经济微藻高密度培养技术及其生物资源化利用

蔡卓平, 吴皓, 骆育敏, 刘伟杰, 刁盼盼, 段舜山,*

经济微藻高密度培养技术及其生物资源化利用

蔡卓平1,2, 吴皓2, 骆育敏2, 刘伟杰2, 刁盼盼2, 段舜山2,*

1 广东省生态学会, 广州 510650;
2 暨南大学水生生物研究中心, 广州 510632

经济微藻富含不饱和脂肪酸、蛋白质、碳水化合物等多种生物活性物质, 可以应用于食品加工业、水产养殖业、医药与美容业、废水处理环保业和生物能源业等各行业。开发和利用微藻生物资源将是解决人类能源需求的重要途径, 微藻产业化的发展进程与社会经济、生态环境和人类健康有密切的关系。微藻高密度培养是提高微藻生物质产量和活性代谢产物, 发展生物质能源的关键环节。论文综述了微藻的社会经济价值, 指出了其在能源、食品、水产等行业的重要作用; 介绍了开放式培养和封闭式培养的两大类技术体系, 比较分析了柱状光反应器、平板光反应器和管状光反应器的特点; 概括了影响经济微藻生长和油脂含量的主要因素, 包括光照、温度、pH、营养元素等, 最后展望了经济微藻培养及其生物资源化利用的前景。

经济微藻; 高密度培养; 生物质能源; 微藻生物技术

1 前言

经济微藻富含蛋白质、脂肪和碳水化合物等多种活性物质, 有着非常重要的经济价值和社会价值,被广泛应用于农业生产、食品加工、水产养殖、废水处理和生物能源生产等行业[1–2]。随着世界人口的增长与工业的发展, 人类的生存和发展面临着资源缺乏、能源危机和环境污染等困境。这对经济微藻生物资源的开发和利用提出了新需求, 也给微藻生物产业的发展带来了新机遇与挑战。要实现微藻生物质能产业的健康、快速发展, 首要条件就是能低成本、高效地获取到高密度的微藻细胞原料。经济微藻的藻种筛选是微藻生物质能生产的基本环节,来源有野外采集藻种和基因工程藻种。目前经济微藻培养体系主要有开放式和封闭式两种, 而微藻培养过程中容易出现细胞密度低、光能利用率差、活性物质产出率低、易受污染、收获困难、成本过高等问题[3–4], 如何突破这些限制微藻资源开发利用的瓶颈, 实现微藻高密度培养, 一直是国内外微藻生物技术领域研究的焦点。论文综述微藻的社会经济价值, 指出其在能源、食品、水产等行业的重要作用; 介绍开放式培养和封闭式培养的两大类技术体系, 比较分析柱状光反应器、平板光反应器和管状光反应器的特点; 概括影响经济微藻生长和油脂含量的主要因素, 包括光照、温度、pH、营养元素等, 最后展望经济微藻培养及其生物资源化利用的前景。

2 经济微藻及其生物质能源

微藻是一类以个体、链状或群体形式存在, 生长繁殖迅速的单细胞藻类,可以分为原核微藻和真核微藻。微藻体积微小, 从几微米到几百微米不等;微藻种类繁多,已记录的就有3万多种; 微藻具有太阳能利用效率高、环境适应能力强等特点[5–6]。一些绿藻和硅藻种类, 例如小球藻 (Chlorella), 栅藻(Scenedesmus), 褐指藻(Phaeodactylum)等细胞中蛋白质和脂肪的含量较高,是主要的生物质能源藻种。微藻每个细胞就像一个油脂制造厂, 尽其可能地将获得的能量转化为油脂, 是优良的生物柴油生产原料。此外, 微藻营养成分全面, 最接近水产动物在自然状态下的摄食要求, 可满足水产动物育苗特殊阶段的营养和生长需求, 是良好的水产动物鲜活饵料,可应用于水产养殖业。微藻还可以作为农业营养添加剂、生物肥料、调节剂使用, 调节作物生长和提高作物产量。微藻提取液可以促进早期种子萌发与成苗, 改善作物形态与产量, 提高作物对生物和非生物胁迫抗性, 延长采收后易腐农业产品的贮存期等[7–10]。

