藻类光生物反应器的设计及应用研究

董汝晶，谯顺彬，田 辉，张义明，罗 芳，陶希芹

(1.贵州大学化学与化工学院，贵州贵阳550003; 2.贵州省发酵工程与生物制药重点实验室，贵州贵阳550003; 3.贵州工业职业技术学院，贵州贵阳550008)

藻类光生物反应器的设计及应用研究

董汝晶1，2，3，谯顺彬3，*，田 辉1，2，张义明2，3，罗 芳3，陶希芹3

(1.贵州大学化学与化工学院，贵州贵阳550003; 2.贵州省发酵工程与生物制药重点实验室，贵州贵阳550003; 3.贵州工业职业技术学院，贵州贵阳550008)

根据藻类的生长特点设计了一个容积为10.0L的光生物反应器，其长×宽×高分别为320mm×80mm× 390mm。利用该反应器进行螺旋藻培养实验，采用响应面法对其培养条件进行优化研究，建立以藻体干重为响应值，以光照强度、通气量、培养时间和装液量为自变量的二次多项式数学模型。培养条件优化后螺旋藻最终干重为1.298g/L。实验结果表明，所设计的反应器能很好地满足藻类生长，其培养产率也明显提高。

光生物反应器，螺旋藻，响应面法，藻体干重

1 10.0L光生物反应器的设计

1.1 反应器的主体尺寸

反应器容积为10.0L，采用气升式作为循环动力。为了减少占地、提高空间利用率，将反应器形状设计为垂直板式，由主体结构、光照系统和气体循环系统三部分组成。主体结构要求长、宽、高有合理的尺寸，其具体尺寸应该以易于放大和方便操作为设计依据。增加高度可以减小占地面积，但同时也增加了培养液中的溶氧浓度，使气液间氧的传质过剩，造成溶氧的过饱和，此外，需要消耗更大的气流作为循环动力，使操作维护更加复杂。增加宽度能降低高度，可又增加了占地面积，同时随着培养液浓度的不断提高，光照强度衰减越明显，减少了光能的利用率［4－5］。根据上述设计思想，本研究设计的反应器主要技术参数见表1。

表1 10.0L气升式生物反应器的主要技术参数Table 1 The major parameters of 10.0L air lift photo－bioreactor

1.2 反应器的光照系统

藻类的光合作用离不开光能，无论实验室研究还是室外大规模养殖，光照都是其主要的限制因子之一。螺旋藻是研究和应用比较广泛的藻类之一，其最适光照强度到目前为止还没有得到一致的认可［6－7］。但当光照强度低于2.0klx时，藻体生长缓慢甚至停止生长，而光照强度超过120klx时会使藻体受到伤害甚至死亡。除光照强度外，不同颜色的光质对藻体的生长、光合放氧以及胞内物质的含量也有影响［8］。在常用的5种颜色即红、黄、绿、蓝和白色的光质中，光照强度较大时处于红光下生长最好，白光次之，绿光最差。绿光更有利于蛋白质的积累，白光次之，红光最差;蓝光有利于氧的释放，白光和红光次之，黄光和绿光较低。此外，在藻体培养的过程中，关于光照周期也存在差异。殷春涛等［9］以钝顶螺旋藻进行了光周期实验对比，结果证明螺旋藻无光暗周期，处于黑暗阶段时藻体完全停止生长;李乐农等［10］以钝顶螺旋藻为研究对象，每天光照时间分别为10、14和18h三个时间段，结果证明以光暗比为14∶10时对藻体生长、蛋白质和叶绿素积累都是最好的。

在本反应器中，使用数支12W的白色光质日光灯作为光源，以对称平行的方式布置在反应器两侧，灯管与反应器壁以及灯管之间的距离可根据要求进行调节，24h不间断连续光照，通过控制灯管数目来满足适合藻体生长的光照强度，采用照度计LUX－101直接测定，单位klx(千勒克司)。

1.3 反应器的气体循环系统

在藻类培养过程中，要求整个培养体系循环均匀，尤其要防止死角的形成，故在本反应器中，气体分布装置布置在距反应器底部以上1.0cm处的地方，采用向下通气的方式以防止器壁出现死角，使培养液得到充分混合，且整个培养体系形成一个外循环系统。

