? ? ? ?隨著石油等不可再生能源的日益減少及低碳經(jīng)濟的迫切要求，生物能源已成各國的研發(fā)重點，但目前大多數(shù)的生物質(zhì)能源是由作物制備的，與農(nóng)業(yè)爭地，與人類爭糧，發(fā)展受到極大限制。微藻是一類具有葉綠素的單細胞生物，可自養(yǎng)、種類多、分布廣、生長快，由于微藻在繁殖過程中可利用CO2，也可利用工業(yè)廢水和生活污水中的廢物，避免與農(nóng)業(yè)爭地，有利于實現(xiàn)有機廢物處理與生物質(zhì)生產(chǎn)的耦合。收獲的微藻含有豐富的蛋白質(zhì)、油脂、色素等多種生物質(zhì)，是生產(chǎn)能源生物質(zhì)、食品、飼(餌)料或醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的良好原料，且有可能成為化石燃料以及作物生物質(zhì)的良好替代物，是實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。
? ? ? ? 為了達到上述目的，微藻生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化是必然之路，但是由于尚缺乏切實可行、適宜投資的實施方案，作為微藻產(chǎn)業(yè)化鏈條中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，微藻的大規(guī)模培養(yǎng)成為微藻產(chǎn)業(yè)化中公認的難點和熱點。目前，大規(guī)模培養(yǎng)微藻時所用的培養(yǎng)基大多是沼液、啤酒生產(chǎn)廢水、養(yǎng)殖廢水等有機廢物，可以收獲微藻作為生產(chǎn)飼料、色素、能源生物質(zhì)等的原料;亟待解決的關(guān)鍵問題集中在減少病蟲害污染、提高土地利用率和降低運行成本3個方面。常用的培養(yǎng)容器是光生物反應(yīng)器，分為開放式和封閉式兩大類，開放式光生物反應(yīng)器構(gòu)造簡單、操作方便、運行成本低，是目前產(chǎn)業(yè)化培養(yǎng)中最常使用的生物反應(yīng)器;封閉式光生物反應(yīng)器則主要應(yīng)用于實驗室或小規(guī)模培養(yǎng)微藻，制造、運行及維護成本均高于前者，但能夠較好地控制培養(yǎng)條件，具有更好的研究價值。
? ? ? ? 利用微藻處理廢氣、廢水和生產(chǎn)有機生物質(zhì)，光生物反應(yīng)器是關(guān)鍵工序和重要的限制因素，研發(fā)低成本、高產(chǎn)量的微藻生物反應(yīng)器勢在必行。鑒于目前有關(guān)反應(yīng)器研發(fā)不足，仍然存在諸多探討空間，本文將就上述兩大類微藻光生物反應(yīng)器的特性進行回顧，比較其優(yōu)劣，以期為相關(guān)研究提供借鑒。
1封閉式光生物反應(yīng)器
封閉式光生物反應(yīng)器內(nèi)部和外界有一定的隔離措施，便于實現(xiàn)微藻的無菌培養(yǎng)，有平板式、柱狀和管道式3種類型。
1. 1平板式光生物反應(yīng)器
? ? ? ? PBR是用透光性能較好的玻璃、樹脂等材質(zhì)制作而成的，結(jié)構(gòu)相對簡潔、易加工、易清潔、成本低、操作條件容易控制。比表面積是影響微藻光合作用的主要因素，因此制作過程中盡量增加反應(yīng)器的比表面積，并根據(jù)需要設(shè)計不同的光徑，另外為了獲得最佳的入射光強度，戶外放置的PBR通常要傾斜一定的角度。
? ? ? ? ?齊祥明和崔海龍在多節(jié)隔板PBR的基礎(chǔ)上增加了多級進氣，建立了多級進氣多級隔板式PBR(圖1)，有效提高了反應(yīng)器的混合與傳質(zhì)性能，通過與普通反應(yīng)器的液體平均速度、死區(qū)比、湍動能、湍動能耗散率、氣含率、液相傳質(zhì)系數(shù)等參數(shù)的對比，發(fā)現(xiàn)多級進氣多級隔板PBR各項指標均有很大提高。在通氣率(每分鐘通入反應(yīng)器的氣體體積與反應(yīng)器實際裝液體積之比)0.4~0. 8內(nèi)，該反應(yīng)器傳質(zhì)及混合性能表現(xiàn)優(yōu)異。