微藻培养反应器
微藻生物反应器的研究进展
微藻生物反应器研究进展摘要：本文介绍了用于微藻培养的各种密闭式光生物反应器, 包括发酵罐式、管式和平板式生物反应器及光照系统。
概述了微藻生物反应器的研究历史、现状, 对我国在微藻生物反应器研究方面取得的进展以及微藻生物反应器应用前景进行了综述。
关键词：微藻；生物反应器；综述Abstract The hermetic photobioreactors used to cultivate microalgaewere introduced, including fermenter style, tubular and flat plate bioreactor. Illuminated system were also discussed.Overview of microalgae bioreactor history, current situation, reviewed the progress made by our country in microalgae bioreactor, as well as the prospects of microalgae bioreactor applications.Key word：Microalgae；Bioreactor；Review微藻是地球上最早诞生的重要生命类群, 是某些极端环境下的幸存者和适应者, 不少种类有数万年甚至十亿年发展的演化。
环境的变化曾导致许多生物物种灭绝, 却没有消灭最原始的生命类群微藻; 相反, 微藻强大的生命力使其家族在地球上广泛分布, 包括终年被冰雪覆盖的南北两极, pH 极高或很低的湖泊水潭、盐碱沼泽甚至盐度饱和卤水, 在大洋深处、火山口、地热温泉、干旱沙漠等生命极端环境中都有微藻繁衍生息。
我国藻类产量居世界首位。
藻类除了作为食品外,还是生产药物、保健品、饲料、轻化工及生物工程产品的重要原料。
进行鱼、虾、贝类的育苗和养殖需要大量的微型藻类作饵料, 藻类还与水处理和环境保护密切相关。
光生物反应器培养微藻的原理
光生物反应器培养微藻的原理
光生物反应器培养微藻的原理主要基于微藻的光合作用特性。
微藻在光合作用中，利用光能将二氧化碳和水转化为有机物，并释放氧气。
光生物反应器则提供了一种受控的环境，支持微藻的生长和光合作用过程。
具体来说，光生物反应器通过控制系统对光、温度、营养物质等微藻生长所需条件进行调控，为微藻提供最佳的生长环境。
在反应器中，光能被特定波长的光源（如LED灯）提供，确保微藻能够吸收到所需的光能进行光合作用。
同时，反应器中的温度控制系统保持适宜的温度，确保微藻的正常代谢活动。
此外，反应器中的营养物质浓度也是影响微藻生长的关键因素。
通过向反应器中添加适量的营养物质（如氮、磷等），可以满足微藻生长所需的营养需求。
同时，反应器中的pH值、溶氧量等参数也需要进行监测和调控，以确保微藻生长环境的稳定。
通过这些调控措施，光生物反应器可以模拟微藻的自然生长环境，实现大规模培养微藻的目标。
这种培养方式具有高效率、低能耗、低污染等优点，因此在微藻生物能源、生物肥料等领域具有广阔的应用前景。
微藻大规模培养反应器
封闭式和敞开式比较
封闭式优点：
培养效率高
培养条件易于控制
污染少
生产周期延长，可常年生产
适于所有藻类的培养
封闭式光培养反应器设计原则：
高光照表面积与体积之比
较高的气体交换效率
适的积累
培养条件易控制
成本尽可能地低
微藻大规模培养反应器
要求条件
足够的光源
合适的温度
合适的无机碳源
合适的PH
充分混合
避免污染
氧的析出与供给
类型
1.敞开式培养反应器
聚乙烯或水泥砌衬的水平池中，天然湖泊、环湖礁等；池内采用螺旋桨或空气喷射器等进行搅拌，或池体隔成跑道，用泵循环。
我国螺旋藻均采用敞开式跑道培养系统
优点：成本低，建造容易，操作方便，易于生产；
缺点：培养效率低，培养条件无法控制，易污染，水分易蒸发，培养液盐度过高，影响微藻生长，难于进行高密度培养。
2.封闭式光培养反应器
管道式：最普通，主体是透明塑料制成的管子，弯成各种形状
圆筒形：垂直放置，透明材料制成，由带挡板的内筒、外筒、顶板和底板四部分组成。
