藻類光生物反應器的設計及應用研究

董汝晶，譙順彬，田 輝，張義明，羅 芳，陶希芹

(1.貴州大學化學與化工學院，貴州貴陽550003; 2.貴州省發酵工程與生物制藥重點實驗室，貴州貴陽550003; 3.貴州工業職業技術學院，貴州貴陽550008)

藻類光生物反應器的設計及應用研究

董汝晶1，2，3，譙順彬3，*，田 輝1，2，張義明2，3，羅 芳3，陶希芹3

(1.貴州大學化學與化工學院，貴州貴陽550003; 2.貴州省發酵工程與生物制藥重點實驗室，貴州貴陽550003; 3.貴州工業職業技術學院，貴州貴陽550008)

根據藻類的生長特點設計了一個容積為10.0L的光生物反應器，其長×寬×高分別為320mm×80mm× 390mm。利用該反應器進行螺旋藻培養實驗，采用響應面法對其培養條件進行優化研究，建立以藻體干重為響應值，以光照強度、通氣量、培養時間和裝液量為自變量的二次多項式數學模型。培養條件優化后螺旋藻最終干重為1.298g/L。實驗結果表明，所設計的反應器能很好地滿足藻類生長，其培養產率也明顯提高。

光生物反應器，螺旋藻，響應面法，藻體干重

1 10.0L光生物反應器的設計

1.1 反應器的主體尺寸

反應器容積為10.0L，采用氣升式作為循環動力。為了減少占地、提高空間利用率，將反應器形狀設計為垂直板式，由主體結構、光照系統和氣體循環系統三部分組成。主體結構要求長、寬、高有合理的尺寸，其具體尺寸應該以易于放大和方便操作為設計依據。增加高度可以減小占地面積，但同時也增加了培養液中的溶氧濃度，使氣液間氧的傳質過剩，造成溶氧的過飽和，此外，需要消耗更大的氣流作為循環動力，使操作維護更加復雜。增加寬度能降低高度，可又增加了占地面積，同時隨著培養液濃度的不斷提高，光照強度衰減越明顯，減少了光能的利用率［4－5］。根據上述設計思想，本研究設計的反應器主要技術參數見表1。

表1 10.0L氣升式生物反應器的主要技術參數Table 1 The major parameters of 10.0L air lift photo－bioreactor

1.2 反應器的光照系統

藻類的光合作用離不開光能，無論實驗室研究還是室外大規模養殖，光照都是其主要的限制因子之一。螺旋藻是研究和應用比較廣泛的藻類之一，其最適光照強度到目前為止還沒有得到一致的認可［6－7］。但當光照強度低于2.0klx時，藻體生長緩慢甚至停止生長，而光照強度超過120klx時會使藻體受到傷害甚至死亡。除光照強度外，不同顏色的光質對藻體的生長、光合放氧以及胞內物質的含量也有影響［8］。在常用的5種顏色即紅、黃、綠、藍和白色的光質中，光照強度較大時處于紅光下生長最好，白光次之，綠光最差。綠光更有利于蛋白質的積累，白光次之，紅光最差;藍光有利于氧的釋放，白光和紅光次之，黃光和綠光較低。此外，在藻體培養的過程中，關于光照周期也存在差異。殷春濤等［9］以鈍頂螺旋藻進行了光周期實驗對比，結果證明螺旋藻無光暗周期，處于黑暗階段時藻體完全停止生長;李樂農等［10］以鈍頂螺旋藻為研究對象，每天光照時間分別為10、14和18h三個時間段，結果證明以光暗比為14∶10時對藻體生長、蛋白質和葉綠素積累都是最好的。

在本反應器中，使用數支12W的白色光質日光燈作為光源，以對稱平行的方式布置在反應器兩側，燈管與反應器壁以及燈管之間的距離可根據要求進行調節，24h不間斷連續光照，通過控制燈管數目來滿足適合藻體生長的光照強度，采用照度計LUX－101直接測定，單位klx(千勒克司)。

1.3 反應器的氣體循環系統

在藻類培養過程中，要求整個培養體系循環均勻，尤其要防止死角的形成，故在本反應器中，氣體分布裝置布置在距反應器底部以上1.0cm處的地方，采用向下通氣的方式以防止器壁出現死角，使培養液得到充分混合，且整個培養體系形成一個外循環系統。

