利用畜禽粪生产小球藻的工艺设计及发展前景

文│于长青 陈大勇 魏传玉 仝宝生（内蒙古永业生物技术有限责任公司）

小球藻细胞中含有丰富的蛋白质、必需氨基酸、脂肪、糖类、微量元素和多种维生素，而且又有繁殖快、产量高的特点，大面积培养小球藻作为家畜或特种水产的饲料添加剂已逐渐被人们所重视。而利用畜禽粪的沼液养殖小球藻， 实现 “饲料→动物→粪便→沼液→小球藻饲料”的循环生产方式，解决沼气生产对环境的二次污染问题，提高沼气的经济附加值，具有巨大作用和重要意义。

一、小球藻的研究现状

1.小球藻简介。1890年，荷兰微生物学家Beijerinck首先在琼脂平板上成功分离到了一种叫做小球藻的纯培养物，并建立了小球藻属（Chlorella Beijerinck）。此属自建立以来，迄今已发现15种左右，加上变种有上百种之多。

小球藻属（Chlorella Beijerinck）属于绿藻门（Chlorophyta）绿球藻目（Chlorococcales）卵囊藻科（Oocystaceae）。在自然界分布极广，在海洋、湖泊、池塘、沟渠、潮湿土壤等环境中都可以生长繁殖，以淡水种类居多。小球藻具有明显的营腐生生活的倾向，所以在含有机质的污水中均能大量生长。小球藻能利用光能自养，也能在异养条件下利用有机碳源进行生长、繁殖。

2.小球藻的营养特点。小球藻细胞内含有丰富的叶绿素，属于单细胞绿藻，光合作用非常强，是其他植物的几十倍。其含有丰富的蛋白质、维生素、矿物质、食物纤维、核酸及叶绿素等，是维持和促进人体健康所不可缺少的营养素，特别是含有生物活性物质糖蛋白、多糖体以及高达13%的核酸等物质，具有增强人体免疫力、防止病毒增殖、抑制癌细胞增殖、抑制血糖上升，降低血清胆固醇含量，排除毒素，迅速修复机体损伤等功能。小球藻中富含小球藻生长因子（CGF），能迅速恢复机体造成的损伤，并可作为食品风味改良剂。小球藻对身体的保健作用比螺旋藻要强好几倍，且小球藻抗病毒的能力极为强悍，吸毒排毒的能力也极强。

小球藻规模化生产

近几年，随着微藻生物技术的发展和微藻保健食品市场的扩大，国内形成了以螺旋藻为主的微藻食品，并在3000多种保健食品中占有一定的地位。而小球藻产品，除了极少数的几个生产藻粉的厂家外，其余的产品几乎没有，或仍处于实验室研究阶段。

二、利用畜禽粪生产小球藻的工艺

1.小球藻的规模化生产方式。生理学上，微藻的营养方式可分为三类：自养、异养和兼养。其中绝大多数微藻是自养的。其自养培养方式是利用无机碳源和光能进行培养的一种方式，是当前包括小球藻在内的绝大多数微藻规模化生产的培养模式。小球藻的规模化生产通常采用以下几种方式：

（1）密闭和半密闭光合反应器大规模培养。小球藻细胞的密度较高，分离采收成本较低，各种生长因子及工艺可以采用自动化、集约化管理，提高了生产效率和产品质量，避免受其他生物和非生物物质的污染，但由于玻璃管道光合反应器一次性投资大，且仍有许多技术问题尚未完全解决，目前尚无工业化应用的报道，但这是未来发展的趋势。

小球藻光合工厂

（2）生物发酵罐培养。这种方法是在发酵罐里迅速大量培养小球藻细胞，再到室外接受强光照促进色素和其他生物活性物质的转化。该方法也有很多技术问题还没有解决，包括小球藻从发酵罐出来后对光照适应性差，叶绿素等色素含量低，藻粉颜色偏黄，生物活性物质转化少，含量低等，并且投资巨大，生产成本高。这些因素限制了该技术的广泛应用。

