全 文 ：ＤＯＩ：１０．１６３７８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３－１１１１．２０１６．０５．０１４
第３５卷第５期
２０１６年９月
水 产 科 学
ＦＩＳＨＥＲＩＥＳ ＳＣＩＥＮＣＥ
Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．５
Ｓｅｐ．２０１６
反应器培养眼点拟微绿球藻时摆向、光程对产量的影响
耿金峰，张惠敏，石 蕾，马欣欣，陈彦平，刘敏胜
（新奥科技发展有限公司 煤基低碳能源国家重点实验室，河北 廊坊０６５００１）
摘 要：在内蒙古达拉特旗地区（Ｎ ４０°，Ｅ １１０°）户外自然条件下利用板式反应器培养眼点拟微绿球藻并
进行产量研究。通过对９、１１、１３、１７ｃｍ光程反应器对比，确定１３ｃｍ光程反应器养殖产量最高，并在存在
反应器间距的情况下，得到１３ｃｍ光程反应器南北摆放时单位占地面积产量要高于反应器东西摆放时单
位占地面积产量，从６月到８月分别高１６．３％、８．７％和３．０％。同时本研究给出可根据养殖当地的地理
位置，预测反应器的摆放方向以及反应器间距等参数设置的方法，以获得养殖产量的最大值。
关键词：眼点拟微绿球藻；板式反应器；产量
中图分类号：Ｓ９６３．２１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－１１１１（２０１６）０５－０５４１－０６
收稿日期：２０１５－１２－０２； 修回日期：２０１６－０３－２４．
基金项目：国家“９７３”计划重点项目（２０１２ＣＢ７２３６０６）．
作者简介：耿金峰（１９８２—），男，工程师，硕士；研究方向：微藻生长机理与规模化养殖工艺．Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｅｎｇｊｉｎｆｅｎｇ＠ｅｎｎ．ｃｎ．通讯作
者：刘敏胜（１９７８—），男，副研究员，博士；研究方向：微藻生物能源技术．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｍｉｎｓｈｅｎｇ＠ｅｎｎ．ｃｎ．
海洋微藻是海洋生态系统中最主要的初级生
产者，也是海洋生物资源的重要来源。许多海洋微
藻富含对人体有重要生理作用与保健功能的长链
多不饱和脂肪酸，同时藻类是地球上通过光合作用
合成物质量最多的生物，其合成的物质量约占全部
光合作用合成生物量的１／３。藻类的用途广泛，主
要用途有保健食品、水产品饲料和动物饲料［１－３］。
随着人们对微藻的深入认识，越来越多的大众认
可富含多种营养成分的微藻产品，越来越多的人开始
食用，微藻产品的市场需求越来越大。目前微藻的规
模化生产以开放式的跑道池形式为主，其养殖工艺产
量较低，一般在５～１０ｇ／（ｍ２·ｄ）。因此，越来越多的
学者开始关注并研究如何提升微藻的产量。其中板式
反应器由于具有良好的外分光和内分光功能，对产量
提高具有明显的作用［４］，并在户外较易实现而被诸多
学者所研究。例如２００１年 Ｗｕ等［５］，在室内人工
１５ ０００ｌｘ光照度下，利用板式反应器养殖微绿球藻
（Ｎａｎｎｏｃｈｌｏｒｉｓ ｓｐ．），其产量可达１０～１４ｇ／（ｍ２·ｄ）；胡
强等［６］对１ｍｍ光程反应器养殖进行研究，其产量可达
２３．１ｇ／（ｍ２·ｄ）（光面积产量）；２００１年Ｚｈａｎｇ等［７］在
日本的北方地区，夏季利用１．５ｃｍ板式反应器培养集
胞藻（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ ｓｐ．），在试验条件下，控温，占地面
积产量可达３９．０ｇ／（ｍ２·ｄ）；２００３年，许波等［８］利用１０
ｃｍ光程玻璃板式反应器在户外自然条件下养殖淡水
微藻，在控温的情况下其单位面积产量为３４．７ｇ／
（ｍ２·ｄ）。板式反应器养殖微藻具有高产的潜力，但大
部分的研究结果都是在室内条件或室外控温的情况下
完成的，所得产量虽高，但在大规模生产中控温还是较
难实现。因此使用成本较低的丝网板式反应器如何在
