全 文 ：武汉植物学研究 , 一
以 为碳源工业化生产螺旋藻
工艺技术的研究
李夜光 胡鸿钧 张良军 陈志祥
中国科学院武汉植物研究所 武汉 。。
提 要 以 为碳源工业化生产螺旋藻的优点是 向培养液中添加 的同时 , 实现 了对
值和碳源的调控 , 碳源利用率高 , 生产成本低 以 吸收速率 、 吸收率
、
利用率
为指标 , 对“ 气泡法 ” 、 “ 气罩法 ”添加 的优缺点进行了综合分析和 定量研究
。 “ 气罩法 ”
吸收速率是 , · , 吸收率是 为满足 · 产量对碳源
的需要 , 气罩面积与培养池面积的比值是 每天充气
。
使用孔径为 “ 的
微孔塑料管 , 并用 “ 气泡法 ”添加 , 吸收率是 , 应用于大规模生产 , 利用率
是
。 由于气罩制造材料和 内壁密集水珠的遮光作用 , 设置气罩后几乎损失了相同大小
的培养面积 , 致使 吸收率为 写的“ 气罩法 ’,在经济效益上与毛 吸收率只有 的不
产生遮光的其它 添加工艺相当 。 吸收率为 的“ 气泡法 ”完全达到 了实用化的
程度 , 与利用 相比 , 可以降低碳源成本 。
关键词 吸收速率 , 吸收率 , 气泡法 , 气罩法 , 螺旋藻
向培养液 中添加 是微藻工业化生产中广泛应用 、 有效的碳源补给方法 〔, 一 ’〕。 用
代替 生产螺旋藻 , 理论上碳源成本可以降低 ’。 工业化生产螺旋藻 ,
。 的消耗是原材料成本的主要部分 , 培养基中 , 的成本占全部药
品成本的 左右 。 因此 , 利用 为碳源可以有效地 降低成本 。 此外 , 用 代替
, 减少了培养液中 和 的累积 , 有利于使培养液维持较稳定的渗
透压 或盐度 , 减少沉淀 , 延长培养液使用寿命 , 减少产品灰分 , 提高产品质量 。
微藻大量培养中采用的 添加工艺有 “ 气泡法 ”和 “ 气罩法 ”两种 , 在实际使用过程
中各有优缺点 。 目前 , 这两种方法在螺旋藻工业化生产中得到应用 , 但对它们的具体技术
性能缺乏系统定量的研究 , 影响了 潜在优势的发挥 。 本文通过实验得到的技术参数 ,
对它们的优缺点进行了定量的比较 , 从工业化生产的角度 , 对它们的实际效果进行 了综合
收稿 日 一 一 , 修回 日 一 一 。 第一作者 男 岁 , 副研究员 。
李夜光 胡鸿钧 螺旋藻培养液吸收 特性的研究 待发表 。
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
评价 。
材料和方法
材料
藻种 钝顶螺旋藻 , 品系代号 一 。
培养基 修改过的 培养基 。
钢瓶装 , 纯度 以上 。
用于产生 气泡的微孔塑料管 管外径 , 内径 , 管壁厚 , 管壁
上小孔直径 一 拌 。
用于产生 气泡的爆气器 工业用充氧爆气器 , 微孔孔径镇 拌 。
气罩 钢筋骨架 , 塑料薄膜覆盖而成 。 气罩呈长方体 , 长 , 宽 , 高
, 形成的气一液界面面积为 , 设置换气管通 。
方法
“ 气罩法 ’℃ 吸收速率的测定 方法如图 所示 根据时间 内气罩下降的高度
一 计算培养液吸收 的数量 , , 一 , 一 , 测定气罩 内气体温
度 夕 ℃ , 按下式计算 吸收速率 〔 · 〕
‘ , 一
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漂浮的 气罩 漂浮的 气罩
培养液 培养液
图 测定“ 气革法 ” 吸收速率的方法示意图
一
培养液吸收 后 值变化的测定 方法如图 所示 , 直接测定单位体积培养
液吸收一定数量 后 值的变化 。 绘制每升培养液吸收 后 值变化标准曲
线 。
“ 气泡法 ’℃ 吸收率的测 定 方法 如 图 , 所 示 , 在 , 培养池 中放入
培养液 , 将微孔塑料管和爆气器放置在如 图所示的位置 模拟实际使用时在培养池
中的位置 , 定量添加 , 测定培养液 值变化
。
绘制向每 培养液 中添加 后
值变化曲线 , 并与每 培养液吸收 后 值变化标准曲线比较
