質過程將出現(xiàn)許多新的問題；此外，海水對一般的材料具有腐蝕性，因許多新的問題；此外，海水對一般的材料具有腐蝕性，因而所用設備在材料選擇上又會遇到新的問題。而所用設備在材料選擇上又會遇到新的問題

27、。 盡管微藻自養(yǎng)培養(yǎng)過程會出現(xiàn)上述新的特點，但盡管微藻自養(yǎng)培養(yǎng)過程會出現(xiàn)上述新的特點，但其中所涉及到的基本問題仍同好氧生物培養(yǎng)過程相似，其中所涉及到的基本問題仍同好氧生物培養(yǎng)過程相似，如傳遞問題、流體力學問題、在線檢測與自動控制問如傳遞問題、流體力學問題、在線檢測與自動控制問題、培養(yǎng)動力學問題、過程優(yōu)化放大問題等。題、培養(yǎng)動力學問題、過程優(yōu)化放大問題等。 由上可見，借鑒我國生化工程已有的知識和方法，由上可見，借鑒我國生化工程已有的知識和方法，來解決微藻大規(guī)模自養(yǎng)培養(yǎng)問題將是一條捷徑。來解決微藻大規(guī)模自養(yǎng)培養(yǎng)問題將是一條捷徑。 微藻主要是光能自養(yǎng)生物，它是通過光合作用來生長的。微微藻主要是光能自

28、養(yǎng)生物，它是通過光合作用來生長的。微藻培養(yǎng)必須在光生物反應器中進行，該反應器要能提供以下條藻培養(yǎng)必須在光生物反應器中進行，該反應器要能提供以下條件：件：（1）合適的光照強度；）合適的光照強度；（2）合適的溫度；）合適的溫度；（3）合適的無機碳源及其它營養(yǎng)物質；）合適的無機碳源及其它營養(yǎng)物質；（4）合適的）合適的pH值；值；（5）合適的混合；）合適的混合；（6）合適的氧解析；）合適的氧解析；（7）避免污染。）避免污染。 微藻自養(yǎng)培養(yǎng)用的反應器有兩大類：一類是敞開式反應器，微藻自養(yǎng)培養(yǎng)用的反應器有兩大類：一類是敞開式反應器，另一類是封閉式光生物反應器。另一類是封閉式光生物反應器。 在敞開式反應器中

29、，典型且最常用的是在敞開式反應器中，典型且最常用的是敞開式跑道池敞開式跑道池，它是最古老的藻類培養(yǎng)反應器，且一直沿用至今。目前微它是最古老的藻類培養(yǎng)反應器，且一直沿用至今。目前微藻的大規(guī)模培養(yǎng)主要使用這種反應器，這類反應器每個可藻的大規(guī)模培養(yǎng)主要使用這種反應器，這類反應器每個可大到幾千平方米。大到幾千平方米。 敞開式反應器的優(yōu)點敞開式反應器的優(yōu)點 敞開式跑道池反應器是國外于敞開式跑道池反應器是國外于60年代設計出來的，至年代設計出來的，至今變化較小。變化之處主要有兩點：今變化較小。變化之處主要有兩點：1)對其混合系統(tǒng)進行過一些改進對其混合系統(tǒng)進行過一些改進(Laws et al, 1986)；

30、2)利用傳感器和計算機實現(xiàn)過程參數(shù)的在線檢測和工藝優(yōu)利用傳感器和計算機實現(xiàn)過程參數(shù)的在線檢測和工藝優(yōu)化。這類反應器的優(yōu)點是成本低、建造容易、操作方便。化。這類反應器的優(yōu)點是成本低、建造容易、操作方便。 敞開式反應器的缺點敞開式反應器的缺點 1)培養(yǎng)效率低。培養(yǎng)液中藻體濃度很低（一般約為培養(yǎng)效率低。培養(yǎng)液中藻體濃度很低（一般約為0.1g/L），），使得培養(yǎng)液體積特別龐大，這不僅使培養(yǎng)基成本及操作費使得培養(yǎng)液體積特別龐大，這不僅使培養(yǎng)基成本及操作費用增大，而且會給藻體采收帶來很大的困難；此外，因藻用增大，而且會給藻體采收帶來很大的困難；此外，因藻液深度約為液深度約為2030cm，因而反應器的占地面

31、積大。，因而反應器的占地面積大。2)培養(yǎng)條件無法控制。這是導致培養(yǎng)效率低的主要原因之一；培養(yǎng)條件無法控制。這是導致培養(yǎng)效率低的主要原因之一；此外，由于培養(yǎng)條件無法控制，使微藻的代謝產(chǎn)物無法大此外，由于培養(yǎng)條件無法控制，使微藻的代謝產(chǎn)物無法大量積累，因代謝產(chǎn)物往往要靠外界條件的誘導才可大量積量積累，因代謝產(chǎn)物往往要靠外界條件的誘導才可大量積累。累。3)易污染。污染源于雜藻、水生動物、空氣中的飄浮物等。易污染。污染源于雜藻、水生動物、空氣中的飄浮物等。這種污染不僅使得培養(yǎng)過程不穩(wěn)定（甚至徹底失敗），而這種污染不僅使得培養(yǎng)過程不穩(wěn)定（甚至徹底失敗），而且致使用這種反應器生產(chǎn)出來的產(chǎn)品也難以符合衛(wèi)生和安且致使用這種反應器生產(chǎn)出來的產(chǎn)品也難以符合衛(wèi)生和安全要求，因而不易被消費者接受。全要求，因而不易被消費者接受。敞開式反應器的缺點敞開式反應器的缺點4)雨水會使培養(yǎng)基稀釋，甚至造成培養(yǎng)基溢出反應器，造雨水會使培養(yǎng)基稀釋，甚至造成培養(yǎng)基溢出反應器，造成浪費，導致環(huán)境污染。成浪費，導致環(huán)境污染。5)反應器中水分蒸發(fā)量大，使培養(yǎng)基濃度逐漸增大，致使反應器中水分蒸發(fā)量大，使培養(yǎng)基濃度逐漸增大，致使培養(yǎng)過程不穩(wěn)定。培養(yǎng)過程不穩(wěn)定。6)生產(chǎn)期短，生產(chǎn)受地域及季節(jié)等自然條件限制（如北方生產(chǎn)期短，生產(chǎn)受地域及季節(jié)等自然條件限制（如北方的冬天不能生產(chǎn)）。的