（1.國投生物科技投資有限公司，北京 100032；2.微藻生物能源與資源北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100032）

微藻可利用太陽能和二氧化碳通過光合作用生產(chǎn)有機(jī)物，有生長迅速、效率高、能耗低、易于產(chǎn)業(yè)化的特點(diǎn)，被視為21世紀(jì)食品、保健品、生物飼料和生物能源的重要潛在來源[1-2]。微藻生物質(zhì)生產(chǎn)成本占生物能源全流程成本的60%以上，研發(fā)高效率、低成本的新型微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器，以提高微藻的生長速率和生物質(zhì)產(chǎn)量，是推動(dòng)微藻大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)[3-4]。

微藻光生物反應(yīng)器是微藻生長或進(jìn)行光合反應(yīng)的反應(yīng)裝置，一般分封閉式光生物反應(yīng)器和開放式光生物反應(yīng)器兩大類[5]。封閉式光生物反應(yīng)器包括水平管道式反應(yīng)器、平板式反應(yīng)器、柱狀反應(yīng)器、螺旋管反應(yīng)器、管排式反應(yīng)器[6]、柵板式反應(yīng)器[7]等，可較好地控制培養(yǎng)條件，降低污染，比開放式可獲得更高的生物量，但成本更高，適合雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）、金藻（Isochrysissp.）、三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）等高附加值微藻的大規(guī)模培養(yǎng)。開放式光生物反應(yīng)器分為人工池塘以及帶攪拌裝置的跑道循環(huán)池、膜式反應(yīng)器等，跑道池反應(yīng)器系統(tǒng)因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、建造成本低廉、操作方便的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于螺旋藻（Spirulina）、小球藻（Chlorella）、微擬球藻（Nannochloropsis salina）等常見微藻的大規(guī)模培養(yǎng)[8-10]。

但跑道池光生物反應(yīng)器存在如下問題。為增加微藻細(xì)胞的光通量密度，減少微藻沉降，跑道池光生物反應(yīng)器需提供動(dòng)力使藻液處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一般采用減速電機(jī)帶動(dòng)攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)作為動(dòng)力推動(dòng)藻液在跑道池中循環(huán)流動(dòng)。為使藻液正常流動(dòng)，藻液的培養(yǎng)深度至少需20～30 cm，從而導(dǎo)致一系列問題：

1）藻液深度大，使光照比表面積小，而太陽光的穿透厚度僅幾毫米，底層藻液光合作用效率下降，生物質(zhì)密度低（0.05～0.6 g·L-1），不同的藻種密度、養(yǎng)殖地域有一定差異，所以微藻在跑道池中宜保持淺水培養(yǎng)[11-12]。

2）在一定范圍內(nèi)，藻液流速越大越好，以增加藻細(xì)胞接觸陽光的概率，防止藻細(xì)胞貼壁和沉降，但攪拌槳的高速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)顯著增加能耗[13-14]。一般跑道池中藻液流速控制在0.01～0.03 m/s，藻液攪拌混合程度較低，池底容易沉降藻細(xì)胞，導(dǎo)致光合作用活躍度降低[12]。

3）藻液體積大（至少200～300 L·m-2）、生物質(zhì)密度低、耗水量大，后續(xù)藻水分離、水處理難度較大，分離成本和能耗較高，同時(shí)得到的藻粉生物質(zhì)品質(zhì)較低[15]。

針對(duì)跑道池光生物反應(yīng)器存在的這些問題，本研究設(shè)計(jì)一種新型開放式的薄層自流式光生物反應(yīng)器，與跑道池光生物反應(yīng)器進(jìn)行微藻培養(yǎng)對(duì)比試驗(yàn)，并進(jìn)行工業(yè)化放大，旨在研發(fā)一種可獲得高效生產(chǎn)微藻生物質(zhì)的光生物反應(yīng)器，為微藻大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 薄層自流式光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)跑道池光生物反應(yīng)器存在的問題，提出如下新型開放式光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)思路：

1）改變采用減速電機(jī)帶動(dòng)攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)作為動(dòng)力推動(dòng)藻液循環(huán)的方式，而將跑道池的水平面改為傾斜面，使藻液可依重力作用沿傾斜面自行流動(dòng)，這可使藻液培養(yǎng)深度控制在3～5 cm，藻液流速控制在0.6～0.9 m·s-1，從而提高微藻光合作用效率，得到細(xì)胞濃度較高的藻液。

2）用離心泵代替減速電機(jī)作為動(dòng)力源，將自流到低點(diǎn)的藻液輸送至高處，高處的藻液沿傾斜面再次自流至低處，從而實(shí)現(xiàn)藻液的循環(huán)流動(dòng)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