能源对社会发展和经济增长有重要作用,但化石能源作为一种不可再生资源, 正面临着巨大的供给压力。因此积极寻找可再生的、环境友好型的能源是当今社会亟待解决的问题[11]。生物质能源具有大规模替代石化柴油的可能性, 开发利用生物质能源被认为是解决当前能源危机最好的出路。迄今为止, 生物质能源原料的发展主要经历了3代生物体:第一代生物能源是以淀粉、玉米等粮食作为原材料提取生物燃料。第二代生物能源, 主要是纤维素生物能源, 是以农作物秸秆等作为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, 是通过培养微藻提取生物燃料[12]。甘油三酯是中性油脂的主要组成部分, 也是微藻生物能源的主要来源。经济微藻在自然条件下也可以在体内积累大量的甘油三酯, 在光合效率和产油脂的潜能上比陆生植物要高很多。微藻体内脂类合成与高等植物类似, 大致可以分为3个步骤, 即脂酰辅酶A的合成、3-磷酸甘油的生成、脂酰辅酶A和3-磷酸甘油经脱水缩合形成三酰甘油。藻细胞通过光合作用将太阳能转化为生物能, 人们利用不同加工方式对微藻细胞进行处理即可生产各种生物燃料。这个处理过程通常包括四个方面, 即: 优良藻株选育; 微藻的低成本规模化培养; 高效低成本的微藻回收; 微藻生物油脂的提取及后续综合利用[13]。

微藻与前两代生物能源相比, 具有以下独特的优势: (1)微藻的光合效率高, 藻体油脂含量高。微藻的全部生物量均能作为生物柴油生产的原料, 因此其能量转化效率较其他能源植物要高; (2)微藻的生长周期短, 生长速率高。藻细胞的生长速率远远高于陆生植物, 收获周期大大短于农作物, 可以实现微藻高产量的连续收获, 因此其生物质能生产潜力远远高于其他能源植物; (3)微藻生物质燃油热值高,生产成本低。微藻类热解所获得的平均生物质燃油热值高; 藻类含有较高的脂类、可溶性多糖和蛋白质等易热解的化学组分, 预处理成本较低。(4)微藻生物质能化过程可产生良好的环境效益。微藻生长过程中可以固定大气中的CO2, 微藻生物柴油可生物降解、可再生、无毒性, 燃烧不释放氮氧化物和硫氧化物[14]。

3 经济微藻培养方式

随着微藻在社会生产中的应用越来越广泛, 规模化培养逐步发展起来。目前微藻培养主要有开放式培养和封闭式培养的两大类技术体系, 其中开放式培养以培养池为主, 封闭式培养以光反应器为主[15]。

开放池培养是指将微藻置于与自然环境直接接触的各类池塘结构的体系中进行的培养。培养池的结构主要包括跑道池、圆池以及其他各种非密闭式的培养系统。跑道池是目前应用最多的结构, 在日本、中国和印度尼西亚广泛使用。开放式的跑道池是一种形状类似于跑道的长方形水池, 常以叶轮转动的方式推动藻液在池内循环流动, 防止藻细胞沉淀吸附并增加微藻与光的接触。开放式培养具有结构简单, 建造费用与运行成本低的特点, 但也有一些明显缺点。首先, 由于开放池与周边环境开放, 因此容易受到外界物种对培养体系的污染; 其次, 开放池室外下水分蒸发快, 培养用水消耗较多; 最后,光照、温度等各种环境因素变化会直接影响开放池系统的培养条件, 难以实现工业化过程与条件的控制, 微藻培养效率和培养密度有所限制。适合于开放池培养的微藻品种应该具有较高的竞争性生长优势, 包括有高生长速率、高敌害防御性等, 以保证其在开放池系统中占据主体地位而不被其他外源物种取代。这些微藻种类通常有螺旋藻、小球藻和盐藻等。此外, 运行开放池培养体系中还需要充分考虑影响微藻生长的参数, 可以通过增加藻液的流速、添加补充光源, 提高透光性, 通过利用搅动装置增加藻液的湍流, 减小液厚, 增加微藻的光合效率。尽管上述方法可以一定程度上克服开放池培养微藻的不足, 但目前很难完全依靠开放池进行规模化高密度培养微藻[16]。