所以，他們提出以多級進氣提高多節(jié)隔板反應(yīng)器性能，并通過對比氣含率、液體平均速度、湍動能、湍動能耗散率、死區(qū)、液相傳質(zhì)系數(shù)等性能評價參數(shù)得出多級進氣多節(jié)隔板反應(yīng)器通過特有的進氣結(jié)構(gòu)給出了更為優(yōu)越的流動、混合性能，同時這種流動混合方面的優(yōu)越性也明顯提高了該新型反應(yīng)器的傳質(zhì)性能，無疑將更加有利于微藻的培養(yǎng)。Alexandra等為了評估微藻培養(yǎng)對水資源恢復(fù)的潛力，從養(yǎng)分去除率和生物量生產(chǎn)2個方面評價了3臺0. 55 m2; PBR(圖2)的性能。PBR在室外(自然環(huán)境溫度和光照強度)運行，使用來自ANMBR的富營養(yǎng)廢水作為生長介質(zhì)，該廢水由預(yù)處理污水供給。太陽輻射是影響NRR的決定性因素。在光照強度203 000 lux、溫度25. 5℃、培養(yǎng)時間8d條件產(chǎn)生最大生物量52. 3mg, NRR為5.84 mg NH4-N·L-1·d-1和0. 85mg PO43–P.L- 1.d-1。在上述條件下，當進水中的營養(yǎng)鹽含量在40~ 50 mg N .L-1和6~7 mg p.L-1范圍內(nèi)時，可以達到出水營養(yǎng)鹽標準(歐洲標準91 /271 /CEE)。溫度和太陽輻射對PBR培養(yǎng)微藻有重要影響，太陽輻射強度是短期內(nèi)影響NRR的關(guān)鍵因素。
? ? ? ? ?PBR受到光照表面積大，藻液混合均勻，得到微藻生物量大;雖然其受制于制作材料的強度，放大困難，但可通過增加反應(yīng)器單元實現(xiàn);由于難以形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)?；拗屏薖BR的使用范圍，但在小規(guī)模的實驗室培養(yǎng)微藻中優(yōu)勢顯著;操作簡單、易控制，不易被雜菌污染、藻液收集方便，可以得到更高的生物量。
1. 2柱狀光生物反應(yīng)器
? ? ? ? CBR由柱體、供氣裝置、控溫裝置、光源等組成。其中，柱體材料由透明玻璃或塑料制成;所供氣體由底部進入，頂部排出;光源設(shè)置在柱體內(nèi)部或外部(可使用太陽光)，內(nèi)置光源雖然效率高但不易清洗，應(yīng)用受到限制。按進氣模式分類有鼓泡式CBR(圖3)和氣升式CBR 2種，其中鼓泡式有同軸管式、分隔柱式、分離式和外循環(huán)式等類型[00;氣升式反應(yīng)器內(nèi)部分成上升區(qū)和下降區(qū)2個部分，氣體由上升區(qū)底部進入，因此底部培養(yǎng)液含氣率大、密度小，氣體就會自動上升到頂部，頂部的空間較大，氣體逸散后從排氣口排出，此時的培養(yǎng)液含氣率降低、密度變大，氣體就會從下降區(qū)流回至上升區(qū)底部而形成循環(huán)
? ? ? ? 郭禎等采用自制的鼓泡式CBR，通過批式及兩段法培養(yǎng)湛江等鞭金藻(Isochrysis zhanjian-R-ensis sp. nov，一種產(chǎn)油模式藻種)。通過對微藻培養(yǎng)過程中pH、葉綠素?zé)晒?、微藻生物量及相關(guān)成分進行測定及分析，得到了此鼓泡柱式光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)條件范圍，并實現(xiàn)了對以上指標的可控和微藻油脂的積累。張芬芬等采用50 L內(nèi)置光源氣升式反應(yīng)器(圖4)，使用響應(yīng)曲面確定了最佳培養(yǎng)條件，內(nèi)置光源為紅藍光、光照強度約9 000 lux、光暗周期17. s h :6. s h，收獲的小球藻的藻細胞密度為5. 48 x 107個·mL-‘，收獲小球藻干重為1.21 g”L-‘，較優(yōu)化前提高了157%。該柱式光生物反應(yīng)器因體積較大，混合效果好，光源設(shè)置合理，且培養(yǎng)的藻密度較高，具有擴大培養(yǎng)規(guī)模的潛力，但考慮到試劑成本較高，需要進一步研究。
