螺旋藻和小球藻光藻反应器系统的建模仿真

赵丽丽, 孙振天, 赵双双

(1. 沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110044;

2. 中航工业 沈阳飞机设计研究所, 辽宁 沈阳　110035)



螺旋藻和小球藻光藻反应器系统的建模仿真

赵丽丽1, 孙振天1, 赵双双2

(1. 沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110044;

2. 中航工业 沈阳飞机设计研究所, 辽宁 沈阳110035)

摘要:从航天员需求营养物质成分的角度,筛选了螺旋藻和小球藻在光藻反应器(Light Algae Bioreactor, LABR)中进行混合培养,运用MATLAB/Simulink软件建立了这两种微藻混合培养LABR的数学仿真模型.结果表明:当温度为30 ℃、光强为150 μmol/(m2·s),螺旋藻和小球藻可以在LABR中较好的生长,获得总微藻生物量的最大值约为1.1 g/L.

关键词:CELSS; 光藻反应器; 螺旋藻; 小球藻; 模型建立; 系统仿真

微藻是一类结构相对简单的光合营养有机体,其光合作用对受控生态生保系统中气体循环和废水的再生处理有着重要的作用,它的生物学特性以及在空间密集培养的特性也使它成为受控生态生保系统(Controlled Ecological Life Support System, CELSS)中一种理想的食品资源[1].建立以微藻为基础的CELSS系统,可为宇航员的空间长期生活提供保障[2].然而由于空间环境的特殊性,不同的微藻以及同一种微藻的不同个体在系统中的生长动态及适应性是不完全相同的,螺旋藻、小球藻、鱼腥藻和盐藻都是CELSS中微藻筛选的重要研究对象[3],而螺旋藻还有产氢的功能[4].长期以来,对于空间微藻的培养技术已经取得了一定的成就,然而这些大多是针对微藻的单独培养.由于不同的微藻所含的营养物质成分比例并不是完全与人类所需一致,在长期空间任务中需要增加系统中微藻的种类.微藻生长具有共性,选择合适的藻类混合培养可实现藻类培养过程中营养的互补,促进各自的生长,减少有机废物的产生;而且不同藻类的混合培养可以更全面的为航天员提供营养物质,丰富航天员的食物种类.为了降低系统的复杂性,本文拟筛选两种微藻进行混合培养.

1受控生态生保系统中微藻的筛选

1.1筛选原则

微藻作为空间试验最为理想的生物物种之一,根据空间环境特点,对其品种的筛选应遵循以下原则:营养物质含量丰富,且经过简单的加工处理,可变成可口、易消化的食品;生长周期短,光合作用效率高;遗传性状稳定,适用于空间特殊环境的密集培养;生长代谢过程中不产生污染物;可再生利用系统中的有机废物、废水以及矿物质等[5] 23-24.目前,国内外对微藻的生长特性以及光藻生物反应器进行了大量的研究,研究表明在受控生态生保系统中螺旋藻、小球藻、鱼腥藻和盐藻这4种藻类应作为优选对象.

1.2微藻的筛选

为了实现两种微藻的混合培养,本文对微藻的筛选既要满足空间微藻筛选的原则,还应考虑到所选微藻能否实现营养物质的互补,以及在混合培养状态下能否共存,并快速生长.由表1和表2可以看出[6-9],螺旋藻的蛋白质含量是最高的,小球藻氨基酸种类最齐全,盐藻的矿物质种类最多;螺旋藻、小球藻和盐藻均可在较大的光强下生长,这四种微藻生长的适宜温度范围和pH值相差不大,但从微藻生长影响因素----碳源体积分数,溶氧质量浓度和氮源质量浓度来看,在LABR中适合选取螺旋藻和小球藻进行混合培养.

表1　四种微藻所含营养物质比较

表2　四种微藻最适的生长条件比较

2两种微藻培养的LABR系统仿真模型的建立

由于螺旋藻和小球藻培养过程中最适生长条件有一定的差异,不同的生长影响因子对小球藻比生长速度的影响也不一样,但其在LABR中的物质变化过程是相似的.通过分析各生长因子在微藻生长过程中的变化,进行两种微藻混合培养LABR系统的数学建模,然后使用Simulink搭建用于螺旋藻和小球藻混合培养的LABR系统的仿真模型,验证不同条件和参数下所建模型的可靠性,并不断的进行校正分析.

