薄层自流式光生物反应器研制及微藻培养效果评价

（1.国投生物科技投资有限公司，北京 100032；2.微藻生物能源与资源北京市重点实验室，北京 100032）

微藻可利用太阳能和二氧化碳通过光合作用生产有机物，有生长迅速、效率高、能耗低、易于产业化的特点，被视为21世纪食品、保健品、生物饲料和生物能源的重要潜在来源[1-2]。微藻生物质生产成本占生物能源全流程成本的60%以上，研发高效率、低成本的新型微藻培养光生物反应器，以提高微藻的生长速率和生物质产量，是推动微藻大规模商业化应用的基础[3-4]。

微藻光生物反应器是微藻生长或进行光合反应的反应装置，一般分封闭式光生物反应器和开放式光生物反应器两大类[5]。封闭式光生物反应器包括水平管道式反应器、平板式反应器、柱状反应器、螺旋管反应器、管排式反应器[6]、栅板式反应器[7]等，可较好地控制培养条件，降低污染，比开放式可获得更高的生物量，但成本更高，适合雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）、金藻（Isochrysissp.）、三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）等高附加值微藻的大规模培养。开放式光生物反应器分为人工池塘以及带搅拌装置的跑道循环池、膜式反应器等，跑道池反应器系统因其构造简单、建造成本低廉、操作方便的特点，广泛应用于螺旋藻（Spirulina）、小球藻（Chlorella）、微拟球藻（Nannochloropsis salina）等常见微藻的大规模培养[8-10]。

但跑道池光生物反应器存在如下问题。为增加微藻细胞的光通量密度，减少微藻沉降，跑道池光生物反应器需提供动力使藻液处于运动状态，一般采用减速电机带动搅拌桨转动作为动力推动藻液在跑道池中循环流动。为使藻液正常流动，藻液的培养深度至少需20～30 cm，从而导致一系列问题：

1）藻液深度大，使光照比表面积小，而太阳光的穿透厚度仅几毫米，底层藻液光合作用效率下降，生物质密度低（0.05～0.6 g·L-1），不同的藻种密度、养殖地域有一定差异，所以微藻在跑道池中宜保持浅水培养[11-12]。

2）在一定范围内，藻液流速越大越好，以增加藻细胞接触阳光的概率，防止藻细胞贴壁和沉降，但搅拌桨的高速转动会显著增加能耗[13-14]。一般跑道池中藻液流速控制在0.01～0.03 m/s，藻液搅拌混合程度较低，池底容易沉降藻细胞，导致光合作用活跃度降低[12]。

3）藻液体积大（至少200～300 L·m-2）、生物质密度低、耗水量大，后续藻水分离、水处理难度较大，分离成本和能耗较高，同时得到的藻粉生物质品质较低[15]。

针对跑道池光生物反应器存在的这些问题，本研究设计一种新型开放式的薄层自流式光生物反应器，与跑道池光生物反应器进行微藻培养对比试验，并进行工业化放大，旨在研发一种可获得高效生产微藻生物质的光生物反应器，为微藻大规模产业化应用提供基础。

1 薄层自流式光生物反应器设计

1.1 设计思路

针对跑道池光生物反应器存在的问题，提出如下新型开放式光生物反应器的设计思路：

1）改变采用减速电机带动搅拌桨转动作为动力推动藻液循环的方式，而将跑道池的水平面改为倾斜面，使藻液可依重力作用沿倾斜面自行流动，这可使藻液培养深度控制在3～5 cm，藻液流速控制在0.6～0.9 m·s-1，从而提高微藻光合作用效率，得到细胞浓度较高的藻液。

2）用离心泵代替减速电机作为动力源，将自流到低点的藻液输送至高处，高处的藻液沿倾斜面再次自流至低处，从而实现藻液的循环流动。

1.2 结构设计与工作原理

基于以上设计思路，设计一种薄层自流式光生物反应器，采用Solidworks设计软件建立三维模型，如图1所示。该反应器主要由反应器本体、支架、蓄液池、离心泵、PVC管路等部件构成。

反应器本体由镀锌钢板折弯成型，再依次安装在由方钢管拼焊成型的支架上，支架上安装有调节螺栓，可实现反应器本体的坡度在0～0.5%之间任意调节。镀锌钢板上再敷设一层高密度聚乙烯（HDPE）防渗膜作为平整的防水层并避免微藻液腐蚀镀锌钢板。

