全 文 ：《食品工业科技》 Science and Technology of Food Industry 1998.No. 5
采用鼓泡柱式光生物反应器
培养螺旋藻的研究
　　　　　李志勇　　　　　　　郭祀远　李　琳　蔡妙颜
(华东理工大学国家生化工程技术研究中心 ,上海 200237)　 (华南理工大学食品与生物工程学院 ,广州 510641)
摘　要　鼓泡柱式光生物反应器是一类简单、高效的光生物反应器。本文对鼓泡柱式光生物
反应器中影响螺旋藻生长的因素:光强、温度、二氧化碳、气泡、通气速度等以及分批培养生长模
型进行了研究。 采用有气泡分布器的 1. 2l,鼓泡柱式光生物反应器分批培养螺旋藻 ,在光强 E=
16klx ,温度 T= 30～ 33℃ ,以通气速度 Vg= 46l /h通入纯净空气时 ,第 5d可达最大细胞干重:
3. 3g /l。
关键词　螺旋藻　鼓泡柱式光生物反应器　分批培养
Abstract　 Bubble colum n pho tor eacto r is a kind o f simple, effec tiv e bior eacto r. The
cultiv a tion o f Spirulina in batches in bubble co lumn photo r eac to r s is bette r than that in stastic
and stirv ed pho tobio reacto rs. It is found that the reacto r with dow n-inlet ga s has good results
than that with up-inlet ga s. Th e E, T , CO2 , bubble , Vg and g r ow th model ar e disscussed in this
pape r. When E= 16klx , T= 30～ 33℃ , Vg= 46l /h, the max. d. w. of spirulina can r each 3. 3g /l
using this pho tobio reacto r w ith pure air spra yer.
Key words　Spirulina; Bubble column pho to r eac tor; Batch culture
1　前言
螺旋藻以高达 60% ～ 70% 的蛋白质和各种人
体必需的氨基酸、多种维生素、不饱和脂肪酸、多糖
以及微量元素而被联合国粮农组织和世界食品协
会誉为“人类最理想的食品” [1, 2 ]。目前 ,世界上螺旋
藻的大规模生产均采用户外大池培养 ,占地面积
大、产量低 ,受外界环境影响程度大 ,因此 ,开发新
型光生物反应器是实现螺旋藻纯种、高密度工业化
生产的重要发展方向 [3]。
鼓泡式反应器具有较好的混合与传质 、传热、
传能效果。本文对鼓泡柱式光生物反应器中螺旋藻
的分批培养生长特性、影响因素及其生长模型进行
了一些初步研究 ,为今后新型的微藻光生物反应器
系统的开发奠定基础。
2　材料与方法
2. 1　藻种　钝顶螺旋藻 ( Spirulina platensis ) ,由
华南师范大学生物系提供。
2. 2　培养基　采用 Zar rouk培养液 [5]。
2. 3　培养装置
采用四种光生物反应器: a.静置型 (每天摇动
两次 ) ; b.磁力搅拌型 (转子速度为 200r /min ); c.
0. 5l鼓泡柱式 (从上向下鼓气 ) ; d. 1. 2l鼓泡柱式
(从下向上鼓气 )。反应器的一些基本参数如表 1所
示。
表 1　两种鼓泡柱式光生物反应器的比较
0. 5l光反应器 1. 2l光反应器
外径×高 ( cm) 8× 12 4. 5× 90
壁厚 ( cm) 0. 15 0. 1
工作体积 ( cm3 ) 400 1200
最大光照面积 ( cm2 ) 75 320
最大光径 ( cm) 8 4. 5
2. 4　螺旋藻生长情况测定
每天定时用 721型分光光度计于 560nm处测
·18·
广东省重点科技攻关基金资助项目
DOI : 10. 13386 /j . i ssn1002 -0306. 1998. 05. 008
定光密度 ,以其代表螺旋藻的生长情况 ,用 PHS-
