微藻培養(yǎng)及應(yīng)用

微藻培養(yǎng)及應(yīng)用第一頁，共六十九頁，2022年，8月28日太空農(nóng)場第二頁，共六十九頁，2022年，8月28日藻類和植物在密封太空艙內(nèi)進行長期實驗(NASA)第三頁，共六十九頁，2022年，8月28日第四頁，共六十九頁，2022年，8月28日太空農(nóng)場太空農(nóng)場（SpaceFarm），學名:受控生態(tài)生保系統(tǒng)（ControlledEcologicalLifeSupportSystem,CELSS）：在太空依靠繁殖綠色植物（蔬菜、藻類等）解決航天員所需的食物、氧氣和水等最基本物資的供應(yīng)，是實現(xiàn)未來長期載人星際旅行、移民的關(guān)鍵技術(shù)和難題之一。第五頁，共六十九頁，2022年，8月28日觀賞鳥類與魚類、水產(chǎn)養(yǎng)殖 食品、保健品、化妝品等雨生紅球藻蝦青素是一種紅色素，可以賦予火烈鳥、三文魚、蝦粉紅顏色第六頁，共六十九頁，2022年，8月28日第七頁，共六十九頁，2022年，8月28日3種異構(gòu)型抗氧化性：左旋＞右旋＞內(nèi)消旋第八頁，共六十九頁，2022年，8月28日蝦青素的應(yīng)用1.化妝品領(lǐng)域應(yīng)用由于其強大的抗氧化性，全球差不多一線的化妝品品牌均添加了天然蝦青素作為其超強抗氧化劑的成分，包括雅詩蘭黛、歐萊雅的DermaE，尤其是日本的品牌高絲（KOSE）、芳凱（FancL)、DHC以及曼秀雷登等推出了專門的蝦青素系列保濕霜、抗皺眼霜、面膜、口紅等。只要看到那些紅色或橙色的宣稱抗氧化的，且售價數(shù)百上千元的化妝品都是加的蝦青素這一類物質(zhì)。實事求是的說：光靠“彈力蛋白”“膠原蛋白”是彈不走你的魚尾紋的。這些不過是原料而已。第九頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.保健食品領(lǐng)域的應(yīng)用全球的保健品企業(yè)也推出了大約200多款蝦青素軟、硬膠囊、口服液的保健食品。尤其是在日本這個壽命最長的國家最為受到歡迎，近3年來蝦青素成為日本最火爆的健康食品。東南亞包括臺灣、新加坡深受其影響。我國也有一些企業(yè)相繼跟進。第十頁，共六十九頁，2022年，8月28日赤潮、水華爆發(fā)微藻的危害第十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日本節(jié)主要內(nèi)容1.微藻特點與應(yīng)用領(lǐng)域2.微藻培養(yǎng)技術(shù)3.微藻培養(yǎng)生產(chǎn)代謝產(chǎn)物應(yīng)用舉例本節(jié)關(guān)鍵問題1.微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器特點2.微藻培養(yǎng)生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的相關(guān)工藝技術(shù)第十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日一引言（一）定義藻類分為原核藻類和真核藻類，含有葉綠體，可以進行光合作用。微藻（Microalgae）一般是指那些在顯微鏡下才能辨別形態(tài)微小的藻類。