封闭式培养的微藻光生物反应器可以弥补开放池培养的不足, 是微藻规模化培养过程中的关键设备。微藻光反应器能一定程度上充分利用光能, 保持高的光能转化效率, 保证稳定的最大生物量产率,且可根据所培养藻类的特点改变培养系统大小、形状及结构, 简洁实用并且易于放大。目前研究最多和应用规模较大的光反应器主要有柱状光反应器、平板光反应器和管状光反应器。柱状光反应器由一个透明的柱状容器构成, 有鼓泡式、气升式和搅拌式, 通常采用玻璃、聚乙烯等透光性能好而且成本低的材料。柱式光生物反应器培养时使用的柱子可以循环利用, 柱子内部或外部设置光源。柱状光反应器的光利用率不稳定, 藻浓度对光透率的影响大,在培养高浓度微藻方面存在一定的困难。平板光反应器的优点是光照面积大、光照通路好、光能利用效率高, 但也存在培养后清洗不便, 不适合培养贴壁生长的微藻, 平板与平板之间的连接较为复杂,成本投入高等缺点。板式光生物反应器的放置方式、光径和溶氧都是影响板式光生物反应器培养效率的重要因素, 例如水平放置时, 反应器接触光的表面积大, 但是空间利用率低; 竖直放置时, 可以提高空间和光的利用率, 但要求反应器材质强度高, 成本大。管道式光反应器是目前光反应器中最适合室外培养的一种, 是使用透明管制作的培养装置。管道式光反应器通过水泵或者气升式系统来完成藻液的循环, 主要有水平管式、螺旋盘绕管式、环形管式等几种形式。管状光反应器造价和操作成本高,管壁的清洗困难, 藻细胞贴壁后影响光透性, 但用它培养微藻可以提高生产率, 获得较高浓度的微藻,适合户外大规模培养微藻[14,17]。

单一微藻培养方式通常不能满足微藻规模化培养的需要, 可以通过联合使用开放式和封闭式培养方式, 形成互补以扩大培养规模。开放式光生物反应器培养体积大但微藻浓度低, 封闭式光生物反应器能提高微藻浓度但培养体积较小。将开放式培养与封闭式培养联合在一起, 通过封闭式反应器提高微藻的浓度, 可以减少微藻在开放式反应器中的时间以减少受外界污染的危险。在封闭式反应器中得到高浓度的微藻,再将其转入开放式反应器中进行营养胁迫, 增加藻细胞的油脂含量[15,18]。

4 经济微藻培养的外界因素

影响微藻生长和积累油脂的主要因素有光照、温度、pH和各种营养物质等[12,15], 下面将分别进行简单分析。

光照是影响微藻光合作用和生长最重要的环境因子, 包括光强、光质和光周期都会影响微藻的光合效率。在耐受范围的光强下, 微藻光合作用会随着光强的增加逐渐加强。光强不单会影响油脂的含量, 而且还会影响微藻油脂的极性脂和中性脂的比例[19]。温度可以影响微藻的细胞生长速率、油脂含量等。不同的微藻有不同的温度适应范围。由于微藻生长和油脂积累的最适温度并不一致, 因此可以采用两步温度控制法可以使微藻生长和油脂积累达到最大[20]。pH 是微藻培养过程中需要重视的培养参数之一, 它可以影响藻细胞的带电荷状态, 从而影响藻细胞对营养物质的利用以及细胞的沉降等。pH过低或过高都会影响微藻光合作用中可利用碳源的供应, 进而影响微藻的生长繁殖[21]。

