李 雄王偉良黃建科（ 云南省科學(xué)技術(shù)院，昆明 6508； 華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室，上海 0037）

微藻規(guī)?；囵B(yǎng)技術(shù)研究進展及產(chǎn)業(yè)化概況

李 雄1王偉良2黃建科2（1 云南省科學(xué)技術(shù)院，昆明 650228；2 華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室，上海 200237）

首先，對目前微藻規(guī)?；a(chǎn)中應(yīng)用最廣的光自養(yǎng)培養(yǎng)模式，按照其所用培養(yǎng)裝置的不同，分別介紹了開放式大池和封閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及其最新研究進展。其次，對微藻另外兩種培養(yǎng)方式異養(yǎng)培養(yǎng)和混養(yǎng)（兼養(yǎng)）培養(yǎng)的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀、各自存在的問題進行了總結(jié)和分析。最后，對近年來出現(xiàn)的具有較好產(chǎn)業(yè)化前景的微藻培養(yǎng)新技術(shù)進行了簡介。

李雄，工程師，現(xiàn)任云南省科學(xué)技術(shù)院生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新平臺項目經(jīng)理，長期從事科技項目管理工作，主要研究方向為微藻培養(yǎng)和光生物反應(yīng)器等。

E-mail:184837957@qq.com

微藻開發(fā)和利用的前提是能夠獲得大量的生物質(zhì)，而微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)是獲得大量生物質(zhì)的唯一途徑。微藻的營養(yǎng)模式包括光自養(yǎng)、異養(yǎng)和混養(yǎng)（兼養(yǎng)），與之相對應(yīng)的微藻的培養(yǎng)方式也包括光自養(yǎng)培養(yǎng)、異養(yǎng)培養(yǎng)和混養(yǎng)培養(yǎng)（表1）。

1 微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)的研究進展及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

培養(yǎng)方式 能源 碳源 細胞密度 培養(yǎng)裝置 費用 存在問題光自養(yǎng) 光 無機物 低 開放池或光生物反應(yīng)器 低細胞密度低，易污染雜藻和原生動物，采收費用高異養(yǎng) 有機物 有機物 高 發(fā)酵罐 高 易染菌，培養(yǎng)基成本高混養(yǎng) 光和有機物 無機物和有機物 高 封閉式光生物反應(yīng)器 高 易染菌，設(shè)備費用高，培養(yǎng)基成本高

目前已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的微藻，如螺旋藻、小球藻、鹽生杜氏藻和雨生紅球藻等，其規(guī)?；a(chǎn)主要采用光自養(yǎng)培養(yǎng)。微藻規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)主要有兩種：開放式大池和封閉式光生物反應(yīng)器。

1.1 開放式大池培養(yǎng)

CHEN C Y, YEH K L, AISYAH R, et al.Cultivation, photobioreactor design and harvesting of microalgae for biodiesel production: a critical review.Bioresour Technol, 2011, 102(1):71-81.

PULZ O.Photobioreactors: production systems for phototrophic microorganisms.Applied Microbiology & Biotechnology, 2001, 57:287-293.

李師翁, 李虎乾, 張建軍.小球藻大規(guī)模培養(yǎng)研究的進展.植物學(xué)通報, 1998, 15(4):45-50.

開放式大池主要有敞開式跑道池和敞開式圓池（圖1）。敞開式跑道池是微藻規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)中應(yīng)用最多的系統(tǒng)，主要是由于其具有建造容易、操作簡便、易于放大、建造及運行成本低等優(yōu)點。敞開式跑道池主要用于培養(yǎng)螺旋藻及小球藻，如美國的Earthrise Farm公司用跑道池生產(chǎn)螺旋藻，中國的江西新大澤實業(yè)集團有限公司主要采用跑道池生產(chǎn)螺旋藻和小球藻，其單個跑道池的面積可超過1000m2。目前，為了降低天氣對跑道池中微藻培養(yǎng)的影響，通常在跑道池上面修建塑料大棚，以防止雨水或雜物進入跑道池。如中國的內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)，目前是主要的螺旋藻生產(chǎn)基地，每個池子上面都修建有塑料大棚，以防止水分大量蒸發(fā)及沙塵落入跑道池影響螺旋藻的正常生長及藻粉質(zhì)量。

SFORZA E, BERTUCCO A, MOROSINOTTO T, et al.Photobioreactors for microalgal growth and oil production with Nannochloropsis Salina: from lab-scale experiments to large-scale design.Chemical Engineering Research & Design: Transactions of the Institution of Chemical Engineers Part a, 2012, 90 (9):1151-1158.

