全 文 ：第6卷第3期
2008年5月
生物加工过程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Mav2008
· 29·
利用市政废水和火电厂烟道气大规模
培养高油微藻
刘玉环1’2⋯，阮榕生1’2⋯，孔庆学4，刘成梅1’2”，罗洁1，虞 飞4
(1．南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，南昌330047；
2．南昌大学 生物质转化教育部工程研究中心，南昌330047；
3．江西南大中德食品工程中心，南昌330047；
4．DepartmentofBioproductsandBiosystemsEngineering，
UniversityofMinnesota，MN55108USA)
摘要：对高含油量微藻(Scenedesmusdimorphus)培养的生物反应器进行了比较，阐述了市政废水净化处理和火电
厂烟道废气利用。研究了S．dimorphus微藻在2种不同的光生物反应器中的生长特性、其移除废水中N．P养分能力
及其CO：消耗情况。研究结果表明：s．dimorphus微藻的生长受pH、通气速率、搅拌情况和光照条件等的影响。当
通气速率(空气)为6I．／min，Sdimorphus的生长速率达到高峰。通入体积分数33．3％C02和体积分数66．7％空
气比通入正常空气或通入比其含有更多CO：的空气更有利于微藻的生长。获得最大微藻生长速率的pH上限是
7．5。螺旋状生物反应器比锥型瓶生物反应器更有利于微藻的生长，这主要归功于前者有更高的光利用效率和搅
拌效果的改善。s．dimorphus微藻能利用市政废水中的养分从而移出其中的N．P养分。在6d的培养中，培养液
中的N换算成NOr从8．3ms／L下降到3．6ms／L以下；而P换算成P0：一则从o．24ms／L下降到O．03ms／L以下。
关键词：微藻；生物反应器；市政废水；烟道废气
中图分类号：Q945．78；TQ920．5文献标识码：A 文章编号：1672—3678(2008)03—0029—05
Masscultureofhighoilcontentmicroalgaeonw stewater
andpowerplantfluegases
LIUYu．huanl·2”，RogerRUANl，2”，KONGQing．xue4，LIUCheng．meil2⋯，LUOJiel，YUFei4
(1．TheStateK yLaboratoryofFoodScienceandTechnology，Nanehang330047，China；
2．TheEngineeringResearchCenterfoBiomassConversion，MOE，NanehangUniversity，Nanehang330047，China；
3．Sino-GermanFoodEngineeringCenter，NanehangUniversity，Nanehang330047，China；
4．DepartmentofBioproduetsandBiosystermEngineering，UniversityofMinnesota，St．Paul，MN55108 USA)
Abstract：Theobjectiveofthepresentstudywagtodevelopanewbiofuelstrategyinvolvingproductionof
higIIoilcontentmicroalgaeforbiodieselfu coupledwithwastewatertreatmentandfluegasemissioncon—
tr01．Thegrowthcharacteristicsofselectedmicroalgae，Scenedesmusdimorphusintwodifferentpho obiore-
actorsandtheirrelationshipwithremovalofnitrogenandphosphorouscontaningcompoundsa con-
sumptionofC02wereinvestigated．Ther sultss owedthatmieroalgalgrowthwasaffectedbypH，C02
收稿El期：2007-07-23
基金项目：教育部长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRlD540)
作者简介：刘玉环(1963一)，男．福建南平人，博士，副研究员，研究方向：生物质炼制。