气体分布装置孔径大小直接关系到气泡的大小，大气泡的提升效果优于小气泡，且不利于氧的传递，但气泡上升到液面时由于突然爆裂而产生强大的剪切力，对藻类破坏较大，使藻体细胞断裂，甚至死亡，这种现象在培养螺旋藻时更加明显;气泡过小时又会提高气液间氧的传递，增加培养液中的溶氧。本反应器中设计气体分布装置时，在前期的实验基础上(孔径大于3.0mm时通气效果极差)，孔径选取1.0mm左右为宜，能将气流分散成直径约2.0mm小气泡，小气泡在培养液表面破裂时产生的剪切力不致过度破坏藻体细胞。用气泵和流量计控制通气量和培养液的循环速度。

1.4 其它结构

除上述几个主要系统外，还为反应器布置了温控系统，用加热装置和温控装置可以快速加热和准确的控制培养温度，以满足藻类生长需要。反应器的主体采用玻璃制成，培养前可高温灭菌。图1是本实验设计的一组(4套)反应器，该反应器具有操作简便、结构简单、价廉实用等优点。

图1 系列光生物反应器的俯视图和主视图Fig.1 The planform and front view of a series vertical plate photo－bioreactor

2 螺旋藻培养实验

为了验证所设计的反应器是否适合藻体生长，实验以该反应器作为培养装置培养钝顶螺旋藻。

2.1 实验材料

实验藻种 钝顶螺旋藻(Spirulina platensis) fachb－130，由武汉水生生物研究所提供;培养基 采用Zarrouk培养基作为实验培养基［6］。

2.2 实验方法

实验在温度和pH一定的条件下(温度维持在(30±1)℃、pH维持在(9.50±0.01)，考察光照强度、通气量、培养时间和装液量对藻体生长的影响，藻体干重(DW)的大小可表示藻体生长的情况。在未灭菌的情况下，新鲜藻泥按0.1g/L的量接入反应器中进行培养(前期实验表明以0.1g/L接入藻泥时平均比生长速率最大)。实验以藻体干重为实验指标，研究光照强度、通气量、培养时间和装液量对藻体生长的影响，实验设计由Design Expert(Version 7.0.2，Stat－Ease Inc;Minneapolis，MN.USA)软件设计，选取响应面法对上述四个因子的最佳水平范围进行优化。各因子实验水平编码分别为－α，－1，0，1，α，见表2。在整个培养过程中定时补加温度相同的无菌水使培养体积保持恒定，减少测定误差。

表2 中心旋转组合设计实验因子水平及编码表自变量水平编码Table 2 Level and code variables for CCD

2.3 藻体生物量的测定

采用干重法(DW)［11］:取培养液20mL于已烘干至恒重的纸片抽滤，蒸馏水冲洗两次，85℃烘干至恒重，用精密电子天平称量，去除对照即得。

表4 DW二次模型的方差分析Table 4 ANOVA for response surface quadratic model DW

2.4 结果与分析

2.4.1 藻体干重二次多元模型的建立和显著性检验

根据水平表2，验证实验包括4个因子，5个水平和6个中心重复，共30组实验，其结果见表3。

表3 中心旋转设计及实验结果Table 3 CCD matrix of the variables and the actual and predicted values of DW

利用Design Expert对实验结果进行逐步回归分析，并建立以藻体干重为响应值的多元回归模型，如下式所示:

Y=1.25+0.096A+0.0048B+0.039C－0.0098D +0.000313AB－0.018AC+0.0017AD+0.000063BC+ 0.00056BD+0.000438CD－0.1A2－0.057B2－0.024C2－0.033D2

其中，藻体干重为预测值，A、B、C、D分别为光照强度、通气量、培养时间和装液量的编码值。

对该模型进行方差分析，结果见表4。其中F＞F0.01(14，15)=3.56，P＜0.0001，说明该模型概率在α =0.01水平上差异显著，模型复相关系数 R2= 0.9851，说明藻体干重的实验值与预测值之间具有很好的拟合度;其校正决定系数R2Adj=0.9712，表明有约3.0%的藻体干重总量变异不能由该模型进行解释。利用mathematica对上式求导，可知当光照强度、通气量、培养时间和装液量分别取最佳水平4.4klx、212.2L/h、8.8d和7.2L时，藻体干重最大预测值为1.277g/L。回归分析结果还显示，4个因子对藻体生长的影响大小依次为光照强度＞培养时间＞装液量＞通气量，光照强度和培养时间的影响非常显著(P＜0.0001)，而通气量对藻体生长影响较小;只有光照强度和培养时间对藻体干重的交互作用显著(P＜0.0001)，而其它两两交互作用皆不显著。