氣體分布裝置孔徑大小直接關系到氣泡的大小，大氣泡的提升效果優于小氣泡，且不利于氧的傳遞，但氣泡上升到液面時由于突然爆裂而產生強大的剪切力，對藻類破壞較大，使藻體細胞斷裂，甚至死亡，這種現象在培養螺旋藻時更加明顯;氣泡過小時又會提高氣液間氧的傳遞，增加培養液中的溶氧。本反應器中設計氣體分布裝置時，在前期的實驗基礎上(孔徑大于3.0mm時通氣效果極差)，孔徑選取1.0mm左右為宜，能將氣流分散成直徑約2.0mm小氣泡，小氣泡在培養液表面破裂時產生的剪切力不致過度破壞藻體細胞。用氣泵和流量計控制通氣量和培養液的循環速度。

1.4 其它結構

除上述幾個主要系統外，還為反應器布置了溫控系統，用加熱裝置和溫控裝置可以快速加熱和準確的控制培養溫度，以滿足藻類生長需要。反應器的主體采用玻璃制成，培養前可高溫滅菌。圖1是本實驗設計的一組(4套)反應器，該反應器具有操作簡便、結構簡單、價廉實用等優點。

圖1 系列光生物反應器的俯視圖和主視圖Fig.1 The planform and front view of a series vertical plate photo－bioreactor

2 螺旋藻培養實驗

為了驗證所設計的反應器是否適合藻體生長，實驗以該反應器作為培養裝置培養鈍頂螺旋藻。

2.1 實驗材料

實驗藻種 鈍頂螺旋藻(Spirulina platensis) fachb－130，由武漢水生生物研究所提供;培養基 采用Zarrouk培養基作為實驗培養基［6］。

2.2 實驗方法

實驗在溫度和pH一定的條件下(溫度維持在(30±1)℃、pH維持在(9.50±0.01)，考察光照強度、通氣量、培養時間和裝液量對藻體生長的影響，藻體干重(DW)的大小可表示藻體生長的情況。在未滅菌的情況下，新鮮藻泥按0.1g/L的量接入反應器中進行培養(前期實驗表明以0.1g/L接入藻泥時平均比生長速率最大)。實驗以藻體干重為實驗指標，研究光照強度、通氣量、培養時間和裝液量對藻體生長的影響，實驗設計由Design Expert(Version 7.0.2，Stat－Ease Inc;Minneapolis，MN.USA)軟件設計，選取響應面法對上述四個因子的最佳水平范圍進行優化。各因子實驗水平編碼分別為－α，－1，0，1，α，見表2。在整個培養過程中定時補加溫度相同的無菌水使培養體積保持恒定，減少測定誤差。

表2 中心旋轉組合設計實驗因子水平及編碼表自變量水平編碼Table 2 Level and code variables for CCD

2.3 藻體生物量的測定

采用干重法(DW)［11］:取培養液20mL于已烘干至恒重的紙片抽濾，蒸餾水沖洗兩次，85℃烘干至恒重，用精密電子天平稱量，去除對照即得。

表4 DW二次模型的方差分析Table 4 ANOVA for response surface quadratic model DW

2.4 結果與分析

2.4.1 藻體干重二次多元模型的建立和顯著性檢驗

根據水平表2，驗證實驗包括4個因子，5個水平和6個中心重復，共30組實驗，其結果見表3。

表3 中心旋轉設計及實驗結果Table 3 CCD matrix of the variables and the actual and predicted values of DW

利用Design Expert對實驗結果進行逐步回歸分析，并建立以藻體干重為響應值的多元回歸模型，如下式所示:

Y=1.25+0.096A+0.0048B+0.039C－0.0098D +0.000313AB－0.018AC+0.0017AD+0.000063BC+ 0.00056BD+0.000438CD－0.1A2－0.057B2－0.024C2－0.033D2

其中，藻體干重為預測值，A、B、C、D分別為光照強度、通氣量、培養時間和裝液量的編碼值。

對該模型進行方差分析，結果見表4。其中F＞F0.01(14，15)=3.56，P＜0.0001，說明該模型概率在α =0.01水平上差異顯著，模型復相關系數 R2= 0.9851，說明藻體干重的實驗值與預測值之間具有很好的擬合度;其校正決定系數R2Adj=0.9712，表明有約3.0%的藻體干重總量變異不能由該模型進行解釋。利用mathematica對上式求導，可知當光照強度、通氣量、培養時間和裝液量分別取最佳水平4.4klx、212.2L/h、8.8d和7.2L時，藻體干重最大預測值為1.277g/L。回歸分析結果還顯示，4個因子對藻體生長的影響大小依次為光照強度＞培養時間＞裝液量＞通氣量，光照強度和培養時間的影響非常顯著(P＜0.0001)，而通氣量對藻體生長影響較小;只有光照強度和培養時間對藻體干重的交互作用顯著(P＜0.0001)，而其它兩兩交互作用皆不顯著。