联系人：阮榕生．教授，博士生导师，E—mail：liuyuhuan@rICU．edu．Cll
万方数据
·30· 生物加工过程 第6卷第3期
injection，turbulence，andlightingconditions．WhenflowrateWilt8at6Lofairpermin，thegrowthrate
reachedit’Speak，33．3％ofC02and66．7％ofairwasbetterthansimpleairorotheraircontainingcon-
centratedC02injectedformicroalgalgrowth，theupp rboundaryformaximalgrowthratewasatpH
7．5．Bio-coilreactorisbetterthanconicalflaskreactorf rmicroalgalgrowth，largelyduetotheirbetter
lightefficiencya dagitation．S．dimorphuscanliveonn trientsi wastewaterandthusremovechemical
compoundsfromwastewater．Nitrateionconcentrationsin heculturedecreasedfrom8．3mgnitrogen／L
tolessthan3．6mgnitrogen／L，andphosphateionconcentrationsin heculturedecreasedfrom0．24mg
phosphorus／Ltolessthan0．03mgphosphorus／Lwithin6daysrespectively．
Keywords：microalgae；bioreactors；wastewater；fluegases
当今全球能源消耗大约1．3×105亿w，预计
2050年全球能源需求将翻一番，达到2．6×105亿
w。其中大部分来源于化石资源。化石资源是昂贵
且有限的，由其带来的温室气体备受关注⋯。
生物质是人类可再生能源的重要物质基础，能
供给全球能源的10％一14％。生物质是绿色生物
通过光合作用将阳光、水和CO：转化为有机物质，而
光能则被储存于其化学键中。
藻类油脂的产量比传统油料种子高几个数量
级，而且藻类能生长在远离农田和森林的地方，因
而能对生态食物链系统的伤害减至最小。有些微
藻在最佳生长条件下能生产且积累高达其干质量
30％一70％的碳氢化合物。高油含量的藻类生产能
力为相同面积土地的大豆产油量的l000倍。提取
出来的藻油可用于生产生物柴油。然而，在大规模
的生产系统中存在以下技术难题：维持微藻种类的
稳定相当困难、微藻生物质生产力往往低于预期、
微藻生物质生产成本仍显著高于产业化可接受
水平。
市政废水的处理非常昂贵且在技术上有挑战
性。微藻培养可以转移污水中的N和P而能净化
废水，有助于避免河流与湖泊的富营养化的危害。
微藻的新陈代谢活动要消耗大量的CO：，是主
要的消耗温室效应气体的微生物，经过净化的火电
厂烟道气可以被用于微藻的规模化养殖旧J。
把微藻生产和废水处理以及火电厂烟道气净
化利用结合可以创造的额外经济效益和生态效益
则可弥补这一不足。
本文研究开发新型生物柴油战略的一部分，将
高油微藻生产生物柴油燃料与废水处理和火电厂
烟道废气排放控制结合，从而提供了显著的环境效
益并提高了生物燃料技术的经济可行性。
1试验材料与方法
1．1微藻和培养基
纯种绿色微藻Scenedesmusdi orphus由得克萨
斯州大学的藻类培养收集中心提供。
模拟废水微藻培养基配方：1．5g／LNaNO，，
0．04g／LK2HP04，0．075s／LMgS04·7H20，0．036
g／LCaCl2·2H20，0．006s／L柠檬酸，0．006s／L柠
檬酸铁铵，0．001s／LEDTA，0．02g／LNa2C03，以及
1．0mL／L微量元素混合物。
微量元素混合物配方：2．86s／LH3B03，
1．81g／LMnCl2·4H20，0．222s／LZnS04·7H20，
0．39g／LNa2M004·2H20，0．079s／LCuS04·
5H20，0．0494s／LCo(N03)2·6H 0，40mL／L的
土壤水提上清液(GR+)。
土壤水提上清液(GR+)作为培养基的一个成
分，采取1茶匙干燥菜园土，1撮CaCO，和200mL蒸
馏水。装入特定的容器并盖好，然后在每2个连续作
业日内，每天蒸汽处理2h。再于10℃下冷藏24h
以上，恢复到室温后倾倒出上清液供配方使用。