迄今已知的藻類約有30,000余種，其中微藻約占70％。微藻細胞微小、形態(tài)多樣、適應(yīng)強、分布廣泛。第十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日（二）分類微藻有原核微藻和真核微藻兩大類。根據(jù)微藻生長環(huán)境可分為水生微藻、陸生微藻和氣生微藻三種生態(tài)類群。水生微藻又有淡水生和海水生之分，根據(jù)分布又可分為浮游微藻和底棲微藻。已工業(yè)化生產(chǎn)或有應(yīng)用價值、能大量培養(yǎng)的種類分別屬于4個門：藍藻門、綠藻門、金藻門和紅藻門。第十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日藍藻門(Cyanophyta)是能進行光合作用的原核生物，一般呈藍色。有1個綱――藍藻綱和3個目。藍藻門在大約35億年前就已在地球上出現(xiàn)。藍藻和細菌在細胞結(jié)構(gòu)與生物化學性質(zhì)方面很類似，結(jié)構(gòu)簡單，無真正的細胞核和細胞器，主要通過細胞分裂進行增殖，能進行光合作用放出O2。第十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日（三）在生命起源與進化中的作用1.地球什么時候出現(xiàn)的？50億年前2.最早的生命出現(xiàn)在什么時間？40億年前3.細菌、藍細菌出現(xiàn)的時間？35億年前4.細胞核什么時間出現(xiàn)的？15億年前5.有性生殖最早出現(xiàn)的時間？10億年前6.多細胞生物是什么時間出現(xiàn)的？8億年前7.什么時候生物多樣性開始變得非常豐富起來？6億年前8.人類出現(xiàn)時間？化石：６８０萬年到７２０萬年之間。比較人類與黑猩猩的DNA后的最新研究提示約為600萬前XNjk3MTYwMzI=.html第十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日50億年前地球出現(xiàn)，火山，溫度非常高40億年前出現(xiàn)最早的生命形式：盧卡（Luca）——微粒：有機物，外膜，吸收能量。因火山噴發(fā)-礦物質(zhì)，水體有機物，顆粒35億年前細菌、藍藻出現(xiàn)，進行光合作用，放出氧氣。之前，大氣很稀薄，氫、一氧化碳等，各種氣體于空中形成一朵朵的卷云，氧氣很少，因無充足的大氣層掩蔽，整個地球曝露在強烈的紫外線之下。藍藻的作用：產(chǎn)生了氧氣，改變了大氣組成與特點，為生物進化及高等生命誕生起了非常重要的作用。寒武紀生物大爆炸.flv第十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日最初的原始生命在無氧條件下，是通過分解氨基酸、糖類及脂肪獲取能量的（即進行無氧呼吸），或者依靠無機氧化物的還原獲取能量。氧氣性大氣的出現(xiàn)，導致了臭氧層的形成和有氧呼吸的產(chǎn)生，這在生物進化史上具有十分重要的意義。臭氧層的形成：臭氧層的出現(xiàn)，阻止了紫外線對地面的直接輻射，保護了地球上的生命。有氧呼吸的產(chǎn)生：在大氣層中有了氧氣以后，一些原始的生物逐步產(chǎn)生了進行有氧呼吸的生物類型。真核生物：真核細胞才出現(xiàn)，之前都是厭氧的原核生物?！昂浼o生命大爆發(fā)

