微藻光反应器研究进展

微藻光反应器研究进展摘要：藻类不仅富含蛋白质、脂肪和碳水化合物这三大类人类所必需的物质，而且还含有各种氨基酸、维生素、抗生素、高不饱和脂肪酸以及其它多种生物活性物质，它除了作为食品外，还是生产药品、生化试剂、精细化工产品、燃料以及其它材料的一种重要原料。

随着全球性资源短缺压力的日益增加，开发和利用海洋藻类将是长远解决人类食品资源和能源的重要途径。

随着人类对微藻认识的不断加深，开发和研制新型高效光生物反应器及其在微藻的高密度培养方面的应用研究已成为微藻生物技术的一个重要组成部分。

本文将介绍微藻光反应器的种类、特点以及研究进展。

Abstract：The production of biofuels from microalgae requires efficient photobioreactors in order to meet the tight constraints of energy efficiency and economic profitability. Current cultivation systems are designed for high-value products rather than for mass production of cheap energy carriers. Future bioreactors will imply innovative solutions in terms of energy efficiency, light and gas transfer or attainable biomass concentration to lower the energy demand and cut down production costs. Microalgae photo-bioreactors is the key technology for realizinghigh-density culture and mass culture of microalgae．This article reviewed the major types，technical parameters and characters of photobioreactor applied in microalgae culture recently．关键词：微藻光反应器研究进展一、微藻的生物特点微藻是一类光能自养型单细胞生物，它能有效利用光能、二氧化碳和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质，是地球有机资源的初级生产力。

迄今已知的藻类约有3万余种，其中微藻约占70％⋯。

从1987年至今，新发现的具有开发价值的药用海洋天然产物已达434种。

微藻具备如下特点：(1)具有叶绿体等光合器官，能有效利用太阳能将睡、二氧化碳和无机盐转化为有机化合物。

(2)以简单的分裂方式进行繁殖，细胞生长周期较短，易于大规模培养。

(3)可以用海水、咸水或半咸水培养，是淡水紧缺、土地贫瘠地区获得有效生物资源的重要途径。

(4)富含各种物质，是人类未来食品及油料的重要来源。

(5)因独特的生存环境使其能够合成许多结构和生理功能独特的生物活性物质，特别是经过一定的诱导手段，利用微藻可以高浓度合成这些具有商业化价值的化合物。

可以通过微藻培养来生产保健食品、食品添加剂、饲料、生物肥料、化妆品及其他天然产品。

另外，近年来利用藻类为宿主的基因产物的生产也日益受到关注。

随着人类对微藻的认识不断加深，开发和研制新型高效光生物反应器及其在微藻的高密度培养方面的应用研究已成为微藻生物技术的一个重要组成部分。

海洋微藻为光合自养生物，在其生长过程中如何提高微藻细胞对光能和营养物质的利用效率是微藻高密度培养的关键问题．微藻细胞对光的利用效率受到入射光强度、光照时间、光生物反应器形状、材质等因素的影响，其中光生物反应器因其几何形状的不同，决定了光暗循环时间、光衰减程度等性能参数的不同，从而影响了细胞对光的利用效率．二、微藻的研究与应用1 历史沿革微藻的研究与应用经历以下阶段：① 2O世纪4O年代，德国人试验用硅藻生产可做燃料的脂类；② 50年代至7O年代，许多国家开展小球藻、栅藻、新月藻、螺旋藻等微藻的培养与开发研究，主要用作鱼、虾、贝、蟹育苗中的饵料和生产单细胞蛋白(SCP)；③ 80年代后微藻生物技术迅速发展，人们逐渐认识到微藻在进化上的多源性、遗传的多样性，藻细胞中有一些特殊的次级代谢物，而且可以利用其生长繁殖迅速、光能转换率高、对环境适应性强、易于遗传改良的特点进行大规模培养，微藻在各领域的开发应用价值成为人们关注的热点。

2 现状及成果当今人们对微藻的研究和开发进入了一个崭新时期，微藻的培养和产品开发成为新兴的生物技术产业。

应用现代高新生物技术，微藻可以作为很多高附加值生物制品的重要来源，同时也是开发转基因产品的优良材料。

目前国外已经商业化或正在开发的微藻产品有重要的用途。

同时微藻是海洋药物的重要来源，其药用价值正日益引起人们的注意。

海洋微藻的磺酸化多糖具有抗肿瘤、抗凝血、抗病毒、抗衰老等多种生物活性，在临床上显示出越来越广阔的应用前景。

因此，微藻不仅可以作为食物的来源，还可以从中得到很多有极高价值的药物，螺旋藻多糖在抑制肿瘤细胞的生长上有重要的作用。

三、微藻光反应器的种类与特点首先什么是光反应器，光生物反应器(photo．bioreactor)是指能用于光合微生物及具有光合能力的组织或细胞培养的一类装置，与一般的生物反应器有相似的结构，有光、温度、溶解氧、二氧化碳、pH和营养物质等培养条件的调节与控制系统。

光生物反应器有较高的光能利用效率，在最佳状态下可达到18％，而植物和森林仅能利用人射光能的0．2％，并且可以进行全天候的连续或半连续培养，因此能实现光合生物的高密度培养并获得较高的单位面积或体积生物量产量。