2.4.2 藻體干重模型驗證 為了驗證所建立的藻體干重模型是否具有實際意義，在優化的因子水平范圍內選擇性地進行了4組實驗，各因子水平見表5。

表5 模型驗證Table 5 Model validation experiments

利用 SPSS11.5(Statistical Package for Social Sciences，SPSS)軟件對表中數據進行相關分析得知，藻體干重實際值與預測值的相關系數R2=0.954，證明該模型具有一定的實際指導意義。

2.4.3 培養條件優化后藻體的生長情況 培養條件優化后，即光照強度、裝液量和通氣量取最佳水平時，將培養時間延長至14d，每天定時取樣測藻體干重，同時測定培養液的pH，以藻體干重和pH對培養時間作圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，當培養液pH超過10.17后藻體生長達到平衡，且藻體干重達到1.298g/L。

3 結論

采用光合自養法培養螺旋藻對所設計的反應器進行實驗驗證，并首次利用響應面法對其培養條件進行優化。實驗選取影響藻體生長的4個因子(即光照強度、培養時間、裝液量和通氣量)為研究對象，對其最佳水平范圍進行了優化，并建立以藻體干重為響應值的二次多項式數學模型，當上述因子取最佳水平時，藻體干重最大預測值為1.277g/L。驗證實驗結果表明，本實驗所設計的反應器能很好地滿足螺旋藻的生長，提高螺旋藻培養產率。同時，該反應器具有價格低廉、結構簡單、操作簡便等優點。同時，響應面法優化藻體培養條件過程新穎、科學，所建立的模型具有較好的實際指導意義。

圖2 培養條件優化后螺旋藻的生長曲線培養液的pH變化曲線Fig.2 The growth curve of DW and the variation of pH after optimization cultivation condition

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Design of photo－bioreactor and the application for cultivating algae

DONG Ru－jing1，2，3，QIAO Shun－bin3，*，TIAN Hui1，2，ZHANG Yi－ming2，3，LUO Fang3，TAO Xi－qin3
(1.School of Chemistry and Chemical Engineering of Guizhou University，Guiyang 550003，China; 2.Guizhou Province Key Laboratory of Fermentation Engineering and Biopharmacy，Guiyang 550003，China; 3.Guizhou Industry Polytechnic College，Guiyang 550008，China)

A new photo－bioreactor was designed basing on the growth trait of the algae.The volume of the reactor was 10.0L，the length，width and height was 320，80，390mm，respectively.Used the reactor to culture Spirulina platensis，and employed the response surface methodology to optimize the fermentation conditions.Then，researched the optimization concentration levels and the relations between these factors and building up a quadratic regression equation with dry weight as the dependent，light intensity，air flow，time of cultivation and volume of medium as independent.Under the optimistically conditions，the final dry weight was 1.298g/L.According to the experiment results，the photo－bioreactor designed was fit to cultivate the algae.

photo－bioreactor;Spirulina platensis;response surface methodology;dry weight

TS206

A

1002－0306(2012)10－0306－04

光生物反應器(photo bioreactor)是專門用于光合生物或具有光合能力的組織培養的一類裝置，除具有普通生物反應器的基本結構外，還具有光照系統。一般植物的光能利用率約為0.2%左右，而設計合理的光生物反應器的光能利用率可達到18.0%，較高的光能利用率有利于促進光合生物的生長，提高其培養產率，但光照過強會導致光合生物生長停止，甚至死亡，造成培養損失［1－2］。藻類是生長最快的光合生物［3］，培養時通常采用氣升式光生物反應器，這種反應器用氣流提供循環動力，能避免產生強大的剪切力而破壞光合生物細胞。藻類進行光合作用會放出氧氣，當培養液中溶解氧過飽和時，抑制藻類的光合作用，不利于藻體的生長。因此，溶解氧的消除也是藻類培養時必須考慮的重要因素。本研究從降低螺旋藻生產成本的角度出發，旨在設計一套不但適合于螺旋藻開放式培養，而且兼具價格低廉、結構簡單、操作簡便的氣升式光生物反應器。在此基礎上，采用光合自養法培養螺旋藻對所設計的反應器進行實驗驗證，并利用響應面法對其培養條件最佳水平范圍進行優化研究。

2011－09－22 *通訊聯系人

董汝晶(1981－)，女，碩士，講師，研究方向:應用微生物。

貴州省科學技術基金項目(黔科合J字【2010】2068號);國家自然科學基金項目(30460039)。