薄層自流式光生物反應器研制及微藻培養效果評價

（1.國投生物科技投資有限公司，北京 100032；2.微藻生物能源與資源北京市重點實驗室，北京 100032）

微藻可利用太陽能和二氧化碳通過光合作用生產有機物，有生長迅速、效率高、能耗低、易于產業化的特點，被視為21世紀食品、保健品、生物飼料和生物能源的重要潛在來源[1-2]。微藻生物質生產成本占生物能源全流程成本的60%以上，研發高效率、低成本的新型微藻培養光生物反應器，以提高微藻的生長速率和生物質產量，是推動微藻大規模商業化應用的基礎[3-4]。

微藻光生物反應器是微藻生長或進行光合反應的反應裝置，一般分封閉式光生物反應器和開放式光生物反應器兩大類[5]。封閉式光生物反應器包括水平管道式反應器、平板式反應器、柱狀反應器、螺旋管反應器、管排式反應器[6]、柵板式反應器[7]等，可較好地控制培養條件，降低污染，比開放式可獲得更高的生物量，但成本更高，適合雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）、金藻（Isochrysissp.）、三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）等高附加值微藻的大規模培養。開放式光生物反應器分為人工池塘以及帶攪拌裝置的跑道循環池、膜式反應器等，跑道池反應器系統因其構造簡單、建造成本低廉、操作方便的特點，廣泛應用于螺旋藻（Spirulina）、小球藻（Chlorella）、微擬球藻（Nannochloropsis salina）等常見微藻的大規模培養[8-10]。

但跑道池光生物反應器存在如下問題。為增加微藻細胞的光通量密度，減少微藻沉降，跑道池光生物反應器需提供動力使藻液處于運動狀態，一般采用減速電機帶動攪拌槳轉動作為動力推動藻液在跑道池中循環流動。為使藻液正常流動，藻液的培養深度至少需20～30 cm，從而導致一系列問題：

1）藻液深度大，使光照比表面積小，而太陽光的穿透厚度僅幾毫米，底層藻液光合作用效率下降，生物質密度低（0.05～0.6 g·L-1），不同的藻種密度、養殖地域有一定差異，所以微藻在跑道池中宜保持淺水培養[11-12]。

2）在一定范圍內，藻液流速越大越好，以增加藻細胞接觸陽光的概率，防止藻細胞貼壁和沉降，但攪拌槳的高速轉動會顯著增加能耗[13-14]。一般跑道池中藻液流速控制在0.01～0.03 m/s，藻液攪拌混合程度較低，池底容易沉降藻細胞，導致光合作用活躍度降低[12]。

3）藻液體積大（至少200～300 L·m-2）、生物質密度低、耗水量大，后續藻水分離、水處理難度較大，分離成本和能耗較高，同時得到的藻粉生物質品質較低[15]。

針對跑道池光生物反應器存在的這些問題，本研究設計一種新型開放式的薄層自流式光生物反應器，與跑道池光生物反應器進行微藻培養對比試驗，并進行工業化放大，旨在研發一種可獲得高效生產微藻生物質的光生物反應器，為微藻大規模產業化應用提供基礎。

1 薄層自流式光生物反應器設計

1.1 設計思路

針對跑道池光生物反應器存在的問題，提出如下新型開放式光生物反應器的設計思路：

1）改變采用減速電機帶動攪拌槳轉動作為動力推動藻液循環的方式，而將跑道池的水平面改為傾斜面，使藻液可依重力作用沿傾斜面自行流動，這可使藻液培養深度控制在3～5 cm，藻液流速控制在0.6～0.9 m·s-1，從而提高微藻光合作用效率，得到細胞濃度較高的藻液。

2）用離心泵代替減速電機作為動力源，將自流到低點的藻液輸送至高處，高處的藻液沿傾斜面再次自流至低處，從而實現藻液的循環流動。

1.2 結構設計與工作原理

基于以上設計思路，設計一種薄層自流式光生物反應器，采用Solidworks設計軟件建立三維模型，如圖1所示。該反應器主要由反應器本體、支架、蓄液池、離心泵、PVC管路等部件構成。

反應器本體由鍍鋅鋼板折彎成型，再依次安裝在由方鋼管拼焊成型的支架上，支架上安裝有調節螺栓，可實現反應器本體的坡度在0～0.5%之間任意調節。鍍鋅鋼板上再敷設一層高密度聚乙烯（HDPE）防滲膜作為平整的防水層并避免微藻液腐蝕鍍鋅鋼板。