29A型酸度计测量 p H值 ,并用光学显微镜观察藻
体形态变化 ,用 RSS- 5100型便携式数字测氧仪
测定藻液的溶解氧。
2. 5　螺旋藻生物量的测定
2. 5. 1　分光光度法　将浓螺旋藻藻液按比例稀
释 ,测定一系列螺旋藻稀释液的光密度值 ,然后再
测定一定体积一定光密度值的浓螺旋藻的细胞干
重 ,按比例换算出各种稀释度螺旋藻的干重 ( g /l) ,
以此绘制 D. W- O . D标准曲线 (如图 1)。 可见当
OD < 1. 0时 , D. W与 O. D有较好的线性关系 ,具
体的回归方程为:
Y= 0. 961X+ 0. 0069(相关系数 R2= 0. 9986)
所以 ,当样品光密度小于 1. 0时 ,其细胞干重
可直接通过测定光密度值来确定 ;对光密度值大于
1. 0的样品 ,应适当稀释。
图 1　螺旋藻 D. W- O. D曲线
2. 5. 2　干重法　用移液管移取一定量的藻液 ,用
已烘干至恒重的滤纸抽滤 ,蒸馏水冲洗三次 ,藻体
连同滤纸取出后于 105℃下烘干 3h至恒重 ,称重、
计算。
2. 6　螺旋藻比生长速率的计算 [6]
μ= ( InC- InC0 ) /t
其中: t为生长时间 ; C0、 C为培养开始和时间
为 t时的螺旋藻的细胞浓度 ( g /l)。
以生长对数期螺旋藻干重浓度的对数差对生
长时间作图 ,经线性回归后求得回归直线的斜率即
为比生长速率。
3　结果与讨论
3. 1　分批培养螺旋藻的比较
在光照强度 E= 10klx ,温度 T= 30～ 33℃ ,起
始光密度 E0= 0. 04,通气速度 Vg= 24l /h条件下 ,
采用四种光生物反应器分批培养螺旋藻 ,生长曲
线、比生长速率及其求法分别如图 2、图 3、图 4所
示。
图 2　螺旋藻分批培养生长曲线
图 3　不同反应器的比生长速率比较
图 4　比生长速率的计算
由图 2、图 3、图 4可知 , 1. 2l鼓泡柱式光生物
·19·
反应器中螺旋藻生长比其它光反应器快得多 ,生长
对数期的比生长速率可达 0. 475d- 1 ,产量也较高 ,
最大细胞干重达 2. 13g /l。 这是因为鼓泡式搅拌可
获得更为柔和与彻底的混合效果 ,其中从下向上鼓
泡更有利于藻体的悬浮与溶解氧的溢出 ,可避免溶
解氧过高对藻体的伤害 ;同时利于营养和光能的吸
收与利用 ,在温度 T= 20℃ ,其它条件相同时 ,这种
反应器与静置型反应器中溶解氧的比较如图 5所
示。 可见 ,鼓泡柱式光生物反应器可维持较低的溶
解氧浓度 ,这对于螺旋藻的生长是极为有利的。 磁
力搅拌光生物反应器的产量和比生长速度虽然略
高于 0. 5l鼓泡柱式光生物反应器 ,但藻体有大量
碎裂 ,对收获不利 ,所以后者的总体效果优于前者。
因此 ,鼓泡柱式光生物反应器比静置和机械搅拌光
生物反应器更适于螺旋藻的培养。
图 5　溶解氧变化曲线
3. 2　影响螺旋藻生长的因素
3. 2. 1　气泡大小对螺旋藻生长的影响　在 E=
10klx、 T= 30～ 33℃、 Vg= 24l /h条件下 ,于 1. 2l
鼓泡柱式光生物反应器的进气管上安装气泡分布
器 ,使气泡更为细腻 ,此时螺旋藻的生长曲线及藻
液的酸碱度变化如图 6所示。 由图可知 ,安装气泡
分布器后藻液的酸碱度变化更为平稳 ,利于藻细胞
对二氧化碳及营养的吸收 ,产量和生长速度有所增
加。
3. 2. 2　二氧化碳对螺旋藻生长的影响　在上述相
同条件下 ,采用 1. 2l鼓泡柱式光生物反应器第三
天鼓入含有 2%二氧化碳的空气 ,与未通入二氧化
碳的纯净空气的对比如图 7。 螺旋藻生长的最佳
p H值为 9. 5～ 10. 5, p H过低则会抑制螺旋藻的生
长。 由图 7可看出 ,通入二氧化碳后藻液 pH有所
下降 ,整个生长过程维持在 8. 5～ 9. 5之间 ,此时螺
旋藻生长速度变得缓慢。 由此也可见 ,通入二氧化
图 6　有无气泡分布器时螺旋藻的生长曲线及 pH变化
碳是控制藻液酸碱度很好的方法 ,所以大规模生产
螺旋藻时 ,在生长后期可通入一定量的二氧化碳防
止藻液碱度过高 ,同时又可作为其生长所需的碳
源。
图 7　有无二氧化碳时螺旋藻的生长曲线及 pH变化
图 8　光强及温度对螺旋藻生长的影响
3. 2. 3　光照强度及温度对螺旋藻生长的影响　采
