气升式藻类光生物反应器的应用研究

海洋科学年第卷第期气升式藻类光生物反应器的应用研究ΣΤΥ∆ΙΕΣΟΝΤΗΕΑΠΠΛΙΧΑΤΙΟΝΟΦΑΙΡΛΙΦΤΑΛΛΓΑΛΠΗΟΤΟ2ΒΙΟΡΕΑΧΤΟΡ张栩戢涌骋周百成中国科学院海洋研究所青岛关键词光生物反应器气升式小球藻国家/九五0科技攻关项目2≤22号中国科学院海洋研究所研究报告第号中国科学院实验海洋生物学开放实验室研究报告第号∀反应器由周百成!郭晓林!王金霞和白虹研制小球藻Χηλορελλα由中国科学院海洋研究所梁德海提供在此表示感谢∀≠国家实用新型专利专利号国家实用新型专利专利号收稿日期22修回日期22藻类是光合生物在适当的光照条件下才能进行高效的光合作用和加快生长∀同时光合作用产生氧气如造成溶解氧过饱和又会降低光合产率∀因此在藻类光生物反应器的设计中必需重视两个问题∀其一是提高反应器的光照表面积与体积比以提高光能利用效率其二是气升式反应器要通过气流传动提高藻类的光能利用效率和传质效率同时防止培养液中溶解氧过饱和∀近年来国内外研制的藻类光生物反应器多为管式≈和板式反应器≈∀作者认为气升式反应器不仅占地面积小而且有可能较好地兼顾上述藻类培养的基本要求∀因此研制了外照光内导流气升式藻类光生物反应器以及二氧化碳配气装置∀气升式反应器已用于微生物发酵和动!植物细胞培养∀作者根据海藻培养的特点和要求对反应器的结构做了改进并已放大到为了解这种反应器培养效果和实用性以小球藻Χηλορελλα为材料进行了培养实验∀本文报道主要的实验结果∀实验设备与方法气升式藻类光生物反应器≠气升式藻类光生物反应器为外照光内导流立式∀其主体是圆筒状材料为有机玻璃高占地面积有效容积由主筒!导流筒和通气管组成∀由通气管通入一定流量的压缩空气利用气泡的浮力带升导流筒内的培养液在主筒底部形成负压使主筒与导流筒之间的培养液下降经回流口进入导流筒随气泡上升至溢流孔溢出进入下降区下降至回流口而形成培养液的环流∀培养液在上升区与气体充分混合通过气液传递一方面保证了通气过程中碳的补充另一方面脱去培养液中过分积累的氧在下降区培养液均匀下降接受光照提高光照效率∀该反应器采用人工光源由支•荧光灯提供光照光照面积∀用数显式计检测培养液的值变化∀二氧化碳配气装置二氧化碳配气装置由气体配制部分!配气罐和气体过滤装置组成∀二氧化碳配气装置与二氧化碳钢瓶!空气压缩机相通通过控制二氧化碳和空气的压力和流量按照所需比例通入配气罐∀配气罐为容积最高工作压力°的耐压容器主要起气体混合和缓冲作用∀将配气罐中已配好的二氧化碳混合气体经过滤除菌后根据实验要求按照一定流量和压力通入藻类培养液∀小球藻的反应器培养藻种为小球藻Χηλορελλα培养液组成≤°ƒ≤∀利用反应器进行分批培养入射光光强约为Λ∞#光照时间每天∞÷°∞∞××∞≤≠实验与技术≥∂培养温度?ε以通入空气∀在培养过程中按时用型光栅分光光度计上海第三分析仪器厂测定藻液的吸光值用血球计数法和干重法测细胞数和生物量∀实验结果与讨论反应器的培养液混合效果在藻类反应器中培养液的混合效果是影响藻类生长的重要因素∀以雷诺数Ρ来表示反应器导流筒内培养液的混合效果∀Ρϖ∆Π/υ式中ϖ是培养液的流速(∆是反应器导流筒的内径(∆Π是培养液的密度,υ是培养液的黏度∀在ε!