、计算 , 得到 “ 气
泡法 ’℃ 吸收率 。
值测定 使用 一 型 计测定 。
第 期 李夜光等 以 为碳源工业化生产螺旋藻工艺技术的研究
,
一
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图 测定培养液吸收 后 值变化的方法示意图
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微孔塑料管产生气泡 爆气器产生气泡
一
一
图 测定“气泡法 ” 吸收率的方法示意图
利用微孔塑料管添加 , 利用率的计算 在 螺旋藻培养池定量添
加 , 根据 △ 。。计算螺旋藻生物量 , 即 一 △ 表示培养液体
积 , 按下式计算 利用率 。
义
。
代表所提供的 , 表示螺旋藻含碳量 , 表示 含碳量 。
螺旋藻培养液与空气中 相平衡的 浓度对应的 测定 配制一系列碳
源浓度不同的培养液 , 盛于 三角瓶中 。 一组敞口置摇床上摇动 , 一组利用空气泵
通气搅动培养液 。 测定 值变化曲线 , 由曲线显示培养液中与空气中 相平衡的
浓度对应的 值
。
结果
“ 气罩法 ”的 吸收速率
当气罩下沉到最低位置时 , 气罩下部 的空间被培养液所占据 , 气罩内可容纳的
气体体积是 。将“ 换气 ”管道关闭 , 通入 , 使气罩上浮 。 然后关闭
通道 , 开通换气管道 , 放出气罩 内的混合气体 , 使气罩下沉到最低位置 然后再关 闭换
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
气管道 , 通入 , 使气罩上浮 。此时 , 气罩内 的体积浓度理论值是 左右
。
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可 由下式计算 一 十 专 告 。 在以后的充气过程中 , 每 换气 次 。 在刁 ’ 一 、 ’ ’ ’ 一
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内间断测定 吸收速率 , 每次测定 , , 一 的平均值是 , 夕一 ,
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·
“ 气罩法 ”的 吸收率
在实验条件下 , 使气罩内 的浓度达到 约 。 的过 程 中排放掉 的 是 冬又
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·
。
·
, 一 。
·
。 , 以后每 换气 次 , 排放掉的 。
,
、 、
足 又万 入 了 入 。
, 每天工作 , 需要换气 次 , 共排放掉 , , 内排放
的 总量是 , 。 在相 同时间 内培养液 吸收 总量是
,
· 又 又 。 体积是 , 其 吸
收率为
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“ 气泡法 ”添加 的吸收率
图 中的 条 曲线分别是 培养液吸收
后 值下降标准 曲线 利用微孔塑料
管产生气泡的方法添加 的培养液 值
下降曲线 利用爆气器产生气泡的方法添加
的培养液 值下降曲线 。 利用上述
条 曲线计算出微孔塑料管添加 的吸收
率是 , 爆气器 添 加 的吸收率是
。
实验条件下 , 微孔塑料管添加 的流
量是 · , 即每 微孔塑料管每
可 向培养液 中通入 爆气器的
流量是 。 即每个爆气器每 可
向培养液中提供 。
利用微孔塑料管添加 培养螺旋藻 ,
的利用率
在 时间内 , 使用 了 瓶 , 每瓶
, 生产干藻 。 生产过程中 , 培养
液 值 保 持 稳 定 , 碳 源 利 用 率
划工
火
添加量
▲一 ▲ 标准曲线 一 微孔塑料管添加
一 爆气器添加
▲一 ▲ 一
、 一 一
图 日 值随 添加 变化的曲线
一
一
第 期 李夜光等 以 为碳源工业化生产螺旋藻工艺技术的研究
螺旋藻培养液的 浓度与空气中 相平衡时的 日 值
