經濟微藻高密度培養技術及其生物資源化利用

蔡卓平, 吳皓, 駱育敏, 劉偉杰, 刁盼盼, 段舜山,*

經濟微藻高密度培養技術及其生物資源化利用

蔡卓平1,2, 吳皓2, 駱育敏2, 劉偉杰2, 刁盼盼2, 段舜山2,*

1 廣東省生態學會, 廣州 510650;
2 暨南大學水生生物研究中心, 廣州 510632

經濟微藻富含不飽和脂肪酸、蛋白質、碳水化合物等多種生物活性物質, 可以應用于食品加工業、水產養殖業、醫藥與美容業、廢水處理環保業和生物能源業等各行業。開發和利用微藻生物資源將是解決人類能源需求的重要途徑, 微藻產業化的發展進程與社會經濟、生態環境和人類健康有密切的關系。微藻高密度培養是提高微藻生物質產量和活性代謝產物, 發展生物質能源的關鍵環節。論文綜述了微藻的社會經濟價值, 指出了其在能源、食品、水產等行業的重要作用; 介紹了開放式培養和封閉式培養的兩大類技術體系, 比較分析了柱狀光反應器、平板光反應器和管狀光反應器的特點; 概括了影響經濟微藻生長和油脂含量的主要因素, 包括光照、溫度、pH、營養元素等, 最后展望了經濟微藻培養及其生物資源化利用的前景。

經濟微藻; 高密度培養; 生物質能源; 微藻生物技術

1 前言

經濟微藻富含蛋白質、脂肪和碳水化合物等多種活性物質, 有著非常重要的經濟價值和社會價值,被廣泛應用于農業生產、食品加工、水產養殖、廢水處理和生物能源生產等行業[1–2]。隨著世界人口的增長與工業的發展, 人類的生存和發展面臨著資源缺乏、能源危機和環境污染等困境。這對經濟微藻生物資源的開發和利用提出了新需求, 也給微藻生物產業的發展帶來了新機遇與挑戰。要實現微藻生物質能產業的健康、快速發展, 首要條件就是能低成本、高效地獲取到高密度的微藻細胞原料。經濟微藻的藻種篩選是微藻生物質能生產的基本環節,來源有野外采集藻種和基因工程藻種。目前經濟微藻培養體系主要有開放式和封閉式兩種, 而微藻培養過程中容易出現細胞密度低、光能利用率差、活性物質產出率低、易受污染、收獲困難、成本過高等問題[3–4], 如何突破這些限制微藻資源開發利用的瓶頸, 實現微藻高密度培養, 一直是國內外微藻生物技術領域研究的焦點。論文綜述微藻的社會經濟價值, 指出其在能源、食品、水產等行業的重要作用; 介紹開放式培養和封閉式培養的兩大類技術體系, 比較分析柱狀光反應器、平板光反應器和管狀光反應器的特點; 概括影響經濟微藻生長和油脂含量的主要因素, 包括光照、溫度、pH、營養元素等, 最后展望經濟微藻培養及其生物資源化利用的前景。

2 經濟微藻及其生物質能源

微藻是一類以個體、鏈狀或群體形式存在, 生長繁殖迅速的單細胞藻類,可以分為原核微藻和真核微藻。微藻體積微小, 從幾微米到幾百微米不等;微藻種類繁多,已記錄的就有3萬多種; 微藻具有太陽能利用效率高、環境適應能力強等特點[5–6]。一些綠藻和硅藻種類, 例如小球藻 (Chlorella), 柵藻(Scenedesmus), 褐指藻(Phaeodactylum)等細胞中蛋白質和脂肪的含量較高,是主要的生物質能源藻種。微藻每個細胞就像一個油脂制造廠, 盡其可能地將獲得的能量轉化為油脂, 是優良的生物柴油生產原料。此外, 微藻營養成分全面, 最接近水產動物在自然狀態下的攝食要求, 可滿足水產動物育苗特殊階段的營養和生長需求, 是良好的水產動物鮮活餌料,可應用于水產養殖業。微藻還可以作為農業營養添加劑、生物肥料、調節劑使用, 調節作物生長和提高作物產量。微藻提取液可以促進早期種子萌發與成苗, 改善作物形態與產量, 提高作物對生物和非生物脅迫抗性, 延長采收后易腐農業產品的貯存期等[7–10]。