NaNO，和K：HP04分别被作为N源和P源加入到微藻
培养基中，调节pH到7．1后高压灭菌或过滤杀菌。
微藻原种培养在250mL的锥形瓶中的100mL
培养基中进行，每16d传代培养1次。生长温度为
培养室的常温(25℃)，光照由冷白光和日光灯荧光
混合组成，光照强度为光子150～190lugnol／(m2·s)，
昼夜比12：12。
1．2藻油测定
采取Mercz一1改进的Kates-Volcani的方法测定
藻油总量。用索氏抽提装置从干燥样品中以石油
醚萃取脂肪。将套管放人索氏仪的抽提器中，加入
250mL溶剂(正己烷、甲醇、乙醇和丙酮)到圆底烧
万方数据
2008年5月 刘玉环等：利用市政废水和火电厂烟道气大规模培养高油微藻 ·31·
瓶中再装配索氏抽提装置。提取的样品以每s至少
5—6滴的凝结率萃取2—4h。套管在125oC干燥
30min至恒质量。乙醚提取物收集在烧瓶中，脂肪
百分数以质量差计算。
I．3锥形烧瓶生物反应器
所有藻类菌株在充气后的锥形烧瓶中培养，细
胞初始浓度为(1×105±3×104)爪／mL，培养基为
170mL，重复3次。培养室为常温25℃，并装上混
合冷白和日光的荧光管，前2d提供光子120I山mol／
(m2·s)，之后提供光子300I_Lmol／(rn2·s)，维持昼夜
比为12：12。
实验的前2d，湿空气以每sl～2个气泡速率充
入，之后逐渐提高到每s10个气泡。到实验的第7
d。每d测一次培养基的pH和温度。每d通过加
入灭菌后的去离子水来调节培养基的盐分浓度。
烧瓶也要每d手动摇匀3次。
持续培养至藻细胞增长静止阶段。用离心法
(800—1000g)离心10～15min，收集微藻细胞。
1．4螺旋光生物反应器
直立螺旋状光生物反应器是根据Robinson
等[41的设计制造的。30m长螺旋状光管是食品级
的聚乙烯管(管子内径25mm，外径30mm，容积为
lOL)。管子围绕在一个高1．4m直径为0．6m的
环型钢架上。光从环内部以6束0．6rn高的白色荧
光管照射，昼夜比为16：8。光源距螺旋状光管2—3
em。光照强度约为光子120—230斗mol／(m2·s)。
生长温度为(24-I-2．5)℃。
1．5分析方法
细胞密度用Neubauer血球计来检测。微藻的
生长速率以指数生长阶段，细胞密度对数倍增所用
时间表示。每d测量一次培养基的pH。
生物质总数，即总干质量，用下述方法检测：GF-
IC定量微孔过滤器(2．5cm)，用去离子水冲洗后在
70℃烘箱干燥24h，然后储存在放有硅胶的真空干
燥器中备用。过滤器在4位小数的分析天平中称质
量。用过滤器过滤10mL藻类培养基直到滤干。然
后用10mL0．65mol／L的甲酸铵盐溶液冲洗过滤器
以除去过量的盐，在90℃干燥4h后放人真空干燥
器中过夜。过滤器称质量，取4位小数。干质量以
g／L计，用过滤器和总样品质量减去过滤器质量得到。
样品的N和P测定方法与水和废水检测中描
述的方法分析相同。
2结果
研究了pH、通气速率和CO：供应对微藻S．以
morphus细胞培养的影响。试验在pH5．5—8．5，通
气(空气)流速介于0—4IVmin范围内的不同培养
条件下进行，结果和仅通人纯CO：的培养、以及通入
CO：加富空气的培养结果进行比较。在高细胞密度
的培养中光合作用产生的0：浓度可以高达
3．5×10～mol／L。高浓度的溶解0：可能使细胞中
毒，从而导致光合作用强度的下降。但在通入纯
C02的培养基中的02浓度降到1．4×10一mol／L。
结果表明，尽管微藻生长的前3d产生高0：水平，
但0：不是限制因素之一。
S．dimorphus在淡水型培养基中生长速率和最
终细胞密度随着培养皿通风速率提高而提高。最大
细胞密度在空气流速为4IVmin时达1．6x106
+／mL。在螺旋生物反应器中连续培养45d，生物质
产量每d达到O．45mg／L。S．dimorphus在仅供给
CO：而pH保持在最适的条件下培养，培养物中细胞
密度可以达到7．0×106个／mL。S．dimorphus生长速
率与pH成反比，最大生长速率的上限pH为7．5。培
养基中微藻光合作用产生的O：不会抑制其生长。
溶解的CO：量是S．dimorphm生长的限制因
素。在pH为9．5时，S．dimorphu,不能以淡水中溶
解碳酸盐的形式吸收碳。在微藻培养中，为了达到
最大的生长速率，pH是主要的控制变量之一。N源
为硝酸盐的时候，微藻的新陈代谢活动会升高培养
基的pH。另一方面，在通气培养中，空气中CO：体
积分数为0．033％，通过H：C03-C0：缓冲体系降低
pH。为了使培养基中pH维持恒定，要调节因微藻
