全 文 ：武汉植物学研究
,
葱
螺旋藻培养液吸收 特性的研究
李夜光 胡鸿钧
中国科学院武汉植物研究所 武汉
提 要 培养液中含有高浓度的 了和 犷 , 活跃进行的 , 了 和 一 种碳源
形式相互转变的化学反应 , 构成了螺旋藻培养液不同于其它藻类培养液的显著特征 定量研
究了 吸收速率与碳源浓度
、 温度
、
值
、
盐度 、培养液运动状态的关系 , 利用培养液吸收
的物理模型解释了碳源浓度 、 值 、 培养液运动状态影响 吸收速率的机理
。 对化学
反应是否影响 吸收速率这一有争议的问题进行了探讨 , 在肯定化学反应影响的前提下 ,
指出化学反应的影响能否被观察到 , 显著程度如何 , 关键在于培养液的运动状态 。根据实验结
果 , 给出了利用“ 气罩法 ”添加 , 所需气罩面积与产量 、碳源浓度 、培养液运 动状态 、 培养面
积数量关系的理论值 使用培养液的“ 容量 ”的概念 , 说明利用 为碳源培养螺旋藻与
其它藻类相比 , 可以得到更高的碳源利用率 , 从而产生更大的效益
关镇词 螺旋藻培养液 , 吸收速率 , 容量 , 碳源利用率
螺旋藻 干重 含碳元素 左右 , 在培养过程中供给充足的碳源对于维持细胞快速
生长繁殖非常重要 。 人工培养螺旋藻 , 以 或 的方式供给碳源都非常有
效 〔‘一 , 。 但是 , 以 为碳源与 相比 , 碳源利用率高 , 价格便宜 , 可以大幅度地降
低成本 。 按 价格 元 , 碳源利用率 , 。 价格 元 , 碳源利 用
计算 ” , 理论上碳源的成本可降低 。。 因此 , 利用 为碳源生产螺旋藻可以有效
地降低成本 。
利用 为碳源的优势在多大程度上能变为现实 , 决定于向培养液中添加 的工
艺技术 。 认识螺旋藻培养液吸收 的特性 , 是建立高效的 添加工艺的基础 。 向培养
液中添加 的工艺在 胡 年代曾被作为一个工程技术问题来进行研究“
· 〕。 螺旋藻培养
液含有大量的 培养基中 浓度是 八一 , 与其它藻类培养
基显著不同 , 培养液中 、 王和 。 一 相互转变的化学反应对培养液吸收的特性有
显著影响 。
针对 目前生产中均使用纯 的情况 , 本文的重点在于揭示螺 旋藻培养液吸收纯
收稿 日
一 一
, 修回 日
一 沙叭 。 第 一作 者 男 岁 副研究员 。
李夜光等 螺旋藻培 养液 值变化的机理 和碳源利用率的研究 待发表
。
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
的特性
。 以实验结果为依据 , 对 参与的化学反应是否影响 吸收速率这一有
争议的问题进行了探讨 。
材料和方法
门 材料
螺旋藻培养基 除碳源浓度根据实验需要而改变外
,
其余成分与 培养基
相同 。 培养基成分为 。
、 、 、
、 , 、 · 八 、 、 ·
、 · 、 、 、 。 一 。
钢瓶装商品 , 纯度 以上 。
方法
培养液 的测定 使用数字显示 一 型 计测定 。
培 养 液 值 的调 节 先 利 用 , 与 的 比例 进 行粗调 , 再 使 用
的 , 的 进行精确调节 。
静止的培养液吸收 。 速率的测定 实验装置及过程如图 所示 。 从量筒上直接
读出时间 内 被吸收的数量 , 测定量筒的横截面积 , 通过下式
计算吸收速率 · 一
· 一 ’
对万
月
量筒
·
戳通入 众 被吸收襄 妞 毛 ’碧贾
图 培养液吸收 速率测定方法的示意图
〕一
运动的培养液吸收 速率的测定 实验装置和过程在图 所示的基础上增加
了磁力搅拌器 , 利用磁力搅拌得到旋转的培养液 。 气液界面面积按照底面直径为 , 高为
的球冠表面积计算
。
培养液吸收 的数量与 变化关系的测定 实验装置和过程如 图 所示
。
使
用 量筒 , 。。 培养液 直接测定培养液吸收 后的 值
。
结果与讨论
螺旋藻培养液吸收 的物理模型
培 养液分为物理性 质不同的两部分
, 即 气一 液 界面 处的
‘
一薄层 ”溶 液 称 为气
一液界
第 期 李夜光等 螺旋藻培养液吸收 特性的研究