能源對社會發展和經濟增長有重要作用,但化石能源作為一種不可再生資源, 正面臨著巨大的供給壓力。因此積極尋找可再生的、環境友好型的能源是當今社會亟待解決的問題[11]。生物質能源具有大規模替代石化柴油的可能性, 開發利用生物質能源被認為是解決當前能源危機最好的出路。迄今為止, 生物質能源原料的發展主要經歷了3代生物體:第一代生物能源是以淀粉、玉米等糧食作為原材料提取生物燃料。第二代生物能源, 主要是纖維素生物能源, 是以農作物秸稈等作為原材料提取的生物燃料。第三代生物能源, 主要指微藻生物能源, 是通過培養微藻提取生物燃料[12]。甘油三酯是中性油脂的主要組成部分, 也是微藻生物能源的主要來源。經濟微藻在自然條件下也可以在體內積累大量的甘油三酯, 在光合效率和產油脂的潛能上比陸生植物要高很多。微藻體內脂類合成與高等植物類似, 大致可以分為3個步驟, 即脂酰輔酶A的合成、3-磷酸甘油的生成、脂酰輔酶A和3-磷酸甘油經脫水縮合形成三酰甘油。藻細胞通過光合作用將太陽能轉化為生物能, 人們利用不同加工方式對微藻細胞進行處理即可生產各種生物燃料。這個處理過程通常包括四個方面, 即: 優良藻株選育; 微藻的低成本規模化培養; 高效低成本的微藻回收; 微藻生物油脂的提取及后續綜合利用[13]。

微藻與前兩代生物能源相比, 具有以下獨特的優勢: (1)微藻的光合效率高, 藻體油脂含量高。微藻的全部生物量均能作為生物柴油生產的原料, 因此其能量轉化效率較其他能源植物要高; (2)微藻的生長周期短, 生長速率高。藻細胞的生長速率遠遠高于陸生植物, 收獲周期大大短于農作物, 可以實現微藻高產量的連續收獲, 因此其生物質能生產潛力遠遠高于其他能源植物; (3)微藻生物質燃油熱值高,生產成本低。微藻類熱解所獲得的平均生物質燃油熱值高; 藻類含有較高的脂類、可溶性多糖和蛋白質等易熱解的化學組分, 預處理成本較低。(4)微藻生物質能化過程可產生良好的環境效益。微藻生長過程中可以固定大氣中的CO2, 微藻生物柴油可生物降解、可再生、無毒性, 燃燒不釋放氮氧化物和硫氧化物[14]。

3 經濟微藻培養方式

隨著微藻在社會生產中的應用越來越廣泛, 規模化培養逐步發展起來。目前微藻培養主要有開放式培養和封閉式培養的兩大類技術體系, 其中開放式培養以培養池為主, 封閉式培養以光反應器為主[15]。

開放池培養是指將微藻置于與自然環境直接接觸的各類池塘結構的體系中進行的培養。培養池的結構主要包括跑道池、圓池以及其他各種非密閉式的培養系統。跑道池是目前應用最多的結構, 在日本、中國和印度尼西亞廣泛使用。開放式的跑道池是一種形狀類似于跑道的長方形水池, 常以葉輪轉動的方式推動藻液在池內循環流動, 防止藻細胞沉淀吸附并增加微藻與光的接觸。開放式培養具有結構簡單, 建造費用與運行成本低的特點, 但也有一些明顯缺點。首先, 由于開放池與周邊環境開放, 因此容易受到外界物種對培養體系的污染; 其次, 開放池室外下水分蒸發快, 培養用水消耗較多; 最后,光照、溫度等各種環境因素變化會直接影響開放池系統的培養條件, 難以實現工業化過程與條件的控制, 微藻培養效率和培養密度有所限制。適合于開放池培養的微藻品種應該具有較高的競爭性生長優勢, 包括有高生長速率、高敵害防御性等, 以保證其在開放池系統中占據主體地位而不被其他外源物種取代。這些微藻種類通常有螺旋藻、小球藻和鹽藻等。此外, 運行開放池培養體系中還需要充分考慮影響微藻生長的參數, 可以通過增加藻液的流速、添加補充光源, 提高透光性, 通過利用攪動裝置增加藻液的湍流, 減小液厚, 增加微藻的光合效率。盡管上述方法可以一定程度上克服開放池培養微藻的不足, 但目前很難完全依靠開放池進行規模化高密度培養微藻[16]。

