光生物反应器培养微藻研究进展

李磊， 张红兵， 李文涛， 李会宣

河北经贸大学生物科学与工程学院，石家庄 050061

随着石油等不可再生能源的日益减少及低碳经济的迫切要求，生物能源已成各国的研发重点[1]，但目前大多数的生物质能源是由作物制备的，与农业争地，与人类争粮，发展受到极大限制。微藻是一类具有叶绿素的单细胞生物，可自养、种类多、分布广、生长快，由于微藻在繁殖过程中可利用CO2，也可利用工业废水和生活污水中的废物，避免与农业争地，有利于实现有机废物处理与生物质生产的耦合。收获的微藻含有丰富的蛋白质、油脂、色素等多种生物质，是生产能源生物质、食品、饲(饵)料或医药产业的良好原料[2-4]，且有可能成为化石燃料以及作物生物质的良好替代物[5]，是实现能源可持续发展的有效途径[2,6-7]。

为了达到上述目的，微藻生产的产业化是必然之路，但是由于尚缺乏切实可行、适宜投资的实施方案，作为微藻产业化链条中的关键环节，微藻的大规模培养成为微藻产业化中公认的难点和热点。目前，大规模培养微藻时所用的培养基大多是沼液、啤酒生产废水、养殖废水等有机废物，可以收获微藻作为生产饲料、色素、能源生物质等的原料；亟待解决的关键问题集中在减少病虫害污染、提高土地利用率和降低运行成本3个方面。常用的培养容器是光生物反应器，分为开放式和封闭式两大类，开放式光生物反应器构造简单、操作方便、运行成本低，是目前产业化培养中最常使用的生物反应器；封闭式光生物反应器则主要应用于实验室或小规模培养微藻，制造、运行及维护成本均高于前者，但能够较好地控制培养条件，具有更好的研究价值。

利用微藻处理废气、废水和生产有机生物质，光生物反应器是关键工序和重要的限制因素，研发低成本、高产量的微藻生物反应器势在必行。鉴于目前有关反应器研发不足，仍然存在诸多探讨空间，本文将就上述两大类微藻光生物反应器的特性进行回顾，比较其优劣，以期为相关研究提供借鉴[8-9]。

1 封闭式光生物反应器

封闭式光生物反应器内部和外界有一定的隔离措施，便于实现微藻的无菌培养，有平板式、柱状和管道式3种类型。

1.1 平板式光生物反应器(plate photobio-reactor, PBR)

PBR是用透光性能较好的玻璃、树脂等材质制作而成的，结构相对简洁、易加工、易清洁、成本低、操作条件容易控制。比表面积是影响微藻光合作用的主要因素，因此制作过程中尽量增加反应器的比表面积，并根据需要设计不同的光径，另外为了获得最佳的入射光强度，户外放置的PBR通常要倾斜一定的角度[10]。

齐祥明和崔海龙[11]在多节隔板PBR的基础上增加了多级进气，建立了多级进气多级隔板式PBR(图 1)，有效提高了反应器的混合与传质性能，通过与普通反应器的液体平均速度、死区比、湍动能、湍动能耗散率、气含率、液相传质系数等参数的对比，发现多级进气多级隔板PBR各项指标均有很大提高。在通气率(每分钟通入反应器的气体体积与反应器实际装液体积之比)0.4～0.8内，该反应器传质及混合性能表现优异。所以，他们提出以多级进气提高多节隔板反应器性能，并通过对比气含率、液体平均速度、湍动能、湍动能耗散率、死区、液相传质系数等性能评价参数得出多级进气多节隔板反应器通过特有的进气结构给出了更为优越的流动、混合性能，同时这种流动混合方面的优越性也明显提高了该新型反应器的传质性能，无疑将更加有利于微藻的培养。Alexandre 等[12]为了评估微藻培养对水资源恢复(water resources recovery，WRR)的潜力，从养分去除率(nutrient removal rate，NRR)和生物量生产2个方面评价了3台0.55 m3PBR(图 2)的性能。PBR在室外(自然环境温度和光照强度)运行，使用来自ANMBR的富营养废水作为生长介质，该废水由预处理污水供给。太阳辐射是影响NRR的决定性因素。在光照强度203 000 lux、温度25.5 ℃、培养时间8 d条件产生最大生物量52.3 mg、NRR为5.84 mg NH4-N·L-1·d-1和0.85 mg PO43--P·L-1·d-1。在上述条件下，当进水中的营养盐含量在40～50 mg N·L-1和6～7 mg P·L-1范围内时，可以达到出水营养盐标准(欧洲标准91/271/CEE)。温度和太阳辐射对PBR 培养微藻有重要影响，太阳辐射强度是短期内影响NRR的关键因素。