蓄水池作为反应器本体自流下来的藻液缓冲池，为离心泵向反应器本体的最高点输送藻液提供一定泵送体积，防止离心泵由于吸空而导致气蚀。离心泵通过PVC管道将蓄水池藻液输送至反应器本体的高点，藻液沿着反应器本体的倾斜面自流至蓄水池内，实现藻液的循环流动，藻液在倾斜面上接受光照进行光合作用。离心泵配有变频器，通过改变离心泵的工作频率调节管道出口的藻液流量，从而实现对反应器本体上流动藻液深度的调节。

图1 薄层自流式光生物反应器结构Fig.1 Structure of inclined thin-layer photobioreactor

2 微藻培养评价试验

2.1 中试培养系统的建立

为比较薄层自流式光生物反应器与传统跑道池光生物反应器的性能，在国投微藻中心的河北省廊坊市生产基地内建造一套薄层自流式反应器和跑道池反应器的微藻中试对比培养系统，如图2所示。根据给排水设计经验，可使藻液依重力作用沿光滑斜面自流干净的最小坡度为0.3%。薄层自流式反应器本体设计总长150 m，单侧宽度1 m，斜坡角度调整为0.3%，反应器本体的最高点与最低点的高度差为450 mm，藻液培养深度4 cm，藻液流速0.8 m·s-1，总培养体积6 000 L。跑道池反应器长度5 m，宽度3.2 m，藻液培养深度25 cm，藻液流速0.2 m·s-1，总培养体积4 000 L。

2.2 微藻中试培养初步评价试验

以国投生物科技投资有限公司选育的栅藻（命名为“GT2”，Scenedesmussp.）为藻种，2016年11月于河北省三河市实验基地开展薄层自流式光生物反应器与传统跑道池光生物反应器（自制）对微藻培养效果的初步评价试验。两种反应器初始接种浓度均为0.05 g·L-1，藻液深度分别为4 cm和25 cm，两种反应器同时培养10 d，培养期间用温室控制系统（中农金旺北京公司）自动监测光照与气温，培养时藻液pH由哈希SC200型pH计实时监测（同时集成藻液温度监测功能），用二氧化碳调节阀偶联自动调节控制，使pH维持在7.5±0.3。微藻质量（干物质）测量：每天定点取样，采用玻璃纤维过滤膜（直径50 mm，孔径0.45 μm）在85 ℃条件下烘干至恒重，取一定体积藻液，抽滤，带有藻细胞的滤膜同样置85 ℃烘箱烘干至恒重，置干燥器中冷却后称量质量，计算藻细胞干物质含量。

表1可见，培养期间，白天日均照度约为350 μmol·m-2·s-1（阴天时白天日均照度为30 μmol·m-2·s-1左右）；薄层自流式反应器由于藻液液位低，藻液温度波动大，从夜间的18 ℃可升至最高时的36 ℃左右，跑道池反应器液位高，藻液温度波动较小，从夜间的18 ℃升至最高29 ℃左右。培养10 d后，薄层自流式反应器内栅藻生物质质量浓度从0.1 g·L-1增至1.49 g·L-1，跑道池内生物质质量浓度从0.1 g·L-1增至0.21 g·L-1。虽然温室内光通量密度低，生物质绝对产率较低，但薄层自流式反应器中栅藻的生物质浓度显著高于跑道池反应器，单位面积产率（每天单位占地面积的产量）升高13%，从图3的生长对比亦可见，薄层自流式反应器中栅藻的生长速率明显高于同期跑道池光生物反应器，说明此反应器具备工业化放大的潜力。

图2 薄层自流式光生物反应器微藻中试培养系统(a,b)及跑道池光生物反应器对比培养系统（c）Fig.2 Pilot-scale microalgae cultivation system of ITP (a,b),and contrast culture system of raceway pond PBR (c)

表1 薄层自流式光生物反应器与跑道池光生物反应器栅藻中试培养对比试验数据Table 1 Pilot-scale cultivation data of the green microalga Scenedesmussp.grown in ITP and raceway pond PBR

图3 微藻培养生长对比曲线Fig.3 Growth curves of Scenedesmus sp.maintained in ITP and raceway pond

根据两种反应器的最终栅藻生物质浓度，按生产1 kg藻粉计算，薄层自流式反应器耗水782 L，跑道池反应器耗水约4 760 L（表2），薄层式反应器的耗水量远低于跑道池反应器。这既可缩短藻水分离时间，提高微藻收获效率，也可节约大量的水资源，降低收获成本。

表2 按生产1 kg藻粉两种反应器耗水量对比Table 2 Water consumption in ITP and raceway pond PBR for product 1 kg algae powder

