張慶華，顏成虎，薛升長，吳霞，王智慧，叢威

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一種用于微藻培養(yǎng)的新型板式光生物反應器

張慶華，顏成虎，薛升長，吳霞，王智慧，叢威

中國科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室，北京 100190

張慶華, 顏成虎, 薛升長, 等. 一種用于微藻培養(yǎng)的新型板式光生物反應器. 生物工程學報, 2015, 31(2): 251–257.Zhang QH, Yan CH, Xue SZ, et al. A novel flat plate photobioreactor for microalgae cultivation. Chin J Biotech, 2015, 31(2): 251–257.

微藻的閃光效應可以大幅提高微藻的光效率，提高微藻產量。通過在傳統(tǒng)的板式光生物反應器中加入斜擋板以增強微藻的閃光效應。以小球藻為模型藻種，考察了新型板式光生物反應器內不同光強和不同進口流速對小球藻生長速率和光效率的影響。結果表明，當進口流速為0.16 m/s時，隨著光強的提高，小球藻的細胞濃度逐漸增加，光效率逐漸降低；在500 μmol/(m2?s)的光強條件下，小球藻細胞濃度和光效率均隨著進口流速的提高而增加。新型板式光生物反應器內小球藻的細胞濃度比傳統(tǒng)板式光生物反應器提高了39.23%，表明在傳統(tǒng)板式光生物反應器內加入斜擋板可有效增強微藻的閃光效應。

微藻，板式光生物反應器，光強，進口流速，光效率

微藻細胞富含氨基酸、蛋白質、維生素、不飽和脂肪酸等多種高附加值的生物物質，已經成為人類食品、醫(yī)藥、染料、精細化工領域的重要材料來源。隨著石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，基于生物質的生物煉制引起了人們的高度重視。微藻能夠提供大量的生物質 (油脂、淀粉、纖維素)，在生物煉制領域，具有廣闊的應用前景[1-5]，是一種重要的可再生能源。

光生物反應器是微藻大規(guī)模培養(yǎng)的核心，目前主要有開放式培養(yǎng)和封閉式培養(yǎng)兩種方式。開放式培養(yǎng)是開發(fā)最早、應用最為普遍的一種方式，目前世界各國、特別是中國仍然將其作為微藻工業(yè)化培養(yǎng)的主要方式。相比于開放式培養(yǎng)，封閉式培養(yǎng)條件穩(wěn)定，培養(yǎng)密度高，藻的生長速度快，生產周期短，缺點是投資成本高[6]。為了克服封閉式培養(yǎng)成本高的缺陷，一方面需要降低培養(yǎng)所需的材料、能耗成本；另一方面需要大幅度提高產率。雖然封閉式培養(yǎng)的產率要高于開放式培養(yǎng)，但是微藻的光能利用率(光效率) 還很低。設法提高微藻細胞對光能的利用率是提高產率、降低成本的重要途徑。

微藻的光合作用過程可分為兩個階段，稱為光反應和暗反應。在光反應階段，藻細胞接受光量子并轉換為化學能；在暗反應階段，藻細胞利用化學能合成細胞組分。在暗反應階段，藻細胞不需要光照甚至光照反而有害。因此，對單個藻細胞而言，持續(xù)的光照意味著光量子的浪費。在規(guī)模培養(yǎng)的光生物反應器內以及通常的細胞密度下，光線在培養(yǎng)液內傳播時會迅速衰減，光的穿透距離為幾毫米，在高細胞密度下只有1 mm左右。因此，光生物反應器內事實上可分為靠近光照面內壁面的光區(qū)與之外的暗區(qū)兩部分。如果藻細胞以特定頻率在光生物反應器的光區(qū)與暗區(qū)頻繁置換時，會產生“閃光效應”，光能的利用率會得到很大提高[7-13]。文獻中針對封閉式光生物反應器內微藻閃光效應的報道多為管式[14-15]和氣升板式[16-17]兩種，對于泵驅動水平放置板式光生物反應器的閃光效應鮮有報道。本文通過在傳統(tǒng)的泵驅動水平放置板式光生物反應器中加入斜擋板，使流體在反應器內流動時形成螺旋運動，從而增強微藻的閃光效應。以小球藻為模型藻種，考察了新型板式光生物反應器內不同光強和進口流速對小球藻生物產量的影響。