蓄水池作為反應器本體自流下來的藻液緩沖池，為離心泵向反應器本體的最高點輸送藻液提供一定泵送體積，防止離心泵由于吸空而導致氣蝕。離心泵通過PVC管道將蓄水池藻液輸送至反應器本體的高點，藻液沿著反應器本體的傾斜面自流至蓄水池內，實現藻液的循環流動，藻液在傾斜面上接受光照進行光合作用。離心泵配有變頻器，通過改變離心泵的工作頻率調節管道出口的藻液流量，從而實現對反應器本體上流動藻液深度的調節。

圖1 薄層自流式光生物反應器結構Fig.1 Structure of inclined thin-layer photobioreactor

2 微藻培養評價試驗

2.1 中試培養系統的建立

為比較薄層自流式光生物反應器與傳統跑道池光生物反應器的性能，在國投微藻中心的河北省廊坊市生產基地內建造一套薄層自流式反應器和跑道池反應器的微藻中試對比培養系統，如圖2所示。根據給排水設計經驗，可使藻液依重力作用沿光滑斜面自流干凈的最小坡度為0.3%。薄層自流式反應器本體設計總長150 m，單側寬度1 m，斜坡角度調整為0.3%，反應器本體的最高點與最低點的高度差為450 mm，藻液培養深度4 cm，藻液流速0.8 m·s-1，總培養體積6 000 L。跑道池反應器長度5 m，寬度3.2 m，藻液培養深度25 cm，藻液流速0.2 m·s-1，總培養體積4 000 L。

2.2 微藻中試培養初步評價試驗

以國投生物科技投資有限公司選育的柵藻（命名為“GT2”，Scenedesmussp.）為藻種，2016年11月于河北省三河市實驗基地開展薄層自流式光生物反應器與傳統跑道池光生物反應器（自制）對微藻培養效果的初步評價試驗。兩種反應器初始接種濃度均為0.05 g·L-1，藻液深度分別為4 cm和25 cm，兩種反應器同時培養10 d，培養期間用溫室控制系統（中農金旺北京公司）自動監測光照與氣溫，培養時藻液pH由哈希SC200型pH計實時監測（同時集成藻液溫度監測功能），用二氧化碳調節閥偶聯自動調節控制，使pH維持在7.5±0.3。微藻質量（干物質）測量：每天定點取樣，采用玻璃纖維過濾膜（直徑50 mm，孔徑0.45 μm）在85 ℃條件下烘干至恒重，取一定體積藻液，抽濾，帶有藻細胞的濾膜同樣置85 ℃烘箱烘干至恒重，置干燥器中冷卻后稱量質量，計算藻細胞干物質含量。

表1可見，培養期間，白天日均照度約為350 μmol·m-2·s-1（陰天時白天日均照度為30 μmol·m-2·s-1左右）；薄層自流式反應器由于藻液液位低，藻液溫度波動大，從夜間的18 ℃可升至最高時的36 ℃左右，跑道池反應器液位高，藻液溫度波動較小，從夜間的18 ℃升至最高29 ℃左右。培養10 d后，薄層自流式反應器內柵藻生物質質量濃度從0.1 g·L-1增至1.49 g·L-1，跑道池內生物質質量濃度從0.1 g·L-1增至0.21 g·L-1。雖然溫室內光通量密度低，生物質絕對產率較低，但薄層自流式反應器中柵藻的生物質濃度顯著高于跑道池反應器，單位面積產率（每天單位占地面積的產量）升高13%，從圖3的生長對比亦可見，薄層自流式反應器中柵藻的生長速率明顯高于同期跑道池光生物反應器，說明此反應器具備工業化放大的潛力。

圖2 薄層自流式光生物反應器微藻中試培養系統(a,b)及跑道池光生物反應器對比培養系統（c）Fig.2 Pilot-scale microalgae cultivation system of ITP (a,b),and contrast culture system of raceway pond PBR (c)

表1 薄層自流式光生物反應器與跑道池光生物反應器柵藻中試培養對比試驗數據Table 1 Pilot-scale cultivation data of the green microalga Scenedesmussp.grown in ITP and raceway pond PBR

圖3 微藻培養生長對比曲線Fig.3 Growth curves of Scenedesmus sp.maintained in ITP and raceway pond

根據兩種反應器的最終柵藻生物質濃度，按生產1 kg藻粉計算，薄層自流式反應器耗水782 L，跑道池反應器耗水約4 760 L（表2），薄層式反應器的耗水量遠低于跑道池反應器。這既可縮短藻水分離時間，提高微藻收獲效率，也可節約大量的水資源，降低收獲成本。

表2 按生產1 kg藻粉兩種反應器耗水量對比Table 2 Water consumption in ITP and raceway pond PBR for product 1 kg algae powder