A：侧视图；B： 前视图

图2 平板式光生物反应器Fig.2 Flat-plate photobioreactor

PBR受到光照表面积大，藻液混合均匀，得到微藻生物量大；虽然其受制于制作材料的强度，放大困难，但可通过增加反应器单元实现；由于难以形成产业化规模化，限制了PBR的使用范围，但在小规模的实验室培养微藻中优势显著；操作简单、易控制，不易被杂菌污染、藻液收集方便，可以得到更高的生物量。

1.2 柱状光生物反应器(column photobio-reactor，CBR)

CBR由柱体、供气装置、控温装置、光源等组成。其中，柱体材料由透明玻璃或塑料制成；所供气体由底部进入，顶部排出；光源设置在柱体内部或外部(可使用太阳光)，内置光源虽然效率高但不易清洗，应用受到限制。按进气模式分类有鼓泡式CBR(图 3)和气升式CBR 2种，其中鼓泡式有同轴管式、分隔柱式、分离式和外循环式等类型[13]；气升式反应器内部分成上升区和下降区2个部分，气体由上升区底部进入，因此底部培养液含气率大、密度小，气体就会自动上升到顶部，顶部的空间较大，气体逸散后从排气口排出，此时的培养液含气率降低、密度变大，气体就会从下降区流回至上升区底部而形成循环[14]。

A：外循环式CBR；B：同轴管式CBR；C：经典鼓泡柱式CBR；D：分离式鼓泡柱式CBR

郭祯等[15]采用自制的鼓泡式CBR，通过批式及两段法培养湛江等鞭金藻(Isochrysiszhanjiangensissp. nov，一种产油模式藻种)。在一天的不同时段控制培养液的pH分别为 6.2～6.5(8:00—22:00)和7.0～7.5(22:00—8:00)，入射光强为1 000～3 000 lux，微藻的叶绿素荧光为 0.68～0.58，培养7 d后发现细胞生长动力学曲线符合 Logistic 方程，反应器内藻细胞密度增加 12 倍，干藻粉油脂含量达 35 %，实现了富氮时微藻生物量的增长和缺氮时油脂的积累。通过对微藻培养过程中pH、叶绿素荧光、微藻生物量及相关成分进行测定及分析，得到了此鼓泡柱式光生物反应器的培养条件范围，并实现了对以上指标的可控和微藻油脂的积累。张芬芬等[16]采用50 L内置光源气升式反应器(图4)，使用响应曲面确定了最佳培养条件，内置光源为红蓝光、光照强度约 9 000 lux、光暗周期17.5 h∶6.5 h，收获的小球藻的藻细胞密度为5.48×107个·mL-1,收获小球藻干重为1.21 g·L-1，较优化前提高了157%。该柱式光生物反应器因体积较大，混合效果好，光源设置合理，且培养的藻密度较高，具有扩大培养规模的潜力，但考虑到试剂成本较高，需要进一步研究。

图4 内置光源气升式CBR[15]Fig.4 Air lift CBR with built-in light source

CBR具有传质效率高、混合均匀、剪切力小、耗能低、操作简单等优点，多用于实验培养微藻。但CBR一般容积小、造价高、放大困难，限制了其发展应用。本课题组采用内置光源气升式进行藻种扩大，其实验室培养条件易把控、光源充足、微藻生长快；但易染菌，需注意保持无菌环境或减少与外界接触。

1.3 管道式光生物反应器(pipeline photobioreactor，PPBR)

PPBR也是采用透光材质制作，其光照表面积大、微藻生物量高、适合户外培养，但存在管道内部光线不足、耗能高、占地面积大以及管道内培养液易出现pH、CO2浓度梯度差等缺点[17]；同时，微藻易贴壁生长、氧解析困难，为此可以采取加大液体流速、减少管内装置、采用较大的管道内径及保持其光滑、加装自动清洗装置等方法降低贴壁现象[18]。需要特别注意的是，大多数微藻最适生长温度为20～30 ℃，而反应器内温度会比周围环境高10～30 ℃[18]，应及时采取控温措施。

Abobaker等[19]利用250 mL厚5.08 cm的不锈钢管制成PPBR，用豆腐废水培养杜氏盐藻(Dunaliellasalina,一种海洋微藻)进行了模拟试验。当厌氧消化时间为7、14和21 d，发现可以收集沼气，虽然产甲烷量较低，但仍有潜力。Hai等[20]构建了一种低成本的封闭式玻璃PPBR(图 5)，标准玻璃管排列成螺旋阵列，容积高达80 m3；玻璃管与脱气室相连，脱气室提供用于测量和调节氧气浓度、酸碱度、泡沫和光密度的端口；泵提供1.5 m·s-1的层流速率用于搅拌PPBR中的培养基，泵的上游设置有气体入口，便于气体与培养基有效混合；培养基温度由传感器和连接到外部的热交换器控制；光照由3个光板提供，每个光板由10个荧光管组成。除了光板和马达，整个PPBR的其他组件均可高压灭菌。该反应器的模块化布置使其操作简单，有极大的灵活性，玻璃管的长度、直径等均可根据所需进行调整，极大地降低了后续制造成本。