户外自然条件下，利用反应器光程及摆向形式来实现
微藻高产是本研究的重点。
１ 材料与方法
１．１ 藻种与培养
试验所用眼点拟微绿球藻（Ｎ．ｏｃｕｌａｔａ），由
ＥＮＮ生物质能源技术中心藻种质库提供。所有试
验培养基均采用ｆ／２海水培养基［９］，盐度３３±１。
试验采用连续培养的方式进行。
１．２ 试验方法
１．２．１ 接种密度
各试验组的接种细胞为０．４～０．６ｇ／Ｌ，主要以
各试验组单位占地面积具有相同的生物质量为原则。
１．２．２ 试验用反应器规格
１．５ｍ×０．０９ｍ×１ｍ；１．５ｍ×０．１１ｍ×１ｍ；
１．５ｍ×０．１３ｍ×１ｍ；１．５ｍ×０．１７ｍ×１ｍ；其中
反应器宽度即反应器光程；反应器形式为丝网反应
器框架，内衬塑料袋式反应器。
１．２．３ 反应器放置形式
（１）反应器两种摆向形式，试验组１为反应器
东西摆放（反应器受光面朝向南北方向）；试验组２
为反应器南北摆放（反应器受光面朝向东西方向）；
每个试验组均为３个平行；
（２）反应器之间的中心距离为０．８ｍ；
（３）试验组反应器的四周同样放置相同材质的
反应器（光程为１３ｃｍ），用于模拟规模化养殖情况
时，其他反应器在接受光能时相互之间的影响。
１．３ 生物量的测定［１０］
取一定体积（Ｖ）的藻液进行抽滤，将藻细胞截
留在滤膜（恒定质量，ｍ０）上，并用等体积蒸馏水悬
浮藻细胞３次，最后将滤膜于１０５℃的烘箱烘干至
恒定质量，冷却后称量质量（ｍ１）。
细胞质量浓度／ｇ·Ｌ－１＝（ｍ１－ｍ０）／Ｖ
１．４ 试验数据理论分析依据
根据试验所在地的纬度，通过对试验期间的太
阳高度角及方位角，计算１ｍ高的反应器东西摆放、
受光面面朝南北时的南北方向影长，以及反应器南北
摆放、受光面面朝东西时的东西方向影长。根据反应
器影响的变化情况，推测反应器之间受太阳光照射的
区域面积，进而推算出反应器接受光能情况。
太阳高度角的计算：
ｓｉｎｈ＝ｓｉｎδ×ｓｉｎφ＋ｃｏｓδ×ｃｏｓφ×ｃｏｓ Ｈ
太阳方位角的计算：
ｃｏｓ Ａ ＝ （ｓｉｎｈ×ｓｉｎφ－ｓｉｎδ）／ｃｏｓｈ×ｃｏｓφ
试验地点南北方向单位长度的影长计算：
Ｌ＝ｃｔｇｈ×ｃｏｓ Ａ
试验地点东西方向单位长度的影长计算：
Ｌ＝ｃｔｇｈ×ｓｉｎＡ
式中，ｈ为太阳高度角；Ｈ 为太阳时角；δ为太阳赤纬；φ
为当地纬度；赤纬δ＝２３．４５×ｓｉｎ（３６０×（２８４＋ｎ）／３６５），其
中ｎ为第几日，也称积日数；太阳时角 Ｈ＝１５°×偏离正午
小时数，由１２：００至２４：００为正。
２ 结果与分析
２．１ 反应器摆向不同对各试验组藻液温度的影响
２．１．１ 反应器东西摆放（面朝南北）时不同光程对
藻液温度影响
试验全过程中，环境温度最高为３５℃，１６：００
时各反应器内温度达到当日最高值，９ｃｍ光程反应
器内液体温度达到４１℃，１１ｃｍ光程反应器内藻液
温度达到３９℃，１３ｃｍ光程反应器内藻液温度达到
３８℃，而１７ｃｍ光程反应器也达到了３７℃（图１）。
短光程反应器内藻液温度高是由于其体积量小，水
的热容量小，导致短光程内液体温度高。
并通过对试验温度数据的分析，对不同光程内
藻液温度数据进行直线回归拟合，得到反应器东西
摆放面朝南北时，不同光程反应器内藻液温度与环
境温度关系式见图２。９ｃｍ光程为ｙ＝１．４６３７ｘ－
１３．１３１０；１１ｃｍ 光程为ｙ＝１．２９９２ｘ－９．４４３０；１３
ｃｍ光程为ｙ＝１．１０６５ｘ－４．４９６５；１７ｃｍ光程为ｙ＝
１．０３８２ｘ－２．５４２４；经推测当环境温度为３５℃时，９
ｃｍ和１１ｃｍ光程反应器内藻液温度超过３５℃，而
１３ｃｍ和１７ｃｍ光程反应器内藻液温度预计为３４
℃，虽然公式得到的不同光程反应器内的藻液温度
与实际测定藻液温度存在略微的误差，但该公式可
作为当地气候条件下利用反应器养殖藻液过程藻
液温度的预测，尤其是对最高温度的预测，有利于
根据当地环境选择适宜的藻种及反应器光程，使微
藻养殖产量达到最大值。
图１ 反应器东西摆放时各组藻液温度变化情况
图２ 反应器东西摆放时藻液温度与环境温度关系
２４５ 水 产 科 学 第３５卷
２．１．２ 反应器南北摆放（面朝东西）时不同光程对