2.1生长影响因子分析

2.1.1光强的影响

不同品种的螺旋藻以及小球藻适应的光强范围有很大的差异,由于空间环境的限制,应筛选适宜光强在160 μmol/(m2·s)左右的螺旋藻与小球藻进行混养.假设在培养过程中,螺旋藻与小球藻的生长其他因素都在最适范围内,通过分析可知光强对微藻最大比生长速率的影响函数为:

(1)

式中:μ1为光强影响下的最大比生长速率,h-1;K为常数;Iavg为LABR中的平均光强,μmol/(m2·s);l为微藻中叶绿素对特定光质的光吸收系数;λ为微藻中叶绿素质量分数,%;ρ(Mic)为藻的生物量质量浓度,g/L;b为饱和光强,μmol/(m2·s);c为光强抑制常数.

2.1.2温度的影响

温度是微藻生长另外一个影响最大的因素,当温度为25～35 ℃之间时,培养螺旋藻可使其生长速度达到最大,小球藻生长的最适温度在5～30 ℃范围内,当温度在30～35 ℃范围内时,会抑制小球藻的生长[7].温度对微藻最大比生长速率影响函数经验公式为[5]42-43

(2)

式中:α、β为常数;t为温度,℃.

2.1.3营养盐的影响

微藻的生长需要吸收各种营养物质,培养液中这些营养物质的质量浓度是决定微藻生长速率的主要因素之一,众多研究表明不同的藻种都有其适合的营养盐质量浓度,但当培养液中营养盐质量浓度高于此质量浓度值时微藻生长就会受到抑制,其中碳源和氮源是微藻生长中最重要的两种营养盐.研究表明,小球藻在体积分数为0.5%～10.0%的二氧化碳条件下能够较好的生长[10],这与螺旋藻的适宜CO2条件范围相差不大,在LABR中为了实现微藻的快速生长和CELSS系统中气体的平衡,本文拟控制流入LABR系统中的二氧化碳在1%(体积分数)左右.培养液中碳源对微藻的比生长速率影响可以用Model方程来表示:

(3)

式中:ρ(CO2)为培养液中溶解CO2的质量浓度, g/L;Kc为相应于ρ(CO2)的半饱和常数.

以尿素为氮源时,这两种微藻适宜快速生长的尿素质量浓度范围在0.4 g/L左右,当尿素质量浓度达到0.8 g/L时微藻的生长会明显下降,培养液中氮源质量浓度对微藻的比生长速率影响可以用Haldane方程来表示[11]60-66:

(4)

式中:Kn为相应于ρ(Nt)的半饱和常数;ρ(Nt)为培养液中总氮的质量浓度,g/L;Kt为抑制因子.

2.1.4pH的影响

培养液中的pH值受CO2质量浓度的影响,忽略其他较小的因素,当系统中CO2的消耗速率与通入速率相等时,培养液的pH值会达到动态平衡.螺旋藻适合生长在碱性环境中,小球藻适合生长的pH值在6.5～9.0,因此可控制LABR中培养液的pH值不超过9,即可实现这两种微藻的最优化培养[11]80-93.经资料分析得出,pH对螺旋藻比生长速率影响拟合回归模型方程为

y=-0.004 455x4+0.160 9x3-2.19x2+

(5)

pH值对小球藻比生长速率影响的拟合回归模型方程:

(6)

2.1.5溶氧的影响

微藻在生长过程也会进行呼吸作用消耗氧气,但只有溶解在溶液中的氧气才能被微藻吸收.当培养液中溶解氧质量浓度处于4.5～6.5 g/L范围内时,培养螺旋藻可获得较高质量浓度的蛋白质和干物质[12].但过高或过低的溶氧含量都会在一定程度上抑制微藻的快速生长,溶解氧在培养液中蓄积过多也会对藻细胞产生毒害作用,且大多数的光藻反应器都存在溶解氧过高的问题,LABR中的溶氧含量对螺旋藻比生长速率的之间的关系可用影响函数----式(7)来表示:

(7)

式中:ρ(O2)为培养液中溶解O2的质量浓度,g/L;Ko为较小的常数.

光藻反应器中液相溶氧质量浓度对小球藻生长的影响与螺旋藻的相似.

2.2系统仿真模型的建立

微藻培养系统是一种气相、液相和生物相共存的三相反应体系,其生长影响因子存在于不同的相态中.通过分析气相、液相以及生物相中CO2、O2以及总氮质量浓度的变化流程,并在此基础上运用MATLAB/Simulink软件建立各子系统及总系统的仿真模型,建立后的LABR气相仿真模型如图1所示.

生物相和液相的仿真模型如图2、图3所示.

图1　气相仿真模型

在LABR中各个不同子系统之间通过输入与输出的关系紧密的联系在一起,通过Simulink将这三个子系统封装成独立的子系统并连接起来,即可得到LABR系统的总系统数学仿真模型.