用 1. 2l鼓泡柱式光生物反应器 ,当通气速度 Vg=
24l /h时 ,对比两种光强 E1= 10klx、 E2= 16klx和
两种温度 T1= 15～ 20℃、 T2= 30～ 33℃下螺旋藻
的生长状况 ,结果如图 8。由图 8可见 ,在营养丰富
的情况下 ,温度一定时适当增加光强或光强一定时
适当增加温度均可加速螺旋藻的生长。光和温度是
·20·
螺旋藻生长的两个关键限制因子。螺旋藻生长的最
佳温度范围为 30～ 35℃。
3. 2. 4　通气速度对螺旋藻生长的影响　对于鼓泡
柱式光生物反应器而言 ,除气泡大小和是否通入二
氧化碳外 ,通气速度也是影响螺旋藻生长的一个较
为重要的因素。采用 1. 2l鼓泡柱式光生物反应器 ,
在温度 T= 30～ 33℃、光强 E= 16klx ,通气速度分
别为 Vg 1= 24l /h , Vg2= 42l /h, Vg 3= 46l /h通入纯
净空气时 ,螺旋藻的生长情况如图 9所示。可见 ,适
当增加通气速度 ,湍流程度增加 ,可明显提高混合
效果 ,更利于溶解氧的溢出 ,并可尽量避免光抑制
及藻体间的遮荫现象 ,利于营养及光能的吸收和利
用 ,这种影响在螺旋藻生长后期藻液浓度较高时尤
为显著。 上述条件下 ,当 Vg 3= 46l /h时 ,第五天螺
旋藻可达到最大细胞干重: 3. 3g /l。
图 9　通气速度对螺旋藻生长的影响
3. 3　鼓泡柱式光生物反应器中螺旋藻分批生长模
型
对于螺旋藻的光合自养分批培养 ,在营养丰富
的情况下 ,其细胞干重浓度与生长时间的关系近似
于线性关系 ,其生长过程可看成一个拟一级反应过
程 ,即生长不受底物浓度的影响 ,生长模型可用 c
= at+ b表示 ( c:细胞干重浓度、 t:生长时间 )。在温
度 T= 30～ 33℃、光强 E= 10klx、以 Vg= 24l /h的
通气速度通入纯净空气时 ,采用装有气泡分布器的
1. 2l鼓泡柱式光生物反应器分批培养螺旋藻 ,其生
长模型如图 10,具体的回归方程如下:
c= 0. 2905t- 0. 1922　相关系数 R2= 0. 9711
4　结论
4. 1　采用鼓泡柱式光生物反应器培养螺旋藻效果
优于静置和机械搅拌型光生物反应器。在其它条件
一定时 ,藻液的混合状况是影响螺旋藻生长的一个
重要因素 ,采用从下向上的鼓泡方式优于从上向下
的鼓泡方式。
图 10　螺旋藻分批生长模型
4. 2　对于鼓泡柱式光生物反应器而言 ,气泡大小、
气体类型 (有无二氧化碳 )、通气速度是影响螺旋藻
生长较为重要的因素。
4. 3　当营养丰富时 ,光照强度和温度是影响螺旋
藻生长的重要因素 ,适当增加光强和温度有利于螺
旋藻的生长。
4. 4　螺旋藻的分批培养生长模型近似于一个一级
反应过程 ,其细胞干重浓度与生长时间近似于线性
关系。
由于螺旋藻藻体比较脆弱 ,强烈的机械搅拌 ,
会造成藻体的大量断裂 ,给最后收获带来困难 ,因
此 ,宜采用柔和的气体搅拌方式。 鼓泡柱式光生物
反应器结构简单、易放大、能耗低、剪切小、混合效
果好、营养和光能利用率高 ,是一种适合螺旋藻培
养的高效光生物反应器。如能开发出体积较大的反
应器系统或将多组反应器并联使用 [7] ,则将更具有
可观的应用前景。
参考文献
1　李志勇等 . 粮食与饲料工业 , 1997( 10): 37- 39
2　李志勇等 . 食品研究与开发 , 1997( 2): 38- 40
3　李志勇等 . 海湖盐与化工 , 1998( 1): 38- 40
4　 Sittig W. . J. Chem. Technol. Bio tech no l. , 1982
( 32): 47- 58
5 　 Watanabc Yoshitomo . . Bio techno l. &
Bioengineer. , 1995( 47): 261- 269
6　 Hu Qiang et al. . Bio tech. & Bioengineer. ,
1996( 51): 51- 60
7　 T redici M . R. . J. Applied Phyco lo g y, 1992( 4):
221- 231
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