扁平箱式：外形是一扁平的长方体
浅层槽式：泵循环，槽内装有数排薄金属翼片，产生涡流，有效混合，提高光能利用率。
微藻培养反应器课件
在开放式培养系统中，微藻在自 然环境下生长，反应器可以是一 个池塘或一个玻璃瓶等开放式容
器。
封闭式培养
在封闭式培养系统中，微藻在人工 控制的环境下生长，反应器可以是 一个密封的容器或管道等。
半封闭式培养
在半封闭式培养系统中，微藻在部 分受控的环境下生长，反应器可以 是一个有遮盖的池塘或一个有透明 玻璃盖的容器等。
微藻培养反应器课件
目录
• 微藻培养反应器概述 • 微藻培养反应器的工作原理 • 微藻培养反应器的操作流程 • 微藻培养反应器的维护与保养 • 微藻培养反应器的技术参数与性能评估 • 养反应器概述
定义与特点
定义
微藻培养反应器是一种用于培养 微藻的设备，通常由光合反应器 、搅拌器、照明系统等组成。
食品补充
某些微藻富含蛋白质、脂 肪、维生素等营养成分， 可作为一种食品补充。
微藻培养反应器的历史与发展
历史
微藻培养反应器的研究和应用已有多年历史，最初主要用于藻类生物量的生产，近年来逐渐发展成为一项受到关 注的技术，应用领域不断扩大。
发展
随着技术进步和科研深入，微藻培养反应器的效率和稳定性不断提高，成本也在逐渐降低，使得这项技术在更多 领域的应用成为可能。同时，新型反应器的设计和优化也在不断推进，如光生物反应器、气升式反应器等，将进 一步促进微藻培养反应器的应用和发展。
05
微藻培养反应器的技术参数与 性能评估
技术参数的设定与选择
反应器尺寸
根据培养规模和产能需求，选择合适 的反应器尺寸。
反应器材质
选择耐腐蚀、抗氧化的材质，以保持 长期稳定运行。
搅拌和循环系统
根据培养液的粘度、密度等特性，设 计合理的搅拌和循环系统，确保培养 液充分混合和氧气传递。
微藻培养的光生物反应器
知识介绍微藻培养的光生物反应器刘志伟1) 余若黔2) 郭 勇4)(华南理工大学食品与生物工程学院,广州510640)张 晨3)(嘉应学院生物系,梅州514015)摘要 介绍了用于微藻培养的各种密闭式光生物反应器,包括发酵罐式、管式和平板式生物反应器及光照系统。
关键词 微藻,培养,光生物反应器Photobioreactors for cultivating microalgaeLIU Zhiwei ,YU Ruoqian ,G UO Yong(C ollege of F ood Engineering and Biotechnology ,S outh China University of T echnology ,G uangzhou 510640)ZH ANG Chen(Department of Biology ,Jiaying C ollege ,Meizhou 514015)Abstract The hermetic photobioreactors used to cultivate microalgae were introduced ,including fermenter style ,tubular and flat plate bioreactor.I lluminated system were als o discussed.K ey w ords microalgae ,cultivation ,photobioreactor 第一作者:刘志伟,男,1969年生,博士研究生,讲师,从事发酵工程方面的研究。
微藻能有效利用光能、C O 2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,可以培养微藻来生产健康食品、食品添加剂、动物饲料、生物肥料及其他天然产品。
另外,近年来分子遗传学和基因工程研究证实,大肠杆菌的载体和启动因子往往可以适用于蓝藻,尤其是单细胞蓝藻的转基因,这使得蓝藻基因工程得到了较快的发展,利用藻类为宿主的基因产物的生产也日益受到关注,因此微藻的培养受到广泛重视。
微藻培养与光生物反应器教学讲义
02
03
04
光照系统设计
选择合适的光源和光照强度， 确保微藻能够充分进行光合作