藻类尤其是单细胞微藻能有效地利用光能、二氧化碳和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物、油以及多种高附加值生物活性物质，故目前光生物反应器主要用于微藻的大量和高密度培养。

随着人类对微藻的认识不断加深，用于微藻高密度大量培养的光生物反应器受到国内外学者和企业的高度重视，开发和研制新型高效光生物反应器及其在微藻高密度培养方面的应用研究已成为藻类生物技术和微藻生物技术的一个重要组成部分。

近年来,美国、德国和日本等发达国家已经把海洋生物技术列为重点发展方向。

尤其是将海洋微藻的大规模培养及其天然活性物质的分离提取等技术放在首位。

与国外相比,我国的微藻生物技术起步较晚,于20世纪50年代中期才开始对小球藻和栅藻等微藻进行相关研究; 70～80年代主要对螺旋藻、盐藻及一些固氮蓝绿藻的大量培养及应用进行了研究,并取得了一定的成绩; 90年代是我国微藻生物技术发展的快速时期。

中国科学院有关研究所及高校相关单位在微藻基础研究,新型光生物反应器研制,微藻的高密度大规模培养,海洋赤潮微藻的大量培养、分类与鉴定,微藻基因工程及微藻生物活性物质的分离纯化等多方面进行了系统的研究,取得了较大的进展。

目前，微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。

1、开放式光反应器所谓开放式光生物反应器就是指开放池培养系统(open pond culture system)。

其培养技术经过了广泛深入的试验，已普遍应用于商业化微藻大规模培养中，它具有投资少、成本低、技术要求简单等优点。

主要有四种类型：浅水池、循环池、跑道池式、池塘。

其中最典型、最常用的开放池培养系统是Oswald 设计的跑道池反应器(race way photobioreacc0r)。

该类培养系统实际上就是占地面积为1000~5000mz，培养液深度为15era的环形浅池。

以自然光为光源和热源，靠叶轮转动的方式使培养液于池内混合、循环，防止藻体沉淀并提高藻体细胞的光能利用率；可通入空气或二氧化碳。

气体进行鼓泡或气升式搅拌。

为防止污染，减少水分蒸发，生产中常在池体上方覆盖一些透光薄膜类的材料，使之成为封闭池。

目前国际上较著名的大规模生产微藻的公司(如：Cyanoteeh，Earthrise Farms等)均采用这种反应器，在螺旋藻、小球藻和盐藻的大规模培养中取得良好的效果。

虽然开放式光生物反应器在微藻培养中取得了一定的效果。

但是，开放式光生物反应器仍存在下列不足：(1)易受外界环境影响，难以保持较适宜的温度与光照；(2)会受到灰尘、昆虫及杂菌的污染，不易保持高质量的单藻培养；(3)光能及COz利用率不高，无法实现高密度培养；这些因素都将导致细胞培养密度偏低，使得采收成本较高，能适应大池培养的微藻藻种必须是在极端环境下能快速生长的藻种，只能用于螺旋藻、小球藻及盐藻等少数能耐受极端环境的微藻培养。

对于要求温和培养条件和种群竞争能力较弱的微藻，则只能采用封闭式光生物反应器培养。

另外，对于高卫生要求的微藻产品生产，以及将来的基因工程微藻，研制高效、易于控制培养条件的新型光生物反应系统，以实现高密度纯种培养，已经成为微藻培养技术的发展趋势。

2 封闭式光生物反应器密闭式光生物反应器(closed culture sys．tem)即通常所指的光生物反应器，是用透明材料组建的一类生物反应器，除了它们能采集光能外，其它诸多方面与传统的微生物发酵用生物反应器相似。

密闭式光合生物反应器培养条件稳定，可无菌操作，容易进行高密度培养，已成为今后的发展方向。

与开放式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器具有以下优点：(1)无污染，能实现单种、纯种培养。

(2)培养条件易于控制；(3)培养密度高，易收获；(4)适合于所有微藻的光自养培养，尤其适合于微藻代谢产物的生产。

(5)有较高的光照面积与培养体积之比，光能和二氧化碳利用率较高等突出优点。

总结出来，其结构特点是：密闭式光生物反应器结构复杂，放大较难，成本较高；比表面积大(25—125)；光能利用率高。

其培养特点是：生长参数容易控制，培养环境非常稳定；容易控制污染，能够实现无菌培养；产率较高(15—30g／m ·d)；CO2利用率较高。

其使用范围：适用于各种微藻的培养。

因此近年来在国外研制和开发利用较快，已实现了高密度商业化培养。

目前，一般封闭式光生物反应器有：管道式、平板式、柱状气升式、搅拌式发酵罐、浮式薄膜袋等。

①管道式光生物反应器管道式光生物反应器一般采用透明的直径较小的硬质塑料或玻璃、有机玻璃管，弯曲成不同形状，利用透明的管道，借助外部光源条件下进行工厂化繁殖生产藻类的方式。

由于密封的管道系统容易与其它加工设各配套，可用泵把管道内生长到一定生物量的藻体传递到下道工序，因而整个过程可以实现自动化的生产过程。