盐度的海水中Π=υ=≅#≈∀当雷诺数Ρ时流体一般处于湍流状态≈∀分别向反应器通入不同流量ς的空气测定导流筒内的培养液流速得出雷诺数Ρ见表∀从表中可以看出在反应器导流筒中在最小通气量下雷诺数Ρ已超过流体处于湍流状态这说明在该反应器对藻类进行高密度培养过程中通气对培养液有很好的混合效果加速了气液传递不仅有利于促进培养液中的过饱和氧向空气中的散失而且提高了藻类对二氧化碳的利用率∀以雷诺数Ρ对通气量ς可以得到很好的线性关系这说明只要控制空气流量就可以得到理想的混合效果∀反应器中通入二氧化碳对小球藻生长的影响在培养小球藻过程中若培养液中游离≤浓度过低小球藻将利用≤∃作为碳源进行光合作用反之当游离≤浓度较高时小球藻将优先利用游离≤∀在培养过程中当小球藻的生长速率变缓时利用二氧化碳配气装置以的通气量向藻液中通入二氧化碳对小球藻的生长影响见图∀图二氧化碳的通入对小球藻生长的影响当小球藻密度从≅增加至≅时其生长速率一直保持在#∀此时通入二氧化碳混合气体藻类生长速率将从#提高到#增加了倍小球藻密度变为≅∀随后若不通入二氧化碳混合气体生长速率将下降为#再通入二氧化碳混合气体藻类生长速率将增大至#增加了倍随后加大通入无机碳的量通入二氧化碳混合气体藻类生长速率增大为#小球藻密度达到≅∀这说明当藻液达到一定密度时由于碳源的不足将限制藻类的生长若通入一定比例的二氧化碳混合气体将有利于藻类的生长藻液密度越高这种促进作用越大∀在随后的实验中作者发现当小球藻密度为≅时通入二氧化碳混合气体藻类生长速率将从#提高到#增加了倍∀上述结果表明反应器在Λ∞#的光照条件下具有较高的光能传输和利用效率当进行高密度培养时光照未成为小球藻的限制因子∀只要保证无机碳源的供应可以实现高密度培养∀反应器培养小球藻的值变化空气中只含有的二氧化碳当无法满足小球藻生长对无机碳的需求时培养液中的碳因小球藻的光合作用而不断减少值不断升高小球藻生长越快培养液中无机碳下降也就越快值升高幅度越大∀因此在气升式反应器培养小球藻过程中通过测定培养液的值可以在一定程度上反映小球藻的生长情况∀表1空气流量对100Λ反应器雷诺数(的影响ςΤΡ∞÷°∞∞××∞≤≠实验与技术海洋科学年第卷第期在仅通空气的条件下利用反应器培养小球藻接种密度为≅培养后最终密度为≅其生长曲线和培养液值变化如图所示∀每天当暗期结束时由于呼吸作用释放的二氧化碳溶入培养液培养液值降至最低光照结束时由于光合作用消耗二氧化碳培养液值升至最高∀每天最高值的变化与小球藻的生长曲线基本吻合∀小球藻从接种到第藻液密度增加较快在此期间培养液值早晚变化幅度较大且最高值增加至∀随后藻液密度增加变缓而最高值下降至∀第之后变化幅度减小在上下变动此时培养液的无机碳已无法满足小球藻生长的需求应通入一定比例二氧化碳混合气体∀图培养液值随小球藻生长的变化反应器对小球藻的长时间培养用藻类光生物反应器培养微藻可以采用定期采收和补料的培养方式∀但在大型海藻细胞工程育苗中需要进行长达数十天的连续培养∀因此反应器需在无人照看的情况下连续稳定运转才能达到实用化∀为了检验反应器的长期使用的稳定性对小球藻进行长达的培养在此期间不补加新培养液只根据培养液值的变化用二氧化碳配气装置向培养液中通入一定比例的二氧化碳混合气体∀以≅接种密度入射光光照强度Λ∞#当培养液值大于时通入≤使值接近∀经过的培养生长曲线如图所示小球藻以平均生长速率#持续稳定增长最终藻液密度为≅∀以干重计算平均日生长量为#若根据反应器的占地面积计算则平均日生产量为#∀图反应器中小球藻的生长曲线结论目前国内外研制的多种类型藻类生物反应器多数处于实验阶段少数已用于实验性生产还没有用于大型海藻细胞工程育苗的生物反应器∀作者的目的是研制造价低!