藻液温度影响
试验全过程中，当环境温度最高为３５℃，１７：００
时各反应器内温度达到当日最高值，其中９ｃｍ光
程反应器内液体温度达到４１℃，１１ｃｍ光程反应器
内藻液温度达到３９℃，１３ｃｍ光程反应器内藻液温
度达到３８℃，而１７ｃｍ光程反应器也达到了３７℃
（图３）。
通过对本次试验内最高温度时段数据分析，对
不同光程试验数据进行直线回归拟合，不同光程反
应器内藻液温度与环境温度关系式见图４。９ｃｍ
光程为ｙ＝１．５１９３ｘ－１２．３８８０；１１ｃｍ光程为ｙ＝
１．５２７２ｘ－１３．８０５０；１３ｃｍ光程为ｙ＝１．３９１６ｘ－
１０．７６７０；１７ｃｍ光程为ｙ＝１．２０９０ｘ－５．３８２０；经推
测当环境温度为３５℃时，９、１１、１３、１７ｃｍ光程反应
器内藻液温度将超过３５℃，甚至９ｃｍ光程反应器
内藻液温度将达到或超过４０℃。推测数据与试验
实际测量数据基本一致，该公式可作为反应器养殖
藻液过程藻液温度的预测，尤其是对最高温度的预
测，有利于根据当地环境选择适宜的藻种及反应器
光程。
图３ 反应器南北摆放时各组藻液温度变化情况
图４ 反应器南北摆放时藻液温度与环境温度关系
２．１．３ 反应器不同摆向方向对藻液温度影响对比
试验过程中，环境温度最高达到３５℃，最高温
度出现在１６：００—１８：００。在高光照、高温条件下，
反应器不论是南北摆放（面朝东西）还是东西摆放
（面朝南北），藻液最高温度均能达到较高水平，而
其摆放方向对藻液达到最高温度几乎无影响（表
１），９ｃｍ光程内藻液温度均能达到４０℃的高温，其
他光程同样也是，但东西摆放时藻液温度达到最高
值以及维持的时间要比南北摆放时所维持的时间
短，本试验中１７ｃｍ光程反应器内藻液温度最低，
不论摆放方向如何，藻液温度最高达到３７℃。
表１ 不同季节不同光程反应器内藻液最高温度情况 ℃
月份
反应器东西摆放藻液温度 反应器南北摆放藻液温度
９ｃｍ １１ｃｍ １３ｃｍ １７ｃｍ ９ｃｍ １１ｃｍ １３ｃｍ １７ｃｍ
环境
温度
６月 ３６±０．１ ３４±０．１ ３３±０．２ ３３±０．０ ４０±０．０ ３９±０．１ ３７±０．２ ３６±０．０ ３４．０
７月 ３９±０．１ ３８±０．０ ３７±０．１ ３６±０．２ ３９±０．１ ３８±０．１ ３８±０．１ ３７±０．１ ３５．０
８月 ４１±０．０ ３９±０．０ ３８±０．１ ３７±０．１ ４１±０．０ ３９±０．０ ３８±０．１ ３７±０．２ ３５．０
２．２ 反应器不同摆向对眼点拟微绿球藻生长的
影响
２．２．１ 反应器东西摆放时不同光程对眼点拟微绿
球藻生长的影响
在培养周期内，随着反应器光程的增加，其反
应器内的藻细胞生长速度逐渐降低；由于反应器光
程改变，藻液体积同时改变，最终单位占地面积产
量由９ｃｍ光程至１７ｃｍ光程逐渐升高；在６月份自
然条件下，试验中４种反应器光程养殖微藻的产能
随着反应器光程的增加产能也逐渐提高，９ｃｍ光程
３４５第５期 耿金峰等：反应器培养眼点拟微绿球藻时摆向、光程对产量的影响
反应器产量为１３．０ｇ／（ｍ２·ｄ）；１１ｃｍ光程反应器
的产量为１４．７ｇ／（ｍ２·ｄ）；１３ｃｍ光程反应器的产
量为１５．８／（ｍ２·ｄ）；１７ｃｍ光程反应器的产量为
１５．８ｇ／（ｍ２·ｄ）（图５）。
图５ 反应器东西９摆放时不同光程对产量的影响
２．２．２ 反应器南北摆放时不同光程对眼点拟微绿
球藻生长的影响
在培养周期内，同样随着反应器光程的增加，其
反应器内的藻细胞生长速度逐渐降低；由于反应器光
程改变，藻液体积同时改变，最终单位面积产量随着
光程的增加而逐渐升高，但当反应器达到１３ｃｍ光程
时，反应器产量达到最大值。在６月份自然条件下，９
ｃｍ光程反应器的产量为１３．８ｇ／（ｍ２·ｄ）；１１ｃｍ光
程反应器的产量为１５．９ｇ／（ｍ２·ｄ）；１３ｃｍ光程反应
器的产量为１８．３ｇ／（ｍ２·ｄ）；１７ｃｍ光程反应器的产
量为１６．７ｇ／（ｍ２·ｄ）（图６）。
图６ 反应器南北摆放时不同光程对产量的影响
２．２．３ 反应器摆向对眼点拟微绿球藻产量的影响
本研究在当地６月到８月进行，期间的月平均接