营养盐是微藻生长的基础, 其种类、构成以及浓度水平等对微藻的生长繁殖和代谢产物都产生影响[21–22]。CO2是微藻和植物光合作用的底物, 微藻进行光合作用需要一定浓度的CO2, 因此适量增加CO2浓度可以促进藻类的生长和油脂产率。工业烟道气中CO2的含量较高, 若能将其应用到微藻规模化培养中, 可以降低藻培养成本又可用于减排大气中的CO2,具有非常重大的意义。氮元素是微藻进行生长、光合作用及繁殖等生命活动过程中的重要元素, 用于蛋白质、酶等物质合成。虽然缺氮或低氮可以使微藻细胞内大量积累油脂, 但是也会导致微藻生物量降低。为解决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, 利用微藻在高氮条件下积累生物量而在低氮或缺氮条件下积累油脂的特点, 可以采用两步培养法以取得良好的微藻培养效果, 即微藻先于富氮培养基中积累生物量, 一定时期后再转移至低氮或缺氮培养条件下积累油脂。磷是微藻生长过程中非常重要的元素之一, 它参与核酸、ATP、磷脂及辅酶等合成过程。磷在细胞内具有调控细胞生长和代谢的作用, 包括能量转移、信号转导、光合、呼吸作用等, 过低或过高的磷浓度都会影响微藻的生长[23]。

5 总结和展望

微藻生物能源具有广阔的应用前景, 其关键体现在效率和成本。微藻规模化培养是微藻生物能源技术中的重要环节。在现有的培养技术体系中, 微藻的产率还不是很高, 未充分发挥出微藻高产的潜能; 加上一些培养技术体系的基础流程欠完善, 投资成本高昂, 运行过程投入过大等, 微藻生物质产能进程收到一定的制约。今后可以考虑从以下几个方面取得突破: 首先, 需要系统深入地研究高效藻

种的选育、代谢机理、培养条件以及生长环境因素对微藻规模化培养的影响。在开展微藻规模化培养过程中,建立规模化培养藻种的选育规程, 筛选出理想的优质藻种, 为生物质能的生产提供必需的生物材料。考虑不同藻种的生物学、生理生化学特征, 调节培养体系的各类生态因子, 保证目标能源微藻在污水培养物中形成优势种, 避免原生动物等敌害生物污染与入侵[1,23–25]。特别是在开放培养系统中, 如何防止和控制敌害生物污染, 是决定微藻大规模化培养成败的关键。结合基因工程的手段对微藻进行遗传改良, 采用高效、低成本、易实施的油脂诱导工艺提高微藻的细胞密度和油脂含量[14,26–28]。其次,进一步研究光反应器的材料和流体动力学等对微藻生长的影响, 发掘更多合适的微藻光反应器培养系统, 同时结合光反应器和开放池混合培养微藻, 弥补两类培养系统的不足。最后, 加强研究不同二氧化碳废气气源、废水源对微藻生长和油脂合成的影响, 与工业烟气减排和污水处理结合, 降低培养成本, 给大规模培养微藻提供新的思路[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, 吴皓, 骆育敏, 等. 经济微藻高密度培养技术及其生物资源化利用[J]. 生态科学, 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

广东省省级科技计划项目(2013B031100004, 2015A070709013); 水体富营养化与赤潮防治广东普通高校重点实验室(暨南大学)(KLGHEI KLB07007); 广州市科技计划项目(201609010091)

蔡卓平(1980—), 男, 博士, 主要从事生态学研究工作, E-mail: zpcai@scau.edu.cn

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