面 和培养液的其它部分 称为内部溶液 。 分子和组成溶液的分子之间的“ 亲和力 ” ,
是它进入气 一液界面的动力 。 由于溶质所占的比例很小 , 主要表现为 分子与 分子
之间的“ 亲和力 ”。 分子通过气一液界面进入内部溶液后 , 可以继续扩散 , 扩散的动力是
浓度梯度 , 也可以参加化学反应 , 在螺旋藻培养液中主要参加 、 矛和 犷 相互
转变的化学反应 。
的扩散
分子通过气一液界面向内部溶液扩散的速率可以用公式表达如下
‘ , 一
表示气体扩散速率 · 一 ’ , 表示扩散速率常数 , 表示扩散
面积 , 即气一液界面面积 , , 表示气体的浓度 , 表示与液体中已溶解的气
体平衡的气体浓度 ‘ , 。
参加的化学反应
螺旋藻培养液中存在着 , 矛和 一 种碳源形式相互转变化学反应的动态
平衡
二 盆 了
孚一
一
当培养液 吸收 , 浓度增大导致化学反应 向生成 十 和 矛 的方 向进
行 , 和 矛浓度的改变 , 打破 了化学反应 的平衡 , 平衡移动的结果是 和
结合生成 矛 此处省略对平衡移动方向的判断过程 ” , 达到新的动态平衡 。 平衡移动
的结果是被吸收的 转变为其它形式的碳源 。
由公式 一 可知 , 当吸收面积 气 一液 界面 以及 浓度 , 一定时
纯 , 吸收速率由内部溶液 , 确切地讲是与气
一液界面相邻的内部溶液中 的浓度
决定 。 培养液吸收 使 增大 , 吸收速率减小 在 内部溶液中的物理扩散 , 参加化
学反应都使 减小 , 吸收速率增大 。
利用上述物理模型 , 可以说明各种因素影响螺旋藻培养液吸收 速率的机理 。
碳源浓度对培养液吸收 速率的影响
图 表明 , 碳源浓度 〔 至 互一 〕对于静止的培养液吸收 的速
率 有显著影 响 。 时
,
碳源浓度为 八 的培养液 与碳源浓 度为
的培养液 相 比 , 吸收速率增加了 倍 。
图 表 明 , 碳源浓度对于运动的培养液吸收 的速率有影响 , 但不象对静止的培
养 液那样 显著 。 时 , 碳源浓 度 为 的培养液 与碳源浓 度为
的培养液 相 比 , 吸收速率仅增加 了 。
碳源浓度影响培养液吸收 速率的机理是 由培养液吸收 而导致化学反应
和化学反应 平衡移动的结果 。 相 当于发生了下列化学反应过程
一 矛当 浓度一定时 , 反应进行的速率随 一 浓度增加而加快 , 这一反应进行得越
快 , 越有利于减小 内部溶液 中的 之 浓度 , , 也就越小 , 吸收速率也就越大 。 当
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
值一定时 , 培养液 中 犷 的浓度与碳源浓度成正 比 。 所以 , 随着碳源浓度的增加 ,
浓度增加 , 吸收速率加大
。
山月﹄口。公”戈渭︶口
︵一一·、已、︻︶瓣瑕婪昏才州︺
习戈﹄︸。仍
碳源浓 度 、
图 碳源浓度
、
温度对静止的培养液
吸收 速率的影响
一
,
一碳源浓度 , 、 一
︵一洲﹃·。三、一︶等叫荟督君针
图 碳源浓度 、温度对运动的培养液
吸收 速率的影响
艺一
盐度对培养液吸收 速率的影响
碳源浓度增 大 , 培养液的盐度随之增加 。 图 表明 , 碳源浓度不变 , 用
改变培养液 的盐度 , 当 浓度 由零增加到 时 , 对 吸收速率没有影
响 当 浓度增加到 时 , 吸收速率不仅没有增加 , 反而下降了 写
。
说明
吸收速率随着碳源浓度增加而加快 , 与盐度的增加无关 。
。︺把﹄︸了二叱君匕
︵一
卜·工。, ,吕
、
三。,洲口并刹荟岁君︶
。︺,﹄︸二试无扣。
洲习己
、
之洲芬划婆誉君︶口
浓度
一 二
图 盐度 吸收速率的影响
七 一 一 丫 备
, 一
井王 汽
卜 一
图
一
值对螺旋藻培养液‘静止
吸收 速率的影响
几 卜 一 〕
之 之 一 川。 了
一矛了 矛“ · 一
第 期 李夜光等 螺旋藻培养液 吸收 特性的研究
值对培养液吸收 速率的影响
图 表明 , 当静止的培养液碳源浓度保持一定 , 随着 值的升高 ,
吸收速率增大 。 为一转折点 , 值低于 时 , 吸收速率受 值的影响不