2.3 微藻大规模培养系统的建立

由微藻中试培养系统的初步对比试验可见，微藻在薄层自流式反应器培养相对于传统跑道池反应器培养有较大的生长优势。为验证该新型反应器在大规模培养系统中的性能，通过现场实地考察，在广西北海市某电厂建设一套薄层自流式反应器的室外大规模试验系统（图4）。该系统与前述中试薄层自流式反应器的原理相同，但反应器本体采用回填土夯实，两侧用砖砌成围堰，再敷设一层HDPE防渗膜作为防水层，反应器本体设计总长200 m，单侧宽度5 m，藻液培养深度5 cm，斜坡角度为0.3%，藻液流速0.8 m·s-1，藻液总培养体积50 000 L，藻液输送采用轴流泵，出口管路管径为DN300[16]。

2.4 微藻大规模培养试验

以同株栅藻为培养藻种，2～4月期间在此薄层自流式光生物反应器大规模培养系统中进行了4个批次的培养试验。培养期间，气象数据由温室娃娃（国家农业信息化工程技术研究中心研制）自动监测光照、气温；培养时藻液pH由二氧化碳监测偶联装置（同时自动监测藻液温度）自动调节控制，维持在7.5±0.3；微藻生物质含量测定同2.2。

培养期间，光照充足，晴天日间平均照度为1000 μmol·m-2·s-1左右，最高2 300 μmol·m-2·s-1，阴天时，日间平均照度为230 μmol·m-2·s-1左右，最高达570 μmol·m-2·s-1，晴天光照是阴天的4倍左右（图6）。藻液温度随日照波动，晴天时，藻液平均温度为30.5 ℃左右，最高可达35.5 ℃，阴天时，藻液平均温度为26.5 ℃左右，最高可达28.5 ℃（图7）。4个批次栅藻培养结果如图8所示，由于当地光照条件良好，栅藻生长无明显延迟，在无阴雨天气时，微藻生长快速，平均生物质产率0.19 g·L-1·d-1，单日最高达0.86 g·L-1·d-1，相应的单位面积产率达43.5 g·m-2·d-1，最终生物量最高达2.31 g·L-1，与跑道池光生物反应器最高约0.01～0.6 g·L-1的微藻培养生物量相比，优势明显。

图4 薄层自流式光生物反应器微藻大规模培养系统（a）藻液输送轴流泵（b）Fig.4 Large-scale cultivation system of ITP (a) and Axial flow pump for circulating microalgae culture (b)

图5 培养期间光照变化Fig.5 Light intensity during culture

图6 培养期间阴晴天时光照变化Fig.6 Light intensity on sunny and cloudy day during culture

图7 培养期间阴晴天时藻液温度波动情况Fig.7 Temperature of algae on sunny and cloudy day during culture

图8 薄层自流式光生物反应器大规模培养栅藻生长Fig.8 Growth of the green microalga Scenedesmus sp.maintained in the ITP large-scale microalgae cultivation

3 讨论与结论

本研究为解决传统跑道池光生物反应器在微藻培养中存在的问题，采用Solidworks软件设计一种新型薄层自流式光生物反应器，建立该新型反应器的中试微藻培养系统，并与跑道池反应器进行微藻培养的初步评价试验，并建造一套该反应器的大规模培养系统，开展多批次培养试验。以上工作表明：

1）根据薄层自流式反应器的设计思路，完成4000 L中试系统和50 000 L大规模培养系统的设计与建造，满足微藻规模化生产的设备条件。在50 000 L的大规模培养系统中，微藻生物质产率单日最高达到0.86 g·L-1·d-1，单日最高占地面积产率达43.5 g·m-2·d-1，最终生物量达2.31 g·L-1。

2）微藻培养的占地面积生物质产率决定了所需占地面积的大小，一般对栅藻、小球藻等需要高光照的藻种，薄层自流式反应器生物质产率高于跑道池反应器，但对于其他藻种，需继续开展不同培养深度对产率的影响实验，结果可能不同。

3）薄层自流式反应器培养微藻生物质浓度高，生产相同生物质的耗水量远低于跑道池反应器，既可以节约大量的水资源，在工厂选址、降低水资源的依赖度均大有裨益。

4）在生产相同生物质的情况下，采用离心分离的收获方式，藻液浓度高，进行藻水分离的时间越短、能耗更低[17]，需配置的收获设备数量更少，因此，薄层自流式反应器比跑道池反应器在藻水分离上更有优势。

5）为更加完善薄层自流式反应器的性能，后续工作要从温度调控、能耗、不同藻种培养等方面不断优化，提高投入产出效益，以期成为微藻大规模生产的主力设备，助力微藻产业发展。