”可能與當時空氣中氧氣含量的增加有關(guān)。第十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日（四）微藻生產(chǎn)生物制品的特點利用太陽能和CO2通過光合作用生產(chǎn)有機物，生長速度快、效率高、能耗低?？梢岳秘汃ね恋亍Ⅺ}堿地等極端環(huán)境。微藻培養(yǎng)簡單，容易產(chǎn)業(yè)化。微藻提取有效成分不需要復雜的前處理。許多微藻可產(chǎn)生有生理活性的化合物。營養(yǎng)價值高。第十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日（五）微藻應(yīng)用領(lǐng)域微藻在能源、醫(yī)藥、食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖、化工、環(huán)保、農(nóng)業(yè)及航天等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。保健品、功能食品：片劑、粉劑、添加劑水產(chǎn)養(yǎng)殖：餌料航天：安保系統(tǒng)轉(zhuǎn)基因藥物：可以食用能源：生物柴油、氫第二十頁，共六十九頁，2022年，8月28日

（六）三大經(jīng)濟微藻1.螺旋藻Spirulina第二十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日第二十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日存在35億年。數(shù)百年前非洲一些部落就將螺旋藻制成藻餅食用。螺旋藻是人類迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)秀的純天然蛋白質(zhì)食品源，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織和聯(lián)合國世界食品協(xié)會推薦為“二十一世紀最理想的食品”。螺旋藻在降低膽固醇和血脂，抗癌，減肥，養(yǎng)胃護胃，治療貧血及微量元素缺乏，護肝，增進免疫，調(diào)整代謝機能等方面都有積極作用。蛋白質(zhì)含量高達60～70%。魚肉的3倍，雞蛋的5倍。藻藍蛋白能增強人體免疫力。維生素及礦物質(zhì)含量極為豐富：B1、B2、B6、B12、維生素E、維生素K等，并含鋅、鐵、鉀、鈣、鎂、磷、硒、碘等微量元素。類胡蘿卜素含量是胡蘿卜的1.5倍，維生素B12含量是豬肝的4倍，鐵含量是菠菜的23倍，是鐵含量最豐富的食物。第二十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日含有大量的γ-亞麻酸，人體必需的不飽和脂肪酸。螺旋藻多糖具有抗輻射損傷和改善放、化療引起的副反應(yīng)作用，因此對腫瘤患者是食療佳品。螺旋藻中葉綠素含量極為豐富，是普通蔬菜含量的10倍以上。脂肪含量只有5%，且不含膽固醇，可使人體在補充必要蛋白時避免攝入過多熱量。第二十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.小球藻Chlorella一百多年前生物學家拜爾尼克（）博士發(fā)現(xiàn)；把希臘文Chlor(綠色)和拉丁文表示細小物質(zhì)Ella組合，將其命名為Chlorella。因為它的直徑只有3～8微米。形狀呈圓球形。營養(yǎng)全面而豐富，含有8種必需氨基酸和豐富的維生素及鐵、鋅、鈣、鉀等礦物質(zhì)。有豐富的葉綠素，有吸附毒素的作用。小球藻有免疫調(diào)節(jié)作用，抗氧化，清除自由基延緩衰老；有降血壓作用；對大腸桿菌和病毒感染，能起到抑制作用。對預防消化性潰瘍、調(diào)節(jié)血脂、防治貧血有輔助作用。第二十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日第二十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日3.杜氏藻Dunaliella細胞內(nèi)常含有大量胡蘿卜素，致細胞呈橘紅色。環(huán)境不良時，細胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)常為所含的血色素所掩蓋。本屬是鹽生藻類，見于許多鹽湖、鹽池及一些含鹽量高的水體中。天然β一胡蘿卜素不僅僅是優(yōu)良的食品天然色素，而且具有很強的抗氧化作用，是多種癌細胞的良好抑制劑。第二十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日第二十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日二微藻培養(yǎng)技術(shù)第二十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日問題1：微生物依據(jù)生長時所需的能量和營養(yǎng)物質(zhì)(主要指碳源和供氫體)不同，可以分為哪幾種類型？營養(yǎng)類型能源碳源氫或電子供體光能自養(yǎng)型光能光能異養(yǎng)型光能CO2CO2水或還原態(tài)無機物有機物化能自養(yǎng)型化學能CO2化能異養(yǎng)型化學能有機物還原態(tài)無機物 有機物第三十頁，共六十九頁，2022年，8月28日模式能源碳源光能自養(yǎng)光二氧化碳混合營養(yǎng)/兼性異養(yǎng)光有機碳和二氧化碳光能異養(yǎng)光有機碳化能異養(yǎng)有機物有機碳（一）微藻的營養(yǎng)模式第三十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日（二）微藻培養(yǎng)方式1.光能自養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù)（1）敞開式培養(yǎng)跑道池第三十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日（2）密閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)光生物反應(yīng)器（Photobioreactor）是設(shè)計有光源系統(tǒng)的主體為透明材料的生物反應(yīng)器，主要用于可進行光合作用的微藻、植物細胞、光合細菌的培養(yǎng)。優(yōu)點：培養(yǎng)密度高，收獲效率也顯著提高。培養(yǎng)條件易于控制，易于實現(xiàn)高密度培養(yǎng)，對代謝產(chǎn)物積累有利。無污染，可實現(xiàn)純種培養(yǎng)。不受地域環(huán)境限制，生產(chǎn)期長。適合于所有微藻的光自養(yǎng)培養(yǎng)，尤其適合于微藻代謝產(chǎn)物產(chǎn)品的生產(chǎn)。第三十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日藻類光生物反應(yīng)器

第三十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日密閉泵循環(huán)光生物反應(yīng)器養(yǎng)殖雨生紅球藻第三十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日氣升式光生物反應(yīng)器第三十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日實驗室小規(guī)模光生物反應(yīng)器第三十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日戶外大規(guī)模封閉式光生物反應(yīng)器垂直式第三十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日傾斜式第三十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日水平式第四十頁，共六十九頁，2022年，8月28日問題2：微藻密閉式光生物反應(yīng)器以什么形狀為主？為什么？光程短，利于光吸收，減少光衰減的影響。第四十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日（三）培養(yǎng)流程藻種培養(yǎng)液逐級放大培養(yǎng)大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)生長條件控制