1 材料與方法

1.1 新型光生物反應器單流道結構

新型光生物反應器單流道的結構如圖1所示。擋板在光照面和無光面上交錯設置，當培養(yǎng)液在反應器內流動時，會形成近似的螺旋運動，從而增強微藻的閃光效應。

圖1 新型板式光生物反應器結構

1.2 藻種和培養(yǎng)基

實驗藻種為中國科學院水生生物研究所提供的淡水小球藻。使用BG11培養(yǎng)基，組成為：NaNO31.5 g/L, K2HPO40.04 g/L, MgSO4·7H2O 0.075 g/L，檸檬酸0.006 g/L，檸檬酸鐵銨0.006 g/L, Na2EDTA 0.001 g/L，CaCl20.027 2 g/L，Na2CO30.02 g/L，H3BO30.002 86 g/L，MnCl2·4H2O 0.001 81 g/L，ZnSO4·7H2O 0.000 22 g/L，Na2MoO4·2H2O0.000 39 g/L, CuSO4·5H2O 0.000 08 g/L, CoCl2·6H2O 0.000 04 g/L。

1.3 方法

實驗用的新型光生物反應器由圖1所示的10個流道串聯組成，整個反應器的長、寬、高分別為1.0 m，0.55 m和0.025 m。斜擋板長為0.064 m，高為0.005 m，厚為0.002 m，與流體流動方向成45°角。光源由一特制LED光源板提供，光強可調，培養(yǎng)過程中持續(xù)光照。培養(yǎng)液由蠕動泵驅動，實驗過程中出口處流出的培養(yǎng)液經料液桶后再次循環(huán)到反應器入口，培養(yǎng)液總體積18 L。溫度由恒溫水浴進行控制((26±0.5) ℃)，通過pH控制儀控制二氧化碳氣體的通入，以維持培養(yǎng)液pH值恒定。用于對照的傳統(tǒng)板式光生物反應器尺寸與新型光生物反應器相同，反應器內無斜擋板。

1.4 分析方法

1.4.1 光強測定

光強通過光合有效輻射光量子計 (波長范圍400?700 nm，英國Hansatech儀器公司) 測定。

1.4.2 干重曲線

取某一濃度的小球藻溶液，稀釋成5種不同濃度，然后經過離心、洗滌、干燥、稱重，獲得藻細胞濃度與吸光度之間的關系。

= 0.29680+ 0.005,2=0.999 (1)

其中，為藻細胞濃度 (g/L)，680為 680 nm波長下的吸光度。

1.4.3 光效率

培養(yǎng)過程中的光效率 (Light efficiency,) 的計算公式如下：

其中，1、2分別為1、2(s) 時刻的藻細胞濃度 (g/L)；G為生物質熱焓 (kJ/g)，小球藻的G為23.587 kJ/g；in為培養(yǎng)過程單位體積光能輸入 (W/m3)。本文的數值為整個培養(yǎng)過程的平均值。

2 結果與討論

2.1 新型板式光生物反應器與傳統(tǒng)板式比較

小球藻在新型板式光生物反應器和傳統(tǒng)板式光生物反應器內的對照培養(yǎng)結果如圖2所示。從圖2可以看出，小球藻在新型板式光生物反應器內培養(yǎng)7 d的細胞濃度可達到2.91 g/L，而傳統(tǒng)板式光生物反應器內小球藻的細胞濃度只有2.09 g/L，新型板式光生物反應器內小球藻的細胞濃度比傳統(tǒng)反應器內的提高了39.23%。分析原因主要有兩個方面：一方面，斜擋板的加入使板式反應器內的湍流強度增加，促進了培養(yǎng)液中的氣液交換；另一方面，通過進行新型和傳統(tǒng)板式光生物反應器內光效率計算發(fā)現，傳統(tǒng)光生物反應器內的平均光效率為2.29%，而新型板式光生物反應器內的光效率為3.38%，光效率比傳統(tǒng)反應器提高了47.6%，這可能是導致小球藻細胞濃度大幅提高的主要原因。

圖2 加入斜擋板前后小球藻細胞濃度對比

2.2 光強對小球藻細胞濃度和光效率的影響

光強是影響微藻生長快慢的重要因素之一。在流速為0.16 m/s的狀況下，考察了3個不同光照強度 (200 μmol/(m2?s)，500 μmol/(m2?s)， 1 000 μmol/(m2?s)) 下小球藻的生長狀況，結果如圖3所示。從圖3可以看出，在實驗考察范圍內，隨著光強的增加，小球藻的生物量逐漸增加。歐陽崢嶸等[18]利用測定凈光合放氧速率的方法研究了光照強度對小球藻光合作用的影響，研究發(fā)現，在100?1 400 μmol/(m2?s)光強范圍內，小球藻的凈光合放氧速率隨光強的增加而增加，即光強越高，小球藻生長越快，這與本文的結果相一致。圖4考察了光強對小球藻光效率的影響，從圖中可以看出，光效率隨著光強的提高逐漸降低。