SOMPECH K, CHISTI Y, SRINOPHAKUN T.Design of raceway ponds for producing microalgae.Biofuels, 2012, 3(4):387-397.

HUANG J, QU X, WAN M, et al.Investigation on the performance of raceway ponds with internal structures by the means of CFD simulations and experiments.Algal Research, 2015, 10:64-71.

LIFFMAN K, PATERSON D A, LIOVIC P, et al.Comparing the energy efficiency of different high rate algal raceway pond designs using computational fluid dynamics.Chemical Engineering Research and Design, 2013, 91(2): 221-226.

CHIARAMONTI D, PRUSSI M, CASINI D, et al.Review of energy balance in raceway ponds for microalgae cultivation: re-thinking a traditional system is possible.Applied Energy, 2013, 102:101-111.

ZENG F, HUANG J, MENG C, et al.Investigation on novel raceway pond with inclined paddle wheels through simulation and microalgae culture experiments.Bioprocess and Biosystems Engineering, 2016, 39(1):169-180.

10 參考文獻

KETHEESAN B, NIRMALAKHANDAN N.Development of a new airlift-driven raceway reactor for algal cultivation.Applied Energy, 2011, 88(10):3370-3376.

圖1 敞開式圓池和敞開式跑道池

敞開式圓池在微藻培養(yǎng)中也有不少應(yīng)用，特別在亞洲地區(qū)2，主要用于小球藻的培養(yǎng)。

目前，敞開式跑道池在所有微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中仍占主導(dǎo)地位，但產(chǎn)量低、占地面積大、環(huán)境因子難以控制、CO2補加困難、收獲成本高、易被其他生物污染、產(chǎn)品質(zhì)量低等缺點，限制了其進一步發(fā)展3 4。

為了提高跑道池的性能，國內(nèi)外研究者從結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及攪拌系統(tǒng)等多個角度對跑道池進行了優(yōu)化設(shè)計。

內(nèi)構(gòu)件設(shè)計方面。在傳統(tǒng)跑道池內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板可以顯著降低藻液在跑道池端頭拐彎處流動的阻力，提高藻液流動速率，降低死區(qū)比例5。Huang等6在跑道池中增設(shè)斜擋板后，顯著提高了藻液在光衰減方向的速率和藻細胞的光利用效率，進而提高了藻細胞產(chǎn)率。Liffman等7采用CFD技術(shù)對帶有不同類型結(jié)構(gòu)彎頭的跑道池進行了模擬，獲得了一種新型的結(jié)構(gòu)彎頭形式，與傳統(tǒng)的彎頭相比可以降低約87%的能耗。

攪拌系統(tǒng)設(shè)計方面。Chiaramonti等8設(shè)計了一種跑道池，采用螺旋型槳葉推動藻液的流動，相對于傳統(tǒng)跑道池（采用蹼輪驅(qū)動藻液流動）可以節(jié)省約65%的能耗，且培養(yǎng)Tetraselmis sue cica 和Nan nochloropsis sp.的效果與傳統(tǒng)跑道池相當(dāng)。Zeng等9設(shè)計了一種傾斜擋板的蹼輪，可以顯著提高藻液在垂直方向（光衰減）的混合程度，進而提高藻細胞的產(chǎn)率。

結(jié)構(gòu)設(shè)計方面。Ketheesan等10設(shè)計了一種新型的氣升式跑道池，理論計算表明藻液流速0.14m/s時，新型的氣升式跑道池比傳統(tǒng)的蹼輪推動跑道池節(jié)省80%的能耗；此外，在氣升式跑道池的上升通道中通入CO2，可以顯著提高CO2與藻液的接觸時間，明顯提高了CO2的利用率。Xu等11設(shè)計了一種新型傾斜式跑道池（圖2），培養(yǎng)液通過泵輸送到跑道池上部，在重力作用下，沿蜿蜒的流道流過跑道池，同時有部分流體漫過中間隔板，大幅度增強藻液的混合。