摇动培养液时 , 不 同碳源浓度培养液的
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压 旧卜一 一 一 一 二
值随时间的变化见图 。 通入空气的情况
下 , 不 同碳源浓度培养液 的 值随时间的
变化规律 与摇动培养液相 同 , 但 值上升
更快
。 当 浓度分别是 、
, 测得的 值分别是 、 。
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培养液 值上升曲线
讨论
添加效率是对添加工艺实际工作效
果的评价 , 主要有 项指标 。 ① 吸收速率
单位时间 , 单位面积的液面吸收 的
数 量 〔 · 〕。 ② 吸 收 率
实际被培养液 吸收的 的数量与所
消耗的 总量之 比 , 一 , 。 这 项指
标越高 , 表示 添加工艺的效 率越高 , 效
果越好 , 反之 , 效率低 , 效果差 。
利用率表示以 为碳源培养微藻所提供的 有多少被光合作用转化为有
机碳 , 一 。 。 表示生物量中的碳 , 表示提供的 总量 。 这一指标是对 使
用效果更概括的评价 。 添加效率只表明发生在 “ 补给点 ” 气泡周 围 , 气罩内 的情
况 , 不能反映 使用的实际效果 。 例如 , 采用 “ 气罩法 ”向棚藻培养液中添加 , 培养
液在气罩内吸收 , 。 但是 , 培养液离开“ 气罩 ”后就开始 向空气中释放 ,
造成 的损失可达 以 〕 , 使得 利用率在 之间变化 。 利用
率 由三方面的因素决定 ① 吸收率 ②培养液 吸收 的特性 , 主要是培养液 ‘ ℃
容量 ” 单位体积的培养液达到与空气中 浓度相平衡的状态能够吸收 的数量 的
大小 ” ③碳源调控技术 。
“ 气罩法 ”添加 , 尽管使用纯的 , 但气罩 内 的浓度不可能达到 写 , 并
且随着时间的延长 , 的浓度逐渐下降 , 原因是 和 的稀释作用 。 一般情况下 , 空
气中高浓度的 和 通过培养液 向气罩内扩散 。 光合作用活跃进行时 , 培
养液中过饱和的 加快了气罩 内 的稀释速率 , 有时 , 气罩内 的浓度可以降低到
〔‘ · 〕。
实验测得的“ 气罩法 ”添加 的吸收速率是 · , 吸收率
是 。 根据螺旋藻培养液吸收 特性的研究 , 在 时 , 培养液吸收纯 的速率
是 · ” 。 由此可见 , 实验过程中气罩内的 平均浓度小于 , 说明
实验过程中采用的“ 换气 ”方法仍不能得到高浓度的
。 如果要得到更高的 吸收速
率 , 就要将气罩内 浓度提高 , 需要换气量加大 , 换气间隔缩短 , 代价将是 吸收率
进一步降低
。 “ 气罩法 ”添加 , 吸收速率和 吸收率形成一对矛盾 , 顾此失彼
。
气罩面积与培养池面积之 比是 “ 气罩法 ”添加 工艺的一个重要指标 , 这一面积 比
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
由 吸收速率和 利用率决定 。 对于螺旋藻培养 , 利用率等于 吸收率 关于
这 一 点 将 在 以 下 的讨 论 中说 明 , 这 一 面 积 比 完 全 由 吸 收 速 率 决 定 。 按 照
八 · 的吸收速率计算 , 为满足 · 产量所需的碳源 , 若添加
时间为每 , 气罩的面积与培养池面积的 比值是 。
“ 气泡法 ”是最简单易行的添加 的方法 。 这种工艺的 吸收速率最大 , 但
吸收率可能在非常大的范围内变化 。 添加效率主要受 吸收率的影响 。 决定
吸收率的主要因素是 ①气泡的大小 。 ②气泡在培养液中移动的距离或停留的时间 。 气泡
越小 , 表面积与体积之 比越大 , 具有更大的吸收面积 气液界面 气泡越小 , 在培养液中的
上浮速度越慢 , 停 留时间越长 。 对于相 同数量的 , 吸收面积增大 , 吸收时间延长 , 吸收
率随之提高 。
比较微孔塑料管与爆气器添加 的效果 , 前者有 个优点 ① 吸收效率达到
, 显著高于后者