明显 , 值高于 时 , 吸收速率随 值升高而显著增加 。
值对 吸收速率的影啊是通过改变 一 浓度而实现的 。 当碳源浓度一定时
随着 值的升高 , 犷 浓度增大 。 值低于 时 , 圣一 浓度随 值升高而增大
的速度很小 。 时 , 犷 达到了 左右 。 时 , 呈一 浓度
随 值升高而增大的速度明显加快 。 是 一 浓度随 值升高而增大的速度
加快的转折点 , 正好也是 吸收速率随 值升高而加快的转折点
。 说明 值影响
吸收速率的机理与 一 浓度影响 吸收速率的机理一样 。
培养液运动状态对 吸收速率的影响
对静止的与运动的培养液吸收 的速率进行比较 , 可以发现 ①运动大幅度提高
了培养液吸收 的速率 。 , 碳源浓度为 的培养液 , 运动情况下吸收
的速率是静止时的 倍 碳源浓度为 时 , 运动情况下吸收 的速率是静
止时的 倍 。 ②在运动情况下 , 碳源浓度的增加引起 吸收速率增加的幅度显著减小 ,
只有静止情况下增加幅度的 左右 , 即培养液的运动削弱了碳源浓度对于 吸收速
率的影响 。
培养液运动状态影响 吸收速率的机理是 , 当培养液静止时 , 在 内部溶液 中
向“ 更内部 ”溶液运动的方式只有一种 一扩散
, 其动力是“ 浓度梯度 ” 。 当培养液运动时 ,
运动方式又增加了一种一一 对流 , 其动力是培养液的运动
。 对流作用对于减小内部溶
液 的 浓度起 了明显 的作用 , 吸收速率 明显加快 。 当对流对于减小 内部溶液中
浓度所起的作用远大于化学反应的作用时 , 碳源浓度对于 吸收速率的影响就变
得不明显了 。 被对流作用“ 带走 ”的 在“ 更 内部 ”的溶液中得到稀释 , 并经过化学反应
转化为 和 犷 , 成为培养液中碳源的一部分 。
运动状态
、 碳源浓度 、 值泳寸于 吸收速率的影响都是通过改变溶液中 的浓
度而起作用的 。 由于 只能在零与 之间变动 , 所以 , 它们的影响都是有限的 , 并且各种
影响都不能将 〔
’
降低到理论的最低值 , 也就不能得到 吸收速率的最大值 。
气泡在培养液 中不断上浮时 , 由于气相在液相中的位置不断变动 , 气一液界面处
的“ 液层 ”处于不断更新状态之中 。 一直保持理论的最低值 , 吸收速率可以达到理
论的最大值 。 这是“ 气泡法 ”添加 工艺具有潜在高效率的主要原因之一 。
从实现培养液最大 吸收速率的角度考虑 , 添加 的方法应首选 “ 气泡法 ” , 其
次是运动的液面接触 的方法 , 尽可能避免静止的液面接触 的方法 。
利用“ 气罩法 ”添加 的技术参数
利用“ 气罩法 ”向培养液中添加 , 应该对培养液进行搅动 。 如果培养池中培养液的
流速大于
、
, 则不需要在气罩下增加另外的搅动装置 。 根据本项研究所得的实验数
据 , 利用“ 气罩法 ”向培养液中添加 , 气源为纯
,
每天添加 , 提供 , ·
产 量所需的碳源 , 气罩面积与培养面积的 比例
、
培养液中碳源浓度 〔 孚
一
荟一 〕、 培养液运动状态之间的关 系如表 所示
。
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
表 气罩面积与培养面积
、
碳源浓度 、培养液运动状态的数里关系
“ ”
飞
碳源浓度
培养液静止 培养液运动
、
吸收速率 吸收速率
·
气罩面积 培养面积
、 · 一
气罩面积 培养面积
苏
利用 “ 气罩法 ”添加 , 实际上不能保证气罩内为纯 , 随着时间的延长 , 浓
度下降〔泪 。 实际使用时 , 根据具体工艺 , 需要的气罩面积会不同程度地大于表 中的理论
值
。
螺旋藻培养液的“ 容量 ”
培养液的 容量 , 表示单位体积的培养液达到与空气中 浓度相平衡的状态时
能够吸收 的数量 , 不同于 溶解度的概念 。
图 表 明 , , 碳源浓度分别相当于 和 。 的两
种培养液 各 , 吸收 后 值降低为 , 二者吸收 的量分别是
和 。 揭示 了螺旋藻培养液吸收 的一个重要特性 培养液的 容量与碳源
浓度成正 比 。 从另一个角度来看 , 就是培养液 吸收 后 , 值下降的幅度与培养液中