2.3 微藻大規模培養系統的建立

由微藻中試培養系統的初步對比試驗可見，微藻在薄層自流式反應器培養相對于傳統跑道池反應器培養有較大的生長優勢。為驗證該新型反應器在大規模培養系統中的性能，通過現場實地考察，在廣西北海市某電廠建設一套薄層自流式反應器的室外大規模試驗系統（圖4）。該系統與前述中試薄層自流式反應器的原理相同，但反應器本體采用回填土夯實，兩側用磚砌成圍堰，再敷設一層HDPE防滲膜作為防水層，反應器本體設計總長200 m，單側寬度5 m，藻液培養深度5 cm，斜坡角度為0.3%，藻液流速0.8 m·s-1，藻液總培養體積50 000 L，藻液輸送采用軸流泵，出口管路管徑為DN300[16]。

2.4 微藻大規模培養試驗

以同株柵藻為培養藻種，2～4月期間在此薄層自流式光生物反應器大規模培養系統中進行了4個批次的培養試驗。培養期間，氣象數據由溫室娃娃（國家農業信息化工程技術研究中心研制）自動監測光照、氣溫；培養時藻液pH由二氧化碳監測偶聯裝置（同時自動監測藻液溫度）自動調節控制，維持在7.5±0.3；微藻生物質含量測定同2.2。

培養期間，光照充足，晴天日間平均照度為1000 μmol·m-2·s-1左右，最高2 300 μmol·m-2·s-1，陰天時，日間平均照度為230 μmol·m-2·s-1左右，最高達570 μmol·m-2·s-1，晴天光照是陰天的4倍左右（圖6）。藻液溫度隨日照波動，晴天時，藻液平均溫度為30.5 ℃左右，最高可達35.5 ℃，陰天時，藻液平均溫度為26.5 ℃左右，最高可達28.5 ℃（圖7）。4個批次柵藻培養結果如圖8所示，由于當地光照條件良好，柵藻生長無明顯延遲，在無陰雨天氣時，微藻生長快速，平均生物質產率0.19 g·L-1·d-1，單日最高達0.86 g·L-1·d-1，相應的單位面積產率達43.5 g·m-2·d-1，最終生物量最高達2.31 g·L-1，與跑道池光生物反應器最高約0.01～0.6 g·L-1的微藻培養生物量相比，優勢明顯。

圖4 薄層自流式光生物反應器微藻大規模培養系統（a）藻液輸送軸流泵（b）Fig.4 Large-scale cultivation system of ITP (a) and Axial flow pump for circulating microalgae culture (b)

圖5 培養期間光照變化Fig.5 Light intensity during culture

圖6 培養期間陰晴天時光照變化Fig.6 Light intensity on sunny and cloudy day during culture

圖7 培養期間陰晴天時藻液溫度波動情況Fig.7 Temperature of algae on sunny and cloudy day during culture

圖8 薄層自流式光生物反應器大規模培養柵藻生長Fig.8 Growth of the green microalga Scenedesmus sp.maintained in the ITP large-scale microalgae cultivation

3 討論與結論

本研究為解決傳統跑道池光生物反應器在微藻培養中存在的問題，采用Solidworks軟件設計一種新型薄層自流式光生物反應器，建立該新型反應器的中試微藻培養系統，并與跑道池反應器進行微藻培養的初步評價試驗，并建造一套該反應器的大規模培養系統，開展多批次培養試驗。以上工作表明：

1）根據薄層自流式反應器的設計思路，完成4000 L中試系統和50 000 L大規模培養系統的設計與建造，滿足微藻規?；a的設備條件。在50 000 L的大規模培養系統中，微藻生物質產率單日最高達到0.86 g·L-1·d-1，單日最高占地面積產率達43.5 g·m-2·d-1，最終生物量達2.31 g·L-1。

2）微藻培養的占地面積生物質產率決定了所需占地面積的大小，一般對柵藻、小球藻等需要高光照的藻種，薄層自流式反應器生物質產率高于跑道池反應器，但對于其他藻種，需繼續開展不同培養深度對產率的影響實驗，結果可能不同。

3）薄層自流式反應器培養微藻生物質濃度高，生產相同生物質的耗水量遠低于跑道池反應器，既可以節約大量的水資源，在工廠選址、降低水資源的依賴度均大有裨益。

4）在生產相同生物質的情況下，采用離心分離的收獲方式，藻液濃度高，進行藻水分離的時間越短、能耗更低[17]，需配置的收獲設備數量更少，因此，薄層自流式反應器比跑道池反應器在藻水分離上更有優勢。

5）為更加完善薄層自流式反應器的性能，后續工作要從溫度調控、能耗、不同藻種培養等方面不斷優化，提高投入產出效益，以期成為微藻大規模生產的主力設備，助力微藻產業發展。