两步法光生物反应器微藻生长系统设计思考
微藻的平板式光生物反应器高密度培养
限制作用的同时又能避免由高光照强度产生的 光损害作用将是解决高密度培养的关键。 笔者所在实验室的前期研究表明， 随着细 胞密度的增加， 由于细胞之间的相互遮挡作用 使穿透光强迅速衰减， 当细胞密度为 & . $ / * ) 时， 光所能穿透的有效距离 2 % ((， 并且穿透
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重 （" ・ 。 3 U )） 藻体细胞的单位体积产率（ ’ ( ）和单位培 养面积产率 （ ’) ） 可分别利用以下公式求出： $( % $) $( % $) ’( # ’) # （ & ( % & )） （ & ( % & )） *& + 其中， * & 和 + 分别代表在培养时间为 & 时的培 养体积和面积。
。早在 12&, 年 45678
’9:/ 就注意到湍流对螺旋藻生物量的输出率 ［!］ ， 并且随着混合速率的增加微 有一定的影响 藻细胞生物量的单位产率也明显增加
［*］
； 他指
出， 微藻的高密度培养体系可以被区分为光照 带和黑暗带两个相对稳定的动态区域； 在光照 带， 微藻细胞迅速吸收光能、 并完成与光合作用 有关的光化学反应过程， 而在黑暗带细胞不能 进行光合作用、 仅能进行与暗呼吸有关的生化
自 12," 年 4;’;< /= >?@=-; 等人首次开发 ［%］ 平板式光生物反应器 ， 1221 年 A?=/565 等人 进一步将其完善化使之成为微藻增养的良好设
第一作者： 硕士研究生， 助理工程师。 收稿时间： 改回时间： !$$! 3 $# 3 !"， !$$! 3 11 3 1&
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微藻培养反应器
微藻培养反应器
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
•浅层溢流光培养反器
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， 具有很好的应用前景。
微藻培养反应器
（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
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。
废水处理耦合高效固碳的微藻光生物反应器研究进展
废水处理耦合高效固碳的微藻光生物反应器研究进展废水处理耦合高效固碳的微藻光生物反应器研究进展废水处理是当今社会面临的一大环境挑战，而在废水处理过程中的碳排放问题也不容忽视。
因此，开发出一种既可以高效处理废水又能固碳的方法具有重要的意义。
近年来，微藻光生物反应器作为一种环境友好型废水处理技术受到了广泛关注，并在碳固定方面取得了一定的进展。
微藻是一类具有光合作用能力的微小藻类植物，它可以在光照条件下将二氧化碳和无机盐转化为生物质，并产生氧气。
这使得微藻光生物反应器成为一种理想的废水处理工具，因为它可以将污水中的有机物和氮、磷等营养物质转化为有价值的微藻生物质，从而实现有效的废水处理和碳固定。
在微藻光生物反应器的设计与构建方面，研究人员尝试了不同的反应器形式和微藻种类。
其中，光生物膜反应器和浮游微藻反应器是最常见的两种类型。
光生物膜反应器通过固定化微藻膜的方式，使微藻在光照条件下进行光合作用，从而实现废水中有机物和营养物质的去除。
浮游微藻反应器则是将微藻悬浮在废水中，利用其自身的光合作用能力和浮游特性来处理废水。