易放大和实用性强的光生物反应器用于大型海藻细胞工程育苗和微藻饵料的生产也可用于高附加值藻类产品的原料藻的生产∀从上述结果看作者研制的气升式内导流光生物反应器在以下几个方面可以适应这些要求∀除适时补加无机碳源外可以在无人照管的情况下长期连续稳定运转不会出现机械故障特别适用于需长期培养的大型海藻细胞工程育苗的要求∀具有较好的传质性能和较高的光能传输和利用效率∀以的流量通入空气时雷诺数达到而等≈研制的Α型管状反应器通气量为即时雷诺数只达到∀以较低的通气量产生湍流不仅提高了传质和光能传输的效率同时可以减轻对藻类的可能损伤达到高密度培养∀占地面积小易实现规模生产∀立式反应器占地面积小以单位占地面积计算小球藻的平均产量为#∀等≈的Α型管状反应器培养粉核小球藻Χηλορελλαπψρενοιδοσα)的产量为#∀李师翁≈用管状反应器培养粉核小球藻的产量只达到#∀某些海藻细胞工程育苗需要降温北方早春培养饵料微藻需要升温在这种情况下减少厂房面积对于降低厂房造价和能耗有重要意义占地面积小的立式气升式反应器将具有更大的优越性∀在用光生物反应器进∞÷°∞∞××∞≤≠实验与技术≥∂黑斑口虾蛄育苗技术研究≥×⁄∞≥×∞°⁄≤××∞≤±∞≥ƒ≥∞∞⁄≥×≤ƒΟρατοσθυιλλακεµπι蒋霞敏王春琳赵青松王象设郑春静宁波大学海洋与水产系宁波市水产研究所关键词黑斑口虾蛄亲体培育人工育苗∞÷°∞∞××∞≤≠实验与技术行藻类的高密度培养时无机碳源供应将成为主要的限制因子∀因此各种海藻利用无机碳源的机理和碳源供应工艺的研究将成为提高产率的关键∀实验结果表明用计连续测定培养液的值变化可以间接反映藻类在生物反应器中的生长情况∀由于海带!裙带菜的配子体!幼孢子体和紫菜丝状体的生长速度的测定比较繁琐如果研究表明同样可以通过值变化反映生长情况将大大简化生产工艺和操作提高反应器和种苗生产技术的实用化程度∀总之上述结果表明作者研制的气升式藻类光生物反应器的实用化程度较高已可用于微藻的培养和进行大型海藻细胞工程育苗试验∀参考文献李师翁!李虎乾∀生物工程学报13∗朱波夫∀海洋学常用表∀北京科学出版社∀∗中国大百科全书化工∀北京中国大百科全书出版社∀∀∏±∏Βιοτεχη.Βιοενγ.,∗≠⁄≥≠εταλ..ϑ.Αππλ.Πηψχολ.,∗本文编辑张培新黑斑口虾蛄Οραγοσθυιλλακεµπι)俗称本地虾蛄!虾塘虾蛄!真虾蛄广温性肉质细嫩鲜美经济价值高在浙江沿海一带售价达∗元颇受养殖业者和消费者欢迎是宾馆和饭店需要的海鲜之一∀日本滨野龙夫等年研究了虾蛄的人工育苗取得丰硕成果∀我国仅王波等年报道了口虾蛄育苗获得成果≈∀作者承担浙江省科委!宁波市科委下达的关于黑斑口虾蛄人工育苗与繁育技术研究项目进行了黑斑口虾蛄苗种生产试验于年月日获得成功在水体中经培育获体长∗的虾蛄苗第期假蚤状幼体和仔虾蛄共≅尾平均尾育成率达∀本文报道黑斑口虾蛄苗种生产技术研究的结果∀材料和方法亲虾蛄的来源试验在浙江乐清东升育苗厂和浙江象山县大目涂育苗厂内进行∀分别于年月上旬从乐清虹桥农贸市场和年月下旬从象山丹城农贸市场购得体长大于以上体健无伤残卵巢发育饱满腹面观性腺呈桔红色头胸节王字型结构呈乳白色的雌虾蛄共计尾∀采用低温干露运输成活率达∀亲虾蛄的培育根据年作者亲虾蛄培育的经验室内水泥池铺设人工洞穴瓦片白色或灰色聚氯乙烯塑料管!长∗!直径∗沙泥等和室外土塘培育比较结果后者培育亲虾蛄效果无论是成活率还是抱卵率远远超过前者的任何一种为此当年采用室外土塘培育面积水深∀清塘方法≅漂白粉!消毒后进排换水次以上放入亲虾蛄每天傍晚投饵次饵料浙江省科委攻关项目和宁波市科委项目资助∀收稿日期22修回日期22