图5 管式光生物反应器Fig.5 Tubular photobioreactor

PPBR可以通过在其中加入螺旋肋来增加藻液的流速，增加藻种与培养基的混合程度，大幅度的降低微藻贴壁生长的可能性，增加培养基中氧溶量等。雷玉玲和吴晶[21]对一种新型带螺旋肋的PPBR，用粒子追踪模型模拟了微藻在反应器中的运动情况。发现调整螺旋肋的结构参数可以达到改变微藻所受光暗循环的情况。随着螺旋助螺距Ps的增加，微藻细胞经历的光暗循环率fav、反应器光暗循环强化效率η出现峰值。fav在Ps=400 mm的反应器中最大，为 0.579 4 Hz；η的峰值则出现在Ps=800 mm的反应器中。在 0.5 m·s-1的进口速度下，Ps为400、600、800 mm 时，螺旋肋的存在对提高光暗循环率有正面作用；Ps为200、1 000 mm时，螺旋肋的存在限制了光暗循环率的提高。PPBR内部微藻细胞贴壁现象使管道内部的阻力增加，光透过率降低、氧解析困难、能耗增加等问题限制了该类反应器的发展及大规模应用。

2 开放式光生物反应器

开放式光生物反应器与外界环境相通，虽然降低了培养成本，但达不到无菌培养环境，藻种纯度不能保障。开放式光生物反应器可分为跑道式和挂膜式等。

2.1 跑道式光生物反应器(runway photobioreactor，RPBR)

RPBR构造简单、成本低廉、操作简单，在过去的几十年中已大量报道[22]。RPBR以自然光为主要光源，但穿透性差，需保持浅水培养。RPBR(图 6)通过泵或浆轮驱动藻液流动，在反应器入水口处可流加新鲜培养基，经反应器循环后等速从出水口处排出。目前主要应用于各类污水的处理中[23]，在微藻商业化生产中应用最为广泛。

图6 跑道式光生物反应器Fig.6 Runway photobioreactor

跑道池式光生物反应器构件简单、建造成本低、操作简便并且可以利用空气中的CO2，从而大大节省了生产过程所需费用。但是跑道式光生物反应器混合性能不佳、功耗较大，培养液若不能和微藻进行有效混合会降低微藻生长过程中的光利用率，影响微藻细胞与培养液间的物质交换、阻碍O2排出、致使藻细胞絮沉。宋培钦等[24]利用户外RPBR培养三角褐指藻(PhaeodactylumtricornutumBohlin)，并探索了其优化条件。研究表明：盐度为 20的条件下，三角褐指藻获得最大细胞密度 6.01×106个·mL-1，但盐度对岩藻黄素含量影响很小；pH 8.0时三角褐指藻细胞密度及岩藻黄素含量最佳(5.8×106个·mL-1和 17.79 mg·g-1)；与碳铵相比，尿素作为氮源更有利于三角褐指藻的生长，最终细胞密度为 4.1×106个·mL-1，但以碳铵为氮源条件下，更利于岩藻黄素的积累，岩藻黄素含量达到 9.96 mg·g-1。因此，户外跑道池中的最适培养条件为盐度 20、pH 8.0、碳铵为氮源。林博和吴晶[25]研究了RPBR中叶轮叶片形状对于藻液混合效果和反应器功耗的影响，当叶片弯折比为1，叶片弯折角为90°时，反应器的单位功耗混合性能参数η为最大值，即在此叶片结构参数下，当叶轮输入功率一定时，该反应器内部藻液光梯度方向上的混合性能最好，对比未改变叶片结构参数情况下的RPBR，其η值增大到2.64倍。

虽然RPBR效果不错，但占地面积大、土地的有效利用率不高，故学者们又提出用多层蛇形RPBR，但受制于自然光透过能力有限而进展缓慢。RPBR构造简易、操作简单，是目前应用较为广泛的生物反应器，但其易受到环境中杂菌、杂藻的污染，因此使用一段时间后需更换反应器内藻种。

2.2 膜式光生物反应器(membrane photobioreactor，MPBR)

MPBR利用了微藻吸附在固体培养基中形成生物膜的特点，因此其主要应用于大规模 CO2固定及污水处理[9,26]。MPBR耗水少、微藻收获成本低，但限制其应用的主要原因是膜污染，膜污染会导致过膜压力升高、膜通量下降，进而使装置耗能增加。膜污染的形成原因是微生物及其残骸、溶解性物质或胶体物质被吸附在膜的表面或内部并形成累积。