黃文等12設(shè)計了一種新的V形導(dǎo)流 槽（圖3），使氣升混合所影響的區(qū)域擴大到了兩側(cè)的池壁，并且流體在垂直方向形成了比較均勻的上下層之間的循環(huán)流動。

此外，在跑道池放大方面，Hadiyanto 等13進行的理論研究表明，當(dāng)跑道池放大時，跑道池的長寬比應(yīng)超過10，符合該條件時，跑道池內(nèi)的流速更均一，死區(qū)比例更少，流體產(chǎn)生的剪切力更小，更有利于微藻的光自養(yǎng)培養(yǎng)。

1.2 封閉式光生物反應(yīng)器光自養(yǎng)培養(yǎng)

與敞開池相比，封閉式光生物反應(yīng)器具有培養(yǎng)效率高、占地面積小、大大減少敵害生物的污染14及節(jié)約用水15等優(yōu)點。目前用于微藻培養(yǎng)的封閉式光生物反應(yīng)器主要有管式光生物反應(yīng)器、平板式光生物反應(yīng)器、柱式光生物反應(yīng)器、內(nèi)置光源的攪拌罐式光生物反應(yīng)器等16。其中，管式光生物反應(yīng)器是微藻規(guī)模化培養(yǎng)中除跑道池外應(yīng)用最多的光生物反應(yīng)器。

圖2 新型傾斜式跑道池培養(yǎng)系統(tǒng)

圖3 帶有V形導(dǎo)流槽的跑道池

11 參考文獻

XU B, LI P, WALLER P.Study of the flow mixing in a novel ARID raceway for algae production.Renewable Energy, 2014, 62:249-257.

12 參考文獻

黃文, 何開巖, 鐘水庫.加V形導(dǎo)流槽的跑道式藻池 CFD 模擬.化工進展, 2013, 32(8):1759-1764.

13 參考文獻

HADIYANTO H, ELMORE S, GERVEN T V, et al.Hydrodynamic evaluations in high rate algae pond (HRAP) design.Chemical Engineering Journal, 2013, 217:231-239.

14 參考文獻

SNOW A, SMITH V.Genetically engineered algae for biofuels: a key role for ecologists.BioScience, 2012, 62(8):765-768.

15 參考文獻

TRENT J.Stop hunting energy, start growing it.New Scientist, 2012, 215(2879):30-31.

16 參考文獻

李元廣, 李興武, 林晨.光生物反應(yīng)器研究進展//葉勤.生物科學(xué)與工程.北京:科學(xué)出版社, 2008:221-250.

17 參考文獻

BOROWITZKA M A.Commercial production of microalgae: ponds, tanks, tubes and fermenters.Journal of Biotechnology, 1999, 70:313-321.

18 參考文獻

OLAIZOLA M.Commercial development of microalgal biotechnology: from the test tube to the marketplace.Biomolecular Engineering, 2003, 20(4):459-466.

19 參考文獻

KUNOPAGARNWONG V, SRINOPHAKUN T R, SRITAWEEWAT T, et al.Design of a stackedlayer tubular photobioreactor for microalgae cultivation.KMUTNB Int J Appl Sci Technol, 2015, 8(3):179-184.

由于管式光生物反應(yīng)器建造和運行成本高，難以用于一般低附加值微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)。德國一家公司利用管式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)小球藻，規(guī)模達到了700m3，年產(chǎn)藻粉量達到了130～150噸，但由于生產(chǎn)成本問題而難以維持2。目前，管式光生物反應(yīng)器主要用于雨生紅球藻等高附加值微藻的培養(yǎng)。如以色列的Algatechnologies公司（圖4）、中國的云彩金可和愛爾發(fā)公司均采用管式光生物反應(yīng)器進行雨生紅球藻的規(guī)模化培養(yǎng)。

20 參考文獻

DEGEN J, UEBELE A, RETZE A, et al.A novel airlift photobioreactor with baffles for improved light utilization through the flashing light effect.Journal of Biotechnology, 2001, 92(2):89-94.