在微藻种类方面，研究人员发现，不同的微藻种类在废水处理和碳固定方面表现出不同的效果，例如巴西蠕虫藻、小球藻和斯普曼藻等。
除了微藻种类的选择外，光照条件和废水的影响也是微藻光生物反应器研究中需要考虑的因素。
光照条件对微藻的生长和光合作用有重要影响，过高或过低的光照强度都会对微藻的生长产生负面影响，因此需要进行恰当的光照管理。
此外，废水中的有机物和营养物质的浓度也会影响微藻的生长和废水处理效果。
通过合理控制光照条件和废水中的有机物和营养物质浓度，可以提高微藻光生物反应器的废水处理效率和碳固定效果。
在微藻光生物反应器的废水处理和碳固定方面，还存在一些挑战需要克服。
首先，废水中的污染物种类繁多，微藻在处理不同类型的废水时的效果也存在差异。
因此，如何选择适合特定废水处理的微藻种类是一个需要深入研究的问题。
第二章微藻的培养(1)
2、我国的微藻的培养历史
• 最早报道在1942年（朱树屏） • 1957年后，开始单细胞藻类的分离、筛选和培养研 究 • 1966年后，单细胞藻类正式作为水产动物的饵料在 马氏珠母贝的人工育苗中应用，开始了单胞藻的实 际生产和应用时期 • 目前，我国已培养并有应用的单胞藻有30多种
3、微藻利用的优势和劣势
1）优势 3、开展微藻培养的优势及劣势 • 整个生物体都可被利用，没有废弃物 • 营养丰富，富含蛋白，维生素和多不饱和脂肪酸 • 相比农作物，单位时间单位面积的产量高
• 生长周期短，繁殖快，适宜条件下指数增长
• 可利用海水培养，是开发海洋的有效途径 • 可进行自动化生产
2）劣势
• 藻细胞的采收，耗能 • 培养条件相对高
4、微藻的应用情况
A
B C D E F G
作为食品及食品的添加剂
饵料或饲料添加剂 提取活性物质（DHA、EPA、类胡萝卜素等） 水处理 生物学研究 水产养殖上生态防病 生产新能源 Biofuel
微藻在海水养殖中的作用
第二节、主要培养种类及其生物学
• 绿藻门：小球藻、扁藻、微绿球藻、雨生红球藻 • 硅藻门：三角褐指藻、小新月菱形藻、牟氏角毛藻、
开放式培养
单胞藻的敞池增殖
单胞藻的敞池增殖
封闭式培养
• 指单胞藻在一相对封闭的体系中培养，主要用于藻 种保藏，也用于生产性培养中藻种级培养，也有在 工厂化生产中应用。培养体系一般在100L以下
• 光生物反应器：管道式、平板式、光纤、发酵罐等
• 共同特点：具有大的表面积与体积比，有效的光源 系统，光能传递到微藻的光程短，具有有效的混合 循环系统
• 应用：甲壳类、贝类及棘皮动物的幼体饵料
11、牟氏角毛藻
微藻培养系统
在气提式PBR中，容器中的液体体积通过挡板分成两个相 连的区域。液体在反应器底部的二氧化碳供应引起的循 环流中移动。由于其相对较好的传质和循环，它提供了 最高的固定效率。这提供了低暴露于光辐射的低表面积 介质的高循环率，从而使光抑制作用最小。通过采用加 压气-液系统以在反应器中产生细小气泡，可以轻松调节 CO2浓度，而无需像在开放式池塘系统中那样使用挡板。 此外，在优化的PBR中，生成的微气泡具有较高的表面积 与体积之比，在介质中缓慢上升，从而使气体更好地溶 解在液体中。微气泡可以逐渐上升并在介质中坍塌，而 不是大气泡快速上升并在介质表面破裂到大气。
多层生物反应器
多层生物反应器系统已被认为是处理废水的可行且 具有成本效益的培养系统。它由几层储水箱体组成， 一层又一层地排列。多层池塘的中试规模已达到 2000 L至40000 L的容量。它已成功用于在离心液 和动物粪便废水中进行微藻培养。在重力作用下从 顶部到底部容器，进行混合并向上泵送，使介质再 次循环回到顶部容器。除日光照射外，还可以安装 人造光源每一层水箱的顶部，以确保充足的光源供 应。此系统的好处在于，由于其排列成排，因此需 要的空间更少，易于扩展且具有成本效益，同时其 局限性与其他类型的开放式池塘系统相似。