用。
营养物质供应系统
设计合理的营养物质供应方式 ，保证微藻生长所需的营养充
足且均衡。
生长环境调控系统
实现对温度、pH值、溶解氧 等生长环境的精确调控，确保 微藻能够在适宜的环境中生长
。
反应器结构优化
通过对反应器结构的优化设计 ，提高光能利用率和微藻生长
速率，降低培养成本。
PART 04
微藻培养与光生物反应器 的结合
REPORTING
WENKU DESIGN
PART 04
微藻培养与光生物反应器 的结合
REPORTING
WENKU DESIGN
微藻在光生物反应器中的生长特性
光合作用与生长速率
微藻在光生物反应器中通过光合作用将光能转化为化学能， 其生长速率受光照强度、光质、光周期等光环境因素的影 响。
生态修复
微藻能够吸收废水中的营 养物质，净化水质，同时 降低水体富营养化程度， 有助于生态修复。
光生物反应器的应用
提高微藻产量
光生物反应器通过优化光照、温 度、营养盐等条件，促进微藻生
长，提高生物质产量。
降低成本
光生物反应器可实现微藻培养的自 动化和规模化，降低生产成本，提 高经济效益。
拓展应用领域
管式光生物反应器
具有较大的光照面积和较高的光能利用率， 适用于大规模培养。
封闭式光生物反应器
光能利用率高，微藻生长速率快，但结构复 杂，成本较高。
平板式光生物反应器
结构简单，易于清洗和维护，适用于实验室 规模的研究。
光生物反应器的类型与结构
开放式光生物反应器
微藻生物反应器
• 其中密闭式光生物反应器与敞开式相比具有独 特的优点, 在微藻培养中商业化规模的成功取 决于其生产成本。现代技术日新月异, 各种新 材料、新型高效光源的出现与使用, 加上基础 理论研究的深入, 必将使密闭光生物反应器更 为成熟, 生产成本不断降低,从而真正应用到 工业化生产中。
敞开式光生物反应器
在敞开式反应器中，典型且最常用的是敞
开式跑道池，它是最古老的藻类培养反应器，
且一直沿用至今。目前微藻的大规模培养主要
使用这种反应器，这类反应器每个可大到几千
平方米。
密闭式光生物反应器
• • • • 密闭式光生物反应器又包括： 管道式光反应器 平板式光反应器 柱式光反应器
1、管道式光反应器
3、柱式光生物反应器
• 柱状内环流气升式光 生物反应器的结构特 点为:整体为玻璃-不 锈钢结构,耐酸和碱 的腐蚀、可全方位接 受光照,具有pH、温 度和溶解氧自动调节、 监控和记录的功能; 可进行完全灭菌,实 现藻体的纯培养。
封闭式光生物反应器的优点
1. 培养密度高。微藻细胞浓度每升可达几克 （比敞开式跑道池中的细胞浓度高出1～2个 数量级），这给采收带来了很大的方便。 2. 培养条件易于控制。除了自然光强度无法控 制外，其它条件均可自动控制，这对微藻代 谢产物的大量积累非常有利。 3. 无污染，可实现纯种培养。 4. 生产期可延长，甚至可终年生产。 5. 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。对于转基因微藻及同 位素标记性化合物产生藻，则必须用封闭式 光生物反应器来培养。
2平板式光反应器?平板式光生物反应器主要是由透明的玻璃或有机玻璃板制成可以根据太阳光强度及入射方向的变化调节最适的采光方向增大透光率通过调节不同的反应器厚度维持短的光通路保证有效液层充分受光混合强度也可调节易实现高密度培养
微藻培养中光生物反应器的研究进展
这种反应器最早出现在上世纪 ５ ０ 年代（ Ｄ ａ ｖ ｉ ｓ ， Ｔａｍｉｙａ， １９５３），Ｐｉｒｔ［４］等已建立了细管（管径１ｃｍ）光生物反 应器的设计和操作理论及计算机控制装置，在这个基础 上， Ｔｏｒｚｉｌｌｏ等［５］设计和建造了双层管道式光生物反应器 用于螺旋藻的室外培养。为了提高光能利用率，Ｌ ｅ ｅ ＬｅｅＹ． Ｋ 等［６］和 Ｍｉｙａｍｏｔ 等［７］都对水平设置的管道进行改 进，采用α－ 斜管或螺旋盘管式光生物反应器，并作了 大量的基础理论和应用研究。在诸多的封闭式光生物反 应器中，管状光生物反应器发展最快，其可靠性，有
２ 封闭式光生物反应器