? ? ? ? CBR具有傳質(zhì)效率高、混合均勻、剪切力小、耗能低、操作簡單等優(yōu)點，多用于實驗培養(yǎng)微藻。但CBR一般容積小、造價高、放大困難，限制了其發(fā)展應(yīng)用。本課題組采用內(nèi)置光源氣升式進行藻種擴大，其實驗室培養(yǎng)條件易把控、光源充足、微藻生長快;但易染菌，需注意保持無菌環(huán)境或減少與外界接觸。
1. 3管道式光生物反應(yīng)器
? ? ? ?PPBR也是采用透光材質(zhì)制作，其光照表面積大、微藻生物量高、適合戶外培養(yǎng)，但存在管道內(nèi)部光線不足、耗能高、占地面積大以及管道內(nèi)培養(yǎng)液易出現(xiàn)pH, CO2濃度梯度差等缺點[17];同時，微藻易貼壁生長、氧解析困難，為此可以采取加大液體流速、減少管內(nèi)裝置、采用較大的管道內(nèi)徑及保持其光滑、加裝自動清洗裝置等方法降低貼壁現(xiàn)象。需要特別注意的是，大多數(shù)微藻最適生長溫度為20~30 ℃，而反應(yīng)器內(nèi)溫度會比周圍環(huán)境高10 30℃，應(yīng)及時采取控溫措施。
? ? ? ?雷玉玲和吳晶對一種新型帶螺旋肋的PPBR，用粒子追蹤模型模擬了微藻在反應(yīng)器中的運動情況。發(fā)現(xiàn)調(diào)整螺旋肋的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以達到改變微藻所受光暗循環(huán)的情況。隨著螺旋助螺距P的增加，微藻細胞經(jīng)歷的光暗循環(huán)率fav ,反應(yīng)器光暗循環(huán)強化效率出現(xiàn)峰值。PPBR內(nèi)部微藻細胞貼壁現(xiàn)象使管道內(nèi)部的阻力增加，光透過率降低、氧解析困難、能耗增加等問題限制了該類反應(yīng)器的發(fā)展及大規(guī)模應(yīng)用。
2開放式光生物反應(yīng)器
? ? ? ? ?PPBR可以通過在其中加入螺旋肋來增加藻液的流速，增加藻種與培養(yǎng)基的混合程度，大幅度的降低微藻貼壁生長的可能性，增加培養(yǎng)基中氧
開放式光生物反應(yīng)器與外界環(huán)境相通，雖然降低了培養(yǎng)成本，但達不到無菌培養(yǎng)環(huán)境，藻種純度不能保障。開放式光生物反應(yīng)器可分為跑道式和掛膜式等。
2. 1跑道式光生物反應(yīng)器
? ? ? ? RPBR構(gòu)造簡單、成本低廉、操作簡單，在過去的幾十年中已大量報道 RPBR以自然光為主要光源，但穿透性差，需保持淺水培養(yǎng)。RPBR(圖6)通過泵或漿輪驅(qū)動藻液流動，在反應(yīng)器入水口處可流加新鮮培養(yǎng)基，經(jīng)反應(yīng)器循環(huán)后等速從出水口處排出。目前主要應(yīng)用于各類污水的處理中，在微藻商業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。
? ? ? ? 跑道池式光生物反應(yīng)器構(gòu)件簡單、建造成本低、操作簡便并且可以利用空氣中的CO2，從而大大節(jié)省了生產(chǎn)過程所需費用。但是跑道式光生物反應(yīng)器混合性能不佳、功耗較大，培養(yǎng)液若不能和微藻進行有效混合會降低微藻生長過程中的光利用率，影響微藻細胞與培養(yǎng)液間的物質(zhì)交換、阻礙O2排出、致使藻細胞絮沉。宋培欽等利用戶外RPBR培養(yǎng)三角褐指藻，并探索了其優(yōu)化條件。研究表明:鹽度為20的條件下，三角褐指藻獲得最大細胞
2. 2膜式光生物反應(yīng)器
? ? ? ? MPBR利用了微藻吸附在固體培養(yǎng)基中形成生物膜的特點，因此其主要應(yīng)用于大規(guī)模CO2固定及污水處理. MPBR耗水少、微藻收獲成本低，但限制其應(yīng)用的主要原因是膜污染，膜污染會導(dǎo)致過膜壓力升高、膜通量下降，進而使裝置耗能增加。膜污染的形成原因是微生物及其殘骸、溶解性物質(zhì)或膠體物質(zhì)被吸附在膜的表面或內(nèi)部并形成累積。