封閉式培養的微藻光生物反應器可以彌補開放池培養的不足, 是微藻規模化培養過程中的關鍵設備。微藻光反應器能一定程度上充分利用光能, 保持高的光能轉化效率, 保證穩定的最大生物量產率,且可根據所培養藻類的特點改變培養系統大小、形狀及結構, 簡潔實用并且易于放大。目前研究最多和應用規模較大的光反應器主要有柱狀光反應器、平板光反應器和管狀光反應器。柱狀光反應器由一個透明的柱狀容器構成, 有鼓泡式、氣升式和攪拌式, 通常采用玻璃、聚乙烯等透光性能好而且成本低的材料。柱式光生物反應器培養時使用的柱子可以循環利用, 柱子內部或外部設置光源。柱狀光反應器的光利用率不穩定, 藻濃度對光透率的影響大,在培養高濃度微藻方面存在一定的困難。平板光反應器的優點是光照面積大、光照通路好、光能利用效率高, 但也存在培養后清洗不便, 不適合培養貼壁生長的微藻, 平板與平板之間的連接較為復雜,成本投入高等缺點。板式光生物反應器的放置方式、光徑和溶氧都是影響板式光生物反應器培養效率的重要因素, 例如水平放置時, 反應器接觸光的表面積大, 但是空間利用率低; 豎直放置時, 可以提高空間和光的利用率, 但要求反應器材質強度高, 成本大。管道式光反應器是目前光反應器中最適合室外培養的一種, 是使用透明管制作的培養裝置。管道式光反應器通過水泵或者氣升式系統來完成藻液的循環, 主要有水平管式、螺旋盤繞管式、環形管式等幾種形式。管狀光反應器造價和操作成本高,管壁的清洗困難, 藻細胞貼壁后影響光透性, 但用它培養微藻可以提高生產率, 獲得較高濃度的微藻,適合戶外大規模培養微藻[14,17]。

單一微藻培養方式通常不能滿足微藻規模化培養的需要, 可以通過聯合使用開放式和封閉式培養方式, 形成互補以擴大培養規模。開放式光生物反應器培養體積大但微藻濃度低, 封閉式光生物反應器能提高微藻濃度但培養體積較小。將開放式培養與封閉式培養聯合在一起, 通過封閉式反應器提高微藻的濃度, 可以減少微藻在開放式反應器中的時間以減少受外界污染的危險。在封閉式反應器中得到高濃度的微藻,再將其轉入開放式反應器中進行營養脅迫, 增加藻細胞的油脂含量[15,18]。

4 經濟微藻培養的外界因素

影響微藻生長和積累油脂的主要因素有光照、溫度、pH和各種營養物質等[12,15], 下面將分別進行簡單分析。

光照是影響微藻光合作用和生長最重要的環境因子, 包括光強、光質和光周期都會影響微藻的光合效率。在耐受范圍的光強下, 微藻光合作用會隨著光強的增加逐漸加強。光強不單會影響油脂的含量, 而且還會影響微藻油脂的極性脂和中性脂的比例[19]。溫度可以影響微藻的細胞生長速率、油脂含量等。不同的微藻有不同的溫度適應范圍。由于微藻生長和油脂積累的最適溫度并不一致, 因此可以采用兩步溫度控制法可以使微藻生長和油脂積累達到最大[20]。pH 是微藻培養過程中需要重視的培養參數之一, 它可以影響藻細胞的帶電荷狀態, 從而影響藻細胞對營養物質的利用以及細胞的沉降等。pH過低或過高都會影響微藻光合作用中可利用碳源的供應, 進而影響微藻的生長繁殖[21]。

營養鹽是微藻生長的基礎, 其種類、構成以及濃度水平等對微藻的生長繁殖和代謝產物都產生影響[21–22]。CO2是微藻和植物光合作用的底物, 微藻進行光合作用需要一定濃度的CO2, 因此適量增加CO2濃度可以促進藻類的生長和油脂產率。工業煙道氣中CO2的含量較高, 若能將其應用到微藻規模化培養中, 可以降低藻培養成本又可用于減排大氣中的CO2,具有非常重大的意義。氮元素是微藻進行生長、光合作用及繁殖等生命活動過程中的重要元素, 用于蛋白質、酶等物質合成。雖然缺氮或低氮可以使微藻細胞內大量積累油脂, 但是也會導致微藻生物量降低。為解決微藻高生物量但低油脂含量, 或高油脂含量但低生物量的矛盾, 利用微藻在高氮條件下積累生物量而在低氮或缺氮條件下積累油脂的特點, 可以采用兩步培養法以取得良好的微藻培養效果, 即微藻先于富氮培養基中積累生物量, 一定時期后再轉移至低氮或缺氮培養條件下積累油脂。磷是微藻生長過程中非常重要的元素之一, 它參與核酸、ATP、磷脂及輔酶等合成過程。磷在細胞內具有調控細胞生長和代謝的作用, 包括能量轉移、信號轉導、光合、呼吸作用等, 過低或過高的磷濃度都會影響微藻的生長[23]。