封闭式光生物反应器开发虽已有近 ５０ 年的历史，但 最快的进展还是近 １０ 年的事。２０ 世纪 ９０ 年代以来，涌 现出了大量有关专利。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 Ｃ Ｏ ２ 利用率较高等突出优点。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。 ２．１ 管道式光生物反应器
774 2006, Vol. 27, No. 12
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微藻培养反应器
•浅层溢流光培养反应器
该反应器的光照表面积与体 积之比大，对光能的利用率 高。其设计也使平面型的培 养向空间发展，占地面积小， 随着内部隔板层数的增加， 这种优势更加明显。该反应 器采用溢流喷射装置对藻液 进行搅拌和通气，气液混合 均匀，简化了流程和设备， 具有很好的应器
微藻培养反应器 • 管道式光培养反应器
微藻培养反应器
管道式光培养反应器
管道式光培养反应器
微藻培养反应器 • 圆筒形光培养反应器
这种反应器的光照表面积 与体积之比不高，对土地 的利用率不高，培养体积 也有限。
微藻培养反应器
•扁平箱式光培养反应器
使用这种多级反应器连续培养技术有以下优点： ①在稀释率相同的情况下有更高的产物浓度。②稳定性更好。 ③相对于底物浓度而言有更高的生物量产率。 ④减少或消除了底物和／或产物的抑制效应。 该反应器的缺点在于： 光照表面积与体积之比不高；由于静水压大，单个反应器的培养体 积有限。
微藻培养反应器
微藻培养反应器 • 密闭式培养反应器
开发密闭式微藻光培养反应器依据的原则：
（1）高光照比表面积； （2）较高的气体交换效率；
（3）适合的循环方式；
（4）改善光的传播途径、分配和质量； （5）防治有害次生代谢的积累； （6）较易实现培养条件的优化； （7）尽量降低生产成本。
微藻培养反应器
微藻培养反应器
微藻培养反应器
•
敞开式培养反应器
优点：
成本低、建造容易、操 作简单、易于生产。
缺点：
培养效率低、培养条件无法控制、易 受污染、水分易蒸发、光能利用率低。
微藻培养反应器
微藻培养反应器 • 密闭式培养反应器
优点： 培养效率高、培养条件易于控制、污染少、 生产周期延长、适用于所有藻类的培养。
微藻培养反应器 • 浅层溢流光培养反应器
新型藻类生物反应器
这类生物反应器主要由主筒、导流筒和通气管构成。导流筒直接 落底,其上开设有溢流孔和同流口;通气管由反应器顶部插到底部; 导流筒顶盖上还设有排气管口。结构简单,内部设备简化至最低,清 洗方便,适合藻类的培育,且造价低廉,实用化程度高,可以继续放大, 并可用于海藻细胞工程育苗、微藻藻种生产和大量培养、基因工 程藻的培养,以及轮虫等浮游动物的培养和藻类天然产物的生产。
（2）生物量易于收获、加工和利用；
（3）能产生高浓度、有价值的产物； （4）细胞分裂周期短。 微藻大规模培养的特点： （1）需要足够的光照； （2）需要供应大量的CO2和排放大量的O2； （3）混合均匀，防止细胞沉降，且使细胞受光均匀； （4）微藻的培养基多采用海水配制，除淡水藻外。
微藻培养反应器
微藻培养反应器应有条件：
（1）足够的光照； （2）合适的温度； （3）合适的无机碳源及其他无机营养物质； （4）合适的pH；
（5）充分混合；
（6）避免污染； （7）氧的析出或供应；
微藻培养反应器
影响微藻光生物反应器设计的主要因素及设计原 则： 1 尽可能使反应器充分利用光能，保证稳定的 最大生物量产率； 2 尽可能保持最高的钢能转化效率，保证反应 器整体的高效率运转； 3 选用适宜的材料并根据所培养藻类的特点确 定反应器大小、形状及结构； 4 反应器总体结构简洁、实用。
微藻生产技术
微藻培养反应器
微藻主要种类及活性成分
螺旋藻(Spirulina)
小球藻(Chlorella)
杜氏藻(Dunaliella)
微藻中蛋白质含量高，且富含各种维生素，多不饱和脂肪酸、生 物多糖、矿物质等，具有抗肿瘤、防治心血管疾病等生理活性。
微藻培养反应器
微藻生物技术的优点： （1）光能利用率高；