基于以上設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)一種薄層自流式光生物反應(yīng)器，采用Solidworks設(shè)計(jì)軟件建立三維模型，如圖1所示。該反應(yīng)器主要由反應(yīng)器本體、支架、蓄液池、離心泵、PVC管路等部件構(gòu)成。

反應(yīng)器本體由鍍鋅鋼板折彎成型，再依次安裝在由方鋼管拼焊成型的支架上，支架上安裝有調(diào)節(jié)螺栓，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器本體的坡度在0～0.5%之間任意調(diào)節(jié)。鍍鋅鋼板上再敷設(shè)一層高密度聚乙烯（HDPE）防滲膜作為平整的防水層并避免微藻液腐蝕鍍鋅鋼板。

蓄水池作為反應(yīng)器本體自流下來的藻液緩沖池，為離心泵向反應(yīng)器本體的最高點(diǎn)輸送藻液提供一定泵送體積，防止離心泵由于吸空而導(dǎo)致氣蝕。離心泵通過PVC管道將蓄水池藻液輸送至反應(yīng)器本體的高點(diǎn)，藻液沿著反應(yīng)器本體的傾斜面自流至蓄水池內(nèi)，實(shí)現(xiàn)藻液的循環(huán)流動(dòng)，藻液在傾斜面上接受光照進(jìn)行光合作用。離心泵配有變頻器，通過改變離心泵的工作頻率調(diào)節(jié)管道出口的藻液流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器本體上流動(dòng)藻液深度的調(diào)節(jié)。

圖1 薄層自流式光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of inclined thin-layer photobioreactor

2 微藻培養(yǎng)評(píng)價(jià)試驗(yàn)

2.1 中試培養(yǎng)系統(tǒng)的建立

為比較薄層自流式光生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)跑道池光生物反應(yīng)器的性能，在國投微藻中心的河北省廊坊市生產(chǎn)基地內(nèi)建造一套薄層自流式反應(yīng)器和跑道池反應(yīng)器的微藻中試對(duì)比培養(yǎng)系統(tǒng)，如圖2所示。根據(jù)給排水設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可使藻液依重力作用沿光滑斜面自流干凈的最小坡度為0.3%。薄層自流式反應(yīng)器本體設(shè)計(jì)總長150 m，單側(cè)寬度1 m，斜坡角度調(diào)整為0.3%，反應(yīng)器本體的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差為450 mm，藻液培養(yǎng)深度4 cm，藻液流速0.8 m·s-1，總培養(yǎng)體積6 000 L。跑道池反應(yīng)器長度5 m，寬度3.2 m，藻液培養(yǎng)深度25 cm，藻液流速0.2 m·s-1，總培養(yǎng)體積4 000 L。

2.2 微藻中試培養(yǎng)初步評(píng)價(jià)試驗(yàn)

以國投生物科技投資有限公司選育的柵藻（命名為“GT2”，Scenedesmussp.）為藻種，2016年11月于河北省三河市實(shí)驗(yàn)基地開展薄層自流式光生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)跑道池光生物反應(yīng)器（自制）對(duì)微藻培養(yǎng)效果的初步評(píng)價(jià)試驗(yàn)。兩種反應(yīng)器初始接種濃度均為0.05 g·L-1，藻液深度分別為4 cm和25 cm，兩種反應(yīng)器同時(shí)培養(yǎng)10 d，培養(yǎng)期間用溫室控制系統(tǒng)（中農(nóng)金旺北京公司）自動(dòng)監(jiān)測(cè)光照與氣溫，培養(yǎng)時(shí)藻液pH由哈希SC200型pH計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（同時(shí)集成藻液溫度監(jiān)測(cè)功能），用二氧化碳調(diào)節(jié)閥偶聯(lián)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，使pH維持在7.5±0.3。微藻質(zhì)量（干物質(zhì)）測(cè)量：每天定點(diǎn)取樣，采用玻璃纖維過濾膜（直徑50 mm，孔徑0.45 μm）在85 ℃條件下烘干至恒重，取一定體積藻液，抽濾，帶有藻細(xì)胞的濾膜同樣置85 ℃烘箱烘干至恒重，置干燥器中冷卻后稱量質(zhì)量，計(jì)算藻細(xì)胞干物質(zhì)含量。