（3）跑道式露天开放池培养。这种方法培养面积大、生长因子难以控制、二氧化碳补加困难、产量低且收获成本高、易被其他生物污染，产品质量不如其他生产方式。但它具有设施简易，投资少，可以利用有机碳源进行异养，总生产成本低等特点，并且绝大部分生产设施可以与螺旋藻生产通用，因此，目前国内小球藻规模化生产多采用此种方式。

再比如二姐，她有着自己的浪漫情怀，“总爱站在院子里望着那条通往山外的山路发呆”，含情脉脉地等待着自己的情郎。最后等来的却是母亲对她的婚姻指派。

现阶段，绝大多数小球藻的培养都是采用无机培养基进行光自养培养。目前，对于温度、二氧化碳浓度、光照强度、营养液、pH值、搅拌等因子的影响已经有了很好的了解，可以通过多种方式达到最佳的培养条件。已没有多少可以提高的空间，但培养成本仍然偏高。目前的研究表明，小球藻大规模培养的方式与产品开发有关。Oswald总结了当前国际上主要的培养方式，包括：密闭无菌培养，使用试剂级化学药品、净化水、加EDTA和维生素等营养成分，主要是制取高级医药用品，精细化学药品和高级油脂等产品；开放半无菌培养，使用分析纯化学药品、净化水，主要生产藻粉、健康食品、色素和医药制品；开放藻菌混养，以蔬菜、肉类加工、发酵和工业蒸馏的洁净的有机液体废料为培养基，生产藻粉、健康食品、动物饲料和医药制品；以动物、家禽和鱼类等残余食物、屠宰场的废物等为培养基，生产饲料、肥料等；以家庭污水和降解的植物废物等为培养基，生产氧气和肥料等。

2.利用畜禽粪生产小球藻的工艺设计。通过小球藻可以实现“饲料→动物→粪便→沼液→小球藻饲料”的循环生产方式。有效地解决治理养殖场的污染问题，同时拓宽通过畜禽粪生产沼气的综合利用的范围，变废为宝，把经过充分厌氧发酵，缓速兼备、营养全面、成分齐全的优质有机肥沼液用于生产小球藻，实现了农业废弃物多层次利用和农业资源合理配置。

这种循环方式具有很多优点，包括整体效应优化，以畜禽粪和沼气为纽带，把养殖业与养藻业有机连接起来，优化耦合，形成污染物低排放或零排放的一种农业生产体系；资源永续利用，通过生产小球藻消化沼液中的氮、磷、钾和其他有机养分，使水质达到回收利用标准；系统闭合循环，利用小球藻作为精饲料，把养殖排放的畜禽粪资源化利用，实现养殖业系统闭合无害化循环。

3.利用畜禽粪生产小球藻的技术要点。

（1）沼液处理。利用畜禽粪生产出的沼液依次经过沉淀池、滤液塔，通过调节酸碱度，滤去浮渣、杂质，同时添加辅助营养物质，使其尽可能满足适宜小球藻生长的要求。

（2）接种。沼液处理后，按1∶3～1∶5比例加入淡水，即可进行接种培养。选取生活力强、生长旺盛、颜色正常的藻种，在晴天的上午8～10时，按1∶10或1∶20的比例进行接种。接种量大可使藻种在培养液中占优势，利用生物间的颉颃作用对其他杂藻起到抑制作用，这样既可减少污染机会，又可缩短藻的培养周期。

（4）调节酸碱度。由于藻类的光合作用和呼吸作用，以及对培养液中营养盐的不平衡吸收，常常会使培养液的pH值改变，有时这种变化会在短时间内发生。当培养液的pH值超出藻类的最适宜范围时，就会抑制藻类的生长。因此，在日常管理中要格外关注培养液pH值的变化。可以用醋酸溶液或碳酸氢钠溶液来调节培养液的pH值。

（5）病虫防治。每天定时观察藻液的颜色是否正常，是否有沉淀和附壁现象，液面有无菌膜以及有无敌害生物污染迹象等，必要时配合显微镜检查，了解掌握藻类的生长情况。结合当时环境条件的变化进行综合分析，找出影响藻类生长的原因，并采取相应的对策。为了防止病虫害及杂藻污染，最有效的方法是始终为藻体的生长创造适宜的生长环境，控制好藻液的浓度，适时进行扩繁或采收利用。