收光能情况见图７。南北摆放时，反应器的东西受光
面日均接收的光能比东西摆放时反应器南北受光面
日均接收的光能高１５％～４０％，导致反应器南北摆
放时藻细胞生长快于反应器东西摆放时，６月到８月
分别高１６．３％、８．７％和３．０％（图８）（以１３ｃｍ光程
反应器为例，其产量最高）。
在６月份光照条件下，反应器南北摆放时日均产
量为１８．３ｇ／（ｍ２·ｄ）；反应器东西摆放时日均产量
为１５．８ｇ／（ｍ２·ｄ）。７月份光照条件下，反应器南北
摆放时日均产量为１８．７ｇ／（ｍ２·ｄ）；反应器东西摆
放时日均产量为１７．２ｇ／（ｍ２·ｄ）。８月份光照条件
下，反应器南北摆放时日均产量为１８．３ｇ／（ｍ２·ｄ）；
反应器东西摆放时日均产量为１７．８ｇ／（ｍ２·ｄ）。
图７ 反应器摆放方向不同接收光能情况
图８ 反应器摆放方向不同对产量的影响
３ 讨 论
３．１ 理论分析与试验数据比对
反应器摆放时有间距，每日间距之间漏掉的光
能量总量是可以通过理论分析计算出来的，这可间
接推测出反应器接收的光能情况。因此反应器不
论是南北摆放还是东西摆放，其接受能量可以通过
理论计算估算出，可为不同月份反应器的放置方式
提供参照指导。
通过对反应器单位占地面积下接受能量总量
的推测分析（按反应器１３ｃｍ光程推算），反应器东
西摆放时，由于反应器的受光面为面向南北，其反
应器之间的南北方向的影长对反应器受光面的遮
挡为考虑的对象，根据反应器南北方向的影长变化
情况，推测反应器之间的漏光情况，间接的可表示
出反应器接收能量情况（图９）。北半球的６月２２
日为夏至，此时太阳高度角最大，南北方向的影长
最小，因此当反应器间距定值时，６月季节反应器间
距之间漏掉的光能最大，６月之前或之后月份，随着
４４５ 水 产 科 学 第３５卷
南北方向的影长逐渐变长，反应器间距之间漏掉的
光能逐渐减少，反应器接收光能比例逐渐增加。６
月反应器接收能量总量比例最低，约为５１％；７月
反应器接收能量总量比例约为６１％；８月反应器接
收能量总量比例约为９４％。
图９ 反应器东西摆放时接收能量理论计算
图１０ 反应器南北摆放时接收能量理论计算
反应器南北摆放时，由于反应器的受光面为面
向东西，其反应器之间的东西方向影长对反应器受
光面的遮挡为考虑的对象。根据反应器东西方向
的影长变化情况，推测反应器之间的漏光情况，间
接的可表示出反应器接收能量情况（图１０）。在北
半球，６月至９月期间，太阳高度角会根据太阳直射
纬度的变化发生改变，但对东西方向的影长影响很
小，因此对反应器接收能量的比例影响很小。６月
反应器接收能量总量比例约为７１％；７月反应器接
收能量总量比例约为７３％；８月反应器接收能量总
量比例约为７５％。
这种理论分析规律及比例数值与试验过程中
实际测定数据基本一致。可根据每天的地面接收
能量情况推测单位占地面积下反应器接收能量情
况，为反应器不同的摆放形式下的能量推测具有极
高的使用价值，可快速核算反应器能量接收情况，
并根据藻的光转化效率情况，可快速预测某种藻在
某地的某月份产量。为户外养殖微藻提高产量提
供理论指导。
３．２ 提高眼点拟微绿球藻产量讨论
通过反应器养殖微藻可以获得较高的产量，其
中反应器养殖过程能量接收总量是关键因素之一，
但作为微藻生长必须的生长环境因素之一的温度
也是必须重点考虑的。由于反应器光程增加，养殖
总体积量增大，水体的热容量增大，对藻液的温度
提升会起到一定的限制作用，因此在室外养殖过
程，反应器在考虑摆放形式以提高接收光能总量的
同时还要考虑反应器的光程。当反应器光程选择
过小，反应器内部藻液温度会出现高温情况；当反
应器光程选择过大，藻细胞在反应器内的明暗循环
强度将降低，降低了细胞的光利用效率，对产量起
到负影响。