图2　LABR系统生物相仿真模型

图3　液相仿真模型

2.3光强和温度变化LABR仿真结果分析

在设置各个子系统中的参数值和状态变量的初始值后,进行计算机仿真,通过设置不同的光强与温度变化值来进行LABR仿真结果分析,并验证仿真模型的可行性.

2.3.1光强变化仿真结果分析

设定系统状态变量的初值后,在不改变系统其他参数值的情况下,以阶跃函数作为系统光强的输入,以微藻生物量质量浓度作为系统的输出,得到不同光强条件下总微藻生物量、小球藻以及螺旋藻生物量的仿真结果,如图4所示.从图中可以看出,当光强为100、150和200 μmol/(m2·s)时,混合培养微藻的生物量总量变化不大,但小球藻与螺旋藻生物量质量浓度有差异.当光强为100 μmol/(m2·s)时,处于小球藻生长的适宜光强内,因而小球藻生长较好,累积生物量较多;当光强为150 μmol/(m2·s)时,小球藻与螺旋藻均能适应光强而快速生长;当光强为200 μmol/(m2·s)时,处于螺旋藻生长的适宜光强内,因而螺旋藻生长较好,累积生物量较多.仿真结果比较理想,因此所建LABR模型是可行的.

图4　不同光强下微藻生物量的动态变化

2.3.2温度变化仿真结果分析

设定系统状态变量的初值后,在不改变系统其他参数值的情况下,以阶跃函数作为系统温度的输入,以微藻生物量质量浓度作为系统的输出,得到不同温度条件下系统的仿真结果,如图5所示.图5可以看出,当温度为26、30和33 ℃时,混合培养微藻的生物量总量变化不大,当温度为26或30 ℃时,处于小球藻生长的适宜温度范围内,相比较可以看出小球藻生物量变化不大,当温度为33℃超出了小球藻生长适宜温度范围,因而其生长受到抑制,生物量累积明显降低;当温度为26、30和33 ℃时,处于螺旋藻生长的适宜温度范围内,随着温度的升高,其生长速率加快,累积的生物量质量浓度也随之增加.仿真结果与分析结果相吻合,因此所建LABR模型是可行的.

从仿真结果上可以看出,控制LABR中光强为150 μmol/(m2·s)、温度为30 ℃时,得到的微藻生物量最大值约为1.1 g/L.在受控生态生保系统中一名航天员每天的生理代谢所需物质与排除的废物量,如表3所示[13].中国营养协会为中等劳动强度的成年人推荐的蛋白质摄入量男性为80 g/d,女性为70 g/d[5]8-9.螺旋藻和小球藻的干物质中蛋白质质量分数均可达到65%左右,在CELSS中如果航天员生存所需的蛋白质完全由微藻来提供,以男性蛋白质的摄入量为标准,航天员蛋白质摄入量与微藻蛋白质质量分数关系的表达式为

(8)

式中:x1为微藻干物质量,g/d;X1为蛋白质摄入量,g/d;a1为微藻干物质中蛋白质的质量分数,%.

经计算可知:需要收集螺旋藻和小球藻的干物质量约为123 g/d,收集这些干物质,则LABR的液相体积至少要达到110 L,这在太空任务中是可以实现的;且与在LABR中单独培养螺旋藻提供航天员蛋白质时相差不大,但由于小球藻含有的氨基酸种类及矿物质更丰富,两种微藻混合培养更加适合提供航天员的营养物质.

图5　不同温度下微藻生物量的动态变化

摄入物质摄入量kg·d-1排出物质排出量kg·d-1O20.84CO21.00干食物0.56固体废物0.29饮用水2.80生理代谢废水1.50洗漱用水14.60冷凝废水2.60卫生用水7.60卫生废水20.90

3结论

(1) 进行了受控生态生保系统中两种微藻混合培养时的种类筛选,确定螺旋藻和小球藻进行混合培养.

(2) 通过分析光强、温度、pH值、液相溶氧以及营养盐质量浓度对螺旋藻和小球藻生长过程的影响,使用MATLAB/Simulink软件搭建了LABR系统的数学仿真模型,结果表明:当光强为150 μmol/(m2·s)、温度为30 ℃时,螺旋藻和小球藻能够在LABR中较好的生长.

(3) 当光藻反应器容积达到110 L时,通过该反应器连续培养螺旋藻和小球藻,可使其生物量达到123 g/d,丰富了航天员营养物质需求.

参考文献:

[1] KIRENSKY L V, TERSKOV I A, GITELSON I I. Experimental biological life support system II-gas exchange between man and microalgae culture in a 30 days experiment[J]. Life Science and Space Research, 1968(6):37-42.