微藻培养系统
目录
一、开放式池塘系统 ①跑道池 ②多层生物反应器
二、封闭式系统 ①气提式光生物反应器 ②管道光生物反应器 ③平板式光生物反应器 ④袋式光生物反应器 ⑤膜式光生物反应器 ⑥过滤式光生物反应器
跑道池培养系统
跑道池培养系统，作为一个开放的池塘系统，深 15至25厘米。它配备了叶轮搅拌装置，以确保良 好的循环和营养均匀。另外，通过在流道中放置 挡板来控制和引导培养液的流动。这促进了池塘 的液速以每秒30厘米以上的速度运行。跑道池是 目前商业规模最常用的大规模养殖系统。它用于 小球藻，螺旋藻，雨生红球菌和杜氏藻的商业培 养。如果与封闭的光生物反应器系统进行比较， 则水道栽培产生的小球藻生物量生产力较低。
一种培养产油微藻的新型气升式光生物反应器设计
藻类吸收。为了有效培养微藻、 解决能源替代问题 ， 光生 物反 应器 的 改进设计 和应用成 为众 多研 究者 关
上 Ｊ 。 因此 ， 利用 工业化微 藻生产装置 ， 获 得 大 规
模 生 产生 物柴 油所 需 要 的微 藻 原 料 ， 是 各 国科 学 家 解决 能源 替代 问题 的一 个重 要方 案 ｊ 。 目前 ， 常 用光 生物 反应 器进 行培 养微 藻 ， 是 获得 微藻 原料 的手 段 之一 。传 统 的光 生 物反应 器 培养微 藻 时的瓶 颈 主要 是 ｌ ４ Ｊ ： ① 光 能 利 用 率不 高 。光 生物
藻类生产生物柴油愈来愈受到众 多研究者的关
注 。藻类 的生 长 周 期 短 ， ３ ． ５ ｈ就 可 以 达 到 对 数 生
反应器 主要有室外直接采光和人造光源采光两种采 光方 式 。室外采 光 率低 、 光能 流失 大 、 晚上不 能保证
供给 ； 人造 光源 则 大 量耗 能 、 大规 模 培 养 的 成本 高 。
长期 ， 生 物 产量 高 ， ２ ４ ｈ内 生 物 质 量 普 遍 加 １
倍Ｌ ｌ Ｊ ， 产油效率高 ， 很 多藻类 的含 油率都在 ２ ０ ％～ ５ ０ ％， 某些 藻 类 （ 干质量 ） 的 含 油 率 甚 至 可 以 达 到
②二氧化碳利用率不高。微藻生长进行光合作用消 耗Ｃ Ｏ ， 工业化 养 殖 时需 大 量 的 Ｃ Ｏ 供 给 。 目前 多
西北大学学报 （ 自然科学 版） ２ ０ １ ３年 ８月 ， 第４ ３卷第 ４期 ， Ａ ｕ ｇ ． ， ２ ０ １ ３ ， Ｖ ｏ １ ． ４ ３ ， Ｎ ｏ ． ４
Ｊ ｏ ｕ ｍａ ｌ ｏ ｆ Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ ｗ ｅ ｓ ｔ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
提高藻类光合作用效率的生物反应器
提高藻类光合作用效率的生物反应器为了使光合微藻类能够商业化，大量的努力投入到这方面。
这个行业的目的是生产健康的食品，食品添加剂，动物饲料，生物肥料以及其他天然产品，如β-胡萝卜素。
近年来，微藻类被认为可以有效吸收工业中排放的二氧化碳,并产生氢作为一种能量来源。
藻类的生产力受到光，营养物和温度的限制。
很多人试图找到某种藻类的最佳营养物浓度。
藻类生产的地理位置受到温度和光照影响。
利用浅池或管道生产藻类可以改善其光照因子，但并不能有效地控制温度条件。