5 總結和展望

微藻生物能源具有廣闊的應用前景, 其關鍵體現在效率和成本。微藻規模化培養是微藻生物能源技術中的重要環節。在現有的培養技術體系中, 微藻的產率還不是很高, 未充分發揮出微藻高產的潛能; 加上一些培養技術體系的基礎流程欠完善, 投資成本高昂, 運行過程投入過大等, 微藻生物質產能進程收到一定的制約。今后可以考慮從以下幾個方面取得突破: 首先, 需要系統深入地研究高效藻

種的選育、代謝機理、培養條件以及生長環境因素對微藻規模化培養的影響。在開展微藻規模化培養過程中,建立規模化培養藻種的選育規程, 篩選出理想的優質藻種, 為生物質能的生產提供必需的生物材料。考慮不同藻種的生物學、生理生化學特征, 調節培養體系的各類生態因子, 保證目標能源微藻在污水培養物中形成優勢種, 避免原生動物等敵害生物污染與入侵[1,23–25]。特別是在開放培養系統中, 如何防止和控制敵害生物污染, 是決定微藻大規模化培養成敗的關鍵。結合基因工程的手段對微藻進行遺傳改良, 采用高效、低成本、易實施的油脂誘導工藝提高微藻的細胞密度和油脂含量[14,26–28]。其次,進一步研究光反應器的材料和流體動力學等對微藻生長的影響, 發掘更多合適的微藻光反應器培養系統, 同時結合光反應器和開放池混合培養微藻, 彌補兩類培養系統的不足。最后, 加強研究不同二氧化碳廢氣氣源、廢水源對微藻生長和油脂合成的影響, 與工業煙氣減排和污水處理結合, 降低培養成本, 給大規模培養微藻提供新的思路[14–15,23,29]。

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High density cultivation technology and bioresource utilization of economic microalgae

CAI Zhuoping1,2, WU Hao2, LUO Yumin2, LIU Weijie2, DIAO Panpan2, DUAN Shunshan2,*
1Ecological Society of Guangdong Province,Guangzhou510650,China
2Research Center of Hydrobiology,Jinan University,Guangzhou510632,China

Economic microalgae are rich in various bioactive substances such as unsaturated fatty acids, proteins, carbohydrates, which can be widely used in food industry, aquaculture industry, medicine and cosmetic industry, wastewater treatment environmental protection industry and bioenergy industry. Development and utilization of microalgae resources will be an important way to solve the energy demand. The development process of microalgae industrialization is related to the social economy, the ecological environment and human health. High density and high quality cultivation of microalgae will be a key to improving the biomass yield and active metabolites, and biomass energy of microalgae. This paper reviews social and economic value of microalgae, pointing out the important roles of microalgae in energy, food, aquatic products and other industries; introduces the open and close system for microalgae cultivation, comparing the tubular, column, and flat plate photobioreactors; summarizes the factors affecting growth and lipid content of microalgae, including illumination, temperature, nutrient elements, and finally discusses the future for economic microalgae cultivation and biological resources utilization.

economic microalgae; high density cultivation; biomass energy; microalgal biotechnology

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.030

Q178.1

A

1008-8873(2016)05-220-05

蔡卓平, 吳皓, 駱育敏, 等. 經濟微藻高密度培養技術及其生物資源化利用[J]. 生態科學, 2016, 35(5): 220-224.

CAI Zhuoping, WU Hao, LUO Yumin, et al. High density cultivation technology and bioresource utilization of economic microalgae[J]. Ecological Science, 2016, 35(5): 220-224.

2016-02-03;

2016-06-04

廣東省省級科技計劃項目(2013B031100004, 2015A070709013); 水體富營養化與赤潮防治廣東普通高校重點實驗室(暨南大學)(KLGHEI KLB07007); 廣州市科技計劃項目(201609010091)

蔡卓平(1980—), 男, 博士, 主要從事生態學研究工作, E-mail: zpcai@scau.edu.cn

*通信作者: 段舜山, 男, 博士, 教授, E-mail: tssduan@jnu.edu.cn