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ＧＥＮＧ Ｊｉｎｆｅｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｈｕｉｍｉｎ，ＳＨＩ Ｌｅｉ，ＭＡ Ｘｉｎｘｉｎ，ＣＨＥＮ Ｙａｎｐｉｎｇ，ＬＩＵ Ｍｉｎｓｈｅｎｇ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ－ｂａｓｅｄ Ｌｏｗ Ｃａｒｂｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ，ＥＮＮ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌａｎｇｆａｎｇ ０６５００１，Ｃｈｉｎａ）
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ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ（９，１０，１３ｃｍ ａｎｄ １７ｃｍ），ｔｈｅ ｍａｘｉｍａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ
ｔｈｅ ｒｅａｃｔｏｒ ｗａｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｕｎｄｅｒ ｌｉｇｈｔ－ｐａｔｈ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ １３ｃｍ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｉｎｓｔａｌａ－
ｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ａｒｅａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｌｉｇｈｔ－ｐａｔｈ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ １３ｃｍ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ
ｓｕｍｍｅｒ．Ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄ ａｖｅｒａｇｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｏｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｆａｃｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅａｓｔ ｏｒ ｗｅｓｔ ｗａｓ ３％—１４％
ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｆａｃｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｕｔｈ ｏｒ ｎｏｒｔｈ．Ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｌｓｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉ－
ｍｉｚｅ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ（ｔｈｅ ｆａｃｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｏｒｓ）ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｉｍｉｎｇ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｈｉｇｈ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｎａｎｎｏｃｈｌｏｒｏｐｓｉｓ ｏｃｕｌａｔａ；ｆｌａｔ ｐａｎｅｌ ｒｅａｃｔｏｒ；ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
６４５ 水 产 科 学 第３５卷