表1可見，培養(yǎng)期間，白天日均照度約為350 μmol·m-2·s-1（陰天時(shí)白天日均照度為30 μmol·m-2·s-1左右）；薄層自流式反應(yīng)器由于藻液液位低，藻液溫度波動(dòng)大，從夜間的18 ℃可升至最高時(shí)的36 ℃左右，跑道池反應(yīng)器液位高，藻液溫度波動(dòng)較小，從夜間的18 ℃升至最高29 ℃左右。培養(yǎng)10 d后，薄層自流式反應(yīng)器內(nèi)柵藻生物質(zhì)質(zhì)量濃度從0.1 g·L-1增至1.49 g·L-1，跑道池內(nèi)生物質(zhì)質(zhì)量濃度從0.1 g·L-1增至0.21 g·L-1。雖然溫室內(nèi)光通量密度低，生物質(zhì)絕對(duì)產(chǎn)率較低，但薄層自流式反應(yīng)器中柵藻的生物質(zhì)濃度顯著高于跑道池反應(yīng)器，單位面積產(chǎn)率（每天單位占地面積的產(chǎn)量）升高13%，從圖3的生長對(duì)比亦可見，薄層自流式反應(yīng)器中柵藻的生長速率明顯高于同期跑道池光生物反應(yīng)器，說明此反應(yīng)器具備工業(yè)化放大的潛力。

圖2 薄層自流式光生物反應(yīng)器微藻中試培養(yǎng)系統(tǒng)(a,b)及跑道池光生物反應(yīng)器對(duì)比培養(yǎng)系統(tǒng)（c）Fig.2 Pilot-scale microalgae cultivation system of ITP (a,b),and contrast culture system of raceway pond PBR (c)

表1 薄層自流式光生物反應(yīng)器與跑道池光生物反應(yīng)器柵藻中試培養(yǎng)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Pilot-scale cultivation data of the green microalga Scenedesmussp.grown in ITP and raceway pond PBR

圖3 微藻培養(yǎng)生長對(duì)比曲線Fig.3 Growth curves of Scenedesmus sp.maintained in ITP and raceway pond

根據(jù)兩種反應(yīng)器的最終柵藻生物質(zhì)濃度，按生產(chǎn)1 kg藻粉計(jì)算，薄層自流式反應(yīng)器耗水782 L，跑道池反應(yīng)器耗水約4 760 L（表2），薄層式反應(yīng)器的耗水量遠(yuǎn)低于跑道池反應(yīng)器。這既可縮短藻水分離時(shí)間，提高微藻收獲效率，也可節(jié)約大量的水資源，降低收獲成本。

表2 按生產(chǎn)1 kg藻粉兩種反應(yīng)器耗水量對(duì)比Table 2 Water consumption in ITP and raceway pond PBR for product 1 kg algae powder

2.3 微藻大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)的建立

由微藻中試培養(yǎng)系統(tǒng)的初步對(duì)比試驗(yàn)可見，微藻在薄層自流式反應(yīng)器培養(yǎng)相對(duì)于傳統(tǒng)跑道池反應(yīng)器培養(yǎng)有較大的生長優(yōu)勢(shì)。為驗(yàn)證該新型反應(yīng)器在大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)中的性能，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，在廣西北海市某電廠建設(shè)一套薄層自流式反應(yīng)器的室外大規(guī)模試驗(yàn)系統(tǒng)（圖4）。該系統(tǒng)與前述中試薄層自流式反應(yīng)器的原理相同，但反應(yīng)器本體采用回填土夯實(shí)，兩側(cè)用磚砌成圍堰，再敷設(shè)一層HDPE防滲膜作為防水層，反應(yīng)器本體設(shè)計(jì)總長200 m，單側(cè)寬度5 m，藻液培養(yǎng)深度5 cm，斜坡角度為0.3%，藻液流速0.8 m·s-1，藻液總培養(yǎng)體積50 000 L，藻液輸送采用軸流泵，出口管路管徑為DN300[16]。

2.4 微藻大規(guī)模培養(yǎng)試驗(yàn)

以同株柵藻為培養(yǎng)藻種，2～4月期間在此薄層自流式光生物反應(yīng)器大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行了4個(gè)批次的培養(yǎng)試驗(yàn)。培養(yǎng)期間，氣象數(shù)據(jù)由溫室娃娃（國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心研制）自動(dòng)監(jiān)測(cè)光照、氣溫；培養(yǎng)時(shí)藻液pH由二氧化碳監(jiān)測(cè)偶聯(lián)裝置（同時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)藻液溫度）自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，維持在7.5±0.3；微藻生物質(zhì)含量測(cè)定同2.2。