碳源的浓度成反 比
。 培养液 容量大小的本质就是培养液对 一 缓冲能力的大小 。
和 分另相 当
于 生产 干重 和 干重 螺
旋 藻所需 的碳源
。
与其它微藻培养液相
比 , 螺旋藻培养液的 容量大得 多 。 这
就 意 味着大量 吸收 后 , 既 不 会导 致
值大幅度 下降而 影响生长繁殖 , 也不
会向空气中释放 而造成碳源浪费
。
其
它 微藻培养液 , 值低 , 孚 和
浓 度小 , 容量小 , 培养液在 “ 补给
点 ”吸收 , 离开 补给点后就 向空气 中
释放 , 造成 , 的浪 费 , 致使 利
用率低于 , 甚至低于 。 螺旋藻培
养液 容量大 , 为 的补给 和 碳源
的调控提供了有利条件 。 利用 为碳源
培养螺旋藻与培养其它微藻相比 , 可 以得
到 高 得 多的 碳源 利 用 率 , 产 生更 大 的效
益 。
﹄匀一月尸一几
崔一山几
每升培养液吸收 。 的数量 二川。
‘ 七 、
▲ ▲ ▲ ‘ 。卜
一 阶旧以卜
图 培养液吸收 后 值的变化
只 一〕 奋 飞“ 几 、 一 盆
第 期 李夜光等 螺旋藻培养液吸收 特性的研究
制订 添加工艺时 , 应该考虑培养液的 容量这一重要特性 。
关于化学反应对 吸收速率的影响
除参与 、 了和 犷 种碳源形式相互转变的化学反应外 , 还可以与培
养液中的碱性物质发生化学反应 , 例如与 一 和 的反应
月
· 一
一 矛矛 洁
参与化学反应是毫无疑问的 , 但化学反应是否影响 吸收速率却是有争议的
问题 。 等认为在他们的实验中 , 当 值由 变为 时 , 吸收速度增大
量的 是由于化学反应的作用 。 而 等认为化学反应对于 吸收速率没有
影响 , 原因是化学反应进行的速度太慢〔幻 。
根据本项研究的结果 , 可以得 出这样的结论 参与的化学反应对 吸收速率
有影响 , 但这种影响能否表现 出来 , 与培养液的运动状态有很大关系 。 当培养液处于静止
状态时 , 化学反应对 吸收速率有显著影响 , 可将 吸收速率提高数倍 当培养液处
于运动状态时 , 由于 “ 对流作用 ”对 吸收速率的影响比化学反应的影响更大 , 所以 , 随
着培养液运动加剧北学反应的影响变得越来越不明显 当 气泡在培养液中上浮时
,
由于气一液界面的不断更新 , 几乎看不到化学反应对 吸收速率的影响 。 采用
“ 气泡法 ”向培养液中添加 , 自然观察不到化学应对 吸收速率的影响 。
参 考 文 献
、 , , 一
可 , 一
一 、
一
飞 、 一 , ,
一 沃 一、 ,
, 飞 〔 一
·
, 一 ’, 一 、 , 一
飞 比 一飞 压
,
, 、 , ,
, ‘· , 一 、 飞 飞
飞 ,子耐 肥 ,
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
一
人“ , , , ,‘’ 。 召沉 , 。夕 , ‘, 一 , , , 。 凡。 以尸 圳
、 。 , 尸 ,
、一 , 」
。 , , ,
, , 一 , 一
,
,
,
,
,
“ ”
之
’ “ ” ,
,
, ,
’ , , ,
欢迎订阅《中外技术情报 》
《中外技术情报 》获全国刊展三等奖
、 华东地区优秀期刊和安徽省优秀期刊 。技术新颖
适用 , 信息准确可靠 , 发明启迪思路 , 展望开阔视野
。
主要栏 目 “ 动态与探讨 ”
、 “ 未来世界
、 ” 、 “ 科技成果 ” 、 “ 中国专利 ”
、 “ 发明与革新 ”
、 “ 食
品 ”
、 “ 高新技术企业巡视 ”
、 “ 企业家专访 ”等
。
每期订价 沁 元 , 全年 元 含邮寄费 。 国 内统一刊号
一
, 邮发代号
一 。 全国各地邮局 所 均可订阅 , 也可直接向合肥市巢湖路 号安徽省科技情报所
《中外技术情报 》编 辑部 邮编 订 阅 开 户 行 交通 银 行寿春路桥办事处 , 帐号
。 逾期亦可破 月收订 。
邮发代号 一 地址 安徽省合肥市巢湖路 飞 号省科委大楼 楼
国内刊号
一
邮编 , , 电话 一