收獲 干燥 成品視頻第四十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.異養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù)特點：指在無光照條件下，利用外源有機物包括糖類、蛋白水解物、有機酸等生長。3.混養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù)特點：有光照的條件下，既利用CO2進行光合作用又利用外源有機物生長，培養(yǎng)。第四十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日與自養(yǎng)相比的優(yōu)點：微藻生長速度快、細胞密度高。在異養(yǎng)培養(yǎng)時，微藻細胞密度可達到或接近大腸桿菌及酵母的濃度。從工業(yè)化角度分析，異養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)更便于生產(chǎn)過程的控制及穩(wěn)定生產(chǎn)。在封閉的生物反應(yīng)器中進行微藻異養(yǎng)培養(yǎng)不但可實現(xiàn)純種培養(yǎng)而且可保證生產(chǎn)的重復性和連續(xù)性。解除了光對微藻生長的限制，降低了微藻生產(chǎn)成本。微藻異養(yǎng)培養(yǎng)可采用微生物培養(yǎng)中的成熟技術(shù)及設(shè)備，易于規(guī)模放大，加快微藻及其產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進程。第四十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日（四）微藻培養(yǎng)生產(chǎn)生物制品面臨的問題1.能大規(guī)模培養(yǎng)的微藻種類有限，三大藻為主，有各自特點決定。2.成本高：營養(yǎng)成本高、細胞濃度低、收獲成本高。3.深加工、高附加值產(chǎn)品少。第四十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日三微藻培養(yǎng)生產(chǎn)代謝產(chǎn)物應(yīng)用舉例第四十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日（一）藻類生物柴油生物柴油(Biodiesel)：指以油料作物、野生油料植物和微藻等水生植物油脂以及動物油脂、餐飲垃圾油等為原料油通過酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。柴油分子是由15個左右的碳鏈組成的，植物油分子則一般由14-18個碳鏈組成，與柴油分子中碳數(shù)相近。一般大豆的含油量在20%左右，花生油、芝麻等在40%左右，而微藻的含油量最高能達到60%，至少是大豆的3倍。第四十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日藻：每公頃16837升（每英畝1800加侖）（估計數(shù)據(jù)）麻：每公頃9354升（每英畝1000加侖）烏桕：每公頃4705-9073升（每英畝503-970加侖）棕櫚油：每公頃4752升（每英畝508加侖）椰子：每公頃2151升（每英畝230加侖）油菜籽：每公頃954升（每英畝102加侖）微藻不爭地、不爭糧食；微藻煉油還能固廢減排，大豆：每公頃554-922升（每英畝加侖）花生：每公頃842升（每英畝90加侖）向日葵：每公頃767升（每英畝82加侖）例如可以用廢水、廢氣養(yǎng)殖等第四十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日油脂的主要成分是甘油和三個脂肪酸組成的三酰甘油酯。目前生物柴油主要是用化學法生產(chǎn)，在酸或者堿性催化劑和高溫(230-250℃)下進行轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，生成相應(yīng)的脂肪酸甲酯或乙酯，再經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油?？僧a(chǎn)生副產(chǎn)品甘油。脂肪酸甘油三酯第四十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日文獻討論1原始小球藻(Chlorellaprotothecoides)第五十頁，共六十九頁，2022年，8月28日微量元素溶液A5組成成分H3BO3

g/L2.860MnCl2?4H2O

1.810微量元素溶液B6組成ZnSO4?7H2O

0.222CuSO4?5H2O

0.079MoO30.015成分NH4VO3

g/L22.96KCr(SO4)2?12H2O

192.00NiSO4?6H2O

44.80Na2WO4?2H2O

17.94TiOSO4?H2SO4?8H2O

61.10Co(NO3)2?6H2O

43.98第五十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日第五十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日第五十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日第五十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日第五十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日第五十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日第五十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日（二）杜氏藻培養(yǎng)生產(chǎn)β-胡蘿卜素1910年在胡蘿卜中發(fā)現(xiàn)了β-胡蘿卜素，屬于類胡蘿卜素（carotenoid）。1.醫(yī)藥用途：β-胡蘿卜素、α-胡蘿卜素等在動物體內(nèi)變?yōu)橐朁S醇（維生素A）和視黃醛（維生素A醛），與視覺有關(guān)。β-胡蘿卜素在肝臟中加2分子水，斷裂為兩個分子的維生素A1（全反式維生素A），不同的胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A的有效率并不一致，其中以β-胡蘿卜素的活性最高。缺維生素A導致夜盲癥。β-胡蘿卜素具有抗氧化、抗腫瘤、抗衰老、增強免疫力等作用，如對艾滋病患者可提高免疫力。β-胡蘿卜素結(jié)構(gòu)：α-胡蘿卜素結(jié)構(gòu)：第五十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.食品添加劑β-胡蘿卜素是重要的色素，是聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織食品添加劑聯(lián)合專家委員會認定的A類優(yōu)秀有營養(yǎng)的食品添加劑（foodadditives）。3.日用化妝品β-β-胡蘿卜素的提取物含豐富的氨基酸、維生素、天然保濕因子、微量元素和其它生物活性物質(zhì)，在日用化妝品（唇膏、胭脂等）中添加β胡蘿卜素，色澤豐滿自然，還能起到保護皮膚的作用。4.飼料添加劑能提高動物的生長速率和肉類質(zhì)量，提高牛、馬、豬的繁殖能力，增強鮭魚、蝦的色澤，加深禽蛋的顏色。第五十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日生產(chǎn)途徑（1）化學合成在合成品中的β-胡蘿卜