21 參考文獻

SU Z, KANG R, SHI S, et al.Study on the destabilization mixing in the flat plate photobioreactor by means of CFD.Biomass and Bioenergy, 2010, 34(12):1879-1884.

22 參考文獻

HUANG J, LI Y, WAN M, et al.Novel flatplate photobioreactors for microalgae cultivation with special mixers to promote mixing along the light gradient.Bioresour Technol, 2014, 159:8-16.

23 參考文獻

HUANG J, KANG S, WAN M, et al.Numerical and experimental study on the performance of flat-plate photobioreactors with different inner structures for microalgae cultivation.Journal of Applied Phycology, 2015, 27(1):49-58.

24 參考文獻

SUN Y, HUANG Y, LIAO Q, et al.Enhancement of microalgae production by embedding hollow light uides to a flat-plate photobioreactor.Bioresour Technol, 2016, 207:31-38.

25 參考文獻

TREDICI M R, RODOLFI L.Reactor for industrial culture of photosynthetic microorganisms: WO/2004/074423.2004-09-02.

26 參考文獻

WANG W, HAN F, LI Y, et al.Medium screening and optimization for photoautotrophic culture of Chlorella pyrenoidosa with high lipid productivity indoors and outdoors.Bioresour Technol, 2014, 170:395-403.

圖4 以色列Algatechnologies公司的管式光生物反應(yīng)器

利用管式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)微藻，藻細胞質(zhì)量穩(wěn)定，培養(yǎng)過程易于控制，產(chǎn)率也遠高于戶外大池培養(yǎng)的水平。但管式光生物反應(yīng)器一般是以玻璃為材質(zhì)制造的細長結(jié)構(gòu)管道，存在易碎、微藻易粘壁難以清洗、無法高溫滅菌、氧解析困難等缺點17。

近年來，對管式光生物反應(yīng)器的研究及改進主要有增加氧解析系統(tǒng)、利用電腦監(jiān)控溫度和pH等18。Kunopa garnwong等19通過設(shè)計不同角度的彎頭來降低管式反應(yīng)器中的阻力，計算結(jié)果表明60°的彎頭使得管式反應(yīng)器中的阻力下降最多，達到106Pa。

目前，平板式光生物反應(yīng)器在新興的微藻企業(yè)應(yīng)用得較多，如以生產(chǎn)微藻生物燃料為目的建立的Algenol公司、德國的Subitec公司。為了降低成本，這些公司的平板式光生物反應(yīng)器通常采用薄膜袋式結(jié)構(gòu)。

平板式光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計也是側(cè)重于在反應(yīng)器中設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件方面。Degen等20在氣升式平板反應(yīng)器的上升通道中加入水平交錯排列的擋板，促進藻細胞在光區(qū)和暗區(qū)之間運動。小球藻的培養(yǎng)結(jié)果表明，新結(jié)構(gòu)反應(yīng)器中的藻細胞產(chǎn)率是對照平板式反應(yīng)器的1.7倍。Su等21在平板反應(yīng)器中加入擾流柱，用來提高流體在光照方向的速度。Huang等22設(shè)計了一種平板式反應(yīng)器的內(nèi)構(gòu)件，傾斜的擋板所形成的腔體可以顯著減少藻細胞的光暗循環(huán)周期，提高光合效率及藻細胞產(chǎn)率。Huang等23采用理論計算和微藻培養(yǎng)實驗相結(jié)合的方法研究了鼓泡式、隔板式和氣升式平板反應(yīng)器中的流體混合，結(jié)果表明隔板式平板反應(yīng)器中的流場更加均一，流體在徑向方向混合更加劇烈，更有利于微藻的生長。在平板式光生物反應(yīng)器中增設(shè)內(nèi)置光源通常能顯著提高微藻的生長速率和光合效率24。德國Subitec公司設(shè)計了一種新型氣升式平板光生物反應(yīng)器，其基本結(jié)構(gòu)包括較大的上升通道和較小的下降通道，而上升通道又被分為了彼此連接的腔體，上升通道底部鼓氣之后流體在這些腔體內(nèi)形成渦流，能有效提高微藻細胞的生長速率（圖5）。

圖5 Subitec公司設(shè)計的新型氣升式平板光生物反應(yīng)器

圖6 Proviron公司設(shè)計的新型平板式光生物反應(yīng)器

27 參考文獻

MARTINEZ M E, CAMACHO F, JIMENEZ J M, et al.Influence of light intensity on the kinetic and yield parameters of Chlorella pyrenoidosa mixotrophic growth.Process Biochemisty, 1997, 32(2):93-98.

