知识介绍
刘志伟1) 余若黔2) 郭 勇4)
(华南理工大学食品与生物工程学院，广州510640)
张 晨3)
(嘉应学院生物系，梅州514015)
摘要 介绍了用于微藻培养的各种密闭式光生物反应器，包括发酵罐式、管式和平板式生物反应器及光照系统。关键词 微藻，培养，光生物反应器
Photobioreactors for cultivating microalgae
LIU Zhiwei ,YU Ruoqian ,G UO Yong
(C ollege of F ood Engineering and Biotechnology ,S outh China University of T echnology ,G uangzhou 510640)
ZH ANG Chen
(Department of Biology ,Jiaying C ollege ,Meizhou 514015)
Abstract The hermetic photobioreactors used to cultivate microalgae were introduced ,including fermenter style ,tubular and flat plate bioreactor.I lluminated system were als o discussed.
K ey w ords microalgae ,cultivation ,photobioreactor
第一作者：刘志伟，男,1969年生，博士研究生，讲师，从事发酵工程方面的研究。
微藻能有效利用光能、C O 2和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性锚杆挡墙
物质，可以培养微藻来生产健康食品、食品添加剂、动物饲料、生物肥料及其他天然产品。另外，近年来分子遗传学和基因工程研究证实，大肠杆菌的载体和启动因子往往可以适用于蓝藻，尤其是单细胞蓝藻的转基因，这使得蓝藻基因工程得到了较快的发展，利用藻类为宿主的基因产物的生产也日益受到关注，因此微藻的培养受到广泛重视。
微藻的生长方式决定光照在反应器中的重要性。除了一些能完全自养的微藻培养可以在无光照条件下进行[1](此时反应器可以采用传统微生物发酵罐外)，大多数微藻要在光生物反应器中培养。光生物器
设计和结构的关键之一是要提供高的光照表面积与体积之比，其目的是提高透光率及藻细胞对光能利用率；设计的另一个关键是选用合适的循环装置，减小剪切力对藻细胞的伤害；此外C O 2的溶解及气液传质、光合放氧时溶氧蓄积与及时排出等气体转移效率及光源品质和形式的选择，都将
对光生物反应器高效培养微藻有极大的影响。目前，微藻培养主要有敞开式大池培养和密闭式生物反应器培养两种方式。敞开式培养一般用水泥池,C O 2可以采用人工供给或依靠与空气的自然交换，并通过人工搅拌使空气中的C O 2溶解的方法来补充，最突出特点是构建简单、成本低廉及操作简便，但敞开式培养存在易受污染、培养条件不稳定等缺点，虽有许多尝试改进该系统，但还是只能用于螺旋藻、小球藻及盐藻等少数能耐受极端环境的微藻培养。密闭式反应器除了能采集光源外，其他很多方面与传统微生物发酵用生物反应器相似，它培养条件稳定，可无菌操作，易进行高密度培养，已成为今后的发展方向。目前密闭式反应器有多种形式，如发酵罐式、管式和板式等光生物反应器。
1 发酵罐式光反应器
发酵罐式光反应器是在传统微生物发酵罐的基础上增加光照用于微藻培养。小型反应器可用透光物质如玻璃等为材料，采用外部光源。混合方式也
第 卷第 期现代化工
V ol. N o.
年 月M odern Chemical Industry
Dec.
同样有机械搅拌式、气升式和鼓泡式等。其特点是在有限的占地面积内有较高的培养体积，对于利用现有发酵技术进行微藻培养具有重要意义。对于发酵罐式光反应器，一般光照面积与体积比较小，如何增大光照面积与体积比，而不影响其他性能，是需要解决的主要问题。
M oni等发明的反应器将多个透明圆柱体平行安装在反应器罐内，光源放置在透明圆柱体中，供给C O2的气体交换器在罐内两个圆柱之间[2]。Ogbon2 na等研制一种用于大规模培养光合细胞的新型内部光照搅拌式光生物反应器，它由多个单元组成，每个单元包含光源和周围环境，大的光生物反应器通过增大单元数目得到，每个单元中心固定一个玻璃管，光源插入其中，混合由搅拌桨实现，该搅拌桨设计成旋转时不接触玻璃管，玻璃管同时作为挡板，该反应器在低转速下仍有较高混合程度，而且剪切力较小。由于发光体并非机械固定在反应器上，且通过玻璃管与发酵液分离，因此反应器可高压灭菌，而发光体在冷却后插入玻璃管[3]。Y amamura K等研究固定C O2的光反应器，特别之处在于搅拌器具有发光作用[4]。
搅拌转速太快会因机械剪切作用而使藻体断裂，从而使藻的生长受抑制，但刘传琳等用自动控制光合生物反应器培养钝顶螺旋藻，发现105r/min低速搅拌对藻体的剪切作用很小，藻长度基本在正常范围