再说光照也受生产周围环境的变化而变化的，即使应用光学纤维连接太阳集中器从而集聚光的尝试往往导致大量光的损耗以及造成单位表面积光合强度低和温度失控等问题。
在合适的温度和高光合强度条件下生产藻类可以把其光合生产力提高到一个量级。
这项发明找到了不受大气条件的影响，提高光照条件强度，增加对微藻生长有用的光谱质量的方法，以及最佳的营养物浓度和温度。
这种旨在提高光合藻产量的生物反应器由一根管道组成，管道中藻类及其生长基质被包裹在另一个充满液体的管状格子中，管内外都配装上循环装置以控制养分和温度。
其精确的尺度和液体折射系数共同形成一个太阳光集中器，而集中器的力度则由预设的参数所控制。
该生物反应器一般朝着太阳方向置于特定位置，可根据昼夜和季节变化优化太阳的光照强度。
此外，外管液体可被精心选择的染料溶液替换以提供独特的光谱。
该生物反应器已被成功应用于提高一种叫Dunaliella的微藻的产量，Dunaliella主要用于生产β-胡萝卜素。
用这样装备生产Dunaliella, 其色素产量比在普通池塘，生产高10 倍，产量的提高主要是控制光谱质量而获得的。
技术优势：1．最大限度的利用太阳能；2．可以调节藻类所需要的光谱；3．大大提高藻类的产量。
应用领域：1．适合于光照条件不好的地方；2．没有大规模池塘或其成本很高的地方。
微藻生物制氢技术
实用技术
#$%$&’()$ $%$#*+ %,-. /"". 01/2 34456 78 ’99:
微藻生物制氢技术
曾晓波 1，王海英 / （1-武汉大学 药学院; 湖北 武汉 <2""=/；/-中南民族大学 化学与生命科学院，湖北 武汉 <2""=<）
摘 要：介绍了微藻光合制氢技术的生物原理及固氮酶和可逆产氢酶的产氢机制。讨论了基于微藻的硫缺乏 生 理 调 控 而 发 展 起 来 的 一 步 法 与 两 步 法 光 解 制 氢 的 方 式 ，其 中 微 藻 可 逆 产 氢 酶 两 步 法 间 接 光 解 制 氢 是 最 具 发 展 潜 力 的 制 氢 方 式 。 分 析 了 实 现 微 藻 光 合 制 氢 的 限 制 因 子 及 要 解 决 的 问 题 ，指 出 高 效 光 合 产 氢 藻 株 的 筛 选 及 高 效 光 反 应 器 的 实 现 是 该 技 术 获 得 成 功 的 关 键 ，使 微 藻 大 规 模 光 合 产 氢 成 为 可 能 。 关键词：微藻；制氢；光合作用 中图分类号：>?@1；AB1. 文献标识码：( 文章编号：1!=1C./@/（/"".）"<C""!"C"<
可 逆 产 氢 酶 不 仅 存 在 于 蓝 藻 和 绿 藻 中 ，也 分 布在所有的细菌中。按其所含金属离子的不同可 以 分 为 铁 氢 酶 、铁 镍 氢 酶 和 不 含 金 属 离 子 的 氢 酶 * 种。其中铁氢酶由于其独特的活性中心和具有 远远高出其它 # 种酶的活性而倍受关注。在光合 作用中，光反应比暗反应快得多，或 !""的运转 速 度 超 过 !" （2 !3 库 被 还 原 ）时 ，过 多 的 电 子 可 能 会 被 传 递 给 可 逆 产 氢 酶 放 出 氢 气 ，而 将 过 多 的 电 子 消 耗 掉 ，氢 酶 接 受 电 子 所 进 行 的 代 谢 可 以 调 节 电 子 传 递 分 配 ，保 护 细 胞 免 受 氧 化 伤 害 ，对 细 胞的存活有着重要的作用。可逆产氢酶对氧气极 为敏感，当气相环境中氧气浓度接近 -456时，可 逆 产 氢 酶 迅 速 失 活 ，产 氢 反 应 立 即 停 止 。 从 理 论 上 讲 ，绿 藻 利 用 氢 酶 产 氢 的 速 度 和 光 能 利 用 率 都 比蓝藻高得多。 ! 微藻生物制氢技术的进展