[2] TIRRANEN L S. Microbiota of radish plants, cultivated in closed and open ecological systems[J]. Acta Astronautica, 2008,63(7/10):1055-1060.

[3] TIKHOMIROVA, N A., USHAKOVA S A., KUDENKO Y A, et al. Potential of salt-accumulating and salt-secreting halophytic plants for recycling sodium chloride in human urine in bioregenerative life support systems[J]. Advances in Space Research, 2011,48(2):378-382.

[4] 李全顺,徐成海,贾庆舒,等. 盐泽螺旋藻的生长及放氢的实验研究[J]. 沈阳大学学报, 2009,21(4):65-66,82.

(LI Q S, XU C H, JIA Q S, et al. Experimental study on growth and hydrogen production ofSpirulinasubsalsa[J]. Journal of Shenyang University, 2009,21(4):65-66,82.)

[5] 刘红,GITELZON I I,胡恩柱,等. 生物再生生命保障系统理论与技术[M]. 北京:科学出版社, 2009.

(LIU H, GITELZON I I, HU E Z, et al. Bio regenerative life support system theory and technology[M]. Beijing: Science Press, 2009.)

[6] 艾为党,郭双生,董文平. 受控生态生保系统螺旋藻藻种筛选研究[J]. 载人航天, 2013,19(6):58-63.

(AI W D,GUO S S,DONG W P. On selection of spirulina for controlled ecological life support system[J]. Manned Spaceflight, 2013,19(6):58-63.)

[7] 黄建科. 光生物反应器敏感性参数及小球藻异养-稀释-光诱导串联培养工艺中试研究[D]. 上海:华东理工大学, 2014.

(HUANG J K. Photobioreactor sensitive parameters and the dilution of light induced by heterotrophic chlorella cultivation technology pilot study series[D]. Shanghai: East China University of Science, 2014.)

[8] 沈银武,黄泽波,朱运芝,等. 鱼腥藻营养成分分析[J].武汉植物学研究, 1994,12(1):61-64.

(SHEN Y W, HUANG Z B, ZHU Y Z, et al. Analysis of nutritional components of Anabaena sp.[J]. Wuhan Botanical Research, 1994,12(1):61-64.)

[9] 胡蓓娟,王雪青,黄丹虹,等. 盐藻培养基的优化研究[J]. 食品科学, 2006,21(12):384-388.

(HU B J, WANG X Q, HUANG D H, et al. Optimal study ofDunaliellasalinaculture medium[J]. Food Science, 2006,21(12):384-388.)

[10] 季祥,张智慧,张雪艳,等. 小球藻培养条件的优化[J]. 安徽农业科学, 2009,37(34):16763-16764.

(JI X, ZHANG Z H, ZHANG X Y, et al. Optimization of culture conditions of chlorella[J]. Anhui Agricultural Sciences, 2009,37(34):16763-16764.)

[11] 鲍亦璐. 微藻培养过程的营养优化与控制研究[D]. 广州:华南理工大学, 2012.

(BAO Y L. Nutrition optimization and control of microalgae culture[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2012.)

[12] 张奕婷. 微重力环境对螺旋藻生长影响的研究[D]. 贵阳:贵州大学, 2008.

(ZHANG Y T. Study on effect to the growth of Spirulina in microgravity environment[D]. Guizhou: Guizhou University, 2008 .)

[13] GANZER B, MESSERSCHMID E. Integration of an algal photobioreactor into an environmental control and life support system of a space station[J]. Acta Astronautica, 2009,24(65):248-261.

【责任编辑: 胡天慧】

Simulation Study on System Modeling of Spirulina and Chlorella in Light Algae Bioreactor

ZhaoLili1,SunZhentian1,ZhaoShuangshuang2

(1. School of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China; 2. AVIC Shenyang Aircraft Design & Research Institute, Shenyang 110035, China)

Abstract:From the view of nutrient composition for astronaut, two kinds of microalgae are screened to mixed culture in LABR, and its mathematical simulation model is established by using MATLAB/Simulink software. The results show that, when the temperature is 30 ℃ and light intensity is 150 μmol/(m2·s), chlorella and Spirulina can grow better in LABR, microalgae biomass is stable at about 1.1 g/L.

Key words:CELSS; light algae bioreactor; Spirulina; chlorella; model construction; system simulation

中图分类号:Q 943; S 188

文献标志码:A

文章编号:2095-5456(2016)01-0016-07

作者简介:赵丽丽(1979-),女,辽宁沈阳人,沈阳大学副教授,博士.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(31300408).

收稿日期:2015-07-10