28 參考文獻

ORUS M I, MARCO E, MARTINEZ F.Suitability of Chlorella vulgaris UAM 101 for heterotrophic biomass production.Bioresource Technology, 1991, 38:179-184.

29 參考文獻

LEE Y K, DING S Y, HOE C H, et al.Mixotrophic growth of Chlorella sorokiniana in outdoor enclosed photobioreactor.Journal of Applied Phycology, 1996, 8:163-169.

30 參考文獻

桂林, 史賢明, 李琳, 等.蛋白核小球藻不同培養(yǎng)方式的比較.河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) , 2005, 26(5):52-55.

31 參考文獻

CHEN F.High cell density culture of microalgae in heterotrophic growth.Trends Biotechnol, 1996, 14:412-426.

32 參考文獻

APT K E, BEHRENS P W.Commercial developments in microalgal biotechnology.J Phycol, 1999, 35:215-226.

33 參考文獻

LEE Y K.Microalgal mass culture systems and methods: their limitation and potential.J Appl Phycol, 2001, 13:307-315.

34 參考文獻

SANSAWA H, ENDO H.Production of intracellular phytochemicals in Chlorella under heterotrophic conditions.J Biosci Bioeng, 2004, 98:437-444.

老式的平板式光生物反應(yīng)器通常采用玻璃或有機玻璃等材料制作，成本較高，且在反應(yīng)器規(guī)模變大之后，要求材料厚度大大增加，不易操作，因而人們不斷嘗試使用質(zhì)量輕、強度大、透光性能好的塑料薄膜等廉價材料用于平板式光生物反應(yīng)器的制作。Tredici等25設(shè)計了一種稱為“green wall panel（GWP）”的平板式光生物反應(yīng)器，它由低密度聚乙烯和支撐結(jié)構(gòu)組成。優(yōu)化后的反應(yīng)器成本也由原來的50歐元/平方米降低到25歐元/平方米。Proviron公司設(shè)計的一種袋式平板式反應(yīng)器，外部的水即是一個很好的支撐體系，又有很好的控溫作用（圖6）。該公司聲稱其中的細胞濃度已經(jīng)達到了10g/L。

35 參考文獻

LI X, XU H, WU Q.Large-scale biodiesel production from microalga Chlorella protothecoides through heterotrophic cultivation in bioreactors.Biotechnol Bioeng, 2007, 98:764-771.

36 參考文獻

BRENNAN L, OWENDE P.Biofuels from microalgae- a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products.Renew Sust Energ Rev, 2010, 14: 557-577.

37 參考文獻

PATI?O R, JANSSEN M, STOCKAR U.A study of the growth for the microalga Chlorella vulgaris by photo-bio-calorimetry and other on-line and off-line techniques.Biotechnol Bioeng, 2007, 96(4):757-767.

38 參考文獻

LEE Y K.Commercial production of microalgae in the AsiaePacific rim.J Appl Phycol, 1997, 9:403-411.

39 參考文獻

FAN J, HUANG J, LI Y, et al.Sequential heterotrophy- dilution- photoinduction cultivation for efficient microalgal biomass and lipid production.Bioresour Technol, 2012, 112:206-211.

40 參考文獻

ZHENG Y B, CHI Z Y, LUCKER B, et al.Two-stage heterotrophic and phototrophic culture strategy for algal biomass and lipid production.Bioresour Technol, 2012, 103:484-488.

41 參考文獻

HAN F, HUANG J, LI Y, et al.Enhancement of microalgal biomass and lipid productivities by a model of photoautotrophic culture with heterotrophic cells as seed.Bioresour Technol, 2012, 118:431-437.