2.3 進口速度對小球藻細胞濃度和光效率的影響

反應器的進口速度也是影響微藻生長狀態(tài)的因素之一。Muller-Feuga等[19]研究了入口流速對紫球藻面積產率的影響，發(fā)現當入口流速從0.1 m/s增加到0.2 m/s時，紫球藻的面積產率提高了7%。但是，當流速達到0.45 m/s時，紫球藻的面積產率反而降低了9%。這主要是因為過高的流速帶來的高剪切會破壞藻細胞。Carvalho 等[20]通過研究也發(fā)現過高的混合速率引起的剪切會損害藻細胞的活性，影響藻細胞的正常生長。因此，在進行微藻培養(yǎng)過程中應選用適宜的進口流速。本文考察了光強為500 μmol/(m2?s)時3個不同進口速度 (0.13、0.16、0.21 m/s) 對小球藻生長和光效率的影響，結果如圖5和圖6所示。從圖中可以看出，隨著進口流速的增加，小球藻的細胞濃度和光效率逐漸增加。小球藻在反應器內培養(yǎng)7 d時，進口流速為0.21 m/s的小球藻細胞濃度比進口流速為0.13 m/s時小球藻的細胞濃度高34.98%。這主要是因為當光強相同時，影響微藻生長快慢的主要因素是光暗頻率的高低，光暗頻率越高，微藻的生長速度越快[7,21]。

圖3 光強對小球藻細胞濃度的影響

圖4 光強對光效率的影響

圖5 進口流速對小球藻細胞濃度的影響

圖6 進口流速對光效率的影響

3 結論

本文設計了一種能實現微藻閃光效應的板式光生物反應器，并以小球藻為模型藻種，考察了不同光強和進口速度對小球藻細胞濃度和光效率的影響。研究發(fā)現，新型板式光生物反應器內小球藻的細胞濃度比傳統(tǒng)板式光生物反應器提高了39.23%。在實驗考察范圍內，隨著光強和進口流速的提高，小球藻的細胞濃度均增加。光效率隨光強的提高而降低，隨進口流速的提高而增加。

從長遠看，沙漠和海洋是我國發(fā)展微藻產業(yè)的理想地點。與管式、氣升板式和傳統(tǒng)泵驅動板式光生物反應器相比，新型板式光生物反應器能充分利用微藻的閃光效應，提高微藻產量，且易于放大。因此，新型板式光生物反應器具有非常廣闊的應用前景。

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(本文責編 陳宏宇)

A novel flat plate photobioreactor for microalgae cultivation

Qinghua Zhang, Chenghu Yan, Shengzhang Xue, Xia Wu, Zhihui Wang, and Wei Cong

,,,100190,

Flashing light effect on microalgae could significantly improve the light efficiency and biomass productivity of microalgae. In this paper, the baffles were introduced into the traditional flat plate photobioreactor so as to enhance the flashing light effect of microalgae. Makingsp. as the model microalgae, the effect of light intensity and inlet velocity on the biomass concentration ofsp. and light efficiency were evaluated. The results showed that, when the inlet velocity was 0.16 m/s, with the increase of light intensity, the cell dry weight ofsp. increased and light efficiency decreased. With increasing the inlet velocity, the cell dry weight ofsp. and light efficiency both increased under the condition of 500 μmol/(m2?s) light intensity. The cell dry weight ofsp. cultivated in the novel flat plate photobioreactor was 39.23% higher than that of the traditional one, which showed that the flashing light effect of microalgae could be improved in the flat plate photobioreactor with inclined baffles built-in.

microalgae, flat plate photobioreactor, light intensity, inlet velocity, light efficiency

April 23, 2014; Accepted: June 9, 2014

Qinghua Zhang. Tel: +86-10-82627074; Fax: +86-10-82627066; E-mail: qhzhang@.ipe.ac.cn

Supported by: Key Projects in the National Science and Technology Pillar Program during the Twelfth Five-Year Plan Period (No. 2011BAD14B02), National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No. 2013AA065801).

“十二五”國家科技支撐計劃 (No. 2011BAD14B02)，國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃) (No. 2013AA065801) 資助。

網絡出版時間：2014-07-10

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13345/j.cjb.140233.html