图7 膜式微藻光合反应器[27]Fig.7 Membrane photobioreactor

膜污染不仅会降低膜的使用时间还会增加运行成本，因此对膜污染的成因及控制措施的研究极为重要。目前，学者们主要通过对膜材料、混合液和操作参数进行研究。Prashant等[27]研究了利用MPBR(图 7)处理三级废水时污泥停留时间(sludge retention time，SRT)对污水中微藻生物量累积的影响。当SRT为10～350 d时，生物量积累与SRT无关，稳态生物量浓度稳定在1.9 g·L-1左右，在2～10 d的较低SRT时，MPBR中的生物量浓度成比例下降，在2 d时达到最小值0.54 g·L-1。光照强度的变化影响生物量的积累和营养物质的去除。在高光强下操作MPBR，即使在0.5 d的较短SRT下，也可获得95%的NO3-N和73%的PO4-P去除率，而生物量浓度和生产力分别为3.13 g·L-1和313 mg·L-1。分析得出，SRT并不能很好的控制生物量去除率，但它可以有效地缓解光限制，提高MPBR的微藻生物量产量。Gera等[28]采用3种不同的微藻培养基，结合MPBR对污水进行处理。利用开放式滚道池在阳光照射下(12 h∶12 h明暗循环)培养微藻(3种)，连续5 d分别用标准APHA和TOC分析仪测定营养物质和有机物摄取量，用血细胞仪测定藻类生长，并采用3种不同的膜组件对生长的藻类生物量进行脱水。观察操作参数如微藻浓度、膜类型(陶瓷、聚砜、聚丙烯腈、PAN)和跨膜压力对处理水水质的影响。发现当初始生物量浓度(5×106个·mL-1)较高时，3种培养基对营养物质的吸收率均最大，PAN膜的渗透通量最高，污染较小。微藻与膜生物反应器系统联合应用，可获得高效的生物量和优质的渗透水生产的双重受益。更换膜材料虽能大幅度减少膜污染，但造成膜污染的成因非常复杂，微生物分泌的溶解性产物和胞外分泌物必然存在，两者是造成膜表面凝胶层形成的主要原因。因此膜污染目前还不能完全消除，只能通过优化设计方案得到减缓。MPBR虽然只限于有吸附能力的微藻培养使用，但其具有对水资源消耗少、便于微藻采收等优点。目前对其报道较少，仍需进一步试验与研究。

3 展望

封闭式光生物反应器虽然能够有效控制微藻培养条件、减少污染，适用于更多的藻种，其中平板式和管道式因水分蒸发少、条件易控制、光照面积大、获得藻生物量大的特点被认为最具有商业化潜力，但较高的造价及维护成本仍是主要瓶颈。开放式光生物反应器能够大规模培养微藻，降低培养成本，但藻种易受到污染、培养条件不受控制，只适用于生存能力强、不易发生基因突变的藻种。其中跑道式光生物反应器结构简单、建造容易、操作易实施故而应用较为广泛(表1)。

表1 各类光生物反应器的优缺点及适用范围Table 1 Advantages, disadvantages and application of various types of photobioreactors

综合上述反应器的现状，可以预测以下3个方面有望成为发展趋势。①博采众长，采用封闭式光生物反应器与开放式光生物反应器相结合的混合式微藻培养有望成为研究热点。先采用封闭式光生物反应器培养得到大量纯藻种，保证了后续生产所需纯藻种的供给；再经过开放式光生物反应器进行大规模产业化生产，可以获得更高产量，为生产具有附加值的生物质产品奠定基础。②减少耕地占用，将微藻培养光生物反应器尽量置于利用天然湖泊或近海的丰富水资源区域，可以大幅度降低微藻生产成本。可将藻种置于薄透膜袋中于湖泊或海水中培养，充分利用湖泊或海水中的营养物质生产得到微藻生物质。③研发新型高效的光生物反应器用于微藻培养，研发过程中应充分考虑微藻的生长特性、反应器的结构、光分布、培养基的传质、藻液的混合等因素。

总之，微藻生物反应器各有利弊，为了取长补短、相互弥补，许多学者倾向于研发不同构造结合的混合型光生物反应器，成为近几年的热点，相关研究也陆续出现在文献中[26,29]，但大多仅限于实验室规模，距离规模化应用还很遥远。鉴于大部分研发涉及多学科领域知识的融合，尤其是材料学、光学、流体动力学等对生物学家比较陌生，呼吁更多不同专业领域的学者行动起来，互通有无、克服困难、联合攻关，使微藻的大规模商业化养殖早日成为新的经济增长点。