2.4.2 藻体干重模型验证 为了验证所建立的藻体干重模型是否具有实际意义，在优化的因子水平范围内选择性地进行了4组实验，各因子水平见表5。

表5 模型验证Table 5 Model validation experiments

利用 SPSS11.5(Statistical Package for Social Sciences，SPSS)软件对表中数据进行相关分析得知，藻体干重实际值与预测值的相关系数R2=0.954，证明该模型具有一定的实际指导意义。

2.4.3 培养条件优化后藻体的生长情况 培养条件优化后，即光照强度、装液量和通气量取最佳水平时，将培养时间延长至14d，每天定时取样测藻体干重，同时测定培养液的pH，以藻体干重和pH对培养时间作图，如图2所示。

从图2可以看出，当培养液pH超过10.17后藻体生长达到平衡，且藻体干重达到1.298g/L。

3 结论

采用光合自养法培养螺旋藻对所设计的反应器进行实验验证，并首次利用响应面法对其培养条件进行优化。实验选取影响藻体生长的4个因子(即光照强度、培养时间、装液量和通气量)为研究对象，对其最佳水平范围进行了优化，并建立以藻体干重为响应值的二次多项式数学模型，当上述因子取最佳水平时，藻体干重最大预测值为1.277g/L。验证实验结果表明，本实验所设计的反应器能很好地满足螺旋藻的生长，提高螺旋藻培养产率。同时，该反应器具有价格低廉、结构简单、操作简便等优点。同时，响应面法优化藻体培养条件过程新颖、科学，所建立的模型具有较好的实际指导意义。

图2 培养条件优化后螺旋藻的生长曲线培养液的pH变化曲线Fig.2 The growth curve of DW and the variation of pH after optimization cultivation condition

［1］Hu Q，Guterman H，Richmond A.A flat inclined modular photobioreactor for outdoor mass cultivation of photoautotroph［J］.Biotechnol.Bioeng，1996，51:51－60.

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Design of photo－bioreactor and the application for cultivating algae

DONG Ru－jing1，2，3，QIAO Shun－bin3，*，TIAN Hui1，2，ZHANG Yi－ming2，3，LUO Fang3，TAO Xi－qin3
(1.School of Chemistry and Chemical Engineering of Guizhou University，Guiyang 550003，China; 2.Guizhou Province Key Laboratory of Fermentation Engineering and Biopharmacy，Guiyang 550003，China; 3.Guizhou Industry Polytechnic College，Guiyang 550008，China)

A new photo－bioreactor was designed basing on the growth trait of the algae.The volume of the reactor was 10.0L，the length，width and height was 320，80，390mm，respectively.Used the reactor to culture Spirulina platensis，and employed the response surface methodology to optimize the fermentation conditions.Then，researched the optimization concentration levels and the relations between these factors and building up a quadratic regression equation with dry weight as the dependent，light intensity，air flow，time of cultivation and volume of medium as independent.Under the optimistically conditions，the final dry weight was 1.298g/L.According to the experiment results，the photo－bioreactor designed was fit to cultivate the algae.

photo－bioreactor;Spirulina platensis;response surface methodology;dry weight

TS206

A

1002－0306(2012)10－0306－04

光生物反应器(photo bioreactor)是专门用于光合生物或具有光合能力的组织培养的一类装置，除具有普通生物反应器的基本结构外，还具有光照系统。一般植物的光能利用率约为0.2%左右，而设计合理的光生物反应器的光能利用率可达到18.0%，较高的光能利用率有利于促进光合生物的生长，提高其培养产率，但光照过强会导致光合生物生长停止，甚至死亡，造成培养损失［1－2］。藻类是生长最快的光合生物［3］，培养时通常采用气升式光生物反应器，这种反应器用气流提供循环动力，能避免产生强大的剪切力而破坏光合生物细胞。藻类进行光合作用会放出氧气，当培养液中溶解氧过饱和时，抑制藻类的光合作用，不利于藻体的生长。因此，溶解氧的消除也是藻类培养时必须考虑的重要因素。本研究从降低螺旋藻生产成本的角度出发，旨在设计一套不但适合于螺旋藻开放式培养，而且兼具价格低廉、结构简单、操作简便的气升式光生物反应器。在此基础上，采用光合自养法培养螺旋藻对所设计的反应器进行实验验证，并利用响应面法对其培养条件最佳水平范围进行优化研究。

2011－09－22 *通讯联系人

董汝晶(1981－)，女，硕士，讲师，研究方向:应用微生物。

贵州省科学技术基金项目(黔科合J字【2010】2068号);国家自然科学基金项目(30460039)。