·
写 。 ② 派量大 , 达到
· 。 个 钢瓶可接
管子 , 流量可以达到 , 而 个爆气器的 流量是 , 前者可以在更
短的时间内 时间内 完成 添加任务 。 如果增加爆气器的 流量 , 将使 吸
收率进一步降低 。 微孔塑料管 吸收率高的原因是孔径小 , 产生的 气泡小 。
仅从添加 的效果来看 , “ 气罩法 ’℃ 吸收率为 , 吸收速率为
,
·
, 气罩面积与培养池面积 比为 其它微藻培养需要约 的气罩面积 ,
结果是令人满意的 。 但是 , 在实验中发现 , 由于气罩的“ 温室效应 ” , 气罩内气温高 , 饱和水
蒸气在气罩内壁上凝结形成一层水珠 , 塑料薄膜和密集的水珠遮挡了绝大部分的光线 。这
种情况下 , 气罩内培养液的光合作用势必受到严重的影响 。 设置气罩后 , 特别是使用透光
差的材料制造气罩 , 几乎损失了相同大小的培养面积 。 按 购价加运费为 元 , 藻
粉售价为 元 , 单位面积产量为 干重 计算 , 减产 的损失与 吸收
率 由 降低到 带来的损失相 当 。 这样 , 吸收率为 的“ 气罩法 ” , 在经济效
益上与 吸收效率只有 , 但不产生遮光的其它 添加工艺相当 。 考虑到这一因
素 , 完全没有遮光作用 、 吸收效率为 的“ 气泡法 ”工艺 比“ 气罩法 ”具有明显的
优 点 。 利用微孔塑 料管添加 工 艺的效果是 令人满意 的 , 达到 了实用化 的程度 , 与
仅 的碳元素转化利用率相 比 , 这一工艺可以使碳源成本降低到原来的
按 。 购价加运费为 元
, 购价加运费为 元 计算 。
螺旋藻培养液中的 浓度与空气中 相平衡时的 值随培养液 中碳源浓度
加大而稍有增高 , 变化范围是 一 只要调节 值高于 , 培养液中的 就
不会向空气中释放 , 利用率等于或接近 吸收率 。 这一数据为碳源的调控提供了
简单易行 、 精确可靠的技术指标 。
实验测得的利用微孔塑料管添加 的吸收率是 。 实际应用这一方法培养螺
旋藻 , 测得的 利用率是 , 高于 吸收率 。 原 因是在培养过程中 , 培养液的
值维持在 左右 , 远高于 “ 培养液不仅不会 向空气中释放 , 反而 从空气 中吸
收 了一部分 , 吸收 的速率大约是 。 ,
· 〔们 将这一 因素考虑进
去 , 计算得到的 利用率是 , 非常接近 的吸收率
。
螺旋藻培养液的 利用率非常接近 的吸收率这一实验结果表 明 虽然在短时
第 期 李夜光等 以 〕 为碳源工业化生产螺旋藻工艺技术的研究
间内培养液中螺旋藻群体的 吸收率不同于培养液的 吸收率 , 但在较长的培养阶
段内 , 螺旋藻群体的 吸收率等于或接进培养液的 吸收率 。
参 考 文 献
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二 卜 勺
一
“ 全国第四届系统与进化植物学青年研讨会 ”和 “ 全国第二届分类学原理研讨会 ”
于 年 月 一 日在昆朋举行 。
两会由中国植物学会主办 , 中国科学院昆明植物研究所承办 。 出席会议的代表约
余名 , 收到论文摘要 篇 , 均通过大会报告 、 壁报或论文摘要集的形式进行 了交
流 。
会议交流 了我国青年植物分类学工作者最近两年间的研究成果 , 着重讨论 了有
关 系统与进化植物学研究的方法论问题和 国内外的发展趋势 。
经与会代表投票表决 , 下届研讨会将于 年在新疆乌鲁木齐举行
。 有兴趣者
请与新疆农业大学周桂玲 同志联系 邮编
。
二
湖北省 、 武汉市植物学会 ’ 学术年会于 月 一 日在中国科学院武汉植
物研究所召开 。参加会议的有来自湖北省科研单位
、
大专院校和中学的植物学工作者
。余人 。 省 、 市科协领导也到会祝贺
。
这次年会的主题是“ 国内外植物科学研究动态和植物资源的开发利用 ” 。 共收到
学术论文近 篇 , 通过大会报告和论文摘要等形式进行了交流 。 会议期间 , 代表们还
参观了武汉蓝宝微藻生物技术联营公司的咸宁生产基地 。
钟 扬 林 刚