膜污染不僅會降低膜的使用時間還會增加運行成本，因此對膜污染的成因及控制措施的研究極為重要。目前，學(xué)者們主要通過對膜材料、混合液和操作參數(shù)進行研究。Prashant等研究了利用MPBR(圖7)處理三級廢水時污泥停留時間對污水中微藻生物量累積的影響。分析得出，SRT并不能很好的控制生物量去除率，但它可以有效地緩解光限制，提高MPBR的微藻生物量產(chǎn)量。Gera等采用3種不同的微藻培養(yǎng)基，結(jié)合MPBR對污水進行處理。微藻與膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用，可獲得高效的生物量和優(yōu)質(zhì)的滲透水生產(chǎn)的雙重受益。更換膜材料雖能大幅度減少膜污染，但造成膜污染的成因非常復(fù)雜，微生物分泌的溶解性產(chǎn)物和胞外分泌物必然存在，兩者是造成膜表面凝膠層形成的主要原因。因此膜污染目前還不能完全消除，只能通過優(yōu)化設(shè)計方案得到減緩。MPBR雖然只限于有吸附能力的微藻培養(yǎng)使用，但其具有對水資源消耗少、便于微藻采收等優(yōu)點。目前對其報道較少，仍需進一步試驗與研究。
3展望
? ? ? ? 封閉式光生物反應(yīng)器雖然能夠有效控制微藻培養(yǎng)條件、減少污染，適用于更多的藻種，其中平板式和管道式因水分蒸發(fā)少、條件易控制、光照面積大、獲得藻生物量大的特點被認為最具有商業(yè)化潛力，但較高的造價及維護成本仍是主要瓶頸。開放式光生物反應(yīng)器能夠大規(guī)模培養(yǎng)微藻，降低培養(yǎng)成本，但藻種易受到污染、培養(yǎng)條件不受控制，只適用于生存能力強、不易發(fā)生基因突變的藻種。其中跑道式光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、建造容易、操作易實施故而應(yīng)用較為廣泛(表1）
綜合上述反應(yīng)器的現(xiàn)狀，可以預(yù)測以下3個方面有望成為發(fā)展趨勢。
①博采眾長，采用封閉式光生物反應(yīng)器與開放式光生物反應(yīng)器相結(jié)合的混合式微藻培養(yǎng)有望成為研究熱點。先采用封閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)得到大量純藻種，保證了后續(xù)生產(chǎn)所需純藻種的供給;再經(jīng)過開放式光生物反應(yīng)器進行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，可以獲得更高產(chǎn)量，為生產(chǎn)具有附加值的生物質(zhì)產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。
②減少耕地占用，將微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器盡量置于利用天然湖泊或近海的豐富水資源區(qū)域，可以大幅度降低微藻生產(chǎn)成本。可將藻種置于薄透膜袋中于湖泊或海水中培養(yǎng)，充分利用湖泊或海水中的營養(yǎng)物質(zhì)生產(chǎn)得到微藻生物質(zhì)。③研發(fā)新型高效的光生物反應(yīng)器用于微藻培養(yǎng)，研發(fā)過程中應(yīng)充分考慮微藻的生長特性、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、光分布、培養(yǎng)基的傳質(zhì)、藻液的混合等因素。
? ? ? ? 總之，微藻生物反應(yīng)器各有利弊，為了取長補短、相互彌補，許多學(xué)者傾向于研發(fā)不同構(gòu)造結(jié)合的混合型光生物反應(yīng)器，成為近幾年的熱點，相關(guān)研究也陸續(xù)出現(xiàn)在文獻中，但大多僅限于實驗室規(guī)模，距離規(guī)模化應(yīng)用還很遙遠。鑒于大部分研發(fā)涉及多學(xué)科領(lǐng)域知識的融合，尤其是材料學(xué)、光學(xué)、流體動力學(xué)等對生物學(xué)家比較陌生，呼吁更多不同專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)者行動起來，互通有無、克服困難、聯(lián)合攻關(guān)，使微藻的大規(guī)模商業(yè)化養(yǎng)殖早日成為新的經(jīng)濟增長點。
作者：李磊，張紅兵，李文濤，李會宣
轉(zhuǎn)自《生物技術(shù)進展》2020年第10卷第2期