三、小球藻在养殖业上的应用

1.小球藻对动物体的作用机理。小球藻中含有β—D型葡聚糖和甘露寡糖，前者可以刺激淋巴细胞，后者对多种病原菌有显著的吸附作用。使用小球藻既能增强动物体免疫系统功能，提高抗病毒感染能力，又能有效抑制病原菌的侵害，起到疫苗和抗生素的双重作用。

2.小球藻在动物体内的作用。

（1）直接杀灭细菌。小球藻对金黄色葡萄球菌、大肠埃希氏杆菌、痢疾志贺氏菌有直接杀灭作用。

（2）增强动物免疫。小球藻能对动物体内免疫系统产生如下变化：淋巴细胞数量增加10倍；活性吞噬细胞数量增加2～3倍。自然杀伤细胞杀菌能力提高4倍；细胞和体液免疫水平同步提高。

（3）解毒保肝、促进生长发育。根据台北医学院王凌芳等人最近报道，在仔猪饲料中加入2%小球藻干粉作添加剂，结果试验组仔猪的肝总脂、甘油三酸酯、胆甾醇含量均比对照组低，并对乙基硫氨酸引起的中毒反应较对照组轻，且恢复也快。故他们认为小球藻中含有某种保肝解毒成分。

（4）维持肠道内细菌群的均衡。为预防或治疗疾病，在动物饲料中添加多种抗生素及磺胺剂，往往会导致全体菌群的死亡。小球藻含有抗药性特强的物质，长期使用，不但可以增强食欲，提高对饲料的消化、吸收率，而且还能消除发育障碍。

3.小球藻在养殖业上的应用。小球藻具有耐热、耐酸、耐抗生素等特点，非常适合做成饲料添加剂。同时，因为其蛋白含量很高，破壁后也可当作蛋白饲料添加。

小球藻可以以悬液、膏或干粉等形式加入饲料中。悬液的优点在于，家畜除利用小球藻的生物性物质外，还可利用存在于溶液中的细胞生命活动的全部产物（维生素、酶和抗菌素）以及小球藻培养过程中加入培养基中的矿物质和微量元素。把小球藻以一定比例添加到日粮中发现，其对家畜的消化有良好的影响。

关于小球藻悬液对牛生产性能的影响，经过一系列试验得出：使用小球藻悬液的犊牛，平均日增重579克，比未喂悬液的犊牛，日增重多73克（14.4%）。另外，可以用小球藻悬液治疗犊牛的维生素缺乏症。小球藻悬液还可作为病原微生物引起的新陈代谢紊乱、消化不良的防治剂。另外，试验证明，使用小球藻的小公羊生长强度和增重比较大。因此，如没有附加其他饲料，只是给日粮中添加小球藻悬液，也能获得足够的增重。

在猪的104天育肥期间，小球藻悬液可作为蛋白质-维生素-矿物质补加剂，加入3.5月龄仔猪的饲料中。试验组平均日增重比对照组高63克或9.7%，两组增重分别为711克和648克。自日粮中得到补加剂的试验仔猪，每增重1千克，消耗3.98个饲料单位，而一般的猪则需消耗4.22个饲料单位，前者节约饲料5.6%以上。

四、展望

小球藻细胞中含有丰富的蛋白质、必需氨基酸、脂肪、糖类、微量元素和多种维生素，干重可达50%以上，而且又有繁殖快、产量高的特点，大面积培养小球藻作为家畜或特种水产的饲料添加剂，已逐渐被人们所重视。而利用畜禽粪的沼液生产小球藻，实现“饲料→动物→粪便→沼液→小球藻饲料”的循环生产方式，解决沼气生产对环境的二次污染问题，提高沼气的经济附加值，具有巨大作用和重要意义。随着畜禽粪生产小球藻生产技术的逐渐成熟，小球藻作为一种天然绿色环保的新型添加剂，它的前途是非常广阔的。如果能够大力地推广使用，会给养殖户带来可观的经济效益，有力地促进养殖业的可循环产业发展。