内[5]。为避免剪切力的伤害，多用气升式光反应器。王长海等用气升内环流光生物反应器对紫球藻进行培养，透明的反应器外部以12支40W荧光灯为光照系统，利用C O2为碳源，细胞的生长速度和生物量产率分别达到了01952d-1和42031g/(m2・d)[6]。李志勇等采用气升内环流光生物反应培养螺旋藻，效果优于静置和机械搅拌反应器，最大细胞干重可达3164g/L[7]。李志勇等还采用鼓泡柱式光反应器培养螺旋藻，第5天最大细胞干重达313 g/L[8]。
2 管式光反应器
管式光反应器是利用透明的管道，借助外部光照条件进行工厂化藻类培养。管式光反应器的设计和操作理论最早由Prit等人提出，后来有许多人研究与应用，发展为垂直管式、倾斜可调管式、水平管式等多种形式。
水平管式采用泵循环、气升循环等方式混合，多数采用自然光，有的采用人工光源。T orzillo等设计了双层管式光反应器，将反应管道分两排水平交错放置，采用气升循环，并由计算机自动监控培养过程的参数，获得了315g/L的室外螺旋藻养殖的较高生物量[9]。
Lee等针对一天中太阳光照的变化，对水平设置的管道进行改进，将管道反应器设计成与地面角度可调的形式，能更好利用太阳能。研究发现当倾斜角度为80°时，小球藻的产量是水平放置时的6倍[10]。李师翁等用玻璃管道光合生物反应器进行大规模培养，最大密度达到41898g/L，连续培养中平
均密度为3g/L，比开放池式的密度013～015g/L 提高了6～10倍，该装置已推广应用于工业化生产，但如何控制温度和光照这个大规模培养的关键问题还在研究之中[11]。刘晶瞒等用自制的细管式光生物反应器，对螺旋藻进行高密度培养，研究了螺旋藻液的流变特性，并研究光强的影响及光暗比对反应器体积产率与面积产率的影响，发现体积产率有光暗比饱和现象，而对于面积产率，存在着最佳光暗比[12]。nfc天线
垂直管式采用机械搅拌、鼓泡、气升混合，可分为螺旋管式和鼓泡柱式等。
培养液溶氧蓄积与闭路管道中内温过高，藻细胞在窄管系统循环不畅，受光不均等问题在一定程度上限制了该系统大规模应用。另外，透明的聚乙烯管比较脆弱，玻璃钢管的成本较高也是一个限制因素。
3 板式光反应器
板式光生物反应器主要是由透明的玻璃或有机玻璃板制成，可以根据太阳光强度及入射方向的变化，调节最适的采光方向，增大透光率，通过调节不同的反应器厚度维持短的光通路，保证有效液层充分受光，混合强度也可调节，易实现高密度培养。反应器主要由光源、循环装置、板式反应器、控温系统、培养介质与C O2供给系统组成。反应器采用太阳光或卤素灯，光强通过调节光源与反应器的距离或光辐射入射方向加以控制，反应器内混合系统有气升式混合、底部鼓泡混合或机械搅拌[13,14]。
4 光生物反应器中的光照系统
光生物反应器要取得高密度高效培养，最关键的影响因素是光能转化、气体交换、营养源的连续供给及生物限制因子等。光源的选择、安装直接影响反应器光强分布，关系到藻细胞对光的吸收利用。
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第 卷第 期刘志伟等：微藻培养的光生物反应器
上述反应器中，透明反应器一般采用外部光照，反应
器的内部结构相对简单，反应器的直径较小，如用发酵罐式则反应器容积较小，具有一定局限性。内部光照除了要让光强满足微藻生长需要外，还必须考虑到反应器的高温灭菌影响、密封要求、混合要求、热的散发等方面，对光源的安装、保护、光的传递要求较高。目前广泛使用的光源，如太阳光、
金属卤素灯、冷白炽灯等存在许多弊端，为了提高光能转化率，选择高光强、窄光谱、节能、可靠的光源具有重要的意义。
光纤光生物反应器是将氙灯作为光源安装在反应器外，将光纤直接安置在培养液中，利用光导纤维的光传递性与反应器内部光分散系统相匹配，使光均匀地照射在藻液上，由于光通路短，使光能利用率大大提高[15,16]
。该系统采用超滤技术，不断分离产物，补充新鲜培养液，达到高密度培养目的，最大生物量达10g/L [15]。发光二极管作为光源，能发射窄光谱，不仅能满足藻类光合作用所要求，而且不被吸收的光谱大大减少，能有效控制光热效应，减少设备冷却装置，降低光损失。Steranka 研制的一种砷化镓铝晶片发光二极管最大光合成有效光量子密度为
频率元件900μm ol/(m 2・s )，足以维持植物细胞光合作用的需要，是一种有效的光源[17]。
5 前景
密闭式光生物反应器与敞开式相比具有独特的
优点，在微藻培养中商业化规模的成功取决于其生产成本。现代技术日新月异，各种新材料、新型高效光源的出现与使用，加上基础理论研究的深入，必将使密闭光生物反应器更为成熟，生产成本不断
降低，从而真正应用到工业化生产中。
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收稿日期:2000209222
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