微藻大規(guī)模培養(yǎng)的垂直柱式光生物反應(yīng)器應(yīng)用較少，不過在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，其另一種形式吊袋系統(tǒng)經(jīng)常被用于培養(yǎng)餌料微藻，如英國Seasalter Shellfish公司構(gòu)建了一套相對廉價和易于搭建的連續(xù)培養(yǎng)立袋系統(tǒng)，使用了500L的垂直聚乙烯塑料袋，由金屬架支撐，用于餌料微藻的培養(yǎng)。

1.3 微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)工藝優(yōu)化技術(shù)

影響微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)的核心因素是光照、培養(yǎng)基和CO2。如何提高光和CO2的固定效率是微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)工藝優(yōu)化的核心。同時，培養(yǎng)工藝的優(yōu)化必須與所用的培養(yǎng)系統(tǒng)緊密結(jié)合起來。對于如何提高光的固定效率，除選擇適宜的光生物反應(yīng)器外，在培養(yǎng)工藝方面可以通過改變通氣量或其他混合裝置，增強藻液在光照方向上的混合來實現(xiàn)。

目前，在微藻的規(guī)模化培養(yǎng)中，補充CO2已成為一項常規(guī)措施。由于CO2在水中溶解度很低，加大通氣量或提高CO2濃度均會大大降低CO2的利用率，導(dǎo)致培養(yǎng)成本的增加。因此，在微藻規(guī)模化培養(yǎng)中除盡量利用廉價的CO2資源外，更重要的是提高CO2與培養(yǎng)液之間的傳質(zhì)效率，從而提高其利用率。

關(guān)于培養(yǎng)基優(yōu)化，需要特別注意的是必須與規(guī)模化培養(yǎng)的實際條件結(jié)合起來，在實驗室條件下如果不能很好地模擬規(guī)?；囵B(yǎng)的實際條件，其優(yōu)化獲得的培養(yǎng)基并不一定適合戶外規(guī)?；囵B(yǎng)26。

2 微藻的混養(yǎng)培養(yǎng)研究

混合營養(yǎng)培養(yǎng)是獲得高密度微藻的有效途徑。在這種培養(yǎng)方式下，微藻主要通過有機碳源和外界光源來獲取能量。Martinez等27報道了光強對蛋白核小球藻混合營養(yǎng)生長的影響。研究表明光為藻細胞的生長和維持提供能量，而葡萄糖全部用于細胞的生長。

Orus等28對比了混合營養(yǎng)、異養(yǎng)、光自養(yǎng)3種培養(yǎng)方式對普通小球藻生長的影響，結(jié)果表明混合營養(yǎng)的培養(yǎng)密度要遠遠高于后兩者。Lee等29在封閉式管式光生物反應(yīng)器中采用混養(yǎng)和異養(yǎng)兩種培養(yǎng)方式交替培養(yǎng)小球藻（C.sorokiniana），夜晚小球藻進行異養(yǎng)生長，細胞產(chǎn)率為5.9g/（L·d）；白天小球藻進行混養(yǎng)生長，細胞產(chǎn)率為10.2 g/（L·d）。桂林等30在搖瓶中采用混養(yǎng)對蛋白核小球藻進行了培養(yǎng)，培養(yǎng)6d后的藻細胞密度達20.9g/L。

混合營養(yǎng)培養(yǎng)方式可以較好地發(fā)揮自養(yǎng)和異養(yǎng)兩種培養(yǎng)方式的長處，但此種方式目前尚難以用于規(guī)?；a(chǎn)，主要的原因是培養(yǎng)時所用的光生物反應(yīng)器既要能實現(xiàn)無菌操作，又要能提供有效的光照，這在規(guī)模化生產(chǎn)中是很難實現(xiàn)的。

3 微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)

微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)，即通過添加葡萄糖等有機碳源使微藻進行異養(yǎng)生長。這種培養(yǎng)方式具有以下優(yōu)點：不受環(huán)境和氣候等條件的限制；可保持純培養(yǎng)，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量的均一性；能夠獲得較高的細胞密度和生產(chǎn)效率；可借鑒和利用比較成熟的工業(yè)發(fā)酵技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備等17。同時，異養(yǎng)培養(yǎng)也有缺點：可進行異養(yǎng)培養(yǎng)的微藻品種很少；能耗和培養(yǎng)基成本高；易被其他微生物污染；生長易受高濃度底物的抑制；無法用于生產(chǎn)光誘導(dǎo)才能產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物31。