培養(yǎng)期間，光照充足，晴天日間平均照度為1000 μmol·m-2·s-1左右，最高2 300 μmol·m-2·s-1，陰天時(shí)，日間平均照度為230 μmol·m-2·s-1左右，最高達(dá)570 μmol·m-2·s-1，晴天光照是陰天的4倍左右（圖6）。藻液溫度隨日照波動(dòng)，晴天時(shí)，藻液平均溫度為30.5 ℃左右，最高可達(dá)35.5 ℃，陰天時(shí)，藻液平均溫度為26.5 ℃左右，最高可達(dá)28.5 ℃（圖7）。4個(gè)批次柵藻培養(yǎng)結(jié)果如圖8所示，由于當(dāng)?shù)毓庹諚l件良好，柵藻生長無明顯延遲，在無陰雨天氣時(shí)，微藻生長快速，平均生物質(zhì)產(chǎn)率0.19 g·L-1·d-1，單日最高達(dá)0.86 g·L-1·d-1，相應(yīng)的單位面積產(chǎn)率達(dá)43.5 g·m-2·d-1，最終生物量最高達(dá)2.31 g·L-1，與跑道池光生物反應(yīng)器最高約0.01～0.6 g·L-1的微藻培養(yǎng)生物量相比，優(yōu)勢(shì)明顯。

圖4 薄層自流式光生物反應(yīng)器微藻大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)（a）藻液輸送軸流泵（b）Fig.4 Large-scale cultivation system of ITP (a) and Axial flow pump for circulating microalgae culture (b)

圖5 培養(yǎng)期間光照變化Fig.5 Light intensity during culture

圖6 培養(yǎng)期間陰晴天時(shí)光照變化Fig.6 Light intensity on sunny and cloudy day during culture

圖7 培養(yǎng)期間陰晴天時(shí)藻液溫度波動(dòng)情況Fig.7 Temperature of algae on sunny and cloudy day during culture

圖8 薄層自流式光生物反應(yīng)器大規(guī)模培養(yǎng)柵藻生長Fig.8 Growth of the green microalga Scenedesmus sp.maintained in the ITP large-scale microalgae cultivation

3 討論與結(jié)論

本研究為解決傳統(tǒng)跑道池光生物反應(yīng)器在微藻培養(yǎng)中存在的問題，采用Solidworks軟件設(shè)計(jì)一種新型薄層自流式光生物反應(yīng)器，建立該新型反應(yīng)器的中試微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，并與跑道池反應(yīng)器進(jìn)行微藻培養(yǎng)的初步評(píng)價(jià)試驗(yàn)，并建造一套該反應(yīng)器的大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)，開展多批次培養(yǎng)試驗(yàn)。以上工作表明：

1）根據(jù)薄層自流式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)思路，完成4000 L中試系統(tǒng)和50 000 L大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造，滿足微藻規(guī)模化生產(chǎn)的設(shè)備條件。在50 000 L的大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)中，微藻生物質(zhì)產(chǎn)率單日最高達(dá)到0.86 g·L-1·d-1，單日最高占地面積產(chǎn)率達(dá)43.5 g·m-2·d-1，最終生物量達(dá)2.31 g·L-1。

2）微藻培養(yǎng)的占地面積生物質(zhì)產(chǎn)率決定了所需占地面積的大小，一般對(duì)柵藻、小球藻等需要高光照的藻種，薄層自流式反應(yīng)器生物質(zhì)產(chǎn)率高于跑道池反應(yīng)器，但對(duì)于其他藻種，需繼續(xù)開展不同培養(yǎng)深度對(duì)產(chǎn)率的影響實(shí)驗(yàn)，結(jié)果可能不同。

3）薄層自流式反應(yīng)器培養(yǎng)微藻生物質(zhì)濃度高，生產(chǎn)相同生物質(zhì)的耗水量遠(yuǎn)低于跑道池反應(yīng)器，既可以節(jié)約大量的水資源，在工廠選址、降低水資源的依賴度均大有裨益。

4）在生產(chǎn)相同生物質(zhì)的情況下，采用離心分離的收獲方式，藻液濃度高，進(jìn)行藻水分離的時(shí)間越短、能耗更低[17]，需配置的收獲設(shè)備數(shù)量更少，因此，薄層自流式反應(yīng)器比跑道池反應(yīng)器在藻水分離上更有優(yōu)勢(shì)。

5）為更加完善薄層自流式反應(yīng)器的性能，后續(xù)工作要從溫度調(diào)控、能耗、不同藻種培養(yǎng)等方面不斷優(yōu)化，提高投入產(chǎn)出效益，以期成為微藻大規(guī)模生產(chǎn)的主力設(shè)備，助力微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展。