生长增加的H+和CO：输入之间的平衡。
通气一般促进微藻的生长(图1)，这可能要归
功于空气中CO：的存在和空气湍流带来的混合效
应。然而，当通气速率为9l_．／min时，微藻的生长速
率比通气速率为6L／rain时慢。高通气流速下的快
速生长可能是pH迅速下降的原因。图2显示，微
藻在中性或碱性环境中生长得更好。考察CO：补充
量的影响时，可以发现通人体积分数33．3％CO：+
体积分数66．7％的气体时，其生长速率比通纯空气
或其他CO：含量更高的通气条件快(图3)。图4的
数据显示，空气中过高的CO：浓度将迅速降低培养
基的pH，从而抑制海藻的生长。图5表明不同光照
万方数据
· 32· 生物加工过程 第6卷第3期
条件会导致3—4d后的微藻生长速率显著不同。
这意味着只有在微藻对光吸收率达到一定程度时，
光密度才会成为微藻生长的限制因素。为了节约
能源，在微藻早期生长阶段不需要提供过剩的光照。
图1 通气对微藻生长的影响
Fig．1Effectofairinjectiononmicroalgaegrowth
图4受CO：影响时培养基pH的变化
Fig．4ChangesinpH∞affectedbyC02
图5光照强度对微藻生长的影响
Fig．5Effectoflightingconditiononmicroalagegrowth
图2培养基pH对微藻生长的影响 3 讨 论
Fig．2EffectofmediumpHonmicroalgaegrowth
图3 COz补充对微藻生长的影响
Fig．3EffectofC02injectiononmicroalgaegrowth
试验结果表明，S．dimorphus能利用废水中的营
养元素生长，因此能消除废水中的化学化合物。由于
微藻的代谢活动，在培养的6d之内培养基中N换算
成N03-质量浓度从8．3mg／L降到3．6mg／L以下，而
P换算成Po：3一质量浓度从0．24mg／L降到o．03mg／L
以下。因此，通过螺旋生物反应器连续培养曼dimor-
phus可以达到废水处理的效果。
3．1 pH和空气及CO：的影响
培养基的pH是藻类培养的一个重要因素。pH
能决定培养中CO：和矿物质的溶解性和有效性，能
直接或间接的影响藻类的新陈代谢瞪“】。微藻生长
对pH有不同的要求"】。在本研究中，S．dimorphus
在直接充入CO：的10L光生物反应器中的几个不
同pH值下生长2个月。S．dimorphus在pH为7．5
时达到最高平均生产率0．54g干质量／(L·d)，比
用相同藻种在平板光生物反应器中、在相同pH下
的生产率0．16g干质量／(L·d)大3倍。对2个研
究的差别可能解释是试验中的较低空气通人量和
不良的混合效果。这说明，补充CO：到S．dimorphus
培养中可以提高微藻的生产效率。然而由于补充
CO：所引起的pH降低会导致微藻的生产效率下降。
在S．dimorphus培养中是否补充额外的CO：需要进
行经济学的评估，利用廉价的CO：将更有利。尽管
较高的CO：浓度可以带来更高的生物质生产力，但
低pH对微藻生理学的影响以及由此造成微藻退化
万方数据
2008年5月 刘玉环等：利用市政废水和火电厂烟道气大规模培养高油微藻 ·33·
感杂的可能性也不可忽视。
在微藻培养中成功尝试的关键一步，是确定其
生长的物理和化学限制因素哺】。微藻培养中，温度
和光被确认为最重要的限制因素一。11。
3．2湍流度的影响
为了提高光能利用率以及将细胞周围未被搅
动的液膜降到最薄以促进气体交换和提高营养的
有效性，高效的微藻培养系统需要藻类处于搅动混
合并维持悬浮状态。混合还能引起湍流和剪切效
应¨2。。光生物反应器的水流状态直接影响对剪切
敏感的微藻培养的效果Ⅲ4引。由于增加了细胞的
养分供应，～些微藻产量随着湍流度的提高而提
高，然而进一步提高湍流度会损伤细胞而使产量迅
速降低【15。幅]。至少微藻对剪切敏感度与微藻是否
生有鞭毛部分相关。由于剪切引起的易碎鞭毛的
损伤会导致生长速率的降低¨9|。目前还没有关于
剪切力和混合机制对藻类影响的研究报告。
4结论
(1)微藻生长受培养基pH、CO：注入、湍流度和
光照条件的影响。
(2)螺旋生物反应器比锥形烧瓶生物反应器更
好，主要因为有更好的光能利用率和搅拌效果。
(3)微藻能有效地清除废水中N、P等营养
成分。
(4)新型生物反应器的研发与测试、微藻的收
获与脱水技术、微藻油脂萃取的技术和藻类生物质
残渣转化利用技术还需要开展更多的研究与开发
工作。
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