盡管如此，微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)近年來仍然受到很多關(guān)注，被用來生產(chǎn)多種代謝產(chǎn)物，如葉黃素、維生素、抗壞血酸、EPA和DHA等。這些研究不僅在實驗室進行，有些已達到產(chǎn)業(yè)化規(guī)模32～36。

在可異養(yǎng)培養(yǎng)的微藻中，研究最多的是小球藻，通過異養(yǎng)培養(yǎng)的方式來生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。也有研究者利用小球藻生產(chǎn)生物柴油等，并將傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于小球藻的高密度異養(yǎng)培養(yǎng)37。1997年前后，日本每年利用異養(yǎng)培養(yǎng)生產(chǎn)的小球藻約為500噸，占當(dāng)時日本小球藻總產(chǎn)量的50%左右38。

4 微藻培養(yǎng)的新技術(shù)研究

4.1 微藻異養(yǎng)-稀釋-光誘導(dǎo)串聯(lián)培養(yǎng)技術(shù)

華東理工大學(xué)在國內(nèi)外首創(chuàng)了微藻的異養(yǎng)-稀釋-光誘導(dǎo)串聯(lián)培養(yǎng)技術(shù)39。通過實驗證明，該工藝可以實現(xiàn)小球藻高密度高品質(zhì)培養(yǎng)，且易于放大。實驗室培養(yǎng)結(jié)果表明，普通小球藻和蛋白核小球藻異養(yǎng)培養(yǎng)細胞密度可達55g/L和150g/L以上；稀釋后轉(zhuǎn)入光誘導(dǎo)培養(yǎng)，細胞密度為2～5g/L，經(jīng)過8～24h的光照，蛋白質(zhì)和葉綠素含量可快速升高到50%和25mg/g以上。

目前，異養(yǎng)-稀釋-光誘導(dǎo)串聯(lián)培養(yǎng)技術(shù)已經(jīng)初步應(yīng)用于小球藻和雨生紅球藻的規(guī)?；囵B(yǎng)，發(fā)展前景非常廣闊。

4.2 微藻異養(yǎng)種子-光自養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù)

光自養(yǎng)培養(yǎng)是能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)中最具潛力的一種方式，但在培養(yǎng)初期如何在較短的時間內(nèi)獲得大量藻種是其面臨的一個難題40。

另外，傳統(tǒng)的微藻培養(yǎng)（以作為營養(yǎng)品的小球藻、螺旋藻等微藻的大規(guī)模光自養(yǎng)培養(yǎng)為例）所用的培養(yǎng)基營養(yǎng)成分比較充足和全面，到采收時藻細胞成分和初始種子差別不大，仍保持較高的繁殖活力，因此可以采用生產(chǎn)池中的藻液作為種子進行不斷擴培。

但能源微藻的培養(yǎng)與作為營養(yǎng)品用的微藻培養(yǎng)方式不同，能源微藻的培養(yǎng)目的是為了獲得盡可能高的油脂含量和油脂產(chǎn)率，培養(yǎng)后期往往采用脅迫條件（如缺氮等）使藻細胞積累油脂，而積累油脂后的藻細胞的組成和活性與正常細胞相比已發(fā)生了很大變化，難以作為種子進行下一步的擴培，因此能源微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)對藻種的需求量極大，種子的大規(guī)模穩(wěn)定供給也就成為實現(xiàn)能源微藻大規(guī)模培養(yǎng)所亟待解決的主要瓶頸問題之一。

微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)由于培養(yǎng)設(shè)備投資大、培養(yǎng)基成本高，難以直接用于能源微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)。但通過異養(yǎng)培養(yǎng)來獲得藻種這一方式是可行且十分具有潛力的。Zheng等40已經(jīng)證明了以異養(yǎng)細胞作為種子進行C.sorokiniana光自養(yǎng)培養(yǎng)是可行的。Han等41的研究也表明，采用異養(yǎng)種子進行蛋白核小球藻光自養(yǎng)培養(yǎng)，不僅能夠保證藻種的及時穩(wěn)定供給，而且可以提高微藻在光自養(yǎng)培養(yǎng)階段的細胞產(chǎn)率和油脂產(chǎn)率。

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.03.001